检测与转换技术全套教学课件

1、 检测与转换技术 教材:感测技术基础 信息产业是最具发展前途产业信息产业热点：物联网技术云计算智慧城市移动互联网华工大18位学生创业“有米传媒”融资达1亿元，前身是手机应用程序开发团队，现拥有国内最大手机应用广告、企业移动营销服务平台。云计算概念云计算是以应用为目的，通过互联网将大规模的硬件和软件按照一定的结构体系组合起来，建立一个内耗小、功效大的虚拟资源服务中心。Google的云计算有100多万台服务器。移动云计算，随着移动互联网的发展，基于手机等移动终端的云计算服务已经出现。专家预测，移动云计算将成为未来20年IT业的平台选择并形成巨大的经济规模。物联网概念物联网（The Internet

2、 of things）的定义：通过射频识别（RFID）、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。研究机构专家预计：10年内物联网可能大规模普及，这一技术将会发展成为一个上万亿元规模的高科技市场，其产业要比互联网大数十倍。 物联网产业链可以细分为标识、感知、处理和信息传送四个环节，每个环节的关键技术分别为RFID、传感器、智能芯片和电信运营商的无线传输网络。EPC（ Electronic Product Code ）系统，全球统一的产品标识与编码规则，由电子编码、射频识别

3、、高层信息网络组成。在食品溯源、牲畜溯源、电力管理、智能家居、个人保健、智能校园、智慧城市、智能农业、智能经济上等等都有发展。RFID射频识别系统能量的传递，阅读器射频载波应答器，射频耦合方式为电感耦合方式。信息的交互，询问应答方式。时序关系，阅读器决定应答器向阅读器传递信息，采用对载波的负载调制方式阅读器向应答器传递信息，采用载波间隙、脉冲位置调制、编码调制。RFID的基本原理框图 电感耦合方式（LF、HF频段）应答器的能量供给电感耦合 智慧城市IBM公司2009年提出智慧地球，2013年，中国在90个城市进行智慧城市试点，珠海、番禺、萝岗、深圳佛山等。智慧城市，指在物联网、云计算等新信息技

4、术支持下，形成新型信息化城市。保障城市健康和谐发展，企业提升运营效率，降低运营成本，提升竞争力。第三次工业革命人工智能、数字制造、工业机器人、3D打印等现代制造技术不断突破，使全球工业发展模式正发生着巨大的变革，世界正处在“第三次工业革命”的导入期。美国努力实现四个方面的战略目标：第一，大力推动创新成果的产业化；第二，提高能够主导未来产业竞争的人才潜力；第三，通过智能创新和智能制造提高制造业生产率；第四，建设以分布能源系统、物联网、下一代互联网为代表的全新的工业基础设施体系。日本规模编制技术战略图： 把3D打印机列为优先政策扶持对象；其次，快速更新制造技术，提高产品制造竞争力：一是采用“小生产

5、线”；二是采用小型设备；三是通过机器人、无人搬运机、无人工厂、“细胞生产方式”等突破成本瓶颈。德国推出“工业4.0”战略：通过构建智能生产网络，推动德国的工业生产制造进一步由自动化向智能化和网络化方向升级。中国：必须积极应对！ “第三次工业革命”可能会抑制后发国家的产业赶超。对我国来说，只要能形成独特的制造技术和制造业升级路径，完全可能成为赢家。工业机器人目前，中国已超越韩国成为仅次于日本的全球第二大机器人市场。预计到2014年底，中国将成为全球规模最大的机器人市场。媒体曾报道过富士康准备在中国使用100万台工业机器人，以替代人工的消息。2012年中国机器人购买量达到2.3万台，中国一跃成为仅

6、次日本的全球第二大机器人市场，领先美国、德国。2012年深圳的机器人企业产值平均增长速度超过了30，个别企业的增速甚至达200。近两年，国家出台了扶持机器人产业发展的相关政策，多个省份都成立了机器人产业联盟。工业机器人是集机械、电子、控制、计算机、传感器、人工智能等多学科先进技术于一体的自动化装备，代表着未来智能装备的发展方向。传感器市场：有望创新高传感器是电子信息装备制造业中的基础类产品，是重点发展的新型电子元器件中的特种元器件。传感器产业作为国内外公认的具有发展前途的高技术产业，以其技术含量高、经济效益好、渗透能力强、市场前景广等特点为世人瞩目。中国传感器市场近几年一直持续增长，增长速度超

7、过15%。2012年中国传感器应用四大领域为工业控制、汽车电子、通信电子及消费电子，其中工业和汽车电子产品占市场份额的42%左右。根据中国电子元件“十二五”规划，“十二五”期间将投资5000亿元，主要集中在新型电子元件的研发和产业化领域。其中包括基于MEMS技术的传感器、环境监测设备用气体传感器、流量传感器、湿度传感器等。此外，工业和信息化部于2012年2月发布的物联网“十二五”规划中，在重点工程内容中也提到发展微型和智能传感器、无线传感器网络等。据工控网了解：未来5年将是中国传感器市场稳步快速发展的5年，在持续30%以上的年度增长动力之下，2014年中国传感器市场规模有望达到1200亿元以上

8、现代信息技术的三大支柱：信息的采集技术（感测技术）、信息的传输技术（通信技术），信息的处理（计算机技术）。绪 论一、现代感测技术的地位和作用电量测量、非电量测量、传感器原理这三部分内容合称为传感器与测试技术，简称为感测技术。非电量测量解决两个问题1、怎样用传感器把非电量转换成电量？2、怎样对电量测量？传感器组成自动检测和自动控制系统自动控制技术与感测技术 传感器的定义和作用 传感器是将非电量转换为与之有确定对应关系电量输出的器件或装置。 传感器是获取信息的主要器件。 传感器技术是边缘学科交叉的技术。 传感器已渗透到诸如工业生产、宇宙开发、海洋探测、环境保护、资源调查、医学诊断、气象预报等领域。

