模拟量位移传感器与位移的测试
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利用电桥相邻的相等两臂同时产生大小相等、符号相同 的电阻增量（加减特性），从而不会破坏电桥平衡的特性来 达到补偿。
V E 4 ( R1 R R2 R R3 R R4 R
R1±△R
V
)
R1 R 3 R 2 R 4
R2±△R
b
R1＋△R R2＋△R
b
a
R4 R3
c
d
E 半桥补偿法
2012-6-11
32
实验：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。
2012-6-11
33
作业：
下图悬臂梁贴有两应变片 R 1 和 R 2 ， R 1 R 2 120 ，梁受力 的变化规律为 ( t ) A cos 10 t B cos 100 t ， R1 和 R 2 的 灵敏度为 s g 2 ，若电桥激励电压 U 0 E cos 10000 t ，问 1、应变片 R 1 和 R 2 的 R =？ 2、组成半桥时，求电桥输出电压。 3、绘制的频谱。
dR R
(1 2 )
d
对半导体来说，(1 2 ) 由几何尺寸引起， (1 2 )
d
简化为：
2012-6-11
dR R
d
E
压阻系数；
E 弹性模量
21
灵敏度：
S
dR / R
E
（是金属丝灵敏度的50－70倍）
电位器测位移
E
V
0
R +
E R
r
R 2
E R
mx kx
VO
V
0
E R
(
mx )
E
R
V0
V
0
E(
R3 R3 R4
R2 R 2 R1
E 2
)
+
0
V
E
R1 R 2 ( R1 R 2 )
2
(
R1 R1
R2 R2
R3 R3
R4 R4
+
)
Vo
R
+ 2R
原因： ①电阻温度效应： R R t ②线膨胀系数不同产生的电阻变化：
R R S (1 2 ) t
电阻温度系数
其中：β 1－试件线膨胀系数
β
2
－电阻丝线膨胀系数
S ---应变片灵敏度
2012-6-11 28
补偿：（桥路补偿和应变片自补偿等方法） 桥路补偿
2012-6-11 23
4) 应变片测量电路
R2
E R3 R1
V
R4
V
2012-6-11
R 2 R 4 R1 R 3 ( R 1 R 4 )( R 2 R 3 )
E
24
V
R 2 R 4 R1 R 3 ( R 1 R 4 )( R 2 R 3 )
E
令： R R 1
2 dr r
d
金属丝体积不变：
dr
2012-6-11
dl l
17
r
有：
dR R
2
d
金属丝应变片：
对金属材料，导电率不变：
dR R
S
(1 2 )
1 2 常数
dR / R dl / l
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18
应变计
R2 R3 R
R 4 R dR
V R ( R dR ) RR ( R R dR )( R R )
dR R
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E
E 4
dR R
金属丝应变片：
S
(1 2 )
25
dR / R dl / l
1 2 常数
应变片在电桥中的连接有三种基本线路：
R
2012-6-11
12
2）分类
单圈电位器（一般用于音量控制) 多圈电位器（精密调节电路中)
直线滑动式电位器
(一般用于电视机、音响中作音量 控制或均衡控制)
2012-6-11
13
3）优点：
•结构简单，性能稳定；
•受环境温度影响小；
•缺点:
•受骨架尺寸和导线直径限制，分辨率很难高于20um； •磨损影响使用寿命，有较大噪声，降低可靠性，绕制困 难，测量变化缓慢的物理量。
其中： E 1 2 , 故灵敏度高
• 优点：灵敏度高;体积小; • 缺点：温度稳定性和可重复性不如金属应变片。
金属丝电阻应变片——利用导体形变引起电阻变化； 半导体应变片——利用半导体材料的电阻率变化引起电阻 变化。
2012-6-11 22
3）应变片的主要参数
（1）几何参数：丝栅宽度b和表距L，常用 b×L表 示。 （2）电阻值：应变计的原始电阻值。 （3）灵敏系数：表示应变片变换性能的重要参数。 （4）其它表示应变片性能的参数（工作温度、滞 后、疲劳寿命、横向灵敏度等）。
各臂电阻变化率相等的情况下：
Leabharlann Baidu
工作方式 应变片所在桥臂 输出电压V
单臂 R1
E 4 S
双臂 R1,R2
E 2 S
全桥 R1,R2,R3,R4
ES
注意：R1或R1,R3产生＋ΔR, R2或R2,R4产生-ΔR （如：一个受拉，一个受压） 2012-6-11 27
5）温度补偿：
概念：作为测量应变的金属应变片，希望电阻值仅 随应变变化，而干扰因素主要是温度变化。
2)按工作的物理基础分类: 机械式,电气式,光学式,流体式等.
