项目七应变式传感器应用

项目七应变式传感器应用

自动化控制元件及应用高等教育出版社

任务一电阻应变式传感器（电子秤认识）

任务二压电式传感器


【知识点】1. 理解电阻应变式、压电式传感器结构工

作原理。2. 掌握电子秤、振动报警器的工作原理。

【技能点】

1. 学会电阻应变式传感器的应用。2. 学会压电式传感器的应用。


【任务引入】在日常生活中，如在市场或超市中购买食品时，经

常会用到电子秤，如图 7-1-1 所示。电子秤的重要组成部分是电阻应变式压力传感器，它是将物体质量转换成电信号的元件，是电子称中不可缺少的部分。


任务一电阻应变式传感器（电子秤认识）

【知识要点】

1 ．理解电阻应变式压力传感器结构工作原理

2. 掌握电子秤的工作原理


【任务目标】

本任务要求理解电阻应变式压力传感器的结构和工作原理 ( 当压力传感器受到压力时，压力传感器的电阻发生变化 , 并经电子线路放大处理后转换成 0-5.0V 的标准信号输出；利用电位器可调整测量范围 ) ；掌握电子秤的工作原理 ( 学会使用电子秤 ) 。


【任务分析】要检测压力的大小，需用到一只压力传感器来检测。

常用的电阻应变式压力传感器如图 7-1-2所示。选用量程范围为 0-1000g的压力传感器，并将压力传感器按图 7-1-3进行简易安装后 , 如图示放上砝码（施加压力），即

可开始测试。

引线

压力传感器

支架

法码


当在传感器上施加压力时，传感器内部感应电阻发生形变，电阻值发生变化。变化差值可通过电路输出，如图 7-1-4所示，压力传感器采用单点式铝合金称重传感器 YHT-212， R1， R2，C1， C2， C3为输入滤波元件，W1为放大倍数调节电位器， AD620是仪用运算放大器。在压力传感器与放大电路正常连接情况下，利用电位器W1可调整 AD620的输出电压（ AD620的 6脚和 5脚）范围，如调整W1使电路在传感器上放置 1000g法码时 , AD620的 6脚和 5脚输出电压为 5.0V 。


1

2

345

67

8

U1AD620

力

传

感

器

压

+

-

+

-150

R1

150

R2

500W1

+VCC +6V

0.1uFC1

0.1uFC2

0.1uFC3

1uFC4

1uFC5

-VEE -6V

OUT+

OUT-

0 5. 0V～


【任务实施】1. 连接电路、应用传感器按图 7-1-4连接电路，数字万用表电压档接在电

路电压输出端（ AD620的 6脚 +和 5脚 +）接通电源，轻轻按压传感器，使万用表电压读数发生变化。

2. 调整电位器适应传感器的测量范围将接好电路后的传感器置于自然无压力状态下，

万用表读数应为 0V；调整电位器W1使电路在传感器上放置 1000g砝码时 , AD620的 6脚和 5脚输出电压为 5.0V。注意：施加 1000g砝码时是最大称重范围，最大承受压力为最大称重范围的 1.5倍 (不要超出传感器测量范围 ) 。


3. 实验结果选用一套砝码，质量由 100克到 1000克，可满足表 7-1-

1实训使用要求，另备带钩称盘一只，质量为 100.0 克；按表依序施加压力，从数字万用表中读取数据填表，分析误差。

压力 ( 克 ) 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100

理论读数(V)

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5

实际读数(V)

备注电源电压要稳定，电压不同，相同压力下传感器输出值不同，导致读数不同。


4. 元器件选择参考（见表 7-1-2 ）：

名称数值名称数值名称数值

W1 500Ω R1 150Ω C1 0.1μF

C4 1μF R2 150Ω C2 0.1μF

C5 1μF C3 0.1μF

压力传感器单点式铝合金称重传感器 YHT-212 IC AD620

备注各元件数值可根据压力传感器情况调整，电源电压 6-7.5V（双电源）


压力传感器内的感应元件是应变式电阻，外部施加压力通过压力传感器内四个电阻组成 H桥将压力转换成电压信号输出。应变式电阻可以看成是一根金属电阻丝，它是通过工艺方法将特定的金属（合金）分布在一块柔性绝缘材料基座上制成的，它的特点是电阻值与受力形变有一定关系；它的一个重要参数是灵敏系数 K。现说明它的工作原理：设有一个敷设在柔性绝缘材料基片上的金属电阻丝，其长度为 L，横截面是 S，电阻率记作 ρ，这种材料的泊松系数是 μ。当这根电阻丝未受外力作用时，它的电阻值为 R = ρL/S （式 7-1-1 ）

