传感器与测试技术-(共四章)课件.ppt

1、 传感器与测试技术传感器与测试技术 传感器与测控资料库目录传感器与测控资料库目录第一章第一章 绪论绪论第二章第二章 传感器传感器 第三章第三章 传感器信号的调理技术传感器信号的调理技术 参考资料参考资料 第一篇第一篇 绪论绪论目录目录一、测试技术的重要性一、测试技术的重要性 二、测试系统的组成二、测试系统的组成三、传感器三、传感器(sensor)(sensor)四、传感器的基本特征四、传感器的基本特征五、测量的基础知识五、测量的基础知识一、测试技术的重要性一、测试技术的重要性 测试：认识客观事物的方法，是测量和测试：认识客观事物的方法，是测量和 试验的综合。试验的综合。测试的任务：测试的任务：

2、1 1、获取有用信息。、获取有用信息。2 2、结果供观察或输入其他装置。、结果供观察或输入其他装置。测试过程：从客观事物中摄取有用信息的测试过程：从客观事物中摄取有用信息的 认识过程。认识过程。一、测试技术的重要性一、测试技术的重要性 工程测试技术：利用现代测试手段对工工程测试技术：利用现代测试手段对工 程程中的各种物理信号，特别是随时间中的各种物理信号，特别是随时间 变化变化的动态物理信号进行检测、试验、的动态物理信号进行检测、试验、分析、分析、并从中提取有用信号的一门新并从中提取有用信号的一门新 兴技术。测兴技术。测试科学属信息科学范畴试科学属信息科学范畴,又又 称为信息探测称为信息探测工

3、程学。工程学。信息：一般理解为消息信息：一般理解为消息,情报或知识。情报或知识。例例:遗传密码遗传密码生物信息生物信息一、测试技术的重要性一、测试技术的重要性 商品报导商品报导经济信息经济信息 语言文学语言文学社会信息社会信息从物理学观点，信息是物质所固有的，是物质客观存在状从物理学观点，信息是物质所固有的，是物质客观存在状态的特征。态的特征。信息本身不是物质，不具有能量，但信息的传输却依靠物信息本身不是物质，不具有能量，但信息的传输却依靠物质和能量，信息蕴含于信号中。质和能量，信息蕴含于信号中。信号信号:传输信息的载体。传输信息的载体。例：古代烽火例：古代烽火光信号光信号敌人入侵敌人入侵 防

4、空警笛防空警笛声信号声信号空袭空袭二、测试系统的组成二、测试系统的组成 1 1、系统的组成、系统的组成结构物结构物检测元件检测元件测量装置测量装置显示记录显示记录分析处理装置分析处理装置外部设备外部设备输入量输入量开环测试系统开环测试系统二、测试系统的组成二、测试系统的组成 闭环测试系统闭环测试系统结构物结构物检测元件检测元件分析处理分析处理执行执行测量装置测量装置显示记录显示记录比较比较调整调整设定量设定量干扰随干扰随机量机量闭环测试系统闭环测试系统二、测试系统的组成二、测试系统的组成 2 2、测量仪器的组成、测量仪器的组成 输入匹配输入匹配放大、变换放大、变换输出输出信号处理部分信号处理部

5、分检出器检出器狭义传感器狭义传感器被测被测信号信号广义传感器广义传感器测量仪器的构成测量仪器的构成三、传感器三、传感器(sensor)(sensor)1.1.定义定义:一种以一定精确度把被测量转换为与之有一种以一定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的测量器确定对应关系的，便于应用的某种物理的测量器件或装置。件或装置。其实质：完成一种变换，即将被测量或被测对其实质：完成一种变换，即将被测量或被测对象的特征参数转化为有用信号的变换。象的特征参数转化为有用信号的变换。2.2.组成：一般传感器由两个基本元件组成，即敏组成：一般传感器由两个基本元件组成，即敏感元件与转换元件。感

6、元件与转换元件。三、传感器三、传感器(sensor)(sensor)核心：转换元件核心：转换元件 有些传感器有需要敏感元件有些传感器有需要敏感元件.如热电阻如热电阻,光光 电器件等。电器件等。3.3.分类：传感器技术涉及到许多学科，种类分类：传感器技术涉及到许多学科，种类 繁多，分类方法很多。繁多，分类方法很多。一种物理量可用多种类型的传感器来测量，一种物理量可用多种类型的传感器来测量，而同一种传感器也可以测量多种物理量。为而同一种传感器也可以测量多种物理量。为 了对传感器有一概括认识进行分类研究是必了对传感器有一概括认识进行分类研究是必 要的。要的。三、传感器三、传感器(sensor)(se

