1、阻抗式结构传感器阻抗式结构传感器弹性压力计当被测压力作用于弹性元件时，弹性元件便产生相应的弹性变形(即机械位移)。根据变形量的大小，可以测得被测压力的数值。弹性压力计的组成环节如图3-3所示。弹性元件是核心部分，其作用是感受压力并产生弹性变形，弹性元件采用何种形式要根据测量要求选择和设计；在弹性元件与指示机构之间是变换放大机构，其作用是将弹性元件的变形进行变换和放大；指示机构(如指针与刻度标尺)用于给出压力示值；调整机构用于调整零点和量程。v(2)弹簧管压力计弹簧管压力计v弹簧管式压力计是工业弹簧管式压力计是工业生产上应用很广泛的一种生产上应用很广泛的一种直读式测压仪表，以单圈直读式测压仪表，
2、以单圈弹簧管结构应用最多。其弹簧管结构应用最多。其一般结构如图一般结构如图3-4所示。所示。v被测压力由接口引入，使被测压力由接口引入，使弹簧管自由端产生位移，弹簧管自由端产生位移，通过拉杆使扇形齿轮逆时通过拉杆使扇形齿轮逆时针偏转，并带动啮合的中针偏转，并带动啮合的中心齿轮转动，与中心齿轮心齿轮转动，与中心齿轮同轴的指针将同时顺时针同轴的指针将同时顺时针偏转，并在面板的刻度标偏转，并在面板的刻度标尺上指示出被测压力值。尺上指示出被测压力值。通过调整螺钉可以改变拉通过调整螺钉可以改变拉杆与扇形齿轮的接合点位杆与扇形齿轮的接合点位置，从而改变放大比，调置，从而改变放大比，调整仪表的量程。整仪表的
3、量程。图图3-4 弹簧管压力计结构弹簧管压力计结构 1-弹簧管；弹簧管；2-连杆；连杆；3-扇形齿轮；扇形齿轮；4-底座；底座；5-中心齿轮；中心齿轮；6-游丝；游丝；7-表盘；表盘；8-指针；指针；9-接头；接头；10-横断面；横断面；11-灵敏度调整槽灵敏度调整槽 弹性敏感元件的材料1、较高的弹性极限为使弹性敏感元件在外力的作用下不产生永久变形，当外力撤除后，弹性敏感元件应回复到原有的状态，这就要求弹性材料必须具有较高的弹性极限2、具有适当的弹性模量弹性模量表示的是材料在弹性极限内，当对弹性敏感元件施加一定的外力时，所产生的变形量的大小。弹性模量的数值一般与所选择的金属或合金有关，它是材料
4、的固有性质。3、较高的疲劳极限疲劳极限愈高，弹性敏感元件就能长期的重复动作，使用寿命就愈长。4、良好的成型加工性能 电阻式传感器电阻式传感器LUSxSURLxURRUUiVVLixi，条件：00核心器件：线绕电位器、电阻应变片等。核心器件：线绕电位器、电阻应变片等。主要应用：力学参数的测量主要应用：力学参数的测量(位移位移、压力、荷重、加速度等压力、荷重、加速度等)。电位器式电阻传感器电位器式电阻传感器一、线绕式电位器传感器一、线绕式电位器传感器 1.线绕式电位器的结构和工作原理线绕式电位器的结构和工作原理 空载特性空载特性LR,0UxRx,lhbILR,0UxRx,LRabc图图 1 11
5、1 工作原理图工作原理图iUiU R b c a b x 等截面线绕式电位器等截面线绕式电位器v电位器是一种可调的电子元件。它是由一个电阻体和一个转动或滑动系电位器是一种可调的电子元件。它是由一个电阻体和一个转动或滑动系统组成。当电阻体的两个固定触电之间外加一个电压时，通过转动或滑统组成。当电阻体的两个固定触电之间外加一个电压时，通过转动或滑动系统改变触点在电阻体上的位置，在动触点与固定触点之间便可得到动系统改变触点在电阻体上的位置，在动触点与固定触点之间便可得到一个与动触点位置成一定关系的电压。一个与动触点位置成一定关系的电压。它大多是用作分压器，这是电它大多是用作分压器，这是电位器是一个四
