第六章传感器原理与测量电路
第六章 传感器原理与测量电路
第一节概述 样和时生接真等能须短衣在 韩核道排舞贴爆斜就进往与配套的前置放大器连接或 者与其它电子元件组成专用的测量电路, 传感器首先必须在它的工作频率范围内满足不失真测试的条件 (1)适当的灵敏度 (2)足够的精确度 (3)高度的可靠性 (4)对被测对象的影响小 签生和 靠性就显得特别重要
传感器是将不同物理特性的信号转换为电信号的转换装置。 在机械测试中，传感器一般由转换机构和敏感元件两部分组成，前 者将一种机械量转变为另一种机械量，后者则将机械量转换为电量，有 些结构简单的传感器则只有敏感元件部分。 传感器输出的电信号分为两类，一类是电压、电荷及电流，另一类 是电阻、电感和电感等电参数。通常情况下传感器输出的电信号比较微 弱和不适合直接分析处理。因此传感器往往与配套的前置放大器连接或 者与其它电子元件组成专用的测量电路， 由于传感器和前置放大器或测量电路的这种不可分性，要求我们在 学习传感器的原理的同时必须留意配套的前置放大器或相关测量电路 传感器是测量装置与被测量之间的接口，处于测量系统的输入端， 其性能直接影响着整个测量系统，对测量精确度起着主要的作用。在选 择和使用传感器时还应该注意以下几点： 传感器首先必须在它的工作频率范围内满足不失真测试的条件 灵敏度高意味着传感器能检测微小的信号，当被测量稍有变化，传 感器就有较大的输出。但高灵敏度的传感器测量范围也较窄，较容易受 噪声的干扰。所以同一种传感器常常做成一个序列，有高灵敏度测量范 围较小的，也有测量范围宽灵敏度较低的，在使用时要根据被测量的变 化范围（动态范围）并留有足够的余量来选择灵敏度适当的传感器。 传感器的精确度表示其输出电量与被测量的真值的一致程度。然而 精确度越高，其价格也越高，对测量环境的要求也越高。因此应当从实 际出发选择能满足测量需要的足够精确度的传感器，不应一味地追求高 精度。 可靠性是传感器和一切测量仪器的生命，可靠性高的传感器能长期 完成它的功能并保持其性能参数。为了保证传感器使用中的高度可靠性， 除了选用设计合理，制作精良的产品外，还应该了解工作环境对传感器 的影响。在机械工程中 ，传感器有时是在相当恶劣的的条件下工作，包 括灰尘、高温、潮湿、油污、辐射和振动等，这时传感器的稳定性和可 靠性就显得特别重要。 传感器的工作方式有接触和非接触两种。接触式传感器工作时必须 可靠地与被测对象接触或固定在被测对象上，这时要求传感器与被测物 之间的相互作用要小，其质量要尽可能的小，以减少传感器对被测对象 运行状态的影响。非接触式传感器则无此缺点，特别适用于旋转和往复 机件的在线检测。 （1）适当的灵敏度 （2）足够的精确度 （3）高度的可靠性 （4）对被测对象的影响小 第一节 概 述
6.2电阻应变式传感器 62阳盛 撞或速班随被潮象魅应的 变胺逹雄翘片值被甃器熊娳就婵性迒栿上粘贴糨应 巎羢啡與应翅引起应变 值的彌将被辫转輖矰啦郕蜘輯眙的忪反映了被测 量的 1.工作原理 覆盖层基片 线 由物理学可知:电阻丝的电阻 R 电阻丝有效长月 电阻丝式敏感栅 图6-1金属丝应变片结构
电阻应变式传感器是通过电阻丝或电阻片随被测对象发生的应变而的 改变电阻丝或电阻片电阻值的传感器。传感器由在弹性元件上粘贴电阻应 变敏感元件构成。当被测量作用在弹性元件上，弹性元件的变形引起应变 值的变化，通过转换电路转换成电量输出，则电量变化的大小反映了被测 量的大小。 由于应变与被测对象所受的载荷、运动状况（速度、加速度、位移） 变形情况密切相关，因此，用这类传感器能够测应变、应力、力、位移、 速度、加速度、扭矩等参数，有很广泛的应用。 ６.２.１ 金属应变片式传感器 金属应变片式传感器的核心元件是金属电阻应变片，如图所示 图6-1 金属丝应变片结构 电阻丝式敏感栅 引线 覆盖层 基片 电阻丝有效长度 它能将被测试件的应变变化转换成电阻应变片电阻的变化。 1．工作原理 由物理学可知：电阻丝的电阻： A L R = ６.２ 电阻应变式传感器