7、nsor)（1 1）按信号变换特征分为物性型和结构型）按信号变换特征分为物性型和结构型 物性型传感器：是依靠敏感元件材料本身物性型传感器：是依靠敏感元件材料本身 的物理、化学元素性质的变化来实现信息的物理、化学元素性质的变化来实现信息 变换的。变换的。例：水银温度计：水银的热胀冷缩例：水银温度计：水银的热胀冷缩 压电测力计：石英晶体的压电效应压电测力计：石英晶体的压电效应 光电传感器光电传感器(测量测量)：光电器件本身的光：光电器件本身的光 电效应电效应三、传感器三、传感器(sensor)(sensor)结构传感器：是依靠传感器结构参数的变结构传感器：是依靠传感器结构参数的变 化而实现信号转变

8、的化而实现信号转变的 例：电容式传感器例：电容式传感器 电感式传感器电感式传感器 2.2.按敏感元件与被测量之间的能量关系分按敏感元件与被测量之间的能量关系分:能能 量转换型与能量控制型量转换型与能量控制型.能量转换型能量转换型(有源传感器有源传感器)：是直接由被测对：是直接由被测对 象象输入能量而使其工作的，这类传感器在转换输入能量而使其工作的，这类传感器在转换 过过程中需要吸收被测物体的能量程中需要吸收被测物体的能量,容易造成误差。容易造成误差。三、传感器三、传感器(sensor)(sensor)例：热电偶将被测温度直接转换为电量输出。例：热电偶将被测温度直接转换为电量输出。能量控制型能量

9、控制型(无源传感器无源传感器):):：有两种形式。：有两种形式。第一种形式：由外部辅助能源供给传感器第一种形式：由外部辅助能源供给传感器 工工作，并且由被测量控制能量的变化。作，并且由被测量控制能量的变化。测量对象测量对象传感器传感器测量对象测量对象输入输入输出输出三、传感器三、传感器(sensor)(sensor)第二种形式：由外部能源供给激励信号发生第二种形式：由外部能源供给激励信号发生器，而激励信号发生器以信号激励被测对象。器，而激励信号发生器以信号激励被测对象。测量对象测量对象传感器传感器辅助能源辅助能源信号发生器信号发生器输入输入输出输出激励信号激励信号例：超声波探伤，用激光散斑例：

10、超声波探伤，用激光散斑 技术测量应变等技术测量应变等 三、传感器三、传感器(sensor)(sensor)表一表一 传感器按能量传递方式分类传感器按能量传递方式分类 能量变换（有源）能量变换（有源）能量控制（无源）能量控制（无源）压电式、磁致伸缩压电式、磁致伸缩式式 电阻式、磁励电阻式电阻式、磁励电阻式 电动式、电致伸缩电动式、电致伸缩式式 电容式、温敏电阻式电容式、温敏电阻式 电磁式、静电式电磁式、静电式 电感式、光游离式电感式、光游离式 热电偶、电化学式热电偶、电化学式 热敏电阻式、放射性热敏电阻式、放射性吸收式吸收式 光电式光电式 光敏电阻式光敏电阻式 三、传感器三、传感器(sensor

11、)(sensor)3 3、按输出量性质分（输出信号的形式、按输出量性质分（输出信号的形式 ）：）：模拟传感器、数字传感器模拟传感器、数字传感器 4 4、按被测的物理分（常用分类法之一）、按被测的物理分（常用分类法之一）温度传感器温度传感器 如：热敏电阻、热电耦、金属测温电阻、如：热敏电阻、热电耦、金属测温电阻、红外线温度传感器等。红外线温度传感器等。速度传感器速度传感器 如：光栅尺、旋转编码器如：光栅尺、旋转编码器 、压电振动式、压电振动式 陀螺传感器、电磁式流速传感器陀螺传感器、电磁式流速传感器 三、传感器三、传感器(sensor)(sensor)加速度传感器加速度传感器 如：电容式加速度传

12、感器、金属应变片加如：电容式加速度传感器、金属应变片加 速度传感器、压电式加速度传感器速度传感器、压电式加速度传感器 力传感器力传感器 如：金属应变片、测力计、半导体压力如：金属应变片、测力计、半导体压力 传感器传感器 位移传感器位移传感器 如：可变电位器、光电式角度传感器、半如：可变电位器、光电式角度传感器、半 导体角度传感器、差动变压器。导体角度传感器、差动变压器。三、传感器三、传感器(sensor)(sensor)位置传感器位置传感器 如：限位开关、接近列关、固体图像传感如：限位开关、接近列关、固体图像传感 器（器（CCDCCD）距离传感器距离传感器 如：超 声 波 距 离 传 感 器、

13、光 学 距 离 传 感如：超 声 波 距 离 传 感 器、光 学 距 离 传 感 器、涡流式距离传感器器、涡流式距离传感器 三、传感器三、传感器(sensor)(sensor)5 5、按工作原理分（常用分类方法之一）、按工作原理分（常用分类方法之一）电学式传感器：电阻式，电容式，电感式电学式传感器：电阻式，电容式，电感式 光学式传感器：光电角度传感器，用于测光学式传感器：光电角度传感器，用于测 量光强，位移转速。量光强，位移转速。热电式传感器：热敏电阻，热电耦热电式传感器：热敏电阻，热电耦 压电式传感器压电式传感器 半导体式传感器半导体式传感器三、传感器三、传感器(sensor)(sensor