6、端元件。电位器基本上就是滑动变阻器，有几种样式，一位器是一个四端元件。电位器基本上就是滑动变阻器，有几种样式，一般用在音箱音量开关和激光头功率大小调节般用在音箱音量开关和激光头功率大小调节 电位器是一种可调的电子电位器是一种可调的电子元件。它是由一个电阻体和一个转动或滑动系统组成。当电阻体的两个元件。它是由一个电阻体和一个转动或滑动系统组成。当电阻体的两个固定触电之间外加一个电压时，通过转动或滑动系统改变触点在电阻体固定触电之间外加一个电压时，通过转动或滑动系统改变触点在电阻体上的位置，在动触点与固定触点之间便可得到一个与动触点位置成一定上的位置，在动触点与固定触点之间便可得到一个与动触点位置
7、成一定关系的电压。关系的电压。电位电位器的器的结构结构1电阻丝2电刷3骨架v工作原理：工作原理：通过改变电路中电阻值的大小，通过改变电路中电阻值的大小，将物体的位移转换为电阻的变化。常用电位将物体的位移转换为电阻的变化。常用电位器式传感器有直线位移型、角位移型和非线器式传感器有直线位移型、角位移型和非线性型等。性型等。电位器传感器的应用电位器传感器的应用1位移传感器位移传感器:精密线位移传感器精密线位移传感器(电子尺电子尺)功能和原理功能和原理 位移传感器的功能在于把直线机械位移量转换成电信号。位移传感器的功能在于把直线机械位移量转换成电信号。为为了达到这一效果，通常将可变电阻滑轨定置在电位器
8、的固定部位，通过滑了达到这一效果，通常将可变电阻滑轨定置在电位器的固定部位，通过滑片在滑轨上的位移来测量不同的阻值。片在滑轨上的位移来测量不同的阻值。电位器滑轨连接稳态直流电压，电位器滑轨连接稳态直流电压，允许流过微安培的小电流，滑片和始端之间的电压，与滑片移动的长度成允许流过微安培的小电流，滑片和始端之间的电压，与滑片移动的长度成正比。正比。2压力传感器压力传感器:通过设置点调节电位器，可设定控制范围和最小输出电压。通过设置点调节电位器，可设定控制范围和最小输出电压。也可以通过也可以通过0-10V信号设置输出电压。信号设置输出电压。应用范围：液体冷却，冷却器或冷凝器应用范围：液体冷却，冷却器
9、或冷凝器 电阻应变片：是将被测试件的电阻应变片：是将被测试件的机械量（应变）转换成电机械量（应变）转换成电量（电阻）的一种元件。量（电阻）的一种元件。敏感栅敏感栅：由金属电阻丝构成，能由金属电阻丝构成，能 将机械应变转化成电阻变化。将机械应变转化成电阻变化。组成:基底基底：固定保护敏感栅一般由纸固定保护敏感栅一般由纸 和有机聚合物成。和有机聚合物成。引线：引线：由镍铬铝丝构成，用来从敏感栅引由镍铬铝丝构成，用来从敏感栅引 出电信号。出电信号。覆盖层：覆盖层：用来保护和固定敏感栅。用来保护和固定敏感栅。电阻应变片电阻应变片应变式电阻传感器工作原理应变式电阻传感器工作原理一、应变效应的理论基础一、
10、应变效应的理论基础 1金属导体的金属导体的 电阻定律电阻定律(线材线材)2 2r A A =r 2 2L L：导线截面积。：导线的电阻率、均匀导线的长度、总电阻、式中ALRALR:.其全微分：其全微分：其全微分：其全微分：的变化均为线形的）的变化均为线形的）、（ALRAALLRRAdAdLdLRdR 给出了总电阻的相对变化量与其它三个量的相对变化的关系。在力给出了总电阻的相对变化量与其它三个量的相对变化的关系。在力的作用下，的作用下，L、A、均可发生变化，均可发生变化，R 亦可发生变化。亦可发生变化。其相对变化量为：dAdAldlRdR若电阻丝是圆形的，则若电阻丝是圆形的，则 ，r为电阻丝的半
