传感技术-第二章10
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传感器与检测技术
传感器与检测技术山东省高等教育自学考试《传感器与检测技术》02202考试大纲第一部分学习过程评价部分考核大纲一、学习过程评价的课程性质及课程设置的目的、课程基本要求(一)课程性质与学习过程评价的设置目的传感器与检测技术是机电一体化工程专业的一门专业基础课。
本课程阐述如何利用传感器将机电一体化系统典型被测物理量转换成与之有确切对应关系并且容易检测、传输、处理的信号，通过计算机数据处理，得到有关被测系统的有用信息。
传感器与检测技术是机电一体化系统的关键技术之一。
“传感器与检测技术”是一门综合性、实践性很强的课程，在自学过程中必须做一定数量的基本实验，才能掌握课程的基本内容，培养考生分析问题和解决问题的能力。
考生应高度重视实验环节。
这是学习过程评价目的之一;另外，作一定数量的习题、思考题对学好本课程也非常必要，这是学习过程评价目的之二。
(二)学习过程评价基本要求考生在学习过程中进行必要的教学实验:(1)通过电阻应变式传感器实验，掌握电阻应变式传感器工作原理和输出特性。
(2)通过电感式传感器实验，掌握电感式传感器工作原理和输出特性 (3)通过电容式传感器实验，掌握电容式传感器工作原理和输出特性 (4)通过滤波器特性实验，了解无源滤波器和有源滤波器的类型、工作原理，掌握滤波器特性及其测试方法。
(5)通过压力传感器静态标定实验，掌握压力传感器静态标定方法，学习标定数据处理及传感器特性指标的计算。
(6)通过温度传感器校准实验，掌握温度传感器的使用方法和校准方法。
(7)通过振动测试实验，了解其固有频率、阻尼比及各阶振型的测试方法;了解非接触式和接触式测振传感器的特点;附加传感器质量对测试结果的影响;了解激振、测振系统的基本组成和选择。
(8)通过切削力测量实验，了解八角换车削测力仪的结构、应变片的粘贴和组桥方法以及测力仪工作原理掌握八角环测力仪的静态标定方法。
考生在学习过程中必须完成一定数量的习题、思考题。
二、学习过程评价的课程内容和考核要求(一) 实验内容与要求实验1 电阻应变式传感器实验。
传感器原理与应用复习范围
绪论一、传感器：将各种非电量（包括物理量、化学量、生物量等），按照一定的规律转换成便于处理和传输的另一种物理量（一般为电量）的装置。
二、传感技术：是利用各种功能材料实现信息检测的一门应用技术，是检测（传感）原理、材料科学、工艺加工等三要素的最佳结合。
三、传感器的组成：传感器一般有敏感元件、转换原件和测量电路三部分组成，有事还需要加辅助电源。
四、传感器分类：1.按输入量分类如输入量分别为温度、压力、位移、速度、加速度、湿度等非电量时，则相应的传感器称为温度传感器、压力传感器、位移传感器、速度传感器、加速度传感器、湿度传感器等。
2.按测量原理分类现有传感器的测量原理主要是基于电磁原理和固体物理学理论。
如根据变电阻的原理，相应的有电位器式、应变式传感器；根据变磁阻的原理，相应的有电感式、差动变压器式、电涡流式传感器；根据半导体有关理论，则相应的有半导体力敏、热敏、光敏、气敏等固态传感器。
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。
五、传感器的发展趋向1.传感器的固态化，2、传感器的集成化和多功能化3.传感器的图像化4.传感器的智能化第1章传感器的一般特性§1-1 传感器的静态特性传感器在被测量的各个值处于稳定状态时，输出量和输入量之间的关系称为静态特性。
传感器静态特性的主要指标有以下几点：一、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。
二、灵敏度传感器的灵敏度指到达稳定工作状态时输出变化量与引起此变化的输入变化量之比。
线性传感器校准曲线的斜率就是静态灵敏度K。
《传感器及其应用》第二章习题答案
第2.1章 思考题与习题1、何为金属的电阻应变效应？怎样利用这种效应制成应变片？ 答：（1）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。
（2）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。
把金属丝绕成栅形相当于多段金属丝的串联是为增大应变片电阻，提高灵敏度，2、什么是应变片的灵敏系数？它与电阻丝的灵敏系数有何不同？为什么？ 答：（1）应变片的灵敏系数是指应变片安装于试件表面，在其轴线方向的单向应力作用下，应变片的阻值相对变化与试件表面上安装应变片区域的轴向应变之比。
εRR k /∆=（2）实验表明，电阻应变片的灵敏系数恒小于电阻丝的灵敏系数其原因除了粘贴层传递变形失真外，还存在有恒向效应。
3、对于箔式应变片，为什么增加两端各电阻条的截面积便能减小横向灵敏度？答：对于箔式应变片，增加两端圆弧部分尺寸较栅丝尺寸大得多（圆弧部分截面积大），其电阻值较小，因而电阻变化量也较小。
所以其横向灵敏度便减小。
4、用应变片测量时，为什么必须采用温度补偿措施？ 答：用应变片测量时，由于环境温度变化所引起的电阻变化与试件应变所造成的电阻变化几乎有相同的数量级，从而产生很大的测量误差，所以必须采用温度补偿措施。
5、一应变片的电阻 R=120Ω， k=2.05。
用作应变为800μm/m 的传感元件。
①求△R 和△R/R ；②若电源电压U=3V ，求初始平衡时惠斯登电桥的输出电压U 0。
已知：R=120Ω， k =2.05，ε=800μm/m ； 求：①△R=？，△R/R=？②U=3V 时，U 0=？ 解①：∵ εRR k /∆=∴Ω=⨯⨯==∆⨯=⨯==∆-1968.012080005.21064.180005.2/3R k R k R R εε解②：初始时电桥平衡（等臂电桥）∵ U RRU ∙∆∙=410 ∴ mV U R R U 23.131064.1414130=⨯⨯⨯=∙∆∙=- 6、在材料为钢的实心圆柱形试件上，沿轴线和圆周方向各贴一片电阻为120Ω的金属应变片R 1和R 2，把这两应变片接入差动电桥（参看图2-9a ）。
《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。
传感器技术及应用知到章节答案智慧树2023年山东工业职业学院
传感器技术及应用知到章节测试答案智慧树2023年最新山东工业职业学院第一章测试1.自动控制技术、通信技术、连同计算机技术和（），构成信息技术的完整信息链。
参考答案:传感技术2.传感器按其敏感的工作原理，可以分为物理型、化学型和（）三大类。
参考答案:生物型3.近年来，仿生传感器的研究越来越热，其主要就是模仿人的（）的传感器。
参考答案:感觉器官4.若将计算机比喻成人的大脑，那么传感器则可以比喻为( )。
参考答案:感觉器官5.传感器主要完成两个方面的功能：检测和（）。
参考答案:转换6.下列指标属于衡量传感器动态特性的评价指标的是（）。
参考答案:时域响应7.按误差数值表示的方法，误差可以分为( )参考答案:引用误差;相对误差;绝对误差8.评定仪表品质的几个主要质量指标( )参考答案:灵敏度和灵敏限;变差;精度;非线性误差9.相对误差的表示方法有( )参考答案:相对百分误差;实际相对误差;标称相对误差10.重要场合使用的元器件或仪表，购入后需进行高、低温循环老化试验，其目的是为了（）。
参考答案:提高可靠性第二章测试1.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( )测量转换电路。
参考答案:四臂全桥2.应变式压力传感器受压时产生的是( )信号。