2012-6-11
7
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.
2012-6-11
b
R2
R1±△R
R1±△R
b
R2 △R
R1±△R
V
b
R2 △R
a
R4
I1
c
R3
V
I2 d
E
a
R4
I1
I2 d
E
c
R3
a
R4 △R
I1
I2 d
E
c
R3±△R
V
单臂
半桥
全桥
2012-6-11
26
利用全桥可推出：
V
E 4
S ( 1
2
3 4)
表明各桥臂应变对电桥输出的影响－相对桥臂应变 值相加，相邻桥臂应变值相减（加减特性）
w 0 A
2
2
2
L
呈非线性。
2012-6-11
37
参量型传感器
w 0 A
2
② 变气隙截面式：
由
L
可知，输出为线性。
2
2012-6-11
38
参量型传感器
③ 螺管式：在螺管线圈内 插入铁芯，铁芯上下移 动时，磁阻发生变化， 这种传感器制造简单， 适用于较大位移测量 （数毫米），但灵敏度 较低。
应用：主要用来测量线位移、角位移等。
2012-6-11 14
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 生变化的现象。
2012-6-11
15
1) 工作原理
金属应变片的电阻R为
②结构（由高电阻率的金属丝绕成敏感栅，与基底、 覆盖层和引线等组成。）
2012-6-11
19
分丝式和箔式，有单轴，多轴（应变花)等多种类型
• 应变片阻值一般有60、90、120、200、300、500、 1000Ω等。
2012-6-11 20
2）半导体应变片
基于半导体材料的压阻效应：半导体材料沿某一轴向受到 外力作用时，电阻率发生变化。（或者温度、光辐射）
d
V
2012-6-11
5
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
2012-6-11 6
i Ai
i 0 Ai
μi, μ0分别为铁芯和空气隙的磁导率。 Ai为各段铁芯及空气隙的截面积。 li和δi分别为铁芯长度和空气隙厚度。
35
2012-6-11
参量型传感器
在变压器中，铁芯为闭合回路，因此空气磁阻为0，而在传感器中， 则利用空气磁阻，在磁阻的表达式中。 ∵μ0<<μi, 即Rm主要由空气的磁阻构成。
a
R4±△R
I1 I2
c
R3±△R
V
d
R1-工作片
2012-6-11
R2-温度补偿
E 全桥补偿法
R1、 R2 -工作片R3
29 R4 -温度补偿
、
3、电阻应变片应用
工作时把应变片用特制胶水粘贴在弹性元件或需 要测量变形的物体表面，外力作用下，电阻丝随 同物体一起变形，其电阻值发生相应变化。
注意：测出的是构件或弹性物体某处的应变，需通过 换算或标定，才能得到相应的位移量或应力、力。
4.1 概述
传感器 能感受规定的被测量并按一定的规律 转换成可用的输出信号的器件或装置。 通常由敏感元件和转换元件组成。 传感器(狭义的) 将非电量并按一定的规律 转换成电量的器件或装置。 通常由敏感元件和基本转换电路组成。 位 移 位移是一种向量，它表示物体（或物体上某一点） 在一定方向上的位置变动。 位移分为线位移和角位移两种。
R1
R2
F
2012-6-11
34
参量型传感器 4.3电感式传感器 基本原理：将被测量的变化转化位电感量的变化。
1.自感式传感器
1) 工作原理：线圈的自感与磁路的磁阻有关。
L
w
2
其中w－线圈匝数，Rm－磁路磁阻
Rm
磁阻Rm与磁路各段的性质有关，磁路通常由铁芯及铁芯间的空气隙 组成。
Rm
li
L1=L+dL，L2=L-dL 由于两个电感量一个增加，一个减小，因此称之为差动式。总的 电感变化量：dLS=L1-L2=2dL
2012-6-11 30
可测力、位移、压力、 加速度等
为研究机械、桥梁等构件在工作状态下的受力变形情况，可利用不同 形状的应变片贴在构件的预定部位，测其拉、压应力、扭矩或弯矩， 为结构设计、应力校核或构件破坏预测提供实验数据。 2012-6-11 31
振动式地音入侵探测器 适合于金库、仓库、古建筑的防范，挖墙、打 洞、爆破等破坏行为均可及时发现。
R l / A
l
A
2
上述任何一个参数变换均会引起电阻变化,求导数
dR
A
dl
dA
l A
d
代入 R l / A
dR R
2012-6-11
dl l
R
dA A
R
d
16
有：
dR R
dl l
2
dA A
d
金属丝： A r
dR R
dl l
机电工程测试技术
机电工程学院 工程测试技术教研组 王琨琦
2012-6-11
1
工程测试技术
4.模拟量位移传感器 与位移的测试
4.1 概述 4.2 电位器测位移
4.3 电阻应变式传感器测位移
4.4 电感式传感器测位移
4.5 电容式传感器测位移
4.6 模拟量位移传感器测位移小结
2012-6-11
2
模拟量传感器
2）实用差动式自感传感器。 一般实用的自感式传感器，通常是构成差动式的，其输出特性大有 改善。以变气隙式为例：
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39
参量型传感器
