传感器基础知识-1 模拟部分

第一部分模拟传感器第一章各种原理传感器简介表征物质特性或其运动形式的参数很多，对这些参数有各种分类方法，通常就其电学特征来分，可分为电量和非电量。

非电量电测法，是对非电量进行测量的诸多方法中，使用较为广泛的一种。

其原理是，把被测非电量变换成与之有一定关系的电量，并用相应的电工仪表或电子仪器来测量，从而得到被测非电量的测量结果。

对非电量变换为电量的技术，被称作非电量电测变换技术，实现该变换技术的具体器件或装置叫做传感器。

其通用的系统原理框图如下所示：待测非电量其中，各部分所起的作用分别为：、处理（如运算、调制）和变换（如A-D、D-A转换），使其电信号便于显示装置显示和记录。

在自动控制系统中，该电信号也被送到调节器中进行反馈控制。

其主要作用是将测量电路输出的电信号显示成被测的、具体的非电量数值。

传感器一般常用的分类方法有两种：（1）按被测对象的参数分温度传感器、压力传感器、流量传感器、位移传感器、液位传感器、力传感器、加速度传感器、转矩传感器、浓度传感器等。

（2）按变换原理分电学式传感器、光电式传感器、热学式传感器、磁学式传感器、电化学式传感器等。

第二章 电阻应变式称重传感器的工作原理电阻应变式称重传感器（以下简称称重传感器）的工作原理可以分下述三个相互关联的阶段加以说明。

第一阶段，被测负荷作用在弹性体上，使弹性体产生相应的弹性变形；第二阶段，通过粘贴在弹性体上的电阻应变计，被弹性体的弹性变形转换为电阻应变计电阻的变化（电阻增大或减少）；第三阶段，再通过测量电路将电阻应变计电阻的变化，转换为电信号（电压或电流）输出。

由此也可以看出，称重传感器是由弹性体、电阻应变计，测量电路等三个主要部分组成的。

下面将就这三个主要组成部分分别加以论述。

1．弹性体弹性体是一个具有特殊形状的结构型弹性元件，它的功能有两个，一是承受称重传感器的被测负荷，并对被测负荷产生反作用力；二是将被测负荷围拢为弹性变形，并产生一个高质量的均匀的应力场，使粘贴在此区的电阻应变计比较理想地完成应变——电阻的转换任务。

以BM —LS 型称重传感器为例，介绍一下力与应变的关系及应力场中应力的分布情况。

BM —LS 型桥式称重传感器弹性体的受力情况如图2—1所示。

电阻应变计的粘贴部位选在工字梁腹板的中间部位。

由材料力学可知，电阻应变计粘贴部位的剪切应力（τ）为：⎭⎬⎫⎩⎨⎧-+-=)4(2)(82422y h b h H B bI F z τ （2-1） 式中：F —被测负荷；I Z —惯性矩；B 、b 、H 、h ——为工字梁的几何尺寸(a) (b) (c)图2-1a —弹性体受力简图b —A —A 截面中心单元体应力状态；c —A —A 截面工字梁腹板的剪应力分布；由式可以看出，沿工字梁腹板高度剪应力是按抛物线规律分布的，其最大和最小剪应力分别为：{}22max )(16h b B BH b I F z --=τ 0=y （2-2） )(1622min h H bI BF z -=τ 2h y ±= （2-3） 因工字梁腹板的厚度b 远小于翼缘的宽度B ，所以从（2-2）和（2-3）两式中可以看出，τmax 与实际上相关不大，可以认为腹板上剪应力大致是均匀分布的，这就为粘贴电阻应变计提供了一个近似于均匀分布的应力场，这对保证称重传感器的性能指标是必须的。

下面列出电阻应变计粘贴部位中心处所受应变（ε）的表达式：{}222)(161bh h H B bI F E z +-∙+=με （2-4） {}33)(121h b B BH I z --=其中 （2-5） 式中：μ—泊松系数；E-—杨式模量需说明的是，以上分析的应力状态均是“局部”情况，而电阻应变计实际感受的是“平均”状态。

