1、第 0章 绪论 1、 传感器的定义 ： 国家标准（ GB7665-1987）能够感受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 。 基本含义： 是 测量装置 ，能完成部分检测任务； 输 入 量是某一 物理量 （物理量、化学量或生物量）； 输 出 某种 物理量 ，便于转换和处理，但主要是电物理量； 输出与输入有 对应关系 ，且有一定 精确程度 。 2、 传感器的作用 ： 一感二传 ，即感受被测信息，并传送出去。 3、 传感器的组成 敏感元件 ： 直接感受被测量 ，并输出与被测量成确定关系的某一物理量的元件 。 转换 元件 ： 敏感元件的输出 就是他的输入，它把输入转换成电路参量。
2、基本 转换电路 ： 能把传感元件输出的电量转换为便于处理、传输、记录、显示和控制的有用电信号的电路。不同种类的传感元件有不同种类的变换电路与之适应，在研究传感技术时，应把传感元件和变换电路作为一个统一体来考虑。 辅助电路 ： 通常包含电源等。 4、传感器分类 (物理 +化学 +生物 ； 物性型 +结构型 ； 能量控制型 +能量转换型 ) 按照 物理原理分类： 电参量式：电阻式、电感式、电容式 ； 磁电式：磁电感应式、霍尔式 ； 压电式 ； 光电式：光栅式、激光式、光电码盘式、光导纤维式、红外式 ； 热电式 超声波式、微波式 。 按照 用途分类：位移 (线 +角 )、速度 (线 +角 )、加速度
3、 (线 +角 )、压力、时间 (频率 )、温度、光。 5、 传感器的发展趋势 ： 扩展检测范围 提高检测性能 传感器的集成化、功能化、智能化 新领域、新原理的传感器。 第 1章 传感器的一般特性 1.0 概述 当输入量为常量或变化极慢时，这 输入输出 关系称为 静态特性 （ 线性模型： y=a0+a1x 或 y=ax）；当输入量随时间较快地变化时，这一关系称为 动态特性 （微分方程、传递函数） 。 传感器的静态特性只是动态特性的一个特例 。 传感器的静态特性要包括 非线性和随机性 等因素，如果把这些因素都引入微分方程将使问题复杂化。为避免这种情况，总是把静态特性和动态特性 分开考虑 。 1.1
4、 传感器的 静态 特性 （符号 +单位） 静态 特性 : 传感器在 被测量处于稳定状态 时 的输入与输出特性。此特性可用数据表格或曲线等方式表示。以 x 表示输入量， y 表示输出量，静态特性可以用函数式表示为： y=f(x)。 理想传感器的静特性： 输入与输出具有 唯一对应关系 ； 输入与输出成 线性关系 变化 。实际中并不满足， 解决措施：传感器自身性能改善 ； 外界条件加以限制 。 1、 测量范围和量程 测量上限：传感器所能测量的 最大 被测量的数值 。 测量下限：传感器所能测量的 最小 被测量的数值 。 测量范围：测量下限和测量上限表示的测量区间 。 量程测量上限测量下限 。 2、 线
5、性度 ( L)：又 称 非线性误差 ，是指实际曲线与拟合曲线的最大偏差 ，通常用相对误差 L表maxL 为 最大非线性绝对误差 ， FSy 为 满量程输出 。 示，即，线性度是表征实际特性与拟合直线 不吻合 的参数。理想传感器的输入输出特性成线性关系，主要 优点 是： 可大大简化传感器的理论分析和设计计算； 为标定和数据处理带来很大方便，只要知道线性输入输出特性上的两点 (一般为零点和满度值 )就可以确定其它各点； 可使仪表刻度盘均匀刻度，因而制做、安装、调试容易，提高量精度； 避免了非线性补偿环节。 非线性偏差的大小是以一定的拟合直线为基准直线而得出的。拟合直线不同，非线性误差也不同。 拟合
6、方法 (以 获得最小的非线性误差 )： 理论拟合 (简单 ， Lmax 较大 )过零旋转拟合 ( 1 2 maxL L L ) 端 点 连 线 拟 合 (Lmax 较大 ) 端 点 平 移 拟 合 (L2=|L1|=|L3|= Lmax) 最 小 二 乘 拟 合 y=kx+b22()ii i iiinxy x yknx x(左先积后和乘 n，右先和后积 )， bykx 。常用 :过零点最小二乘。根据i(k x b)iiy 可求出最大残差，进而可以求出非线性误差。 3、 灵敏度 (mv/mm)：传感器输出变化量 y 与引起该变化量的输入变化量 x 之比为其静态灵敏度。/kyx 。传感器输出曲线斜
