1、教材,傳感器原理及應(yīng)用 黃賢武 鄭筱霞 編箸 電子科技大學(xué)出版社,參考書,傳感器原理、設(shè)計(jì)與應(yīng)用（第三版） 劉迎春葉湘濱編箸 國防科技大學(xué)出版社 傳感器原理與應(yīng)用技術(shù) 劉愛華，滿寶元編著 人民郵電出版社,2006年,第一章基本概念,1-1 傳感器的定義與組成 1-2 傳感器的特性 1-3 傳感器的誤差及信噪比,第一章基本概念,1-1 傳感器的定義與組成 1-2 傳感器的特性 1-3 傳感器的誤差及信噪比,1-1傳感器的定義與組成,傳感器的定義 傳感器的分類 被測(cè)量與能量變換,一、傳感器的定義 1、定義,所謂傳感器是來自“感覺”一詞 傳感器技術(shù)屬現(xiàn)代高新技術(shù)（電五官） 根據(jù)GB7665-87，【

2、傳感器】（TransducerSensor）的定義為： 能感受規(guī)定的被測(cè)量并按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用信號(hào)輸出的器件或裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。 我國往往把“傳感器”和“敏感元件”等同使用,傳感器的定義2、傳感器的組成,敏感元件（Sensing element） 直接感受或響應(yīng)被測(cè)量的部分。有時(shí)也將敏感元件稱為傳感器。 轉(zhuǎn)換元件（Transduction element） 能將敏感元件感受或響應(yīng)的被測(cè)量轉(zhuǎn)換成適于傳輸或測(cè)量的電信號(hào)部分。,傳感器的定義3、傳感器的特征參數(shù),被測(cè)量 傳感器輸入量，是傳感器命名和分類的重要依據(jù)。 輸出量 含有原始信號(hào)，且為便于接收與處理的信號(hào)形式。,傳感器的定義

3、4、傳感器的應(yīng)用,從被檢測(cè)對(duì)象中獲取原始信號(hào) （1）用于自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng),傳感器的定義4、傳感器的應(yīng)用續(xù),（2）用于測(cè)控系統(tǒng),自動(dòng)檢測(cè)與自動(dòng)控制系統(tǒng),在電力、冶金、石化、化工等流程工業(yè)中，生產(chǎn)線上設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)關(guān)系到整個(gè)生產(chǎn)線流程。通常建立24小時(shí)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。,石化企業(yè)輸油管道、儲(chǔ)油罐等壓力容器的破損和泄露檢測(cè),在汽車、機(jī)床、電機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)等產(chǎn)品出廠時(shí)，必須對(duì)其性能質(zhì)量檢測(cè),圖示為汽車出廠檢驗(yàn)原理框圖，測(cè)量參數(shù)包括潤滑油溫度、冷卻水溫度、燃油壓力及發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速等。通過對(duì)抽樣汽車的測(cè)試，工程師可以了解產(chǎn)品質(zhì)量。,汽車扭距測(cè)量 機(jī)床加工精度測(cè)量,汽車與傳感器高級(jí)轎車需要用傳感器對(duì)溫度、壓力、位置、距離、轉(zhuǎn)

4、速、加速度、濕度、電磁、光電、振動(dòng)等進(jìn)行實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的測(cè)量，一般需要301 00種傳感器。,傳感器與家用電器自動(dòng)電飯鍋、吸塵器、空調(diào)器、電子熱水器、風(fēng)干器、電熨斗、電風(fēng)扇、洗衣機(jī)、洗碗機(jī)、照相機(jī)、電冰箱、電視機(jī)、錄像機(jī)、家庭影院等。,傳感器在機(jī)器人上的應(yīng)用,機(jī)械手、機(jī)器人中的傳感器： 轉(zhuǎn)動(dòng)/移動(dòng)位置傳感器、力傳感器、視覺傳感器、聽覺傳感器、接近距離傳感器、觸覺傳感器、熱覺傳感器、嗅覺傳感器。,密歇根大學(xué)的機(jī)械手裝配模型,機(jī)器人服務(wù)員,AGV自動(dòng)送貨車,香港理工AGV模型,傳感器在生物醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用,對(duì)人體的健康狀況進(jìn)行 診斷需要進(jìn)行多種生理 參數(shù)的測(cè)量。 國內(nèi)已經(jīng)成功地開 發(fā)出了用于測(cè)量近紅外 組織

5、血氧參數(shù)的檢測(cè)儀 器。人類基因組計(jì)劃的研究也大大促進(jìn)了對(duì)酶、免疫、微生物、細(xì)胞、DNA、RNA、蛋白質(zhì)、嗅覺、味覺和體液組份以及血?dú)?、血壓、血流量、脈搏等傳感器的研究。,醫(yī)學(xué),傳感器與航空及航天,飛行器：控制在預(yù)定軌道上 陀螺儀、陽光傳感器、星光傳感器、地磁傳感器,航天,傳感器與環(huán)境保護(hù),保護(hù)環(huán)境和生態(tài)平衡，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，必須進(jìn)行大氣監(jiān)測(cè)和江河湖海水質(zhì)檢測(cè)，需要大量用于污水流量、PH值、電導(dǎo)、濁度、COD、BOD、TP、TN、礦物油、氰化物、氨氮、總氮、總磷、金屬離子濃度特別是重金屬離子濃度以及風(fēng)向、風(fēng)速、溫度、濕度、工業(yè)粉塵、煙塵、煙氣、SO2、NO、O3、CO等參數(shù)測(cè)量的傳感器，這些傳感

6、器中大多數(shù)亟待開發(fā)。,煙塵濁度測(cè)量,傳感器與遙感技術(shù),紅外接收傳感器,二、傳感器的分類 1、按傳感器輸入量（用途）分類,生產(chǎn)廠家往往按輸入量分類，以向戶提供基本的使用信息。 如：位移傳感器、速度傳感器、加速度傳感器、力傳感器、壓力傳感器、流速傳感器、溫度傳感器、光強(qiáng)傳感器、濕度傳感器、粘度傳感器、濃度傳感器、。,傳感器的分類 2、按傳感器工作機(jī)理分類,此種分類方法能表示輸入變量和輸出變之間的關(guān)系。,傳感器的分類 2、按傳感器工作機(jī)理分類續(xù)1,（1）物性型傳感器 是利用某些功能材料本身所具有的內(nèi)在特性及效應(yīng)把被測(cè)量直接轉(zhuǎn)換為電量的傳感器。如：各種壓電晶體傳感器。 （2）結(jié)構(gòu)型傳感器 是以結(jié)構(gòu)（如

7、形狀、尺寸）為基礎(chǔ)，利用某些物理規(guī)律實(shí)現(xiàn)把被測(cè)量轉(zhuǎn)換為電量。如：氣隙型電感式傳感器。,傳感器的分類 2、按傳感器工作機(jī)理分類續(xù)2,（3）化學(xué)傳感器 是利用化學(xué)反應(yīng)的原理，把無機(jī)和有機(jī)化學(xué)物質(zhì)的成分、濃度等轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的傳感器。如：離子選擇性電極。 （4）生物傳感器 是一種利用生物活性物質(zhì)選擇性的識(shí)別和測(cè)定生物化學(xué)物質(zhì)的傳感器。近年來發(fā)展很快。,傳感器的分類 3、按信息能量變換方式分類,在傳感器內(nèi)部，信息的傳遞與變換伴隨著能量的流動(dòng)。 （1）能量變換型：傳感器從被測(cè)對(duì)象中獲取能量，用于直接輸出。如：熱電偶、光電池、壓電式、電磁感應(yīng)式、固體電解質(zhì)氣敏傳感器等。 （2）能量控制型：傳感器從被測(cè)對(duì)象中

8、獲取能量，用于控制激勵(lì)源，故又稱有源型傳感器。如：電阻式、電感式、電容式、霍爾式、。,三、被測(cè)量與能量變換,1、示容變量和示強(qiáng)變量 (1)示容變量或稱為流通變量、擴(kuò)展量(Extensive) 示容變量是與空間分布成比例的量，表示能容納多少的量。 如：長度、面積、體積、質(zhì)量、位移、速度、電荷、磁力線、電流、熱流、熵、。,被測(cè)量與能量變換 1、示容變量和示強(qiáng)變量,(2)示強(qiáng)變量或跨越變量,密集量(Intensive) 示強(qiáng)變量是指在某種場(chǎng)合下，表示作用程度的量。 如：力、壓力、溫度、溫差、電壓、磁通、光通、氣體濃度、濕度。,被測(cè)量與能量變換 1、示容變量和示強(qiáng)變量,示容量與示強(qiáng)量組合之積是與某種能

