傳感器與檢測技術（第5版） 課件匯 徐科軍 第1-5章 緒論- 電動勢式傳感器原理與應用

傳感器與檢測技術

傳感器與檢測技術

(第5版)主編：徐科軍副主編：馬修水，李曉林，李文濤，李蓮主審：王化祥普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材2009年普通高等教育國家精品教材普通高等教育“十二五”國家級規(guī)劃教材

教材

第1版王永紅制作第2版倪偉、陳榮保制作第3版徐科軍修訂

第4版徐科軍、李曉林修訂

第5版徐科軍修訂

電子工業(yè)出版社2021課件目錄第1章緒論第2章電阻式傳感器原理與應用第3章變電抗式傳感器原理與應用第4章光電式傳感器原理與應用第5章電勢式傳感器原理與應用第6章溫度檢測第7章流量檢測第8章物位檢測第9章成分檢測第10章自動檢測的共性技術及新發(fā)展第1章緒論1.1自動檢測技術概述1.2傳感器概述1.3測量誤差與數(shù)據(jù)處理1.4傳感器的一般特性1.5傳感器的標定和校準思考題與習題第2章電阻式傳感器原理與應用2.1應變式傳感器2.2電阻式傳感器思考題與習題第3章變電抗式傳感器原理與應用3.1自感式傳感器3.2差動變壓器3.3電渦流式傳感器3.4電容式傳感器思考題與習題 第4章光電式傳感器原理與應用4.1光電效應和光電器件4.2光電碼盤4.3電荷耦合器件4.4光纖傳感器4.5光柵傳感器思考題與習題第5章電勢式傳感器原理與應用5.1磁電式傳感器5.2霍爾傳感器5.3壓電式傳感器 思考題與習題第6章溫度檢測6.1概述6.2熱電阻式傳感器6.3熱電偶傳感器6.4非接觸式測溫思考題與習題第7章流量檢測7.1流量的基本概念7.2差壓式流量計7.3電磁流量計7.4渦輪流量計7.5渦街流量計7.6超聲流量計7.7質量流量計思考題與習題第8章物位檢測8.1概述8.2超聲波物位計8.3雷達物位計思考題與習題第9章成分檢測9.1概述9.2熱導式氣體分析儀9.3磁性氧量分析儀9.4氧化鋯氧量分析儀9.5紅外氣體分析儀9.6氣相色譜儀思考題與習題第10章自動檢測的共性技術及新發(fā)展10.1誤差修正技術10.2MEMS技術與微型傳感器10.3虛擬儀器10.4無線傳感器網(wǎng)絡10.5多傳感器數(shù)據(jù)融合10.6軟測量技術思考題與習題本教學大綱要求：

課程的目的與任務

檢測技術是實現(xiàn)自動控制的前提條件和必要設備，傳感器是自動檢測系統(tǒng)的核心部件，是自動測控系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)，一切科學實驗和生產過程要獲取的信息，都是通過傳感器轉換為容易傳輸與處理的信號。

課程的基本要求

通過對本課程的學習，要求學生掌握傳感器的工作原理、基本結構、測量電路及各種應用，熟悉非電量測量的基本知識及誤差處理方法，熟悉工業(yè)過程主要參數(shù)的檢測方法，了解傳感器的發(fā)展趨勢及在工業(yè)生產和科學技術方面的廣泛應用，具有正確應用傳感器的能力，為畢業(yè)設計及以后工作打下良好的基礎。

與其它課程的聯(lián)系與分工

學習本課程之前，要求學生先修《大學物理》、《電路理論》、《模擬電子技術》、《數(shù)字電子技術》，本課程也是《過程控制系統(tǒng)及儀表》的先修課程。

本課程的性質及適應對象

本課程為自動化專業(yè)必選課程。

本科教學計劃安排章次內容課時數(shù)作業(yè)實驗1緒論3*2電阻式傳感器原理與應用3*3變電抗式傳感器原理與應用6*4光電式傳感器原理與應用6*5電勢式傳感器原理與應用4*6溫度檢測4*7流量檢測4*8物位檢測1*9成分檢測1*總學時數(shù)32參考文獻1王化祥，張淑英．傳感器原理及應用(第3版)．天津：天津大學出版社，20072常健生.檢測與轉換技術.北京:機械工業(yè)出版社.20013嚴鐘豪，譚祖根.非電量電測技術.北京：機械工業(yè)出版社，20034強錫富.傳感器(第3版).北京：機械工業(yè)出版社，20015賈伯年，俞樸.傳感器技術.南京：東南大學出版社，19926王俊杰.檢測技術與儀表.武漢.武漢理工大學出版社，20027郭振芹．非電量的電測量．北京：中國計量出版社，19868郁有文，常健，程繼紅編著.傳感器原理及工程應用.西安：西安電子科技大學出版社，20039杜維．過程檢測技術及儀表．北京：化學工業(yè)出版社，200110吳永生．熱工測量及儀表．北京：中國電力出版社，199811師克寬．過程參數(shù)檢測．北京：中國計量出版社，199012劉迎春．傳感器原理設計與應用．長沙：國防科技大學出版社，199813張正偉．傳感器原理及應用．北京：中央廣播電視大學出版社，199714周春暉.過程控制工程手冊.北京:化學工業(yè)出版社，199315陳守仁.自動檢測技術及儀表.北京:機械工業(yè)出版社，198916劉元揚．自動檢測和過程控制．北京：冶金工業(yè)出版社，2005參考文獻（續(xù)）17張宏建，蒙建波．自動檢測技術與裝置．北京：化學工業(yè)出版社，200418費業(yè)泰.誤差理論與數(shù)據(jù)處理(第6版).北京:機械工業(yè)出版社,201019黃俊欽．靜、動態(tài)數(shù)學模型的實用建模方法．北京：機械工業(yè)出版社，198820馬修水.瑞士SYLVAC電容測量系統(tǒng)的發(fā)展.工具技術，1989(12):36-4021于靜江，周春暉．過程控制中的軟測量技術．控制理論與應用．1996，13(2)：137-14422駱晨鐘，邵惠鶴．軟測量技術及其工業(yè)應用．儀表技術及傳感器．1999，(1)：32-3923徐科軍.容柵傳感器的研究與應用.北京：清華大學出版社，199524徐科軍．傳感器動態(tài)特性的實用研究方法．合肥：中國科學技術大學出版社，199925徐科軍，陳榮保，張崇巍.自動檢測與儀表中的共性技術.北京：清華大學出版社，200126劉存，李暉.現(xiàn)代檢測技術.北京：機械工業(yè)出版社，200527王伯雄.測試技術基礎.北京：清華大學出版社，200328彭軍.傳感器與檢測技術.西安：西安電子科技大學出版社，200329徐科軍.流量傳感器信號建模、處理及實現(xiàn).北京：科學出版社，2011參考文獻（續(xù)）30楊雙龍.漿液型電磁流量計勵磁控制與信號處理研究.合肥工業(yè)大學碩士論文，2010.431梁利平.電磁流量傳感器漿液流量信號處理方法研究與實現(xiàn).合肥工業(yè)大學博士論文，2014.532張然.電磁流量計數(shù)字信號處理軟件系統(tǒng)研究與實現(xiàn).合肥工業(yè)大學碩士論文，2012.4.33汪偉.基于可變閾值過零檢測的氣體超聲波流量計信號處理方法與實現(xiàn).合肥工業(yè)大學碩士論文，2015.4.34方敏.數(shù)字式氣體超聲波流量計信號激勵、處理與系統(tǒng)研究.合肥工業(yè)大學博士論文，2015.12.35徐行.力學，呼和浩特：內蒙古人民出版社，198336Qi-LiHou,Ke-JunXu,MinFang,YanShi,Bo-BoTao,andRong-WeiJiang.Gas-liquidtwo-phaseflowcorrectionmethodfordigitalCMF.IEEETrans.onInstrumentationandMeasurement,2014,Vol.63,No.10,pp.2396-2404參考文獻（續(xù)）37葉旭.導波式雷達物位計信號處理方法研究與實驗.合肥工業(yè)大學碩士論文，2012.438MengWei,Ke-JunXu,andZhengLiu.Signalprocessingmethodbasedonfirst-orderderivativeandmultifeatureparameterscombinedwithreferencecurveforGWRLG，IEEETrans.onInstrumentationandMeasurement，2015,Vol.64,No.12,pp.3423-343339張玉超.屏蔽門門控系統(tǒng)和紅外分析儀數(shù)字處理系統(tǒng)硬件研制.合肥工業(yè)大學碩士論文，2012.440陳桄紅.不分光紅外氣體分析儀信號處理與溫度控制系統(tǒng)軟件研制.合肥工業(yè)大學碩士論文，2013.4.41劉少強，張靖.傳感器設計與應用實例.北京：中國電力出版社，2008.42沈子文.基于過零檢測的多聲道氣體超聲波流量計信號處理中關鍵技術研究.合肥工業(yè)大學碩士論文，2017.43熊偉.恒溫差型熱式氣體質量流量變送器研制.合肥工業(yè)大學碩士論文，2020.謝謝！

