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1、学习要求 掌握常用传感器的工作原理及结构特点 了解传感器的应用方法 常用传感器的典型后续处理电路 常用传感器的使用注意事项 4.1 概述1）传感器的定义 能感受(或响应)规定的被测量并按照一定规律转换成可用信号输出的器件或装置。传感器通常由直接响应被测量的敏感元件和产生可用信号输出的转换元件及相应的电子线路所组成。2）传感器的分类按工作原理分：应变式、压阻式、压电式、光 电式按被测量分：力、位移、速度、加速度本章以传感器工作原理的分类方法阐述典型传感器的工作原理、结构、特性。4.2 应变式电阻传感器 应变式传感器是以电阻应变片为传感元件的传感器，具有精度高，测量范围广；使用寿命长，性能稳定可靠
2、；结构简单，尺寸小，重量轻；频响特性好；可在高低温、高速、高压、强烈振动、强磁场、核辐射和化学腐蚀等恶劣环境下工作；应变片种类多，价格便宜。该种传感器主要应用于压力、力、重量、位移、加速度、扭矩、温度等物理量的测量。目前它已成为应用最广泛和最成熟的一种传感器。4.2.1 金属电阻应变片 应变片的转换原理基于应变效应。所谓应变效应是指金属丝的电阻值随其变形而发生改变的一种物理现象。由物理学可知，金属丝的电阻值Rs与其长度Ls和电阻率s成正比，与其截面积As成反比，其公式表示为 如果金属丝沿轴线方向上受力而变形，如图4-1所示，其电阻必随之变化。当金属丝长度伸长Ls，面积变化As，电阻率的变化为
3、s，则电阻相对变化可按下式求得，即式中，Ls/Ls为金属丝长度的相对变化，用应变s来表示，即 LsFF LsdsAs/As为导线截面积的相对变化，对于圆形截面，若其直径为ds，则有 式中，s为金属材料的泊松比。根据最近的研究表明式中 Vs=AsLs电阻丝的体积；Cs取决于金属导体晶格结构的比例系数。对常用的金属来说，Cs在-12（镍）到+6（铂）范围之间。由上述公式可得Ks=1+2 s+Cs(1-2 s)为金属丝的灵敏系数，其物理意义为单位应变引起的电阻相对变化。金属应变片由敏感栅、基底、覆盖层、粘合剂和引线五部分组成，如图所示。现以丝绕式应变片为例说明。它以直径为0.025mm左右的、高电阻
4、率的合金电阻丝，绕成形如栅栏的敏感栅。敏感栅为应变片的敏感元件，作用是敏感应变。敏感栅粘结在基底1上，基底除能固定敏感栅外，还有传递应变、绝缘作用；敏感栅上面粘贴有覆盖层3，起定位、绝缘及保护作用；敏感栅电阻丝两端焊接引出线4，用以和外接导线相连。13241基底 2电阻丝 3覆盖层 4引线图42电阻丝应变片的基本结构4.2.2 半导体应变片 半导体应变片的工作原理是基于半导体材料的电阻率随作用应力而变化的所谓“压阻效应”。常见的半导体应变片是用锗或硅等半导体材料作敏感栅，一般为单根状，如图所示。根据压阻效应，半导体和金属丝一样可把应变转换成电阻的变化。P-Si基片 带状引线N-SiSi 片 金线图43 半导体应变片的结构形式