传感器第二章汇总
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第二章传感器测量电路
第二章 传感器测量电路
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2.1传感器测量电路的作用
2.1.1 测量电路的基本概念及要求
在传感技术中，通常把对传感器的输出信号进行加工的 电子电路称为传感器测量电路。传感器的输出信号一般具有 如下特点 : 1 ．传感器输出信号的形式有模拟信号型、数字信号型和开 关信号型等。 2 ．传感器输出信号的类型有电压、电流、电阻、电容、电 感、频率等，通常是动态的。 3 ．传感器的动态范围大 4 ．输出的电信号一般都比较弱，如电压信号通常为 µv-mv Company Logo 级，电流信号为 uA-mA 级。
2.2.3 数字式测量电路
根据不同的数学式传感器的信号特点，选择合适的测量 电路。光栅、磁栅、感应同步器等数字式传感器，输出的是 增量码信号，其测量电路的典型组成框图如图 2-4 所示。
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2.3噪声与抗干扰技术
在传感器电路的信号输入输出转换过程中，所出现的与 被测量无关的随机信号被称为噪声。由噪声所造成的不良效 应被称为干扰。 为了减小测量误差使用时需注意下面几个问题 : 1 ．使用传感器时，灵敏度这项指标不宜选得太高，尤其是 使用环境比恶劣、比较复杂时要根据测量项目精度要求选择 合适的传感器的灵敏度等级。 2 ．降低外界因素对传感器实际作用的功率。
3. 传感器的非线性校正
4. 补环境温度对传感器的影响，
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5.A/D 变换
常用的单元电路有 : 电桥电路、谐振电路、脉冲调宽电路、调频电路、取样保 持电路、模 / 数 (A/D) 和数 / 模 (D/A) 转换电路、调 制解调电路。传感器测量电路前、后两端的配置一般如图 2-1 所示。
5 ．光电藕合使用光电藕合器是切断地环路电流干扰的十分有 效的方法，其原理如图 2-9 所示。由于两个电路之间采用了 光电搞合，两个电路的地电位即使不同也不会造成干扰。
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2.1传感器测量电路的作用
2.1.1 测量电路的基本概念及要求
在传感技术中，通常把对传感器的输出信号进行加工的 电子电路称为传感器测量电路。传感器的输出信号一般具有 如下特点 : 1 ．传感器输出信号的形式有模拟信号型、数字信号型和开 关信号型等。 2 ．传感器输出信号的类型有电压、电流、电阻、电容、电 感、频率等，通常是动态的。 3 ．传感器的动态范围大 4 ．输出的电信号一般都比较弱，如电压信号通常为 µv-mv Company Logo 级，电流信号为 uA-mA 级。
2.2.3 数字式测量电路
根据不同的数学式传感器的信号特点，选择合适的测量 电路。光栅、磁栅、感应同步器等数字式传感器，输出的是 增量码信号，其测量电路的典型组成框图如图 2-4 所示。
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2.3噪声与抗干扰技术
在传感器电路的信号输入输出转换过程中，所出现的与 被测量无关的随机信号被称为噪声。由噪声所造成的不良效 应被称为干扰。 为了减小测量误差使用时需注意下面几个问题 : 1 ．使用传感器时，灵敏度这项指标不宜选得太高，尤其是 使用环境比恶劣、比较复杂时要根据测量项目精度要求选择 合适的传感器的灵敏度等级。 2 ．降低外界因素对传感器实际作用的功率。
3. 传感器的非线性校正
4. 补环境温度对传感器的影响，
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5.A/D 变换
常用的单元电路有 : 电桥电路、谐振电路、脉冲调宽电路、调频电路、取样保 持电路、模 / 数 (A/D) 和数 / 模 (D/A) 转换电路、调 制解调电路。传感器测量电路前、后两端的配置一般如图 2-1 所示。
5 ．光电藕合使用光电藕合器是切断地环路电流干扰的十分有 效的方法，其原理如图 2-9 所示。由于两个电路之间采用了 光电搞合，两个电路的地电位即使不同也不会造成干扰。
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。