参考答案:电阻3.全桥差动电路的电压灵敏度是单臂工作时的( )。
参考答案:4倍4.直流电桥工作时不需要平衡。
（）参考答案:错5.全桥的灵敏度最高。
（）参考答案:对6.电阻应变式传感器是把被测量转换为电阻值的变化。
（）参考答案:对7.金属丝电阻随着它所受的机械变形的大小而相应变化的现象，称为金属的( )。
参考答案:电阻应变效应8.制作应变片敏感栅的材料中，用的最多的金属是( )参考答案:康铜9.电阻应变片配用的测量电路中，为了克服分布电容的影响，多采用( )参考答案:交流不平衡10.直流电桥平衡的条件是( )参考答案:相对两臂电阻的乘积相等第三章测试1.欲测量极微小的位移，应选择（）自感传感器。
《检测与传感技术》思考题答案
2-3什么是直流电桥？若按不同的桥臂工作方式分类，可分为哪几种？各自的输出电压如何计算？
答：直流电桥是测量小电阻的一种电路，分为单臂电桥、半桥和全桥。半桥输出电压为单臂电桥的2倍，全桥输出电压为半桥的2倍。
2-4拟在等截面的悬臂梁上粘贴4个完全相同的电阻应变片，并组成差动全桥电路，试问：
①4个应变片应怎样粘贴在悬臂梁上？
4.4根据螺管型差动变压器的基本特性，说明其灵敏度和线性度的主要特点。
答：差动变压器的结构如图所示，主要由一个初级线圈、两个次级线圈和插入线圈中央的圆柱形铁芯等组成。
差动变压器传感器中的两个次级线圈反相串联，并且在忽略铁损、导磁体磁阻和线圈分布电容的理想条件下，当衔铁位于中心位置时，两个次级线圈感应电压大小相等、方向相反，差动输出电压为零，但实际情况是差动变压器输出电压往往并不等于零。差动变压器在零位移时的输出电压称为零点残余电压，它的存在使传感器的输出特性不经过零点，造成实际特性与理论特性不完全一致，使传感器的灵敏度降低，分辨率变差和测量误差增大。
解：
3-7简述差动式电容测厚传感器系统的工作原理。
答：电容测厚传感器是用来对金属带材在轧制过程中厚度的检测，其工作原理是在被测带材的上下两侧各置放一块面积相等，与带材距离相等的极板，这样极板与带材就构成了两个电容器C1、C2。把两块极板用导线连接起来成为一个极，而带材就是电容的另一个极，其总电容为C1+C2，如果带材的厚度发生变化，将引起电容量的变化，用交流电桥将电容的变化测出来，经过放大即可由电表指示测量结果。
4.5概述差动变压器的应用范围，并说明用差动变压器式传感器检测振动的基本原理。
答：差动变压器式传感器可以直接用于位移测量，也可以测量与位移有关的任何机械量，如振动、加速度、应变、比重、张力和厚度等。
答：直流电桥是测量小电阻的一种电路，分为单臂电桥、半桥和全桥。半桥输出电压为单臂电桥的2倍，全桥输出电压为半桥的2倍。
2-4拟在等截面的悬臂梁上粘贴4个完全相同的电阻应变片，并组成差动全桥电路，试问：
①4个应变片应怎样粘贴在悬臂梁上？
4.4根据螺管型差动变压器的基本特性，说明其灵敏度和线性度的主要特点。
答：差动变压器的结构如图所示，主要由一个初级线圈、两个次级线圈和插入线圈中央的圆柱形铁芯等组成。
差动变压器传感器中的两个次级线圈反相串联，并且在忽略铁损、导磁体磁阻和线圈分布电容的理想条件下，当衔铁位于中心位置时，两个次级线圈感应电压大小相等、方向相反，差动输出电压为零，但实际情况是差动变压器输出电压往往并不等于零。差动变压器在零位移时的输出电压称为零点残余电压，它的存在使传感器的输出特性不经过零点，造成实际特性与理论特性不完全一致，使传感器的灵敏度降低，分辨率变差和测量误差增大。
解：
3-7简述差动式电容测厚传感器系统的工作原理。
答：电容测厚传感器是用来对金属带材在轧制过程中厚度的检测，其工作原理是在被测带材的上下两侧各置放一块面积相等，与带材距离相等的极板，这样极板与带材就构成了两个电容器C1、C2。把两块极板用导线连接起来成为一个极，而带材就是电容的另一个极，其总电容为C1+C2，如果带材的厚度发生变化，将引起电容量的变化，用交流电桥将电容的变化测出来，经过放大即可由电表指示测量结果。
4.5概述差动变压器的应用范围，并说明用差动变压器式传感器检测振动的基本原理。
答：差动变压器式传感器可以直接用于位移测量，也可以测量与位移有关的任何机械量，如振动、加速度、应变、比重、张力和厚度等。
传感器与自动检测技术习题参考答案
400Hz 的正弦外力，幅植比 A( ) ，相角 ( ) 各为多少？ 0.7 时， A( ) ， ( ) 又为多少？
解： n 所以
阻尼比 0.14 时
2f n 2 3.14 800 5024 0 2512 1 n 5024 2
0 2f 0 2 3.14 400 2512
0.6980
2
n
arctan 2 0.7 0.5 arctan 0.7 arctan 0.9333 ( ) arctan 0.75 1 0.5 1
2
2 n
2
1.11 某二阶传感器固有频率 f0 10kHz ，阻尼比 0.1 ，若幅度误差小于 3%，试求决定此传感器的 工作频率。 解：
6
接口部分等，但并不是所判断、决策、监控
通信接口和总线
底层显示分析处理
┅
底层显示分析处理
信号调理电路
┅
信号调理电路
传感器
┅
传感器
自动检测系统的结构形式有串联、并联和混合三种形式。
第二章习题参考解
2.1 什么是测量误差？测量误差有几种表示方法？各有什么用途？ 答：测量误差是测量过程的不完善或测量条件的不理想，从而使测量结果偏离真值，即：测量结果 与被测量真值之差。测量误差=测量结果-真值 测量误差可表示为四种形式： （1）绝对误差:被测量的测量值 X 与其真值 A0 之差称之为测量绝对误差 X ，简称误差，即
0.7 时
5
A2 ( )
1 4
2 2 n 2
1
1
2 1 2 2 1 1 4 0 . 7 2 2 2
解： n 所以
阻尼比 0.14 时
2f n 2 3.14 800 5024 0 2512 1 n 5024 2
0 2f 0 2 3.14 400 2512
0.6980
2
n
arctan 2 0.7 0.5 arctan 0.7 arctan 0.9333 ( ) arctan 0.75 1 0.5 1
2
2 n
2
1.11 某二阶传感器固有频率 f0 10kHz ，阻尼比 0.1 ，若幅度误差小于 3%，试求决定此传感器的 工作频率。 解：
6
接口部分等，但并不是所判断、决策、监控
通信接口和总线
底层显示分析处理
┅
底层显示分析处理
信号调理电路
┅
信号调理电路
传感器
┅
传感器
自动检测系统的结构形式有串联、并联和混合三种形式。
第二章习题参考解
2.1 什么是测量误差？测量误差有几种表示方法？各有什么用途？ 答：测量误差是测量过程的不完善或测量条件的不理想，从而使测量结果偏离真值，即：测量结果 与被测量真值之差。测量误差=测量结果-真值 测量误差可表示为四种形式： （1）绝对误差:被测量的测量值 X 与其真值 A0 之差称之为测量绝对误差 X ，简称误差，即
0.7 时
5
A2 ( )
1 4
2 2 n 2
1
1
2 1 2 2 1 1 4 0 . 7 2 2 2
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。
清华大学出版社传感器课后习题参考答案
传感器与检测技术思考题参考答案第一章1. 传感器由那几部分组成？并说明各组成部分的功能。
答:传感器一般由敏感元件、转换元件、转换电路等几部分组成。
敏感元件：它是直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的某一物理量的元件。
转换元件：敏感元件的输出就是它的输入，它把输入转换成电路参数。
转换电路：将转换元转换成的电路参数接入转换电路，便可转换成电量输出。
