傳感技術及智能傳感器的應用 課件 第四章 常用傳感器剖析

現(xiàn)代智能控制實用技術叢書

ModernintelligentcontrolpracticaltechnogySeries傳感技術及智能傳感器的應用傳感技術及智能傳感器的應用簡介

《現(xiàn)代智能控制實用技術叢書》共分為四本，其內容按照信號傳輸?shù)逆湕l編寫：

傳感器

調制與解調

傳感技術及智能傳感器的應用

智能控制技術的應用

本書系統(tǒng)地對信息傳輸與現(xiàn)代通信技術的密切關系、通信技術的發(fā)展簡史，現(xiàn)代通信技術的特點和發(fā)展趨勢進行了介紹；

簡述了世界通用的有線通信的載波技術、無線通信的微波接力通信的基本概念、基本原理，以及各類通信系統(tǒng)的組成、特點、優(yōu)勢、不足及適用領域。傳感技術及智能傳感器的應用簡介

本書還對現(xiàn)代通信技術的“高速公路”，即光導纖維通信、５Ｇ通信、衛(wèi)星通信系統(tǒng)技術，以及近距離小容量的通信手段———無線保真（ＷｉＦｉ）、藍牙和可見光通信技術進行原理、功能及應用的闡述。

對未來的通信技術，即量子通信技術的概況進行介紹，并預測量子通信技術將在計算機技術、通信傳輸技術、衛(wèi)星通信技術等方面應用的可期待前景。

本書可作為大專院?；蚋叩仍盒Ｖ悄芸刂祁愊嚓P專業(yè)的參考書籍，也可供從事智能控制信息的傳輸方面的設計、制造、應用領域工作的工程技術人員作為參考資料。

傳感技術及智能傳感器的應用叢書序

自動控制、智能控制、智慧控制是相對ＡＩ控制技術的普遍話題。在當今的生產、生活和科學實驗中具有重要的作用。

在控制技術中離不開將甲地的信息傳送到乙地，以便遠程監(jiān)測（遙測）、視頻顯示和數(shù)據(jù)記錄（遙信）、狀況或數(shù)據(jù)調節(jié)（遙調）和智能控制（遙控），統(tǒng)稱為智能控制的四遙工程。

信息是物理現(xiàn)象、過程或系統(tǒng)所固有的。信息本身不是物質，不具有能量，但信息的傳輸卻依靠物質和能量。

而信號則是信息的某種表現(xiàn)形式，是傳輸信息的載體。信號是物理性的，并且隨時間而變化，這是信號的本質所在。

在無線電通信中，電磁波信號承載著各種各樣的信息。所以信號是有能量的物質，它描述了物理量的變化過程，在數(shù)學上，信號可以表示為關于一個或幾個獨立變量的函數(shù)，也可以表示隨時間或空間變化的圖形。

傳感技術及智能傳感器的應用叢書序

實際的信號中往往包含著多種信息成分，其中有些是我們關心的有用信息，有些是我們不關心的噪聲或冗余信息。傳感器的作用就是把未知的被測信息轉化為可觀察的信號，提取所研究對象的有關信息，將原始信息轉換成信號。將有效信息轉換成便于傳輸?shù)男盘?，或將信號放大，或將較低頻率的原始信息“調制”到較高頻率的信號；滿足遠距離傳輸?shù)囊?，或將原始模擬信息處理為數(shù)字信號等。這就是智能控制發(fā)送部分的“職責”———信息的收集與調制。然后，將調制后的信號置于所選取的傳輸通道上進行傳輸，使調制后的信號傳輸至信宿端———乙地在乙地接收到經傳輸線路傳送來的信號后，然后進行調制器的反向操作“解調”。即將高頻信號或數(shù)字信號還原成原始信息。

