傳感器的選擇

1、方案一 壓電傳感器壓電傳感器是一種典型的有源傳感器，又稱自發(fā)電式傳感器。其工作原理是基于某些材料受力后在其相應的特定表面產(chǎn)生電荷的壓電效應。壓電傳感器體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠，適用于動態(tài)力學量的測量，不適合測頻率太低的被測量，更不能測靜態(tài)量。目前多用于加速度和動態(tài)力或壓力的測量。壓電器件的弱點：高內(nèi)阻、小功率。功率小，輸出的能量微弱，電纜的分布電容及噪聲干擾影響輸出特性，這對外接電路要求很高。 方案二 電容式傳感器電容式傳感器是將被測非電量的變化轉(zhuǎn)換為電容變化的一種傳感器。它有結(jié)構(gòu)簡單、靈敏度高、動態(tài)響應好、可實現(xiàn)非接觸測量、具有平均效應等優(yōu)點。電容傳感器可用來檢測壓力、力、位移以及

2、振動學非電參量。 電容傳感器的基本工作原理可用最普通的平行極板電容器來說明。兩塊相互平行的金屬極板，當不考慮其邊緣效應（兩個極板邊緣處的電力線分布不均勻引起電容量的變化）時，其電容量為 （2.1）式（2.1）中兩極板間的距離； A兩平行極板相互覆蓋的有效面積；介質(zhì)的相對介電常數(shù)；真空中介電常數(shù)。若被測量的變化使式中、A、三個參量中任一個發(fā)生變化，都會引起電容量的變化，通過測量電路就可轉(zhuǎn)換為電量輸出。 雖然電容式傳感器有結(jié)構(gòu)簡單和良好動態(tài)特性等諸多優(yōu)點，但也有不利因素：（1）小功率、高阻抗。受幾何尺寸限制，電容傳感器的電容量都很小，一般僅幾皮法至幾十皮法。因C太小，故容抗=1/C很大，為高阻抗元

3、件，負載能力差；又因其視在功率P=C ，C很小，則P也很小。故易受外界干擾，信號需經(jīng)放大，并采取抗干擾措施。（2）初始電容小，電纜電容、線路的雜散電路所構(gòu)成的寄生電容影響很大。 方案三 電阻應變式傳感器電阻應變式傳感器是一種利用電阻應變效應，將各種力學量轉(zhuǎn)換為電信號的結(jié)構(gòu)型傳感器。電阻應變片式電阻應變式傳感器的核心元件，其工作原理是基于材料的電阻應變效應，電阻應變片即可單獨作為傳感器使用，又能作為敏感元件結(jié)合彈性元件構(gòu)成力學量傳感器。導體的電阻隨著機械變形而發(fā)生變化的現(xiàn)象叫做電阻應變效應。電阻應變片把機械應變信號轉(zhuǎn)換為R/R后，由于應變量及相應電阻變化一般都很微小，難以直接精確測量，且不便處理

4、。因此，要采用轉(zhuǎn)換電路把應變片的R/R變化轉(zhuǎn)換成電壓或電流變化。其轉(zhuǎn)換電路常用測量電橋。直流電橋的特點是信號不會受各元件和導線的分布電感及電容的影響，抗干擾能力強，但因機械應變的輸出信號小，要求用高增益和高穩(wěn)定性的放大器放大。下圖為一直流供電的平衡電阻電橋，接直流電源E： 圖2.6 傳感器結(jié)構(gòu)原理圖當電橋輸出端接無窮大負載電阻時，可視輸出端為開路，此時直流電橋稱為電壓橋，即只有電壓輸出。當忽略電源的內(nèi)阻時，由分壓原理有： = （2.2）當滿足條件R1R3=R2R4時，即（2.3）=0，即電橋平衡。式（2.3）稱平衡條件。應變片測量電橋在測量前使電橋平衡，從而使測量時電橋輸出電壓只與應變片感受的

5、應變所引起的電阻變化有關。若差動工作，即R1=R-R,R2=R+R,R3=R-R，R4=R+R,按式（2.2），則電橋輸出為 (2.4) 應變片式傳感器有如下特點：（1）應用和測量范圍廣，應變片可制成各種機械量傳感器。（2）分辨力和靈敏度高，精度較高。（3）結(jié)構(gòu)輕小，對試件影響小， 對復雜環(huán)境適應性強，可在高溫、高壓、強磁場等特殊環(huán)境中使用，頻率響應好。（4）商品化，使用方便，便于實現(xiàn)遠距離、自動化測量。 通過以上對傳感器的比較分析，最終選擇了第三種方案。題目要求稱重范圍09.999Kg，重量誤差不大于0.005Kg，考慮到秤臺自重、振動和沖擊分量，還要避免超重損壞傳感器，所以傳感器量程必須大

