《传感器原理与应用》高职全套教学课件

项目1传感器基础任务1传感器认知全套可编辑PPT课件

本课件是可编辑的正常PPT课件传感器概述的应用与发展

传感器几乎渗透到所有的技术领域。如人工智能、工业生产、宇宙开发、海洋探索、环境保护、资源利用、医学诊断、生物工程、文物保护等等广泛领域，并逐渐深入到人们的生活中。本课件是可编辑的正常PPT课件传感器概述的应用与发展

机器人领域本课件是可编辑的正常PPT课件传感器概述的应用与发展

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航空、航天技术领域阿波罗10号飞船就使用了数千个传感器对3295个测量参数进行监测。本课件是可编辑的正常PPT课件传感器概述的应用与发展

航空、航天技术领域本课件是可编辑的正常PPT课件传感器概述的应用与发展

航空、航天技术领域本课件是可编辑的正常PPT课件传感器概述的应用与发展

航空、航天技术领域本课件是可编辑的正常PPT课件传感器概述的应用与发展

航空、航天技术领域92012年6月16日18时37分，神舟九号飞船在酒泉卫星发射中心发射升空。中国人民解放军航天员大队男航天员景海鹏、刘旺和女航天员刘洋组成飞行乘组，执行中国首次载人交会对接任务。本课件是可编辑的正常PPT课件传感器概述的应用与发展

兵器领域在兵器领域中，使用了诸如机械式、压电、电容、电磁、光纤、红外、激光、生物、微波等等传感器，以实现对周围环境的监测与目标定位信息的收集，从而更好的解决了安全、可靠的防卫能力。新型隐身艇中国外销的122加农炮93式雷达侦察车我JX机热红外测试图曝光本课件是可编辑的正常PPT课件传感器概述的应用与发展

民用工业生产领域在民用工业生产中，传感器也起着至关重要的作用。如一座大型炼钢厂就需要2万多台传感器和检测仪表。炼铁高炉监控与传动系统本课件是可编辑的正常PPT课件传感器概述的应用与发展

民用工业生产领域大型的石油化工厂需要6千台传感器和检测仪表。本课件是可编辑的正常PPT课件传感器概述的应用与发展

民用工业生产领域一辆现代化汽车需要90多只传感器一台复印机需要20多只传感器本课件是可编辑的正常PPT课件传感器概述的应用与发展

民用工业生产领域

日常生活中的电冰箱、洗衣机、电饭煲、音像设备、电动自行车、空调器、照相机、电热水器、报警器等家用电器都安装了传感器。本课件是可编辑的正常PPT课件传感器概述的应用与发展

民用工业生产领域在医学上，人体的体温、血压、心脑电波及肿瘤等的准确诊断与监控都需要借助各种传感器来完成。本课件是可编辑的正常PPT课件传感器概述的应用与发展

当今信息时代，随着电子计算机技术的飞速发展，自动检测、自动控制技术显露出非凡的能力，传感器是实现自动检测和自动控制的首要环节，是物联网、大数据等感知技术的基础和数据来源。没有传感器对原始信息进行精确可靠的捕获和转换，就没有现代化的自动检测和自动控制系统；没有传感器就没有现代科学技术的迅速发展。自1980年以来，世界传感器的产值年增长率达15%～30%，1985年世界传感器市场的年产值为50亿，1990年为155亿。2010年突破825亿美元，产品达2万多种。预计到2025年，全球传感器市场将达到万亿级。传感器的发展和应用势如破竹，不可阻挡，它是衡量一个国家经济发展及现代化程度的重要标志。本课件是可编辑的正常PPT课件传感器概述的作用与地位

人类生存与发展本课件是可编辑的正常PPT课件传感器概述的作用与地位

世界是由物质组成的，各种物质又具有不同的形态。人们为了从外界获得信息，必须借助于感觉器官。人的“五官”——眼、耳、鼻、舌、皮肤分别具有视、听、嗅、味、触觉等直接感受周围事物变化的功能，人的大脑对“五官”感受到的信息进行加工、处理，从而调节人的行为活动。这也是人类认识世界的最直接的方式。本课件是可编辑的正常PPT课件传感器概述的作用与地位

