1、传感器原理及应用复习重点第2章电阻应变式传感器可测力.压力、位移.应变.加速度等物理量;工作原理：金属丝，箔.薄膜在外界应力作用下电 阻值变化的效应一电阻应变效应结构简单，使用方便易于实现自动化.多点及远距离测量j遥测；灵敏度高，测量速度快适合静态.动态测量,2.1电阻应变片的工作原理 金属的电阻一应变效应金属丝的电阻随着它所受的机械变形的大小而发生相应的变化的现象称为金属的电阻应变 效应。R= P L/s金属丝受拉时，I变长、r变小，导致R变大。电阻a交岸由敏医栅，基岸.引线著部组成门 其中，敏感应变片的核心部分，它是用A径约0. 02-0 04mrTi 的具有高电ffi孚的电a丝制咸的，怜
2、了荻碍高的电阻值，电胆甦 排列成柵网状，故称为敏感柵G将毓感柵拈贴在6缘的基片上， 两端焊接引出寻线，其上齐粘贴上保护用的銀盏屋，即可构成电半导环应交片TS恿痒 (JtW 式饨虜器半导体应变片常见的半导体电宠片dt用硅或 誓半寻体材料作为序久 感W, 殽为单根扶，据压阻克应* ,半导体同金属丝 一样可 以把应交转 换成电阻殆交化和半寻体应变庁的优点是尺寸，構向孜应，机械滞后祁 很小，灵筝.系裁枫木因而輪出电木. 可以不拆放木器意 按与记录仪器连按，使紹测量累统简化。它m的缺点是电阻值护灵敏系数的海度球电定性差；濒q 昼转大应变时WE线性严重；現敏系数随曼垃力或压力而銮, 且分散度九般在(3 5
3、) 沁间，因而便测量结果：5r(3 5) %旳泯差口烫敏度：应变片的测试康理用应变片测&应变或应力时，基蒋应变片粘贴于披 测对象上，在夕h力作用下. 被测对象表宙产生皱小机械 査形.結贴在其表上的应变1亦随共发生相同的变化， 国此应变片的电阻也发主相应的变q匕当测傅应变片电 阻值先化量/SR时，根据应变片旳工作揉理的致学表达式, 便可得到被测对荻的应变值，而帝艮据应/ 应斐关京：6 = Ee式中O 试件的应力； 试件的应3;E 一= 试件的眸性棋量(Pa) 由此可如. 应力值正比于应变，而试件应变又正比 于电阻慎韩3t化所以应力正比于电駆值飾变化门 这戟是利用应竟片測m应査的基本尿理口对敏感栅
4、的材料的要求：1应变灵敏系数大，并在所测应变范围内保持为常数;2电阻率高而稳定，以便于制造小栅长的应变片；3电阻温度系数要小；4抗氧化能力高，耐腐蚀性能强；5在工作温度范围内能保持足够的抗拉强度；6加工性能良好，易于拉制成丝或轧压成箔材；7易于焊接，对引线材料的热电势小。常用材料有：康铜、镍铬合金、铁铬铝合金、铁镍铬合金、铂、铂钨合金等，如下表。2.引线的几何形状和相对位置， 盖片既保持敏感栅和引线的形状和相对基底的全长称为基底长，其宽度称为基底宽。胶基由环氧树脂、 酚醛树脂和聚酰亚胺等制成胶膜， 厚度约0.03基底材料 基底用于保持敏感栅、 位置，还可保护敏感栅。 基底材料有纸基和胶基。0.
