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1、无线传感器节点任课教师：xxx参考教材：传感器原理及其应用（俞阿龙、李正、孙红兵等编著）xxx学院物理与电子电气工程学院二00九年二月十九日第1章 传感器的一般特性 教学要求1掌握传感器的基本概念。2掌握传感器的组成框图（P2，图1.1）。3掌握传感器的静态性能和动态性能。4了解传感器的课程性质和课程任务。 教学内容1.1传感器的组成和分类1.1.1 传感器的定义和组成: 定义：与人的感觉器官相对应的元件，指能够能感受（或响应）规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。传感器是测量装置，能完成检测任务；输入量是某一被测量，可能是物理量、化学量、生物量等；输出量是某种物理量，便于

2、传输、转换、处理、显示等，可以是气、光、电物理量，主要是电物理量；输出输入有对应关系，且应有一定的精确程度。 传感器的结构组成:一般应由三部分组成，即：敏感元件、转换元件、转换电路。传感器组成框图如图1.1所示。被测量转换元件基本转换电路辅助电源敏感元件标准信号图1.1 传感器组成框图 敏感元件：指传感器中能直接感受或响应被测量（输入量）的部分，并以确定关系输出某一物理量。如弹性敏感元件将力转换为位移或应变输出。 为了获取被测变量的精确数值，不仅要求敏感元件对所测变量的响应足够灵敏，还希望它不受或少受环境因素的影响。 转换元件：指传感器中能将敏感元件感受的或响应的被探测量(如位移、应变、光强等

3、) 转换成适于传输和测量的电信号（如电阻、电感等）的部分。 为了加强通用性和灵活性，某些传感器的输出可以靠转换器将输出的非标准信号变成标准信号，使之与带有标准信号输入电路或接口的仪表配套，从而实现检测或调节功能。 转换电路：将电路参数转换成便于测量的电量，如电压、电流、频率等。通常，传感器输出信号般都很微弱，需要有信号调节与转换电路将其放大或变换为容易传输、处理、记录和显示的形式。随着半导体器件与集成技术在传感器中的应用，传感器的信号调节与转换可以安装在传感器的壳体里或与敏感元件一起集成在同一芯片上。因此，信号调节与转换电路以及所需电源都应作为传感器的组成部分。1.1.2、传感器的分类:传感器

4、种类繁多, 功能各异。 同一被测量可用不同转换原理实现探测, 利用同一种物理法则、化学反应或生物效应可设计制作出检测不同被测量的传感器, 而功能大同小异的同一类传感器可用于不同的技术领域, 故传感器有不同的分类法。 根据传感器感知外界信息所依据的基本效应:基于物理效应如光、 电、 声、 磁、 热等效应进行工作的物理传感器; 基于化学反应如化学吸附、选择性化学反应等进行工作的化学传感器; 基于酶、抗体、激素等分子识别功能的生物传感器。 根据传感器工作原理分类:u 应变式u 电容式u 电感式u 电磁式u 压电式u 热电式 根据传感器使用的敏感材料分类:u 半导体传感器u 光纤传感器u 陶瓷传感器u

5、 金属传感器u 高分子材料传感器u 复合材料传感器 u 按照被测量分类:u 力学量传感器u 热量传感器u 磁传感器u 光传感器u 放射线传感器u 气体成分传感器u 液体成分传感器u 离子传感器 按能量供给形式分类:u 无源传感器：被动地接收来自被测物体的信息；u 有源传感器：有意识地向被测物体施加某种能量，并将来自被测物体的信息变换为便于检测的能量后再进行检测。 传感器分类一览表见表1.1所示:表1.1传感器分类一览表分类法型式说 明按基本效应分类物理型化学型生物型采用物理效应进行转换采用化学效应进行转换采用生物效应进行转换按能量关系分类能量转换型能量控制型传感器输出量直接由被测量能量转换而来

6、传感器输出量能量由外部能源提供，但受输入量控制按工作原理分电阻式电容式电感式压电式磁电式热电式光电式光纤式利用电阻参数变化实现信号转换利用电容参数变化实现信号转换利用电感参数变化实现信号转换利用压电效应实现信号转换利用电磁感应原理实现信号转换利用热电效应实现信号转换利用光电效应实现信号转换利用光纤特性参数变化实现信号转换按输入量分类长度、角度、振动、位移、压力、温度、流量、距离、速度等以被测量命名（即按用途分类）按输出量分类模拟式数字式输出量为模拟信号（电压、电流、）输出量为数字信号（脉冲、编码、）1.2 传感器的地位和作用 传感器的地位21世纪是现代信息技术的时代，而现代信息技术的三大基础是

