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1、第二章 传感器,将被测物理量直接转换为相应的容易检测、传输或处理的信号的元件称为传感器，也称换能器、变换器或探头Sensor Transducer 传感器的命名应由主题(传感器)前面加四级修饰词：主要技术指标特征描述变换原理被测量 按变换原理和能量转换方式分类：电阻式、电容式、差动变压器式、光电式等 按被测量物理量分类 ：位移传感器、压力传感器、速度传感器等,传感器的组成,敏感元件将被测非电量先变换成易于变换成电量的某一中间非电量； 转换元件将敏感元件输出的中间非电量转换成电量的元件； 测量电路将转换元件输出的电量变换成易于显示、记录、处理和控制的电信号； 辅助电源。,22 电阻式传感器,电阻
2、式传感器是把被测量(如位移、力等参数)转换为电阻变化的一种传感器，按其工作 原理，可分为电阻应变式传感器、电位计式传感器、热电阻式传感器和半导体热能电阻传感器等几种。电阻应变式传感器是根据电阻应变效应,先将被测量转换成应变，再将应变量转换成电阻，所以它也是电阻式传感器的一种，其使用特别广泛。,一、电阻应变式传感器,电阻应变式传感器的工作原理是基于电阻应变效应，其结构通常由应变片、弹性元件和其他附件组成。在被测拉压力的作用下，弹性元件产生变形，贴在弹性元件上的应变片产生一定的应变，由应变仪读出读数，再根据事先标定的应变力对应关系，即可得到被测力的数值 。,1测力传感器,测力传感器常用的的弹性元件
3、形式有柱式(杆式)、环式和梁式等。,2位移传感器,用适当形式的弹性元件，贴上应变片，也可以测量位移，测量的范围可从01mm至上百mm。弹性元件有梁式、弓式和弹簧组合式等。,3压强传感器(液压传感器),压强传感器(液压传感器)有膜式、筒式和组合式等，测量范围从01MPa到数百兆帕。膜式传感器是在周边固定的金属膜片上贴上应变片，当膜片承受流体压力产生变形时，通过应变片测出流体的压力；周边固定、受有均布压力的膜片，其切向应变及径向应变的分布如图26所示 。,4压力盒,电阻应变片式压力盒也采用膜片结构，它是将转换元件(应变片)贴在弹性金属膜片式传力元件上，当膜片感受外力变形时，将应变传给应变片，通过应
4、变片输出的电信号测出应变值，再根据标定关系算出外力值。图28所示是应变片式压力盒的构造。,二、电位计式传感器,电位计式传感器是测试技术中常用的一种机电参数转换元件，其功能是把输入的机械位移转换成与位移有确定函数关系的电阻，并引起输出电压或电流的变化。当它配上各种弹性元件和传动机构，还可用来测量液压、温度、速度和加速度等参数。,三、热电阻式传感器和半导体热能电阻传感器,1热电阻传感器热电阻传感器是利用某些金属导体的电阻率随温度变化而变化(或增大，或减小)的特 性，制成各种热电阻传感器，用来测量温度，达到将温度变化转换成电量变化的目的。因而， 热电阻传感器一般是温度计。,热电阻传感器,金属导体的电
5、阻和温度的关系(温度电阻效应）可用下式表示：Rt=R0(1+t) 式中 Rt，R0温度为t和t0时的电阻值； ttt0温度的变化值； 温度在t0t之间时金属导体的平均电阻温度系数。电阻温度系数是温度每变化l时材料电阻的相对变化值,1/。,2半导体热能电阻传感器,半导体热能电阻是由半导体材料做成的新型电阻，它与一般电阻不同，不仅可具有正的电阻系数，而且还可具有负的电阻温度系数，也即当温度升高时，它的电阻值反而会减小，且电阻温度系数的绝对值比金属的大49倍，因此，它的灵敏度和电阻率高，体积小，可测点温度和固体表面温度，而且结构简单，性能稳定，寿命长。,23 电感式传感器,电感式传感器是根据电磁感应