9、几乎每一个项目，都离不开各种各样的传感器。 二、传感器与敏感器 辅助电源敏感元件转换元件信号调理电路被测量电量 敏感元件也叫敏感器，是把被测非电量转化成为可用非电量的器件或装置。 转换元件是传感器：敏感元件的输出就是它的输入，它把输入转换成电路参量。 信号调理电路：上述电路参量接入基本转换电路（简称转换电路），便可转换成电量输出。敏感元件作用举例 浮子把液体密度转换成浮力，浮力作用在悬臂梁使梁产生变形，粘贴在悬臂梁上的电阻应变片再将梁的变形转换成电阻值的变化。浮子、悬臂梁都是敏感器。 传感器的分类 传感器是根据物理学、化学、生物学的效应和规律设计而成。按传感器的工作机理，分为物理型、化学型、生

10、物型等 。化学型传感器 利用化学反应原理，将各种化学物质（如电解质、化合物、分子、离子）的状态、成分、浓度等转换成可用信号的传感器。生物型传感器 利用生物反应原理，将生物体内的葡萄糖、DNA等转换成可用信号的传感器。（本教材仅介绍用于测控技术领域的物理型传感器） 传感器的分类 结构型传感器是利用传感器的结构参数变化来实现信号转换。如电容式传感器。物性型传感器是利用转换元件物理特性变化实现信号转换。如:光电管，它利用了光电材料的外光电效应实现光电转换。1、物理型传感器分为：结构型与物性型两大类 传感器的分类 能量控制型传感器，需要外部电源供给能量，称无源传感器，被测非电量仅对传感器中的能量起控制

11、作用,如光敏电阻、热敏电阻。 能量转换型传感器，又称有源型传感器，传感器将非电能量转换电能量，从被测对象获取的信息能量直接转换成输出信号能量，主要由能量变换元件构成，它不需要外电源。 如压电式、磁电式传感器、基于光电效应的光电池传感器、旋转变压器等。 2、根据传感器的能量转换情况，分为能量控制型传感器和能量转换型传感器。 传感器的分类 传感器的分类 5、按照被测量对象分类 ：位移、速度、加速度、转速、力矩、压力、流量、振动、温度、湿度、浓度、光传感器等。4、根据传感器输出信号分为：模拟信号和数字信号传感器。 红外测温传感器氧气传感器空气质量检测模块二氧化碳传感器低压型压力传感器 光电液位传感器

12、称重传感器气体质量流量传感器三轴加速度传感器 开关型霍尔位置传感器槽型光电对射传感器湿敏电阻传感器的发展动向 开发新型传感器 开发新材料 新工艺的采用 集成化、多功能化 智能化 智能化 智能传感器是传感器技术与大规模集成电路技术相结合的产物，它的实现取决于传感技术与半导体集成化工艺水平的提高与发展。这类传感器具有多功能、高性能、体积小、适宜大批量生产和使用方便等优点，是传感器重要的发展方向之一。工业和信息化部于2012年2月发布的物联网“十二五”规划中，在重点内容中也提到发展微型和智能传感器、无线传感器网络等。如，DS18B20、是单总线数字输出型集成温度传感器三、测量仪表与系统的组成原理 检

13、测系统构成信息获取转换显示和处理（信号检出部分）（信号变换部分）（分析处理部分、通信接口及总线）检测系统组成实例1：智能电子交通违章监测系统典型机器人控制系统典型机器人控制系统任务：掌握常用传感器的工作原理、结构、特性及其应用技术，掌握传感器的信号处理电路。要求： 1. 具有根据测量任务选择传感器的能力； 2. 具有设计和组成自动检测系统的能力； 3. 对自动检测系统中的技术问题具有一定的分析处理能力。 课程教学任务及要求End of chapter 1第3章 阻抗（电阻、电容、电感）测量 阻抗测量是一种信号变换电路。3、1 电桥法直流电桥,四个桥臂纯电阻组成,精度高。输出为直流信号。交流电桥

14、,四个桥臂为电阻或阻抗,输出为交流信号。电阻式、电容式、电感式传感器的输出信号检测常用的是不平衡电桥，把阻抗变化转换为电压信号输出。惠斯顿电桥电桥平衡条件相对两桥臂阻抗乘积相等。(或相邻桥臂阻抗比值相等)Z1Z3=Z2Z4当阻抗为复数时平衡条件令Zi =Ri +JXi利用平衡电桥，通过调节电桥使电桥平衡，可以测量电桥中任一臂的阻抗。当电桥不平衡，把被测阻抗转换为电压信号进行测量。3、1、2平衡电桥1、测量电阻用，电桥平衡时R1R2R3是精密可调节电阻。电桥平衡时，A、B、点电位相等。称零位式测量或比较式测量。（b）图适合测量 损耗因数较大的电容器。2、电桥法测电容量（采用交流电桥，信号源用正弦

15、波信号）可测量电容器容量和损耗因数。（a）图适合测量损耗因数小的电容器。电容器损耗因数意义对并联等效模型的电容器，对于串联的等效模型电容器电容器损耗因数是衡量电容器质量的指标,D值小,电容器质量好。3、电桥法测电感量（a）适合测量Q值低电感（b）适合测量Q值高电感电感器品质因数值意义衡量电感器的性能。定义：谐振回路振荡一周期内储存磁能或电能的最大值与一周期内消耗能量之比。对串联等效模型的电感器Q值是电感器的质量指标。Q值高，电感器损耗小。3.1.3 不平衡电桥原理： 电路结构，不接检流计的电桥。 把阻抗式传感器接入电桥，初始状态让电桥平衡，输出电压为0，当被测非电量变化时，引起传感器阻抗参数变

16、化，使电桥不平衡，输出电压不为0,被测非电量的变化转化成电桥输出电压的变化，测量电桥输出电压，就可测得作用于传感器上的非电量。一、直流不平衡电桥采用恒压直流电源供电，电桥四桥臂只能接入电阻。当负载无穷大时。（1）电桥单臂变化（单臂等臂电桥） 电桥的一臂接入传感器，其余三臂为固定电阻，电阻值相等为R，单臂电桥灵敏度最低。单臂电桥输出：单臂等臂电桥的输出 (2)电桥相对两臂同向变化 R1= R3=R+R， R2=R4 =R，为固定电阻 。电阻增量正负号相同，可以使输出电压Uo成倍地增大。输出信号： (3)电桥相邻两臂反向变化（半差动等臂电桥） 电桥横跨电源的相邻两臂接入差动电阻传感器， R2、 R