7、：信息采集、信息传输和信息处理技术，与人体系统对比如图1.2所示。而信息采集就是通过传感器技术来实现的。有人说：征服了传感器，几乎就征服了科学技术。话虽夸张，却说明了传感器技术在现代科学技术中的重要地位。 “没有传感器就没有现代科学技术”的观点已为全世界所公认。以传感器为核心的检测系统就像神经和感官一样，源源不断地向人类提供宏观与微观世界的种种信息，成为人们认识自然、改造自然的有利工具。图1.2 信息技术与人体系统对比人类在研究自然界现象和规律及生产活动中，人的五官运动不够，这就需要传感器来检测人们的器官所不能感知的现象。人们把与人的“五官”相似的部分称为“电五官”。微型计算机相当于人的大脑。

8、它们之间的对应关系如图1.3。 图1.3 机器系统与人体系统对比人体系统和机器系统比较 眼（视觉） 耳（听觉） 鼻（嗅觉） 皮肤（触觉） 舌（味觉） 感知外界信息 大脑 肌体 传感器的作用从生产技术的发展角度看，人类社会正逐渐由工业化时代向信息化时代迫近，传感器作为一种功能元件，已经成为与计算机同等重要的技术工具，获得了高度重视和迅速发展。传感技术已与通讯技术，计算机技术并列成为支撑整个现代信息产业的三大支柱。在基础科学和尖端科学技术的研究中，要检测极端巨微的信息，如超高低温，超高低压，超真空，超强弱磁场，必须借助配有相应传感器的高精度检测系统才能奏效。在工业和国防领域，可以说高度自动化的工厂

9、设备，装置或系统，是传感器的大复合地，用以控制各种各样的工况参数，达到监控的目的 。在生物工程，医疗卫生，环境保护，安全防范，家用电器等方面的传感器已层出不穷，所以说传感器几乎已渗入到新技术革命的所有领域，涉及国民经济各部门。 传感器在汽车中的作用传感器在机器人中的作用1.3 传感器的发展方向传感器技术在世界各国深受重视，如美国、日本等国家都十分重视发展传感器技术，美国国家长期安全和经济繁荣至关重要的22项技术中有6项与传感器技术直接相关,美国武器系统质量优势至关重要关键技术中有8 项为传感器技术。我国传感器行业始于五十年代，但直到1986年“七五”开始才正式将传感器技术列入国家重点攻关项目，

10、投入了以机械、力敏、气敏、湿敏、生物敏为主的五大方向研究。当今，传感器技术的主要发展动向，一是开展基础研究，重点研究传感器的新材料和新工艺，二是实现传感器的微型化、阵列化、集成化和智能化。传感器技术的主要发展趋势：实现传感器的集成化与智能化开发新型传感器 开发新材料 新工艺的采用 集成化、多功能化智能化 1.4 传感器的静态与动态特性 传感器所测量的物理量基本上有两种形式：稳态（静态或准静态）:信号不随时间变化（或变化很缓慢） 动态（周期变化或瞬态）:信号随时间变化而变化。传感器必须要尽量准确地反映输入物理量的状态，因此传感器所表现出来的输入输出特性也就不同，即存在静态特性和动态特性。静态特性

11、和动态特性表现出不同的特点，对测量结果也产生不同的影响。一个高精度的传感器，必须要有良好的静态特性和动态特性，从而确保检测信号（或能量）的无失真转换，使检测结果尽量反映被测量的原始特征。1.4.1 传感器的静态特性 传感器的静态特性是指传感器的输入信号不随时间变化或变化非常缓慢时，所表现出来的输出响应特性，称静态响应特性。表示方法：代数多项式、列表表示和曲线表示。通常用来描述静态特性的指标有：测量范围、精度、灵敏度、稳定性、非线性度、重复性、灵敏阈和分辨力、迟滞。 灵敏度灵敏度是描述传感器的输出量（一般为电学量）对输入量（一般为非电学量）敏感程度的特性参数。 其定义为: 传感器输出量的变化值与

