传感器第二章

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第2章传感器特性

传感器原理及应用
第2章传感器基本特性
迟滞误差由满量程输出的百分数表示：
2.1 传感器静态特性
为正、反行程输出值之间的最大差值
产生迟滞误差的原因：主要是由于敏感元件材料的物理性质缺陷造成的。如弹性元件的滞后，铁磁体、铁电体在加磁场、电场作用下也有这种现象。迟滞误差的存在使输入输出不能一一对应。
传感器原பைடு நூலகம்及应用
第2章传感器基本特性
2.1 传感器静态特性
—— 最大非线性绝对误差 —— 满量程输出 —— 线性度
线性度是表征实际特性与拟合直线不吻合的参数
由于实际传感器总有（高次项）非线性存在，输入输出关系总是非线性关系，使近似后的拟合直线与实际曲线存在偏差。这个最大偏差称为传感器的非线性误差。通常用相对误差表示线性度
正弦信号
单位阶跃信号
传感器原理及应用
第2章传感器基本特性
（1）传递函数
2.2 传感器动态特性
输入激励 x（t)
输出响应 y（t)
传感器系统
为了分析动态特性，首先要写出传感器的数学模型求出传递函数。已知外界有一激励施加于系统时，系统对外界有一响应；
传感器是个信号转换元件，假设是测力传感器，系统存在阻尼，弹性和惯性元件；当输入量随时间变化时，在力作用下，输出不仅与位移x有关，还与速度dx/dt、加速度d2x/dt2有关。
第2章传感器基本特性
2.2 传感器动态特性
多数传感器输入信号是随时间变化的，只是变化的快慢不同而已。缓慢变化的信号容易跟踪，变化较快的信号跟踪性能会下降。一个动态性能好的传感器输入与输出应具有相同的时间函数，但除理想状态外，输出信号一定不会与输入信号有相同时间函数。这种输入输出之间的差异就是动态误差。

传感器原理第二章电阻应变传感器

第二章电阻应变传感器第一节电阻应变片一、金属电阻应变片二、半导体电阻应变片第二节电阻应变传感器测量电路一、单臂桥二、半桥三、全桥四、应变测量电桥性能的提高第三节电阻应变传感器的应用一、应变式力传感器二、应变式压力传感器三、应变式加速度传感器第二章电阻应变传感器电阻应变传感器是一种利用电阻应变片将应变转换为电阻变化的传感器。

任何非电量只要能转化为应变量就可以利用电阻应变传感器测量，因而在非电量电测技术中应用十分广泛。

常用来测量力、压力、位移、应变、扭矩、加速度等。

电阻应变式传感器应用历史悠久，目前仍然是一种主要的测试手段。

其主要特点是：①结构简单，使用方便，性能稳定、可靠；②灵敏度高，频率响应特性好，适合于静态、动态测量；③环境适应性好，应用领域广泛。

第一节电阻应变片电阻应变传感器由弹性元件、电阻应变片和测量电路组成。

弹性元件用来感受被测量的变化；电阻应变片粘贴在弹性元件上，将弹性元件的表面应变转换为应变片电阻值的变化；然后通过测量电路将应变片电阻值的变化转换为便于输出测量的电量，从而实现非电量的测量。

电阻应变片是应变测量的关键元件，为适应各种领域测量的需要，可供选择的电阻应变片的种类很多，但按其敏感栅材料及制作方法可分类如表2－1所示。

弹性敏感元件在外力作用下，物体将产生尺寸和形状的变化，当去掉外力后，物体随即恢复其原来的尺寸和形状，此种变形称为弹性变形。

利用弹性变形进行测量和变换的元件即弹性敏感元件。

弹性敏感元件在传感器技术中有着重要的作用，是设计、分析、应用传感器的基础性工作。

弹性元件材料：铬钢、锰弹簧钢、合金结构钢、不锈钢等敏感元件材料：金属、非金属金属：铜-黄铜、康铜、钛青铜、铍青铜；铁-铁镍合金铂、铂合金镍铬合金非金属：石英、陶瓷、半导体硅等结构：常用的弹性元件结构有梁、柱、筒、膜片、膜盒、弹簧管和波纹管等。

