第3章力与压力测量传感器
第3章 传感器及检测技术
• （2）传感器的校准 • 传感器需定期检测其基本性能参数，判定是否可以继续使用，如能继 续使用，则应对其有变化的主要指标（如灵敏度）进行数据修正，确 保传感器的测量精度的过程，称为传感器的校准。校准与标定的内容 是基本相同的。
3.1.2 传感器的分类
• 传感器的种类繁多，往往同一种被测量可以用不同类型的传感器来测 量，而同一原理的传感器又可测量多种物理量，因此传感器有许多种 分类方法。常用的分类方法有： • 1．按被测量分类:被测量的类型主要有：①机械量，如位移、力、速 度、加速度等；②热工量，如温度、热量、流量（速）、压力（差） 、液位等；③物性参量，如浓度、粘度、比重、酸碱度等；④状态参 量，如裂纹、缺陷、泄露、磨损等。 • 2．按测量原理分类:按传感器的工作原理可分为电阻式、电感式、电 容式、压电式、光电式、磁电式、光纤、激光、超声波等传感器。现 有传感器的测量原理都是基于物理、化学和生物等各种效应和定律， 这种分类方法便于从原理上认识输入与输出之间的变换关系，有利于 专业人员从原理、设计及应用上作归纳性的分析与研究。
– 磁电式传感器是利用电磁感应原理，把被测非电量转换成电量制成。主要用于流 量、转速和位移等参数的测量。
– 电涡流式传感器是利用金属在磁场中运动切割磁力线，在金属内形成涡流的原理 制成。主要用于位移及厚度等参数的测量。
• 。
• （2）磁学式传感器
– 磁学式传感器是利用铁磁物质的一些物理效应而制成的，主要用于位移、转矩等 参数的测量。
• 3．传感器与家用电器
– 传感器已在现代家用电器中得到普遍应用，譬如，在电子炉灶、自动电饭锅、吸 尘器、空调器、电子热水器、热风取暖器、风干器、报警器、电熨斗、电风扇、 游戏机、电子驱蚊器、洗衣机、洗碗机、照像机、电冰箱、彩色电视机、录像机 、录音机、收音机、电唱机及家庭影院等方面都得到了广泛应用。
第三章 传感器
第三章常用的传感器§3.1传感器的分类一、传感器的定义通俗的讲，传感器就是将被测信息转换成某种信号的器件。
也就是将被测物理量转换成于之相对应的、容易检测、传输或处理的信号的装置，称之为传感器。
传感器通常直接作用于被测量。
传感器是对信号进行感受与传送的装置，它是测试装置的输入环节，因此传感器的性能直接影响着整个测试装置的工作可靠性。
近来，随着测量、控制及信息技术的发展，传感器作为这个领域内的一个重要构成因素，被视为90年代的重要技术之一受到了普遍的重视。
深入研究传感器的原理和应用，研制新型传感器，对于社会生产、科学技术和日常生活中的自动测量和自动控制的发展，以及在科学技术领域里实现现代化都有重要意义。
二、传感器的组成传感器一般由敏感元件、传感元件和测量电路三个主要部分组成，有时还加上辅助电源。
通常可用图表示如下：图4-1 传感器的组成由于其用途的不同或是结构原理的不同，其繁简程度相差很大。
因此，传感器的组成将依不同情况而有差异。
敏感元件——传感器的核心，它直接感受被测量（一般为非电量）并转换成信号形成，即输出与被测量成确定关系的其它量的元件，如膜片、热电偶，波纹管等。
传感元件——又称变换器，是传感器的重要组成部分。
传感元件可以直接感受被测量（一般为非电量）而输出与被测量成确定关系的电量。
如热电偶和热敏电阻等。
传感元件也可以不只感受被测量，而只是感受与被测两或确定关系的其它非电量；如应变式压力传感器的电阻片，并不直接感受压力，只是感受与被测压力成确定关系的应变，然后输出电量，在多数情况下，使用的就是这种传感元件。
测量电路——能把传感元件输出的电信号转换为便于显示、记录、控制和处理的有用电信号的电路。
测量电路视传感元件的类型而定。
三、传感器的分类在生产和科研中应用的传感器种类很多，一种被测量有时可以用集中传感器来测量，用一种传感器往往可以测量多种物理量。
为了对传感器有一个概括的认识，对传感器进行研究是很必要的。
自动检测技术第三章复习题（附答案）
自动检测技术第三章复习题（附答案）第三章压力及力检测一、选择题1、将超声波（机械振动波）转换成电信号是利用压电材料的（C）蜂鸣器中发出“嘀……嘀……”声的压电片发声原理是利用压电材料的（D）在电子打火机和煤气灶点火装置中，利用的是压电材料的（C）A.应变效应B.电涡流效应C.压电效应D.逆压电效应2、使用压电陶瓷制作的力或压力传感器可测量（C）。
