现代科学技术国民经济人民生活中都占有重要地位，为此世界各国都给予了高度重视。我国的计划和科技攻关计划也把传感器的研究与开发放在重要地位。据有关资料介绍，在世界范围内传感器的计量逐年上升，世界市场传感器销售额年为亿美元，年增加到亿美元，如今已突破亿美元，年平均增长率为，品种已超过二万种。其中，工业自动控制交通运输冶金行业市场的份额占以上。电阻应变片式传感器是现代传感器技术的重要组成部分，它利用当电阻应变计安装在弹性体上时，在外载荷作用下，弹性体的变形与其引起电阻应变计的电阻变化之间呈线性关系的原理，制成测量各种物理量的传感器，这种传感器，习惯称为电阻应变式传感器或是应变计式传感器。二〇四年三月十八日星期二传感器技术所涉及的知识非常广泛，渗透到各个学科领域。但是它们的共性是利用物理定律和物质的物理特性，将非电量转换成电量。所以如何采用新技术新工艺新材料以及探索新理论，以达到高质量的转换效能，是总的发展途径。由于科学技术迅猛发展，工艺过程自动化程度越来越高，因此对测控系统的精度提出更高的要求。近年来，微型计算机组成的测控系统已经在许多领域得到应用，而传感器作为微型机的接口必须解决相容技术，根据这些时代特点，传感器将向以下几个方面发展为了提高测控精度，必须使传感器的精度尽可能提高，例如对于火箭发动机燃烧室的压力测量，希望测量精度的功能优于，对超精度加工在线检测精度高于，因此需要研制出高精度的传感器，以满足测量的需求。目前我国以研制出精度优于传感器。二〇四年三月十八日星期二传感器的相关知识传感器概念我们国家标准是这样定义传感器的能够感受规定的被测量并按照定规律转换成可以输出信号的器件或装置。我们的理解是传感器是种以定的精确度把被测量转换为与之有确定对应关系的便于应用的种物理量的测量装置。这定义包含了以下几方面的意思传感器是测量装置，能完成检测任务它的输入量是被测量，可能是物理量，也可能是化学量生物量等他的输出量是种物理量，这种量要便于传输转换处理和显示等，这种量可以是气光电物理量，但主要是电物理量输入输出有对应关系，且应有定的精确程度。我们可以对传感器作字面上的解释传感器的功能是感二传，即感受被测信息并传送出去。传感器的工作原理电阻应变式传感器由弹性敏感元件与电阻应变片构成。弹性敏感元件在感受被测量时将产生变形，其表面产生应变。而粘贴在弹性敏感元件表面的电阻应变片将随着弹性敏感元件产生应变，因此电阻应变片的电阻值也产生相应的变化。这样，通过测量电阻应变片的电阻值变化，就可以确定被测量量的大小了。弹性敏感元件的作用就是传感器组成中的敏感元件，要根据被测参数来设计或选择它的结构形式。电阻应变片的作用就是传感器中的转换元件，是电阻应变片传感器的核心元件。那么现在举几个简单的例子来说明传感器的原理，如图所示。二〇四年三月十八日星期二图柱式力传感器原理图图梁式力传感器原理图上面两个例子简单说明了传感器的工作原理，其中图是柱式力传感器原理图。当圆柱里的应变片受力变形时，会随力增加而缩短，同时，外面的电阻会受应力而拉伸。在弹性范围内，应力与应变成正比关系式中作用在弹性元件上的集中力圆柱的横截面积。这个公式说明应力的变化和圆柱体受力的大小和圆柱的横截面积有关，其中个变化应力就随着变化。同样的道理图是梁式力传感器的简易原理图，弹性元件为端固定的悬臂梁，力作用在自由端，顺着的方向分别贴上，电阻应变片。此时，随力增加而拉伸，随力增加而压缩，两者发生极性相反的等量应变，粘贴应变片处的应变为二〇四年三月十八日星期二这种传感器会因受力的变化应力也改变。上述这两种传感器具有结构简单加工容易应变片容易粘贴灵敏度高等特点。传感器的组成结构传感器亦称变换器，是将各种非电量包括物理量，化学量，生物学量等按定的规律转换成便于处理和传输的另外种物理量般为电量磁量等的装置，它能把种形式的能量转换成另种形式的能量。传感器般由敏感元件传感元件和测的应力，效果又不理想。为此，国外近年来又推荐利用超声波进行处理的方法。液体中超声波产生的气二〇四年三月十八日星期二穴，在破裂时压力可达到上万个大气压，产生的球形冲击波能在很短时间内传播到试样，激活轰击材料。据介绍，超声波的能量即可被材料吸收产生不稳定结构的塑性位移，降低内应力，又能促使淬火钢材中的残余奥氏体转变。两种效应联合作用，使得稳定效果良好。二〇四年三月十八日星期二电阻应变式传感器的信号处理电路转换电路应变片可以把应变的变化转换为电阻的变化，为显示与记录应变的大小，还要把电阻的变化在转换为电压或电流的变化，完成上述作用的电路称为电阻应变式传感器的信号调节电路，般采用测量电桥。直流电桥直流电桥的工作原理图四臂电桥四臂电桥如图所示，因为应变片电阻值变化很小，可以认为电源供电电流为常数，即加在电桥上的电压也是定值，假定电源为电压源，内阻为零，则流过负载电阻的电流为时电桥平衡，则平衡条件为若将应变片接入电桥臂，应变片的阻值变化量可以用检流计转换为电流的大小表示称偏转法，也可以用改变相邻桥臂阻值的方法，使恢复到零称零读法然后根据相邻桥臂阻值的变化来确定应变片的阻值变化。