第1章緒論1.1自動檢測技術概述1.2傳感器概述1.3測量誤差與數(shù)據(jù)處理1.4傳感器的一般特性1.5傳感器的標定和校準1.1自動檢測技術概述1.1.1自動檢測技術的重要性1.1.2自動檢測系統(tǒng)的組成1.1.3自動檢測技術的發(fā)展趨勢1.1.1

自動檢測技術的重要性測試手段就是儀器儀表 在工程上所要測量的參數(shù)大多數(shù)為非電量，促使人們用電測的方法來研究非電量，即研究用電測的方法測量非電量的儀器儀表，研究如何能正確和快速地測得非電量的技術。非電量電測量技術優(yōu)點： 測量精度高、反應速度快、能自動連續(xù)地進行測量、可以進行遙測、便于自動記錄、可以與計算機聯(lián)結進行數(shù)據(jù)處理、可采用微處理器做成智能儀表、能實現(xiàn)自動檢測與轉換等。機械制造業(yè)化工行業(yè)煙草行業(yè)環(huán)境保護等部門現(xiàn)代物流行業(yè)科學研究和產品開發(fā)中文物保護領域綜上所述，自動檢測技術與我們的生產、生活密切相關。它是自動化領域的重要組成部分，尤其在自動控制中，如果對控制參數(shù)不能有效準確的檢測，控制就成為無源之水，無本之木。1.1自動檢測技術概述1.1.1自動檢測技術的重要性1.1.2自動檢測系統(tǒng)的組成1.1.3自動檢測技術的發(fā)展趨勢1.1.2

自動檢測系統(tǒng)的組成檢測系統(tǒng)的組成

傳感器：把被測非電量轉換成為與之有確定對應關系，且便于應用的某些物理量（通常為電量）的測量裝置。測量電路：把傳感器輸出的變量變換成電壓或電流信號，使之能在輸出單元的指示儀上指示或記錄儀上記錄；或者能夠作為控制系統(tǒng)的檢測或反饋信號。輸出單元：指示儀、記錄儀、累加器、報警器、數(shù)據(jù)處理電路等。1.1自動檢測技術概述1.1.1自動檢測技術的重要性1.1.2自動檢測系統(tǒng)的組成1.1.3自動檢測技術的發(fā)展趨勢1.1.3

自動檢測技術的發(fā)展趨勢不斷提高儀器的性能、可靠性，擴大應用范圍。開發(fā)新型傳感器。開發(fā)傳感器的新型敏感元件材料和采用新的加工工藝。微電子技術、微型計算機技術、現(xiàn)場總線技術與儀器儀表和傳感器的結合，構成新一代智能化測試系統(tǒng)，使測量精度、自動化水平進一步提高。研究集成化、多功能和智能化傳感器或測試系統(tǒng)。第1章緒論1.1自動檢測技術概述1.2傳感器概述1.3測量誤差與數(shù)據(jù)處理1.4傳感器的一般特性1.5傳感器的標定和校準1.2

傳感器概述1.2.1傳感器的定義1.2.2傳感器的組成1.2.3傳感器分類1.2.1

傳感器的定義根據(jù)中華人民共和國國家標準（GB7665-87）傳感器（Transducer/Sensor）：能感受規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律轉換成可用輸出信號的器件和裝置。包含的概念：①傳感器是測量裝置，能完成檢測任務；②它的輸出量是某一被測量，可能是物理量，也可能是化學量、生物量等；③它的輸出量是某種物理量，這種量要便于傳輸、轉換、處理、顯示等等，這種量可以是氣、光、電量，但主要是電量；④輸出輸入有對應關系，且應有一定的精確程度。1.2

傳感器概述1.2.1傳感器的定義1.2.2傳感器的組成1.2.3傳感器分類1.2.2傳感器的組成敏感元件

直接感受被測量，并輸出與被測量成確定關系的物理量轉換元件

敏感元件的輸出就是它的輸入，摶換成電路參量轉換電路

上述電路參數(shù)接入基本轉換電路，便可轉換成電量輸出1.2

傳感器概述1.2.1傳感器的定義1.2.2傳感器的組成1.2.3傳感器分類1.2.3

傳感器分類工作機理：物理型、化學型、生物型物理型傳感器：物理基礎的基本定律。場的定律、物質定律、守恒定律和統(tǒng)計定律構成原理結構型:物理學中場的定律物性型:物質定律能量轉換能量控制型能量轉換型物理原理用途：

位移、壓力、振動、溫度第1章緒論1.1自動檢測技術概述1.2傳感器概述1.3測量誤差與數(shù)據(jù)處理1.4傳感器的一般特性1.5傳感器的標定和校準1.3

測量誤差與數(shù)據(jù)處理1.3.1測量誤差的概念和分類1.3.2精度1.3.3測量誤差的表示方法1.3.4隨機誤差1.3.5系統(tǒng)誤差1.3.6粗大誤差1.3.7數(shù)據(jù)處理的基本方法1.3.1

測量誤差的概念和分類1.有關測量技術中的部分名詞2.誤差的分類1.有關測量技術中的部分名詞（1）等精度測量：（2）非等精度測量：（3）真值：（4）實際值：（5）標稱值：（6）示值：（7）測量誤差：2.誤差的分類（1）系統(tǒng)誤差（2）隨機誤差（3）粗大誤差1.3

測量誤差與數(shù)據(jù)處理1.3.1測量誤差的概念和分類1.3.2精度1.3.3測量誤差的表示方法1.3.4隨機誤差1.3.5系統(tǒng)誤差1.3.6粗大誤差1.3.7數(shù)據(jù)處理的基本方法1.3.2

精度反映測量結果與真值接近程度的量

(1)準確度

(2)精密度

(3)精確度對于具體的測量，精密度高的而準確度不一定高，準確度高的精密度不一定高，但精確度高，則精密度和準確度都高。1.3

測量誤差與數(shù)據(jù)處理1.3.1測量誤差的概念和分類1.3.2精度1.3.3測量誤差的表示方法1.3.4隨機誤差1.3.5系統(tǒng)誤差1.3.6粗大誤差1.3.7數(shù)據(jù)處理的基本方法1.3.3

測量誤差的表示方法(1)絕對誤差(2)相對誤差(1)絕對誤差絕對誤差是示值與被測量真值之間的差值。設被測量的真值為A0，器具的標稱值或示值為x，則絕對誤差為（1.3.1）由于一般無法求得真值A0，在實際應用時常用精度高一級的標準器具的示值，即實際值A代替真值A0。x與A之差稱為測量器具的示值誤差，記為（1.3.2）通常以此值來代表絕對誤差。修正值為了消除系統(tǒng)誤差用代數(shù)法加到測量結果上的值稱為修正值，常用C表示。將測得示值加上修正值后可得到真值的近似值，即

