自动检测技术及应用教案

绪论授课教案

学院授课教师授课日期授课班级

课题：绪论课时安排：1课次编号：第1次

难点检测系统的框图

教材分析

重点检测系统的组成

1.了解工业检测的定义和内容；

教学目的和要求

2.掌握检测系统的框图绘制原则；

采用的教学方法和实施步骤篝讲授、讨论、教具：光电检测仪或其他传感器

各

0.1检测技术在国民经济中的地位和作用

教

检测的定义：检测（Detection）是利用各种物理、化学效应，选择合适的方法与

学

装置，将生产、科研、生活等各方面的有关信息通过检查与测量的方法赋予定性或定

环

量结果的过程。

节

自动检测技术：能够自动地完成整个检测处理过程的技术称为自动检测技术。

和

工业检测技术的内容

内0.2

工业检测技术的内容较广泛，常见的工业检测涉及的内容如表所示。

容0-1

表0；工业检测涉及的内容

被测量类被测量类

被测量被测量

型型

温度、热量、比热容、热流、

物体的性气体、液体、固体的化学成分、

热分布、压力（压强）、压差、

热工量质和成分浓度、粘度、湿度、密度、酸碱

真空度、流量、流速、物位、液

量度、浊度、透明度、颜色

位、界面

工作机械的运动状态（启停

直线位移、角位移、速度、加

等）、生产设备的异常状态（超

机械量速度、转速、应力、应变、力矩、状态量

温、过载、泄漏、变形、磨损、

振动、噪声、质量（重量）

堵塞、断裂等）

电压、电流、功率、电阻、阻

长度、厚度、角度、直径、间

抗、频率、脉宽、相位、波形、

几何量距、形状、平行度、同轴度、粗电工量

频谱、磁场强度、电场强度、材

糙度、硬度、材料缺陷

料的磁性能

本课程重点介绍非电量的检测。

0.3自动检测系统的组成

（1）系统框图将系统中的主要功能或电路的名称画在方框内，按信号的流程，

将几个方框用箭头联系起来，有时还可以在箭头上方标出信号的名称。在产品说明书、

科技论文中，利用框图可以较筒明、清晰地说明系统的构成及工作原理。

对具体的检测系统或传感器而言，必须将框图中的各项内容赋以具体的内容。

图0-1自动检测系统原理框图

接受识别处理响应

人体信息接受过程框图与自动检测系统框图比

提问：玻璃温度计是传感器吗？（是！）

提示：本教材中的“传感器”是指：一个能将被测的非电量变换成电量的器件。

介绍（演示传感器的教具，讨论各种用途）。

通过PPT,介绍常用家电的原理框图的画法：

①洗衣机；②家用或中央空调；③电饭煲；④电冰箱；⑤电视机。

（2）传感器（Transducer）的定义本教材中，是指：一个能将被测的非电量变换

成电量的器件。（传感器教具演示，发散性课题讨论）。

（3）信号调理电路包括放大（或衰减）电路、滤波电路、隔离电路等。其中的

放大电路的作用是把传感器输出的电量变成具有一定驱动和传输能力的电压、电流或

频率信号等，以推动后级的显示器、数据处理装置及执行机构。

提问：信号调理电路就是放大电路吗？

（4）显示器常用的显示器有四类：模拟显示、数字显示、图象显示及记录仪等。

模拟量是指连续变化量。模拟显示是利用指针对标尺的相对位置来表示读数的，常见

的有毫伏表、微安表、模拟光柱等。

数字显示目前多采用发光二极管（LED）和液晶（LCD）等，以数字的形式来显示

读数。前者亮度高、耐震动、可适应较宽的温度范围；后者耗电省、集成度高。目前

还研制出了带背光板的LCD,便于在夜间观看LCD的内容。

图像显示是用点阵LCD来显示读数或被测参数的变化曲线、图表或彩色图等形式

来反映整个生产线上的多组数据。

记录仪主要用来记录被检测对象的动态变化过程，常用的记录仪有笔式记录仪、

高速打印机、绘图仪、数字存储示波器、磁带记录仪、无纸记录仪等。

（5）数据处理装置用来对测试所得的实验数据进行处理、运算、逻辑判断、线

性变换，对动态测试结果作频谱分析（幅值谱分析、功率谱分析）、相关分析等，完成

这些工作必须采用计算机技术。

（6）执行机构通常是指各种继电器、电磁铁、电磁阀门、电磁调节阀、伺服电

