常用传感器的类型和工作原理-分布式光纤技术原理

（3）电阻应变片的优点
①测量精度高，测量应变的误差小于1 %。 ②测量范围广，应变测量范围一般可由数个至数千个 。从弹性变形一直可测至塑性变形。变形范围从 1 %～20 %。 ③分辨力高，通常可达1 。 ④频率响应特性好，可测几十甚至上百kHz的动态过程。
⑤尺寸小(超小型应变片的敏感栅尺寸为0.2 mm×2.5 m
光纤的基本结构
光纤传感器的分类
迈克尔逊干涉计
点式光纤传感器
法布里－珀罗干涉计 光纤布拉格光栅
准分布式光纤传感器
通过复用技术，点式传感器可以 构成网络实现准分布式测量 基于瑞利反射技术的光纤传感器
分布式光纤传感器
基于拉曼反射技术的光纤传感器 基于布里渊反射技术的光纤传感器
传感器性能比较
光纤传感技术分类：(a)点式；(b)准分布式；(c)分布式
第三章 常用传感器的类型和工作原理
1 安全监测仪器的发展
（1）国外的发展概况 德国，1891年的埃施巴赫混凝土重力坝中进行外部变形观 测 1903年美国新泽西州的布恩顿（Boonton）重力坝，进行 温度观测 瑞士，1920年第一次用大地测量法测量大坝变形
1920年瑞士蒙萨温斯（Montsalvens）重力坝（高35m） ，埋设电阻式遥测仪器。
式中的 (1 ＋2) 项，对半导体材料，其值很小， 可忽略不计，上式近似为
R K S R

l L L E L E K S l
式中，L为单向受力时沿受力方向的压阻系数；为应力； E为弹性模量。 N型硅L=(40~80)×10－11 m2/N，E=1.30×1011 N/m2， 则KS=LE=50~100。所以，可以忽略(1＋2)项。
电阻应变片
20世纪50年代，日本渡边以电阻应变片作为敏感元 件，研制“贴片式仪器” 光纤传感器
1977年美国海军研究所开始执行光纤传感器系统的 计划
（2）国内的发展情况
1958年水利水电科学研究院，研制了差动电阻式（ 卡尔逊式）系列仪器
1964年南京水利科学研究院、铁道科学研究院和中 国建筑科学研究院，研制了振弦式传感器 1968年南京电力自动化设备厂，生产差动电阻丝应 变计、测缝计、钢筋计、孔隙压力计、温度计等观 测仪表
信号时域分析就是分析信号随时间的变化，比如 24小时体温监测图即体温随时间变化 时域分析反映在图象上最明显的特征就是横轴 以时间为变量，纵轴因描述的变量不同而不同
对金属来说，第二项很小，可忽略不计， KS 的第一项 起主要作用，＝0.25～0.5，故KS≈1.5～2。
对半导体而言，第二项取值为50～100，第一项可忽略 不计。可见，半导体的灵敏系数要比金属大得多。
应变是量纲为1的数。通常应变很小，常用10-6来表示。 例如，当应变为0.000001 时，在工程中常表示为 1×10 -6 或με 。 在应变测量中，也常称为微应变。
2 电阻式传感器的基本原理
电阻式传感器
非电量
电阻元件
电阻变化
类 别
电阻式传感器的类别与特性 原 理 输出特性
电位器式传感器 变阻器 阻值随输出端位置的变化而变化 应变式传感器 应变—电阻效应 阻值随材料的形变而改变 压阻式传感器 压阻效应 阻值随加在材料上的压力而改变 光电阻式传感器 光电效应 阻值与外加光的强弱及性质有关 热电阻式传感器 电阻—温度特性 阻值随材料温度的变化而变化
围内的平均应变，不能完全显示应力场中应力梯度的
变化。 ④应变片的温度系数较大。
（5）电阻应变片的主要参数及工作特性
电阻应变片的主要参数 电阻值 是指应变片在安装前及室温下测定的电阻值，也称为初 始电阻值。有60 W、90 W、120 W、250 W、350 W、600 W和1000 W等，120 W和350 W应用较多。 几何尺寸 标距(或工作基长)l相对于工作宽度(或基宽)b较小时横向 效应较大，所以通常尽量用l值较大的应变片。但在应变 变化梯度大的场合(如应力集中处)，则应该使用l小的应 变片。目前最小标距可做到0.2 mm，最大可达300 mm以 上。 b值小时应变片的整体尺寸可减小，但散热性能变差。
布拉格光纤光栅(FBG)传感原理
B 2neff
•B为FBG中心波长 •neff 为纤芯的有效折射率 •为光纤光栅折射率调制周期
• 光纤光栅的中心波长与温度 和应变的关系

B
(1 Pe ) ( )T
1个微应变 0.1 ℃
•Pe为有效光弹系数 •为光纤的热膨胀系数 •为光纤的热光系数 •应变灵敏度系数（1-Pe） •温度灵敏度系数（＋）
确定的金属材料， (1+2μ) 项 是常数，其数值约在1~2之间，实 验证明dρ/ρ╱εx 也是常数。
金属丝的应变效应
2r 2(r-dr)
F
l+ dl
dR dR K S x ， KS /x R R
金属的电阻相对变化与应 变成正比关系。
根据应力σ和应变ε的关系: 应力σ=εE，σ∝ε， 应变ε∝dR，σ∝dR。
为
R L / A
L L dR dL d 2 dA A A A