14、)6 6、其他传感器其他传感器 化学传感器：用于识别特定化学物质将其化学传感器：用于识别特定化学物质将其 含量或浓度转换成电量的传感器。含量或浓度转换成电量的传感器。常用：离子敏传感器，生物敏传感器常用：离子敏传感器，生物敏传感器 语言识别：实现用声音完成各种控制语言识别：实现用声音完成各种控制 智能传感器：能将来自传感器的信息，通智能传感器：能将来自传感器的信息，通 过处理器进行分析，处理的过程、称为传过处理器进行分析，处理的过程、称为传 感器的智能化，又称超级传感器感器的智能化，又称超级传感器三、传感器三、传感器(sensor)(sensor)表二表二 基本物理学和派生物理学基本物理学和派

15、生物理学 基本物理量基本物理量 派生物理量派生物理量 位移位移 线位移线位移 长度长度 厚度厚度 应变应变 磨损磨损 不平度不平度 振动振动 角位移角位移 偏转角偏转角 资态资态 角振动角振动时间时间 频频 率率 计数计数 统计分开统计分开速度速度 线速度线速度振动振动 流量流量 动量动量角速度角速度转速转速 角振动角振动 角动量角动量加速加速度度 线加速度线加速度振动振动 冲击力冲击力 质量质量 应力应力角加速度角加速度角振动角振动 角冲击角冲击 扭矩扭矩 转动惯量转动惯量 力力 压力压力 重量重量 推力推力 应力密度应力密度 力矩力矩 温度温度 热容量热容量 涡流涡流 流量角流量角 气体速

16、度气体速度 光光 光通量与密度光通量与密度 光普分析光普分析 应变应变 四、四、传感器的基本特性：传感器的基本特性：输出与输入之间的关系输出与输入之间的关系 有：静态特性、动态特性有：静态特性、动态特性 1 1、传感器的静态特性传感器的静态特性 指传感器的被测量数值处于稳定状态时指传感器的被测量数值处于稳定状态时（1 1）线性度）线性度(又称非线性误差又称非线性误差)传感器的线性度是指输出传感器的线性度是指输出输入特性输入特性四、四、传感器的基本特性传感器的基本特性 曲线与理论直线之间的最大偏差与输出满曲线与理论直线之间的最大偏差与输出满 度值度值之比之比 r rL L线性度过线性度过 YmY

17、m输出满度值输出满度值设传感器的输出量为设传感器的输出量为y,y,输入量为输入量为x x则则maxmax最大非线性绝对误差最大非线性绝对误差%100max YmrLxxaxaxaaynn).(2210 式中式中a a0 0 ,a a1 1 ,a a2 2 .a an n 为系数。为系数。四、四、传感器的基本特性传感器的基本特性 理想情况理想情况：xay0 xay0.54320 xaxaXay.43210 xaxaXay.42210 xaxaXay四、四、传感器的基本特性传感器的基本特性 影响传感器线性的因素影响传感器线性的因素:材料的滞后，蠕变，电气敏感元件与测量电路的材料的滞后，蠕变，电气敏

18、感元件与测量电路的非线性。非线性。(2)(2)灵敏度灵敏度 在稳定条件下，输出变化量在稳定条件下，输出变化量yy和输入变化量和输入变化量xx的比值的比值:dxdyxyk 四、四、传感器的基本特性传感器的基本特性(3)(3)迟滞（滞后）迟滞（滞后）输出输出(缷缷载）载）输入（加载）特性曲线不输入（加载）特性曲线不 重重合，称为迟滞。合，称为迟滞。迟滞误差迟滞误差又称回程误差又称回程误差:即正反行程间即正反行程间 输输出的最大偏差与满出的最大偏差与满 量程输出的百分数来表示量程输出的百分数来表示:%100)(21(max mHYHr产生的原因产生的原因:传感器机械部分存在差间、传感器机械部分存在差

19、间、摩擦、松动等。摩擦、松动等。四、四、传感器的基本特性传感器的基本特性 (4)4)重复性重复性 指在同一试验环境条件下，传感器多次重指在同一试验环境条件下，传感器多次重 复复加载到额定值，各次试验同一标准之间的加载到额定值，各次试验同一标准之间的 最大偏差和平均输出值百分比最大偏差和平均输出值百分比:%100max YmRrR（5 5）额定容量）额定容量 指传感器预期要测量的被测量值的设计上指传感器预期要测量的被测量值的设计上 限值，其量值视传感器要测量的被测量而有所限值，其量值视传感器要测量的被测量而有所不同。不同。四、四、传感器的基本特性传感器的基本特性（6）过载率 极限过载率极限过载率