传感器考试知识点总括
传感器知识要点要点回顾第二章常用传感器基本概念：1--有关传感器的定义、基本组成涵盖框图；2--传感器的基本特性（灵敏度、线性度、重复性、精确度、稳定性、动态特性、环境参数）3--传感器的分类方法和种类，何谓能量控制型传感器（电阻、电容、电感）也称无源型传感器、何谓能量转换型传感器（压电、磁电、热电、光电）也称有源传感器。
4—电阻型传感器要求掌握公式，见书第6页，三个相关参数，对于电阻应变式：电阻应变片的电阻相对变化率是与应变成正比的。
掌握应变选择原则：当测量较小应变时，应选用压阻效应工作的应变片，而测量大应变时，应选用应变效应工作的应变片。
5---对于金属丝应变片在测量被测物体的应变时，电阻的相对变化主要由哪个参数决定的（丝的几何尺寸）来决定的。
6—对于电容式传感器，请掌握其测量原理，相关公式，对应的三个参数的含义，要求掌握变极距有关灵敏度的计算公式：见书第14页2.27，其灵敏度显然是非线性的，其使用时有条件的。
7—对于电感式传感器要掌握测量原理，计算公式，掌握自感式、互感式、差动式结构的特点，请注意实际工程应用的接法。
见书第21页。
图2.23b.反向串联。
掌握电涡流基本原理。
利用涡电流传感器测量物体位移时，如果被测物体是塑料材料，此时可否进行位移测量，如果不能，应采取什么措施才能测量。
8--- 有关压电传感器，要掌握压电效应，何谓正压电效应，何谓逆压电效应，压电效应的等效电路，压电传感器对测量电路的要求，见书第26-27。
压电式传感器可以采用多片压电晶片串联或并联，一般并联接法适宜于测量缓变信号，串联接法适宜于测量高频信号。
为了使输出电压几乎不受电缆长度变化的影响，其前置放大器应采用电荷放大器。
为什么说压电式传感器一般适合动态测量而不适合静态测量?9---对于磁电式传感器，要求掌握测量原理，基本公式，请看书第28页，恒磁通动圈式传感器，输出感应电势与线圈运动的速度成正比，如在测量电路中接入积分电路和微分电路，则可用来测量位移和加速度。
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
返 回 上一页 下一页
（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。
返
回
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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 第二章
The all-element varying bridge produces the most signal for a given resistance change and is inherently linear. It is an industry-standard configuration for load cells which are constructed from four identical strain gages.
In some applications, the bridge nonlinearity may be acceptable, but there are various methods available to linearize bridges. Since there is a fixed relationship between the bridge resistance change and its output (show in the equations), software can be used to remove the linearity error in digital systems. Circuit techniques can also be used to linearize the bridge output directly, and these will be discussed shortly.
In many bridge applications there may be two,or even four elements which vary.
VB
VB
R R
R
R
R
VB
VB
传感器原理及应用-第2章
电桥电路
力、加速度、荷重等
应变
电阻变化
电压、电流
图2-1 电阻应变式传感器典型结构与测量原理