7、率就是其灵敏度。对具有线性特性的传感器，其特性曲线斜率处处相同，灵敏度 k 为一常数，与输入量大小无关。非线性传感器灵敏度为一变量 (只能表示传感器在某一工作点的灵敏度 )： /kdydx 。灵敏度误差用相对误差表示 ( / ) 100%skk 4、 迟滞 (%)又称 回程误差 (绝对误差 )：传感器在 正、反行程 期间输入、输出曲线不重合的现象。迟滞误差一般以满量程输出百分数表示，即HHmax(1 2)( ) 100%FS /y ，Hmax 为正、反行程输出的最大差值。传感器正、反行程中输出信号差值的最大者即为回程误差 (有单位 )。产生迟滞误差的原因：由于敏感元件材料的 物理性质缺陷 造成
8、的。迟滞误差的存在使输入输出不能一一对应。 5、 重复性R (随机误差 )：传感器在输入按 同一方向 连续多次变动时所得输出特性不一致的程度。正行程最大重复性误差max1R ， 反行程最大重复性误差max2R 。 取两者最大为Rmax ， 则Rmax FS( / y ) 100%R 6、 分辨力 (率 )：传感器能够检测到的 最小输入增量 ，表征测量系统的分辨能力。分辨力用绝对数值表示 (单位 )，分辨率是相对数值 %。 阈值为 系统输入 零点 附近的 分辨力 。 7、 稳定性 ： 时间 稳定性 温度 稳定性 抗干扰 稳定性。(可用相对误差表示，也可用绝对误差表示) 8、 精确度 ： 精密度
9、与 准确度 的总和，测量误差的相对值表示100%FSAAY，其中 A 为传感器的精确度， A 为测量范围内允许的最大绝对误差， YFS为满量程输出。 精密度 ：在同一测量条件下重复对被测量测量所得测量结果的分散程度，越小越精密。 准确度 ：测量结果偏离真值大小的程度。 9、 静态测量不确定度 (静态误差 )：是指传感器在其全量程内任一点的输出值与其理论值 可能偏离程度 。 求取方法：把全部输出数据与拟合直线上对应值的残差，看成是随机分布，求出其标准偏差 ，即211()1niiyn 。iy 为各测试点残差， n 为测试点数。取 2 或者 3 为传感器静态误差。警惕啊误差也可用相对误差来表示，即
10、= (3 / ) 100%FSy 。静态误差是一项 综合性指标 ，它基本上包括了前面叙述的非线性误差、迟滞误差、重复性误差、灵敏度误差等。 10、误差表达 绝对误差：测量结果与被测参量真值之间的差值的绝对值。 |XQ| 相对误差：测量的 绝对误差 与被测量 真值 的比值。 /Q 100% 引用误差：测量的 绝对误差 与仪表的 满量程 之比。 m/yFS 100% 1.2 传感器动特性 动态特性定义 : 指传感器对随时间变化的输入量的响应特性。 由于输入信号的时间函数形式是多种多样的，在 时域 内研究传感器的响应特性时，只能研究几种特定的输入时间函数如 阶跃函数 、 脉冲函数 和 斜坡函数 等的
11、响应特性。在 频域 内研究动态特性一般是采用 正弦函数得到频率响应特性。通常认为可以用 线性时不变系统理论 来描述传感器的动态持性。线性时不变系统重要性质 叠加性和频率保持性 ：也就是说，各个输入所引起的输出是互不影响的。 常用数学模型：常系数线性微分方程传递函数( 初始条件为零，输出的拉氏变换与输入的拉氏变换之比 )。1101Y( )()X( )mmmmnnbs b s bsWss as a s a所有系数都是实数， mn 零阶传感器 ： 零阶系统是个特例， n=0， 无时间滞后， 00by x kxa，例如 ， 电位器式传感器 。 一阶传感器 ： 00() ( ) ( )i dy ta a