17、3为差动电阻传感器， R1、R4为固定电阻 。电阻增量正负号相反，可以使输出电压Uo成倍地增大。输出信号：(4)电桥四臂差动工作（全差动等臂电桥） 电桥每对相邻的两臂均接入差动电阻传感器，全桥四臂差动工作方式的灵敏度最高，采用全差动等臂电桥、半差动等臂电桥非线性误差为0。输出信号：当不平衡电桥不满足以上四种条件时， 可应用基尔霍夫电压定律，设定输出电压正方向，求出输出电压。基尔霍夫电压定律：在任何一个闭合回路中，各段电阻上的电压降的代数和等于电动势的代数和，即 IR=E。从一点出发绕回路一周回到该点时，各段电压的代数和恒等于零，即U=0。电桥也可以采用恒流源供电采用恒流源供电的电桥，可以减小和

18、消除输出的非线性误差，可以消除温度变化的影响。二、交流不平衡电桥(a)电阻平衡臂交流电桥(b)变压器电桥当两桥臂为电阻式传感器：当两桥臂为电感式传感器：当两桥臂为电容式传感器： 上式都包含两参数的差与两参数的和的比，适用于差动式阻抗传感器的测量。三、有源电桥特点，带放大器的电桥，有源电桥与单臂电桥相比，输出电压线性度高，灵敏度高，输出电阻低。输出比单臂电桥成倍提高，消除单臂电桥的非线性，（负反馈改善放大器性能） 3、2 阻抗电压转换1、欧姆法（恒流法）（a）图适合测量小电阻，（b）图适合测量大电阻图3-2-2 自举式R-U转换器反馈电阻式R-U转换器测量电阻量程由输出电压表的量程决定。若Uo量

19、程为10V，RN分别为200欧、2K，则对应Rx的量程分别为1K、10K2、比例运算法输出与被测电容成反比。输出与被测电容成正比。输出与被测电容的差成正比。常用于差动式电容传感器。差动脉冲调宽法3、差动脉冲调宽法使用在差动电容传感器UE输出脉冲幅值3、3 阻抗频率转换器1、调频法原理：把R、L、C传感器接入振荡电路，使振荡频率随R、L、C变化。输出具有严重非线性特性。或固定电感，改变电容。差动电容式传感器如采用差频电路，灵敏度高，能抵消温度变化的影响。可以测量很小的电容变化量。2、积分法 用于电阻式传感器，转换器输出信号频率与电阻的变化成正比，具有线性变换关系。3、4 阻抗数字转换法1、电阻数

20、字转换一、单斜积分法，适合高值电阻测量。3、4 、2 电感、电容阻抗-数字转换法 电感器电容器US是正弦波信号源。GX=1/RX(直流电导) 阻抗元件包含阻抗实部和虚部，阻抗电压变换器的输出电压也包含实部和虚部，采用相敏检波器把输出电压的实部和虚部分离。Us与Ux的实部相位相反（180），与Ux的虚部相位正交（270）。=得到实部jUs与Ux的实部相位正交（270），与Ux的虚部相位相反（180）。=得到虚部 因此经过A/D转换就可实现阻抗数字化测量，通过计算就可以得到阻抗、Q值、损耗因素等参数。相敏检波原理输入信号与参考信号同频但有一定相位差时，输出信号的大小与相位差有确定的函数关系，可以根

21、据输出信号的大小确定相位差的值。相敏检波电路的这一鉴相特性。在图3-4-3中，Ui=Ux补充题如图所示电路，初始状态R1=R2=R3=R4=1000,如果电阻传感器R2阻值减少10%，电阻传感器R3阻值增加10%，U=14V,求输出电压UO是多少？(注意输出电压参考方向) 传感器特性主要是指输出与输入之间的关系。 传感器的基本特性 传感器的静态特性只是动态特性的一个特例。 当输入量随时间较快地变化时，这一关系称为动态特性。 当输入量为常量，或变化极慢时，这一关系称为静态特性；通常用相对误差 L 表示： 在采用直线拟合线性化时，输出-输入的关系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

22、性度。 一、静态特性技术指标1线性度2迟滞0yxHmaxyFS迟滞特性式中 Hmax正反行程间输出的最大差值绝对值。 传感器在正(输入量增大)反（输入量减小）行程中输出输入曲线不重合称为迟滞。迟滞特性如图所示，它一般是由实验方法测得。迟滞误差一般以满量程输出的百分数表示,即3重复性yx0Rmax2Rmax1重复性误差可用正反行程的最大偏差绝对值表示，即 重复性是指传感器在输入按同一方向连续多次变动时所得特性曲线不一致的程度。Rmax1正行程的最大重复性偏差绝对值， Rmax2反行程的最大重复性偏差绝对值。4灵敏度可见，传感器特性曲线的斜率就是其灵敏度。对线性特性的传感器，其特性曲线的斜率处处相

23、同，灵敏度k是一常数。一般要求选灵敏度高的传感器。K=y/x 灵敏度是传感器对被测量变化的反应能力，是传感器的基本指标。 传感器输出的变化量 y与引起该变化量的输入变化量 x之比即为其静态灵敏度，其表达式为5分辨率 分辨率表示传感器能检测到输入量的最小变化能力。当传感器的输入量缓慢变化, 超过某一增量时，传感器才能检测到输入量的变化，这个输入量的增量称为传感器的分辨率。 6稳定性 稳定性表示在较长时间内传感器对于大小相同的输入量，其输出量发生漂移变化的程度，一般在室温条件下，经过规定的时间间隔后传感器输出的差值称为稳定性误差。 被测量随时间变化的形式可能是各种各样的，只要输入量是时间的函数，则

