第三章 常用传感器及信号调理、处理和记录仪器

2 电阻应变式传感器--应变片
电阻应变片工作原理是基于金属导体的应变效 应，即金属导体在外力作用下发生机械变形时，其 电阻值随着所受机械变形(伸长或缩短)的变化而发 生变化象。
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3.3 电阻式传感器
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2 电阻应变式传感器--应变片
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3.3 电阻式传感器
浙江科技学院包装工程系
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3.1 传感器概述 2)按工作的物理基础分类:
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机械式,电气式,光学式,流体式等.
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3.1 传感器概述
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3)按信号变换特征: 能量转换型和能量控制型. 能量转换型:直接由被测对象输入能量使其工作. 例如:热电偶温度计,压电式加速度计. 能量控制型:从外部供给能量并由被测量控制外部 供给能量的变化.例如:电阻应变片.
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第三章、常用传感器及信号调理、处理和记录仪器
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4 稳定性 稳定性是表示传感器经过长期使用以后， 其输出特性不发生变化的性能。影响传感器稳 定性的因素是时间与环境。 5 精确度 传感器的精确度是表示传感器的输出与被 测量的对应程度。
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第三章、常用传感器及信号调理、处理和记录仪器
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第三章、常用传感器及信号调理、处理和记录仪器
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2 响应特性 传感器的响应特性是指在所测频率范围内， 保持不失真的测量条件。 实际上传感器的响应总不可避免地有一定 延迟，但总希望延迟的时间越短越好。
3 线性范围
任何传感器都有一定线性工作范围。在线 性范围内输出与输入成比例关系，线性范围愈 宽，则表明传感器的工作量程愈大。传感器工 作在线性区域内，是保证测量精度的基本条件。
包装测试技术
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第三章、常用传感器及信号调理、处理和记录仪器
本章学习要求：
1.了解传感器的分类
2.掌握常用传感器测量原理
3.了解传感器测量电路 4.了解信号调理、处理和记录仪器
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第三章、常用传感器及信号调理、处理和记录仪器
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3.1 传感器概述
1. 传感器分类 传感器是借助检测元件将一种形式的信息转 换成另一种信息的装置。 物理量 电量
d
V
3
3.1 传感器概述
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3. 传感器的分类
1)按被测物理量分类 常见的被测物理量 机械量:长度,厚度,位移,速度,加速度, 旋转角,转数,质量,重量,力, 压力,真空度,力矩,风速,流速, 流量; 声: 声压,噪声. 磁: 磁通,磁场. 温度: 温度,热量,比热. 光： 亮度，色彩
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3.3 电阻式传感器
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3) 应变片的主要参数
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）。
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3.3 电阻式传感器
直线滑动式电位器
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3.3 电阻式传感器 按制作方式： 线绕电位器
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导电塑料电位器
导电材料粉
普通塑料基底
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3.3 电阻式传感器 变阻器式传感器产品
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3.3 电阻式传感器
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案例：重量的自动检测--配料设备
原材料
原理：弹簧->力->位移 ->电位器->电阻
目前，传感器转换后的信号大多为电信号。 因而从狭义上讲，传感器是把外界输入的非电信 号转换成电信号的装置。
2
3.1传感器概述
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2. 传感器的构成
传感器由敏感器件与辅助器件组成。敏感器件 的作用是感受被测物理量，并对信号进行转换输出。 辅助器件则是对敏感器件输出的电信号进行放大、 阻抗匹配，以便于后续仪表接入。
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第三章、传感器测量原理
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3.3 电阻式传感器
• 电阻式传感器是把被测量转换为电阻变化的一 种传感器, • 按工作的原理可分为:变阻器式、电阻应变式、 热敏式、光敏式、电敏式.
