第三章 传感器中的弹性元件
第三章 传感器
第三章常用的传感器§3.1传感器的分类一、传感器的定义通俗的讲，传感器就是将被测信息转换成某种信号的器件。
也就是将被测物理量转换成于之相对应的、容易检测、传输或处理的信号的装置，称之为传感器。
传感器通常直接作用于被测量。
传感器是对信号进行感受与传送的装置，它是测试装置的输入环节，因此传感器的性能直接影响着整个测试装置的工作可靠性。
近来，随着测量、控制及信息技术的发展，传感器作为这个领域内的一个重要构成因素，被视为90年代的重要技术之一受到了普遍的重视。
深入研究传感器的原理和应用，研制新型传感器，对于社会生产、科学技术和日常生活中的自动测量和自动控制的发展，以及在科学技术领域里实现现代化都有重要意义。
二、传感器的组成传感器一般由敏感元件、传感元件和测量电路三个主要部分组成，有时还加上辅助电源。
通常可用图表示如下：图4-1 传感器的组成由于其用途的不同或是结构原理的不同，其繁简程度相差很大。
因此，传感器的组成将依不同情况而有差异。
敏感元件——传感器的核心，它直接感受被测量（一般为非电量）并转换成信号形成，即输出与被测量成确定关系的其它量的元件，如膜片、热电偶，波纹管等。
传感元件——又称变换器，是传感器的重要组成部分。
传感元件可以直接感受被测量（一般为非电量）而输出与被测量成确定关系的电量。
如热电偶和热敏电阻等。
传感元件也可以不只感受被测量，而只是感受与被测两或确定关系的其它非电量；如应变式压力传感器的电阻片，并不直接感受压力，只是感受与被测压力成确定关系的应变，然后输出电量，在多数情况下，使用的就是这种传感元件。
测量电路——能把传感元件输出的电信号转换为便于显示、记录、控制和处理的有用电信号的电路。
测量电路视传感元件的类型而定。
三、传感器的分类在生产和科研中应用的传感器种类很多，一种被测量有时可以用集中传感器来测量，用一种传感器往往可以测量多种物理量。
为了对传感器有一个概括的认识，对传感器进行研究是很必要的。
第3章：电阻应变传感器汇总
第一节 弹性敏感元件
• （1）等截面圆柱式
•
等截面圆柱式弹性敏感元件，根据截面形状可分
为实心圆截面形状及空心圆截面形状等，如图3.3（a）、
图3.3（b）所示。它们结构简单，可承受较大的载荷，
便于加工。实心圆柱形的可测量大于10kN的力，而空
心圆柱形的只能测量l ~ 10kN的力。
• （2）圆环式
第三章 电阻应变式传感器
第一节 弹性敏感元件 第二节 电阻应变片 第三节 基本测量电路——电桥电路 第四节 电阻应变片传感器的应用
学习要求
1、掌握电阻应变片的工作原理 2、掌握电阻应变式传感器的检测方法 3、熟悉不同种类直流电桥的输出特点 4、熟悉电阻应变式传感器的典型应用 5、学习和掌握电阻应变传感器的创新应用
量度，一般用k表示
k dF dx
F——作用在弹性元件上的外力； X——弹性元件产生的变形。
K dx dF
第一节 弹性敏感元件
• 2. 灵敏度 灵敏度是指弹性敏感元件在单位力作
用下产生变形的大小，在弹性力学中称 为弹性元件的柔度。它是刚度的倒数， 用K表示
K dx dF
第一节 弹性敏感元件
• 3. 弹性滞后 实际的弹性元件在加／卸载的正反行程中
第一节 弹性敏感元件
引例：
力敏感元件
转换元件
显示设备
图2.2 力传感器的测量示意图
第一节 弹性敏感元件
1、 弹性敏感元件 原理：作用在弹性敏感元件上的力或
压力，引起弹性敏感元件的变形转换成 了应变或位移，然后再由传感器将应变 或位移转换成电信号。
第一节 弹性敏感元件
• 1.1 弹性敏感元件的特征 1. 刚度 弹性元件在外力作用下变形大小的
传感器的核心部件——弹性敏感元件
3、频率响应特性极好。压力传感器一般电阻应变计响应时间为 0.01MS，半导体应变计 可达到 0.001MS 如能在弹性原件上采取措施则由他们构成的应变式传感器可测几十千赫甚 至上百千赫的动态过程。
传感器的核心பைடு நூலகம்件——弹性敏感元件
弹性敏感元件是传感器的核心部件，要求弹性元件弹性储能高，通常表示为弹性材料储 存变形功而不发生永久变形的能力。压力传感器具有良好的机械加工和热处理性能，具有较 强的抗压强度。受温度影响小等特性，正确选择弹性敏感原件及应变计桥路是提高应变式传 感器的重要途径：
1、测量范围光精度高，测力传感器可测 0.01--1000000N 的力，精度可达到 0.05%FS 以上；压力传感器可测 0.1-1000000 的压力，精度可达到 0.1%FS。