9、量相對(duì)應(yīng)的。 如：力與位移之積是功、力與速度之積是功率、壓力與體積之積是氣體力學(xué)能量、溫度與熵之積是熱能、溫差與熱流之積是熱功率、電壓與電荷之積是電能、電壓與電流之積是電功率。,被測(cè)量與能量變換 2、傳感器能量變換,傳感器的工作過程可以視為是將示容量與示強(qiáng)量由一種組合變成另一種組合。,被測(cè)量與能量變換 3、能量變換與誤差,（1）傳感器從被測(cè)物體拾取能量時(shí)對(duì)被測(cè)物體的狀態(tài)產(chǎn)生了影響，從而導(dǎo)致了誤差。如：熱電偶測(cè)溫時(shí)，輸入的熱流是被測(cè)物體傳遞的，若熱電偶的熱容量過大，將使被測(cè)物體的溫度下降，從而產(chǎn)生誤差。 （2）傳感器輸出端的負(fù)載消耗傳感器的能量時(shí)，亦對(duì)被測(cè)物體造成誤差。 傳感器對(duì)被測(cè)物體的影響越

10、小，負(fù)載對(duì)傳感器輸出的影響越小，測(cè)量精度就越高。,被測(cè)量與能量變換 4、傳感器信號(hào)變換,根據(jù)傳感器輸出信號(hào)是模擬量或是數(shù)字量，可將信號(hào)變換分為兩大類。 【模擬變換】輸入為模擬量，輸出為模擬量。 【數(shù)字變換】輸入為模擬量，輸出為數(shù)字量。,被測(cè)量與能量變換 5、傳感器的輸入與輸出特性,（1）傳感器的輸入特性（負(fù)荷效應(yīng)） 傳感器的輸入特性是用來衡量傳感器對(duì)被測(cè)對(duì)象的影響程度。其主要參數(shù)是廣義輸入阻抗Zi，定義為 由于示強(qiáng)變量X與示容變量x的乘積為能量W（或功率），則有 能量或功率：,被測(cè)量與能量變換 5、傳感器的輸入與輸出特性,可知： 當(dāng)被測(cè)量為示強(qiáng)變量時(shí)（如：被測(cè)量為力、壓力、溫度等），傳感器廣義

11、輸入阻抗越大，從被測(cè)對(duì)象吸收的能量就越小，誤差也就越小。 當(dāng)被測(cè)量為示容變量時(shí)（如：位移、速度、加速度等），傳感器廣義輸入阻抗則越小越好。 當(dāng)被測(cè)示容變量為0時(shí)（如：用力傳感器測(cè)量靜態(tài)力時(shí)），此時(shí)被測(cè)點(diǎn)處于力平衡狀態(tài)，速度為0，此時(shí)輸入特性應(yīng)用靜態(tài)剛度來表示 靜態(tài)剛度：，此時(shí)被測(cè)力的功：,被測(cè)量與能量變換 5、傳感器的輸入與輸出特性,（2）傳感器的輸出特性（阻抗匹配） 傳感器的輸出特性是用來衡量傳感器承受負(fù)載能力大小的重要參數(shù)。主要參數(shù)是廣義輸出阻抗Zo，定義為 從提高負(fù)載能力出發(fā)，Zo 越小越好，承載能力強(qiáng)；從獲得最大功率出發(fā)，Zo 等于負(fù)載阻抗?？偟囊笫牵合Ｍ麖谋粶y(cè)對(duì)象處獲取較小的能量，

12、而輸出大的有用信號(hào)。,四、傳感器的發(fā)展趨勢(shì),發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象 開發(fā)新材料 采用微細(xì)加工技術(shù) 集成化 智能化 仿生傳感器,第一章基本概念,1-1 傳感器的定義與組成 1-2 傳感器的特性 1-3 傳感器的誤差及信噪比,1-2 傳感器的特性,傳感器的靜態(tài)特性 傳感器的動(dòng)態(tài)特性 傳感器的特性就是對(duì)輸入輸出關(guān)系的描述，理想的特性是在任何情況下輸入與輸出都是一一對(duì)應(yīng)的。 分靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性。,1-2 傳感器的特性一、傳感器的靜態(tài)特性,【靜態(tài)特性】：輸入不隨時(shí)間變化時(shí)（在穩(wěn)態(tài)信號(hào)作用下），傳感器輸出與輸入之間的關(guān)系。 、變換函數(shù)（靜態(tài)特性的一般數(shù)學(xué)模型） 變換函數(shù)反映傳感器輸入與輸出間的關(guān)系式， y=f(x)

13、 其中x為輸入量，y為輸出量。幾種典型的變換函數(shù)如下表,一、傳感器的靜態(tài)特性、變換函數(shù),通常，要求傳感器在靜態(tài)情況下的輸入與輸出保持線性關(guān)系，實(shí)際上，如上表所示，很難滿足理想的線性關(guān)系，一般用多項(xiàng)式表示 只有當(dāng)二階以上的項(xiàng)為0時(shí)，才滿足理想的線性關(guān)系。,一、傳感器的靜態(tài)特性 2、靈敏度（靜態(tài)靈敏度）,當(dāng)輸入變化為x時(shí)，有： 其中k(x)稱為靈敏度，是傳感器在工作點(diǎn)上的微商（dydx），是靜態(tài)特性的最主要指標(biāo)。當(dāng)k(x)為定值時(shí)，即y與x成比例，由測(cè)量值y便可直接求得x。靈敏度具有可比性。,一、傳感器的靜態(tài)特性 3、精度,傳感器的精度是指測(cè)量結(jié)果的可靠程度，它以給定的準(zhǔn)確度表示重復(fù)某個(gè)讀數(shù)的能力

14、，其誤差愈小，則精度愈高。 定義為：傳感器的精度表示傳感器在規(guī)定條件下允許的最大絕對(duì)誤差相對(duì)于傳感器滿量程輸出的百分比， 其中，A為測(cè)量范圍內(nèi)允許的最大絕對(duì)誤差。 在應(yīng)用中，為了簡化傳感器的精度的表示方法，引用了精度等級(jí)的概念，分為：0.05、0.1、0.2、0.3、0.5、1.0、1.5、2.0。精度等級(jí)越小精度越高,一、傳感器的靜態(tài)特性 4、線性度（非線性誤差）,在規(guī)定條件下，傳感器校準(zhǔn)曲線與擬合直線間最大偏差與滿量程（F.S）輸出值的百分比稱為線性度。 線性度： 擬合方法有基端線性擬合、最佳直線擬合和最小二乘法擬合。,一、傳感器的靜態(tài)特性 5、最小檢測(cè)量和分辨率,是指傳感器能確切反映被測(cè)

15、量的最低極限量 x，小于這個(gè)量的區(qū)域稱為死區(qū)。對(duì)于數(shù)字傳感器，常用分辨率來表示。 最小檢測(cè)量(或感度)的影響因素二： (1) 輸入的變動(dòng)量x在傳感器內(nèi)部被吸收 如：帶有螺紋或齒條傳遞的傳感器，由于螺紋和螺母間、齒輪和齒條間存在間隙，當(dāng)輸入變量x小于這一間隙時(shí)，便被傳感器內(nèi)部吸收。,一、傳感器的靜態(tài)特性 5、最小檢測(cè)量和分辨率續(xù)1,(2) 傳感器輸入、輸出端均存在噪聲干擾，x過小時(shí)，被外界噪聲所淹沒。 最小檢測(cè)量： 其中，C為系數(shù)，一般取15，N為噪聲電平，K為靈敏度。對(duì)于數(shù)字式傳感器，則用輸出數(shù)字指示值最后一位數(shù)字所代表的輸入量來表示，稱為分辨率。,一、傳感器的靜態(tài)特性 6、滯后性,在輸入量增

