應(yīng)變片傳感器的應(yīng)用：AOVX云息通信資產(chǎn)監(jiān)測設(shè)備中關(guān)于I2C接口的電平轉(zhuǎn)換問題
人們?yōu)榱藦耐饨绔@取信息，必須借助于感覺器官。而單靠人們自身的感覺器官，在研究自然現(xiàn)象和規(guī)律以及生產(chǎn)活動中它們的功能就遠遠不夠了。為適應(yīng)這種情況，就需要傳感器。因此可以說，傳感器是人類五官的延長，又稱之為電五官。
那什么是傳感器呢？
官方的定義是：傳感器是一種檢測裝置，能感受到被測量的信息（例如：溫度，血壓，濕度，速度等），并能將感受到的信息，按一定規(guī)律變換成為電信號或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。
通俗的解釋就是，可以感知周圍環(huán)境或者特殊物質(zhì)，比如氣體感知、光線感知、溫濕度感知、人體感知等等，把模擬信號轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號，給中央處理器處理，最終結(jié)果形成氣體濃度參數(shù)、光線強度參數(shù)、范圍內(nèi)是否有人探測、溫度濕度數(shù)據(jù)等。
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傳感器技術(shù)作為信息技術(shù)的三大基礎(chǔ)之一，是當(dāng)前各發(fā)達國家競相發(fā)展的高技術(shù)，也是進入21世紀(jì)以來優(yōu)先發(fā)展的十大頂尖技術(shù)之一。由此可見，傳感器技術(shù)在發(fā)展經(jīng)濟、推動社會進步方面的重要作用，是十分明顯的。
作為信息采集系統(tǒng)的前端單元，傳感器的作用越來越重要。本文就來給大家介紹一下有關(guān)傳感器的相關(guān)知識，帶大家了解一下傳感器技術(shù)的發(fā)展歷史，并通過簡述實例給大家說明一下傳感器的8大應(yīng)用場景。
一、傳感器的功能分類
傳感器的存在和發(fā)展，讓物體有了觸覺、味覺和嗅覺等感官，讓物體慢慢變得活了起來。通常根據(jù)其基本感知功能分為熱敏元件、光敏元件、氣敏元件、力敏元件、磁敏元件、濕敏元件、聲敏元件、放射線敏感元件、色敏元件和味敏元件等十大類。
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我們也常將傳感器的功能與人類5大感覺器官相比擬：
光敏傳感器——視覺聲敏傳感器——聽覺氣敏傳感器——嗅覺化學(xué)傳感器——味覺壓敏、溫敏、流體傳感器——觸覺
敏感元件的分類：
物理類，基于力、熱、光、電、磁和聲等物理效應(yīng)?；瘜W(xué)類，基于化學(xué)反應(yīng)的原理。生物類，基于酶、抗體、和激素等分子識別功能。
這種分類方法明確地說明了傳感器的用途，給用戶提供了方便，容易根據(jù)測量對象來選擇所需要的傳感器。
二、傳感器技術(shù)的發(fā)展
中國傳感器產(chǎn)業(yè)正處于由傳統(tǒng)型向新型傳感器發(fā)展的關(guān)鍵階段，它體現(xiàn)了新型傳感器向微型化、多功能化、數(shù)字化、智能化、系統(tǒng)化和網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展的總趨勢。傳感器技術(shù)歷經(jīng)了多年的發(fā)展，其技術(shù)的發(fā)展大體可分三代：
第一代是結(jié)構(gòu)型傳感器，它利用結(jié)構(gòu)參量變化來感受和轉(zhuǎn)化信號。