24、其输出量也将是时间的函数。通常研究动态特性是根据标准输入特性来考虑传感器的响应特性。二、传感器的动态特性动态特性指传感器对随时间变化的输入量的响应特性。标准输入有三种：正弦变化的输入阶跃变化的输入线性输入基本参数指标环境参数指标可靠性指标其他指标量程指标：量程范围、过载能力等灵敏度指标：灵敏度、分辨力、满量程输出等精度有关指标：精度、误差、线性、滞后、重复性、灵敏度误差、稳定性 动态性能指标：固定频率、时间常数、频率响应范围、频率特性、临界频率、临界速度、稳定时间等 温度指标： 工作温度范围、温度误差、温度漂移、温度系数、热滞后等 抗冲振指标： 允许各向抗冲振的频率、振幅及加速度、冲振所引入的

25、误差 其他环境参数： 抗潮湿、抗介质腐蚀等能力、抗电磁场干扰能力等工作寿命、平均无故障时间、疲劳性能、绝缘电阻、耐压等使用有关指标：供电方式（直流、交流、频率及波形等）、功率、各项分布参数值、电压范围与稳定度等外形尺寸、重量、壳体材质、结构特点等安装方式、馈线电缆等传感器参数和指标动态测温的响应特性 测量显示温度到达稳定的时间与传感器时间常数有关，时间常数反映了传感器惯性的大小。作业某学生做电子秤实验，交叉点为测量数据，根据实验数据画出如图所示特性曲线，要求：（1）根据特性曲线计算电子秤的灵敏度，（2）根据特性曲线计算电子秤的非线性误差。第四章 阻抗型传感器 4、1 电阻式传感器 学习电阻式传

26、感器的原理及应用，电阻式传感器结构,电阻传感器的特点。 电阻式传感器是将非电量转化为电阻变化的传感器。4.1.1 电位器式传感器原理：把机械位移转换为与其成一定函数关系的电阻变化。按输入-输出特性分：线性电位器 非线性电位器按结构形式分： 线绕式电位器 非线绕式电位器应用：电位器式位移传感器 电位器式加速度传感器 电位器式压力传感器线绕电位器优点：精度高、性能稳定，易于实现较高的线性度和实现各种非线性特性；缺点：阶梯误差、分辨率低、耐磨性差，寿命短。线绕电位器与光电电位器结构1. 光电导层2. 基体3. 电阻带5. 导电电极4. 窄光束光电电位器，利用光电导材料的亮电阻与暗电阻的变化，改变电位

27、器电刷触点的位置，电阻值随光束位置而改变。具有阻值高、无摩擦、寿命长特点。 导体或半导体材料在外界力的作用下，会产生机械变形，其电阻值也将随着发生变化，这种现象称为应变电阻效应。 电阻应变式传感器主要由电阻应变片及测量转换电路等组成。4、1、2 应变式传感器和压阻式传感器一、电阻应变片的工作原理 金属丝受拉时，l 变长、r 变小，导致R变大 。一、应变效应的理论基础 1金属导体的 电阻(线材)2r A =r 2L给出了总电阻的相对变化量与其它三个量的相对变化的关系。在力的作用下，L、A、均可发生变化，R 也就发生变化。 应变式电阻传感器L：长度，A截面积、电阻率轴向线应变金属材料的应变电阻效应

28、以结构尺寸变化为主，包括轴向应变和径向应变。对于轴向应变() 在材料力学中， =l / l 称为电阻丝的轴向应变，也称纵向应变。 通常很小，常用10-6表示。例如，当 为0.000001时，在工程中常表示为1 10-6或m/m。在应变测量中，也常将之称为微应变(1)。1000 ,即0.001应变片用于测量力F的原理由材料力学可知,材料在弹性变形阶段，应力与应变成正比例关系，比例系数为E,称为材料的弹性模量。 因此，将应变片牢固粘贴在试件或力敏感器上，如果应变片的灵敏系数K和试件的横截面积A以及弹性模量均为已知，则只要设法测出R /R 的数值，即可获知试件受力的大小。应力应变片的阻值相对变化与试

29、件安装应变片区域的轴向应变x之比称为应变片的灵敏系数k：电阻应变片的灵敏度系数k并不等于该应变片应变电阻材料本身的灵敏度系数k0，且kk0，究其原因除了由于黏合层传递应变有失真外，另一重要原因是存在横向效应。 灵敏度系数(k) 应变传感器的基本组成部件，包括应变片、测量电路、弹性敏感元件及一些附件。应变传感器的组成：(1)应变片直接粘帖在受力构件上；(2)应变片粘帖在弹性敏感元件上，由敏感元件将被测物理量（如力、加速度、压力等）转换为应变。图1-4应变片的基本结构二、应变片的种类与结构 应变片可分为金属应变片及半导体应变片两大类。前者可分成金属丝式、箔式、薄膜式三种。材料主要是康铜。（1）金属

30、丝式应变片使用最早，金属丝易脱胶，有逐渐被箔式所取代的趋势。（2）箔式应变片中的箔栅是金属箔通过光刻、腐蚀等工艺制成的。箔的材料多为电阻率高、热稳定性好的铜镍合金。（3）薄膜式应变片采用真空蒸镀等方法，在薄的基底材料上制成金属薄膜形成应变片。其灵敏度系数较高，允许电流密度大，工作温度范围广。 由金属或半导体制成的应变-电阻转换元件称为电阻应变片，简称应变片。图1-5丝式应变片与箔式应变片(a)电阻丝式应变片(b)箔式应变片箔式应变片的外形测量转换电路不平衡电桥 金属应变片的电阻变化范围很小，如果直接用欧姆表测量其电阻值的变化将十分困难，且误差很大。 应变电桥电阻应变传感器接入电桥原则两个电阻应

