传感器与测量技术

第一章 绪论 传感器的一般特性 １传感器的定义及其特性 1.1 传感器与测试技术概述

测试是人类认识自然、掌握自然规律的实践途径之一，是科学研究中获得感性材料、接受自然信息的途径，是形成、发展和检验自然科学理论的实践基础。人类早期在从事生产活动时，就已经对长度(距离)、面积、时间和重量进行测量。 工程技术中的研究对象往往十分复杂，有些问题至今还难以进行完善的理论分析和计算，必须依靠实验研究来解决实际问题。机械工业负有装备国民经济各部门的任务。现代机械工业的发展，面临着新兴科学技术发展的挑战。另外，随着机械加工精度的提高和生产过程自动化的发展，现代机械加工过程已从单机自动化和自动生产线发展到柔性制造系统(FMS)，并朝着无人化工厂方向发展。而且生产中除了加工后的自动测量外，还应包括在线测试，从备料到产品入库、包装等流程的全过程，以及设备管理、故障诊断和安全监控等。因此，先进的测试技术已成为生产系统不可缺少的一个组成部分。随着集成电路与计算机技术的发展，机械与电子相结合，形成机电一体化系统。使机械产品的结构与功能产生了质的飞跃。而这一切的关键问题，就在于信息的获取、传输、存贮、分析、处理和利用。 图1-1是一测试系统最基本的组成结构方框图。

1.2 传感器的定义、组成及分类 传感器是一种以一定的精确度把被测量转换为与之有确定对应关系的、便于应用的另一种量的测量装置或系统。 传感器一般由敏感元件、转换元件、转换电路三部分组成，组成框图见图1-3

分类： 按工作机理：结构型与物性型。 按能量转换情况：能量控制型（需要提供电源）和能量转换型（不需电源也能工作）。

按物理原理： ①电路参量式传感器：包括电阻式、电感式、电容式等三个基本型式，以及由此而派生出来的差动变压器式、涡流式、压磁式、感应同步器式、容栅式等； ②压电式传感器； ③磁电式传感器：包括磁电感应式、霍尔式、磁栅式等； ④光电式传感器：包括一般光电式、光栅式、激光式、光电码盘式、光导纤维式等； ⑤波式传感器：包括超声波式、微波式等； ⑥热电式传感器； ⑦射线式传感器； ⑧半导体式传感器； ⑨其它原理的传感器等。

按传感器的输入量： 几何量：长度、角度、位移、厚度、几何位置、几何形状、表面波度和粗糙度

力学：力、力矩、振动、转速、加速度、质量、流量、硬度、真空等 温度：温度、热量、比容、热分布 湿度：湿度、水分 时间：频率、时间 电量：电流、电压、电阻、电容、电感、电磁波 磁性：磁通、磁场 光学：照度、光度、颜色、图像、透明度 声学：声压、噪声 射线：射线剂量、剂量率 化学：浓度、成分、pH值、浊度 生理：心音、血压、脉博、血氧饱和量、心电、脑电

按传感器输出信号：模拟传感器和数字传感器。 对传感器的一般要求： (1)灵敏度高，线性度好；（信号便于处理） (2)输出信号信噪比高；（抗干扰好） (3)滞后、漂移小； (4)特性的复现性好，具有互换性； (5)动态性能好； (6)对测量对象的影响小，即“负载效应”较低。 ２传感器的一般特性 2.1 传感器的静特性 传感器的静特性是指传感器在输入量的各个值处于稳定状态时的输出与输入关系，即当输入量是常量或变化极慢时，输出与输入的关系。 衡量传感器静态特性的主要技术指标有线性度、测量范围和量程、重复性、迟滞、灵敏度等。

测量范围和量程： 传感器所能测量的最大被测量(即输入量)的数值称为测量上限，最小的被测量则称为测量下限，而用测量下限和测量上限表示的测量区间，则称为测量范围，简称范围。测量上限和测量下限的代数差为量程。即：量程=测量上限-测量下限。

线性度： 传感器的输出输入关系或多或少地存在非线性问题。在不考虑迟滞、蠕变等因素的情况下，其静态特性可用下列多项式代数方程来表示：

（2-1） 在采用直线拟合线性化时，输出输入的校正曲线与其拟合直线之间的最大偏差，就称为非线性误差或线性度，通常用相对误差 来表示，即

由此可见，非线性误差的大小是以一定的拟合直线为基准直线而得出来的。拟合直线不同，非线性误差也不同。所以，选择拟合直线的主要出发点，应是获得最小的非线性误差。另外，还应考虑使用是否方便，计算是否简便。 2.2 传感器的动态特性 动态特性是指传感器对随时间变化的输入量的响应特性。动态特性好的传感器，其输出量随时间变化的曲线与被测量随时间变化的曲线一致或者相近。 动态特性的一般模型 (1)微分方程式的建立 传感器的动态数学模型是指传感器在受到随时间变化的输入量作用时，输出-输入之间的关系，通常称为响应特性。 数学上要精确建立传感器的动态数学模型是很困难的，因此，像研究其它科学一样忽略一些影响不大的因素，如非线性和随机变量等复杂因素，将传感器作为线性定常系统来考虑，因而其动态数学模型可以用线性常系数微分方程来表示，这种方程式的通式为