动机等，它们在电路中是起通断、控制、调节、保护等作用的电器设备。许多检测系

统能输出与被测量有关的电流或电压信号，作为自动控制系统的控制信号去驱动这些

执行机构。

0.4自动检测系统举例

提问：眼睛、人体的手、大脑在操作机器的时候，是怎样组成一个“人体测控系

统”的？请以人手打开开和关闭自来水龙头为例来说明。

图0-2自动磨削测控系统（闭环系统）

1-传感器2—被研磨工件3—研磨盘

0.5检测技术的发展趋势（播放PPT）

0.6本课程的任务和学习方法

在阐明测量基本原理的基础上，使读者逐一了解各种传感器如何将非电量转换为

电量，掌握相应的测量转换、信号调理电路和应用。

对误差处理、弹性元件、电磁兼容原理及抗干扰技术给予适当的介绍，对自动检

测技术的综合应用以及现代测试系统举了较多的实例，以使读者能解决工作现场的实

际问题。

科技资料的搜索方法

介绍网页搜索方法，百度的“文库”搜索一“关键词”一下载（需要若干下载券）。

常见的参考文献阅读和下载的网站还有“百度网页”、“百度图片”、“互动百科”、“知

乎”、“360doc”、“电工学习网”、“智库百科”、“电工论坛”、“电子学习网”、“工控人

家园”、“工控网”、“国家标准网”、“我要找标准”、“技成培训网”、“电力联盟”、“中

国机器人网”，以及各种专业网站、大的传感器公司网站等，今后可能还会开放“谷歌”

的“网页搜索”、“学术搜索”，“文库搜索”等搜索途径。具体搜索步骤见绪论的PPT。

辅导、答疑安排每周*晚上，在**教研室答疑

补充课外作业上网查阅有关资料，按学生“序号”分组，简要写出以下电器的工

作原理（约300字左右即可），并简要画出其结构及原理框图：

①洗衣机；②家用或中央空调；③电饭煲；④电冰箱等等，题目也可以

自行确定。鼓励学生自行寻找题目。

学生从网络下载较好的PPT模板，粘贴和“插入”自己搜索到的文字和

图片，做出10页以上的PPT,抽签在下一次的课堂上播放和讲解自己做

的PPT»

检测教学目标实考察学生能否掌握上网搜索科技文献资料的能力，了解一个特定对

现程度象的工作原理和结构，掌握绘制原理框图的方法。

第1章检测技术的基本概念授课教案

学院授课教师授课日期授课班级

课题：检测技术的基本概念课时安排：3课次编号：第1次~2次

难点测量结果的数据统计处理

教材分析-----------------------------------------

重点传感器的组成及特性

教学目的和要求1.了解测量方法的分类；

2.掌握测量误差和数据处理;

3.掌握传感器的特性；

4.了解稳定性及其纠正方法。

教具：数字万用表、

采用的教学方法和实施步骤演示、讲授、讨论、互动

弹簧管压力传感器

各

教1.1测量的基本概念及方法

学

测量方法分类

环

可分为静态测量和动态测量、直接测量和间接测量、模拟式测量和数字式测量、

节

接触式测量和非接触式测量、在线测量和离线测量。根据测量的具体手段来分，又可

和

分为偏位式测量、零位式测量和微差式测量。

主

(播放PPT,讲解几种不同测量方法的特点)

耍

内1.2测量误差及数据处理

容

1.2.1测量误差

1.测量误差的表示方法

(1)介绍：真值/o、绝对误差：

^=A^A0(1-1)

(2)示值(标称)相对误差及

y,=—x100%(1-3)

4

引用误差为

=—X100%(1-4)

4

式(1-4)中，当A取仪表的最大绝对误差值4时，引用误差常被用来确定仪表的

准确度等级S,即

S=^-xlOO(1-5)

4

我国常用的模拟仪表有下列七种等级，介绍：准确度等级与误差、价格的关系。

表1-1仪表的准确度等级和基本误差

准确度等级0.10.20.51.01.52.55.0

对应的引用误差±0.1%±0.2%±0.5%±1.0%±1.5%±2.5%±5.0%

仪表的准确度与“精度”的关系：本教材不采用“精度”、“精密度”、“精确度”