一、压力传感器的原理【相关知识】



当它的两端受力 F的作用时，将会伸长，也就是说产生变形。设其伸长量为 ΔL，其横截面积减少 ΔS。此外，还可用实验证明，此金属电阻丝在变形后，电阻率也会有所改变，记作 Δρ。对式 7-1-1求全微分得 ΔR = ΔρL/S + ΔLρ/S –ΔSρL/S2 （式 7-1-2）将两式相比得 ΔR/R = Δρ/ρ + ΔL/L – ΔS/S （式 7-1-3）由材料力学、数学推导后得 ΔR/R = Kε （式 7-1-4 ）其中， K = 1 + 2μ +（ Δρ/ρ） /（ ΔL/L） ε=ΔL/L


灵敏度系数 K值的大小是由制作金属电阻丝材料的性质决定的一个常数，它和应变片的形状、尺寸大小无关，不同的材料的 K值一般在 1.7~3.6 之间； K值是一个无因次量，即它没有量纲。 ε在材料力学中称为应变，用 ε来表示弹性往往显得太大，常常把它的百万分之一作为单位，即 με 。


金属丝的电阻值除了与材料 ρ的性质有关之外，还与金属丝的长度 L，横截面积 S有关。将金属丝粘贴在构件上，当构件受力变形时，金属丝的长度和横截面积也随着构件一起变化，进而发生电阻变化。即 ΔR/R = Kε，金属丝在产生应变效应时，应变 ε与电阻变化率 ΔR/R成线性关系，这就是利用金属应变片来测量构

件应变的理论基础。

二、电阻应变片的测量原理


三、称重传感器 YHT-212 技术参数型号 YHT-212 应用计价秤量程 (g) 1000 绝缘电阻 (Ω) 5000

输出灵敏度 (mV/V) 2.0±0.1 推荐极力电压 (V) 10

非线性 (%FS) 0.02 最大极力电压 (V) 15

重复性 (%FS) 0.01 温度补偿范围 (OC) -10～ +55 迟蒂 (%FS) 0.02 工作补偿范围 (OC) -30～ +70

蠕变 (%FS/30min) 0.03 安全超载 (%) 150

温度灵敏度漂移(%) 0.002 极限范围 (%) 200

温度零点漂移(%) 0.005 传感器材料铝合金

零点平衡 (%) ±1.0 接线电缆 4.7*350mm

输入阻抗 (Ω) 400±6接线方式红输入 (+)黑输入（ -）

绿信号（ +）白信号（ -）输出阻抗 (Ω) 350±3


AD620仪用放大器的增益倍数 G通过引脚 1、引脚 8间存在的阻抗 RW1编程；增益的准确性依赖电位器W1的精度， G=1+（ 49.4KΩ/RW1）增益值见表表 7-1-4 。

四、仪用放大器 AD620 增益

RW1(Ω) G(倍 ) RW1(Ω) G(倍 )

无穷大 (开路 ) 1 123.5 401

494 101 98.8 501

247 201 49.4 1001


采用电阻应变式压力传感器将被称物品的重力转换成电信号（模拟量），该信号经过放大后再进行 A/D转换成数字量，数字量经单片机电路、显示电路等电路处理后，输出并显示物品的重量读数。电子秤是国家强制检定的计量器具，是受国家计量

法保护的产品；故经计量校准后不得私自调校。

五、电子秤工作原理


1 、电子秤使用（ 1 ）开机

接通电源，打开开关，“显示窗显示： 0.0g"或

“ 0.00g"，接下来应通电预热 20-30分钟，刚开机时显示有所漂移属正常现象，预热后即可稳定。


(2) 校正

如电子秤已较长时间为使用或刚购入，则应对电子秤进行校正，首先在空称的情况下使电子秤充分预热 (20-30分钟 ) “并在显示零点的情况下按校正 "(P)键，使显示

“窗出现 CAL" “或显示 200， 500或 1000"之间进入校正状态，在将标准砝码按电子秤相应的校正砝码数值 (参照技术参数表 )放在电子秤的称盘上，待稳定后电子秤显

“示标准砝码重量符号 g"后校正既告完毕。可进行正常“称量。如按校正 " “键显示 CALF"，则表示零点不稳定，

“可重新按去皮 "(T) “键使显示回到零点，再按校正 "(P) 键进行校正。


(3) 去皮

如需去除器皿皮重，则先将器皿放于称盘上，“待显示稳定后按去皮 "(T) “键，则电子秤显示 0.

