应变式加速度传感器
传感器：第2章应变式传感器
于是有
(Rb)t Rb(bK(eb) )t
Ra(aK(ea))1 Rb(bK(eb))
2020/5/5
即
Ra bK(eb) Rb aK(ea)
通过选择两种敏感栅的电阻，使之符合上式。即可实 现温度补偿。
2020/5/5
（3）电路补偿 采用电桥电路和双应变片可以补偿温度误差。如图
2020/5/5
2.1 金属应变式传感器
特点：精度高、量程大；频响好；结构简单；环境适 应性强；易于小型化和固态化；价格低廉、品种多。
一、应变概念 应变：构件内任一点处的变形程度。应变又可分为线
应变 和切应变 ，均为无量纲量。
线应变 表示变形前构件内任一点处的一条微线段, 变形后的长度改变量与其原始长度之比。
应变式传感器包括两部份，一是弹性敏感元件，将被 测量转换为应变；二是应变片，将应变转化为电阻 的变化。
被测量
应变量
弹性元件
电阻
应变片
变化
2020/5/5
（一）柱式压力传感器 圆柱式压力传感器分为实心和空心两种。
2020/5/5
2020/5/5Leabharlann 柱式力传感器应变片的粘贴方式
对于柱式压力传感器其轴向应变和圆周方向应变与轴 向受力成正比例关系。
应变波波长为 ，应变栅长为 l 时，时刻 t 应变
因沿而构应件变的片分中布点为的应(x变)为0sin2x
t
0
sin2
xt
2020/5/5
2020/5/5
应变片测得的应变为栅长 l 范围内的平均应变 m ，
其数值为
m1lxxtt 2 2ll 0sin2xdxt0sin2xt sin ll
传感器分类
电阻式传感器：基本原理：是将被测的非电量转化成电阻值的变化，在通过转换电路变成电压或电流输出的一类传感器，通过测量电阻值变化达到测量非电量的目的。
应用：测量力、压力、位移、应变、加速度、温度等非电量参数，还适合动态测量。
应变式传感器：是一种具有较长应用历史的传感器，包括应变式加速度传感器，其工作原理：在应变梁的一段固定惯性质量块，梁的上下粘贴应变片，传感器内腔充满硅油，以产生必要的阻尼。
测量时，将传感器壳体与被测对象刚性连接。
当有加速度作用在壳体上时，由于梁的刚度很大，惯性质量块也以同样的加速度运动，产生的惯性力与加速度成正比。
惯性力的大小由梁上的应变片测出。
限位块使传感器过载时不被破坏。
应用：常用于低频振动测量中，被广泛应用于工程测量和科学实验中。
应变式传感器优点：其具有尺寸小、重度轻、结构简单、使用方便、响应速度快等。
这种传感器一般由弹性元件和电阻应变片构成，工作时利用金属弹性元件的电阻应变效应，将被测物变形转换成电阻变化。
压阻式传感器：包括压阻式加速度传感器，其工作原理：采用单晶硅作悬臂梁，在其近根部扩散四个电阻。
当梁的自由端的质量块收到加速度作用时，在梁上收到弯矩和应力，受电阻值发生变化。
电阻相对变化与加速度成正比。
有四个电阻组成的电桥将产生与加速度成正比例电压输出。
在设计时，恰当地选择传感器尺寸及阻尼系数，则可用来测量低频加速度与直线加速度。
压阻式传感器优点：灵敏系数大，分辨率高，频率响应高，体积小。
缺点：压阻式传感器多由半导体材料构成，由于半导体材料对温度很敏感，因此压阻式传感器的温度误差较大，必须要有温度补偿。
应用：主要用于测量压力、加速度和载荷等参数。
电感式传感器：利用线圈自感或互感的变化，实现测量的一种装置。
其核心部分是可变自感或可变互感，再将被测量转化成线圈自感或线圈互感的变化时，一般要利用磁场作为媒介或利用铁磁体的某些现象。
工作原理：把被测位移转换成线圈的自感或互感的变化，从而实现测量的一类传感器。
加速度传感器类型种类【大全】
加速度传感器是一种能够测量加速度的传感器。
通常由质量块、阻尼器、弹性元件、敏感元件和适调电路等部分组成。
传感器在加速过程中，通过对质量块所受惯性力的测量，利用牛顿第二定律获得加速度值。
根据传感器敏感元件的不同，常见的加速度传感器包括电容式、电感式、应变式、压阻式、压电式等。
加速度传感器工作原理线加速度计的原理是惯性原理，也就是力的平衡，A（加速度）=F（惯性力）/M（质量）我们只需要测量F就可以了。
怎么测量F？用电磁力去平衡这个力就可以了。
就可以得到F对应于电流的关系。
只需要用实验去标定这个比例系数就行了。
当然中间的信号传输、放大、滤波就是电路的事了。
现代科技要求加速度传感器廉价、性能优越、易于大批量生产。
在诸如军工、空间系统、科学测量等领域，需要使用体积小、重量轻、性能稳定的加速度传感器。
以传统加工方法制造的加速度传感器难以全面满足这些要求。
于是应用新兴的微机械加工技术制作的微加速度传感器应运而生。
