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金属封装式FBG传感器设计及应变传递试验

第50 卷第 4 期2023年4 月Vol.50，No.4Apr. 2023湖南大学学报（自然科学版）Journal of Hunan University（Natural Sciences）金属封装式FBG传感器设计及应变传递试验杜翠翠，孔德仁†，徐春冬（南京理工大学机械工程学院，江苏南京 210014）摘要：为实现对被测基体结构应变的精确测量，设计一种基于金属封装粘贴式光纤光栅应变传感器，建立了6层结构的应变传递模型，分析推导了被测基体层、基底粘胶层、封装基底层、光纤粘胶层、保护层及光纤光栅层的应变传递机理，并通过理论分析和有限元仿真对比分析了光纤光栅长度、光纤粘胶层厚度、基底粘胶层厚度、中间层的弹性模量和泊松比等主要因素对平均应变传递率的影响.根据仿真结果，确定所设计的金属封装粘贴式光纤光栅传感器的封装材质、尺寸及粘胶层厚度.最后通过设计等强度悬臂梁作为施加载荷载体，提出应变传递误差修正系数，对上述铝合金封装粘贴式光纤光栅及裸光纤光栅传感器进行了应变传递对比试验.结果表明，裸光纤光栅和金属封装式光纤光栅传感器的平均应变传递率分别为98.25%和98.15%，与仿真计算误差在0.15%~0.25%以内.关键词：金属封装式光纤光栅传感器；平均应变传递率；有限元仿真；等强度悬臂梁中图分类号：TP212.9.1；TH825 文献标志码：ADesign of Metallic Packaged Fiber Bragg Grating Sensor and Its StrainTransfer ExperimentDU Cuicui，KONG Deren†，XU Chundong（School of Mechanical Engineering， Nanjing University of Science & Technology， Nanjing 210014， China）Abstract：To achieve an accurate measure of the strain value of the measured structures， a metallic packaged fiber Bragg grating （FBG）strain sensor is designed. A six-layer strain transfer model of the FBG sensor is established，and its strain transfer mechanism from the measured substrate layer，substrate adhesive layer，packaging substrate layer， adhesive layer of FBG， protective layer， and FBG layer is analyzed and derived. Through theoretical analysis and finite element simulation， the effects of the FBG length， the thickness of the FBG layer and substrate bonded layer， the elastic modulus， and Poisson's ratio of middle layers on the average strain transfer rate are comparatively analyzed. According to the simulation results， the packaging material， size， and adhesive layer thickness of the designed FBG sensor are determined. Finally， an equal-intensity cantilever beam that provides the load on FBG is designed， and a correction coefficient of the strain transfer error is proposed. A comparison test of strain transfer is carried out on the bare FBG and metallic packaged FBG sensors. The results show that their average∗收稿日期：2022-04-19基金项目：国家自然科学基金资助项目（11372143）， National Natural Science Foundation of China （11372143）；国防科工局技术基础科研项目（995-14021006010401），National Defense Basic Scientific Research（995-14021006010401）；江苏省自然科学基金资助项目（BK20190464），Natural Science Foundation of Jiangsu Province（BK20190464）作者简介：杜翠翠（1991—），女，山东聊城人，南京理工大学博士研究生† 通信联系人，E-mail：********************文章编号：1674-2974（2023）04-0009-12DOI：10.16339/ki.hdxbzkb.2022203湖南大学学报（自然科学版）2023 年strain transfer rates are 98.25% and 98.15%，respectively，and the error between the simulation results is within 0.15%~0.25%.Key words：metallic packaged fiber Bragg grating （FBG） strain sensor；average strain transfer rate；finite ele⁃ment simulation；equal-intensity cantilever beam光纤光栅（Fiber Bragg Grating，FBG）传感器具有体积小、质量轻、耐腐蚀、抗电磁干扰、稳定性好、精度高等优点［1-3］，且基底封装式FBG易粘贴或置入到复合材料表面或内部如机身、机翼复合材料内部等，以实时监测飞机的应变、温度或振动等物理量的变化，为飞机关重件（机身、机翼、尾翼、垂尾等）结构的健康监测提供重要判别依据［4-6］.裸光纤封装之前的直径只有125 μm ［7］，受到外界载荷时极易发生破损，因此，光纤光栅在投入工程应用之前，必须进行封装.金属封装粘贴式FBG传感器是将裸 FBG 经保护层（一般为高分子材料）裹覆，然后通过粘胶剂粘贴在某种金属基底的表面凹槽内，并用环氧树脂胶进行固定，最后粘贴于被测物表面进行监测.这种基片封装粘贴式FBG传感器具有易标定、线性度高、使用寿命长等优点［8-9］.金属封装粘贴式FBG传感器的应变传递关系一直是国内外学者研究的重点.被测结构的应变一般需要经过基底粘胶层、金属基底层及FBG粘胶层等中间层才能传递到裸FBG，且封装基底材料的厚度、弹性模量，粘胶层的厚度及弹性模量等都对应变传递产生不同的影响.而且，由于FBG金属封装基底材料与被测结构材料不同，FBG传感器测得实际应变与被测基体真实应变之间存在一个传递系数.因此，分析金属封装粘贴式FBG传感器的不同结构层的应变传递机理，确定其应变传递效率，并及时对应变测量结果做出修正，是实现对结构应变精确测量的前提［10-12］.孙丽等［13］建立了基体结构-胶体-基片-胶体-FBG传感器的5层应变传递模型，并推导出应变传递公式.Zhao等［14］研究了一种基于表面粘贴式FBG 传感器的改进粘接方法，推导出了应变传递公式并用有限元进行了验证.权志桥等［15］以基片粘贴式FBG传感器为研究对象，建立了FBG传感器-粘胶层-被测基体3层结构的应变耦合传递模型，推导出了应变测量值与真实值之间的修正关系.吴入军等［16］提出了由光纤、保护层、黏结层、衬底、外黏结层、基体组成的应变传递函数模型，并通过有限元仿真验证了函数模型与实际值之间存在偏差.上述文献中，虽然均建立不同层应变传递模型，且对中间层不同变量对应变传递率做了影响分析，但并未对实际值与理论值存在的偏差进行修正.而且，FBG对应变和温度具有双重敏感性［17］，因此在试验验证中应该考虑温度对FBG应变传递率的影响.综上所述，为提高金属封装粘贴式FBG在实际测量应用中的测量精度，本文设计了一种由铝合金AlSi10Mg作为封装材料的FBG应变传感器，并建立了6层应变传递机制模型，通过理论分析和有限元仿真探讨了中间层不同因素对应变传递率的影响，建立了误差修正模型，最后通过悬臂梁试验验证了所设计的金属封装粘贴式FBG传感器的实用性.1 金属封装式FBG应变传感器设计及其应变传递模型1.1 FBG传感器传感机理图1为光纤光栅传感原理示意图，光纤光栅应变传感器的核心构件是刻有光栅的纤芯，其本质是一段纤芯折射率周期性变化的光纤.FBG主要由纤芯、包层和保护层（亦称涂覆层）组成，纤芯和包层主要由二氧化硅（SiO2）组成，且纤芯中一般会掺入微量的二氧化锗等，以改善纤芯的折射率，使光全反射到纤芯中.