A0=x+C

（1.3.3） 由此得C=A0-x（1.3.4）在實際工作中，可以用實際值A近似真值A0，則（1.3.4）式變?yōu)镃=A-x=-Δx

（1.3.5）修正值與誤差值大小相等、符號相反，測得值加修正值可以消除該誤差的影響(2)相對誤差相對誤差是絕對誤差與被測量的約定值之比。相對誤差有以下表現(xiàn)形式：①實際相對誤差。②示值相對誤差。③滿度（引用）相對誤差實際相對誤差。（1.3.6）示值相對誤差。（1.3.7）滿度（引用）相對誤差最大允許誤差指示儀表的最大滿度誤差不許超過該儀表準確度等級的百分數(shù)，即

（1.3.9）當示值為x時可能產生的最大相對誤差為（1.3.11） 用儀表測量示值為x的被測量時，比值越大，測量結果的相對誤差越大。選用儀表時要考慮被測量的大小越接近儀表上限越好。被測量的值應大于其測量上限的2/3。1.3

測量誤差與數(shù)據(jù)處理1.3.1測量誤差的概念和分類1.3.2精度1.3.3測量誤差的表示方法1.3.4隨機誤差1.3.5系統(tǒng)誤差1.3.6粗大誤差1.3.7數(shù)據(jù)處理的基本方法1.3.4

隨機誤差1.正態(tài)分布2.隨機誤差的評價指標3.測量的極限誤差1.正態(tài)分布隨機誤差是以不可預定的方式變化著的誤差，但在一定條件下服從統(tǒng)計規(guī)律

正態(tài)分布的隨機誤差分布規(guī)律（1）對稱性。絕對值相等的正誤差和負誤差出現(xiàn)的次數(shù)相等。（2）單峰性。絕對值小的誤差比絕對值大的誤差出現(xiàn)的次數(shù)多。（3）有界性。一定的測量條件下，隨機誤差的絕對值不會超過一定界限。（4）抵償性。隨測量次數(shù)的增加，隨機誤差的算術平均值趨向于零。2.隨機誤差的評價指標由于隨機誤差大部分按正態(tài)分布規(guī)律出現(xiàn)的，具有統(tǒng)計意義，通常以正態(tài)分布曲線的兩個參數(shù)算術平均值和均方根誤差作為評價指標。（1）算術平均值

（2）標準差（1）算術平均值當測量次數(shù)為無限次時，所有測量值的算術平均值即等于真值，事實上是不可能無限次測量，即真值難以達到。但是，隨著測量次數(shù)的增加，算術平均值也就越接近真值。因此，以算術平均值作為真值是既可靠又合理的。(２)標準差①測量列中單次測量的標準差②測量列算術平均值的標準差①

測量列中單次測量的標準差在等精度測量列中，單次測量的標準差

（1.3.18）式中，n——測量次數(shù)；

——每次測量中相應各測量值的隨機誤差。實際工作中用殘差來近似代替隨機誤差求標準差的估計值貝塞爾（Bessel）公式②

測量列算術平均值的標準差式中，——算術平均值標準差（均方根誤差）；

—測量列中單次測量的標準差；

n——測量次數(shù)當測量次數(shù)n愈大時，算術平均值愈接近被測量的真值，測量精度也越高。3.測量的極限誤差測量的極限誤差是極端誤差，檢測量結果的誤差不超過該極端誤差的概率為P，并使出現(xiàn)概率為（１-P）誤差超過該極端誤差的檢測量的測量結果可以忽略。

（1）單次測量的極限誤差（2）算術平均值的極限誤差（1）單次測量的極限誤差隨機誤差在－δ至＋δ范圍內概率為：經(jīng)變換，(1.3.22）式為若某隨機誤差在±t范圍內出現(xiàn)的概率為2Φ(ｔ),則超出該誤差范圍的概率為幾個典型t值的概率情況分析t|δ|=tσ不超出|δ|的概率2Φ（ｔ）超出|δ|的概率1-2Φ（ｔ）0.670.67σ0.49720.502811σ0.68260.317422σ0.95440.045633σ0.99730.002744σ0.99990.0001當t=3時，即|δ|=3時,誤差不超過|δ|的概率為99.73%,通常把這個誤差稱為單次測量的極限誤差δlimx,即δlimx

=±3（2）算術平均值的極限誤差測量列的算術平均值與被測量的真值之差當多個測量列算術平均值誤差為正態(tài)分布時，得到測量列算術平均值的極限誤差表達式為

式中的t為置信系數(shù)，為算術平均值的標準差。通常取t=3,則1.3

測量誤差與數(shù)據(jù)處理1.3.1測量誤差的概念和分類1.3.2精度1.3.3測量誤差的表示方法1.3.4隨機誤差1.3.5系統(tǒng)誤差1.3.6粗大誤差1.3.7數(shù)據(jù)處理的基本方法1.3.5

系統(tǒng)誤差1.系統(tǒng)誤差的發(fā)現(xiàn)2.系統(tǒng)誤差的削弱和消除1.系統(tǒng)誤差的發(fā)現(xiàn)理論分析及計算實驗對比法殘余誤差觀察法殘余誤差校核法計算數(shù)據(jù)比較法（1）理論分析及計算

因測量原理或使用方法不當引入系統(tǒng)誤差時，可以通過理論分析和計算的方法加以修正。（2）實驗對比法

實驗對比法是改變產生系統(tǒng)誤差的條件進行不同條件的測量，以發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)誤差，這種方法適用于發(fā)現(xiàn)恒定系統(tǒng)誤差。（3）殘余誤差觀察法

根據(jù)測量列的各個殘余誤差的大小和符號變化規(guī)律，直接由誤差數(shù)據(jù)或誤差曲線圖形來判斷有無系統(tǒng)誤差，這種方法主要適用于發(fā)現(xiàn)有規(guī)律變化的系統(tǒng)誤差。（4）殘余誤差校核法①用于發(fā)現(xiàn)累進性系統(tǒng)誤差 馬利科夫準則：設對某一被測量進行n次等精度測量，按測量先后順序得到測量值x1，x2，…，xn，相應的殘差為v1，v2，…，vn。把前面一半和后面一半數(shù)據(jù)的殘差分別求和，然后取其差值②用于發(fā)現(xiàn)周期性系統(tǒng)誤差 阿卑-赫梅特準則：

則認為測量列中含有周期性系統(tǒng)誤差。當存在設

(5)計算數(shù)據(jù)比較法對同一量進行多組測量，得到很多數(shù)據(jù)，通過多組計算數(shù)據(jù)比較，若不存在系統(tǒng)誤差，其比較結果應滿足隨機誤差條件，否則可認為存在系統(tǒng)誤差。任意兩組結果與間不存在系統(tǒng)誤差的標志是

2.系統(tǒng)誤差的削弱和消除從產生誤差源上消除系統(tǒng)誤差引入修正值法零位式測量法補償法對照法1.3

測量誤差與數(shù)據(jù)處理1.3.1測量誤差的概念和分類1.3.2精度1.3.3測量誤差的表示方法1.3.4隨機誤差1.3.5系統(tǒng)誤差1.3.6粗大誤差1.3.7數(shù)據(jù)處理的基本方法1.3.6

粗大誤差判別粗大誤差最常用的統(tǒng)計判別法： 如果對被測量進行多次重復等精度測量的測量數(shù)據(jù)為x1，x2，…，xd,…，xn

其標準差為σ，如果其中某一項殘差vd大于三倍標準差，即 則認為vd為粗大誤差，與其對應的測量數(shù)據(jù)xd是壞值，應從測量列測量數(shù)據(jù)中刪除。1.3