等提法。

举例：在正常情况下，用0.5级、量程为100℃温度表来测量温度时，可能产生的

最大绝对误差为：

Am=（±0.5+100）xAm=±（0.5%xl00℃）=±0.5℃

例1-1某压力表准确度为2.5级，量程为0〜1.5MPa,求：1）可能出现的最大满

度相对误差加。2）可能出现的最大绝对误差Am为多少kPa?3）测量结果显示为0.70MPa

时，可能出现的最大示值相对误差为。

解1）可能出现的最大满度相对误差可以从准确度等级直接得到，即

Vm=±2.5%

2）△m=ymAm=±2.5%xl.5MPa=±0.0375MPa=±37.5kPa

3）y=^x100%=±0'°375x100%=±5.36%

、Av0.70

由上例可知，%的绝对值总是大于（在满度时等于）,

例1-2现有一台准确度为0.5级、测温范围为0〜300℃的温度计，另一台准确度

为1.0级、测温范围为。〜100℃的温度计，要测量80℃的温度，试问采用哪一个温度

计好？

解计算用0.5级表以及1.0级表测量时，可能出现的最大示值相对误差分别为

±1.88%和±1.25%。计算结果表明，用1.0级表比用0.5级表的示值相对误差的绝对值反

而小，所以更合适。

由上例得到的结论：在选用仪表时应兼顾准确度等级和量程，通常希望示值落在

仪表满度值的羽以上。

2.测量误差的分类

（1）粗大误差：明显偏离真值的误差称为粗大误差。当发现粗大误差时，应予以

剔除。

（2）系统误差：凡误差的数值固定或按一定规律变化者，均属于系统误差。

系统误差是有规律性的，因此可以通过实验的方法或引入修正值的方法计算修正，

也可以重新调整测量仪表的有关部件使系统误差尽量减小。

（3）随机误差：测量结果与在重复条件下，对同一被测量进行无限多次测量所得

结果的平均值之差称为随机误差。由于实际上只能进行有限次测量，因而只能得出这

一测量结果中随机误差的估计值。随机误差大多是由影响量的随机变化引起的，这种

变化带来的影响称为随机效应，它导致重复观测中的分散性。

随机误差有时也采用如下的表达：

在同一条件下，多次测量同一被测量，有时会发现测量值时大时小，误差的绝对

值及正、负以不可预见的方式变化，该误差称为随机误差。随机误差反映了测量值离

散性的大小。引起随机误差的因素称为随机效应。随机误差是测量过程中许多独立的、

微小的、偶然的因素引起的综合结果。

存在有随机误差的测量结果中，虽然单个测量值误差的出现是随机的，既不能用

实验的方法消除，也不能修正，但是就误差的整体而言，服从一定的统计规律。因此

可以通过增加测量次数，利用概率论的一些理论和统计学等方法，在掌握看似毫无规

律的随机误差的分布特性的基础上，进行测量结果的数据统计处理。多数随机误差都

服从正态分布规律（课堂上，以下面的例题代替繁杂的计算）。

提问：彩票抽奖号码服从正态分布规律吗？（否！）

能够通过计算得到最佳号码组合吗？（否！）

例1-3用核辐射式测厚仪对钢板的厚度进行6次等准确度测量，所得数据如下表

（单位为mm）,请指出哪几个数值为粗大误差？在剔除粗大误差后，用算术平均值亍

公式求出钢板厚度。

-=1yx=X,+.r2+x3+-+x„=

n七'n

表1钢板测量结果的数据列表

nXi/mm

18.04

28.02

37.96

45.99

59.33

67.98

（4）静态误差和动态误差

1）静态误差：在被测量不随时间变化时所产生的误差称为静态误差（静态偏差）。

前面讨论的误差多属于静态误差。

2）动态误差：当被测量随时间迅速变化时，系统的输出量在时间上不能与被测量

的变化精确吻合，这种误差称为动态误差（也称动态偏差）。

举例：被测水温以很快的速度上升到100℃,玻璃水银温度计（属于一阶系统）的

水银柱不可能立即上升到100℃。

耳。

1.0---------------------------------1

0412

