第2章 能量控制型传感器

2.2.2 电容式传感器的测量电路
2.2 电容式传感器
电容式传感器的电容值一般十分微小（几皮法至几十皮法），这 样微小的电容不便直接显示、记录或传输，因此，需要借助测量 电路将其转化为电压、电流或频率信号。电容式传感器的测量电
路种类很多，下面介绍一些常用的测量电路。 1.桥式电路 图2-19所示为桥式测量转换电路，其中图2-19a为单 臂接法的桥式测量电路，1MHz左右的高频电源经变压器接到电容 桥的一条对角线上，电容C1、C2、C3、Cx构成电桥的四臂，Cx为 电容传感器。 当Cx改变时，o不为0，桥路有输出电压。在图2⁃19b中，Cx1、Cx2 为传感器的两个差动电容，电桥的空载输出电压为
图2-12 膜片式压力传感器 1—插座 2—膜片 3—应变片
2.1 电阻应变式传感器
图2-13 组合式压力传感器 a)波纹膜片与悬臂梁组合 b)波纹管与 悬臂梁组合 c)波纹膜盒与悬臂梁组合
2.1 电阻应变式传感器
图2-14 应变式加速度传感器 1—质量块 2—弹性元件 3—壳体及基座 4—应变片
2.2 电容式传感器
2.2.1 电容式传感器的原理及结构 由物理学可知，两个平行金属极板组成的电容，如果不考虑其边 缘效应，其电容值为
1.变极距式电容传感器 如图2-16a所示，变极距式电容传感器的 位移是由被测量变化而产生的。 ΔC=εA/d－Δd－εA/d=εA/d Δd/d－Δd=C0Δd/d－Δd（2⁃11）
2.1 电阻应变式传感器
图2-5 梁式测力传感器 a)等截面悬臂梁 b)等强度悬臂梁 c)双孔梁 d)“S”形弹性梁
2.1 电阻应变式传感器
(3)薄壁环 如图2-6所示，弹性元件为等截面圆环。
图2-6
薄壁环式测力传感器
2.1 电阻应变式传感器
2.测量电路 电阻应变式传感器是把机械应变量转换成电阻变化量， 由于应变量及电阻变化量一般都很微小，既难以直接精确测量， 又不便直接处理。
件的零应变处(图中试件的中线上)，或贴在补偿块上。 1)R1和R2是同规格的应变片，即它们的初始电阻值、电阻温度系 数α、线膨胀系数β和应变灵敏度K都相同。 2)粘贴补偿应变片的补偿块材料和粘贴工作应变片的试件材料必 须相同。 3)两应变片R1和R2处于同一温度场。 (2)桥路自补偿法 当测量桥路处于半桥和全桥工作方式时，与上 述补偿法的原理相似，应变片受温度影响产生的电阻变化量相同， 接在电桥相邻两臂上而相互抵消，达到桥路自补偿的目的。
3.变介电常数式电容传感器 当两极板间极间介质的介电常数发生 变化时，电容量C也随之改变，
2.2 电容式传感器
这种传感器大多用来测量片状材料的厚度、被测物位移、液面高 度，还可根据极间介质的介电常数随温度、湿度、容量改变而改 变来测量温度、湿度和容量等，如图2-18所示。
图2-18 变介电常数式电容传感器 a)测厚度 b)测位移 c)测液位 d)测容量
图2-16 变极距式电容传感器 a)变极距式 b)差动变极距式 1、3—固定极板 2—可动极板
2.2 电容式传感器
2.变面积式电容传感器 变面积式电容传感器与变极距式相比，测 量范围大，可测量较大的线位移或角位移。 ΔC=A′ε/d－Aε/d=ε(A′－A)/d=εΔA/d（2⁃12）
图2-17 变面积式电容传感器 a)平板平移式 b)半可调式 c)筒式 d)差动筒式 1、3—固定极板 2—可动极板
2.1 电阻应变式传感器
应变片正常工作时需依附于弹性元件，可以通过两种形式实现应 变片的粘贴。一种是将应变片直接粘贴于压力⁃位移型弹性元件 （只有平膜片容易实现）的应变处，在弹性元件实现压力⁃位移变
换的同时，也实现了应变⁃电阻值的变换。另一种是粘贴在力⁃应 变型弹性元件表面，通过压力⁃位移型弹性元件实现压力⁃力的变 换，再通过粘贴有电阻应变片的力⁃应变型弹性元件实现力⁃应变⁃ 电阻值的转换。最后，把应变片接入测量电桥的桥臂，通过测量 电路把电阻值转换成电压或电流信号，送至显示仪表。电阻应变 式压力传感器结构原理框图如图2⁃3所示。