12、 y t b x tdt 可改写成 0100() ( ) ( )ba dy t y t x ta dt a 一阶系统， n = 1， 010()bWsa s a ，例如 液体 温度传感器。 0001 1100Y( )()X( ) 11bbaskWs as a s a ssa ， 00bka 为静态灵敏度，10aa 为时间常数。 二阶传感器 ： 022 1 0() bWs a s a s a ， 例如，如电动式测振传感器等 。 202 1 2 22 1 0Y( )()X( ) 2 ooobksWss a s a s a s s ，02/o aa 为 无阻尼固有频率 ， 1022aaa 为 阻尼比
13、 ， 00/k b a 为 静态灵敏度 。 一阶传感器的阶跃响应 ： 11( ) ( ) ( ) 1Y s X s W s ss ， ( ) (1 )ty t k e 。 单位阶跃的响应信号是 指数函数 ，输出曲线成指数变化逐渐达到稳定。时间常数 越小越好，是反映一阶传感器的重要参数。 二阶传感器的阶跃响应 ： 2221( ) ( ) ( ) 2 oooY s W s X s s s s ， 2( ) 1 sin( )1 otey t t ， =0,零阻尼 ,等幅振荡，产生自激永远达不到稳定； 1,过阻尼 ，稳定时间较长。 一阶传感器的频率响应 ：221( ) sin( ) ( )sin( )
14、1y t t A t ，幅频特性：221()1A ，相频特性： ( ) arctan( ) 。 二 阶传感器的频率响应 ： 幅频特性： 2221()1 ( ) (2 )ooA ，相频特性： 122( ) tan1 ( )oo1.3 传感器的标定 传感器的标定 有 静态标定 和 动态标定 两种。动态特性实验确定法： 阶跃信号响应法 正弦信号响应法 随机信号响应法 脉冲信号响应法。 第 2章 电阻式传感器 基本原理： 将被测的 非电量 转换成 电阻值的变化 ，通过测量电阻值变化达到测量非电量的目的 。电阻式传感器可以测量 力 、 压力 、 扭矩 、 位移 、 应变 、 加速度 、 温度 等非电量参
15、数。一般来说， 电阻式传感器 结构简单，性能稳定，灵敏度较高，有的还适合动态测量。 按照工作的原理可分为 ： 变阻器式 、 电阻应变式 、热敏式 、 光敏式 、 电敏式 等。 电阻式传感器的敏感元件有 应变片 、 半导体膜片 和 电位器 。电阻应变式传感器 (一般有 弹性元件 和 电阻应变片 构成 )。 2.0 电位器式传感器 1、 电位器式传感器的种类 电位器是一个机电传感元件，它作为传感器可以将 机械位移 或其它能转换为位移的非电量转换为与其有一定函数关系的 电阻值 的变化，从而引起 输出电压 的变化。 电位器式传感器的种类 ： 线绕电位器 ； 合成膜电位器 ； 金属膜电位器 ； 导电塑料
16、电位器 ； 导电玻璃釉电位器 ； 光电电位器 2、 线绕电位器式传感器工作原理及结构 下 图中： Vi 电位器输入电压； V0 电位器输出电压 R 电位器总电阻； L 电位器总行程； x 电刷行程； r 电刷行程 x 处对应电阻； b 骨架宽度； h 骨架高度； t 线绕节距； RL 负载电阻。 3、线性线绕电位器电输出特性 视在分辨力 为 iVV n ； n 为 电位器线圈总匝数 。 负载误差 RL ， 0 iiVVV r xRL。 在 RL0 2iLLLLV r RrRVIr R R R rR r 。由负载电阻为有限值产生相对 误 差00201100% 1 100%1LLLVVrrrVR
17、R R 若令负载系数 m R/RL，行程比 X r/R=x/L，则有 11 100%1 (1 )Lr mX X ， 求导 得 12X ， RL取极大值，即 12xL 。结论： 可见相对负载误差在 x=1/2L 处有极值 （负载误差最大） 。 2.1 电阻应变片的工作原理 当金属丝在外力作用下发生 机械变形 时，其电 阻值 将发生 变化 ，这种现象称为金属的 电阻应变效应 。长为L、截面积为 S、电阻率为 的金属或半导体丝，电阻为 lR S 。 /ll 为电阻丝轴向应变，用 表示 (单位为 1 -6=10 /mm mm )。 电阻丝纵向伸长和横向收缩关系用泊松比 表示 ， 0/(1 2 )Rlk
