第2讲 振动传感器测量系统原理及其应用技术
振动传感器工作原理
振动传感器工作原理振动传感器作为一种重要的测量设备，被广泛应用于机械、汽车、航空航天等领域。
它能够感知物体的振动，并将其转化为相应的电信号，实现振动信号的测量和分析。
本文将介绍振动传感器的工作原理及其应用。
一、振动传感器的工作原理振动传感器的工作原理基于物体的振动与形变之间的关系。
通常采用压电式和电阻式两种工作原理。
1. 压电式振动传感器压电式振动传感器利用压电材料的压电效应实现振动信号的转换。
当物体振动时，压电材料会产生电荷分布的变化，进而生成电压信号。
这个电压信号的振幅和频率与物体的振动情况密切相关。
2. 电阻式振动传感器电阻式振动传感器则是通过物体的振动引起电阻值的变化，进而反映振动信号的大小。
一般采用杨氏效应或皮尔森效应等原理实现。
当物体振动时，电阻值会随之发生变化，电流通过电阻产生的电压信号也相应改变。
二、振动传感器的应用振动传感器在诸多领域都有广泛应用。
下面列举几个典型的例子：1. 机械设备的振动监测机械设备的振动监测对于保证设备的正常运行和预防故障非常重要。
振动传感器可以安装在设备关键位置，实时监测设备的振动状态。
通过分析振动信号的频率、幅值等参数，可以判断设备是否存在异常，及时采取措施进行修理或维护。
2. 汽车工业中的应用振动传感器在汽车工业中起到至关重要的作用。
它可以被用于发动机的振动监测，以及车辆悬挂系统、制动系统等重要部件的振动检测。
准确地监测和分析振动信号可以帮助提高汽车性能，延长零部件的使用寿命。
3. 结构工程中的振动测量在结构工程领域，振动传感器用于测量建筑物、桥梁等结构的振动响应。
通过对结构振动的监测，可以评估结构的稳定性和安全性，及时发现隐患并采取措施进行修复，确保建筑物的正常运行。
4. 科学研究中的应用振动传感器在科学研究中也扮演着重要的角色。
比如，在地震研究中，振动传感器可以用来监测地壳的振动情况，以及识别地震的发生与规模。
而在物理实验中，振动传感器可以被用来测量物体的共振频率等参数。
振动测量仪器的原理和应用
振动测量仪器的原理和应用概述振动测量仪器是一种用于测量物体、设备或结构的振动特性的工具。
它可以帮助工程师、技术人员以及研究人员了解振动的频率、幅度和相位等参数，进而评估其影响和改善振动的方法。
本文将介绍振动测量仪器的基本原理以及在不同领域中的应用。
原理振动测量仪器基于物体振动的能量传递原理来工作。
它使用传感器将物体振动转换成电信号，并经过信号处理和分析来获得振动的各项参数。
以下是振动测量仪器基本的工作原理：1.传感器：振动测量仪器通常使用加速度传感器或振动传感器来检测物体振动。
加速度传感器是最常见的传感器，它可以测量物体在空间中的加速度。
振动传感器则是一种特殊的传感器，可以直接测量物体的振动。
2.信号转换：传感器输出的模拟信号需要经过信号转换器转换为数字信号，以便于计算机或其他设备进行进一步处理和分析。
3.信号处理和分析：数字信号经过处理和分析，可以提取出振动的频率、幅度和相位等信息。
常见的信号处理技术包括傅里叶变换、相关分析和模态分析等。
4.数据显示和记录：处理后的振动数据可以通过显示器或记录器进行显示和记录，以便于后续分析和评估。
通常，振动数据会以图表或曲线的形式展示，以便于直观观察和比较。
应用振动测量仪器具有广泛的应用领域。
下面列举了几个常见的应用案例：1.机械工程：在机械工程领域，振动测量仪器常用于评估和监测机械设备的振动状况。
通过监测设备的振动特性，可以判断其工作状态是否正常，预测故障的可能性，并采取相应的维修和保养措施。
2.建筑工程：在建筑工程中，振动测量仪器可用于评估建筑结构的振动响应和稳定性。
例如，在大楼建设过程中，需要进行地震响应分析，以确保建筑物能够在地震发生时承受振动。
3.航空航天：在航空航天领域，振动测量仪器用于评估飞机、火箭等航空器的振动性能。
振动测试可以帮助确定航空器的结构强度和振动抑制能力，以确保安全和可靠的飞行。
