应变片传感器的应用：AOVX云息通信资产监测设备中关于I2C接口的电平转换问题

人们为了从外界获取信息，必须借助于感觉器官。而单靠人们自身的感觉器官，在研究自然现象和规律以及生产活动中它们的功能就远远不够了。为适应这种情况，就需要传感器。因此可以说，传感器是人类五官的延长，又称之为电五官。
那什么是传感器呢？
官方的定义是：传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息（例如：温度，血压，湿度，速度等），并能将感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。
通俗的解释就是，可以感知周围环境或者特殊物质，比如气体感知、光线感知、温湿度感知、人体感知等等，把模拟信号转化成数字信号，给中央处理器处理，最终结果形成气体浓度参数、光线强度参数、范围内是否有人探测、温度湿度数据等。
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传感器技术作为信息技术的三大基础之一，是当前各发达国家竞相发展的高技术，也是进入21世纪以来优先发展的十大顶尖技术之一。由此可见，传感器技术在发展经济、推动社会进步方面的重要作用，是十分明显的。
作为信息采集系统的前端单元，传感器的作用越来越重要。本文就来给大家介绍一下有关传感器的相关知识，带大家了解一下传感器技术的发展历史，并通过简述实例给大家说明一下传感器的8大应用场景。
一、传感器的功能分类
传感器的存在和发展，让物体有了触觉、味觉和嗅觉等感官，让物体慢慢变得活了起来。通常根据其基本感知功能分为热敏元件、光敏元件、气敏元件、力敏元件、磁敏元件、湿敏元件、声敏元件、放射线敏感元件、色敏元件和味敏元件等十大类。
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我们也常将传感器的功能与人类5大感觉器官相比拟：
光敏传感器——视觉声敏传感器——听觉气敏传感器——嗅觉化学传感器——味觉压敏、温敏、流体传感器——触觉
敏感元件的分类：
物理类，基于力、热、光、电、磁和声等物理效应。化学类，基于化学反应的原理。生物类，基于酶、抗体、和激素等分子识别功能。
这种分类方法明确地说明了传感器的用途，给用户提供了方便，容易根据测量对象来选择所需要的传感器。
二、传感器技术的发展
中国传感器产业正处于由传统型向新型传感器发展的关键阶段，它体现了新型传感器向微型化、多功能化、数字化、智能化、系统化和网络化发展的总趋势。传感器技术历经了多年的发展，其技术的发展大体可分三代：
第一代是结构型传感器，它利用结构参量变化来感受和转化信号。
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第二代是上70年代发展起来的固体型传感器，这种传感器由半导体、电介质、磁性材料等固体元件构成，是利用材料某些特性制成。如：利用热电效应、霍尔效应、光敏效应，分别制成热电偶传感器、霍尔传感器、光敏传感器。
第三代传感器是以后刚刚发展起来的智能型传感器，是微型计算机技术与检测技术相结合的产物，使传感器具有一定的人工智能。
三、传感器的应用
传感器早已渗透到诸如工业生产、宇宙开发、海洋探测、环境保护、资源调查、医学诊断、生物工程、甚至文物保护等等极其广泛的领域。可以毫不夸张地说，从茫茫的太空，到浩瀚的海洋，以至各种复杂的工程系统，几乎每一个现代化项目，都离不开各种各样的传感器。那么传感器在我们日常生活和工作中有哪些应用呢？
1、自动感应设备：自动门、自动水龙头、自动冲水马桶、自动烘手机、自动感应灯等，利用人体的红外微波来开关门。
自动感应设备 丨
2、烟雾报警：烟雾报警器，利用烟敏电阻来测量烟雾浓度，从而达到报警目的。
烟雾报警 丨
3、光感摄像头：手机、数码相机的照相机，利用光学传感器来捕获图像。
光感摄像头 丨
4、电子秤：利用力学传感器（导体应变片技术）来测量物体对应变片的压力，从而达到测量重量的目的。
电子秤丨
5、物流监控：水位报警，温度报警，湿度报警，光学报警等。国内物流供应链监控解决方案提供商云尚通信研发的物流供应链可视化监控终端就采用了温湿度传感器、光感传感器、运动传感器等，并广泛应用于在途货物的状态监控及跟踪定位。
物流监控 丨
6、机器人：智能机器人使用的关键硬件包括驱动器、减速器和传感器等，智能传感器作为机器人的“五官”，在采集外界信息数据上发挥着重要作用。
机器人 丨
7、智能可穿戴设备：传感器在可穿戴设备中起到至关重要的作用，因为可穿戴设备最基本的功能就是通过传感器实现运动传感。
智能可穿戴设备 丨
8、无人机：无人机是当下非常流行的智能硬件，其智能飞控系统的实现需要用到各种智能传感器，包括IMU、MEMS加速度计、电流传感器、倾角传感器和发动机进气流量传感器等。
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应变片传感器的应用：应变式传感器