这种传感器体积小、重量轻、功耗小、启动快、成本低、可靠性高、易于实现数字化和智能化。
而且，由于微机械结构制作精确、重复性好、易于集成化、适于大批量生产，它的性能价格比很高。
可以预见在不久的将来，它将在加速度传感器市场中占主导地位。
加速度传感器按工作原理可分为压电式、压阻式和电容式。
1、压电式传感器：压电式传感器是通过利用某些特殊的敏感芯体受振动加速度作用后会产生与之成正比的电荷信号的特性，来实现振动加速度的测量的，这种传感器一般都具有测量频率范围宽、量程大、体积小、重量轻、结构简单坚固、受外界干扰小以及产生电荷信号不需要任何外界电源等优点，它最大的缺点是不能测量零频率信号。
1）按敏感芯体材料按敏感芯体材料分为压电晶体（一般为石英）和压电陶瓷两类。
压电陶瓷比压电晶体的压电系数要高，而且各项机电系数随温度时间等外界条件的变化相对较小，因此一般更常用的是压电陶瓷。
2）按敏感芯体结构形式按敏感芯体结构形式分为压缩式、剪切式和弯曲变形梁式。
传感器原理其在力学中的应用
传感器原理与其在力学中的应用传感器（transducer/sensor）是能感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号（一般为电信号）的器件或装置。
传感器按输入信号分类可分为位移传感器、速度传感器、加速度传感受器、力/压力传感器等。
一、静力学传感器1．测力传感器——柱（筒）式力传感器图（一）为柱式力传感器，弹药性敏感元件为实心或空心的柱体（截面积为S，材料弹性模量为E），当柱体向受拉（压）力F作用时，在弹性范围内，应力σ与应变ε成正比关系。
图（一）轴向应变：横（周）向应变：应变片粘贴在弹性柱体外壁应力分布均匀的中间部分，沿轴向和周向对称地粘贴多片应变片。
贴片在柱面的展开位置及其在桥路中的连接如图所示（d）和(e)所示。
图（一）中作用力F在各应变片上产生的应变分别为全桥接法的总应变ε0为电桥输出电压为从而得到被测力F为2、应变片压力传感器原理与应用力学传感器的种类繁多，如电阻应变片压力传感器、半导体应变片压力传感器、压阻式压力传感器、电感式压力传感器、电容式压力传感器、谐振式压力传感器及电容式加速度传感器等。
但应用最为广泛的是压阻式压力传感器，它具有极低的价格和较高的精度以及较好的线性特性。
下面我们主要介绍这类传感器。
在了解压阻式力传感器时，我们首先认识一下电阻应变片这种元件。
电阻应变片是一种将被测件上的应变变化转换成为一种电信号的敏感器件。
它是压阻式应变传感器的主要组成部分之一。
电阻应变片应用最多的是金属电阻应变片和半导体应变片两种。
金属电阻应变片又有丝状应变片和金属箔状应变片两种。
通常是将应变片通过特殊的粘和剂紧密的粘合在产生力学应变基体上，当基体受力发生应力变化时，电阻应变片也一起产生形变，使应变片的阻值发生改变，从而使加在电阻上的电压发生变化。
这种应变片在受力时产生的阻值变化通常较小，一般这种应变片都组成应变电桥，并通过后续的仪表放大器进行放大，再传输给处理电路（通常是 A/D转换和CPU）显示或执行机构。
应变式传感器
图2-2-6 交流电桥的调幅特性
2、二极管相敏检波电路 T1的一次侧 输入调幅波ui，T2 的一次侧输入参 考电压ur，ur可直 接取自载波，它 与ui频率相同， 相位相同或相反， 比ui幅度大3～5 倍。变压器的极 性标定如图所示。
图2-2-7 二极管相敏检波电路
具体分析： A.当调制信号为正时，ui与载波相位相同，故ur 与ui相位也相同。 1)在ui的正半周时， ur给二极管VD3、 VD4正向偏置使之 导通，给VD1、VD2 反向偏置使之截止。 信号路径如→所示。
汽 车 衡
2、应变式压力传感器
应变式压力传感器主要用来测量流动介质的 动态或静态压力。如动力管道设备的进出口气体 或液体的压力、发动机内部的压力变化, 枪管及 炮管内部的压力、内燃机管道压力等。应变片压 力传感器大多采用膜片式或筒式弹性元件。应变 4～107Pa之间。 式压力传感器的测量范围在10图 2-2-8 所示为膜片式压力传感器, 应变片 贴在膜片内壁, 在压力p作用下, 膜片产生径向应 变εr和切向应变ετ。
25
25 25 15 25
4、应变片主要技术指标（续）
1）几何参数：表距 l 和丝栅宽度b，制造厂常用 b× l 表示。
2）电阻值：应变计的原始电阻值。
3）灵敏系数：表示应变计变换性能的重要参数。
4）其它表示应变计性能的参数（工作温度、滞后、 蠕变、零漂以及疲劳寿命、横向灵敏度等）。
5、金属电阻应变片的材料