4.电子设备：在电子设备制造中，振动测量仪器常用于测试电子产品的振动寿命和可靠性。
振动传感器原理及应用
振动传感器原理及应用振动传感器是一种能够感知物体振动并将其转化为电信号的装置。
它在工业生产、机械设备监测、车辆安全以及医疗设备等领域都有着广泛的应用。
本文将介绍振动传感器的工作原理及其在不同领域的应用。
振动传感器的工作原理主要基于质量的惯性原理。
当受到外力作用时，传感器内部的质量会发生相对位移，从而产生相对于传感器壳体的加速度。
这个加速度会被传感器转化为相应的电信号输出。
传感器的输出信号可以通过放大、滤波等电路处理后，转化为与振动信号相关的电压、电流或数字信号，供后续的数据分析和处理。
在工业生产中，振动传感器被广泛应用于设备的状态监测和故障诊断。
通过安装在设备上的振动传感器，可以实时监测设备的振动情况，及时发现异常振动并进行预警。
这对于保障设备的安全运行和延长设备的使用寿命具有重要意义。
另外，振动传感器还可以用于机械设备的结构健康监测，通过分析设备的振动信号，可以评估设备的结构状况和工作状态，为设备的维护和维修提供重要的参考依据。
在车辆安全领域，振动传感器被广泛应用于车辆的碰撞检测和安全气囊系统。
当车辆发生碰撞时，车辆内部的振动传感器会感知到碰撞产生的振动信号，并迅速将信号转化为电信号输出，触发安全气囊系统的启动，保护车辆乘员的安全。
振动传感器在车辆的防盗系统中也有着重要的作用，通过感知车辆的振动情况，可以及时发出警报并防止车辆被盗。
在医疗设备领域，振动传感器被应用于心率监测、呼吸监测等方面。
通过安装在患者身体上的振动传感器，可以实时监测患者的心跳和呼吸情况，并将监测到的信号传输给医疗设备，为医生提供重要的临床诊断依据。
总的来说，振动传感器作为一种重要的传感器装置，在工业生产、车辆安全和医疗设备等领域都有着广泛的应用前景。
随着科技的不断发展，振动传感器的性能和应用领域还将不断拓展，为各个领域的发展提供更多的可能性。
振动传感器原理及应用
振动传感器原理及应用振动传感器是一种用于检测并测量物体振动的装置。
其原理是基于物体振动产生的力学振动转化成电信号，通过电路进行放大和处理，最终转化为可供计算机或其他设备处理的信号。
振动传感器的工作原理通常有两种方式：压电效应和电感效应。
其中，压电效应是指将机械振动转化为电荷振动的过程，利用压电材料(例如石英晶体、陶瓷等)的压电效应，当材料受到外力作用时，产生电荷变化，进而产生电压或电流信号。
而电感效应是指通过感应电场变化产生电位变化的原理。
当振动传感器受到振动作用时，振动物体的加速度会影响电感元件内的电感值，从而改变其感应电压或感应电流。
振动传感器广泛应用于各个领域。
在工业领域中，振动传感器可用于机械装置的状态监测、故障诊断和预测维护。
通过安装振动传感器在机械设备上，可以实时检测设备的振动情况，从而监测设备的运行状态，及时发现并预测设备的故障，进一步降低维修成本和避免设备的停机时间。
在交通运输领域，振动传感器可用于汽车和火车的震动检测。
通过在车辆底盘或悬挂系统上安装振动传感器，可以实时监测车辆的振动情况，从而判断车辆的运行状态，提供有效的信息以提高行驶安全性和乘客的舒适度。
此外，振动传感器还可用于医疗设备、环境监测、航空航天等领域。
在医疗设备中，振动传感器可用于检测人体心率和呼吸频率。
在环境监测中，振动传感器可用于检测地震、建筑物振动等自然灾害。
在航空航天领域，振动传感器可用于检测飞机结构的运行状态和振动情况，进一步提高飞行安全性。
总之，振动传感器作为一种重要的检测装置，其原理简单而可靠，应用广泛，可以在很多领域中实现振动的监测和测量，从而提高设备的可靠性和性能。
振动传感器原理及应用
振动传感器原理及应用
1振动传感器的简介
振动传感器是集振动测量、调节、控制、保护、诊断及记录等功能于一体的测量仪表，它能够振动检测、采集和控制回路中传输信息，用以确定被测介质（如机械设备、土壤，结构等）的动态特性及参数。