图1 光纤光栅传感原理示意图Fig.1 Schematic diagram of FBG sensing principle10第 4 期杜翠翠等：金属封装式FBG 传感器设计及应变传递试验当一束宽光谱光经过光纤光栅时，由于光纤光栅的光波选择作用，满足布拉格条件的光被反射回来，其余的光束则透射过去不受影响.其中反射光谱的峰值即为布拉格光栅的中心波长［18］.根据光纤耦合模理论，光纤 Bragg 光栅反射光的中心谐振波长取决于光栅的周期和纤芯的有效折射率，光纤Bragg 光栅的谐振方程为λB =2n eff Λ（1）式中：λB 为光纤Bragg 中心波长；n eff 为纤芯有效折射率；Λ为光栅周期.根据光纤的各向同性，进一步推导出光纤光栅在均匀轴向应变的情况下，其相对中心波长的漂移量ΔλB 与应变的关系为：ΔλB =λB (1-P e )ε=K εε（2）式中：P e 为有效弹光常数； K ε为光纤光栅的应变灵敏度系数；ε为被测基体发生的形变.1.2 金属封装式FBG 应变传感器设计及封装工艺从FBG 传感器的结构、材料及工艺出发，设计了一种以金属为封装基底的基片粘贴式光纤光栅应变传感器，其封装基底外形及构造组成正面图和背部图分别如图2（a ）和图2（b ）所示.由图2（b ）可知，将保护层包裹的光纤光栅利用环氧树脂胶粘贴到刻有凹槽的金属基片上，光纤光栅的两端通过点胶加以固定.采用金属对裸光纤进行封装，在提高灵敏度的同时对裸光纤进行保护，另外在尾纤根部使用耐高温套管保护裸光纤，增强了光纤在易折断区域的强度.设计的FBG 传感器结构简单，体积小，易对被测物理量敏感，且封装过程简单易行.该FBG 应变传感器所能测得的应变量程范围为-2 500~3 000 με.在实际工程应用中，为提高FBG 传感器使用寿命，必须对裸光纤光栅进行保护性封装，具体封装过程为：首先采用砂纸和丙酮将金属基底表面和预先刻制好的凹槽进行打磨和清洁，然后将光纤光栅放至凹槽内，并迅速使用速干胶对光栅加以固定，再采用配比均匀且适量的环氧树脂胶均匀涂覆在粘贴区域，并固化24 h.根据传感器具体工程应用中的被测基体材质及其使用环境等情况，并结合对上述FBG 传感器进行理论分析和仿真结果，从而确定传感器的封装结构材质和尺寸大小.1.3 FBG 传感器6层结构应变传递模型为确保设计的FBG 应变传感器测量被测基体变形的真实性和准确性，建立了光纤光栅应变传感器6层结构应变传递模型，拟通过对应变传递模型进行理论力学分析，推导出FBG 传感器的应变传递公式，得到应变传递率的影响因素.建立的FBG 传感器6层结构的横截面示意图和各层结构轴向应力分布，分别如图3（a ）和图3（b ）所示.由图3可知，建立的金属封装基片粘贴式FBG 传感器由光纤光栅层、保护层、光线粘胶层、封装基底层、基地粘胶层、被测基体层共6层结构组成.从被测基体到光纤光栅的应变传递过程为：被测基体结构受到外部载荷作用产生形变，通过基底粘胶层、封装基底层、光纤粘胶层及保护层等过渡层的剪应力作用，将形变传递给纤芯，使其产生轴向应变.在理论分析FBG 传感器6层结构应变传递机制时，需采用如下假设：1）上述涉及的材料均为线弹性各向同性体，基体材料仅承受FBG 粘贴方向的均匀应变.2）光纤纤芯和包层的机械性能相同，因为纤芯一般掺杂微量锗元素，包层掺杂微量硼元素，且在采用相位掩模板法对光栅进行刻写时会使光纤的机械性能产生一定的改变，但改变不大，可等同处理.3）光纤与胶接层、保护层、基底层、基底胶结层及被测基体间的互交界面紧密结合，没有脱落.4）只有被测基体结构受到均匀轴向外力作用，其应变通过剪应变传递，而基底粘贴层、基底、保护层和光纤不直接受力.图3中，2L 表示光纤光栅的长度，D 为光纤光栅传感器基底封装的宽度，h 为光纤光栅粘胶层上部的厚度.下标f 、p 、v 、b 、z 和 o 分别代表光纤光栅、保护层、光纤粘胶层、封装金属基底层、基底粘胶层和被（a ）正面图（b ）背部图图2 金属封装基片粘贴式FBG 应变传感器外形图Fig.2 Diagram of the designed surface-bonded FBG sensor withmetallic package11湖南大学学报（自然科学版）2023 年测基体.τ(x ，r )、 σx 、ε、d σ 和r 分别代表不同层间的剪切应力、轴向应力、应变、各层微单元的轴向应力以及沿光纤径向长度的变量.根据剪滞理论和弹性力学知识，对金属基片封装的光纤光栅传感器沿轴向任意取微单元d x ，对各层进行力学分析，得到光纤光栅层、保护层、光纤粘胶层、封装基底层、基底粘胶层的力学平衡微分方程分别为：ìíîïïïïïïïïπr 2f σf =πr 2f (σf +d σf )+2πr f τ(x ，r f )d x π(r 2p -r 2f )σp +2πr f τ(x ，r f )d x =π(r 2p -r 2f )(σp +d σp )+2πr p τ(x ，r p )d x [D (h +r p +r v )-πr 2p ]σv +2πr p τ(x ，r p )d x =[D (h +r p +r v )-πr 2p ](σv +d σv )+Dτ(x ，r v )d x [D (r b -r v )]σb +Dτ(x ，r v )d x =[D (r b -r v )](σb +d σb )+Dτ(x ，r b )d x [D (r z -r b )]σz +Dτ(x ，r b )d x =[D (r z -r b )](σz +d σz )+Dτ(x ，r z )d x （3）当被测基体产生的应力通过剪切力逐渐传递到光纤光栅时，光纤以轴向变形为主，忽略掉径向变形.轴向变形用u =u (x )表示，则ε=d u /d x 表示轴向应变.且上述各个层的变形近似认为是同步变形，即认为各层之间的应变梯度近似相等，即d εf d x ≅d εp d x ≅ d εv d x ≅d εb d x ≅d εzd x（4）则从式（3）可进一步计算得到光纤光栅、保护层、光纤粘胶层、封装基底层及基底粘胶层的剪应力可表示为：ìíîïïïïïïïïïïïïïïτf(x ，r )=-r f ⋅E f 2⋅d εf d x ，r f <r τp (x ，r )=-(r 2-r 2f )⋅E p 2r ⋅d εp d x -r 2f ⋅E f 2r ⋅d εfd x ，r f <r ≤r p τv (x ，r )=-[πr 2f ⋅E f +(r 2p -r 2f )⋅π⋅E p D +(h +r p +r -πr 2p D )⋅E v ]⋅d εfd x ，r p <r ≤r v τb (x ，r )=-[πr 2f ⋅E f +(r 2p -r 2f )⋅π⋅E p D +(h +r p +r a -πr 2p D )⋅E a +(r -r a )⋅E b ]⋅d εf d x ，r v <r ≤r bτz (x ，r )=-[πr 2f ⋅E f +(r 2p -r 2f )⋅π⋅E p D +(h +r p +r a -πr 2p D )⋅E a +(r t -r a )⋅E t +(r -r t )⋅E z ]⋅d εf d x ，r b <r ≤r z（5）图3 基片粘贴式光纤光栅传感器6层结构示意图Fig.3 Schematic diagram of six-layer structures of FBG sensor12第 4 期杜翠翠等：金属封装式FBG 传感器设计及应变传递试验光纤光栅传感器以轴向变形u =u (x )为主，则ìíîïïïïτi(x ，r )=G i ⋅ζ(x ，r )=G i ⋅ζ(∂u ∂r +∂v ∂x )≅G i ⋅du d r G i =E i 2(1+λi )（6）式中：i 表示不同层，G i 表示i 层的剪切模量，E i 和λi 分别代表i 层材料的弹性模量和泊松比.将式（6）代入式（5）可得到传感器各层的剪应力：ìíîïïïïïïïïïïïïïïïïτf (x ，r )≅ G f ⋅d u d r =E f 2(1+λf ) ⋅d u d r ，r f <r τp(x ，r )≅ G p ⋅d u d r =E p 2(1+λp ) ⋅d u d r ，r f <r ≤r p τv (x ，r )≅ G v ⋅d u d r =E v 2(1+λv ) ⋅d ud r ，r p <r ≤r v τb (x ，r )≅ G b ⋅d u d r =E b 2(1+λb ) ⋅d ud r ，r v<r ≤r b τz (x ，r )≅ G z ⋅d u d r =E z 2(1+λz ) ⋅d u d r ，r b <r ≤r z （7）积分式（7）中的各式再变换得到：u z -u f =[r 2f ln (r p /r f )2G p +πr 2f D (r v -r p G v +r b -r v G t +r z -r b G z )]⋅E f ⋅d εfd x+[(r 2p -r 2f )-2r 2f ln (r p /r f )4G p +π(r 2p -r 2f )D (r v -r p G v +r b -r v G b +r z -r b G z )]⋅E p ⋅d εfd x+[(h +32r p +12r v -πr 2p D )(r v -r p )G v +(h +r p +r v -πr 2p D )(r b -r v G b +r z -r b G z )]⋅E v ⋅d εf d x +[(r b -r v )(r b -r v 2G b +r z -r b G z )]⋅E b ⋅d εf d x +[(r z -r b )22G z ]⋅E z ⋅d εfd x（8）式中：u f 和u z 分别代表光纤光栅和被测基体层发生的轴向位移.