5、05mm3.黏合剂材料用于将敏感栅固定于基底上，并将盖片与基底粘贴在一起。使用金属应变片时，也需用粘结 剂将应变片基底粘贴在构件表面某个方向和位置上。 以便将构件受力后的表面应变传递给应变计的基底和敏感栅。常用的粘结剂分为有机和无机两大类。有机粘结剂用于低温、常温和中温。常用的有聚 丙烯酸酯、酚醛树脂、有机硅树脂，聚酰亚胺等。无机粘结剂用于高温，常用的有磷酸盐、 硅酸、硼酸盐等。4.引线材料是从应变片的敏感栅中引出的细金属线。 对引线材料的性能要求： 电阻率低、电阻温度系数小、抗氧化性能好、易于焊接。大多数敏感栅材料都可制作引线。应变片的灵敏系数（K）金属应变丝的电阻相对变化与它所感受的应变之
6、间具有线性关系，用灵敏度系数 KS表示。当金属丝做成应变片后， 其电阻一应变特性， 与金属单丝情况不同。因此， 须用实验方法对应变片的电阻一应变特性重新测定。 实验表明，金属应变片的电阻相对变化与应变在很宽的范围内均为线性关系。即硝金属应变片的灵敏系数。注意，屣在试件受一维应力作用. 应变片的轴向与主应力方向一致，且试件材料的泊松比为0-囲5的 钢材时测得的口测量结果表明，应变片的灵敏系数聽小于线材的 灵敏系数K胪原因二胶层传递变形失真，横向效应也是一个不可忽 视的因素口4.机械滞后应变片粘贴在被测试件上， 当温度恒定时，其加载特性与卸载特性不重合， 即为机械滞后。 产生原因：应变片在承受机械
7、应变后， 其内部会产生残余变形， 使敏感栅电阻发生少量不可 逆变化；在制造或粘贴应变片时，如果敏感栅受到不适当的变形或者粘结剂固化不充分。机械滞后值还与应变片所承受的应变量有关， 加载时的机械应变愈大，卸载时的滞后也愈大。所以，通常在实验之前应将试件预先加、 卸载若干次，以减少因机械滞后所产生的实验误差。E腊 11X4 肌诫应变Si烹甘m勺机诫筋后 应变极限、疲劳寿叩在一定温度下，应变片的指示应变对测试值的真实应变的相对误差不超过规定范围 （一般为10%）时的最大真实应变值。在图中，真实应变是由于工作温度变化或承受机械载荷，在被 测试件内产生应力（包括机械应力和热应力）时所引起的表面应变。指示
8、应变主要因素：粘结剂和基底材料 传递变形的性能及应变片的安 装质量口制造与安装应变片 时，应选用抗剪强度较高的粘 结剂和基底材料.基底和粘结 剂的厚度不宜过大，并应经过 适当的固化处理，才能获得较 高的应变极限.9.动态响应特性当被测应变值随时间变化的频率很高时， 需考虑应变片的动态特性。因应变片基底和粘贴胶层很薄，构件的应变波传到应变片的时间很短 （估计约0.2卩S）,故只需考虑应变沿应变片轴 向传播时的动态响应。设一频率为f的正弦应变波在构件中以速度 v沿应变片栅长方向传播，在某一瞬时应变量沿构件分布如图所示。平均应变疋m与中点应变相对误差&为 冗I sm ATil17* ft 7lii
9、L由上式可见-相对误差/的大小只决定于土的比值，表中给ft 了为1/101/2001的数值 久误差5的计算结果i5 (%)1/LOL621/200.52由表可知，应变片栅长与正弦应变波的波长之比愈小，ffl对 误差打愈小口当选中的应变片栅长为应变波长的(1/10-1/20) 时，5将小于因为AT式中 总一应变波在试件中的传播速度；/应变片的可测频率口取- ，则 f - 0-1VA 10 1若已知应变波在某材料内传播速度S由上式可计算出栅长 为L的应变片粘贴在某种材料上的可测动态应变最高频率.2.4.2应变片的使用1.去污：采用手持砂轮工具除去构件表面的油污、漆、锈斑等，并用细纱布交叉打磨出细