人们在研究自然现象、规律以及生产活动中，有时需要对某一事物的存在与否作定性了解，有时需要进行大量的实验测量以确定对象的量值的确切数据，所以单靠人的自身感觉器官的功能是远远不够的，需要借助于某种仪器设备来完成，这种仪器设备就是传感器。传感器是人类“五官”的延伸，是信息采集系统的首要部件。传感器是人类“五官”的延伸，是信息采集系统的首要部件。本课件是可编辑的正常PPT课件传感器概述的作用与地位

电量和非电量表征物质特性及运动形式的参数很多，根据物质的电特性，可分为电量和非电量两类。电量一般是指物理学中的电学量，例如电压、电流、电阻、电容及电感等；非电量则是指除电量之外的一些参数，例如压力、流量、尺寸、位移量、重量、力、速度、加速度、转速、温度、浓度及酸碱度等等。人类为了认识物质及事物的本质，需要对物质特性进行测量，其中大多数是对非电量的测量。本课件是可编辑的正常PPT课件传感器概述的作用与地位

电量和非电量非电量不能直接使用一般的电工仪表和电子仪器进行测量，因为一般的电工仪表和电子仪器只能测量电量，要求输入的信号为电信号。非电量需要转化成与其有一定关系的电量，再进行测量，实现这种转换技术的器件就是传感器。本课件是可编辑的正常PPT课件传感器概述的作用与地位

电量和非电量非电量不能直接使用一般的电工仪表和电子仪器进行测量，因为一般的电工仪表和电子仪器只能测量电量，要求输入的信号为电信号。非电量需要转化成与其有一定关系的电量，再进行测量，实现这种转换技术的器件就是传感器。电量非电量传感器本课件是可编辑的正常PPT课件传感器概述的作用与地位

随着科学技术的发展，传感器技术、通信技术和计算机技术构成了现代信息产业的三大支柱产业，分别充当信息系统的“感官”、“神经”和“大脑”，他们构成了一个完整的自动检测系统。检测系统的组成框图本课件是可编辑的正常PPT课件传感器的概念

人与机器的机能对应关系定性：人通过感官感觉外界对象的刺激，通过大脑对感受的信息进行判断、处理，肢体作出相应的反映。定量：传感器相当于人的感官，称“电五官”，外界信息由它提取，并转换为系统易于处理的电信号，微机对电信号进行处理，发出控制信号给执行器，执行器对外界对象进行控制。本课件是可编辑的正常PPT课件传感器的概念人与机器的机能对应关系外界对象感官传感器人脑微机肢体执行器本课件是可编辑的正常PPT课件传感器的概念根据中华人民共和国国家标准（GB7665-2005）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和装置。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、便于应用的某种物理量的测量装置。本课件是可编辑的正常PPT课件传感器的概念1.传感器是测量装置，能完成检测任务；2.它的输入量是某一被测量，可能是物理量，也可能是化学量、生物量等；3.它的输出量是某种物理量，这种量要便于传输、转换、处理、显示等等，这种量可以是气、光、电量，但主要是电量；4.输出输入有对应关系，且应有一定的精确程度。包含的概念：本课件是可编辑的正常PPT课件传感器的组成与作用被测非电量电量敏感元件转换元件转换电路它是直接感受被测量，并输出与被测量构成有确定关系、更易于转换的某一物理量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把转换元件输出的电信号变换为便于处理、显示、记录、控制和传输的可用电信号辅助电源图

传感器的组成电量或非电量电量可用电信号本课件是可编辑的正常PPT课件传感器的组成与作用放大整形敏感元件转换元件图

压力传感器结构简图转换电路当被测压力P变化时，膜盒上半部产生位移变化，通过测杆带动铁心在线圈中上下移动，从而使线圈产生感应电动势，再通过转换电路进行放大整形等处理，输出与被测压力P成比例的直流电压信号。本课件是可编辑的正常PPT课件传感器的组成与作用需要注意的是：并不是所有的传感器必须包括敏感元件和转换元件。如果敏感元件直接输出的是电量，它就同时兼为转换元件。如果转换元件能直接感受被测量而输出与之成一定关系的电量，它就同时兼为敏感元件。例如压电晶体、热电偶、热敏感电阻及光电器件等。敏感元件与转换元件两者合二为一的传感器有很多种。本课件是可编辑的正常PPT课件传感器的分类

