5§3.1 概述；§3.2 电阻应变片式传感器.ppt

第三章 常用传感器的变换原理 §3.1 概述 一、传感器的作用和构成 （一）作用 现在已步入信息社会，信息技术的基础主要是传感器技术、通信技术和计算机技术，它们分别相当于人类的“感官”、“神经”和“大脑”。作为“感官”的传感器是测量系统的第一个环节。也是最重要的一个环节，它的主要作用有两个：其一是敏感作用，它感受被测量的变化，完成信号的拾取；其二是变换作用，将被测物理量，按一定规律变换为与其对应的另一种容易检测、传输或处理的物理量。例如，在工程检测中，通过传感器将诸如温度、压力、流量、速度等信息转换成电的能量信号（如电流、电压等）或电的参数信号（如电阻、电容等），然后进行变换记录。 （二）构成 传感器一般由敏感元件、传感元件和辅助部件3部分组成。 敏感元件是传感器内部直接感受被测量的元件，多数情况下它是将被测量变换为一种易于转换成电量的非电量。在传感器中的各种弹性元件，常被称为弹性敏感元件。弹性元件的构件具有良好的弹性变形性能，以便能敏感的感知被测量的任何变化，保证测量的灵敏度和准确度。常用的弹性元件如图3-1。 传感元件将感受到的非电量直接转换成电量或电参量。 辅助部件可以是测量电路、辅助电源或安装保护部分等。 需要注意的是，并非所有的传感器都具有上述三部分。有些传感器由兼有敏感和变换作用的元件组成，可以直接将非电量转换为电量，如热电偶。有些简单的传感器仅由敏感元件构成，例如，光敏、热敏传感器等。 二、传感器的分类 1.按输入物理量分类 常见的被测物理量包括： 机械量：位移、力、速度、加速度… 热工量：温度、流量、热量、压力… 物性参量：浓度、比重、真空度… 状态参量：裂纹、缺陷、泄漏、磨损… 这种分类方法对使用者很方便，它容易根据被测参数选择所需要的传感器，因而在介绍物理量测量时按这种分类方法介绍。 2.按工作原理分类 电阻式、电容式、电感式等。这种分类方法便于对传感器的工作原理、特性等做归纳性分析研究。在理论学习中，常按测量原理分类。在本章的学习中将按这种分类方法介绍。 3.按能量的传递方式分类 分为有源传感器（也称能量转换型传感器）和无源传感器（也称能量控制型传感器）。 有源传感器（能量转换型传感器）在工作时不需要外加电源，可直接将被测量的变化转换成电压、电流的变化，如热电偶、光电池、压电传感器等。 无源传感器（能量控制型传感器）是指传感器将被测量的变化转换成电参数（如电阻、电容）的变化，传感器需外加激励电源，才可将电参数的变化转换成电压、电流的变化。如铂电阻温度传感器，铂电阻阻值随被测温度的变化而变化，需外加电桥电路，才可将阻值的变化转换成电压的变化。表3-2、3-3。 三、对传感器的基本要求 1. 灵敏度高，以便能感受被测量的微小变化，并以较大的信号输出； 2. 直线性好，保证输出信号与被测量的变化之间呈单值函数关系； 3. 准确度高，误差小； 4. 稳定性及重复性好； 5. 动态性能好； 6. 测量范围大，尺寸小、重量轻、强度高、工作温度范围宽。 7. 对噪声不敏感，容易调节（校准简易），具有抗环境影响（热、振动、酸、碱、空气、水、尘埃）的能力，工作寿命长。 8. 安全、低成本。 稳定性：可以从两个方面来描述，一是时间稳定性，它表示在工作条件保持恒定时，仪表输出值在一段时间内随机变动量的大小；二是使用条件变化稳定性，它表示仪表在规定的使用条件内某个条件的变化对仪表输出的影响。 重复性：在相同测量条件下，对同一被测量，按同一方向（由小到大或由大到小）多次测量时，检测仪表提供相近输出值的能力称为仪表的重复性。这些条件应包括：相同的测量顺序、相同的观察者、相同的测量设备、在相同的地点以及在短时间内的重复。 §3.2 电阻应变片式传感器 电阻应变片式传感器属于电阻式传感器，能将非电量转换成与之有确定对应关系的电阻阻值，然后再经过测量电路转换成便于传送和记录的电压（电流）信号，进行测量。可用于测量力、位移、形变等参数。 一、工作原理 电阻应变片式传感器是基于应变-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)的变化而发生变化的现象。电阻应变片式传感器的传感元件是电阻应变片。 应变式传感器是将应变片粘贴于弹性元件表面或者直接将应变片粘贴于被测试件上，如图3-8。 根据电阻的定义式: 如果电阻丝在外力作用下产生变化时，其电阻的相对变化为： 为电阻丝轴向相对变形，或称纵向应变。 是由于电阻丝几何尺寸变化引起的； 是由于受力后材料的电阻率发生变化而引起的。 对于金属材料： 是个常数，往往很小，可以忽略。因此，上式可写成为： 应变-