安全检测常用传感器(案例)

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d. 按输入和输出的特性分类 按输入、 输出特性， 传感器可分为线性和非线性两类。
3.2 结构型传感器
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3.2.1 电阻式传感器
(the quantity to be measured the change of resistance)
长度为l，截面积为A，电阻率为ρ的金属丝
3
分类
a.
The value to be estimated:
velocity,temperature,and so on
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常见的被测物理量
机械量:长度,厚度,位移,速度,加速度, 机械量:长度,厚度,位移,速度,加速度, 旋转角,转数,质量,重量, 旋转角,转数,质量,重量,力, 压力,真空度,力矩,风速,流速, 压力,真空度,力矩,风速,流速, 流量; 流量; 声压,噪声. 声: 声压,噪声. 磁: 磁通,磁场. 磁通,磁场. 温度: 温度,热量,比热. 温度: 温度,热量,比热. 亮度， 光： 亮度，色彩
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膜盒就是敏感元件,其外部与大气 压pa相通,内部感受被测压力p,当 p变化时,引起膜盒上半部移动,即 输出相应的位移量。可变电感3是 转化元件,它把输入的位移量转换 成电感的变化。5即为转换电路。
由一个敏感元件(兼转换元件) 组成,它感受被测量时直接输 出电量
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l :栅长(标距) b:栅宽(基宽) b×l:应变片的使用面积 规格:使用面积和电阻值 如3×20mm2，120
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3）灵敏系数：表示应变片变换性能的重要参数。 灵敏系数：表示应变片变换性能的重要参数。
4)移动或旋转角度范围; 4)移动或旋转角度范围; 移动或旋转角度范围 5)电阻温度系数 电阻温度系数; 5)电阻温度系数; 6)寿命 寿命; 6)寿命;
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按制作方式： 按制作方式： 线绕电位器
导电塑料电位器
导电材料粉
普通塑料基底
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变阻器式传感器产品
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安全检测常用传感器
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3.1 简介 3.2 结构型传感器 3.3 物性型传感器 3.4 其他类型传感器 3.5 传感器的选用原则
3.1 introduction
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1
What is a sensor?
A sensor is a device to detect changes in the environment such as energy, heat, light, magnet,supersonic, etc. and convert them to electric signals.
b. 转换原理: 结构型: 结构型
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结构型传感器是利用机械构件（如金属膜片等）在动力场或电 磁场的作用下产生变形或位移， 将外界被测参数转换成相应的电阻、电感、电容等物理量。 如：电容式传感器依靠极板间距离变化引起电容量变化； 电感式传感器依靠衔铁位移引起自感或互感变化等。
物性型: 物性型
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半导体应变片与金属电阻应变片相比 其灵敏度高50～70倍 其横向效应小 但它的温度稳定性差 在较大应变下，灵敏度的非线性误差大
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(3) 应变片的主要参数
1）几何参数：标距L和丝栅宽度b，制造厂常用 几何参数： 距 和丝栅宽度b 表示。 b×L表示。 2）电阻值：应变计的原始电阻值。 电阻值：应变计的原始电阻值。
轴向应变 dr dl = − µ = − µε r l 泊松系数
金属丝体积不变： 金属丝体积不变：
径向应变
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有：
dR dρ = ε + 2 µε + R ρ
K0称为金属丝的灵敏系数 灵敏系数 物理意义：单位应变所引起的电阻相对变化
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受力后材料的几何尺寸变化 受力后材料的电阻率变化
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华中科技大学机械学院 电阻分压电路(测量电路) resistance voltage
R-Rx
E
Rx
E1
Rm
V
特点： 特点：
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结构简单、尺寸小、重量轻、价格低廉且性能稳定； 受环境因素(如温度、湿度、电磁场干扰等)影响小； 可以实现输出—输入间任意函数关系； 输出信号大，一般不需放大。 它的缺点是：因为存在电刷与线圈或电阻膜之间摩擦，因 此需要较大的输入能量； 由于磨损不仅影响使用寿命和降低可靠性，而且会降低测 量精度，分辨力较低；动态响应较差， 适合于测量变化较缓慢的量。
物理量
电量
Temperature to a voltage. Pressure to a voltage.
输出与输入有一定的对应关系,且应有一定的精确度。
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2 传感器的构成
敏感元件：直接感受被测量,输出与被测量成确定关系。 敏感元件 转换元件： 转换元件 敏感元件的输出就是转换元件的输入,它把 输入转换成电量参量。 转换电路：把转换元件输出的电量信号转换为便于处理、 转换电路 显示、记录或控制的有用的电信号的电路。
l R=ρ A
l:电位器式 电位器式 l、A、ρ：电阻应变片 、 、 ρ：热敏电阻 ：
1 Rheostat
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变阻式传感器又称为电位器式传感器。 组成：线圈、骨架和滑动触头 原理：如果电阻丝直径与材质一定时，则电阻R随导线长度 L而变化。 线圈绕于骨架上，触头可在绕线上滑动，当滑动触头在绕 线上的位置改变时，即实现了将位移变化转换为电阻变化。 直线运动、转动和螺旋运动 直线位移或角位移转换为电 阻或电压输出。 线位移或角位移 一切可以转换为位移的其它物理量参数，如压力、加速度 等。
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It was Lord Kelvin who first reported in 1856 that metallic conductors subjected to mechanical strain exhibit a change in their electrical resistance. This phenomenon was first put to practical use in the 1930s.