31、变传感器的电阻变化符号相同，应接在电桥的相对两臂，能提高输出，但不能减小温度影响和非线性误差。两个电阻应变传感器的电阻变化符号相反，应接在电桥横跨电源的相邻两臂，组成差动电桥，能提高输出，减小温度影响和非线性误差。应变片接入电桥方式(1)单应变片工作，(2)双应变片工作，把两应变片接入横跨电源的相邻两臂，另两臂接固定电阻。（3）四应变片工作 把四个应变片接入电桥四臂，粘贴时使其中一对相对桥臂受拉力，另一对相对桥臂受压力，应变片的温度误差及补偿 温度补偿由于测量现场环境温度的改变，(1)引起应变片电阻变化(2)试件材料与应变片材料线膨胀系数不同，使应变片产生附加变形。（1）补偿块法R1是工作应变

32、片,承受机械应变。R2 是温度补偿应变片，不承受机械应变。 R1 , R2 接入横跨电源的相邻桥臂。能消除单应变片工作时产生的温度误差。（2）差动电桥补偿法R1R2R1R2R3R4应用悬臂梁测力时，可以将两个参数相同的应变片分别贴于梁的上下两面对称位置。五、应变效应的应用 应变效应的应用十分广泛。它可以测量应变、应力、弯矩、扭矩、加速度、位移等物理量。 电阻应变片的应用可分为两大类：第一类是将应变片粘贴于某些弹性体上，并将其接到测量转换电路，这样就构成测量各种物理量的专用应变式传感器。应变式传感器中，敏感元件一般为各种弹性体，传感元件就是应变片，测量转换电路一般为不平衡电桥； 第二类是将应变片

33、贴于被测试件上，然后将其接到应变仪上就可直接从应变仪上读取被测试件的应变量。（大桥应力测试） 悬臂梁P190变截面梁（等强度梁）可见，输出电压Uo反映了力F的大小。等强度梁测量力各种悬臂梁 FF固定点固定点电缆金属箔式应变片实验、电子秤实验四个金属箔式应变片分别粘贴在双孔悬臂梁的上下两侧。双孔悬臂梁是敏感器，把受力作用转换为应变。应变式力传感器 应变式力传感器 FFFF应变式荷重传感器外形及受力位置FF汽车衡称重系统电子秤 磅秤超市打印秤远距离显示人体秤 吊钩秤 便携式应变式数显扭矩扳手 可用于汽车、摩托车、飞机、内燃机、机械制造和家用电器等领域，准确控制紧固螺纹的装配扭矩。量程2500N.m

34、，耗电量10mA，有公制/英制单位转换、峰值保持、自动断电等功能。固态压阻式传感器压阻效应半导体材料当受到应力作用时，其电阻率会发生变化，这种现象称为压阻效应。现已制成两种传感器：（1）半导体应变式传感器；（2）在半导体基片上用集成电路工艺制成扩散电阻。特点：灵敏度高、分辨力高、频率响应高、传感器体积小。缺点：温度误差大，当温度升高时，压阻系数ks变小，传感器灵敏度降低。需采用温度补偿电路。温度误差及其补偿压阻式传感器的灵敏度随温度升高而下降，叫灵敏度温漂。电阻值随温度升高而变化。叫零位温漂。应采用零位温漂补偿,灵敏度温漂补偿电路。零位温漂补偿：Rs：调零 Rp：负温度系数电阻当温度升高，R2

35、 ，Rp 灵敏度温漂补偿：利用二极管的负温度特性：温度升高，二极管正向压降减小，电桥电压升高，补偿灵敏度的下降。 高压腔图2-25 固态压力传感器P硅膜片低压腔引线压阻式固态 压力传感器 内部结构信号处理电路小型压阻式固态压力传感器高压进气口低压进气口 图 压阻式加速度传感器集成电路工艺制成的扩散电阻硅梁质量块基座 压阻式加速度传感器桥梁应力的测量斜拉桥上的斜拉绳应变测试 作业P77 第3题P198 第10题补充题1：以阻值R=120,灵敏系数K=2.0的电阻应变片与阻值120 的固定电阻组成电桥，电桥供电电压3V，假定负载电阻为无穷大，当应变片接受应变为2000时，分别求出单臂等臂电桥、半差

36、动等臂电桥的输出电压、灵敏度，画出电桥电路图。 4、1、3 热电阻和热敏电阻原理: 利用电阻率随温度变化的特性制成的传感器叫电阻式温度传感器。两大类：金属热电阻 利用金属材料的电阻率随温度变化的特性工作。如：铜、铂。热敏电阻 利用半导体材料的电阻率随温度变化的特性工作。1、铂电阻特点：物理化学性能稳定，良好工艺性，电阻与温度之间关系近似直线。在国际实用温标中，作为-2590C630OC的温度标准。缺点：电阻温度系数较小。铂电阻与温度之间的关系近似直线：-200C0C： R(t) =R01+ At + B t 2 +C(t-100C) t 3 0OC630OC: R(t) =R0（1+ At +

37、 B t 2 ）铂电阻的精度与铂的纯度有关，因此百度电阻比W(100)可以反映金属纯度。工业用标准铂电阻其百度电阻比大于或等于1.391。 Pt10,是10， Pt100,是100.(0OC)测定热电阻，查铂电阻分度表，得到测量温度值。 2、铜电阻工业上若对测量精度要求不高而温度又较低，常用铜热电阻。特点：-50150线性度好，温度系数比铂高，容易提纯加工，价格便宜。 R(t) =R01+ At + B t 2 +C t 3 缺点：易于氧化，不适于在腐蚀性介质或高温下工作；电阻率低，体积大。百度电阻比,大于或等于1.425。工业上常用R0 为 Cu50,50, Cu100,100 。（0oC）

38、 工业常用热电阻性能比较 特点:输出信号大;需外加电源,用电桥测量不需要温度补偿;体积大,热惯性大;适合测低温;有较高的灵敏度和准确度.热电阻测温电路由金属热电阻RT组成的单臂变化电桥，R1R2R3是固定电阻，R0是调零电阻，RP是满度调节电阻,Rres、RFS分别等于RT在起始温度(如0C)及满度(如100C)时的电阻值。开关S拨到位置“2”，即正量温度。P208热电阻测温电桥电路（探头远距离连接） 可调电阻Rp接触电阻可能会导致零点不稳电位器的接触电阻不影响电桥平衡三线连接法：连接导线电阻阻值随温度变化。只要长度和电阻温度系数a都相等,不会产生温度误差。二、热敏电阻热敏电阻：用半导体材料制