0g或 0.00g"，然后将需称重物品放于器皿上，此时显示的数字为物品的净重，拿掉物品及器皿，

“电子秤显示的负值，仍按去皮 "(T)键使电子秤显“示回到 0.0g或 0.00g" 。


【任务拓展】

用单点式铝合金称重传感器 YHT-212与智能仪表（ AL808）相连，通过用砝码校

正，制成电子称。


【知识测评】

1. 压力传感器具有什么功能？2. 实训用压力传感器内部结构为什么是这样的？

3. 若要造一台 500KG的电子磅，如何设计电路，并校正使用？


【任务评价】

任务要求分值评分标准学生

自评

小组互评教师

评价任务总评

电子秤的使用 20 能正确使用电子秤

压力传感器与放大电路的连接 20 能正确连接电路

调整传感器测量范围 (调整电位器W1)

20能使读数在

在 1KG压力状态下为 5.0V。

讲述压力传感器原理 20

能正确说明压力传感器原理

安全操作10 工具使用、仪表安全

现场管理10

出勤情况、现场纪律、协作精神


任务二压电式传感器（振动报警器）

【知识要点】

1 理解压电式振动传感器结构工作原理。

2 掌握振动报警器的工作原理。


【任务引入】在 ATM机、汽车上一般都有防盗的振动报警

器，振动报警器中一般由压电式加速度传感器来完成振动信号的检测，振动传感器实物如图 7-2-1所示，振动报警器如图 7-2-2 所示。


【任务目标】

本任务要求用压电式陶瓷片和有关电子元器件连接放大电路，正确地调整放大器的放大倍数，在示波器上观察到其接收振动而输出波形，同时观察 LED在振动达到一定强度

时可发出的指示。


【任务分析】

要检测物体振动的强弱程度，需用一个振动传感器来检测。常用的压电式振动传感器是利用压电晶体的正压电效应而实现。其原理是某些晶体（如人工极化陶瓷、压电石英晶体等，不同的压电材料具有不同的压电系数。在一定方向的外力作用下或承受变形时，它的晶体面或极化面上将有电荷产生。利用晶体的压电效应，可以制成测力传感器。在振动测量中，由于压电晶体所受的力是惯性质量块的

牵连惯性力，所产生的电荷数与加速度大小成正比。

http://baike.baidu.com/view/249682.htm



振动报警器由振动传感器及电子元器件组成，当振动传感器检测到外部振动时，若立即报警，必定会出现真假不分、错误报警的情况，因此，需要将振动强度达不到一定程度的振动去除和将振动强度达到一定强度但不是连续的和无规律性的振动去除，达到较为准确的报警效果，所以调整合适的报警

器的灵敏度是非常重要。


【任务实施】1.安装传感器将压电传感器安装在振动台的合适的位置上。2.连接电路按图 7-2-3连接电子线路。3. 调节传感器的灵敏度调节电位器W1大小设置报警灵敏度、选择一定

的振动强度作为报警值。4. 实验结果用示波器观察 LM358的 1脚波型 , 画图记录 ;

用万用表电压档测量 LM358的 7脚电压 , 调节振动强度 , 记录数据 , 观察 LED的亮度变化 , 及熄灭时的电压。


2

31

84

A

LM358

84

5

67B

LM358

R1

R2

R3

R4 R5

R6 R7 R8C1

压电传感器

C2

C3

C4

D1

D2D3

D4

D5

C5

W1

+15V

+15V

+15V


5. 元器件选择参考如下：表 7-2-1 元器件选择参考表相关知识压名称数值名称数值名称数值R1 470Ω R8 4.7KΩ D1 1N4148

R2 470Ω C1 10μF D2 1N4148

R3 470Ω C2 1μF D3 1N4148

R4 470Ω C3 1μF D4 稳压管 6.8V

R5 100KΩ C4 1μF D5 LEDφ5红R6 1 KΩ C5 10μF IC LM358

R7 1 KΩ W1 5KΩ 振动传感器

自定 (压电式 )

备注各元件数值可根据实际情况调整，电源电压 +15V（单电源）


压电式加速度传感器的机械接收部分是惯性式加速度机械接收原理，机电部分利用的是压电晶体的正压电效应。其原理是某些晶体（如人工极化陶瓷、压电石英晶体等，不同的压电材料具有不同的压电系数，一般都可以在压电材料性能表中查到。）在一定方向的外力作用下或承受变形时，它的晶体面或极化面上将有电荷产生，这种从机械能（力，变形）到电能（电荷，电场）的变换称为正压电效应。而从电能（电场，

