第2章 能量控制型传感器

2.2 电容式传感器
2.2.1 电容式传感器的原理及结构 由物理学可知，两个平行金属极板组成的电容，如果不考虑其边 缘效应，其电容值为
1.变极距式电容传感器 如图2-16a所示，变极距式电容传感器的 位移是由被测量变化而产生的。 ΔC=εA/d－Δd－εA/d=εA/d Δd/d－Δd=C0Δd/d－Δd（2⁃11）
3.温度补偿 在外界温度变化的条件下，由于敏感栅温度系数(αt) 及栅丝与试件膨胀系数(βg、βs)的差异性而产生虚假应变输出时， 测量有时会产生与真实应变同数量级的误差，必须采取补偿温度
误差的措施。
图2-8 补偿块温度补偿示意图 1—试件 2—补偿块
2.1 电阻应变式传感器
(1)补偿块补偿法 采用惠斯顿电桥测量如图2-8所示试件上表面某 一点的应变时，可采用两片型号、初始电阻和灵敏度都相同的应 变片R1和R2，R1贴在试件的测试点上，R2(称为温度补偿片)贴在试
第2章 能量控制型传感器
第2章 能量控制型传感器
2.1 电阻应变式传感器
2.2 电容式传感器 2.3 电感式传感器
2.1 电阻应变式传感器
2.1.1 电阻应变效应 导体或半导体在外界力的作用下产生机械形变，其电阻值也随着 发生变化，这种现象称为电阻应变效应。下面我们以金属丝应变
片为例分析这种效应。 2.1.2 应变片结构类型与粘贴 1.应变片的结构类型 常用的应变片有金属应变片和半导体应变片 两类，金属应变片分为金属丝式、箔式和薄膜式三种；半导体应 变片分为体型、扩散型、薄膜型和PN结元件等类型，如图2-1所示。
2.1 电阻应变式传感器
应变片正常工作时需依附于弹性元件，可以通过两种形式实现应 变片的粘贴。一种是将应变片直接粘贴于压力⁃位移型弹性元件 （只有平膜片容易实现）的应变处，在弹性元件实现压力⁃位移变
换的同时，也实现了应变⁃电阻值的变换。另一种是粘贴在力⁃应 变型弹性元件表面，通过压力⁃位移型弹性元件实现压力⁃力的变 换，再通过粘贴有电阻应变片的力⁃应变型弹性元件实现力⁃应变⁃ 电阻值的转换。最后，把应变片接入测量电桥的桥臂，通过测量 电路把电阻值转换成电压或电流信号，送至显示仪表。电阻应变 式压力传感器结构原理框图如图2⁃3所示。
2.1 电阻应变式传感器
图2-3
电阻应变式压力传感器结构原理框图
1.力-应变型弹性元件 常用的力-应变型弹性元件有柱形弹性元件、 悬臂梁和薄壁环等。
2.1 电阻应变式传感器
图2-4 圆柱式测力传感器 a)圆柱外形 b)圆柱面展开图
2.1 电阻应变式传感器
(1)柱形弹性元件 此类弹性元件由于应变很小，测力量程较大， 尤其是实心圆柱在径向尺寸较大时，测力上限可达数千万牛顿， 常作为荷重式压力传感器的敏感元件。
2.1 电阻应变式传感器
3.应变式加速度传感器 应变式加速度传感器是一种惯性式传感器， 基本原理如图2-14所示。 小制作——数显电子秤
1.工作原理 数显电子秤电路原理如图2-15所示，其主要有三部分， 分别为电阻应变式传感器R1，由IC2、IC3组成的测量放大电路，IC 1及外围元件组成的数显面板表。
匀的胶水，然后将应变片贴在被测点上，并在应变片上覆盖一层 聚乙烯塑料薄膜并加压，将多余的胶水和气泡排出，加压时要注 意防止应变片错位。 (4)固化 根据所使用的黏合剂的固化工艺要求进行固化处理和时 效处理。 (5)粘贴质量检查 检查粘贴位臵是否合格，黏合层是否有气泡和 漏贴，敏感栅是否有短路或断路现象以及敏感栅的绝缘性能等。 (6)引线的焊接与防护 检查合格后即可焊接引线。 2.1.3 电阻应变式压力传感器的组成