39、成的热敏器件。1.热敏电阻类型PTC正温度系数热敏电阻,用于过热保护，温度开关。CTR临界温度系数热敏电阻,用于过热保护，温度开关。NTC负温度系数热敏电阻,适用于温度测量,温度开关。NTC热敏电阻一种氧化物烧结体。测量范围-1003000C,电阻温度系数大，灵敏度高，大约是金属热电阻的10倍。体积小，可测量点温度，电阻率高，热惯性小，适合动态测量。温度系数：温度变化1度时电阻值的相对变化量。B：热敏电阻的材料常数，一般B=2000K6000K。T是国际开尔文温度。NTC热敏电阻的温度补偿并联补偿法在热敏电阻上并联一个温度系数很小的固定电阻，使等效电阻与温度的关系在一定范围内是线性的。 功耗较

40、小时发热少，电压与电流成比例，冷态电阻由外界温度决定；电流较大时，功耗大，发热，阻值下降；因此要根据热敏电阻的允许功耗确定流过热敏电阻的电流。一般使功耗在1毫瓦内较合适。U/VNTC伏安特性热敏电阻测温电路热敏电阻RT组成单臂变化的电桥，R2R3是平衡电阻，R1是起始电阻，阻值等于RT在t0时的阻值， R4是满度电阻，阻值为RT在测量温度上限时的阻值。RP8是满度调节电阻。R5R6为uA表修正、保护作用P208热电阻传感器应用气体成分分析（P229）电阻丝的阻值与气体的导热系数有关：通过对电阻丝的测量便可实现双组分气体含量的分析温度控制器（封闭空间） 采用正温度系数热敏电阻，当温度低于设定温度

41、时，热敏电阻阻值小，A点电位较高，三极管V1,V2导通，继电器工作，继电器触点K闭合，电热丝通电加热，恒温室升温； 当温度高于设定温度时，热敏电阻阻值变大，A点电位降低，三极管V1,V2截止，继电器不工作，触点K断开，电热丝不通电，停止加热，恒温室降温。RP作用：恒温温度设定，该控制器适用于恒温温度高于室温场合。可调式电接点温度继电器原理，水银液体在玻璃管内受热膨胀，测量温度，水银液体导电接通或断开电触点。结构：两根开关触点引出线，其中一根与感温泡的水银相通，另一根与毛细管中的铂丝相连接，旋转顶部的调节螺母，可使毛细管中的铂丝根据设定温度上下移动。用途：既能指示温度，又能设定温度值，当测量温度

42、到达设定温度时，开关触点接通，输出控制或报警信号。继电器原理继电器分类： 固态继电器、机电继电器固态继电器(SSR)，是一种没有机械运动，不含运动零件的继电器，但它具有与机电继电器本质上相同的功能。SSR是一种全部由固态电子元件组成的无触点开关元件，他利用电子元器件的电、磁和光特性来完成输入与输出的可靠隔离，利用大功率三极管，功率场效应管，可控硅等器件的开关特性，来达到无触点，无火花地接通和断开被控电路的功能。机电继电器原理机电继电器就其在控制电路中的作用来讲，它是以一定的输入信号(如电流、电压或其它非电信号)实现自动切换电路的“开关”。所以，它是一种自动、远动电器元件。机电继电器作为一个控制

43、电器，它有两个主要部分：一 个是控制系统(又叫输入回路)；另一个是被控制系统(又 叫输出回路)。机电继电器参数：工作电压， 如5V,12V,24V,电流，小继电器一般为几十毫安。（如48VDC）触点参数，开关触点数量，允许通过触点电流、电压等（如10A240VAC,10A24V）。使用方法，用万用表测量找出工作线圈接点，线圈通电判定常开触点，常闭触点，公共触点，焊接电路前画出引脚图。 7，8引脚是继电器的驱动线圈。1,5引脚是常闭触点，3,5引脚是常开触点，5是开关的公共触点。本继电器有两组独立开关。作业补充题1、说明下图的工作原理，要求温度较低时，电热丝通电，达到设定温度后，电热器断电。（说

44、明热敏电阻类型，三极管、继电器工作状态、RP作用，控制对象为一封闭空间温度。）补充：灵敏度K=y/x 灵敏度是传感器对被测量变化的反应能力，是传感器的基本指标。 传感器输出的变化量 y与引起该变化量的输入变化量 x之比即为其静态灵敏度，其表达式为灵敏度：此应变电桥灵敏度： S=Uo/4、1、4 气敏电阻传感器气敏电阻是利用半导体陶瓷与气体接触而电阻发生变化的效应制成的气敏元件。常用氧化锡（N型半导体）制作气敏元件，由半导体、电极、加热器组成。 加热器作用,烧掉附着在半导体上的油污、尘埃，加速气体的吸附，提高灵敏度和响应速度。 在清洁大气中，因吸附的氧气量不变，气敏电阻阻值为常数，在氧化性气体中

45、，如氧气、NOx中，从气敏元件夺取电子，使气敏元件电阻变大， 在还原性气体中，如氢气、C0、酒精等，气体分子向气敏元件释放电子，使气敏元件电阻变小， 对乙醚、乙醇、氢气、正己烷有高灵敏度。 工作前预热2-10分钟。气敏电阻测量电路由加热回路、测量回路组成 气敏电阻单臂电桥测量电路 加热回路，电源可由直流或交流供电，测量回路，电桥把电阻变化变换为电流或电压输出。RP2，RP3电桥零点调节，RP1表头灵敏度调节。555时基电路这个特殊的触发器有两个特点：(1)触发端TR(管脚2)的电平2/3 VDD时有效，即Q清零,Vo输出低电平，放电管导通； 可以把555电路等效成一个特殊的R-S触发器，阈值端

