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1、湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院传感器测量原理传感器测量原理(1)本章学习要求：本章学习要求：1.1.掌握电阻式传感器的工作原理掌握电阻式传感器的工作原理2.2.了解电阻式传感器的结构、分类了解电阻式传感器的结构、分类3.3.了解电阻传感器的测量电路了解电阻传感器的测量电路4.4.了解电阻传感器的应用了解电阻传感器的应用工程测试技术基础工程测试技术基础湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院第二讲第二讲传感器测量原理传感器测量原理1）2.1 2.1 概述概述1. 1. 传感器定义传感器定义 传感器是借助检测元件将一种形式的信息转传感器是借助检测元件将一种形式的信息转换成另一种信息的装置
2、。换成另一种信息的装置。 物理量物理量电量电量目前，传感器转换后的信号大多为电信号。因而从狭义上讲，传感器是把外界输入的非电信号转换成电信号的装置。湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院辅助电源敏感元件敏感元件转换元件转换元件基本转换电路被测量电量敏感元件是直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的某一物理量的元件。转换元件：敏感元件的输出就是它的输入，它把输入转换成电路参量。基本转换电路：上述电路参数接入基本转换电路简称转换电路），便可转换成电量输出。传感器的组成传感器的组成湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院敏感元件在传感器中直接感受被测量，并敏感元件在传感器中直接感受被测量，并转换
3、成与被测量有确定关系、更易于转换的非转换成与被测量有确定关系、更易于转换的非电量。电量。弹性敏感元件弹簧管）弹性敏感元件弹簧管）弹簧管弹簧管(布尔登管将压力转换布尔登管将压力转换为角位移为角位移P418湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院最简单的传感器由一个敏感元件(兼转换元件)组成，它感受被测量时直接输出电量，如热电偶。有些传感器由敏感元件和转换元件组成，没有转换电路，如压电式加速度传感器，其中质量块m是敏感元件，压电片块是转换元件。有些传感器，转换元件不只一个，要经过若干次转换。热电偶压电加速度传感器气体压力传感器由于空间的限制或者其他原因,转换电路常装入电箱中。然而，因为不少传感器要
4、在通过转换电路后才能输出电信号，从而决定了转换电路是传感器的组成环节之一。 实际上，有些传感器很简单，有些则较复杂，大多数是开环系统，也有些是带反馈的闭环系统。湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院本课中，传感器泛指将一个被测物理量按本课中，传感器泛指将一个被测物理量按照一定的物理规律转换为另一物理量的装置，照一定的物理规律转换为另一物理量的装置，着重研究装置的信号转换规律，并不严格区分着重研究装置的信号转换规律，并不严格区分其是一个敏感元件还是一个传感器。其是一个敏感元件还是一个传感器。湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院2、按传感器的工作机理，分为结构型与物性型1、按照被测物理量，分
5、为位移、压力、振动、温度传感器等，表明传感器的用途传感器的分类传感器的分类1)结构型传感器：依赖结构参数的变化实现信息转换2)场定律2)物性型传感器：依赖敏感元件的物理特性的变化实现信息转换物质定律3、按传感器使用电源与否：分为有源传感器和无源传感器；按传感器的能量转换情况，分为能量控制型传感器和能量转换型传感器湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院4、按照工作原理分类：十大类电阻式电感式磁电式压电式电容式光电式热电式陀螺式机械式流体式5、按传感器输出信号，分为开关型、模拟型和数字型 P163表4.1常用传感器类型及作用原理湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院2.2 2.2 电阻式传感器
6、电阻式传感器电阻式传感器是把被测量转换为电阻变化的一种电阻式传感器是把被测量转换为电阻变化的一种传感器传感器, ,第二讲第二讲传感器测量原理传感器测量原理1）3个参数中的1个或数个发生变化，电阻R就变化！按工作的原理可分为按工作的原理可分为:变阻器式、电阻应变式、热敏变阻器式、电阻应变式、热敏式、光敏式、压阻式式、光敏式、压阻式.湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院（一变阻器式传感器的构造与原理1.机械结构2.物理模型3.数学模型一、一、 变阻器式传感器电位器式传感变阻器式传感器电位器式传感器）器）xL湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院变阻式传感器变阻式传感器等效电路分析等效电路分析