不平衡直流电桥的工作原理及灵敏度二〇四年三月十八日星期二当电桥后面接放大器时，放大器的输入阻抗都很高，比电桥输出电阻大很多，可以把电桥输出端看成开路，电桥的输出式为电桥的平衡条件与式相同。应变片工作时，其电阻变化，此时有不平衡电压输出。设桥臂比,由于电桥初始平衡时有，略去分母中的，可得电桥灵敏度定义为，可得单臂工作应变片的电桥电压灵敏度为显然，与电桥电源电压成正比，电源电压的提高，受应变片允许功耗的限制。与桥臂比有关。当电桥电源电压定时，应取何值时，电桥灵敏度最高。取时，为最大，得，所以时，即，时为最大。当时，由式得二〇四年三月十八日星期二式表明，当电源电压及电阻相对值定时，电桥的输出电压及电压灵敏度将与各臂阻值的大小无关。时的电桥，称对称电桥，常采用这种电桥的形式。直流电桥的优点是高稳定度直流电源易于获得，电桥调节平衡电路简单，传感器及测量电路分布参数影响小，在测量中常用直流电桥。电桥的非线性误差式求出的输出电压是由略去式分母中的项假设而得的近似值。实际值为式。可改写为非线性误差为对于对称电桥，时将按幂级数展开代入式，再略去高阶量，可得可见非线性误差与成正比。对金属电阻丝应变片，因为非常小，电桥非线性误差可以忽略，对半导体应变片，因为灵敏度比金属丝式大得多，受应变时很大，非线性误差将不可忽略。减小非线性误差常采用的措施二〇四年三月十八日星期二采用差动电桥，如图，在试件上安装两个工作应变片，片受拉，片受压，然后接入电桥相邻臂。电桥输出电压为设初始时为，，则上式可简化为可见，这时输出电压与成定的线性关系，而且电桥灵敏度比单臂时提高倍，此外还具有温度补偿作用。为了提高电桥灵敏度或进行温度补偿，在桥臂中往往安置多个应变片，电桥也可采用四臂差动电桥，与上同理，可得输出电压为温度误差用应变片测量时，由于环境温度变化所引起的电阻变化与试件应变所造成的电阻变化几乎有相同的数量级，从而产生很大的测量误差，称应变片的温度误差，又称热输出。敏感栅电阻随温度的变化引起的误差。当环境温度变化时，敏感栅材料电阻温度系数为，则引起的电阻相对变化为试件材料的线膨胀引起的误差。当温度变化时，因试件材料和敏感栅材料的线膨胀系数不同，应变片将产生附加拉长或压缩，引起的电阻相对变化式中应变片灵敏系数试件膨胀系数应变片敏感栅材料的膨胀系数因此，由于温度变化形成总的电阻相对变化为二〇四年三月十八日星期二相应的热输出为温度补偿通常补偿温度误差的方法有应变片线路补偿法，而常用的最好的补偿方法是电桥补偿法。图电桥补偿如图所示，工作应变片安装在被测试件上，另选个其特性与相同的补偿片，安装在材料与试件相同的补偿件上，温度与试件相同，但不承受应变。与接入电桥相邻臂上，造成与相同，根据电桥理论可知，其输出电压与温度变化无关。当工作应变片感受应变时，电桥将产生相应输出电压。在些情况下，可以比较巧妙地安装应变片而不需补偿元件并兼得灵敏度的提高。如图测量梁的弯曲应变时，将两个应变片分贴于上下两面对称位置，与特性相同，所以二电阻变化值相同而符号相反。但与按图接入电桥，因而电桥输出电压比单片时增加倍。当梁上下面温度致，与可起温度补偿作用。电桥补偿法简易可行，使用普通应变片可对各种试件材料在较大温度范围内进行补偿，因而最为常用。此方法的缺点是不能补偿因温度变化引起的电桥不平二〇四年三月十八日星期二衡。图应变片粘贴位置电路图设计图是压力传感器的外围电路设计实例，图中用恒流源来驱动压力传感器。图压力传感器设计电路由于桥路失衡时的输出电压比较小，所以必须用运放和来进行放大。图中为偏置调整，为压力灵敏度调整，为没有加压时输出电压调整，用于去除噪声。另外，如果电源电压波动的话，将引起输出电压的变化，所以必须给电路提供个稳定的电源。电路仿真本文采用的是仿真软件。二〇四年三月十八日星期二图电路仿真图图电路仿真图二二〇四年三月十八日星期二图电路仿真图三二〇四年三月十八日星期二参考文献朱蕴璞,孔德仁,王芳传感器原理及应用北京国防工业出版社,王昌明,孔德仁，何云峰传感与测试技术北京北京航空航天大学出版社,单成祥传感器的理论与设计基础及其应用北京国防工业出版社,杨培林高精度电子天平的设计与应用研究四川成都理工大学，张海霞新型便携式电子秤研究湖南湖南大学，麻楚霞工业电阻应变式称重变送器的研究与设计云南昆明理工大学，金发庆传感器技术与应用北京机械工业出版社何为民低功耗单片微机系统设计北京北京航空航天大学出版社，单成祥传感器的理论与设计基础及应用北京国防工业出版社,侯国章测试与传感技术黑龙江哈尔滨工业大学出版社,张永瑞电子测量技术基础陕西西安电子科技大学出版社,王洪业传感器技术湖南湖南