2)在ui的负半周时， ur为正，VD3、VD4 导通，VD1、VD2截 止。信号路径如→ 所示。
电流仍为上负下正
相敏检波的特点：
1）相敏检波输出信号的极性与调制信号极性相同，即能
识别方向； 2）相敏检波输出信号的幅值与调制信号的幅值相同，即
应变式加速度传感器工作原理
应变式加速度传感器工作原理应变式加速度传感器是一种常见的加速度测量设备，它通过测量物体受力后产生的应变来间接计算出加速度的大小。
其工作原理是基于应变计的原理。
应变计是一种能够测量物体应变的传感器。
当物体受到外力作用时，内部的晶体结构会发生微小的变化，从而导致物体的形状和尺寸发生微小的变化。
这种变化被称为应变，可以通过应变计来测量。
应变式加速度传感器中的应变计通常采用金属薄膜或半导体材料制成。
当物体受到加速度作用时，应变计会随之发生微小的形变。
这种形变会导致应变计内部的电阻值发生变化。
通过测量电阻值的变化，就可以间接计算出加速度的大小。
具体来说，应变式加速度传感器通常由两个应变计组成，分别放置在测量物体的两个相对面上。
这样，当物体受到加速度作用时，两个应变计会分别产生应变。
通过测量两个应变计的电阻值变化，可以计算出物体在三个坐标轴上的加速度大小。
为了提高测量的精度和可靠性，应变式加速度传感器通常会采用桥式电路来测量电阻值的变化。
桥式电路由四个电阻组成，其中两个电阻与应变计串联，另外两个电阻则用于平衡电路。
当物体受到加速度作用时，应变计产生的电阻值变化会导致桥式电路的失衡，从而产生一个输出电压信号。
通过测量输出电压信号的大小，可以得到加速度的数值。
应变式加速度传感器具有结构简单、测量范围广、响应速度快等优点。
它被广泛应用于工业控制、航空航天、汽车安全等领域。
在工业控制中，应变式加速度传感器可以用于测量机械设备的振动，从而判断设备的运行状态和健康状况。
在航空航天领域，应变式加速度传感器可以被用于测量飞行器的加速度，从而提供飞行控制系统所需的数据。
在汽车安全领域，应变式加速度传感器可以被用于测量汽车发生碰撞时的加速度，从而触发安全气囊的弹出。
应变式加速度传感器通过测量物体受力后产生的应变来间接计算出加速度的大小。
它利用应变计的原理，通过测量电阻值的变化来获取加速度的信息。
应变式加速度传感器具有结构简单、测量范围广、响应速度快等优点，被广泛应用于工业控制、航空航天、汽车安全等领域。
传感器技术与应用第9章加速度传感器
F ma
图9-1 应变式加速度传感器结构示意图
9.1.2 应变式加速度传感器的测量原理
测量时，将传感器壳体与被测对象刚性连接，当被测物 体以加速度a运动时，质量块就受到一个与加速度方向相反 的惯性力作用，使悬臂梁变形。该变形被粘贴在悬臂梁上的 电阻应变片感受到，并随之产生应变，从而使应变片的阻值 发生变化。这个变化经过全桥差动测量电路转变成电桥不平 衡电压输出。并且这个不平衡电压Uo的大小与被测物体的运 动加速度a成正比。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
图9-2 压电式加速度传感器结构示意图
9.2.2压电式加速度传感器的测量原理
测量时，把压电加速度传感器与被测物体刚性连接，当加 速度传感器和被测物体一起受到冲击振动时，由于弹簧的刚 度很大，而质量块的质量相对较小，可以认为质量块的惯性 很小。因此，质量块感受与传感器基座相同的振动。这样， 质量块m就有一惯性力F作用到压电元件上。由于压电效应， 便在压电元件上产生电荷q，其电荷量大小为
第9章 加速度传感器及其应用案例
9.1 应变式加速度传感器 9.2 压电式加速度传感器 9.3 电容式加速度传感器 9.4 差动变压器式加速度传感器 9.5 加速度测量显示系统案例
返回主目录
9.1 应变式加速度传感器
9.1.1 应变式加速度传感器的结构
加速度传感器
•输出偏压： 8-12VDC
•恒定电流： 2-20mA， 典型值：4mA
•输出阻抗： ＜150Ω
•激励电压： 18-30VDC 典型值：24VDC
•温度范围： - 40～+120℃
•放电时间常数：≥0.2秒
•壳绝缘电阻： ＞ Ω
•安装力矩： 约20-30Kgf.cm(M5螺纹)
•几何尺寸： 六方17mm、高度24.5或31mm
电 荷 灵 敏 度 p C / g
率 范 围 ( ± 1 0 ％ ) H z
安 装 谐 振 点 k H z
横 向 灵 敏 度
%
值 线 性 ( ± 1 0 % ）
g
质 量 g m
使 用 温 度 范 围 ℃
安
装内
螺 部 用频
纹 m m
型 号
结 构电 荷 灵 敏 度 p C / g
途率 范 围 ( ± 1 0 ％ ) H