图2－1 丝式电阻应变片基本结构1—基片；2—敏感栅；3—覆盖层；4—引线2．金属丝电阻应变片结构金属丝电阻应变片的基本结构如图2－1所示。

传感器第二章作业答案

对臂阻值之积相等、邻臂阻值之比相等。
5. 线绕电位器的负载特性在什么情况下才呈现线性特性？为什么？
当电位器为空载(RL =∞)时，线绕电位器的负载特性为线性特性。因为电位器为空载(RL =∞)时，IL = 0，此时 Rx为线性关系。当电位器为有负载(RL ≠∞)时，负载上有分流，IL ≠0，此
灵敏系数
d dR K S R 1 2
x
x
其物理意义是单位应变所引起的电阻相对变化。灵敏系数受两个因素影响，一个是受力后材料几何尺寸的变化，即（1+2）；另一个是受力后材料的电阻率发生的变化，即d /x 。
2. 通常扩散型压阻传感器的硅杯和扩散应变电阻条采用的导电类型？
RL Rx Ui RL Rx U i Rx RL Uo I 2 Rx RL RL Rx Rx RL RL R Rx R Rx ( R Rx ) Rx RL
时
Uo与Rx为非线性关系
z1 z 4 z 2 z3 1 4 2 3
或
Z1 Z 3 Z2 Z4
或
r1r4 r2 r3 x1 x4 x2 x3 r1 x4 r4 x1 r2 x3 r3 x2
直流电桥：
R1 R4 R2 R3
或
R1 R3 R2 R4
通常选用 N 型硅做膜片（硅杯），在其上扩散 P 型杂质，形成应变电阻条。
3. 单臂、半桥差动、全桥差动电桥电压灵敏度之间的关系？半桥差动电桥电压灵敏度是单臂电桥电压灵敏度的两倍；全桥差动电桥电压灵敏度是单臂的四倍，半桥差动的两倍。
4. 交流、直流电桥的平衡条件？
交流电桥：
Z1 Z 4 Z 2 Z 3

第2章传感器的基本特性

( x1 x) ( x 2 x) ( x m x) x m -1
2 2
2
可以证明，σ和
x 之间存在关系
x n
【例】对某一重物进行了十次等精度测量，测值为 20.62 20.82 20.78 20.82 20.70 20.78 20.84 20.78 20.85 20.85 （单位：g）求：（1）测量值的算术平均值（2）测量值的标准差（3）测量结果的表达解:(1）算术平均值为：
(２) 标准差
① 测量列的标准偏差算术平均值反映了随机误差的分布中心，为更好的表征随机变量相对于中心位置的离散程度，可引入标准偏差。标准偏差是指随机误差的方均根值。
若测量列为一组测量值x1,x2,…,xn,其标准差σ为

2 1
( x1 A0 ) 2 ( x2 A0 ) 2 ( xn A0 ) 2 n
x1 x2 x16 x 39.50 16
（2）求标准差：

（3）根据
( x1 x) ( x2 x) ( x16 x)
2 2
2
16 - 1
0.38
Vi | xi x | 3 1.14
结论：无粗差
2.2 传感器的静态特性

传感器的静态特性是指在输入量为静态或缓慢变化时的输入输出关系
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（3）实际值用精度更高一级的标准器具所测得的值称为实际值，实际应用中可代替真值。（4）标称值一般由制造厂家为元件、器件或设备在特定运行条件下所规定的量值。（5）示值
由测量器具读数装置直接读出来的被测量的数值。
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传感器原理与应用课件第2章传感器的特性及标定

