传感器远离与应用 (第二版) 黄贤武 郑筱霞主编 第二章
传感器原理与应用技术全书电子教案完整版课件
第1章 绪论
转换元件：将感受到的非电量直接转换为电量的器 件称为转换元件，例如压电晶体、热电偶等。
需要指出的是，并非所有的传感器都包括敏感元件 和转换元件，如热敏电阻、光电器件等。而另外一些传 感器，其敏感元件和转换元件可合二为一，如压阻式压 力传感器等。
测量电路：将转换元件输出的电量变成便于显示、 记录、控制和处理的有用电信号的电路称为测量电路。 测量电路的类型视转换元件的分类而定，经常采用的有 电桥电路及其他特殊电路，如高阻抗输入电路、脉冲调 宽电路、振荡回路等。
21
第2章 传感器的一般特性
(1) 线性度(非线性误差)
在规定条件下，传感器校准曲线与 拟合直线间最大偏差与满量程(F·S)输 出值的百分比称为线性度(见图2-2)。
用 L 代表线性度，则
L
Ymax YF S
100% (2-6)
式中 Ymax—校准曲线与拟合直线间
的最大偏差；
YF S —传感器满量程输出，
传感器原理与应用技术
第1章 绪论
1.1 传感器的作用 随着现代测量、控制和自动化技术的发展，传感器
技术越来越受到人们的重视。特别是近年来，由于科学 技术、经济发展及生态平衡的需要，传感器在各个领域 中的作用也日益显著。在工业生产自动化、能源、交通、 灾害预测、安全防卫、环境保护、医疗卫生等方面所开 发的各种传感器，不仅能代替人的感官功能，而且在检 测人的感官所不能感受的参数方面具有特别突出的优势。
（3）按结构型和物性型分类 所谓结构型传感器，主要是通过机械结构的几何形 状或尺寸的变化，将外界被测参数转换成相应的电阻、 电感、电容等物理量的变化，从而检测出被测信号，这 种传感器目前应用的最为普遍。物性型传感器则是利用 某些材料本身物理性质的变化而实现测量，它是以半导 体、电介质、铁电体等作为敏感材料的固态器件。
自动控制原理及其应用(第二版黄坚)课后习题答案
R1
－∞ ＋ ＋
UO (R2R3SC+R2+R3)(R4+R5) = － UI R1(R3SC+1)R5 R2R3 (R4+R5)(R2+R3)( SC+1) R2+R3 =－ R1R5(R3SC+1) R5 UO(R3SC+1) R4+ R5 =－ R2R3SC+R2+R3 R5 R5 UO UO UI R4+ R5 R4+ R5 =－ － R3 R1 R3 R2 ＋ SC R3 SC＋ 1 R2 ＋ 1 R3 ＋
s=-3 s=-2
= -1
=2
2 - 1 F(s)= s+3 s+2
f(t)=2e-3t-e-2t
2-3-2 函数的拉氏变换。 s F(s)= (s+1)2(s+2) s d [ s est] st 解:f(t)= e +lim (s+1)2 s=-2 s -1 dsபைடு நூலகம்s+2 st st 2 -2t st) =-2e +lim( e + e s -1 s+2 (s+2)2 =-2e-2t-te-t+2e-t =(2-t)e-t-2e-2t
C(s) + C(s) + _ G1(s) _ G (s) G 2(s) 2 _ _ H1(s) H1(s) H2(s) G 1(s)H2(s)
G2 1+G2H1
第二章习题课
2-11(a)
G3(s) R(s)
(2-11a)
+ L1 C(s)
求系统的 传递函数 解:
传感器原理与应用 第1章 传感器基础知识
传感器原理与应用——第一章
“金字塔漫游者”，5×1×1， 地面探测雷达、超声波传感器 （测石头厚度）。
小机器人挑战法老咒语，代替科学 家勇探胡夫金字塔内部秘道。
传感器原理与应用——第一章
5、传感器在生物医学上的应用 对人体的健康状况进行 诊断需要进行多种生理 参数的测量。 国内已经成功地开 发出了用于测量近红外 组织血氧参数的检测仪 器。人类基因组计划的研究也大大促进了对酶、免疫、 微生物、细胞、DNA、RNA、蛋白质、嗅觉、味觉和 体液组份以及血气、血压、血流量、脉搏等传感器的 研究。