电阻应变片：利用金属丝的电阻应变效应或半导 体的压阻效应制成的一种传感元件。
电阻应变片的分类： 金属应变片和半导体应变片。
一、电阻应变片
（一）工作原理——应变效应
导体或半导体材料在外力的作用下产生机械变形时， 其电阻值相应发生变化的现象称为应变效应。
第二章 应变式传感器
主要内容：
一、电阻应变式传感器 二、压阻式传感器
本章重点：
电阻应变式传感器的构成原理及特性 电桥测量电路的结构形式及特点 压阻式传感器的工作原理
基本要求：
掌握电阻应变式传感器的构成原理及特性， 掌握电桥测量电路的结构形式及和差特性，掌握 压阻式传感器的工作原理及设计特点。
in2x
图2-10 应变片对应变波的动态响应
应变片对正弦应变波的响应是在其栅长 l 范围内所
感受应变量的平均值 m，低于真实应变波 t ，从而
产生误差。
t 瞬时应变片中点的应变(真实应变波) 值为：
t
0
s
in2
xt
t 瞬时应变片的平均应变(实际响应波) 值为：
m
也可写成增量形式
RRKs
l l
Ks
式中，Ks——金属丝的应变灵敏系数。物理意义是单位应变 所引起的电阻相对变化量。
金属丝的灵敏系数取决于两部分：
①金属丝几何尺寸的变化， 0 .3 (1 2 ) 1 .6
②电阻率随应变而引起的变化
Hale Waihona Puke 金属丝几何尺寸 金属本身的特性C
如康铜，C≈1， Ks ≈2.0。其他金属， Ks一般在1.8~4.8范围内。
第二章 传感器的基本特性
47
二阶系统的动态响应（振动系统）
二阶系统传递函数
b0 kw Y ( s) H ( s) 2 2 X ( s) a2 s a1s a0 s 2 wm s wn
零漂＝
Y0 100% YFS
式中 ΔY0 ——最大零点偏差；
YFS ——满量程输出。
22
温度漂移
传感器在外界温度变化时输出量的变化
温漂＝
max 100% YFS T
式中 Δmax —— 输出最大偏差； ΔT —— 温度变化范围； YFS —— 满量程输出。
23
其它特性指标
分辨率—— 传感器能够检测到的最小输入增量；
14
迟滞
重合的现象称迟滞。
输入量增大
传感器在正、反行程期间输入、输出曲线不
输入量减小
15
迟滞误差一般由满量程输出的百分数表示：
H H max / Y
FS
100%
H max Y2 Y1
例：一电子秤
增加砝码 电桥输出 减砝码输出
为正、反 行程输出值间的最大差值
10g —— 50g —— 100g —— 200g 0.5 mv --- 2mv --- 4mv --- 10mv 1 mv --- 5mv --- 8mv --- 10mv
16
重复性
传感器输入量按同一方向作多次测量时，输 出特性不一致的程度。
17
重复性误差用最大重复偏差表示：
Rmax rR 100% YFS
43
反变换后得出输出的振幅和频率变化特性
e 1 ( / ) y (t ) sin(t ) 2 2 2 2 (1/ ) (1/ )
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R R
(1
2 )
K0
应变片电阻的相对变化与应变片纵向应变成正比， 并且对同一电阻材料， K0=1+2μ是常数。 其灵敏度系数多在1.7～3.6之间。
金属箔式应变片
在绝缘基底上，将厚度为0.003～0.01mm电阻箔 材，利用照相制板或光刻腐蚀的方法，制成适 用于各种需要的形状
箔式应变片
优点 ：
宋长源
§2.1 应变式传感器
一、工作原理 1.金属的电阻应变效应 电阻应变效应：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。
R＝ l
A
F Δl、ΔA 、Δρ ΔR
dR
A
dl
l
A2
dA
l d
A
电阻的灵敏系数
R l A R l A
对于半径为r的圆导体，A=πr2，ΔA/A=2Δr/r 又由材料力学可知，在弹性范围内，t Nhomakorabeat
K0
(g
s )t
0
当被测试件的线膨胀系数βg已知时，通过选择敏感栅材料， 使下式成立
K0(g s )
即可达到温度自补偿的目的。
优点：容易加工，成本低， 缺点：只适用特定试件材料，温度补偿范围也较窄。
b. 双金属敏感栅自补偿应变片
② 应变片的自补偿法
粘贴在被测部位上的是一种特殊应变片，当温度变化 时，产生的附加应变为零或相互抵消，这种应变片称 为温度自补偿应变片。利用这种应变片来实现温度补 偿的方法称为应变片自补偿法。
a. 选择式自补偿应变片 b. 双金属敏感栅自补偿应变片