傳感技術及智能傳感器的應用叢書序

原始信息通過揚聲器器（還原的音Ⅳ頻信號）、顯示器（還原的圖像或視頻信號）、打（還原的計算結果）或進行力學、電磁學、光學、聲學等轉換，對原始信息控制目的物進行作用，從而達到智能控制的目的。本套叢書就是對智能控制系統(tǒng)中各個環(huán)節(jié)的一些關鍵技術的原理、特性、基本計算公式和方法、基本結構的組成、各個部分參數(shù)的選取，以及主要應用場合及其優(yōu)勢和不足等問題進行討論和分析。本套叢書則沿著“有效信息的取得”、“有效信息的調制”、“調制信號的傳輸“、“調制信號的解調”以及“智能控制系統(tǒng)的舉例應用”這一線索展開，對比較典型的智能控制系統(tǒng)，應用于實踐的設計計算及控制的邏輯關系進行舉例論述。本套叢書雖然經歷了十多年的知識積累，但仍然覺得時間倉促，加之水平有限，錯誤與疏漏之處在所難免，懇請讀者批評指正。編撰者

蘇遵惠

傳感技術及智能傳感器的應用

叢書序

前言第一章傳感器概述第一節(jié)定義與作用第二節(jié)傳感器的工作原理第二章傳感器的發(fā)展歷史

第一節(jié)概述

第二節(jié)傳感器發(fā)展的四個階段

第三節(jié)

傳感器的發(fā)展

第四節(jié)

傳感器的發(fā)展趨勢第三章傳感器的分類第一節(jié)敏感元件的分類

第二節(jié)

傳感器從不同角度分類

第三節(jié)

通用傳感器簡介

第四節(jié)

傳感器的主要特性技術特點及選擇

第四章常用傳感器剖析第一節(jié)電阻式傳感器

第二節(jié)

電阻應變式傳感器第三節(jié)

半導體壓阻式傳感器第四節(jié)

電阻式應變柵傳感器第五節(jié)

常用傳感器應用實操

第六節(jié)

常用傳感器中的應變片第五章傳感器的典型應用

第一節(jié)光敏傳感器的應用

第二節(jié)熱敏傳感器的應用第六章傳感器在電動汽車上的應用

第一節(jié)防撞系統(tǒng)

第二節(jié)安全氣囊傳感器第三節(jié)

汽車雨量傳感器第四節(jié)

智能胎壓監(jiān)測系統(tǒng)第五節(jié)

純電動汽車遠程監(jiān)管和控制技術附錄附錄Ａ名詞術語及解釋附錄Ｂ相關技術標準參考文獻重點目錄

傳感技術與智能傳感器的應用正文第四章

常用傳感器剖析第一節(jié)

電阻式傳感器一、電阻式傳感器概述

（一）定義

將被測量轉換為電阻變化的傳感器稱為電阻式傳感器。是一種能量控制型傳感器。

（二）

特點

結構簡單、易于制造、價格便宜、性能穩(wěn)定、輸出功率大，應用廣泛。其組成結構圖如圖4-1所示。圖4-1電阻式傳感器的組成結構圖

傳感技術與智能傳感器的應用正文第四章

常用傳感器剖析第一節(jié)

電阻式傳感器二、電阻式傳感器工作原理

根據(jù)電工理論，導體的阻值由三個參數(shù)——電阻率（ρ）、長度（l）和截面積（A）,并按照以下公式變化。

電阻式傳感器又分為“電位器式傳感器”和“電阻應變式傳感器”。

三、電阻式傳感器的特點

（一）優(yōu)點

（1）

結構簡單、成本低廉、應用范圍廣；

（2）性能穩(wěn)定、輸出信號大、線性度較好。

（二）缺點

（1）大應變情況存在較大的非線性，輸出信號相對較弱；

（2）隨著時間和環(huán)境的變化，材料和器件性能發(fā)生變化，不適于長期監(jiān)測，時漂、溫漂較大，長期監(jiān)測可能無法取得真實有效的數(shù)據(jù)。

（3）易受到電場、磁場、振動、輻射、氣壓、聲壓、氣流等的影響。

傳感技術與智能傳感器的應用正文第四章

常用傳感器剖析第一節(jié)