第3章 力传感器知识
汽车衡
汽车衡（以下参考北京远亚兴业商贸有限公司资料 ）
汽车衡称重系统
荷重传感器计算公式
Uo
F Fm
U om
KFUi Fm
F
当KF 为常数时，桥路所加的激励源电压 Ui 越高，满量程输出电压Uom也越高。
思考：综合考虑灵敏度与功耗发热， Ui 的取值范围多少为好？
平膜片加工制成具有环状同心波纹的圆形薄膜，这 就是波纹膜片。
波纹管膜片波纹的形状
（4）薄壁圆筒 薄壁圆筒的壁厚一般小于圆筒直径的二十分
之一。 薄壁圆筒弹性敏感元件的灵敏度取决于圆筒
的半径和壁厚，与圆筒长度无关。
薄壁圆筒弹性敏感元件的结构
3.2 电阻应变片传感器
电阻应变片的分类
电阻应变片主要分为金属电阻应变片和半导体 应变片两类。
单臂电桥
全桥四臂工 作方式的灵敏 度最高，双臂 半桥次之，单 臂半桥灵敏度 最低。
双臂电桥
R1、 R2为应变片， R3、R4为固定电阻 。 应变片R1 、R2 感受
到的应变1~2以及
产生的电阻增量正 负号相间，可以使 输出电压Uo成倍地 增大。
四臂全桥
全桥的四个桥臂都为应变片， 如果设法使试件受力后，应变片 R1 ~ R4产生的电阻增量（或感受
6 103 24
12.5103 N 1.3t
荷重传感器应用估算
Uo
F Fm
U om
KFUi Fm
F
在上面介绍过的汽车衡示意图中，共使用了4
个荷重传感器，量程Fm =20t， 灵敏度KF =2.5mV/V， 使用4个独立的桥路电源，每一个电源电压均相等，
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式中: Rt——温度为t时的电阻值； R0——温度为t0时的电阻值； α0——温度为t0时金属丝的电阻温度系数； Δt——温度变化值，Δt=t-t0
当温度变化Δt时，电阻丝电阻的变化值为：
ΔRα=Rt-R0=R0α0Δt
2)
当试件与电阻丝材料的线膨胀系数相同时：环境温度变 化不会产生附加变形。
当试件与电阻丝材料的线膨胀系数不同时：环境温度变 化，电阻丝会产生附加变形，从而产生附加电阻变化。
g
l l0
(g
s )t
R K0R0 K0R0(g s )t
由于温度变化而引起的应变片总电阻相对变化量为
Rt R R
R0
R0
0t K0(g s)t
[ 0 K 0 ( g s )]t
结论：因环境温度变化而引起的附加电阻的相对变化量， 除了与环境温度有关外，还与应变片自身的性能参数（K0, α0, βs）以及被测试件线膨胀系数βg有关。
第3章 应变式传感器
3.1 3.2 3.3 电阻应变片的测量电路 3.4 应变式传感器的应用
3.1 工作原理
• 应变
– 物体在外部压力或拉力作用下发生形变的现象
• 弹性应变
– 当外力去除后，物体能够完全恢复其尺寸和形状的 应变
• 弹性元件
– 具有弹性应变特性的物体
应变式传感器概述
• 是利用电阻应变片将应变转换为电阻值变化的传感器 • 工作原理：
测量原理：在外力作用下，被测对象产生微小机械
变形，应变片随着发生相同的变化， 同时应变片电阻
值也发生相应变化。当测得应变片电阻值变化量为ΔR
时，便可得到被测对象的应变值， 根据应力与应变的
关系，得到应力值σ为
dR K R
(完整版)传感器课后答案解析
第1章概述1.什么是传感器？传感器定义为能够感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件和装置，通常由敏感元件和转换元件组成。
1.2传感器的共性是什么？传感器的共性就是利用物理规律或物质的物理、化学、生物特性，将非电量（如位移、速度、加速度、力等）输入转换成电量（电压、电流、电容、电阻等）输出。
1.3传感器由哪几部分组成的？由敏感元件和转换元件组成基本组成部分，另外还有信号调理电路和辅助电源电路。
1.4传感器如何进行分类？（1）按传感器的输入量分类，分为位移传感器、速度传感器、温度传感器、湿度传感器、压力传感器等。
（2）按传感器的输出量进行分类，分为模拟式和数字式传感器两类。
（3）按传感器工作原理分类，可以分为电阻式传感器、电容式传感器、电感式传感器、压电式传感器、磁敏式传感器、热电式传感器、光电式传感器等。
（4）按传感器的基本效应分类，可分为物理传感器、化学传感器、生物传感器。
（5）按传感器的能量关系进行分类，分为能量变换型和能量控制型传感器。
（6）按传感器所蕴含的技术特征进行分类，可分为普通型和新型传感器。