10、纹以增加粘贴力，用浸有酒精或丙酮的纱布片或脱脂棉球擦洗。2.贴片：在应变片的表面和处理过的粘贴表面上，各涂一层均匀的粘贴胶 ，用镊子将应变片放上去，并调好位置，然后盖上塑料薄膜，用手指揉和滚压，排出下面的气泡 。3.测量：从分开的端子处，预先用万用表测量应变片的电阻，发现端子折断和坏的应变片。4.焊接：将引线和端子用烙铁焊接起来，注意不要把端子扯断。5.固定：焊接后用胶布将引线和被测对象固定在一起，防止损坏引线和应变片。应变传感器的测试电跆E9由于机械应变一般都很小，要扌巴微/K 应变引起的询;小电阻变化测量出来，同时 要把电阻相对变化A R/R转换为电压或电流 的交1匕口 因此，需要有专用测
11、量电路用于 测量应芟竟化而引起电阻天It的测量电路， 通常采用直流电桥刊3流电桥廿2.5.1恒压源直流电桥.1 O联立求解上述方程，求出检流计中流过的电流耳（人十7? J （凤+ &） + R尺忆+ K）十凡& （K十&）式中爲击负载电阻，因而其输出电压矶为：匕=厶&= 耳(风&-地耳) (A +RJ(& + &)+占冈& (Rs + RJ+Rj&(& +&)当凰心处时，7-0.毎丸，即电桥处于平衡状态 若电桥的负载电阻竝为无穷大，则臥D两点可视为开路，上式 可以化简为：TT 二 TT RR 一仏尺 。+&）&+傀）Z）设盘1为应变片的阻值，工作时均有一增量5,当为竝伸应 变时，AR为正：压缩
12、应变时，AJ?为负在上式中以+ 4盘代替?卩则JJ _JJ （K +A/）7?4 尺2 尽。二K+A/ + R2）（览+&）整理得；5 =557出电桥采用te流源供电时，电流流入R仁和R +虬的 并联电路，产生的庄降为；则;% = +尽）皿尽* &）卜h紅鹽;:y匕 _ /（R + 也+心） 尺|尺3 皿心 _ J 皿_非局十冬+用；十心（垃+尼J心十斥4）_ a宛】+心十尺3 +馆2.探流源虻妒R|,边S %产生正的电租堵兼也?|产 生员的电增蒼，且增量的疑对值都相等.贝U =(R+ABXff + Aff)-(ff-AFXF-AR)三 曲W 一 RIR + R-A/? + /? + A/?
13、+ R-A/?恒沫源电桥的输出电压与 A R成正比（注疋适布别于恒 压淋电桥的 与AR /R戌正比）。可见它具有较高的測量灵 敏度口表3-1等臂电桥不同组成方式的输出电庄序号工作愕电桥简圏tRjrkU 供申.恒流h供电1ABADUM%=4 R2A BBrj _U 2 Ug- 2 R1仏=呂竺AD仏=0UfQ=O序号H作習电桥简图inffiu供电慎流4供电BIxX,3AoDc(J2斥KB ocSq =（）如=()序号工作肯电桥向图tetku供电恒流10供电B4AoDc/W5=厶朋A ,8 1;0蜉管线a內盅场分布曲线传感器工作时，衔铁在线圈中伸入长度的变化将引起螺 管线圈电感量的变化。对于长螺管
14、线圈lr,当衔铁工作在螺管的中部时，可 以认为线圈内磁场强度是均匀的，线圈电感量L与衔铁的插 入深度1大致上成正比。衔铁k Mfxxxxxx圈嫁管型电感传感器这种传感器结构简单，制作容易，灵敏度较低，适用于 测量校大的位移量.2.带相敏整流的交流电桥 输出电压有残余电质由于电路结构不完全对称，当输入电压中包 含有谐波时，输出端在铁芯位移为零时将 出现残余电压，称之为零点残余电压.采用相敏整流电路可以消除零点残余电压、 ；无残余蚯判别衔铁位移的方向、改善线性度 A*0 tv上移UvOO卜书uavnAvn 十 MVIX |rfliito ftor3?2互感式传感器一雀动变压器 -V互感式传感器的结