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第二代是上70年代發(fā)展起來的固體型傳感器，這種傳感器由半導(dǎo)體、電介質(zhì)、磁性材料等固體元件構(gòu)成，是利用材料某些特性制成。如：利用熱電效應(yīng)、霍爾效應(yīng)、光敏效應(yīng)，分別制成熱電偶傳感器、霍爾傳感器、光敏傳感器。
第三代傳感器是以后剛剛發(fā)展起來的智能型傳感器，是微型計算機技術(shù)與檢測技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，使傳感器具有一定的人工智能。
三、傳感器的應(yīng)用
傳感器早已滲透到諸如工業(yè)生產(chǎn)、宇宙開發(fā)、海洋探測、環(huán)境保護、資源調(diào)查、醫(yī)學(xué)診斷、生物工程、甚至文物保護等等極其廣泛的領(lǐng)域?？梢院敛豢鋸埖卣f，從茫茫的太空，到浩瀚的海洋，以至各種復(fù)雜的工程系統(tǒng)，幾乎每一個現(xiàn)代化項目，都離不開各種各樣的傳感器。那么傳感器在我們?nèi)粘Ｉ詈凸ぷ髦杏心男?yīng)用呢？
1、自動感應(yīng)設(shè)備：自動門、自動水龍頭、自動沖水馬桶、自動烘手機、自動感應(yīng)燈等，利用人體的紅外微波來開關(guān)門。
自動感應(yīng)設(shè)備 丨
2、煙霧報警：煙霧報警器，利用煙敏電阻來測量煙霧濃度，從而達到報警目的。
煙霧報警 丨
3、光感攝像頭：手機、數(shù)碼相機的照相機，利用光學(xué)傳感器來捕獲圖像。
光感攝像頭 丨
4、電子秤：利用力學(xué)傳感器（導(dǎo)體應(yīng)變片技術(shù)）來測量物體對應(yīng)變片的壓力，從而達到測量重量的目的。
電子秤丨
5、物流監(jiān)控：水位報警，溫度報警，濕度報警，光學(xué)報警等。國內(nèi)物流供應(yīng)鏈監(jiān)控解決方案提供商云尚通信研發(fā)的物流供應(yīng)鏈可視化監(jiān)控終端就采用了溫濕度傳感器、光感傳感器、運動傳感器等，并廣泛應(yīng)用于在途貨物的狀態(tài)監(jiān)控及跟蹤定位。
物流監(jiān)控 丨
6、機器人：智能機器人使用的關(guān)鍵硬件包括驅(qū)動器、減速器和傳感器等，智能傳感器作為機器人的“五官”，在采集外界信息數(shù)據(jù)上發(fā)揮著重要作用。
機器人 丨
7、智能可穿戴設(shè)備：傳感器在可穿戴設(shè)備中起到至關(guān)重要的作用，因為可穿戴設(shè)備最基本的功能就是通過傳感器實現(xiàn)運動傳感。
智能可穿戴設(shè)備 丨
8、無人機：無人機是當(dāng)下非常流行的智能硬件，其智能飛控系統(tǒng)的實現(xiàn)需要用到各種智能傳感器，包括IMU、MEMS加速度計、電流傳感器、傾角傳感器和發(fā)動機進氣流量傳感器等。
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應(yīng)變片傳感器的應(yīng)用：應(yīng)變式傳感器
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應(yīng)變式傳感器
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應(yīng)變式傳感器是基于測量物體受力變形所產(chǎn)生的應(yīng)變的一種傳感器。電阻應(yīng)變片則是其最常采用的傳感元件。它是一種能將機械構(gòu)件上應(yīng)變的變化轉(zhuǎn)換為電阻變化的傳感元件。
中文名
應(yīng)變式傳感器
組 成
敏感柵、基底、引線、蓋片
主要用途
測量力、力矩、壓力
種 類
絲式電阻應(yīng)變片和箔式電阻應(yīng)變片
目錄
1
基本描述
2
主要用途
3
原理
4
特性
?
種類及結(jié)構(gòu)
?
基本特性
?
靈敏系數(shù)
?
橫向效應(yīng)
?
工作電流
?