16、加過程中測(cè)得的某一點(diǎn)輸出值，與在輸入減少過程測(cè)得的同一點(diǎn)值不一樣，這種現(xiàn)象稱為滯后。圖中曲線稱為滯環(huán)特性曲線。,一、傳感器的靜態(tài)特性 6、滯后性續(xù)1,對(duì)滯后性的衡量，一般用滯環(huán)的最大偏差或最大偏差的一半與滿量程輸出值的百分比來表示，稱為滯環(huán)誤差 或 如果傳感器存在滯后性，則輸入與輸出就不能保持一一的對(duì)應(yīng)關(guān)系，因此應(yīng)盡量使之變小。產(chǎn)生滯后性的原因主要是材料的物理性質(zhì)所造成的。,一、傳感器的靜態(tài)特性 7、重復(fù)性,重復(fù)性是指在同一工作條件下，輸入量按同一方向在全量程范圍內(nèi)連續(xù)變動(dòng)多次所得特性曲線的不一致性。,一、傳感器的靜態(tài)特性 7、重復(fù)性續(xù)1,不一致性一般用各測(cè)量值正、反行程標(biāo)準(zhǔn)偏差最大值的兩位或

17、三倍值與滿量程輸出值的百分比來表示（或稱為回差） 或 其中，為標(biāo)準(zhǔn)偏差。,一、傳感器的靜態(tài)特性 8、零點(diǎn)漂移,傳感器無輸入（或某一輸入值不變）時(shí)，每隔一段時(shí)間進(jìn)行讀數(shù)，其輸出偏離零值（或原指示值），即為零點(diǎn)飄移，用百分比表示： 其中，y0為最大零點(diǎn)偏差（或相應(yīng)偏差）。,一、傳感器的靜態(tài)特性 9、溫度漂移,溫漂表示溫度變化時(shí)，傳感器輸出值的偏離程度。一般以溫度變化1時(shí)，輸出最大偏差與滿量程的百分比表示： 其中，max為輸出最大偏差，T為溫度變化范圍。,1-2 傳感器的特性二、傳感器的動(dòng)態(tài)特性,【傳感器動(dòng)態(tài)特性】傳感器的響應(yīng)特性。 【傳感器響應(yīng)】當(dāng)輸入信號(hào)隨時(shí)間變化時(shí)，輸出信號(hào)隨之變化的情況。,二

18、、傳感器的動(dòng)態(tài)特性 1、動(dòng)態(tài)特性的一般數(shù)學(xué)模型,由于傳感器在工作中，質(zhì)量加速或減速需要時(shí)間，能量存取需要時(shí)間，信號(hào)在傳輸過程中克服阻力需要時(shí)間，所以輸出信號(hào)總是要遲后輸入信號(hào)，不可能同步變化。 動(dòng)態(tài)特性的一般數(shù)學(xué)模型為一常系數(shù)微分方程: 式中，y(t)為輸出信號(hào)，x(t)為輸入信號(hào)，a0,a1,an及b0,b1,bm均為常數(shù)。,二、傳感器的動(dòng)態(tài)特性 1、動(dòng)態(tài)特性的一般數(shù)學(xué)模型續(xù)1,對(duì)上式兩邊進(jìn)行拉氏變換，得 則得系統(tǒng)的傳遞函數(shù)如下 在一般情況下，上面的傳遞函數(shù)可以分解為分母 為一次多項(xiàng)式和二次多項(xiàng)式的分式形式，用一次多項(xiàng)式作分母的系統(tǒng)稱為傳遞函數(shù)的一階系統(tǒng)（即慣性環(huán)節(jié)），用二次多項(xiàng)式作分母的系

19、統(tǒng)稱為傳遞函數(shù)的二階系統(tǒng)（即振蕩環(huán)節(jié)）。所以一階和二階系統(tǒng)的響應(yīng)是最基本的響應(yīng)。,傳感器的動(dòng)態(tài)特性 2、零階傳感器的數(shù)學(xué)模型,零階傳感器的微分方程只有a0、b0兩個(gè)系數(shù)，方程為: 或 其中k為靜態(tài)靈敏度，所以零階系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性即就是系統(tǒng)的靜態(tài)特性。,傳感器的動(dòng)態(tài)特性 2、零階傳感器的數(shù)學(xué)模型-續(xù)1,典型的零階系統(tǒng)如線性電位器 輸出電壓與電刷位移之間的關(guān)系：,傳感器的動(dòng)態(tài)特性3、一階傳感器的數(shù)學(xué)模型(慣性環(huán)節(jié)),一階系統(tǒng)的方程式為 或 其中(a1/a0)，稱為時(shí)間常數(shù)，(b0/a0)為靜態(tài)靈敏度。 一階系統(tǒng)函數(shù)（傳遞函數(shù)）,傳感器的動(dòng)態(tài)特性3、一階傳感器的數(shù)學(xué)模型-續(xù)1,典型的一階傳感器如熱電偶

20、,傳感器的動(dòng)態(tài)特性3、一階傳感器的數(shù)學(xué)模型-續(xù)2,微分方程如下: 其中:Rmc，為熱電偶的時(shí)間常數(shù)， R 為介質(zhì)與熱電偶之間的熱阻， m 熱電偶質(zhì)量， c 為熱電偶的比熱， mc 為熱電偶的熱容量。,傳感器的動(dòng)態(tài)特性4、二階傳感器的數(shù)學(xué)模型(振蕩環(huán)節(jié)),二階系統(tǒng)的微分方程為 二階系統(tǒng)函數(shù)（拉氏傳遞函數(shù)）,傳感器的動(dòng)態(tài)特性4、二階傳感器的數(shù)學(xué)模型-續(xù)1,式中 ，為靜態(tài)剛度； ，無阻尼固有頻率； ，阻尼比。 上述三個(gè)量稱為二階傳感器的特征量。典型的二階傳感器有光線示波器的振動(dòng)子、鎧裝熱電偶（即帶保護(hù)套管的熱電偶）。,傳感器的動(dòng)態(tài)特性5、傳感器的動(dòng)態(tài)特性,【時(shí)域方面】采用瞬態(tài)響應(yīng)法（階躍響應(yīng)） 【頻

21、域方面】采用頻率響應(yīng)法（正弦響應(yīng)）,（1）單位階躍響應(yīng)函數(shù)為,傳感器的動(dòng)態(tài)特性5、傳感器的動(dòng)態(tài)特性階躍響應(yīng)1,（2）一階傳感器的階躍響應(yīng) 其中， ，為時(shí)間常數(shù)。,傳感器的動(dòng)態(tài)特性5、傳感器的動(dòng)態(tài)特性階躍響應(yīng)2,（3）二階傳感器的階躍響應(yīng) 二階系統(tǒng)分欠阻尼系統(tǒng)（1）、過阻尼系統(tǒng)（1）和臨界阻尼系統(tǒng)（1），一般傳感器為欠阻尼系統(tǒng)，值一般在0.7左右，其響應(yīng)為 式中 ， ，為有阻尼時(shí)的固有頻率。,傳感器的動(dòng)態(tài)特性5、傳感器的動(dòng)態(tài)特性階躍響應(yīng)3,二階系統(tǒng)的階躍響應(yīng) 超調(diào)量 衰減度,傳感器的動(dòng)態(tài)特性5、傳感器的動(dòng)態(tài)特性頻率響應(yīng)1,頻率響應(yīng)：指在一系列不同頻率的正弦信號(hào)的作用下，傳感器的輸出特性，分幅頻特

22、性和相頻特性。 式中 A()=|H(j)|, ()=arctgHI()/HR()。,傳感器的動(dòng)態(tài)特性5、傳感器的動(dòng)態(tài)特性頻率響應(yīng)2,（1）對(duì)正弦輸入的響應(yīng)（時(shí)域） 若輸入信號(hào)為正弦波： 則響應(yīng)由暫態(tài)響應(yīng)部分和穩(wěn)態(tài)響應(yīng)部分組成，暫態(tài)響應(yīng)逐漸衰減直至消失，穩(wěn)態(tài)響應(yīng)是一與輸入信號(hào)同頻率但不同幅值，并存在相位差的正弦信號(hào)。 一階系統(tǒng)對(duì)正弦信號(hào)的響應(yīng)為 其中，,傳感器的動(dòng)態(tài)特性5、傳感器的動(dòng)態(tài)特性頻率響應(yīng)3,二階系統(tǒng)對(duì)正弦信號(hào)的響應(yīng)為 式中0傳感器無阻尼固有頻率； d傳感器有阻尼時(shí)的固有頻率； 傳感器阻尼比， k1、k2，常數(shù)，由初始條件決定。,傳感器的動(dòng)態(tài)特性5、傳感器的動(dòng)態(tài)特性頻率響應(yīng)4,(2)傳感