温度测量：用于测量环境温度、设备温度等
温度补偿：用于补偿温度对测量结果的影响
温度校准：用于校准其他传感器的测量结果
温度监测：用于监测食品、药品等物品的温度变化
流量传感器应用
工业生产：用于测量液体、气体的流量，如石油、天然气、水等环保监测：用于监测污水、废气排放，确保环保达标医疗设备：用于监测血液、尿液等液体的流量，辅助诊断和治疗汽车电子：用于监测燃油、冷却液等液体的流量，确保车辆正常运行
Part Four
传感器应用实例
压力传感器应用
汽车领域：用于监测轮胎压力、发动机油压等医疗领域：用于监测血压、呼吸压力等工业领域：用于监测液压系统、气压系统等航空航天领域：用于监测飞行器气压、发动机压力等
温度传感器应用
温度报警：用于监测高温、低温等异常情况
温度控制：用于控制加热、制冷等设备
标定误差处理：选择合适的标定方法、优化标定参数、消除环境干扰等
标定实例
温度传感器：通过测量温度变化，确定传感器的灵敏度和精度压力传感器：通过测量压力变化，确定传感器的灵敏度和精度加速度传感器：通过测量加速度变化，确定传感器的灵敏度和精度湿度传感器：通过测量湿度变化，确定传感器的灵敏度和精度
位移传感器应用
工业自动化：用于控制机械设备的位置和速度
汽车电子：用于检测汽车的行驶速度和位置
添加标题
添加标题
添加标题
添加标题
医疗设备：用于测量患者的生理参数，如血压、体温等
航空航天：用于测量飞行器的位置和姿态
THANKS
汇报人：
重复性与灵敏度
重复性：传感器在相同条件下多次测量同一物理量的能力灵敏度：传感器对被测量变化的响应能力影响因素：温度、湿度、压力等环境因素提高方法：选择合适的传感器材料和结构，优化信号处理算法

传感器第二章电阻式传感器

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结论： 1、将直的电阻丝绕成敏感栅之后，虽然长度相同，但应变状态不同，其灵敏系数降低了。这种现象称横向效应。 2、当实际使用应变片时，使用条件与标定灵敏系数k时的标定规则不同时，实际k值要改变，由此可能产生较大测量误差。 3、为了减少横向效应产生的测量误差，一般多采用箔式应变片，其圆弧部分尺寸较栅丝尺寸大得多，电阻值较小，因而电阻变化量也就小得多。
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机械滞后产生的原因：敏感栅、基底和粘合剂在承受机械应变后所留下的残余变形所造成的。减小措施：选用合适的粘合剂；在新安装应变片后，做三次以上的加卸载循环后再正式测量。
第二章电阻式传感器 4、零漂和蠕变零漂：
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粘贴在试件上的应变片，在温度保持恒定、不承受机械应变时，其电阻值随时间而变化的特性，称为应变片的零漂。
第二章电阻式传感器 ★粘结剂和粘贴技术 1、粘合剂合理选择粘合剂：
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粘合剂必须适合应变片材料和被测试件材料及环境，例如工作温度、湿度、化学腐蚀等。
对粘合剂要求：
（1）有一定的粘结强度；（2）能准确传递应变，有足够的剪切弹性模量；（3）蠕变、机械滞后小；（4）有足够的稳定性能；（5）耐湿、耐油、耐老化、耐疲劳等。
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制作工艺：采用真空蒸发或真空沉积等方法在薄的绝缘基片上形成厚度在0.1μm以下的金属电阻材料薄膜敏感栅，
最后再加上保护层，易实现工业化批量生产。
特点：电阻值高于箔式，形状和尺寸更精确；散热性好，
适于较宽温度范围，应达－197～317℃；电阻值精度高，
达0.01%；无胶结，避免了分选和粘贴。
公式：
第二章电阻式传感器

传感器原理及应用第2章

第2章传感器概述 2.2.2 传感器的动态特性传感器的动态特性是指输入量随时间变化时传感器的响应特性。由于传感器的惯性和滞后，当被测量随时间变化时，传感器的输出往往来不及达到平衡状态，处于动态过渡过程之中，所以传感器的输出量也是时间的函数，其间的关系要用动态特性来表示。一个动态特性好的传感器，其输出将再现输入量的变化规律，即具有相同的时间函数。实际的传感器，输出信号
2）一阶系统
若在方程式（2-8）中的系数除了a0、a1与b0之外，其它的系数均为零，则微分方程为
dy(t ) a1 a0 y (t ) b0 x(t ) dt
上式通常改写成为
dy(t ) y (t ) kx(t ) dt
(2-10)
第2章传感器概述式中：τ——传感器的时间常数，τ=a1/a0； k——传感器的静态灵敏度或放大系数，k=b0/a0。时间常数τ具有时间的量纲，它反映传感器的惯性的大小，静态灵敏度则说明其静态特性。用方程式（2-10）描述其动态特性的传感器就称为一阶系统，一阶系统又称为惯性系统。如前面提到的不带套管热电偶测温系统、电路中常用的阻
入量变化范围较小时，可用一条直线（切线或割线）近似地代
表实际曲线的一段，使传感器输入输出特性线性化，所采用的直线称为拟合直线。
第2章传感器概述传感器的线性度是指在全量程范围内实际特性曲线与拟合直线之间的最大偏差值ΔLmax 与满量程输出值YFS 之比。线性度
也称为非线性误差，用γL表示，即
第2章传感器概述
第2章传感器概述
2.1 传感器的组成和分类 2.2 传感器的基本特性
第2章传感器概述
2.1 传感器的组成和分类

