【文章內(nèi)容簡介】 圖 218 荷重傳感器上應(yīng)變片工作示意圖 荷重傳感器原理演示 荷重傳感器上的應(yīng)變片在重力作用下產(chǎn)生變形。軸向變短，徑向變長。 應(yīng)變式力傳感器 應(yīng)變式力傳感器 F F F F 各種懸臂梁 F F 固定點(diǎn) 固定點(diǎn) 電纜 應(yīng)變式荷重傳感器的外形及應(yīng)變片的粘貼位置 F R 1 R 2 R 4 應(yīng)變式荷重傳感器外形及受力位置（續(xù)） F F 汽車衡 電子秤 磅秤 超市打印秤 遠(yuǎn)距離顯示 電子天平 電子天平的精度可達(dá)十萬分之一 人體秤 吊鉤秤 便攜式 應(yīng)變式數(shù)顯扭矩扳手 可用于汽車、摩托車、飛機(jī)、內(nèi)燃機(jī)、機(jī)械制造和家用電器等領(lǐng)域，準(zhǔn)確控制緊固螺紋的裝配扭矩。量程 2~，耗電量 ≤10mA，有公制 /英制單位轉(zhuǎn)換、峰值保持、自動(dòng)斷電等功能。 電阻應(yīng)變儀 下圖所示的靜態(tài)應(yīng)變儀測量范圍： 177。 19999με； 分辨率： 1με；電橋電壓：直流 ； 應(yīng)變片： 120Ω或其他阻值； 測量點(diǎn)數(shù)： 8/16點(diǎn)； 材料應(yīng)變的測量 斜拉橋上的斜拉繩應(yīng)變的測量 返回本章目錄 傳感器的靜態(tài)標(biāo)定和 動(dòng)態(tài)標(biāo)定 標(biāo)定 ? 標(biāo)定 —— 對新研制或生產(chǎn)的傳感器進(jìn)行 全面的技術(shù)檢定 稱為標(biāo)定； ? 校準(zhǔn) —— 將傳感器在 使用中或存放后 進(jìn)行的性能 復(fù)測 稱為校準(zhǔn)。傳感器的標(biāo)定是指在明確傳感器的輸出與輸入關(guān)系的前提下，利用某種標(biāo)準(zhǔn)器具對傳感器進(jìn)行標(biāo)度。 ? 標(biāo)定的基本方法 —— 利用標(biāo)準(zhǔn)儀器產(chǎn)生已知的非電量（如壓力、位移等）作為輸入量，輸入到待標(biāo)定的傳感器中，然后將傳感器的輸出量與輸入的標(biāo)準(zhǔn)量相比較， 獲得一系列校準(zhǔn)數(shù)據(jù)或曲線 。有時(shí)輸入的標(biāo)準(zhǔn)量是利用一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)傳感器檢測而得，這時(shí)的標(biāo)定實(shí)質(zhì)上是待標(biāo)定傳感器與標(biāo)準(zhǔn)傳感器之間的比較。 傳感器的標(biāo)定系統(tǒng)一般由以下幾部分組成： （ 1）被測非電量的 標(biāo)準(zhǔn)發(fā)生器 ，如活塞式壓力計(jì)、測力機(jī)、恒溫源等； （ 2）被測非電量的 標(biāo)準(zhǔn)測試系統(tǒng) ，如標(biāo)準(zhǔn)壓力傳感器、標(biāo)準(zhǔn)力傳感器、標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)等； （ 3） 待標(biāo)定 傳感器所配接的信號(hào)調(diào)節(jié)器、顯示器和記錄器等，其精度是已知的。 ? 為了保證各種量值的準(zhǔn)確一致，標(biāo)定應(yīng)按計(jì)量部門規(guī)定檢定規(guī)程和管理辦法進(jìn)行。各種標(biāo)準(zhǔn)量值都有一個(gè)傳遞系統(tǒng)，圖 121給出了力值傳遞系統(tǒng)。 ? 按此系統(tǒng)，只能 用上一級標(biāo)準(zhǔn)裝置檢定下級傳感器及配套的儀器 。如果待定的傳感器精度較高，可以跨級使用更高級的標(biāo)準(zhǔn)裝置。 ? 工程測試所用傳感器的標(biāo)定應(yīng)在與其使用條件相似的環(huán)境下進(jìn)行。有時(shí)為了獲得較高的標(biāo)定精度，可將傳感器與其配用的電纜、放大器等測試系統(tǒng)一起標(biāo)定。