传感器与检测技术52力敏传感器
传感器与检测技术课后习题答案
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第1章
∴ y 0.68x 0.25
1 0.238 2 0.35 3 0.16
4 0.11 5 0.126 6 0.194
L
Lmax yFS
100%
0.35 5
7%
拟合直线灵敏度 0.68,线性度 ±7%
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解：设温差为R,测此温度传感器受幅度为R的阶跃响应 为(动态方程不考虑初态)
R x1100 ,R x2200 ,R x3300 ,R x4400 ,R x5500 , R x6600 ,R x7700 ,R x8800 ,R x9900 ,R x101000
r10.1,r20.2,r30.3,r40.4r50.5
r60.6r70.7r80.8r90.9r101.0
Y111003,Y2
解：①图 2-32(c)
②圆桶截面积 A R 2 r 2 59.7 106
应变片 1,2,3,4 感受的是纵向应变,有
1 2 3 4 x
应变片 5,6,7,8 感受的是纵向应变,有
5 6 7 8 y
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第2章
U U 4 R 1 R 5 R R 2 R 6 U 4K 1526 U 2KxyU 2K 1xU 2K 1A F E
l0l
2
...
比较后可见灵敏度提高一倍，非线性大大减少。
答：相敏检测电路原理是通过鉴别相位来辨别位移的 方向，即差分变压器输出的调幅波经相敏检波后， 便能输出既反映位移大小，又反映位移极性的测量 信号。经过相敏检波电路，正位移输出正电压，负 位移输出负电压，电压值的大小表明位移的大小， 电压的正负表明位移的方向。
《传感器与检测技术》课程标准
《传感器与检测技术》课程标准一、课程概述1.基本信息课程名称：《传感器与检测技术》课程类型：理论+实践课程总学时：课程总计64学时，其中一理论课时54,机动+实践课时10。
标准适用专业：本标准适用于机电一体化与制造专科专业。
2.课程定位《传感器与检测技术》课程是机电一体化与制造专业的一门专业核心技能课程；本课程的任务是要教会学生了解和熟悉常用工业传感器及检测方法的基本知识，能够使用合理的传感器实施可靠的检测方案，培养解决生产实际问题的基本技能。
本课程适用于机电一体化、机械制造以及自动化等专业3年制高职学生，课程应在学完电工和电子学等课程后开设，并为后续专业课程的学习和从事专业相关工作打下基础。
二、课程目标（一）总体目标通过《传感器与检测技术》课程的学习，使学生掌握基本工业常用传感器的基本知识、基本理论，初步具备运用传感器设计简单检测系统的能力，并获得运用所学知识解决生产实际问题的基本技能。
（二）分项目标通过《传感器与检测技术》课程的学习，应达到以下培养目标：1.知识目标①学习常用检测量以及相应传感器的基本原理和使用方法等知识；②掌握常用检测系统的基本设计方法；3.技能目标①具备搜集和查阅传感器与检测技术国家标准和有关资料的能力；②具备进行简单检测系统设计和确定相应传感器性能指标的技能；③初步具备简单检测系统的搭建和基本调试手段；4.方法目标①通过常用物理量检测方法在日常生活中的自动化运用实例激发学习兴趣；②通过Flash等丰富多彩的课堂呈现手段加深学生对检测方法认识。
5.素质目标①通过本课程，使学生认识到传感器对于自动化和智能化的产业应用所发挥的作用,增加通过不同手段解决问题的思路，开阔学生的眼界和视野。
②使学生认识到我国有关行业和世界发达国家的巨大差距，增强学生的竞争意识和努力学习的自觉性。
说明：机动课时可安排有关和语言的基本课时，以及有关试验安排, 共计IO个课时。
四、教学设计1.考核方式说明：（I）有些课程可能只进行两种考核中的一种考核，则另外一项考核权重为O即可。
传感器与检测技术
传感器与检测技术在当今的工业环境中，传感器和检测技术扮演着至关重要的角色。
随着科技的不断发展，传感器和检测技术已经成为现代工业自动化、智能化和高效化的重要支撑。