微波
红外接收传感器
地
面
红外线分布差异 矿藏埋藏地区
传感器原理与应用——第一章
9、传感器在军事技术领域的应用
先进的科学技术总是最先被应用于战争。
以坦克、飞机、军舰为标志的作战平台是传统的主战兵器，
各类传感器不过是配属的保障设施。
而当前由信息技术发展推动的军事革命把重点从作战平台转
向如何观察战场、怎样传递所观察到的战场情况、怎样运用那些 性能优越的精确武器的问题上来，从重视军舰、坦克和飞机转为 重视信息获取技术和信息获取装臵的作用，传感器、通信以及精 确制导武器等已在战争中至关重要的作用。
医学
传感器原理与应用——第一章
传感器原理与应用——第一章
光纤流速传感器 生物酶血样分析传感器 荧光材 料制作 的电子 鼻传感 器
热 /光
电量
传感器原理与应用——第一章
6、传感器与航空及航天
航天
飞行器：控制在预定轨道上 速度、加速度、飞行距离测量 周围环境、内部设备监控、 本身状态 陀螺仪、阳光传感器、星光传感器、地磁传感器
随着新军事革命浪潮的到来，高度信息化的武器平台 已经开始发挥战场主导作用。 数字化战争需要利用全方位、多手段的传感器系 统感知和收集战场各种信息，对这些信息进行判读、
基于光电传感器的自动循迹小车设计
2010-2011 第二学期光电传感技术院系电子工程学院光电子技术系班级科技0803班姓名熊浩学号********班内序号10考核成绩基于光电传感器的自动循迹小车设计摘要新一代汽车研究与开发将集中表现在信息技术、微电子技术、计算机技术、智能自动化技术、人工智能技术、网络技术、通信技术在汽车上的应用。
智能汽车是是现代汽车发展的方向。
本系统采用光电传感器作为道路信息的采集传感器，单片机为控制系统的核心来处理信号和控制小车行驶。
MC9S12系列单片机在汽车电子控制领域得到广泛应用。
本论文是利用Freescale的MC9S12XS128微控制器对智能车系统进行设计。
智能车系统设计包括硬件电路和控制软件系统的设计。
关键字：智能车；光电传感器；自动循迹；控制算法；PID；引言自动循迹智能车是一个集环境感知、规划决策、自动驾驶等多种功能于一体的综合系统。
除了特殊潜在的军用价值外，还因其在公路交通运输中的应用前景受到很多国家的普遍关注。
近年来其智能化研究取得了很大进展，而其智能主要表现为对路径的自动识别和跟踪控制上。
路径跟踪问题的研究正吸引着国内外计算机视觉、车辆工程与控制领域学者们越来越多的注意，得出了很多有意义的成果。
这些方法可分为两类，即传统控制方法和智能控制方法。
传统控制方法多建立在精确数学模型基础上，而自动引导车系统具有复杂的动力学模型，是一个非线性、时延系统，由于各种不确定因素的存在，精确的数学模型难以获得，只能采用理想化模型来近似，所得到控制律较为繁琐，给实际应用造成不便。
随着近年智能控制论的兴起，一些智能控制方法如模糊控制，神经网络等逐步走向完善，尤其是模糊控制理论在很多地方显示出相当的应用价值，以此为基础，设计新概念的控制器受到人们很大关注。
同时，人们也正考虑这在各种方面包括硬件和软件的综合技术开发和研究探索，智能车的技术将会趋于成熟并得到广泛的应用。
本课题利用传感器识别路径，将赛道信息进行存储，利用单片机控制智能车行进。
传感器原理及应用课后习题答案)
习题集及答案第1章概述1.1 什么是传感器？按照国标定义，“传感器”应该如何说明含义？1.2 传感器由哪几部分组成？试述它们的作用及相互关系。
1.3 简述传感器主要发展趋势，并说明现代检测系统的特征。
1.4 传感器如何分类？按传感器检测的范畴可分为哪几种？1.5 传感器的图形符号如何表示？它们各部分代表什么含义？应注意哪些问题？1.6 用图形符号表示一电阻式温度传感器。