溫度誤差
5
應(yīng)用
6
優(yōu)點
應(yīng)變式傳感器基本描述
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語音
利用電阻應(yīng)變片將應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電阻變化的傳感器
應(yīng)變式傳感器主要用途
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測量力、力矩、壓力、加速度、重量等
應(yīng)變式傳感器原理
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圖1 應(yīng)變片的基本構(gòu)造
電阻應(yīng)變片的基本構(gòu)造如圖1，它一般由敏感柵、基底、引線、蓋片等組成。敏感柵由直徑為0.01-0.05mm、高電阻系數(shù)的細(xì)絲彎曲而成柵狀，它實際上是一個電阻元件，是電阻應(yīng)變片感受構(gòu)件應(yīng)變的敏感部分。敏感柵用粘合劑將其固定在基底上?；椎淖饔脩?yīng)保證將構(gòu)件上應(yīng)變準(zhǔn)確地傳遞到敏感柵上去。因此它必須作得很薄，一般為0.03-0.06mm，使它能與試件及敏感柵牢固地粘結(jié)在一起。另外它還應(yīng)有良好的絕緣性能、抗潮性能和耐熱性能?；撞牧嫌屑?、膠膜、玻璃纖維布等。紙具有柔軟、易于粘貼、應(yīng)變極限大和價格低廉等優(yōu)點，但耐溫耐濕性差，一般工作溫度低于70℃下采用。為了提高耐濕耐久性和使用溫度，可浸以酚醛樹脂類粘合劑使用溫度可提高至180℃，且時間穩(wěn)定性好，適用于測力等傳感器使用。膠膜基底是由環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂、聚脂樹脂和聚酰亞胺等有機粘合劑制成的薄膜，膠膜基底具有比紙更好的柔性、耐濕性和耐久性，且使用溫度可達100-300℃。玻璃纖維布能耐400-450℃高溫，多用做中溫或高溫應(yīng)變片基底。引出線的作用是將敏感柵電阻元件與測量電路相連接，一般由0.1-0.2mm低阻鍍錫銅絲制成，并與敏感柵兩輸出端相焊接。在測試時，將應(yīng)變片用粘合劑牢固地粘貼在被測試件的表面上，隨著試件受力變形，應(yīng)變片的敏感柵也獲得同樣的變形，從而使其電阻隨之發(fā)生變化，而此電阻變化是與試件應(yīng)變成比例的，因此如果通過一定測量線路將這種電阻變化轉(zhuǎn)換為電壓或電流變化，然后再用顯示記錄儀表將其顯示記錄下來，就能知道被測試件應(yīng)變量的大小。
應(yīng)變式傳感器特性
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應(yīng)變式傳感器種類及結(jié)構(gòu)
種類：常見的有絲式電阻應(yīng)變片和箔式電阻應(yīng)變片兩種。
圖3-2
應(yīng)變式傳感器基本特性
幾個概念——變形、彈性變形、彈性元件基本特性——剛度、靈敏度剛度——彈性元件受外力作用下變形大小的量度。靈敏度——單位力作用下彈性元件產(chǎn)生變形的大小。剛度的倒數(shù)。
應(yīng)變式傳感器靈敏系數(shù)
定義K=(ΔR/R)/εt為應(yīng)變片的靈敏系數(shù)。它表示安裝在被測試件上的應(yīng)變在其軸向受到單向應(yīng)力時，引起的電阻相對變化(ΔR/R)與其單向應(yīng)力引起的試件表面軸向應(yīng)變(εt)之比。注：應(yīng)變片的靈敏系數(shù)并不等于其敏感柵整長應(yīng)變絲的靈敏系數(shù)，這是因為在單向應(yīng)力產(chǎn)生應(yīng)變時，應(yīng)變片的靈敏系數(shù)除受到敏感柵結(jié)構(gòu)形狀、成型工藝、粘結(jié)劑和基底性能的影響外，尤其受到柵端圓弧部分橫向效應(yīng)的影響。
應(yīng)變式傳感器橫向效應(yīng)
結(jié)果：應(yīng)變片的靈敏度比電阻絲的靈敏度要小解決辦法：多采用箔式應(yīng)變片
應(yīng)變式傳感器工作電流
絕緣電阻——已粘貼的應(yīng)變片的引線與被測件之間的電阻值Rm。絕緣電阻越大越好。最大工作電流——已安裝的應(yīng)變片允許通過敏感柵而不影響其工作特性的最大電流Imax。工作電流大，敏感度高，但也會使應(yīng)變片過熱，應(yīng)視材料選取不同的電流。
[1]
應(yīng)變式傳感器溫度誤差
應(yīng)變片的溫度誤差——由于測量現(xiàn)場環(huán)境溫度的改變而給測量帶來的附加誤差。電阻應(yīng)變片的溫度補償方法：（1）線路補償法初始狀態(tài) Uo=A（R1 R4- RB R3）=0溫度變化后 Uo=A[（R1+ΔR1t）R4-(RB+ΔRBt)R3]=0承受應(yīng)變后 Uo=A[（R1+ΔR1t+ΔR1）R4-(RB+ΔRBt)R3]=AΔR1R4=AR1R4Kε
（2）應(yīng)變片的自補償法
[1]
電阻應(yīng)變片的測量電路
應(yīng)變式傳感器應(yīng)用
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1.
