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1、5 信号的获取与调理,对于一个传感器而言，它的输出一般很微弱，这就需要对其进行某些调整和处理，并把信号转换成易于处理、接收和显示的形式。本章主要介绍一些基于机电转换或光电转换原理的传感器与信号调理电路。,5.1 传感器,5.1.1 基本概念,传感器是把被测物理量按一定规律转换成便于处理和传输的另一种物理量的装置。它广泛的应用于我们的生产生活中的各个方面，是基础环节，工程实际中俗称测量头、检测器等，也称为一次仪表。,5.1.2 传感器的基本组成,传感器一般是由敏感元件和转换元件两部分组成。1）敏感元件（预变换器）直接感受被测量（一般为非电量）并将其转换为与被测量有确定关系的易变成电量的其他量（包
2、括电量）的元件。如：弹性元件。2）转换原件（变换器）能将某些物理量直接转换为与之有确定关系的电量的元件。如：压电晶体。注意：有些传感器的敏感元件和转换元件是合二为一的，还有一些传感器内部集成了一些测量电路。,基本特性：静态特性和动态特性。特性标定：用实验的方法求出传感器特性曲线的过程。（1）静态标定：求出传感器静态特性曲线的过程；（2）动态标定：求出传感器动态特性曲线的过程。注意：现场标定；系统标定。,5.1.3 传感器的基本特性及标定,分类方法很多，按输入输出功能分：按输入量分类：分为温度、压力、位移、速度、湿度等；按输出量分类：参数式：将输入的工程参数变化转变为电参数变化的传感器，如电阻式
3、、电感式和电容式，工作时本身没有内在的能量转换，也称为无源传感器。发电式：将输入的工程参数信号直接转换成电信号输出的传感器，如压电式、磁电式、光电式等，工作时其本身有内在的能量转换，又称为有源式传感器。,5.1.4 传感器的分类,电阻式传感器是一种把被测参量转换为电阻变化的传感器。常用的电阻式传感器有电阻应变式、电位器式等类型。我们主要学习的是电阻应变式（应变片）。,应变式传感器结构简单，尺寸小，重量轻，使用方便，性能稳定可靠，分辨率高，灵敏度高，价格又便宜，工艺较成熟。因此在航空航天、机械、化工、建筑、医学、汽车工业等领域有很广的应用。,5.2 参数式传感器的信号获取与调理,参数式传感器的工
4、作原理是将输入的工程参数变化转变为电参数的变化，主要包括电阻式、电感式和电容式。,5.2.1 电阻式传感器及调理电路5.2.1.1 信号获取原理,各种电子秤,俗称地磅,1.电阻应变式传感器的分类及基本工作原理,典型结构：基 片 敏感栅 覆盖层 引 线,提问：这4个部分的作用？,根据敏感栅材料的不同，应变片可分为：金属丝式、金属箔式和半导体式。,回线式最为常用，制作简单，性能稳定，成本低，易粘贴，但其应变横向效应较大。短接式应变片两端用直径比栅线直径大510倍的镀银丝短接。优点是克服了横向效应，但制造工艺复杂。,常用材料：康铜、镍铬铝合金、铁铬铝合金以及铂、铂乌合金等。,它是利用照相制版或光刻技
5、术将厚约0.0030.01mm的金属箔片制成所需图形的敏感栅，也称为应变花。优点：可制成多种复杂形状尺寸准确的敏感栅，其栅长l可做到0.2mm，以适应不同的测量要求；与被测件粘贴结面积大；散热条件好，允许电流大，提高了输出灵敏度；.横向效应小；.蠕变和机械滞后小，疲劳寿命长。缺点：电阻值的分散性比金属丝的大，有的相差几十欧姆，需做阻值调整。在常温下，金属箔式应变片已逐步取代了金属丝式应变片。,金属箔式,半导体式,（1）金属丝式应变片,金属丝式应变片的基本工作原理是利用金属材料的电阻定律。当应变片在外力作用下其结构尺寸发生变化时，其电阻值也会发生相应的变化。,下面推导应变片电阻变化与应变的关系。