电压）到机械能（变形，力）的变换称为逆压电效应。因此利用晶体的压电效应，可以制成测力传感器，在振动测量中，由于压电晶体所受的力是惯性质量块的牵连惯性力，所产生的电荷数与

加速度大小成正比，所以压电式振动传感器是加速度传感器。

一、压电式振动传感器

【相关知识】





正压电效应某些物质在沿一定方向受到压力或拉力作用而发生改变时，其表面上会产生电荷；若将外力去掉时，它们又重新回到不带电的状态，这种现象就称为正压电效应。 ( 加力变

形产生电荷 )

逆压电效应在压电材料的两个电极面上，如果加以交流电压，那么压电片能产生机械振动，即压电片在电极方向上有伸缩的现

“ ” “象，压电材料的这种现象称为电致伸缩效应，也叫做逆”压电效应。 ( 施加电场电介质产生变形应力 )


常见的压电材料有石英、压电陶瓷、高分子材料等。压电式传感器的等效电路：


压电式传感器要求负载电阻 RL必须有很大的数值，才能使测量误差小到一定数值以内。因此常先接入一个高输入阻抗的前置放大器，然后再接一般的放大电路及其它电路。测量电路关键在高阻抗的前置放大器。前置放大器两个作用 : 把压电式传感器的微弱信号放大；把传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出。压电式加速度传感器的压电元件是二片并联连接的石英晶片，放大器是一个超小型静电放大器。这样引线非常短，引线电容几乎等于零就避免了长电缆对传感器灵敏度的影响。放大器的输入端可以得到较大的电压信号，这样弥补了石英

晶体灵敏度低的缺陷。

二、压电式传感器的信号调节电路


传感器感受振动时，质量块感受和传感器基座相同的振动，并受到和加速度方向相反的惯性力的作用。这样，质量块就有一正比于加速度的交变力作用在压电片上。由于压电片压电效应，两个表面上就产生交变电荷，当振动频率远低于传感器的固有频率时，传感器的输出电荷（电压）和作用力成正比，亦即和试件的加速度成正比。输出电量由传感器输出端引出，输入到前置放大器后就可以用普通的测量仪器测出试件的加速度，如在放大器中加进适

当的积分电路，就可以测出试件的振动速度或位移。

二、压电式传感器的信号调节电路


压电式加速度传感器技术参数与型号相关 , 如型号为 HK9101-J的参数指标如下 : 灵敏度： ~35pC/g （ 1pC=10-12C，电量单位，皮库；g为重力加速度 9.8m/s2）测量范围： -100g~+100g 频率范围： 0.2~8000Hz 安装谐振频率： ~28kHz （钢螺栓固定）最大横向灵敏度比： <5% 质量： 19 克安装螺栓：M5 顶、侧端两种引线方式，传感器外壳对地绝缘。

三、压电式传感器技术参数


振动入侵探测器 B7110-5AJT4使用说明书

1. 概述 B7110-5AJT4型振动入侵探测器，是用来检测入侵者用工具破坏 ATM机等物体所产生的机械冲击而引起报警的探测装置。本产品适用于不同结构的 ATM机、保险柜、墙体、门、窗及铁护栏等物体的防范，有效地防止被防护物体的砸、

打、撬等的破坏活动的防范。

四、附参考资料：


2. 技术指标及功能：1 探测范围：每只振动探测器（或振动传感器）可控制不同结构 ATM机的 10mm厚钢板保险柜、保险柜 (钢制或水石沙泥结构 )、铁门、窗外金属护栏、墙体 8-10m2等。

2 灵敏度：在探测器警戒防范区内，以 60kg（±5kg）体重的人用铁制工具敲击等方式破坏被防护的物体 1-3次报警。

3 灵敏度控制：A 用工具敲击的次数控制，根据现场所处环境可选 4、

8、16、 32、 64、 128脉冲频点；

B 用工具敲击的力度控制，可调节 A1、 A2 电位器；C ≥传感器受到 0.2g力时才能工作 ;