对于式（8），令k=（9）其中，m 1=[r 2f ln (r p /r f )2G p+πr 2f D (r v -r p G v +r t -r vG b +r z -r bG z)]（10）m 2=(h +32r p +12r v -πr 2p D )(r v -r p )G v（11）m 3=(h +r p +r v -πr 2p D )(r b -r v G b +r z -r bG z )（12）m 4=(r b -r v )(r b -r v 2G b +r z -r bG z )（13）m 5=(r z -r b )22G z（14）可得到式（8）的简单表示：u z (x )-u f (x )=-1k2⋅d εfd x （15）式中：k 称为FBG 六层应变传递结构的应变滞后系数.式（15）对x 进行求导，整理得到光纤光栅与被测基体在轴向应变的对应关系：d 2εfd x2=-k 2(εz -εf )（16）由式（16）得到：εz =εf -1k 2⋅d 2εfd x 2（17）式（17）为二阶微分方程，其通解为：εf (x )=C 1e kx +C 2e -kx +εz（18）其中，C 1和C 2为积分常数，其数值由方程的边界条件决定.方程的边界条件为：光纤光栅与其保护层、光纤粘胶层的两端为自由端，无剪应力传递，因此可得εf (L f )=εf (-L f )=0（19）根据边界条件（19），求解方程得到积分常数：C 1=C 2=-εz2cosh(kL )（20）根据式（20）得到光纤光栅传感器的轴向应变为：εf (x )=[1-cosh (kx )cosh (kL )]⋅εz（21）进而得到光纤光栅实际测得的应变与被测基体本身产生的应变比值，即FBG 传感器的应变传递率和平均应变传递率为：β(x )=εf (x )εz =[1-cosh (kx )cosh (kL )]（22）13湖南大学学报（自然科学版）2023 年βˉ(x)=εˉf(x)εz=∫-L Lεf(x)d x 2Lεz=1-sinh(kL)k⋅L⋅cosh(kL)（23）由式（22）可知，当x取值为0时，β(x)取值最大，即FBG传感器的中间位置应变传递率最大.由式（9）~（14）及式（23）可知，影响FBG应变传递的主要因素有光纤光栅长度L，光纤粘贴层厚度（r v-r p+h）、封装基底层厚度（r b-r v），基底粘贴层厚度（r z-r b）、保护层的弹性模量E p和泊松比λp，封装基底材料的弹性模量E b和泊松比λb及粘胶层的弹性模量E z和泊松比λz等.1.4 金属封装式FBG传感器应变传递修正对于金属封装基片式FBG应变传感器，当其被粘贴在被测基体表面时，由于封装基底厚度及粘胶层厚度的影响，被测基体发生的形变量ε基体与FBG 测得的应变εFBG必然不相等.根据对被测基体的力学分析，引入金属封装式FBG应变传递修正系数δFBG，裸光纤的应变传递修正系数为δbare，公式分别为：δFBG=1+2r+h1-h2+h3h（24）δbare=1+2r+h3h（25）式中：r为FBG半径；h1为封装基底的厚度；h2为基底上凹槽的厚度；h3为封装基底粘胶层的厚度；h为被测基体的厚度.则金属封装基片粘贴式FBG传感器和裸光纤的应变传递率βFBG和βbare分别为：βFBG=εFBGε梁⋅δFBG×100%（26）βbare=εFBGε梁⋅δbare×100%（27）2 FBG应变传递率有限元仿真分析为验证所设计的金属封装基片粘贴式FBG应变传感器的光纤长度、粘胶层厚度、保护层、基底材料、粘胶层的弹性模量、泊松比等对光纤平均应变传递率的影响，利用有限元软件Ansys Workbentch 对FBG在不同影响因素下的平均应变传递率进行仿真分析和计算.其中，仿真被测基体为悬臂梁，材质为铝合金2A12.建立的FBG 6层结构的有限元模型如图4所示，各层材料的物理属性参数如表1所列.表1中的属性参数范围是接下来探讨的不同影响因素.按照表1中各层的不同物理量对建立的FBG 6层结构有限元模型进行网格划分，为缩短仿真时间，对各层选用不同的尺寸网格进行划分，网格划分如图5所示.边界约束定义为被测基体一端固定不动，在另一端面施加载荷，使被测基体产生形变.为清晰地观测光纤轴向方向和被测基体轴心内的应变，在Work⁃bentch求解时，对FBG 6层结构模型设置两个求解Path路径，如图6所示：其一为被测基体轴心沿基底粘胶层粘贴长度的路径；其二为光纤轴线粘贴长度方向上的路径.按照表1，针对FBG在不同的粘贴长度、粘胶层图4 FBG 6层结构有限元模型Fig.4 Finite element model of FBG sensor with six-layer structure表1 各层材料的物理属性参数Tab.1 Physical property parameters of materials in each layer名称光纤保护层光纤粘胶层封装基底基底粘胶层被测基体密度/（g·cm-3）43.51.82.321.82.78泊松比0.170.2~0.50.380.280.380.347弹性模量/MPa72 0001.2~8.32 000~3 00060 000~80 0002 000~3 00068 000尺寸信息/mm长：5~65；半径：0.062 5长：20~40；半径：0.125 0厚度：0.1~2.5长：20~40；宽：9；厚度：0.5~2厚度：0.1~2.5200（长）×40（宽）×8（高）14第 4 期杜翠翠等：金属封装式FBG 传感器设计及应变传递试验厚度、保护层、封装基底、基底粘胶的弹性模量和泊松比、封装基底厚度和基底粘胶厚度分别进行了理论计算和仿真对比分析；根据设置的光纤和被测基体上两条路径上的应变变化，计算得到FBG 六层结构在不同影响因素下的平均应变传递率β.图7是其他参数不变情况下，不同光纤粘贴长度对平均应变传递率β的影响.由图7可知：平均应变传递率β随着FBG 粘贴长度的增加而增大，但曲线变化斜率逐渐减小，且有限元计算结果和理论分析计算的结果基本相吻合，但存在些许差异，仿真结果值较理论计算值略低，原因是有限元仿真的精度受限于网格划分的精度，包括物理模型的构造、单元类型的选择及网格密度等方面.在实际应用中，要根据FBG 传感器的安装工艺和操作环境来适当选取FBG 长度.图8为光纤粘胶层厚度和基底粘胶层厚度对β的影响，图8（a ）和8（b ）分别为有限元仿真计算和理论计算结果，粘胶层厚度为0.1~2.5 mm.图8对比了理论计算和有限元分析计算中不同光纤粘胶层和基底粘胶层厚度对平均应变传递率的影响.由图8（a ）和图8（b ）中颜色深浅可知，平均应变传递率随着粘胶厚度的减小而增大，当光纤粘胶层厚度和基底粘胶层厚度都达到最小值0.1 mm 时，平均应变传递率达到最高，且理论值和有限元分析值基本吻合（分别达到99.45%、99.51%）.但在实际工程应用中，粘胶层薄而均匀，但若太薄，当被测结构基体发生变形时，可能导致FBG 传感器脱落失效.所以，要结合实际情况适当选取粘胶层厚度.保护层的主要成分是环氧树脂、硅橡胶等高分子材料，图9为保护层的不同弹性模量E p （0~9 MPa ）和泊松比λp （0~0.6）对平均应变传递率β的影响，图9（a ）和图9（b ）分别为有限元仿真和理论计算的结果.可以看出，无论是理论计算还是有限元仿真，保护层的弹性模量和泊松比对平均应变传递率的影响极小，平均应变传递率均大致稳定在98.82%~98.95%.因此，在分析FBG 传感器的应变传递时，可忽略保护层的弹性模量和泊松比对其的影响.图5 FBG 6层结构网格划分图Fig.5 Meshing diagram of FBG sensor with six-layer structure图6 FBG 6层结构应变求解路径图Fig.6 Solution paths of FBG sensor with six-layer structure图7 不同光纤粘贴长度对β的影响Fig.7 Effect on βwith different length of FBG（a ）有限元仿真计算（b ）理论计算图8 光纤粘胶层厚度（r v -r p +h ）和基底粘胶层厚度（r b -r v ）对β的影响Fig.8 Effect on β with different adhesive layer thickness of FBGand packaging substrate （r v -r p +h ） and （r b -r v ）15湖南大学学报（自然科学版）2023 年封装基底材料一般为金属材料，图10为封装基底材料弹性模量E b （60~80 GPa ）和基底厚度r b -r v （0~2.5 mm ）对β的影响，图10（a ）、10（b ）分别为有限元仿真和理论计算结果.