根据某种原理设计的传感器可以同时测量多种非电物理量，而有时一种非电物理量又可以用几种不同传感器来测量。因而传感器有许多分类方法，但常用的分类方法有两种：一种是按被测物理量来分;另一种是按传感器的工作原理来分。本课件是可编辑的正常PPT课件传感器的分类

按被测物理量分类这种方法是根据被测量的性质进行分类，如温度传感器、湿度传感器、压力传感器、位移传感器、流量传感器、液位传感器、力传感器、加速度传感器及转距传感器等。本课件是可编辑的正常PPT课件传感器的分类

这种分类方法把种类繁多的被测量分为基本被测量和派生被测量。例如力可视为基本被测量，从力可派生出压力、重量、应力和力矩等派生被测量。当需要测量这些被测量时，只要采用力传感器就可以了。了解基本被测量和派生被测量的关系，对于系统使用何种传感器是很有帮助的。这种分类的优点：比较明确地表达了传感器的用途，便于使用者根据其用途选用。缺点：没有区分每种传感器在转换机理上有何共性和差异，不便于使用者掌握其基本原理及分析方法。本课件是可编辑的正常PPT课件传感器的分类

表1-1基本被测量和派生被测量基本被测量派生被测量基本被测量派生被测量位移线位移长度、厚度、应变、振动、磨损、平面度力压力重量、应力、力矩角位移旋转角、偏转角、角振动时间频率周期、记数、统计分布速度线速度速度、振动、流量、动量温度热容、气体速度、涡流角速度转速、角振动、角动量光光通量与密度、光谱分布加速度线加速度振动、冲击、质量湿度水分、水气、露点角加速度角振动、转矩、转动惯量本课件是可编辑的正常PPT课件传感器的分类

按传感器工作原理分类切削力测量应变片传感器

动圈式磁电传感器这种分类方法是以工作原理划分，将物理、化学、生物等学科的原理、规律和效应作为分类的依据。这种分类的优点是对传感器的工作原理表达的比较清楚，而且类别少，有利于传感器专业工作者对传感器进行深入的研究分析。缺点是不便于使用者根据用途选用。本课件是可编辑的正常PPT课件传感器的分类

电学式传感器常用的有:

电阻式传感器—利用变阻器将被测非电量转换成电阻信号的原理制成。电容式传感器—利用改变电容的几何尺寸或改变介质的性质和含量，从而使电容量发生变化的原理制成的。电感式传感器—利用改变磁路几何尺寸、磁体位置来改变电感或互感的电感量或压磁效应原理制成的。磁电式传感器—用电磁感应原理，把被测非电量转换成电量而制成。电涡流式传感器—利用金属在磁场中运动切割磁力线，在金属内形成涡流的原理而制成。本课件是可编辑的正常PPT课件传感器的分类

按能量分类——有源传感器和无源传感器

（也称能量转换型和能量控制型）有源传感器:直接由被测对象输入能量使其工作。

例如:热电偶温度计,压电式加速度计等。无源传感器:从外部供给能量并由被测量控制外部供给能量的变化。

例如:电阻应变片传感器。本课件是可编辑的正常PPT课件传感器的分类

物性型：依靠敏感元件材料本身物理性质的变化来实现信号变换。如:水银温度计。结构型：依靠传感器结构参数的变化实现信号转变。按敏感元件与被测对象之间的能量关系本课件是可编辑的正常PPT课件传感器的特性-静态特性

输出与输入间关系

微分方程静特性：输入量为常量，或变化极慢动特性：输入量随时间较快地变化时微分方程中的一阶及以上的微分项取为零时，可得到静特性（动特性的特例）表示传感器在被测量处于稳定状态时的输出输入关系希望输出与输入具有确定的对应关系，且呈线性关系。本课件是可编辑的正常PPT课件传感器的特性-静态特性