A.人的体重B.车刀的压紧力C.车刀在切削时感受到的切削力的变化量D.自来水管中的水的压力3、应变测量中，希望灵敏度高、线性好、有温度自补偿功能，应选择（ C ）测量转换电路。
A．单臂半桥 B．双臂半桥 C．四臂全桥4、以下几种传感器当中（ C ）属于自发电型传感器。
A、电容式B、电阻式C、压电式D、电感式5、属于四端元件的是( C )。
A、应变片B、压电晶片C、霍尔元件D、热敏电阻6、半导体薄片置于磁场中，当有电流流过是，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势，这种现象称为（C）。
A、压电效应B、压磁效应C、霍尔效应D、电涡流效应二、填空题1、由于而引起导电材料变化的现象，叫应变效应。
（变形电阻）2、电容式传感器利用了将非电量的变化转换为电容的变化来实现对物理量的测量。
3、变极距型电容传感器做成差动结构后，灵敏度提高原来的 2 倍。
4、在电介质的极化方向上施加交变电场或电压，它会产生机械变形，当去掉外加电场时，电介质变形随之消失，这种现象称为逆压电效应。
5、压电式传感器的工作原理是以晶体的压电效应为理论依据。
6、电阻应变片的工作原理是基于金属的应变效应。
7、霍尔电势与半导体薄片的厚度成反比。
8、在压电晶片的机械轴上施加力，其电荷产生在X面9、霍尔元件采用恒流源激励是克服温漂10、电阻应变片的温度补偿方法通常有和两大类。
（线路补偿法应变片自补偿法）11、按工作原理的不同，电容式传感器可分为、、和三种类型。
第一种常用于测量，第二种常用于测量，第三种常用于测量。
传感器与信号检测技术课件 (共8章)第3章 力学量传感器
第3章 力学量传感器 压力有几种不同表示方法 (1)绝对压力 指作用于物体表面积上的全部压力, 其零 点以绝对真空为基准, 又称总压力或全压力, 一般用大写符号 P表示 (2)大气压力指地球表面上的空气柱重量所产生的压力, 以P0表示。 (3)表压力 绝对压力与大气压力之差, 一般用p表示。 测 压仪表一般指示的压力都是表压力, 表压力又称相对压力。 当绝对压力小于大气压力, 则表压力为负压, 负压又可用 真空度表示, 负压的绝对值称为真空度。如测炉膛和烟道气 的压力均是负压。
第3章 力学量传感器 由式（ 11 - 25）可知, 如果a=b, 则∆θ=0, 这说明具有均匀 壁厚的圆形弹簧管不能用作测压敏感元件。 对于单圈弹簧管, 中心角变化量∆θ比较小, 要提高∆θ, 可采用多圈弹簧管。 弹簧管压力表结构如图 11 - 29所示。 被测压力由接头9通入, 迫使弹簧管1的自由端产生位移, 通过拉杆2使扇形齿轮3作逆时 针偏转, 于是指针5通过同轴的中心齿轮4的带动而作顺时针偏 转, 在面板6的刻度标尺上显示出被测压力的数值。 弹簧管压力表结构简单, 使用方便, 价格低廉, 使用范围广, 测量范围宽, 可以测量负压、微压、低压、中压和高压, 因此应 用十分广泛。
第3章 力学量传感器 1.弹簧管 弹簧管 空心薄壁管，形如儿童玩具“吹管” 把压力转换成位移，再利用传感器将位移转换成电信号。 2.波纹管 波纹管 同心环状，薄壁圆管。 把压力转换成位移，同上。测力102～107Pa直径12㎜～160㎜ 3.膜片膜盒 膜片膜盒 同心环状 波纹薄片 周围封装即为膜盒。把压力转换成位移， 同上。 厚度 0.05～0.5㎜，波纹分锯齿、正弦、梯形波。 金属弹性元件都具有不完全弹性, 即在所加作用力去除后, 弹性 元件会表现残余变形、 弹性后效和弹性滞后等现象, 这将会造 成测量误差。弹性元件特性与选用的材料和负载的最大值有 关, 要减小这方面的误差, 应注意选用合适的材料, 加工成形后 进行适当的热处理等。
机械工程测试基础 第三章 传感器
3.3.1 电阻式传感器 R / R Sg E
x
●优点：尺寸、横向效应、机械滞后都很小，灵 敏系数大，输出大，可不需放大器连接，使得测量系 统简化。 ●缺点：电阻值和灵敏系数的温度稳定性差；测 量较大应变时非线性严重；灵敏系数随受拉或压而变， 且分散度大 。 分析表明，金属丝应变片与半导体应变片工作原 理的主要区别在于：前者利用导体形变引起电阻变化， 后者利用半导体电阻率变化引起电阻变化。
3.1 概述 2)按工作的物理基础分类: 见表3-1：机械式,电气式,光学式,流体式等.