20、允许过载率允许过载率允许过载率允许过载率指传感器允许承受被测量的指传感器允许承受被测量的 最大输入量。（此时，传感器虽不能最大输入量。（此时，传感器虽不能 全全部满足稳定的性能指标，但在其部满足稳定的性能指标，但在其缷缷载后，仍载后，仍能正常工作。）能正常工作。）极限过载率极限过载率指传感器承受使传感器结构指传感器承受使传感器结构 呈现出超载时破坏的最大输入量。呈现出超载时破坏的最大输入量。允许过载率允许过载率指传感器允许承受被测量的指传感器允许承受被测量的 最大输入量。最大输入量。四、四、传感器的基本特性传感器的基本特性 (7)(7)蠕变蠕变传感器输出参数随时间的慢变化。传感器输出参数随时间

21、的慢变化。(8)(8)分辨率分辨率指在输入量达到满量程随近时，指在输入量达到满量程随近时，传感器所能探测到的最小增量，并用这个增传感器所能探测到的最小增量，并用这个增量与满量程值的百分比绘出。（可探测量与满量程值的百分比绘出。（可探测 出出的最小变化量）的最小变化量）例例:有一块可以检测百分之一秒的的秒表，有一块可以检测百分之一秒的的秒表，它的分辨率就为它的分辨率就为1/1001/100秒。秒。(9)(9)阀值阀值指传感器最小量程随近的分辨率指传感器最小量程随近的分辨率 (10)(10)零漂零漂表示传感器在零输入状态下表示传感器在零输入状态下 四、四、传感器的基本特性传感器的基本特性 2 2、

22、传感的动态特性、传感的动态特性 是指在测量动态信号时，传感器的输出反映是指在测量动态信号时，传感器的输出反映 被测量的大小和随时间变化的特性。被测量的大小和随时间变化的特性。主要技术指标主要技术指标:（1 1）频率特性）频率特性:用频率响应函数表示，是在用频率响应函数表示，是在 频率域中的描述系统特性的。频率域中的描述系统特性的。（2 2）响应时间）响应时间 （3 3）临界速度）临界速度 传感器的动态特性即与传感器本身有关，也与传感器的动态特性即与传感器本身有关，也与被测量的变化形式有关。被测量的变化形式有关。四、四、传感器的基本特性传感器的基本特性 动态测量输入信号可分为动态测量输入信号可分

23、为：非平稳的随机过程非平稳的随机过程非各态历经过程非各态历经过程各态历经过程各态历经过程平稳平稳随机性随机性其他瞬变输入其他瞬变输入线性输入线性输入阶跃输入阶跃输入非周期性非周期性复杂周期输入复杂周期输入正弦周期输入正弦周期输入周期必周期必确定性确定性规律性规律性动态信号动态信号)(分类方法有很多，这只是信号的其中的一种。分类方法有很多，这只是信号的其中的一种。五、测量的基础知识五、测量的基础知识1 1、国际单位制（、国际单位制（SISI）SISI基本单位基本单位:相互独立的相互独立的7 7个单位个单位:长度（米、长度（米、m m）、质量（千克、）、质量（千克、kgkg）、时间（秒、）、时间（

24、秒、s s）、电流（安培、）、电流（安培、A A）、热力学温度（开）、热力学温度（开K K）、）、物质量（摩尔、物质量（摩尔、molmol）、光量（坎（德拉）、）、光量（坎（德拉）、cdcd）五、测量的基础知识五、测量的基础知识 SI SI导出单位（组合单位）导出单位（组合单位）:由基本单位导出。由基本单位导出。如如:能量（能量（J J）=力距离，力力距离，力=力加速度力加速度 22222/)/(kgsmskgmmsmkgJ即能量单位焦耳（即能量单位焦耳（J J）由长度、质量、时间）由长度、质量、时间三个三个SISI基本单位表示。基本单位表示。五、测量的基础知识五、测量的基础知识 2 2、量纲

25、法则、量纲法则 在任何一个量与其他量之间的关系式中，在任何一个量与其他量之间的关系式中，等号两侧的量纲应当相同，这就称为量纲法则。等号两侧的量纲应当相同，这就称为量纲法则。如如:RC:RC电路中有电路中有)()(txtydtdyRC X(t)RCy(t)132 Akgsm 根据量纲法则，等代左侧的每项量纲均为根据量纲法则，等代左侧的每项量纲均为 X(t)的量纲为的量纲为132 AkgsmdtdyRC的量纲为的量纲为132 Akgsm五、测量的基础知识五、测量的基础知识 3 3、测量、计量、测试、测量、计量、测试;测量（测量（measurementmeasurement）：是指以确定被测量）：是