12、相应的被测量（输入量）的变化值之比, 用公式表示为注：纯线性传感器灵敏度为常数； 非线性传感器灵敏度与x有关。 线性度理想的传感器输出与输入呈线性关系。 但实际的传感器即使在量程范围内, 输出与输入的线性关系严格来说也是不成立的, 总存在一定的非线性。线性度是评价非线性程度的参数，定义为: 传感器的输出-输入校准曲线与理论拟合直线之间的最大偏差与传感器满量程输出之比, 也称“非线性度”。 通常用相对误差表示其大小: 分类： 端基线性度：传感器实际平均输出特性曲线对端基直线的最大偏差，以传感器的满量程输出的百分比来表示。端基直线则定义为由传感器量程所决定的实际平均输出特性首、末两端点的连线。 理

13、论线性度：有时又称绝对线性度，为传感器的实际平均输出特性曲线对一在其量程内事先规定好的理论直线的最大偏差，以传感器的满量程输出的百分比来表示： 零基线性度：传感器实际、平均输出特性曲线对零基直线的最大偏差，以传感器的满量程输出的百分比来表示。而零基直线则定义为这样一条直线，它位于传感器的量程内，但可通过或延伸通过传感器的理论零点，并可改变其斜率，以把最大偏差减至最小 独立线性度: 作两条与端基直线平行的直线, 使之恰好包围所有的标定点, 以与二直线等距离的直线作为拟合直线。 最小二乘线性度：以最小二乘法拟合的直线为基准直线 迟滞输入逐渐增加到某一值, 与输入逐渐减小到同一输入值时的输出值不相等

14、, 叫迟滞现象。迟滞差表示这种不相等的程度。 其值以满量程的输出YFS的百分数表示。 重复性在相同的工作条件下，在一段短的时间间隔内，输入量从同一方向作满量程变化时，同一输入量值所对应的连续先后多次测量所得的一组输出量值，他们之间相互偏离的程度便称为传感器的重复性。 稳定性稳定性表示传感器在一个较长的时间内保持其性能参数的能力。 实际上, 随着时间的推移, 大多数传感器的特性会改变，这是因为传感元件或构成传感器的部件的特性随时间发生变化, 产生一种经时变化的现象。 1.4.2 传感器的动态特性动态特性：动态特性是指传感器对于随时间变化的输入量的响应特性。只要输入量是时间的函数，则其输出量必将是

15、时间的函数。研究动态特性的标准输入形式有三种，即正弦、阶跃和线性，而经常使用的是前两种。 传递函数假设传感器在输入输出存在线性关系的范围内使用, 则它们之间的关系可用高阶常系数线性微分方程表示:优点：表示了传感器本身特性与输入输出无关，只与系统结构特性参数有关，可通过实验求得。对 ( S ) = (S )( S ) 进行反变换，即可得到Y( t ) 与 X( t ) 关系。（微分方程的拉氏变换求解法）对于较为复杂的系统，可以将其看作是一些较为简单系统的串联与并联，串联系统与并联系统的传递函数如下图所示。串联系统（a）和并联系统（b）串联系统：总传递函数为各子系统传递函数的积。 并联系统：总传递

16、函数为各子系统传递函数的和。 瞬态响应特性 阶跃响应特性是指给原来处于静态状态传感器输入阶跃信号，(对传感器突然加载或突然卸载即属于阶跃输入).在不太长的一段时间内，传感器的输出特性即为其阶跃响应特性。有最大超调量,时间常数 , 上升时间 , 响应时间等参数. 输入：阶跃信号输出：阶跃响应得：一阶传感器的单位阶跃响应对于一个阶跃输入：得一阶传感器的单位阶跃响应信号传感器存在惯性，值是一阶传感器重要的性能参数, 动态响应特性主要取决于时间常数t.图 1.5一阶系统的阶跃响应曲线 频率响应特性传感器对正弦输入信号的响应特性称为频率响应特性。 c) 二阶系统：传递函数频率特性1.5 传感器的标定与校

17、准 标定 ：利用精度高一级的标准器具对传感器进行定度的过程，从而确立传感器输出量和输入量之间的对应关系。传感器的标定分为:A.静态标定：指输入已知标准非电量，测出传感器的输出，给出标定曲线，标定方程和标定常数，计算灵敏度、线性度、滞差、重复性等传感器的静态指标。 B.动态标定：用于确定动态性能指标。通过确定其线性工作范围（用同一频率不同幅值的正弦信号输入传感器，测量其输出）、频率响应函数、幅频特性和相频特性曲线、阶跃响应曲线来确定传感器的频率响应范围、幅值误差和相位误差、时间常数、阻尼比、固有频率等。标定系统的组成：一般由被测非电量的标准发生器，被测非电量的标准测试系统，待标定传感器所配接的信