11、径，对为电阻丝的半径，对r 微分微分得：得：d A=2r d r，则则2rArdrrrdrAdA222ldlx令 为金属电阻丝的轴向应变为径向应变yrdr由材料力学可知，在弹性范围内，金属丝受拉力时，沿轴向伸长，沿径向缩短，那么轴向应变和径向应变的关系可表示为xy为电阻丝材料的泊松比，负号表示应变方向相反。dRdRx)21(xxdRdR)21(或通常把单位应变能引起的电阻值变化称为电阻丝的灵敏系数。通常把单位应变能引起的电阻值变化称为电阻丝的灵敏系数。其物理意义是单位应变所引起的电阻相对变化量，其表达式为其物理意义是单位应变所引起的电阻相对变化量，其表达式为 xxsdRdRK21灵敏系数K受两
12、个因素影响：一个是应变片受力后材料几何尺寸的变化，即1+2；另一个是应变片受力后材料的电阻率发生的变化，即（d/）/x。对金属材料来说，电阻丝灵敏度系数表达式中1+2的值要比(d/)/x大得多，而半导体材料的(d/)/x项的值比1+2大得多。大量实验证明，在电阻丝拉伸极限内，电阻的相对变化与应变成正比，即K为常数。得到：xsKRdR或xsRdRK表示金属电阻丝的电阻相对变化与轴向应变成正比。3、半导体应变原理、半导体应变原理 半导体应变片是用半导体材料制成的，其工作原理是基于半半导体应变片是用半导体材料制成的，其工作原理是基于半导体材料的压阻效应。沿一块半导体的某一轴向施加压力使其变导体材料的
13、压阻效应。沿一块半导体的某一轴向施加压力使其变形时，它的电阻率会发生显著变化，这种现象称为半导体的形时，它的电阻率会发生显著变化，这种现象称为半导体的压阻压阻效应。效应。利用压阻效应制成的传感器称为压阻传感器或半导体应利用压阻效应制成的传感器称为压阻传感器或半导体应变片。变片。当半导体应变片受轴向力作用时，当半导体应变片受轴向力作用时，其电阻相对变化为其电阻相对变化为 xxdRdR)21(式中d/为半导体应变片的电阻率相对变化量，其值与半导体敏感元件在轴向所受的应变力有关，其关系为 xEd式中：半导体材料的压阻系数;半导体材料的所受应变力;E半导体材料的弹性模量;半导体材料的应变。xERdR)
14、21(实验证明，E比1+2大上百倍，所以1+2可以忽略，因而半导体应变片的灵敏系数为 ERdRKxs 半导体应变片的灵敏系数比金属丝式高5080倍，但半导体材料的温度系数大，应变时非线性比较严重，使它的应用范围受到一定的限制。用应变片测量应变或应力时，根据上述特点，在外力作用下，被测对象产生微小机械变形，应变片随着发生相同的变化，同时应变片电阻值也发生相应变化。当测得应变片电阻值变化量为R时，便可得到被测对象的应变值，根据应力与应变的关系，得到应力值为=E 式中：试件的应力;E试件材料的弹性模量;试件的应变。由此可知，应力值正比于应变，而应变又正比于电阻值的变由此可知，应力值正比于应变，而应变
15、又正比于电阻值的变化，所以应力正比于电阻值的变化。这就是利用应变片测量化，所以应力正比于电阻值的变化。这就是利用应变片测量的基本原理。的基本原理。电阻变化率与应变的关系电阻变化率与应变的关系:KRdR应变效应：应变效应：金属导线受力变形，该导线电阻值随之变化的物理金属导线受力变形，该导线电阻值随之变化的物理现象称为应变效应。现象称为应变效应。工作特性工作特性灵敏系数灵敏系数:是指应变片的电阻变化率与试件应变的比值称为是指应变片的电阻变化率与试件应变的比值称为应变片的灵敏应变片的灵敏 数。数。横向效应：横向效应：电阻应变片由于横向缩短引起应电阻应变片由于横向缩短引起应 变片电阻值减小，变片电阻值