18、 ， K0 为金属电阻的灵敏系数， 其 受两个因素影响：一个是 (1+2)，它是由材料的 几何尺寸变化引起的；另一个是 / ( ) ，它表 示材料的电阻率 随应变而变化 (压阻效应 )。 对金属材料而言，以第一项为主， 第 二 项可忽略不计 ， 0 12k ，通常金属丝的 0 2k 。 对半导体而言， 主要以第二项为主，第一项可忽略不计。 故 半导体的灵敏系数要比金属大得多 。图中 l 称为应变片的 基长 ， b 称为应变片的 基宽 ； lb 称为应变片的 使用面积 。 应变片优点： 测量灵敏度和精度高。 尺寸小、重量轻、结构简单、使用方便、响应速度快。 既可用于静态测量，又可用于动态测量。
19、测量范围大。 既可测量 弹性形变 ，又可测量 塑性形变 。 适应性强。 便于 多点测量及远距离 测量和传送 。 应变片缺点 ： 在大应变状态下具有较大的 非线性 ，半导体应变片的非线性更为显著。 应变片的输出信号较微弱，故其 抗干扰能力较差 ，因此，对信号连接导线要认真屏蔽。 虽然应变片尺寸较小，但测出的仍是应变片敏感栅范围内的平均应变，不 能完全显示应力场中应力梯度的变化。 应变片的 温度系数较大 。 2.2 应变片的类型和材料 根据敏感元件材料的不同，将应变片分为 金属式 和 半导体式 (灵敏度高 )两大类。 1、 金属应变片 金属丝式应变片 。 最早采用 回线式 ，制作简单 ， 但 因弯
20、曲部分的变形使其 横向效应较大 。 短接式 两端用较粗的镀银铜线焊接， 横向效应相对较小 ，但制作工艺复杂， 易在焊点处出现 疲劳损坏 。已 逐渐被横向效应小、其他方面性能更优越的 箔式应变片 所取代。 应变片由于圆弧处感受横向应变而使 电阻变化率减小 并使应变片 灵敏系数降低 的现象称为应变片的 横向效应 。 金属 箔式应变片 。 它是利用照相制版或光刻腐蚀法将电阻箔材在绝缘基底上制成各种图形的应变片。 优点 ： 敏感栅 尺寸准确、线条均匀，大批量生产时电阻值离散程度小 ， 可根据不同测量要求制成任意形状 ；可制成基长很小的应变片 ； 敏感栅弯头横向效应可忽略 ； 箔式应变片敏感栅截面为长方
21、形，表面积大，散热性能 好，在相同断面积情况下能通过较大的工作电流，从而能增大输出信号； 疲劳寿命长，机械滞后小，蠕变小； 便于批量生产，而且生产效率高。 金属 薄膜式应变片 。 它是采用 真空溅射或真空沉积等镀膜技术将应变电阻材料镀在基底材料上而形成 。这类应变片的显著特点是 灵敏系数大 ，允许的电流密度大， 工作温度范围广 ， 也可用于核辐射等特殊情况下，易实现工业化批量生产。 厚膜应变片。厚膜电阻具有良好的热稳定性和时间稳定性。 2、 半导体应变片 分类：体型半导体应变片 薄膜型半导体应变片 扩散型半导体应变片。 外延型半导体应变片。 优点 ： 灵敏度高 ； 体积小，耗电省 ； 具有两种
22、符号的应力效应 。 缺点 ： 受温度的影响大 ； 非线性严重。 2.3 应变片主要特性 (1)电阻值 。 是指应变片在安装前及室温下测定的电阻值，也称为 初始电阻值 。 (2)几何尺寸 。 基长相对于基宽较小时横向效应较大，所以通常尽量用 l 值较大的应变片。但在应变变化梯度大的场合 (如应力集中处 )，则应该使用 l 小的应变片。 b 值小时应变片的整体尺寸可减小，但散热性能变差。 (3)灵敏系数 。应变片安装于试件表面，在其轴线方向的单向应力作用下，应变片 阻值相对变化值 与试件表面安装应变片区域的 轴向应变 之比，即 K=( R/R)/ 。 实验表明，电阻应变片的灵敏系数 k 恒小于 电
23、阻丝的灵敏度系数 K0，主要是因为粘结层 传递形变失真 外，还存在 横向效应 。 (4)横向效应 应变片由于圆弧处感受横向应变而使 电阻变化率减小 并使应变片 灵敏系数降低 的现象称为应变片的 横向效应 。原因 ： 圆弧段感受到的轴向应变从 x 到 - x ，使该段电阻值减小。 2.4 转换电路 常用 电桥电路 来精确地测量这个微小的电阻变化。 1.直流电桥 (1)平衡电桥 法 。 图中 R1 为应变片 ，电桥 平衡条件为 3124RRRR 。 如果在测量前电桥平衡，在测量中应变片阻值发生改变后通过调节其他桥臂的阻值使电桥恢复平衡，从而确定应变片阻值的改变量，则称为 零读法 。例如，应变片阻值