7、: :l 电位计电阻元件长电位计电阻元件长;x 电刷移动量电刷移动量.R 总电阻总电阻; Rx电刷电阻电刷电阻;x,Rxl,RUiUolx= =RRx= =UiUo湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院变阻式传感器变阻式传感器电位计电位计0UiU0xl电位计空载输出电压电位计空载输出电压当电位计结构及电源电压确定后，理想线性电位计KR和KU为常数，因此线性电位计输出电压与电刷位移或转角成呈线性关系。湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院动手做一做如何变成传感器?一个具体的工程实例:请将电位器接入实际身高测量应用中.湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院1.结构误差阶梯特性与阶梯误差（二工
8、程应用中存在的问题UmlU阶梯误差是一种原理误差，它限制了电位计的精度和分辩力。湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院U0UscV VRfRR0-R2.负载特性负载特性与负载误差湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院若使非线性误差(1020)R0lUm为电位计的负载系数湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院（三产品及应用某些电刷结构由于测量领域的由于测量领域的不同，电位器结构及不同，电位器结构及材料选择有所不同。材料选择有所不同。但是其基本结构是相但是其基本结构是相近的。电位器通常都近的。电位器通常都是由骨架、电阻元件是由骨架、电阻元件及活动电刷组成。常及活动电刷组成。常用的线绕式电位器
9、的用的线绕式电位器的电阻元件由金属电阻电阻元件由金属电阻丝绕成。丝绕成。湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院按制作方式：按制作方式：线绕电位器线绕电位器导电塑料电位器导电塑料电位器普通塑料基底普通塑料基底导电材料粉导电材料粉线绕电位器线绕电位器薄膜电位器薄膜电位器湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院( (四四) ) 变阻器式传感器的性能参数变阻器式传感器的性能参数: : 1) 1)线性线性( (或曲线的一致性或曲线的一致性); 4); 4)移动或旋转角度范围移动或旋转角度范围; ; 2) 2)分辨率分辨率; 5); 5)电阻温度系数电阻温度系数; ; 3) 3)整个电阻值的偏差整个电阻
10、值的偏差; 6); 6)寿命寿命(3)(3)变阻器式传感器的分类变阻器式传感器的分类按测量类型：按测量类型：单圈电位器单圈电位器多圈电位器多圈电位器直线滑动式电位器直线滑动式电位器湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院特点及应用优点结构简单,性能稳定,输出信号大,受外界条件影响小等优点缺点动态响应差,精度差,分辨率低湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院YCO-l50型压力传感器原理图湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院膜盒电位器式压力传感器原理图湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院电位器式加速度传感器示意图湖北工业大学机械学院湖北工业大学机
11、械学院电位计的技术指标技术参数直线型旋转型输入范围2mm8m1060圈分辨率50um0.22线性度0.002%0.1%FS最高频率3Hz额定功率0.150W总电阻20200k温度系数2010-6/100010-6/寿命108次循环湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院应用常用来测位移,压力,加速度.问题:前述的测身高装置如何改为测体重装置?湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院案例：重量的自动检测案例：重量的自动检测-配料设备配料设备比较重量设定原材料原材料原理：弹簧原理：弹簧-力力-位移位移 - -电位器电位器-电阻电阻湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院案例：煤气包储量检测案例：煤
12、气包储量检测煤气包煤气包钢丝钢丝原理：钢丝原理：钢丝-收线圈数收线圈数 - -电位器电位器 - -电阻电阻湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院案例：玩具机器人广州中鸣数码案例：玩具机器人广州中鸣数码 ）原理：电机原理：电机-转角转角 - -电位器电位器 - -电阻电阻湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院变阻器式传感器产品变阻器式传感器产品湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院2 2 电阻应变式传感器电阻应变式传感器-应变片应变片 电阻应变片工作原理是基于金属导体的应变效电阻应变片工作原理是基于金属导体的应变效应，即金属导体在外力作用下发生机械变