2. 什么是传感器动态特性和静态特性，简述在什么条件下只研究静态特性就能够满足通常的需要，而在什么条件下一般要研究传感器的动态特性？在时域条件下研究静态，在频域条件下研究动态 3. 请使用性能指标描述检测系统的静态特性。
（P9-P11）4. 某线性位移测量仪，当被测位移由4.5mm 变到5.0mm 时，位移测量仪的输出电压由3.5V 减至2.5V ，求该仪器的灵敏度。
解：该仪器的灵敏度为25.40.55.35.2−=−−=S mV/mm5. 某测温系统由以下四个环节组成，各自的灵敏度如下：铂电阻温度传感器： 0.45Ω/℃ 电桥： 0.02V/Ω放大器： 100(放大倍数) 笔式记录仪： 0.2cm/V 求：(1)测温系统的总灵敏度；(2)记录仪笔尖位移4cm 时，所对应的温度变化值。
解：（1）测温系统的总灵敏度为18.02.010002.045.0=×××=S cm/℃（2）记录仪笔尖位移4cm 时，所对应的温度变化值为22.2218.04==t ℃ 第二章 检测系统的误差合成1.什么是系统误差？产生系统误差的原因是什么？如何发现系统误差？减少系统误差有哪几种方法？答：系统误差是指在相同的条件下，多次重复测量同一量时，误差的大小和符号保持不变，或按照一定的规律变化的误差。
…2.服从正态分布规律的随机误差有哪些特性?答：服从正态分布规律的随机误差的特性有：对称性 随机误差可正可负，但绝对值相等的正、负误差出现的机会相等。
传感器的主要学习知识重点
绪论一、传感器的定义、组成、分类、发展趋势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或装置，通常由敏感元件和转换元件构成。
如果传感器信号经信号调理后，输出信号为规定的标准信号（0~10mA,4~20mA;0~2V,1~5V;…），通常称为变送器，分类：按照工作原理分，可分为：物理型、化学型与生物型三大类。
物理型传感器又可分为物性型传感器和结构型传感器。
按照输入量信息：按照应用范围：传感器技术: 是关于传感器的研究、设计、试制、生产、检测和应用的综合技术.发展趋势: 一是开展基础研究，探索新理论，发现新现象，开发传感器的新材料和新工艺；二是实现传感器的集成化、多功能化与智能化。
1．发现新现象；2．发明新材料；3．采用微细加工技术；4．智能传感器；5．多功能传感器；6．仿生传感器。
二、信息技术的三大支柱现在信息科学（技术）的三大支柱是信息的采集、传输与处理技术，即传感器技术、通信技术和计算机技术。
课后习题1、什么叫传感器，它由哪几部分组成？它们的作用与相互关系？传感器(transducer/sensor)：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或装置（国标GB7665—2005）。
通常由敏感元件和转换元件组成。
敏感元件：指传感器中能直接感受或响应被测量并输出与被测量成确定关系的其他量(一般为非电量)部分。
转换元件：指传感器中能将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于传输或测量的可用输出信号(一般为电信号)部分。
信号调理电路(Transduction circuit) ：由于传感器输出电信号一般较微弱，而且存在非线性和各种误差，为了便于信号处理，需配以适当的信号调理电路，将传感器输出电信号转换成便于传输、处理、显示、记录和控制的有用信号。
第一章传感器的一般特性1.传感器的基本特性动态特性静态特性2.衡量传感器静态特性的性能指标（1）测量范围、量程（2）线性度%100max⨯∆±=⋅SF L y δ 传感器静态特性曲线及其获得的方法传感器的静态特性曲线是在静态标准条件下进行校准的。
第02章 电阻式传感器
金属箔式应变片：利用光刻、腐蚀等工艺制成的一
种很：薄的金属箔栅, 其厚度一般在0.003～0.01mm。
其优点是散热条件好, 允许通过的电流较大, 可制 成各种所需的形状, 便于批量生产。
金属箔式应变片的结构形式
几种金属箔式应变片--可以根据测试物体的需要来选择各种形状的应变片
金属薄膜应变片： 采用薄膜技术（真空蒸发）， 优点是灵敏系数大； 可在大温差下工作（-197--317℃） （二）应变片的粘贴技术---简单了解 粘贴剂； 粘贴工艺；
dr dl
r
l
dS 2 dr Sr
dR d (1 2) dl d (1 2)
R
l
dR 令 R K 由上式，得到
d K (1 2)
K——金属电阻丝的相对灵敏度系数。
金属电阻丝的相对灵敏度系数受两个因素影响：
（1）受力后材料的几何尺寸变化所引起的；即 (1下列材料制成： （1）康铜（铜镍合金）：最常用； （2）镍鉻合金：多用于动态； （3）镍鉻铝合金：作中、高温应变片； （4）镍鉻铁合金：疲劳寿命要求高的应变片； （5）铂及铂合金：高温动态应变测量。
（二）应变片的测量原理
用应变片测量应变或应力时,把应变片粘帖在被测对象表面上, 在外力作用下, 被测对象产生机械变形时, 应变片敏感栅也随着 变形, 应变片的电阻值也发生相应变化。当测得应变片电阻值 变化量ΔR时, 便可得到被测对象的应变值ε(ΔR/R=k ε),再根据 应力σ与应变的关系（材料力学）, 得到应力值σ
σ=E·ε
式中 : σ——试件的应力; ε——试件的应变;
E——试件材料的弹性模量（材料固定，是已知量）。
由此可知, 应力值σ正比于应变ε, 而试件应变ε正比于电阻 值的变化, 所以应力σ正比于电阻值的变化, 这就是利用应变片 测量试件应力σ的基本原理。
第二章电阻式传感器
R1 R4 =R2 R3 或
R1 /R2 =R3 /R4
(2-22)
2．电压灵敏度
若R1由应变片替代，当电桥开路时，不平衡电桥
输出的电压为:
R3 R1 R4 R2 R3 RR4 R1 R1 U0 E( ) E R1 R1 R2 R3 R4 ( R1 R1 R2 )( R3 R4 ) R`1 R4 R1 R3 R1 R4 E E R1 R2 R4 ( R1 R1 R2 )( R3 R4 ) (1 )(1 ) R1 R1 R3
1 Uo 2 n ei Uo 1 100% 100% 2n
3．非线性线绕电位器结构
(1) 用曲线骨架绕制的非线性变阻器; (2) 三角函数变阻器;
D L
Uo
D L sin 2 UO L 1 1 Ui D 2 2
x
dx
b
Ui
Ui U O sin 2
碳膜电位器：是目前使用最多的一种电位器。其电 阻体是用碳黑、石墨、石英粉、有机粘合剂等配制的混合
物，涂在马蹄形胶木板或玻璃纤维板上制成的。
优点：分辨率高、阻值范围宽；缺点：滑动噪声大、耐 热耐湿性不好。
金属膜电位器：其电阻体是用金属合金膜、 金属氧化膜、金属复合膜、氧化钽膜材料通过真空 技术沉积在陶瓷基体上制成的,如铂铜、铂锗、铂铑 金等。 优点：温度系数小、分辨率高、滑动噪声较合 成碳膜电位器小；缺点：阻值范围小、耐磨性不好
出电压阶梯的最大值与最大输出电压之比的百分数。 具有理想阶梯特性线绕电位
Uo 1 Re n 100% 100% Uo n
计，其理想的电压分辨率为
电位器的电刷行程来说，又 有行程分辨率，其表达式为
传感器与检测技术-教学大纲精选全文
教学大纲课程名称：传感器与检测技术课程类别：专业基础课适合专业：数控技术、机电一体化、电气自动化、检测技术（课程80学时）课程要求：必修课程先修课程：大学物理、电路基础、电子技术和微机原理等开课时间：第4学期传感器与检测技术是高等院校数控技术、机电一体化、电气自动化、检测技术类专业教学计划中一门必修的专业基础课。
本课程主要研究各类传感器的机理、结构、测量电路和应用方法，主要包括常用传感器、近代新型传感技术及信号调理电路等内容。