24、由 R1 变为 11RR ，检流计中有电流流过。此时可调节其他桥臂的电阻值，比如调节R2，使其值变为 22RR 后电桥重新平衡， 则有 3124RRRR 。 当 R3、 R4 恒定 时，根据 2R 的值可求得 1R 。R2 称为 调节臂 。 R3、 R4 称为 比例臂 ，改变它们的比值，可改变 1R 的测量范围。 平衡电桥 常用在 静态应变测量 中。 (2)不平衡电桥法 (偏转法 )。 不平衡电桥法用在 动态应变测量 中， 其输出量可以是电流或电压。 R1 为应变片，R2、 R3、 R4为固定电阻，承受应变后，阻值变为 11RR ，电桥 不平衡输出为4131o1 2 41 1 311RRRRU
25、UR R RR R R 设 21= Rn R ，又因 11RR (略去 )， R1R4 R2R3， 化简 为 1o 21(1 )RUnUnR ，电桥 灵敏度为u 2(1 )UnSn 。Su 与 U 成正比， U 越高， Su 越高 ， Su 还与 n 有关。在 U 一定时，由灵敏度取极值的条件，可求得 n 1 时Su 最大 ， 即在 U 一定、 R1 R2、 R3 R4 时， Su 最大 。通常这种情况称为 电桥的第一种对称形式 。此时1o114RUUR ，u14SU 。 理想值：10 21(1 )RnUUnR，实际值：11011(1 )(1 ) RnRUURnnR。 100 11011LRU
26、U RRU nR 。 如果是四等臂电桥 , R1=R2=R3=R4, 则111121 2LRRRR 。 结论： K 较小时，非线性误差能满足测量要求；当 K到某值时，非线性误差已不能满足测量要求。 (3)直流电桥的非线性误差 。 以上都是基于 11RR (略去分母项 )， 所以得到的是线性关系。但当应变片感受较大应变时，分母上的 11/RR 项就不能忽略，此时得到的为 非线性关系 ，从而造成 非线性误差 。 而且导体应变片灵敏度比金属式大，受应变 R 更大，误差不可忽略。 为 减小 非线性误差时常用的措施如下 ： 采用 (半桥 +全桥 )差动电桥 。在电桥的相邻两臂接入两个参数相同的应变片，测
27、量时一个 受拉 应力，一个受压 应力， 电阻变化量符号相反，数值相等 ，即构成 半桥差动电路 。此时 输出电压311o1 1 2 2 3 4RRRUUR R R R R R 假设 1 2 1 2 3 4-=R R R R R R R R ， o12RUUR (无近似关系 ,无非线性误差 ,呈 严格线性关系 )。 差动电桥法不仅补偿了非线性误差，且电压灵敏度 提高了 1 倍 。另外还能起到 温度补偿 的作用。 在四臂都接入相同应变片， 对边 两个受拉 应力，另两个 对边 受压应力，构成全桥差动电路。若满足1 2 3 4 1 2 3 4= =-R R R R R R R R R ， ，则 oRUU
28、R 。 全桥差动电路不仅补偿了非线性误差，且电压灵敏度比半桥差动电路补偿时 再提高了 1 倍 。也能起到 温度补偿 的作用。 采用恒流源电桥 。 设供电电流恒定为 I，则根据分流原理，初始时电路的输出电压为1 4 2 3o1 2 3 4R R R RUIR R R R ，与恒压源时相比，非线性误差减小。采用半导体应变片时电桥一般采用 恒流源供电 。 非线性误差减少，但不能消除，一般用于半导体应变片中。 2、 交流电桥 在交流电源供电时，需要考虑分布电容的影响，此时桥臂已不是纯电阻性的，其电源电压、输出电压及各桥臂阻抗均应该用复数表示。输出电压为 1 4 2 3o1 2 3 4( )( )Z Z
29、 Z ZUUZ Z Z Z ，1 4 2 31 4 2 3Z Z Z Z 为电桥平衡条件。 2.5 温度 误差及其 补偿 (1)温度 误差 。 把应变片安装在自由膨胀的试件上，即使试件不受任何外力作用，如果环境温度发生变化，应变片的电阻也将发生变化，这种现象称为应变片的 温度效应 (热输出 )。 产生温度误差的原因主要有两个 ：敏感栅电阻随温度变化 引起的误差 。 试件材料的 线膨胀 引起的误差。 (2)温度补偿 。 通常有 自补偿法和线路补偿法 。 自补偿法 。 单丝 自补偿应变片 +组合式 自补偿应变片 (一种类型是选用两者具有 不同符号 的电阻温度系数的电阻串接；另外一种形式选用两者具有