16、减小，因此所测的应变值减小，这种现象称为横向效应。因此所测的应变值减小，这种现象称为横向效应。温度效应：温度效应：温度变化时，应变片电阻值也发生变化，这种温度变化时，应变片电阻值也发生变化，这种现象称为温度效应。现象称为温度效应。种类种类丝式应变片丝式应变片 敏感栅由高阻值的金属丝绕成。敏感栅由高阻值的金属丝绕成。箔式应变片箔式应变片 敏感栅由高阻值的金属铂片经光刻腐蚀技敏感栅由高阻值的金属铂片经光刻腐蚀技术制成。术制成。半导体应变片半导体应变片 由锗或硅单晶体作为敏感元件制成由锗或硅单晶体作为敏感元件制成1基底材料的选用基底材料的选用 2敏感元件材料选用敏感元件材料选用 3敏感栅基长的选用敏
17、感栅基长的选用 4电阻值的选用电阻值的选用 5灵敏系数的选用灵敏系数的选用应变片的选用应变片的选用工作方式工作方式(工作原理工作原理)应变片在使用时，用粘合剂粘在试应变片在使用时，用粘合剂粘在试件表面，用来测量试件表面的应变件表面，用来测量试件表面的应变的。粘贴时需使栅丝的轴线沿应变的。粘贴时需使栅丝的轴线沿应变方向。方向。应变方向应变方向应变片与试件的粘结应变片与试件的粘结试件试件应变片应变片注：当试件的应变方向不单一时，要使用多片。注：当试件的应变方向不单一时，要使用多片。电阻应变片应变电阻的测量电阻应变片应变电阻的测量测量电桥的作用测量电桥的作用 是将应变片的电阻的变化转换成为电压（或电
18、流）的变化。是将应变片的电阻的变化转换成为电压（或电流）的变化。电桥按其电源性质的不同可以分为电桥按其电源性质的不同可以分为直流电桥直流电桥(Direct Current Bridge)和和 交流电交流电桥桥(Alernating Current Bridge)。而交流电桥可以用于测量电阻、电感和电。而交流电桥可以用于测量电阻、电感和电容的变化。容的变化。VER1R2R3R43)3)应变片测量电路应变片测量电路ERRRRRRRRV)(32413142ERRRRRRRRV)(32413142ERRdRRRRRdRRRV)()(令：令：RR 1dRRR4RRR32)21(RdR金属丝应变片：金属丝
19、应变片：V V与应变成线形关系，可以用电桥测量电压测量应变与应变成线形关系，可以用电桥测量电压测量应变直流电桥直流电桥如图所示:电阻R1,R2,R3,R4作为四个桥臂，在a、c两端接入直流电源ui，在b、d两端输出电压u0。电桥的平衡条件:R1*R3=R2*R4电桥特性电桥特性电桥的加减特性电桥的加减特性电桥的温度补偿电桥的温度补偿电桥的工作桥臂系数电桥的工作桥臂系数1直流电桥法直流电桥法当负载电阻当负载电阻R R L L时，输出电压时，输出电压U U0 0 4332110RRRRRREU非线性误差非线性误差nRRRRnRRnnERRnnnRRnnEUUU1111111111111112110
20、00则金属应变片金属应变片R 较小，在要求不高时非线性误差可以忽略，半导体则必须补较小，在要求不高时非线性误差可以忽略，半导体则必须补偿。偿。非线性误差非线性误差的补偿方法的补偿方法差动电桥法差动电桥法a半桥差动电路半桥差动电路2112RRRR时应变为零平衡)(,11RR22RR3R4R0U11114332211110111111RRnnEnnnRRERRRRRRRRREU由于由于n=1 所以所以。、ESRREUV2121110输出输出U 0为纯线性，且灵敏度提高了一倍为纯线性，且灵敏度提高了一倍全桥差动电路全桥差动电路11RR44RR33RR22RR0U输出输出U 0为也纯线性，且灵敏度为也