本课程的目的和任务是使学生通过本课程的学习，掌握常用传感器的基本原理、应用基础，并初步具有检测和控制系统设计的能力。
第一章检测技术的基础知识(3学时)基本概念（敏感元件、变换器、检测技术、测系统的组成及特点、传感器及检测技术的发展）；；误差分析及处理技术第二章传感器的基本概念（4学时）传感器的基本概念、基本特性（静态特性、动态特性、静、动态特性标定）及其选用。
第三章常用传感器的工作原理及应用（15学时）通过对电阻式传感器、电容式传感器、电感式传感器、压电式传感器、霍尔传感器、热敏传感器的学习，掌握各种测量几何量的传感器的基本结构、工作原理、测量转换电路；熟悉几何量测控所需传感器的应用和选用。
第四章数字式传感器（7学时）掌握光栅数字式传感器、磁栅数字式传感器、感应同步器、编码器的工作原理及其应用。
第五章新型传感器（5学时）了解仿生传感器、光纤传感器、微型传感器、集成传感器的工作原理及应用和新型传感器研发的重点领域。
第六章传感器与检测系统的信号处理技术（5学时）通过对电桥电路、信号的放大与隔离、信号的变换的学习，重点掌握检测系统的信号放大与变换电路的处理技术。
第七章传感器与检测系统的干扰抑制技术（3学时）学习噪声干扰的形成、硬件抗干扰技术、软件抗干扰技术，熟悉检测系统的各种干扰拟制技术。
第八章典型非电参量的测试方法（7学时）熟悉掌握各种测量几何量的测试方法和传感器的选用原则。
包括：应变的测量、力及压力的测量、位移的测量、振动的测量、流量的测量。
传感器及检测技术(重点知识点总结)
传感器与检测技术知识总结1：传感器是能感受规定的被检测量并按照一定规律转换成可输出信号的器件或装置。
一、传感器的组成2：传感器一般由敏感元件，转换元件及基本转换电路三部分组成。
①敏感元件是直接感受被测物理量，并以确定关系输出另一物理量的元件（如弹性敏感元件将力，力矩转换为位移或应变输出）。
②转换元件是将敏感元件输出的非电量转换成电路参数（电阻，电感，电容）及电流或电压等电信号。
③基本转换电路是将该电信号转换成便于传输，处理的电量。
二、传感器的分类1、按被测量对象分类（1）内部信息传感器主要检测系统内部的位置，速度，力，力矩，温度以及异常变化。
（2）外部信息传感器主要检测系统的外部环境状态，它有相对应的接触式（触觉传感器、滑动觉传感器、压觉传感器）和非接触式（视觉传感器、超声测距、激光测距）。
2、传感器按工作机理（1）物性型传感器是利用某种性质随被测参数的变化而变化的原理制成的（主要有：光电式传感器、压电式传感器）。
（2）结构型传感器是利用物理学中场的定律和运动定律等构成的（主要有①电感式传感器；②电容式传感器；③光栅式传感器）。
3、按被测物理量分类如位移传感器用于测量位移，温度传感器用于测量温度。
4、按工作原理分类主要是有利于传感器的设计和应用。
5、按传感器能量源分类（1）无源型：不需外加电源。
而是将被测量的相关能量转换成电量输出（主要有：压电式、磁电感应式、热电式、光电式）又称能量转化型；（2）有原型：需要外加电源才能输出电量，又称能量控制型（主要有：电阻式、电容式、电感式、霍尔式）。
6、按输出信号的性质分类（1）开关型（二值型）：是“1”和“0”或开(ON)和关（OFF）；（2）模拟型：输出是与输入物理量变换相对应的连续变化的电量，其输入/输出可线性，也可非线性；（3）数字型：①计数型：又称脉冲数字型，它可以是任何一种脉冲发生器所发出的脉冲数与输入量成正比；②代码型（又称编码型）：输出的信号是数字代码，各码道的状态随输入量变化。
《检测与传感技术》思考题答案
答： ，C与h成线性关系，采用调频式、运算放大器式和环形二极管充放电法皆可。
3-4有一个以空气为介质的变面积型平板电容传感器，如图3-5所示，其中a=8mm，b=12mm，两极板间距离为1mm。一块板在原始位置上平移了5mm后，求该传感器的位移灵敏度K（已知空气相对介电常数=1F/m，真空时的介电常数0= 8.854×10-12F/m）。
4.4根据螺管型差动变压器的基本特性，说明其灵敏度和线性度的主要特点。
答：差动变压器的结构如图所示，主要由一个初级线圈、两个次级线圈和插入线圈中央的圆柱形铁芯等组成。
差动变压器传感器中的两个次级线圈反相串联，并且在忽略铁损、导磁体磁阻和线圈分布电容的理想条件下，当衔铁位于中心位置时，两个次级线圈感应电压大小相等、方向相反，差动输出电压为零，但实际情况是差动变压器输出电压往往并不等于零。差动变压器在零位移时的输出电压称为零点残余电压，它的存在使传感器的输出特性不经过零点，造成实际特性与理论特性不完全一致，使传感器的灵敏度降低，分辨率变差和测量误差增大。
第一章思考题和习题参考答案
1—1什么叫传感器？它由哪几部分组成？它们的相互作用及相互关系如何？
答：传感器是把被测量转换成电化学量的装置，传感器由敏感元件和转换元件组成，其中，敏感元件是指传感器中能直接感受或响应被测量的部分；转换元件是指传感器中能将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于传输或测量的电信号部分。由于传感器输出信号一般都很微弱，需要信号调理与转换电路进行放大、运算调制等，此外信号调理转换电路以及传感器的工作必须有辅助电源，因此信号调理转换电路以及所需的电源都应作为传感器组成的一部分。
2-7在题2-6条件下，如果试件材质为合金钢，线膨胀系数g= 1110−6/℃，电阻应变片敏感栅材质为康铜，其电阻温度系数= 1510−6/℃，线膨涨系数s= 14.910−6/℃。当传感器的环境温度从10℃变化到50℃时，所引起的附加电阻相对变化量(R/R)t为多少?折合成附加应变t为多少?
3-4有一个以空气为介质的变面积型平板电容传感器，如图3-5所示，其中a=8mm，b=12mm，两极板间距离为1mm。一块板在原始位置上平移了5mm后，求该传感器的位移灵敏度K（已知空气相对介电常数=1F/m，真空时的介电常数0= 8.854×10-12F/m）。
4.4根据螺管型差动变压器的基本特性，说明其灵敏度和线性度的主要特点。
答：差动变压器的结构如图所示，主要由一个初级线圈、两个次级线圈和插入线圈中央的圆柱形铁芯等组成。
差动变压器传感器中的两个次级线圈反相串联，并且在忽略铁损、导磁体磁阻和线圈分布电容的理想条件下，当衔铁位于中心位置时，两个次级线圈感应电压大小相等、方向相反，差动输出电压为零，但实际情况是差动变压器输出电压往往并不等于零。差动变压器在零位移时的输出电压称为零点残余电压，它的存在使传感器的输出特性不经过零点，造成实际特性与理论特性不完全一致，使传感器的灵敏度降低，分辨率变差和测量误差增大。
第一章思考题和习题参考答案
1—1什么叫传感器？它由哪几部分组成？它们的相互作用及相互关系如何？
答：传感器是把被测量转换成电化学量的装置，传感器由敏感元件和转换元件组成，其中，敏感元件是指传感器中能直接感受或响应被测量的部分；转换元件是指传感器中能将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于传输或测量的电信号部分。由于传感器输出信号一般都很微弱，需要信号调理与转换电路进行放大、运算调制等，此外信号调理转换电路以及传感器的工作必须有辅助电源，因此信号调理转换电路以及所需的电源都应作为传感器组成的一部分。
2-7在题2-6条件下，如果试件材质为合金钢，线膨胀系数g= 1110−6/℃，电阻应变片敏感栅材质为康铜，其电阻温度系数= 1510−6/℃，线膨涨系数s= 14.910−6/℃。当传感器的环境温度从10℃变化到50℃时，所引起的附加电阻相对变化量(R/R)t为多少?折合成附加应变t为多少?
