第一部分模擬感測器
第一章各種原理感測器簡介
表徵物質特性或其運動形式的引數很多，對這些引數有各種分類方法，通常就其電學特徵來分，可分為電量和非電量。
非電量電測法，是對非電量進行測量的諸多方法中，使用較為廣泛的一種。其原理是，把被測非電量變換成與之有一定關係的電量，並用相應的電工儀表或電子儀器來測量，從而得到被測非電量的測量結果。
對非電量變換為電量的技術，被稱作非電量電測變換技術，實現該變換技術的具體器件或裝置叫做感測器。其通用的系統原理框圖如下所示：待測
非電量t': 'span', 'c': '輔助電源', 'r': 'r_15'}]
其中，各部分所起的作用分別為：
：將被測非電量變換成與其有一定關係的電訊號。
：將感測器的輸出電訊號進行調整（如放大、衰減）、處理（如運算、調製）和變換（如a-d、d-a轉換），使其電訊號便於顯示裝置顯示和記錄。在自動控制系統中，該電訊號也被送到調節器中進行反饋控制。
：其主要作用是將測量電路輸出的電訊號顯示成被測的、具體的非電量數值。
：由於某些非電量電測系統中，其測量電路、感測器需外加電源。
感測器一般常用的分類方法有兩種：
（1）按被測物件的引數分
溫度感測器、壓力感測器、流量感測器、位移感測器、液位感測器、力感測器、加速度感測器、轉矩感測器、濃度感測器等。
（2）按變換原理分
電學式感測器、光電式感測器、熱學式感測器、磁學式感測器、電化學式感測器等。
第二章電阻應變式稱重感測器的工作原理
電阻應變式稱重感測器（以下簡稱稱重感測器）的工作原理可以分下述三個相互關聯的階段加以說明。第一階段，被測負荷作用在彈性體上，使彈性體產生相應的彈性變形；第二階段，通過貼上在彈性體上的電阻應變計，被彈性體的彈性變形轉換為電阻應變計電阻的變化（電阻增大或減少）；第三階段，再通過測量電路將電阻應變計電阻的變化，轉換為電訊號（電壓或電流）輸出。由此也可以看出，稱重感測器是由彈性體、電阻應變計，測量電路等三個主要部分組成的。
下面將就這三個主要組成部分分別加以論述。
1．彈性體
彈性體是乙個具有特殊形狀的結構型彈性元件，它的功能有兩個，一是承受稱重感測器的被測負荷，並對被測負荷產生反作用力；二是將被測負荷圍攏為彈性變形，並產生乙個高質量的均勻的應力場，使貼上在此區的電阻應變計比較理想地完成應變——電阻的轉換任務。
以bm—ls型稱重感測器為例，介紹一下力與應變的關係及應力場中應力的分布情況。
bm—ls型橋式稱重感測器彈性體的受力情況如圖2—1所示。電阻應變計的貼上部位選在工字梁腹板的中間部位。由材料力學可知，電阻應變計貼上部位的剪下應力（τ）為：
2-1）
式中：f—被測負荷；iz—慣性矩；b、b、h、h——為工字梁的幾何尺寸
(abc)
圖2-1
a—彈性體受力簡圖
b—a—a截面中心單元體應力狀態；
c—a—a截面工字梁腹板的剪應力分布；
由式可以看出，沿工字梁腹板高度剪應力是按拋物線規律分布的，其最大和最小剪應力分別為：
2-2）
2-3）
因工字梁腹板的厚度b遠小於翼緣的寬度b，所以從（2-2）和（2-3）兩式中可以看出，τmax與實際上相關不大，可以認為腹板上剪應力大致是均勻分布的，這就為貼上電阻應變計提供了乙個近似於均勻分布的應力場，這對保證稱重感測器的效能指標是必須的。下面列出電阻應變計貼上部位中心處所受應變（ε）的表示式：
2-4）
2-5）
式中：μ—泊松係數；e-—楊式模量
需說明的是，以上分析的應力狀態均是「區域性」情況，而電阻應變計實際感受的是「平均」狀態。
2．電阻應變計
電阻應變計是乙個能將彈性體的應變數轉換成電阻變化量的敏感元件。它主要由敏感柵、基底、引線、覆蓋層等組成。根據敏感柵結構的不同，電阻應變計一般可分為絲式應變計、箔式應變計、薄膜式應變計等幾種，但製造稱重感測器最常用的是箔式應變計。
下面我們以敏感柵的一根柵絲為例，對其工作原理加以說明。執行標準gb/t13992-92《電阻應變計》。
如圖2-2所示的柵絲（金屬絲），其長度為l，截面為圓形半徑為r，截面積為s，電阻率為ρ，泊松係數為μ。
圖2-2