1.7 请例举出两个你用到或看到的传感器，并说明其作用。
如果没有传感器，应该出现哪种状况。
1.8 空调和电冰箱中采用了哪些传感器？它们分别起到什么作用？答案：1.1答：从广义的角度来说，感知信号检出器件和信号处理部分总称为传感器。
我们对传感器定义是：一种能把特定的信息（物理、化学、生物）按一定规律转换成某种可用信号输出的器件和装置。
从狭义角度对传感器定义是：能把外界非电信息转换成电信号输出的器件。
我国国家标准（GB7665—87）对传感器（Sensor/transducer）的定义是：“能够感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件和装置”。
定义表明传感器有这样三层含义：它是由敏感元件和转换元件构成的一种检测装置；能按一定规律将被测量转换成电信号输出；传感器的输出与输入之间存在确定的关系。
按使用的场合不同传感器又称为变换器、换能器、探测器。
1.2答：组成——由敏感元件、转换元件、基本电路组成；关系，作用——传感器处于研究对象与测试系统的接口位置，即检测与控制之首。
传感器是感知、获取与检测信息的窗口，一切科学研究与自动化生产过程要获取的信息都要通过传感器获取并通过它转换成容易传输与处理的电信号，其作用与地位特别重要。
1.3答：（略）答：按照我国制定的传感器分类体系表，传感器分为物理量传感器、化学量传感器以及生物量传感器三大类，含12个小类。
按传感器的检测对象可分为：力学量、热学量、流体量、光学量、电量、磁学量、声学量、化学量、生物量、机器人等等。
传感器原理及其应用(第二版)部分习题答案
24.875
精品
第1章 传感器的一般特性
4、何为传感器的静态特性？静态特性的主要技术指标有 哪些？ 答：传感器的静态特性是在稳态信号作用下的输入输出 特性。 衡量静态特性的重要指标有灵敏度、线性度、迟滞、重 复性、稳定性等。
精品
第1章 传感器的一般特性
5、何为传感器的动态特性？动态特性的主要技术指标有 哪些？ 答：传感器的动态特性是传感器在被测量随时间变化的 条件下输入输出关系。动态特性有分为瞬态响应和频率 响应。
答：金属应变片在外力的作用下，应变片的几何尺寸（长度和截面积 ）发生变化（机械形变）而引起应变片的电阻改变，运用它们的对应 关系实现测量目的；其灵敏系数（k≈1+2μ）主要是材料几何尺寸变化 引起的。半导体应变片受到作用力后，应变片的电阻率ρ发生变化，而 引起应变片的电阻值改变。其灵敏系数（k=△ρ/ρε）主要是半导体材 料的电阻率随应变变化引起的。 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，这种 现象称为金属的电阻应变效应。 应变片是利用金属的电阻应变效应，将金属丝绕成栅形，称为敏感栅 。并将其粘贴在绝缘基片上制成。精品
精品
第2章 电阻应变式传感器及其应用
解：(1)如图a，当重力F作用梁短部后，梁上表面R1和R3产生正
应变电阻变化而下表面R2和R4则产生负应变电阻变化，其应变的
绝对值应相等，即：
1 ＝ 3 ＝ 2 4 b 6 h F 2 L E 6 b m h 2 g E L
电阻相对变化量为：
R1R3R2 R4 Rk
R1 R3
R2
R4 R
现将四个电阻应变片按照图b所示接入等臂全桥电路，其输出电
桥电路电压为:
U0
R R
U
教学大纲【传感器原理与应用】
《传感器原理与应用》课程教学大纲一、课程基本信息四、教学内容、基本要求及教学方法第一章传感器的基本概念教学目的：本章介绍传感器的组成与分类、数学模型、基本特性。
教学重点和难点：传感器的组成、数学模型。