参量型传感器
第二章 参量型传感器
2.1 电阻应变式传感器 2.2 电感式传感器 2.3 电容式传感器
第二章 参量型传感器
参量型传感器的工作原理是将被测的物理量转化为电参量的 一类传感器。其在感受外界被测量后，直接输出的不是电量， 而是电参量，如电阻、电感、电容等。因此参量型传感器卞 要有电阻式传感器、电容式传感器和电感式传感器等。
2.2.1 自感式传感器
1）自感式传感器的线圈是绕在铁心上的，在铁心与衔铁之间
有一个空气隙，空气隙厚度为 。传感器的运动部分与衔铁
相连，运动部分产生位移时空气隙厚度 产生变化，从而使
电感量发生变化。
如图2-9所示为自感式传感器的原理
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2.2 电感式传感器
由电工学可知，线圈的电感值可由下式计算
测量力、压力、加速度、位移等。下面介绍电阻应变式传感 器在实践中的具体应用。 电阻应变式力传感器 电阻应变式力传感器是测量拉伸力、压缩力、弯曲和扭矩等 负重的传感器。根据弹性敏感元件的不同形状，可制成柱形、 环型和悬臂梁式力传感器。
图2-3为柱式电阻应变式力传感器示意图。 图2-4为悬挂梁式力传感器示意图。
料制成的，主要优点是灵敏度高，横向效应小。它的缺点是 敏感系数受温度的影响较大，电阻与应变片非线性严重。 电阻应变片的粘贴
1）试件的表面处理 2）粘贴 3）固化处理 4）粘贴质量检查 5）引线的焊接及防护
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2.1 电阻应变式传感器
2.1.3 电阻应变式传感器的测量转换电路
应变片测量应变是通过敏感栅的电阻相对变化而得到的。通 常金属电阻应变片灵敏度系数k0很小，机械应变一般在10*106到3000*10-6之间，可见电阻相对变化是很小的。
双臂电桥
2.1 电阻应变式传感器 2.2 电感式传感器 2.3 电容式传感器
第二章 参量型传感器
参量型传感器的工作原理是将被测的物理量转化为电参量的 一类传感器。其在感受外界被测量后，直接输出的不是电量， 而是电参量，如电阻、电感、电容等。因此参量型传感器卞 要有电阻式传感器、电容式传感器和电感式传感器等。
2.2.1 自感式传感器
1）自感式传感器的线圈是绕在铁心上的，在铁心与衔铁之间
有一个空气隙，空气隙厚度为 。传感器的运动部分与衔铁
相连，运动部分产生位移时空气隙厚度 产生变化，从而使
电感量发生变化。
如图2-9所示为自感式传感器的原理
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2.2 电感式传感器
由电工学可知，线圈的电感值可由下式计算
测量力、压力、加速度、位移等。下面介绍电阻应变式传感 器在实践中的具体应用。 电阻应变式力传感器 电阻应变式力传感器是测量拉伸力、压缩力、弯曲和扭矩等 负重的传感器。根据弹性敏感元件的不同形状，可制成柱形、 环型和悬臂梁式力传感器。
图2-3为柱式电阻应变式力传感器示意图。 图2-4为悬挂梁式力传感器示意图。
料制成的，主要优点是灵敏度高，横向效应小。它的缺点是 敏感系数受温度的影响较大，电阻与应变片非线性严重。 电阻应变片的粘贴
1）试件的表面处理 2）粘贴 3）固化处理 4）粘贴质量检查 5）引线的焊接及防护
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2.1 电阻应变式传感器
2.1.3 电阻应变式传感器的测量转换电路
应变片测量应变是通过敏感栅的电阻相对变化而得到的。通 常金属电阻应变片灵敏度系数k0很小，机械应变一般在10*106到3000*10-6之间，可见电阻相对变化是很小的。
双臂电桥
传感器感测技术第2章
a、交流电桥式测量电路
Z1 Z3= R
& = D Z1 + D Z 2 U & Uo 2 ( Z 1+ Z 2 ) & U o ( DL1 + DL2 ) = DL = 2
& U
Z2
Dd
Z4= R
d0
L0
& Uo
2. 电感式传感器
b、变压器式交流电桥测量电路（无法判断方向） 输出电压为：
& = U
2. 电感式传感器
涡流磁场使得原线圈等效阻抗发生变化。变化的
程度与间距δ相关。
影响阻抗的相关因素:间距，电阻率，磁导率，
激磁角频率等。
用于位移、振动测量；材质鉴别或探伤。
2. 电感式传感器
五、涡流式传感器的特性
1、电涡流强度与距离的关系
电涡流强度随距离的变化而变化，且呈非线性关
系，随距离的增加而减小。 2、被测导体对传感器灵敏度的影响 被测导体的电阻率和相对磁导率越小，灵敏度越 高，且被测导体的形状和尺寸大小对灵敏度也有影响。 一般要求被测导体的厚度大于两倍的涡流穿透 深度。
属导体置于变化的磁场中或切割磁力线运动时，导 体内产生呈涡旋状的感应电流的现象。 3、按电涡流在导体内的贯穿情况划分： 高频反射式涡流式传感器 低频透射式涡流式传感器
2. 电感式传感器
4、基本结构和工作原理 1）基本结构 主要由探头和检测 电路构成。 探头由线圈和骨架组成。
检测 电路
骨架 线圈
金属板
L I =
式中， W——线圈匝数；
L——自感。
W f
根据磁路欧姆定理有： 其中，Fm ——磁动势；
Rm ——磁路总磁阻。
f =
Z1 Z3= R
& = D Z1 + D Z 2 U & Uo 2 ( Z 1+ Z 2 ) & U o ( DL1 + DL2 ) = DL = 2
& U
Z2
Dd
Z4= R
d0
L0
& Uo
2. 电感式传感器
b、变压器式交流电桥测量电路（无法判断方向） 输出电压为：
& = U
2. 电感式传感器
涡流磁场使得原线圈等效阻抗发生变化。变化的
程度与间距δ相关。
影响阻抗的相关因素:间距，电阻率，磁导率，
激磁角频率等。
用于位移、振动测量；材质鉴别或探伤。
2. 电感式传感器
五、涡流式传感器的特性
1、电涡流强度与距离的关系
电涡流强度随距离的变化而变化，且呈非线性关
系，随距离的增加而减小。 2、被测导体对传感器灵敏度的影响 被测导体的电阻率和相对磁导率越小，灵敏度越 高，且被测导体的形状和尺寸大小对灵敏度也有影响。 一般要求被测导体的厚度大于两倍的涡流穿透 深度。
属导体置于变化的磁场中或切割磁力线运动时，导 体内产生呈涡旋状的感应电流的现象。 3、按电涡流在导体内的贯穿情况划分： 高频反射式涡流式传感器 低频透射式涡流式传感器
2. 电感式传感器
4、基本结构和工作原理 1）基本结构 主要由探头和检测 电路构成。 探头由线圈和骨架组成。
检测 电路
骨架 线圈
金属板
L I =
式中， W——线圈匝数；
L——自感。
W f
根据磁路欧姆定理有： 其中，Fm ——磁动势；
Rm ——磁路总磁阻。
f =
电大《传感器与检测技术》期末复习题及详细答案参考
基础知识自测题第一章传感器的一般特性1.传感器是检测中首先感受，并将它转换成与有确定对应关系的的器件。
2.传感器的基本特性通常用其特性和特性来描述。
当传感器变换的被测量处于动态时，测得的输出一输入关系称为特性。
3.传感器变换的被测量的数值处在稳定状态下，传感器输出与输入的关系称为传感器的特性，其主要技术指标有：、、和等。
4.传感器实际曲线与理论直线之间的称为传感器的非线性误差，其中的与输出满度值之比称为传感器的。
5.传感器的灵敏度是指稳态标准条件下，变化量与化量的比值。
对传感器来说，其灵敏度是常数。
6.传感器的动态特性是指传感器测量时，其输出对输入的特性。
7.传感器中直接感受被测量，并输出与被测量成关系的其它量的元件称为元件。
8.只感受由敏感元件输出的，并且与成确定关系的另一种非电量，然后输出电量的元件，称为元件。
第二章电阻式传感器1.电阻应变片是将被测试件上的转换成的传感元件。
2.电阻应变片由、、和等部分组成。
3.应变式传感器中的测量电路是将应变片转换成的变化，以便显示或记录被测非电量的大小。
4.金属电阻应变片敏感栅的形式和材料很多，其中形式以式用的最多，材料以用的最广泛。
5.电阻应变片的工作原理就是依据应变效应建立与变形之间的量值关系而工作的。
6.当应变片主轴线与试件轴线方向一致，且受一维应力时，应变片灵敏系数K是应变片的与试件主应力的之比。
7.电阻应变片中，电阻丝的灵敏系数小于其灵敏系数的现象，称为应变片的横向效应。
8.电阻应变片的温度补偿中，若采用电桥补偿法测量应变片时，工作应变片粘贴在表面上，补偿应变片粘贴在与被测试件完全相同的上，那么补偿应变片不。
9.用弹性元件和及一些附件可以组成应变式传感器.10.应变式传感器按用途划分有：应变式传感器、应变式传感器、应变式传感器等。
11.电阻应变片的配用测量电路采用差动电桥时，不仅可以，同时还能起到的作用。
12.电阻应变片的配用测量电路大都采用交流不平衡电桥，其目的是配接和克服的影响。
传感器基本知识上
（五）. 分辨率（△xmin ）、阈值
分辨力：在规定的测量范围内，传感器所
能检测出输入量的最小Dx变min 值
.