23、器的頻率響應(yīng)（頻域） 傳感器的頻率響應(yīng)函數(shù)（即傳遞函數(shù)）前面已進(jìn)行了討論 一階系統(tǒng)的頻率響應(yīng)函數(shù) 幅頻特性 相頻特性,傳感器的動(dòng)態(tài)特性5、傳感器的動(dòng)態(tài)特性頻率響應(yīng)5,一階系統(tǒng)的頻率響應(yīng)曲線,傳感器的動(dòng)態(tài)特性5、傳感器的動(dòng)態(tài)特性頻率響應(yīng)6,二階系統(tǒng)的頻率響應(yīng)函數(shù) 幅頻特性 相頻特性,傳感器的動(dòng)態(tài)特性5、傳感器的動(dòng)態(tài)特性頻率響應(yīng)7,二階系統(tǒng)的頻率響應(yīng)曲線,第一章基本概念,1-1 傳感器的定義與組成 1-2 傳感器的特性 1-3 傳感器的誤差及信噪比,1-3 傳感器的誤差及信噪比,設(shè)S為傳感器的靈敏度，S為環(huán)境因素引起的靈敏度變化，N為外界干擾的等效噪聲，則可以用如下框圖來表示傳感器在實(shí)際工作的情況

24、， 高階傳感器有三種基本結(jié)構(gòu)形式：直接變換型，差動(dòng)型和平衡型?，F(xiàn)按這三種形式來討論其誤差。,傳感器的誤差及信噪比 一、直接變換型,直接變換型是典型的開環(huán)系統(tǒng)。 系統(tǒng)的變換函數(shù)為 其中，Si0 表示沒有干擾時(shí)的靈敏度,傳感器的誤差及信噪比 一、直接變換型,、靈敏度變化的影響 假設(shè)在環(huán)境作用下，S1發(fā)生了變化，為S1=S10S1，此時(shí)的輸出為 則有 當(dāng)多個(gè)變換環(huán)節(jié)的靈敏度發(fā)生變化時(shí)，若忽略二階小以上的項(xiàng)，則傳感器的相對(duì)靈敏度為,傳感器的誤差及信噪比 一、直接變換型,直接變換型的傳感器相對(duì)靈敏度為 由此可得出如下兩點(diǎn)結(jié)論 靈敏度變化所引起的相對(duì)誤差等于各個(gè)環(huán)節(jié)靈敏度相對(duì)變化值的代數(shù)和； 可以利用各環(huán)

25、節(jié)靈敏度變化的符號(hào)不同而相互補(bǔ)償（即正負(fù)相消）。,傳感器的誤差及信噪比 一、直接變換型,、外界噪聲的影響 假設(shè)第二個(gè)環(huán)節(jié)受外界噪聲影響，則引起的誤差為 則有 同理，在忽略二階以上無窮小時(shí)，可得全部環(huán)節(jié)噪聲所引起的相對(duì)誤差,傳感器的誤差及信噪比 一、直接變換型,或 由以上二式，可得出如下結(jié)論 由噪聲引起的誤差等于各環(huán)節(jié)噪信比（噪聲功率與有用信號(hào)功率之比）的總和； 在傳感器總靈敏度一定的情況下，提高前面各環(huán)節(jié)的靈敏度有利于減少后面環(huán)節(jié)中噪聲的影響（因分母變大）； 傳感器第一個(gè)環(huán)節(jié)輸入端噪聲的影響，只取決入口處的噪信比，與整個(gè)系統(tǒng)的靈敏度無關(guān)，故第一個(gè)環(huán)節(jié)是十分重要的。,傳感器的誤差及信噪比 二、差

26、動(dòng)型,差動(dòng)型結(jié)構(gòu)是由兩個(gè)相同的通道和一個(gè)減法器組成。 傳感器的變換函數(shù)為：,傳感器的誤差及信噪比 二、差動(dòng)型,假定兩個(gè)通道完全對(duì)稱，即S1o=S2o，則可導(dǎo)出如下三個(gè)特點(diǎn)： 差動(dòng)型結(jié)構(gòu)的靈敏度是單個(gè)系統(tǒng)的兩倍，即 差動(dòng)型結(jié)構(gòu)有很好的補(bǔ)償作用 外噪聲的作用對(duì)兩個(gè)通道是相同的，有N1N2,傳感器的誤差及信噪比 二、差動(dòng)型,對(duì)非線性具有一定的補(bǔ)償作用，假定靈敏度是輸入x0的函數(shù)，即 將上式代入前述噪聲誤差公式，經(jīng)整理后，有 從公式中可看出，偶次非線項(xiàng)消除了，傳感器線性得到了改善。,傳感器的誤差及信噪比 三、平衡型,平衡型是一個(gè)小型反饋系統(tǒng) 傳感器變換函數(shù)(靜態(tài)特性)為,傳感器的誤差及信噪比 三、平衡

27、型,平衡型結(jié)構(gòu)有如下四個(gè)特點(diǎn)： 由于環(huán)路的總靈敏度一般很大，即S1S2S3S4，則有 系統(tǒng)的閉環(huán)靈敏度及線性度與S4有關(guān)。 對(duì)變換函數(shù)取一階偏微分，經(jīng)整理后， 怱略 項(xiàng)， 近似有,傳感器的誤差及信噪比 三、平衡型,由上式 ,可看出： 正向通道靈敏度對(duì)傳感器影響很??； 反饋點(diǎn)應(yīng)盡可能接近被測(cè)變量，以降低對(duì)前置變換的要求； 逆變換的特性及特性穩(wěn)定性對(duì)傳感器影響很大。,傳感器的誤差及信噪比 三、平衡型,由噪聲(N1、N4)引起的相對(duì)誤差為 所以 平衡式傳感器是運(yùn)用兩種互逆?zhèn)鞲性膹?fù)合傳感器,第二章 電阻式傳感器及檢測(cè)電路,2-1 線繞電位器式傳感器 2-2 金屬電阻應(yīng)變傳感器 2-3 壓阻式傳感器

28、,第二章 電阻式傳感器及檢測(cè)電路,電阻式傳感器是將非電量如力、位移、形變、速度和加速度等的變化，通過電阻元件變換成電阻值的變化，然后再變成電信號(hào)。,2-1 線繞電位器式傳感器一、線繞電位器結(jié)構(gòu)和工作原理,是典型的零階傳感器。 結(jié)構(gòu)：由線繞電阻（將電阻絲繞在絕緣的骨架上）和移動(dòng)電刷組成。,2-1 線繞電位器式傳感器一、線繞電位器結(jié)構(gòu)和工作原理,原理：通過電刷的移動(dòng)，改變電阻值的大小，從而得到不同的輸出出電壓Uo，輸出電壓與電刷位移之間的關(guān)系為 式中SV為電壓靈 敏度，即單位位 移所輸出的電壓。,線繞電位器式傳感器一、線繞電位器結(jié)構(gòu)和工作原理,當(dāng)電位器接上負(fù)載后，輸出為 式中 R電位器總電阻； R

29、x電刷所在位置的電阻； RL負(fù)載電阻。,線繞電位器式傳感器一、線繞電位器結(jié)構(gòu)和工作原理,電位器負(fù)載特性曲線,線繞電位器式傳感器一、線繞電位器結(jié)構(gòu)和工作原理,從上面電位器負(fù)載特性曲線可以看出: 電位器的輸出特性（負(fù)載特性）是非線性 的，這種非線性受RL/R 比值的影響，比值越大，非線性越小; 開路時(shí),RL/R ，滿足線性關(guān)系。,線繞電位器式傳感器二、線繞電位器的階梯特性,線繞電位器的電阻不是連續(xù)可調(diào)節(jié)器的，它是從一圈移動(dòng)到另一圈，若繞線共有n匝，則電刷每移動(dòng)一圈的調(diào)節(jié)器節(jié)電壓為 所以分辯率為： 因此輸出呈階梯變化。 由于電刷在從一圈移向另一圈的瞬間，會(huì)造成兩相鄰匝線短接，使總電阻減少，而產(chǎn)生一個(gè)