当每一可变因素分别有一变化量aR=24+4=-244为: 电阻 dr k a R A P L L dR d4+dp dp L A 是 d L 为横向应变 dr 电阻率相对变化量,其值与材料在轴向所受的应力有关 ea dr dl da dp dl dr dp dR =(+2y+r2E)E=K0E R pLLp,式(6-1)R 料制成的应变式传感器,称为压阻式应变式传感器,电阻的相对全增量为 dR dR (1+21)E Rea
当每一可变因素分别有一变化量dL、dA和dρ时，电阻的全增量为： ( ) d A dA L dL d R R dA A R dL L R dR = − + + + = L 是纵向应变 dL = L dL r dr 为横向应变 = − = − L dL r dr d 电阻率相对变化量，其值与材料在轴向所受的应力有关。 E d = L = L πL为材料的压阻系数 E为材料的弹性横量，因此，式（6-1）又可写为 0 (1 2 E) K R dR = + + L = d L dR L d dL A dA L dL R dR = − + = − 2 + 电阻的相对全增量为： d L dR L d dL A dA L dL R dR = − + = − 2 + 分析以上公式。可以看出：电阻的相对全增量由两部分构成， 一部分是形变效应而引起，另一部分是电阻率发生变化而引起的。 对金属来说，电阻变化率较小,可忽略不计，因此 ： = (1+ 2) R dR 对于某些半导体材料，受到应力作用后，其电阻率发生明显变化，这 种现象被称为压阻效应。电阻变化是率形变效应几十倍甚至上百倍，因此 引起半导体材料电阻相对变化的主要因素是压阻效应，利用这类半导体材 料制成的应变式传感器，称为压阻式应变式传感器，电阻的相对全增量为 E R dR = L
应变测量电路(P344) )直流电桥 R I rR3-R2R4 R )E= R1+R2R3+R4(R1+R2)(R3+R) 流 ,B、D 茁风=凡A阻抗费靜出电的瀚由嬌于衡 视为毛鞒电基换敏熳压 通常电桥的连接方法有三种如图示: 半桥单臂、半桥双臂和全桥 4焊接板5—外引线 取R1=R2=R2=R4=R由此可得 △R △R △R E U≈ E 4R 2 R R 中e 半桥单臂 半桥双臂 全
图6-2 半导体应变片 1 2 3 4 5 1—胶膜衬底 2—P-Si 3—内引线 4—焊接板 5—外引线 （一）直流电桥 它由连接成菱形的四个桥臂电阻 直流电桥的结构如图 R1、R2、 R3和R4组成。其中，A、C两端接入直流 电源E，而B、D两端为信号输出端，当输 出端接入高阻抗负载时，电桥的输出端可 视为开路，其输出电压 E R R R R R R R R E R R R R R R U ( )( ) ( ) 1 2 3 4 1 3 2 4 3 4 4 1 2 1 + + − = + − + = （2）电桥电压灵敏度 当 R1 R3 = R2 R4 电桥输出 U=0 称电桥平衡 半桥单臂 半桥双臂 全桥 通常电桥的连接方法有三种如图示： 半桥单臂、半桥双臂和全桥 取 R1=R2=R3=R4 =R 由此可得 E R R U 2 1 E R R U E R R U 4 = 应变测量电路 （P344）
二)交流电桥 供桥电压采用交流电源的电桥称为交流电桥,四个桥臂可以是电阻,电容 或电感组成(如图109),a).b).c)所示 a)电容电桥 b)电感电桥 c)电阻电桥 桥臂不再是直流电桥中的“纯电阻”,而是呈复阻抗特性。分别用TQ Z2、Z3、Z表示四个桥臂的电抗,分别代替桥臂电阻R1、R2、R3 直流电桥的平衡关系式也可适用于交流电桥的平衡关系式。故有 z123=Z24 2-14 φ;+中:=φ,+φ (10-16)
供桥电压采用交流电源的电桥称为交流电桥，四个桥臂可以是电阻，电容 或电感组成（如图10-9），a).b).c)所示。 桥臂不再是直流电桥中的“纯电阻”，而是呈复阻抗特性。分别用Z1 、 Z2 、Z3 、Z4表示四个桥臂的电抗，分别代替桥臂电阻R1 、R2 、R3 、R4， 则直流电桥的平衡关系式也可适用于交流电桥的平衡关系式。故有： Z1 Z3=Z2Z4 a) 电容电桥 b)电感电桥 c)电阻电桥 Z01·Z03 = Z02·Z04 φ1+φ3 =φ2+φ4 (10-16) （二）交流电桥