2．电阻应变计电阻应变计是一个能将弹性体的应变量转换成电阻变化量的敏感元件。

它主要由敏感栅、基底、引线、覆盖层等组成。

根据敏感栅结构的不同，电阻应变计一般可分为丝式应变计、箔式应变计、薄膜式应变计等几种，但制造称重传感器最常用的是箔式应变计。

下面我们以敏感栅的一根栅丝为例，对其工作原理加以说明。

执行标准GB/T13992-92《电阻应变计》。

如图2-2所示的栅丝（金属丝），其长度为L ，截面为圆形半径为r ，截面积为S ，电阻率为ρ，泊松系数为μ。

图2-2当栅丝未受外力作用时，其电阻R 可用下式表示：)(Ω=SL R ρ （2-6） 当它的两端受外力F 作用时，它的长度L 将会伸长，截面积S 将缩小。

令其变化量分别为ΔL 和ΔS ，由金属的电阻应变可知，其栅丝的电阻R 将会发生变化，令其变量为Δ，则对（2-6）式两端取对数微分得：（2-7)由于栅丝的截面积S=πr 2，则同样可得： （2-8）又因：(2-9）所以，将式（2-8）、（2-9）代入（2-7）可知（2-10） （2-11）在材料力学中，我们称ΔL/L 为应变，记作：ε，用它来表示弹性变形的大小，式（2-11）可记为：（2-12）式（2-12）虽然是从一根丝栅的变形导出的，但它具有普通意义，它说明了电阻应变计电阻变化量与弹性体变形之间的关系。

K 为电阻应变计的灵敏度系数，它是由制作敏感栅的材料的性质所决定的，它与电阻应变计的形状，尺寸无关。

例如，我们常用的箔式应变计敏感栅的材料为康铜合金，它的灵敏度系数K 等于2.1。

我公司采用的箔式应变计见图2-3。

SS L L R R ∆-∆+∆=∆ρρrr s S ∆=∆2LL r r ∆-=∆μLL L L L L L L R R ∆∆∆++=∆+∆+∆=∆)//21(2ρρμμρρL L K //21:∆∆++=ρρμ令L L K R R ∆=∆则ε∙=∆K R R图2-33．测量电路测量电路的功能是把电阻应变计的电阻变化为电信号（电压）输出。

它将粘贴在弹性体上的电阻应变计连接成差动式惠斯登电桥。

由于差动式电桥的灵敏度高，各臂参数一致，各种干扰的影响容易相互抵消，而且还可以比较方便地解决称重传感器的补偿问题，所以称重传感器均采用差动式惠斯登电桥作为测量电路，其电路图参见图2-4。

图2-4 惠斯登电桥图中：R 1，R 2，R 3，R 4——电阻应变计U 1————激励电压U 0=————输出电压根据图2-4的电路我们可以得出：1432131420))(()(U R R R R R R R R U ++-= （2-13）当R 1·R 3=R 2·R 4时，我们称之类电桥平衡，此时U0=0。

我们在组桥时，令R 1、R 3的阻值随弹性体的变形减少；R 2，R 4的阻值随弹性体的变形增加，且其变化量为ΔR 1，ΔR 2，ΔR 3，ΔR 4，则称重传感器受负荷作用时，其输出U 0可用下式描述。

（2-14）式（2-13）适合计算称重传感器未受负荷作用时的零点平衡输出；式（2-14）适合计算称重传感器受负荷作用时的输出电压。

以上是理想的称重传感器测量电路，而制作传感器时需要对影响传感器性能的温度因素加以补偿，实际的电阻应变式传感器电路图如下：第三章称重传感器的分类一、按称重传感器的结构形式分类。

