现代传感器应用技术

20102010 年年 1111 月月 选修课结课作业选修课结课作业 现代传感器应用技术现代传感器应用技术 学学 号 号 200820410034200820410034 学学生生姓姓名名 郭凯郭凯 学学 院院 材材 料料 科科 学学 与与 工工 程程 系系 别别 材材料料物物理理 专专 业业 材材料料物物理理 班班 级级 材材料料物物理理08 应变式加速度计 电阻式传感器是把位移 力 压力 加速度 扭矩等非电物理 量转换为电阻值变化的传感器 它主要包括电阻应变式传感器 电 位器式传感器和锰铜压阻传感器等 电阻式传感器与相应的测量电 路组成的测力 测压 称重 测位移 加速度 扭矩等测量仪表是 冶金 电力 交通 石化 商业 生物医学和国防等部门进行自动 称重 过程检测和实现生产过程自动化不可缺少的工具之一 电阻式传感器的结构 由电阻元件及电刷 活动触点 两个基本 部分组成 电刷相对于电阻元件的运动可以是直线运动 转动和螺 旋运动 因而可以将直线位移或角位移转换为与其成一定函数关系 的电阻或电压输出 电阻应变式传感器中的电阻应变片具有金属的 应变效应 即在外力作用下产生机械形变 从而使电阻值随之发生 相应的变化 电阻应变片主要有金属和半导体两类 金属应变片有 金属丝式 箔式 薄膜式之分 常用的电阻应变式传感器有应变式测力传感器 应变式压力传 感器 应变式扭矩传感器 应变式位移传感器 应变式加速度传感 器和测温应变计等 电阻应变式传感器的优点是精度高 测量范围 广 寿命长 结构简单 频响特性好 能在恶劣条件下工作 易于实 现小型化 整体化和品种多样化 等 它的缺点是对于大应变有较大 的非线性 输出信号较弱 但可采取一定的补偿措施 因此它广泛 应用于自动测试和控制技术中 应变式加速度计是电阻式传感器的一种 应变式加速度计根据电阻应变效应和振动系统惯性力的原理实 现信号的转换 对于电阻应变效应 这里不再详述 惯性式测振传 感器的原理 测量结构物某一点的 振动 往往很难找到一个相对不 动的基准点来安装仪器 因此就考虑设计这样一种仪器 其内部设 置一个 质量弹性系统 测振时 把它固定在被测物上 使仪器 的外壳与结构物仪器振动 直接测量的是质量块相对于外壳的振动 应变式加速度计是将电阻应变效应与系统惯性力原理良好的组合 在实际的测试工作中具有很好 的应用性 具有结构简单 低频特性 好等优点 但灵敏度相对较低 适用量程为 1g 2g 频率范围为 0 100Hz 与动态应变仪配套使用 电阻应变式加速度传感器如下图 1 质量块 2 应变粱 3 硅油阻尼液 4 应变片 5 温度补偿 电阻 6 绝缘套管 7 接线柱 8 电缆 9 压线板 10 壳体 11 保护块 其原理 由欧姆定律知 对于长为 截面积为 电阻率为 的导 体 其电阻 若 和 均发生变化 则其电阻也变化 对上式全微分 有 设半径为 的圆导体 代入上式 电阻的相对变化 为 因为 则 式中 导体的纵向应变 其数值一般很小 常以微应变 度量 1 10 6 材料泊桑比 一般金属 0 3 0 5 压阻系数 与材质有关 E 材料的弹性模量 上式中 表示几何尺寸变化而引起电阻的相对变化量 表示由于材料电阻率的变化而引起电阻的相对变化量 不同 属性的导体 这两项所占的比例相差很大 若定义导体产生单位纵 向应变时 电阻值相对变化量为导体的灵敏度系数 则 显然 SS愈大 单位纵向应变引起的电阻值相对变化愈大 说 明应变片愈灵敏 可用不同的导体材料制成应变片 目前主要有金 属电阻应变片和半导体应变片两类 应变片的基本结构及测量原理 应变片的基本结构 l 称为栅长 标距 b 称为栅宽 基宽 b l 称为应变片的使 用面积 应变片的规格 一般以使用面积和电阻 值表示 如 3 20mm2 120 结构简介 电阻丝应变片是用 直径为 0 025mm 具有高 电阻率的电阻丝制成的 为了获得高的阻值 将 电阻丝排列成栅状 称 为敏感栅 并粘贴在绝 缘的基底上 电阻丝的 两端焊接引线 敏感栅 上面粘贴有保护作用的 覆盖层 使用应变片测量应变或应力时 将应变片牢固地粘贴在弹性试 件上 当试件受力变形时 应变片电阻变化 R 如果应用测量电路 和仪器测出 R 根据式 2 6 可得弹性试件的应变值 而根 据应力 应变关系 E 2 7 可以得到被测应力值 其中 E 试件材料弹性模量 s 试件的 应力 e 试件的应变 通过弹性敏感元件的作用 可以将应变片 测应变的应用扩展到能引起弹性元件产生应变的各种非电量的测量 从而构成各种电阻应变式传感器 在这种传感器中 质量块支撑在弹性体上 弹性体上贴有应变片 如下图 测量时 在质量块的惯性力作用下 弹性体产生应变 应 变片把应变变为电阻值的变化 最后通过测量电路输出正比于加速 度的电信号 弹性体做成空心圆柱形以增加传感器的固有振动频率 和粘贴应变片的表面积 另一种结构形式为悬臂梁式 弹性振梁的 一端固定于外壳 一端装有质量块 应变片贴在振梁固定端附近的 上下表面上 振梁振动时 应变片感受应变 应变片可在测量电路 中接成差动桥式电路 应变片加速度计也适用于单方向 静态 测 量 用于振动测量时 最高测量频率取决于固有振动频率和阻尼比 测量频率可达 3500 赫 实例 FS SLC002 系列拉压式负荷传感器 一 产品概述 单柱式拉压两用型负荷传感器 虽然型面高度较一般的传感器 高 但这种单柱式结构可以做到大量程 传感器接线及安装较其他 传感器简单 由于采用非线性补偿技术使得传感器仍然满足高精度 的要求 是 10t 以上大量程拉压两用型负荷传感器的最佳选择 二 主要特点 拉压两用负荷传感器 测量精度高 稳定性好 10t 以上大量程拉压传感器的最佳选择 三 主要技术指标 量程 10t 20