振动传感器通常以弹簧陀螺或小型电机介质为激发源，利用独特的检测结构，被设置其中，它能够检测出测量体表面的微小振动，它的输出通过放大器及滤波装置，分离有用的振动信号，并且将其转换成电信号;
2振动传感器的原理
振动传感器是一种非接触式的测力传感器，它在无接触的状态下，通过安装在特定位置上的振动检测元件，来使用振动信号来进行检测测量，从而检测出位置上的机械振动及其变化信息。
它在实际应用时，将振动检测元件安装在某处，一旦发生了一定的位移、速度或加速度变化，振动检测元件就会产生电信号，通过放大器进行放大再传输，从而获取所需的信息。
3振动传感器的应用
振动传感器有着广泛的应用，常用于汽车发动机振动、摆线针轮轴承、电机轴承、空调机组振动及扇叶转速等机械设备的状况检测，以此来调整设备的操作，以及对结构的稳定性做出观测和监控。
在山地机械中，振动传感器也可以用来监测机器人的位置及运动状况，这
样一来就可以精确测量出机器人在不同情况下的高度及横向滑动的位置，从而为其它的机械设备或动作提供参考跟随的信息。
振动传感器原理与应用
振动传感器原理与应用振动传感器是一种能够将机械振动转化为电信号的设备，其原理主要基于物体振动引起压电材料产生电荷的现象。
振动传感器被广泛应用于工业领域，用于检测与监测机械、设备或结构物的振动状况，以实现故障预测、状态监测、结构健康评估等目的。
1.接触机械振动：振动传感器通过与被测物体接触或安装在其表面，感知机械振动的运动。
2.压电效应：振动传感器中采用了压电材料，例如压电晶体（如石英晶体）或陶瓷材料（如铅锆钛酸铅），这些材料能够在受到压力或振动刺激时产生电荷。
3.电荷转化：当压电材料受到振动刺激时，压电效应会导致材料内部产生正负电荷的分离。
这些电荷被极板收集，并通过导线传输给读取电路。
4.电信号输出：读取电路对收集到的电荷进行放大和滤波处理，然后将其转化为可识别的电信号，常见的输出形式为电压信号或电流信号。
这些信号可以被数字或模拟设备接收和分析，用于后续的数据处理和监测。
1.机械设备监测：振动传感器可以用于监测旋转机械设备（如风机、泵、发动机等）的振动状态，以及传送带、轨道等构件的振动情况。
通过监测振动信号，可以实现对机械设备的故障预测、状态监测和健康评估，从而提高设备的可靠性和运行效率。
2.结构健康监测：振动传感器可以应用于建筑物、桥梁、飞机、船舶等结构物的振动监测。
通过对结构物振动状态的监测，可以检测到可能存在的结构弱点、缺陷或损伤，及时采取预防措施，确保结构物的安全和可靠性。
3.地震监测：振动传感器可以用于地震活动的监测与研究，以收集地震波的信息。
这些振动传感器可以分布在地震活跃区域，监测地壳的振动变化，从而提供地震预警和地震学研究的数据基础。
4.汽车工业：振动传感器在汽车工业领域也有广泛应用，用于监测发动机、刹车系统、悬挂系统等的振动状态，以实现车辆的安全性和舒适性。
5.医疗领域：振动传感器在医疗设备中的应用包括心率监测、呼吸监测、体位监测等。
通过监测身体的微小振动，可以提供医疗监测和诊断的数据基础。
振动传感器原理
振动传感器原理振动传感器是一种常见的传感器，它可以用于测量物体的振动情况。
它在工业生产、机械设备、科学研究等领域中有着广泛的应用。
本文将介绍振动传感器的原理及其工作方式。
一、振动传感器的原理振动传感器的原理基于压电效应。
当物体发生振动时，振动传感器能够将振动力转化为电信号，从而实现对振动情况的检测和测量。
振动传感器通常由压电陶瓷材料制成，这种材料具有压电效应，即当它受到外力压缩或拉伸时，会产生电荷。
当物体振动时，振动力会使压电陶瓷产生相应的变形，从而产生电荷，这个电荷被称为压电效应。
二、振动传感器的工作方式振动传感器通过将压电陶瓷材料连接到外部电路中来工作。
具体来说，振动传感器通过将压电陶瓷材料与前置放大器相连，将产生的电荷信号转化为电压信号，从而实现对物体振动的测量。
在实际应用中，振动传感器通常被安装在待测物体表面。