静态信号40本课件是可编辑的正常PPT课件传感器的特性-静态特性

缓慢变化的信号--静态测量41水银体温计寒暑表水银体温计温湿度计寒暑表本课件是可编辑的正常PPT课件传感器的特性-静态特性

动态信号地震波形爆炸波形42本课件是可编辑的正常PPT课件传感器的特性-静态特性

传感器静态数学模型4种特殊曲线图传感器典型静态特性曲线43本课件是可编辑的正常PPT课件传感器的特性-静态特性

线性度灵敏度迟滞重复性本课件是可编辑的正常PPT课件传感器的特性-静态特性

线性度输出量输入量零点输出理论灵敏度非线性项系数直线拟合线性化

非线性误差或线性度最大非线性误差满量程输出本课件是可编辑的正常PPT课件传感器的特性-静态特性

出发点

获得最小的非线性误差拟合方法：1.理论拟合；

2.端点连线拟合；

3.端点连线平移拟合；

4.最小二乘拟合；本课件是可编辑的正常PPT课件传感器的特性-静态特性

理论拟合:拟合直线为传感器的理论特性，与实际测试值无关。方法十分简单，但一般说ΔLmax较大xyΔLmax本课件是可编辑的正常PPT课件传感器的特性-静态特性

端点连线拟合:把输出曲线两端点的连线作为拟合直线xyΔLmax本课件是可编辑的正常PPT课件传感器的特性-静态特性

端点连线平移拟合:在端点连线拟合基础上使直线平移，移动距离为原先的一半yxΔLmaxΔL1本课件是可编辑的正常PPT课件传感器的特性-静态特性

最小二乘拟合:这种方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。原理:本课件是可编辑的正常PPT课件传感器的特性-静态特性

灵敏度：传感器输出的变化量与引起该变化量的输入变化量之比即为其静态灵敏度(a)线性传感器(b)非线性传感器

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迟滞：正（输入量增大）反（输入量减小）行程中输出输入曲线不重合的现象—正反行程间输出的最大差值本课件是可编辑的正常PPT课件传感器的特性-静态特性

重复性：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正行程的最大重复性偏差反行程的最大重复性偏差取较大者为本课件是可编辑的正常PPT课件传感器的特性-动态特性

传感器的动态特性是指传感器的输出对随时间变化的输入量的响应特性。反映输出值真实再现变化着的输入量的能力。研究传感器的动态特性主要是从测量误差角度和产生动态误差的原因分析。

时域：瞬态响应法

频域：频率响应法本课件是可编辑的正常PPT课件传感器的特性-动态特性

在时域内研究传感器的动态特性时，常用的激励信号有阶跃函数、脉冲函数和斜坡函数等。传感器对所加激励信号的响应称为瞬态响应。理想情况下，阶跃输入信号的大小对过渡过程的曲线形状是没有影响的。但在实际做过渡过程实验时，应保持阶跃输入信号在传感器特性曲线的线性范围内。本课件是可编辑的正常PPT课件传感器的特性-动态特性

频率响应法：传感器对正弦输入信号的响应特性，是从传感器的频率特性出发研究传感器的动态特性。

1.零阶传感器的频率特性

2.一阶传感器的频率特性

3.二阶传感器的频率特性

4.频率响应特性指标本课件是可编辑的正常PPT课件提高传感器性能的技术途径1．采用线性化技术2．采用闭环技术3．采用补偿和校正技术4．采用差动技术本课件是可编辑的正常PPT课件提高传感器性能的技术途径线性化技术

要保证传感器的输出能够不失真地复现被测量，要求传感器的输出与输入必须具有线性关系，而实际的传感器特性或多或少都具有不同程度的非线性，这就要求在设计和制造传感器时对其输出输入特性进行必要的线性化处理，以提高和改善传感器的性能。如在一定条件下忽略某些高次项，或者以直线代替曲线等。本课件是可编辑的正常PPT课件提高传感器性能的技术途径闭环技术

当要求测试系统具有大的动态范围、高的灵敏度、分辨力与精度，以及优良的稳定性、重复性和可靠性时，开环测试系统往往不能满足要求，但是利用电子技术和自动控制理论中的闭环反馈控制理论，采用传感器、放大电路等组成的闭环反馈测量控制系统，可以有效地改善测量精度和控制系统的性能。现多采用具有深度负反馈的力平衡方式，这里被测力与反馈力对于高灵敏检测元件相平衡（有微量差）。闭环式传感器在过程参数检测传感器技术中被广泛采用，在微机械电容加速度传感器中常使用静电力平衡的方法。本课件是可编辑的正常PPT课件提高传感器性能的技术途径补偿和校正技术