由图10（a ）中柱形颜色变化及图10（b ）中曲线颜色深浅可知，封装基底材料的弹性模量过大或过小均会降低应变传递率，当封装基底材料的弹性模量约为68 GPa ，且基底厚度在0.1~ 1 mm 时，平均应变传递率可取得较高值（约在98.46%~98.57%）.这是因为封装基底厚度的增加使得剪应变增大，从而也加大了应变传递损耗.值得注意的是，当平均应变传递率取得最大时，封装基底的弹性模量与仿真基体材质的弹性模量均为68 GPa.所以在实际应用中，封装基底尽量设计较薄，以减少应变传递损耗.而封装基底材料尽量设计为与被测基体材质属性相同，以实现对被测结构应变的精确测量.粘胶层常用的胶为环氧树脂胶，图11展示了粘胶层在弹性模量E z 为2~5 GPa ，泊松比λz 在0.2~0.5范围内对平均应变传递率的影响.从图11（a ）和11（b ）中颜色深浅可以看出，基底粘胶层的弹性模量和泊松比对平均应变传递率的影响略有不同，但从整体变化趋势看，影响较小.综上所述，对于建立的FBG 6层应变传递模型，不同光纤光栅粘贴长度、光纤光栅粘胶层厚度、封装基底粘胶层的厚度、封装基底的弹性模量和基底厚度是影响光纤光栅平均应变传递率的主要因素，且理论计算和有限元仿真分析结果均吻合.3 试验验证3.1 铝合金基底FBG 应变传感器应变传递仿真结合2节中不同影响因素对FBG 应变传递率的分析及传感器实际应用情况，将1.2中设计的FBG 应变传感器的基底材料选为铝合金材料AlSi10Mg ，尺寸信息为36 mm （长）×9 mm （宽）×1 mm （厚）.利用有限元软件Ansys Workbentch 对确定好尺寸及材料属性的铝合金FBG 应变传感器进行应变传递仿真，等强度梁（材质为铝合金2A12）作为被测基体，FBG 各层的物理属性参数如表2所示.（a ）有限元仿真计算（b ）理论计算图9 保护层弹性模量E p 和泊松比λp 对β的影响Fig.9 Effect on β with elastic modulus E p and Poisson-ratio λpof the protection layer（a ）有限元仿真计算（b ）理论计算图10 封装基底材料的弹性模量E b 和基底厚度（r b -r v ）对β的影响Fig.10 Effect on β with elastic modulus E b of metallic packagematerial and its thickness （r b -r v ）16第 4 期杜翠翠等：金属封装式FBG 传感器设计及应变传递试验对等强度悬臂梁自由端顶部施加载荷，使梁表面产生一定形变量.光纤光栅FBG 表面和等强度悬臂梁表面的应变云图分别如图12（a ）和图12（b ）所示.根据图12中的FBG 和等强度悬臂梁的应变云图，可计算出该金属封装粘贴式FBG 传感器的平均应变传递率为98.40%.3.2 等强度悬臂梁应变传递试验鉴于理论仿真分析与FBG 应变传感器在实际应用中存在偏差，且仅采用有限元仿真对建立的FBG 6层应变传递模型进行验证存在不足.因此，本文通过设计等强度悬臂梁为被测基体，验证上述设计的铝合金封装式FBG 应变传感器在实际测量中的平均应变传递率是否与仿真结果保持一致，并提出误差修正系数.3.2.1 等强度悬臂梁设计等强度悬臂梁作为一种特殊的变截面梁，当在梁的自由端顶部施加集中载荷时，梁的上下表面处的轴向应变均匀分布，且大小均为6FL /Ebh 2.其中，F 为对悬臂梁自由顶端施加的载荷，E 为悬臂梁材质的弹性模量，L 为悬臂梁自由端施加载荷点到梁支承的距离，b 为固定端的宽度，h 为等强度悬臂梁的厚度.设计的等强度悬臂梁的材质为铝合金2A12，其弹性模量与FBG 封装基底材料的弹性模量相似，其外观及尺寸信息如图13所示.等强度悬臂梁固定端的宽度b =40 mm ，梁长度l =265 mm ，厚度h =8 mm.3.2.2 试验装置为了验证金属封装基底粘贴式FBG 应变传感器在实际测量中的应变损耗，将未封装的裸FBG 和用AlSi10Mg 作为封装基底材料的FBG 传感器均采用环氧树脂胶E-20HP （粘贴厚度h 3为0.5 mm ）粘贴在等强度悬臂梁的上表面，并固化加压24 h. FBG 应变传感器应变传递试验装置如图14所示.固化完成后的裸FBG 和基片式FBG 中心波长分别测得为 1 559.420 nm 和1 562.922 nm.选用高精度的电阻应变片来测量悬臂梁的形变.为避免周围环境温度的波动对测量带来误差，将等强度悬臂梁安装到高低温试验箱（WSZ63N ，测图13 等强度悬臂梁设计（单位：mm ）Fig.13 Design of equal-intensity cantilever beam （unit ：mm）（a ）FBG表面的应变云图（b ）等强度悬臂梁表面的应变云图图12 应变云图Fig.12 Strain contour nephogram（a ）有限元仿真计算（b ）理论计算图11 粘胶层弹性模量E z 和泊松比λz 对β的影响Fig.11 Effect on β with elastic modulus E z and Poisson-ratio λzof the adhesive layer 表2 不同材料的物理属性参数Tab.2 Physical property parameters of different materials材料SiO 2E-20HPAlSi10Mg E-20HP 2A12密度/（g·cm -3）41.82.321.82.78泊松比0.170.380.280.380.347弹性模量/GPa 722.5652.568尺寸/mm 长度：36厚度：0.5厚度：1.0厚度：0.5200×40×817湖南大学学报（自然科学版）2023 年量误差0.1 ℃），并将试验箱调整为常温常压状态.为了对裸FBG 和基片式FBG 传感器及工作应变片进行温度补偿，在悬臂梁临近放置一个与悬臂梁材质相同且不受力的标准件，并在其上粘贴FBG 温度传感器和温度补偿应变片.图14中，试验箱外部的光纤解调仪的波长带宽为1 510 ~1 590 nm ，其分辨率为0.001 nm.应变测试仪选用东华DH5922D ，选择全桥连接方式.采用推杆对悬臂梁按照500 με一级逐级进行拉伸和压缩，使其达到-2 500~3 000 με的形变范围.每组试验重复3次，并分别采集和记录裸FBG 、基片封装式FBG 及FBG 温度传感器在不同加载下的波长数据及电阻片对应的应变值. 图15为裸FBG 和金属封装式FBG 传感器在不同应变下的波长-光强光谱三维图.从图15可以看出，FBG 传感器的中心波长大致随着应变均匀增加而均匀增大.其中，裸FBG 传感器在受到应变为-2 500 με和3 000 με时，其对应的中心波长分别为1 558.194 nm 和1 560.891 nm ；金属封装式FBG 传感器在受到为-2 500 με和3 000 με时，其对应的中心波长分别为1 561.662 nm 和1 564.434 nm.将图15中裸FBG 和金属封装式FBG 传感器的波长值，按照式（2）转换出二者各自在不同拉伸和压缩过程下的应变值εbare 和εFBG .然后，结合式（24）和式（25）中应变传递修正系数得到裸FBG 和金属封装式FBG 传感器修正补偿后的应变值εb 和εF .图16（a ）和图16（b ）分别为裸FBG 和金属封装式FBG 传感器在3次悬臂梁拉伸和压缩过程中，其对应的应变与电阻应变片ε电的应变的拟合关系.从图16可以看出，无论是金属封装式FBG 还是裸FBG传感器，其6次拉伸和压缩对应的拟合线性度相关性平均能达到0.999 0以上，说明设计的金属封装式FBG 传感器具有极好的线性度和重复性.在进行线性拟合时，可通过简化训练模型和增加训练样本数量的方法来避免出现过拟合现象.表3为图16中裸FBG 和金属封装式FBG 传感器各6次拉伸和压缩的应变拟合斜率系数，即对应的应变传递率.由表3可知，裸FBG 和金属封装式FBG 传感器的平均应变传递率分别为98.25%和98.15%，与有限元仿真计算结果分别相差0.15%和0.25% ，仿真结果和试验结果大致相同.存在少许偏差的原因可能是在粘贴裸FBG 和金属封装粘贴式FBG 传感器时，涂抹环氧树脂胶不够均匀且粘胶厚度无法保证刚好为0.5 mm.表3中裸FBG 和金属封装式FBG 传感器的拟合斜率平均数的大致一致性，证明了提出的应变传递修正系数的有效性.图14 FBG 应变传感器应变传递试验装置Fig.14 Architecture of strain transfer on FBG strain sensor（a ）裸FBG（b ）金属封装式FBG图15 裸FBG 和金属封装式FBG 传感器在不同应变下的光谱图Fig.15 Spectrums of the bare FBG and metallic packaging FBGsensors under different strain values18。