電阻式傳感器。

三、電阻式傳感器的特點

（三）電位器式傳感器1、工作原理

電位器式傳感器又稱變阻式傳感器。為繞線式電位器如圖4-2所示。

在結構組成上有：直線位移型、角位移型和非線性型。

根據(jù)結構形式的不同，又分為繞線式、薄膜式、光電式等。

以繞線式變阻式傳感器為例，當滑臂觸點從一圈導線移動移動至下一圈時，電阻值的變化是臺階式的，使分辨率下降，故其分辨率決定于繞線間的密度。a)直線位移型b)角位移型

c)非線性型圖4-2電位器式傳感器

傳感技術與智能傳感器的應用正文第四章

常用傳感器剖析第一節(jié)

電阻式傳感器。

（三）電位器式傳感器2、電位器式傳感器的特點

優(yōu)點：結構簡單、工作穩(wěn)定、輸出信號大。

缺點：

①

因受到電阻絲直徑的限制，分辨率不高；

②

輸出電阻值為非連續(xù)數(shù)值，會產生一定誤差；

③

因電刷與電阻元件間接觸面的變動和摩擦磨損、塵埃及雜

物

的附著，會使電阻值發(fā)生不規(guī)則地變化，產生噪聲；

④

動態(tài)響應較差，適合于測量變換較慢的被測量。3、電位器式傳感器的測量電路

電位器式傳感器的測量

電路圖如圖4-3所示.圖4-3電位器式傳感器的測量電路圖e0——輸入信號電壓ey——輸出信號電壓Rρ——電位器總阻值Rx——電位器取值部分阻值RL——負載電阻阻值

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常用傳感器剖析第一節(jié)

電阻式傳感器

（三）電位器式傳感器4、電位器式傳感器的應用

煤氣包存儲量檢測的應用

鋼絲繩即為一電阻，置于彈性繩盤中，

繩盤即為一電位器。當鋼絲繩收于繩盤時，繩盤中的計數(shù)器記錄收線

圈數(shù)，

即由置于煤氣包中的空余量，

可計算出煤氣的存儲量。

檢測原理圖如圖4-5所示。圖4-5煤氣包存儲量的檢測原理圖

傳感技術與智能傳感器的應用正文第四章

常用傳感器剖析第一節(jié)

電阻式傳感器。

（四）壓阻式傳感器

有些固體材料在軸向受到外力作用，除產生變形，其電阻率ρ也發(fā)生變化。因應力作用而使材料電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為壓阻效應。半導體材料的壓阻效應特強。利用壓阻效應制成的傳感器稱為壓阻式傳感器。

特點

靈敏系數(shù)大，分辨率高，頻率響應好，體積小。

應用

測量壓力、加速度和載荷等參數(shù)。1、壓阻式傳感器的分類

（1）半導體型壓阻傳感器

其結構如圖4-6所示。

（2）薄膜型壓阻傳感器

其結構如圖4-7所示。

（3）擴散型壓阻傳感器

其結構如圖4-8所示。圖4-6半導體型壓阻傳感器

的半導體應變片結構圖

圖4-7薄膜型半導體

應變片結構圖

圖4-8擴散型半導體

應變片結構圖

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常用傳感器剖析第一節(jié)

電阻式傳感器

（四）壓阻式傳感器2、壓阻式傳感器的工作原理

工作原理

基于半導體材料的壓阻效應，當半導體應變片受軸向力作用時，其電阻率發(fā)生變化。電阻相對變化如下式所示。

3、溫度誤差及溫度補償

溫度誤差

半導體材料對溫度很敏感，壓阻式傳感器的電阻值及靈敏度系數(shù)隨溫度變化而發(fā)生變化，引起的溫度誤差分別為零漂和靈敏度溫漂。

溫度補償

壓阻式傳感器一般在半導體基片上擴散四個電阻，當四個擴散電阻的阻值相等或相差不大、電阻溫度系數(shù)也相同時，其零漂和靈敏度溫漂都會很小，工藝上難以實現(xiàn)。由于溫度誤差大，故要進行溫度補償。

