應變片傳感器的應用：AOVX云息通信資產監測設備中關于I2C接口的電平轉換問題

人們為了從外界獲取信息，必須借助于感覺器官。而單靠人們自身的感覺器官，在研究自然現象和規律以及生產活動中它們的功能就遠遠不夠了。為適應這種情況，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，可以感知周圍環境或者特殊物質，比如氣體感知、光線感知、溫濕度感知、人體感知等等，把模擬信號轉化成數字信號，給中央處理器處理，最終結果形成氣體濃度參數、光線強度參數、范圍內是否有人探測、溫度濕度數據等。
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傳感器技術作為信息技術的三大基礎之一，是當前各發達國家競相發展的高技術，也是進入21世紀以來優先發展的十大頂尖技術之一。由此可見，傳感器技術在發展經濟、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傳感器的相關知識，帶大家了解一下傳感器技術的發展歷史，并通過簡述實例給大家說明一下傳感器的8大應用場景。
一、傳感器的功能分類
傳感器的存在和發展，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。化學類，基于化學反應的原理。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，容易根據測量對象來選擇所需要的傳感器。
二、傳感器技術的發展
中國傳感器產業正處于由傳統型向新型傳感器發展的關鍵階段，它體現了新型傳感器向微型化、多功能化、數字化、智能化、系統化和網絡化發展的總趨勢。傳感器技術歷經了多年的發展，其技術的發展大體可分三代：
第一代是結構型傳感器，它利用結構參量變化來感受和轉化信號。
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第二代是上70年代發展起來的固體型傳感器，這種傳感器由半導體、電介質、磁性材料等固體元件構成，是利用材料某些特性制成。如：利用熱電效應、霍爾效應、光敏效應，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展起來的智能型傳感器，是微型計算機技術與檢測技術相結合的產物，使傳感器具有一定的人工智能。
三、傳感器的應用
傳感器早已滲透到諸如工業生產、宇宙開發、海洋探測、環境保護、資源調查、醫學診斷、生物工程、甚至文物保護等等極其廣泛的領域。可以毫不夸張地說，從茫茫的太空，到浩瀚的海洋，以至各種復雜的工程系統，幾乎每一個現代化項目，都離不開各種各樣的傳感器。那么傳感器在我們日常生活和工作中有哪些應用呢？
1、自動感應設備：自動門、自動水龍頭、自動沖水馬桶、自動烘手機、自動感應燈等，利用人體的紅外微波來開關門。
自動感應設備 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、數碼相機的照相機，利用光學傳感器來捕獲圖像。
光感攝像頭 丨
4、電子秤：利用力學傳感器（導體應變片技術）來測量物體對應變片的壓力，從而達到測量重量的目的。
電子秤丨
5、物流監控：水位報警，溫度報警，濕度報警，光學報警等。國內物流供應鏈監控解決方案提供商云尚通信研發的物流供應鏈可視化監控終端就采用了溫濕度傳感器、光感傳感器、運動傳感器等，并廣泛應用于在途貨物的狀態監控及跟蹤定位。
物流監控 丨
6、機器人：智能機器人使用的關鍵硬件包括驅動器、減速器和傳感器等，智能傳感器作為機器人的“五官”，在采集外界信息數據上發揮著重要作用。
機器人 丨
7、智能可穿戴設備：傳感器在可穿戴設備中起到至關重要的作用，因為可穿戴設備最基本的功能就是通過傳感器實現運動傳感。
智能可穿戴設備 丨
8、無人機：無人機是當下非常流行的智能硬件，其智能飛控系統的實現需要用到各種智能傳感器，包括IMU、MEMS加速度計、電流傳感器、傾角傳感器和發動機進氣流量傳感器等。
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應變片傳感器的應用：應變式傳感器