3.1 概述 3)按信号变换特征: 能量转换型和能量控制型. 能量转换型:直接由被测对象输入能量使其工作. 例如:热电偶温度计,压电式加速度计. 能量控制型:从外部供给能量并由被测量控制外部 供给能量的变化.例如:电阻应变片.
dR d (1 2 ) x R
或
dR / R
x
1 2
d /
x
灵敏系数： 令
Sg dR / R
x
1 2 E , (d / E x )
Sg称为金属丝的灵敏系数，表示金属丝产生单 位变形时，电阻相对变化量的大小。 显然，sg 越大，单位变形引起的电阻相对变化 量越大。
机械工程测试技术基础
第三章
常用传感器与敏感元件
本章学习要求：
1.掌握传感器的分类方法 2.掌握常用传感器测量原理、 特点及其应用 3.掌握传感器选用原则
第三章 常用传感器与敏感元件
3.1 概述
1. 传感器定义 传感器是直接感受规定的被测量，并能按一定 规律将被测量转换成同种或别种量值输出的装置。 物理量 电量
Rp
xp
第3章++传感器中的弹性敏感元件
A
θ
线性 非线性
dF tan θ = dx
它代表了弹性元件在A点处的刚度. 它代表了弹性元件在 点处的刚度. 点处的刚度
θ0
第3章 传感器中的弹性敏感元件
如果弹性元件的弹性特性是线性的, 如果弹性元件的弹性特性是线性的,则其的刚度是 一个常数. 一个常数.
dF tan θ 0 = = 常数 dx
非线性
第3章 传感器中的弹性敏感元件
第3章 传感器中的弹性敏感元件 章
3.1 引言 3.2 弹性敏感元件的基本特性 3.3 弹性敏感元件的材料 3.4 弹性敏感元件的特性参数计算
第3章 传感器中的弹性敏感元件
3.1 引言
一,变形 物体在外力作用下而改变原来尺寸或形状的现象. 物体在外力作用下而改变原来尺寸或形状的现象. 二,弹性变形 当外力去掉后物体又能完全恢复其原来的尺寸和 形状,那么这种变形称为弹性变形. 形状,那么这种变形称为弹性变形. 三,弹性元件 具有弹性变形特性的物体称为弹性元件. 具有弹性变形特性的物体称为弹性元件. 四,弹性元件类型 基本上可以分为两种类型: 基本上可以分为两种类型: 弹性敏感元件和弹性支承. 弹性敏感元件和弹性支承.
1 f = 2π
k
k ( Hz ) me
——弹性敏感元件刚度;
me ——弹性敏感元件的等效振动质量.
第3章 传感器中的弹性敏感元件
3.3 弹性敏感元件的材料
对材料的基本要求是: 对材料的基本要求是: (1)弹性滞后和弹性后效要小; 弹性滞后和弹性后效要小; 弹性滞后和弹性后效要小 (2)弹性模数的温度系数要小; 弹性模数的温度系数要小; 弹性模数的温度系数要小 (3)线膨胀系数要小且稳定; 线膨胀系数要小且稳定; 线膨胀系数要小且稳定 (4)弹性极限和强度极限要高; 弹性极限和强度极限要高; 弹性极限和强度极限要高 (5)具有良好的稳定性和耐腐蚀性; 具有良好的稳定性和耐腐蚀性; 具有良好的稳定性和耐腐蚀性 (6)具有良好的机械加工和热处理性能. 具有良好的机械加工和热处理性能. 具有良好的机械加工和热处理性能
传感器与检测技术第3章 传感器基本特性参考答案
第3章传感器基本特性一、单项选择题1、衡量传感器静态特性的指标不包括（）。
A. 线性度B. 灵敏度C. 频域响应D. 重复性2、下列指标属于衡量传感器动态特性的评价指标的是（）。
A. 时域响应B. 线性度C. 零点漂移D. 灵敏度3、一阶传感器输出达到稳态值的50%所需的时间是（）。
A. 延迟时间B. 上升时间C. 峰值时间D. 响应时间4、一阶传感器输出达到稳态值的90%所需的时间是（）。
A. 延迟时间B. 上升时间C. 峰值时间D. 响应时间5、传感器的下列指标全部属于静态特性的是（）A．线性度、灵敏度、阻尼系数B．幅频特性、相频特性、稳态误差C．迟滞、重复性、漂移D．精度、时间常数、重复性6、传感器的下列指标全部属于动态特性的是（）A．迟滞、灵敏度、阻尼系数B．幅频特性、相频特性C．重复性、漂移D．精度、时间常数、重复性7、不属于传感器静态特性指标的是（）A．重复性B．固有频率C．灵敏度D．漂移8、对于传感器的动态特性，下面哪种说法不正确（）A．变面积式的电容传感器可看作零阶系统B．一阶传感器的截止频率是时间常数的倒数C．时间常数越大，一阶传感器的频率响应越好D．提高二阶传感器的固有频率，可减小动态误差和扩大频率响应范围9、属于传感器动态特性指标的是（）A．重复性B．固有频率C．灵敏度D．漂移10、无论二阶系统的阻尼比如何变化，当它受到的激振力频率等于系统固有频率时，该系统的位移与激振力之间的相位差必为（）A. 0°°° D. 在0°和90°之间反复变化的值11、传感器的精度表征了给出值与( )相符合的程度。