傳感技術與智能傳感器的應用正文第四章

常用傳感器剖析第一節(jié)

電阻式傳感器

（四）壓阻式傳感器4、壓阻式傳感器的應用

壓阻式傳感器體積小、結構簡單、靈敏度高、動態(tài)響應好、長期穩(wěn)定性好、滯后和蠕變小、頻率響應高、便于生產、成本低，

因此它在測量壓力、壓差、

液位、

物位、

加速度和流量等方面得到了普遍應用，可設計成多種類型的壓阻式傳感器。

（1）壓力測量：硅壓阻式壓力傳感器由外殼、硅膜片（硅杯）和引線等組成。結構示意圖見圖4-9所示。圖4-9壓阻式壓力傳感器結構示意圖

a)結構圖b)硅環(huán)c)電阻分布

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常用傳感器剖析第一節(jié)

電阻式傳感器

4、壓阻式傳感器的應用

（2）液位測量：

根據(jù)液面高度與液壓成比例的原理工作的。

投入式液位傳感器安裝方便，適應于深度為幾米至幾十米、混有大量污物、雜質的水或其他液體的液位測量。其結構圖見圖4-10所示。

（3）加速度測量：其示意圖見圖4-11所示。其懸臂梁用單晶硅制成，在其根部擴散四個阻值相同的電阻構成差動全橋。在梁的自由端裝一質量塊，傳感器受到加速度作用時，質量塊由于慣性使懸臂梁發(fā)生形變而產生應力，擴散電阻的阻值發(fā)生變化，電橋的輸出信號即加速度的大小。圖4-10投入式液位傳感器結構圖

圖4-11壓阻式加速度傳感器結構示意圖

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常用傳感器剖析第一節(jié)

電阻式傳感器四、常用金屬電阻絲材料的性能

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常用傳感器剖析第一節(jié)

電阻式傳感器四、常用金屬電阻絲材料的性能

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常用傳感器剖析第二節(jié)

電阻應變式傳感器一、電阻應變片的結構

電阻應變片又稱電阻應變計，其結構形式較多，但主要組成部分基本相同：由基底、敏感柵和覆蓋層等組成。其示意圖如圖4-12所示。

（一）敏感柵

實現(xiàn)應變到電阻轉換的敏感元件。通常由直徑為

0.015～0.05mm的金屬絲繞成柵狀或用金屬箔腐蝕成柵狀。

（二）基底

為敏感柵固定的基板，由紙質或膠質組成必須很薄，一般為0.02～0.04mm。

（三）引線

起敏感柵與測量電路之間的連接和引導作用。

（四）蓋層

用紙、膠作成覆蓋在敏感柵上的防潮、防蝕、防損保護層作用。

（五）粘結劑

用于基底與其它部件粘貼的作用。圖4-12金屬電阻應變片結構示意圖

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常用傳感器剖析第二節(jié)

電阻應變式傳感器二、電阻應變式傳感器組成

電阻應變式傳感器組成結構圖如圖4-13所示.

組成

由應變膜片、敏感元件、應變電阻變化轉變器、轉換元件組成。

按應變材料分為金屬電阻應變片式與半導體應變片式。均為壓阻式圖4-13電阻應變式傳感器組成結構圖

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常用傳感器剖析第二節(jié)

電阻應變式傳感器三、傳感器對電阻應變片的的要求

1、應變靈敏度高，且線性范圍寬；2、電阻率大；電阻穩(wěn)定性好，溫度系數(shù)??；

3、易于焊接，對引線材料的接觸電勢??；抗氧化能力高，耐腐蝕，耐疲勞、機械強度高，具有優(yōu)良的機械加工性能。四、電阻應變片的分類

1、金屬絲式電阻應變片：其結構如圖4-14所示.

2、金屬箔式電阻應變片：其結構如圖4-15所示.

3、金屬薄膜式電阻應變片：其結構如圖4-16所示.