2.1 电阻应变式传感器
图2-1 各种应变片结构图 a)金属丝式应变片 b)金属箔式应变片 c)体型半导体应变片 1—基片 2—Si片 3—引线
2.1 电阻应变式传感器
图2-2
金属丝式应变片结构示意图 1—引线 2—覆盖层 3—基片 4—敏感栅
2.1 电阻应变式传感器
2.应变片的粘贴 应变片是粘贴在弹性敏感元件或被测元件上的， 传感器的性能在很大程度上取决于粘贴质量，所以黏合剂的选择 要考虑基片的材料、工作环境、潮湿程度、稳定性、是否加温加
图2-16 变极距式电容传感器 a)变极距式 b)差动变极距式 1、3—固定极板 2—可动极板
2.2 电容式传感器
2.变面积式电容传感器 变面积式电容传感器与变极距式相比，测 量范围大，可测量较大的线位移或角位移。 ΔC=A′ε/d－Aε/d=ε(A′－A)/d=εΔA/d（2⁃12）
图2-17 变面积式电容传感器 a)平板平移式 b)半可调式 c)筒式 d)差动筒式 1、3—固定极板 2—可动极板
压以及粘贴时间等因素。 (1)试件的表面处理 为了保证良好的黏合度，粘贴表面应保持平 整、光滑，无杂质、油污及表面氧化层等。
2.1 电阻应变式传感器
(2)确定贴片位臵 在应变片上标出敏感栅的纵向、横向中心线， 在试件被测点处画出中心线，粘贴时使两者重合。 (3)粘贴 先在处理后的试件表面和应变片的基底各涂一层薄而均
在电阻应变式传感器中最常用的测量电路是桥式电路。按电源性 质不同，可分为直流电桥和交流电桥。按电桥桥臂电阻的工作方 式不同，可分为惠斯顿电桥、半桥和全桥。
图2-7 桥式测量电路 a)直流电桥 b)桥路的调零电路
2.1 电阻应变式传感器
(1)惠斯顿电桥 (2)半桥 (3)全桥 即电桥的四个桥臂都为应变片，此时电桥输出电压公式
2.1 电阻应变式传感器
金属丝式应变片由敏感栅、基底和覆盖层、黏结剂、引线组成， 如图2⁃2所示。其中敏感栅是应变片最重要的部分，一般栅丝直径 为0．015~0．05mm。敏感栅的纵向轴线称为应变片轴线，根据不
同用途，栅长可为0．2~200mm。基底和覆盖层用以保持敏感栅及 引线的几何形状和相对位臵，并将被测件上的应变迅速准确地传 递到敏感栅上。因此基底做得很薄，一般为0．02~0．4mm。覆盖 层起保护敏感栅作用。基底和覆盖层用专门的薄纸制成的称为纸 基，用各种黏结剂和有机树脂膜制成的称为胶基，现多采用后者。
图2-12 膜片式压力传感器 1—插座 2—膜片 3—应变片
2.1 电阻应变式传感器
图2-13 组合式压力传感器 a)波纹膜片与悬臂梁组合 b)波纹管与 悬臂梁组合 c)波纹膜盒与悬臂梁组合
2.1 电阻应变式传感器
图2-14 应变式加速度传感器 1—质量块 2—弹性元件 3—壳体及基座 4—应变片
2.2 电容式传感器
图2-19 电容式传感器的桥式电路 a)单臂接法 b)差分接法
2.运算放大器式电路 如图2-20所示，Cx为传感器电容，它跨接在 高增益运算放大器的输入端和输出端之间。
2.2 电容式传感器
图2-20 运算放大器式电路
3.调频电路 调频电路是将电容式传感器作为LC振荡器谐振回路