A.估计值B.被测值C.相对值D.理论值12、传感器的静态特性，是指当传感器输入、输出不随( )变化时，其输出-输入的特性。
A.时间B.被测量C.环境D.地理位置13、非线性度是测量装置的输出和输入是否保持( )关系的一种度量。
A.相等B.相似C.理想比例D.近似比例14、回程误差表明的是在( )期间输出-输入特性曲线不重合的程度。
《传感器与自动检测技术》第3版 课后习题解答
选用。其缺点是没有区分每种传感器在转换机理上有何共性和差异，不便于使用者掌握其基本原理及分析 方法。
较大的载荷，便于加工，实心圆柱形可测量大于 10kN 的力，空心圆柱形可测量 1～10kN 的力，应力变化 均匀。
（2） 圆环式弹性敏感元件比圆柱式输出的位移量大，因而具有较高的灵敏度，适用于测量较小的力。 但它的工艺性较差，加工时不易得到较高的精度。
2
传感器的分辩力是在规定测量范围内所能检测的输入量的最小变化量 ∆min 。有时也用该值相对满量程
输入值的百分数表示，称为分辨率。阈值通常又称为死区、失灵区、灵敏限、灵敏阈、钝感区，是输入量 由零变化到使输出量开始发生可观变化的输入量的值。
稳定性有短期稳定性和长期稳定性之分。传感器常用长期稳定性表示，它是指在室温条件下,经过相 当长的时间间隔，如一天、一月或一年，传感器的输出与起始标定时的输出之间的差异。通常又用其不稳 定度来表征其输出的稳定度。
1
例 4： ±20g 压电式加速度传感器。 在侧重传感器科学研究的文献、报告及有关教材中，为方便对传感器进行原理及其分类 的研究，允许只采用第 2 级修饰语，省略其他各级修饰语。 传感器代号的标记方法：一般规定用大写汉字拼音字母和阿拉伯数字构成传感器完整代号。传感器完 整代号应包括以下 4 个部分：（1）主称（传感器）；（2）被测量；（3）转换原理；（4）序号。4 部分 代号格式为：
（4）序号 （3）转换原理 （2）被测量 （1）主称
在被测量、转换原理、序号 3 部分代号之间有连字符“-”连接。 例 5：应变式位移传感器，代号为：CWY-YB-10； 例 6：光纤压力传感器，代号为：CY-GQ-1； 例 7：温度传感器，代号为：CW-01A； 例 8：电容式加速度传感器，代号为：CA-DR-2。 有少数代号用其英文的第一个字母表示，如加速度用“A”表示。 4. 传感器的静态性能指标有哪些？其含义是什么？ 答：传感器的静态特性主要由线性度、灵敏度、重复性、迟滞、分辨力和阈值、稳定性、漂移及量程 范围等几种性能指标来描述。 含义：线性度是传感器输出量与输入量之间的实际关系曲线偏离理论拟合直线的程度，又称非线性误 差。通常用相对误差表示其大小； 灵敏度是指传感器在稳态下，输出增量与输入增量的比值。对于线性传感器，其灵敏度就是它的静态 特性曲线的斜率，对于非线性传感器，其灵敏度是一个随工作点而变的变量，它是特性曲线上某一点切线 的斜率。 重复性是传感器在输入量按同一方向作全量程多次测试时，所得特性曲线不一致性的程度。 迟滞是传感器在正向行程(输入量增大)和反向行程(输入量减小)期间，输出—输入特性曲线不一致的 程度。
第3章应变式传感器
(c)当试件材料变化时，只需要调整1和2的长度。
23
3.4 测量电路
一.测量电路的作用、组成及分类 1.作用 (1)转化功能：把电阻的变化转化成电压或电流的变化。 (2)放大功能：机械应变一般很小，对应的电阻变化也很小， 就需要放大。 2. 组成 (1)转化功能对应转化电路，由电桥电路实现。 (2)放大功能对应放大电路，由集成运放实现。 本节只讨论转化电路。 3. 电桥电路的分类 根据电源的不同可分为：直流电桥和交流电桥。
说明:
E
(a)当R1和RB变化较小时，A可看成常数。
(b)当R1和RB变化较大时，A可看成常数会带来非线性误差（参 见3.4节）。
20
U 0 A( R1R4 RB R3 )