在传感器产生误差的规律比较复杂时，可以找出误差的方向和数值，采用修正的方法（包括修正曲线或公式）加以补偿或校正。例如，传感器存在非线性．可以先测出其特性曲线，然后加以校正；又如存在温度误差，可在不同温度进行多次测量，找出温度对测量值影响的规律，然后在实际测量时进行补偿。补偿与校正，可以利用电子技术通过线路（硬件）来解决；也可以采用微型计算机（通常采用单片微机）通过软件来实现。在测量电路中设置一个或多个基准信号元，通过测量信号与基准信号的切换比较，可以实现自（动）校正的目的。本课件是可编辑的正常PPT课件提高传感器性能的技术途径差动技术

在使用传感器时，通常要求传感器输出—输入关系成线性，但实际难于做到。如果输入量变化范围不大，而且非线性项的方次不高时，在对多项式进行分析后，找到了一种切实可行的减小非线性的方法——差动技术。这种技术也已广泛用于消除或减小由于结构原因引起的共模误差（如温度误差）方面。本课件是可编辑的正常PPT课件传感器的标定和校准传感器的标定是通过试验建立传感器输入量与输出量之间的关系。同时，确定出不同使用条件下的误差关系。传感器的标定工作可分为如下几个方面，1.新研制的传感器需进行全面技术性能的检定，用检定数据进行量值传递，同时检定数据也是改进传感器设计的重要依据；2.经过一段时间的储存或使用后对传感器的复测工作。

本课件是可编辑的正常PPT课件传感器的标定和校准静态标定:目的是确定传感器的静态特性指标，如线性度、灵敏度、滞后和重复性等。动态标定:目的是确定传感器的动态特性参数，如频率响应、时间常数、固有频率和阻尼比等。本课件是可编辑的正常PPT课件传感器的标定和校准静态标定:1.静态标准条件2.标定仪器设备精度等级的确定3.静态特性标定的方法本课件是可编辑的正常PPT课件传感器的标定和校准静态标准条件：没有加速度、振动、冲击（除非这些参数本身就是被测物理量）及环境温度一般为室温（20±5℃）、相对湿度不大于85%，大气压力为101±7kPa的情况。标定仪器设备精度等级的确定标定传感器时，所用的测量仪器的精度至少要比被标定的传感器的精度高一个等级。这样，通过标定确定的传感器的静态性能指标才是可靠的，所确定的精度才是可信的。本课件是可编辑的正常PPT课件传感器的标定和校准静态特性标定的方法：⑴将传感器全量程（测量范围）分成若干等间距点；⑵根据传感器量程分点情况，由小到大逐渐一点一点的输入标准量值，并记录下与各输入值相对应的输出值；⑶将输入值由大到小一点一点的减少，同时记录下与各输入值相对应的输出值；⑷按⑵、⑶所述过程，对传感器进行正、反行程往复循环多次测试，将得到的输出－输入测试数据用表格列出或画成曲线；⑸对测试数据进行必要的处理，根据处理结果就可以确定传感器的线性度、灵敏度、滞后和重复性等静态特性指标。本课件是可编辑的正常PPT课件传感器的标定和校准动态标定:主要研究传感器的动态响应，而与动态响应有关的参数，一阶传感器只有一个时间常数τ，二阶传感器则有固有频率ωn和阻尼比ζ两个参数。标准激励信号:阶跃变化和正弦变化的输入信号本课件是可编辑的正常PPT课件传感器选择的一般原则选用传感器应从以下几个方面考虑。(1)测试条件：主要包括测量目的、被测试物理量特性、测量范围、输入信号最大值和频带宽度、测量精度要求、测量所需时间要求等。(2)传感器性能：主要包括精度、稳定性、响应速度、输出量(模拟量还是数字量)、对被测物体产生的负载效应、校正周期、输入端保护等。(3)使用条件：主要包括设置场地的环境条件(温度、湿度、振动等)、测量时间、所需功率容量、与其他设备的连接、备件与维修服务等。本课件是可编辑的正常PPT课件传感器选择的一般原则具体来讲，可以从以下几个方面考虑。1．根据测量对象与测量环境确定传感器的类型2．灵敏度的选择3．频率响应特性4．线性范围5．稳定性6．精度本课件是可编辑的正常PPT课件传感器选择的一般原则对传感器的基本要求如下：1.足够的容量——传感器的工作范围或量程足够大；具有一定过载能力；2.灵敏度高，精度适当；3.响应速度快，工作稳定、可靠性好；4.适用性和适应性强；5.使用经济——成本低，寿命长，且便于使用、维修和校准。本课件是可编辑的正常PPT课件Thankyou!本课件是可编辑的正常PPT课件项目1传感器基础任务2测量和误差本课件是可编辑的正常PPT课件知识单元与知识点