5.1 金属应变式传感器

2、应变片的结构与材料
由敏感栅1、基底2、盖片3、引线4和粘结剂等组成。这些部分所选用的材料将直接影响应变片的性能。因此，应根据使用条件和要求合理地加以选择。
4 3 b 2 1 l
栅长栅宽
（1）敏感栅）
电阻应变片结构示意图
由金属细丝绕成栅形。电阻应变片的电阻值为60 、 120 、200 等多种规格，以120 最为常用。应变片栅长大小关系到所测应变的准确度，应变片测得的应变大小是应变片栅长和栅宽所在面积内的平均轴向应变量。
图 3 3 常用应变片的形式 -
4、温度误差及其补偿、（1）温度误差）
用作测量应变的金属应变片，希望其阻值仅随应变变化，而不受其它因素的影响。实际上应变片的阻值受环境温度(包括被测试件的温度)影响很大。由于环境温度变化引起的电阻变化与试件应变所造成的电阻变化几乎有相同的数量级，从而产生很大的测量误差，称为应变片的温度误差，又称热输出。因环境温度改变而引起电阻变化的两个主要因素：应变片的电阻丝(敏感栅具有一定温度系数；敏感栅)具有一定温度系数应变片的电阻丝敏感栅具有一定温度系数；电阻丝材料与测试材料的线膨胀系数不同。电阻丝材料与测试材料的线膨胀系数不同。
（2）温度补偿（自补偿法和线路补偿法））温度补偿（自补偿法和线路补偿法） ① 单丝自补偿应变片
单丝自补偿应变片的优点是结构简单，制造和使用都比较方便，但它必须在具有一定线膨胀系数材料的试件上使用，否则不能达到温度自补偿的目的。
②双丝组合式自补偿应变片
是由两种不同电阻温度系数（一种为正值，一种为负值）的材料串联组成敏感栅，以达到一定的温度范围内在一定材料的试件上实现温度补偿的，如图。这种应变片的自补偿条件要求粘贴在某种试件上的两段敏两段敏感栅，随温度变化而产生的电阻增量大小相等，符号感栅，随温度变化而产生的电阻增量大小相等，相反，即相反，

金属传感器的原理及应用

金属传感器的原理及应用一、简介金属传感器是一种能够检测金属物体存在或改变的传感器。

它基于金属物体对电磁场的感应作用，通过测量电磁场的变化来获得金属物体的相关信息。

金属传感器在许多领域广泛应用，如工业控制、安全检测、机器人导航等。

二、原理金属传感器的工作原理基于电磁感应和金属物体的导电性质。

当金属物体靠近或接触传感器时，金属物体会对传感器周围的电磁场产生影响，进而改变传感器的电特性。

通过测量电磁场的变化，可以确定金属物体的位置、形状和特性。

金属传感器一般由线圈和信号处理电路组成。

线圈通过通电产生一个磁场，当金属物体靠近线圈时，金属物体会对线圈的磁场产生感应作用。

这种感应作用会改变线圈中的电特性，如电阻和电感等。

信号处理电路通过测量线圈的电特性变化，可以确定金属物体的存在及其特性。

三、应用金属传感器在各个行业中有广泛的应用，以下列举几个常见的应用场景：1.工业控制：金属传感器可用于检测机械臂、输送带等设备中金属零件的位置和形状，实现自动控制和物料分拣。

2.安全检测：金属传感器可用于检测金属物体是否存在，应用于安全门、防盗系统等场合，保障人员和财产的安全。

3.机器人导航：金属传感器可用于机器人的导航和避障。

通过检测机器人周围金属物体的位置和距离，实现机器人的自主导航和避障功能。

4.环境监测：金属传感器可用于监测环境中的金属污染。

例如，在土壤检测中，金属传感器可以检测土壤中的重金属含量，提供土壤质量评估的依据。

5.医疗设备：金属传感器可用于医疗设备中，如磁共振成像（MRI），通过测量金属材料对磁场的影响，获得准确的成像结果。

四、优势金属传感器相比其他类型的传感器具有一些优势：1.高灵敏度：金属传感器对金属物体具有极高的灵敏度，可以检测到微小的金属物体。

2.可靠性高：金属传感器的结构简单，稳定性高，工作寿命长，能够在恶劣的环境条件下工作。

3.可定制性强：金属传感器可以根据应用需求进行定制，例如调整灵敏度、改变形状和大小等。

金属传感器工作原理并举例

金属传感器工作原理并举例
金属传感器利用金属材料的电导率特性来检测和测量物体的性质。

其工作原理是通过测量金属传感器的电阻值或电导率变化，来推断检测物体的特性。

举例来说，一个常见的金属传感器是温度传感器。

它利用金属材料在不同温度下导电性的变化来测量环境温度。

例如，铂电阻温度传感器使用铂金属材料，铂电阻在不同温度下的电阻值随温度的变化呈现出一定的关系，通过测量电阻值的变化，可以准确地测量环境的温度。

另一个例子是压力传感器，它利用被测物体施加的压力对金属材料电阻值或电导率的影响来测量压力。

例如，应变式压力传感器采用金属薄片作为敏感元件，当被测物体施加压力时，金属薄片发生应变，导致电阻值或电导率发生变化，通过测量电阻或电导率的变化可以推断被测物体的压力。