主要教学内容及要求：1.1 传感器的组成与分类一线性度二迟滞三重复性四灵敏度与灵敏度偏差五分辨力与阈值六稳定性七温度稳定性八抗干扰稳定性九静态误差1.2 传感器的动特性一接触式传感器的动特性二模拟式传感器的动特性三数字式传感器的动特性1.3 传感器的技术指标基本要求：了解：传感器的组成。
掌握：传感器的数学模型。
第二章电阻式传感器教学目的：本章介绍电阻式传感器的原理、分类及测量电路。
教学重点和难点：应变式传感器原理及电桥测量电路。
—2—主要教学内容及要求：2.1应变式传感器一工作原理二应变片的类型和材料三金属应变片的主要特性四转换电路五温度误差及其补偿六应变式传感器举例2.2 压阻式传感器一基本原理二温度误差及其补偿三压阻式传感器基本要求：了解：电阻式传感器的分类。
理解：电阻式传感器的原理。
掌握：应变式传感器原理及电桥测量电路。
第三章电感式传感器教学目的：本章介绍电感式传感器的原理、结构及测量电路。
教学重点和难点：电涡流式传感器原理及测量电路。
主要教学内容及要求：3.1基本原理3.2电感计算及特性分析一自感计算与特性分析二互感计算与特性分析3.3转换电路和传感器灵敏度3.4零点残余电压3.5应用举例基本要求：了解：电感式传感器的分类。
理解：电感式传感器的原理。
掌握：电涡流式传感器原理及测量电路。
第四章电容式传感器3教学目的：本章介绍电容式传感器的原理、结构及测量电路。
教学重点和难点：电容式传感器原理及测量电路。
主要教学内容及要求：4.1工作原理与类型一工作原理二类型4.2转换电路一电容式传感器等效电路二电桥电路三二极管双T形电路四差动脉冲调宽电路4.3主要性能、特点和设计要点一主要性能二特点三设计要点4.4电容传感器的应用基本要求：了解：电容式传感器的类型与应用。
传感器原理与应用 第二版 黄贤武 郑筱霞主编
至信号处理系统
16
2、传感型光纤传感器
将光纤自身作为敏感元件，直接接收外界的被测量。
被测量可引起光纤的长度、折射率、直径等方面的变
化，从而使得在光纤内传输的光被调制。若将光看成
简谐振动的电磁波，则光可以被调制的参数有四个，
即：
按被调制的光 波参数不同可
分为:
强度调制光纤传感器 相位调制光纤传感器 频率调制光纤传感器 偏振调制光纤传感器
10
光量小且稳定。在 某些波长上，光纤的损耗非常小。可选择适当波长 的电光转换元件与之匹配。
11
与光纤耦合的电光与光电转换器件 实现电光转换的元件通常是发光二极管或激光二极管。
12
激光二极管的与发光二极管的带宽及效率的比较 单模光纤必须采用能发射单一光谱的激光二极管，它 在传导过程中的发散损耗较小，稳定性较高。
出去,另一部分光反射回来,由光纤的另一端导向探测器。 反射光强的大小取决于被测介质的折射率。 被测介质的 折射率与光纤折射率越接近,反射光强度越小。显然,传 感器处于空气中时比处于液体中时的反射光强要大。
LED
12
PD
探头结构
图 球面光纤液位传感器
空气
液体 28
检测原理
例6 光纤涡街流量计
光源
光纤夹 密封胶
液体流管
探测器
光纤
张紧重物 频谱
分析记录
图 光纤涡街流量计
当流体流动受到一个垂直于流 动方向的非流线体阻碍时，在 某些条件下会在流体的下游两 侧产生有规则的旋涡。这种旋 涡将会在该非流线体的两边交 替地离开。当每个旋涡产生并 泻下时，会在物体壁上产生一 侧向力。周期产生的旋涡将使 物体受到一个周期的压力。若 物体具有弹性，便会产生振动， 振动频率近似地与流速成正比。
传感器原理与应用 (第二版) 黄贤武 郑筱霞主编
—— 载流导体置于磁场中，其电阻随磁场而变化
磁阻效应方程：温度恒定、弱磁场、只有电子导电
B 0(1 0.273 2B2 )
式中，B —— 磁感应强度为B时的电阻率 0 —— 零磁场下的电阻率 —— 电子迁移率
B —— 磁感应强度
电阻率变化 B 0
电阻率相对变化 0.273 2B2 k (B)2 0
Vcc 稳压
Vcc 稳压
单端输出：SL3501T
R