在初始位置时，衔铁位于气隙的中间，两线圈的电感值：L1=L2=L 总电感的变化量：dL S=L1-L2=0。
当被测量使衔铁偏离中间位置时，两个磁路的磁阻由于气隙厚度改 变而发生变化，两个电感分别改变为：
8
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.
2012-6-11
9
4.2 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（电位器式位移传感器）
2012-6-11
10
1）等效电路分析:
•L-变阻器总长; •x-电刷移动量.
B
C
A
L
Rl-单位长度电阻值
x
C点与A点电阻： R R x x l
灵敏度：
S
dR dx
kl
传感器的输出（电阻）与输入（位移）成线性关系
2012-6-11 11
模拟量传感器
2012-6-11 3
4.1 概述
1. 传感器定义 传感器是能感受规定的被测量并按一定的规 律转换成可用的输出信号的器件或装置 。 物理量 电量
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。
2012-6-11 4
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。
Rm
i 0 Ai
L
w
2
i 0 Ai
通常只要（设法）使空气隙的厚度δ和截面积Ai发生变化，便可以 使自感发生变化，因此可构成下列三种传感器。 ① 变气隙式 工作原理及结构：
2012-6-11
36
参量型传感器
Rm
2
0 A
L
w 0 A
2
2
灵敏度：
dL d
V E 4 ( R1 R R2 R R3 R R4 R
R1±△R
V
)
R1 R 3 R 2 R 4
R2±△R
b
R1＋△R R2＋△R
b
a
R4 R3
c
d
E 半桥补偿法
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实验：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。
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作业：
下图悬臂梁贴有两应变片 R 1 和 R 2 ， R 1 R 2 120 ，梁受力 的变化规律为 ( t ) A cos 10 t B cos 100 t ， R1 和 R 2 的 灵敏度为 s g 2 ，若电桥激励电压 U 0 E cos 10000 t ，问 1、应变片 R 1 和 R 2 的 R =？ 2、组成半桥时，求电桥输出电压。 3、绘制的频谱。
dR R
(1 2 )
d
对半导体来说，(1 2 ) 由几何尺寸引起， (1 2 )
d
简化为：
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dR R
d
E
压阻系数；
E 弹性模量
21
灵敏度：
S
dR / R
E
（是金属丝灵敏度的50－70倍）
电位器测位移
E
V
0
R +
E R
r
R 2
E R
mx kx
VO
V
0
E R
(
mx )
E
R
V0
V
0
E(
R3 R3 R4
R2 R 2 R1
E 2
)
+
0
V
E
R1 R 2 ( R1 R 2 )
2
(
R1 R1
R2 R2
R3 R3
R4 R4
+
)
Vo
R
+ 2R
原因： ①电阻温度效应： R R t ②线膨胀系数不同产生的电阻变化：
R R S (1 2 ) t
电阻温度系数
其中：β 1－试件线膨胀系数
β
2
－电阻丝线膨胀系数
S ---应变片灵敏度
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补偿：（桥路补偿和应变片自补偿等方法） 桥路补偿
2012-6-11 23
4) 应变片测量电路
R2
E R3 R1
V
R4
V
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R 2 R 4 R1 R 3 ( R 1 R 4 )( R 2 R 3 )
E
24
V
R 2 R 4 R1 R 3 ( R 1 R 4 )( R 2 R 3 )
E
令： R R 1
2 dr r
d
金属丝体积不变：
dr
2012-6-11
dl l
17
r
有：
dR R
2
d
金属丝应变片：
对金属材料，导电率不变：
dR R
S
(1 2 )
1 2 常数
dR / R dl / l
2012-6-11
18
应变计
R2 R3 R
R 4 R dR
V R ( R dR ) RR ( R R dR )( R R )
dR R
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E
E 4
dR R
金属丝应变片：
S
(1 2 )
25
dR / R dl / l
1 2 常数
应变片在电桥中的连接有三种基本线路：
R
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2）分类