金属的应变效应
若电阻丝是圆形的，则A=πr ² , 定义：KS为金属丝的灵敏 对r 微分得dA=2πr dr，则 系数，表示单位应变所引起的
dA 2rdr dr 2 2 A r r
令dL / L x — 金属的轴向应变 dr / r y — 金属的径向应变
2.2 压阻式传感器
压阻效应——固体受到作用力后电阻率发生变化的现象。
压阻式传感器有下面两种类型 ①利用半导体材料做成的粘贴式应变片； ②在半导体材料的基片上用集成电路工艺制成扩散电阻， 称扩散型压阻式传感器。
扩散硅压阻式压力传感器
（1）压阻式传感器的工作原理
R 1 (1 2 ) [(1 2 ) ] K S R
宽频带、高速传输，易于系统集成
4.1 布拉格光纤光栅(FBG)
光纤光栅传感器现在已称为健康监测中应用最广泛的光纤传 感器，在整个光纤传感器市场中约占44%的份额，是目前最 有发展前途的光纤传感器之一
光纤布拉格光栅（Fiber Bragg Grating, FBG）传感器 是一种近年来发展起来的新型光纤传感器。 基本原理 将光纤特定位置制成折射率周期分布的光栅区，于是 特定波长（布拉格反射光）的光波在这个区域内将被 反射。反射的中心波长信号跟光栅周期和纤芯的有效 折射率有关。
3 钢弦频率式传感器
工作原理
传感器的敏感元件是一根张紧的金属丝，称为振弦。在电 激励下，振弦按其固有频率振动。改变振弦的张力F，可 以得到不同的振动频率f，即张力与谐振频率成单值函数 关系。
磁钢和线圈
i
支点 弦
l
活动支点
压力盒计算公式
4 光纤传感器
光纤传感技术是20世纪70年代伴随着光纤通信技术的发 展而出现并迅速发展起来的一种以光为载体、光纤为媒介、 感知和传输外界信号（被测量）的新型传感技术
电阻的相对变化，则有
dR d KS / x (1 2 ) /x R
在弹性范围内金属丝受拉 力时，沿轴向伸长，沿径向缩 短，则轴向应变和径向应变的 关系为 εy=-μεx μ 为金属材料的泊松系数。
L L dR dL d 2 dA A A A(1 2 ) / x F R
光纤光栅传感器
光纤光栅传感器
si720光纤光栅传感分析仪 主要技术性能指标
动态范围 (dB) 精度 (pm) 波长范围 (nm) 扫描频率 (Hz) 重复性 (pm) 通道数目 ( 个)
>60
1
1520~1570
5或0.5
0.01(0.5Hz); 0.2(5Hz)
2(8)
4.2 时域与频域的概念及关系 （1）时域
光纤传感器的优点
可实现长距离检测，测试空间范围大
应用范围广，可以对温度、湿度、应力、应变、流速、流量、 位移、振动、化学物质、放射体等多种要素进行测量
灵敏度高、动态范围大
耐高温、抗腐蚀，化学性能稳定，不受电磁干扰，能在较恶劣 的环境中使用，在易燃易爆等危险条件下也能保证安全工作
光纤体积小，易于表面和埋入式安装，且不会导致被测体的机 械性能和材料的变化 可以串连复用，用一根光纤连接多个传感单元，实现准分布式 测量（如FBG），甚至实现全分布式测量（如BOTDR）
（6）电阻应变片的粘贴方法
应变片通常是用粘合剂粘贴到试件上的，在做应变测量 时，通过粘合剂所形成的胶层将试件上的应变传递到应 变片的敏感栅上去。 因此，粘合剂的选择和粘贴质量的好坏直接关系到应变 片的工作情况，影响测量结果的准确性。
作业
如果将100 W的电阻应变片贴在弹性试件上 ，试件受力横截面积 S ＝ 0.5×10 － 4 m2 ，弹性模 量E＝2×1011 N/m2，若有F＝5×104 N的拉力引 起应变片电阻变化为1 W。试求该应变片的灵敏 系数。
2.1 电阻应变式传感器
（1）电阻应变片的结构
图中，l 称为应变片的标距，或称工作基长；b称为应变 片的基宽，或称工作宽度；l×b称为应变片的使用面积。
电阻丝较细，直径一般在0.015～0.0 6 mm，两端焊有较粗的低阻镀锡铜 丝(直径为0.1～0.2 mm)作为引线， 以便与测量电路连接。 应变片的规格一般是以使用面积和 电阻来表示的，如 PJ-120 型金属电 阻应变片的规格为13 mm×5 mm，1 20 W。
（2）压阻式传感器的优点 ①灵敏度非常高，有时传感器输出不需放大就可 直接用于测量； ②分辨力高，例如，可测出10～20 Pa的微小压力 变化； ③体积小； ④测量元件的有效面积可做得很小，故频率响应 高；可测量低频加速度和直线加速度。