•1 变阻器式传感器
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3.2 电阻式传感器 • 等效电路分析:
•L-变阻器总长; •x-电刷移动量. •R-电刷电阻; •RL总电阻;
比较
重量设定
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3.3 电阻式传感器 案例：煤气包储量检测
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钢丝
煤气包
原理：钢丝->收线圈数 ->电位器 ->电阻
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3.3 电阻式传感器
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案例：玩具机器人（广州中鸣数码 ）
原理：电机->转角 ->电位器 ->电阻
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3.3 电阻式传感器
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x
x
x
x
x
px
平薄膜
px
波纹膜
px
波纹管
px
单圈弹簧管
px
多圈弹簧管
膜 片受压力作用产生位移，可直接带动传动机构指示。但是膜片的位移较小，灵敏度低，指示精度不高， 一般为2.5级。膜片更多的是和其他转换元件合起来使用，通过膜片和转换元件把压力转换成电信号； 波纹管的位移相对较大，一般可在其顶端安装传动机构，带动指针直接读数。其特点是灵敏高（特别是在 低压区），常用于检测较低的压力（1.0～106Pa），但波纹管迟滞误差较大，精度一般只能达到1.5级； 弹簧管结构简单、使用方便、价格低廉，它使用范围广，测量范围宽，可以测量负压、微压、低压、中压 和高压，因此应用十分广泛。根据制造的要求，仪表精度最高可达0.15级。
xp
R——后接电路的输入电阻 L
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3.3电阻式传感器
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(2) 变阻器式传感器的性能参数: 1)线性(或曲线的一致性); 4)移动或旋转角度范围; 2) 分辨率; 5)电阻温度系数; 3)整个电阻值的偏差; 6)寿命;
(3)变阻器式传感器的分类
按测量类型： 单圈电位器 多圈电位器
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第三章、常用传感器及信号调理、处理和记录仪器
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3.2 机械式传感器
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第三章、常用传感器及信号调理、处理和记录仪器
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3.2 机械式传感器
在自动检测、自动控制技 术中广泛应用的微型探测 开关亦被看做机械传感器。 这种开关能把物体的运动、 位置或尺寸变化，转换为 接通、断开信号。
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3.1 传感器概述
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4)按敏感元件与被测对象之间的能量关系: 物性型:依靠敏感元件材料本身物理性质的变化来 实现信号变换.如:水银温度计. 结构型:依靠传感器结构参数的变化实现信号转变. 例如:电容式和电感式传感器.
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第三章、常用传感器及信号调理、处理和记录仪器
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L
x
R kl x
传感器灵敏度
dR s kl dx
dR s ka da
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灵敏度
3.3 电阻式传感器
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u0
xp x R1 uy
图3.6 电阻分压电路
u0 uy xp Rp x ( )(1 ) x RL xp
Rp
——变阻器的总电阻 ——变阻器的总长度
1) 工作原理
金属应变片的电阻R为
R l / A
l
上述任何一个参数变换均会引起电阻变化,求导数
代入
l dR dl 2 dA d A A A R l / A

dl dA d dR R R R l A
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3.3 电阻式传感器
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有： dR dl dA d dl/l称为纵向应变,标为ε;因为它的值通常很小, -6作为单位来表示,称为微应变,标以µ 故常用10 R ε, l A 例如ε=0.001就可以表示1000 µ ,称为具有1000 2 微应变. 金属丝： A r
外半径；h为管壁厚度；a、b为弹簧管椭圆形截面的长、短半轴。
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3.2 机械式传感器
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弹簧管自由端B的位移量一般很小，需要通过放大机 构才能指示出来,为了加大弹簧管自由端的位移量， 也可采用多圈弹簧管，其原理与单圈弹簧管相似。 单圈弹簧管压力表是工业现场使用最普遍的就地指示 式压力检测仪表（也有电接点输出的弹簧管压力表）
1－弹簧管 2－拉杆 3－扇形齿轮 4－中心齿轮 5－指针 6－－面板 7－游丝 8－调节螺钉 9－接头 图3-18 弹簧管压力表
弹簧管压力表结构简单、使用方便、价格低廉、测量
范围宽，可以测量负压、微压、低压、中压和高压
一般的工业用弹簧管压力表的精度等级为1.5级或2.5级，但根据制造的要求，其精 度等级最高可达0.15级。
dR dl 2dr d R l r
金属丝体积不变：
dr dl r l
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3.3 电阻式传感器 有：
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dR d 2 R
金属丝应变片：
对金属材料，导电率不变：
dR (1 2 ) R
电阻应变片的 应变系数或灵 敏度
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3) 应变片测量电路
R1 R2
E
R3
V
R4
R2 R4 R1 R3 V E ( R1 R4 )(R2 R3 )