18、号调节器和显示、记录器等组成。 校准 ：传感器需定期检测其基本性能参数，判定是否可继续使用，如能继续使用，则应对其有变化的主要指标（如灵敏度）进行数据修正，确保传感器的测量精度的过程，称之为传感器的校准。校准与标定的内容是基本相同的。 第2章 电阻应变式传感器及应用 教学要求1了解电阻应变效应的基本概念。2掌握电桥原理与电阻应变计桥路。3掌握应变计的静态性能和动态性能。4. 掌握温度误差产生的原因及其补偿方法。5掌握应变计的典型应用系统设计方法。 教学内容2.1 应变式传感器2.1.1 金属电阻应变片工作原理一、 金属电阻应变效应基于金属的应变应变效应：金属丝的电阻随着它所受的机械形变(拉伸或

19、压缩) 而发生相应的变化的现象称为金属的电阻应变效应。 对金属： E很小, 可忽略不计, =0.250.5, 故 k0=1+21.52；对半导体： E比1+2大得多, 压阻系数=(40-50)10-11m2/N, 杨氏模量E=1.671011Pa, 则E50100, 故（1+2）可以忽略不计。可见, 半导体灵敏度要比金属大50100倍。 二、应变计的结构与分类 应变计：将应变转换为电阻变化的传感元件 应变计结构：电阻应变片种类繁多，但基本构造大体相同丝式应变计：箔式应变计：薄膜式应变计： 应变计的分类 （了解）u 按尺寸分：u 按结构形式分：单片、双片及各种特殊形状的图案u 按使用环境分：高低

20、温、核辐射、高雅、磁场的等u 按安装形式分：粘贴、非粘贴、焊接、火焰喷涂u 按材料分：金属式、半导体式2.1.2 金属电阻应变片主要特性 一、应变计的特点u 优点：l 灵敏度和精确度高：能测12微应变，误差一般小于1%；l 测量范围大：从弹性变形一直可测至塑性变形；l 尺寸小，重量轻，对试件工作状态和应力分布影响很小；l 具有良好的动态响应；l 能适应高温、高压、强磁场以及辐射等恶劣环境； l 价格低廉、品种多样，便于选择和大量使用。 u 缺点：l 在大应变下具有较大的非线性；l 输出信号较微弱，抗干扰能力较差；l 应变式传感器的性能在很大程度上取决于应变计的性能。二、应变计的灵敏度系数应变计

21、的灵敏系数并不等于其敏感栅整长应变丝的灵敏度系数，一般情况下，原因：l 基底传递衰减；l 存在横向效应；三、应变计的横向效应 定义：在单位应力、双向应变情况下，横向应变总是起着抵消纵向应变的作用。应变计这种既敏感纵向应变，又同时受横向应变影响而使灵敏系数及相对电阻比都减小的现象，称为横向效应。原因：l 在垂直方向产生压应变-y，该微段电阻减少，在圆弧的其他各微段，感受的应变由+x变化到 y，圆弧段的电阻变化将小于同样长度沿x方向的直线段的电阻变化l 敏感栅由许多直线及圆角组成，拉伸被测试件时，粘贴在试件上的应变计沿长度方向拉伸，产生纵向拉伸应变x，应变计直线段电阻增加；总结：将同样长的金属线材

22、做成敏感栅后，对同样应变，应变计敏感栅的电阻变化变小，灵敏度降低，这种现象称为应变计的横向效应。 四、应变计的动态特性 机械应变波是以相同于声波的形式和速度在材料中传播的。当它依次通过一定厚度的基底、胶层(两者都很薄，可忽略不计)和栅长而为应变计所响应时，就会有时间的迟后。应变计的这种响应迟后对动态(高频)应变测量，就会产生误差。应变计的动态特性就是指其感受随时间变化的应变时之响应特性。机械应变以相同于声波速度的应变波形式在材料中传播。钢材声速为5000m/s，胶层声速为1000m/s。应力波从试件通过胶层、基片传到敏感栅需要一定时间，沿应变计长度方向经过敏感栅需要更长一些的时间，敏感栅电阻的

23、变化是对某一瞬时作用于其上应力的平均值的反应；胶层和基片的总厚度约为0.05mm，由试件经过胶层和基片传到敏感栅的时间约为510-8s，可以忽略不计；应变波沿敏感栅长度方向传播的时间应加以考虑。 例:应变计基长L=20mm，波速v=5000m/s，则 tk=3.210-6s，f=110 kHz。 五、应变计的其他特性参数 线性度试件的应变和电阻相对变化R/R，在理论上呈线性关系。但实际上，在大应变时，会出现非线性关系。应变计的非线性度一般要求在0.05%或1%以内。 应变极限粘贴在试件上的应变计所能测量的最大应变值称为应变极限。在一定的温度 (室温或极限使用温度) 下，对试件缓慢地施加均匀的拉