6、,金属丝电阻,一个长度为l，截面积为A，电阻率为的导体,当电阻丝受到拉力F作用时，将伸长l，横截面积相应减小A，电阻率因材料晶格发生变形等因素影响而改变了d，从而引起电阻值相对变化量为,轴向应变,径向应变,式中,为电阻丝材料的泊松比，负号表示应变与轴向方向相反。,根据材料的泊松比定律,得:,通常把单位应变引起的电阻值变化称为电阻丝的灵敏系数。其物理意义是单位应变所引起的电阻相对变化量。,灵敏系数K的影响因素：一个是应变片受力后材料几何尺寸的变化，即1+2；另一个是应变片受力后材料的电阻率发生的变化，即（d/）/。对金属材料来说，电阻丝灵敏度系数表达式中1+2的值要比(d/)/大得多，半导体材料
7、的(d/)/项的值比1+2大得多。大量实验证明，在电阻丝拉伸极限内，电阻的相对变化与应变成正比，即K为常数。,所以，金属丝式应变片的灵敏度为,当半导体应变片受轴向力作用时，其电阻相对变化为,式中d/为半导体应变片的电阻率相对变化量，其值与半导体敏感元件在轴向所受的应变力有关，其关系为,半导体应变片是用半导体材料制成的，其工作原理是基于半导体材料的压阻效应。压阻效应是指半导体材料，当某一轴向受外力作用时，半导体材料产生应变，其电阻率发生变化的现象。,（2）半导体应变片,实验证明，E比1+2大上百倍，所以1+2可以忽略，因而半导体应变片的灵敏系数为,半导体应变片的灵敏系数比金属丝式高5080倍，但
8、半导体材料的温度系数大，应变时非线性比较严重，使它的应用范围受到一定的限制。,（4）金属电阻应变片的材料 对电阻丝(敏感栅)材料应有如下要求：灵敏系数大，且在相当大的应变范围内保持常数；值大，即在同样长度、同样横截面积的电阻丝中具有较大的电阻值；电阻温度系数小，否则因环境温度变化也会改变其阻值；与铜线的焊接性能好，与其它金属的接触电势小；机械强度高，具有优良的机械加工性能。,常用材料：康铜、镍铬合金、铁铬铝合金、铁镍铬合金、贵金属（铂、铂钨合金等）材料,2.电阻应变式传感器的使用（1）粘贴要求：应变片是用粘结剂粘贴到被测件上的。粘结剂形成的胶层必须准确迅速地将被测件应变传递到敏感栅上。选择粘结
9、剂时必须考虑应变片材料和被测件材料性能，不仅要求粘接力强，粘结后机械性能可靠，而且粘合层要有足够大的剪切弹性模量，良好的电绝缘性，蠕变和滞后小，耐湿，耐油，耐老化，动态应力测量时耐疲劳等。还要考虑到应变片的工作条件，如温度、相对湿度、稳定性要求以及贴片固化时加热加压的可能性等。,（2）贴片方向,一般应变片灵敏度是在应变片纵向受力情况下标定的，因此使用应变片传感器时，应变片输出值反映了被测对象在应变片纵向的变形。,（3）应变片粘贴步骤:,检查：外观、电阻值、修整试件表面处理：光洁度要求、划定位线粘贴：厚度、方法固化处理粘贴质量的检查：电阻值和绝缘电阻值接线端子的焊接、导线的固定防潮处理,（4）应
10、变式传感器的温度误差及补偿 1）应变片的温度误差 由于测量现场环境温度的改变而给测量带来的附加误差，称为应变片的温度误差。产生应变片温度误差的主要因素有下述两个方面。电阻温度效应的影响 试件材料和电阻丝材料的线膨胀系数的影响,线膨胀系数：温度每变化1度材料长度变化的百分率。固体物质的温度每改变1摄氏度时，其长度的变化和它在O时长度之比，叫做“线膨胀系数”。单位为1/开。符号为al。,实际中常采用自补偿和桥路补偿法来进行温度误差补偿,2)桥路补偿法,U0=A（R1R4-RBR3）,式中,A为由桥臂电阻和电源电压决定的常数。,当R3和R4为常数时，R1和RB对电桥输出电压Uo的作用方向相反。利用这
11、一基本关系可实现对温度的补偿。,当被测试件不承受应变时，R1和RB又处于同一环境温度为t的温度场中，调整电桥参数使之达到平衡，此时有,工程上，一般按R1=RB=R3=R4 选取桥臂电阻。,当温度升高或降低t=t-t0时，两个应变片因温度而引起的电阻变化量相等，电桥仍处于平衡状态，即,若此时被测试件有应变的作用，则工作应变片电阻R1又有新的增量R1=R1K，而补偿片因不承受应变，故不产生新的增量，此时电桥输出电压为,由上式可知，电桥的输出电压Uo仅与被测试件的应变有关，而与环境温度无关。,应当指出，若要实现完全补偿，上述分析过程必须满足以下4个条件：在应变片工作过程中，保证R3=R4 R1和RB