測量誤差與數(shù)據(jù)處理1.3.1測量誤差的概念和分類1.3.2精度1.3.3測量誤差的表示方法1.3.4隨機誤差1.3.5系統(tǒng)誤差1.3.6粗大誤差1.3.7數(shù)據(jù)處理的基本方法1.3.7

數(shù)據(jù)處理的基本方法數(shù)據(jù)處理:從獲得數(shù)據(jù)起到得出結論為止的整個數(shù)據(jù)加工過程。

常用方法:列表法、作圖法和最小二乘法擬合。最小二乘法原理是指測量結果的最可信賴值應在殘余誤差平方和為最小的條件下求出。在自動檢測系統(tǒng)中，兩個變量間的線性關系是一種最簡單、也是最理想的函數(shù)關系。

設有n組實測數(shù)據(jù)（xi，yi）(i=1，2，…，n)，其最佳擬合方程(回歸方程)為

y=A+Bx(1.1.37)式中，A為直線的截距；B為直線的斜率。根據(jù)最小二乘法原理，要使為最小，取其對A、B求偏導數(shù)，并令其為零，可得兩個方程，聯(lián)立兩個方程可求出A,B的唯一解。第1章緒論1.1自動檢測技術概述1.2傳感器概述1.3測量誤差與數(shù)據(jù)處理1.4傳感器的一般特性1.5傳感器的標定和校準1.4

傳感器的一般特性1.4.1

傳感器的靜特性1.4.2

傳感器的動特性1.4.1

傳感器的靜特性輸出與輸入間關系

微分方程靜特性：輸入量為常量，或變化極慢動特性：輸入量隨時間較快地變化時微分方程中的一階及以上的微分項取為零時，可得到靜特性（動特性的特例）表示傳感器在被測量處于穩(wěn)定狀態(tài)時的輸出輸入關系希望輸出與輸入具有確定的對應關系，且呈線性關系。靜特性指標

線性度靈敏度遲滯重復性零點漂移溫度漂移1、線性度靜特性輸出量輸入量零點輸出理論靈敏度非線性項系數(shù)直線擬合線性化非線性誤差或線性度最大非線性誤差滿量程輸出直線擬合線性化出發(fā)點獲得最小的非線性誤差擬合方法：①理論擬合；②過零旋轉擬合；③端點連線擬合；④端點連線平移擬合；⑤最小二乘擬合；⑥最小包容擬合①理論擬合擬合直線為傳感器的理論特性，與實際測試值無關。方法十分簡單，但一般說較大xyΔLmax②過零旋轉擬合曲線過零的傳感器。擬合時，使xyΔL2ΔL1③端點連線擬合把輸出曲線兩端點的連線作為擬合直線xyΔLmax④端點連線平移擬合在端點連線擬合基礎上使直線平移，移動距離為原先的一半yxΔLmaxΔL1⑤最小二乘擬合原理:最小二乘擬合方法xy=kx+by2、靈敏度傳感器輸出的變化量與引起該變化量的輸入變化量之比即為其靜態(tài)靈敏度表征傳感器對輸入量變化的反應能力表征傳感器對輸入量變化的反應能力(a)線性傳感器(b)非線性傳感器

3、遲滯正（輸入量增大）反（輸入量減小）行程中輸出輸入曲線不重合稱為遲滯

—正反行程間輸出的最大差值。遲滯誤差的另一名稱叫回程誤差，常用絕對誤差表示檢測回程誤差時，可選擇幾個測試點。對應于每一輸入信號，傳感器正行程及反行程中輸出信號差值的最大者即為回程誤差。遲滯特性4、重復性傳感器在輸入按同一方向連續(xù)多次變動時所得特性曲線不一致的程度正行程的最大重復性偏差反行程的最大重復性偏差取較大者為

重復特性5.零點漂移傳感器在長時間工作的情況下輸出量發(fā)生的變化，長時間工作穩(wěn)定性或零點漂移零漂＝式中ΔY0

——最大零點偏差；

YFS——滿量程輸出。6、溫漂傳感器在外界溫度下輸出量發(fā)出的變化溫漂＝式中Δmax

——輸出最大偏差；

ΔT——溫度變化范圍；

YFS

——滿量程輸出。1.4

傳感器的一般特性1.4.1

傳感器的靜特性1.4.2

傳感器的動特性1.4.2

傳感器的動態(tài)特性傳感器的動態(tài)特性是指傳感器的輸出對隨時間變化的輸入量的響應特性。反映輸出值真實再現(xiàn)變化著的輸入量的能力。研究傳感器的動態(tài)特性主要是從測量誤差角度分析產生動態(tài)誤差的原因以及改善措施。

時域：瞬態(tài)響應法

頻域：頻率響應法1.瞬態(tài)響應特性在時域內研究傳感器的動態(tài)特性時，常用的激勵信號有階躍函數(shù)、脈沖函數(shù)和斜坡函數(shù)等。傳感器對所加激勵信號的響應稱為瞬態(tài)響應。

理想情況下，階躍輸入信號的大小對過渡過程的曲線形狀是沒有影響的。但在實際做過渡過程實驗時，應保持階躍輸入信號在傳感器特性曲線的線性范圍內。

⑴

一階傳感器的單位階躍響應設x(t)、y(t)

分別為傳感器的輸入量和輸出量，均是時間的函數(shù)，則一階傳感器的傳遞函數(shù)為 式中τ——時間常數(shù)；

K——靜態(tài)靈敏度。 由于在線性傳感器中靈敏度K為常數(shù)，在動態(tài)特性分析中，K只起著使輸出量增加K倍的作用。討論時采用K=1。對于初始狀態(tài)為零的傳感器，當輸入為單位階躍信號時，X(s)=1/s,傳感器輸出的拉氏變換為則一階傳感器的單位階躍響應為一階傳感器的時間常數(shù)τ越小越好⑵

二階傳感器的單位階躍響應二階傳感器的傳遞函數(shù)為式中ωn——傳感器的固有頻率；

ζ——傳感器的阻尼比。在單位階躍信號作用下，傳感器輸出的拉氏變換為對Y（s）進行拉氏反變換，即可得到單位階躍響應。圖1.4.6為二階傳感器的單位階躍響應曲線。傳感器的響應在很大程度上取決于阻尼比ζ和固有頻率ωn。在實際使用中，為了兼顧有短的上升時間和小的超調量，一般傳感器都設計成欠阻尼式的，阻尼比ζ一般取在0.6~0.8之間。帶保護套管的熱電偶是一個典型的二階傳感器。⑶

瞬態(tài)響應特性指標時間常數(shù)τ是描述一階傳感器動態(tài)特性的重要參數(shù)，τ越小，響應速度越快。二階傳感器階躍響應的典型性能指標可由圖1.4.7表示各指標定義如下：①上升時間tr

輸出由穩(wěn)態(tài)值的10%變化到穩(wěn)態(tài)值的90%所用的時間。②響應時間ts

系統(tǒng)從階躍輸入開始到輸出值進入穩(wěn)態(tài)值所規(guī)定的范圍內所需要的時間。③峰值時間tp

階躍響應曲線達到第一個峰值所需時間。④超調量σ

傳感器輸出超過穩(wěn)態(tài)值的最大值ΔA，常用相對于穩(wěn)態(tài)值的百分比σ表示。2.頻率響應特性傳感器對正弦輸入信號的響應特性頻率響應法是從傳感器的頻率特性出發(fā)研究傳感器的動態(tài)特性。 （1）零階傳感器的頻率特性 （2）一階傳感器的頻率特性 （3）二階傳感器的頻率特性 （4）頻率響應特性指標（1）零階傳感器的頻率特性零階傳感器的傳遞函數(shù)為頻率特性為零階傳感器的輸出和輸入成正比，并且與信號頻率無關。因此，無幅值和相位失真問題，具有理想的動態(tài)特性。電位器式傳感器是零階系統(tǒng)的一個例子。在實際應用中，許多高階系統(tǒng)在變化緩慢、頻率不高時，都可以近似的當作零階系統(tǒng)來處理。⑵