加速度传感器
完整版
综述
加速度传感器在工业生产、科研、航空航天 等领域中有着重要的应用。其中按照被测量 可以被分为角加速度传感器和 线加速度传感 器。根据敏感元件分有应变式 加速度传感器、 压阻式加速度传感器及压电式加速度传感器。 而随着科学技术的发展，智能化加速度传感 器也已经走进了我们的视野。
一 压电式加速度传感器
频率响应特性
►低频响应特性：下限频率一般为-10%左右频 响。主要由压电芯片和传感器的基座应变和 热释电效应等环境特性决定。应变加速度传 感器具有响应静态信号的特性。
►高频响应特性：上限频率一般为10%左右频 响。大约为安装谐振频率的1/3。如果要求上 限频率误差为+5%，大约为安装频率的1/5。 如果采用适当的校正系数，在更高的频率范 围也能够得到可靠的测试数据。
应变式传感器的基本知识1
θ
dl
dθ
图2-5 敏感栅半圆弧形部分
2.2.3 机械滞后、零漂及蠕变 应变片粘贴在被测试件上，当温度恒定时，其加 载特性与卸载特性不重合，即为机械滞后。
指 示 应 变εi
卸载
Δε
加载 Δ ε1
机械应变εR
图2-6 应变片的机械滞后
产生原因：应变片在承受机械应变后的残余 变形，使敏感栅电阻发生少量不可逆变化； 在制造或粘贴应变片时，敏感栅受到的不适 当的变形或粘结剂固化不充分等。
应变式传感器
Exit
应变式电阻传感器
2.1
2.2 电阻应变片的重要特性
2.3
2.4 电阻应变片的测量电路 2.5 应变式传感器的应用
应变效应
R 原理：金属导体或半 导体在受到外力作用时， 会产生相应的应变，其 电阻也将随之发生变化。
电阻：大—>小 施加力F
R K接通时
? 的电阻与其电阻率及几何尺
可见：电桥的输出电压 Uo仅与被测试件的应变 ε有关， 而与环境温度无关。
注意补偿条件：
在应变片工作过程中，保证R3=R4。
R1和RB两个应变片应具有相同的电阻温度系数 α、线 膨胀系数β、应变灵敏度系数K和初始电阻值R0。 粘贴补偿片的补偿块材料和粘贴工作片的被测试件 材料必须一样，两者线膨胀系数相同。
•电阻应变片的工作原理是基于应变效
应
•即导体或半导体材料在外界力的作用
下产生机械变形时，其电阻值相应发生 变化， 这种现象称为“应变效应”。
l
l
F r r
F
一根金属电阻丝，在其未受力时，原始电阻值为：
l R A
当电阻丝受到拉力F作用时， 将伸长Δl，横截面
积相应减小 ΔA ，电阻率因材料晶格发生变形等因素
应变式传感器
49
但是由于应变片的敏感栅相对较长，当应变波在纵栅
长度方向上传播时，只有在应变波通过敏感栅全部长 度后，应变片所反映的波形经过一定时间的延迟，才 能达到最大值。图3 -6所示为应变片对阶跃应变的响应 特性。
50
10%
90% tk tk＝0.8 l0 /
100%
t (a )
l0 (b )
(c)
应变片对阶跃应变的响应特性 (a) 应变波为阶跃波； (b) 理论响应特性； (c) 实际响应特性
40
弹性元件在应变片测量技术中占有极其重要的地位。
它首先把力、力矩或压力变换成相应的应变或位移， 然后传递给粘贴在弹性元件上的应变片，通过应变片 将力、力矩或压力转换成相应的电阻值。 弹性元件的 基本特性有：
刚度
灵敏度
动态特性
41
1. 刚度 刚度是弹性元件受外力作用下变形大小的量度，
以应变波的形式在材料中传播的，它的传播速度与声
经粘合层、基片传播到敏感栅，所需的时间是非常短 暂的，如应变波在粘合层和基片中的传播速度为 1000m/s，粘合层和基片的总厚度为0.05mm, 则所需
波相同，对于钢材v≈5000 m/s。应变波由试件材料表面，
时间约为5×10-8 s, 因此可以忽略不计。
变片所反映的波幅将低于真实应变波，从而带来一定的测量误
差。 显然这种误差将随应变片基长的增加而加大。图 2-7表示 应变片正处于应变波达到最大幅值时的瞬时情况， 此时
l0 x1 , 4 2 l0 x2 4 2
53
e
o x1 x2
lo
2π x 0 sin λ
x
图2-7 应变片对正弦应变波的响应特性
速度和加速度传感器
速度和加速度传感器
速度、加速度测试有许多方法，可以使用直流测速机直接测量速度，也可 以通过检测位移换算出速度和加速度，还可以通过测试惯性力换算出加速度等。 下面介绍几种典型的测试方法。 1. 直流测速机速度检测
直流测速机是一种测速元件，实际上它就是一台微型的直流发电机。根据 定子磁极激磁方式的不同，直流测速机可分为电磁式和永磁式两种。如以电枢 的结构不同来分，有无槽电枢、有槽电枢、空心杯电枢和圆盘电枢等。近年来， 又出现了永磁式直线测速机。常用的为永磁式测速机。