④补偿电路的工作原理 (a)试件无应变 t=t0时, 令R1=RB=R3=R4=R0 , 则 Uo=A（R1R4-RBR3）=0 t=t0+△t时, ΔRt1=ΔRtB=ΔRt，R1=RB=R0+ΔRt，则 Uo=0 (b)试件存在应变ε R1存在电阻变化：△R1′=KεR0 t=t0时, RB=R3=R4=R0，R1=R0+△R1′=R0+KεR0 则 Uo=AR02K ε∝ ε t=t0+△t时, R1=R0+ KεR0 +ΔRt，RB=R0+ΔRt, 则 Uo=AR02Kε∝ ε 结论：经过线路补偿，输出只与ε成正比，而与t无关。
17
自身因素引起的电阻相对变化：ΔRt /R0=α0Δt 外界因素引起的电阻相对变化： ΔRβ/R0= K0 (βg-βs)Δt
(3)总的温度误差 总电阻相对变化量：
Rt R R R0 R0 R0
[ 0 K 0 ( g s )]t
第3章 压力传感器
铁心
接进气歧管 传感线圈 真空膜盒 b) 节气门关闭状态
P 11
a) 节气门开启状态
（二）压阻效应式进气压力传感器
1.传感器结构： 1) 硅膜片：用半导体材料硅制 成的，是利用半导体压阻效 应的压力转换元件。硅膜片 的一面是真空室，另一面是 进气 歧管压力。
2) 真空室：提供绝对压力基准。
硅膜片
P 8
（一）电磁式进气压力传感器 1.传感器结构： 1) 一对真空膜盒（压力计）：检测敏感元件。 2) 铁心和传感线圈：转换为电量的元件。
弹片 铁心
接进气歧管 传感线圈 真空膜盒 b) 节气门关闭状态 a) 节气门开启状态
电磁式进气压力传感器结构图
P 9
2.传感器工作原理 具有弹性的真空膜盒抽成真空。外部气压变化时，膜盒 产生凸出或凹进的现象，通过传动机构，使线圈中铁心的位 置发生改变，从而使线圈中穿过的磁通量发生变化，于是线 圈变产生出大小不同的感应电动势来，由此即把气压变化的 物理量转换成由线圈两端输出的电信号。
弹片
铁心
接进气歧管 传感线圈 真空膜盒 b) 节气门关闭状态
P 10
a) 节气门开启状态
当节气门开启时，进气歧管内气体的绝对压力增加即真 空度减小，真空膜盒被压缩，把动铁心往右拉，如图a所示， 于是减小了磁轭与动铁心（衔铁）的间隙，使传感线圈中的 感应电动势增大。当此信号输出给ECU后，ECU控制喷油器， 使燃油的喷射量增加。节气门关闭时，则相反。
TRC：TRC功能与TCS相同，此种叫法多出现于丰田、 雷克萨斯等日系车型上。 ATC：功能与TCS相同，自动牵引力控制，又称为牵引 力控制。 Automatic Traction Control的缩写。
P
压力传感器课件
2ω 2 L0C ∆C U0 = − U 2 C ω L0C − 1
3.5 电容式压力传感器
3、差分脉冲调宽电路
差动脉冲调宽电路属脉冲调制电路。它利用对 传感器电 容充放电使输出脉冲的宽度随电容量的变 化而变化，再 经低通滤波器可得对应被测量变化的 直流信号。
U0 = C1 − C2 U1 C1 + C2
3.5 电容式压力传感器
3.5.1 电容式传感器的工作原理
电容式传感器有三种基本类型：变极距型、变面积型、 变介电常数型。
1、变极距型电容传感器
3.5 电容式压力传感器
2、变面积型电容传感器
3、变介电常数型电容传感器
3.5 电容式压力传感器
3.5.2 差动电容传感器
在实际压力测量中，常使用差动点电容传感器，不但 提高了灵敏度，也改善了非线性。
Uo =
− QA = −U i A Ca + Cc + Ci − C f ( A − 1)
Uo =
Q Cf
3.4 压电式压力传感器
3.4.4 压电压力及力传感器
1、压电式三维测力传感器 2、压电式单向测力传感器
3.4 压电式压力传感器
3、压电式测量均匀压力传感器 4、消除振动加速度影响的压电传感器
3.8.2 扩散硅压敏传感器
扩散硅压敏传感器将补偿电路与硅压敏元 件构成的全桥电路集成在一起，温度补偿效果 很好。
U O = (U C − U be R5 + R6 ) KP R6
3.9 数字式压力计
3.9.1 MPX压力传感器 压力传感器
MPX2000系列压力传感器如图所示，其结构原 其结构原 理如图所示。 理如图所示。
电阻应变片
第3章汽车压力传感器
第四节 空气滤清器真空开关
1.真空开关的结构原理 真空开关主要用于化油器型发动机， 其作用是通过测量压力差，来检测空 气滤清器是否有堵塞，进而判断空气 滤清器的工作状况。真空开关的构造 如图8-12所示，主要由膜片、磁铁、笛 簧开关、弹簧，以及A、B两腔室组成。 A、B两腔室的接口分别与待检测的部 位连接，工作时，A、B腔室之间会产 生压力差(假设A＞B)，则膜片向负压 一侧(B腔侧)运动，与膜片成为一体的 磁铁便随之运动，使笛簧开关导通。
电子控制燃油喷射系统EFI：
一般由电子控系统、空气供给系统、燃油供给系统三个子系 统组成。 1)空气供给系。空气供给系的功用是根据发动机工作的需要， 控制和检测人汽缸的空气量。一般由空气滤清器、空气流量 传感器、节气门位置传感器、气温度与进气压力传感器、进 气管和动力腔等组成。 (2)燃油供给系。燃油供给系功用是向发动机各个汽缸供给混 合气燃烧所需燃油量。一般由燃油箱、电动燃油泵、输油管、 燃油滤清器、油压调节器、燃分配管、喷油器和回油管等组 成。 (3)电子控制系统。功能是根据发动机运行条件和工况，确定 燃油的最佳喷量。该系统由电子控制装置ECU、信号输入装 置(传感器)和执行部件三部组成。
粗略真空（Rough Vacuum） 760 ~ 10 Torr 中度真空（Medium Vacuum） 10 ~ Torr 高真空 （High Vacuum）~ Torr 超高真空（Ultra-High Vacuum） Torr以下
真空度是指处于真空状态下的气体稀薄程度。若所测设备内 的压强低于大气压强，其压力测量需要真空表。从真空表所 读得的数值称真空度。真空度数值是表示出系统压强实际数 值低于大气压强的数值，即： 真空度=大气压强—绝对压强， 绝对压强=大气压+表压（-真空度）。
传感器与检测技术(三)
在一定的相对变形范围内，应力与应变成正比：σ =Eε (E 为 弹性模量)，因此，电阻的变化与受到的应力大小成正比。
应变片也可以由半导体材料制成，但工作原理是基于半导体材 料的压阻效应，即当应变片受外力作用时，电阻率ρ 发生变化,
其关系为： d
E
式中，π —半导体材料压阻系数 σ —半导体材料所受应力 E—半导体材料弹性模量 ε —半导体材料的应变
应变波频率f 、波长λ与波速 v 有关系：v = λf 写成波频率 f、波速 v、比值 n 和应变片基长 l0 的关系表达式 则有： v =λf =n l0 f
若应变波速度 v=5000m/s，n 取20，则可计算出应变片基长 l0
与最高工作频率之间的关系，如下表所示。 不同基长应变片的最高工作频率 应变片基长 l0 /mm 最高工作频率f /kHz 1 250 2 125 3 83.3 5 50 10 25 15 16.6 20 12.5
如图3-1所示, 一根金属电阻丝，未受力时的原始电阻为： 式中，ρ —电阻丝的电阻率， l R l—电阻丝的长度, A A—电阻丝的截面积 当电阻丝受到拉力F 作用，金属丝产生变形，引起电阻值的相 对变化量为： dR dl dA d
dl 用ε 表示长度相对变化量，称为应变： l
R
3.3.4 绝缘电阻和最大工作电流 应变片绝缘电阻是指已粘贴的应变片的引线与被测件之间的 电阻值Rm。绝缘电阻下降会使测量系统的灵敏度降低而产生误 差，通常要求Rm在50～100MΩ以上。 最大工作电流是指已安装的应变片允许通过敏感栅而不影响 其工作特性的最大工作电流Imax。工作电流大，输出信号也大， 但工作电流过大会使应变片过热，灵敏系数产生变化，零漂和 蠕变增加，甚至烧毁应变片。
《传感器技术》第3版课后部分习题解答
潘光勇0909111621 物联网1102班《传感器技术》作业第一章习题一1-1衡量传感器静态特性的主要指标。
说明含义。
1、线性度——表征传感器输出-输入校准曲线与所选定的拟合直线之间的吻合（或偏离）程度的指标。
2、回差（滞后）—反应传感器在正（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。
3、重复性——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。
各条特性曲线越靠近，重复性越好。
4、灵敏度——传感器输出量增量与被测输入量增量之比。
5、分辨力——传感器在规定测量范围内所能检测出的被测输入量的最小变化量。
6、阀值——使传感器输出端产生可测变化量的最小被测输入量值，即零位附近的分辨力。
7、稳定性——即传感器在相当长时间内仍保持其性能的能力。
8、漂移——在一定时间间隔内，传感器输出量存在着与被测输入量无关的、不需要的变化。
9、静态误差（精度）——传感器在满量程内任一点输出值相对理论值的可能偏离（逼近）程度。