當柵絲未受外力作用時，其電阻r可用下式表示：
2-6）
當它的兩端受外力f作用時，它的長度l將會伸長，截面積s將縮小。令其變化量分別為δl和δs，由金屬的電阻應變可知，其柵絲的電阻r將會發生變化，令其變數為δ，則對（2-6）式兩端取對數微分得：
（2-7)
由於柵絲的截面積s=πr2，則同樣可得：
2-8）
又因：(2-9）
所以，將式（2-8）、（2-9）代入（2-7）可知
2-10）
（2-11）
在材料力學中，我們稱δl/l為應變，記作：ε，用它來表示彈性變形的大小，式（2-11）可記為：
（2-12）
式（2-12）雖然是從一根絲柵的變形匯出的，但它具有普通意義，它說明了電阻應變計電阻變化量與彈性體變形之間的關係。
k為電阻應變計的靈敏度係數，它是由製作敏感柵的材料的性質所決定的，它與電阻應變計的形狀，尺寸無關。例如，我們常用的箔式應變計敏感柵的材料為康銅合金，它的靈敏度係數k等於2.1。
我公司採用的箔式應變計見圖2-3。
圖2-3
3．測量電路
測量電路的功能是把電阻應變計的電阻變化為電訊號（電壓）輸出。它將貼上在彈性體上的電阻應變計連線成差動式惠斯登電橋。由於差動式電橋的靈敏度高，各臂引數一致，各種干擾的影響容易相互抵消，而且還可以比較方便地解決稱重感測器的補償問題，所以稱重感測器均採用差動式惠斯登電橋作為測量電路，其電路圖參見圖2-4。
圖2-4 惠斯登電橋
圖中：r1，r2，r3，r4——電阻應變計
u1————激勵電壓
u0=————輸出電壓
根據圖2-4的電路我們可以得出：
2-13）
當r1·r3=r2·r4時，我們稱之類電橋平衡，此時u0=0。我們在組橋時，令r1、r3的阻值隨彈性體的變形減少；r2，r4的阻值隨彈性體的變形增加，且其變化量為δr1，δr2，δr3，δr4，則稱重感測器受負荷作用時，其輸出u0可用下式描述。
2-14）
式（2-13）適合計算稱重感測器未受負荷作用時的零點平衡輸出；式（2-14）適合計算稱重感測器受負荷作用時的輸出電壓。
以上是理想的稱重感測器測量電路，而製作感測器時需要對影響感測器效能的溫度因素加以補償，實際的電阻應變式感測器電路圖如下：
r1,r2,r3,r4 ：電阻應變計
rn1,rn2 ： 溫感電阻器
rp1,rp2 ： 溫感調整電阻
rl1,rl2 ： 非線性補償電（僅用於柱式感測器）
rs1,rs2 ：非線性調整電阻
rc1,rc2 ：靈敏度調整電阻
零點平衡補償電阻
溫度零點補償電阻
ein ：供橋電壓
eout ：輸出訊號
第三章稱重感測器的分類
一、按稱重感測器的結構形式分類。
稱重感測器根據其使用要求的不同可以設計成多種多樣的結構形式。彈性體是稱重感測器的基礎部件，是被測負荷的直接者，因而稱重感測器的結構形式也是由彈性體的結構形式所決定。根據彈性體結構形式的不同，稱重感測器可分為：
橋式、柱式、懸臂梁式、輪輻式、板環式、雙平行梁式、軸對稱環式及s型等結構形式。圖2-5列出了以上各種結構形式的稱重感測器的結構簡圖。
(a)橋式 （b）柱式 （c）懸臂梁式 （d）輪輻式
（e）板環式 （f）雙平行梁式 （g）軸對稱環式 (h)s型
圖2-5
二、按稱重感測器輸出訊號分類
稱重感測器輸出訊號可分為兩類：
1．模擬稱重感測器。電阻應變式稱重感測器輸出訊號為毫伏級的電壓訊號，稱為模擬稱重感測器。
2．數字稱重感測器。在模擬稱重感測器的基礎上，增加數模轉換裝置和cpu處理器，將模擬稱重感測器的測量訊號經過放大、濾波，由模數轉換器轉換為數字量，測量訊號再經過微處理器處理，通過rs-485串列埠傳輸。
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第2章感測器的基礎知識 2學時 本章主要內容 2.1感測器的基本概念 1感測器的定義 2感測器的組成 3感測器的分類 2.2感測器的基本特性 一 靜態特性 二.動態特性 三 感測器的互換性 2.3 感測器的標定和校準 一.基本概念 二.感測器的標定工作分類 三.靜態標定 四 動態標定 五.標定過程步...