传感器与检测技术教学课件作者赵勇第4章节常用传感器课件

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1、第四章常用传感器4.1应变效应与应变式传感器4.1.1基本概念对于长度、截面积一定的金属丝，其阻值可用下式表示(4-1)式中L—电阻丝的长度；A—电阻丝的截面积；ρ—电阻丝的电阻率，取决于导体材料的性质。若导体的三个参数中的任一或数个参数发生变化，则电阻值也随之变化。这种金属电阻丝在外力作用下发生机械变形，其电阻值也发生变化的现象称为电阻应变效应。4.1应变效应与应变式传感器对式(4-1)全微分，可得：式中的代表电阻丝的轴向相对伸长，称为应变。由材料力学知识可知：代入上式，可得或(4-5)式(4-5)表示单位应变引起电阻丝的电阻变化率，称为电阻丝的灵敏系数

2、。对于金属而言，以(1+2μ)为主；而对于半导体材料，值主要由电阻率相对变化所决定。4.1应变效应与应变式传感器用表示，即的大小受两个因素影响：(1+2μ)为电阻丝受力后几何尺寸变化；为材料的电阻率相对变化。4.1应变效应与应变式传感器1.金属应变片的基本结构及类型图4-1金属应变片的结构1引线2覆盖层3敏感栅4基底图4-2金属应变片的类型按敏感栅的结构形式，金属应变片可分：(1)丝绕式应变片，如图4-1所示。(2)短接丝式应变片，如图4-2(a)所示。(3)箔式应变片，如图4-2(b)所示。4.1应变效应与应变式传感器2.金属应变片的主要特性参数(1)几

3、何尺寸应变片敏感栅的尺寸反映了应变片的有效工作面积。(2)电阻值(3)最大工作电流指允许通过应变片而不影响其工作特性的最大电流值。(4)灵敏系数S对于金属应变片，电阻变化率S与应变ε之间的关系可以用下式表示：4.1应变效应与应变式传感器3.金属应变片的温度误差因温度变化导致电阻变化的主要原因有：(1)电阻温度系数的影响在温度变化时，敏感栅的电阻丝阻值随温度变化而变化，其相对电阻增量α—应变片敏感栅的电阻温度系数，指温度变化1℃时，电阻的相对变化；Δt—环境温度的变化量。4.1应变效应与应变式传感器(2)试件材料和敏感栅材料线膨胀系数的影响当两者线膨胀系数不

4、一致时，环境温度变化会使敏感栅产生附加变形，其电阻值也会改变。其相对电阻增量S—应变片的灵敏系数；、—分别为试件和敏感栅材料的线膨胀系数。因此，由温度变化引起的总的相对电阻增量为或2)应变片的自补偿，它是从电阻应变片的敏感栅材料及制造工艺上采取措施，使应变片在一定的温度范围内满足的关系；4.1应变效应与应变式传感器即使在常温下测量，环境温度很难保持恒定，所以必须采取一定的措施减小或消除温度变化的影响，即温度补偿。常用的温度补偿方法有三种：1)桥路补偿法，它主要是通过贴片和接桥方法消除温度的影响，补偿原理和方法将在后文中详细介绍；3)热敏电阻法，利用热敏电阻

5、的特性和选择合适的分流电阻达到温度补偿的目的。4.1应变效应与应变式传感器4.1.2传感器的设计以电阻应变计为转换元件的电阻应变式传感器，主要由弹性元件和粘贴于其上的电阻应变计构成。其工作原理是，由于被测物理量（如载荷、位移、压力等）能够在弹性元件上产生弹性变形（应变），而粘贴在弹性元件表面的电阻应变计可以将感受到弹性变形转变成电阻的变化，这样电阻应变式传感器就将被测物理量的变化转换成电信号的变化。传感器中感受被测物理量的弹性元件是其关键部分，结构形式有多样，旨在提高感受被测物理量的灵敏性和稳定性。常用的弹性元件的结构形式有：受拉压的直杆、受弯曲的梁、受扭

6、转的圆轴、受均布压力的薄圆板、受内压的圆筒、受径向载荷的圆环以及受轴向载荷的剪切轮辐式结构等。4.1应变效应与应变式传感器4.1.3应变式传感器应用举例作为测力传感器的弹性元件，其形式多种多样，常见的有a)柱形、b)环形、c)悬臂梁形、d)双孔梁形、e)“S”形、f)轮辐形等1.应变式力传感器在测力传感器中有一个弹性元件，利用它可把被测力的变化转换成应变量的变化。由于弹性元件上粘贴有应变片，因而可把应变量的变化转换成应变片电阻的变化。图4-3应变式测力传感器的弹性元件4.1应变效应与应变式传感器2.应变式压力传感器应变式压力传感器主要用于测量液体、气体的压

7、力。下图为组合式压力传感器结构。其中：1为弹性膜片，2为薄壁圆筒图4-4组合压力传感器4.1应变效应与应变式传感器3.应变式加速度传感器加速度传感器通常由悬臂梁、质量块和壳体组成。图4-5应变式加速度传感器测量时将传感器的壳体与被测对象刚性连接，在一定的频率范围内，质量块产生的加速度与被测加速度相等。应变式加速度传感器常用于低频振动测量。4.1应变效应与应变式传感器4.应变式扭矩传感器扭矩传感器采用实心圆柱或空心圆柱形式的弹性元件。其应变片按45°方向粘贴在圆柱外表面上，通常贴4片组成全桥，这样既可以提高灵敏度，又可以消除弯曲产生的影响。由于传动轴是转动的

8、，因而不能直接从应变片引出信号，可采用电刷式集流环、水银槽式集流环