一、传感器：感知世界的触角传感器是一种能够感知并响应外部环境变化（如温度、湿度、压力、光照等）的装置。
在工业自动化领域，传感器能够实时、准确地感知生产过程中的各种参数，如温度、压力、物位等，从而为生产过程提供重要的反馈信息。
1、1传感器的种类和应用根据不同的应用需求，传感器可以被分为多种类型，如热敏传感器、压力传感器、光学传感器等。
这些传感器广泛应用于各种工业生产过程中，帮助企业实现生产过程的自动化和智能化。
1、2传感器的发展趋势随着科技的进步，传感器的性能和精度不断提高，同时也在向小型化、集成化和网络化方向发展。
未来的传感器将更加智能，能够适应更复杂、更恶劣的环境。
二、检测技术：洞察生产的眼睛检测技术是利用各种物理原理和方法，对生产过程中的各种参数进行测量和判断，以确保生产过程的稳定和产品的质量。
2、1检测技术的种类和应用检测技术涵盖了多个领域，如化学分析、物理测量、生物检测等。
在工业生产中，检测技术主要用于对原材料、半成品和成品的质量进行检测和控制，以确保产品的质量和性能。
2、2检测技术的发展趋势随着人工智能和大数据技术的发展，检测技术也在向智能化和自动化方向发展。
未来的检测技术将更加高效、准确和可靠，能够适应各种复杂和恶劣的环境。
三、传感器与检测技术在工业中的应用在石油化工、电力、制药等行业中，传感器和检测技术的应用非常广泛。
例如，在石油化工行业中，传感器能够实时感知生产过程中的温度、压力等参数，而检测技术则能够对原材料和产品的质量进行严格把控。
在电力行业中，传感器能够对设备的运行状态进行监测，而检测技术则能够对排放的气体和废水进行检测和控制。
在制药行业中，传感器能够对生产过程中的环境参数进行监测和控制，而检测技术则能够对药品的质量进行严格把关。
(完整版)传感器与检测技术第二版知识点总结
传感器知识点一、电阻式传感器1) 电阻式传感器的原理：将被测量转化为传感器电阻值的变化，并加上测量电路。
2) 主要的种类：电位器式、应变式、热电阻、热敏电阻 ● 应变电阻式传感器1) 应变：在外部作用力下发生形变的现象。
2) 应变电阻式传感器：利用电阻应变片将应变转化为电阻值的变化a. 组成：弹性元件+电阻应变片b. 主要测量对象：力、力矩、压力、加速度、重量。
c. 原理：作用力使弹性元件形变发生应变或位移应变敏感元件电阻值变化通过测量电路变成电压等点的输出。
3) 电阻值：ALR ρ=(电阻率、长度、截面积)。
4) 应力与应变的关系：εσE =(被测试件的应力=被测试件的材料弹性模量*轴向应变)5) 应力与力和受力面积的关系：（面积）（力）（应力）A F =σ应注意的问题：a. R3=R4；b. R1与R2应有相同的温度系数、线膨胀系数、应变灵敏度、初值；c. 补偿片的材料一样，个参数相同；d. 工作环境一样；二、电感式传感器1) 电感式传感器的原理：将输入物理量的变化转化为线圈自感系数L 或互感系数M的变化。
2) 种类：变磁阻式、变压器式、电涡流式。
3) 主要测量物理量：位移、振动、压力、流量、比重。
● 变磁阻电感式传感器1) 原理：衔铁移动导致气隙变化导致电感量变化，从而得知位移量的大小方向。
2) 自感系数公式：)(2002气隙厚度（截面积）（磁导率）δμA L N=。
3) 种类：变气隙厚度、变气隙面积4) 变磁阻电感式传感器的灵敏度取决于工作使得当前厚度。
5) 测量电路：交流电桥、变压器式交变电桥、谐振式测量电桥。
P56 6)应用：变气隙厚度电感式压力传感器（位移导致气隙变化导致自感系数变化导致电流变化）● 差动变压器电感式传感器1) 原理：把非电量的变化转化为互感量的变化。
2) 种类：变隙式、变面积式、螺线管式。
3) 测量电路：差动整流电路、相敏捡波电路。
● 电涡流电感式传感器1) 电涡流效应：块状金属导体置于变化的磁场中或在磁场中做切割磁感线的运动，磁通变化，产生电动势，电动势将在导体表面形成闭合的电流回路。
传感器与检测技术课后习题答案
第一章1．什么是传感器？它由哪几个部分组成？分别起到什么作用？解：传感器是一种以一定的精确度把被测量转换为与之有确定对应关系的、便于应用的某种物理量的测量装置，能完成检测任务；传感器由敏感元件，转换元件，转换电路组成。
