《傳感器元件與實(shí)驗(yàn)》課件-第2章傳感器元件與實(shí)驗(yàn)1

第2章傳感器原理與應(yīng)用

2.1QJ23直流單臂電橋結(jié)構(gòu)

直流電橋又稱惠斯頓電橋是一種利用比較法進(jìn)行測(cè)量的電學(xué)測(cè)量?jī)x器，當(dāng)需要精確的測(cè)量中值電阻時(shí)，往往采用單臂電橋進(jìn)行測(cè)量。常用電橋QJ23直流單臂電橋具有測(cè)量靈敏度高和使用方便等優(yōu)點(diǎn)。QJ23型儀器系惠斯登電橋線路。在測(cè)量1～100MΩ范圍內(nèi)的電阻極為方便，具有內(nèi)附指零儀及電源，整個(gè)測(cè)量機(jī)構(gòu)裝在金屬外殼內(nèi)，輕便且便攜帶，適用于實(shí)驗(yàn)室及現(xiàn)場(chǎng)使用。（1）.該設(shè)備系一單電橋，主要由比例臂、比較臂、放大臂、指零儀及電池組等組合而成，如圖2.1所示。（2）.比較臂由四個(gè)十進(jìn)盤組成，最大可調(diào)11110歐，最小步進(jìn)為1歐。（3）.放大器采用運(yùn)算放大器，接在指零儀的輸入端，以提?咧噶鬩塹牧槊舳取?（4）.所有線繞電阻均采用高穩(wěn)定性錳銅電阻絲，以無感式繞制在磁骨加上。（5）.QJ23儀器性能穩(wěn)定，靈敏度高，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。2.1.1直流電橋圖2.2直流電橋圖2.3單臂橋應(yīng)變測(cè)量電橋有3種接法，即單臂橋、半橋和全橋。2.1.2單臂橋單臂橋只有一個(gè)橋臂接應(yīng)變片，其他橋臂均接性能參數(shù)穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)電阻，為了便于分析，一般都取稱之為等臂橋。由式(2.1)可得單臂橋電壓輸出表達(dá)式為單臂電橋的靈敏度為當(dāng)時(shí)，由式(2.2)和式（2.3）可得(2.3)單臂橋輸出電壓小，靈敏度低，具有一定的非線性。2.1.3半橋圖2.4半橋圖2.5全橋

應(yīng)變片半橋也叫雙臂橋。半橋的輸出電壓和靈敏度都比單臂橋大一倍，且非線性得到改善。

2.1.4全橋應(yīng)變片全橋(EntireBridge)是指4個(gè)橋臂都接有應(yīng)變片，如圖2.5所示，此時(shí)相鄰橋臂所接的應(yīng)變片承受相反應(yīng)變，相對(duì)橋臂所接的應(yīng)變片承受相同應(yīng)變，即由式(2.1)可得全橋輸出表達(dá)式。

全橋輸出表達(dá)式為靈敏度為：

1.線性輸出2.輸出電壓和靈敏度比半橋大一倍電橋的零位調(diào)整零位調(diào)整，以消除因各橋臂電阻不匹配引起的零位輸出。

（1）電阻串聯(lián)法（2）電阻并聯(lián)法圖2.10串聯(lián)調(diào)零法圖2.11并聯(lián)調(diào)零法2.1.7電阻應(yīng)變傳感器的應(yīng)用1.應(yīng)變式力傳感器電阻應(yīng)變傳感器主要用于載荷力的測(cè)量，稱之為應(yīng)變式力傳感器(WeighingSensor)，其測(cè)力范圍可以是幾克到幾百噸，精度可高達(dá)0.05%F·S。應(yīng)變式力傳感器根據(jù)所用的彈性元件不同，主要有柱式力傳感器、環(huán)式力傳感器和懸臂梁式傳感器。2.柱式力傳感器柱式力傳感器是指用來感受力的彈性元件是實(shí)心或空心圓柱，如圖2.12所示，應(yīng)變片粘貼在圓柱的表面上，軸向粘貼的應(yīng)變片與切向粘貼的個(gè)數(shù)相等，以便接成差動(dòng)測(cè)量電橋。P68--692.1.8環(huán)式力傳感器