46、(TH)可看成是清零端R，高电平有效，触发端(TR)可看成是置位端S，低电平有效。Vo可等效成触发器的Q端，放电端(DIS)可看成是内部开关管的集电极，该开关管由触发器的Q端控制。可燃气体电路原理图P23213.3.2可燃气体报警器原理当还原性气体浓度升高时，气敏元件的电阻值下降，使三极管导通，555的2脚输入低电平，进入暂稳态，3脚输出高电平，继电器电流驱动工作，蜂鸣器报警。 555时基电路组成单稳态电路。RP2作用，调节报警灵敏度。RP1调节气敏元件加热器的加热电流。适用于石油气、酒精、油烟雾等还原性气体的检测和报警。 厨房油烟机自动控制电路 启动电风扇的油烟气体浓度高于关闭电风扇的油烟气

47、体浓度，形成回差。回差是由继电器的启动和断开的电流不同形成，可避免电风扇的频繁启动。吸排油烟机自动控制原理功能：根据厨房油烟、烟雾等造成污染空气浓度，自动开启排气风扇，净化空气。使用TGS109半导体气敏传感器，当油烟达到一定浓度CS时，气敏电阻降低，流过传感器电流增加，三极管导通，继电器工作，排气扇通电工作。排出污染气体。当油烟浓度下降到CD时,排气扇断电停止工作。RP2调节油烟达到什么浓度，排气扇才开始工作。酒精测试仪原理4.1.5 湿敏电阻绝对湿度，单位体积内所含水蒸汽的质量。 相对湿度，表示空气中的绝对湿度与同温度下的饱和绝对湿度的比值，得数是一个百分比。常用计算方法是：实际的空气水气

48、压强（用p1 表示）和同温度下饱和水气压强（用p2表示）的百分比，即RH（%）= p1/ p2 x 100%湿敏电阻是利用湿敏材料吸收空气中的水分而导致本身电阻值发生变化这一原理而制成的。湿敏电阻分类 氯化锂湿敏电阻、半导瓷湿敏电阻、高分子膜湿敏电阻、使用较广泛的是半导瓷湿敏电阻。半导体陶瓷湿敏电阻根据半导体多孔陶瓷体的感湿材料吸附水分使电阻改变的原理。由感湿体、加热丝组成，加热丝作用：对器件经常加热清洗，排除恶劣气氛对器件的污染。负特性湿敏半导体陶瓷正特性湿敏半导体陶瓷湿度检测控制系统1、不平衡电桥测湿电路交流电源频率为1000HZ，不能使用直流电源，以免出现离子的定向迁移和积累，使传感器失

49、效。Rd是校满电阻，阻值等于湿敏电阻满量程(100%)时的电阻；输入插口插入的是负特性的湿敏电阻；当湿度增加，-Rx下降，-流过电流表电流增加。2、欧姆定律测湿电路。土壤湿度传感器应用于自动浇水灌溉的装置。下图，输出电压大小反映土壤湿度变化。数字温湿度传感器DHT11，单数据线输出。DHT11数字温湿度传感器是含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，具有极高的可靠性与长期稳定性。测量范围,湿度 2090RH温度 050测量分辨率分别为8bit（温度）、8bit（湿度）接口说明建议连接线长度短于20米时用5K上拉电阻。 电源引脚DHT11的供电电压

50、为35.5V。作业77页第5题第6题（参考教材232-233页内容） 第4章 4.2电容式传感器 S 极板的遮盖面积，单位为m2； 极板间介质的介电常数； d两平行极板间的距离，单位为m；0 真空的介电常数，0 =8.85410-12 F/m；r 极板间介质的相对介电常数，对于空气介质，r 1。4.2 电容式传感器4.2.1 基本工作原理将被测量的变化转换为电容量变化的传感器。平行极板电容器的电容量为： 4.2 电容式传感器若极板间有多种绝缘介质，电容量为：对于同轴圆筒形电容，电容量为：2R2rL 电容式传感器按被测量所改变的电容器的参数分类：变间隙型、变面积型、变介质型。输出特性一、变极距型

51、(a)图(b)图应用：如P40差动脉冲调宽法 直线位移式结构2. 变面积型电容传感器 直线位移型电容传感器具有线性输出特性。 角位移变面积型2. 变面积型电容传感器 角位移式变面积型3. 变介质型传感器1.介质的介电常数随被测量(如温度、湿度)变化，如电容式温度传感器、电容式湿度传感器等；2.电容极板间有二种介质，二种介质的厚度或位置变化，如电容式位移传感器、电容式厚度传感器、电容式液位传感器等。 初始时：P174电容式液位传感器2R2rLH 液位传感器的等效电路C2C1C0(1) 电极间无液体时电容：(2) 电极间有液体时电容：适用于非导电液体的液位测量4.2.3等效电路分析L是电容器本身电

52、感和引线电感，Rs是引线电阻，Rp是电容器并联损耗电阻。 等效电路参数决定谐振频率，传感器工作时要求低于谐振频率才能正常工作。Ce:实际有效电容4.2.4接口电路选择(1)变极距型电容传感器(2)变面积型电容传感器，P39(3-2-6)(3-2-7)差动式变极距型电容传感器图3-2-6 (P40)图3-1-6 (P37) 差动式电容传感器的测量电路 . 电桥电路 (变压器电桥组成半差动等臂电桥)输出电压与被测位移成线性关系、电容式传感器应用电容式压差传感器电容式加速度传感器电容式荷重传感器电容式应变传感器电容式厚度传感器电容式位移传感器应用电容式厚度传感器适合测量绝缘板材的厚度n是绝缘材料厚度

53、与介质决定的常数。P1693-2-6(P39)电容式金属板材厚度测控原理应用在轧制金属板材生产上，实时显示金属板材厚度，同时调节轧辊压力，使板材厚度控制在一定误差范围内。由交流电桥（变压器电桥）测量板材厚度引起的电容变化。P169 电容传感器的特点1电容式传感器的优点 （1）温度稳定性好（2）结构简单，适应性强 （3） 动态响应好 电容式传感器由于极板间的静电引力很小，需要的作用能量极小，动态响应时间短，特别适合动态测量。2.电容式传感器的缺点：输出阻抗高，负载能力差。 作业1、根据参数变化，电容式传感器有哪些类型？简述各种类型电容式传感器的工作原理。2、某电容测微器，其传感器的圆形极板半径为