圖4-16電阻應變式傳感器組成結構圖圖4-15金屬箔式電阻應變片結構圖圖4-14金屬絲式電阻應變片結構圖

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常用傳感器剖析第二節(jié)

電阻應變式傳感器五、金屬電阻應變式傳感器的工作原理

（四）敏感元件

敏感元件

一般是采用光刻腐蝕等工藝制成的很薄的金屬箔柵。如圖

4-18所示。

優(yōu)點

金屬箔很薄，感受的應力狀態(tài)與被測件表面應力狀態(tài)更接近；

金屬箔柵的箔材表面積大散熱條件好，可以通過較大的電流，輸出較大的信號，提高了測量靈敏度；

光刻腐蝕方法制作的箔柵尺寸準確、均勻，且可制成任意形狀的箔柵，擴大了應變片的使用范圍。

缺點

箔柵制作工藝復雜，其引出線的焊點熔點低，不適用高溫環(huán)境下的測量。圖4-18箔柵式應變片圖

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常用傳感器剖析第二節(jié)

電阻應變式傳感器五、金屬電阻應變式傳感器的工作原理

金屬電阻應變式傳感器工作原理計算推導如圖4-17所示。式中可見其工作原理基于金屬導體的應變效應，即金屬導體在外力的作用下發(fā)生機械形變時，其電阻值隨著受機械變形而伸長或縮短的變化而變化的現(xiàn)象。圖4-17金屬電阻應變式傳感器工作原理計算推導

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常用傳感器剖析第二節(jié)

電阻應變式傳感器六、金屬電阻應變片的主要特征參數(shù)

（一）靈敏度系數(shù)

金屬應變片（絲）的電阻相對變化與它所感受的應變力之間具有線性關系，用靈敏度系數(shù)S表示。1、金屬應變片的電阻相對變化與應變ε

在很寬的范圍內均為線性關系。式中S為金屬應變片的靈敏度系數(shù)。2、應變片靈敏度系數(shù)S恒小于線材的靈敏度系數(shù)KS。

（二）橫向效應

如圖4-19所示，金屬應變片的核心部分是敏感柵。敏感箔柵的兩端為半圓弧形的橫柵。應變片既受軸向應變的影響，又受橫向應變影響，其靈敏系數(shù)K較整長電阻絲的靈敏系數(shù)K0小，而引起電阻變化。該現(xiàn)象稱為橫向效應。

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常用傳感器剖析第二節(jié)

電阻應變式傳感器六、金屬電阻應變片的主要特征參數(shù)

（二）橫向效應

應變片的橫向效應產生原理圖如圖4-19所示，應變片的橫向效應應力圖如圖4-20所示圖4-19

應變片的橫向效應產生原理圖圖4-20

應變片的橫向效應應力圖

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常用傳感器剖析第二節(jié)

電阻應變式傳感器六、金屬電阻應變片的主要特征參數(shù)

（三）機械滯后性

應變片粘貼在被測試件上，當溫度恒定時，其加載特性與卸載特性是不重合的，這種現(xiàn)象稱為機械滯后性。其特性曲線見圖4-21

所示。

產生原因：應變片在承受機械應變后，其內部會產生“殘余變形”，使敏感柵電阻發(fā)生少量的不可逆變化。

機械滯后性還與應變片所承受的應變量有關，加載時的機械應變量越大，卸載時的滯后也越大。圖4-21機械滯后性示意圖

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常用傳感器剖析第二節(jié)

電阻應變式傳感器七、電阻應變式傳感器的測量電路

電阻應變式傳感器的測量電路，分為直流電源測量電路和交流電源測量電路。

（一）電阻應變式傳感器測量電路種類

1、直流電橋電路

其電阻可全部或部分是應變片。電路圖如圖4-22所示。2、交流電橋電路

應變電橋輸出電壓很小，要加放大器，而直流放大器易于產生零漂，

因此應變電橋多采用交流電橋。電路圖如圖4-23所示.圖4-22直流電橋電路圖圖4-23交流電橋電路圖a）應變式電橋電路b)電容式電橋電路

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常用傳感器剖析第二節(jié)

電阻應變式傳感器

3、電橋的平衡調節(jié)