图1-4阶跃响应曲线

a）输入信号b）输出响应

图1-4中所示的主要性能指标有：延迟时间td、上升时间加、峰值响应时间tp、调

整时间ts、超调量Mp等，仪表的输出最终稳定在静态误差（也称静态偏差）上，该静

态误差（也称静态偏差）稳定在允许的范围内。同理，在t2时刻，被测量的突然减小,

也存在较长的稳定过程。

4.测量系统静态误差的合成

“环节”、“误差合成”：

由n个环节串联组成的开环系统如图1-6所示。输入量为x,输出量y0=/（x）o

—1—z—3—►••••—►11—

图1-6由"个环节串联组成的开环系统

若第i个环节的满度相对误差为匕时，则输出端的满度相对误差出与%之间的关

系可用以下两种方法来确定：

（1）绝对值合成法（误差的估计偏大）

ym=土（|%|+|为+…+必|）am

Z=1

（2）方均根合成法

例1-4用图1-2核辐射钢板测厚仪测钢板厚度，已知PIN型/射线二极管的测

量误差为±5%,微电流放大器误差为±2%,指针表误差为±1%,求测量的总误差。

解1）用绝对值合成法计算测量误差

Ym=±仇I+同+…+九|）=±（5%+2%+1%）=±8%

2）用方均根合成法

222

ym=±7（5%）+（2%）+（1%）=5.5%

结论：测量系统中的一个或几个环节的准确度特别高，对提高整个测量系统总的

准确度意义不大，反而提高了测量系统的成本，造成了资源浪费。

请学生分析如何减小上述系统的总误差。

1.3传感器基本特性

1.3.1传感器的定义及组成回幅就嵬回

传感器是一种检测装置，能感受规定的被测量，并能将检测感受到婪漳g

的信息，按一定规律变换成为电信号或其他可用信号，以满足信息的传施的胄渐

输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动囱编遍3

控制的重要环节，有时也可以称为换能器、检测器、探头等。大部分传感器由敏感元

件、传感元件及测量转换电路三部分组成，如图1-7所示。

醴敏感元件卜非电量T传感元件|电参量:R转换电路声量一

图1-7传感器组成框图

演示弹簧管压力传感器，说明传感器的原理框图。

1.3.2传感器分类

（1）按被测量分类可分为位移、力、力矩、转速、振动、加速度、温度、压

力、流量、流速等传感器。

（2）按测量原理分类可分为电阻、电容、电感、光栅、热电偶、超声波、激光、

红外、光导纤维等传感器。

（3）按传感器输出信号的性质分类可分为输出为开关量（“1”和“0”或“开”

和“关”）的开关型传感器；输出为模拟量的模拟型传感器，输出为脉冲或代码的数字

型传感器。

1.3.3传感器的基本特性

1.灵敏度

长=曳=包(1-15)

dxAx

结论：对线性传感器而言，灵敏度为一常数；对非线性传感器而言，灵敏度随输

入量的变化而变化。

怎样从输出曲线判断灵敏度：曲线越陡，灵敏度越高。可以通过作该曲线的切线

的方法(作图法)来求得曲线上任一点的灵敏度，用作图法求取传感器的灵敏度如图

L10所示。由切线的斜率可以看出，X2点的灵敏度比％点高。

2.分辨力

分辨力是指传感器能检出被测信号的最小变化量，是有量纲的数。当被测量的变

化小于分辨力时，传感器对输入量的变化无任何反应。

对数字仪表而言，如果没有其他附加说明，一般可以认为该表的最后一位所表示

的数值就是它的分辨力。一般情况下，不能把仪表的分辨力当作仪表的最大绝对误差。

例：作业中图1-17所示数字式温度计的分辨力为0.1℃,若该仪表的准确度为1.0

级，则最大绝对误差将达到±2.09,比分辨力大得多。

仪表或传感器中，还经常用到“分辨率”的概念。将分辨力除以仪表的满量程就

是仪表的分辨率，分辨率常以百分比或几分之一表示，是量纲为1的数。

3.线性度

线性度9又称非线性误差，是指传感器实际特性曲线与拟合直线之间的最大偏差

与传感器满量程范围内的输出之百分比，且多取其正值

兀=*100%(1-16)