的输入轴)上的带缝隙圆盘、光源、光电器件和指示缝隙盘组成，如图3-15所
示。光源发生的光通过缝隙圆盘和指示缝隙照射到光电器件上。当缝隙圆盘随
被测轴转动时，由于圆盘上的缝隙间距与指示缝隙的间距相同，因此圆盘每转
一周，光电器件输出与圆盘缝隙数相等的电脉冲，根据测量单位时间内的脉冲
数N，则可测出转速为
n
60 N Zt
式中 Z——圆盘上的缝隙数； n——转速(r／min)； t——测量时间(s)。
图 3-15 光电式转速传感器的结构原理图
图 3-16 应变式加速度传感器
一般取Zt=60×10 m (m＝0，1，2，…)，利用两组缝隙间距W相
同，位置相差（i／2+1／4）W（i＝0，1，2，…）的指示缝隙和两个光
直流测速机的特点是输出斜率大、线性好，但由于有电刷和换向器 ，构造和维护比较复杂，摩擦转矩较大。
直流测速机在机电控制系统中，主要用作测速和校正元件。在使用 中，为了提高检测灵敏度，尽可能把它直接连接到电机轴上。有的电机 本身就已安装了测速机。
2. 光电式转速传感器
光电式转速传感器是一种角位移传感器，由装在被测轴(或与被测轴相连接
应变式传感器及其应用
a)外形图 b)内部图 c)圆柱展开图
a)
b)
c)
U om KF UB
2.4.2 电阻应变式荷重传感器在电子 衡器中的应用
传感器在电子秤中的应用 荷重传感器在电子汽车秤中的应用 传感器在动态电子汽车秤中的应用
2.5 应变式电阻加速度传感器
由牛顿第二定律可知，物体的加速度与其质量的乘 积就是作用在物体上的力F。因此要检测物体的加 速度，可以通过测量其所受的力来获得。应变式电 阻加速度传感器就是利用这个原理来测量物体的加 速度的。
2.4 应变式电阻荷重传感器
2.4.1 应变式电阻荷重传感器 2.4.2 电阻应变式荷重传感器在电子衡器中的 应用
2.4.1 应变式电阻荷重传感器
应变式电阻荷重传感器是一种用于测力和称重等方 面的传感器。
F F ε ε
Fm=100× 103 N KF=2 mV /V
3
ε ε
钢制圆筒在受到沿轴向的挤压力时，会产生轴向压 应变和径向拉应变。 实际应用中，荷重传感器的铭牌上均标出灵敏度， 以及满量程，并把荷重传感器的灵敏度定义为
2.1.2 弹性敏感元件的分类
1. 变换力的弹性敏感元件 变换力的弹性敏感元件大都采用等截面柱式、 等截面薄板、悬臂梁及轴状等结构。
2. 变换压力的弹性敏感元件 弹簧管弹性敏感元件 波纹管弹性敏感元件 薄壁圆筒弹性敏感元件
2.2 应变式电阻传感器原理及测量电 路
2.2.1 电阻应变片的结构及工作原理 2.2.2 测量电路
全桥形式具有温度自补偿功能。 应变式电阻传感器广泛应用在力、加速度等有 关物理量的测量中；扩散硅压力传感器应用在 测量气体和液位的压力中。
第4章_应变式传感器
R3 ) R3 R4
E
R1R 4
( R 1 R 1 R 2 )( R 3 R 4 )
R4 R1
E
R3 R1
(1 R1 R 2 )(1 R 4 )
R1 R1
R3
（4-30）
设：n = R2/R1为桥臂比
4－5
∵ΔR1 << R1
∴忽略分母中ΔR1/R1， 且有平衡条件：R2/R1= R4/R3，则式（4－30）化为：
式中 : σ——半导体的应力;
π——半导体的压阻系数;
ε——半导体的应变;
E——半导体材料的弹性模量。 于是：式（3－9）转化为：
d R (1 2 E )
R
(4 1)1
对半导体应变片来说，πE >> （1+2μ） ，故其灵敏系数为：
dR
KRE
相应的应力值σ为：
(41)2
注意：
•半导体应变片的灵敏度系 数比金属丝式高50～80倍；
▲被测试件不承受应变时，R1和RB又处于同一环境温度为t ℃的温度场中，调整电桥参数， 使之达到平衡，则
Uo=A（R1R4－RBR3）=0
（4 – 24）
通常取：R1 = RB = R3 = R4 。
当温度变化Δt = t－t0时， R1和RB因温度而引起的电阻变化量相等, 电桥仍平衡，即
Uo=A［(R1+ΔR1t)R4－(RB+ΔRBt)R3］= 0
• 所引起的附加电阻的相对变化量，不但与环境温度有关，还与应变片自身的性能 参数（K0，α0，βs）以及被测试件线膨胀系数βg有关。
2. 电阻应变片的温度补偿方法 电阻应变片的温度补偿方法：线路补偿法，应变片自补偿。 ⑴ 线路补偿法 电桥补偿：最常用，效果较好。图4－4所示是电桥补偿法的原理图。
应变式传感器分析
电阻值大
可以加大应变片承受电压， 输出信号大， 敏感栅尺寸也增大
返回
上一页
下一页
（一）灵敏系数
k R / R