在應變片工作之前，

必須對電橋進行平衡調節(jié)。對于直流電橋，

可采用串聯(lián)或并聯(lián)電位器法，

常用的電橋平衡調節(jié)電路圖如圖2-24所示。

圖4-24常用的電橋平衡

調節(jié)電路圖a）串聯(lián)電阻調平衡法

電橋電路圖

b)并聯(lián)電阻調平衡法

電橋電路圖c)差動電容調平衡法

電橋電路圖

d)阻容調平衡法電橋

電路圖

傳感技術與智能傳感器的應用正文第四章

常用傳感器剖析第二節(jié)

電阻應變式傳感器

（二）應變片的選用

1、類型選擇

決定于使用目的、要求、對象、環(huán)境等因素綜合考慮。

2、材料選擇

決定于使用溫度、時間、最大應變量及精度等因素。

3、阻值選擇

根據(jù)測量電路和儀器選定標稱電阻值。

4、尺寸考慮

根據(jù)試件表面形狀、應力分布坐標、可粘貼面積大小，決定選取應變片尺寸大小。

5、

其他考慮

是否用于特殊用途、惡劣環(huán)境、高精度要求等因素。

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常用傳感器剖析第二節(jié)

電阻應變式傳感器

（二）電阻應變式傳感器的粘貼

應變片用粘結劑粘貼到被測件上，粘結劑的膠層必須準確迅速地將被測件應變傳遞到敏感柵上。選擇粘結劑必須考慮應變片材料和被測件材料性能，要求粘接力強，機械性能可靠，粘合層有足夠大的剪切彈性模量，良好的電絕緣性，蠕變和滯后小，耐濕，耐油，耐老化，動態(tài)應力測量時耐疲勞等。

應變片的粘貼步驟：①

應變片的檢查與選擇；

②

試件的表面處理；③

底層處理；

④

貼片；⑤

固化；

⑥

粘貼質量檢查；⑦

引線焊接與組橋連線。

傳感技術與智能傳感器的應用正文第四章

常用傳感器剖析第二節(jié)

電阻應變式傳感器八、電阻應變式傳感器的應用

電阻應變片的應用有兩個方面：

一是，作為敏感元件，可直接用于被測試件的應變測量；

二是，作為轉換元件，通過彈性元件構成傳感器，可用于對任何能轉換成彈性元件應變的其他物理量的間接測量。

(一)應變片式傳感器應用的特點選擇

適用范圍：其測量范圍必須于待測的實際范圍。

分辨率和靈敏度：其分辨率和靈敏度應高于測量要求指標。

結構：根據(jù)試件的結構選擇應變片輕小，對試件影響小，環(huán)境適應性強，頻率響應好的應變片式傳感器。

標準化：為適應大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能的應用，所選用的應變片式傳感器應是商品化、具有技術標準的產品。且便于遠距離、自動化測量和具有自動記錄、智能存儲、智能控制接口的產品。

傳感技術與智能傳感器的應用正文第四章

常用傳感器剖析第二節(jié)

電阻應變式傳感器八、電阻應變式傳感器的應用

(二)應變片式傳感器應用的型式選擇1、測力傳感器

應變片式測力傳感器結構和測量電路圖如圖4-25所示。圖4-25應變片式測力傳感器結構和測量電路圖a）柱式

b)環(huán)式c)梁式d)測量電路

傳感技術與智能傳感器的應用正文第四章

常用傳感器剖析第二節(jié)

電阻應變式傳感器八、電阻應變式傳感器的應用

(二)應變片式傳感器應用的型式選擇2、壓力傳感器筒式應變壓力傳感器結構示意圖如圖4-26所示。圖4-26筒式應變壓力傳感器結構示意圖a）結構示意圖

b)筒式彈性元件

示意圖c)應變計布片

示意圖

傳感技術與智能傳感器的應用正文第四章

常用傳感器剖析第二節(jié)