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2
电阻应变式传感器
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• Metallic • Semiconductor • 主要参数 • 测量电路
华中科技大学机械学院 (1) (1) Metallic[原理、种类、使用方法]
Ｉ原理： 原理： 基于金属导体的应变效应： 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)的变化而发生变化的现象。 所受机械变形(伸长或缩短)的变化而发生变化的现象。
案例：重量的自动检测--配料设备 案例：重量的自动检测--配料设备 -原材料
原理：弹簧原理：弹簧->力->位移 电位器->电位器->电阻
比较
重量设定
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案例： 案例：煤气包储量检测
钢丝
煤气包
原理：钢丝->收线圈数 原理：钢丝->电位器 ->电阻
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案例：玩具机器人（ 案例：玩具机器人（广州中鸣数码 ） 原理：电机原理：电机->转角 ->电位器 ->电阻
代入
l dR = dl − 2 dA + dρ A A A R = ρ ⋅l / A
dl dA dρ dR = R − R +R l A ρ
ρ
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有：
dR dl dA dρ = − + R l A ρ
A =π ⋅r
2
金属丝： 金属丝：
dR dl 2 dr dρ = − + R l r ρ
物性型传感器是利用材料的物理特性及其各种物理、化学效应 （即物质定律， 如虎克定律、欧姆定律等）实现非电量的转换。 如利用水银的热胀冷缩现象制成水银温度计来测温； 利用石英晶体的压电效应制成压电测力计等。
c.能量转换的方式 能量转换的方式 有源型和无源型
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有源型： 把非电量直接转换成电压、 有源型：也称能量转换型或发电型，把非电量直接转换成电压、 电流或电荷， 电流或电荷， 例如:热电偶温度计,压电式加速度计. 例如:热电偶温度计,压电式加速度计. 无源型:也称能量控制型或参数型，把非电量变成电阻、电容、 无源型:也称能量控制型或参数型，把非电量变成电阻、电容、 电感等
对金属材料，导电率基本不变： 对金属材料，导电率基本不变：
dR = (1 + 2 µ ) ε R
对于确定的金属材料，（1+2µ）项是常数 因此灵敏系数k0为常数
金属电阻丝的电阻相对变化与轴向应变成正比。
II 种类
按制栅工艺可分为 丝式 箔式 金属薄膜式
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按基底材料可分为：纸质应变片、胶基应变片、 金属基底应变片、浸胶基应变片。 按使用温度可分为：低温应变片(-30℃以下)、常温 应变片(-30～60℃)、中温应变片（60～350℃）、高 温应变片（350℃以上）。
b
箔式：
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光刻技术 厚约为0.003～0.01mm的金属箔片制成敏感栅 厚约为 ～ 的金属箔片制成敏感栅 优点: 优点 可制成多种复杂形状、尺寸准确的敏感栅， 可制成多种复杂形状、尺寸准确的敏感栅，其栅长 最小可做到0.2mm，以适应不同的测量要求； 最小可做到 ，以适应不同的测量要求； 生产效率高，便于实现自动化生产。 生产效率高，便于实现自动化生产。金属箔的材料 常用康铜和镍铬合金等。 常用康铜和镍铬合金等。
The first metallic wire-type strain gage was developed in 1938.
电阻率 金属应变片的电阻R 金属应变片的电阻R为
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R = ρ ⋅l / A
ρl
上述任何一个参数变换均会引起电阻变化, 上述任何一个参数变换均会引起电阻变化,求导数
III 使用方法
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把应变片粘贴于被测材料上，则被测材料受外界作用 所产生的应变就会传送到应变片上，从而使应变片上 电阻丝的阻值发生变化，通过测量阻值的变化量，就 可反映出外界作用的大小。
位移、力、力矩、加速度、压力 应变
(2)Semiconductor
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半导体应变片是利用半导体材料的压阻效应制 成的一种纯电阻性元件。 对半导体材料的某一轴向施加一定的载荷而产生 应力时，它的电阻率会发生变化
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变阻器式传感器的性能参数: 变阻器式传感器的性能参数: 1)线性 或曲线的一致性); 线性( 1)线性(或曲线的一致性); 分辨率; 2) 分辨率; 3)整个电阻值的偏差 整个电阻值的偏差; 3)整个电阻值的偏差; 变阻器式传感器的分类 按测量类型： 按测量类型： 单圈电位器 多圈电位器 直线滑动式电位器
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c
金属薄膜应变片
真空蒸发或真空沉积 薄的绝缘基片形成厚度在0.1µm以下的金属电阻材 薄的绝缘基片形成厚度在 以下的金属电阻材 料薄膜的敏感栅，最后再加上保护层。 料薄膜的敏感栅，最后再加上保护层。 它的优点是应变灵敏系数大，允许电流密度大， 它的优点是应变灵敏系数大，允许电流密度大， 工作范围广，可达－ 工作范围广，可达－197～317℃。 ～ ℃
d= 0.01～0.05mm 、高电阻率 敏感栅 高阻值 粘贴在绝缘的基底上 电阻丝的两端焊接引线 敏感栅上面粘贴有保护作用的覆盖层
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metallic wire-type:
What,why U-shape V-shapห้องสมุดไป่ตู้ H-shape
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回线式 制作简单、性能稳定、成本低、易粘贴 横向效应较大 短接式： 敏感栅平行排列，d比栅线直径大5～10倍的镀银 丝短接而成 常用的材料有:康铜、镍铬合金、镍铬铝合金，以 常用的材料 及铂、铂钨合金等。
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按安装方式可分为：粘贴式应变片、焊接式应变片、 喷涂式应变片、埋入式应变片。 按用途可分为：一般用途应变片、特殊用途应变片 （水、疲劳寿命、抗磁感应、裂缝扩展等）。 按敏感栅结构可分为：单轴应变片和多轴应变片。
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a
丝式： 丝式： 敏感栅、基底、覆盖层、引线