传感器：第2章应变式传感器

如果电桥各臂都改变，则有
Ug
E
(R1 R1)(R4 R4 ) (R2 R2 )(R3 R3) (R1 R1 R2 R2 )(R3 R3 R4 R4 )
（一）等臂电桥
当 R1 R2 R3 R4 时，称为等臂电桥。此时
Ug
E
R(R1 R2 R3 R4 ) R1R4 R2R3 (2R R1 R2 )(2R R3 R4 )
应变式传感器包括两部份，一是弹性敏感元件，将被测量转换为应变；二是应变片，将应变转化为电阻的变化。
被测量
应变量
弹性元件
电阻
应变片
变化
（一）柱式压力传感器圆柱式压力传感器分为实心和空心两种。
柱式力传感器应变片的粘贴方式
对于柱式压力传感器其轴向应变和圆周方向应变与轴向受力成正比例关系。
轴向应变
下面分析横向效应产生的原因。设轴向应变为，横向应变为 r。
2006.9.11 JC204->
若敏感栅有 n 个纵栅，每根长为 l ，圆弧横栅的半
径为 r ，在轴向应变作用下，全部纵栅的形
变 L1 nl 。
在半圆弧上取一小微元 dl rd ，上面的应变为
1 2
(
r )
1 2
(
r ) cos 2
一、压阻效应单晶硅材料在受到应力后，其电阻率发生明显的变化，
这种现象被称为压阻效应。对于一条形的半导体材料，其电阻变化与应变的关系
d ( r 2 ) r2
2 dr r
2 r
根据泊松效应，有
r 上式中为泊松系数。
由实验结果有
通常 C 1
d C dV V
由于 V S l
dV V
dS S

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Et E AB (T ) E AB (T0 )
（2-1）
式中：Et ——热电偶的热电势，单位V； EAB (T ) ——温度为T时的热电势，单位V； EAB (T0 ) ——温度为T0时的热电势，单位V。
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第一节热电偶传感器
热电势是由两种导体的接触电势和单一导体的温差电势所组成。热电势的大小与两种导体材料的性质及结点温度有关，而与电极的几何尺寸无关。
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第三节热敏电阻
(小3取)标决称于阻制值成R热T敏，电一阻般的是材指料20和℃它时的热几敏何电尺阻寸的；电阻值，其大 (单4位)电为阻％温/℃度系数αT，它表示温度变化1℃时阻值的变化率， (5)时间常数τ，热惯性是所有温度传感器的特性之一，只是
二热电阻材料及特点
热电阻有热电阻丝、绝缘骨架、引出导线等部件组成，其中热电阻丝是热电阻的主体。热电阻丝的材料应具备以下特点：
（1）大而稳定的温度系数，以便提高热电阻的灵敏度；（2）大的电阻率，以减小电阻体的体积；（3）在测量范围内，要有稳定的化学和物理性能；（4）热容量尽量小，以提高热电阻的响应速度；（5）良好的输出特性，即电阻随温度的变化接近于线性关
2.主要参数
热敏电阻有以下几项主要参数:
(1)初始电阻R（Ω），热敏电阻的阻值与绝对温度T有如下
的近似关系：
RT
R B[(1/ T )(1/ T0 ) 0
（2-7）
式kΩ中；：R0、RT-——分别是当环境温度为T0 、T时的电阻值，