单圈电位器（一般用于音量控制) 多圈电位器（精密调节电路中)
直线滑动式电位器
(一般用于电视机、音响中作音量 控制或均衡控制)
2012-6-11
13
3）优点：
•结构简单，性能稳定；
•受环境温度影响小；
•缺点:
•受骨架尺寸和导线直径限制，分辨率很难高于20um； •磨损影响使用寿命，有较大噪声，降低可靠性，绕制困 难，测量变化缓慢的物理量。
其中： E 1 2 , 故灵敏度高
• 优点：灵敏度高;体积小; • 缺点：温度稳定性和可重复性不如金属应变片。
金属丝电阻应变片——利用导体形变引起电阻变化； 半导体应变片——利用半导体材料的电阻率变化引起电阻 变化。
2012-6-11 22
3）应变片的主要参数
（1）几何参数：丝栅宽度b和表距L，常用 b×L表 示。 （2）电阻值：应变计的原始电阻值。 （3）灵敏系数：表示应变片变换性能的重要参数。 （4）其它表示应变片性能的参数（工作温度、滞 后、疲劳寿命、横向灵敏度等）。
各臂电阻变化率相等的情况下：
Leabharlann Baidu
工作方式 应变片所在桥臂 输出电压V
单臂 R1
E 4 S
双臂 R1,R2
E 2 S
全桥 R1,R2,R3,R4
ES
注意：R1或R1,R3产生＋ΔR, R2或R2,R4产生-ΔR （如：一个受拉，一个受压） 2012-6-11 27
5）温度补偿：
概念：作为测量应变的金属应变片，希望电阻值仅 随应变变化，而干扰因素主要是温度变化。
2)按工作的物理基础分类: 机械式,电气式,光学式,流体式等.
2012-6-11
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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.
2012-6-11
b
R2
R1±△R
R1±△R
b
R2 △R
R1±△R
V
b
R2 △R
a
R4
I1
c
R3
V
I2 d
E
a
R4
I1
I2 d
E
c
R3
a
R4 △R
I1
I2 d
E
c
R3±△R
V
单臂
半桥
全桥
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利用全桥可推出：
V
E 4
S ( 1
2
3 4)
表明各桥臂应变对电桥输出的影响－相对桥臂应变 值相加，相邻桥臂应变值相减（加减特性）
w 0 A
2
2
2
L
呈非线性。
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参量型传感器
w 0 A
2
② 变气隙截面式：
由
L
可知，输出为线性。
2
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参量型传感器
③ 螺管式：在螺管线圈内 插入铁芯，铁芯上下移 动时，磁阻发生变化， 这种传感器制造简单， 适用于较大位移测量 （数毫米），但灵敏度 较低。
应用：主要用来测量线位移、角位移等。
2012-6-11 14
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 生变化的现象。
2012-6-11
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1) 工作原理
金属应变片的电阻R为
②结构（由高电阻率的金属丝绕成敏感栅，与基底、 覆盖层和引线等组成。）
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分丝式和箔式，有单轴，多轴（应变花)等多种类型
• 应变片阻值一般有60、90、120、200、300、500、 1000Ω等。
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2）半导体应变片
基于半导体材料的压阻效应：半导体材料沿某一轴向受到 外力作用时，电阻率发生变化。（或者温度、光辐射）
d
V
2012-6-11
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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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i Ai
i 0 Ai
μi, μ0分别为铁芯和空气隙的磁导率。 Ai为各段铁芯及空气隙的截面积。 li和δi分别为铁芯长度和空气隙厚度。
35
2012-6-11
参量型传感器
在变压器中，铁芯为闭合回路，因此空气磁阻为0，而在传感器中， 则利用空气磁阻，在磁阻的表达式中。 ∵μ0<<μi, 即Rm主要由空气的磁阻构成。
a
R4±△R
I1 I2
c
R3±△R
V
d
R1-工作片
2012-6-11
R2-温度补偿
E 全桥补偿法
R1、 R2 -工作片R3
29 R4 -温度补偿
、
3、电阻应变片应用
工作时把应变片用特制胶水粘贴在弹性元件或需 要测量变形的物体表面，外力作用下，电阻丝随 同物体一起变形，其电阻值发生相应变化。