環(huán)式力傳感器，其彈性元件是圓形或扁形吊環(huán)，環(huán)上粘貼的應(yīng)變片應(yīng)便于接成差動(dòng)測(cè)量電橋，即承受拉應(yīng)變的應(yīng)變片數(shù)等于承受壓應(yīng)變的應(yīng)變片數(shù)。a)圓形吊形b)扁環(huán)形吊環(huán)圖2.13環(huán)式力傳感器式中F——載荷力(N)；E——彈性模量(N/m2)；r——圓環(huán)的平均半徑(m)；h——圓環(huán)平面的徑向厚度(m)，且；b——圓環(huán)平面法線方向的厚度(m)。2.1.8環(huán)式力傳感器2.1.9.懸臂梁式力傳感器圖2.14等強(qiáng)度梁分析應(yīng)變式力傳感器的3個(gè)問題2.1.9.懸臂梁式力傳感器根據(jù)測(cè)力現(xiàn)場(chǎng)需要，選擇合適的彈性元件。(2)根據(jù)所選的彈性元件正確地布片，盡量使應(yīng)變片保持與拉壓力平行或垂直，使應(yīng)變片承受最大拉應(yīng)變或壓應(yīng)變。(3)根據(jù)應(yīng)變片的布片正確地連接測(cè)量電橋，盡量選擇差動(dòng)測(cè)量電橋。當(dāng)接差動(dòng)測(cè)量電橋時(shí)，應(yīng)變片應(yīng)遵循接橋原則，即相鄰橋臂所接的應(yīng)變片承受相反應(yīng)變，相對(duì)橋臂所接的應(yīng)變片承受相同應(yīng)變，以使差動(dòng)測(cè)量電橋輸出電壓具有“加減特性”。2.2.電感傳感器

電感傳感器(InductanceSensor)是利用線圈自感和互感的變化實(shí)現(xiàn)非電量測(cè)量的。根據(jù)工作原理不同，電感傳感器可分為自感式、互感式和渦流式3種類型，可用來測(cè)量位移、振動(dòng)、轉(zhuǎn)速等多種非電信號(hào)，其主要特點(diǎn)如下：(1)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作可靠，壽命長(zhǎng)。(2)靈敏度高，能分辨0.01μm的位移變化。(3)精度高，線性好，非線性誤差一般為0.05%~0.1%。

自感式傳感器亦稱變隙式自感傳感器，它是根據(jù)鐵芯線圈磁路氣隙的改變，引起磁路磁阻的改變，從而改變線圈自感的大小。激磁線圈分單線圈和差動(dòng)兩線圈兩類，氣隙參數(shù)的改變分變氣隙長(zhǎng)度型和變氣隙截面積S型兩種方式。2.2.1.單線圈自感傳感器

單個(gè)線圈氣隙型自感傳感器工作原理如圖2.18所示，圖2.18a)所示為變氣隙長(zhǎng)度型，圖2.18b)所示為變氣隙截面積型。a)變氣隙長(zhǎng)b)變氣隙截面積圖2.18氣隙型自感傳感器原理圖工作特性：?jiǎn)尉€圈的自感傳感器工作特性(WorkCapability)如圖2.19所示，圖中是變氣隙長(zhǎng)度型工作特性曲線，L=f(S)是變氣隙截面積型工作特性曲線。圖2.19自感傳感器特性曲線

單個(gè)線圈為自感傳感器，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作性能較差。2.2.2差動(dòng)自感傳感器

兩線圈的變氣隙式自感傳感器采用兩個(gè)線圈激磁，工作時(shí)兩線圈的自感呈反相變化，形成差動(dòng)輸出，因而稱之為差動(dòng)自感傳感器。差動(dòng)自感傳感器亦有變氣隙長(zhǎng)度型和變氣隙截面積型兩種，圖2.20為變氣隙長(zhǎng)度型差動(dòng)