分辨率：相对与输入的满量程的相对值表示
。即
Dxmin 100% X FS
xFS —— 输入量的满量程值
数字传感器的分辨力可用输出数字指示值最后一位所代表的输入量。
（五）. 分辨率（ △xmin ）、阈值
说明：1、分辨力 --- 是绝对数值，如
重复性是体现传感器的精密程度 指标之一
反映误差分散的程度
传感器为何会产生重复性误差？
传感器机械部分的磨损、间隙、松动
敏感元件内摩擦、积尘
辅助电路老化和漂移 注意
不重复性误差一般属于随机误差性质,反映的是测量 结果偶然误差大小，而不表示与真值之间的差别，有时 重复性很好但可能偏离真值。不重复性误差可以通过校 准测得。
（三）. 重复性 Ex
重复性 Ex 反映了传感器在输入量按同一方
向（增或减）做全量程多次测试时，所得到的
特性曲线的不一致程度。
Ex
Dmax yFS
100% (2.7)
Y
Δ max─ 最大不重复误差
Dmn Dmax {Dm1 ...Dmi ...Dmn }
YFS 满量程输出值
Dm2 Dm1
（四）.迟滞现象（回差EH ）
回差EH 反映了传感器的输入量在正向行程
和反向行程全量程多次测试时，所得到的
特性曲线的不重合程度。
y
EH
Emax
Dm yFS
100% (2.9)
y FS
Dm
迟滞是由于磁性材料的磁化 和材料受力变形，机械部分存在 （轴承）间隙、摩擦、（紧固件） 松动、材料内摩擦、积尘等造成 的。
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(c1k2 k1c2 )s k1k2
2.1.1双量程动态测力弹性体系统
这种串联式复合弹性体结构紧凑合理，结 构稳定性好，有过载保护，可用于测量压缩力、 推力、拉力及制动转矩和拖曳转矩。系统的线 性度、迟滞、重复性均小于满量程的千分之一。
2.1.2 六维测力弹性体系统
目前六维测力弹性体的结构主要有以下四类： ① 三垂直筋结构 ② 筒形结构 ③ 十字交叉梁式结构 ④ 组合式弹性体结构
3）灵敏度高。半导体Ge、Si薄膜应变片的阻值较 大，灵敏系数一般在30以上。
4）温度系数小。Ge、Si薄膜应变片的温度系数约
为10-5℃-1数量级，多层结构的溅射薄膜应变片 的温度系数约为0.018％℃-1。
2.2.1 薄膜应变片
5）工作温度范围宽。多层结构的溅射薄膜应变片
的工作温度达-100℃～180℃。
当测量大力值时，δ1=0压头和弹性体成为一 体，可简化成只有一个质量块的单自由度系统。 系统的幅频特性和相频特性与一般的二阶系统的 特性完全相同。
2.1.1 双量程动态测力弹性体系统
高量程时传感器的力学模型图
2.1.1 双量程动态测力弹性体系统
当测量小量程时，δ1≠0，测小力值和大力值的 两弹性体都是受力的，应简化成有两个质量块的二 自由度系统。串联二自由度测力传感器的力学模型 及受力分析如图所示，图中，f(t)为外界向系统实施
三垂直筋结构
上下分别为两个圆 环，中间由筋相连，这类 弹性体结构简单，承载能 力强，抗冲击力强。主要 缺点是测量沿垂直筋方向 力的灵敏度低，应用受到 限制。在垂直筋内表面贴 应变片测拉压应力，在垂 直筋外表面贴应变片测剪 切应力。
筒形结构
在一个圆柱整体上加工 出两层竖筋，相当两个四 垂直筋结构叠层组合。弹 性体敏感部分位于上圆环 （横梁）和下层竖筋（竖 梁），在八个变形处的对 称表面贴有八组应变片， 组成八组输出电桥。该结 构线性度好，重复性好， 迟滞小，有温度补偿作用， 但结构复杂不易加工，高 度方向尺寸大，刚度低。
2.2.2 E形膜片
E形膜片的硬中心将均布压力转换为集中力，在小 位移下易产生较高应力。相对平膜片，增加了有 效面积，在膜片应变式压力传感器中有广泛应用。
2.2.2 E形膜片
图为E形膜片的应 力分布，最大弯曲应力 在r=R和r=r0膜片上表层 处，计算公式为
3 pR2 r 2
( r )rR ( r )rr0
2.1.1 双量程动态测力弹性体系统
双量程测力传感器结构
2.1.1 双量程动态测力弹性体系统
这种复合结构传感器适用于大力值测量，又能 保证在小力值范围内具有足够的灵敏度。
当F<F2时，空隙δ1≠0，小量程段应变片电桥 输出有效，对应小力值测量；
当F>F2时，空隙δ1=0，小量程段电桥满输出， 而δ2≠0，大量程段电桥输出有效，对应为大力值 测量。
2.1.1 双量程动态测力弹性体系统
双量程测力传感器可以在保证第一级大推 力测量精度的同时，解决第二级小推力的测量 问题，提高了其灵敏度和测量精度，使之达到 与第一级有同等的测量精度。
一、结构
在实际中，双量程测力传感器大都采用了 轮辐式结构，将弹性体串联成一体的复合弹性 体，分别用于测量小力值和大力值。其特点是 结构紧凑、合理可靠；高度小，结构稳定性好； 有过载保护等 。
传感技术
第二章
力学量传感器
2.1 多维测力弹性体系统 2.2 膜片压力传感器 2.3 光纤压力传感器 2.4 转矩传感器
第二章 力学量传感器
力学量通常是指狭义力学量：力、力矩、应 力、压力等物理量。
力学量传感器，又称力敏传感器，是应用最 广泛的一类传感器。 力学量作用的结果
使器件结构尺寸变化，引起相关的电阻、电 容、电感等电参量变化，构成结构型传感器。
的激励力，m1、m2分别为两个质量体的集中质量， k1、k2分别为两个弹性体的刚度，c1、c2分别为两个
自由度结构的阻尼系数。
2.1.1 双量程动态测力弹性体系统
f(t) y1
m1
k1
c1
k1( y1 y2 )
m2
y2
k2
c2
k2 y2
f(t)
m1
c1(
dy1 dt
dy2 dt
)
m2
c2
dy2 dt
六维测力（矩）弹 性体是组合式结构， 分上下两个组件。上 部组件是中空正方形 薄壁筒，四个侧面贴 有应变片4和4，5和5。 当薄壁筒有微应变时， 应变片能测出作用力 矩
2.2 膜片压力传感器
2.2.1 薄膜应变片
传统的应变片是采用金属丝粘贴或硅扩散 的方法来制作敏感栅，价格便宜、结构简单、 使用方便，因此成为电阻应变片传感器中十分 广泛的力敏器件。但是粘贴式应变片的敏感层 与基片之间的传递性能不好，存在蠕变、机械 滞后、零漂等不足，影响了它的测量精度。
十字交叉梁式结构
弹性体敏感部分是十字 梁的四个臂，每个臂的四面 均贴有应变片。弹性体为铝 合金总体式结构，外形尺寸 较大，对外机械连接麻烦。 可以满足各分力和分力矩的 一定灵敏度要求，各维力间 干扰可控制在一定范围内。 十字梁外端由薄片支撑，超 载能力低，动态响应特性不 易提高。
组合式弹性体结构
