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1、传感器全册配套最完整传感器全册配套最完整 精品课件精品课件 第第1 1章章 传感器概述传感器概述 1.1 1.1 基本概念基本概念1 1.2 1.2 传感器的一般特性传感器的一般特性 1.3 1.3 传感器的标定和校准传感器的标定和校准3 1.4 1.4 传感器选择的一般原则传感器选择的一般原则4 2 1.1 基本概念 1.1.11.1.1 传感器的定义传感器的定义 传感器传感器( (Sensor/Transducer) )是一种以一定的是一种以一定的 精确度把被测量转换为与之有确定对应关系的、精确度把被测量转换为与之有确定对应关系的、 便于应用的某种物理量的测量装置。便于应用的某种物理量的测

2、量装置。 u它的输入量是某一被测量，可能是物理量，也可它的输入量是某一被测量，可能是物理量，也可 能是化学量、生物量等。能是化学量、生物量等。 u它的输出量是某种物理量，这种量要便于传输、它的输出量是某种物理量，这种量要便于传输、 转换、处理、显示等，主要是电量。转换、处理、显示等，主要是电量。 u输入输出的转换规律（关系）已知，转换精度要输入输出的转换规律（关系）已知，转换精度要 满足测控系统的应用要求。满足测控系统的应用要求。 能量转换能量转换 输入量输入量输出量输出量 电量（便于传输、转换、电量（便于传输、转换、 处理、显示）处理、显示） 物理量、化学量、生物量等物理量、化学量、生物量等

3、 附附: 传感器的定义传感器的定义示意图示意图 1.1 基本概念 传感器的定义传感器的定义示意图示意图 1.1 基本概念 1.1.2 1.1.2 传感器的组成传感器的组成 敏感元件是直接感受被测量，并输出与被敏感元件是直接感受被测量，并输出与被 测量成确定关系的物理量；转换元件把敏感元测量成确定关系的物理量；转换元件把敏感元 件的输出作为它的输入，转换成电路参量；上件的输出作为它的输入，转换成电路参量；上 述电路参数接入基本转换电路，便可转换成电述电路参数接入基本转换电路，便可转换成电 量输出。量输出。 被测量电量 敏感 元件 转换 元件 转换 电路 图图1-1 1-1 传感器的组成传感器的组

4、成 1.1 基本概念 被测量电量 敏感 元件 转换 元件 转换 电路 直接感受被测量直接感受被测量转化为电量参数转化为电量参数 敏感元件的输出作敏感元件的输出作 为转换元件的输入为转换元件的输入 附：附：传感器传感器组成示意图组成示意图 传感器传感器组成示意图组成示意图 1.1 基本概念 1.1.3 1.1.3 传感器的分类传感器的分类 u按工作机理分类按工作机理分类 可分为物理型、化学型、生物型可分为物理型、化学型、生物型 按构成原理又分为：结构型、物性型和复合型三大类按构成原理又分为：结构型、物性型和复合型三大类 u按能量的转换分类按能量的转换分类 可分为能量控制型和能量转换型可分为能量控

5、制型和能量转换型 u按输入量分类按输入量分类 常用的有机、光、电和化学等传感器常用的有机、光、电和化学等传感器 u按输出信号的性质分类按输出信号的性质分类 可分为模拟式传感器和数字式传感器可分为模拟式传感器和数字式传感器 1.1 基本概念 1.1.4 1.1.4 传感器技术的发展方向传感器技术的发展方向 u开发新的敏感、传感材料开发新的敏感、传感材料 u开发研制新型传感器及组成新型测试系统开发研制新型传感器及组成新型测试系统 u研究新一代的智能化传感器及测试系统研究新一代的智能化传感器及测试系统 u传感器发展集成化传感器发展集成化 u多功能与多参数传感器的研究多功能与多参数传感器的研究 1.2

6、 传感器的一般特性 1.2.1 1.2.1 传感器的静态特性传感器的静态特性 传感器的静态特性定义：被测量处于稳定状传感器的静态特性定义：被测量处于稳定状 态下的输入输出关系。态下的输入输出关系。 1 1线性度线性度 u传感器的线性度是指传感器的输出与输入之间数传感器的线性度是指传感器的输出与输入之间数 量关系的线性程度。量关系的线性程度。 u输出与输入关系可分为线性特性和非线性特性。输出与输入关系可分为线性特性和非线性特性。 u传感器的输出与输入关系传感器的输出与输入关系: : 01 122nn yaa xa x.a x 1.2 传感器的一般特性 u实际使用中，为了标定和数据处理的方便，希实