13、形时，其应，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电阻值随着所受机械变形( (伸长或缩短伸长或缩短) )的变化而发的变化而发生变化象。生变化象。 湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院拉压湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院1) 1) 工作原理工作原理上述任何一个参数变换均会引起电阻变化上述任何一个参数变换均会引起电阻变化, ,求导数求导数金属应变片的电阻金属应变片的电阻R R为为代入代入湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院有：有：金属丝：金属丝：金属丝体积不变：金属丝体积不变：电阻丝轴向变形电阻丝轴向变形电阻丝材料的泊松比电阻丝材料的泊松比湖北工业大学机械学
14、院湖北工业大学机械学院有：有：其中其中与电阻丝轴向正应力与电阻丝轴向正应力有关，有关，为压阻系数，为压阻系数，E为弹性模量为弹性模量由电阻丝几何尺寸变化引起由电阻丝几何尺寸变化引起由电阻丝电阻率随应变的改变而引起由电阻丝电阻率随应变的改变而引起湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院对金属材料，近似看作导电率不变：金属丝应变片：金属丝应变片：电阻变化与应变成正比，电阻应变片灵敏度系数定义：Sg的范围在（1.74.0）湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院应变计金属应变计金属应变计湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院半导体应变计半导体应变计优点：灵敏度大优点：灵敏度大; ;体积小体积小;
15、;缺点：温度稳定性和可重复性不如金属应变片。缺点：温度稳定性和可重复性不如金属应变片。半导体应变片灵敏度半导体应变片灵敏度湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院3) 3) 应变片的主要参数应变片的主要参数 4 4其它表示应变计性能的参数工作温度、滞后、其它表示应变计性能的参数工作温度、滞后、 蠕变、零漂以及疲劳寿命、横向灵敏度等）。蠕变、零漂以及疲劳寿命、横向灵敏度等）。 1 1几何参数：表距几何参数：表距L L和丝栅宽度和丝栅宽度b b，制造厂常用，制造厂常用 b bL L表示。表示。2 2电阻值：应变计的原始电阻值。电阻值：应变计的原始电阻值。 (60,90,120,300,500,10
16、00) (60,90,120,300,500,1000) 3 3灵敏系数：表示应变计变换性能的重要参数。灵敏系数：表示应变计变换性能的重要参数。 湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院4) 4) 应变片的误差及补偿应变片的误差及补偿 l影响应变片精度的主要因素是温度影响应变片精度的主要因素是温度l 电阻值随温度的变化而改变；电阻值随温度的变化而改变；l 应变片与衬底材料的热膨胀系数不一样。应变片与衬底材料的热膨胀系数不一样。l应变片测量的另一误差来自应变片的大小和测应变片测量的另一误差来自应变片的大小和测点的位置点的位置湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院（2）温度补偿自补偿法和线路补偿
17、法）温度补偿自补偿法和线路补偿法）单丝自补偿应变片单丝自补偿应变片每一种材料的被测试件，其线膨胀系每一种材料的被测试件，其线膨胀系数都为确定值数都为确定值,选择应变片敏感栅材料，选择应变片敏感栅材料，使其电阻温度系数和线膨胀系数满足一定使其电阻温度系数和线膨胀系数满足一定条件，可实现温度自补偿。条件，可实现温度自补偿。双丝组合式自补偿应变片双丝组合式自补偿应变片两种不同电阻温度系数一种为正值，两种不同电阻温度系数一种为正值，一种为负值的材料串联组成敏感栅，两一种为负值的材料串联组成敏感栅，两段敏感栅，随温度变化而产生的电阻增量段敏感栅，随温度变化而产生的电阻增量大小相等，符号相反。大小相等，符
18、号相反。电路补偿法电路补偿法焊点RaRb湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院电路补偿法电路补偿法如图，电桥输出电压与桥臂参数的关系为如图，电桥输出电压与桥臂参数的关系为式式中中A由由桥桥臂臂电电阻阻和和电电源源电电压压决决定定的的常数。常数。USCR2R4R1R3U桥路补偿法由上式可知，当R3、R4为常数时，Rl和R2对输出电压的作用方向相反。利用这个基本特性可实现对温度的补偿，并且补偿效果较好，这是最常用的补偿方法之一。湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院测量应变时，使用两个应变片，一片贴在被测试件的表面，图中R1称为工作应变片。另一片贴在与被测试件材料相同的补偿块上，图中R2，称为