ymaxymin

式中"max——最大非线性偏差；

/max-/min4刖出氾围°

图L11端基线性度示意图

1-拟合直线丫=网+》2-实际特性曲线

提问：什么是“理论直线”？什么是“拟合直线”？

简述得到“拟合直线”的方法。

为什么不同的拟合直线，得到的非线性误差也不同？

解释：什么是“端基理论直线”？

解释：为什么设计者和使用者希望仪表的静态特性接近于直线？（线性仪表的刻

度是均匀的，容易标定，不容易引起读数误差）

解释什么是“曲线拟合”？

学生自行上网查阅MATLAB在曲线拟合中的的使用方法。

学生自行上网查阅“最小二乘法

4.迟滞误差

迟滞误差又称为回差或变差，是指传感器正向特性和反向特性不一致程度。可用

下式表示：

A|lmax

yH=-x100%（1-17）

ymaxymin

式中AHmax一一最大迟滞偏差；

ymax-ymin里程氾围。

5.稳定性

稳定性包含稳定度和环境影响量。

稳定度：仪表在所有条件都恒定不变的情况下，在规定的时间内能维持其示值不

变的能力。稳定度一般以仪表的示值变化量和时间的长短之比来表示。例如，某仪表

输出电压值在8h内的最大变化量为L2mV,则表示该仪表的稳定性为1.2mV/（8h）。

环境影响量：由外界环境变化而引起的示值变化量。示值的变化由两个因素构成。

一是零漂，二是灵敏度漂移。零漂是用于描述仪表（已调零）在受外界环境影响后，

输出不再等于零，而有一定的漂移。

例1-6某放大器的输入为0〜10mV,K=500倍，满度输出为5.00V。在野外工作

现场，发现温度升高后，数据漂移严重，请调整之。

解：1）将输入端短路后，发现放大器的输出为0.30V,调整“调零电位器”，使之

为零。

2）将lO.OOmV的标准直流信号施加于放大器的输入端，调整“调满度电位器”，

使之为5.00Vo

上述过程是根据线性仪表的y=a0+aix数学方程，先使。。=0,再恢复内为设计

值500。

学生自学图1-13,介绍仪表是如何克服稳定性不佳引起的输出漂移。

课堂提问：

射击弹着点示意图如图所示，请分别说出图a、b、c各包含什么误差？什么原因

引起？如何克服？

图1-19射击弹着点示意图

1-11市售电子秤多以应变片作为传感元件来测量物体的重量，其原理框图如图

1-20所示。

图1-20电子秤原理框图

各环节的准确度误差如下：应变梁的蠕变及迟滞误差：0.03%；应变片温漂：0.1%；

应变电桥：0.07%；放大器：0.08%；A/D转换器:0.02%,桥路电源:0.01%。求：

1）在课堂上分别用绝对值合成法和方均根合成法计算系统可能产生的总的最大满

度相对误差。

2）你认为哪一个环节引起的误差起主要作用？应采取哪些措施才能提高该电子称

的测量准确度？

6.电磁兼容性（EMC）

是指电子设备在规定的电磁干扰环境中能按照原设计要求正常工作的能力，而且

也不向处于同一环境中的其他设备释放超过允许范围的电磁干扰。具体见第12章。

7.可靠性

可靠性是反映传感器和检测系统在规定的条件下，在规定的时间内是否耐用的一

种综合性的质量指标。

1）故障平均间隔时间（MTBF）是指两次故障间隔的时间。

2）平均修复时间（MTTR）是指排除故障所花费的时间。

3）故障率或失效率/的变化大体上可分成如下3个阶段：

①初期失效期；②偶然失效期；③衰老失效期。

课外学习指导安排每周*,晚上，在***教研室进行答疑。

课堂作业用10分钟的时间，快速浏览第一章随机误差的内容，按教务处的论文格式

要求，将该节内容写成为一篇200字的短文，要求写出摘要、关键词。

课外作业题1-3、1-4、1-6o

上网查阅某一仪表的资料（类型不限，独立完成，雷同无分数），写出它的

分类、型号、性能指标，画出其中一种外形图。

检测教学目标考察学生能否掌握有关误差的基本计算能力、“作图法得到线性误差”和“仪

实现程度表灵敏度”的方法。

第2章电阻传感器（第一节）授课教案

学院授课教师授课日期授课班级

课题：电阻应变传感器的原理及应用课时安排：4课次编号：3、4

难点电桥的调零，温度补偿、温度仪表的标定、安全栅

教材分析

重占电阻应变传感器的应用

教学目的和要求1.了解应变效反〈的原理；

2.了解应变片体J类型、结构及其测量转换电路；