24、伸载荷，当应变计的指示应变值对真实应变值的相对误差大于10%时，就认为应变计已达到破坏状态，此时的真实应变值就作为该批应变计的应变极限。 机械滞后和热滞后贴有应变计的试件进行加载和卸载时，其R/R-特性曲线不重合，把加载和卸载特性曲线的最大差值，称为应变计的机械滞后值。 零漂和蠕变恒定温度下，粘贴在试件上的应变计，在不承受载荷的条件下，电阻随时间变化的特性称为应变计的零漂。零漂的主要原因是，敏感栅通过工作电流后的温度效应，应变计的内应力逐渐变化，粘接剂固化不充分等。 疲劳寿命 已安装的应变计，在恒定幅值的交变应力作用下，可以连续工作而不产生疲劳损坏的循环次数。疲劳寿命反映应变计对动态应变的适应

25、能力。应变计的疲劳寿命的循环次数一般可达106次疲劳损坏：指应变计指示应变的变化超过规定误差，或者应变计的输出波形上出现毛刺，或者应变计完全损坏而无法工作。 最大工作电流允许通过应变计而不影响其工作的最大电流值，工作电流大，应变计输出信号就大，因而灵敏度高。过大的工作电流使应变计过热，灵敏系数变化，零漂、蠕变增加，甚至烧坏应变计工作电流选取：散热条件；敏感栅的几何尺寸；截面的形状和大小；基底的尺寸和材料；粘合剂的材料和厚度；试件的散热性能。 绝缘电阻过大的工作电流使应变计过热，灵敏系数变化，零漂、蠕变增加，甚至烧坏应变计工作电流选取：散热条件；敏感栅的几何尺寸；截面的形状和大小；基底的尺寸和材

26、料；粘合剂的材料和厚度；试件的散热性能。指应变计的引线与被测试件之间的电阻值，一般以兆欧计。绝缘电阻过低，会造成应变计与试件之间漏电而产生测量误差。 应变计标称电阻值R应变计在未安装也不受外力的情况下，于室温时测得的电阻值。这是使用应变计时必须知道的一个参数。国内应变计系列习惯上选用120、175、350、500、1000、1500。 几何尺寸圆弧敏感栅应变计敏感栅基长L从圆弧顶部算起，箔式应变计则从横向粗线的内沿算起。通常应变计L 约为230mm，箔式应变计最小可达0.2mm，长的达100mm或更长。2.1.3 温度误差及其补偿 一、温度误差产生的原因环境温度变化，应变计的电阻也将发生变化，

27、这种变化叠加在测量结果中将产生很大误差，称为应变计的温度误差。原因: 电阻温度系数的影响: 试件材料与应变丝材料线膨胀系数不一致:二、温度补偿方法 电桥补偿法 工作应变片贴在试件上，补偿片贴在补偿件上，补偿件不受力，并接入电桥相邻臂。温度变化使工作片与补偿片产生的电阻变化R1t的电阻变化RBt相等，电桥输出Usc与温度无关，从而补偿了应变计的温度误差 工作片、补偿片贴在同一试件上，但补偿片不受力作用。工作片、补偿片贴在同一试件上，但两者感受的应变符号相反。构件作纯弯曲形变时，上部的应变为拉应变，下部为压应变，两者绝对值相等符号相反，RB与R1的变化值大小相等符号相反，电桥的输出电压增加一倍。此

28、时RB既起到了温度补偿作用，又提高了灵敏度，而且可补偿非线性误差。 辅助测温元件微型计算机补偿法 方法：在传感器内靠近敏感测量元件处安装一个测温元件， 用以检测传感器所在环境的温度。常用的测温元件有半导体热敏电阻以及PN结二极管等。测温元件的输出经放大及A/D转换送到计算机。 计算机在处理传感器数据时，把测温元件测量的温度变化对传感器的影响加以补偿，以达到提高测量精度的目的。 应变计自补偿法 方法：采用一种特殊的自补偿应变计，当温度变化时，产生的附加应变为零或相互抵消。用自补偿应变计进行温度补偿的方法叫应变计自补偿法。采用比较多的是以下两种自补偿应变计 ： 温度自补偿应变计 利用自身具有温度补

