传感器技术及应用_教案及习题讲解

第一章引言

➢教学要求

1．掌握传感器的基本概念。

2．掌握传感器的组成框图（p2，图1.1）。

3．掌握传感器的静态性能和动态性能。

4．了解传感器的课程性质和课程任务。

5．了解传感器的分类和发展趋势。

➢教学内容

1.1 传感器的发展和作用

了解。

1.2 什么是传感器

传感器定义：能够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和装置，通常由敏感元件和转换元件组成。顾名思义，传感器的功能是一感二传，即感受被测信息，并传送出去。根据传感器的功能要求，它一般应由三部分组成，即：敏感元件、转换元件、转换电路。

1.3 传感器的分类

1．根据被测物理量分类

速度传感器、位移传感器、加速度传感器、温度传感器、压力传感器等。

2．按工作原理分类

应变式、电压式、电容式、涡流式、差动变压器式等。

3．按能量的传递方式分类

有源的和无源的传感器。

1.4 传感器的性能和评价

1.4.1 传感器的静态特性

传感器的静态特性是指传感器的输入信号不随时间变化或变化非常缓慢时，

所表现出来的输出响应特性，称静态响应特性。通常用来描述静态特性的指标有：测量范围、精度、灵敏度、稳定性、非线性度、重复性、灵敏阈和分辨力、迟滞。

• 稳定性

传感器的稳定性，一是指传感器测量输出值在一段时间内的变化，即用所谓的稳定度表示；二是指在传感器外部环境和工作条件变化时而引起输出值的变化，即用影响量来表示。

• 灵敏度

传感器灵敏度是表示传感器的输入增量与由它引起的输出增量之间的函数关系。更确切地说，灵敏度k等于传感器输出增量与被测量增量之比，是传感器在稳态输出输入特性曲线上各点的斜率。用公式表示为：

• 灵敏阈与分辨力

灵敏阈是指传感器能够区分出的最小读数变化量。

对模拟式仪表，当输入量连续变化时，输出量只做阶梯变化，则分辨力就是输出量的每个阶梯所代表的输入量的大小。对于数字式仪表，灵敏度阈就是分辨力，即仪表指示数字值的最后一位数字所代表的值。

从物理含义看，灵敏度是广义的增益，而灵敏度阈则是死区或不灵敏度。

• 迟滞

传感器在正（输入量增大）反（输入量减小）行程中——输入特性曲线不重合的程度称为迟滞。

• 线性度

传感器的输出——输入校准曲线与理论拟合直线之间的最大偏差与传感器满量程输出之比，称为该传感器的“非线性误差”或称“线性度”，也称“非线性度”。

1.4.2传感器的动态特性

动态特性是指传感器对于随时间变化的输入量的响应特性。只要输入量是时间的函数，则其输出量必将是时间的函数。研究动态特性的标准输入形式有三种，即正弦、阶跃和线性，而经常使用的是前两种。

• 零阶传感器动态特性指标

零阶传感器，其输入量无论随时间如何变化，其输出量的幅值总是与输入量成确定的比例关系，在时间上也不滞后，幅角φ等于零。所以零阶传感器的动态特性指标就是静态特性指标。

• 一阶传感器动态特性指标

一阶传感器动态特性指标有：静态灵敏度和时间常数τ。如果时间常数τ越小，系统的频率特性就越好。在弹簧阻尼系统中，就要求系统的阻尼系数小，而弹簧刚度要大。

• 二阶传感器动态特性指标

二阶传感器的传递函数：

频率函数为：

幅频特性为：

相频特性为：

上面各式中：

——系统无阻尼时的固有振动角频率；

k ——弹簧常数；

m ——质量；

ζ——相对阻尼系数；

C ——阻尼器阻尼系数；

K ——静态灵敏度。

由于大多数传感器均为二阶系统，所以我们要专门讨论二阶系统的阶跃响应。根据二阶系统相对阻尼系数ζ的大小，将其二阶响应分成三种情况：既1ζ>时过阻尼；1ζ=时临界阻尼；1ζ<时欠阻尼。在一定的值下，欠阻尼系统比临界阻尼系统更快地达到稳态值；过阻尼系统反应迟钝，动作缓慢，所以一般传感器都设计成欠阻尼。一般取值为0.6~0.8。

第二章 应变式传感器

➢ 教学要求

1．掌握电阻应变效应的基本概念。

2．掌握电桥原理与电阻应变计桥路。

3．掌握应变计的静态性能和动态性能。

4. 掌握温度误差产生的原因及其补偿方法。

4．了解应变计的分类和命名规则。

5．了解应变计的应用和发展现状。

➢ 教学内容

2.1 电阻应变效应

2.1.1 电阻应变效应

定义：导体或半导体材料在外界力的作用下产生机械变形时，其电阻值相应发生变化，这种现象称为“应变效应”。 设有一段长为l ，截面积为A ，电阻率为ρ的导体(如金属丝)，它具有的电阻为：

l R A

ρ= 式中：ρ—电阻丝的电阻率；l —电阻丝的长度；A —电阻丝的截面积。

2.1.2 应变计的分类

了解。

2.1.3 应变计型号命名

了解。

2.2 应变计的主要特性

2.2.1应变计的灵敏度系数

当具有初始电阻值的应变计粘贴于试件表面时，试件受力引起的表面应变，将传递给应变计的敏感栅，使其产生电阻相对变化。实验证明，在一定的应变范围内，有下列关系：

R

R

k

ε

∆

=

式中，

k为电阻应变计的灵敏度系数。

必须指出，应变计的灵敏系数并不等于其敏感栅整长应变丝的灵敏度系数，

一般情况下，

k k

<。这是因为，在单向应力产生双向应变的情况下，k除受到敏感栅结构形状﹑成型工艺﹑粘结剂和基底性能的影响外，尤其受到栅端圆弧部分横向效应的影响。应变计的灵敏度系数直接关系到应变测量的精度。因此，值通常采用从批量生产中每批抽样，在规定条件下通过实测确定，该值称为“标称灵敏度系数”。

2.2.2 横向效应

定义：在单位应力、双向应变情况下，横向应变总是起着抵消纵向应变的作用。应变计这种既敏感纵向应变，又同时受横向应变影响而使灵敏系数及相对电阻比都减小的现象，称为横向效应。其大小用横向效应系数H(百分数)来表示，即：

x

K对轴向应变的灵敏度系数；

y

K为对横向应变的灵敏度系数。

减小横向效应的方法：采用直角线栅式应变计或箔式应变计。

2.2.3应变计的动态特性

实验表明，机械应变波是以相同于声波的形式和速度在材料中传播的。当它依次通过一定厚度的基底、胶层(两者都很薄，可忽略不计)和栅长而为应变计所响应时，就会有时间的迟后。应变计的这种响应迟后对动态(高频)应变测量，就会产生误差。应变计的动态特性就是指其感受随时间变化的应变时之响应特性。

2.2.4其它特性参数

机械滞后

实用中，由于敏感栅基底和粘结剂材料性能，或使用中的过载，过热，都会使应变计产生残余变形，导致应变计输出的不重合。这种不重合性用机械滞后(Z j)