3.掌握荷重传屈9器的计算及应用；

4.了解压阻式压（力传感器的原理及应用；

5.了解热电阻他:感器的工作原理；

6.掌握测温仪表:的标定方法；

7.掌握三线制用,桥的概念；

8.了解安全栅废:理、接线；

9.了解MQN的工作原理；

10.了解MQNfr勺测量转换电路；

11.了解的方。2氧含量传感器的工作原理；

12.了解什么是，相对湿度。

教具：各种应变片、荷重传感器、电子秤

演示、讲授、

采用的教学方法和实施步骤的剪切梁、PtlOO、各种热敏电阻、酒精

讨论、互动

蒸气传感器，湿度计

各

教2.1电阻应变传感器

学

2.1.1应变片的工作原理

环

实验演示：

节

当用力拉电阻丝时，用数字万用表测量，电阻电阻值R变大。在我们这个实验中,

和

电阻丝的阻值从初始状态的lo.oon增大到10.05。（播放动画）。

内

容

电阻丝在拉力作用下阻值增大

引出结论：介绍应变效应

材料力学中，£*=△///，称为电阻丝的纵向应变

提问：纵向应变也称什么向应变？

横向应变：Ar/r=Ey（负值），称为电阻丝的横向应变，

提问：横向应变也称什么向应变？

与与关系可表示为£y=-〃£x，式中的〃为电阻丝材料的泊松比，钢的泊松比约为

0.3。

提问：为什么说，应变£是量纲为1的数？什么是量纲？

£通常很小，常用IO"表示之。例如，当£为0.000001时，在工程中常表示为1x10-6

或Rm/m。在应变测量中，也常将lum/m称为一个微应变（1炉）。

提问：假设钢丝的〃=0.3,将钢丝拉长千分之三，则钢丝的直径是缩小了？还是增

大了？大约是原来的千分之几？

提问：假设将钢丝拉长十分之三，则钢丝会怎样？

请上网查阅钢丝的最大允许的纵向应变极限为多少微应变（在此极限范围内，停止

受拉后，钢丝能够恢复到原来的长度

复习：什么是胡克定律？

2.1.2应变片的种类、结构与粘贴

1.应变片的类型与结构

图2-3几种不同类型的电阻应变片

a）金属丝式b）金属箔式c）单轴2元素半导体应变片

1—电阻丝2—金属箔3—半导体4—基片5—引脚6一定位标记

应变片可分为金属应变片及半导体应变片两大类。

提问：半导体应变片的灵敏度与金属应变片比较，

孰高孰低？为什么？有什么缺点？

提示：一致性差、温漂大、电阻与应变间非线性严重，必须考虑温度补偿。

表2-1应变片的主要技术指标

电阻值/Q电阻温度系数极限工作温度最大工作电流

参数名称灵敏度

/℃-*/℃/mA

PZ-120型1201.9〜2.120x10-6-10-4020

PJ-120型1201.9〜2.120x10-6-10〜4020

―①

BX-200型2001.9〜2.2-30-6025

BA-120型1201.9〜2.2—-30-20025

BB-350型3501.9〜2.2—-30〜17025

PB6-1K型1000(1±10%)145(1±5%)<0.4%<4015

PB6-120型120(1±10%)120(1±5%)<0.2%<4020

①注：可根据被粘贴材料的线膨胀系数进行自补偿加工，以下同。

提问：表2-1中，哪几种型号属于半导体应变片？依据是什么？

2.应变片的粘贴（播放PPT：讲解应变片粘贴的注意事项。）

2.1.3应变片的测量转换电路

分析：金属应变片的电阻变化范围很小，如果直接用欧表测量其电阻值的变化为什

么说是十分困难？且误差很大？

复习电工学：什么是“平衡电桥”？什么是“失衡”？什么是不平衡电桥？各有

什么优缺点？哪种电桥的测量速度快？为什么？

在工业中，欲测量微小的电阻变化量，多数使用不平衡电桥，将电阻的变化转换为

输出电压U。。

不平衡电桥的一对对角线结点a、c接入桥路激励电源电压g,另一对对角线结点

b、d输出电压U。。

复习电工学：电桥平衡条件是什么？

为了使电桥在测量前的输出电压为零，应该选择四个桥臂电阻，使R】R3=R2/?4或

图2-4桥式测量转换电路

a）基本应变桥路b）桥路的调零原理

1.桥式测量转换电路的输出电压

电桥的开路输出电压可用下式近似表示

U&也金44

(2-5)

04IRRRR

由于△%/&=/（©,当各桥臂应变片的灵敏度长都相同时，有Ki=Ki=K2=K3=K4，则有

U.