4 报警延时： 2－ 8秒；5 报警输出：继电器输出（警戒为常闭、报警时常开）。

6 防拆功能：打开探测器盒盖或断电源线时报警。7 电源： 11-13VDC 警戒电流≦ 40mA，报警电流≦ 15mA。

8 使用环境：－ 10℃－＋ 40℃ ≤，相对湿度 80％。9 外形尺寸： 103×36×28（mm ）；


11

12

3

4

5

6

8

910

12

7

13

14

T1T2

T3


3. 产品示意图：1 传感器；2 底壳安装孔；3 印制板；4 跳线排 T3（ 4、 8、 16、 32、 64、

128脉冲灵敏度选择，可控制敲击的次数）；

5 报警输出电压 6VDC；6 接线柱；7 底壳安装孔；8 防拆开关；


9 跳线 T1（短接帽插入后电源接通，防拆开关不起作用，该跳线只能做为设备调试时使用，测试好后拔掉跳线帽，盖上盒盖）；

10.跳线 T2（短接帽不要拔掉，只有分析器外接传感器时才能使用，用于外连线剪线报警）；

11.红色报警指示灯 (报警时灯亮 )；12.绿色灵敏度指示灯 ( ≥当传感器受到 0.2g时灯闪烁 )；

13.灵敏度调节 A1、 A2电位器；14. 底壳插销孔；


4. 安装和使用方法：第一步：打开上盖使用一字型小起子插入卡扣孔取下上盖（见图 3）第二步：产品安装振动探测器的灵敏度与其振动探测器安装的位置有关，否则就会引起误报警或漏报警，那么应安装在什么位置呢？

A. ATM机结构：ATM机底层是由 10mm钢板焊接而成，内有钞箱，上层是由 1mm钢板及 H型钢梁组成的打印出钞柜，上下由金属螺钉相联于一体，从以上结构分析 10mm钢制保险柜是保护重点，应将振动探测器安装在保险柜内 2、 6、 8的位置较好，用胶将振动探测器与保险柜钢板粘于一体。如图 4 ：




1 底层保险柜 (10mm钢板 ) ；2 振动传感器安装位置；3 钞箱；4 出钞机；5 上层机柜 (1mm钢板 )；6 振动传感器安装位置；7 打印机；8 振动传感器安装位置；9 穿线孔；


B 保险柜结构（钢制与水泥沙石）：保险柜与 ATM机结构类似，安装的方法基本相同，还可安于保险柜门的内侧。

C 墙体结构：一般小库房（ 10m2）一般将振动入侵探测器安于库房墙体的中间 (高 1.8-2m).

D 门、窗、铁护栏结构：门 :可将振动探测器安于门的上端中间离门柜 30cm处 ;

窗户 :可将振动探测器安于窗户 (上端 )中间窗框上 ;窗外护栏 :可将振动探测器安于护栏 (顶端 )的中间或底端的中间 ;


第三步 : 产品连线


第四步：加电测试加电测试时先不要将 T1跳线短接帽拔掉（此时电源接

通），测试完后再拔掉短接帽（防拆开关才能起作用），然后将上盖盖好。

1 脉冲频点的选择：探测器共设了 4、 8、 16、 32、 64、 128脉冲频点，

如图 6,可根据被防护的物体安装的振动干扰环境大小而选择，一般选 16、 32、 64，特殊环境可选 128 。（ 1） ATM机可选 32、 64、 128 ；（ 2）保险柜可选 32、 64；（ 3）墙体可选 16、 32 ；


2 敲击力度大小的调节方法：当选定好脉冲频点后，一般需要调 A1和 A2

小型电位器， A1、 A2电位器逆时针调节灵敏度高，顺时针灵敏度低，如图 7。 0V在调试时要先调 A1电位器，然后再调 A2电位器（该电位器调到头时 R=0Ω ），这样反复微调使之满意为止。

高A1

A2 高

0V


1 振动探测器与被防护物体必须连接于一体（用 AB胶粘牢）；

2 当振动探测器安于 ATM机保险柜上（内侧）时，开关门会引起报警，这属正常现象应轻开或关，最好撤防后进行；

3 灵敏度不要调太高，用工具敲击时报警（对手、脚不灵敏）；

五、注意事项：


【任务拓展】

依据说明书安装振动报警器，正确接线，调整感应振动的灵敏度及次数，立即报警。


【知识测评】

1. 压电式加速度传感器具有什么功能？2. 报警器的功能是什么？3. 为什么要调整报警器，如何调整报警

器的灵敏度？


【任务评价】

任务要求分值评分标准学生自评

小组互评教师

评价任务总评

安装传感器在振动台上 15 能有效安装在振动台上

连接电路35 能正确连按电路、正常工作

根据振动强弱调整传感器的放大电路

输出值30

调整参数合理，能有效转换出振动强弱可在示波器上观

察安全操作

10 工具使用、仪表安全

现场管理10

出勤情况、现场纪律、协作精神

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项目七 应变式传感器应用

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