第三章 常用传感器和敏感元件

惯性机构m
dR
R
注意：1）应变片的粘接
2）温度的影响，温度补偿
3）用于动态测量时，要注意应变
片的上限测量频率
第三章 常用传感器和敏感元件
原理：在桥中设置一三角形障碍物，
应用
利用汽车碍时的冲击对桥梁进行激
励，再通过应变片测量桥梁动态变
案例1：桥梁固有频率测量
形，得到桥梁固有频率。
第三章 常用传感器和敏感元件
第三章 常用传感器和敏感元件
几何参数： 栅长L和栅宽b， 制造厂常用b×L 表示。
第三章 常用传感器和敏感元件
第三章 常用传感器和敏感元件
箔式：线条均匀，尺寸准确，粘结情况好， 传递试件应变性能好
工作原理：
R l
A A r2
dR
R l
dl
R A
dA
R
d
dR
r2
dl
2
l r3
dr
l r
2
d
dl
等因素影响），非线性误差大
（三）电阻应变式传感器的应用 1.直接测结构的应变或应力
2.将应变片贴于弹性组件上，测力、位移、压力、加速度等
弹性组件得到与被测量成正比的应变，再由 转变为 R
的变化 ，再由后续电路转变为电压的变化
第三章 常用传感器和敏感元件
第三章 常用传感器和敏感元件
第三章 常用传感器和敏感元件
案例2：电子称
原理
将物品重量通过悬臂梁转 化结构变形再通过应变片 转化为电量输出。
第三章Байду номын сангаас常用传感器和敏感元件
应变片有如下的优点：
①.测量应变的灵敏度和精度高，性能稳定、 可靠，可测1～2με，误差小于1％。②.应变 片尺寸小、重量轻、结构简单、使用方便、测 量速度快。测量时对被测件的工作状态和应力 分布基本上无影响。既可用于静态测量，又可 用于动态测量③.测量范围大。既可测量弹性 变形，也可测量塑性变形。变形范围可从1 ％～2％。④.适应性强。可在高温、超低温、 高压、水下、强磁场以及核辐射等恶劣环境下 使用。⑤.便于多点测量、远距离测量和遥测。 ⑥.价格便宜，品种多，工艺较成熟，便于选 择和使用，可以测量各种物理量。
第三章 常用传感器
被测机械量—转—化—为—与之相应的易于传输、识别、处 理的电信号的装置
第一节 传感器的分类
位移传感器 按被 力传感器 测量 温度传感器
机械式 按工作 电气式
原理 光学式 流体式
按信号 物性型：例：压电式 变换特征 结构型：例：电容式
第三章 常用传感器和敏感元件
按敏感组件与被测对象之间的能量关系 能量转换型：直接由被测对象输入能量， 如：热电偶温度计 能量控制型：从外部供给辅助能量， 如：电阻应变计中电阻接于电桥上 模拟式
x RL
xp
RLRP时
uy
u0 xp
x
变阻器式传感器的优点：
简单、性能稳定、使2用0方m便
缺点：分辨力低，<20微米， 噪音较大 应用：测线位移，角位移
第三章 常用传感器和敏感元件
电阻式传感器
应用 案例1：重量的自动检测--配料设备
原理
原材料
用弹簧将力转换为位移;再 用变阻器将位移转换为电 阻的变化
半导体应变片
一、变阻器式传感器 位移———电阻变化
R l
A
第三章 常用传感器和敏感元件
直线位移型 灵敏度：
s ddRxkl 常
输入：x(位移)
输出：R(电阻) 测：直线位移
角位移型 sddRk 常 输入：角位移 输出：阻值R 测：角位移
第三章 常用传感器和敏感元件
非线性型 骨架按要求定
若被测量：f ( x) 要求：
第三章 常用传感器和敏感元件
第四节 电感式传感器
自感型(L): 可变磁阻式
l
纵向应变
R(
dl l
2
dr r
d
)
R (1 2 E)
drdl 电阻丝泊松比
r
l
压阻系数
d
E
弹性模量
与材质有关
第三章 常用传感器和敏感元件
dR(12E)
R
(12) ：是由电阻丝几何尺寸变化所引起的
E ：是由电阻丝的电阻率随应变的改变而引起的
对于电阻丝： dR(12)
R
灵敏度： S gd/R Rd d//R lR12常
dR
R
灵敏度：
SgdR/R
较金属丝电阻应变片大50—70倍
第三章 常用传感器和敏感元件
金属丝电阻应变片与半导体应变片的主要区别：
前者利用导体形变引起阻值的变化， 后者利用半导体电阻率变化引起阻值的变化。 半导体应变片优点： 灵敏度高，机械滞后小，
横向效应小，体积小 缺点：温度稳定性差，灵敏度分散度大（晶向、杂质
比较 设定值
第三章 常用传感器和敏感元件
二．电阻应变式传感器
应用：测应变、力、位移、加速度、扭矩等
特点：体积小、动态响应快、精度高、使用方便
（一）金属电阻应变片传感器
丝式 箔式
工作原理：应变片发生机械变形时——引起电阻值变化 应变片工作时：粘固在被测物表面上或弹性体上
丝式： 康铜或镍铬合金 直径0.025mm
f (x) kx2
为使输出的阻值：
R(x)cf(x)ck2x
骨架当触点在x处时：
R(x) xr(x)dxkc2x 0 r ( x) ：任一位置微小区间内的电阻 r(x)2kcxK x
所以:骨架形状应为三角形
第三章 常用传感器和敏感元件
后接电路：电阻分压电路
uy
xp
u0 ( RP )(1
x)
按输出信号 数字式
第三章 常用传感器和敏感元件
第二节 机械式传感器
敏感元件：直接感受被测物理量
敏感组件： 弹性体 输入：力，压力，温度等
输出： 弹性组件本身的变形 特点： 简单、可靠、使用方便，价低， 读 数直观；但固有频率低 弹性原件具有蠕变、弹性后效等现象 适宜： 检测缓变或静态被测量
蠕变：固体材料在保持应力不变的 弹性后效是指载荷在停止变化之后， 情况下，应变随时间缓慢增长的现象 弹性元件在一段时间之内还会继续
产生类似蠕动的位移
第三章 常用传感器和敏感元件
第三章 常用传感器和敏感元件
微型探测开关
可探测物体有无、位置、尺寸、运动状态等
第三章 常用传感器和敏感元件
第三节 电阻式传感器 被测量 转—化—为-- 电阻变化
直线位移型传感器 变阻器式 角位移型传感器
非线性型
电阻传感器
电阻应变式
金属电阻应变片
丝式 箔式
Sg=1.7—3.6 • 金属应变片有： 丝式、箔式 • 优点： 稳定性和温度特性好 • 缺点： 灵敏度系数小
第三章 常用传感器和敏感元件
（二）半导体应变片 工作原理：半导体材料的压阻效应
压阻效应：单晶半导体材料在 沿某一轴向受到外力作用时，
其电阻率 发生较大变化
dR(12)
R
对半导体：(12)
很小，可略去