注意：测出的是构件或弹性物体某处的应变，需通过 换算或标定，才能得到相应的位移量或应力、力。
4.1 概述
传感器 能感受规定的被测量并按一定的规律 转换成可用的输出信号的器件或装置。 通常由敏感元件和转换元件组成。 传感器(狭义的) 将非电量并按一定的规律 转换成电量的器件或装置。 通常由敏感元件和基本转换电路组成。 位 移 位移是一种向量，它表示物体（或物体上某一点） 在一定方向上的位置变动。 位移分为线位移和角位移两种。
R1
R2
F
2012-6-11
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参量型传感器 4.3电感式传感器 基本原理：将被测量的变化转化位电感量的变化。
1.自感式传感器
1) 工作原理：线圈的自感与磁路的磁阻有关。
L
w
2
其中w－线圈匝数，Rm－磁路磁阻
Rm
磁阻Rm与磁路各段的性质有关，磁路通常由铁芯及铁芯间的空气隙 组成。
Rm
li
L1=L+dL，L2=L-dL 由于两个电感量一个增加，一个减小，因此称之为差动式。总的 电感变化量：dLS=L1-L2=2dL
2012-6-11 30
可测力、位移、压力、 加速度等
为研究机械、桥梁等构件在工作状态下的受力变形情况，可利用不同 形状的应变片贴在构件的预定部位，测其拉、压应力、扭矩或弯矩， 为结构设计、应力校核或构件破坏预测提供实验数据。 2012-6-11 31
振动式地音入侵探测器 适合于金库、仓库、古建筑的防范，挖墙、打 洞、爆破等破坏行为均可及时发现。
R l / A
l
A
2
上述任何一个参数变换均会引起电阻变化,求导数
dR
A
dl
dA
l A
d
代入 R l / A
dR R
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dl l
R
dA A
R
d
16
有：
dR R
dl l
2
dA A
d
金属丝： A r
dR R
dl l
机电工程测试技术
机电工程学院 工程测试技术教研组 王琨琦
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工程测试技术
4.模拟量位移传感器 与位移的测试
4.1 概述 4.2 电位器测位移
4.3 电阻应变式传感器测位移
4.4 电感式传感器测位移
4.5 电容式传感器测位移
4.6 模拟量位移传感器测位移小结
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模拟量传感器
2）实用差动式自感传感器。 一般实用的自感式传感器，通常是构成差动式的，其输出特性大有 改善。以变气隙式为例：
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参量型传感器
在初始位置时，衔铁位于气隙的中间，两线圈的电感值：L1=L2=L 总电感的变化量：dL S=L1-L2=0。
当被测量使衔铁偏离中间位置时，两个磁路的磁阻由于气隙厚度改 变而发生变化，两个电感分别改变为：
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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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4.2 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（电位器式位移传感器）
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1）等效电路分析:
•L-变阻器总长; •x-电刷移动量.
B
C
A
L
Rl-单位长度电阻值
x
C点与A点电阻： R R x x l
灵敏度：
S
dR dx
kl
传感器的输出（电阻）与输入（位移）成线性关系
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模拟量传感器
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4.1 概述
1. 传感器定义 传感器是能感受规定的被测量并按一定的规 律转换成可用的输出信号的器件或装置 。 物理量 电量
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。
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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。
Rm
i 0 Ai
L
w
2
i 0 Ai
通常只要（设法）使空气隙的厚度δ和截面积Ai发生变化，便可以 使自感发生变化，因此可构成下列三种传感器。 ① 变气隙式 工作原理及结构：
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参量型传感器
Rm
2
0 A
L
w 0 A
2
2
灵敏度：
dL d