敏感元件是直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的物理量；转换元件把敏感元件的输出作为它的输入，转换成电路参量；上述电路参数接入基本转换电路，便可转换成电量输出。
2．传感器技术的发展动向表现在哪几个方面？解：（1）开发新的敏感、传感材料：在发现力、热、光、磁、气体等物理量都会使半导体硅材料的性能改变，从而制成力敏、热敏、光敏、磁敏和气敏等敏感元件后，寻找发现具有新原理、新效应的敏感元件和传感元件。
（2）开发研制新型传感器及组成新型测试系统① MEMS技术要求研制微型传感器。
如用于微型侦察机的CCD传感器、用于管道爬壁机器人的力敏、视觉传感器。
②研制仿生传感器③研制海洋探测用传感器④研制成分分析用传感器⑤研制微弱信号检测传感器（3）研究新一代的智能化传感器及测试系统：如电子血压计，智能水、电、煤气、热量表。
它们的特点是传感器与微型计算机有机结合，构成智能传感器。
系统功能最大程度地用软件实现。
（4）传感器发展集成化：固体功能材料的进一步开发和集成技术的不断发展，为传感器集成化开辟了广阔的前景。
（5）多功能与多参数传感器的研究：如同时检测压力、温度和液位的传感器已逐步走向市场。
3．传感器的性能参数反映了传感器的什么关系？静态参数有哪些？各种参数代表什么意义？动态参数有那些？应如何选择？解：在生产过程和科学实验中，要对各种各样的参数进行检测和控制，就要求传感器能感受被测非电量的变化并将其不失真地变换成相应的电量，这取决于传感器的基本特性，即输出—输入特性。
衡量静态特性的重要指标是线性度、灵敏度，迟滞和重复性等。
1）传感器的线性度是指传感器的输出与输入之间数量关系的线性程度；2）传感器的灵敏度S是指传感器的输出量增量Δy与引起输出量增量Δy的输入量增量Δx的比值；3）传感器的迟滞是指传感器在正（输入量增大）反（输入量减小）行程期间其输出-输入特性曲线不重合的现象；4）传感器的重复性是指传感器在输入量按同一方向作全量程连续多次变化时，所得特性曲线不一致的程度。
传感器与检测技术
传感器与检测技术简介传感器是现代科学技术领域中一种重要的设备，可以将各种物理量、化学量或生物量转化为可测量的电信号或其他形式的输出信号。
传感器与检测技术的发展在各个领域具有广泛的应用，在科学研究、工业生产、医疗保健、环境监测等方面都发挥着重要的作用。
本文将介绍传感器的基本原理、常见的传感器类型以及传感器在各个领域中的应用。
一、传感器的基本原理传感器是基于特定物理、化学或生物效应的设备，通过与目标物的相互作用来测量目标物的性质或状态。
传感器的基本原理可以分为以下几种：1. 电阻式传感器电阻式传感器利用材料的电阻随物理量或环境变化而变化的特性，将物理量转换为电阻值，进而测量目标物的状态。
常见的电阻式传感器有温度传感器、湿度传感器等。
2. 压力传感器压力传感器利用材料的机械性能随压力变化而变化的特性，将压力转换为电信号输出。
压力传感器广泛应用于工业自动化控制、汽车制造和航空航天等领域。
3. 光学传感器光学传感器利用光的性质来测量目标物的性质或状态。
光学传感器可以测量光的强度、颜色、光的散射等参数。
在医疗保健领域，光学传感器被用于血氧测量、眼底成像等应用。
4. 生物传感器生物传感器利用生物体或生物分子的特性来检测和测量目标物的性质或状态。
生物传感器在医疗诊断、食品安全检测等领域有着广泛的应用。
二、常见的传感器类型根据传感器的工作原理和应用领域的不同，可以将传感器分为以下几种类型：1. 温度传感器温度传感器是一种将温度转换为电信号的传感器。
常见的温度传感器有热电偶、热电阻和半导体温度传感器。
2. 压力传感器压力传感器用于测量气体或液体的压力。
根据测量范围和原理的不同，压力传感器可以分为压阻式传感器、压电式传感器和电容式传感器等。
3. 湿度传感器湿度传感器用于测量空气中的湿度。
常见的湿度传感器有电容式湿度传感器、电阻式湿度传感器和表面张力式湿度传感器。
4. 光学传感器光学传感器利用光的特性来测量目标物的性质或状态。
传感器与检测技术课件全文
1.1.3传感器的分类