30、 相同符号 的电阻温度系数的电阻串接 ) 线路 补偿 法 。 工作应变片 R1 与补偿应变片 R2 参数相同。 R1 粘贴在试件上，R2 粘贴在和试件 材料相同 、处于 温度 相同 的补偿块上。测量时，使二者接入电桥的 邻臂 上。有时可将补偿片亦贴在被测试件上，使其既能起到 温度补偿 作用，又能 提高灵敏度、 减小 非线性误差 。 0 ( 1,2,3,4)i xi t iiR K t iR , 0 1 2 3 4 1 2 3 4()4ab x x x x tUU K t t t t 。 若桥臂电阻均在同一 温度场，各桥臂电阻同批制造，材料规格、工艺均相同，则由温度变化引起的电阻相对变化 相互抵
31、消 ，且不在电桥输出中反映。 热敏电阻补偿法 。热敏电阻 RT 处在与应变片 R1 相同的温度条件下，当温度升高时， R1 阻值增加， RT 的阻值下降，最终使电桥的输出不变。 辅助测温元件微型计算机补偿法 。在传感器内靠近敏感测量元件处安装一个测温元件。常用的测温元件有半导体热敏电阻以及 PN 结二极管等。计算机在处理传感器数据时消除温度变化的影响。 (3)压阻式传感器 利用硅的压阻效应和微电子技术制成。特点：灵敏度高、动态响应好、精度高、易于微型化和集成化。 例如： 半导体应变片制成的粘贴型压阻传感器 +力敏电阻与硅膜片一体化扩散型压阻传感器 。 压阻效应 ：固体受到作用力后，电阻率就要发
32、生变化，这种现象称为压阻效应。所有材料在某种程度都呈现压阻效应，但在 半导体材料 中，这种效应特别显著。金属应变片发生应变后，使导体的几何尺寸发生改变 导致 阻值变化 ； 半导体材料的电阻大小取决于有限数目的载流子 -空穴和电子的迁移率。加在一定 晶向 上的外界应力，引起半导体能带的变化，使载流子的迁移率产生较大的变化，导致半导体电阻率产生相应的变化。半导体的电阻率 与载流子数 iN 及平均迁移率 av 之积成反比 ，即 1i aveN 。 应力作用于半导体时，同时使 iN 和 av 发生变化，变化的大小和方向取决于半导体的类型、载流子浓度以及作用于半导体某一晶向上的压力 。 d l ， E，
33、 ld E 。 金属电阻丝的相对灵敏度系数为： (1 2 )dK ，代入得到 12 lKE 。所以对于 金属应变片 基本不变 ， 12K 半导体应变片 变化 ， lKE。 常用的单晶硅材料是 各向异性 的，取向不同时特性不一样。取向用 晶向 来表示。晶向是晶面的 法线方向 ，用 密勒指数 表示 。 密勒指数是在晶体 x、 y、 z 轴上晶面截距的倒数化成的三个没有公约数的整数。压阻系数随晶向不同而异，晶向不同，压阻效应也明显不同。 压阻器件的特性 a.温度性能 。 压阻器件的阻值和灵敏度系数受温度影响较大，会产生 零位温度漂移 和 灵敏度温度漂移 。 对于零位温度漂移一般采用桥臂上串、并联电阻
34、的方法进行补偿。 对于灵敏度温度漂移，一般在电源回路中串联二极管方法进行补偿。 b.线性度 。 对于扩散型压阻器件，由于表面参杂浓度很高，非线性项很小，因此压阻电桥输出的线性度比较好 2.6 电阻应变式传感器应用举例 电阻应变片除直接用来测定试件的应变和应力外，还广泛用作传感元件制成各种应变式传感器，用来测定其他物理量，如 力 、 压力 、 加速度 等。应变式传感器的基本构成通常可分为两部分，即 弹性敏感元件和 应变片 。弹性敏感元件在被测物理量的作用下，产生一个与它成正比的应变，然后用应变片作为转换元件将应变转换为电阻变化。 1、 应变式测力与称重传感器 根据弹性体结构形式的不同可分为 柱式