30、小的波動(dòng)，如圖所示。,線繞電位器式傳感器二、線繞電位器的階梯特性,階梯誤差為理想階梯特性與理論特性之間的誤差：,線繞電位器式傳感器三、非線繞電位器,電阻值分辯率高。 （1）膜式電位器：碳膜和金屬膜。 （2）導(dǎo)電塑料電位器：塑料粉加導(dǎo)電材料粉。 （3）光電電位器：非接觸式。,第二章 電阻式傳感器及檢測(cè)電路,2-1 線繞電位器式傳感器 2-2 金屬電阻應(yīng)變傳感器 2-3 壓阻式傳感器,2-2 金屬電阻應(yīng)變傳感器 概述,【能量變換】 【原理】應(yīng)變效應(yīng) 【用途】檢測(cè)力、壓力、轉(zhuǎn)矩、位移、加速度等,金屬電阻應(yīng)變傳感器 概述,【類型】金屬電阻應(yīng)變片式（絲式、箔式） 壓阻式（半導(dǎo)體應(yīng)變片）壓敏電阻 固態(tài)壓阻

31、器件（壓力敏感元件） 【特點(diǎn)】簡便、精度高、體積小、動(dòng)態(tài)響應(yīng)好； 電阻值受環(huán)境溫度影響很大,金屬電阻應(yīng)變傳感器 一、應(yīng)變的檢測(cè),當(dāng)外力作用物體時(shí)，物體在其彈性限度內(nèi)產(chǎn)生伸縮變位，這種關(guān)系如果用應(yīng)力和應(yīng)變來表示，則有如下關(guān)系 式中 應(yīng)力（單位面上的作用力） 應(yīng)變（單位長度的變位） E 材料的彈性系數(shù) 因此，檢測(cè)出物體的這種應(yīng)變，就可以知道應(yīng)力，作用力，位移，加速度和作用于軸上的轉(zhuǎn)矩。,金屬電阻應(yīng)變傳感器 一、應(yīng)變的檢測(cè),【應(yīng)變效應(yīng)】導(dǎo)體在機(jī)械變形時(shí)，引起電阻值發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為金屬電阻應(yīng)變效應(yīng)。 導(dǎo)體的電阻可由下式計(jì)算: 式中電阻絲材料的電阻率（.mm2/m）； l電阻絲長度（m）； S電阻

32、絲截面積（mm2）。,金屬電阻應(yīng)變傳感器 一、應(yīng)變的檢測(cè)-應(yīng)變效應(yīng),對(duì)上式兩邊取對(duì)數(shù)，有 再對(duì)等式兩邊微分,得 式中dR/R 電阻的相對(duì)變化； d/ 電阻率的相對(duì)變化； dl/l 金屬絲長度的相對(duì)變化； dS/S 截面積的相對(duì)變化。,設(shè)電阻絲的半徑為r 令為金屬絲的軸向應(yīng)變，為徑向應(yīng)變。 而材料的軸向應(yīng)變與徑向應(yīng)變的關(guān)系為 其中為金屬材料的泊松比，代入前式，得,金屬電阻應(yīng)變傳感器 一、應(yīng)變的檢測(cè)-應(yīng)變效應(yīng),金屬電阻應(yīng)變傳感器 一、應(yīng)變的檢測(cè)-應(yīng)變效應(yīng),金屬材料電阻率的相對(duì)變化與其體積的相對(duì)變化有如下關(guān)系 式中c為金屬材料的一種常數(shù)。 所以有,金屬電阻應(yīng)變傳感器 一、應(yīng)變的檢測(cè)-應(yīng)變效應(yīng),【電阻

33、絲靈敏度系數(shù)】 單位應(yīng)變引起的電阻相對(duì)變化值。,金屬電阻應(yīng)變傳感器 二、應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)與材料,敏感柵：直徑為 0.0150.05 mm 的金屬絲 電阻為 60、120、200、 蓋片和底基：厚度為0.020.04 mm 的紙片或有機(jī)聚合物 引線：直徑為0.10.15 mm 的鍍錫銅線。,金屬電阻應(yīng)變傳感器 三、主要特性,、傳感器靈敏度系數(shù) 傳感器靈敏度系數(shù)小于電阻絲靈敏度系數(shù)， 原因：膠層的影響，敏感柵半圓弧部分的橫 向效應(yīng),金屬電阻應(yīng)變傳感器 三、主要特性,、橫向效應(yīng) 敏感柵半圓弧部分受橫向應(yīng)變y的影響而產(chǎn)生的誤差，考慮該應(yīng)變后，有,金屬電阻應(yīng)變傳感器 三、主要特性,、機(jī)械滯后 加載和卸載過程

34、中的靈敏度系數(shù)不一致。 、零漂和蠕變 零漂主要由溫度引起； 蠕變不穩(wěn)定，主要是由于膠層間的 “滑動(dòng)”。,金屬電阻應(yīng)變傳感器 三、主要特性,、應(yīng)變極限（最大線性范圍） 由于粘結(jié)劑和基底材料傳遞變形的性能的影響，應(yīng)變片安裝質(zhì)量的影響，存在相對(duì)誤差，為 其中，Z 為真實(shí)應(yīng)變；i 為指示應(yīng)變。,金屬電阻應(yīng)變傳感器 三、主要特性,最大線性范圍,金屬電阻應(yīng)變傳感器 三、主要特性,、動(dòng)態(tài)特性（頻率范圍） 頻率測(cè)量范圍生要決定于應(yīng)變波在被測(cè)物體中的傳播速度和波長 ，一般取 式中 應(yīng)變波波長； v應(yīng)變波在被測(cè)物體中的傳播速度； f應(yīng)變片能測(cè)量的最高頻率； l應(yīng)變片柵長。,金屬電阻應(yīng)變傳感器 三、主要特性,、絕緣

35、電阻1010,金屬電阻應(yīng)變傳感器四、溫度誤差及其補(bǔ)償,、應(yīng)變片的阻值受溫度影響很大 原因：、電阻絲本身的溫度系數(shù)t的影響； 、被測(cè)物體線膨脹系數(shù)e與電阻絲的線膨脹系數(shù)g不同。 由溫度變化引起的總電阻的相對(duì)變化為,金屬電阻應(yīng)變傳感器四、溫度誤差及其補(bǔ)償,、溫度補(bǔ)償 溫度補(bǔ)償有三種方法 、單絲自補(bǔ)償應(yīng)變片 使金屬絲的電阻溫度系數(shù)滿足下列關(guān)系 該方法的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單,使用方便；缺點(diǎn)是使用面窄。,金屬電阻應(yīng)變傳感器四、溫度誤差及其補(bǔ)償,、雙絲組合式自補(bǔ)償應(yīng)變片 將兩種不同電阻溫度系數(shù)（一正、一負(fù)）的材料串聯(lián)組成敏感柵，使,金屬電阻應(yīng)變傳感器四、溫度誤差及其補(bǔ)償,、電路補(bǔ)償法（最常用） 電橋輸出電壓與橋

36、臂參數(shù)的關(guān)系為 當(dāng) R3R4 為常數(shù)時(shí)，使 R1 和 R2 對(duì)輸出電壓的 作用方向相反，具體做法 是一個(gè)作為工作片，一個(gè) 作為補(bǔ)償片（只受溫度影響）這樣可實(shí)現(xiàn)溫補(bǔ)償。,金屬電阻應(yīng)變傳感器四、溫度誤差及其補(bǔ)償,補(bǔ)償片的三種貼法 、貼于專用的補(bǔ)償塊上。,金屬電阻應(yīng)變傳感器四、溫度誤差及其補(bǔ)償,、分別貼于試件的兩面 上面受拉（壓），下面受壓（拉），應(yīng)變絕對(duì)值相等，符號(hào)相反，但溫度引起的變化是相等的（符號(hào)相同），二者相減后，溫度引起的變化相抵消，而靈敏度增大一倍。,金屬電阻應(yīng)變傳感器四、溫度誤差及其補(bǔ)償,、工作片與受力方向一致，溫度補(bǔ)償片與之垂直。,金屬電阻應(yīng)變傳感器五、測(cè)量電路,1、典型的測(cè)量電路