26、指以确定被测量 对象的量值为目的而进行的实验过程。对象的量值为目的而进行的实验过程。计量：涉及实现单位统一和量值准确可靠计量：涉及实现单位统一和量值准确可靠 的测量裤称为计量。的测量裤称为计量。测试（测试（Measurement and testMeasurement and test）：指具有）：指具有 试验性质的测量，测量和试验的综合。；试验性质的测量，测量和试验的综合。；测量的四要素测量的四要素:被测对象被测对象 、计量单位、计量单位 、测量、测量 方法、测量误差方法、测量误差五、测量的基础知识五、测量的基础知识 4 4、测量方法、测量方法 确定电功率确定电功率电压电压通过测电流通过测电

27、流间接测量法间接测量法用量筒测流体容积用量筒测流体容积直接测量法直接测量法、:代法代法古代曹冲称用的就是替古代曹冲称用的就是替替代测量法替代测量法直接比较测量法直接比较测量法:非接触测量法非接触测量法接触接触传感器与被测体作机械传感器与被测体作机械接触测量法接触测量法:被测量值随时间而变化被测量值随时间而变化动态测量法动态测量法的的被测量值可认为是恒定被测量值可认为是恒定静态测量法静态测量法:五、测量的基础知识五、测量的基础知识 5 5、测量误差（简称误差）、测量误差（简称误差）测量误差测量误差=测量结果测量结果-真值真值-绝对误差绝对误差 真值真值X X0 0被测量体在被测量时所具有的量被测

28、量体在被测量时所具有的量 值是一个理想的概念。值是一个理想的概念。约定真值约定真值高一等级的计量标准器具所复高一等级的计量标准器具所复 现的量值，或修正过的算术平均值。现的量值，或修正过的算术平均值。测量结果测量结果由测量所得的量值由测量所得的量值%100%100 测测量量结结果果误误差差真真值值真真值值测测量量结结果果真真值值误误差差相相对对误误差差)lg)(10lg(20真真值值测测量量结结果果或或分分贝贝 五、测量的基础知识五、测量的基础知识 在电子电压表的在电子电压表的dBVdBV刻度，是表示电压增刻度，是表示电压增 量或功率增量所使用的单位，是放大或衰减量或功率增量所使用的单位，是放

29、大或衰减 量的相对值。量的相对值。如输入如输入1V1V得到得到100100V V输出，输出，100100V V为为1V1V的的100100倍，倍，则电压增量则电压增量=dBVeie401100lg20lg200 五、测量的基础知识五、测量的基础知识 传感技术是机电一体化领域中的重要传感技术是机电一体化领域中的重要 技术之一，要进行某种控制，就离不开传技术之一，要进行某种控制，就离不开传 感器。有了较好的传感器，如果不会很好感器。有了较好的传感器，如果不会很好 地运用，还是达不到预期的控制效果。要地运用，还是达不到预期的控制效果。要 完成高精度、高速度的控制，高性能的传完成高精度、高速度的控制，

30、高性能的传 感器及高超的传感器运用技术必不可少。感器及高超的传感器运用技术必不可少。第二章第二章 传感器原理传感器原理第二章第二章 传感器原理传感器原理第二章第二章 传感器原理传感器原理第二章第二章 传感器原理传感器原理第三章第三章 传感器应用传感器应用3-3 3-3 位置传感器位置传感器 3-4 3-4 速度传感器速度传感器 3-7 3-7 温度传感器温度传感器 3-6 3-6 距离传感器距离传感器 3-5 3-5 加速度传感器加速度传感器 3-1 3-1 力传感器力传感器3-8 3-8 传感器的选传感器的选 用原则用原则 3-2 3-2 位移传感器位移传感器 3-1 3-1 力传感器目录力

31、传感器目录 三、力传感器的应用举例三、力传感器的应用举例一、金属应变片一、金属应变片二、二、半导体压力传感器半导体压力传感器3-1 3-1 力传感器力传感器 一、金属应变片一、金属应变片 细金属线，它伸长时，电阻变化（变大），通细金属线，它伸长时，电阻变化（变大），通过电阻的变化过电阻的变化变形量变形量力的变化。力的变化。如图所示如图所示 llFRR ee电阻电阻R电阻电阻R+RR考虑材料的杨氏模量和柏松比等因素，得到考虑材料的杨氏模量和柏松比等因素，得到 3-1 3-1 力传感器力传感器 注注:EF )21(材料的柏松比材料的柏松比 E E杨氏模量杨氏模量上式表明了电阻变化率与应变的关系上式

32、表明了电阻变化率与应变的关系 可求得应变可求得应变得到试验物上的力。得到试验物上的力。RR 将金属线（电阻线）牢固地粘贴在试验物上，将金属线（电阻线）牢固地粘贴在试验物上，实测电阻变化实测电阻变化 率率3-1 3-1 力传感器力传感器 常见的金属电阻应变片有常见的金属电阻应变片有:.丝式丝式:使用最早，制造容易，价格低廉，仍广使用最早，制造容易，价格低廉，仍广 泛使用（灵敏度在泛使用（灵敏度在1.71.73.63.6之间）之间）.箔式箔式:金属片经光刻腐蚀而成，阻值一致性好，金属片经光刻腐蚀而成，阻值一致性好，可以制成意形状以适应各种测量要求可以制成意形状以适应各种测量要求,散热好，散热好，蠕