当物体发生振动时，振动力会传递给振动传感器。
振动传感器将振动力转化为电荷信号，并通过前置放大器放大转化后的电信号。
最终，这个电信号被传输给记录设备或显示屏，以供工程师或研究人员分析振动情况。
三、振动传感器的应用振动传感器的应用非常广泛。
它可以用于以下几个方面：1. 工业生产中的故障诊断：振动传感器可以用于监测机械设备的振动情况，以及及时发现设备的故障。
通过对振动信号的分析，工程师可以判断设备是否存在故障，并采取相应的措施进行维修和保养。
2. 运动监测：振动传感器可以用于监测人体的运动情况。
例如，在运动训练中，振动传感器可以用于检测运动员的姿势和力量输出，以帮助运动员进行训练和调整。
3. 地震监测：振动传感器可以用于监测地震的振动情况。
通过对地震振动信号的采集和分析，科学家可以判断地震的强度和震源位置，从而提供及时的预警和应急措施。
4. 交通监测：振动传感器可以用于监测道路上的车辆流量和车辆速度。
通过对振动信号的分析，交通管理部门可以实时了解道路交通状况，并采取相应的措施进行交通调控。
振动传感器原理及应用
振动传感器原理及应用振动传感器是一种能够感知物体振动并将其转化为电信号的传感器，它在工业生产、机械设备监测、地震预警等领域有着广泛的应用。
本文将从振动传感器的工作原理、类型、应用场景以及未来发展方向等方面进行介绍。
振动传感器的工作原理主要是基于物体振动时产生的微小变化。
当物体受到外力作用时，会产生振动，而振动传感器可以通过测量物体振动时产生的位移、速度或加速度变化来实现对振动的感知。
常见的振动传感器工作原理包括压电效应、电磁感应效应、电容效应等。
其中，压电式振动传感器是应用最为广泛的一种，它利用压电晶体的压电效应将机械振动转化为电信号。
根据不同的工作原理，振动传感器可以分为压电式、电容式、电磁式、电阻式等多种类型。
每种类型的传感器都有其独特的特点和适用场景。
压电式振动传感器具有灵敏度高、频率响应宽等优点，适用于高频振动的监测；而电容式振动传感器则具有体积小、重量轻等特点，适用于对振动传感器体积要求严格的场景。
在实际应用中，振动传感器被广泛应用于工业生产和设备监测领域。
例如，振动传感器可以用于监测机械设备的振动情况，及时发现设备的异常振动并进行故障诊断和预防维护。
此外，振动传感器还被应用于地震预警系统中，通过监测地壳振动情况实现对地震的预警和监测。
随着科学技术的不断发展，振动传感器在未来的发展方向也将朝着更高的精度、更广的应用领域和更小的体积方向发展。
例如，随着微电子技术的进步，微型化、集成化的振动传感器将会得到更广泛的应用；同时，智能化、网络化的振动传感器系统也将成为未来的发展趋势，实现对振动数据的实时监测和分析。
总的来说，振动传感器作为一种重要的传感器设备，在工业生产、设备监测、地震预警等领域都有着重要的应用价值。
通过对振动传感器的工作原理、类型和应用场景的了解，可以更好地应用振动传感器技术，提高生产效率，保障设备安全，实现对振动数据的有效监测和分析。
随着科技的不断进步，振动传感器的应用前景也将更加广阔，为各行各业的发展提供更为可靠的技术支持。
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X r X r Xr D0e j0 Ae 2 X e Xe 1 D0 (1 2 ) 2 4 22
灵敏度： S
输出量，如电压 U 输入振动量 X
分辨率： X min
U min S
频率范围：保证S变化小于某一给定误差限的频率范围，包括上限 fU和下限fL。压电式加速度计的测量频率已达300kHz。 动态范围（又称线性范围）：保证S 变化小于某一给定误差限的机 械量的幅值范围，包括幅值上限Xmax和下限Xmin，分别称为最大可测 振级和最小可测振级。常用上下限的比值表示：
P波最快，S波次之，面波最慢但能量最大