一階傳感器的頻率特性將一階傳感器的傳遞函數(shù)中的s用jω代替，即可得到頻率特性表達式幅頻特性相頻特性(a)幅頻特性(b)相頻特性時間常數(shù)τ越小，頻率響應特性越好。當ωτ<<1時，A(ω)≈1，Φ(ω)≈ωτ，表明傳感器輸出與輸入為線性關系，相位差與頻率ω成線性關系，輸出y(t)

比較真實地反映輸入x(t)

的變化規(guī)律。因此，減小τ可以改善傳感器的頻率特性。⑶

二階傳感器的頻率特性二階傳感器的頻率特性表達式、幅頻特性、相頻特性分別為二階傳感器的頻率特性⑷

頻率響應特性指標①頻帶傳感器增益保持在一定值內的頻率范圍，即對數(shù)幅頻特性曲線上幅值衰減3dB時所對應的頻率范圍，稱為傳感器的頻帶或通頻帶，對應有上、下截止頻率。②時間常數(shù)τ

用時間常數(shù)τ來表征一階傳感器的動態(tài)特性，τ越小，頻帶越寬。③固有頻率ωn

二階傳感器的固有頻率ωn表征了其動態(tài)特性。第1章緒論1.1自動檢測技術概述1.2傳感器概述1.3測量誤差與數(shù)據(jù)處理1.4傳感器的一般特性1.5傳感器的標定和校準1.5

傳感器的標定和校準傳感器的標定是通過試驗建立傳感器輸入量與輸出量之間的關系。同時，確定出不同使用條件下的誤差關系。

傳感器的標定工作可分為如下幾個方面，

1.新研制的傳感器需進行全面技術性能的檢定，用檢定數(shù)據(jù)進行量值傳遞，同時檢定數(shù)據(jù)也是改進傳感器設計的重要依據(jù)；

2.經(jīng)過一段時間的儲存或使用后對傳感器的復測工作。

傳感器的標定靜態(tài)標定:

目的是確定傳感器的靜態(tài)特性指標，如線性度、靈敏度、滯后和重復性等。動態(tài)標定:

目的是確定傳感器的動態(tài)特性參數(shù)，如頻率響應、時間常數(shù)、固有頻率和阻尼比等。1.5傳感器的標定和校準1.5.1傳感器的靜態(tài)特性標定

1.5.2傳感器的動態(tài)特性標定1.5.3壓力傳感器的動態(tài)標定1.5.1

傳感器的靜態(tài)特性標定1.靜態(tài)標準條件2.標定儀器設備精度等級的確定3.靜態(tài)特性標定的方法4.壓力傳感器的靜態(tài)標定1.靜態(tài)標準條件沒有加速度、振動、沖擊（除非這些參數(shù)本身就是被測物理量）及環(huán)境溫度一般為室溫（20±5℃）、相對濕度不大于85%，大氣壓力為101±7kPa的情況。2.標定儀器設備精度等級的確定對傳感器進行標定，是根據(jù)試驗數(shù)據(jù)確定傳感器的各項性能指標，實際上也是確定傳感器的測量精度。標定傳感器時，所用的測量儀器的精度至少要比被標定的傳感器的精度高一個等級。這樣，通過標定確定的傳感器的靜態(tài)性能指標才是可靠的，所確定的精度才是可信的。3.靜態(tài)特性標定的方法標定過程步驟：⑴將傳感器全量程（測量范圍）分成若干等間距點；⑵根據(jù)傳感器量程分點情況，由小到大逐漸一點一點的輸入標準量值，并記錄下與各輸入值相對應的輸出值；⑶將輸入值由大到小一點一點的減少，同時記錄下與各輸入值相對應的輸出值；⑷按⑵、⑶所述過程，對傳感器進行正、反行程往復循環(huán)多次測試，將得到的輸出－輸入測試數(shù)據(jù)用表格列出或畫成曲線；⑸對測試數(shù)據(jù)進行必要的處理，根據(jù)處理結果就可以確定傳感器的線性度、靈敏度、滯后和重復性等靜態(tài)特性指標。4.壓力傳感器的靜態(tài)標定常用的標定裝置有：活塞壓力計、杠桿式和彈簧測力計式壓力標定機?；钊麎毫τ嫎硕▔毫鞲衅鞯氖疽鈭D1--標準壓力表2—砝碼3—活塞4—進油閥5—油杯6—被標傳感器7—針形閥8—手輪9—手搖壓力泵壓力標定曲線上述標定方法不適合壓電式壓力測量系統(tǒng)，因為活塞壓力計的加載過程時間太長，致使傳感器產生的電荷有泄漏，嚴重影響其標定精度。所以，對壓電式測壓系統(tǒng)一般采用杠桿式壓力標定機或彈簧測力計式壓力標定機。為了保證壓力傳感器的測量準確度，需定期檢定，檢定周期最長不超過一年。1.5傳感器的標定和校準1.5.1傳感器的靜態(tài)特性標定

1.5.2傳感器的動態(tài)特性標定1.5.3壓力傳感器的動態(tài)標定1.5.2

傳感器的動態(tài)特性標定主要研究傳感器的動態(tài)響應，而與動態(tài)響應有關的參數(shù)，一階傳感器只有一個時間常數(shù)τ，二階傳感器則有固有頻率ωn和阻尼比ζ兩個參數(shù)。標準激勵信號:

階躍變化和正弦變化的輸入信號一階傳感器的單位階躍響應函數(shù)為則上式可變?yōu)閦和時間t成線性關系，并且有τ=Δt/Δz

可以根據(jù)測得的y(t)值作出z—t曲線，并根據(jù)Δt/Δz的值獲得時間常數(shù)τ一階傳感器時間常數(shù)的求法二階傳感器（ζ<1）的單位階躍響應為如果測得階躍響應的較長瞬變過程，則可利用任意兩個過沖量Mi和Mi+n按式（1.5.6）求得阻尼比ζ，其中n是該兩峰值相隔的周期數(shù)（整數(shù)）。當ζ<0.1時，以1代替，此時不會產生過大的誤差（不大于0.6%）,則可用式(1.5.8)計算ζ，即若傳感器是精確的二階傳感器，則n值采用任意正整數(shù)所得的ζ值不會有差別。反之，若n取不同值獲得不同的ζ值，則表明該傳感器不是線性二階系統(tǒng)。根據(jù)響應曲線測出振動周期Td，有阻尼的固有頻率ωd為則無阻尼固有頻率ωn為利用正弦輸入，測定輸出和輸入的幅值比和相位差來確定傳感器的幅頻特性和相頻特性，然后根據(jù)幅頻特性，分別按下圖求得一階傳感器的時間常數(shù)τ和欠阻尼二階傳感器的固有頻率和阻尼比。由幅頻特性求時間常數(shù)τ

欠阻尼二階傳感器的ωn和ζ1.5傳感器的標定和校準1.5.1傳感器的靜態(tài)特性標定

1.5.2傳感器的動態(tài)特性標定1.5.3壓力傳感器的動態(tài)標定1.5.3

壓力傳感器的動態(tài)標定給傳感器加一個特性已知的校準動壓信號作為激勵源，從而得到傳感器的輸出信號，經(jīng)計算分析、數(shù)據(jù)處理，即可確定傳感器的頻率特性。

壓力傳感器在標定時廣泛采用激波管法方法。

激波管法三大特點： ⑴壓力幅度范圍寬，便于改變壓力值； ⑵頻率范圍寬(2kHz~2.5MHz)； ⑶便于分析研究和數(shù)據(jù)處理。1.激波管標定裝置工作原理激波管標定裝置系統(tǒng)原理框圖1-高壓室2-低壓室3-膜片4-側面被標定的傳感器

