阻抗式结构性传感器

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1、传感器1阻抗式结构型传感器的敏感元件2电阻应变式传感器3电容式传感器4电感式传感器5调理电路6微机械传感器7阻抗式结构型传感器应用与设计示例阻抗式结构型传感器技术电感式传感器阻抗式结构型传感器的敏感元件弹性敏感元件的主要性能1.1常用弹性元件的结构和性能1.2弹性敏感元件的材料1.31.1弹性敏感原件的主要性能：1.弹性特性（式中：F表示施加于敏感元件的力或力矩，ε为变形量或位移）2.灵敏度和刚度敏感元件的刚度是灵敏度的倒数。3.谐振频率注：敏感元件的谐振频率可由计算获得，但必须由实验校正。4.弹性滞后和后效5.安全系数注：

2、安全系数越大，敏感元件的过载能力越强，但可能体积越大，越笨重。一般以1.5～5为宜。6.其他1.2常用弹性元件的结构和性能1.基本拉压：材料受力变形的最基本形式是拉压变形，由下式计算：等截面杆件、等壁厚圆筒可视为基本拉伸结构。设计时应满足：2.弹性梁：①悬臂梁：变形以弯曲为主的结构称为弹性梁只有一端支承的梁称为悬臂梁结构，如图所示。②等强度梁：由上式可以看出，等截面梁测试点的应力和应变均与位置Lo有关，使用时不够方便，为此可以设计等强度梁，如上图所示，使得：则：梁各处的应力相等，应变也相等。因此，使用时可以不考虑测试点的位置

3、。1.2常用弹性元件的结构和性能(2)这时有：③两端固定梁：有较高的刚性和承载能力，两端固定梁是一种静不定系统，常用梁中点位置作为测试点，称为中断面。最大挠度也发生在a断面，为：1.2常用弹性元件的结构和性能(3)3.环形结构：（圆环形结构和扁环形结构）①圆环形结构②扁圆环形结构注：扁环的应力和应变可采用圆环计算方法。1.2常用弹性元件的结构和性能(4)4.膜片式结构膜受载后变形，中心的挠度ω0最大。设膜厚为h，1）如果ω0/h<1/3，则可按厚膜计算，厚膜的变形以弯曲为主，膜的拉压处于次要地位；2）如果ω0/h＞5，则按薄

4、膜计算，认为薄膜是柔软的，无弯曲刚度和弯曲应力，膜的变形以拉压为主。①平膜（平膜适合于测量受均布载荷的情形）在集中载荷p的作用下，1.2常用弹性元件的结构和性能(5)在膜中心r=0处，膜的切向应力和径向应力相等，切向应变和径向应变也相等，而且达到正的最大值，为：在膜片边缘r=R处，膜的切向应力和径向应力、切向应力都达到负的最大值，而切向应变为零：1.2常用弹性元件的结构和性能(6)可见，径向应力和应变有一拐点，拐点在r=0.573R处，此时εr＝0，σr＝0，使用单轴应变计时应避开这个点。平膜片的挠度为：可见，中心r=0处挠

5、度最大，为：平膜片的最小自振频率为：1.2常用弹性元件的结构和性能(7)②带有硬中心的膜片特征：膜的中心很厚，可以认为是刚体，如图所示：硬中心的挠度仍然最大：最大弯曲应力发生在硬心的边缘和膜片的边缘：1.2常用弹性元件的结构和性能(8)5.弹性谐振元件1）两端固定弦的振动频率可用下式计算：2）两端固定矩形截面振动梁的固有频率按下式计算：6.其它1.3弹性敏感元件的材料高弹性合金和恒弹性合金，石英和硅，硅合金1.2常用弹性元件的结构和性能(9)电阻应变式传感器电阻应变计的基本原理与结构2.1电阻应变计的主要特性2.2电阻应变计

6、的温度效应及其补偿2.3电阻应变式传感器的工作原理基于四个基本的转换环节：力(F)→应变(ε)→电阻变化(∆R)→电压输出(∆V)。1.导电材料的电阻应变效应通过对上式两边取对数后再作微分，即可求得其电阻相对变化：图2.10导体受位伸后的参数变化令(Δl／l)=ε，（dA／A）＝2（dr／r）=－2με。带入上式可得：2.1电阻应变计的基本原理与结构金属材料的电阻率相对变化与其体积相对变化之间有如下关系：式中C——布里奇曼常数，由材料和加工方式决定，因此代人式（2－34），并考虑到实际上面△R＜＜R，故可得式中Km＝（１＋

7、2μ）＋C（1－2μ）—金属丝材的应变灵敏系数（简称灵敏系数）。上式表明：金属材料的电阻相对变化与其线应变成正比。这就是金属材料的电阻应变效应。2.1电阻应变计的基本原理与结构(2)2.电阻应变计的类型常见的电阻应变式传感器是带有封装结构的敏感元件，称为应变片图2.11典型应变计的结构与组成(a)丝式(b)箔式(c)半导体1—敏感栅2—基底3—引线4—盖层5—粘结剂6—电极如图2.11所示，敏感栅是实现应变—电阻转换的敏感元件。图中l表示栅长，b表示栅宽，一般在2～5mm之间。其电阻值一般为100Ώ。通常用粘结剂将它固结在纸

8、质或胶质的基底上。基底的作用是保持敏感栅固定的形状、尺寸和位置，应变计工作时，基底起着把试件应变准确地传递给敏感栅的作用。基底很薄，一般为0.02～0.04mm。引线与测试电路连接，通常取直径约0.1～0.15mm的低阻镀锡铜线，并用钎焊与敏感栅端连接。盖层是纸质或胶质的保护层，起着防潮。