2.1 电阻应变式传感器
3.应变式加速度传感器 应变式加速度传感器是一种惯性式传感器， 基本原理如图2-14所示。 小制作——数显电子秤
1.工作原理 数显电子秤电路原理如图2-15所示，其主要有三部分， 分别为电阻应变式传感器R1，由IC2、IC3组成的测量放大电路，IC 1及外围元件组成的数显面板表。
图2-11 筒式压力传感器 1—工作应变片 2—补偿应变片
2.1 电阻应变式传感器
(2)膜片式压力传感器 如图2-12所示，它的敏感元件为圆形膜片， 应变片贴在膜片上。 (3)组合式压力传感器 如图2-13所示，它的压力-位移型弹性元件
为波纹膜片、膜盒或波纹管，而应变片粘贴在力-应变型弹性元件 悬臂梁上。
例2-1 将阻值为120Ω、灵敏度为K=2的电阻应变片，分别沿轴向、 径向贴在外直径为10cm、内直径为5cm的圆环形钢柱表面，钢材 的弹性模量E=2×1011N/m2，在钢柱受到F=7.5×103N拉力后，两 应变片的电阻分别变化了多少？ 解：钢柱的横截面积 (2)梁式弹性元件 梁有多种形式，如图2-5所示。
2.2 电容式传感器
图2-19 电容式传感器的桥式电路 a)单臂接法 b)差分接法
2.运算放大器式电路 如图2-20所示，Cx为传感器电容，它跨接在 高增益运算放大器的输入端和输出端之间。
2.2 电容式传感器
图2-20 运算放大器式电路
3.调频电路 调频电路是将电容式传感器作为LC振荡器谐振回路
2.1 电阻应变式传感器
图2-1 各种应变片结构图 a)金属丝式应变片 b)金属箔式应变片 c)体型半导体应变片 1—基片 2—Si片 3—引线
2.1 电阻应变式传感器
图2-2
金属丝式应变片结构示意图 1—引线 2—覆盖层 3—基片 4—敏感栅
2.1 电阻应变式传感器
2.应变片的粘贴 应变片是粘贴在弹性敏感元件或被测元件上的， 传感器的性能在很大程度上取决于粘贴质量，所以黏合剂的选择 要考虑基片的材料、工作环境、潮湿程度、稳定性、是否加温加
2.1 电阻应变式传感器
(1)数显电子秤的制作 数显电子秤的形变钢件可用普通钢锯条制 作，其制作方法为：首先将锯齿打磨平整，再将锯条加热至微红， 趁热加工成“U”形，并在对应位臵钻孔，以便以后安装；然后再
将其加热至呈橙红色(七八百摄氏度)，迅速放入冷水中淬火，以提 高硬度和强度；最后进行表面处理工艺。 (2)数显电子秤的调试 准备1kg及2kg标准砝码各一个，调试过程 如下：首先在秤体自然下垂且无负载时调整RP1，使显示器准确显 示零；再调整RP2，使秤体承担满量程质量(本电路选满量程为2kg) 时显示满量程值；然后在秤钩下悬挂1kg的标准砝码，观察显示器 是否显示1.000，如有偏差，可调整RP3值，使之准确显示1.000(如 有调整，应重新进行前两步调试，使之均满足要求)；最后准确测 量RP2、RP3电阻值，并用固定精密电阻予以代替。
第2章 能量控制型传感器
第2章 能量控制型传感器
2.1 电阻应变式传感器
2.2 电容式传感器 2.3 电感式传感器
2.1 电阻应变式传感器
2.1.1 电阻应变效应 导体或半导体在外界力的作用下产生机械形变，其电阻值也随着 发生变化，这种现象称为电阻应变效应。下面我们以金属丝应变
片为例分析这种效应。 2.1.2 应变片结构类型与粘贴 1.应变片的结构类型 常用的应变片有金属应变片和半导体应变片 两类，金属应变片分为金属丝式、箔式和薄膜式三种；半导体应 变片分为体型、扩散型、薄膜型和PN结元件等类型，如图2-1所示。
在电阻应变式传感器中最常用的测量电路是桥式电路。按电源性 质不同，可分为直流电桥和交流电桥。按电桥桥臂电阻的工作方 式不同，可分为惠斯顿电桥、半桥和全桥。
图2-7 桥式测量电路 a)直流电桥 b)桥路的调零电路
2.1 电阻应变式传感器
(1)惠斯顿电桥 (2)半桥 (3)全桥 即电桥的四个桥臂都为应变片，此时电桥输出电压公式