12、两个应变片应具有相同的电阻温度系数、线膨胀系数、应变灵敏度系数K和初始电阻值R0。粘贴补偿片的补偿块材料和粘贴工作片的被测试件材料必须一样，两者线膨胀系数相同。两应变片应处于同一温度场。,3)应变片的自补偿法 这种温度补偿法是利用自身具有温度补偿作用的应变片(称之为温度自补偿应变片)来补偿的。根据温度自补偿应变片的工作原理来设计的。,5.2.1.2 直流电桥的调理作用,1.直流电桥的工作原理 直流电桥平衡条件当RL时，电桥输出电压为,直流电桥,电阻 电压（电流）,测量电路,（57）,当电桥平衡时，Uo=0，则有,R1R4=R2R3,或,为电桥平衡条件。这说明欲使电桥平衡，其相邻两臂电阻的比值应
13、相等，或相对两臂电阻的乘积应相等。为使电桥灵敏度最大，一般常采用R1=R2=R3=R4。,注意：“相邻”和“相对”是对于B、D两点而言的,为什么？,设桥臂比n=R2/R1，由于R1R1，分母中R1/R1可忽略，并考虑到平衡条件R2/R1=R4/R3，则可写为:,2.电压灵敏度R1为应变片.当受应变时，若应变片电阻变化为R，其它桥臂固定不变，电桥输出电压Uo0，则电桥不平衡，输出电压为,E,电桥电压灵敏度定义为,电桥电压灵敏度正比于电桥供电电压，供电电压越高，电桥电压灵敏度越高，但供电电压的提高受到应变片允许功耗的限制，所以要作适当选择；电桥电压灵敏度是桥臂电阻比值n的函数，恰当地选择桥臂比n的
14、值，保证电桥具有较高的电压灵敏度。当E值确定后，n取何值时才能使KU最高？,由dKU/dn=0求KU的最大值，得,求得n=1时，KU为最大值。这就是说，在供桥电压确定后，当R1=R2=R3=R4时，电桥电压灵敏度最高，此时有,从上述可知，当电源电压E和电阻相对变化量R1/R1一定时，电桥的输出电压及其灵敏度也是定值，且与各桥臂电阻阻值大小无关。,当桥路的电阻发生变化时，,带入上式，略去高阶量，就得出：,（58）,3.直流电桥的基本类型,根据桥路工作臂的不同组合，电桥有三种工作方式：半桥单臂（1/4桥路）、半桥双臂（1/2）和全桥。,（1）半桥单臂,电桥四个桥臂中只有一个电阻R1为应变片，另外三
15、个为常值电阻。在受到力的作用下，电阻R1有一个微小增量，由公式（58）得出,（2）半桥双臂,将相邻的两个桥臂都接成应变片，其中一个受拉，一个受压，另外两个为常值电阻。则两个应变片电阻一个电阻增量变化，一个减量变化，即有,代入公式58，得出,（3）全桥,将4个桥臂都接成应变片，R1、R4受拉，R2、R3受压，则有,代入公式58，得出,由上述推导表明，三种桥路的输出灵敏度分别为1：2：4,1.半桥差动电路：为了减小和克服非线性误差，常采用差动电桥如图所示，在试件上安装两个工作应变片，一个受拉应变，一个受压应变，接入电桥相邻桥臂，称为半桥差动电路，如图（a）所示。,4.克服非线性误差方法：,该电桥输
16、出电压为,若R1=R2，R1=R2，R3=R4，则得,由式可知，Uo与R1/R1成线性关系，差动电桥无非线性误差，而且电桥电压灵敏度KU=E/2，是单臂工作时的两倍，同时还具有温度补偿作用。,全桥差动电桥,2.全桥差动电路 若将电桥四臂接入四片应变片，如图(b)所示，即两个受拉应变，两个受压应变，将两个应变符号相同的接入相对桥臂上，构成全桥差动电路。,半桥差动电桥,若R1=R2=R3=R4，且R1=R2=R3=R4，则,此时全桥差动电路不仅没有非线性误差，而且电压灵敏度为单片工作时的4倍，同时仍具有温度补偿作用。,5.应变式传感器的应用,1.应变式力传感器 被测物理量为荷重或力的应变式传感器时