19、补偿应变片。在工作过程中补偿块不承受应变，仅随温度发生变形。由于R1与R2接入电桥相邻臂上，造成R1t与R2t相同，根据电桥理论可知，其输出电压USC与温度无关。当工作应变片感受应变时，电桥将产生相应输出电压。补偿应变片粘贴示意图R1R2湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院当被测试件不承受应变时，R1和R2处于同一温度场，调整电桥参数，可使电桥输出电压为零，即上式中可以选择R1=R2=R及R3=R4=R。当温度升高或降低时，若R1t=R2t，即两个应变片的热输出相等，可知电桥的输出电压为零。若有应变作用，只会引起电阻R1发生变化，R2不承受应变。电桥输出电压只与应变有关，与温度无关。湖北工
20、业大学机械学院湖北工业大学机械学院根据被测试件承受应变的情况，可以不另加专门的补偿块，而是将补偿片贴在被测试件上，这样既能起到温度补偿作用，又能提高输出的灵敏度，如图所示的贴法。R1R2FFR1R2（b）（a）F图(a)为一个梁受弯曲应变时，应变片R1和R2的变形方向相反，上面受拉，下面受压，应变绝对值相等，符号相反，将它们接入电桥的相邻臂后，可使输出电压增加一倍。当温度变化时，应变片R1和R2的阻值变化的符号相同，大小相等，电桥不产生输出，达到了补偿的目的。构件受弯曲应力构件受单向应力湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院(b)图是受单向应力的构件，将工作应变片R2的轴线顺着应变方向，补偿
21、应变片R1的轴线和应变方向垂直，R1和R2接入电桥相邻臂，其输出为FFR1R2（b）湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院电阻应变片的选择、粘贴技术电阻应变片的选择、粘贴技术1.1.目测电阻应变片有无折痕目测电阻应变片有无折痕. .断丝等断丝等 缺陷，有缺陷的应变片不能粘贴。缺陷，有缺陷的应变片不能粘贴。2.2.用数字万用表测量应变片电阻值大用数字万用表测量应变片电阻值大 小。同一电桥中各应变片之间阻值小。同一电桥中各应变片之间阻值 相差不得大于相差不得大于0.50.5欧姆欧姆. .3.3.试件表面处理：贴片处置用细纱纸打磨干净，用试件表面处理：贴片处置用细纱纸打磨干净，用 酒精棉球反复擦洗
22、贴处，直到棉球无黑迹为止。酒精棉球反复擦洗贴处，直到棉球无黑迹为止。4.4.应变片粘贴应变片粘贴: :在应变片基底上挤一小滴在应变片基底上挤一小滴502502胶水，胶水， 轻轻涂抹均匀，立即放在应变贴片位置。轻轻涂抹均匀，立即放在应变贴片位置。湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院5.5.焊线焊线: :用电烙铁将应变片的引线焊接到导引线上。用电烙铁将应变片的引线焊接到导引线上。6.6.用兆欧表检查应变片与试件之间的绝缘组织，应用兆欧表检查应变片与试件之间的绝缘组织，应 大于大于500M500M欧。欧。7.7.应变片保护：用应变片保护：用704704硅橡胶覆于应变片上，防止硅橡胶覆于应变片上，
23、防止 受潮。受潮。湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院应变片的粘贴：应变片的粘贴：1.去污：采用去污：采用手持砂轮工具除去手持砂轮工具除去构件表面的油污、构件表面的油污、漆、锈斑等，并用漆、锈斑等，并用细纱布交叉打磨出细纱布交叉打磨出细纹以增加粘贴力细纹以增加粘贴力，用浸有酒精或丙，用浸有酒精或丙酮的纱布片或脱脂酮的纱布片或脱脂棉球擦洗。棉球擦洗。湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院2.贴片：在应贴片：在应变片的表面和处理变片的表面和处理过的粘贴表面上，过的粘贴表面上，各涂一层均匀的粘各涂一层均匀的粘贴胶贴胶，用镊子将，用镊子将应变片放上去，并应变片放上去，并调好位置，然后盖调好位置，
24、然后盖上塑料薄膜，用手上塑料薄膜，用手指揉和滚压，排出指揉和滚压，排出下面的气泡下面的气泡。湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院3.丈量丈量：从分开的端子从分开的端子处，预先用万处，预先用万用表测量应变用表测量应变片的电阻，发片的电阻，发现端子折断和现端子折断和坏的应变片。坏的应变片。湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院4.焊接：焊接：将引线将引线和端子用烙铁焊和端子用烙铁焊接起来，注意不接起来，注意不要把端子扯断。要把端子扯断。湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院5.固定：固定：焊接后用胶焊接后用胶布将引线和布将引线和被测对象固被测对象固定在一起，定在一起，防止损坏引防止损坏引线