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應變式傳感器
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應變式傳感器是基于測量物體受力變形所產生的應變的一種傳感器。電阻應變片則是其最常采用的傳感元件。它是一種能將機械構件上應變的變化轉換為電阻變化的傳感元件。
中文名
應變式傳感器
組    成
敏感柵、基底、引線、蓋片
主要用途
測量力、力矩、壓力
種    類
絲式電阻應變片和箔式電阻應變片
目錄
1
基本描述
2
主要用途
3
原理
4
特性
?
種類及結構
?
基本特性
?
靈敏系數
?
橫向效應
?
工作電流
?
溫度誤差
5
應用
6
優點
應變式傳感器基本描述
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語音
利用電阻應變片將應變轉換為電阻變化的傳感器
應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
應變式傳感器原理
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語音
圖1 應變片的基本構造
電阻應變片的基本構造如圖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、高電阻系數的細絲彎曲而成柵狀，它實際上是一個電阻元件，是電阻應變片感受構件應變的敏感部分。敏感柵用粘合劑將其固定在基底上?；椎淖饔脩ＷC將構件上應變準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在一起。另外它還應有良好的絕緣性能、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、應變極限大和價格低廉等優點，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℃，且時間穩定性好，適用于測力等傳感器使用。膠膜基底是由環氧樹脂、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，應變片的敏感柵也獲得同樣的變形，從而使其電阻隨之發生變化，而此電阻變化是與試件應變成比例的，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變量的大小。
應變式傳感器特性
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應變式傳感器種類及結構
種類：常見的有絲式電阻應變片和箔式電阻應變片兩種。
圖3-2
應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生變形的大小。剛度的倒數。
應變式傳感器靈敏系數
定義K=(ΔR/R)/εt為應變片的靈敏系數。它表示安裝在被測試件上的應變在其軸向受到單向應力時，引起的電阻相對變化(ΔR/R)與其單向應力引起的試件表面軸向應變(εt)之比。注：應變片的靈敏系數并不等于其敏感柵整長應變絲的靈敏系數，這是因為在單向應力產生應變時，應變片的靈敏系數除受到敏感柵結構形狀、成型工藝、粘結劑和基底性能的影響外，尤其受到柵端圓弧部分橫向效應的影響。
應變式傳感器橫向效應
結果：應變片的靈敏度比電阻絲的靈敏度要小解決辦法：多采用箔式應變片
應變式傳感器工作電流
絕緣電阻——已粘貼的應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，但也會使應變片過熱，應視材料選取不同的電流。
[1]
應變式傳感器溫度誤差
應變片的溫度誤差——由于測量現場環境溫度的改變而給測量帶來的附加誤差。電阻應變片的溫度補償方法：（1）線路補償法初始狀態　Uo=A（R1 R4- RB R3）=0溫度變化后　Uo=A[（R1+ΔR1t）R4-(RB+ΔRBt)R3]=0承受應變后　Uo=A[（R1+ΔR1t+ΔR1）R4-(RB+ΔRBt)R3]=AΔR1R4=AR1R4Kε
（2）應變片的自補償法
[1]
電阻應變片的測量電路
應變式傳感器應用
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1.
2.
應變式傳感器優點
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應變式傳感器具有很多優點：1、分辨力高，能測出極微小的應變，如1-2微應變；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，也可測快速交變應力；6、具有電氣測量的一切優點，如測量結果便于傳送、記錄和處理；7、能在各種嚴酷環境中工作。如從宇宙真空至數千個大氣壓；從接近絕對零度低溫至近1000℃高溫；離心加速度可達數十萬個“g”；在振動、磁場、放射性、化學腐蝕等條件下，只要采取適當措施，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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應變式傳感器工作原理及應用
應變式傳感器是一種用金屬彈性體將力轉換為電信號的功能元件，一般由電阻應變計、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變計組成的惠斯通電橋電路，在外加電源的激勵下，實現“力—應變—電阻—電信號變化”四個轉換環節轉化的一種力敏傳感器。電阻應變式傳感器基本...
2019-09-290
閱讀83
參考資料
1.