6、于額定稱重9.999Kg 。我們選擇的是L-PSIII型傳感器，量程20Kg，精度為 0.01%，滿量程時誤差0.002Kg，完全滿足本系統(tǒng)的精度要求。系統(tǒng)采用壓電傳感器是一種典型的有源傳感器，又稱自發(fā)電式傳感器。其工作原理是基于某些材料受力后在其相應的特定表面產(chǎn)生電荷的壓電效應。壓電傳感器體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠，適用于動態(tài)力學量的測量，不適合測頻率太低的被測量，更不能測靜態(tài)量。目前多用于加速度和動態(tài)力或壓力的測量。壓電器件的弱點：高內(nèi)阻、小功率。功率小，輸出的能量微弱，電纜的分布電容及噪聲干擾影響輸出特性，這對外接電路要求很高。電阻應變式傳感器是一種利用電阻應變效應，將各種力學量

7、轉(zhuǎn)換為電信號的結(jié)構(gòu)型傳感器。電阻應變片式電阻應變式傳感器的核心元件，其工作原理是基于材料的電阻應變效應，電阻應變片即可單獨作為傳感器使用，又能作為敏感元件結(jié)合彈性元件構(gòu)成力學量傳感器。導體的電阻隨著機械變形而發(fā)生變化的現(xiàn)象叫做電阻應變效應。電阻應變片把機械應變信號轉(zhuǎn)換為R/R后，由于應變量及相應電阻變化一般都很微小，難以直接精確測量，且不便處理。因此，要采用轉(zhuǎn)換電路把應變片的R/R變化轉(zhuǎn)換成電壓或電流變化。其轉(zhuǎn)換電路常用測量電橋。直流電橋的特點是信號不會受各元件和導線的分布電感及電容的影響，抗干擾能力強，但因機械應變的輸出信號小，要求用高增益和高穩(wěn)定性的放大器放大。圖2-2為一直流供電的平衡電

8、阻電橋，接直流電源E：圖2-2 傳感器內(nèi)部連接圖當電橋輸出端接無窮大負載電阻時，可視輸出端為開路，此時直流電橋稱為電壓橋，即只有電壓輸出。當忽略電源的內(nèi)阻時，由分壓原理有：= （2.1）當滿足條件R1R3=R2R4時，即（2.2）=0，即電橋平衡。式（2.2）稱平衡條件。應變片測量電橋在測量前使電橋平衡，從而使測量時電橋輸出電壓只與應變片感受的應變所引起的電阻變化有關。若差動工作，即R1=R-R,R2=R+R,R3=R-R，R4=R+R,按式（2.1），則電橋輸出為 (2.3)應變片式傳感器有如下特點：（1）應用和測量范圍廣，應變片可制成各種機械量傳感器。（2）分辨力和靈敏度高，精度較高。（3

9、）結(jié)構(gòu)輕小，對試件影響小， 對復雜環(huán)境適應性強，可在高溫、高壓、強磁場等特殊環(huán)境中使用，頻率響應好。（4）商品化，使用方便，便于實現(xiàn)遠距離、自動化測量5。 通過對壓力傳感器與電阻應變式傳感器比較分析，最終選擇了第二種方案。題目要求稱重范圍05Kg,滿量程量誤差不大于0.005Kg，考慮到秤臺自重、振動和沖擊分量，還要避免超重損壞傳感器，所以傳感器量程必須大于額定稱重5Kg。我們選擇的是電阻應變片壓力傳感器，量程為5Kg，精度為0.01% ，滿足本系統(tǒng)的精度要求。采用應變片稱重的基本原理電阻應變式傳感器是利用電阻應變片將應變轉(zhuǎn)換為電阻變化的傳感器，傳感器由在彈性元件上粘貼電阻應變敏感元件構(gòu)成。當

10、被測物理量作用在彈性元件上時，彈性元件的變形引起應變敏感元件的阻值變化，通過轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成電量輸出，電量變化的大小反映了被測物理量的大小。應變片是最常用的測力傳感元件。當用應變片測試時，應變片要牢固地粘貼在測試體表面，測件受力發(fā)生形變，應變片的敏感柵隨同變形，其電阻值也隨之發(fā)生相應的變化。通過測量電路，轉(zhuǎn)換成電信號輸出顯示。當具有初始電阻值R的應變片粘貼于試件表面時，試件受力引起的表面應變，將傳遞給應變片的敏感柵，使其產(chǎn)生電阻相對變化R/R。在一定應變范圍內(nèi)R/R與的關系滿足下式：式中，為應變片的軸向應變。 定義K=(R/R)/為應變片的靈敏系數(shù)。它表示安裝在被測試件上的應變在其軸向受到單向應力時，引起的電阻相對變化R/R與其單向應力引起的試件表面軸向應變之比。 電阻應變片計把機械應變轉(zhuǎn)換成R/R后，應變電阻變化一般都很微小，這樣小的電阻變化既難以直接精確測量，又不便直接處理。因此，必須采用轉(zhuǎn)換電路，把應變片計的R/R變化轉(zhuǎn)換成電壓或電流變化。通常采用惠斯登電橋電路實現(xiàn)這種轉(zhuǎn)換。若將電橋四臂接入四片應變片，如圖2所示，即兩個受拉應變，兩個受壓應變，將圖2 差動全橋電路兩個應變符號相同的接入相對橋臂上，構(gòu)成全橋差動電路。在接入四片應變片時，需滿足以下條件：相鄰橋臂應變片應變狀態(tài)應相反，相對橋臂應變片應變狀