U0~K（£]一+£3-%）（2-6）

不平衡电桥的分类：

根据不同的要求，应变电桥有3种不同的工作方式。

1）单臂半桥工作方式（比为应变片,«2>R3、R4为固定电阻，AR2=AR3=AR4=0）;

2）双臂半桥工作方式（色、&为应变片，/?3、4为固定电阻，Aft3=A/?4=0）；

3）全桥工作方式（电桥的四个桥臂都为应变片）。

2.桥式测量转换电路的温度补偿

温度升高，会导致应变片电阻变大。设温度引起的电阻值变化为&,由于4个应

变电阻感受到的温度相同，所以全桥的kAR3尸则有

结论：只要组成全桥的4个应变片感受到的温度相同，就能够克服温漂。

提问：半桥电路能否实现温度自补偿？

提示：色、R4为精密固定电阻，所以AR3kARHO。若组成全桥的两个应变片感受到

的温度相同，则△R“=AR”，能否实现温度自补偿？

3.桥式测量转换电路的调零

实际使用中，色、Rz、R3、R4不可能严格地成比例关系，所以即使在未受力时，桥

路的输出也不一定能严格为零，因此必须设置调零电路。调节RP,可以使电桥趋于平

衡，U。被预调到零位，这一过程称为调零。

讨论：如果图2-4b的R1=R2=R3,但R4略大于R3,调零电位器应向左？还是向右微

调？

讨论：图中的R5是用于减小调节范围的限流电阻。

如果Rs=lkQ,RP=lkQ,调节到最右侧,R1=R2=R3=R^lkCl,则R2与R5并联的结果,

等效电阻/?2’是多少欧？

如果RsEkQ,RP调节到最右侧,Ri=&=R3=R4=lkQ,则&与到并联的结果,等效

电阻/?2’是多少欧？

如果Rs=lkC,RP=lkQ,RP仍然是调节到最右侧，%=&=危=&=11＜。，则生与RP并

联的结果，等效电阻是多少欧？

设Ui=6V,假设不考虑式（2-5）的误差，则此时电桥的最大“失调输出电压”是多

少毫伏？

2.1.4应变效应的应用

1.应变式力传感器

a>c)

图2-5应变式测力传感器的几种形式

a）环式拉应变传感器原理b）环式压应变传感器外形c）双连孔剪梁式电子秤原理

解释：什么是悬臂梁？

悬臂梁是一端固定、一端自由的弹性敏感元件。悬臂梁的灵敏度较高，多用于较

小力的测量。常见的电子秤中就多采用悬臂梁来测量质量（重量）。

2.应变式力矩（转矩）传感器

力矩7■等于作用力F和力臂L的乘积，即：7=凡。图2-6中的力臂为轴的半径,L=D/2。

力矩的单位为N.m,在小力矩测量时也用mN.m为单位。

使机械部件转动的力矩称为“转矩”。任何部件在力矩的作用下，必定产生某种程

度的扭转变形。

图2-6应变式力矩传感器（测功装置）

1一电动机2—联轴器3一扭转轴4一信号引出滑环5—电刷6—减速器

7—转鼓（卷扬机）8—重物万一输入力矩输出力矩，一减速比

3.应变式荷重传感器

测力或荷重（称重）的传感器很大一部分采用应变式荷重传感器，它的输出电压

U。正比于荷重F。

b)

图2-7荷重传感器结构示意图

a）外形图b）应变片在承重等截面圆柱上的粘贴位置

荷重传感器的输出电压U。正比于荷重F。实际运用中，生产厂商一般会给出荷重

传感器的灵敏度心。设荷重传感器的满量程为Fm，桥路激励电压为满量程时的输

出电压为。。m，则依被定义为

心=*_（2-8）

5

桥路所加的激励源电压U越高，满量程输出电压U°m也越？

提问：为什么U不应高于12V?

U。往往是mV数量级，所以荷重传感器的灵敏度以mV/V为单位。在额定荷重范围

内，输出电压U。与被测荷重F成正比，所以有

将式（2-8）代入式（2-9）可得到在被测荷重为F时的输出电压。。为

型F(2-10)