電阻應變式傳感器八、電阻應變式傳感器的應用

(二)應變片式傳感器應用的型式選擇3、應變式位移傳感器

應變片式位移傳感器是把被測位移量轉變成彈性元件的變形和應變，再通過應變計和應變電橋輸出正比于被測位移的電量，組合式應變式位移傳感器結構示意圖如圖4-27所示。圖4-27

組合式應變式位移傳感器結構示意圖a）傳感器

結構示意圖

b)工作原理圖

傳感技術與智能傳感器的應用正文第四章

常用傳感器剖析第二節(jié)

電阻應變式傳感器八、電阻應變式傳感器的應用

(二)應變片式傳感器應用的型式選擇4、應變式加速度傳感器

應變片式加速度傳感器是圖4-28所示。圖4-28電阻應變式加速度傳感器結構圖

傳感技術與智能傳感器的應用正文第四章

常用傳感器剖析第三節(jié)

半導體壓阻式應變片一、半導體應變片的工作原理

半導體應變片是基于半導體材料的壓阻效應。

其結構原理圖見圖4-29所示。

半導體材料的壓阻效應：某些半導體材料在沿某一軸向受到外力作用時，其電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象。

圖4-29半導體應變片結構示意圖a）體型b)薄膜型c)擴散型

傳感技術與智能傳感器的應用正文第四章

常用傳感器剖析第三節(jié)

半導體壓阻式應變片二、半導體應變片的主要類型

（一）體型

利用半導體材料的體電阻制成粘貼式的應變片。

（二）薄膜型

利用真空沉積技術將半導體材料沉積在帶有絕緣層的基板上而成

的應變片

（三）擴散型

在半導體材料的基片上采用集成電路工藝制成的擴散電阻，作為

測量用的壓阻元件。

傳感技術與智能傳感器的應用正文第四章

常用傳感器剖析第三節(jié)

半導體壓阻式應變片三、半導體應變片的特征

靈敏度：

電阻的相對變化：

優(yōu)點：靈敏度高，機械滯后性小，頻率響應高，橫向效應小，

元件尺寸小。

缺點：溫度穩(wěn)定性差，靈敏度的非線性誤差大。

使用：目前，國產半導體應變片主要采用P型硅單晶（P-Si）制成。

傳感技術與智能傳感器的應用正文第四章

常用傳感器剖析第三節(jié)

半導體壓阻式應變片四、電阻應變式傳感器溫度誤差及其補償

（一）溫度誤差的產生：環(huán)境溫度變化引起電阻變化的主要因素：1、應變片的電阻絲（敏感柵）的溫度系數(shù)α1

對電阻值的影響。

2、電阻絲材料的線膨脹系數(shù)βR

與測試材料的線膨脹系數(shù)βM

不同，所引起的應變?yōu)椋?/p>

傳感技術與智能傳感器的應用正文第四章

常用傳感器剖析第三節(jié)

半導體壓阻式應變片四、電阻應變式傳感器溫度誤差及其補償

（二）溫度補償：溫度補償?shù)姆椒òㄗ匝a償法和線路補償法。

1、單絲自補償應變片

要消除溫度變化引起的誤差必須使：

即可實現(xiàn)溫度自補償。該方法結構簡單，制造和使用方便。但必須在一定的線膨脹系數(shù)材料的試件上使用。2、雙絲組合式自補償應變片：

由兩種不同電阻溫度系數(shù)（一正一負）的材料串聯(lián)組成，兩種敏感柵隨溫度變化產生的電阻增量大小相等，符號相反，以在一定溫度范圍內、在試件上實現(xiàn)溫度補償。如圖4-30所示。圖4-30雙絲組合式自補償應變片示意圖

傳感技術與智能傳感器的應用正文第四章

常用傳感器剖析第三節(jié)