21、纯线性，且灵敏度又提高了一倍。又提高了一倍。43214312RRRRRRRR时应变为零平衡)(,114433332211110RRERRRRRRRRRRRREU。ESV电阻应变式传感器的应用：测力电阻应变式传感器的应用：测力标准产品标准产品1.1.2B 应变式电阻传感器的应用应变式电阻传感器的应用一、力（荷重）传感器一、力（荷重）传感器 1.1.柱式力传感器（柱的截面积为柱式力传感器（柱的截面积为A A）L LF FF F电阻应电阻应变片变片2.梁式荷重传感器梁式荷重传感器 等截面梁式荷重传感器等截面梁式荷重传感器一端固定，一端自由，厚度为一端固定，一端自由，厚度为h,长度长度L0，自由端力，
22、自由端力F 的作用点到应变片的的作用点到应变片的距离为距离为LL LL L0 0F Fb bh hR1R2R3R4此位置上下两侧分别粘有此位置上下两侧分别粘有4只应变片，只应变片，R1、R4同侧；同侧；R3、R2同侧，这两侧的应变方同侧，这两侧的应变方向刚好相反，且大小相等，可构成全差动向刚好相反，且大小相等，可构成全差动电桥。电桥。二、应变式加速度传感器二、应变式加速度传感器 基本原理：基本原理：F=m a 。mKC2x1x振动体振动体应变式加速度传感器的物理模型应变式加速度传感器的物理模型RRLmKEhAaRRLKEhAmaFSS66 对于梁式传感器当集中质量块的质量为对于梁式传感器当集中
23、质量块的质量为m 时：时：实际应用中实际应用中a 不是恒量不是恒量(也不能是恒量也不能是恒量),),所以需要所以需要分析其动态响应分析其动态响应 (二阶传感器二阶传感器)。Lbh集中质量块硅梁壳体扩散应变电桥x案例：案例：桥梁固有频率测量桥梁固有频率测量v桥梁固有频率测量可采用在桥梁中部的桥身上粘贴应变片，形成半桥或桥梁固有频率测量可采用在桥梁中部的桥身上粘贴应变片，形成半桥或全桥的测量电路，如下图所示。然后用载重全桥的测量电路，如下图所示。然后用载重20吨、吨、30吨、吨、.的卡车以每的卡车以每小时小时40公里、公里、80公里的速度通过大桥。在桥梁中部的桥面上设置一个三公里的速度通过大桥。在
24、桥梁中部的桥面上设置一个三角枕木障碍，当前进中的汽车遇到障碍时对桥梁形成一个冲击力，激起角枕木障碍，当前进中的汽车遇到障碍时对桥梁形成一个冲击力，激起桥梁的脉冲响应振动。用应变片测量振动引起的桥身应变，从应变信号桥梁的脉冲响应振动。用应变片测量振动引起的桥身应变，从应变信号中就可以分析出桥梁的固有频率。中就可以分析出桥梁的固有频率。下图是实验中采用的半桥电桥式应变片测量电路和由运算放大器构成的下图是实验中采用的半桥电桥式应变片测量电路和由运算放大器构成的差动放大器电路。差动放大器电路。案例：案例：电子称电子称原理原理将物品重量通过悬臂梁转化结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构变形再通过应变片转化为电量输出。量输出。案例：机器人握力测量案例：机器人握力测量交流电桥交流电桥当四个桥臂为电容或电感时，必须采用交流电桥。常用应力测量的布片和组桥方式常用应力测量的布片和组桥方式:
