传感器技术总复习课

y dy K ; 如果非线性则为 x dx
分辨力（分辨率） 分辨力是指在规定测量范围内能测出的输入量的最 小变化量。有时用该值相对满量程输入值之百分数 表示，则称为分辨率。分辨力与精度和灵敏度不同。
1.2 传感器的特性与指标

传感器的静态特性
阈值 阈值是指能使传感器输出端产生可测变化量的最 小被测输入量值，实际上是零位附近的分辨力。 稳定性 又称长期稳定性，即传感器在相当长的时间内仍 保持其性能的能力。 稳定性用一段时间后的传感器输出与起始标定时 的输出之间的差异来表示，有时也用标定的有效 期来表示。
幅频特性和相频特性 阶跃响应特性
对传感器进行动态标定需要对它输入一标准激励信号，常 用的标准激励信号分为两类： 周期信号：例如正弦波，三角波 瞬间信号：例如阶跃波，半正弦波
第2章 电阻应变式传感器
2.1电阻应变计的基本原理与结构

2.1.1 导电材料的应变电阻效应 电阻应变片的工作原理是基于应变效应，即导体或半导 体材料在外界力的作用下产生机械变形时，其电阻值 发生变化，这种现象称为“应变效应”。 如图2-1所示，一根长 l ，截面积为A的金属电阻丝，在 其未受力时，原始电阻值为： l R
2. 半导体材料的压阻效应
压阻效应是指半导体材料(semiconductor material)，当某一轴向受 外力作用时， 其电阻率ρ发生变化的现象。
d E
式中：π——半导体材料的压阻系数;σ——半导体材料的所受应变力; E——半导体材料的弹性模量Modulus of elasticity; ε——半导体材料的应变。
1.2 传感器的特性与指标
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漂移
漂移是指在一定时间间隔内，传感器的输出量存
在与被测量无关的、不需要的变化。漂移包括零 点漂移和灵敏度漂移。 零点漂移和灵敏度漂移又分为时间漂移和温度漂 移。
1.2 传感器的特性与指标

传感器的动态特性

传感器的静态特性
静态特性表示传感器在被测量各个值处于稳定状态时 的输入输出关系，也即当输入量为常量，或变化极慢时， 这一关系就称为静态特性。静态特性主要考虑非线性和随 机性等因素。 线性度
线性度又称非线性，是表征传感器输出-输入校准曲线与所选定的 拟合直线（作为工作直线）之间的吻合（或偏离）程度的指标。通常 用相对误差来表示线性度误差，即
重复性是衡量传感器在同一工作条件下，输入量按同一 方向作全量程连续多次变动时，所得特性曲线间一致 程度的指标。 重复性误差反映的是校准数据的离散程度，属随机误差 。
a max eR 100% y F .S .
1.2 传感器的特性与指标

传感器的静态特性
灵敏度
当电桥平衡时 U 0 0
2.5测量电路

和差特性
U R1 R2 R3 R4 U U 0 R R R R 4 K (1 2 3 4 ) 4 1 2 3 4
• 只有ΔR很小时，桥路的输出才为线性 K为电阻应变片的灵敏度
3.2 自感式传感器

第二节 自感式传感器
一.工作原理与输出特性
如前所述，自感式传感器(self inductive sensors)实质上是一个带气隙的铁芯(iron core)线 圈(coil)。按磁路几何参数(geometric parameter) 变化形式的不同，目前常用的自感式传感器有变 气隙式(variable air gap)、变面积式(variable area) 与螺管式(solenoid)三种；按组成方式 (composition method)分，有单一式(single)与差 动式(differential)两种。
Lmax eL 100% y F .S .
1.2 传感器的特性与指标

传感器的静态特性 回差（滞后、迟滞） 回差是反映传感器在正（输入量增大）反（输入量减小） 行程过程中输出-输入曲线的不重合程度的指标。（请 注意回差与线性度的差别） 重复性
H max eH 100% y F .S .
2.2 电阻应变计的主要特性

横向效应(transversal effect)
由于传感器是多线的，线与线之间连接部分不在测量方向 上，引起横向效应。
对横向效应分析结果的应用之一是箔式应变计,另外，应 变计的长度要长、横栅要小。
2.3 电阻应变计的温度效应及其补偿

基本定律和法则




守恒定律 能量守恒、动量守恒、电荷量守恒 场的定律 利用场的定律构成的传感器，其形状、尺寸（结 构）决定了传感器的量程、灵敏度等主要性能，故 此类传感器可统称为“结构型传感器” 物质定律 基于物质定律的传感器可统称为“物性型传感器” 统计法则 统计法则把微观系统与宏观系统联系起来
Chapter0: Preface

广义定义：能感受规定的被测量并按照一定的规律转换 成可用输出信号的器件(device)或装置(apparatus)。 狭义定义：将外界的输入信号变换为电信号的一类元件 (element)。 来自外界的信号
传感器
电信号
传感器一般由敏感元件(Sensing element)、转换元件 (Transducing element)、转换电路(Transforming circuit)三部分组成：
2.5测量电路

应变电桥(strain bridge)
直流电桥(DC bridge)与交 流电桥(AC bridge) • 直流电桥只接入电阻 • 交流电桥可接入LCR 平衡电桥(balanced bridge) 与不平衡电桥(unbalanced bridge) 全等臂(full equal arm)与 半等臂(half equal arm)
3.1 传感器线圈的电气参数分析

课本65页图3-1为一种简单的自感式传感器，它由线 圈(coil)、铁心(core)和衔铁(armature)等组成。当 衔铁随被测量变化而上、下移动时，铁心气隙、 磁路磁阻(reluctance)随之变化，引起线圈电感 (inductance)量的变化，然后通过测量电路转换成 与位移成比例的电量，实现了非电量到电量的变 换。可见，这种传感器实质上是一个具有可变气 隙(variable air gap)的铁心线圈(iron core coil)。
2.1电阻应变计的基本原理与结构
21
2. 半导体材料的压阻效应(Piezoresistive Effect) 通过上面的推导我们可以得到：
dR (1 2 E ) R
由于π E>>(1+2μ )，因此半导体丝材的Ks≈π E。可见
，半导体材料的应变电阻效应主要基于压阻效应。通
常Ks≈100Km。
K (R / R)

U 单臂测量时输出： U 0 K 4 U 双臂差动时输出： U 0 K 2
全桥差动时输出： U 0 UK
第3章 变磁阻式传感器
3.1 传感器线圈的电气参数分析

图3-1 变气隙式自感传感器
图3-2 自感传感线圈的等效电路
L-线圈电感(inductance)；R-线圈铜耗电阻(copper loss resistance)；Re-铁心涡流损耗电阻(eddy current loss resistance)；R-磁滞损耗电阻(magnetic hysteresis loss resistance)；C-线圈的寄生电容(parasitic capacity of the coil)
Chapter0: Preface

传感器的发展趋势，大致分为如下四个方面： 发现新效应，开发新材料、新功能。 集成化，多功能化，微型化。 数字化，智能化，网络化-智能传感器 向未开发的领域挑战—生物传感器。
第1章 传感器技术基础
1.2 传感器的特性与指标
A
图2-1 导体受拉伸后的参数变化
2.1电阻应变计的基本原理与结构

2.1.1 导电材料的应变电阻效应
当电阻丝受到拉力 F 作用时，l将伸长 dl，横截面积相应 减小dA ，电阻率因材料晶格发生变形等因素影响而改变 了 d ，从而引起电阻值相对变化量为：
dR dl dA d R l A
通常把单位应变能引起的电阻值变化称为电阻丝的灵敏 系数。其物理意义是单位应变所引起的电阻相对变化
量，其表达式为 ：
(dR / R) (d / ) K 1 2
灵敏系数K受两个因素影响：材料几何尺寸的变化，即
1+2μ；材料的电阻率发生的变化， 即（dρ/ρ）/ε。
2.1电阻应变计的基本原理与结构
2.5测量电路

直流电桥及其输出特性 电桥平衡的条件：
R1R3 R2 R4
R1 R4 R2 R3
电压输出桥的输出特性 输出电压：
R3 R1 R3 R2 R4 R2 U0 U ( ) U R3 R4 R1 R2 R3 R4 R1 R2
(dl / l )
为材料的轴向线应变
dA/ A
为电阻丝截面积的相对变化量，设r为电阻丝的半径，则
dA dr 2 2 A r
其中 r ——导体的半径，受拉时r缩小； μ——导体材料的泊松比
2.1电阻应变计的基本原理与结构

dR d (1 2 ) R
2、桥路补偿法 （2）补偿块(compensation unit)法
使用两个相同的应变计。 R1贴在试件上，接入电桥工 作臂， R2贴在与试件同材料、 同环境温度，但不参与机械应 变的补偿块上，接入电桥相邻 臂作补偿臂，补偿臂产生与工 作臂相同的热输出，通过电桥， 起到补偿作用。