1．按输入量（被测量）分类 2．按工作原理（机理）分类 3、按能量的关系分类 4．按输出信号的形式分类
1.2 传感器的特性
静态特性和动态特性
输入量X和输输出Y的关系通常可用多项式表示
静态特性可以用一组性能指标来描述，如线性度、灵敏度、精确度（精 度）、重复性、迟滞、漂移、阈值和分辨率、稳定性、量程等。
(4) 分贝误差 在电子学和声学等计量中，常用对数形式来表示相对误差， 称为分贝误差，它实质上是相对误差的另一种表示方式。
2、按性质分类
(1)系统误差(systematic error) 定义：在重复性条件下，对同一被测量进行无限多次测量所得 结果的平均值与被测量的真值之差。 特征：在相同条件下，多次测量同一量值时，此此的绝对值和 符号保持不变，或者在条件改变时，按某一确定规律变化。 分类（变化规律不同）：恒定系统误差包括恒正系统误差和恒 负系统误差，可变系统误差包括线性系统误差、周期性系统误 差和复杂规律系统误差等。
1、线性度 也称为非线性误差，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与满量程输出值 之
比。反映了实际特性曲线与拟合直线的不吻合度或偏离程
度。
L
Lmax YFS
100 %
2.迟滞。传感器在输入量由小到大（正行程）及输入量由大到小（反行程） 变化期间其输入输出特性曲线不重合的现象称为迟滞。即，对于同一大小的 输入信号，传感器的正反行程输出信号大小不相等，这个差值称为迟滞差值。 传感器在全量程范围内最大的迟滞差值或最大的迟滞差值的一半与满量程输 出值之比称为迟滞误差，又称为回差或变差（最大滞环率）。
在仪表准确度等级及其测量标称范围或量程选择方面应注意 如下原则： ①不应单纯追求测量仪表准确度越高越好，而应根据被测量 的大小，兼顾仪表的级别和标称范围或量程上限全理进行选 择。 ②选择被测量的值应大于均匀刻度测量仪表量程上限的三分 之 二 ， 即 x>(2xm/3) ， 此 时 测 量 的 最 大 相 对 误 差 不 超 过 rx=±[xm/(2xm/3)]×s%=±1.5s%，即测量误差不会超过测量 仪表等级的1.5倍。
传感器及检测技术教学设计5力检测
项目四力检测教学目的：1、能了解弹性敏感元件的特性和要求。
2、能了解几种常用测力称重传感器的特点、用途等。
3、掌握电阻应变效应及半导体的压阻效应。
4、掌握单臂、双臂和全桥测量电路的异同点。
5、会连接电桥电路并进行测试。
6、会对测试数据进行分析。
7、能理解压电式传感器的工作原理及特点。
8、能理解测力传感器与压电传感器的应用电路。
课型：新授课课时：2个任务，安排6个课时。
教学重点：弹性敏感元件，弹性敏感元件的基本概念及特性，弹性敏感元件的基本要求及类型，电阻应变式传感器的外形结构和性能，电阻应变片的种类与结构，电阻应变式传感器的工作原理。
教学难点：描述一个称重系统，指出它经过了哪些环节才能将压力信号转换为可测量的电量？并简要描述各转换环节的工作原理。
教学过程：1.教学形式：讲授课，教学组织采用课堂整体讲授和分组演示。
2.教学媒体：采用启发式教学、案例教学等教学方法。
教学手段采用多媒体课件、视频等媒体技术。
作业处理：完成项目后的思考题。
板书设计：基本知识汇总任务一电子台秤的重量检测一、测力传感器中的弹性敏感元件（一）弹簧管压力表的组成弹簧管压力表的组成如图所示，当被测压力作用于弹簧管时，弹簧管便产生相应的变形，通过机械传动机构，使标尺指针偏移角度，从而得到压力的数值。
（二）弹性敏感元件的基本概念及特性1基本概念（1）变形变形是指物体在外力作用下改变原来尺寸或形状的现象。
（2）弹性变形弹性变形是指变形后的物体在外力去除后又恢复原来形状的变形。
（3）弹性元件弹性元件是指具有弹性变形特性的物体。
（4）弹性特性弹性特性是指作用在元件上的外力与相应弹性变形（应变、位移或转角）之间的关系。
2特性（1）刚度（2）灵敏度（3）弹性滞后（4）弹性后效（三）弹性敏感元件的基本要求及类型弹性元件在传感器技术中占有极其重要的地位。
它首先把力、力矩或压力转换成相应的应变或位移，然后配合各种形式的传感元件，将被测力、力矩或压力变换成电量。
传感器与检测技术52力敏传感器