37、作用：將應(yīng)變電阻值的變化轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化。 應(yīng)變傳感器的測(cè)量電路主要是： 直流電橋（惠斯登電橋）； 恒流源； 電橋放大器。,金屬電阻應(yīng)變傳感器五、測(cè)量電路,當(dāng) RfR 時(shí)， 有： 其中， 1， 為工作臂 Rx 的電 阻相對(duì)變化率。,金屬電阻應(yīng)變傳感器五、測(cè)量電路,2、直流電橋的特點(diǎn)及基本類型 、結(jié)構(gòu)：直流電橋是由連接成環(huán)形的四個(gè)電阻（橋臂電阻）所組成，由一直流電源提供能量，輸出端與放大器相連。,金屬電阻應(yīng)變傳感器五、測(cè)量電路,、電橋平衡條件： 此時(shí)，測(cè)量輸出端的輸出為零。,金屬電阻應(yīng)變傳感器五、測(cè)量電路,、橋路輸出電壓 若輸出端放大器的輸入阻抗很高，則可視為輸出端開路，即：RL，此時(shí)兩支

38、路中的電流分別為 在 R1 和 R3 上的壓降分別為,金屬電阻應(yīng)變傳感器五、測(cè)量電路,則橋路輸出端的電壓為,金屬電阻應(yīng)變傳感器五、測(cè)量電路,、電橋的電壓靈敏度 若R1為電阻式傳感器，R2、R3、R4 為固定橋臂，R10、R20、R30、R40為平衡時(shí)的初始阻值，此時(shí)輸出為零，當(dāng)RL，R1變化R 時(shí)，則輸出為,金屬電阻應(yīng)變傳感器五、測(cè)量電路,令，根據(jù)平衡條件：(橋臂比）， 則 如果R1，略去分母中的R，則有 則電壓靈敏度為：,金屬電阻應(yīng)變傳感器五、測(cè)量電路,提高 KU 的途徑： 提高電源電壓 （受電源耗散功的限制）； 選擇合適的橋臂比n （n=1時(shí)最大： ）。,金屬電阻應(yīng)變傳感器五、測(cè)量電路,3

39、、電橋的結(jié)構(gòu)形式 （1）串聯(lián)對(duì)稱式：相等兩橋臂同在一個(gè)支路中形成串聯(lián)形式。 即,金屬電阻應(yīng)變傳感器五、測(cè)量電路,在單臂工作時(shí)，R1=R10+R，取RL=，此時(shí)有 令 ，根據(jù)平衡條件：，則 略去分母中的R，近似有：,金屬電阻應(yīng)變傳感器五、測(cè)量電路,從上式中可看出： 輸出電壓的大小只與R有關(guān)，且成正比； 必須有高穩(wěn)定性電源，以維持UE不變，否則會(huì)影響輸出； 只有當(dāng) 2R4 時(shí)，上式才成立。,金屬電阻應(yīng)變傳感器五、測(cè)量電路,()并聯(lián)對(duì)稱式 相等兩橋臂分別接入不同支路的對(duì)稱位置。 即,金屬電阻應(yīng)變傳感器五、測(cè)量電路,在單臂工作時(shí)，R1=R10+R，取 RL=，此時(shí)有 令 ，則有,金屬電阻應(yīng)變傳感器五、

40、測(cè)量電路,從上式中可看出: 輸出電壓除與R 和 UE 有關(guān)外，還與同一支路中橋臂比m有關(guān)， 當(dāng)m=1時(shí)，與串聯(lián)對(duì)稱式相同。,金屬電阻應(yīng)變傳感器五、測(cè)量電路,（3）等臂電橋 組成橋路的四個(gè)臂，其阻值均相等。 即 平衡條件： ， 假設(shè) RL=，根據(jù)應(yīng)變片的工作情況，分三種情況加以分析,金屬電阻應(yīng)變傳感器五、測(cè)量電路, 單臂工作：電橋工作臂 R1 為電阻傳感元件。 輸出電壓,金屬電阻應(yīng)變傳感器五、測(cè)量電路, 半橋線路（雙臂工作）：電橋工作臂 R1 和R2 為電阻傳感元件。 輸出電壓 從公式中可以看出 UO 與R 之間為線性關(guān)系； 輸出電壓為單臂時(shí)的兩倍。,金屬電阻應(yīng)變傳感器五、測(cè)量電路, 全橋線路（

41、四臂工作）：電橋的四個(gè)工作 臂均為電阻傳感元件。 輸出電壓: 從公式中可以看出 UO 與R 之間為線性關(guān)系； 輸出電壓為單臂時(shí)的倍； 輸出電壓UO 與電源電壓 UE 的比值在數(shù)值上等于R。,金屬電阻應(yīng)變傳感器五、測(cè)量電路,、負(fù)載電阻為有限值的情況 上述均假定 RL=，當(dāng) RL 為有限值時(shí)，則負(fù)載 RL 上的壓降為 式中，RTh為等效內(nèi)阻 上式說明，在考慮負(fù)載后，輸出電壓縮小了 倍。,金屬電阻應(yīng)變傳感器五、測(cè)量電路,、橋路的電阻平衡 在橋路中，實(shí)際上很艱使橋臂電阻絕對(duì)相同，總會(huì)存在差異，因此，必須設(shè)計(jì)調(diào)零電路，以使初始狀態(tài)達(dá)到平衡。 調(diào)零電路一般由兩個(gè)電阻（其中一個(gè)為可調(diào)電阻）組成星形連接電路。

42、,金屬電阻應(yīng)變傳感器五、測(cè)量電路,帶調(diào)零電路的電橋。 可調(diào)平衡范圍,金屬電阻應(yīng)變傳感器五、測(cè)量電路,6、非線性誤差及其補(bǔ)償方法 從前述電橋的輸出電壓知： 其中，說明橋的輸出出電壓與輸入電壓之間為非線性關(guān)系，只有在時(shí)，略去分母中的，才能滿足線性關(guān)系，但測(cè)量的應(yīng)變較大時(shí)，這種條件難于滿足，因而會(huì)造成較大的誤差，此時(shí)需要采取其它的補(bǔ)償方法。,金屬電阻應(yīng)變傳感器五、測(cè)量電路,(1) 提高橋臂比n 提高橋臂比n可使的影響下降，可適當(dāng)減少非線性誤差，當(dāng)n=1時(shí)，橋的輸出電壓最大。 (2) 采用差動(dòng)電橋 采用差動(dòng)電橋是最佳方案，從前述串聯(lián)對(duì)稱式電橋知，當(dāng)采用半橋差動(dòng)結(jié)構(gòu)時(shí)，其輸出為 ,為線性關(guān)系。 若采用全

43、橋差動(dòng)電路，則輸出為 亦為線性關(guān)系。,金屬電阻應(yīng)變傳感器五、測(cè)量電路,（3）采用恒流源供橋 當(dāng)供橋電源采用恒流源時(shí)，電橋輸出為 解得,金屬電阻應(yīng)變傳感器五、測(cè)量電路,則輸出電壓為 對(duì)于等臂電橋R1=R2=R3=R4，在單臂工作時(shí)，其輸出為 而恒壓供橋時(shí)為則輸出電壓為,金屬電阻應(yīng)變傳感器五、測(cè)量電路,7、交流電橋 平衡條件 電橋的輸出電壓：,金屬電阻應(yīng)變傳感器五、測(cè)量電路交流電橋, 單臂交流電橋 輸出電壓 差動(dòng)交流電橋（半橋線路） 輸出電壓 雙差動(dòng)交流電橋（全橋線路） 輸出電壓,金屬電阻應(yīng)變傳感器五、測(cè)量電路交流電橋,應(yīng)變儀組成方框圖,2-2金屬電阻應(yīng)變傳感器,六、應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用 用應(yīng)變片制