匀的胶水，然后将应变片贴在被测点上，并在应变片上覆盖一层 聚乙烯塑料薄膜并加压，将多余的胶水和气泡排出，加压时要注 意防止应变片错位。 (4)固化 根据所使用的黏合剂的固化工艺要求进行固化处理和时 效处理。 (5)粘贴质量检查 检查粘贴位臵是否合格，黏合层是否有气泡和 漏贴，敏感栅是否有短路或断路现象以及敏感栅的绝缘性能等。 (6)引线的焊接与防护 检查合格后即可焊接引线。 2.1.3 电阻应变式压力传感器的组成
3.温度补偿 在外界温度变化的条件下，由于敏感栅温度系数(αt) 及栅丝与试件膨胀系数(βg、βs)的差异性而产生虚假应变输出时， 测量有时会产生与真实应变同数量级的误差，必须采取补偿温度
误差的措施。
图2-8 补偿块温度补偿示意图 1—试件 2—补偿块
2.1 电阻应变式传感器
(1)补偿块补偿法 采用惠斯顿电桥测量如图2-8所示试件上表面某 一点的应变时，可采用两片型号、初始电阻和灵敏度都相同的应 变片R1和R2，R1贴在试件的测试点上，R2(称为温度补偿片)贴在试
2.1 电阻应变式传感器
图2-3
电阻应变式压Baidu Nhomakorabea传感器结构原理框图
1.力-应变型弹性元件 常用的力-应变型弹性元件有柱形弹性元件、 悬臂梁和薄壁环等。
2.1 电阻应变式传感器
图2-4 圆柱式测力传感器 a)圆柱外形 b)圆柱面展开图
2.1 电阻应变式传感器
(1)柱形弹性元件 此类弹性元件由于应变很小，测力量程较大， 尤其是实心圆柱在径向尺寸较大时，测力上限可达数千万牛顿， 常作为荷重式压力传感器的敏感元件。
2.1 电阻应变式传感器
金属丝式应变片由敏感栅、基底和覆盖层、黏结剂、引线组成， 如图2⁃2所示。其中敏感栅是应变片最重要的部分，一般栅丝直径 为0．015~0．05mm。敏感栅的纵向轴线称为应变片轴线，根据不
同用途，栅长可为0．2~200mm。基底和覆盖层用以保持敏感栅及 引线的几何形状和相对位臵，并将被测件上的应变迅速准确地传 递到敏感栅上。因此基底做得很薄，一般为0．02~0．4mm。覆盖 层起保护敏感栅作用。基底和覆盖层用专门的薄纸制成的称为纸 基，用各种黏结剂和有机树脂膜制成的称为胶基，现多采用后者。
为式(2-5)或式(2-6)。 例2-2 将四片阻值为200Ω的应变片对称粘贴在等强度悬臂梁的上 下表面，与阻值为200Ω的固定电阻组成电桥电路，应变片灵敏度 K=2，桥路供电电压为5V，当应变片产生2×10－6ε应变时，试求惠 斯顿电桥、半桥以及全桥工作时的输出电压。 解：惠斯顿电桥：
2.1 电阻应变式传感器
2.1 电阻应变式传感器
图2-9
半桥的温度补偿
2.1.4 电阻应变式传感器的应用
2.1 电阻应变式传感器
图2-10 应变式转矩传感器 a)半桥应变片粘贴图 b)全桥应变片粘贴图
1.应变式转矩传感器 测量转矩时，可以直接将应变片粘贴在被测 轴上，其原理如图2-10所示。
2.1 电阻应变式传感器
2.应变式压力传感器 应变式压力传感器主要用于液体、气体压力 的测量，测量压力的范围在104~107Pa之间。 (1)筒式压力传感器 如图2-11所示，通常用于测量较大的压力。
压以及粘贴时间等因素。 (1)试件的表面处理 为了保证良好的黏合度，粘贴表面应保持平 整、光滑，无杂质、油污及表面氧化层等。
2.1 电阻应变式传感器
(2)确定贴片位臵 在应变片上标出敏感栅的纵向、横向中心线， 在试件被测点处画出中心线，粘贴时使两者重合。 (3)粘贴 先在处理后的试件表面和应变片的基底各涂一层薄而均
图2-15
数显电子秤电路原理
2.1 电阻应变式传感器
2.元件选择 1)IC1选用ICL7126集成块，IC2、IC3选用高准确度低温漂精密运算 放大器OP07，IC4选用LM385—1.2V集成块。
2)传感器R1选用E350—2AA型箔式电阻应变片，其常态阻值为350 Ω。 3)各电阻元件宜选用精密金属膜电阻。 4)RP1选用精密多圈电位器，RP2、RP3经调试后可分别用精密金属 膜电阻代替。 5)电容中C1选用云母电容或瓷介电容。 6)电源采用9V恒流源电源供电。 3.制作与调试