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应变式传感器
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应变式传感器是基于测量物体受力变形所产生的应变的一种传感器。电阻应变片则是其最常采用的传感元件。它是一种能将机械构件上应变的变化转换为电阻变化的传感元件。
中文名
应变式传感器
组    成
敏感栅、基底、引线、盖片
主要用途
测量力、力矩、压力
种    类
丝式电阻应变片和箔式电阻应变片
目录
1
基本描述
2
主要用途
3
原理
4
特性
?
种类及结构
?
基本特性
?
灵敏系数
?
横向效应
?
工作电流
?
温度误差
5
应用
6
优点
应变式传感器基本描述
编辑
语音
利用电阻应变片将应变转换为电阻变化的传感器
应变式传感器主要用途
编辑
语音
测量力、力矩、压力、加速度、重量等
应变式传感器原理
编辑
语音
图1 应变片的基本构造
电阻应变片的基本构造如图1，它一般由敏感栅、基底、引线、盖片等组成。敏感栅由直径为0.01-0.05mm、高电阻系数的细丝弯曲而成栅状，它实际上是一个电阻元件，是电阻应变片感受构件应变的敏感部分。敏感栅用粘合剂将其固定在基底上。基底的作用应保证将构件上应变准确地传递到敏感栅上去。因此它必须作得很薄，一般为0.03-0.06mm，使它能与试件及敏感栅牢固地粘结在一起。另外它还应有良好的绝缘性能、抗潮性能和耐热性能。基底材料有纸、胶膜、玻璃纤维布等。纸具有柔软、易于粘贴、应变极限大和价格低廉等优点，但耐温耐湿性差，一般工作温度低于70℃下采用。为了提高耐湿耐久性和使用温度，可浸以酚醛树脂类粘合剂使用温度可提高至180℃，且时间稳定性好，适用于测力等传感器使用。胶膜基底是由环氧树脂、酚醛树脂、聚脂树脂和聚酰亚胺等有机粘合剂制成的薄膜，胶膜基底具有比纸更好的柔性、耐湿性和耐久性，且使用温度可达100-300℃。玻璃纤维布能耐400-450℃高温，多用做中温或高温应变片基底。引出线的作用是将敏感栅电阻元件与测量电路相连接，一般由0.1-0.2mm低阻镀锡铜丝制成，并与敏感栅两输出端相焊接。在测试时，将应变片用粘合剂牢固地粘贴在被测试件的表面上，随着试件受力变形，应变片的敏感栅也获得同样的变形，从而使其电阻随之发生变化，而此电阻变化是与试件应变成比例的，因此如果通过一定测量线路将这种电阻变化转换为电压或电流变化，然后再用显示记录仪表将其显示记录下来，就能知道被测试件应变量的大小。
应变式传感器特性
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应变式传感器种类及结构
种类：常见的有丝式电阻应变片和箔式电阻应变片两种。
图3-2
应变式传感器基本特性
几个概念——变形、弹性变形、弹性元件基本特性——刚度、灵敏度刚度——弹性元件受外力作用下变形大小的量度。灵敏度——单位力作用下弹性元件产生变形的大小。刚度的倒数。
应变式传感器灵敏系数
定义K=(ΔR/R)/εt为应变片的灵敏系数。它表示安装在被测试件上的应变在其轴向受到单向应力时，引起的电阻相对变化(ΔR/R)与其单向应力引起的试件表面轴向应变(εt)之比。注：应变片的灵敏系数并不等于其敏感栅整长应变丝的灵敏系数，这是因为在单向应力产生应变时，应变片的灵敏系数除受到敏感栅结构形状、成型工艺、粘结剂和基底性能的影响外，尤其受到栅端圆弧部分横向效应的影响。
应变式传感器横向效应
结果：应变片的灵敏度比电阻丝的灵敏度要小解决办法：多采用箔式应变片
应变式传感器工作电流
绝缘电阻——已粘贴的应变片的引线与被测件之间的电阻值Rm。绝缘电阻越大越好。最大工作电流——已安装的应变片允许通过敏感栅而不影响其工作特性的最大电流Imax。工作电流大，敏感度高，但也会使应变片过热，应视材料选取不同的电流。
[1]
应变式传感器温度误差
应变片的温度误差——由于测量现场环境温度的改变而给测量带来的附加误差。电阻应变片的温度补偿方法：（1）线路补偿法初始状态　Uo=A（R1 R4- RB R3）=0温度变化后　Uo=A[（R1+ΔR1t）R4-(RB+ΔRBt)R3]=0承受应变后　Uo=A[（R1+ΔR1t+ΔR1）R4-(RB+ΔRBt)R3]=AΔR1R4=AR1R4Kε
（2）应变片的自补偿法
[1]
电阻应变片的测量电路
应变式传感器应用
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1.
2.
应变式传感器优点
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应变式传感器具有很多优点：1、分辨力高，能测出极微小的应变，如1-2微应变；2、误差较小，一般小于1%；3、尺寸小、重量轻。4、测量范围大，从弹性变形一直可测至塑性变形（1-2%），最大可达20%；5、既可测静态，也可测快速交变应力；6、具有电气测量的一切优点，如测量结果便于传送、记录和处理；7、能在各种严酷环境中工作。如从宇宙真空至数千个大气压；从接近绝对零度低温至近1000℃高温；离心加速度可达数十万个“g”；在振动、磁场、放射性、化学腐蚀等条件下，只要采取适当措施，亦能可靠地工作；8、价格低廉、品种多样，便于选择和大量使用。
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2019-09-290
阅读83
参考资料
1.