54、4mm，工作初始间距为0.3mm，介电常数=8.85*10-12 F/m,工作时，若传感器的下极板上移1m，求：（1）移动前初始电容量是多少？（2）移动后电容的变化量多少？ 4.3 电感式传感器原理：利用磁路磁阻变化，引起传感器线圈的电感变化来检测非电量的一种机电转换装置。 电感式传感器磁路磁阻 被测非电量自感系数L互感系数M测量电路 U、I、f自感式传感器互感式传感器压磁式传感器（略）电涡流式传感器 4.3.1 自感式传感器1 、变气隙式自感传感器总磁阻线圈匝数两式联立得:线圈铁芯衔铁图4-3-1 磁阻式传感器I为线圈中所通交流电流的有效值。 铁心工作在非饱和状态时：如果A保持不变，则L为气

55、隙的单值函数，构成变气隙式自感传感器(非线性,成反比)若保持不变，使A 随被测量（如位移）变化，则构成变截面式自感传感器，（线性好） 变气隙式自感传感器衔铁线圈铁芯为保证一定的测量范围和线性度，常取0=(0.10.5)mm,且=(1/51/10)0L= f ()L变气隙式自感传感器特性 2、差动式变气隙型自感传感器 在实际使用中，常采用两个相同的传感线圈共用一个衔铁，构成差动式自感传感器，两个线圈的电气参数和几何尺寸要求完全相同。这种结构除了可以改善线性、提高灵敏度外，对温度变化、电源频率变化等的影响也可以进行补偿，从而减少了外界影响造成的误差。 3、变气隙型差动式自感传感器 变面积型自感传感

56、器只改变气隙截面积，并不改变铁芯截面积。变面积型差动式自感传感器三.螺管型自感传感器 上式，x是衔铁插入线圈中的长度，自感变化量与衔铁位移成正比。四、等效电路分析由于传感器的品质因数与激励频率有关。应选使线圈电感品质因数最高的激励频率。五、接口电路变压器电桥适用：差动式自感传感器图3-1-6(P37)差动电感脉冲调宽电路适用：差动式自感传感器 (P41)3、3 阻抗频率转换器1、调频法原理：把R、L、C传感器接入振荡电路，使振荡频率随R、L、C变化。适用：单一式电感传感器 2.1 互感式传感器的结构4、3、2 互感式传感器（差动变压器）1 初级线圈;2.3次级线圈;4衔铁123(b)螺管型4由

57、初、次级线圈，铁心、衔铁组成，初级线圈接入交流激励信号，衔铁移动，次级线圈输出电压变化。（两个次级线圈反向串联）等效电路 工作原理：类似于变压器。主要包括有衔铁、初级绕组、次级绕组。初、次级绕组的耦合程度能随衔铁的移动而变化，即绕组间的互感随被测位移的改变而变化。初级线圈作为差动变压器激励用，相当于变压器的原边，而次级线圈由结构尺寸和参数相同的两个线圈反相串接而成，且以差动方式输出，相当于变压器的副边。所以又把这种传感器称为差动变压器式电感传感器。 变气隙式可测量几微米几百微米位移，变面积式可测量零点几秒的很小角位移。螺管型可测量几毫米1米的位移。目前多采用螺管型差动变压器。互感传感器分类 在

58、理想情况下(忽略线圈寄生电容及衔铁损耗)，差动变压器的等效电路如图。初级线圈的复数电流值为e2R21R22e21e22e1R1M1M2L21L22L1 e1初级线圈激励电压L1,R1初级线圈电感和电阻M1,M2分别为初级与次级线圈1,2间的互感L21,L22两个次级线圈的电感R21,R22两个次级线圈的电阻I1激励电压的角频率； e1激励电压的复数值；由于Il的存在，在次级线圈中产生磁通Rm1及Rm2分别为磁通通过初级线圈及两个次级线圈的磁阻，N1为初级线圈匝数。 N2为次级线圈匝数。因此空载输出电压在次级线圈中感应出电压e21和e22，其值分别为当M1=M2时,输出u2=e21-e22=0当

59、M1不等于M2时,输出u2=e21-e22不等于0互感系数随衔铁的位移而变化，所以，输出电压随衔铁的位移而变化,实现位移的测量。激励交流信号频率互感传感器的灵敏度与激励频率关系如图：互感传感器在激励频率低时，Q值下降，灵敏度下降；在激励频率很高时，由于导线趋肤效应和铁损影响，灵敏度下降。根据铁心材料，选择合适的激励信号频率，使传感器的灵敏度稳定。三测量电路差动变压器的测量电路一般采用反串电路和桥路两种：差动整流电路差动变压器输出的电压是调幅波，为了判别衔铁的移动方向，需要进行解调。常用差动相敏检波电路和差动整流电路。（a,b）图适合低阻负载场合，Iab= I1-I2 ，当衔铁位于零位以上时，I

60、1I2,故Iab0,当衔铁位于零位以下时，I1I2,故IabUbc,故Uab0,当衔铁位于零位以下时，UacUbc,故Uab0。当衔铁位于零位（中间），输出电流、电压都等于0 。直流供电测量电路用途：便携式位移测量仪。 差动变压器式传感器的特点及应用 优点：结构简单、可靠，测量力小分辨力高机械位移0.01m，输出信号强，电压灵敏度可达数百mV/mm 。重复性好，线性度优良, 范围宽.在几十m到几百mm的位移范围内，输出特性的线性度较好，且比较稳定。能实现信号远距离传输、和控制。4.4 电感式传感器的应用图4-25 加速度传感器1 悬臂梁；2 差动变压器；3 衔铁12a3电感测微仪探头测量电桥交