6、原理制成的，它是将被测量的变化转换成电感中的自感系数L或互感系数M的变化，引起后续电桥桥路的桥臂中阻抗Z的变化；当电桥失去平衡时，输出与被测的位移量成比例的电压UC。电感式传感器常分成自感式(单磁路电感式)和互感式(差动变压器式)两类。,一、单磁路电感传感器,组成：铁芯、线圈和衔铁。 原理：当衔铁运动时，衔铁与带线圈的铁芯之间的气隙发生变化，引起磁路中磁阻的变化，因此，改变了线圈中的电感。线圈中的电感量L可按下式计算：式中 W线圈的匝数；R磁路的总磁阻(H-1)；Rm0，Rm1及Rm2，分别是空气隙、铁芯和衔铁的磁阻。,：,三种类型的单磁路电感传感器,应用,位移电感式传感器、压力电感式传感器、
7、加速度电感式传感器,二、差动变压器式电感传感器,差动变压器式传感器是互感式电感传感器中最常用的一种。其原理如图214(a)所示，当初级线圈L1通入一定频率的交流电压E激磁时，由于互感作用，在两组次级线圈L2l 和L22中就会产生互感电势e21和e22 ，其计算的等效电路如图214(b)所示,初级线圈的回路方程次级线圈中的感应电动势分别为当负载开路时，输出电动势为输出电动势的有效值,24 钢弦式传感器,一、钢弦式传感器原理基本原理是由钢弦内应力的变化转变为钢弦振动频率的变化。根据数学物理方程中有关弦的振动的微分方程可推导出钢弦应力与振动频率的如下关系式中f钢弦振动频率；L钢弦长度；钢弦的密度；钢
8、弦所受的张拉应力,二、钢弦式传感器的构造和性能,优点：构造简单，测试结果比较稳定，受温度影响小， 易于防潮，可用于长期观测故在地下工程和岩土工程现场测试和监测中得到广泛的应用。 缺点：是灵敏度受压力盒尺寸的限制，并且不能用于动态测试。,工作原理： 1受力3传力轴2扰曲变形4偏转 5钢弦应力变化 钢弦仪激励起振接受f值 由标定曲线f-P关系土压力值P,注意：应不改变被测钢筋（锚杆）的承载性能。 条件：应力计壳体工作段与钢筋的面积、强度、弹性模量相等。,三、频率仪,钢弦压力盒的钢弦振动频率是由频率仪测定的，它主要由放大器、示波管、振荡器和激发电路等组成，若为数字式频率仪，则还有一数字显示装置。,2
9、-5 电容式传感器、压电式传感器和压磁式传感器,一、电容式传感器以各种类型的电容器作为传感元件，将被测物理量或机械量转换为电容量的变化 。平板型电容器电容量,三类电容式传感器 1.变极距型； 2.变面积型； 3.变介质型。 灵敏度,电容式传感器输出是电容量，需经后续电路转换为电压、电流或频率信号。测量电路常采用调频电路，把电容的变化转换为频率的变化或振荡信号的相位变化。,二、压电式传感器,压电效应有些电介质晶体材料在沿一定方向受到压力或拉力作用时发生极化，并导致介质两端表面出现符号相反的束缚电荷，其电荷密度与外力成比例，若外力取消时，它们又会回到不带电状态，这种由外力作用而激起晶体表面电荷的现
10、象称为压电效应。 逆压电效应：压电材料在交变电场作用下产生机械变形的现象。 压电材料：sio2石英、压电陶瓷（钛酸钡、锆钛酸铅）,1压电晶体加速度传感器,结构图: 它主要由压电晶体片3、惯性质量块2、压紧弹簧1和金属基座4等零件组成。,基本原理,根据极化原理证明，某些晶体当沿某一晶轴的方向有力地作用时，其表面上产生的电荷与所受力的大小成比例，即作为信号源，压电晶体可以看作一个小电容，其输出电压为当传感器底座以加速度a运动时，则传感器的输出电压为即输出电压与振动的加速度成正比。,2压电式测力传感器,压电式传感器的测量,压电式传感器是发电式传感器，不需供电，但压电晶片产生的电荷量极其微弱，不能用一
11、般低阻抗仪表来测量，否则，压电片上的电荷就会很快地在测量电路中泄露。必须在传感器和测量电路间加接可变换阻抗前置放大器。有电压放大器和电荷放大器两类。 压电式传感器适用于动态测量。,三、压磁式传感器,铁磁材料受到机械力作用，产生机械效应力，从而引起铁磁材料的磁导率发生变化；如果铁磁材料上有线圈，由于导磁率的变化，将引起铁磁材料中的磁通量的变化；磁通量的变化会导致线圈的自感电动势的变化，从而把力转换为电信号。 铁磁材料的压磁效应规律是：铁磁材料受到拉力时，在作用方向的导磁率提高，而在与作用力相垂直的方向，导磁率略有降低；铁磁材料受到压力作用时，其效果相反，当外力作用力消失后，它的导磁性能复原。,在