陈杰．传感器与检测技术：高等教育出版社，2002.8：40

应变片传感器的应用：应变片传感器的应用.ppt

第13章 小型称重系统设计 13.1 设计任务  13.1 设计任务           本例是利用金属箔式应变片设计一个小型称重装置。硬件部分是在Multisim中仿真设计，软件显示与分析部分由LabVIEW虚拟仪器完成。本设计完成过程中需要掌握以下几点： 1）掌握金属箔式应变片的应变效应，单臂、全桥电桥       工作原理和性能。 2）学会利用应变片原理建立仿真模型。 3）比较单臂与全桥电桥的不同性能、了解其特点。 4）学会使用全桥电路。 5）会使用G语言编程实现虚拟仪器的功能。 13.2 测量电路原理与设计 13.2.1 传感器模型的建立                电阻应变片的工作原理是基于电阻应变效应，即在导体产生机械变形时，它的电阻值相应发生变化。应变片是由金属导体或半导体制成的电阻体，其阻值将随着压力所产生的变化而变化。对于金属导体，电阻变化率的表达式为：                                                                                                                                   （13-1）      式中：  μ—材料的泊松系数；               ε—应变量。 13.2 测量电路原理与设计     ◆通常把单位应变所引起电阻相对变化称作电阻丝的灵敏系数，对于金属导体，其表达式为：                                                                                                                       （13-2）      所以：                                                    （13-3）     ◆在外力作用下,应变片产生变化,同时应变片电阻也发生相应变化。当测得阻值变化为△R时，可得到应变值ε，根据应力与应变关系，得到应力值为                                                                     （13-4）  13.2 测量电路原理与设计 式中：  σ-应力,ε-应变（为轴向应变）             E-材料的弹性模量                 。 又重力G与应力σ的关系为：                                                                               （13-5） 式中：  G-重力,S-应变片截面积 根据以上各式可得到：                                                                               （13-6）  由此得出应变片电阻与重物质量的关系，即                                                                                （13-7） 13.2 测量电路原理与设计 根据应变片常用的材料（如康铜）取 k0=2；E=              ；S=    ；R0=348Ω； g=◆所以在Multisim中可用建立以下模型来代替应变片进行仿真，模型如图13-1所示： 13.2 测量电路原理与设计  13.2.2 桥路部分电路原理 ◆电阻应变计把机械应变转换成ΔR/R后，必须采用转换电路通常采用惠斯登电桥电路实现这种转换。 ◆图13-2所示的直流电桥，对于单臂电桥,如下图： 13.2 测量电路原理与设计 13.2 测量电路原理与设计                                                                                （13-10）      电桥电压灵敏度定义为：                                                                                                                                                      （13-11） 从上式分析发现： ①电桥电压灵敏度正比于电桥供电电压。 ②电桥电压灵敏度是桥臂电阻比值n的函数，必须恰当的选择n的值，保证电桥具有较高的灵敏度。 13.2 测量电路原理与设计  由      