称重传感器根据其使用要求的不同可以设计成多种多样的结构形式。

弹性体是称重传感器的基础部件，是被测负荷的直接者，因而称重传感器的结构形式也是由弹性体的结构形式所决定。

根据弹性体结构形式的不同，称重传感器可分为：桥式、柱式、悬臂梁式、轮辐式、板环式、双平行梁式、轴对称环式及S型等结构形式。

图2-5列出了以上各种结构形式的称重传感器的结构简图。

(a)桥式 （b ）柱式 （c ）悬臂梁式 （d ）轮辐式（e ）板环式 （f ）双平行梁式 （g ）轴对称环式 (h)S 型图2-5二、按称重传感器输出信号分类称重传感器输出信号可分为两类：1．模拟称重传感器。

电阻应变式称重传感器输出信号为毫伏级的电压信号，称为模拟称重传感器。

2．数字称重传感器。

在模拟称重传感器的基础上，增加数模转换装置和CPU 处理器，将模拟称重传感器的测量信号经过放大、滤波，由模数转换器转换为数字量，测量信号再经过微处理器处理，通过RS-485串口传输。

三、按称重传感器材料分类按称重传感器弹性体材料可分为：铝称重传感器、合金钢称重传感器、不锈钢称重传感器第四章称重传感器选用的一般规则在电子衡器中，选用何种称重传感器，要根据实际情况，从衡器的结构、使用环境出发，全面衡量，进行选择。

下面将就称重传感器结构、型式、量程、准确度等级的选择讲述其一般的选用规则。

（一）结构、型式的选择在电子衡器中，选用何种结构，型式的称重传感器，主要看电子衡器的结构和使用的环境条件。

传感器数量的选择是根据电子衡器的用途、秤体需要支撑的点数（支撑点数应根据使秤体几何重心和实际重心重合的原则而确定）而定。

如要制作电子汽车衡，一般应选用桥式、柱式、悬臂梁式等称重传感器，如我公司生产的BM-LS型桥式称重传感器，CZL-YB型柱式或L-BS型悬臂梁式称重传感器。

由于桥式称重传感器与悬臂梁式称重传感器相比，具有安装，调试方便，秤台静止速度快的优点，电子汽车衡常选择桥式称重传感器。

此外，若在高温环境下使用，则应选择高温称重传感器或带有冷却水管的称重传感器；若在高寒地区使用，则应采用带有加温装置的称重传感器。

环境给传感器造成的影响主要有以下几个方面：（1）高温环境对传感器造成涂覆材料熔化、焊点开化、弹性体内应力发生结构变化等问题。

对于高温环境下工作的传感器常采用耐高温传感器；另外，必须加有隔热、水冷或气冷等装置。

（2）粉尘、潮湿对传感器造成短路的影响。

在此环境条件下应选用密闭性很高的传感器。

不同的传感器其密封的方式是不同的，其密闭性存在着很大差异。

常见的密封有密封胶充填或涂覆；橡胶垫机械紧固密封；焊接（氩弧焊、等离子束焊）和抽真空充氮密封。

从密封效果来看，焊接密封为最佳，充填涂覆密封胶为最差。

对于室内干净、干燥环境下工作的传感器，可选择涂胶密封的传感器，而对于一些在潮湿、粉尘性较高的环境下工作的传感器，应选择膜片热套密封或膜片焊接密封、抽真空充氮的传感器。

（3）在腐蚀性较高的环境下，如潮湿、酸性对传感器造成弹性体受损或产生短路等影响，应选择外表面进行过喷塑或不锈钢外罩，抗腐蚀性能好且密闭性好的传感器。

（4）电磁场对传感器输出紊乱信号的影响。

在此情况下，应对传感器的屏蔽性进行严格检查，看其是否具有良好的抗电磁能力。

（5）易燃、易爆不仅对传感器造成彻底性的损害，而且还给其它设备和人身安全造成很大的威胁。

因此，在易燃、易爆环境下工作的传感器对防爆性能提出了更高的要求：在易燃、易爆环境下必须选用防爆传感器，这种传感器的密封外罩不仅要考虑其密闭性，还要考虑到防爆强度，以及电缆线引出头的防水、防潮、防爆性等。