7、际使用中，为了标定和数据处理的方便，希 望得到线性关系，因此引入了非线性补偿电路望得到线性关系，因此引入了非线性补偿电路 或者计算机软件法等补偿环节。或者计算机软件法等补偿环节。 u非线性的方次不高，输入量变化范围较小时，非线性的方次不高，输入量变化范围较小时， 可用一条直线（切线或割线）近似地代表实际可用一条直线（切线或割线）近似地代表实际 曲线的一段。曲线的一段。 u使传感器输出使传感器输出输入特性线性化，所采用的直输入特性线性化，所采用的直 线称为拟合直线。线称为拟合直线。 1.2 传感器的一般特性 理论拟合理论拟合过零旋转拟合过零旋转拟合 端点连线拟合端点连线拟合端点平移拟合端点平移拟

8、合 图图1-2 1-2 几种直线拟合方法几种直线拟合方法 1.2 传感器的一般特性 u实际特性曲线与拟合直线之间的偏差称为传感实际特性曲线与拟合直线之间的偏差称为传感 器的非线性误差（或线性度），通常用相对误器的非线性误差（或线性度），通常用相对误 差差 表示表示 最大非线性绝对误差；最大非线性绝对误差； 满量程输出满量程输出。 100% max L FS L r Y max L FS Y L r Full Scale 1.2 传感器的一般特性 2 2灵敏度灵敏度 u灵敏度灵敏度S S是指传感器的输出量增量是指传感器的输出量增量 yy与引起输与引起输 出量增量出量增量 yy的输入量增量的输入量

9、增量 xx的比值，即的比值，即: : u对于线性传感器，它的灵敏度就是它的静态特对于线性传感器，它的灵敏度就是它的静态特 性的斜率。性的斜率。 u而非线性传感器的灵敏度为一变量，用而非线性传感器的灵敏度为一变量，用S=dy/dxS=dy/dx 表示。传感器的灵敏度如图表示。传感器的灵敏度如图1-31-3所示。所示。 y S x 1.2 传感器的一般特性 图图1-3 1-3 传感器的灵敏度传感器的灵敏度 1.2 传感器的一般特性 3 3迟滞迟滞 u传感器在正（输入量增大）反（输入量减小）传感器在正（输入量增大）反（输入量减小） 行程期间其输出行程期间其输出- -输入特性曲线不重合的现象输入特性曲

10、线不重合的现象 称为迟滞，如下图所示称为迟滞，如下图所示: : 图图1-41-4迟滞特性迟滞特性 1.2 传感器的一般特性 u迟滞大小通常由实验确定。迟滞误差迟滞大小通常由实验确定。迟滞误差 可由下式可由下式 计算：计算： 式中：式中： 正反行程输出值间的最大差值。正反行程输出值间的最大差值。 1 100% 2 max H FS H r Y H r max H 1.2 传感器的一般特性 4 4重复性重复性 u重复性是指传感器在输入量按同一方向作全量重复性是指传感器在输入量按同一方向作全量 程连续多次变化时，所得特性曲线不一致的程程连续多次变化时，所得特性曲线不一致的程 度，如图所示度，如图所示

11、: : 图图1-5 1-5 重复性重复性 1.2 传感器的一般特性 u重复性误差属于随机误差，常用标准偏差重复性误差属于随机误差，常用标准偏差 表示，表示， 也可用正反行程中的最大偏差也可用正反行程中的最大偏差RRmax表示，即：表示，即： 23 100% R FS () r = Y 1 100% 2 max R FS R r Y 1.2 传感器的一般特性 5 5漂移漂移 u传感器的漂移是指在外界的干扰下，输出量发传感器的漂移是指在外界的干扰下，输出量发 生与输入量无关的、不需要的变化。漂移包括生与输入量无关的、不需要的变化。漂移包括 零点漂移和灵敏度漂移等。零点漂移和灵敏度漂移等。 u漂移可

12、分为时间漂移和温度漂移。漂移可分为时间漂移和温度漂移。 u时间漂移是指在规定的条件下，零点或灵敏度时间漂移是指在规定的条件下，零点或灵敏度 随时间的缓慢变化。随时间的缓慢变化。 u温度漂移是指环境温度变化而引起的零点或灵温度漂移是指环境温度变化而引起的零点或灵 敏度的漂移。敏度的漂移。 1.2 传感器的一般特性 1.2.2 1.2.2 传感器的动态特性传感器的动态特性 u传感器的动态特性是指其输出对随时间变化的传感器的动态特性是指其输出对随时间变化的 输入量的响应特性。输入量的响应特性。 u动态特性好的传感器，其输出将再现输入量的动态特性好的传感器，其输出将再现输入量的 变化规律，即具有相同的

13、时间函数。变化规律，即具有相同的时间函数。 u实际上除了具有理想的比例特性外，输出信号实际上除了具有理想的比例特性外，输出信号 将不会与输入信号具有相同的时间函数，这种将不会与输入信号具有相同的时间函数，这种 输出与输入间的差异就是所谓的动态误差。输出与输入间的差异就是所谓的动态误差。 1.2 传感器的一般特性 u以动态测温的问题为例说明传感器动态特性。以动态测温的问题为例说明传感器动态特性。 u在被测温度随时间变化或传感器突然插入被测在被测温度随时间变化或传感器突然插入被测 介质中以及传感器以扫描方式测量某温度场的介质中以及传感器以扫描方式测量某温度场的 温度分布等情况下，都存在动态测温问题