29、偿作用进行补偿的应变片，称之为温度自补偿应变片。双金属敏感栅自补偿片（组合式自补偿应变片） 利用两种电阻丝材料的电阻温度系数符号不同(一个为正，一个为负)的特性，将二者串联绕制成敏感栅 2.1.4 电阻应变式传感器测量电路 一、直流电桥的特性方程及平衡条件利用等效电源定理，ab两端的开路电压平衡时有上式称直流电桥平衡条件, 说明欲使电桥达到平衡, 其相邻两臂的比值应相等。 二、直流电桥的电压灵敏度 电阻应变计工作时, 电阻变化很微小(如1片k=2, 初始电阻120的应变计, 受到1000微应变时, 其电阻变化仅0.24),引起的不平衡电压极小, 不能用它来直接推动指示仪表, 故需加以放大。 当

30、有R1时, 电桥输出电压为设n=R2 / R1 ，考虑到起始平衡条件，并略去分母中的 项，得： ； Ku称为电桥的电压灵敏度。Ku愈大，说明应变计电阻相对变化相同的情况下，电桥输出电压愈大，电桥愈灵敏。由上式知，欲提高Ku，必须提高电源电压，但它受应变计允许功耗的限制。另外就是选择适当的桥臂比n。 当n=1：Ku 为最大，电桥电压灵敏度最高，称为电桥的第一种对称形式。R1 = R3， R2 = R4称为电桥的第二种对称形式。特例R1=R2=R3=R4：，为全等臂电桥。 全等臂直流电桥单臂、双臂、全桥工作时的情况讨论如下：(1) 单臂电桥(2) 双臂电桥(3) 全臂电桥三、交流电桥的平衡条件和电

31、压输出 在交流电源供电时，需要考虑分布电容的影响。平衡条件为或考虑到电桥的起始平衡条件并略去分母中含Z1项， 得2.2 压阻式传感器 压阻式传感器:指利用单晶硅材料的压阻效应制成的传感器(单晶硅材料在受到力的作用后，电阻率发生变化，通过测量电路就可得到正比于力变化的电信号输出)。应用：压力、拉力、压力差和可以转变为力的变化的其他物理量（如液位、加速度、重量、应变、流量、真空度）的测量和控制。2.2.1 半导体的压阻效应固体受到作用力后，电阻率就要发生变化，这种效应称为压阻效应 （半导体材料的压阻效应特别强）。 对半导体材料而言，l E (1+)，故(1+)项可以忽略2.2.2 半导体电阻应变片

32、1 结构型式及特点半导体应变计应用较普遍的有体型、薄膜型、扩散型、外延型等 半导体应变计有如下优点：(1) 灵敏度高。比金属应变计的灵敏度约大50100倍。工作时，可不必用放大器就可用电压表或示波器等简单仪器记录测量结果。(2) 体积小，耗电省。(3) 由于具有正、负两种符号的应力效应（即在拉伸时P型硅应变计的灵敏度系数为正值；而N型硅应变计的灵敏度系数为负值。 (4) 机械滞后小，可测量静态应变、低频应变等。2. 测量电路4个等值电阻连成平衡电桥，被测量作用于硅片时，阻值变化，电桥失去平衡，产生电压输出。由于制造、温度影响等原因，电桥存在失调、零位温漂、灵敏度温度系数和非线性等问题，影响传感

33、器的准确性，因此，必须补偿。(1) 恒压源供电假设四个扩散电阻的起始阻值都相等且为R，当有应力作用时，两个电阻的阻值增加，增加量为，两个电阻的阻值减小，减小量为；另外由于温度影响，使每个电阻都有的变化量。电桥的输出为 整理得： 即电桥输出与电源的大小、精度都有关。同时电桥输出U0与有关，即与温度有关，而且与温度的关系是非线性的，所以用恒压源供电时，不能消除温度的影响。 (2) 恒流源供电电桥假设电桥两个支路的电阻相等，即，故有,因此电阻的输出为： 整理得： 电桥的输出与电阻的变化量成正比，即与被测量成正比，当然也与电源电流成正比，即输出与恒流源供给的电流大小、精度有关。但是电桥的输出与温度无关