除了温度和压力传感器外，金属传感器还可以应用于流量、湿度、浓度等参数的检测和测量。

不同的金属传感器利用不同的金属材料和工作原理来实现不同的检测功能，但原理都是基于金属材料的电导率特性的变化。

电感式金属接近传感器

电感式金属接近传感器是一种利用电感效应实现金属物体接近检测的传感器。

该传感器通常由一个线圈和一个电源组成。

当金属物体靠近传感器时，金属物体会改变传感器线圈内部的磁场分布，从而引起线圈内电感值的变化。

通过测量线圈内电感值的变化，传感器可以判断金属物体与传感器的接近程度。

当金属物体接近时，电感值会发生明显的变化，从而触发传感器输出信号，实现接近检测。

电感式金属接近传感器具有以下特点：
非接触式检测：传感器无需与金属物体直接接触即可检测其接近情况，避免了磨损和精度降低的问题。

高精度和高灵敏度：能够检测到微小的金属物体的接近，并且能够提供相对较准确的位置信息。

可靠性强：传感器通常采用封装结构，具有良好的防护性能，适用于工业环境中的长期使用。

应用广泛：电感式金属接近传感器可用于物体检测、位置控制、计数和安全监测等领域，广泛应用于自动化设备和机械制造等行业。

需要注意的是，不同型号的电感式金属接近传感器在灵敏度、响应速度和适用范围等方面可能有差异，具体选择需要根据实际需求进行。

手机金属探测仪原理

手机金属探测仪原理
手机金属探测仪是一种通过感应和测量来检测金属物体的仪器。

其原理基于电磁感应和电路运作。

手机金属探测仪内部包含一个发射线圈和一个接收线圈。

发射线圈通电后会产生一个交变电磁场，而当金属物体进入这个电磁场时，会引起线圈中的电流和电压的变化。

当金属物体进入发射线圈的电磁场时，电磁场会诱导出金属物体中自身的感应电流。

这个感应电流又会产生一个反向的磁场，与发射线圈的磁场相互作用，从而改变接收线圈中的电流和电压。

手机金属探测仪通过测量接收线圈中的电流和电压的变化来判断是否有金属物体靠近。

当金属物体靠近或经过探测仪时，由于金属的导电性，电流和电压的变化会相应增大。

手机金属探测仪通过内部的电路对接收到的电流和电压变化进行放大、滤波和处理，最终将结果通过屏幕或声音等形式显示给用户。

需要注意的是，手机金属探测仪只能探测到具有一定电导率的金属物体，对于非金属物体则无法进行检测。

而且，在强电磁干扰的环境下，可能会导致探测结果的误判或不准确。

金属热电阻式传感器的工作原理

金属热电阻式传感器的工作原理金属热电阻式传感器是一种常见的温度传感器，它利用金属材料在温度变化时电阻值发生变化的特性来测量温度。

它通常用于工业控制系统、汽车工业、医疗设备、家用电器等领域。

本文将详细介绍金属热电阻式传感器的工作原理，包括其结构、工作原理、特点以及应用。

一、金属热电阻式传感器的结构金属热电阻式传感器的结构通常由测温元件、导线和外壳组成。

1. 测温元件测温元件是金属热电阻式传感器的核心部件，主要由金属丝（通常为铂、镍等）制成。

这些金属丝具有温度与电阻呈线性关系的特性，因此可以通过测量电阻的变化来确定温度的变化。

2. 导线导线是将测温元件连接到测量仪表或控制系统的部分，通常由耐高温材料制成，以确保传感器能够正确传输温度信息。

3. 外壳外壳是保护传感器内部结构的外部部分，通常由不锈钢或其他耐腐蚀材料制成，以确保传感器能够在恶劣的工作环境中正常工作。

二、金属热电阻式传感器的工作原理金属热电阻式传感器利用金属材料在温度变化时电阻值发生变化的特性来测量温度。

其工作原理主要体现在热电阻效应和温度-电阻特性两个方面。

1. 热电阻效应金属材料在温度变化时会引起自身电阻值的变化，这一现象称为热电阻效应。

具体来说，随着温度的升高，金属材料的电阻值会增加，反之则减小。

这种线性关系使得金属热电阻式传感器可以通过测量电阻的变化来确定温度的变化。

2. 温度-电阻特性金属热电阻式传感器的工作原理还涉及到金属材料的温度-电阻特性。

不同金属的温度-电阻特性并不相同，因此在制造金属热电阻式传感器时，通常会选用具有良好温度-电阻特性的金属材料，例如铂、镍等。

利用这些金属材料的特性，传感器可以实现对温度的准确测量。

综合上述两点，金属热电阻式传感器的工作原理可以总结为：利用金属材料在温度变化时电阻值发生变化的特性，通过测量电阻值来确定温度的变化。

这种工作原理使得金属热电阻式传感器能够实现对温度的准确测量，并在工业控制系统、汽车工业、医疗设备、家用电器等领域得到广泛应用。

金属热电阻式传感器的工作原理

金属热电阻式传感器的工作原理
一、引言
在我们的日常生活中，温度的影响无处不在。

无论是季节的变换，还是烹饪美食，或是掌握工业过程的每一个环节，温度都是我们关注的重点。

为了更准确地测量和控制温度，我们引入了金属热电阻式传感器。

这是一种基于金属热电阻效应，能将温度变化转化为电信号的传感器。

那么，这种传感器是如何工作的呢？本文将深入探讨这一问题。

二、金属热电阻式传感器的原理
金属热电阻式传感器的工作原理基于金属热电阻效应。

简单来说，就是一些金属材料（如铂、镍）的电阻会随着温度的变化而变化。

这种特性使得金属热电阻式传感器能够精确地测量温度。

具体来说，当温度升高时，金属的原子振动加剧，阻碍电子的流动，从而增加电阻。

相反，当温度降低时，电阻减小。

这一特性为我们提供了一种测量温度的新方法。

三、金属热电阻式传感器的应用
金属热电阻式传感器因其精度高、稳定性好、响应时间快等优点，被广泛应用于各种领域。

比如在医疗领域，可以通过测量患者的体温，来监测其健康状况。

在工业生产中，可以用于控制各种化学反应的温度，保证产品质量。

四、结论
通过以上分析，我们可以看到金属热电阻式传感器的工作原理以及其在各个领域的应用。

这种传感器以其独特的优点，让我们对温度的测量和控制有了更精确的手段。

然而，随着科技的发展，我们还需要进一步探索和研究金属热电阻式传感器的性能优化和新应用领域。

例如，如何提高其响应速度、降低成本、增加稳定性以及适应更多环境下的测量等。

只有这样，我们才能更好地利用这种传感器为我们的生活和工作服务。

《测试技术》第四章传感器的基本类型及其工作原理解读

三、电位计式传感器
令 R / RL m， Rx / R x
(x 0时, Rx 0; x 1时,
UL
U
1
x mx(1
x)
Rx R)得
U L 与 x 呈非线性关系
电位计式传感器原理图
U Rx
x
R
a
RL UL
非线性相对误差为：
b
(UL )m0 (UL )m0 100% [1 (UL )m0 ]100%
第一节. 概述传感器的组成
敏感元件
被测量
转换元件辅助电源
基本转换电路
电量
敏感元件，是直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的某一物理量的元件。
转换元件，敏感元件的输出就是它的输入，它把输入转换成电路参量。
基本转换电路：上述电路参数接入基本转换电路（简称转换电路），便可转换成电量输出。
第四节. 电容式传感器
三、变介电常数型电容传感器
C 2 h11 2 (h h1)2
ln R
ln R
r
r
2 h2 2 h1(1 2)
ln R
ln R
r
r
容器内介质的介电常数 1
容器上面气体介质介电常数 2
输出电容C与液面高度成线性关系
第四节. 电容式传感器
三、变介电常数型电容传感器 — 应用
积变化 △AA ，电阻率的变化为 △ρ ，相应的电阻变化为 dRdR。对
式 R l 全微分得电阻变化率 dR//RR 为：
s
dR dl 2 dr d Rl r
上式中：dl l 为导体的轴向应变量 l ；dr / r 为导体的横向应变量 r
由材料力学得：l r
式中：μ为材料的泊松比，大多数金属材料的泊松比为 0.3～0.5 左右

金属检测传感器

金属检测传感器 Last updated on the afternoon of January 3, 2021金属检测传感器 12mm外圆形 4mm检测 6VDC 三线NPN常开接近开关和光电开关是一种具有开关量输出的位置传感器。

接近开关分电感式、电容式、霍尔式三种；光电开关分为漫反射型、反馈反射型、透过型、槽型。

产品具有寿命长、抗干扰能力强、复位精度高、输出形式多、防水方震、耐腐蚀等特点，与微机联网，也可直接驱动继电器、计数器及接触器达到自动控制的目的，完全取代形成开关。

电感式接近开关：检测物体为金属（如：铁、钢、铜等）；电容式接近开关：检测物体为任何物体（如：玻璃、金属、塑料、水、油、纸等）；霍尔式接近开关：检测物体为磁性金属（如：永久性磁铁）；漫反射型光电开关：检测物体为任何物体（透明和不透明物体），如：桌子、墙壁、透明玻璃、金属板等；反馈反射型光电开关：检测物体（借助反射板）为不透明物体，如：塑料，金属板等；透过型和槽型光电开关：检测物体为不透明物体，如：塑料、金属板等。

常见接近开关的型号命名说明常见接近开关的型号命名 ** 18 A3* -5 -Z /B X * 1 2 3 4 5 6 7 8编号构成代码及含义1开关类别LJ:电感式 LJC:电容式 LJM:安全防爆式 LJG:干簧管式 2外形大小18为直径18mm,12为直径12mm.......... 3外形代号A:圆柱形，B:方形，3：金属外壳，4：塑料外壳。

4检测距离01：1mm,05:5mm,10:10mm,A:1~5MM,B:1~10MM,T:1~15MM.. 5工作电压Z:直流6~36V,Z1:直流30~65V,J:交流90-250V,J1:交流345-450V... 6输出形式A: 三线制常闭NC; B:三线制常开NO C:四线制一开一闭NO+NCD: 二线制常闭 NC E:二线制常开 NO;7输出状态X:NPN(DC:200mA) PNP(DC:200mA) Z:300-400mA M:500mA 8附属功能G:接插件型，Y:防水、防油型 I:特殊要求 H：耐高温。

金属检测传感器原理

金属检测传感器原理
金属检测传感器原理是利用电磁感应原理进行检测。

当金属物体靠近传感器时，金属物体会改变传感器的感应区域内的电磁场分布，从而产生检测信号。

传感器内部通常包含一个发射线圈和一个接收线圈。

发射线圈通过施加交变电流产生交变磁场，而接收线圈则用来检测感应区域内的磁场变化。

当金属物体靠近传感器时，金属物体会引起磁场的改变。

这种改变会导致线圈中感应出电动势，并通过接收线圈进一步转化为电压信号。

传感器通过测量这个电压信号的变化来判断金属物体的存在及其位置。

金属检测传感器主要利用了金属对磁场的干扰特性。

金属具有良好的导电性，当金属材料处于变化的磁场中时，会引起内部的涡流。

这些涡流会破坏磁场的均匀性，从而产生检测信号。

此外，金属材料对磁场的渗透能力较差，磁场会集中在金属表面附近。

因此，金属检测传感器通常能够探测到金属物体与传感器之间的较小间隙。

这使得金属检测传感器在工业生产中具有重要的应用，例如用于金属检测、工件定位、安全门控制等。

总的来说，金属检测传感器利用金属对磁场的干扰特性，通过测量感应区域内磁场的变化来检测金属物体的存在及其位置。

这种原理使得金属检测传感器在自动化控制系统中广泛应用。

金属检测传感器

金属检测传感器Document number【SA80SAB-SAA9SYT-SAATC-SA6UT-SA18】金属检测传感器 12mm外圆形 4mm检测 6VDC 三线NPN常开接近开关和光电开关是一种具有开关量输出的位置传感器。