4h2
(1 0 ) R2
2.2.2 E形膜片
E形膜片改善了平膜片因大挠度带来的非 线性误差问题。
常采用E形膜片作为差压传感器的敏感器件， 差压传感器不同于压力传感器，所测差压值 （压差）比较小，而在膜片两侧有很高的静压 值，要有过压保护装置。
2.3 光纤压力传感器
在光通信系统中，光纤用作远距离传输光波 信号的载体。光纤传感技术是随光通信技术发展 逐步形成的。与其他类型的传感器相比，光纤传 感器有灵敏度高、抗电磁干扰、耐腐蚀、电绝缘 性好、光路可弯曲等优点，而且易于联接计算机、 结构简单、体积小、耗电少。
串联二自由度测力传感器模型及受力分析
2.1.1 双量程动态测力弹性体系统
于是可以根据系统受力分析，列写出描述 二自由度系统输入-输出关系的微分方程组：
f
(t)
m1
d 2 y1 dt 2
c1(
dy1 dt
dy2 dt
)
k1(
y1
y2 )
c1(
dy1 dt
dy2 dt
)
k1(
y1
y2
)
m2
d 2 y2 dt 2
当F>F1时，空隙δ2=0，达到过载保护状态。 两组轮辐上，应变片粘贴方式一致(都受拉应 力)，分别由四片电阻应变片组成全电桥电路。
2.1.1 双量程动态测力弹性体系统
二、动态数学模型
从动力学观点来看，串联结构的应变片式测力 传感器的弹性结构部分可以抽象为二自由度的振 动系统。假定传感器安置于完全理想刚性的基体 上，则传感器可等效为串联的二阶弹簧—质量— 阻尼（kmc）系统。
2.2.1 薄膜应变片
薄膜应变片的稳定性是指蠕变和零漂的大 小。蠕变和零漂是难以补偿的误差。 蠕变：在恒定的温度条件下，一恒定的负载施 加到薄膜应变片上，应变片的电阻随时间发生 单方向变化的现象。 零漂：在负载为零的情况下，应变片的电阻随 时间发生单方向变化的现象。
2.2.1 薄膜应变片
薄膜应变片采用溅射或蒸发的方法，将半 导体或金属敏感材料直接镀制于弹性基片上。 相对于金属粘贴式应变片而言，薄膜应变片的 应变传递性能极大地得到改善．几乎无蠕变， 并且具有稳定性好、可靠性高、尺寸小等优点， 是一种很有发展前途的力敏传感器。
2.2.1 薄膜应变片
薄膜应变片测量应变的机理利用的是敏感 材料的压阻效应。也就是说，在应变的作用下， 一方面，材料发生几何形变引起材料的电阻发 生变化；另一方面，因材料晶格的变形等因素 引起材料的电子自由程度发生变化，导致材料 的电阻率变化，从而使材料的电阻发生变化。
2.2.1 薄膜应变片
薄膜应变片的敏感薄膜是器件的关键部分， 制作敏感薄膜的工艺有溅射、蒸发、沉积等。 由于溅射的分子具有很大的能量，不像蒸发只 是凝结在表面，故附着力强，膜的性能好。
k1 m1
X
1
(s)
X 4 (s)
X
3 (s)
c1 m1
X
2
(s)
X
4
(s)
1 m1
F (s)
sX 4 (s)
k1 m2
X2 m2
X 3(s)
c1 c2 m2
X 4 (s)
2.1.1 双量程动态测力弹性体系统
由上式可解出，当激励F(s)存在时，其两个
c2
dy2 dt
k2
y2
2.1.1 双量程动态测力弹性体系统 现设x1、x2、x3、x4为状态变量，于是有：
x1 y1
x
2
dy1 dt
dx1 dt
x3
y2
x
4
dy2 dt
dx3 dt
2.1.1 双量程动态测力弹性体系统
可写出状态方程：
dx1
dt
x2
dx2 dt
k1 m1
( x1
x3 )
2.2.1 薄膜应变片
与传统的应变片相比，薄膜应变片具有如 下优点： 1）稳定性好。薄膜应变片的蠕变和滞后低，
例如：溅射合金薄膜应变片在温度高达230℃
时蠕变和滞后低于0.1％，而金属丝和粘贴式应
变片在100℃以上的温度下，由于粘结材料的
性能，使得蠕变和滞后十分严重。
2.2.1 薄膜应变片
2）使用寿命长。能承受106次以上的重复加载，工 作仍十分正常。
引起器件物理性能变化，如压阻效应、压电 效应、压磁效应等，构成物性型传感器。
本章主要介绍一些常用的力学量传感器。
2.1 多维测力弹性体系统
传统的应变片式测力传感器具有坚固耐用、 长期稳定、成本低等优点。
2.1.1双量程动态测力弹性体系统
这种串联式复合弹性体结构紧凑合理，结 构稳定性好，有过载保护，可用于测量压缩力、 推力、拉力及制动转矩和拖曳转矩。系统的线 性度、迟滞、重复性均小于满量程的千分之一。
2.1.2 六维测力弹性体系统
目前六维测力弹性体的结构主要有以下四类： ① 三垂直筋结构 ② 筒形结构 ③ 十字交叉梁式结构 ④ 组合式弹性体结构
3）灵敏度高。半导体Ge、Si薄膜应变片的阻值较 大，灵敏系数一般在30以上。
4）温度系数小。Ge、Si薄膜应变片的温度系数约
为10-5℃-1数量级，多层结构的溅射薄膜应变片 的温度系数约为0.018％℃-1。
2.2.1 薄膜应变片
5）工作温度范围宽。多层结构的溅射薄膜应变片
的工作温度达-100℃～180℃。
当测量大力值时，δ1=0压头和弹性体成为一 体，可简化成只有一个质量块的单自由度系统。 系统的幅频特性和相频特性与一般的二阶系统的 特性完全相同。
2.1.1 双量程动态测力弹性体系统
高量程时传感器的力学模型图
2.1.1 双量程动态测力弹性体系统
当测量小量程时，δ1≠0，测小力值和大力值的 两弹性体都是受力的，应简化成有两个质量块的二 自由度系统。串联二自由度测力传感器的力学模型 及受力分析如图所示，图中，f(t)为外界向系统实施
三垂直筋结构
上下分别为两个圆 环，中间由筋相连，这类 弹性体结构简单，承载能 力强，抗冲击力强。主要 缺点是测量沿垂直筋方向 力的灵敏度低，应用受到 限制。在垂直筋内表面贴 应变片测拉压应力，在垂 直筋外表面贴应变片测剪 切应力。
筒形结构
在一个圆柱整体上加工 出两层竖筋，相当两个四 垂直筋结构叠层组合。弹 性体敏感部分位于上圆环 （横梁）和下层竖筋（竖 梁），在八个变形处的对 称表面贴有八组应变片， 组成八组输出电桥。该结 构线性度好，重复性好， 迟滞小，有温度补偿作用， 但结构复杂不易加工，高 度方向尺寸大，刚度低。
2.2.2 E形膜片
E形膜片的硬中心将均布压力转换为集中力，在小 位移下易产生较高应力。相对平膜片，增加了有 效面积，在膜片应变式压力传感器中有广泛应用。
2.2.2 E形膜片
图为E形膜片的应 力分布，最大弯曲应力 在r=R和r=r0膜片上表层 处，计算公式为
3 pR2 r 2
( r )rR ( r )rr0
2.1.1 双量程动态测力弹性体系统
双量程测力传感器结构
2.1.1 双量程动态测力弹性体系统