5-底面被標定的傳感器6、7-測速壓力傳感器8-測速前置級9-數(shù)字頻率計10-測壓前置級11-記錄裝置12-氣源13-氣壓表14-泄氣門激波管標定裝置系統(tǒng)激波管入射激波測速系統(tǒng)標定測量系統(tǒng)氣源傳感器在激波的激勵下按固有頻率產生一個衰減振蕩。其波形由顯示系統(tǒng)記錄下來用以確定傳感器的動態(tài)特性。被標定傳感器的輸出波形激波管中壓力與波動情況

膜片爆破前的情況(b)膜片爆破后稀疏波反射前的情況稀疏波反射后的情況(d)反射激波的波動情況2.傳感器動態(tài)參數(shù)的確定方法傳感器對階躍壓力的響應曲線是輸出壓力與時間的關系曲線，所以又稱為時域曲線。若傳感器振蕩周期Td是穩(wěn)定的，而且振蕩幅度有規(guī)律地單調減小，則傳感器（或測壓系統(tǒng)）可以近似地看成是二階系統(tǒng)。 根據(jù)試驗獲得的階躍響應曲線，確定傳感器的固有頻率ωn和阻尼比ζ，求得壓力傳感器的幅頻特性和相頻特性分別為Endthe1.02.1應變式傳感器2.1.1工作原理2.1.2金屬應變片的主要特性2.1.3測量電路2.1.4應變式傳感器應用2.1.1工作原理1.金屬的電阻應變效應電阻應變效應：當金屬絲在外力作用下發(fā)生機械變形時 其電阻值將發(fā)生變化F

Δl、ΔA、ΔρΔR電阻的靈敏系數(shù)對于半徑為r的圓導體，A=πr2，ΔA/A=2Δr/r又由材料力學可知，在彈性范圍內，ε為導體的縱向應變，其數(shù)值一般很小，常以微應變度量；μ為電阻絲材料的泊松比，一般金屬μ=0.3~0.5；λ為壓阻系數(shù)，與材質有關；σ為應力值；E為材料的彈性模量；金屬電阻的靈敏系數(shù)材料的幾何尺寸變化引起的材料的電阻率ρ隨應變引起的（壓阻效應）金屬材料：k0以前者為主，則k0≈1+2μ=1.7~3.6半導體：k0值主要是由電阻率相對變化所決定2.應變片的基本結構與種類

敏感柵直徑為0.025mm左右的合金電阻絲絲繞式基底絕緣覆蓋層保護位移、力、力矩、加速度、壓力彈性敏感元件

應變外力作用被測對象表面產生微小機械變形應變片敏感柵隨同變形電阻值發(fā)生相應變化應變片應變片的類型和材料金屬絲式

金屬箔式

金屬薄膜式

回線式短接式金屬絲式應變片

金屬電阻絲應變片的基本結構1-基片；2-電阻絲；3-覆蓋層；4-引出線金屬電阻應變片，材料電阻率隨應變產生的變化很小，可忽略應變片電阻的相對變化與應變片縱向應變成正比，并且對同一電阻材料，

K0=1+2μ是常數(shù)。其靈敏度系數(shù)多在1.7～3.6之間。金屬箔式應變片在絕緣基底上，將厚度為0.003～0.01mm電阻箔材，利用照相制板或光刻腐蝕的方法，制成適用于各種需要的形狀箔式應變片優(yōu)點：（1）尺寸準確，線條均勻，適應不同的測量要求，

（2）可制成多種復雜形狀尺寸準確的敏感柵（3）與被測試件接觸面積大，粘結性能好。散熱條件好，允許電流大，靈敏度提高。（4）橫向效應可以忽略。（5）蠕變、機械滯后小，疲勞壽命長。

缺點：電阻值的分散性大阻值調整金屬薄膜應變片采用真空蒸發(fā)或真空沉積等方法在薄的絕緣基片上形成厚度在0.1μm以下的金屬電阻材料薄膜敏感柵，再加上保護層，易實現(xiàn)工業(yè)化批量生產優(yōu)點：應變靈敏系數(shù)大，允許電流密度大，工作范圍廣，易實現(xiàn)工業(yè)化生產問題：難控制電阻與溫度和時間的變化關系2.1應變式傳感器2.1.1工作原理2.1.2金屬應變片的主要特性2.1.3測量電路2.1.4應變式傳感器應用2.1.2金屬應變片的主要特性

（一）靈敏系數(shù)（二）橫向效應（三）溫度誤差及其補償應變片的電阻值R應變片在未經(jīng)安裝也不受外力情況下，于室溫下測得的電阻值電阻系列：60、120、200、350、500、1000Ω

可以加大應變片承受電壓，電阻值大輸出信號大，敏感柵尺寸也增大

（一）靈敏系數(shù)“標稱靈敏系數(shù)”：受軸向單向力（拉或壓），試件材料為泊松系數(shù)μ=0.285的鋼等。一批產品中只能抽樣5％的產品來測定，取平均值及允許公差值。電阻應變片的靈敏系數(shù)k<電阻絲的靈敏系數(shù)k0

粘結層傳遞變形失真還存在有橫向效應原因：

（二）橫向效應敏感柵是由多條直線和圓弧部分組成直線段：沿軸向拉應變εx，電阻圓弧段：沿軸向壓應度εy

電阻K(箔式應變片)lεyεxεy橫向效應

應變片的橫柵部分將縱向絲柵部分的電阻變化抵消了一部分，從而降低了整個電阻應變片的靈敏度，帶來測量誤差，其大小與敏感柵的構造及尺寸有關。敏感柵的縱柵愈窄、愈長，而橫柵愈寬、愈短，則橫向效應的影響愈小。（三）溫度誤差及其補償1、試件材料的線膨脹引起的誤差。當溫度變化△t時，因試件材料和敏感柵材料的線膨脹系數(shù)不同，應變片將產生附加拉長（或壓縮），引起的電阻相對變化。（三）溫度誤差及其補償2、敏感柵電阻隨溫度的變化引起的誤差。當環(huán)境溫度變化△T時，敏感柵材料電阻溫度系數(shù)為，則引起的電阻相對變化為其中相應的虛假應變輸出為可得由于溫度變化而引起的總電阻變化為溫度補償

單絲自補償法自補償法組合式自補償法線路補償法〔電橋補償法、熱敏電阻〕溫度補償①電橋補償法U0R1R4R3URbFFR1Rb電橋補償法優(yōu)點：

簡單、方便，在常溫下補償效果較好缺點：

在溫度變化梯度較大的條件下，很難做到工作片與補償片處于溫度完全一致的情況，因而影響補償效果。②應變片的自補償法粘貼在被測部位上的是一種特殊應變片，當溫度變化時，產生的附加應變?yōu)榱慊蛳嗷サ窒@種應變片稱為溫度自補償應變片。利用這種應變片來實現(xiàn)溫度補償?shù)姆椒ǚQ為應變片自補償法。a.選擇式自補償應變片b.雙金屬敏感柵自補償應變片a.選擇式自補償應變片優(yōu)點：容易加工，成本低，缺點：只適用特定試件材料，溫度補償范圍也較窄。由式(2.1.16)可知，實現(xiàn)溫度補償?shù)臈l件為當被測試件的線膨脹系數(shù)βg已知時，通過選擇敏感柵材料，使下式成立

(2.1.21)

即可達到溫度自補償?shù)哪康摹1R2組合自補償法b.雙金屬敏感柵自補償應變片敏感柵絲由兩種不同溫度系數(shù)的金屬絲串接組成選用兩者具有不同符號的電阻溫度系數(shù)調整R1和R2的比例，使溫度變化時產生的電阻變化滿足通過調節(jié)兩種敏感柵的長度來控制應變片的溫度自補償，可達±0.45μm/℃的高精度③熱敏電阻補償TKRtUiR1＋⊿RR4R3U0R2RtR5分流電阻UURtU=Ui-URtK2.1應變式傳感器2.1.1工作原理2.1.2金屬應變片的主要特性2.1.3測量電路2.1.4應變式傳感器應用2.1.3電阻應變片的測量電路1直流電橋2非線性誤差及其補償1.直流電橋