• 面波是地震波的一种，主要在地表传播，能量最大，波速约为3.8千米/ 秒，低于体波，往往最后被记录到。如果地震非常强烈，面波可能在震 后围绕地球运行数日。面波实际上是体波在地表衍生而成的次生波。面 波的传播较为复杂，既可以引起地表上下的起伏，也可以是地表做横向 的剪切，其中剪切运动对建筑物的破坏最为强烈。
ut S Bl vr
是个常数，不随频率变化，也没有相移。
x x x 机械接收部分： mr cxr kxr me f t me Bli
机电变换部分： Lt 耦合方程。稳态简谐情况下，测量电路输入端c、d获得的电压为
u0 U 0e jt
U0 R0 BlVr R0 Rt j Lt R0 Rt R0 Lt
X r Vr 2 2 D2e j2 X e Ve n j2n
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n
120
2
X max D 20 lg （dB） X min
例: D=70dB， Xmax / Xmin =3162倍。
丹麦B&K公司采用IEC推荐标准，规定其加速度测量 系统的幅值下限的信噪比为5dB，即
US S (dB) 20 lg 5dB N UN
US 1.77 UN
US
X min
US S
测量范围： 频率范围： 供电电源： 体积： 灵敏度： 价格： 测试环境： 例：
光测法：将机械 振动转换为光信 息进行测量的方 灵敏度： 价格： 测试环境： 法。 电测法：机电变 例： 换原理。（重点）
光测法 测量范围： 1/4 波长或更低—m 频率范围： 中低频 可选传感器： 较少 电源或光源： 激光或其它光源 体积： 大 高<光波长（如<1 微米） 贵 要求隔振、现场测量较困 难、不接触式、温度及腐 蚀要求低 读数显微镜 激光干涉仪（麦克尔逊干 涉条纹） 激光散斑法（ESPI 电子 散斑） 高速摄影法
对于结构振动源进 行监测的试验中， 则应该使传感器安 装的位置尽可能接 近振动源的直接传 递路径，安装方向 也必须能够反映振 动源的振动方向； 安装表面应平整。
• 电隔离(Electrical
Isolation) – 云母垫片(Mica washer)加 上绝缘螺栓； – 将陶瓷焊在金属上的隔离 垫可耐高温。
• 机械滤波器(Mechanical Filter)—特制的安装电机械隔离连接器
传感器响应曲线的共振峰采用测 量系统电子滤波器，压低幅值或 隔除，但这一过程发生在传感器 接收结构机械振动之后，因此无 法防止输入环节传感器过载； 采用安装在传感器和结构之间的机械滤波器，不仅起到电隔离的作用，而且由 于机械滤波器的固有频率高于加速度计，并在加速度计共振峰附近出现一反共 振区，从而压低结构传递给加速度计的共振响应信号，保护加速度计及其后续 放大和测量系统。
2 n 2 n 2 n 2
0
-30
-60
0
-90
= 0.1 = 0.2 = 0.5 = 0.7 = 0.9
-120
0 arctan
2 1 2
π 0 0
-150
-180 0 1 2 3 4 5 6 7 8
• 记录地震波的仪器称为地震仪，它能客观而及时地将地面的振动记录下来。 • 基本原理是利用一件悬挂的重物的惯性，地震发生时地面振动而它因惯性 保持不动。由地震仪记录下来的震动是一条具有不同起伏幅度的曲线，称 为地震谱。曲线起伏幅度与地震波引起地面振动的振幅相应，它标志着地 震的强烈程度。 • 从地震谱可以清楚地辨别出各类震波的效应。纵波与横波到达同一地震台 的时间差，即时差与震中离地震台的距离成正比，离震中越远，时差越大。 由此规律即可求出震中离地震台的距离，即震中距。 • 世界上最早的地震仪是我国东汉时代的著名科学家张衡发明的。
S | S | Bl
当不考虑 Lt
Blxr i R0
代入机械接收方程，得
mr cxr kxr me x x
B 2l 2 c c R0
即反馈电流相当于增加了系统的阻尼。 R0当很大时，
c c
相移 0.65
D2
5
4
3