这种复合结构传感器适用于大力值测量，又能 保证在小力值范围内具有足够的灵敏度。
当F<F2时，空隙δ1≠0，小量程段应变片电桥 输出有效，对应小力值测量；
当F>F2时，空隙δ1=0，小量程段电桥满输出， 而δ2≠0，大量程段电桥输出有效，对应为大力值 测量。
2.1.1 双量程动态测力弹性体系统
双量程测力传感器可以在保证第一级大推 力测量精度的同时，解决第二级小推力的测量 问题，提高了其灵敏度和测量精度，使之达到 与第一级有同等的测量精度。
一、结构
在实际中，双量程测力传感器大都采用了 轮辐式结构，将弹性体串联成一体的复合弹性 体，分别用于测量小力值和大力值。其特点是 结构紧凑、合理可靠；高度小，结构稳定性好； 有过载保护等 。
传感技术
第二章
力学量传感器
2.1 多维测力弹性体系统 2.2 膜片压力传感器 2.3 光纤压力传感器 2.4 转矩传感器
第二章 力学量传感器
力学量通常是指狭义力学量：力、力矩、应 力、压力等物理量。
力学量传感器，又称力敏传感器，是应用最 广泛的一类传感器。 力学量作用的结果
使器件结构尺寸变化，引起相关的电阻、电 容、电感等电参量变化，构成结构型传感器。
的激励力，m1、m2分别为两个质量体的集中质量， k1、k2分别为两个弹性体的刚度，c1、c2分别为两个
自由度结构的阻尼系数。
2.1.1 双量程动态测力弹性体系统
f(t) y1
m1
k1
c1
k1( y1 y2 )
m2
y2
k2
c2
k2 y2
f(t)
m1
c1(
dy1 dt
dy2 dt
)
m2
c2
dy2 dt
六维测力（矩）弹 性体是组合式结构， 分上下两个组件。上 部组件是中空正方形 薄壁筒，四个侧面贴 有应变片4和4，5和5。 当薄壁筒有微应变时， 应变片能测出作用力 矩
2.2 膜片压力传感器
2.2.1 薄膜应变片
传统的应变片是采用金属丝粘贴或硅扩散 的方法来制作敏感栅，价格便宜、结构简单、 使用方便，因此成为电阻应变片传感器中十分 广泛的力敏器件。但是粘贴式应变片的敏感层 与基片之间的传递性能不好，存在蠕变、机械 滞后、零漂等不足，影响了它的测量精度。
十字交叉梁式结构
弹性体敏感部分是十字 梁的四个臂，每个臂的四面 均贴有应变片。弹性体为铝 合金总体式结构，外形尺寸 较大，对外机械连接麻烦。 可以满足各分力和分力矩的 一定灵敏度要求，各维力间 干扰可控制在一定范围内。 十字梁外端由薄片支撑，超 载能力低，动态响应特性不 易提高。
组合式弹性体结构
4h2
(1 0 ) R2
2.2.2 E形膜片
E形膜片改善了平膜片因大挠度带来的非 线性误差问题。
常采用E形膜片作为差压传感器的敏感器件， 差压传感器不同于压力传感器，所测差压值 （压差）比较小，而在膜片两侧有很高的静压 值，要有过压保护装置。
2.3 光纤压力传感器
在光通信系统中，光纤用作远距离传输光波 信号的载体。光纤传感技术是随光通信技术发展 逐步形成的。与其他类型的传感器相比，光纤传 感器有灵敏度高、抗电磁干扰、耐腐蚀、电绝缘 性好、光路可弯曲等优点，而且易于联接计算机、 结构简单、体积小、耗电少。
串联二自由度测力传感器模型及受力分析
2.1.1 双量程动态测力弹性体系统
于是可以根据系统受力分析，列写出描述 二自由度系统输入-输出关系的微分方程组：
f
(t)
m1
d 2 y1 dt 2
c1(
dy1 dt
dy2 dt
)
k1(
y1
y2 )
c1(
dy1 dt
dy2 dt
)
k1(
y1
y2
)
m2
d 2 y2 dt 2
当F>F1时，空隙δ2=0，达到过载保护状态。 两组轮辐上，应变片粘贴方式一致(都受拉应 力)，分别由四片电阻应变片组成全电桥电路。
2.1.1 双量程动态测力弹性体系统
二、动态数学模型
从动力学观点来看，串联结构的应变片式测力 传感器的弹性结构部分可以抽象为二自由度的振 动系统。假定传感器安置于完全理想刚性的基体 上，则传感器可等效为串联的二阶弹簧—质量— 阻尼（kmc）系统。
2.2.1 薄膜应变片
薄膜应变片的稳定性是指蠕变和零漂的大 小。蠕变和零漂是难以补偿的误差。 蠕变：在恒定的温度条件下，一恒定的负载施 加到薄膜应变片上，应变片的电阻随时间发生 单方向变化的现象。 零漂：在负载为零的情况下，应变片的电阻随 时间发生单方向变化的现象。
2.2.1 薄膜应变片
薄膜应变片采用溅射或蒸发的方法，将半 导体或金属敏感材料直接镀制于弹性基片上。 相对于金属粘贴式应变片而言，薄膜应变片的 应变传递性能极大地得到改善．几乎无蠕变， 并且具有稳定性好、可靠性高、尺寸小等优点， 是一种很有发展前途的力敏传感器。
2.2.1 薄膜应变片
薄膜应变片测量应变的机理利用的是敏感 材料的压阻效应。也就是说，在应变的作用下， 一方面，材料发生几何形变引起材料的电阻发 生变化；另一方面，因材料晶格的变形等因素 引起材料的电子自由程度发生变化，导致材料 的电阻率变化，从而使材料的电阻发生变化。
2.2.1 薄膜应变片
薄膜应变片的敏感薄膜是器件的关键部分， 制作敏感薄膜的工艺有溅射、蒸发、沉积等。 由于溅射的分子具有很大的能量，不像蒸发只 是凝结在表面，故附着力强，膜的性能好。
k1 m1
X
1
(s)
X 4 (s)
X
3 (s)
c1 m1
X
2
(s)
X
4
(s)
1 m1
F (s)
sX 4 (s)
k1 m2
X2 m2
X 3(s)
c1 c2 m2
X 4 (s)
2.1.1 双量程动态测力弹性体系统
由上式可解出，当激励F(s)存在时，其两个
c2
dy2 dt
k2
y2
2.1.1 双量程动态测力弹性体系统 现设x1、x2、x3、x4为状态变量，于是有：
x1 y1
x
2
dy1 dt
dx1 dt
x3
y2
x
4
dy2 dt
dx3 dt
2.1.1 双量程动态测力弹性体系统
可写出状态方程：
dx1
dt
x2
dx2 dt
k1 m1
( x1
x3 )
2.2.1 薄膜应变片
与传统的应变片相比，薄膜应变片具有如 下优点： 1）稳定性好。薄膜应变片的蠕变和滞后低，
例如：溅射合金薄膜应变片在温度高达230℃
时蠕变和滞后低于0.1％，而金属丝和粘贴式应
变片在100℃以上的温度下，由于粘结材料的
性能，使得蠕变和滞后十分严重。
2.2.1 薄膜应变片
2）使用寿命长。能承受106次以上的重复加载，工 作仍十分正常。
引起器件物理性能变化，如压阻效应、压电 效应、压磁效应等，构成物性型传感器。
本章主要介绍一些常用的力学量传感器。
2.1 多维测力弹性体系统
传统的应变片式测力传感器具有坚固耐用、 长期稳定、成本低等优点。