35、 、 轮辐式 、 梁式 、 环式 等。 2、 悬臂梁式传感器 悬臂梁式传感器是一种高精度、抗偏、抗侧性能优越的称重测力传感器 。 悬臂梁有两种， 一种为 等截面梁 (可以顺着梁的长度方向分别 贴上 R1、 R2 和 R3、 R4 四个电阻应变片 ,R3、 R4 在下面 ,组成全桥差动 )， 另一种为 等强度梁 (这种梁的优点是在长度方向上粘贴应变片的要求不严格 ) 3、 环式传感器 。 常用于测几十 kg 以上的大载荷。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。 第 3 章 电感式传感器 3.0 概述 电感式传感器是建立在电磁感应基础上，利用线圈自感或互感的改变来
36、实现测量的一种装置。可以对线位移或角位移直接进行测量。 可用来测位移、压力、振动等多种非电量，既可用于 静态测量 ，又可用于 动态测量 。 常可由下列方法使线圈的电感变化（ L 或 M）： (1)改变几何 形状 ； (2)改变磁路的 磁阻 ； (3)改变磁芯材料的 磁导率 ； (4)改变一组线圈的两部分或几部分间的 耦合度 。 优点： (1)结构简单。工作中没有活动电接触点，因而比电位器工作可靠，寿命长； (2)灵敏度高，分辨力高。能测出 0.1 mm 甚至更小的机械位移变化，能感受小至 0.1 角秒的微小角度变化； (3)输出功率大、输出阻抗小、抗干扰能力强、对工作环境要求不高。 缺点： (
37、1)频率响应差，不宜于快速动态测量； (2)存在交流零位信号。 区别 ： 磁电感应式传感器 是利用导体和磁场发生相对运动产生电动势的，它不需要辅助电源就能把被测对象的机械量转换成易于测量的电信号，是 有源传感器 。 电感式传感器 是利用电磁感应原理将被测非电量如位移、压力、流量、重量、振动 等转换成线圈自感量 L 或互感量 M 的变化，再由测量电路转换为电压或电流的变化量输出的装置。 分类： - 3.1 自感式传感器 自感式传感器实质上是一个带气隙的铁心和线圈，其分类如下： (螺管式电感传感器建立在磁路 磁阻 随着衔铁插入深度 不同而变化的基础上 ) 1、 变气隙型自感式传感器 工作原理：当衔
38、铁上下 移动时，磁路中气隙的磁阻发生变化，从而引起线圈自感的变化，这种变化与气隙大小相对应。 根据电感的定义，线圈的电感量可由下式确定2MNLR ,N 为 线圈匝数 RM为 磁路总磁阻。假设：铁心磁路中的磁滞及涡流损耗不计；不考虑集肤效应及边缘效应，认为铁心和气隙中的磁场是均匀分布的，同时忽略绕组的漏磁 。220M 2NSNLR 。 当衔铁上移 时，传感器气隙减小 ， 则此时电感为2000002( ) 1N S LL L L ， 当 0/1时，可将上式展开成 泰勒级数 : 23000 0 01 .L L L L ， 200 0 01 ( ) ( ) .LL ，可 得20 0 0 01 .LL
39、。 向下移动 时 , 200 0 01 ( ) ( ) .LL 20 0 0 01 ( ) ( ) .LL 和 L 的关系是 非线性 的，实际中取线性项：00LL 。 减小非线性的方法如下 ： 减小 ， 但测量范围也减小 ； 增加 0 ，但灵敏度降低。 000/ 1LLS 。 所以变气隙式电感传感器一般用于测量微小位移，常取 0/ 0.1 0.2。 为了减小非线性误差，实际测量中广泛采用 差动 变气隙式电感传感器。 241 2 00 0 021L L L L ，灵敏度 000/ 2LLS 。 与单线圈变气隙式电感传感器相比： 差动式为简单式电感传感器灵敏度的 2 倍； 线性度得到明显改善 (因
40、忽略的是更高阶项 )克服温度等外界共模信号干扰。 2、 变面积型自感传感器 220M 2NNLSR 可 见，变面积型传感器在忽略气隙磁通边缘效应的条件下，输出特性呈 线性 关系 ， 有较大的线性范围， 但 灵敏度较低。 与变气隙型相比较，其灵敏度较低。欲提高灵敏度，需减小 d 和增加 N，但同样受到工艺和结构的限制，气隙长度 d 的选取与变气隙型相同。 3、 螺管型自感传感器由线圈、衔铁和磁性套筒组成。随着衔铁插入线圈深度的不同将引起线圈漏磁路径中磁阻变化，从而使线圈的电感发生变化。 当 铁芯右移 后，使 右边电感值增加 ， 左边电感值 减小 。 两只线圈的灵敏度大小相等，符号相反，具有差动特