1-2计算传感器线性度的方法，差别。
1、理论直线法：以传感器的理论特性线作为拟合直线，与实际测试值无关。
2、端点直线法：以传感器校准曲线两端点间的连线作为拟合直线。
3、“最佳直线”法：以“最佳直线”作为拟合直线，该直线能保证传感器正反行程校准曲线对它的正负偏差相等并且最小。
这种方法的拟合精度最高。
4、最小二乘法：按最小二乘原理求取拟合直线，该直线能保证传感器校准数据的残差平方和最小。
1—4 传感器有哪些组成部分？在检测过程中各起什么作用？答：传感器通常由敏感元件、传感元件及测量转换电路三部分组成。
各部分在检测过程中所起作用是：敏感元件是在传感器中直接感受被测量，并输出与被测量成一定联系的另一物理量的元件，如电阻式传感器中的弹性敏感元件可将力转换为位移。
传感元件是能将敏感元件的输出量转换为适于传输和测量的电参量的元件，如应变片可将应变转换为电阻量。
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RLS RLS
(3-2)
经过整理，可得下式:
R(12) (3-3)
R
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❖ 式中，μ为为泊松比，定义为材料在单向受拉或受压
时，横向正应变与轴向正应变的绝对值的比值。如果
令:
k0
12
(3-4)
则有:
R R
k0
(3-5)
式中，ε=ΔL/L为金属导体电阻丝的纵向应变；k0为电阻
丝的灵敏系数，即单位应变所引起的电阻的相对变化。
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❖ 由式(3-4)可知，电阻丝的灵敏系数受两个因素的影响：
一是(1+2μ)，它是由电阻丝几何尺寸改变引起的，对
某种材料来说，它是常数；另一个是（Δρ/ρ）/ε，对
于同一种金属材料，其值也是常数，但比(1+2μ)小很
多，可以忽略，故k0≈1+2μ。理论与实验证明，对于 每一种电阻丝，在一定的相对变形范围内，金属材料 的灵敏系数k0将保持不变。 ❖ 因此，由式（3-5）可知，当金属电阻丝受到外界应力 的作用时，其电阻的变化与受到应力的大小成正比。
即金属导体电阻丝的电阻的相对变化率与电阻丝的应
变呈线性关系变化，这就是金属电阻应变式的工作原 理。
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（2）应变片的结构
❖ 常用的金属应变片分为电阻丝应变片和箔式应变片。
它们基本结构大体相同，由敏感栅、基底、覆盖层、
引线和黏结剂组成。
引出线
覆盖层
基片
b
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l
电阻丝
第3章力与压力测量传感器
实用传感器技术教程
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第3章 力与压力测量传感器
3.1 电阻式压力传感器
1.2
3.2 压电式传感器 3.3 差动变压器式传感器
1.2
3.4 集成压力传感器 3.5 压磁式传感器
1.2
3.6 力与压力测量传感器性能比较
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3
❖本章要点
❖电阻式、压电式、差动变压器式、压磁式与集 成式压力传感器等压力测量传感器结构与工作 原理
m
卸载特性曲线之间的最大差值
m
Δεm称为应变片的机械滞后值。
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（3）电阻应变传感器主要特性
❖ 3) 零漂和蠕变
已粘贴在试件上的应变片，在温度保持恒定，试 件上没有机械应变的情况下，应变片的指示会随着时 间增长而逐渐变化，这就是应变片的零点漂移，简称 零漂。
已粘贴的应变片，温度保持恒定，在承受某一恒定 的机械应变长时间作用下，应变片的指示会随时间的 变化而变化，这种现象称为蠕变。一般来说，蠕变的 方向与原来应变量变化的方向相反。
❖压力测量传感器的特性参数、测量电路与温度 补偿方法
❖压力测量传感器性能及应用范围比较
❖压力测量传感器应用实例
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3.1 电阻式压力传感器