33、变小蠕变小,疲劳寿命高，使用范围日益扩大。疲劳寿命高，使用范围日益扩大。例：应变片结构图例：应变片结构图3-1 3-1 力传感器力传感器 1 1、应变片的主要参数、应变片的主要参数 .几何参数几何参数:基宽基宽bb标距标距ll应变片的使用面积应变片的使用面积 .电阻值（原始阻值）电阻值（原始阻值）标准化标准化 R=60R=60，9090，120120，200200，300300，350350，600600，1000,1000,根据测量的要求选择，以根据测量的要求选择，以120 120 常用，常用，包装盒上所注的电阻值，多为公称包装盒上所注的电阻值，多为公称 电阻值及电阻值及公差表示。公差表示。

34、如如.规格规格:120,103mm%24.05.120%2.05.1203-1 3-1 力传感器力传感器 .允许工作电流允许工作电流 在与应变片相连接的测量电路中，当有在与应变片相连接的测量电路中，当有 电流通过电流通过 时，应变片将会产生热效应，产时，应变片将会产生热效应，产 生的热量使应变生的热量使应变 片温度不断升高，引起灵敏片温度不断升高，引起灵敏 度系数、零漂、蠕变度系数、零漂、蠕变 增加，而当电流到达某增加，而当电流到达某 一定值时，应变片的敏感一定值时，应变片的敏感 栅会被烧毁，故需栅会被烧毁，故需 规定允许通过敏感栅的最大工规定允许通过敏感栅的最大工 作电流。作电流。3-1 3

35、-1 力传感器力传感器 对导热性能差的材料，低阻值应变片以及自对导热性能差的材料，低阻值应变片以及自行设计测量线路时，工作电流都取得小一些。行设计测量线路时，工作电流都取得小一些。mAmA10055对对动动态态或或用用箔箔式式选选取取对对静静态态测测量量选选取取最最大大工工作作电电流流 允许工作电流由制造厂提供的，与应变片使允许工作电流由制造厂提供的，与应变片使用的外界条件，应变片本身尺寸及粘接剂种类用的外界条件，应变片本身尺寸及粘接剂种类有关，一般为几十毫安，箔式可达有关，一般为几十毫安，箔式可达500mA500mA，使，使用时不允许超过此值。用时不允许超过此值。3-1 3-1 力传感器力传

36、感器 .灵敏系数灵敏系数K K K K的大小直接影响测量结果的大小直接影响测量结果 制造厂对所制造厂对所产的应变片产的应变片K K值分批按一定抽样率进行标定，并值分批按一定抽样率进行标定，并在每包上都标有此批的灵敏系数平均值及其相对在每包上都标有此批的灵敏系数平均值及其相对均方根差（误差）均方根差（误差）如如:2.28:2.280.5 0.5 表示表示K K=2.28,=2.28,其误差为其误差为0 0。5%5%3-1 3-1 力传感器力传感器 3 3、测量电路、测量电路 采用惠斯登电桥的电路，采用惠斯登电桥的电路，如图如图ER2R3R4R1e e输输出出电电压压惠斯登电桥惠斯登电桥 假设假设

37、:R1=R2,=R3,=R4，当电当电桥处于平衡状态时，电桥处于平衡状态时，电路的输出电压路的输出电压e=0e=0，但当，但当有一个金属应变片受力有一个金属应变片受力产生应变时，其阻值变产生应变时，其阻值变为为R1+R R1 1，则输出电压，则输出电压e e为为:214RREe 3-1 3-1 力传感器力传感器 设金属应变片产生的应变为设金属应变片产生的应变为 e e1 1，则得则得 14e eKEe K K应变系数，表示应变片的电阻应变灵应变系数，表示应变片的电阻应变灵 敏度敏度利用惠斯登电桥构成力学量传感器时，可以利用惠斯登电桥构成力学量传感器时，可以采用电桥的一边为一片金属应变片，其它为

38、采用电桥的一边为一片金属应变片，其它为固定电阻的方法，或固定电阻的方法，或2 2片、片、4 4片等形式组成。片等形式组成。3-1 3-1 力传感器力传感器 二、二、半导体压力传感器半导体压力传感器 电阻变化是金属的电阻变化是金属的100100倍以上，它可测定倍以上，它可测定6101 大小的应变。大小的应变。1 1、压电效应压电效应 由于受到压力，半导体晶体的对称性发生由于受到压力，半导体晶体的对称性发生变化，因此电阻率变化，因此电阻率发生大的变化，电阻发生大的变化，电阻R R也变化，这种现象叫压电效应。也变化，这种现象叫压电效应。3-1 3-1 力传感器力传感器 2 2、结构、结构 制造工艺类