根据电阻值的变化测量力的大小。
2
应变式力敏传感器
利用材料的应变特性测量力的大小。
3
压电式力敏传感器
利用物质的压电效应将力转换为电荷或电压信号。
力敏传感器的应用场景
机器人技术
力敏传感器广泛应用于机器人领 域，帮助机器人感知外部环境和 对象的力大小。
汽车制造
力敏传感器用于汽车生产中，测 量车辆各个部件的力和压力。
医疗设备
力敏传感器在医疗设备中起到关 键作用，如测量手术器械施加的 力度。
力敏传感器的优势和局限性
1 优势
高精度测量，广泛应用于各个行业，可靠性 高。
2 局限性
受环境条件和使用方式的限制，有时需要进 行定期校准。
温度传感器
应用于气象、制冷、汽车等领域，精确测量温度。
压力传感器
广泛用于工业控制、汽车制造和生物医学等领域，测量液体或气体的压力。
光传感器
用于照明、摄影、安防等领域，检测光线的强度和颜色。
力敏传感器
力敏传感器是一种测量物体受到的力或压力的传感器。它通过将力转换为电信号来实现测量。力敏传感器广泛 应用于机械工程、汽车工业和医疗设备等领域。
传感器与检测技术
在传感器与检测技术领域，了解不同种类的传感器和应用领域至关重要。本 节将介绍力敏传感器的原理、工作方式以及应用场景。
传感器与检测技术简介
传感器与检测技术是研究和开发用于测量、探测和监测物理量的设备和技术的领域。它们在工业、医疗、科学 等多个领域发挥着重要作用。
传感器的种类和应用领域
《传感器与检测技术项目教程》 教学课件 模块三
学习单元一 电阻应变式传感器
2. 应变片的类型和材料
根据敏感栅的形 状，金属电阻应变片 分为丝式、箔式和薄 膜式三种，其中前两 种均须用黏结剂安装 在被测试件上，属于 粘贴式应变片。
学习单元一 电阻应变式传感器
2）金属箔式应变片 金属箔式应变片（见图3-6）是利用照相制版或光刻技术将厚度为
0.003~0.01 mm的金属箔片制成所需图形的敏感栅，也称为应变花。
图3-6 金属箔式应变片
学习单元一 电阻应变式传感器
其优点是：①可制成多种复杂形状和尺寸准确的 敏感栅，栅长可做到0.2 mm，以适应不同的测量要 求；②与被测件粘贴结面积大；③散热条件好，允许 通过的电流大，提高了输出灵敏度；④横向效应小； ⑤蠕变和机械滞后小，疲劳寿命长。其主要缺点是电 阻值的分散性比金属丝的大，有的相差几十欧姆，须 做阻值调整。在常温下，金属箔式应变片已逐步取代 了金属丝式应变片。
力时，其原始电阻值为
R l S
（3-1
设电阻丝在外力F的作用下被拉伸(或压缩)，则其ρ、l、S 均发生
变化，变化量分别为dρ、dl、dS，电阻值相应变化为dR，则有
dR R dl R dS R d l S
S
dl
S2
dS
S
d
（3-2）
用相对变化量来表示，则有
dR dl dS d RlS
（3-3）
学习单元一 电阻应变式传感器
假设电阻丝的半径为r，电阻丝的横截面积为S=πr2，则有dS=2
πrdr，所以dS/S=2dr/r。令电阻丝轴向（纵向）应变ε=dl/l，横向
《力敏传感器》课件
电容式力敏传感器
通过改变电容器两极板间 的距离来检测压力或力， 从而产生电容变化。
压电式力敏传感器
利用压电材料的压电效应 ，将力转换为电信号输出 。
力敏传感器的集成化与智能化
集成化
将多个力敏传感器集成在一个芯片上，实现多通道、高精度的测量。
智能化
通过微处理器和软件算法，实现力敏传感器的自校准、自补偿和数据融合等功能。
力敏传感器的微型化与轻量化
微型化
采用微纳米制造技术，减小力敏传感器 的尺寸，使其更加适合于小型化和便携 式应用。
VS
轻量化
采用轻质材料和优化结构设计，降低力敏 传感器的重量，使其更加适合于航空、航 天等高动态应用场景。
04
航空航天
总结词
力敏传感器在航空航天领域中具有特 殊的应用，能够用于检测和控制飞机 、火箭、卫星等航天器中的力和压力 参数。
详细描述
在航空航天领域中，力敏传感器需要 具备高精度、高可靠性、耐高温等特 点，以确保航天器的安全和稳定运行 。
03
力敏传感器的技术发展
新型力敏传感器的研发
01
02
03
压阻式力敏传感器
总结词
了解力敏传感器的线性范围和灵敏度
详细描述
通过施加不同大小和方向的静态力，观察力 敏传感器的输出变化，并记录线性范围和灵