34、，不受温度影响，这是恒流源供电的优点。3. 温度补偿压阻传感器受温度影响，会引起零位漂移和灵敏度漂移。(1) 零点温度补偿(2) 灵敏度温度补偿2.3 应变式传感器应用 电阻应变丝、应变片，可以直接用来测定试件的应变和应力，其他物理量（力、压力、加速度等），需先将这些量转换成应变（弹性元件）还广泛用作传感元研制成各种应变式传感器，用来测定其他物理量，如力、压力、扭矩、加速度等。 待测物理量（应变）R/R （） USC2.3.1、应变式测力与称重传感器被测物理量：荷重或力主要用途：作为各种电子称与材料试验机的测力元件、 发动机的推力测试、 水坝坝体承载状况监测等。 力传感器的弹性元件：柱式、筒式

35、、环式、悬臂式等一、柱（筒）式力传感器柱式传感器是称重(或测力)传感器应用较普遍的一种形式。它分为圆筒形和柱形两种 圆筒或圆柱在外力F作用下产生的应变为： 一般将应变计对称地贴在应力均匀的圆柱表面的中间部分。横向粘贴的应变计既作为温度补偿，也起到提高灵敏度的作用。二、 悬臂梁式传感器 悬臂梁式传感器是一种低外形、高精度、抗偏、抗侧性能优越的称重测力传感器。采用弹性梁及电阻应变计作敏感转换元件，组成全桥电路。悬臂梁有两种，一种为等截面梁，另一种为等强度梁。 (a)等截面梁 (b)等强度梁当外力F作用在梁的自由端时，在固定端产生的应变最大，粘结应变计处的 若R1、R4受拉力，则R2、R3将受到压力

36、，两者应变相等，极性相反。组成差动全桥，则电桥的灵敏度为单臂工作时的4倍。等强度梁是一种特殊形式的悬臂梁。其特点：沿梁长度方向的截面按一定规律变化，当集中力F作用在自由端时，距作用点任何距离截面上的应力相等。悬臂梁式传感器一般可测0.5kg以下的载荷，最小可测几十克重。悬臂梁式传感器也可达到很大的量程，如钢制工字悬臂梁结构传感器量程为0.230t，精度可达0.02%FS。悬臂梁式传感器具有结构简单、应变计容易粘贴，灵敏度高等特点。 应用举例：手提数字电子称，测量电路如图所示 三 环式传感器圆环式传感器弹性元件的结构如图所示。其中，(a)为拉力环，(b)为压力环。环式常用于测几十千克以上的大载荷

37、，与柱式相比，它的特点是应力分布变化大，且有正有负，便于接成差动电桥。 圆环式传感器弹性元件结构2.3.2、应变式压力传感器 应变式压力传感器由电阻应变计、弹性元件、外壳及补偿电阻组成。一般用于测量较大的压力。它广泛用于测量管道内部压力，内燃机燃气的压力，压差和喷射压力，发动机和导弹试验中的脉动压力，以及各种领域中的流体压力等。一 筒式压力传感器筒式压力传感器的弹性元件如图所示，一端肓孔，另一端有法兰与被测系统连接。当应变管内腔与被测压力相通时，圆筒部分周向应变为 式中，p为被测压力，D为圆筒外径，d为圆筒内径。在薄壁筒上贴有两片应变计作为工作片，实心部分贴有两片应变计作为温度补偿片。二 膜片

38、式压力传感器该类传感器的弹性敏感元件为一周边固定的圆形金属平膜片，如图所示。当膜片一面受压力p作用时，膜片的另一面(应变计粘贴面)上的径向应变r和切向应变t为 式中，R为平膜片工作部分半径，h为平膜片厚度，E为膜片的弹性模量，为膜片的泊松系数，x为任意点离圆心的径向距离。 在膜片中心即x=0处，r和t均达到正的最大值，即 而在膜片边缘，即x=R处，t=0，而r达到负的最大值(最小值)： 三 组合式压力传感器组合式压力传感器，如图所示，通常用于测量小压力。波纹膜片、膜盒、波纹管等弹性敏感元件感受压力后，推动推杆使梁变形。电阻应变计粘贴于梁的根部感受应变。因为悬臂梁刚性较大，所以这种组合可以克服稳

39、定性较差，滞后较大的缺点。2.3.3、应变式加速度传感器 应变式加速度传感器应变式加速度传感器如图所示。在一悬臂梁1的自由端固定一质量块3。当壳体4与待测物一起作加速运动时，梁在质量块惯性力的作用下发生形变，使粘贴于其上的应变计2阻值变化。检测阻值的变化可求得待测物的加速度。图中，5为电引线，6为运动方向。若梁的上下各贴两片应变计，组成全桥，则灵敏度是原来的两倍。 2.3.4 扩散型压阻式压力传感器(了解)例题：一台采用等强度梁的电子称，在梁的上下两面各贴有两片电阻应变片，做成称重传感器，如图2-12（见教材，附下）所示。已知l=10mm，b0=11mm，h=3mm，E=2.1104N/mm2