14、，如温度分布等情况下，都存在动态测温问题，如 图所示图所示: : 动态测温动态测温 1.2 传感器的一般特性 u传感器的种类和形式很多，但它们一般可以传感器的种类和形式很多，但它们一般可以 简化为一阶或二阶系统简化为一阶或二阶系统。 u 高阶可以分解成若干个低阶环节高阶可以分解成若干个低阶环节。 u 对于正弦输入信号，传感器的响应称为频率对于正弦输入信号，传感器的响应称为频率 响应或稳态响应；对于阶跃输入信号，则称响应或稳态响应；对于阶跃输入信号，则称 为传感器的阶跃响应或瞬态响应。为传感器的阶跃响应或瞬态响应。 1.2 传感器的一般特性 1 1. . 瞬态响应特性瞬态响应特性 u传感器的瞬态

15、响应是时间响应。传感器的瞬态响应是时间响应。 u从时域中对传感器的响应和过渡过程进行分析从时域中对传感器的响应和过渡过程进行分析 称为时域分析法，传感器对所加激励信号的响称为时域分析法，传感器对所加激励信号的响 应称瞬态响应。应称瞬态响应。 u常用激励信号有阶跃函数、斜坡函数、脉冲函常用激励信号有阶跃函数、斜坡函数、脉冲函 数等。下面以传感器的单位阶跃响应来评价传数等。下面以传感器的单位阶跃响应来评价传 感器的动态性能指标。感器的动态性能指标。 1.2 传感器的一般特性 (1)(1)一阶传感器的单位阶跃响应一阶传感器的单位阶跃响应 u一阶传感器单位阶跃响应的通式一阶传感器单位阶跃响应的通式：

16、u式中式中 、 分别为传感器的输入量和输出分别为传感器的输入量和输出 量量，均是时间的函数，表征传感器的时间常数，均是时间的函数，表征传感器的时间常数， 具有时间具有时间“秒秒”的量纲。的量纲。 u一阶传感器的传递函数：一阶传感器的传递函数： ( ) ( )( ) dy t y tx t dt ( ) ( )( ) dy t y tx t dt ( )x t( )y t ( )1 ( ) ( )1 Y S H s X Ss 1.2 传感器的一般特性 u对阶跃信号，传感器输出的拉氏变换为：对阶跃信号，传感器输出的拉氏变换为： u一阶传感器的单位阶跃响应信号为：一阶传感器的单位阶跃响应信号为： 1

17、1 1 Y(s)= H(s)X(s)= ss t =1-ey(t) 图图1-7一阶传感器的单位阶跃响应一阶传感器的单位阶跃响应 1.2 传感器的一般特性 ( (2 2) )二阶传感器的单位阶跃响应二阶传感器的单位阶跃响应 u二阶传感器的单位阶跃响应的通式为：二阶传感器的单位阶跃响应的通式为： 传感器的固有频率；传感器的固有频率； 传感器的阻尼比。传感器的阻尼比。 u二阶传感器的传递函数：二阶传感器的传递函数： 2 22 2 ( )( ) 2( )( ) nnn d y tdy t y tx t dtdt 2 22 ( ) 2 n nn H s ss n 1.2 传感器的一般特性 u 二阶二阶传

18、感器输出的拉氏变换：传感器输出的拉氏变换： 2 22 ( )( )( ) 2 n nn Y sH s X s s ss 图图1-8 二阶传感器单位阶跃响应图二阶传感器单位阶跃响应图 1.2 传感器的一般特性 (3)(3)瞬态响应特性指标瞬态响应特性指标 给传感器输入一个单位阶跃信号时，其输出特给传感器输入一个单位阶跃信号时，其输出特 性如图：性如图： 图图1-9 1-9 瞬态响应特性指标瞬态响应特性指标 1.2 传感器的一般特性 2. 2. 频率响应特性频率响应特性 u传感器对正弦输入信号的响应特性，称为频率传感器对正弦输入信号的响应特性，称为频率 响应特性。响应特性。 u频率响应法是从传感器

19、的频率特性出发研究传频率响应法是从传感器的频率特性出发研究传 感器的动态特性。感器的动态特性。 （1 1）一阶传感器的频率响应）一阶传感器的频率响应 1 () () 1 H j j 1.2 传感器的一般特性 u幅频特性：幅频特性： 2 1 ( ) 1() A 幅频特性幅频特性 1.2 传感器的一般特性 u相频特性：相频特性： arctan()() 相频特性相频特性 图图1-10 1-10 一阶传感器频率响应特性一阶传感器频率响应特性 1.2 传感器的一般特性 (2 (2) )二阶传感器的频率响应二阶传感器的频率响应 u其幅频特性和相频特性分别为：其幅频特性和相频特性分别为： 2 nn 1 ()

