《传感器元件与实验》课件-第2章传感器元件与实验1

第2章传感器原理与应用

2.1QJ23直流单臂电桥结构

直流电桥又称惠斯顿电桥是一种利用比较法进行测量的电学测量仪器，当需要精确的测量中值电阻时，往往采用单臂电桥进行测量。常用电桥QJ23直流单臂电桥具有测量灵敏度高和使用方便等优点。QJ23型仪器系惠斯登电桥线路。在测量1～100MΩ范围内的电阻极为方便，具有内附指零仪及电源，整个测量机构装在金属外壳内，轻便且便携带，适用于实验室及现场使用。（1）.该设备系一单电桥，主要由比例臂、比较臂、放大臂、指零仪及电池组等组合而成，如图2.1所示。（2）.比较臂由四个十进盘组成，最大可调11110欧，最小步进为1欧。（3）.放大器采用运算放大器，接在指零仪的输入端，以提?咧噶阋堑牧槊舳取?（4）.所有线绕电阻均采用高稳定性锰铜电阻丝，以无感式绕制在磁骨加上。（5）.QJ23仪器性能稳定，灵敏度高，数据准确。2.1.1直流电桥图2.2直流电桥图2.3单臂桥应变测量电桥有3种接法，即单臂桥、半桥和全桥。2.1.2单臂桥单臂桥只有一个桥臂接应变片，其他桥臂均接性能参数稳定的标准电阻，为了便于分析，一般都取称之为等臂桥。由式(2.1)可得单臂桥电压输出表达式为单臂电桥的灵敏度为当时，由式(2.2)和式（2.3）可得(2.3)单臂桥输出电压小，灵敏度低，具有一定的非线性。2.1.3半桥图2.4半桥图2.5全桥

应变片半桥也叫双臂桥。半桥的输出电压和灵敏度都比单臂桥大一倍，且非线性得到改善。

2.1.4全桥应变片全桥(EntireBridge)是指4个桥臂都接有应变片，如图2.5所示，此时相邻桥臂所接的应变片承受相反应变，相对桥臂所接的应变片承受相同应变，即由式(2.1)可得全桥输出表达式。

全桥输出表达式为灵敏度为：

1.线性输出2.输出电压和灵敏度比半桥大一倍电桥的零位调整零位调整，以消除因各桥臂电阻不匹配引起的零位输出。

（1）电阻串联法（2）电阻并联法图2.10串联调零法图2.11并联调零法2.1.7电阻应变传感器的应用1.应变式力传感器电阻应变传感器主要用于载荷力的测量，称之为应变式力传感器(WeighingSensor)，其测力范围可以是几克到几百吨，精度可高达0.05%F·S。应变式力传感器根据所用的弹性元件不同，主要有柱式力传感器、环式力传感器和悬臂梁式传感器。2.柱式力传感器柱式力传感器是指用来感受力的弹性元件是实心或空心圆柱，如图2.12所示，应变片粘贴在圆柱的表面上，轴向粘贴的应变片与切向粘贴的个数相等，以便接成差动测量电桥。P68--692.1.8环式力传感器

环式力传感器，其弹性元件是圆形或扁形吊环，环上粘贴的应变片应便于接成差动测量电桥，即承受拉应变的应变片数等于承受压应变的应变片数。a)圆形吊形b)扁环形吊环图2.13环式力传感器式中F——载荷力(N)；E——弹性模量(N/m2)；r——圆环的平均半径(m)；h——圆环平面的径向厚度(m)，且；b——圆环平面法线方向的厚度(m)。2.1.8环式力传感器2.1.9.悬臂梁式力传感器图2.14等强度梁分析应变式力传感器的3个问题2.1.9.悬臂梁式力传感器根据测力现场需要，选择合适的弹性元件。(2)根据所选的弹性元件正确地布片，尽量使应变片保持与拉压力平行或垂直，使应变片承受最大拉应变或压应变。(3)根据应变片的布片正确地连接测量电桥，尽量选择差动测量电桥。当接差动测量电桥时，应变片应遵循接桥原则，即相邻桥臂所接的应变片承受相反应变，相对桥臂所接的应变片承受相同应变，以使差动测量电桥输出电压具有“加减特性”。2.2.电感传感器

电感传感器(InductanceSensor)是利用线圈自感和互感的变化实现非电量测量的。根据工作原理不同，电感传感器可分为自感式、互感式和涡流式3种类型，可用来测量位移、振动、转速等多种非电信号，其主要特点如下：(1)结构简单，工作可靠，寿命长。(2)灵敏度高，能分辨0.01μm的位移变化。(3)精度高，线性好，非线性误差一般为0.05%~0.1%。

自感式传感器亦称变隙式自感传感器，它是根据铁芯线圈磁路气隙的改变，引起磁路磁阻的改变，从而改变线圈自感的大小。激磁线圈分单线圈和差动两线圈两类，气隙参数的改变分变气隙长度型和变气隙截面积S型两种方式。2.2.1.单线圈自感传感器

单个线圈气隙型自感传感器工作原理如图2.18所示，图2.18a)所示为变气隙长度型，图2.18b)所示为变气隙截面积型。a)变气隙长b)变气隙截面积图2.18气隙型自感传感器原理图工作特性：单线圈的自感传感器工作特性(WorkCapability)如图2.19所示，图中是变气隙长度型工作特性曲线，L=f(S)是变气隙截面积型工作特性曲线。图2.19自感传感器特性曲线

单个线圈为自感传感器，结构简单，工作性能较差。2.2.2差动自感传感器

两线圈的变气隙式自感传感器采用两个线圈激磁，工作时两线圈的自感呈反相变化，形成差动输出，因而称之为差动自感传感器。差动自感传感器亦有变气隙长度型和变气隙截面积型两种，图2.20为变气隙长度型差动