敏度。
实验二：力敏传感器的动态特性测试
总结词
探究力敏传感器的响应速度和频率响应
详细描述
对力敏传感器施加不同频率和幅度的动态力，观察并 记录其输出变化，以评估响应速度和频率响应。
机器人技术
总结词
力敏传感器是实现机器人精准操作和 人机交互的重要组件，能够提高机器 人的柔顺性和安全性。
传感器及检测技术精品教学课件5力检测共77页
46、法律有权打破平静。——马·格林 47、在一千磅法律里，没有一盎司仁 爱。— —英国
48、法律一多，公正就少。——托·富 勒 49、犯罪总是以惩罚相补偿；只有处 罚才能 使犯ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 得到偿 还。— —达雷 尔
50、弱者比强者更能得到法律的保护 。—— 威·厄尔
6、最大的骄傲于最大的自卑都表示心灵的最软弱无力。——斯宾诺莎 7、自知之明是最难得的知识。——西班牙 8、勇气通往天堂，怯懦通往地狱。——塞内加 9、有时候读书是一种巧妙地避开思考的方法。——赫尔普斯 10、阅读一切好书如同和过去最杰出的人谈话。——笛卡儿
Thank you
传感器及检测技术精品教学课件5力检测共77页
55、 为 中 华 这是不 容忽视 的。— —爱献 生
谢谢！
51、 天 下 之 事 常成 于困约 ，而败 于奢靡 。——陆 游 52、 生 命 不 等 于是呼 吸，生 命是活 动。——卢 梭
传感器及检测技术精品教学课件5力 检测
36、如果我们国家的法律中只有某种 神灵， 而不是 殚精竭 虑将神 灵揉进 宪法， 总体上 来说， 法律就 会更好 。—— 马克·吐 温 37、纲纪废弃之日，便是暴政兴起之 时。— —威·皮 物特
38、若是没有公众舆论的支持，法律 是丝毫 没有力 量的。 ——菲 力普斯 39、一个判例造出另一个判例，它们 迅速累 聚，进 而变成 法律。 ——朱 尼厄斯
课件4-力敏传感器
l
r
0
dl rd
0
r
2
r
纵栅为n根的应变片共有n-1个半圆弧横栅，全部横栅 的变形量为 n 1 r
L2
2
r
应变片敏感栅的总变形为 n 1r 2nl n 1r L L1 L2 r 2 2
金属丝电阻的相对变化与金属丝的伸长或缩短之间存在 比例关系。比例系数KS称为金属丝的应变灵敏系数。
物理意义：单位应变引起的电阻相对变化。 KS由两部分组成： 前一部分是（1+2μ），由材料的几何尺寸变化引起，一 般金属μ≈0.3，因此（1+2μ）≈1.6；
后一部分为 阻效应”）。
/ ，电阻率随应变而引起的（称“压 l / l
第二章 力敏传感器
力敏传感器指对力学量敏感的一类器件或装置。
应变式(包括应变片式 和压阻式)传感器 电感式传感器
电容式传感器
压电式传感器
应变式传感器
金属应变片式传感器
金属丝式应变片 金属箔式应变片
压阻式传感器
压阻效应 晶向、晶面的表示方法 压阻系数 固态压阻传感器 测量电路
设环境引起的构件温度变化为Δt（℃）时，粘贴 在试件表面的应变片敏感栅材料的电阻温度系数为αt ， 则应变片产生的电阻相对变化为 R t t R 1 由于敏感栅材料和被测构件材料两者线膨胀系数不 同，当Δt 存在时，引起应变片的附加应变，其值为
2t e g t
3、主要特性 （1） 灵敏度系数
金属应变丝的电阻相对变化与它所感受的应变之间具有 线性关系，用灵敏度系数KS表示。当金属丝做成应变片 后，其电阻—应变特性，与金属单丝情况不同。因此， 须用实验方法对应变片的电阻—应变特性重新测定。实 验表明，金属应变片的电阻相对变化与应变ε在很宽的 范围内均为线性关系。即 R R K K R R
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变压器电桥原理图
差动式自感传感器的衔铁向一
侧移动，则
USC
E 2
Z Z
同理反方向移动时
USC
E 2
Z Z
可见，衔铁向不同方向移动时，产生的输出电压Usc大小 相等、方向相反，即相位互差180º，可反映衔铁移动的
方向。但是，为了判别交流信号的相位，需接入专门的
相敏检波电路。
变压器电桥的输出电压幅值
USC 2