20、 1 ()2 H j j 2 22 nn 1 ( ) 1 ()(2) A 2 2 ( ) 1 () n n arctan 1.2 传感器的一般特性 u二阶二阶传感器的幅频特性、相频特性图：传感器的幅频特性、相频特性图： 幅频特性幅频特性相频特性相频特性 图图1-11 1-11 二阶传感器频率响应特性二阶传感器频率响应特性 1.2 传感器的一般特性 1.2.3 1.2.3 传感器的其它特性传感器的其它特性 u静态特性和动态特性并不能完全描述传感器的静态特性和动态特性并不能完全描述传感器的 性能。性能。 u在选择传感器时应当考虑的传感器和待检测量在选择传感器时应当考虑的传感器和待检测量 有关的另一

21、些特性。有关的另一些特性。 u除那些传感器特性以外，测量方法也必须始终除那些传感器特性以外，测量方法也必须始终 适合于应用。适合于应用。 1.2 传感器的一般特性 1 1）输入特性：阻抗输入特性：阻抗 u待检测的量的输出阻抗决定传感器的输入阻抗。待检测的量的输出阻抗决定传感器的输入阻抗。 u输入阻抗的概念能使我们确定什么时候会出现输入阻抗的概念能使我们确定什么时候会出现 加载误差。加载误差。 u用方块图描述传感器或测量系统忽略了传感器用方块图描述传感器或测量系统忽略了传感器 要从测量系统提取某些功率这一事实。当这种要从测量系统提取某些功率这一事实。当这种 功率提取使被测变量的值变更时，便视为存

22、在功率提取使被测变量的值变更时，便视为存在 加载误差。加载误差。 1.2 传感器的一般特性 u为了使加载误差最小，测量作用变量时，必须为了使加载误差最小，测量作用变量时，必须 使输入阻抗很高。使输入阻抗很高。 u当对一个量当对一个量 进行测量时，总是涉及到另一进行测量时，总是涉及到另一 个量个量 ，乘积具有功率的量纲。，乘积具有功率的量纲。 u若若 是作用变量，则得是作用变量，则得: : u从被测系统提取的功率为从被测系统提取的功率为 ，若要使，若要使 维持最小，则必须使维持最小，则必须使 尽可能小。因此，输尽可能小。因此，输 入阻抗必须很高。入阻抗必须很高。 1 2 X (s) Z(s) X

23、 (s) 1x 1x 2x 2x 12Px xP 1.2 传感器的一般特性 u传感器的输出阻抗决定了接口电路所需的输入传感器的输出阻抗决定了接口电路所需的输入 阻抗。电压输出要求高输入阻抗，以使检测电阻抗。电压输出要求高输入阻抗，以使检测电 压压 接近传感器的输出电压。接近传感器的输出电压。 u相反，电流输出则要求低输入阻抗，以使输入相反，电流输出则要求低输入阻抗，以使输入 电流电流 接近传感器的输出电流。接近传感器的输出电流。 o o i i i Z V =V = Z +Z o o o i i Z II ZZ 1.2 传感器的一般特性 2 2）可靠性）可靠性 u传感器只有在规定条件和规定期间

24、无故障工作传感器只有在规定条件和规定期间无故障工作 才是可靠的。才是可靠的。 u可靠性在统计学上被描述为：高可靠性意味着可靠性在统计学上被描述为：高可靠性意味着 按要求工作的概率接近于按要求工作的概率接近于1 1（即在所考虑的期（即在所考虑的期 间，该传感器的部件几乎不失效）。间，该传感器的部件几乎不失效）。 u失效率是指某一产品每单位寿命测度（时间、失效率是指某一产品每单位寿命测度（时间、 周期）的失效数与保持完好的产品数之比。周期）的失效数与保持完好的产品数之比。 1.3 传感器的标定和校准 传感器的标定是通过试验建立传感器输入传感器的标定是通过试验建立传感器输入 量与输出量之间的关系。同

25、时确定出不同使用量与输出量之间的关系。同时确定出不同使用 条件下的误差关系。条件下的误差关系。 传感器的标定工作可分为如下两方面：传感器的标定工作可分为如下两方面： 新研制的传感器需进行全面技术性能的检定，用检定新研制的传感器需进行全面技术性能的检定，用检定 数据进行量值传递；数据进行量值传递； 经过一段时间的储存或使用后对传感器的复测工作。经过一段时间的储存或使用后对传感器的复测工作。 1.3 传感器的标定和校准 u传感器的标定分为静态标定和动态标定。传感器的标定分为静态标定和动态标定。 u静态标定目的是确定传感器的静态特性指标，静态标定目的是确定传感器的静态特性指标， 如线性度、灵敏度、滞