15、构与工作原理 螺管型两种。目前多采用螺管型差动变压器。何气隙型1初级线圈；2、3次级线圈：4衔铁差动变压器试传感器工作原理工作原理 类似于变压器。主要包括有衔铁、初级绕组、次级绕组和线圈框架等。初、次级绕组的耦合能随衔铁的移动而变化，即绕组间的互感随被测位移的改变而变化。初级线圈作为差动变压器激励用， 相当于变压器的原边，而次级线圈由结构尺寸和参数相同的两个线圈反相串接而成， 且以差动方式输出， 相当于变压器的副边。 所以又把这种传感器 称为差动变压器式电感传感器，通常简称为 差动变压器。k螺线营U；动变爪瞎结构与原埋（1）媒线管貞差动t压器结构由初级线昧 两个次级线圏和插入线圈中 块的圓柱形
16、绒芯等组成.两个次级线團反向 串联，枸底基动式.根堀初.次级线圈排列不同、螺管式差动 变&S有二蔦A.等形式*零点残余电压当差动变压器的衔铁处于中间位置时， 理想条件下其输出电压为零。但实际上，当使用桥式电路时，在零点仍有一个微小的电压值 （从零点几mV到数十mV）存在，称为零点残余电压。如图是扩大了的零点残余电压的输出特性。 零点残余电压的存在造成零点附近的不灵敏区；零点残余电压输入放大器内会使放大器末级趋向饱和，影响电路正常工作等。Q 值是衡量电感器件的主要参数。是指电感器在某一频率的交流电压下工作时，所呈现的感抗与其等效损耗电阻之比。电感器的 Q值越高，其损耗越小，效率越高。 电感器品质
17、因数的高低与线圈导线的直流电阻、 线圈骨架的介质损耗及铁心、屏蔽罩等引起的损耗等有关。Q=XL/R=2 n fL/R零点残余电压产生原因:1基波分量M、又因初级使激励电由于差动变压器两个次级绕组不可能完全一致，因此它的等效电路参数（互感 自感L及损耗电阻R）不可能相同，从而使两个次级绕组的感应电动势数值不等。 线圈中铜损电阻及导磁材料的铁损和材质的不均匀， 线圈匝间电容的存在等因素,流与所产生的磁通相位不同。2高次谐波由于磁滞损耗和铁磁饱和的影响，）磁通，从而在次级绕组感应这样也将导致零点残余高次谐波分量主要由导磁材料磁化曲线的非线性引起。使得激励电流与磁通波形不一致产生了非正弦 （主要是三次
18、谐波出非正弦电势。另外，激励电流波形失真，因其内含高次谐波分量， 电压中有高次谐波成分。 差动变压器的测量电路U0始终等于R1、R2两个电1.差动整流电路 无论次级线圈的输出瞬时电压极性如何，整流电路的输出电压阻上的电压差。根据半导体二级管单向导通原理。若传感器的一个次级线圈的输出瞬时电压极性在 e点为 牛”，f点为则电流路径是eacdbf。反之，女0 e点为“-,”f点为 牛”，则电流路径是fbcdae。可见，无论次级线圈的输 出瞬时电压极性如何，通过电阻 R1上的电流总是从c到d。同理，分析另一个次级线圈的 输出情况可知：通过电阻 R2上的电流总是从g到h。输出电压U0始终等于R1、R2两
19、个电阻上的电压差。；T- - P _ 铁芯在零位以上铁芯在零位 铁芯在零位以下结论：1.衔铁在中间位置时，无论参考电压是正半周还是负半周，在负载 为0 .2.衔铁在零位以上移动时，无论参考电压是正半周还是负半周，在负载 电压始终为正。3 衔铁在零位以下移动时，无论参考电压是正半周还是负半周，在负载 电压始终为负。由此可见，该电路能判别铁芯移动的方向。RL上的输出电压始终RL上得到的输出RL上得到的输出（2）相敏检波电路输入信号u2（差动变压器式传感器输出的调幅波电压 ）通过变压器个对角线上。参考信号 us通过变压器T2加到环形电桥的另一个对角线上。 从变压器T1与T2的中心抽头引出。平衡电阻R