44、成的傳感器應(yīng)用很廣，如力傳感器、扭矩傳感器、加速度傳感器、壓力傳感器、稱重傳感受器等，量程從幾克到幾百噸。,金屬電阻應(yīng)變傳感器六、應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用,（1）柱式傳感器 結(jié)構(gòu)：、彈性敏感元件為實(shí)心或空心圓柱。 、應(yīng)變片將敏感元件的應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電阻。分別在軸向和周向各布置4個(gè)應(yīng)變片。,金屬電阻應(yīng)變傳感器六、應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用,在彈性范圍內(nèi)，應(yīng)力與應(yīng)變成正比，則軸向和周向的應(yīng)變片感受的應(yīng)變?yōu)? 軸向應(yīng)變： 周向應(yīng)變： 其中，S 為彈性元件的截面積，F(xiàn) 為作用力，E 為彈性模量，為泊松比。,金屬電阻應(yīng)變傳感器六、應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用,當(dāng)采用全橋差動(dòng)結(jié)構(gòu)時(shí)，輸出為 與作用力在正比。,金屬電阻應(yīng)變傳感器六、應(yīng)

45、變式傳感器的應(yīng)用,（2）梁式力傳感器（等強(qiáng)度梁或等截面梁） 等強(qiáng)度彈性元件是一特殊形式的懸臂梁。,金屬電阻應(yīng)變傳感器六、應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用,沿梁的長度方向上的截面抗彎模量W的變化與彎矩M的變化成正比 梁各點(diǎn)的應(yīng)變值為(等強(qiáng)度各點(diǎn)相等) 式中, bx 為與x 對(duì)應(yīng)的梁寬； h 為梁的厚度； F 被測(cè)作用力。,金屬電阻應(yīng)變傳感器六、應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用,若等臂結(jié)構(gòu)， 即: ， ， 電橋輸出為,金屬電阻應(yīng)變傳感器六、應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用,應(yīng)變式加速度傳感器是典型的梁式傳感器，彈性元件為懸臂梁，加速度感受元件為一慣性質(zhì)量塊 m,金屬電阻應(yīng)變傳感器六、應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用,測(cè)量原理：慣性質(zhì)量塊在加速度的作用下

46、，產(chǎn)生慣性力 F = ma，梁在慣性力的作用下發(fā)生變形，應(yīng)變片電阻發(fā)生變化，產(chǎn)生輸出信號(hào)，輸出信號(hào)大小與加速度成正比。,金屬電阻應(yīng)變傳感器六、應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用,電阻應(yīng)變式電子稱 -梁式傳感器的另一個(gè)典型應(yīng)用 它是在一個(gè)S 型雙 彎曲懸臂梁上貼四片 應(yīng)變片，組成橋路。 雙彎曲梁的應(yīng)變?yōu)?式中，b為梁厚,金屬電阻應(yīng)變傳感器六、應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用,橋路輸出為,金屬電阻應(yīng)變傳感器六、應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用,(3) 應(yīng)變式壓力傳感器 彈性元件為一薄壁圓板，應(yīng)變片貼于圓板上。,金屬電阻應(yīng)變傳感器六、應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用,當(dāng)均布?jí)毫ψ饔糜诒“?時(shí)圓板上各點(diǎn)的徑向應(yīng)力 和切向應(yīng)變分布,金屬電阻應(yīng)變傳感器六、應(yīng)變式

47、傳感器的應(yīng)用,當(dāng)均布?jí)毫ψ饔糜诒“鍟r(shí)，圓板上各點(diǎn)的徑向應(yīng)力和切向應(yīng)力可用以下兩式表示 徑向應(yīng)力： 切向應(yīng)力： 其中，R 和 h 分別為圓板的半徑和厚度，x 為離圓心的徑向距離。,金屬電阻應(yīng)變傳感器六、應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用,圓板邊緣處（x = R）的應(yīng)力為 徑向應(yīng)力： 切向應(yīng)力： 可見，圓板周邊處的徑向應(yīng)力最大,金屬電阻應(yīng)變傳感器六、應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用,圓板內(nèi)任一點(diǎn)的應(yīng)變值計(jì)算公式為 在圓板中心處（x = 0）的應(yīng)變值為 在圓板邊緣處（x = R）的應(yīng)變值為,金屬電阻應(yīng)變傳感器六、應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用,貼片時(shí)徑向應(yīng)變片應(yīng)避開r=0 處，一般在圓片邊緣處沿徑向貼兩片，在中間沿切向貼兩片。 應(yīng)變片R1、

48、R4 和 R2、R3 接在橋路的相鄰臂內(nèi)，以提高靈敏度并進(jìn)行溫度補(bǔ)償。,第二章 電阻式傳感器及檢測(cè)電路,2-1 線繞電位器式傳感器 2-2 金屬電阻應(yīng)變傳感器 2-3 壓阻式傳感器,2-3 壓阻式傳感器,一、壓阻式傳感器的結(jié)構(gòu)及工作原理 壓阻式傳感器是在半導(dǎo)體材料的基片上用集成電路工藝制成的擴(kuò)散電阻，直接作為敏感元件而制成的傳感器。 優(yōu)點(diǎn)：靈敏度高，橫向效應(yīng)小，滯后和蠕變小。 缺點(diǎn)：溫度穩(wěn)定性差，非線性較大。,2-3 壓阻式傳感器一、壓阻式傳感器的結(jié)構(gòu)及原理,、壓阻效應(yīng) 【壓阻效應(yīng)】沿半導(dǎo)體的某一軸向施加一定的載荷而產(chǎn)生應(yīng)變時(shí)，其電阻率會(huì)發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為壓阻效應(yīng)。 半導(dǎo)體材料的應(yīng)變與電阻

49、的相對(duì)變化之間的關(guān)系如下,一、壓阻式傳感器的結(jié)構(gòu)及原理 壓阻效應(yīng),有： 則靈敏度為： 由于 K 值一般為70160，而（1+2）約為 1.6，故可以略去，則:,一、壓阻式傳感器的結(jié)構(gòu)及原理,、擴(kuò)散硅壓阻器件 擴(kuò)散硅壓阻器件是一個(gè)由四個(gè)擴(kuò)散電阻構(gòu)成的惠斯登電橋。 設(shè)計(jì)要求： 、等臂電橋（四個(gè)橋臂電阻值相等）； 、差動(dòng)結(jié)構(gòu)（電橋相鄰兩臂的壓阻效應(yīng) 大小相等符號(hào)相反）； 、四個(gè)橋臂的溫度系數(shù)相同。,這樣的電橋?yàn)槔硐雺鹤桦姌?，橋臂電阻是?yīng)變和溫度 t 的函數(shù): 電橋電源既可用恒壓電源也可用恒流電源。用恒壓電源供電時(shí)，電橋輸出為: 用恒流電源供電時(shí)，電橋輸出為: 其中: ， ， t為電阻溫度系數(shù)，kt為

50、靈敏度溫度系數(shù)。,一、壓阻式傳感器的結(jié)構(gòu)及原理 擴(kuò)散硅壓阻器件,一、壓阻式傳感器的結(jié)構(gòu)及原理,、壓阻器件的特性 、溫度性能 溫度系數(shù)較大，當(dāng)溫度變化時(shí)，產(chǎn)生溫漂，且壓阻系數(shù)隨溫度而變化。 、線性度 在數(shù)百微應(yīng)變范圍內(nèi)呈線性。,2-3 壓阻式傳感器二、應(yīng)用,壓阻式壓力傳感器（固態(tài)壓力傳感器） 其結(jié)構(gòu)與應(yīng)變式壓力傳感器類似，彈性元件為一塊圓形硅膜片，在膜片上利用集成電路的工藝擴(kuò)散四個(gè)阻值相等的硅電阻。 壓阻式加速度傳感器 其結(jié)構(gòu)與應(yīng)變式加速度傳感器類似，彈性元件為一硅制懸臂梁，在梁的根部利用集成電路的工藝擴(kuò)散四個(gè)阻值相等的硅電阻，梁的自由端裝有一慣性質(zhì)量塊用來感受加速度。,2-3 壓阻式傳感器,三