26、后和重复性等。如线性度、灵敏度、滞后和重复性等。 u动态标定目的是确定传感器的动态特性参数，动态标定目的是确定传感器的动态特性参数， 如频率响应、时间常数、固有频率和阻尼比如频率响应、时间常数、固有频率和阻尼比 等。等。 1.3 传感器的标定和校准 1.3.1 1.3.1 传感器的静态特性标定传感器的静态特性标定 1 1静态标准条件静态标准条件 u没有加速度、振动、冲击（除非这些参数本身没有加速度、振动、冲击（除非这些参数本身 就是被测物理量）及环境温度一般为室温（就是被测物理量）及环境温度一般为室温（2020 55）、相对湿度不大于）、相对湿度不大于85% RH85% RH，大气压力，大气压

27、力 为为 1011017kPa7kPa的情况。的情况。 2 2标定仪器设备精度等级的确定标定仪器设备精度等级的确定 u标定传感器时，所用的测量仪器的精度至少要标定传感器时，所用的测量仪器的精度至少要 比被标定的传感器的精度高一个等级。比被标定的传感器的精度高一个等级。 1.3 传感器的标定和校准 3 3静态特性标定的方法静态特性标定的方法 u将传感器全量程分成若干等间距点；将传感器全量程分成若干等间距点； u根据传感器量程分点情况，由小到大逐一输入标根据传感器量程分点情况，由小到大逐一输入标 准量值，并记录下与各输入值相对应的输出值；准量值，并记录下与各输入值相对应的输出值； u将输入值由大到

28、小一点一点地减少，同时记录下将输入值由大到小一点一点地减少，同时记录下 与各输入值相对应的输出值；与各输入值相对应的输出值； u重复上述过程，对传感器正、反行程多次测试，重复上述过程，对传感器正、反行程多次测试， 将得到的输出输入测试数据列表或画成曲线；将得到的输出输入测试数据列表或画成曲线； u对测试数据进行必要处理，得出静态特性指标。对测试数据进行必要处理，得出静态特性指标。 1.3 传感器的标定和校准 1.3.2 1.3.2 传感器的动态特性标定传感器的动态特性标定 u传感器的动态特性主要是研究传感器的动态响传感器的动态特性主要是研究传感器的动态响 应，和与动态响应有关的参数；应，和与动

29、态响应有关的参数； u一阶传感器只有一个时间常数一阶传感器只有一个时间常数 ； u二阶传感器则有固有频率二阶传感器则有固有频率 和阻尼比和阻尼比 两个参两个参 数。数。 n 1.3 传感器的标定和校准 u标准激励信号是阶跃变化和正弦变化的输入信标准激励信号是阶跃变化和正弦变化的输入信 号。号。 u一阶传感器的单位阶跃响应函数为一阶传感器的单位阶跃响应函数为: : u则上式可变为则上式可变为 =1 t Y(t)e 1Z =ln- y(t) t Z 1.3 传感器的标定和校准 u上图表明上图表明z z和时间和时间t t成线性关系，并且有成线性关系，并且有=t /z,=t /z, 可以根据测得的可以

30、根据测得的y(t)y(t)值作出值作出z-tz-t曲线。曲线。 u根据根据t/zt/z的值获得时间常数的值获得时间常数 。 图图1-12 一阶系统时间常数的测定一阶系统时间常数的测定 1.3 传感器的标定和校准 u如图如图1-131-13所示，二阶欠阻尼传感器（所示，二阶欠阻尼传感器（11）的）的 单位阶跃响应为：单位阶跃响应为： 222 ( )11sin( 1arcsin 1) nt n y tet 图图1-13 二阶系统阶跃响应曲线二阶系统阶跃响应曲线 1.3 传感器的标定和校准 u最大超调量与阻尼比的关系：最大超调量与阻尼比的关系： u因此，测得因此，测得MM之后，便可根据下式求得阻尼比

31、：之后，便可根据下式求得阻尼比： 2 1 Me 2 1 1 ln M 1.3 传感器的标定和校准 u如果测得阶跃响应的较长瞬变过程，则可利用如果测得阶跃响应的较长瞬变过程，则可利用 任意两个过冲量任意两个过冲量 和和 求得阻尼比求得阻尼比 ，其中，其中 n n是该两峰值相隔的周期数（整数）。是该两峰值相隔的周期数（整数）。 式中，式中， 222 4 n n ln i n i n M M i M i n M 1.3 传感器的标定和校准 u当当0.10.1时，以时，以1 1代替代替 ，此时不会产生过，此时不会产生过 大的误差（不大于大的误差（不大于0.6%0.6%），）， u可用下式计算可用下式计

32、算 ，即：，即： u若传感器是精确的二阶传感器，则若传感器是精确的二阶传感器，则n n值采用任值采用任 意正整数所得的意正整数所得的 值不会有差别。反之，若值不会有差别。反之，若n n取取 不同值获得不同的不同值获得不同的 值，则表明该传感器不是值，则表明该传感器不是 线性二阶系统。线性二阶系统。 2 1 ln 2 i i n M M n 1.3 传感器的标定和校准 u根据响应曲线测出振动周期根据响应曲线测出振动周期 ，则有阻尼的固，则有阻尼的固 有频率有频率 为：为： u则无阻尼固有频率则无阻尼固有频率 为：为： 1 2 d d T d d T n 2 1 d n 1.3 传感器的标定和校准

