传感器原理及应用复习重点.docx
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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=PL/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（35）沁间，因而便测量结果：
5r±
（35）%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。
0.05mm
3.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
"1
1
X
4£]
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Ism——A
Til
17
*ft7
•li»iL
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1/10^1/2001㈤的数值》久
误差5的计算结果
i
5（%）
1/LO
L62
1/20
0.52
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
A
T
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-0-1V
A101
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AR/R转换为电压或电流的交1匕口因此，需要有专用测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TTRR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/?
+R-A/?
—"
恒沫源电桥的输出电压与AR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
1
A<
B
A
D
UM
%=4R
2
A<
B
B
rj_U2Ug-2R
1仏=呂竺
A<
D
仏=0
Uf{Q=O
序号
H作習
电桥简图
inffiu供电
慎流4供电
B
IxX,
3
A<
o
D
c
（J
2斥
K<
Bo
c
Sq=（）
如=（）
序号
工作肯
电桥向图
tetku供电
恒流10供电
B
4
A<
o
D
c
/W
5=厶朋
A<
B
C
=O
Urc=0
不等臂对称电桥特片生
I.电桥桥猶由多枚应变片丰联组成
设桥«Rj=R^=nR,R3二R•产R（®中n=2）0中旳n个应变片都产生相昔的AK变化时，出电圧为：
若n个应变片产生的^R不*.则
nr
nr*n&r
Ubd
岀桥WRl
电桥的输
B
R
D
0U0
2、电桥桥臂由多枚应变片并联组成r丈桥臂R］二应二R/n,R3二R.尸R（肉中n=2）。
Ri中的n个应变片都产生相等的AR3e化时,输出电压为:
“_沁曲八_IA/f_.
加-（mRiwXR+R）"乙下
若n个应交片产生的/XR不等.
C
则
电桥的
不等臂对称电桥特性
（1）串联电桥和并联电桥不能增加电桥的输出，具有对应变片产生的应变取平均值的作用Q
（2）可以采用适当提高供桥电压的办法提髙串联电桥的諭出。
电胆应变式电桥大都采用交號电桥，理由诙二：
（1）应衰电桥临出极另，需要加放丸器*而A冰放大《容易产枫藻才免故目的乡采用流放大鶴：
（2）由于应变片与橈路尿用电£庭辽按，当引线》布电容的汕向不M被忽略时，姐鱷要瑕用交涼电桥T
温度误差及其产生原因：
t时，应变片的温度
上式为应变片粘贴在试件表面上，当试件不受外力作用，在温度变化△效应。
用应变形式表现出来，称之为热输出。
可见，应变片热输出的大小不仅与应变计敏感栅材料的性能（a邛S）有关，而且与被测试件
材料的线膨胀系数（Bg）有关。
上式为应变片粘贴在试件表面上，当试件不受外力作用，在温度变化△t时，应变片的温度
效应。
用应变形式表现出来，称之为热输出。
（a邛S）有关，而且与被测试件
可见，应变片热输出的大小不仅与应变计敏感栅材料的性能
材料的线膨胀系数（Bg）有关。
每一种材料的被测试件，其线膨胀系数Bg都为确定值，可以在有关的材料手册中查到。
在
选择应变片时，若应变片的敏感栅是用单一的合金丝制成，并使其电阻温度系数a和线膨胀
系数BS满足上式的条件，即可实现温度自补偿。
具有这种敏感栅的应变片称为单丝自补偿应变片。
单丝自补偿应变片的优点是结构简单，制造和使用都比较方便，缺点但它必须在具有一定
线膨胀系数材料的试件上使用，否则不能达到温度自补偿的目的。
双孔平行梁：
载荷可以施加在任何位置*都可以
简化为作用于梁端部的力F及一个力偶M
FL
差动电桥输出:
可见载荷的位置不影响输出
S型双孔梁
差动电桥输出：
Un=上庄FZ
°4EW
抗弯断面系数
笫3章电感式传感器
沁
（1）气隙式、变面积型电感传感器
（2）螺线管式电感传感器
三、电感式传感器的特点
（1）结构简单、可靠、测量力小；
（2）分辨率高；机植位移O/IAm,甚至更小$角位移时角釈16出信号强，电压灵敏喪可达数百mV/mm•
（3）传感器输出信号强，有利于信号的传输和放大，一般每毫米变化可达到数百毫伏的输岀；
（4）重复性能好以及线性度宽且较稳定,在几十Um到《百mm的位移范围内，输出特悝的线性*较好，且比较》定・
（5）不宜高频动态信号的测量；存在交流零位信号.
差动式原理
差动变隙式由两个相同的线圈S厶丹磁路组成。
当被测量通过导杆使衔铁（左右）位移时，两个回路中磁阻发生大小相等、方向相反的变化，形成差动形式。
二.螺管型电感传感器
有单线圈和差动式两种结构形式。
单线圈螺管型传感器的主要元件为一只螺管线圈一根圆柱形铁芯及磁性套筒。
传感器工
作时，因铁芯在线圈中伸入长度的变化，引起线圈泄漏路径中磁阻的变化，从而使线圈自感发生变化。
主磁通
■■■■■■■■■■I
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iSBSSBSBBS!
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卞
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漏磁通
差动螺管型传感器结构图
0.2040.6t>,81;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。
对于长螺管线圈l»r,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
M
fxxxxxx^
'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*
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2互感式传感器一雀动变压器-V互感式传感器的结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
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=2nfL/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0e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U0
us
）号弟3卓电恐耳传懋葢—YT
Ti
4
'd
J
■zwvy-srw^—
•幻网；
A
M
A
%
（b）
c>
5/
Rl
图4・19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：
二极管'8、Vd3截止，\£、Vd4导通。
其等效电路如图4・19（C）所示。
输出电压“。
表达式与式（4-38）相同。
说明只要位移Ax>0,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）
Rm
Il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①，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
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