直流電橋的工作原理時電橋平衡平衡條件

:R1R4=R2R3

R1/R2=R3/R4

R1+⊿R1R2R4R3UILRL不平衡直流電橋的工作原理及靈敏度

當電橋后面接放大器時,電橋輸出端看成開路.電橋的輸出式為：應變片工作時，其電阻變化ΔR采用等臂電橋，即R1=R2=R3=R4=R

。此時式(2.1.24)可寫為當ΔRi<<R(i=1,2,3,4)時，略去上式中的高階微量，則上式表明：①

ΔRi<<R時，電橋的輸出電壓與應變成線性關系。②若相鄰兩橋臂的應變極性一致，即同為拉應變或壓應變時，輸出電壓為兩者之差；若相鄰兩橋臂的應變極性不同，則輸出電壓為兩者之和。③若相對兩橋臂應變的極性一致，輸出電壓為兩者之和；反之則為兩者之差。④電橋供電電壓U越高，輸出電壓U0越大。但是，當U大時，電阻應變片通過的電流也大，若超過電阻應變片所允許通過的最大工作電流，傳感器就會出現(xiàn)蠕變和零漂。⑤增大電阻應變片的靈敏系數(shù)K，可提高電橋的輸出電壓。2.1.3電阻應變片的測量電路1直流電橋2非線性誤差及其補償

單臂電橋，即R1橋臂變化ΔR，理想的線性關系實際輸出電壓電橋的相對非線性誤差為2.非線性誤差及其補償減小非線性誤差采用的措施為：（1）采用半橋差動電橋R1R2FU0R1＋⊿R1R4R3UR2－⊿R2R1＝R2＝R3＝R4=R，ΔR1＝ΔR2=ΔR

嚴格的線性關系電橋靈敏度比單臂時提高一倍溫度補償作用輸出電壓為：U0R1＋⊿R1UR2－⊿R2R4＋⊿R4R3－⊿R3全橋差動電路2.1應變式傳感器2.1.1工作原理2.1.2金屬應變片的主要特性2.1.3測量電路2.1.4應變式傳感器應用2.1.4電阻應變式傳感器的應用應變式力傳感器應變式壓力傳感器應變式液體重量（或液位）傳感器應變式加速度傳感器柱式力傳感器1

應變式力傳感器（a）實心圓柱；（b）空心圓筒；R5R8R7R6R1R2R3R4R5R8R7R6R1R2R3R4UoUF(2)梁式力傳感器等截面梁結構簡單，易加工，靈敏度高適合于測5000N以下的載荷b0R1R2l0lFbh①等截面懸臂梁b0R1R2XlFbh②等強度懸臂梁③雙端固定梁⑶薄壁圓環(huán)式力傳感器在外力作用下，各點的應力差別較大(4)機器人腕力傳感器測量施加到機器人上沿直角坐標系3個參考軸方向的分力或分力矩；敏感元件為整體輪輻式十字梁結構的彈性體；每個主梁上貼有8個應變片，四個主梁上共有32個應變片，組成8個電橋；對這8個電橋輸出電壓的解耦，得到六維分量。2.1.4電阻應變式傳感器的應用應變式力傳感器應變式壓力傳感器應變式液體重量（或液位）傳感器應變式加速度傳感器2.應變式壓力傳感器εtεrR4R3R1R2

UU0膜片PεrεtR1R2R3R4εrεt膜片式壓力傳感器筒式壓力傳感器機床液壓系統(tǒng)的壓力（106～107Pa），槍炮的膛內壓力（108Pa），動態(tài)特性和靈敏度主要由材料的E值和尺寸決定組合式壓力傳感器應變片不直接粘貼在壓力感受元件上壓力敏感元件為膜片或膜盒、波紋管、彈簧管等通常用于測量小壓力。其缺點是固有頻率低，不適于測量瞬態(tài)過程。2.1.4電阻應變式傳感器的應用應變式力傳感器應變式壓力傳感器應變式液體重量（或液位）傳感器應變式加速度傳感器3.容器內液體重量（液位）傳感器液位傳感器式中A1

、A2——傳感器的傳輸系數(shù)；

g——重力加速度(m/s2)；

ρ——被測溶液的密度(Kg/m3)。溶液重量式中Q——容器內感壓膜上面溶液的重量(N)；D——柱形容器的截面積(m2)。2.1.4電阻應變式傳感器的應用應變式力傳感器應變式壓力傳感器應變式液體重量（或液位）傳感器應變式加速度傳感器4.應變式加速度傳感器在低頻（10~60Hz）振動測量中得到廣泛的應用,但不適用于頻率較高的振動和沖擊。

應變式加速度傳感器結構示意圖1—等強度梁2—質量塊3—殼體4—電阻應變片Endthe2.12.2壓阻式傳感器2.2.1半導體的壓阻效應2.2.2體型半導體應變片2.2.3擴散型壓阻式壓力傳感器2.2.4壓阻式加速度傳感器2.2.5測量橋路及溫度補償2.2.1半導體的壓阻效應

固體受到作用力后，電阻率就要發(fā)生變化，這種效應稱為壓阻效應

半導體材料的壓阻效應特別強。

壓阻式傳感器的靈敏系數(shù)大，分辨率高。頻率響應高，體積小。它主要用于測量壓力、加速度和載荷等參數(shù)。因為半導體材料對溫度很敏感，因此壓阻式傳感器的溫度誤差較大，必須要有溫度補償。壓阻效應

金屬材料半導體材料半導體電阻率πl(wèi)為半導體材料的壓阻系數(shù)，它與半導體材料種類及應力方向與晶軸方向之間的夾角有關；E為半導體材料的彈性模量，與晶向有關。對半導體材料而言，πl(wèi)E>>(1+μ)，故(1+μ)項可以忽略半導體材料的電阻值變化，主要是由電阻率變化引起的，而電阻率ρ的變化是由應變引起的半導體單晶的應變靈敏系數(shù)可表示

半導體的應變靈敏系數(shù)還與摻雜濃度有關，它隨雜質的增加而減小2.2壓阻式傳感器2.2.1半導體的壓阻效應2.2.2體型半導體應變片2.2.3擴散型壓阻式壓力傳感器2.2.4壓阻式加速度傳感器2.2.5測量橋路及溫度補償2.2.2體型半導體電阻應變片

結構型式及特點測量電路1.結構型式及特點主要優(yōu)點靈敏系數(shù)比金屬電阻應變片的靈敏系數(shù)大數(shù)十倍橫向效應和機械滯后極小溫度穩(wěn)定性和線性度比金屬電阻應變片差得多2.測量電路恒壓源恒流源電橋輸出電壓與ΔR/R成正比，輸出電壓受環(huán)境溫度的影響。電橋輸出電壓與ΔR成正比，環(huán)境溫度的變化對其沒有影響。2.2壓阻式傳感器2.2.1半導體的壓阻效應2.2.2體型半導體應變片2.2.3擴散型壓阻式壓力傳感器2.2.4壓阻式加速度傳感器2.2.5測量橋路及溫度補償2.2.3擴散型壓阻式壓力傳感器壓阻式壓力傳感器結構簡圖1—低壓腔2—高壓腔3—硅杯4—引線5—硅膜片采用N型單晶硅為傳感器的彈性元件，在它上面直接蒸鍍半導體電阻應變薄膜工作原理：膜片兩邊存在壓力差時，膜片產生變形，膜片上各點產生應力。四個電阻在應力作用下，阻值發(fā)生變化，電橋失去平衡，輸出相應的電壓，電壓與膜片兩邊的壓力差成正比。