6.2.3应变式力传感器应用 多数应用是利用应变片构成各种传感器,再组成测试系统完成相应的测试。 图6-4尔标式感器结图银越分布图 图6-5所示为膜片式压力感器,应变片贴在膜片内壁,在压力P作用下,膜 片产生径向座密和赔胺变片式加速度传感器的结构示意图 h R 20002 图67应变式加速度传感器结 图63圆筒(鞋)式力传感器 图6-5膜片式压力传感器
6.2.3 应变式力传感器应用 多数应用是利用应变片构成各种传感器，再组成测试系统完成相应的测试。 图6-3所示为柱式、筒式力传感器， U (a) (b) (c) (d) 图6-3 圆筒（柱）式力传感器 U0 图6-4所示为环式力传感器结构图及应力分布图 图 F 6-5所示为膜片式压力传感器，应变片贴在膜片内壁，在压力P作用下，膜 片产生径向应变和切向应变。 图6-5 膜片式压力传感器 （a） （b） h x R 图6-7所示是应变片式加速度传感器的结构示意图， 图6-7 应变式加速度传感器结构图
第三节电感式传感器 电感式传感器是将被测量的变化转化成电感量的变化。按照电感的类型, 电感传感器可分为自感系数变化型和互感系数变化型两类。 自感式传感器 图示为自感式电感传感器的示意图: 根据电磁感应原理,由一个匝数为W 所载电流/的线圈产生自感L为: i=y wap 式中:①穿过每匝线圈的磁通。 g/2 由磁路欧姆定律可得 (D R 式中:R磁路的总磁阻,2∠S。空气段的磁导率约为铁芯1012,因 此计算磁阻时可略去铁芯的磁阻 所以: w wHoSo 可见自感与气隙之长度成反比,由此而制 26 作自感传感器称为变气隙型自感传感器
电感式传感器是将被测量的变化转化成电感量的变化。按照电感的类型， 电感传感器可分为自感系数变化型和互感系数变化型两类。 一、自感式传感器 图示为自感式电感传感器的示意图： S L g / 2 根据电磁感应原理，由一个匝数为W、 所载电流I的线圈产生自感L为： I W I L = = 式中：——穿过每匝线圈的磁通。 由磁路欧姆定律可得 Rm WI = 式中：Rm——磁路的总磁阻， 。空气段的磁导率约为铁芯10-12 ，因 此计算磁阻时可略去铁芯的磁阻 所以： = i i m S L R 2 0 0 2 2 W S R W L m = = 可见自感与气隙之长度成反比，由此而制 作自感传感器称为变气隙型自感传感器 第三节 电感式传感器
变气隙型自感传感器还可以作成螺管型自感传感器如图6.9所示: 它有两种工作方式:单个工作和差动工作。 螺线管 铁芯 L S /2 多
S L S L g / 2 g / 2 g / 2 S L 变气隙型自感传感器 还可以作成螺管型自感传感器如图6.9所示： 铁芯 螺线管 它有两种工作方式：单个工作和差动工作。 R E R U0 L1 L1 L2 L2 H X i i
6.3.2差动变压器式传感器 差动变压器实质上是一个变压器,原边线圈加电源激励,副边线 圈W感应电势输出,输出大小由原、副边的互感赝定,和通变压器不 同的是由于原、副边间耦合磁通路径的铁芯可移动,从而使W以变化 通常有两个副边线圈1、咫2,铁芯移动时使和K及和间互感M M向相反方向变化,以展1、K2中感应电势之差来输出,由它来反映铁芯 的移动,因此常称为差动变压器 螺线管式差动变压器结构如图6-12所示,它由初级线圈、两个次级 线圈和插入线圈中央的圆柱形铁芯等组成。 1—活动衔铁;2-导磁外壳;3骨架;4匝数为W1 的初级绕组;5匝数为W2的次级绕组;6匝数为 Wn的次级绕组
差动变压器实质上是一个变压器，原边线圈Wp加电源激励，副边线 圈W s感应电势输出，输出大小由原、副边的互感M决定，和普通变压器不 同的是由于原、副边间耦合磁通路径的铁芯可移动，从而使M可以变化。 通常有两个副边线圈WSl、WS2，铁芯移动时使Wp和WS1及Wp和WS2间互感M1、 M 2向相反方向变化，以WS1、WS2中感应电势之差来输出，由它来反映铁芯 的移动，因此常称为差动变压器 螺线管式差动变压器结构如图6-12所示，它由初级线圈、两个次级 线圈和插入线圈中央的圆柱形铁芯等组成。 U2 L U1 E r1 RL 1—活动衔铁；2—导磁外壳；3—骨架；4—匝数为W1 的初级绕组；5—匝数为W2a的次级绕组；6—匝数为 W2b的次级绕组 6.3.2 差动变压器式传感器