Uo=—r­,Uom

例：用某荷重传感器称重，当桥路电压U为6V时，测得桥路的输出电压Uo为8mV,

求被测荷重为多少吨？

解：从该荷重传感器铭牌上得到Fm=100xl03N,Kr=2mV/V,可计算

得到U°m=12mV。根据上述公式计算得被测荷重：

10Qxl03x8xlQ-3

=66.67x103N=6.81

仆U,2X10-3X6

利用PPT介绍扭矩、液罐秤和投入式液位计。

4.压阻式固态压力传感器

利用半导体材料的压阻效应和集成电路工艺制作压阻式固态压力传感器。

特点：没有可动部分，所以有时也称为固态传感器。

在工业中可用于与应变有关的力、重力、压力、差压、真空度等物理量的测量。

经过适当的换算，也可用于液位、流量、加速度、振动、差压等参量的测量。

压阻式固态压力传感器结构：由外壳、硅膜片和引出线等所组成。

图2-9压阻式固态压力（差压）传感器

a）外形示意图b）硅膜片及应变片c）等效电路d）硅杯及封装结构e）小型封装外形

1一进气口1（高压侧）2一进气口2（低压侧）3一引脚4一硅杯5—单晶硅膜片

6—扩散型应变片7—扩散电阻引线8—电极及引线9—玻璃粘结剂10—玻璃基板

提问：当图2-9d所示的硅杯两侧存在压力差时，硅膜片产生变形，将向哪一侧弯

曲？

当P2进气口向大气敞开时，输出电压对应于"表压"（相对于大气压的压力）。

提问：什么是“表压”？什么是“绝对压力”？

当P2进气口封闭，并抽真空时，输出电压对应于“绝对压力"。

提问；为什么压阻式固态压力传感器中，温度引起的4个电阻％〜R4电阻值漂移

能互相抵消？

5.压阻式固态压力传感器用于测量液位

图2-10投入式液位计的外形及使用示意图

a）投入式压阻液位传感器外形b）安装示意图

1一支架2—压阻式压力传感器壳体3—背压管4—通大气口

P】一表压（已扣除大气压）P2一大气压

安装高度处水的表压Pi=pghi，式中，p为液体密度，g为重力加速度。传感器

的低压侧进气孔通过一根很长的橡胶"背压管"与大气相通，传感器的信号线、电源线也

通过该“背压管”与外界的仪表接口相连接。被测液位h可由下式得到

h=ho+hi=ho+pi/（pg）（2-11）

提问：在玩什么投入式液位传感器可以安装于混有大量污物、杂质的水或其他液体

的液位中测量液位？

压阻式压力传感器在汽车中用于测量进气压力、燃油压力、润滑油压力、刹车用的

制动液压力，见第13.3节。

2.2测温热电阻传感器

演示实验：

1）用打火机烧一只小型Ptioo的端部（或一段电阻丝），用数字欧姆表观察其阻值

变化趋势，请同学回答是正温度特性还是负温度特性？

2）用数字万用表测量一只220V/100W的白炽灯泡的冷态电阻值，并根据欧姆定律,

计算其"额定阻值"（标称阻值）。说明测量值是小了还是大了？原因是什么？

提问：通常情况下，长期使用的220V家用电灯泡是在烧毁？

A.关灯瞬间；B.开灯瞬间；C.正常工作半小时后。为什么？

播放PPT的超导现象，解释金属的电阻值与温度的关系：

温度升高，金属内部原子晶格的振动加剧，从而使金属内部的自由电子通过金属导

体时的阻力增大，宏观上表现出电阻率变大，电阻值增大，我们称其为正温度系数，即

电阻值与温度的变化趋势相同。

2.2.1金属热电阻

金属热电阻简称热电阻，是利用金属电阻随温度升高而增大这一特性来测量温度的

传感器。目前较为广泛应用的热电阻材料是销、铜。

表2-2热电阻的主要技术性能

材料销(WZP)铜(WZC)

使用温度范围/匕-200〜+960-50〜+150

电阻率/（dmxlO。0.098〜0.1060.017

0~100℃间电阻

0.003850.00428

温度系数a（平均值）

在氧化性介质中较稳定，不能在

化学稳定性还原性介质中使用，尤其在高温情超过100℃易氧化

况下

特性近于线性、性能稳定、准确线性较好、价格低廉、体积

特性

度高大

适于较高温度的测量，可作标准适于测量低温、无水分、无

应用

测温装置腐蚀性介质的温度

1.热电阻的工作原理及结构

提问：分析表2-2,相同阻值的铜热电阻和的热电阻的外形比较，的体积

较大？为什么？

介绍ITS-90标准。国内统一设计的工业用伯热电阻在时的标称阻值。

提问：分度号分别用Pt25,PtlOO的金属热电阻分别是什么金属制作？R。的阻值

25Q、100Q是指在什么温度下的额定值？

热电阻的阻值&与温度t的关系可用下面的一般表达式表示：

234

Rt=R0(l+4t+Bt+Ct+Dt)

提问：

若热电阻为理想线性型热电阻，则表达式应为：

Rt二o

什么是热电阻分度表？热电阻的阻值&与t之间并不完全呈线性关系。因此必须每

隔一度测出钳热电阻和铜热电阻在规定的测温范围内&与t之间的对应电阻值,并列成

表格，称为热电阻分度表，