51、、測(cè)量橋路及溫度補(bǔ)償 、恒流供電電橋 為了減少溫度影響，壓阻器件多采用恒流源供電。當(dāng)采用等臂差動(dòng)結(jié)構(gòu)時(shí)，橋路輸出為 式中， 為溫度引起的阻值變化?？梢?，此時(shí)橋路輸出與溫度無關(guān)。,三、測(cè)量橋路及溫度補(bǔ)償,、零點(diǎn)溫度補(bǔ)償 用串、并聯(lián)電阻法進(jìn)行補(bǔ)償。,三、測(cè)量橋路及溫度補(bǔ)償 零點(diǎn)溫度補(bǔ)償,串聯(lián)電阻 RS 用于調(diào)零； 并聯(lián)電阻 RP 用于補(bǔ)償；其值通過計(jì)算求得。 在電源回路中串聯(lián)一定數(shù)量的二極管可以對(duì)靈敏度溫度補(bǔ)償，因?yàn)槎O管 PN 結(jié)的溫度特性為負(fù)值，溫度升高時(shí)，二極管正向壓降減少，橋路輸出電壓增高。,第三章 電容式傳感器,3-1 概述 3-2 電容式傳感器的測(cè)量電路 3-3 電容式傳感器的應(yīng)用,第

52、三章 電容式傳感器,【能量變換】屬能量控制型傳感器,第三章 電容式傳感器,【原理】由一個(gè)恒定的激勵(lì)源在兩金屬導(dǎo)體之間建立一電場(chǎng)，被測(cè)對(duì)象通過某種方式改變或調(diào)制電場(chǎng)的某一參數(shù)，使電場(chǎng)能量發(fā)生變化，測(cè)出能量的變化就可獲得所需的信號(hào)。 【用途】檢測(cè)位移、液位、濕度、含水量 【類型】變面積（A）型，變介質(zhì)介電常數(shù)()，變極板間距（d）型。 【特點(diǎn)】測(cè)量范圍大、靈敏度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間短、機(jī)械損失小、結(jié)構(gòu)簡單；寄生電容影響較大、線性度較差、受大氣溫度和濕度影響,第三章 電容式傳感器,3-1 概述 3-2 電容式傳感器的測(cè)量電路 3-3 電容式傳感器的應(yīng)用,3-1 概述一、電容傳感器的工作原理,平板電容器的

53、電容量，在忽略邊緣效應(yīng)時(shí)，有: 式中: A為兩極板間的有效覆蓋面積； d 為兩極板間的距離； 為兩極板間介質(zhì)的介電常數(shù)；,概述一、電容傳感器的工作原理,r為介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)； 0為真空的介電常數(shù) 從電容量表達(dá)式可看出：電容量與覆蓋面積成正比，與相對(duì)介電常數(shù)成正比，與兩極板間距成反比。因此，通過改變復(fù)蓋面積或相對(duì)介電常數(shù)或極板間距，都可以引起電容量的相對(duì)變化，這是電容傳感器的基本工作原理。,概 述二、典型的電容傳感器,、變面積（A）型 改變兩極板間的有效覆蓋面積來獲得電容量的變化。,二、典型的電容傳感器1、變面積（A）型,、角位移式 電容量與角位移成線性關(guān)系。 靈敏度，增大初始電容C0 可以提

54、高靈敏度K。,二、典型的電容傳感器1、變面積（A）型,、直線位移式 靈敏度 ， 增大初始電容C0 可以提高靈敏度K。,二、典型的電容傳感器1、變面積（A）型,（3）圓柱直線位移式 靈敏度 ， 增大初始電容 C0 可以提高靈敏度K。,概 述二、典型的電容傳感器,、變介質(zhì)介電常數(shù)() 平板式 電容量為兩個(gè)電容C0 和C1 的串聯(lián)，其值為:,二、典型的電容傳感器2、變介質(zhì)介電常數(shù)（）,、圓筒式 兩個(gè)電容C0和C1并聯(lián)，其值為,二、典型的電容傳感器2、變介質(zhì)介電常數(shù)（）,可見，傳感器電容量與液位高度 h1 成線性關(guān)系。 物質(zhì)名稱 相對(duì)介電常數(shù)r 物質(zhì)名稱 相對(duì)介電常數(shù)r 水 80 玻璃 3.7 甲醇

55、37 瀝青 2.7 乙醇 2025 砂 35 鹽 6 空氣及其它氣體 11.2 紙 2,二、典型的電容傳感器,、變極板間距（d）型,二、典型的電容傳感器、變極板間距（d）型,當(dāng)間距 d0 減少 d 時(shí)，電容量為 其中，得相對(duì)變化值為,二、典型的電容傳感器、變極板間距（d）型,當(dāng)d d0 時(shí)，將上式展開為級(jí)數(shù)，并略去二階以上的高階項(xiàng)后，得 即 近似為線性關(guān)系。為了得到較好的線性關(guān)系，一般取d/d00.020.1。 靈敏度,3-1 概述,三、激勵(lì)源性質(zhì)與傳感器特性之間的關(guān)系 由前所述，電容傳感器的工作原理是通過改變電容的幾何參數(shù)或介質(zhì)參數(shù)來實(shí)現(xiàn)的，而電容與電流、電壓間有如下關(guān)系 電流 電壓 式中，

56、UC 為極板上的電壓；IC 為通過電容中的電流；f 為激勵(lì)源頻率。,概 述三、激勵(lì)源性質(zhì)與傳感器特性之間的關(guān)系,從以上諸式可看出，電容傳感器的變換函數(shù)可以是 Cx 形式，也可以是 1/Cx形式，取決于激勵(lì)源變量的選取。 1、恒電流激勵(lì) 2、恒電壓激勵(lì),三、激勵(lì)源性質(zhì)與傳感器特性之間的關(guān)系 1、恒電流激勵(lì),保持交流激勵(lì)源的電流恒定，即電流與電容變化 Cx 無關(guān),三、激勵(lì)源性質(zhì)與傳感器特性之間的關(guān)系 1、恒電流激勵(lì),恒電流激勵(lì)時(shí)的輸出電壓為 在恒電流激勵(lì)時(shí)，要求負(fù)載不消耗電流，這就需要負(fù)荷阻抗為無窮大，所以恒電流激勵(lì)時(shí)要求檢測(cè)線路為高阻抗輸入。,三、激勵(lì)源性質(zhì)與傳感器特性之間的關(guān)系 2、恒電壓激勵(lì)

57、,激勵(lì)源保持電容器上的交流電壓有效值恒定，輸出變量為電流，此時(shí)電流的大小隨電容的變化而變化。,三、激勵(lì)源性質(zhì)與傳感器特性之間的關(guān)系 2、恒電壓激勵(lì),IC 與或與 A 則為單值線性關(guān)系，因此恒電壓激勵(lì)適于變面積和變型電容傳感器。 在實(shí)際中恒電壓激勵(lì)較為常用。,3-1 概述,四、電容傳感器的差動(dòng)式結(jié)構(gòu) 由于差動(dòng)式結(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)的抗干擾能力，誤差小，靈敏度高等特點(diǎn)，所以電容式傳感器常常采用差動(dòng)式結(jié)構(gòu)。,概 述四、電容傳感器的差動(dòng)式結(jié)構(gòu),恒壓激勵(lì)差動(dòng)電容傳感器變間距型，其電容量分別為,概 述四、電容傳感器的差動(dòng)式結(jié)構(gòu),按級(jí)數(shù)展開 當(dāng)采用恒壓激勵(lì)差動(dòng)輸出時(shí)，有,概 述四、電容傳感器的差動(dòng)式結(jié)構(gòu),忽略高階項(xiàng)后，得 即電容量的相對(duì)變化與間距的相對(duì)變化近似為線性關(guān)系。 非線性誤差： 可見，采用差動(dòng)結(jié)構(gòu)時(shí)，靈敏度提高倍，誤差小一個(gè)數(shù)量級(jí)。,第三章 電容式傳感器,3-1 概述 3-2 電容式傳感器的測(cè)量電路 3-3 電容式傳感器的應(yīng)用,第三章 電容式傳感器 3-2電容式傳感器的測(cè)量電路,一、等效電路 電容傳感器主要由極板、引線和負(fù)載等組成，其測(cè)量電路可以用RLC電路來等效。,3-2 電容式傳感器的測(cè)量電路一、等效電路,圖中： C 為傳感器電容； RP 為等效并聯(lián)電阻（包括極板間的直流電阻、氣隙中的介質(zhì)損耗）； RS