33、 u利用正弦输入，测定输出和输入的幅值比和相利用正弦输入，测定输出和输入的幅值比和相 位差来确定传感器的幅频特性和相频特性，然位差来确定传感器的幅频特性和相频特性，然 后根据幅频特性，分别按下图求得一阶传感器后根据幅频特性，分别按下图求得一阶传感器 的时间常数的时间常数 和欠阻尼二阶传感器的固有频率和欠阻尼二阶传感器的固有频率 和阻尼比。和阻尼比。 （a a）由幅频特性求时间常数）由幅频特性求时间常数 （b b）欠阻尼二阶传感器的）欠阻尼二阶传感器的nn和和 图图1-14 1-14 正弦输入测参数正弦输入测参数 1.4 传感器选择的一般原则 传感器选择的一般原则为：传感器选择的一般原则为： 1

34、 1、根据测量对象与测量环境确定传感器的类型、根据测量对象与测量环境确定传感器的类型 2 2、灵敏度的选择、灵敏度的选择 3 3、频率响应特性、频率响应特性 4 4、线性范围、线性范围 5 5、稳定性、稳定性 6 6、精度、精度 习题与思考题 习题习题 1. 1.什么是传感器？它由哪几个部分组成？分别起什么是传感器？它由哪几个部分组成？分别起 到什么作用？到什么作用？ 2. 2.传感器技术的发展动向表现在哪几个方面？传感器技术的发展动向表现在哪几个方面？ 3. 3.传感器的性能参数反映了传感器的什么关系？传感器的性能参数反映了传感器的什么关系？ 静态参数有哪些？各种参数代表什么意义？静态参数有

35、哪些？各种参数代表什么意义？ 动态参数有那些？应如何选择？动态参数有那些？应如何选择？ 4. 4.某位移传感器，在输入量变化某位移传感器，在输入量变化5 mm5 mm时，输出时，输出 电压变化为电压变化为300 mV300 mV，求其灵敏度。，求其灵敏度。 第第2 2章章 应变式传感器应变式传感器 2.1 2.1 工作原理工作原理1 2.2 2.2 电阻应变片特性电阻应变片特性 2.3 2.3 电阻应变片的测量电路电阻应变片的测量电路3 2.4 2.4 应变式传感器应用应变式传感器应用4 2 概述 基于元器件电阻变化的传感器十分常见，基于元器件电阻变化的传感器十分常见， 这是因为许多物理量（力

36、、力矩、位移、形变、这是因为许多物理量（力、力矩、位移、形变、 速度、加速度等）都会对材料的电阻产生影响。速度、加速度等）都会对材料的电阻产生影响。 u电阻应变式传感器是利用电阻应变片将应变转电阻应变式传感器是利用电阻应变片将应变转 换为电阻变化的传感器。换为电阻变化的传感器。 u传感器由在弹性元件上粘贴电阻应变敏感元件传感器由在弹性元件上粘贴电阻应变敏感元件 构成。构成。 u应变式传感器的灵敏度较高，目前已应用于各应变式传感器的灵敏度较高，目前已应用于各 种检测系统中。种检测系统中。 2.1 工作原理 电阻应变片的工作原理是基于应变效应的，电阻应变片的工作原理是基于应变效应的， 即在导体产生

37、机械变形时，它的电阻值相应发即在导体产生机械变形时，它的电阻值相应发 生变化。生变化。 图图2-1 金属电阻丝应变效应图金属电阻丝应变效应图 2.1 工作原理 u金属电阻丝，在其未受力时，原始电阻值为金属电阻丝，在其未受力时，原始电阻值为: 电阻丝的电阻率；电阻丝的电阻率； L电阻丝的长度；电阻丝的长度； S电阻丝的截面积。电阻丝的截面积。 u当电阻丝受到拉力当电阻丝受到拉力F作用时，将伸长作用时，将伸长 ，横截面，横截面 积相应减小积相应减小 ，电阻率将因晶格发生变形等因，电阻率将因晶格发生变形等因 素而改变素而改变 ，故引起电阻值相对变化量为，故引起电阻值相对变化量为: (2 1) L R

38、 S (22) RLS RLS L S 2.1 工作原理 u式中式中 是长度相对变化量，用金属电阻丝的轴是长度相对变化量，用金属电阻丝的轴 向应变向应变 表示，表示， 数值一般很小表达式为：数值一般很小表达式为： uS/SS/S为圆形电阻丝的截面积相对变化量，即：为圆形电阻丝的截面积相对变化量，即： (23) L L L L 2 (24) Sr Sr 2.1 工作原理 u由材料力学可知，在弹性范围内，金属丝受拉由材料力学可知，在弹性范围内，金属丝受拉 力时，沿轴向伸长，沿径向缩短，那么轴向应力时，沿轴向伸长，沿径向缩短，那么轴向应 变和径向应变的关系可表示为：变和径向应变的关系可表示为： 电阻