B——热敏电阻常数。
(2)热敏电阻常数B，当电离能为 E （V），波尔兹曼常

R0——铜热电阻在0℃时的电阻值，单位Ω；

α——温度系数，铜一般为4.25×10-3/℃～
4.28×10-3/℃
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第三节热敏电阻
一热敏电阻的工作原理
上一节以提到把半导体热电阻称为热敏电阻，它的特性与金属构成的热电阻有明显的不同，其主要表现为以下两点：
（1）金属热电阻其阻值随温度按照近似的线性关系缓慢变化，而半导体热电阻的阻值随温度的升高而成非线性急剧变化。
热电阻传感器的主要特点是：①测量精度高 ②测量范围大 ③易于在自动测量和远距离测量中使用 ④与热电偶传感器相比，没有参比端误差问题。
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第二节热电阻传感器
热电阻传感器一般常用于-200～500℃温度的测量，随着技术的发展，其测量范围也在不断扩展，低温方面已成功地应用于1～3k的温度测量，高温方面也出现了多种用于 1000～1300℃温度测量的传感器。
（2）金属热电阻有正的温度系数，其阻值随温度升高而增大，而半导体热电阻中的大多数具有负的温度系数，其阻值随温度升高而急剧减小，只有少数具有正的温度系数。
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第三节热敏电阻
图2-5给出了具有负温度系数的热敏电阻与金属热电阻相对照的温度特性曲线，它反映了半导体热敏电阻和金属热电阻以上两点显著不同的特性。由该图可知热敏电阻与金属电阻相比灵敏度极高，在温度变化相同的情况下，热敏电阻阻值的变化约为铂热电阻的10倍以上，为此它可以用来测量很小的温度差异，具有较高的灵敏度。
第二章热电式传感器
第一节热电偶传感器第二节热电阻传感器第三节热敏电阻第四节石英温度传感器第五节半导体温度传感器第六节集成温度传感器第七节温度传感器应用电路实例
第一节热电偶传感器
一热电偶的工作原理及构成
把两根不同材料的导体或半导体A、B连接成一个闭合回路，如图2-1所示，当两导体两个接点1和2处于不同温度T和T0 时，则在两导体间产生热电势，回路中有一定的电流。利用这种热电效应所构成的传感器称为热电偶。
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第一节热电偶传感器
1 冷端导线延伸补偿法为了使热电偶的冷端温度保持恒定（最好为0℃），常用导
线将热电偶的冷端延伸出来，使其置于恒温环境中如图23所示。延伸用的导线在一定温度范围内（0～1000℃）。应具有和所连热电偶相同的热电偶相同的热电性能。 2 电桥补偿法利用不平衡电桥所产生的电势来补偿热电偶因冷端温度变化所引起热电势变化进行补偿的方法称为电桥补偿法。它由电阻温度系数很小的锰铜丝制成的电阻R1、R2、R3，和温度系数较大的铜丝制成的电阻RT连接成如图2-4所示的不平衡电桥。电桥的4个电阻均和热电偶的冷端处在同一个环境温度，但由于RT的阻值随环境温度变化而变化，使电桥产生的不平衡电压的大小和极性随着环境温度的变化而变化，从而达到自动补偿的目的。
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第一节热电偶传感器
6 钨铼5－钨铼20热电偶其正极是95%钨和5%铼的合金，负极是80%钨和
20%铼的合金。它是一种较好的超高温热电偶，其最高使用温度受绝缘材料的限制，一般可达2400℃，在真空中用裸丝测量时可用到更高的温度测量。它的性能稳定，可在氧气中连续使用100小时，真空中使用8小时，精度稳定在±1%以内。
100倍； (2) 结构简单，体积小，可以测量点温度； (3) 电阻率高，热惯性小，适宜动态测量； (4) 阻值与温度的变化呈线性关系 (5) 测量范围较小，不宜在高温下使用，一般说来，其测量
范围在-50～＋350℃之间； (6) 稳定性和互换性较差。
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第三节热敏电阻
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第一节热电偶传感器
3 镍铬—镍硅热电偶镍铬为正极，镍硅为负极。测量温度范围为-50～130℃。
它的化学稳定性较高，复制性好，产生热电势大，线性好，价格便宜。 4 镍铬－考铜热电偶其正极是镍铬合金，负极是镍铜的合金考铜。它适宜于 800℃以下温度的测量。它的特点是热电势大、灵敏度高、抗氧化性能好，价格低。 5 铂铑30—铂铑6热电偶其正极是70%铂和30%铑的合金，负极是94%铂和 6%铑的合金。它具有测量精度高、稳定性好和抗氧化性能强的特点。它可以在1600℃下长期使用，适用于高温测量。