应变片传感器的应用：应变片压力传感器原理与应用

　　力学传感器的种类繁多，如电阻应变片压力传感器、半导体应变片压力传感器、压阻式压力传感器、电感式压力传感器、电容式压力传感器、谐振式压力传感器及电容式加速度传感器等。但应用最为广泛的是压阻式压力传感器，它具有极低的价格和较高的精度以及较好的线性特性。下面我们主要介绍这类传感器。在了解压阻式力传感器时，我们首先认识一下电阻应变片这种元件。电阻应变片是一种CBM-3000通用型压力传感器将被测件上的应变变化转换成为一种电信号的敏感器件。它是压阻式应变传感器的主要组成部分之一。电阻应变片应用最多的是金属电阻应变片和半导体应变片两种。金属电阻应变片又有丝状应变片和金属箔状应变片两种。通常是将应变片通过特殊的粘和剂紧密的粘合在产生力学应变基体上，当基体受力发生应力变化时，电阻应变片也一起产生形变，使应变片的阻值发生改变，从而使加在电阻上的电压发生变化。这种应变片在受力时产生的阻值变化通常较小，一般这种应变片都组成应变电桥，并通过后续的仪表放大器进行放大，再传输给处理电路（通常是A/D 转换和CPU ）显示或执行机构。金属电阻应变片的内部结构如图1 所示，是电阻应变片的结构示意图，它由基体材料、金属应变丝或应变箔、绝缘保护片和引出线等部分组成。根据不同的用途，电阻应变片的阻值可以由设计者设计，但电DX140微型压力传感器阻的取值范围应注意：阻值太小，所需的驱动电流太大，同时应变片的发热致使本身的温度过高，不同的环境中使用，使应变片的阻值变化太大，输出零点漂移明显，调零电路过于复杂。而电阻太大，阻抗太高，抗外界的电磁干扰能力较差。一般均为几十欧至几十千欧左右。电阻应变片的工作原理金属电阻应变片的工作原理是吸附在基体材料上应变电阻随机械形变而产生阻值变化的现象，俗称为电阻应变效应。金属导体的电阻值可用下式表示：式中：ρ——金属导体的电阻率（ω。cm2/m ）
　　S ——导体的截面积（cm2 ）
　　L ——导体的长度（m ）
　　我们以金属丝应变电阻为例，当金属丝受外力作用时，其长度和截面积都会发生变化，从上式中可很容易看出，其电阻值即会发生改变，假如金属丝受外力作用而伸长时，其长度增加，而截面积减少，电阻值便会增大。当金属丝受外力作用而压缩时，长度减小而截面增鼎兴压阻式压力传感器加，电阻值则会减小。只要测出加在电阻的变化（通常是测量电阻两端的电压），即可获得应变金属丝的应变情.

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