双端输出：SL3501M19
七、霍尔传感器的应用
1、霍尔位移传感器
磁钢
N
S
IS
Nx
B
x 0
UH RH IB d
若 dB 为一常数 dx
dUH RH I dB K
dx
d dx
UH Kx x 磁数场梯度越大，灵敏度越高
磁场梯度越均匀，输出线性越好
线性应用：比例放大器 线性度好、低噪声放大器
15V
15V
15V
15V
开关应用：射极跟随器 灵敏度高：一般放大器
13
四、霍尔元件的测量误差和补偿方法
半导体固有特性 半导体制造工艺缺陷
温度误差 零位误差
1、零位误差及补偿方法
A
C
U0 D I
B
A
C
D
B
A、B同一等位面：U0 = 0、电桥平衡 A、B非同一等位面：U0 = 0、电桥不平衡
电桥补偿原理：在阻值较大的桥臂上并联电阻
14
A
C
D
R1 IC
A R3
D
B W
（a）
R2
R4
B
W
A
A
C
D
R1
传感器原理与应用习题课后答案第2章到第8章演示教学
《传感器原理与应用》及《传感器与测量技术》习题集与部分参考答案 教材：传感器技术（第3版）贾伯年主编，及其他参考书第2章 电阻式传感器2-1 金属应变计与半导体应变计在工作机理上有何异同？试比较应变计各种灵敏系数概念的不同物理意义。
答：（1）相同点：它们都是在外界力作用下产生机械变形，从而导致材料的电阻发生变化所；不同点：金属材料的应变效应以机械形变为主，材料的电阻率相对变化为辅；而半导体材料则正好相反，其应变效应以机械形变导致的电阻率的相对变化为主，而机械形变为辅。
（2）对于金属材料，灵敏系数K0=Km=(1+2μ)+C(1-2μ)。
前部分为受力后金属几何尺寸变化，一般μ≈0.3，因此（1+2μ）=1.6；后部分为电阻率随应变而变的部分。
金属丝材的应变电阻效应以结构尺寸变化为主。
对于半导体材料，灵敏系数K0=Ks=(1+2μ)+πE 。
前部分同样为尺寸变化，后部分为半导体材料的压阻效应所致，而πE>>(1+2μ)，因此K0=Ks=πE 。
半导体材料的应变电阻效应主要基于压阻效应。
2-2 从丝绕式应变计的横向效应考虑，应该如何正确选择和使用应变计？在测量应力梯度较大或应力集中的静态应力和动态应力时，还需考虑什么因素？2-3 简述电阻应变计产生热输出（温度误差）的原因及其补偿办法。
答：电阻应变计的温度效应及其热输出由两部分组成：前部分为热阻效应所造成；后部分为敏感栅与试件热膨胀失配所引起。
在工作温度变化较大时，会产生温度误差。
补偿办法：1、温度自补偿法 （1）单丝自补偿应变计；(2) 双丝自补偿应变计2、桥路补偿法 （1）双丝半桥式；（2）补偿块法2-4 试述应变电桥产生非线性的原因及消减非线性误差的措施。
答：原因：)(211)(44433221144332211R R R R R R R R R R R R R R R R U U ∆+∆+∆+∆+∆-∆+∆-∆=∆ 上式分母中含ΔRi/Ri ，是造成输出量的非线性因素。
玻璃破碎报警器
压电式玻璃破碎报警器一．选题的意义在很多安全场合，比如文物防盗、博物馆防盗和重要机密或重要文件保存，都需要设置玻璃破碎报警器来保证其安全。
目前采用最多的就是压电式玻璃破碎报警器，它具有使用频带宽、灵敏度高、结构简单、工作可靠、质量轻、测量范围广等许多优点。
二．工作原理压电陶瓷片具有正压电效应：压电陶瓷片在外力作用下产生扭曲、变形时将会在其表面产生电荷，且产生的电荷量Q 与作用力成正比，Q=33d F ，33d 为陶瓷的压电系数，F 为极化方向作用力。
压电传感器还具有一个重要特点：只能用于测量动态变化的信号，高频响应较好。
玻璃破碎时会产生10k~15k 的高频声音信号，该信号可使压电传感器的压电元件产生正压电效应。
因而压电陶瓷片可对玻璃破碎信号进行有效检测，并对10kHz 以下的声音有较强的抑制作用，从而检测玻璃是否发生破碎。
