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作者:黃宗正(2001-04-16);推薦:徐業良(2001-04-18)
附註:本文為最佳化設計實驗室之感測器使用說明文件,內容包含感測器之原理介紹、裝置諸元與使用方法。

FSG15N1A型力感測器使用說明

1. 力感測器簡介

力感測元件(force sensors)在現今各種工業量測範圍中被廣泛地使用,所應用的感測原理主要不外是利用壓電效應(Piezoelectric effects)、壓阻效應(Piezoresistive effects)、以及電容效應。而力感測器可依照作動方式不同劃分為幾個主要的類型,包括電容式、磁阻式(LVDT)、應變計式及壓電式等等。多數力感測器均具有一能夠將力量轉變為位移的傳遞元件,受力後造成之位移變化,經過感測元件如LVDT、電位計等轉換為電訊號輸出,便可藉測量電訊號強弱推斷所受力量大小。將力量轉變為位移之傳遞元件多為彈性物體,受外力後可能產生下述兩種情況:局部應變或整體變形,這兩種情況可能單獨出現亦或同時存在,故而轉換元件需依傳遞元件受力後的變化情形配合選擇。

在使用力感測器時,首先要考慮的是感測器之受力方式為何種形式,是拉力、壓力、或是兩者均可?同時必須瞭解感測器量測之範圍與最大負載力量,通常用以表示力感測器過載額定力量的方式有兩種,一種是「安全過載額定力量(safe overload rating)」,表示所加入之過載力量不會導致感測元件性能退化;另一種為「最大過載額定力量(ultimate overload rating)」,代表不會使感測器結構被破壞的最大負載力量。另一個重要的考慮因素為施力方式,因為不同施力方式將造成感測器不同的反應。

以下內容中將介紹Honeywell公司生產之力感測器FSG15N1A型之原理構造與使用方法。

2. FSG15N1A型力感測器工作原理與性能規格

此型壓力感測器以壓阻效應為基礎,並利用半導體材料作為感測元件。所謂壓阻效應是指當感測器內部感測元件受到外界壓力作用於其上時,其電阻值會隨之改變的現象,尤其當以半導體材料作為感測元件材質時,阻值變化較其他材質更為顯著。此型壓力感測器便利用此壓阻效應原理,以微製程製作出矽質半導體感測元件進行感測,當矽質半導體感測元件受到外界壓力擠壓造成體積收縮時,其電阻值將隨壓力增加而逐漸增大。圖1為此型力感測器內部構造,可看出感測元件對應受力方向間之關係。

1. FSG15N1A型力感測器內部結構圖

1FSG15N1A型力感測器之各項性能規格。

1. FSG15N1A性能規格

FSG15N1A

工作激勵電壓(Excitation Input

10.0~12.0Vdc max.

測量壓力範圍(Operating Force

0~1500grams

敏感度(Sensitivity

0.24mV/gram(0.20 min.~0.28 max.

線性度(Linearity

22.5~22.5grams

輸入阻抗(Input resistance

5.0K(4.0K min.~6.0K max.

輸出阻抗(Output resistance

5.0K(4.0K min.~6.0K max.

最大承受壓力(Over force

4500grams

3. FSG15N1A型力感測器使用說明

FSG15N1A型力感測器使用時需輸入約10Vdc激勵電壓使其作動,電源產生方式可利用市售變壓器或自製電源以提供激勵電壓,其內部的矽質半導體感測元件便會因壓阻效應將所受外力轉變為電阻值變化,亦使其輸出電壓隨之改變,藉由測量輸出電壓即可推算出壓力大小。然而常見的問題是,由於壓阻效應觸發之電阻值變化極小,以此型力感測器為例,其電壓輸出約在0.24mV0.36V間之範圍內變化,電壓值十分微小,且此型壓力感測器內部並無搭配補償與放大電路之設計,單以如此小之電壓訊號輸出會造成訊號處理上的困難,故必須外接運算放大器以針對輸出訊號進行放大處理。圖2為此型力感測器外觀,可清楚看出頂部盤狀受力構造(或球狀)與外圍4支接腳;而圖3則為此型感測器外部接腳與周邊設備,包括電源供應裝置、放大電路,與訊號處理裝置之連接關係圖。

2. 力感測器外型圖

3. 壓力感測器線路配置示意圖

壓力感測器上有四支Pin腳,分別為:

PIN1=電源輸入正端Vs(+)

PIN2=訊號輸出正端Output(+)

PIN3=電源輸入負端Ground(-)

PIN4=訊號輸出負端Output(-)

使用時將PIN1PIN3接上電源,此時需注意最大供應電壓不可超過12Vdc,最大供應電流不可超過1.6mA,而PIN2PIN4是電壓訊號輸出線,接上訊號放大電路將輸出電壓放大後再連接上訊號處理裝置。圖45是壓力感測器與運算放大器連接的線路圖,兩圖中惠斯通電橋上4個加圈的1234即代表壓力感測器的PIN1PIN2PIN3PIN4Vo為經放大器放大後之訊號輸出,可藉由改變所搭接電阻之電阻值來決定放大器所要放大的訊號倍數。

4. 力感測器放大電路圖(I)

5. 力感測器放大電路圖(II)

4與圖5種連接方式的差別在於,圖4的連接方法可透過電阻R1R2R3R4直接決定放大器的增益倍數,但缺點為無法進行緩衝及穩定增益,故而誤差也較大,尤其對於壓力感測器來說,因為無法抵銷偏置電壓(offset),R1R2這兩個放大器輸入電阻會改變感測器內部感測元件的特性而使得感測結果不正確,故若欲要求精確的感測結果時最好不要使用。圖5提供的連接法雖較為複雜,但也因電路中連接了三個放大器的緣故而能夠處理掉不必要的誤差及雜訊,進而補償感測器及放大電路的偏置電壓,並且使放大器的增益穩定,所以圖5的接法較適合測量精密度需求高的場合。

參考文獻

“Solid State Sensors,” Micro Switch Sensing and Control, Catalog 15, 1997, p.61-63, P.109.

“感測與轉換”,吳朗編著,全欣資訊圖書,813月。

“感測器”,陳瑞和編著,全華圖書,821月。