40、，K=2，接入直流四臂差动电桥，供桥电压6V，求其电压灵敏度(Ku=U0/F)。当称重0.5kg时，电桥的输出电压U0为多大? 图2-12 悬臂梁式力传感器解：等强度梁受力F时的应变为 当上下各贴两片应变片，并接入四臂差动电桥中时，其输出电压： 则其电压灵敏度为 =3.46310-3 (V/N)=3.463(mV/N) 当称重 F=0.5kg=0.59.8N=4.9N时，输出电压为 U0 =Ku F=3.4634.9=16.97(mV) 第3章电感式传感器 教学要求1掌握自感式传感器的结构及原理。2掌握互感式电感传感器的结构及工作原理。3了解电涡流式传感器的结构及基本原理。4. 掌握常见电感式

41、传感器的应用方法。 教学内容3.1 自感式传感器一、结构及工作原理自感式传感器结构如图所示。它由线圈1、铁芯2和衔铁3三部分组成，铁芯和衔铁由导磁材料如硅钢片等材料制成，在铁芯和衔铁之间留有空气隙。被测物与衔铁相连，当衔铁移动时，气隙厚度发生改变而引起磁路中磁阻变化，从而导致电感线圈的电感值变化，只要能测出这种电感量的变化，就能确定衔铁位移量的大小和方向。电感量的变化通过测量电路转换为电压、电流或频率的变化，从而实现对被测物位移的检测。 工作过程：被测物移动衔铁空气隙变化磁路磁阻改变线圈电感量变化输出电压、电流或频率变化实现对被测物位移的检测。表明当线圈匝数N为常数时，电感L是中磁阻的函数。如

42、果A保持不变，则L为的单值函数，构成变气隙式自感传感器；若保持不变，使A随被测量（如位移）变化，则构成变截面式自感传感器。前者常用来测量线位移，后者常用于测量角位移。二、自感式传感器灵敏度及特性分析 设自感式传感器初始气隙为，初始电感量为L0，衔铁位移引起的气隙变化量为，可知，L与之间是非线性关系，L与A之间是线性关系，特性曲线如图3.2表示。对变气隙式传感器，初始电感量为： 当衔铁上移时，传感器气隙减小，即=0，则此时输出电感为L=L0+L，有： 同理，当衔铁下移时： 综上所述，设气隙式传感器的灵敏度为K，则有： 结论： 变气隙式传感器的输出特性是非线性的 ， /0 越小, 高次项迅速减小,

43、 非线性可得到改善，而/ ，非线性增大; 非线性与测量范围的要求相矛盾，一般取/ =0.10.2; 增大灵敏度方法：减小0 ; 与 引起的L的变化大小不同，且越大， L相差越大。三、差动式电感传感器 采用两个相同的自感线圈共用一个衔铁，构成差动式自感传感器，两个线圈的电气参数和几何尺寸要求完全相同。当衔铁下移时：上式中不存在偶次项，显然差动式自感传感器的非线性误差在工作范围内要比单个自感传感器的小得多。忽略高次项得：优点：线性好；灵敏度提高一倍，即衔铁位移相同时，输出信号大一倍；温度变化、电源波动、外界干扰等对传感器精度的影响，由于能互相抵消而减小；电磁吸力对测力变化的影响也由于能相互抵消而减小。四、自感式电感传感器应用变气隙电感式压力传感器：由膜盒、铁芯、衔铁及线圈等组成，衔铁与膜盒的上端连在一起。 当液体/气体进入膜盒时，膜盒的顶端在压力P的作用下产生与压力P大小成正比的位移，于是衔铁也发生移动，从而使气隙发生变化，流过线圈的电流也发生相应的变化，电流表指示值就反映了被测压力的大小。变气隙式差动电感压力传感器：由C形弹簧管、衔铁、铁芯和线圈等组成。当被测压力进入C形弹簧管时，C形弹簧管产生变形，其自由端发生位移，带动与自由端连接成一体的衔铁运动，使线圈1和线圈2中的电感发生大小相等、符号相反的变化，即一个电感量增大，另一个电感量减小。电感的这种变化通过电桥电路转换成电压输