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传感器原理与其在力学中的应用

传感器（transducer/sensor）是能感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出

信号（一般为电信号）的器件或装置。

传感器按输入信号分类可分为位移传感器、速度传感器、加速度传感受器、力/压力传感器

等。

一、静力学传感器

1．测力传感器——柱（筒）式力传感器

图（一）为柱式力传感器，弹药性敏感元件为实心或空心的柱体（截面积为S，材料

弹性模量为E），当柱体向受拉（压）力F作用时，在弹性范围内，应力σ与应变ε成正比

关系。

图（一）

轴向应变：

横（周）向应变：

应变片粘贴在弹性柱体外壁应力分布均匀的中间部分，沿轴向和周向对称地粘贴多片

应变片。贴片在柱面的展开位置及其在桥路中的连接如图所示（d）和(e)所示。

图（一）中作用力F在各应变片上产生的应变分别为

全桥接法的总应变ε为

0

电桥输出电压为

从而得到被测力F为

2、应变片压力传感器原理与应用

力学传感器的种类繁多，如电阻应变片压力传感器、半导体应变片压力传感器、压阻式

压力传感器、电感式压力传感器、电容式压力传感器、谐振式压力传感器及电容式加速度传

感器等。但应用最为广泛的是压阻式压力传感器，它具有极低的价格和较高的精度以及较好

的线性特性。下面我们主要介绍这类传感器。

在了解压阻式力传感器时，我们首先认识一下电阻应变片这种元件。电阻应变片是一种

将被测件上的应变变化转换成为一种电信号的敏感器件。它是压阻式应变传感器的主要组成

部分之一。电阻应变片应用最多的是金属电阻应变片和半导体应变片两种。金属电阻应变片

又有丝状应变片和金属箔状应变片两种。通常是将应变片通过特殊的粘和剂紧密的粘合在产

生力学应变基体上，当基体受力发生应力变化时，电阻应变片也一起产生形变，使应变片的

阻值发生改变，从而使加在电阻上的电压发生变化。这种应变片在受力时产生的阻值变化通

常较小，一般这种应变片都组成应变电桥，并通过后续的仪表放大器进行放大，再传输给处

理电路（通常是A/D转换和CPU）显示或执行机构。

金属电阻应变片的内部结构

如图所示，是电阻应变片的结构示意图，它由基体材料、金属应变丝或应变箔、绝缘

保护片和引出线等部分组成。根据不同的用途，电阻应变片的阻值可以

由设计者设计，但电阻的取值范围应注意：阻值太小，所需的驱动电流

太大，同时应变片的发热致使本身的温度过高，不同的环境中使用，使

应变片的阻值变化太大，输出零点漂移明显，调零电路过于复杂。而电

阻太大，阻抗太高，抗外界的电磁干扰能力较差。一般均为几十欧至几十千欧左右。

3、静位移传感器——改变介质介电常数的电容传感器

图2是2种改变介质介电常数的电容式传感器的原理图。图2(a)常用来检测液位的高

度，图2(b)常用来检测片状材料的厚度和介电常数。

图2(a)中由圆筒1和圆柱2构成电容器两极，假定部分浸入被测量液体中（液体应不

能导电，若能导电，则电极需作绝缘处理）。这样，极板间的介质由2部分组成：空气介质

和液体介质，由此而形成的电容式料位传感器，由于液体介质的液面发生变化，从而导致电

容器的电容C也发生变化。这种方法测量的精度很高，且不受周围环境的影响。总电容C

由液体介质部分电容C和空气介质部分电容C两部分组成：

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x—电容器浸入液体中的深度；

R—同心圆电极的外半径；

r—同心圆电极的内半径；

ε—被测液体的介电常数；

1

ε—空气的介电常数。

2

当容器的尺寸和被测介质确定后，则h，R，r，ε和ε均为常数，令：

12

这说明，电容量C的大小与电容器浸入液体的深度x成正比。

图2(b)是在一个固定电容器的极板之间放入被测片状材料，则他的电容量为：

式中：S—电容器的遮盖面积；

d—被测物体上