17、，统称为应变式力传感器。其主要用途是作为各种电子称与材料试验机的测力元件、发动机的推力测试、水坝坝体承载状况监测等。应变式力传感器要求有较高的灵敏度和稳定性，当传感器在受到侧向作用力或力的作用点少量变化时，不应对输出有明显的影响。,力传感器的弹性元件有：柱式、梁式、环式、轮辐式等：柱式力传感器有空心（筒形）、实心（柱形）在圆筒（柱）上按一定方式粘贴应变片，圆柱（筒）在外力F作用下产生形变，实心圆柱因外 力作用产生的应变为：,柱式传感器(a)圆柱;(b)圆筒;(c)外形,式中：L为弹性元件的长度，S为弹性元件的横截面积 F外力；为应力，=F/S；E为弹性模量,说明：R1和R3,R2和R4分别串联
18、,放在相对臂内。当一方受拉时,则另一方受压。由此引起的电阻应变片阻值的变化大小相等符号相反,从而减小弯矩的影响。,R5和R6,R7和R8，横向粘贴的应变片作为温度补偿片。,.梁式力传感器,等截面梁：悬臂梁的横截面积处处相等，所以称等截面梁。当外力F作用在梁的自由端时，固定端产生的应 变最大，粘贴在应变片处的应变为：,式中：l0是梁上应变片至自由端距离，b、h 分别为梁的宽度和梁的厚度。,等强度梁：悬臂梁长度方向的截面积按一定规律变化，是一种特殊形式的悬臂梁。当力作用在自由端时，力距作用点任何截面积上应力相等，应变片的应变大小为：,因为应变片的应变大小与力作用的距离有关，所以应变片应贴在距固定端
19、较近的表面，顺梁的方向贴上下各贴两只。四个应变片组成全桥。上面两个受压时下面两个受拉。这种传感器适用于测量500Kg以下荷重。,.环式力传感器,环式常用于测几十千克以上的大载荷,与柱式相比,它的特点是应力分布变化大,且有正有负,便于接成差动电桥。,(a)为拉力环(b)为压力环,轮轱1、轮圈2、轮辐条3、承压应变计4、拉伸应变计5,轮辐式传感器(a)结构示意图;(b)外形,.轮辐式测力传感器（剪切力）,在传感器中实测的不是剪应变,而是在剪切力作用下,轮辐对角线方向的线应变。这时,将应变计在与辐条水平中心轴线成45角的方向上粘贴。八片应变计分别贴在四根辐条的正反两面,并组成全桥电路,以检测线应变。
20、,轮辐式传感器测量桥路,2 应变式压力传感器 应变式压力传感器由电阻应变片、弹性元件、外壳及补偿电阻组成。一般用于测量较大的压力。它广泛用于测量管道内部压力,内燃机燃气的压力,压差和喷射压力,发动机和导弹试验中的脉动压力,以及各种领域中的流体压力等。,筒式压力传感器的弹性元件,.筒式压力传感器 筒式压力传感器的弹性元件如图所示,一端肓孔,另一端有法兰与被测系统连接。当应变管内腔与被测压力相通时,圆筒部分周向应变为,式中,p为被测压力,D为圆筒外径,d为圆筒内径。在薄壁筒上贴有两片应变片作为工作片,实心部分贴有两片应变片作为温度补偿片。,.膜片式压力传感器 该类传感器的弹性敏感元件为一周边固定的
21、圆形金属平膜片,如图所示。,膜片受力时的应变分布和应变计粘贴,当膜片一面受压力p作用时,膜片的另一面(应变计粘贴面)上的径向应变r和切向应变t为,式中,R为平膜片工作部分半径，h为平膜片厚度，E为膜片的弹性模量，为膜片的泊松系数，x为任意点离圆心的径向距离。,在膜片中心即x=0处,r和t均达到正的最大值,即,而在膜片边缘,即x=R处,t=0,而r达到负的最大值(最小值)。,3.应变式加速度传感器 应变式加速度传感器如图所示。在一悬臂梁1的自由端固定一质量块3。当壳体4与待测物一起作加速运动时,梁在质量块惯性力的作用下发生形变,使粘贴于其上的应变片2阻值变化。检测阻值的变化可求得待测物的加速度。图中,5为电引线,6为运动方向。,应变式加速度传感器,假设悬臂梁为等强度梁,作加速运动时梁根部的应变为,其中,W为惯性块质量;G为等强度梁折算到自由端的等效质量,一般为梁质量的1/6。,若梁的上下各贴两片应变计,组成全桥,则灵敏度又是上式的两倍。传感器的固有频率为,例题：有一吊车的拉力传感器如下图所示。问：(1)画出应变片组成的电桥电路；(2)说明R3、R4起到什么作用？,