12、岩体孔径变形预应力法中，使用的钻孔应力计就是压磁式传感器，其工作原理如下：,钻孔应力计的磁芯，在外加压力作用下，将产生导磁率的变化，导磁率变化能引起感应电动势，即阻抗(电感)的变化，其变化越大，越能提高测量的灵敏度。电感L的大小，取决于磁芯上所绕线圈的匝数、磁芯的导磁率和尺寸。,2-6 传感器的选择和标定,对使用传感器的基本要求:(1)输出与输入之间成比例关系，直线性好，灵敏度高；(2)滞后、漂移误差小；(3)动态特性良好；(4)功耗小；(5)不因其接入而使测试对象受到影响；(6)抗干扰能力强，即受被测量之外的量的影响小；(7)重复性好，有互换性；(8)抗腐蚀性好，能长期使用；(9)容易维修和
13、校准。,一、传感器对被测对象的影响,当传感器接入测试系统时，是否改变了原系统的状态和环境条件，对被测物理量产生了干扰，以至于测试的结果并不是原系统中存在的要测物理量。 传感器如何才能与原系统匹配，必须从理论上弄清相互关系，才能在实际测试过程中，正确选择传感器、正确安装，避免测试结果错误（不是误差）。,应力计和应变计原理,地下工程测试中有两类传感器，应力计和应变计，区别在于传感器的敏感元件与被测系统刚度的差异。分析如下： 原系统受p力作用，弹簧的变形量如果想用一个测量元件来测量未知力P和压缩变形u1，在两根弹簧之间放入弹簧常数为K的元件弹簧，则其变形u2和压力p为u2= P2=Ku2,结论,若K
14、k，则P2P，说明弹簧元件加进前后，系统的受力与弹性元件的 受力几乎一致，弹簧元件的受力能反映系统的受力，因而可看作一个测力计，把它测出来的值乘以一个标定常数，可以指示应力值，所以它是一个应力计。 若k2k，即弹簧元件与原系统的刚度相近，加入弹簧元件后，系统的受力和变形都有很大的变化，则既不能做应力计，也不能做应变计。,二、压力盒的选择和埋设要求,传感器与介质匹配 问题由于传感器取代了原介质，传感器与介质的变形特性不同，引起介质内应力重新分布，使作用于传感器上的应力与原应力不同，叫不匹配。由此引起测量误差叫匹配误差。 问题： 1.传感器与介质的完全匹配条件是什么？ 2.不匹配时，误差规律是什么
15、？如何减小误差？,完全匹配的条件,静力匹配传感器与介质的弹性模量E和泊松比相等 ，考虑体积力时，则还须密度相等。 动力完全匹配弹性模量E泊松比 和密度相等。传感器动力刚度gcg与介质的动力刚度 scs 相等。 前提条件：传感器的边界与岩土介质紧密接触。,压力盒的埋设应注意如下问题,1)埋设时，要求压力盒感压面朝向被测压力方向、且误差应小于l0，埋设位置也不允许有较大的偏差。 (2)压力盒埋设后回填时，填埋被测介质要密，以减小因周围介质与更远处原状介质的性质差异产生的二次匹配误差。 (3)对于自由场应力测量，压力盒水平和垂直净距一般取为三倍的压力盒直径， (4)对自由场应力测量的压力盒，埋置深度
16、一般取大于25倍压力盒的直径；对刚性结构表面压力测量，覆盖介质厚度一般取大于压力盒敏感面直径即可。,三、传感器的标定,标定目的：通过试验建立传感器输入量与输出量之间的关系，即求取传感器的输出特性曲线(又称标定曲线)。 标定的基本方法：是利用标准设备产生已知的非电量标准值(如一已知的标准力、压力、位移等)作为输入量，输入到待标定的传感器中，得到传感器的输出量。然后，将传感器的输出量与输入的标准量作比较，从而得到一系列的标定曲线。,降低标定结果的系统误差和减小偶然误差 的要求：,(1)传感器的标定应该在其使用条件相似的状态下进行； (2)在被测对象的变化频率小于30Hz时，静标定造成的误差可以忽略，故可只作静标定。但工作在高频或冲击荷载下的传感器，静标定的误差大，应设法模拟实际荷载进行动标定；(3)为了减小标定中的偶然误差，应增加重复标定的次数和提高测试精度。对于自制或不经常使用的传感器，建议在使用前后均作标定，二者的误差在允许的范围内时才确认为有效。,