25、和应变片。线和应变片。湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院3) 3) 应变片测量电路应变片测量电路VUR1R2R4R3湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院令：令：金属丝应变片：金属丝应变片：USCUSC与应变成线形关系，可以用电桥测量电压测量应与应变成线形关系，可以用电桥测量电压测量应变变湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院R2R3R1R4U0电桥线路原理图RgacdIgbUSCI1I2电桥平衡公式：湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院设R1为应变片的阻值，工作时R1有一增量R，当为拉伸应变时，R为正；压缩应变时，R为负。在上式中以R1+R代替R1，那么设电桥各臂均有相应的电阻
26、增量R1，R2，R3，R4时在实际使用时，一般多采用等臂电桥或对称电桥。湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院 1 1、等臂电桥、等臂电桥当当R1=R2=R3=R4=RR1=R2=R3=R4=R时，称为等臂电桥。时，称为等臂电桥。此时电桥输出可写为此时电桥输出可写为 一一般般情情况况下下，RiRii=1i=1，2 2，3 3，4 4很很小小，即即RRiRRi，略略去去上上式式中中的的高高阶阶微微量量，并并利利用用 式得到式得到 湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院当RiR时，输出电压Ug与应变间呈线性关系。若假定不成立，则按线性关系刻度的仪表用来测量必然带来非线性误差。湖北工业大学机械学
27、院湖北工业大学机械学院2 2、第一对称电桥、第一对称电桥 若若电电桥桥桥桥臂臂两两两两相相等等，即即R1=R2=RR1=R2=R，R3=R4=RR3=R4=R，则则称称它它为为第第一一对对称称电电桥桥，其其实实质质上上是是半半等等臂臂电电桥桥。设设R1R1有有一一增增量量RR，电电桥桥的的输输出出电压为电压为UscR2=RR3=RR1=RR4=RU第一对称电桥bacd湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院FFR1R2半桥1)相邻臂a)相邻臂：补偿应变片b)相邻臂：极性相反应变片R1R2F湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院半桥2)相对臂FFR1R3湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院
28、全桥R1R3R1，R3FR2，R4R1R3R1，R3FR2，R4湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院对不同结构的应变式传感器，由于弹性元件上粘贴的应变片数量和方式不同，构成等臂电桥时，在相同载荷下电桥输出电压大小不一样。桥臂系数决定了电桥的输出灵敏度湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院电桥的非线性误差湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院四、应变效应的应用四、应变效应的应用 应变效应的应用十分广泛。它可以测量应变应应变效应的应用十分广泛。它可以测量应变应力、弯矩、扭矩、加速度、位移等物理量。力、弯矩、扭矩、加速度、位移等物理量。电阻应变片的应用可分为两大类：电阻应变片的应用可分为两大
29、类：第一类是将应变片粘贴于某些弹性体上，并将其接第一类是将应变片粘贴于某些弹性体上，并将其接到测量转换电路，这样就构成测量各种物理量的专到测量转换电路，这样就构成测量各种物理量的专用应变式传感器。应变式传感器中，敏感元件一般用应变式传感器。应变式传感器中，敏感元件一般为各种弹性体，传感元件就是应变片，测量转换电为各种弹性体，传感元件就是应变片，测量转换电路一般为桥路；路一般为桥路；第二类是将应变片贴于被测试件上，然后将其接到第二类是将应变片贴于被测试件上，然后将其接到应变仪上就可直接从应变仪上读取被测试件的应变应变仪上就可直接从应变仪上读取被测试件的应变量。量。湖北工业大学机械学院湖北工业大学
30、机械学院电阻应变式传感器的应用：测力电阻应变式传感器的应用：测力湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院1 1、柱力式传感器、柱力式传感器 圆圆柱柱式式力力传传感感器器的的弹弹性性元元件件分分为为实实心心和和空空心心两两种。种。柱式力传感器-2+1截面积SFFF面积S-1+2b）a）在轴向布置一个或几个应变片，在圆周方向布置同样数目的应变片，后者取符号相反的横向应变，从而构成了差动对。由于应变片沿圆周方向分布，所以非轴向载荷分量被补偿，在与轴线任意夹角的方向，其应变为：1沿轴向的应变；弹性元件的泊松比。当=0时当=90时E：弹性元件的杨氏模量湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院 2 2、梁
31、力式传感器、梁力式传感器 等等强强度度梁梁弹弹性性元元件件是是一一种种特特殊殊形形式式的的悬悬臂臂梁梁。梁梁的的固固定定端端宽宽度度为为b0b0，自自由由端端宽宽度度为为b b，梁长为梁长为L L，粱厚为，粱厚为h h。LR1R3R2R4xFhb等强度梁弹性元件b0R4力F作用于梁端三角形顶点上，梁内各断面产生的应力相等，故在对L方向上粘贴应变片位置要求不严。横截面梁双空梁S形弹性元件湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院P（b）（a）应变式压力传感器3、应变式压力传感器应变式压力传感器测测量量气气体体或或液液体体压压力力的的薄薄板板式式传传感感器器，如如下下图图。当当气气体体或或液液体体压