半導體壓阻式應變片四、電阻應變式傳感器溫度誤差及其補償

（二）溫度補償：溫度補償?shù)姆椒òㄗ匝a償法和線路補償法。

3、電路補償

采用電橋電路進行補償是敏感柵常用的方法之一。如圖4-31所示。

（1）R1和R2必須屬同一批號的產品，即它們的電阻溫度系數(shù)α、線膨脹系數(shù)β、應變靈敏系數(shù)K均相同。初始電阻值也要求相同；

（2）用于粘貼補償片的構件和粘貼工作片的試件材料必須相同，即二者的線膨脹系數(shù)相等；

（3）整個工作期間，兩個應變片必須處于同一溫度環(huán)境中?？蓪⒀a償片粘貼在被測件上，既起到溫度補償，又提高輸出的靈敏度。如圖4-32所示.圖4-30雙絲組合式自補償應變片示意圖

傳感技術與智能傳感器的應用正文第四章

常用傳感器剖析第三節(jié)

半導體壓阻式應變片四、電阻應變式傳感器溫度誤差及其補償

（二）溫度補償：溫度補償?shù)姆椒òㄗ匝a償法和線路補償法。

3、電路補償圖4-31電橋電路補償法示意圖圖4-32補償片安裝在被測試件的應力狀態(tài)圖a)構件受彎曲應力b)構件受單向應力

傳感技術與智能傳感器的應用正文第四章

常用傳感器剖析第四節(jié)

電阻式應變柵傳感器一、測量類型

1、直接測定結構的應變或應力：研究某些構件在工作狀態(tài)下的受力、變形狀況，可利用不同形狀的應變片粘貼在構件的選定部位，測試構件的拉力應力、壓力應力或彎曲應力、彎矩等參數(shù)。2、用以測量物理參數(shù)：將應變片粘貼于彈性元件上，作為測量力、位移、壓力、加速度等物理參數(shù)的傳感器。

3、測量應用注意事項：在以上應用中，電阻應變片必須被粘貼在試件或彈性單元上才能工作。粘合劑和粘合技術對測量結果有直接影響。

傳感技術與智能傳感器的應用正文第四章

常用傳感器剖析第四節(jié)

電阻式應變柵傳感器二、應用場合和應用分類

應用場合：沖床生產計數(shù)和生產過程監(jiān)測；電子秤的廣泛應用；機械手握力測量。

應用分類：柱力式傳感器、梁力式傳感器、應變式壓力傳感器、應變式加速度傳感器、壓阻式壓力傳感器等。

應變式傳感器包括兩個部分：一是彈性敏感元件，利用彈性敏感元件將被測物理量轉換為彈性體的應變值；二是應變片作為轉換元件，將應變轉換為電阻值的變化。

傳感技術與智能傳感器的應用正文第四章

常用傳感器剖析第五節(jié)

常用傳感器應用實操一、應變式位移傳感器

應變式位移傳感器是稱重設備中的關鍵部件。為差動電桿結構，由穩(wěn)幅激勵信號源、檢測電路和濾波放大電路組成。其工作原理圖和某產品的外觀圖如圖4-33所示；其工作原理圖和結構示意圖如圖4-34所示。a)工作原理圖b)產品外觀圖圖4-33應變式位移傳感器

工作原理和產品外觀圖a)工作原理圖b)傳感器結構示意圖圖4-34組合應變式位移傳感器

的工作原理和結構示意圖

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常用傳感器剖析第五節(jié)

常用傳感器應用實操二、柱力式傳感器

柱力式傳感器中的彈性元件分為實心和空心兩種，如圖4-35所示.實心圓柱可承受較大負荷，空心圓筒橫向剛度大、

穩(wěn)定性好。a)實心圓柱彈性元件

b)空心圓柱彈性元件圖4-35柱力式傳感器示意圖

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常用傳感器剖析第五節(jié)

常用傳感器應用實操三、梁式傳感器

等強度梁彈性元件

是一種特殊形式的懸臂梁。

特點

其截圖面積按一定的規(guī)律變化，當集中力作用在自由端時，距作用力任何距離的截面上應力相等。

如圖4-36所示。圖4-36

梁式傳感器示意圖

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常用傳感器剖析第五節(jié)

常用傳感器應用實操四、應變式壓力傳感器

測量液體或氣體壓力的薄板式傳感器

如圖4-37所示。