“标称灵敏系数”：受轴向单向力（拉或压），试件材料 为泊松系数μ=0.285的钢等。一批产品中只能抽样5％的 产品来测定，取平均值及允许公差值。
2.1 应变式传感器
2.1.1 工作原理 2.1.2 金 属 应 变 片
的主要特性 2.1.3 测量电路 2.1.4 应 变 式 传 感
器应用
返回
第2章 应变式传感器 概述
传感器原理及应用
电阻式应变传感器作为测力的主要传感器，测 力范围小到肌肉纤维，大到登月火箭，精确度可到 0.01—0.1%。有拉压式（柱、筒、环元件）、弯曲 式、剪切式。
优点：应变灵敏系数大，允许电流密度大，工 作范围广，易实现工业化生产
问题：难控制电阻与温度和时间的变化关系
返回
上一页
电阻应变式传感器结构X
下一页
2.1.2 金属应变片的主要特性
（一）灵敏系数 （二）横向效应 （三）温度误差及其补
偿
返回
上一页
下一页
应变片的电阻值 R
应变片在未经安装也不受外力情况下， 于室温下测得的电阻值
式中: Rt——温度为 t ℃时的电阻值; R0——温度为t 0℃时的电阻值; α——金属丝的电阻温度系数; Δt——温度变化值, Δt=t -t0。
当温度变化Δt时, 电阻丝电阻的变化值为 ΔRt=Rt- R0= R0αΔt （1）
2) 试件材料和电阻丝材料的线膨胀系数的影响
应变式传感器特征： ➢不同材料类型:金属应变片、半导体应变片 ➢应用范围:应变力、压力、转矩、位移、加速度； ➢主要优点:使用简单、精度高、范围大体积小。
电阻式传感器的应用
1.简易家用气体报警器
2021年3月14日星期日
图2-29 家用气体报警器的内部电路
2.酒精检测报警器
2021年3月14日星期日
图2-30 酒精检测报警器的内部电路
பைடு நூலகம்
1.4 湿敏电阻式传感器的应用
1.自动气象站湿度测报
图2-31 无线电遥测自动气象站的湿度测报原理方框图
电阻式传感器的应用
电阻式传感器的应用
11电阻应变式式传感器的应用
1.应变式荷重传感器 测力和称重传感器有较大一部分是采用应变式荷重传感 器。 2.应变式加速度传感器 应变式加速度传感器是一种利用金属箔应变片或半导体 应变片作为敏感元件进行加速测量的传感器。 3.压阻式压力传感器 压阻式压力传感器是利用单晶硅的压阻效应制成的器件。
2021年3月14日星期日
2.汽车后窗玻璃自动去湿装置
2021年3月14日星期日
图2-32 汽车后窗玻璃自动去湿装置的内部电路
谢谢观看！
5
2021年3月14日星期日
2）电动机的过热保护控制
（a）连接示意图
（b）电动机定子上热敏电阻的连接方式
图2-28 电动机的过热保护电路
6
2021年3月14日星期日
1.3 气敏电阻式传感器的应用
气敏电阻式传感器广泛应用于防灾报警，如可制成液化 石油气、天然气、城市煤气、煤矿瓦斯以及有毒气体等 方面的报警器，也可用于对大气污染进行监测以及在医 疗上用于对氧气和一氧化碳等气体的测量，在日常生活 中则可用于空调机、烹调装置、酒精浓度探测等方面。
2021年3月14日星期日
1.2 热电阻式传感器和热敏电阻式传感器的应用
1.热电阻式传感器的应用 1）温度测量
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
传感器与测控电路课程设计说明书题目应变片式加速度传感器的设计姓名学院机电工程学院专业测控技术与仪器学号指导教师成绩二〇一零年六月二十三日目录一、设计题目 (3)二、设计任务及技术指标 (3)三、设计要求 (3)四、构造及其原理概述 (4)五、结构设计 (5)六、应变片的选择及其设计计算 (7)七、转换电路的设计 (9)八、外部电路的设计 (10)九、结构和辅助零件的设计 (11)十、精度误差分析 (12)十一、课程设计总结 (13)十二、参考文献 (14)附录：传感器设计CAD零件图 (15)传感器设计CAD装配图 (16)测控电路原理Proteus图 (17)一、设计题目应变式加速度传感器的设计二、设计任务及技术指标1、工作在常温、常压、静态、环境良好。
2、精度0.1%FS。
3、测量范围20ｇ。
4、频响：0.1~100HZ。
5、电桥电压：5V。
三、设计要求1、利用电阻或半导体的应变效应设计加速度传感器，将所测的加速度转换成电信号。
2、根据被测量，设计传感器的性能参数和结构参数。
3、根据传感器敏感元件输出电量的类型设计转换电路和后续信号处理电路。
四、构造及其原理概述1、金属丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻值将发生变化。