39、似于制造工艺类似于ICIC 集成集成电路）在制造时，先将硅电路）在制造时，先将硅单晶基板的中央部分腐蚀单晶基板的中央部分腐蚀成薄膜状硅杯，再用成薄膜状硅杯，再用ICIC的的扩散工艺制成由扩散工艺制成由4 4个半导个半导体应变片构成的惠斯登电体应变片构成的惠斯登电桥，以此构成检测压力的桥，以此构成检测压力的传感器。传感器。3-1 3-1 力传感器力传感器 三、力传感器的应用举例三、力传感器的应用举例 1 1、测力计：（、测力计：（load cellload cell）用于测量张力、拉力、重量等力学量的专用用于测量张力、拉力、重量等力学量的专用 传感器，称为测力计。传感器，称为测力计。有的测力计采

40、用黏贴多个金属应变片的结构有的测力计采用黏贴多个金属应变片的结构。3-1 3-1 力传感器力传感器 2 2、称重方面的应用、称重方面的应用 （1 1）荷重传感器式电子秤）荷重传感器式电子秤 弹簧秤是利用弹性体的变形进行力学量传弹簧秤是利用弹性体的变形进行力学量传 感的代表。感的代表。商业称重中的荷重传感器大多采用平行双商业称重中的荷重传感器大多采用平行双 孔梁的弹性体与电阻应变计的组合方式。孔梁的弹性体与电阻应变计的组合方式。除电阻应变片之外，还有多种方法可以检除电阻应变片之外，还有多种方法可以检 测变形，电容式荷重传感器是其中一种。测变形，电容式荷重传感器是其中一种。3-1 3-1 力传感器

41、力传感器 应变片应变片G1G1、G2G2作为两面作为两面三刀个支路的电桥，没有三刀个支路的电桥，没有重量时电桥平衡，接头重量时电桥平衡，接头COCO 间的电压间的电压V=0,V=0,但若一有重但若一有重量，应变片量，应变片G1G1、G2G2上则产上则产生电阻差，电桥平衡被破生电阻差，电桥平衡被破坏坏,出现电压出现电压V V ，测量该电，测量该电压，可求得重量。压，可求得重量。利用应变片的重利用应变片的重量传感器量传感器3-1 3-1 力传感器力传感器 下图为用差动变压器替代应变片的重量传下图为用差动变压器替代应变片的重量传 感器，无重量时输出电压感器，无重量时输出电压V=0V=0 ，但有重量时

42、平，但有重量时平 衡梁的左边向下倾斜，铁芯向上方位移，出现衡梁的左边向下倾斜，铁芯向上方位移，出现 电压电压V V 。3-1 3-1 力传感器力传感器 （2 2）轴重计）轴重计 轴重计用于测量行走中的拖车和卡车等轴重计用于测量行走中的拖车和卡车等 车辆的各个车轴所承受的重量（荷重），根车辆的各个车轴所承受的重量（荷重），根 据其输出可以对超载的车辆发出警告。由于据其输出可以对超载的车辆发出警告。由于 轴重计的信号敏感部分是埋没在道路下面的，轴重计的信号敏感部分是埋没在道路下面的，有一定体积的限制。有一定体积的限制。3-1 3-1 力传感器力传感器 （3 3）利用弹性振子的传感器）利用弹性振子的

43、传感器 利用复合音叉构成的传感器利用复合音叉构成的传感器 设立在夏威夷马纳凯乐山顶日本国家天设立在夏威夷马纳凯乐山顶日本国家天 文台大型红外望远镜上能动支撑机构所采用文台大型红外望远镜上能动支撑机构所采用 的力传感器机构。该传感器中除压电晶体以的力传感器机构。该传感器中除压电晶体以 外的其余部分全由一块金属板（铝合金或其外的其余部分全由一块金属板（铝合金或其 它材料）切割加工制成。优点：灵敏度高，它材料）切割加工制成。优点：灵敏度高，但稳定性差。但稳定性差。3-2 3-2 位移传感器位移传感器 位移传感器位移传感器（disptacementdisptacement sensor sensor）

44、是一是一种用于检测物体位置（长度、距离）及转种用于检测物体位置（长度、距离）及转 动动角度等物理量的传感器。角度等物理量的传感器。常用的位移传感器中，有可变电位器、差动常用的位移传感器中，有可变电位器、差动变压器、光电角度传感器、半导体角度变压器、光电角度传感器、半导体角度 传感传感器等。器等。3-2 3-2 位移传感器目录位移传感器目录 三、光电式角度传感器三、光电式角度传感器四、半导体角度传感器四、半导体角度传感器一、可变电位器一、可变电位器二、差动变压器二、差动变压器3-2 3-2 位移传感器位移传感器 一、可变电位器一、可变电位器 1 1、原理，如图所示、原理，如图所示AOinwtRR