L E RS2 2L2
输出阻抗为(略去变压器副边的阻杭，它远小于电感的
阻抗)
Z RS2 2L2
2
优点：这种电桥与电阻平衡电桥相比，元件少，输出阻 抗小，桥路开路时电路呈线性； 缺点：变压器副边不接地，易引起来自原边的静电感应 电压，使高增益放大器不能工作。
二、 差动变压器
（一）结构原理与等效电路
L=f(lδ)为非线性关系。当lδ＝0时，L L 为∞，考虑导磁体的磁阻，当lδ＝0 时，并不等于∞，而具有一定的数 值，在lδ较小时其特性曲线如图中虚 线所示。如上下移动衔铁使面积S改 变，从而改变L值时,则L＝f(S)的特 性曲线为一直线。
L=f（S）
L=f（lδ） lδ S
2、特性分析
主要特性:灵敏度和线性度。当铁芯和衔铁采用同一种导 磁材料，且截面相同时，因为气隙lδ一般较小，故可认 为气隙磁通截面与铁芯截面相等，设磁路总长为 l ，则
2、变压器电桥
平衡臂为变压器的两个副边，当负载阻抗为无穷大时，
流入工作臂的电流为 I E Z1 Z2
I
E/2
Z1
U SC Z1 EZ2Z2E 2E 2Z Z1 1 Z Z2 2 E
初始Z1=Z2=Z=RS+jωL，故平衡
E/2
Z2 USC
时，USC=0。双臂工作时，设 Z1=Z–ΔZ，Z2=Z+ΔZ，相当于
e1初级线圈激励电压 LM1,121,R,间M1初1的分级互别线感为圈初电级感和与电次阻级 线 圈 L21,L22两个次级线圈的电感 R21,R22两个次级线圈的电阻
Rm1及Rm2分别为磁通通过初级线圈及两个次级线圈的磁阻， N1为初级线圈匝数。
在次级线圈中感应出电压e21和e22，其值分别为
e2 1 e2 2
对 差 动 气 隙 式 传 感 器 其 Δlδ/lδ 与 L/mH Ⅰ
l/(lδμr)的变化受到灵敏度和非线 100
1
Ⅱ 2
性失真相互矛盾的制约,因此只能
75 LD
适当选取。一般差动变隙式自感 50
传感器Δlδ/lδ＝0.1～0.2时，可使 25 传感器非线性误差在3％左右。 0
其工作行程很小,若取lδ＝2mm,则 25 行程为(0.2—0.5)mm；较大 行程 50
①结构简单，制造装配容易；
②由于空气间隙大，磁路的磁阻高，因此灵敏度低， 但线性范围大；
③由于磁路大部分为空气，易受外部磁场干扰；
④由于磁阻高，为了达到某一自感量，需要的线圈匝 数多，因而线圈分布电容大；
⑤要求线圈框架尺寸和形状必须稳定，否则影响其线 性和稳定性。
（三）自感线圈的等效电路
假设自感线圈为一理想纯电感，但实际传感器中包括： 线圈的铜损电阻（Rc）、铁芯的涡流损耗电阻（Re）和 线圈的寄生电容（C）。因此，自感传感器的等效电路 如图。
2、温度变化的影响
周围环境温度的变化，引起线圈及导磁体磁导率的变化， 从而使线圈磁场发生变化产生温度漂移。当线圈品质因 数较低时，影响更为严重，因此，采用恒流源激励比恒 压源激励有利。适当提高线圈品质因数并采用差动电桥 可以减少温度的影响。
3、零点残余电压
当差动变压器的衔铁处于中间位置时，理想条件下其 输出电压为零。但实际上，当使用桥式电路时，在零点 仍有一个微小的电压值(从零点几mV到数十mV)存在， 称为零点残余电压。如图是扩大了的零点残余电压的输 出特性。零点残余电压的存在造成零点附近的不灵敏区； 零点残余电压输入放大器内会使放大器末级趋向饱和， 影响电路正常工作等。
分气隙型和差动变压器两种。目前多采用螺管型差动
变压器。
其基本元件有衔铁、初级线
1
圈、次级线圈和线圈框架等。
21 3
初级线圈作为差动变压器激
2
励用，相当于变压器的原边，
而次级线圈由结构尺寸和参
4
数相同的两个线圈反相串接
而成，相当于变压器的副边。
螺管形差动变压器根据初、
3
次级排列不同有二节式、三
节式、四节式和五节式等形
Hale Waihona Puke LN2N2 Rml11 S1l22 S2l0 S
由于自感传感器的铁芯一般在非饱和状态下，其磁导
率远大于空气的磁导率，因此铁芯磁阻远较气隙磁阻
小，所以上式可简化为
L N 20S
l
可见，自感L是气隙截面积和长度的函数，即L＝f(S,lδ) 如果S保持不变，则L为lδ的单值函数，构成变隙式自感 传感器；若保持lδ不变，使S随位移变化，则构成变截 面式自感传感器。其特性曲线如图。