接近开关分电感式、电容式、霍尔式三种；光电开关分为漫反射型、反馈反射型、透过型、槽型。

常见接近开关的型号命名说明常见接近开关的型号命名** 18 A3* -5 -Z /B X *1 2 3 4 5 6 7 8编号构成代码及含义？1开关类别LJ:电感式 LJC:电容式 LJM:安全防爆式 LJG:干簧管式2外形大小18为直径18mm,12为直径12mm..........3外形代号A:圆柱形，B:方形，3：金属外壳，4：塑料外壳。

4检测距离01：1mm,05:5mm,10:10mm,A:1~5MM,B:1~10MM,T:1~15MM..5工作电压Z:直流6~36V,Z1:直流30~65V,J:交流90-250V,J1:交流345-450V...6输出形式A: 三线制常闭NC; B:三线制常开NO C:四线制一开一闭NO+NCD: 二线制常闭 NC E:二线制常开 NO;7输出状态X:NPN(DC:200mA) PNP(DC:200mA) Z:300-400mA M:500mA8附属功能G:接插件型，Y:防水、防油型 I:特殊要求 H：耐高温。

双金属温度传感器原理

双金属温度传感器原理嘿，朋友们！今天咱来聊聊双金属温度传感器原理，这玩意儿可神奇啦！你想啊，就好像咱人对温度有感觉一样，双金属温度传感器也能敏锐地察觉到温度的变化呢！它里面有两种不同的金属，这两种金属就像是一对好搭档。

一种金属热胀冷缩得厉害些，另一种就相对“稳重”一点。

当温度发生变化的时候呀，这俩金属的反应可不一样。

那个热胀冷缩厉害的家伙就开始“活跃”起来啦，一会儿变长，一会儿变短的。

而另一个呢，就比较“淡定”。

这不就产生差异了嘛！这一差异可就有大作用啦。

就好比两个人一起走路，一个大步流星，一个慢悠悠的，那差距不就出来了嘛。

这双金属温度传感器就是利用这种差距来工作的哟！温度一变化，它们的长度变化不一样，就会让整个传感器发生弯曲或者伸直之类的动作。

你说神奇不神奇？这就好像是一场小小的“变形秀”呢！而且啊，它还特别靠谱，一直坚守岗位，认真地感受着温度的每一点变化。

咱生活中很多地方都能看到它的身影呢。

比如说家里的空调、冰箱，不都得靠它来准确感知温度，才能好好工作嘛。

要是没有它，那温度不就乱套啦，一会儿冷得要命，一会儿又热得不行。

再想想看，要是工厂里那些需要精确控制温度的设备没有双金属温度传感器，那会怎么样？那生产出来的东西质量能有保证吗？肯定不行呀！所以说呀，这双金属温度传感器虽然小小的，可作用大着呢！它就像是一个默默无闻的小英雄，在我们看不到的地方努力工作着。

我们享受着适宜的温度，可不能忘了它的功劳呀！它真的是太重要啦，难道不是吗？我们应该好好感谢它为我们生活带来的便利呀！总之呢，双金属温度传感器原理虽然不复杂，但却非常实用。

它就像是温度世界里的小精灵，时刻守护着我们的温度环境。

让我们为这个神奇的小玩意儿点赞吧！。

金属应变式传感器

金属应变式传感器
1 金属应变式传感器
金属应变式传感器是一种利用金属外表面来监测它们挠度（or应变）的可改变传感器，可以检测外部力对材料引起的应力和应变变化。

这种传感器是通常被用在由金属材料组成的部件或构件以便于检测相
应应力或应变。

它们也可以被用来感知可变量，例如压力、温度、速
度和位置。

金属应变式传感器通常来说都包括一块厚度较薄的金属板，这块
板的两面都可以被绑定到部件的表面而且可以按照不同的配置形式。

当表面受到外部力应力时，这块金属板就会受到高度变形，从而由该
应变来反映部件的应力变化。

除了检测外部力及变形的应力外，还可以利用本质的热变形技术
来检测温度变化，从而让这种传感器具有测量温度变化的能力。

金属
应变式传感器由灵敏度较高元件制成，可以记录传感器反馈的信号变
化灵敏度很高，因此可以提供灵敏度高的测量结果。

金属应变式传感器被广泛应用于机械设备和航空技术领域，包括
飞机结构强度测试、发动机静态和动态压力测试、涡轮叶片应变相对
于涡轮本身而言，还可用于隔热材料在温度变化时的强度测试。

金属应变式传感器是一种重要的新兴传感技术，它可以提供高精度、可靠性强、灵敏度高、可调节性强的实时检测和测量结果，可以
帮助我们更好地理解机械装置的运行状态，解决许多传统的测量技术的难题。

金属检测传感器的工作原理

金属检测传感器的工作原理
1 什么是金属检测传感器？
金属检测传感器是一种能够检测金属目标的电子传感设备。

它通
常由一个电路板和一个外壳组成，可以直接安装在生产线或其他设备上。

金属检测传感器可用于食品、医药、化妆品、包装等行业，保证
生产的过程和成品的质量。

接下来我们将详细介绍金属检测传感器的
工作原理。

2 金属检测传感器的工作原理
金属检测传感器是一种简单易用的电磁系统。

当它的感应区域在
金属物体附近时，传感器的感应线圈中产生了一个强磁场，如果磁场
在金属附近存在的话，磁场会被金属吸收，反过来，金属也会抵消磁
场的一部分。

传感器会检测感应线圈中磁场的变化，并将这些变化转
化为电信号发出。

当金属物体通过传感器时，金属物体产生的磁场被传感器捕捉。

这时感应线圈中的电压产生了突变。

传感器的电路将这个电压突变转
化为数字信号或模拟信号，这个信号被传递到控制系统上。

如果检测到的信号是高于默认设定，传感器就会发出警报或触发
自动机制。

这些机制可以用来拒绝有问题的产品或提醒员工停止生产，以确保不良产品不会进入到下一个生产阶段。

3 金属检测传感器的应用
金属检测传感器可以用于大多数需要监测金属物件的行业中。

在
食品制造工业里，它可以确保食品中没有铁、铜、不锈钢等材料存在。

在制药工业中，它可以保证制造无金属部件、成分纯度高的药品。

在
包装工业中，它可以保证包装完好无损且没有金属异物。

在各行各业中，金属检测传感器都扮演着重要的角色。

双金属片温度传感器的工作原理

双金属片温度传感器的工作原理1. 什么是双金属片？说到温度传感器，大家可能会想起那些千奇百怪的造型，有的像刚刚洗过的菜，有的像头戴草帽的农民，真是让人哭笑不得！不过，今天我们聊的主角是双金属片温度传感器。

顾名思义，它就是由两种不同金属片组合而成的“兄弟”。

想象一下，两个性格迥异的朋友一起做事，一个热情奔放，另一个则稳重冷静，结果当然是相得益彰啦！1.1 双金属片如何工作？当温度升高时，那个激情四溢的金属就像被点燃了一样，热得快，变形的速度也快。

而另一个金属可能就相对“稳重”些，变化比较慢。

两个片子在温度起伏中各自“较劲”，结果就是，它们会产生弯曲的动作，就像两个人在争抢零食时拉扯着，最后一个稳的或许就赢了。

这么说吧，这弯曲的动作就像是一个信号，告诉我们“嘿，温度在变化哦！”所以，双金属片实际上就像是一个温度的“哨兵”，随时准备为我们发出警报。

1.2 双金属片的材料那么，双金属片都是用什么材料做的呢？它们通常是由常见的金属，比如铜、铁、铝等，这些金属可是“家喻户晓”的角色，在我们日常生活中随处可见，就像大街小巷的熟面孔。

不过，你以为这些金属随便搭配就行了吗？当然不是！不同的金属有不同的热膨胀系数，它们的“矛盾关系”可是要经过精心的挑选和设计，才能实现最佳效果。

2. 双金属片的应用说到应用，双金属片可不是闷着头干事的“宅男”。

它可是走南闯北，回头率爆表的角色呢！那么，这家伙都能用在哪些地方呢？2.1 家用电器从家庭厨房到加热器具，双金属片简直是个多面手！比如说，我们家里那个老旧的热水器，开关一打开，它就马上开始工作，热水生生不息！这背后其实离不开双金属片的辛勤付出。