32、压力力作作用用在在薄薄板板承承压压面面上上时时，薄薄板板变变形形，粘粘贴贴在在另另一一面面的的电电阻阻应应变变片片随随之之变变形形，并并改改变变阻阻值值。这这时时测测量量电电路路中中电电桥桥平平衡衡被被破破坏坏，产产生输出电压。生输出电压。圆形薄板固定形式：采用嵌固形式，如图a或与传感器外壳作成一体，如图(b)。应变片湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院 4 4、应变式加速度传感器、应变式加速度传感器由由端端部部固固定定并并带带有有惯惯性性质质量量块块m m的的悬悬臂臂梁梁及及贴贴在在梁梁根根部部的的应应变变片片、基基座座及及外外壳壳等等组组成成。是是一一种种惯惯性式传感器。性式传感器。
33、测测量量时时，根根据据所所测测振振动动体体加加速速度度的的方方向向，把把传传感感器器固固定定在在被被测测部部位位。当当被被测测点点的的加加速速度度沿沿图中箭头所示方向图中箭头所示方向L应变片质量块m弹簧片外壳基座a应变式加速度传感器时，固定在被测部位。当被测点的加速度沿图中箭头所示方向时，悬臂梁自由端受惯性力F=ma的作用，质量块向箭头a相反的方向相对于基座运动，使梁发生弯曲变形，应变片电阻也发生变化，产生输出信号，输出信号大小与加速度成正比。湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院六、应变式传感器举例六、应变式传感器举例（一应变式力传感器（一应变式力传感器湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械
34、学院1.柱筒式力传感器图所示为柱式、筒式力传感器,贴片在圆柱面上的位置及在桥路中的连接如图（c）、（d所示。纵向和横向各贴四片应变片，纵向对称的R1和R3串接,R2和R4串接,横向的R5和R7串接,R6和R8串接,并置于桥路对臂上以减小偏心载荷及弯矩的影响,横向贴片作温度补偿用。桥路输出电压湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院2.薄壁圆环式力传感器薄壁圆环式力传感器所所示示为为环环式式力力传传感感器器结结构构图图及及应应力力分分布布图图。A处处应应力力为为负负，B处处为为正正。对对R/h5的的小小曲曲率率圆圆环环,A、B两点处的应变为两点处的应变为湖
35、北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院h圆环厚度;b圆环宽度;E材料弹性模量。若A处内外环对称贴两片应变片，B处受拉或压应力将应变片接于电桥电路。输出电压为湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院3梁式力传感器梁式力传感器湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院4轮辐式力传感器轮辐式力传感器湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院（二）（二）应变式压力传感器应变式压力传感器1.膜膜片片式式压压力力传传感感器器,应应变变片片贴贴在在膜膜片片内内壁壁,在在压压力力p作作用用下下,距距离离圆圆心心x处处膜膜片片产产生生径径向向应应变变r和和切切向向应应变变t,表达式分别为表达式分别为:p膜片上均匀分
36、布的压力;R,h膜片的半径和厚度;x离圆心的径向距离。湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院膜片弹性元件承受压力p时,其应变变化曲线的特点为:在平膜片圆心处切向粘贴R1、R4两个应变片,在边缘处沿径向粘贴R2、R3两个应变片,然后接成全桥测量电路。输出电压为：湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院2筒式压力传感器筒式压力传感器湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院3组合式压力传感器组合式压力传感器湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院（三）应变式加速度传感器测量时,将传感器壳体与被测对象刚性连接。湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院应变片加速度传感器不适用于频率较高的振动和冲击,一