1.5传感器技术的发展趋势有哪些？（1）开展基础理论研究（2）传感器的集成化（3）传感器的智能化（4）传感器的网络化（5）传感器的微型化1.6改善传感器性能的技术途径有哪些？（1）差动技术（2）平均技术（3）补偿与修正技术(4)屏蔽、隔离与干扰抑制 (5)稳定性处理第2章传感器的基本特性2.1什么是传感器的静态特性？描述传感器静态特性的主要指标有哪些？答：传感器的静态特性是指在被测量的各个值处于稳定状态时，输出量和输入量之间的关系。
主要的性能指标主要有线性度、灵敏度、迟滞、重复性、精度、分辨率、零点漂移、温度漂移。
2.2传感器输入-输出特性的线性化有什么意义？如何实现其线性化？答：传感器的线性化有助于简化传感器的理论分析、数据处理、制作标定和测试。
常用的线性化方法是：切线或割线拟合，过零旋转拟合，端点平移来近似，多数情况下用最小二乘法来求出拟合直线。
检测与传感第三章(3)
全桥差动
Uo E KU E R1 R1
有非线性误差
无非线性误差；电桥 电压灵敏度是单臂工 作时的两倍；
无非线性误差；电 压灵敏度为单臂工 作时的4倍；
3.4.2 交流电桥 实际中，交流电桥的应用也非常广泛。
图 交 流 电 桥 一 般 形 式
U为交流电压源， 由于供桥电源为交流电源，引线分布电容使得 二桥臂应变片呈现复阻抗特性，即相当于并联一个电容。
应变式数显扭矩扳手
第三章 习题
3-1 什么是应变效应？什么是压阻效应？利用应变效应和压阻效应解 释金属电阻应变片和半导体应变片的工作原理。
答：金属材料在受到外力作用时，产生机械变形，导致其阻值发生 变化的现象叫金属材料的应变效应；半导体材料在受到应力作用后， 其电阻率发生明显变化，这种现象称为压阻效应。 d
R1 R1 0.2 120 0.17%
(2) 若将电阻应变片置于单臂测量桥路中，则
U0 E R1 3 0.0017 1.25mV 4 R1 4
R1 2 R1 非线性误差： l 0.085% R1 1 2 R1 （3）若要减小非线性误差，可采用半桥或全桥差动电路。 半桥差动电路的输出电压是单臂测量的两倍2.5mV，非线性误 差为0； 全桥差动电路的输出电压是单臂测量的四倍5mV ，非线性误 差也为0。
检测与传感技术
上节内容复习
3. 应变式传感器
1. 弹性敏感元件的基本特性 刚度（C） & 灵敏度（S） 2. 应变片的特性 （1）应变片电阻值 （3）横向效应 （2）应变片的灵敏系数K （4）绝缘电阻和最大工作电流 电阻温度系数的影响 试件材料和电阻丝材料的线膨胀系数的影响
Rt R R R0 R0 0 t K 0 ( g s ) t [ 0 K 0 ( g s )]t
传感器第3章1应变式
第 3 章 电阻式传感器
（二）金属的电阻应变特性
当金属丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻值将发生
变化，这种效应称为电阻应变效应。
设有一段长为l，截面积为A，电阻率为ρ的导体(如金属
丝)
R l
A
当它受到轴向力F而被拉伸(或压缩)时，其l、A和ρ均发生
1.灵敏系数K 当具有初始电阻值R的应变计粘贴于试件表面时，试件受力 引起的表面应变，将传递给应变计的敏感栅，使其产生电 阻相对变化△R/R 。实验证明，在一定的应变范围内，有 下列关系：
R/RKxKR /R x
第 3 章 电阻式传感器
必须指出，应变计的灵敏系数并不等于其敏感栅整长应变 丝的灵敏系数K’，一般情况下，K＜K’。这是因为，在单向 应 力产生双向应变的情况下，K除受到敏感栅结构形状、成型 工艺、粘结剂和基底性能的影响外，尤其受到栅端圆弧部分 横向效应的影响。应变计的灵敏系数直接关系到应变测量的 精度。因此,K值通常采用从批量生产中每批抽样，在规定条 件下通过实测确定—— 即应变计的标定。故又称K标定灵敏 系数。上述规定条件是： ①试件材料取泊松比μ=0.285的钢； ②试件单向受力； ③应变计轴向与主应力方向一致。
31电阻应变式传感器构成原理及信号变换原理311电阻应变式传感器的构成原理弹性敏感元件应变片测量电路被测非电量x应力应变挠度y电阻变化riu电压电流辅助电源供电供电312信号变换原理被测非电量x弹性敏感元件一定关系x应力应变挠度电压u变化量y一定关系r电阻变化测量电路一定关系电流i用符号表示为反映yriu313电阻应变式传感器的特点1理论技术成熟得到广泛应用于各个领域是测试和控制的主要方法2结构简单尺寸小使用方便性能稳定可靠3可实现过程中的自动化和多点同步测量及遥测4灵敏度较高测量速度快适合静动态测量5分辨力高能测出极小的应变