陳杰．傳感器與檢測技術：高等教育出版社，2002.8：40

應變片傳感器的應用：應變片傳感器的應用.ppt

第13章 小型稱重系統設計 13.1 設計任務  13.1 設計任務           本例是利用金屬箔式應變片設計一個小型稱重裝置。硬件部分是在Multisim中仿真設計，軟件顯示與分析部分由LabVIEW虛擬儀器完成。本設計完成過程中需要掌握以下幾點： 1）掌握金屬箔式應變片的應變效應，單臂、全橋電橋       工作原理和性能。 2）學會利用應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）學會使用全橋電路。 5）會使用G語言編程實現虛擬儀器的功能。 13.2 測量電路原理與設計 13.2.1 傳感器模型的建立                電阻應變片的工作原理是基于電阻應變效應，即在導體產生機械變形時，它的電阻值相應發生變化。應變片是由金屬導體或半導體制成的電阻體，其阻值將隨著壓力所產生的變化而變化。對于金屬導體，電阻變化率的表達式為：                                                                                                                                   （13-1）      式中：  μ—材料的泊松系數；               ε—應變量。 13.2 測量電路原理與設計     ◆通常把單位應變所引起電阻相對變化稱作電阻絲的靈敏系數，對于金屬導體，其表達式為：                                                                                                                       （13-2）      所以：                                                    （13-3）     ◆在外力作用下,應變片產生變化,同時應變片電阻也發生相應變化。當測得阻值變化為△R時，可得到應變值ε，根據應力與應變關系，得到應力值為                                                                     （13-4）  13.2 測量電路原理與設計 式中：  σ-應力,ε-應變（為軸向應變）             E-材料的彈性模量                 。 又重力G與應力σ的關系為：                                                                               （13-5） 式中：  G-重力,S-應變片截面積 根據以上各式可得到：                                                                               （13-6）  由此得出應變片電阻與重物質量的關系，即                                                                                （13-7） 13.2 測量電路原理與設計 根據應變片常用的材料（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變片進行仿真，模型如圖13-1所示： 13.2 測量電路原理與設計  13.2.2 橋路部分電路原理 ◆電阻應變計把機械應變轉換成ΔR/R后，必須采用轉換電路通常采用惠斯登電橋電路實現這種轉換。 ◆圖13-2所示的直流電橋，對于單臂電橋,如下圖： 13.2 測量電路原理與設計 13.2 測量電路原理與設計                                                                                （13-10）      電橋電壓靈敏度定義為：                                                                                                                                                      （13-11） 從上式分析發現： 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，必須恰當的選擇n的值，保證電橋具有較高的靈敏度。 13.2 測量電路原理與設計  由      

應變片傳感器的應用：應變片壓力傳感器原理與應用

　　力學傳感器的種類繁多，如電阻應變片壓力傳感器、半導體應變片壓力傳感器、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，我們首先認識一下電阻應變片這種元件。電阻應變片是一種CBM-3000通用型壓力傳感器將被測件上的應變變化轉換成為一種電信號的敏感器件。它是壓阻式應變傳感器的主要組成部分之一。電阻應變片應用最多的是金屬電阻應變片和半導體應變片兩種。金屬電阻應變片又有絲狀應變片和金屬箔狀應變片兩種。通常是將應變片通過特殊的粘和劑緊密的粘合在產生力學應變基體上，當基體受力發生應力變化時，電阻應變片也一起產生形變，使應變片的阻值發生改變，從而使加在電阻上的電壓發生變化。這種應變片在受力時產生的阻值變化通常較小，一般這種應變片都組成應變電橋，并通過后續的儀表放大器進行放大，再傳輸給處理電路（通常是A/D 轉換和CPU ）顯示或執行機構。金屬電阻應變片的內部結構如圖1 所示，是電阻應變片的結構示意圖，它由基體材料、金屬應變絲或應變箔、絕緣保護片和引出線等部分組成。根據不同的用途，電阻應變片的阻值可以由設計者設計，但電DX140微型壓力傳感器阻的取值范圍應注意：阻值太小，所需的驅動電流太大，同時應變片的發熱致使本身的溫度過高，不同的環境中使用，使應變片的阻值變化太大，輸出零點漂移明顯，調零電路過于復雜。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。電阻應變片的工作原理金屬電阻應變片的工作原理是吸附在基體材料上應變電阻隨機械形變而產生阻值變化的現象，俗稱為電阻應變效應。金屬導體的電阻值可用下式表示：式中：ρ——金屬導體的電阻率（ω。cm2/m ）
　　S ——導體的截面積（cm2 ）
　　L ——導體的長度（m ）
　　我們以金屬絲應變電阻為例，當金屬絲受外力作用時，其長度和截面積都會發生變化，從上式中可很容易看出，其電阻值即會發生改變，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），即可獲得應變金屬絲的應變情.

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