37、般适用频率为1060Hz范围。湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院案例：桥梁固有频率测量案例：桥梁固有频率测量湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院标准产品标准产品湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院案例：电子称案例：电子称原理将物品重量通过悬臂梁转化结构变形再通过应变片转化为电量输出。湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院案例：冲床生产记数案例：冲床生产记数 和生产过程监测和生产过程监测湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院案例：机器人握力测量案例：机器人握力测量湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院案例：振动式地音入侵探测器案例：振动式地音入侵探测器适合于金库、仓库、古建筑
38、的防范，挖墙、打洞、爆破等破坏行为均可及时发现。湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院应变式力传感器应变式力传感器 应变式力传感器应变式力传感器FFFF湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院各种悬臂梁各种悬臂梁湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院各种悬臂梁各种悬臂梁FF固定点固定点固定点固定点电缆湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院应变片在悬臂梁上的粘贴及变形应变片在悬臂梁上的粘贴及变形湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院应变式荷重传感器的外形应变式荷重传感器的外形及应变片的粘贴位置及应变片的粘贴位置FR1R2 R4湖北工业大学机械学院湖
39、北工业大学机械学院应变式荷重传感器外形及受力位置续）应变式荷重传感器外形及受力位置续）FF湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院荷重传感器原理演示荷重传感器原理演示荷重传感荷重传感器上的应变器上的应变片在重力作片在重力作用下产生变用下产生变形。轴向变形。轴向变短，径向变短，径向变长。长。湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院汽车衡以下参考北京远亚兴业商贸有限公汽车衡以下参考北京远亚兴业商贸有限公司资料司资料）湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院汽车衡称重系统汽车衡称重系统湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院荷重传感器计算公式荷重传感器计算公式
40、 当当KF为常数时，桥路所加的激励源电为常数时，桥路所加的激励源电压压Ui越高，满量程输出电压越高，满量程输出电压Uom也越高。也越高。考虑：综合考虑灵敏度与功耗发热，考虑：综合考虑灵敏度与功耗发热，Ui的取值范围多少为好？的取值范围多少为好？湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院荷重传感器应用估算荷重传感器应用估算 例例2-2现现用用荷荷重重传传感感器器称称重重。当当桥桥路路电电压压为为6V时时，测测得得桥桥路路的的输输出出电电压压为为24mV，求求被被测测荷荷重重为为多多少少吨吨?解解:从从荷荷重重传传感感器器铭铭牌牌上上得得到到Fm=100 103N，KF=2mV/V，根据式，根据式2
41、-5得得Uom=24mV。被测荷重。被测荷重湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院荷重传感器应用估算荷重传感器应用估算 在上面介绍过的汽车衡示意图中，共使用了在上面介绍过的汽车衡示意图中，共使用了4个荷重传感个荷重传感器，量程器，量程Fm=20t，灵敏度灵敏度KF=2.5mV/V，使用，使用4个独立的桥个独立的桥路电源，每一个电源电压均相等，路电源，每一个电源电压均相等，Ui=12V，四个荷重传感，四个荷重传感器的输出串联，总的输出电压器的输出串联，总的输出电压Uo=24mV，请估算汽车的质请估算汽车的质量。量。汽车在钢板上有少许的前、后、左、右偏位，是否会影汽车在钢板上有少许的前、后、左、
42、右偏位，是否会影响测量结果？为什么？响测量结果？为什么？湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院荷重传感器用于构件的荷重传感器用于构件的称重称重 荷重传感器荷重传感器（共（共3个，个，120度分布，度分布，以达到均衡目的，另以达到均衡目的，另两个未拍出）两个未拍出）底座底座垫块垫块电缆电缆湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院电子秤电子秤 磅秤磅秤超市打印秤超市打印秤远距离远距离显示显示湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院电子天平电子天平电子天平的精度电子天平的精度可达十万分之一可达十万分之一湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院人体秤人体秤 湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院吊