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應(yīng)變式傳感器優(yōu)點
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應(yīng)變式傳感器具有很多優(yōu)點：1、分辨力高，能測出極微小的應(yīng)變，如1-2微應(yīng)變；2、誤差較小，一般小于1%；3、尺寸小、重量輕。4、測量范圍大，從彈性變形一直可測至塑性變形（1-2%），最大可達20%；5、既可測靜態(tài)，也可測快速交變應(yīng)力；6、具有電氣測量的一切優(yōu)點，如測量結(jié)果便于傳送、記錄和處理；7、能在各種嚴(yán)酷環(huán)境中工作。如從宇宙真空至數(shù)千個大氣壓；從接近絕對零度低溫至近1000℃高溫；離心加速度可達數(shù)十萬個“g”；在振動、磁場、放射性、化學(xué)腐蝕等條件下，只要采取適當(dāng)措施，亦能可靠地工作；8、價格低廉、品種多樣，便于選擇和大量使用。
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應(yīng)變式傳感器工作原理及應(yīng)用
應(yīng)變式傳感器是一種用金屬彈性體將力轉(zhuǎn)換為電信號的功能元件，一般由電阻應(yīng)變計、彈性體、傳輸電路三部分組成。它是通過安裝在彈性體敏感表面的電阻應(yīng)變計組成的惠斯通電橋電路，在外加電源的激勵下，實現(xiàn)“力—應(yīng)變—電阻—電信號變化”四個轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)轉(zhuǎn)化的一種力敏傳感器。電阻應(yīng)變式傳感器基本...
2019-09-290
閱讀83
參考資料
1.
陳杰．傳感器與檢測技術(shù)：高等教育出版社，2002.8：40
應(yīng)變片傳感器的應(yīng)用：應(yīng)變片傳感器的應(yīng)用.ppt
第13章 小型稱重系統(tǒng)設(shè)計 13.1 設(shè)計任務(wù) 13.1 設(shè)計任務(wù) 本例是利用金屬箔式應(yīng)變片設(shè)計一個小型稱重裝置。硬件部分是在Multisim中仿真設(shè)計，軟件顯示與分析部分由LabVIEW虛擬儀器完成。本設(shè)計完成過程中需要掌握以下幾點： 1）掌握金屬箔式應(yīng)變片的應(yīng)變效應(yīng)，單臂、全橋電橋 工作原理和性能。 2）學(xué)會利用應(yīng)變片原理建立仿真模型。 3）比較單臂與全橋電橋的不同性能、了解其特點。 4）學(xué)會使用全橋電路。 5）會使用G語言編程實現(xiàn)虛擬儀器的功能。 13.2 測量電路原理與設(shè)計 13.2.1 傳感器模型的建立 電阻應(yīng)變片的工作原理是基于電阻應(yīng)變效應(yīng)，即在導(dǎo)體產(chǎn)生機械變形時，它的電阻值相應(yīng)發(fā)生變化。應(yīng)變片是由金屬導(dǎo)體或半導(dǎo)體制成的電阻體，其阻值將隨著壓力所產(chǎn)生的變化而變化。對于金屬導(dǎo)體，電阻變化率的表達式為： （13-1） 式中： μ—材料的泊松系數(shù)； ε—應(yīng)變量。 13.2 測量電路原理與設(shè)計 ◆通常把單位應(yīng)變所引起電阻相對變化稱作電阻絲的靈敏系數(shù)，對于金屬導(dǎo)體，其表達式為： （13-2） 所以： （13-3） ◆在外力作用下,應(yīng)變片產(chǎn)生變化,同時應(yīng)變片電阻也發(fā)生相應(yīng)變化。當(dāng)測得阻值變化為△R時，可得到應(yīng)變值ε，根據(jù)應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系，得到應(yīng)力值為 （13-4） 13.2 測量電路原理與設(shè)計 式中： σ-應(yīng)力,ε-應(yīng)變（為軸向應(yīng)變） E-材料的彈性模量 。 又重力G與應(yīng)力σ的關(guān)系為： （13-5） 式中： G-重力,S-應(yīng)變片截面積 根據(jù)以上各式可得到： （13-6） 由此得出應(yīng)變片電阻與重物質(zhì)量的關(guān)系，即 （13-7） 13.2 測量電路原理與設(shè)計 根據(jù)應(yīng)變片常用的材料（如康銅）取 k0=2；E= ；S= ；R0=348Ω； g=◆所以在Multisim中可用建立以下模型來代替應(yīng)變片進行仿真，模型如圖13-1所示： 13.2 測量電路原理與設(shè)計 13.2.2 橋路部分電路原理 ◆電阻應(yīng)變計把機械應(yīng)變轉(zhuǎn)換成ΔR/R后，必須采用轉(zhuǎn)換電路通常采用惠斯登電橋電路實現(xiàn)這種轉(zhuǎn)換。 ◆圖13-2所示的直流電橋，對于單臂電橋,如下圖： 13.2 測量電路原理與設(shè)計 13.2 測量電路原理與設(shè)計 （13-10） 電橋電壓靈敏度定義為： （13-11） 從上式分析發(fā)現(xiàn)： ①電橋電壓靈敏度正比于電橋供電電壓。 ②電橋電壓靈敏度是橋臂電阻比值n的函數(shù)，必須恰當(dāng)?shù)倪x擇n的值，保證電橋具有較高的靈敏度。 13.2 測量電路原理與設(shè)計 由 
應(yīng)變片傳感器的應(yīng)用：應(yīng)變片壓力傳感器原理與應(yīng)用
力學(xué)傳感器的種類繁多，如電阻應(yīng)變片壓力傳感器、半導(dǎo)體應(yīng)變片壓力傳感器、壓阻式壓力傳感器、電感式壓力傳感器、電容式壓力傳感器、諧振式壓力傳感器及電容式加速度傳感器等。但應(yīng)用最為廣泛的是壓阻式壓力傳感器，它具有極低的價格和較高的精度以及較好的線性特性。下面我們主要介紹這類傳感器。在了解壓阻式力傳感器時，我們首先認(rèn)識一下電阻應(yīng)變片這種元件。電阻應(yīng)變片是一種CBM-3000通用型壓力傳感器將被測件上的應(yīng)變變化轉(zhuǎn)換成為一種電信號的敏感器件。它是壓阻式應(yīng)變傳感器的主要組成部分之一。電阻應(yīng)變片應(yīng)用最多的是金屬電阻應(yīng)變片和半導(dǎo)體應(yīng)變片兩種。金屬電阻應(yīng)變片又有絲狀應(yīng)變片和金屬箔狀應(yīng)變片兩種。通常是將應(yīng)變片通過特殊的粘和劑緊密的粘合在產(chǎn)生力學(xué)應(yīng)變基體上，當(dāng)基體受力發(fā)生應(yīng)力變化時，電阻應(yīng)變片也一起產(chǎn)生形變，使應(yīng)變片的阻值發(fā)生改變，從而使加在電阻上的電壓發(fā)生變化。這種應(yīng)變片在受力時產(chǎn)生的阻值變化通常較小，一般這種應(yīng)變片都組成應(yīng)變電橋，并通過后續(xù)的儀表放大器進行放大，再傳輸給處理電路（通常是A/D 轉(zhuǎn)換和CPU ）顯示或執(zhí)行機構(gòu)。金屬電阻應(yīng)變片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1 所示，是電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)示意圖，它由基體材料、金屬應(yīng)變絲或應(yīng)變箔、絕緣保護片和引出線等部分組成。根據(jù)不同的用途，電阻應(yīng)變片的阻值可以由設(shè)計者設(shè)計，但電DX140微型壓力傳感器阻的取值范圍應(yīng)注意：阻值太小，所需的驅(qū)動電流太大，同時應(yīng)變片的發(fā)熱致使本身的溫度過高，不同的環(huán)境中使用，使應(yīng)變片的阻值變化太大，輸出零點漂移明顯，調(diào)零電路過于復(fù)雜。而電阻太大，阻抗太高，抗外界的電磁干擾能力較差。一般均為幾十歐至幾十千歐左右。電阻應(yīng)變片的工作原理金屬電阻應(yīng)變片的工作原理是吸附在基體材料上應(yīng)變電阻隨機械形變而產(chǎn)生阻值變化的現(xiàn)象，俗稱為電阻應(yīng)變效應(yīng)。金屬導(dǎo)體的電阻值可用下式表示：式中：ρ——金屬導(dǎo)體的電阻率（ω。cm2/m ）
S ——導(dǎo)體的截面積（cm2 ）
L ——導(dǎo)體的長度（m ）
我們以金屬絲應(yīng)變電阻為例，當(dāng)金屬絲受外力作用時，其長度和截面積都會發(fā)生變化，從上式中可很容易看出，其電阻值即會發(fā)生改變，假如金屬絲受外力作用而伸長時，其長度增加，而截面積減少，電阻值便會增大。當(dāng)金屬絲受外力作用而壓縮時，長度減小而截面增鼎興壓阻式壓力傳感器加，電阻值則會減小。只要測出加在電阻的變化（通常是測量電阻兩端的電壓），即可獲得應(yīng)變金屬絲的應(yīng)變情.
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