它会根据水温自动调节，真是个聪明的“小管家”。

2.2 工业设备再说说工业设备，双金属片在这里也是常客。

在一些大型机器上，它被用来监控温度，保证一切运行如常。

就像大汗淋漓的运动员，突然喝上一口美味的冰水，机器一旦过热，双金属片就像一个“老司机”一样，迅速提醒我们“快停下休息吧！”确保设备不被热量压垮。

金属感应传感器工作原理

金属感应传感器工作原理1. 引言大家好，今天我们来聊聊一个可能你我都熟悉的东西——金属感应传感器。

你有没有注意到那些可以在停车场自动感应到你的车的设备？它们就是金属感应传感器的身影，真是神奇得让人眼前一亮！今天，我们就来揭开它的神秘面纱，看看它是怎么工作的。

2. 基本原理2.1 感应磁场首先，金属感应传感器的核心就是“感应磁场”。

哎，听起来是不是有点拗口？其实它就是用磁场来探测金属物体。

当传感器发出一个磁场后，任何进入这个磁场的金属物体，比如你那辆闪闪发光的小轿车，就会扰动这个磁场。

这种扰动会被传感器捕捉到，嘿！就像打扰了正在发呆的小猫咪，立刻引起了它的注意。

2.2 信号处理然后，传感器就会把这个扰动转化为电信号。

这过程就像把你看到的美食转化为肚子咕咕叫的声音，直接反应出来！这些电信号通过一些巧妙的电路处理后，就能让你听到“咔嚓”一声，门就打开了，真是一举两得！不光能让你进出自如，还能让你的车停得稳稳的，真是科技的力量。

3. 应用场景3.1 停车场金属感应传感器最常见的应用场景就是停车场。

你想想，在那种需要快速进出的地方，传感器的速度和准确性可都是一把好手。

司机一按按钮，传感器立刻感应到车子，门就“哗啦”一声开了，简直就是如沐春风的体验。

再也不用在停车场门口晃来晃去等着开门了，省时又省力。

3.2 安全系统除了停车场，金属感应传感器还常常被用在安全系统里。

想象一下，如果有小偷试图闯入你的家，传感器立马感应到他们的金属工具，然后就开始报警，整个过程就像是给你的家装了一个“保镖”。

这可不是开玩笑，安全感满满的同时，也让人感到踏实。

毕竟，家是我们最温暖的港湾，谁都不希望它被打扰。

4. 总结总的来说，金属感应传感器就像是现代科技生活中不可或缺的小助手。

它凭借灵敏的感应能力，帮助我们解决了很多日常小麻烦。

从停车场的自动门到家庭的安全防护，金属感应传感器真的为我们的生活添砖加瓦。

没错，虽然它的工作原理听起来有点高深，但其实就像我们生活中的许多小细节，简单而又不失趣味。

金属传感器的原理

金属传感器的原理
金属传感器是一种能够监测和测量金属结构变化的传感器。

它可以通过检测金属结构内部微小的变化来判断所监测的金属结构的状态。

原理
金属传感器的原理主要基于金属材料的电性质。

金属材料是一种导电材料，通电后会在金属内产生电流。

而这个电流的大小和方向与金属的内部结构有关。

金属传感器利用这个原理，通过测量金属结构内部的电流变化来判断所监测的金属结构是否发生了变化。

在实际应用中，金属传感器往往是以电容传感器的形式出现。

电容传感器是一种以电容变化为信号的传感器，其原理和金属传感器基本相同。

电容传感器通常由两个电极组成，当它被放置在金属结构上时，其两端就会形成一个电容。

这个电容的大小取决于金属结构的形状和大小。

当金属结构发生变形时，电容的大小也会相应地发生变化。

这个变化会被金属传感器检测到，并输出相应的电信号。

应用
金属传感器广泛应用于工业生产和航空航天领域。

在工业生产中，金属传感器可以用于监测机器设备、轻松检测设备中的金属疲劳和损坏程度以及检测汽车零件中的冲击和扭曲。

在航空航天领域，金属传感器被用于检测飞行器的疲劳情况。

除此之外，金属传感器还有很多其他应用。

例如用于安防系统中，通过检测金属的压力变化来判断是否有人正在入侵；用于物联网中，通过监测工业设备中的金属变形情况来提高设备的运行效率等。

结论
金属传感器是一种高效可靠的传感器，它可以通过检测金属结构内部微小的变化来判断所监测的金属结构的状态。

在工业生产和航空航天领域中广泛应用，也有着其他多样的应用场景。

双金属温度传感器的工作原理

双金属温度传感器的工作原理嘿，朋友们！今天咱们来聊聊一个超酷的东西——双金属温度传感器。

你可能会想，这是个啥玩意儿呀？别着急，听我慢慢道来。

我有个朋友叫小李，他在一家工厂工作。

有一次，他跟我抱怨说，厂里有个设备老是出问题，就是因为温度控制不好。

这时候呀，双金属温度传感器就该闪亮登场啦。

双金属温度传感器，从名字就能看出来，它是和两种金属有关的。

想象一下，有两个性格不同的小伙伴，就像小明和小刚。

小明呢，是一种金属，小刚是另一种金属。

这两种金属就像两个有着不同脾气的人。

这两种金属有个特别的地方，它们的热膨胀系数不一样。

啥叫热膨胀系数呢？简单说啊，就像有的东西一受热就变得特别爱“长胖”，膨胀得厉害；有的东西呢，受热虽然也会膨胀，但是没那么夸张。

这两种金属就是这样，一个膨胀得快，一个膨胀得慢。

在双金属温度传感器里，这两种金属可是紧紧贴在一起的哦。

当温度发生变化的时候，就像天气突然变热或者变冷一样。

那个热膨胀系数大的金属，就像一个急性子，它开始迅速膨胀。

而另一个热膨胀系数小的金属呢，就慢悠悠的。

这样一来，由于它们贴在一起，膨胀速度不一样，就会导致它们整体发生弯曲。

这弯曲就像是两个人在拔河，力量不一样，就歪向一边啦。

我记得我小时候玩过一个游戏，用两根不一样长的小木棍绑在一起，然后用手握住一端，另一端就会因为两根木棍的长度不同而翘起来。

双金属温度传感器的这个弯曲啊，就有点像这个游戏。

那这个弯曲有啥用呢？这可太有用啦！这个弯曲的程度和温度的变化是有关系的。

温度变化越大，弯曲得就越厉害。

就像你给一个气球吹气，吹得气越多，气球就越大。

这双金属温度传感器弯曲得越厉害，就说明温度变化越大。

我又想起我有一次去看一个老工匠做东西。

他用一个很简单的工具，就能根据不同的情况做出很精巧的东西。

双金属温度传感器就像这个老工匠的工具一样，虽然原理看起来简单，但是作用可不小呢。

在实际的应用里，这个弯曲会带动一些装置。

比如说，在一个温控系统里，双金属温度传感器的弯曲可能会推动一个开关。

金属接近式传感器原理及选用

金属接近式传感器原理及选用金属接近式传感器的原理基于感应电磁场产生的原理。

传感器内部通电形成一个高频交变电场，当金属物体靠近传感器时，金属物体会改变感应电磁场的分布，使感应线圈中的感应电动势发生变化。

通过检测电动势的变化，传感器可以判断金属物体的存在或接近状态。

1.检测范围：根据实际需求选择合适的检测范围。

不同的传感器型号具有不同的最大检测距离，一般要求检测距离大于所需的实际工作距离，以确保可靠性。

2.工作环境：考虑传感器的工作环境，如温度、湿度、粉尘等因素。

对于高温、潮湿或有腐蚀性气体的环境，选择具有防水、防尘、耐腐蚀等特性的传感器。

3.输出信号：金属接近式传感器的输出信号一般有开关量输出和模拟量输出两种。

根据实际应用需求选择合适的输出信号类型，以便与后续的控制系统进行连接。

4.安装方式：传感器的安装方式有直插式、吸盘式、脚座式等多种形式。

根据设备的实际结构和安装要求选择合适的安装方式，以确保传感器能够正常运行。

5.金属类型：金属接近式传感器通常适用于所有金属，但对于特定的金属类型有时需要特别考虑。

例如，钢材、铜材、铝材等不同金属的导电性和磁性有所差异，需要选择适合的传感器类型。

6.电源和电流：传感器的电源和电流是使用过程中需要注意的关键因素。

传感器的工作电源和电流要与控制系统的电源和电流匹配，以确保传感器的正常工作。

7.价格和品牌：根据实际预算和品牌的口碑选择适合的传感器。

价格和品牌的选择可以根据实际需求进行权衡，以确保性价比最优。

总之，金属接近式传感器的原理基于感应电磁场的变化，通过检测感应电动势的变化来判断金属物体的存在或接近状态。

在选用传感器时，需要考虑检测范围、工作环境、输出信号、安装方式、金属类型、电源电流以及价格和品牌等因素，以确保传感器能够实现预期的功能和性能。