41、征。 螺管式自感传感器与前两种相比有以下特点 ： (1)由于空气隙大，磁路磁阻大，故灵敏度较前两种低。 (2)从磁通分布看，只要满足主磁通不变、线圈绕组排列均匀等条件，可望得到较大的线性范围。 4、 测量电路 作用：为了测出自感或者互感量的变化，同时也为了送入下级电路进行处理，就要用转换电路把自感量或者互感量的变化转换成电压或者电流的变化。分类： 调幅、调频、调相 电路。 (1)调幅电路 变压器电桥 Z1、 Z2 为差动式电感传感器两线圈的阻抗，另两臂为电源变压器次级线圈。输出空载电压为 12o12= 2 ZZUU ZZ 。 Us R0R0U0L1L21 21 23 .初始时电桥处于平衡状态，
42、 Z1 Z2 Z0，输出为零。当铁心偏离平衡位置时， Z1 Z0 Z ， Z2 Z0 Z ，则 o02UZUZ ， 当传感器铁心的移动方向改变时，输出电压 随之 反相 ，输出 电压 为 o02UZUZ 。 当 Q wL/R 很大且 R 可以忽略时 (Q 远大于 1)，上式可写成 空载输出电压 o 2ULU L (只能确定衔铁位移的大小，不能判断位移的方向。为了判断位移的方向，要在后续电路中配置 相敏检波器 )优点： 变压器电桥使用元件少，输出阻抗小 (变压器次级线圈的阻抗可忽略，输出阻抗为传感器两线圈阻抗的并联 )，因而获得了广泛应用。 相敏检波电路 作用：辨别衔铁位移方向。 U0 的大小反映
43、位移的大小， U0 的极性反映位移的方向。 (2)调幅电路 谐振式 传感器电感 L 与一个固定电容 C 和一个变压器 T 串联在一起，接入外接电源 U 后，变压器的二次线圈将有电压 Uo 输出，输出电压的频率将与电源频率相同，幅度随 L 变化。 L0 为谐振点的电感值。 这种电路灵敏度很高，但线性较差 。 (3)调频电路 一般是把传感器电感 L 和固定电容 C 接入振荡回路中。当 L 变化时，振荡频率随之变化，根据 f 的大小即可测出被测量之值。图中 G 表示振荡回路，其振荡频率为 1/ (2 )f LC 。 当 L 有了微小改变 L 后，频率变化 2fLf L ， 由于 f 和 L 之间存在
44、 严重非线性关系 ，要求后续电路作适当处理。调频电路只有在 f 较大的情况下才能达到较高精度。 (4)调相电路 右图是一个相位电桥，一臂为传感器 L，另一臂为固定电阻 R。设计时，使电感线圈具有高的品质因数，忽略其损耗电阻，线圈可看作一个纯电感。则电感线圈上的压降向量与固定电阻上的压降向量互相垂直，如右图所示。显然 OC 幅值是不变的，而其相位 为 2 2arctan LR 。 当 L 很小时，可得 22( / )1 ( / )L R LL R L 传感器的灵敏度 。自感传感器的灵敏度： （传感器测头 +转换电路）总灵敏度 。 传感器结构（测头）灵敏度：( / ) /tk L L x ,转换电
45、路灵敏度 : 0 / ( / )ck u L L 。 总灵敏度 : 0 /z t ck k k u x 。 单位 ： mV/（ m V） 5、 自感式传感器的零位残余电压 当电感式传感器的衔铁位于 初始平衡位置 时，测量电桥的输出理论上应为零，但实际上总存在 零位不平衡电压输出 ，从而造成零位误差。这个零位时输出的最小电压称作 零位残余电压 ，用 e0 表示。 危害： 灵敏度下降、非线性误差增大 。 测量有用的信号被淹 没，不再反映被测量变化，造成放大电路后级饱和，仪器不能正常工作。 GLL0fC图中 Ui 为差动变压器初级的激励电压， UZ 为零点残余电压 。 基波分量 产生原因 :由于两个电感线圈不可能完全一致，因此它的等效电路参数（互感 M、自感 L 及损耗电阻 R）不可能相同，从而使两个线圈的感应电动势数值不等。 自感线圈不是一个纯电感，除了电感量 L 之外，还存在线圈的铜耗、铁心的涡流及磁滞损耗。 Rc 为 铜损电阻； Re 为 铁心涡流损耗； Rh 为 铁心的磁滞损耗； C 为 分布等效电容 。 高次谐波 产生原因： 高次谐波分量主要由导磁材料磁化曲线的非线性引起。由于 磁滞损耗和铁磁饱和 的影响，使得激励电流与磁通波形不一致产生了非正弦 (主 要是三次谐波 )磁通，从而在次级绕组感 应出非正弦电势。另
