第13章非电量的测量(传感器)简介ppt课件.ppt

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1、13.1传感器概述13.1.1传感器传感器是一种能感受规定的被测量，并以一定的精度按照一定规律将被测量转换为易于处理和测量的某种输出信号（一般为电信号）的器件或装置。有人把计算机比喻为人的大脑的延续，称之为“电脑”；而把传感器比喻为人的五官的延续，称之为“电五官”。传感器是自动控制系统的感受器官，是实现自动控制、自动调节的关键环节。13.1.2传感器的组成传感器一般由敏感元件、传感元件和测量转换电路组成，如图13-1所示。被测量(非电量)电量图13-1传感器组成框图敏感元件传感元件基本转换电路13.1.3

2、传感器的分类传感器的分类方法很多，一般按被测物理量和传感器工作原理分类。按被测物理量分类时，能明确地表示传感器的用途。如位移传感器、力传感器、温度传感器等。按传感器工作原理分类时，是根据检测变换原理的不同进行分类。可分为电阻传感器、电感传感器、电容传感器、热电传感器、光电传感器等。13.2测力传感器及其应用13.2.1弹性敏感元件弹性敏感元件是许多传感器的基本元件。弹性敏感元件根据感受的物理量不同，可分为力敏感型、压力型和温度敏感型。其中力敏感型弹性元件是能够感受力的变化，并将其转换成位移(或应变)的弹性

3、敏感元件。常见的结构形式有柱式和梁式。柱式弹性元件可以是实心柱体或空心柱体，如图13-2所示。其主要特点是加工方便、结构简单，适用于拉力测量和称重系统，能承受较大载荷。图13-2等截面轴弹性元件FF(a)(b)梁式弹性是一端固定另一端自由的弹性元件，又称悬臂梁。按其截面形状又可分为等截面悬臂梁和变截面悬臂梁。如图13-3所示。其主要特点是结构简单，灵敏度高，适用于小载荷(1103N）测量。(b)FF图13-3悬臂梁式弹性敏感元件(a)13.2.2电阻应变式传感器1.电阻应变效应金属导体的电阻随着它受外力

4、作用发生机械变形的大小而变化的现象称为金属的电阻应变效应。如金属电阻丝受拉力作用而变细，其电阻值将增大。2.金属电阻应变片结构金属电阻应变片的基本结构如图13-4所示。它由绝缘基片3，敏感栅4，栅两端的引线1，以及覆盖层2组成。应变片的敏感栅形式较多，这里仅介绍丝式。金属电阻应变片式传感器基本结构有弹性元件、应变片、测量桥路三部分。使用应变片式传感器进行力的测量时，首先要选择合适的应变片粘贴在被测试件上。当试件受力产生应变和应力时，粘贴在其上的应变片也会受力产生应变，其结果是应变片的电阻值也发生变化。这样

5、就把力这个非电量转换为电阻量，而电阻的测量通常借助于电桥电路。1234b图13-4电阻丝应变片结构示意图l1-引线2-覆盖层3-绝缘基片4-敏感栅图13-5所示为电桥的基本线路。图中，R1、R2、R3、R4为电桥的四个桥臂电阻，电桥的供电电源可以是直流电源也可以是交流电源。为了调整方便，通常采用四个桥臂电阻值相等的等臂电桥或用两相邻桥臂电阻值相等的对称电桥。当桥臂电阻无变化时，电桥处于平衡状态，输出电压为零；当桥臂电阻有变化时输出一个与电阻变化成正比的电压值。Uo++––R1R2R3R4Ui图13-5桥式

6、转换电路如果把应变片式传感器中的电阻应变片作为电桥的桥臂电阻接在线路上，那么应变片受力产生的电阻的改变，可以转换为电桥电压值的变化。被测试件受力值的测量过程可以简单示意如下：力的变化(ΔF)─→应变(ε)─→应变片电阻变化(ΔR)─→桥路电压的变化(ΔU)若电桥四个桥臂电阻都用应变片，则称为全桥式；若只有两相邻桥臂用应变片则称半桥式；若只有一个桥臂为应变片电阻的称为单臂电桥。由于温度的变化是客观存在的，就给测量结果带来误差。为消除这个误差，常进行温度补偿。把因温度的变化引起的电阻变化抵消掉。补偿方法很多，

7、一般全桥式和半桥式桥路都具有温度补偿作用，这里不一一介绍了。3.测力传感器的应用测力传感器常用弹性敏感元件将被测力的变化转换为应变量的变化。下面介绍一种缝纫机上使用的测力传感器——面线张力传感器。为了提高缝纫机生产能力，必须对缝纫机的各种参数进行检测和控制。面线张力传感器可对缝纫机面线张力进行动态测量，以减少或者避免出现浮线、绉线、断线等现象。图13-6面线张力传感器原理图12341-外壳2-应变片3-弹性元件4-圆环图13-6是面线张力传感器的原理图。弹性元件是等强度悬臂梁，材料选用弹性性能良好的铍青铜

8、。在弹性元件3的下表面沿对称轴线各贴一片应变片2。在弹性元件的一端焊接一个圆环4，另一端与外壳1固定。在进行测试时，将传感器安放在挑线杆和针杆线钩之间，借用夹线器上的螺孔将其固定。面线穿过圆环，其张力作用在弹性元件悬臂梁上，并使其发生弹性变形，粘贴在弹性元件上表面的应变片承受拉应变作用，阻值增大，下表面应变片承受压应变作用，阻值减小，从而将面线张力转换成电阻变化，再经过其他转换装置转换成电压并放大，由记录仪最后显示测量结果。1