玻璃破碎声发射频率的高低、强度的大小同玻璃的厚度、材料有关。
使用石英玻璃在25℃、湿度25%时的破碎频率为12kHz 。
三．方案论证在玻璃附近安装压电传感器，当压电元件表面因玻璃破碎产生的高频声音信号而受振动时，压电传感器就会产生一定的电压脉冲。
该电压经放大后送入带通滤波器，以提高灵敏度和减少误报。
压电传感器产生的是交流信号，需经过交直流变换变成直流信号后才能送入比较器。
比较器产生标准的下降电压引起单片机中断执行显示、报警操作。
系统总体框图如下：四．硬件设计4.1压电传感器选用压电陶瓷作为压电传感器，压电传感器可等效为一个电压源，如图所示：图2 压电传感器等效电路Ca 为压电传感器等效电容、Ra 为传感器漏电阻，Cc 为电缆电容，Ri 是后级电路的输入阻抗，Ci 是其输入电容，R=Ra//Ri 。
若压电元件受正弦力f = Fmsin ωt 的作用时，经计算前置放大器输入电压Ui 的幅值为：令ω0=1/［R （Ca + Cc + Ci ）］，当 ω/ω0>3 时，可认为Uim 与ω无关。
传感器原理与应用习题及答案
《第一章传感器的一般特性》1试绘制转速和输出电压的关系曲线，并确定：1）该测速发电机的灵敏度。
2）该测速发电机的线性度。
2．已知一热电偶的时间常数τ=10s，若用它来测量一台炉子的温度，炉内温度在540οC和500οC 之间按近似正弦曲线波动，周期为80s，静态灵敏度k=1，试求该热电偶输出的最大值和最小值，以及输入与输出信号之间的相位差和滞后时间。
3．用一只时间常数为0.355s 的一阶传感器去测量周期分别为1s、2s和3s的正弦信号，问幅值误差为多少？4．若用一阶传感器作100Hz正弦信号的测试，如幅值误差要求限制在5%以内，则时间常数应取多少？若在该时间常数下，同一传感器作50Hz正弦信号的测试，这时的幅值误差和相角有多大？5．已知某二阶系统传感器的固有频率f0=10kHz，阻尼比ξ=0.1，若要求传感器的输出幅值误差小于3%，试确定该传感器的工作频率范围。
6．某压力传感器属于二阶系统，其固有频率为1000Hz,阻尼比为临界值的50%,当500Hz的简谐压力输入后，试求其幅值误差和相位滞后。
《第二章应变式传感器》1．假设某电阻应变计在输入应变为5000με时电阻变化为1%，试确定该应变计的灵敏系数。
又若在使用该应变计的过程中，采用的灵敏系数为 1.9，试确定由此而产生的测量误差的正负和大小。
2．如下图所示的系统中：①当F＝0和热源移开时，R l＝R2＝R3＝R4，及U0＝0；②各应变片的灵敏系数皆为+2.0，且其电阻温度系数为正值；③梁的弹性模量随温度增加而减小；④应变片的热膨胀系数比梁的大；⑤假定应变片的温度和紧接在它下面的梁的温度一样。
在时间t＝0时，在梁的自由端加上一向上的力，然后维持不变，在振荡消失之后，在一稍后的时间t1打开辐射源，然后就一直开着，试简要绘出U0和t的关系曲线的一般形状，并通过仔细推理说明你给出这种曲线形状的理由。
3．一材料为钢的实心圆柱形试件，直径d＝10 mm，材料的弹性模量E＝2 ×1011N／m2，泊松比μ＝0.285，试件上贴有一片金属电阻应变片，其主轴线与试件加工方向垂直，如图1所示，若已知应变片的轴向灵敏度k x ＝2，横向灵敏度C=4%，当试件受到压缩力F＝3×104N作用时。
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荷重传感器 上的应变片 在重力作用 下产生变形。 轴向变短， 径向变长。
45
汽车衡称重系统
46
47
例2 应变计式加速度传感器
m
m
惯性系统：a
F
a F /m
适用频率：10 ~ 60Hz
m cx kx 0 x
48
例3 膜片式应变压力传感器
P
周边 固定 的圆 形金 属膜 片
① 一个桥臂R1工作，