2、用应变片测量受力变形时，将应变片粘贴于被测对象表面上。
在外力作用下，被测对象表面产生微小机械变形时，应变片的敏感栅也随同变形，其电阻值发生相应的变化。
通过转换电路转换为相应的电压或电流的变化。
根据式σ=Eε式中σ：测试的应力；E：材料弹性模量可以测得σ应力值。
通过弹性元件将加速度转换为应变，因此可以用应变片测量加速度，从而做成应变式加速度传感器。
3、如图为加速度传感器的结构示意图。
图1 加速度传感器结构简图图2 传感器结构示意图1.壳体2.重块3.电阻应变片4. 硅油测量时，将传感器的壳体与被测对象感性连接。
当有加速度作用在壳体上时，由于梁的刚度很大，惯性质量块也以同样的加速度运动，产生的惯性力与加速度成正比。
惯性力的大小由梁上的应变片测出。
在梁的上下各贴一个应变片，一个应变片受拉，电阻增大，另一个受压，电阻减小。
再通过电桥把电阻的变化转为电压的变化，通过电压放大用电压表测出相应的电压，从而就可以得到相应的加速度。
综上所述，等强度梁的应变可以表征被测运动构件的加速度大小。
电阻应变片加速度传感器的基本原理就是把由运动构件加速度引起等强度梁的应变转换成电量进行测量。
五、结构设计结构图如下图所示：图3 传感器总体结构设计1、等强度梁的设计为了在减小粘贴应变片时对位置的要求，选用等强度梁。
（1）材料的选择（a ）壳体及质量块选用碳钢，质量块取M ＝５０ｇ （b ）弹性元件（悬臂梁）选用铍青铜。
有弹性模量G ＝5000Mpa. 密度ρ=8.26g/cm,参考课本：取长L =20mm ，宽B=10mm,厚度d=10mm（c ）许用应力： （悬臂梁）最大的拉压力取F=ma=50×20×10×10-3=10N（设g=10N/KG ）（2）设计计算（a ）梁的强度计算：当最大加速度时，梁受力最大。
当M ＝５０ｇ时，受力最大为10N 。
强度校核4d A 2π=得A=7.85×10-6[]σσ≤=AN经计算的满足强度要求。
（b ）等强度梁的无阻尼固有频率mEb l h m Kn 63⎪⎭⎫ ⎝⎛==ω ()s rad f n =πω2n六、应变片的选择及其设计计算电阻应变片有金属丝式、金属箔式和金属薄膜式。
1、金属丝式应变片：粘贴性能好，制作简单，成本底。
但因弯曲部的变形使其横向效应较大。
2、金属箔式应变片：可以制成多种复杂的形状，横向效应可以忽略，蠕变、机械之后小，疲劳寿命长。
但其电阻值的分散性较大，需做阻值调整。
3、金属箔式应变片 ：电阻值比箔式应变片高，形状和尺寸也比箔式应变片更小更精确；它没有箔式应变片腐蚀所引入的疵病；制成的结构散热良好，对于较宽的温度范围也可达到较完善的补偿；特别是近几年由于激光阻技术的发展，提高了电阻值的精度，可达0.01%。
尤其突出的是：陶瓷绝缘代替了胶接，即避免了复杂的分选和粘贴技术，而且对所引入的漂移、蠕变、疲劳弱点都有很大的克服。
根据以上分析，选择金属箔式应变片图4 金属箔式应变片结构形式选用小型硅应变片参考规格：额定电阻：120Ω电阻应变片直径取为0.05mm高电阻率的金属电阻丝绕成栅状，绕成栅状是为了获得高的阻值，将其粘贴在绝缘的基体上，电阻丝的两端焊接引线。
敏感栅上面粘贴有保护用的覆盖层，敏感栅电阻值120Ω 。
其结构图如图所示：图5 应变片的结构形式基底：为保持敏感栅固定的形状、尺寸和位置，通常用粘结剂将它固结在纸质或胶质的基底上。
应变计工作时，基底起着把弹性体应变准确地传递给敏感栅的作用。
为此，基底必须很薄，取0.02mm图1 金属电阻应变片的内部结构。
引线：它起着敏感栅与测量电路之间的过渡连接和引导作用。
通常取直径约0.1mm 的低阻镀锡铜线，并用钎焊与敏感栅端连接。
保护盖层：用纸、胶作成覆盖在敏感栅上的保护层；起着防潮、防蚀、防损等作用。
粘结剂：在制造应变计时，用它分别把盖层和敏感栅固结于基底；在使用应变计时，用它把应变计基底再粘贴在弹性体表面的被测部位。
因此它也起着传递应变的作用。
七、转换电路的设计采用双臂电桥电路，如下图：图6 电桥电路的设计45 °应变花的电阻值分别为： R 1a =R 1d =R ±1R ∆ R 2a =R 2d =R ±2R ∆该剪切区域的31σσ=，则R 2R 1R ∆≈∆≈∆ 故电桥输出：i 0V RRV ∆=同理，对于测量水平方向加速度的电桥，在有轴向加速度和另一个侧向加速度同时作用时，也可通过桥路运算来消除它们的干扰。
当轴向惯性力作用时：R R R R d d a ∆±====21a21R R 很显然，桥路处于平衡状态，理论上没有干扰输出。