有些傳感器標(biāo)定時(shí)還應(yīng)注意規(guī)定安裝技術(shù)條件。 圖 121 力值傳遞系統(tǒng) 靜態(tài)標(biāo)定 ? 靜態(tài)標(biāo)定是指在 靜態(tài)標(biāo)準(zhǔn)條件 下，對傳感器的靜態(tài)特性、靜態(tài)靈敏度、非線性、遲滯、重復(fù)性等性能指標(biāo)的確定。 ? 1. 靜態(tài)標(biāo)準(zhǔn)條件 ? 靜態(tài)標(biāo)準(zhǔn)條件是指沒有加速度、振動(dòng)、沖擊（除非這些參數(shù)本身是被測量），環(huán)境溫度一般為（ 20177。 5） ℃ ，相對濕度不大于 85%，大氣壓力為 177。 。 2. 標(biāo)準(zhǔn)儀器設(shè)備的精度等級的確定 ? 按照國家規(guī)定，各種量值傳遞系統(tǒng)在標(biāo)定傳感器時(shí)所用的標(biāo)準(zhǔn)儀器及設(shè)備至少要比被標(biāo)定的傳感器的精度 高一個(gè)等級 。只有這樣，通過標(biāo)定確定的傳感器的靜態(tài)性能才是可靠的，所確定的精度才是可信的。 （ 1） 標(biāo)準(zhǔn)器 ：標(biāo)準(zhǔn)器應(yīng)有足夠的精度，其允許的基本誤差不應(yīng)超過被校 傳感器允許基本誤差的 1/5～ 1/10，并具有計(jì)量部門周期檢定的合格 證書。 （ 2） 電源 ：按傳感器要求配備，其穩(wěn)定度按傳感器技術(shù)要求確定，一般 應(yīng)為被校傳感器精度的 1/5～ 1/10。 （ 3）讀數(shù)記錄和數(shù)據(jù)處理裝置，要求其精度為被校傳感器精度的 1/3～ 1/10。 ? 對以上三部分設(shè)備的共同要求是：具有合適的測量范圍，性能穩(wěn)定可靠，操作使用方便。 3. 對被校傳感器的要求 （ 1）外觀完整，并附有生產(chǎn)廠家按技術(shù)條件所規(guī)定的技術(shù)指標(biāo)或銘牌，銘牌應(yīng)標(biāo)明傳感器名稱、制造廠、型號(hào)、規(guī)格、出廠編號(hào)、出廠年月。 （ 2）傳感器電源輸入線和輸出線應(yīng)有明顯區(qū)別，并給出線路連接圖，標(biāo)定時(shí)應(yīng)同時(shí)將與傳感器配套的設(shè)備，電纜一起標(biāo)定。 4. 標(biāo)定過程及步驟 （ 1）將傳感器全量程（測量范圍）分成若干個(gè)等間隔點(diǎn)； （ 2）按照等間隔點(diǎn)，由小到大逐一輸入標(biāo)準(zhǔn)量值，并記錄下與各 輸入值相對應(yīng)的輸出值； （ 3）再由大到小逐一輸入標(biāo)準(zhǔn)量值，同時(shí)記錄對應(yīng)的各輸出值； （ 4）按（ 2）、（ 3）所述過程，對傳感器進(jìn)行正、反行程反復(fù)循 環(huán)多次測試，將得到的輸出、輸入測試數(shù)據(jù)用表格列出或畫 成曲線； （ 5）對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的處理，根據(jù)處理結(jié)果，可以確定傳感 器的線性度、靈敏度、滯后和重復(fù)性等靜態(tài)特性指標(biāo)。 動(dòng)態(tài)標(biāo)定 ? 傳感器的動(dòng)態(tài)標(biāo)定主要是研究傳感器的 動(dòng)態(tài)響應(yīng) 及與動(dòng)態(tài)響應(yīng)有關(guān)的參數(shù)。 ? 對一階傳感器只有一個(gè)時(shí)間常數(shù) ? 對二階傳感器則有固有頻率 和阻尼比 兩個(gè)參數(shù)。 ?? ?1. 標(biāo)準(zhǔn)儀器設(shè)備的精度等級的確定 ? 對于動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)系統(tǒng)，除具備靜態(tài)標(biāo)定對儀器設(shè)備精度等級要求外，還必須具有足夠的動(dòng)態(tài)響應(yīng)范圍。 ? 一般要求動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的工作頻率范圍應(yīng) 大于被校準(zhǔn)傳感器的 5—10倍 ，上升時(shí)間應(yīng)小于被校準(zhǔn)傳感器上升時(shí)間的 1/5。如：標(biāo)準(zhǔn)傳感器的精度為 %，被校傳感器的精度可在 %～%之內(nèi)；標(biāo)準(zhǔn)傳感器的精度為： %，被校： %～ %。 2. 傳感器進(jìn)行動(dòng)態(tài)標(biāo)定常用的標(biāo)準(zhǔn)激勵(lì)源 （ 1） 周期性函數(shù) ，如正弦波、三角波等， 以正弦波信號(hào)為常用； （ 2）瞬變函數(shù)，如階躍函數(shù)、半正弦波 等，以階躍信號(hào)為常用。 3. 標(biāo)定方法 ?對被標(biāo)定傳感器輸入標(biāo)準(zhǔn)激勵(lì)信號(hào)，測得輸出數(shù)據(jù)，做出輸出值與時(shí)間的關(guān)系曲線。由輸出曲線與輸入標(biāo)準(zhǔn)激勵(lì)信號(hào)比較可以標(biāo)定傳感器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間常數(shù)、幅頻特性及相頻特性等。 電容式傳感器測量 轉(zhuǎn)換電路 ? 電容式傳感器把被測物理量轉(zhuǎn)換為電容變化后 ,還要經(jīng)測量轉(zhuǎn)換電路將電容量轉(zhuǎn)換成 電壓或電流 信號(hào)，以便記錄、傳輸、顯示、控制等。 ? 常見的電容式傳感器測量轉(zhuǎn)換電路有 橋式電路、調(diào)頻電路、運(yùn)算放大器電路等。 電容式傳感器 ? 電容式傳感器是指能將被測物理量的變化轉(zhuǎn)換為電容變化的一種傳感元件 。 電容式傳感器的測量原理框圖如圖 233所示 。 電容敏感元件 轉(zhuǎn)換電路 輸出顯示被測物理量 C U 、 I圖 233 電容式傳感器的測量原理框圖 0 r AACdd?????一個(gè)平行板電容器，如果不考慮其邊緣效應(yīng)，則電器的容量 上式中，哪幾個(gè)參量是變量？可以做成哪幾種類型的電容傳感器？ 電容式傳感器的分類及特點(diǎn) ? 特點(diǎn)：電容式傳感器的結(jié)構(gòu)簡單，分辨率高，工作可靠，非接觸測量，并能在高溫、輻射、強(qiáng)烈振動(dòng)等惡劣條件下工作，易于獲得被測量與電容量變化的線性關(guān)系，可用于力、壓力、壓差、振動(dòng)、位移、加速度、液位、料位、成分含量等測量。 平板形 圓柱形 變間隙式 變面積式 變介電常數(shù)式 分類 電容式傳感器的各種結(jié)構(gòu) 圖 235 電容式傳感元件的各種結(jié)構(gòu)類型 當(dāng)動(dòng)極板受被測物體作用引起位移時(shí)，改變了兩極板之間的距離 d，從而使電容量發(fā)生變化。 實(shí)際使用時(shí) ， 總是使初始極距 d0盡量小些 ， 以提高靈敏度 ， 但這也帶來了變間隙式電容器的行程較小的缺點(diǎn) 。 變間隙式電容傳感器 變間隙式電容傳感器的特性曲線 從圖中可以看到，為了提高靈敏度，應(yīng)使當(dāng)d0小些還是大些？當(dāng)變間隙式電容傳感器的初始極距 d0較小時(shí)，它的測量范圍變大還是變小？ a） 結(jié)構(gòu)示意圖 b）電容量與極板距離的關(guān)系 1—定極板 2—?jiǎng)訕O板 為了提高測量的靈敏度，減小非線性誤差，實(shí)際應(yīng)用時(shí)常采用差動(dòng)式結(jié)構(gòu)。 圖 238 差動(dòng)式電容器結(jié)構(gòu) 1 2 002 dC C C Cd?? ? ? ?002CdCd???輸出靈敏度提高了一倍 變極距式電容傳感器特點(diǎn) ? 起始電容在 20?100pF之間，只能測量微小位移（微米級，25?200um ）。 ? d0過小時(shí)，電容容易擊穿，可在極板間放置云母片來改善，云母片的相對介電常數(shù)是空氣的 7倍，擊穿電壓不小于1000kV/mm，而空氣僅為 3kV/mm。有了云母片，極板間起始間距可大大減小，傳感器的輸出線性度可得到改善。 ? d0： 25?200um ? d0/10 d? 變面積式電容傳感器 dbxCK ??????00() ( ) ( 1 )xa x b a x xC C Cd a a? ??? ? ? ?0CxCa? ??圖 239 變面積式電容傳感器結(jié)構(gòu)原理 電容量變化為 其靈敏度 變面積式電容傳感器的特性 變面積式電容傳感器的 輸出特性是線性的，靈敏度是常數(shù) 。這一類傳感器多用于檢測直線位移、角位移、尺寸等參量。 請畫出變面積式電容傳感器的輸出特性曲線！ 2. 圓柱形變面積電容傳感器 ? 當(dāng)外力使電容器的動(dòng)極板（內(nèi)圓柱）發(fā)生位移后，電容器的電容量變?yōu)? 02l n ( )lCRr???02 ( ) ( 1 )l n ( )xl y yCCR r l?? ?? ? ?0CxCl? ??電容量的相對變化為 212AR??扇形面積 3. 半圓形變面積電容傳感器 ? 設(shè)兩極板全重合（ θ =0）時(shí)的電容量為 C0。動(dòng)片轉(zhuǎn)動(dòng)角度θ 后，電容量變?yōu)?Cθ 00CCC? ? ???0CC? ? ?? ? ?0CC??? ??角度的變化與電容的變化成線性關(guān)系 電容量變化 ?由上述三種類型的變面積電容傳感器可以看出，電容的相對變化與位移的大小成正比，但方向相反，因?yàn)?面積變化總是在減小 。 ?變面積電容式位移傳感器的特點(diǎn)：可以測量較大位移的變化，常為 厘米級位移量 。為了提高測量靈敏度，變面積電容傳感器也常做成差動(dòng)式結(jié)構(gòu)。這樣其輸出靈敏度可提高一倍。 提高靈敏度的方法 差動(dòng)連接 平板差動(dòng)電容器 旋轉(zhuǎn)形差電容器 圓柱形差動(dòng)電容器 圖 240 變面積差動(dòng)電容傳感器結(jié)構(gòu) 因?yàn)楦鞣N介質(zhì)的相對介電常數(shù)不同，所以在電容器兩極板間插入不同介質(zhì)時(shí)，電容器的電容量也就不同。 幾種介質(zhì)的相對介電常數(shù) 變介電常數(shù)式電容傳感器 (c) 液位傳感器 圖 38 液位傳感器的等效電路 C2 C1 C 圓筒式液位傳感器 首先 ? ?12 00 2 r/rln hC ???? ?12002r/rlnhC ???2r2 2r1 h hx ? ?1212r/rlnhC x??? ? ?? ?12022r/rlnhhC x?? ???RRF ???? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?）（ 193 2222000012012012012??????????xxxxhhCCr/rlnhr/rlnhr/rlnhhr/rlnhC????????????? ?hhCC x000 ???? ??與被測液位 hx成線性關(guān)系。 ? ?12 00 2 r/rln hC ???2r2 2r1 h hx 電容式傳感器測量 轉(zhuǎn)換電路 ? 電容式傳感器把被測物理量轉(zhuǎn)換為電容變化后 ,還要經(jīng)測量轉(zhuǎn)換電路將電容量轉(zhuǎn)換成 電壓或電流 信號(hào)，以便記錄、傳輸、顯示、控制等。 ? 常見的電容式傳感器測量轉(zhuǎn)換電路有 橋式電路、調(diào)頻電路、運(yùn)算放大器電路等。 ?單臂電橋： 電容 Cx1 、 C C C4 構(gòu)成電橋的四臂， Cx1 為電容傳感器 ,當(dāng)Cx1 改變時(shí)， U0≠0 ，有輸出電壓 由于電橋輸出電壓與電源電壓成比例，因此要求電源電壓波動(dòng)極小，需要采用穩(wěn)幅、穩(wěn)頻等措施 。 1. 橋式測量電路 1 3 2 401 2 3 4()( ) ( ) iZ Z Z ZUUZ