图2-11 筒式压力传感器 1—工作应变片 2—补偿应变片来自2.1 电阻应变式传感器
(2)膜片式压力传感器 如图2-12所示，它的敏感元件为圆形膜片， 应变片贴在膜片上。 (3)组合式压力传感器 如图2-13所示，它的压力-位移型弹性元件
为波纹膜片、膜盒或波纹管，而应变片粘贴在力-应变型弹性元件 悬臂梁上。
为式(2-5)或式(2-6)。 例2-2 将四片阻值为200Ω的应变片对称粘贴在等强度悬臂梁的上 下表面，与阻值为200Ω的固定电阻组成电桥电路，应变片灵敏度 K=2，桥路供电电压为5V，当应变片产生2×10－6ε应变时，试求惠 斯顿电桥、半桥以及全桥工作时的输出电压。 解：惠斯顿电桥：
2.1 电阻应变式传感器
2.1 电阻应变式传感器
(1)数显电子秤的制作 数显电子秤的形变钢件可用普通钢锯条制 作，其制作方法为：首先将锯齿打磨平整，再将锯条加热至微红， 趁热加工成“U”形，并在对应位臵钻孔，以便以后安装；然后再
将其加热至呈橙红色(七八百摄氏度)，迅速放入冷水中淬火，以提 高硬度和强度；最后进行表面处理工艺。 (2)数显电子秤的调试 准备1kg及2kg标准砝码各一个，调试过程 如下：首先在秤体自然下垂且无负载时调整RP1，使显示器准确显 示零；再调整RP2，使秤体承担满量程质量(本电路选满量程为2kg) 时显示满量程值；然后在秤钩下悬挂1kg的标准砝码，观察显示器 是否显示1.000，如有偏差，可调整RP3值，使之准确显示1.000(如 有调整，应重新进行前两步调试，使之均满足要求)；最后准确测 量RP2、RP3电阻值，并用固定精密电阻予以代替。
2.1 电阻应变式传感器
图2-9
半桥的温度补偿
2.1.4 电阻应变式传感器的应用
2.1 电阻应变式传感器
图2-10 应变式转矩传感器 a)半桥应变片粘贴图 b)全桥应变片粘贴图
1.应变式转矩传感器 测量转矩时，可以直接将应变片粘贴在被测 轴上，其原理如图2-10所示。
2.1 电阻应变式传感器
2.应变式压力传感器 应变式压力传感器主要用于液体、气体压力 的测量，测量压力的范围在104~107Pa之间。 (1)筒式压力传感器 如图2-11所示，通常用于测量较大的压力。
件的零应变处(图中试件的中线上)，或贴在补偿块上。 1)R1和R2是同规格的应变片，即它们的初始电阻值、电阻温度系 数α、线膨胀系数β和应变灵敏度K都相同。 2)粘贴补偿应变片的补偿块材料和粘贴工作应变片的试件材料必 须相同。 3)两应变片R1和R2处于同一温度场。 (2)桥路自补偿法 当测量桥路处于半桥和全桥工作方式时，与上 述补偿法的原理相似，应变片受温度影响产生的电阻变化量相同， 接在电桥相邻两臂上而相互抵消，达到桥路自补偿的目的。
2.2.2 电容式传感器的测量电路
2.2 电容式传感器
电容式传感器的电容值一般十分微小（几皮法至几十皮法），这 样微小的电容不便直接显示、记录或传输，因此，需要借助测量 电路将其转化为电压、电流或频率信号。电容式传感器的测量电
路种类很多，下面介绍一些常用的测量电路。 1.桥式电路 图2-19所示为桥式测量转换电路，其中图2-19a为单 臂接法的桥式测量电路，1MHz左右的高频电源经变压器接到电容 桥的一条对角线上，电容C1、C2、C3、Cx构成电桥的四臂，Cx为 电容传感器。 当Cx改变时，o不为0，桥路有输出电压。在图2⁃19b中，Cx1、Cx2 为传感器的两个差动电容，电桥的空载输出电压为