39、丝材料的泊松比；电阻丝材料的泊松比； 一般金属一般金属=0.3-0.5=0.3-0.5，负号表示应变方向相反。，负号表示应变方向相反。 u将式将式(2-3)(2-3)、 (2-4)(2-4)、 (2-5)(2-5)代入式代入式(2-2)(2-2)，可得：，可得： (25) rL rL (12 )(26) R R 2.1 工作原理 u又因为又因为 -为压阻系数，与材质有关；为压阻系数，与材质有关； 为试件的应力；为试件的应力； E为试件为试件材料的弹性模量。材料的弹性模量。 所以所以 u根据上述特点，测量应力或应变时，被测对象产根据上述特点，测量应力或应变时，被测对象产 生微小机械变形，应变片随

40、着发生相同的变化，生微小机械变形，应变片随着发生相同的变化， 同时应变片电阻值也发生相应变化。同时应变片电阻值也发生相应变化。 u当测得应变片电阻值变化量当测得应变片电阻值变化量 时，便可得到被测时，便可得到被测 对象的应变值。对象的应变值。 /(27)E (12)(28) R E R R 2.1 工作原理 u由前述可知：由前述可知： u应力值应力值 正比于应变正比于应变 ，而试件应变，而试件应变 正比于电阻正比于电阻 值的变化，所以应力值的变化，所以应力 正比于电阻值的变化，这正比于电阻值的变化，这 就是利用应变片测量应变的基本原理。就是利用应变片测量应变的基本原理。 E 2.2 电阻应变片

41、特性 2.2.1 2.2.1 电阻应变片的种类电阻应变片的种类 常用的应变片可分为两类：金属电阻应变常用的应变片可分为两类：金属电阻应变 片和半导体电阻应变片。片和半导体电阻应变片。 u金属应变片由敏感栅、基片、覆盖层和引线等金属应变片由敏感栅、基片、覆盖层和引线等 部分组成，如图所示部分组成，如图所示: : 图图2-2 2-2 金属电阻应变片的结构图金属电阻应变片的结构图 2.2 电阻应变片特性 u敏感栅是应变片的核心部分，它粘贴在绝缘的敏感栅是应变片的核心部分，它粘贴在绝缘的 基片上，其上再粘贴起保护作用的覆盖层，两基片上，其上再粘贴起保护作用的覆盖层，两 端焊接引出导线。端焊接引出导线。

42、 u金属电阻应变片的敏感栅有丝式、箔式和薄膜金属电阻应变片的敏感栅有丝式、箔式和薄膜 式三种。式三种。 u箔式应变片是利用光刻、腐蚀等工艺制成的一箔式应变片是利用光刻、腐蚀等工艺制成的一 种很薄的金属箔栅，厚度一般在种很薄的金属箔栅，厚度一般在0.003-0.01mm0.003-0.01mm。 其优点是散热条件好，允许通过的电流较大，其优点是散热条件好，允许通过的电流较大， 便于批量生产，可制成各种所需的形状，如下便于批量生产，可制成各种所需的形状，如下 图所示：图所示： 2.2 电阻应变片特性 u箔式应变片缺点是电阻分散性大。箔式应变片缺点是电阻分散性大。 u薄膜式应变片是采用真空蒸发或真空

43、沉淀等方薄膜式应变片是采用真空蒸发或真空沉淀等方 法在薄的绝缘基片上形成法在薄的绝缘基片上形成0.1m0.1m以下的金属电阻以下的金属电阻 薄膜的敏感栅，最后再加上保护层。它的优点薄膜的敏感栅，最后再加上保护层。它的优点 是应变灵敏度系数大，允许电流密度大，工作是应变灵敏度系数大，允许电流密度大，工作 范围广。范围广。 图图2-3 各种形状的箔式应变片各种形状的箔式应变片图图 2.2 电阻应变片特性 u半导体应变片是用半导体材料制成的，其工作半导体应变片是用半导体材料制成的，其工作 原理是基于半导体材料的压阻效应。原理是基于半导体材料的压阻效应。 u所谓压阻效应，是指半导体材料在某一轴向受所谓

44、压阻效应，是指半导体材料在某一轴向受 外力作用时，其电阻率外力作用时，其电阻率发生变化的现象。发生变化的现象。 u半导体应变片受轴向力作用时，其电阻相对变半导体应变片受轴向力作用时，其电阻相对变 化为式：化为式： (12 ) (12) R R E 2.2 电阻应变片特性 u实验证明，半导体材料的实验证明，半导体材料的 比比 大上百倍，大上百倍， 所以所以 可以忽略，因而半导体应变片的电可以忽略，因而半导体应变片的电 阻相对变化为：阻相对变化为： u半导体应变片的突出优点是灵敏度高，比金属半导体应变片的突出优点是灵敏度高，比金属 丝式应变片高丝式应变片高50805080倍，尺寸小，横向效应小，倍