2 3 4 0
② 两个相邻桥臂工作，
3 4 0, 1 , 2
32
U 0
U R1 R 2 R 3 R 4 U ( ) K ( 1 2 3 4) 4 4 R1 R2 R3 R4 1 R1 R 2 R3 R 4 K r ( ) ( 1 2 3 4) 2 2 R1 R2 R3 R4
（1）电桥的灵敏度
' U0 U SV 2 R R （2）电桥的非线性
无非线性误差
29
半桥差动电桥：
F
R1
F
R1 +⊿R R2 -⊿R
R2
R1＋⊿R
R2－⊿R U0
R3 U
R4
30
全桥差动电桥：
R1 R1 R 4 R 4 U0 U R1 R1 R 2 R 2 R3 R3 R 4 R电容调平法 ① 差动电容法
② 阻容调平法
37
弹性敏感元件 1弹性圆柱
柱式弹性元件具有结构简单的特点，可承受很大的 载荷，根据截面形状可分为圆筒形与圆柱形两种：
F 截面积S
-ε2 +ε1 F (a)实心圆柱
F 面积S +ε2 -ε1 F (b)空心圆柱
图 弹性圆柱
38
2.悬臂梁
50
例5 应变计式位移传感器
测量范围： 0.1um ~ 0.1mm
角位移传感器
51
（1）等截面梁。一端固定， 另一端自由，且截面为矩形 的梁称为等截面悬臂梁。等 截面悬臂梁所受作用力 F 与 某一位置处的应变关系可按 6(l x ) F 下式计算： 2
bh E
图 等截面悬臂梁
（2）等强度梁。等截面梁的不 同部位所产生的应变是不相等 的，当作用力 F 加在梁的两斜 边的交汇点处时，等强度梁各 点的应变值为： 6lF
（1）电桥的灵敏度
' U0 U SV 4 R R
（2）电桥的非线性
r 1 R1 1 ＝ Ks x 2 R1 2
K：金属
半导体
28
补偿措施： 加减特性，双臂或四臂差动工作方式
半桥差动电桥：
R1 R1 R4 U0 ( R1 R1 R 2 R 2) R3 R4 U
22
减小横向效应
箔式应变计的优点：
接触面大 增大输出电流强度
23
§2-3 电阻应变片的测量电路
R K R
例：
R 1000 , R 120 , K 2, ? R R K 2 1000 10 6 0.002 R
机械应变
电阻应变计
R R
变化
电桥电路
非电量
电阻元件
电阻变化
1
类
别
材
料
原
理
输出特性
阻值随输出端位 置的变化而变化 阻值随材料的形 变而改变 阻值随加在材料 上的压力而改变 阻值与外加光的 强弱及性质有关 阻值随材料温度 的变化而变化
电位器式传感器 金属或 半导体 石英等 晶体 半导体 金属或 半导体
变阻器
应变式传感器
应变-电阻效应
压阻式传感器
16
当它受到轴向力F而被拉伸(或压缩)时，其l、A和ρ均 发变化，导体的电阻随之发生变化，电阻相对变化为：
dR d dl dA R l A
17
dR d dl dA R l A
dl 其中， ( ) 轴向线应变 l dA dr ( ) 2( ) 2u A r
三、交流电桥及其平衡
1、交流电桥平衡条件
平衡条件
或
Z 1Z 3 Z 2 Z 4
Z1 Z 4 Z2 Z3
i
Zi Ri jxi zie j , i 1,2,3,4
z1z3 z2 z4 1 3 2 4
35
2、交流电桥的调平方法
（1）电阻调平法 ① 串联电阻法
（1）电桥的灵敏度
' U0 SV U R R
（2）电桥的非线性 无非线性误差
31
U 0
U U R1 R 2 R 3 R 4 ( ) K ( 1 2 3 4) 4 4 R1 R2 R3 R4 K 1 R1 R 2 R 3 R 4 ( 1 2 3 4 ) r ( ) 2 2 R1 R2 R3 R4
压电效应
光电阻式传感器
光电效应
热电阻式传感器
电阻-温度特性
2
§2-1 电位器式传感器
电位器式传感器 电位器式传感器
线绕式电阻传感器 线绕式
非线绕式电阻传感器 非线绕式
薄膜电位器