43、钩秤吊钩秤 便携式便携式湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院应变式数显扭矩扳手应变式数显扭矩扳手可用于汽车、摩托车、飞机、内燃机、机械可用于汽车、摩托车、飞机、内燃机、机械制造和家用电器等领域，准确控制紧固螺纹的制造和家用电器等领域，准确控制紧固螺纹的装配扭矩。量程装配扭矩。量程2500N.m，耗电量，耗电量10mA，有公制有公制/英制单位转换、峰值保持、自动断电英制单位转换、峰值保持、自动断电等功能。等功能。湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院压阻式固态压力传感器压阻式固态压力传感器利用扩散工艺制作的四个半导体应变电利用扩散工艺制作的四个半导体应变电阻处于同一硅片上，工艺一致性好，灵
44、敏度阻处于同一硅片上，工艺一致性好，灵敏度相等，漂移抵消，迟滞、蠕变非常小，动态相等，漂移抵消，迟滞、蠕变非常小，动态响应快。响应快。隔离、承压膜片可隔离、承压膜片可以将腐蚀性的气体、以将腐蚀性的气体、液体与硅膜片液体与硅膜片隔离隔离开来。开来。湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院压阻式固态压阻式固态压力传感器压力传感器内部结构内部结构信号处理电路信号处理电路湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院小型压阻式固态压力传感器小型压阻式固态压力传感器高压进气口高压进气口低压进气口低压进气口绝对压力传感器绝对压力传感器湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院小型压阻式固态压力传感器续）小型压阻式
45、固态压力传感器续）呼吸、透析和注射泵设备中用的压力传感器呼吸、透析和注射泵设备中用的压力传感器p1进气管进气管p2进气管进气管固态压力固态压力传感器传感器湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院小型压阻式固态压力传感器续）小型压阻式固态压力传感器续）表压压力传感器表压压力传感器p1进气管进气管湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院投入式液位计投入式液位计压阻式固态压力传感器用于投入式液位计：压阻式固态压力传感器用于投入式液位计：p1的进气孔用柔性不锈钢隔离膜片隔离，并用的进气孔用柔性不锈钢隔离膜片隔离，并用硅油传导压力而与液体相通。硅油传导压力而与液体相通。湖北工业大学机械学院湖北工业大学机
46、械学院投入式液位计外形续）投入式液位计外形续）压阻式压阻式固态压力固态压力传感器传感器光柱光柱显示器显示器橡胶橡胶背压管背压管湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院投入式液位传感器投入式液位传感器投入式液位传感器投入式液位传感器安装方便，适应于深度安装方便，适应于深度为为几米几米至至几十米，且混几十米，且混有有大大量量污物、杂质的水污物、杂质的水或其他液体的液位测量。或其他液体的液位测量。湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院投入式液位计液位的计算：投入式液位计液位的计算：安装高度安装高度h0处水的表压处水的表压p1= gh1h=h0+h1=h0+p1/（g）例：液位计安装高度为例：液位计
47、安装高度为1m，测得压力，测得压力为为98kPa，求水的深度。，求水的深度。湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院电阻应变仪电阻应变仪下图所示的静态应变仪测量范围：下图所示的静态应变仪测量范围：20199；分辨率：分辨率：1；电桥电压：直流；电桥电压：直流2.5V；应变片：应变片：120或其他阻值；或其他阻值；测量点数：测量点数：8/16点；点；湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院电阻应变仪续）电阻应变仪续）右图所示的静动态右图所示的静动态应变仪技术指标：应变仪技术指标：量程：量程：110000频率范围：频率范围：0-150kHz平衡方式：手动平衡方式：手动精度：精度：0.3%零点飘移：零点飘移：-/：0.1-/24小时：小时：0.5灵敏度变化：灵敏度变化：-/：0.05%-/24小时：小时：0.3%信噪比：信噪比：52dB（参考东方振动和噪声技术研究所资料）（参考东方振动和噪声技术研究所资料）湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院电阻应变仪续）电阻应变仪续）接线端子接线端子湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院与计算机接口的多路电阻应变测量模块与计算机接口的多路电阻应变测量模块湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院材料应变的测量材料应变的测量斜拉桥上的斜拉斜拉桥上的斜拉绳应变测试绳应变测试