a.选择式自补偿应变片
由式(2.1.16)可知，实现温度补偿的条件为
弹性敏 感元件
应变
应变片
外力作用 被测对象表面产生微小机械变形
应变片敏感栅随同变形 电阻值发生相应变化
应变片的类型和材料
金属丝式 金属箔式
回线式 短接式
金属薄膜式
金属丝式应变片
金属电阻丝应变片的基本结构 1-基片；2-电阻丝；3-覆盖层；4-引出线
金属电阻应变片，材料电阻率随应变产生的变化很小，可忽略
（1）尺寸准确，线条均匀，适应不同的测量要求， （2）可制成多种复杂形状尺寸准确的敏感栅 （3）与被测试件接触面积大，粘结性能好。
散热条件好，允许电流大，灵敏度提高。 （4）横向效应可以忽略。 （5）蠕变、机械滞后小，疲劳寿命长。
缺点：
电阻值的分散性大 阻值调整
金属薄膜应变片
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，再加上保护层，易实现工业化批量 生产
电阻应变片的灵敏系数k < 电阻丝的灵敏系数k0
原因：
粘结层传递变形失真 还存在有横向效应
（二）横向效应
敏感栅是由多条直线和圆弧部分组成 直线段：沿轴向拉应变εx，电阻 圆弧段：沿轴向压应度εy 电阻
εy εx
K (箔式应变片)
εy
横向效应
应变片的横栅部分将纵向丝栅部分的电阻变化抵消了 一部分，从而降低了整个电阻应变片的灵敏度，带来 测量误差，其大小与敏感栅的构造及尺寸有关。敏感 栅的纵栅愈窄、愈长，而横栅愈宽、愈短，则横向效 应的影响愈小。
（三）温度误差及其补偿
1、试件材料的线膨胀引起的误差。当温度变化△t时，因试件材料和敏感栅材料的 线膨胀系数不同，应变片将产生附加拉长（或压缩），引起的电阻相对变化 。
lT1 lT1 l0 l0 s T lT 2 lT 2 l0 l0g T
lT lT 2 lT1 l0 (g s )T
l / l , r / r , / E
R (1 2 E)
R
ε为导体的纵向应变，其数值一般很小，常以微应变度量； μ为电阻丝材料的泊松比，一般金属μ=0.3~0.5； λ为压阻系数，与材质有关；σ为应力值；E为材料的弹性模量；
金属电阻的灵敏系数
k0
R
R
1 2
/
1 2 材料的几何尺寸变化引起的
T
lT l0
(g s )T
RT R0K0T R0K0 (g s )T
（三）温度误差及其补偿
2、敏感栅电阻随温度的变化引起的误差。当环境
温度变化△T 时，敏感栅材料电阻温度系数为 ，
则引起的电阻相对变化为
RT RT R0 R0 T
其中 RT R0 (1 T ) T T T0
F
R1
F
Rb
U0 A[(R1 R1t )R4 (RB RBt )R3 ] 0
U0 A[(R1 R1t R1)R4 (RB RBt )R3 ] 0
R1 R1K
电桥补偿法
优点： 简单、方便，在常温下补偿效果较好
缺点： 在温度变化梯度较大的条件下，很难做到工作片与补 偿片处于温度完全一致的情况，因而影响补偿效果。
应变片的电阻值 R
应变片在未经安装也不受外力情况下，于室温下测得 的电阻值
电阻系列：60、120、200、350、500、1000Ω
电阻值大
可以加大应变片承受电压， 输出信号大， 敏感栅尺寸也增大
（一）灵敏系数
k R / R
“标称灵敏系数”：受轴向单向力（拉或压），试件材料 为泊松系数μ=0.285的钢等。一批产品中只能抽样5％的 产品来测定，取平均值及允许公差值。
k 0 / 材料的电阻率ρ随应变引起的（压阻效应）
金属材料：k0以前者为主，则k0≈1+2μ=1.7~3.6 半 导 体：k0值主要是由电阻率相对变化所决定
R R
k0
2. 应变片的基本结构与种类
敏感栅 直径为0.025mm左右的合金电阻丝
丝绕式 基 底 绝缘
覆盖层 保护
位移、力、力矩、加速度、压力
可得由于温度变化而引起的总电阻变化为
RT RT RT R0T R0K0 (g s )T
相应的虚假应变输出为
T
RT / R0 K0
T
K0
(g
s )T
温度补偿
温度补偿
自补偿法
单丝自补偿法 组合式自补偿法
线路补偿法〔电桥补偿法、热敏电阻〕
① 电桥补偿法
R1
Rb
U0
R3
R4
U
U0 A(R1R4 RB R3 )
优点：应变灵敏系数大，允许电流密度大，工 作范围广，易实现工业化生产
问题：难控制电阻与温度和时间的变化关系
2.1 应变式传感器
2.1.1 工作原理 2.1.2 金属应变片的主要特性 2.1.3 测量电路 2.1.4 应变式传感器应用
2.1.2 金属应变片的主要特性
（一）灵敏系数 （二）横向效应 （三）温度误差及其补偿