孙裕晶2011.10.10

被测量 信号调理传感器 信号处理 显示记录

激励装置

传感器原理与应用 性质

测试系统

测试系统应用实例应变片电测技术 振动的测量 过称量检测 虚拟仪器与集成检测技术

测试系统结构 常用传感器原理与应用 信号的变换与处理

回 顾测试信号分析方法测试系统特性分析

第 2章 常用传感器原理与应用

分 类用途：位移传感器、压力传感器、温度传感器、…

工作原理：电阻应变式、电感式、电容式、压电式、…

被测量的转换特征：结构型和物性型

能量传递方式：能量控制型传感器和能量转换型传感器

主要内容电位器式式传感器 电阻应变式传感器 电感式传感器 电容式传感器 压电式传感器 磁敏传感器 光电式传感器 集成传感器

电位器式位移测量传感器

线绕电位器的阶梯输出特性 光电式电位器结构图1- 光电导体 2- 基体 3- 电阻薄膜 4-窄光束 5-导电带

电阻应变式传感器

原理：利用电阻应变片将应变转换为 电阻变化

功能：测量应变、力、扭矩、位移、加速度等

特点：灵敏度高、测量精确、动态响应快、技术成熟

电阻应变片 金属电阻应变片半导体应变片

电阻应变片式传感器

• 结构

1- 敏感栅 2- 基片 3- 覆盖层 4- 引线l—— 应变片的基长， b—— 基宽

• 材料 直径为 0.025mm 左右的康铜 (wCu 为 57 ％、 wNi为

43 ％ )或镍铬合金丝 (wNi为 80 ％、 wCr 为 20 ％ ) 阻值系列： 60Ω 、 120Ω 、 350Ω 、 600Ω 、 1000Ω ，以 120Ω 为最常用。

电阻应变片式传感器工作原理电阻应变效应 当金属丝在外力作用下产生机械变形时，

其电阻值发生变化。

L

dL

r

dr

L

LdA

LR

d

A

LdA

A

LdL

AdR

2微分

电阻相对变化 d

A

dA

L

dL

R

dR

d

r

2dr

L

dL

R

dR整理

2rA

纵向应变

rdr2dA

d

)21(R

dR

610

电阻应变片式传感器工作原理 d

)21(R

dR

/d

)21(R/dR

K 应变系数或灵敏度

KR

dR

常数

21R/dR

dL/L

R/dRK

金属电阻丝的灵敏度一般在 1.7 ～ 3.6 左右。

金属电阻应变系数

二、半导体应变片 压阻效应 半导体单晶材料在沿某一

方向受到外力作用时，电阻率会发生相应变化的现象称为压阻效应。

d

)21(R

dR

1- 基片 2- 半导体 3-导线 4- 接线片 5- 引

出线

Ed

R

dR

(1+2μ)ε 很小

ER/dR

K

灵敏度 优点：灵敏度高，比金属应变片要高 50 ～ 70 倍， P型硅的灵敏度可达 175 。 还有横向效应和机械滞后小、体积小等特点。

• 类型 体型半导体应变片 薄膜型半导体应变片

扩散型半导体应变片

λ 压阻系数

半导体应变片

电阻值温度稳定性差 因附加变形产生的电阻变化大灵敏系数温度稳定性差受拉应变和压应变时的 K不一致 输出量较大时，非线性严重 600-1000με 时非线性开始明显； 1000με 以上时非线性

较大。半导体应变片灵敏度系数离散度大 3%-5%

局限性

应变片主要参数和工作特性 应变片尺寸

阻值

灵敏度系数 K

零点飘移

热输出

201

101 ~

丝式： 3-5mm箔式： 0.2-0.5mm最小尺寸：选片原则：试件测量部位大小； 应变梯度；

动态测试中 栅长 <

tionvibrsound fv a/

特定条件：单向应力；轴线应力；材料一定， μ不变

对已安装的应变片，在环境温度恒定，但无机械应变条件下，应变片指示应变随时间的变化。

安装在线膨胀系数试件上，试件可以自由膨胀并不受外力作用，缓慢升（或降）温的均匀温度场内，温度变化引起的应变片指示应变。

应变片主要参数和工作特性 蠕变

机械滞后

应变极限横向效应系数绝缘电阻疲劳寿命最大工作电流

标准：应变片承受应变为 1000με 时，经一小时应变片指示应变的变化量。

对已安装的应变片，在环境温度恒定，加载和减载过程中同一载荷下应变片指示应变量大差值。

电阻应变片式传感器应用位移传感器

悬臂梁式位移传感器 应变片式位移传感器1- 测量头 2-悬臂梁 3-弹簧 4- 外壳 5- 测量杆 6- 调整螺母

7- 应变片

电阻应变片式传感器应用

直接把应变片贴在试件上 : 机器人

适用于电子汽车衡、轨道衡和测力系统

安装方便适用于电子吊秤配料秤．机改电等悬挂称重系统

实验 1：应变片的粘贴工艺表面清理划线应变片粘贴粘接层固化粘贴质量检验 测量通断 应变片和实践通断 引线和试件间的绝缘电阻安装连接线 连接端子、连接线检查 应变片防护

直流电阻电桥万用表兆欧表502胶

无水乙醇

如何评价应变片粘贴工艺对粘接剂要求 强度 固化过程变形小 固化后不吸潮 绝缘阻值高 蠕变和滞后小 工艺性 能长期储存粘贴质量要求 粘贴牢固 胶层薄而均匀 绝缘性好 蠕变小