矿山测试技术-传感器及其测量电路

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1、2传感器及其测量电路工程中各种传感器2.1概述传感器(sensor/transducer)定义：能感受规定的被测量并按照一定规律转换成可输出电信号的器件或装置。它担负着获取信号和转换信号的任务在矿业工程中测试中大多数属于非电量电测法，在这里传感器的任务是将待测的非电量转换成电量测试一般过程选择传感器类型--根据被测对象的性质、环境特点及对测量精度的要求选择电测线路(二次仪表)传感器的设计和标定2.1.1传感器构成传感器主要由两部分构成(结构型:依靠传感器结构参数的变化实现信号转变)弹性元件(敏感元件sensingelement)由弹性材

2、料做成，它直接感受被测非电量，其作用是实现各种非电量之间的转换，如把力、压力、位移、加速度、温度等变换成应变量或位移量等变换元件（transductionelement）其作用是把弹性元件输出量(如应变量或位移量)转换成电学量。如电阻应变片把应变转换成电阻，差动变压器把位移转换成电压等2.1.2传感器分类1.按传感器用途分类按被测物理量来分类的，它能明显体现传感器的功能如位移传感器、速度传感器、加速度传感器、力传感器、温度传感器、气敏传感器、流量传感器等特点：便于使用者根据测试物理量选择传感器问题：种类繁多2.按工作原理分类按传感器工作

3、原理来分类如电阻式、电容式、电感式、压电式、磁电式、光电式传感器特点：每一种都有相同的工作原理，其后接变换电路二次仪表也基本相同，对研究和学习都很方便问题：使用不方便2.1.3传感器性能要求把传感器看作是一个系统传递性能—静态特性、动态特性精度和误差信噪比稳定性抗干扰能力2.2电阻式传感器电阻式传感器是把被测量的变化转换为电阻变化的一种传感器按工作的原理可分为:变阻式、电阻应变式、热敏式、光敏式、电敏式2.2.1电阻应变式传感器构造和工作原理电阻应变式传感器组成由电阻应变片、弹性元件等部分组成，其核心元件是电阻应变片—半导体、金属应变片

4、金属电阻应变片结构由敏感栅1、基底3、粘结剂5、覆盖层4、引线2等组成金属应变片构造和电阻丝变形图单根敏感栅金属应变片工作原理电阻应变片工作原理是基于金属导体的应变电阻效应，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设电阻丝长为L，面积为S，电阻率r，则电阻R如果保持温度T不变，当电阻丝的两端受到轴向拉力作用，长度增加，面积减少，电阻率则因晶格发生变形等也会发生变化金属应变片工作原理电阻相对变化率与电阻丝体积变化率存在如下线性关系对于半径为r，泊松比为μ的电阻丝有C—材料压阻比例系数金

5、属应变片工作原理Ks—电阻丝的灵敏系数，它表示电阻丝电阻变化率随应变变化的敏感程度电阻丝材料为康铜、镍合金丝，直径0.025mm，箔式应变片箔片厚度1~10微米灵敏系数取决于两个因素：几何变形和材料电阻率变化(压阻效应)电阻丝电阻相对变化率与变形之间关系半导体应变片工作原理KSP—半导体材料的压阻系数E—半导体材料的弹性模量半导体应变片变形时，电阻相对变化敏感栅用半导体应变片材料制成的应变片对于半导体应变片，电阻率变化与轴向应力s或应变e存在如下线性关系金属应变片与半导体应变片比较金属应变片对于半导体应变片结论：金属应变片的应变电阻效应

6、以结构尺寸变化为主半导体应变片的应变电阻效应主要基于压阻效应应变片灵敏系数K应变片是根据应变电阻效应原理制造出来。它的输入量为机械应变，输出量为电学量(电阻)应变片灵敏系数与单根电阻丝灵敏系数不同应变片灵敏系数K定义为金属应变片灵敏系数约为2半导体应变计灵敏系数可达100以上2.2.2测量电路原因：电阻应变片把力学量(应变)的变化转换成电阻的变化但是，一般电阻变化是很小的，不易直接测量电阻应变片测量电路:常用的测量电路是电桥电路作用：把电阻(电感、电容)的变化转换成电压或电流的变化分类：按供给电桥电源不同，电桥电路分为直流电桥和交流电桥

7、2.2.2.1直流电桥放大器的输入内阻很高，电桥输出端相当于开路R2R1VER3R4直流电桥输出直流电桥输出端接电阻应变仪放大器时，输出为电压，故又称电压电桥输出端开路时电桥的输出电压为a点和b点的电位差电桥平衡条件和输出即电桥平衡时相对桥臂电阻的乘积相等。当桥臂1电阻产生时，电桥失去平衡，此时电桥输出电压为电压平衡条件：当电压平衡条件时，电桥输出电压为零应变片将应变的变化转变为电阻的变化，而电桥把电阻的变化转变成电压的变化应变片在电桥中连接方法应变片在电桥中连接方法三种方法—单臂接法、半桥接法、全桥接法全等臂电桥实际应用中大多采用等臂

8、电桥，即有R1=R2=R3=R4=R设工作应变片产生应变后电阻增量，则有K—应变片的灵敏系数小结：应变片将应变变化转换为电阻变化，电桥将电阻变化变换为输出电压的变化，输出的电压与应变片的电阻变化成线性关系测