B＝-5.802×10-7/℃-2

C＝3.90802×10-3/℃
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第二节热电阻传感器
2.铜热电阻
由于铂是贵金属，使得铂热电阻造价较高，为此，在一些精度要求不高而且被测温度较低的场合，一般采用铜热电阻。铜热电阻的主要性能特点为:
（1）测量范围-50～180℃；
半导体热敏电阻绝大多数具有负温度系数的特性，这是因为半导体是载流子（电子、空穴）导电方式所致。由于半导体中载流子的数目远比金属中的自由电子少的多，所以它的电阻率很大。随着温度的升高，半导体中参加导电的载流子数目就会增多，其导电率随之增加，它的电阻率也就降低了。至于有少数的半导体热敏电阻具有正的温度系数，那是它们的载流子随温度的升高反而减少的特性所引起的。
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第二节热电阻传感器
一热电阻的工作原理
导体或半导体的电阻常随温度变化而变化的现象称为热电阻效应，利用具有热电阻效应的导体或半导体制成的传感器叫做热电阻传感器。
热电阻传感器按电阻－温度特性的不同可分为金属热电阻和半导体热电阻两大类。金属热电阻其电阻－温度特性表现为当温度升高时其电阻增大，而半导体热电阻随温度升高其电阻反而减小。一般把金属热电阻称为热电阻，而把半导体热电阻称为热敏电阻。
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第三节热敏电阻
热敏电阻就是根据半导体的电阻值随温度显著变化的特性制成的热敏元件。大多数热敏电阻是由各种氧化物按一定比例混合烧结而成的。
二热敏电阻的特点和主要参数
1.特点相对一般的金属热电阻来说，热敏电阻的主要特点如下： (1) 电阻温度系数大，灵敏度高，比一般金属电阻大10～
1 铂铑－铂热电偶其正极是由90%铂和10%铑的合金铂铑丝制成，纯铂为负
极。它具有测量精度高、稳定性好、抗氧化性能好等特点。它可在1300℃以下内长期使用，短期可测1600℃高温。 LB热电偶材料为贵金属，成本较高。 2 铜—康铜热电偶纯铜为正极，负极为60%铜和40%镍的康铜合金，但测量 0℃以下温度时，极性相反。该类热电偶属低温热电偶，主要用于－200～300℃范围内温度的测量。它具有稳定性好、均匀性好，但电极容易老化的特点。
三热电偶的温度补偿
热电偶的输出电势是冷热两端温度差的函数，只有当其冷端温度保持不变的情况下，热电势才是被测温度的单值函数端由。（于一冷热般端电将）偶。的T作通两为常端被要离测求的温很T度0近保端，持（冷为热端0端℃又），暴，但露T在在0作实空为际气参使中比用，温时受度，其环境温度的影响，冷端的温度很难保持恒定的0℃，于是就产生了热电偶冷端补偿的问题。下面介绍两种常用的进行温度补偿的方法。
系。
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第二节热电阻传感器
根据上述要求，纯金属是制造热电阻的主要材料。目前，广
泛使用的热电阻材料有铂、铜、镍、铁等。这些材料的电阻
率与温度的关系，一般都可近似用下面的二次方程来描述；Biblioteka at 2 bt c
（2-3）
式中：ρ——电阻率；

t——温度，单位℃；

a、b、c —— 由实验确定的常量。
三常用热电阻
1 铂热电阻
铂是一种贵金属，它的性能稳定、重复性好、精度高，由它
做成的热电阻是一种国际公认的成熟产品，在工业中得到了广泛的应用。铂电阻的使用温度范围是-200～650℃，其阻值与温度变化的关系可近似用下式表示：
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第二节热电阻传感器
在-200～0℃范围内
在通常的测量中要求冷端的温度恒定，此时热电偶的热电势就是被测温度的单值函数，即：

传感器 第二章

第2章传感器特性

传感器原理第二章 电阻应变传感器