20、起限流作用，以避免二极管导通时变压器 T2的次级电流过大。RL为负载电阻。us的幅值要远大于输入信号 u2的幅值，以便有效控制四个二极管的导通状态，且 和差动变压器式传感器激磁电压 u1由同一振荡器供电， 保证二者同频同相（或反相）。T1加到环形电桥的一输出信号U0us)号 弟3卓 电恐耳传懋葢 Y T Ti4dJzwvy-srw幻网；AMA%(b)c5/Rl图419相器波电路Y【根据变压器的工作原理，考虑到0、必分别为变压器丁1、 丁2的中心抽头，则2(4-36)(4-37)所示电路的输出知二如=2q 釆月电路分析的基本方法，可求得图4J9 (i) 电压。的表达式* 当2与比均为负半周时：二
21、极管8、Vd3截止，、 Vd4导通。其等效电路如图419(C)所示。输出电压“。表达 式与式(4-38)相同。说明只要位移Ax0,不论”2与坷是 正半周还是负半周，负载电阻7?l两端得到的电压叫始终为 正。当严0时：“2与为同频反相n不论2与s是正半周还是负半周，负载电阻込两端得到的输 出电压叫表达式总是为 n(4-39)RmIl 二 3(R + 2RJ” 匚 Ute： 、电涡流式传感器贰原理涡流式传姦器妁基札S理：利冏色A 字如 1 :充鬼场由的电,满葢 应也涡比：若宀金薦扳置于一线圈的附近.当 线圈筍入一交变电流时，便严生交变磁 通量，金属坂在此艾变琏场中会产生感应 电流“这种电流在金属徉
22、内是闭合的，称 之为电涡流或涡流.若a定某座塔數、 可根据涡淹的加匕別力 -个參数*涡流的大小与金属板竹电阻率p,磁 导牟,47tfii金厲扳冉线附的距离乳 漑励电流用频率W寺泰数有关“涡流式传感器的变换原理是利用金属导体在交流磁场中的电涡流效应。 若一金属板置于一只线圈的附近，它们之间相互的间距为5, 当线圈输入一交变电流 i时，便产生交变磁通量， 金属板在此交变磁场中会产生感应电流 i1,这种电流在金属体内是闭合的， 所以称之为电涡流或涡流。涡流的大小与金属板的电阻率P、磁导率、厚度 h金属板与线圈的距离5、激励电流角频率3等参数有关。若固定某些参数，就可根据涡流的变化测量另一个参数。I原
23、线圈的等效阻抗Z变化=Z = Z（j,Q,心）2电涡流传感器的种类电涡流在金属导体内的港透深度为:h = 5030 二一说明电涡流在金属导体内的渗透沫度与传感器 线圈的激励信号频率有关.故电涡流式传騷器 可分反射式透射式两类口曰前高 頻反射式电涡流传感器应用较广泛。高频反射式电涡流传感器传感器线圈被测导体 /LH作原理：根据电磁感应定律, 十传感器线圈通以交变电流/ 时，线圈周ra必然产生交变磁 场仏，使置于此磁场中的金属导 体中产生感皿电涡流人，/, 乂产 生新的交变磁场/仁。根据愣次定律，丹2将反抗原征场比的变 化，导致传感器线圈的等效阻抗（或等效电感）发生变化。工作过程：被测导体变化一电
24、涡流变化一感应磁场变化一线圈等效阻抗变化（2）低频透射式电涡流传感器传怒原理低频透射式电涡流传想器透射式涡流传感器由发射线圏 【叫，接受线圈U ,和位T两线圈 中间的被测金JB板组成.I,若两个纽圈之间不存在金届 板.半召丄I两端加交流激 励电压 W，R两端将产 工感闷电切势E .若在两个线圈Z间放置一块金属板时，金属板中产生涡流. 涡流损耗了部分磁场能量.使到达的磁场变弱*从而使感应 电动势下降.被测金属板的序度越大，涡流损耗也越大，感 应电动势f就越小.感应电动势的大小间接反映了被测金屈板 的厚度-式中d-金属板的厚度半 h涡流贯穿深度 k-比例常数测量厚度时，激励频率应选得较低。频率太高，贯穿深度小于被测厚度，不利于进行厚 度测量，通常选激励频率为 1kHz左右。测薄金属