导电塑料电位器
光电电位器
3
一、线绕电位器式传感器
机械位移信号
精密电位器
转换元件
电信号
位移
4
1、线绕电位器的结构
5
6
2、线绕电位器的输出特性
1、航空飞行高度传感器
13
2、液面高度测试仪
14
§2-2 应变式电阻传感器
一、应变效应 导体或半导体材料在受到外界力作用时，产生 机械变形，其电阻值相应发生变化，这种现象称为 “应变效应”。 金属电阻应变片 半导体电阻应变片
构造的材料
15
二、电阻应变片的工作原理
l R A(r )
A(r ) r 2
图1 膜片的轴向截面
图2 波纹形状与膜片特性的关系
图3 波纹管外形 42
§2-4 电阻应变式传感器的应用
一、应变式传感器的特点
1、优点 ① 应用和测量范围广
力： 2 ~ 107 N 10 压力： 1 ~ 108 Pa 10 加速度： 3 m / s 2 10
几十mV / V
② 精度和灵敏度高 0.1%~0.01% ④ 对复杂环境的适应性强
11
二、非线绕电位器式传感器
1、薄膜电位器 2、导电塑料电位器 3、光电电位器 非接触式电位器 暗电阻:绝缘体 明电阻:良导体
5 8
光电导层
10 ~ 10
优点：精度、寿命、分辨率、可靠性高、阻值范围宽
缺点：温度范围窄、输出电流小、输出阻抗较高 12 结构复杂、体积和重量大 集成光电子技术
三、电位器式传感器的应用
R 令 K 分压系数 R0 KU 0 Ux 1 K (1 K )
R0 负载系数 RL
Ux Usc
Usc K ,Usc R,Usc L
8
R Usc U 0 KU 0 R0
R 令 K 分压系数 R0
R0 负载系数 RL
KU 0 Ux 1 K (1 K )
径向 线应变
泊淞比
单位：“微应变”， 1106 mm / mm 1
轴向 线应变
dR d (1 2u ) R
18
应变电阻效应
dR d (1 2u ) R
应变灵敏系数
几何尺寸变 化
电阻率变 化
dR Ks R
金属丝材的应变电阻效应以结构尺寸变化为主， (1+2μ)≈1 ~ 2
19
应变电阻效应 半导体
d (1 2u ) E
K 0 Ks (1 2u )
dR d (1 2u ) R
压阻效 应
几何尺寸变化
半导体材料的应变电阻效应主要基于压阻效应
压阻效应
半导体材料受到轴向力作用时，电阻率发生变化的现 象。
20
二、电阻应变片的结构
9
3、阶梯特性、误差和分辨率
U0 U n
U0 U0 Un m m n 1 n 1 1 U 0 m( ) n 1 n
10
Un U
U0 n 100% 1 100% 电压分辨率 RV U0 n L n 100% 1 100% 行程分辨率 RL L n 1 U0 2 n 100% 1 100% 阶梯误差 ei U0 2n
金属丝式应变片
金属箔式应变片
半导体应变片 敏感栅 ：栅状 基底 传递应变
粘结剂
盖层 引线
21
静态特性 （1）灵敏系数K
dR K 0 R
K与 K0 相同吗？
应变计 的 灵敏系 数
dR K x R
（2）横向效应
K K0
y
导电丝材 的 灵敏系数
x
y
x
如何减小横向效应
直角横栅、箔式应变计
③ 频率响应特性好 107 ~ 1011 s 几十~上百KHz
⑤ 商品化
2、缺点 ① 大应变下的非线性 ② 屏蔽措施 ③ 不能测应力梯度的变化
43
3、应用举例
被测非电量
弹性 应变 元件
传感元件 电阻 (应变片)
应变式力传感器
电子自动秤
例1 筒形结构的称重传感器 F FF
44
荷重传感器原理演示
b0 h 2 E
图
39
等强度悬臂梁
3．薄壁圆筒 薄壁圆筒与弹簧管等弹性元件可将气体压力转换为 应变。筒壁的每一单元将在轴线方向和圆周方向产 生拉伸应力，它的应变与圆筒的长度无关，而仅取 决于圆筒的半径 r0、厚度 h 和弹性模量 E，而且轴 线方向应变与圆周方向应变不相等。