45、ee 设输出电阻与滑块在电阻设输出电阻与滑块在电阻材料间的转动角度成正比。材料间的转动角度成正比。则可有则可有 feeinwt （）f 0滑块的当前角度（位移量）可通过上式滑块的当前角度（位移量）可通过上式 测量出。测量出。3-2 3-2 位移传感器位移传感器 2 2、按结构不同，可分为两种形式、按结构不同，可分为两种形式形式 cc 3600,1800340,120多多圈圈型型单单圈圈型型3-2 3-2 位移传感器位移传感器 3 3、电阻材料、电阻材料 金属电阻丝、炭膜、导电塑料、陶瓷电阻阻金属电阻丝、炭膜、导电塑料、陶瓷电阻阻 值从值从100100100100K K，多种规格。，多种规格。因

46、为可调电位器的阻值相对较大，因此在精因为可调电位器的阻值相对较大，因此在精 度要求较高的检测、控制电路中，常常要采用度要求较高的检测、控制电路中，常常要采用 高输入阻抗的差动放大器进行阻抗变换。高输入阻抗的差动放大器进行阻抗变换。3-2 3-2 位移传感器位移传感器 二、差动变压器二、差动变压器 差动变压器差动变压器（differential transformerdifferential transformer）是将机械位移转换成电压的装置。是将机械位移转换成电压的装置。即机械位移即机械位移交流电压交流电压 工业量中厚度、伸长、松弛、角度工业量中厚度、伸长、松弛、角度,还有压力、还有压力、荷

47、重、转矩、流量等都可容易地变换成位移荷重、转矩、流量等都可容易地变换成位移。3-2 3-2 位移传感器位移传感器 1 1、结构及工作原理、结构及工作原理 根据：若在初级线圈上加一个稳定的励磁交流根据：若在初级线圈上加一个稳定的励磁交流电压，则会在次级线圈上产生一个与铁芯位置成电压，则会在次级线圈上产生一个与铁芯位置成正比的感应电压，将这个电压整流成直流信号后正比的感应电压，将这个电压整流成直流信号后取出，则可制成能检测铁芯前端位移量的传感器。取出，则可制成能检测铁芯前端位移量的传感器。3-2 3-2 位移传感器位移传感器 2 2、检测范围检测范围 5 5mmmm200200mmmm左右，个别的

48、只能检测到左右，个别的只能检测到 1 1mmmm范围内的位移量范围内的位移量 3 3、灵敏度灵敏度 一般为一般为8080300300mv/mmmv/mm(输出电压输出电压/位移位移)4 4、特点特点 信 号 电 平 高，输 出 阻 抗 低，具 有 很 强 的信 号 电 平 高，输 出 阻 抗 低，具 有 很 强 的 抗干扰能力。抗干扰能力。5 5、使用条件使用条件 多在多在1 15 5V V，2020mAmA以内的条件下使用。以内的条件下使用。3-2 3-2 位移传感器位移传感器 如图所示，当转盘转动时，发光元件发射的如图所示，当转盘转动时，发光元件发射的 光能按转动盘的转动角度照射到半导体位

49、置检光能按转动盘的转动角度照射到半导体位置检 测元件的相应位置上，将轴的旋转角度变换成测元件的相应位置上，将轴的旋转角度变换成 对应的电压信号，通过放大电路就可以检测出对应的电压信号，通过放大电路就可以检测出 物体的物体的 旋转角旋转角 度。度。三、光电式角度传感器三、光电式角度传感器3-2 3-2 位移传感器位移传感器 此类传感器的最大转角有此类传感器的最大转角有：源电压源电压：DC5V或或DC12V 输出电压输出电压：0.54.5V，分辨率较高。，分辨率较高。机械特性机械特性：扭矩扭矩0.245mN.m 转速最高转速最高可可 达达200r/min 200r/min 应用领域：与可变电压器相

50、同，用于检应用领域：与可变电压器相同，用于检 测各种机器轴的旋转角度。测各种机器轴的旋转角度。340,1203-2 3-2 位移传感器位移传感器 .当磁性齿轮转动时，由于当磁性齿轮转动时，由于 外部磁场的强弱变化引起外部磁场的强弱变化引起 元件的阻抗发生改变，使元件的阻抗发生改变，使 其输出的正弦曲线发生变其输出的正弦曲线发生变 化。化。.通过读取输出电压中仅有的一小段直线通过读取输出电压中仅有的一小段直线 部分，可以准确部分，可以准确 地检地检 测出轴的转动测出轴的转动 角度。角度。四、半导体角度传感器四、半导体角度传感器以半导体材料制成的半导体磁阻为感应器件。以半导体材料制成的半导体磁阻为