当另一水平方向惯性力作用时，从有限元分析结果知，贴片处的应力值很小，再经过电桥运算：RR R R R R R d d a ∆±==∆±==2121a R故电桥通过对壁可抵消输出，从而很好地消除。
八、外部电路的设计设计电路如图：图7 外部电路的设计1.放大器将微弱的调幅波进行不失真的放大，对放大器的要求是：稳定性要高，受温度影响小，所以常用负反馈电路；放大后的调幅波的频率和相位与电桥输出的调幅波相同，只是幅值被放大了若干倍。
2．开关电路调制信号的调幅也可以利用开关电路来实现，在输入端加入调制信号。
两个场效应晶体管，工作在开关状态，经过调制与载波信号相乘。
3．相敏检波器①将放大的调幅波还原成与被测信号波形相同的波形②根据放大器输入的调幅波的相位来鉴别原来被测信号的极性。
4．低通滤波器是由R 、C 组成的滤波器，其作用在于滤去检波后波形中的高频部分，取出所需的正确波形，如图中所示可见，相敏检波器+滤波器=解调器。
九、结构和辅助零件的设计传感器中除了核心的弹性敏感元件和应变片外，还有其他辅助的零部件，如作为力的传递环节的接头，压力输出管道、外客等。
因此还要进行结构和辅助零件的设计接头 在有些里的传感器中，接头是做为力的一个传递环节，选择用平面—形式。
评价接头特性应注意活动部件的质量和接头的刚度。
活动部件质量m 不能小于与被测传递力的某个数值，这个数值可由 中关系曲线确定、接头的刚度取决与结构材料的弹性模量和加工粗糙度。
接表面粗糙度小可使刚度增加，加油也可以使刚度增加。
，从而尽可能消除传递过程中出现的误差 管道 管道是一个传递压力的环节，特可以在规定的距离内传递被测压力信号。
管道的动态特性不但取决于其集合尺寸，还取决于管道内介质的成分，因此被测压力向压力传感器传输时，信号有可能发生较大的是失真。
设计成恒定截面的管道，固有频率公式为ov f =l k m 4ρ(hz)液体密度；----ρL------通道长度；kmk=0001δE dE E + 液体和连接通道的导出弹性模量；E 0------液体的弹性模量； E---------管道材料的 弹性模量；0δ--------管壁的厚度。
壳体 壳体可以保护内部变换元件不受外部因数，特别是周围化学活性介质的影响。
如果壳体的弹性元件为刚性连接，当壳体产生重大变形时，将引起弹性元件重大变形，从而造成零点误差和影响灵敏度，若影响太大，就应当增加壳体厚度，所以壳体设计要考虑其完成的功能。
参考课本，取壳体的长为65mm ，宽为40mm 。
十、精度误差分析 1、误差因素静态应变测量系统是电阻应变片和测量电路两部分组成，因此误 差因素也由此两部分组成。
（1）对于应变片主要有灵敏度系数的准确度和分散度、粘贴方向不准确、横向效应系数，以及应变片的机械滞后和蠕变等因素造成的误差。
（2）对于测量电路，主要有基本误差、灵敏度误差、刻度误差等。
（3）此外还有应变片电阻和导线电阻的影响。
2.测量误差分析(1) 应变片粘贴方向不准带来的误差设х,у为主方向，原定基准线与主方向夹角为ϕ，在切应变=xy γ时φε=2y x εε++2yx εε+cos2ϕ式中x ε,yε和分别为х,у方向的应变，是需要测量ϕ方向的实际应变，由于粘贴角度有偏差Δϕ，此时所测应变1ϕε为1ϕε=2y x εε++2yx εε+cos2(ϕ+Δϕ)则造成的应变误差为Δφε=1ϕε-φε=(y x εε-)sin(2ϕ+Δϕ)sin Δϕ可见误差大小不仅与粘贴角度的偏差角有关，而且和应变片轴线与主方向夹角的大小有关。
越大，粘贴方向不准确误差就越大，尤其对基长小的应变片粘贴方向不易准确，更予以重视。
(2) 应变片的横向效应误差应变片的横向效应误差对平面应力状态，对应变测量影响较大。
在计算误差时，需测量方向的主应变，由于应变片的横向效应的影响，得到的测量结果将为和。
十一、课程设计总结通过本次课程设计，让我重新复习了传感器、测控电路这两门课程的内容，尤其是涉及到我所用到的部分。
同时，也让我发现了自己知识的很多漏洞。
比如，将理论运用到实际中的能力有待提高，在课本中原理看的懂，可自己实际设计时，往往考虑的不是很全面，对有些参数的设定有一些困难；对以前所学的软件，如CAD ，Protues 不够熟悉。
十二、参考文献[1] 唐文彦. 传感器[M]. 第4版. 北京：机械工业出版社，2006.[2] 张国雄. 测控电路[M]. 第3版. 北京：机械工业出版社，2008.[3]付家才. 传感器与检测技术原理及实践[M] . 北京：中国电力出版社，2008 .[4]陈书旺. 传感器应用及电路设计[M] . 北京：化学工业出版社，2008 .[5] 卿太全. 传感器应用电路[M] . 北京：中国电力出版社，2008 .附录三：测控电路图。