电测法 宽（大、中、小量程均有） 宽（大、中、小量程均有） 规格型号多 需要 中、小（Kistler 公司 1mm 注塑监控用力传感器） 高、中、低均有 高、中、低档均有 接触式、需考虑温度、湿 度、腐蚀及电磁干扰等影 响 伺服式加速度计 压电式加速度计 惯性式速度计 角位移计
传感器生产 商：
丹麦 B&K、瑞士 Kistler、 美 国 Endevoc 、 上 海 B&W、扬州无线电二厂、 秦皇岛传感器研究所等
双面胶
胶粘单 头螺纹
双头螺纹
蜂蜡
手持式
磁座
• 振动结构各点的响应有很大的差别，因此选择适当的安 装位置非常重要； • 需避免安装在结构振动的节点或节线上； • 应尽可能安装在结构响应信号较大的位置，以提高信噪 比，提高测试的精度； • 对于测试结构总体模态特性为目的的试验中，传感器应 该尽可能避免安装在局部模态贡献大的位置； • 传感器的选择要充分考虑传感器附加质量对安装结构局 部的影响，如果安装局部较轻、较薄，则应该选用体积 小质量轻的传感器、或采用非接触式传感器进行测量。
HP公司生产的加速度信号测量传感器芯片
机械法：杠杆（相对式接触式） 或惯性原理（绝对式接触式） 接收并记录振动的方法。
相对式 0.01—15mm 0—330Hz 无 大 低 惯性式 0.01—20mm 2—330Hz 无 大 低 便宜 无电磁干扰、但须考虑温度、安装及腐蚀问题 手持式振动仪、测振表 盖格尔振动仪
di ( R0 Rt )i ut Blv r Blxr dt
U 0 BlVr
由于位移计型惯性接收关系为
Vr D2 e j2 Ve
所以传感器相应的复数灵敏度为
S U 0 BlVr BlD2e j2 Ve Ve
传感器的工作频段在其固有频率之上, D2 1 系统的名义速度灵敏度为
90
= 0.1 = 0.2 = 0.5 = 0.7 = 0.9
60
2 arctan
2 1 2
30
0 2 π
0 0 1 2 3 4 5 6 7 8
5
• 传感器的工作区在其 固有频率之下。 • 阻尼比在最佳阻尼比 0.5—0.7之间时，可 拓宽传感器的使用上 限频率。
= 0.1 = 0.2 = 0.5 = 0.7 = 0.9
2
• 传感器的工作区在其固有 频率之上，在固有频率附 近相移很明显，必须进行 修正。 • 阻尼比在最佳阻尼比0.5— 0.7之间时，D21,可拓宽 传感器的使用下限频率。
2
1
0 0 2 4 6 8
180
150
120
90
安装在被测物上 的传感器，将增 加振动系统的质 量，从而影响被 测结构的力学特 性；
通常传感器质量 应小于等于所安 装振动部件“局 部”动态质量的 1/10。
• 基于磁电变换的传感器。 • 楞次定律：长度为l的导线以速 度v垂直于磁场方向运动时，导 传感器 体将产生感应电动势，其大小为 ut=Blv。其方向满足右手定则， 即伸平右手，大拇指垂直于其它 四指，让磁力线垂直右手心，大 拇指指向导线运动方向，则其他 四指的方向为电动势正方向。 • 安培定律：当导体中有电流i时， 导体将受磁场电磁力作用，其大 小为ft=Bli.其方向满足左手定则， 激振器 即伸平左手，大拇指垂直于其他 四指，让磁力线垂直右手心，四 指指向电流方向，则大拇指的方 向为电磁力方向。
北京工业大学机电学院 郭铁能
1
振动测试框图及其测量方法 测量系统的主要性能指标
2
3
振动传感器的原理及其分类
各种传感器原理及基本应用技术
4
被测结构---激励系统------测量系统-----------分析系统
测试技术，现阶段是向多功能、集成化、智能化发展，进行快变参数和 动态测量，是自动化过程控制系统中的重要一环，其主要支柱是微电子与计算 机技术。传感器与微计算机结合，产生了智能传感器。它能自动选择量程和增 益，自动校准与实时校准，进行非线性校正、漂移等误差补偿和复杂的计算处 理，完成自动故障监控和过载保护等。
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