45、，尺寸小，横向效应小， 动态响应好。但它有温度系数大，应变时非线动态响应好。但它有温度系数大，应变时非线 性比较严重等缺点。性比较严重等缺点。 R E R (12 )E (12 ) 2.2 电阻应变片特性 u应变片是用粘合剂粘贴到被测件上的。应变片是用粘合剂粘贴到被测件上的。 u粘合剂形成的胶层必须准确迅速地将披测件的粘合剂形成的胶层必须准确迅速地将披测件的 应变传进到敏感栅上。应变传进到敏感栅上。 u粘合剂的性能及粘贴工艺的质量直接影响着应粘合剂的性能及粘贴工艺的质量直接影响着应 变片的工作特性，如零漂、蠕变、滞后、灵敏变片的工作特性，如零漂、蠕变、滞后、灵敏 系数，线性度以及它们受温度变化

46、影响的程度。系数，线性度以及它们受温度变化影响的程度。 2.2 电阻应变片特性 2.2.2 2.2.2 电阻丝的灵敏度系数电阻丝的灵敏度系数 u通常把单位应变能引起的电阻值变化称为电阻通常把单位应变能引起的电阻值变化称为电阻 丝的灵敏度系数。其物理意义是单位应变所引丝的灵敏度系数。其物理意义是单位应变所引 起的电阻相对变化量，其表达式为起的电阻相对变化量，其表达式为: : 0 (12 )(12) R R kE 0 k 2.2 电阻应变片特性 u由定义可知灵敏度系数受两个因素影响：由定义可知灵敏度系数受两个因素影响： 一个是受力后材料几何尺寸的变化一个是受力后材料几何尺寸的变化, ,即即 ， 另

47、一个是受力后材料的电阻率发生的变化，即：另一个是受力后材料的电阻率发生的变化，即： 。 u对金属材料来说，对金属材料来说， 的值要比的值要比 大得多，大得多， 即即 。 u对于半导体材料，灵敏度的对于半导体材料，灵敏度的 项的值比项的值比 大得多，即大得多，即 。 u大量实验证明，在电阻丝拉伸极限内，电阻的相大量实验证明，在电阻丝拉伸极限内，电阻的相 对变化与应变成正比，即对变化与应变成正比，即 为常数。为常数。 (12 ) (12 ) 0 121.7 3.6k (12 ) 0 kE 0 k 2.2 电阻应变片特性 2.2.3 2.2.3 应变片的灵敏系数应变片的灵敏系数 u当具有初始电阻值当

48、具有初始电阻值 的应变片粘贴于试件表面，的应变片粘贴于试件表面， 试件受力引起的表面应变，将传递给应变片的试件受力引起的表面应变，将传递给应变片的 敏感栅，使其产生电阻相对变化敏感栅，使其产生电阻相对变化 。理论和。理论和 实践表明，在一定应变范围内实践表明，在一定应变范围内 与与 的关系的关系 满足下式满足下式 为应变片的轴向应变；为应变片的轴向应变； 是应变片未经安装也不受外力的情况下，于室温是应变片未经安装也不受外力的情况下，于室温 测得的电阻值。测得的电阻值。 t R K R R R R R R t t R k 2.2 电阻应变片特性 u上式中的上式中的 就是应变片的灵敏系数，但应变片

49、的就是应变片的灵敏系数，但应变片的 灵敏系数不等于其敏感栅应变丝的灵敏系数灵敏系数不等于其敏感栅应变丝的灵敏系数 ， 一般情况下，一般情况下， 0 x 0时，时， 同同 频同相；当位移频同相；当位移x0 x 0 x 0时，时， 与与 为同频同相，当为同频同相，当 与与 均为正半均为正半 周时，在原理图中，环形电桥中二极管周时，在原理图中，环形电桥中二极管 截截 止，止， 导通，则可得图导通，则可得图b b的等效电路。的等效电路。 u根据变压器的工作原理，考虑到根据变压器的工作原理，考虑到O、M分别为变分别为变 压器压器T T1 1、T T2 2的中心抽头，则有：的中心抽头，则有： 式中式中 为

50、变压器为变压器T T1 1、T T2 2的变比。的变比。 s2、uu su2u su2u su2u 13DDVV、 14DDVV、 S S1S2 2 2 u uu n 2 2122 1 2 u uu n 12nn、 3.2 互感式传感器 u采用电路分析的基本方法，可求得图采用电路分析的基本方法，可求得图b b所示电路所示电路 的输出电压的输出电压 的表达式：的表达式： u同理，当同理，当 与与 均为负半周时，二极管均为负半周时，二极管 截止，截止， 导通。其等效电路如图导通。其等效电路如图c c所示，输所示，输 出电压出电压 表达式与上式相同，说明只要位移表达式与上式相同，说明只要位移xx 0