的位移测量,常利用螺管式自感传 75
感器
100
4
-Δ lδ Δ lδ
3
差动式自感传感器的输出特性
1 2 3 4 lδ/mm
1 线圈Ⅰ自感特性； 2 线圈Ⅱ自感特性；3 线圈Ⅰ与Ⅱ差动自感特性；4 特性曲线
（二） 螺管型自感传感器
有单线圈和差动式两种结构形式。
单线圈螺管型传感器的主要元件为一只螺管线圈和一根 圆柱形铁芯。传感器工作时，因铁芯在线圈中伸入长度 的变化，引起螺管线圈自感值的变化。当用恒流源激励 时，则线圈的输出电压与铁芯的位移量有关。
E为桥路电源，ZL是负载阻抗。 工作时，Z1=Z+ΔZ和Z2=Z-ΔZ
USCEZZ2ZLZLRZ
E
L1 ZL
L2 USC
Z2
RS2
R2
交流电桥原理图
当ZL→∞时 USC E 2Z ZE 2R RS S jj LL
其输出电压幅值
USC22 R S 2L 2 LR 2S 2E2
L E
RS 2L2
R21
电容及衔铁损耗)，差动变压
器的等效电路如图。 初级线圈的复数电流值为
I1
R1
e1
jL1
ω—激励电压的角频率； e1—激励电压的复数值；
R1 M1 ～ e21
I1
L21
～ e1
L1
L22 M2 ～ e22
e2 R22
由于Il的存在，在次级线圈
中产生磁通
21
N1I1 Rm1
22
N1 I1 Rm2
L L 1 L 2 2 l 1
LL
l 1 ll
r 1 l l1 l1 l
r 2
KL ' lL 2lL 1l1 lr
ll
1l
1 (l
2
r)
①差动式自感传感器的灵敏度比单线圈传感器提高一倍
②差动式自感传感器非线性失真小,如当Δlδ/lδ=10％时 (略 去l／lδ·μr), 单线圈δ＜10％；而差动式的δ＜1％。
螺旋管
l r
铁心 x
单线圈螺管型传感器结构图
铁芯在开始插入（x=0）或几乎离开线圈时的灵敏度， 比铁芯插入线圈的1/2长度时的灵敏度小得多。这说明 只有在线圈中段才有可能获得较高的灵敏度，并且有 较好的线性特性。
l
r
x 1.0 H（IlN） 0.8
0.6
0.4
0.2
x（l）
0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 螺管线圈内磁场分布曲线
输出阻抗
Z (RRS)2L2
2
U S C E 2 11 Q 12 Q 12 R R SS L L jQ 1 L L R R SS
L
Q RS
为自感线圈的品质因数。
①桥路输出电压Usc包含与电源E同相和正交两个分量。
在实际测量中，只希望有同相分量，如能使
L RS L RS
或
ZR 2 1R 22 2L 2 1 L 22 2
差动变压器输 出电势e2与衔 铁位移x的关系。 其中x表示衔铁 偏离中心位置 的距离。
副Ⅰ
原线圈
副Ⅱ
e2 e21
e2
0
e22 x
（二） 误差因素分析
1、激励电压幅值与频率的影响
激励电源电压幅值的波动，会使线圈激励磁场的磁通发 生变化，直接影响输出电势。而频率的波动，只要适当 地选择频率，其影响不大。
Rc C
Re
L
（四）测量电路
1、交流电桥
交流电桥是自感传感器的主要测量电路，为了提高灵敏
度，改善线性度，自感线圈一般接成差动形式，如图。
Z1、Z2为工作臂，即线圈阻抗，R1、R2为电桥的平衡臂
Z
电桥平衡条件：Z
1 2
R1 R2
设Z1=Z2=Z=RS+jωL；R1=R2=R
Z1
RS1
R1
RS1=RS2=RS； L1=L2=L
由磁路基本知识知，线圈自感为
L N2 Rm
N：线圈匝数；Rm：磁路总磁阻(铁芯与衔铁磁阻和空气隙磁阻)
气隙式自感传感器，因为气隙较小(lδ为0.1～1mm)，所 以，认为气隙磁场是均匀的，若忽略磁路铁损，则磁
路总磁阻为
Rml11S1
l2
2S2
l
0S
l1：铁芯磁路总长；l2：衔铁的磁路长；S：隙磁通截面积； S1：铁芯横截面积；S2：衔铁横截面积；μ1：铁芯磁导率； μ2：衔铁磁导率；μ0：真空磁导率，μ0=4π×10-7H／m； lδ：空气隙总长。
或Q值比较大，均能达到此目的。但在实际工作时，
△RS/RS一般很小，所以要求线圈有高的品质因数。
当Q值很高时，Usc＝