四個電阻的配置位置：按膜片上徑向應力σr和切向應力σt的分布情況確定。設計時，適當安排電阻的位置，可以組成差動電橋。擴散型壓阻式壓力傳感器特點優(yōu)點:體積小，結構比較簡單，動態(tài)響應也好，靈敏度高，能測出十幾帕的微壓，長期穩(wěn)定性好，滯后和蠕變小，頻率響應高，便于生產，成本低。測量準確度受到非線性和溫度的影響。智能壓阻式壓力傳感器利用微處理器對非線性和溫度進行補償。2.2壓阻式傳感器2.2.1半導體的壓阻效應2.2.2體型半導體應變片2.2.3擴散型壓阻式壓力傳感器2.2.4壓阻式加速度傳感器2.2.5測量橋路及溫度補償2.2.4壓阻式加速度傳感器

它的懸臂梁直接用單晶硅制成，四個擴散電阻擴散在其根部兩面。擴散電阻質量塊基座應變梁a2.2壓阻式傳感器2.2.1半導體的壓阻效應2.2.2體型半導體應變片2.2.3擴散型壓阻式壓力傳感器2.2.4壓阻式加速度傳感器2.2.5測量橋路及溫度補償2.2.5測量橋路及溫度補償由于制造、溫度影響等原因，電橋存在失調、零位溫漂、靈敏度溫度系數(shù)和非線性等問題，影響傳感器的準確性。減少與補償誤差措施

1.恒流源供電電橋

2.零點溫度補償

3.靈敏度溫度補償1.恒流源供電電橋恒流源供電的全橋差動電路假設ΔRT為溫度引起的電阻變化電橋的輸出為電橋的輸出電壓與電阻變化成正比，與恒流源電流成正比，但與溫度無關，因此測量不受溫度的影響。2.溫度漂移及其補償UR1R2R4R3U0RsRpVD溫度變化而變化，將引起零漂和靈敏度漂移

零漂擴散電阻值隨溫度變化靈敏度漂移壓阻系數(shù)隨溫度變化零位溫漂串、并聯(lián)電阻靈敏度溫漂串聯(lián)二極管串聯(lián)電阻Rs起調零作用并聯(lián)電阻RP起補償作用Endthe2.23.1自感式傳感器3.1.1工作原理3.1.2變氣隙式自感傳感器3.1.3變面積式自感傳感器3.1.4螺線管式自感傳感器3.1.5自感式傳感器測量電路3.1.6自感式傳感器應用舉例3.1.1工作原理

線圈自感Ψ——線圈總磁鏈,單位：韋伯；I——通過線圈的電流，單位：安培；W——線圈的匝數(shù)；Rm——磁路總磁阻，單位：1/亨。a)氣隙型

b)截面型

c)螺管型自感式傳感器原理圖li——各段導磁體的長度；Ui——各段導磁體的磁導率；Si——各段導磁體的截面積；

δ——空氣隙的厚度；U0

——真空磁導率S——空氣隙截面積變氣隙型傳感器變截面型傳感器線圈中放入圓形銜鐵可變自感螺管型傳感器。3.1自感式傳感器3.1.1工作原理3.1.2變氣隙式自感傳感器3.1.3變面積式自感傳感器3.1.4螺線管式自感傳感器3.1.5自感式傳感器測量電路3.1.6自感式傳感器應用舉例3.1.2變氣隙式自感傳感器

通常氣隙的磁阻遠大于鐵芯和銜鐵的磁阻

L與δ之間是非線性關系

當銜鐵處于初始位置時，初始電感量為當銜鐵上移Δδ時，則，代入式（3.1.6）式并整理得上式用泰勒級數(shù)展開成如下的級數(shù)形式

同理，當銜鐵隨被測物體的初始位置向下移動時，有對式（3.1.11）（3.1.13）作線性處理，即忽略高次項后可得靈敏度為變間隙式自感傳感器的測量范圍與靈敏度及線性度是相矛盾的，因此變隙式自感式傳感器適用于測量微小位移場合。為了減小非線形誤差，實際中廣泛采用差動變隙式電感傳感器差動變隙式電感傳感器

1-鐵芯；2-線圈；3-銜鐵當銜鐵向上移動時，兩個線圈的電感變化量ΔL1、ΔL2

對上式進行線性處理，即忽略高次項得

靈敏度k0為（1）差動變間隙式自感傳感器的靈敏度是單線圈式傳感器的兩倍。（2）單線圈是忽略以上高次項，差動式是忽略以上高次項，因此差動式自感式傳感器線性度得到明顯改善。3.1自感式傳感器3.1.1工作原理3.1.2變氣隙式自感傳感器3.1.3變面積式自感傳感器3.1.4螺線管式自感傳感器3.1.5自感式傳感器測量電路3.1.6自感式傳感器應用舉例3.1.3變面積式自感傳感器傳感器氣隙長度保持不變，令磁通截面積隨被測非電量而變，設鐵芯材料和銜鐵材料的磁導率相同，則此變面積自感傳感器自感L為靈敏度變面積式自感傳感器在忽略氣隙磁通邊緣效應的條件下，輸入與輸出呈線性關系；因此可望得到較大的線性范圍。但是與變氣隙式自感傳感器相比，其靈敏度降低。3.1自感式傳感器3.1.1工作原理3.1.2變氣隙式自感傳感器3.1.3變面積式自感傳感器3.1.4螺線管式自感傳感器3.1.5自感式傳感器測量電路3.1.6自感式傳感器應用舉例3.1.4螺線管式自感傳感器1-螺線管線圈Ⅰ；2-螺線管線圈Ⅱ；3-骨架；4-活動鐵芯

L10，L20——分別為線圈Ⅰ、Ⅱ的初始電感值；當鐵芯移動（如右移）后，使右邊電感值增加，左邊電感值減小

根據(jù)以上兩式，可以求得每只線圈的靈敏度為兩只線圈的靈敏度大小相等，符號相反，具有差動特征。

式(3.1.21)和式(3.1.24)可簡化為

3.1自感式傳感器3.1.1工作原理3.1.2變氣隙式自感傳感器3.1.3變面積式自感傳感器3.1.4螺線管式自感傳感器3.1.5自感式傳感器測量電路3.1.6自感式傳感器應用舉例3.1.5自感式傳感器測量電路1.調幅電路2.調頻電路3.調相電路4.自感傳感器的靈敏度1.調幅電路

(1)變壓器電路輸出空載電壓初始平衡狀態(tài)，Z1=Z2=Z,u0=0銜鐵偏離中間零點時使用元件少，輸出阻抗小,獲得廣泛應用傳感器銜鐵移動方向相反時空載輸出電壓兩種情況的輸出電壓大小相等，方向相反，即相位差180為了判別銜鐵位移方向，就是判別信號的相位，要在后續(xù)電路中配置相敏檢波器來解決(2)相敏檢波電路當銜鐵偏離中間位置而使Z1=Z+ΔZ增加，則Z2=Z-ΔZ減少。這時當電源u上端為正，下端為負時，電阻R1上的壓降大于R2上的壓降；當u上端為負，下端為正時，R2上壓降則大于R1上的壓降，電壓表V輸出上端為正，下端為負。非相敏整流和相敏整流電路輸出電壓比較(a)非相敏整流電路；（b）相敏整流電路使用相敏整流，輸出電壓U0不僅能反映銜鐵位移的大小和方向，而且還消除零點殘余電壓的影響，

(3)諧振式調幅電路電路的靈敏度很高，但是線性差，適用于線性要求不高的場合。2.調頻電路傳感器自感變化將引起輸出電壓頻率的變化GCLf靈敏度很高，但線性差，適用于線性要求不高的場合Lf03.調相電路傳感器電感變化將引起輸出電壓相位變化4.自感傳感器的靈敏度

傳感器結構靈敏度轉換電路靈敏度總靈敏度第一項決定于傳感器的類型第