（2-18） 所谓线性系统就是在此方程式中不包含变量及其各阶微分的非一次幂项(包括交叉相乘项)；如果线性系统方程中各系数 、在工作过程中不随时间和输入量的变化而变化，那么该系统就称为线性定常系统。 用线性常系数微分方程来表示传感器的动态模型的优点，是通过解微分方程易于分清暂态响应和稳态响应。缺点是求解微分方程很麻烦，尤其是通过增减环节来改善传感器的特性时显得更不方便。但是，线性定常系统有两个十分重要的性质，即叠加性和频率保持性。根据叠加性，当一个系统有n个激励同时作用时，那么它的响应就等于这n个激励单独作用的响应之和，即也就是各个输入量引起的输出是相互不影响的。这样，在分析常系数线性系统时，总可以将一个复杂的激励信号利用数学方法(傅里叶变换)分解成若干个简单的激励(一系列谐波)，然后求出这些分量激励响应之和。频率保持性表明，当线性系统的输入为某一频率时，则系统的稳定状态响应也为同一频率的信号。这两个重要的性质，给分析具有复杂输入传感器的动态特性带来了很大的方便。这也就是为什么在用传感器组成检测系统时，经常需要将传感器的特性进行线性化的原因之一。但是对复杂系统和复杂的输入信号，求解该式是一件困难的事情，因此，在信息论和工程控制理论中，通常采用一些足以反映系统动态特性的函数，将系统的输出与输入联系起来，这些函数有传递函数、频率响应函数和脉冲响应函数等。 2.3 传感器的标定与校准 标定：是指在明确传感器的输出与输入关系的前提下，利用某种标准器具对传感器进行标度。 对新研制或生产的传感器进行全面的技术检定，称为标定；将传感器在使用中或储存后进行的性能复测，称为校准。标定与校准的本质相同。 标定的基本方法是，利用标准仪器产生已知的非电量(如标准力、压力、位移等)，作为输入量，输入到待标定的传感器中，然后将传感器的输出量与输入的标准量作比较，获得一系列校准数据或曲线。有时输入的标准量是利用一个标准传感器检测而得，这时的标定实质上是待标定传感器与标准传感器之间的比较。 传感器的标定系统一般可由以下几部分组成： ①被测非电量的标准发生器，如活塞式压力计、测力机、恒温源等。 ②被测非电量的标准测试系统，如标准压力传感器、标准力传感器、标准温度计等。

③待标定传感器所配接的信号调节器、显示器和记录器等，其精度是已知的。 2.4提高传感器性能的方法 非线性校正 温度补偿 零位法、微差法 闭环技术 平均技术 差动技术 采用屏蔽、隔离与抑制干扰措施

第二章 电阻式传感器 3.1 应变式电阻传感器 3.1.1 金属丝的电阻应变效应 电阻丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻值发生变化，这一现象就是电阻丝的应变效应。

设有一段长为 ，截面为 ，电阻率为 的金属丝，则它的电阻为

（3-1） 当它受到轴向力F而被拉伸(或压缩)时，其 、 、 均发生变化，如图3-1所示，如取金属丝是半径为 的圆形截面 ，那么 故电阻的相对变化为 (3-2) 若金属丝沿长度方向受力而伸长 ，通常将 称为纵向应变，标为 。因为它的数值在 通常的测量中甚小，故常用10-6作为单位来表示，称为微应变，标以 。例如ε=0.001

就可以表示为 ，称为具有1000微应变。金属丝沿其轴向拉长使其径向缩小，二者之间的关系为

所以

令 （3-4） 称为金属丝的灵敏系数，它表示金属丝发生单位轴向应变时所引起的电阻值的相对变化。 由式(3-4)可知，因应变导致金属电阻值的变化，由两项组成：第一项 表示由于几何尺寸改变引起的电阻变化；另一项 表示单位轴向应变引起电阻率的变化。对于大多数金属电阻丝材料说

则有

上式表明：加载后金属丝电阻相对变化量与轴向应变成正比 3.1.2 应变片结构与类型 应变片结构如图3-2所示，它主要是由金属丝栅(敏感栅)、绝缘基片及覆盖片三部分组成应变片阻值尚无统一标准，常用的有60Ω、120Ω、200Ω、320Ω、350Ω、500Ω、1000Ω，其中120Ω最为常用。

根据制作方法，一般可将金属应变片分为二类： ①电阻丝应变片：电阻丝应变片有圆角线栅式和直角线栅式两种，如图3-3所示。

前者制造方便，为最常见形式，但它的横向效应较大。 ②金属箔式应变片：如图3-4所示。