3.1.1金属电阻应变式传感器
金属电阻应变式传感器是利用应变效应原理制成的 一种测量微小机械变化量的传感器。它是由弹性元件 和电阻应变片构成。当弹性元件感受被测物理量时， 其表面产生应变，粘贴在弹性元件表面的电阻应变片 也产生应变，其阻值将随着弹性元件的应变而变化。 通过测量电阻应变片的电阻值，可以用来测量被测的 物理量。金属电阻应变传感器具有结构简单、测量精 度高、使用方便、动态性能好等特点，被广泛应用于 测量力、力矩、压力、加速度、重量等参数。
二是当环境温度变化Δt时，由于敏感材料和试件材 料的膨胀系数不同，应变片产生附加的形变，从而引 起电阻的相对变化。
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（3）电阻应变传感器主要特性
❖ 5) 应变极限与疲劳寿命 100％
❖
应变片的应变极限是指在一定温度下， 应变片的指示应变εi与试件的真实应 9 0 ％
变εm的相对误差达到规定值（一般为
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（3）电阻应变传感器主要特性
❖ 4) 温度效应
粘贴在试件上的电阻应变片，除感受机械应变而产 生电阻相对变化外，在环境温度变化时，也会引起电 阻的相对变化，产生虚假应变，这种现象称为温度效 应。温度变化对电阻应变片的影响是多方面的，这里 仅考虑两种主要影响：
一是当环境温度变化Δt时，由于敏感栅材料的电阻 温度系数αt的存在，引起电阻的相对变化；
L
图3-1金属电阻丝伸长后几何尺寸变化
8
F 2(rr)
❖ 设有一根电阻丝，如图3-1所示，它在未受到外力作用时的初始 电阻为Biblioteka RL S（3-1）
式中，ρ——电阻丝的电阻率； L——电阻丝的长度； S——电阻丝的截面积。
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❖ 当电阻丝在外力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Δρ、ΔL、ΔS。几何尺寸的变化引起电 阻值的变化，电阻值相应变化为ΔR，其电阻的相对变化量为 :
10%）时的真实应变值εj，如右图所
示。
i( R R )
❖ 对于已安装的应变片，在恒定幅值的 交变力作用下，可以连续工作而不产 生疲劳损坏的循环次数N称为应变片 O 的疲劳寿命。
j m
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❖ 6） 绝缘电阻和最大工作电流
❖ 应变片的绝缘电阻是指已粘贴的应变片的引线与被测件之间的 电阻值Rm。通常要求Rm在50MΩ～100MΩ 以上。绝缘电阻 下降将使测量系统的灵敏度降低，使应变片的指示应变产生误 差。
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（3）电阻应变传感器主要特性
❖ 2) 机械滞后
i
应变片安装在试件上以后，在一
定的温度下，应变片的指示应变εi
与试件机械应变εm应该是一个确
定关系，但实验表明，在加载和
卸载过程中，对同一机械应变量，
两过程的特性曲线并不重合，卸
载时的指示应变高于加载时的指
示应变，如图3-3所示，这种现象
称为应变片的机械滞后。加载和
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（3）电阻应变传感器主要特性
❖1) 灵敏系数K
当具有初始电阻值R的应变片粘贴于试件表面时，试件 受力引起的表面应变，将传递给应变片的敏感栅，使 其产生电阻相对变化ΔR/R。实验表明，在一定应变范 围内ΔR/R由下式确定：
R K R
式中:ε为应变片的纵向应变； K为应变片的灵敏系数。
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1.1 传感器基本概念
1. 电阻应变片原理及主要特性
（1）工作原理 金属导体材料在受到外界力作用时，将产生机械变形， 机械变形会导致其电阻值变化，这种因形变而使其电阻
值发生变化的现象被称为“应变效应”。
L
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