真值、测量误差、测量不确定度的相关概念；误差的来源、分类与表示；误差的处理（系统误差、随机误差、粗大误差）；测量不确定度的评定方法。本课件是可编辑的正常PPT课件能力点

深入理解真值、测量误差、测量不确定度的相关概念；把握误差的来源、分类与表示；把握误差的处理（系统误差、随机误差、粗大误差）；把握测量不确定度的评定方法。本课件是可编辑的正常PPT课件重难点

重点：真值、测量误差、测量不确定度的相关概念；误差的来源、分类与表示；误差的处理（系统误差、随机误差、粗大误差）。难点：测量不确定度的评定方法。本课件是可编辑的正常PPT课件测量的基础知识测量的基本概念

测量就是借助专用的手段和技术工具，通过实验的方法，把被测量与同种性质的标准量进行比较，求出两者的比值，从而获得被测量大小的过程。所以，测量也就是以确定被测量的大小或取得测量结果为目的的一系列操作过程。它可由下式表示：X=AX0

式中X—被测量；X0—标准量；A—比值(量纲为1)。测量结果可用一定的数值表示，也可用一条曲线或某种图形表示。但无论表现形式如何，测量结果应包括两部分，比值和测量单位。当然测量结果还应包括误差部分。本课件是可编辑的正常PPT课件测量的基础知识测量的方法

能够实现被测量与标准量相比较而获得比值的方法，称为测量方法。对于不同测量任务进行具体分析找出可行的测量方法，对测量工作是十分重要的。对于测量方法，从不同的角度，有不同的分类方法。1.根据测量过程的特点分类可分为直接测量、间接测量和组合测量。(1)直接测量是在使用仪表或传感器进行测量时，对仪表读数不需要经过任何运算，直接与标准量进行比较得到被测量的数值的测量方法。如电压表测量某一元件的电压就属于直接测量。直接测量的优点是测量过程简单而快速，缺点是测量精度一般不是很高。本课件是可编辑的正常PPT课件测量的基础知识测量的方法

(2)间接测量是指在使用仪表或传感器进行测量时，先对与被测量有确定函数关系的几个量进行直接测量，然后再将直接测得的数值代入函数关系式，经过计算得到所需要结果的测量方法。如要测量一个三角形的面积，必须先测量出一条边长，再测量出对应的高，然后利用公式计算出三角形的面积。显然，间接测量比较复杂，花费时间较长，一般用在直接测量不方便，或者缺乏直接测量手段的场合。但其测量精度一般要比直接测量高。(3)组合测量是指在一个测量过程中同时采用直接测量和间接测量两种方法进行测量的测量方法。组合测量是一种特殊的精密测量方法，测量过程长而且复杂，多适用于科学试验或特殊场合。本课件是可编辑的正常PPT课件测量的基础知识测量的方法

2.根据测量方式可分为偏差式测量、零位式测量与微差式测量。(1)偏差式测量是指用仪表指针的位移(即偏差)决定被测量的量值的测量方法。这种方法测量过程简单、迅速，但测量结果的精度较低。(2)零位式测量是指用指零仪表的零位反映测量系统的平衡状态，在测量系统平衡时，用已知的标准量决定被测量的量值的测量方法。零位式测量的优点是可以获得比较高的测量精度，但测量过程长而且复杂，所以不适用于测量快速变化的信号。(3)微差式测量是将被测量与已知的标准量进行比较得到差值后，再用偏差法测得该差值。用这种方法测量时，不需要调整标准量，而只需测量两者的差值。并且由于标准量误差很小，因此总的测量精度仍然很高。本课件是可编辑的正常PPT课件测量的基础知识测量的方法

3.根据测量条件不同可分为等精度测量与不等精度测量。(1)等精度测量是指在整个测量过程中，如果影响和决定误差大小的全部因素(条件)始终保持不变，比如由同一个测量者，用同一台仪器、同样的测量方法，在相同的环境条件下，对同一被测量进行多次重复测量的测量方法。当然，在实际中极难做到影响和决定误差大小的全部因素(条件)始终保持不变，因此一般情况下只能是近似认为是等精度测量。(2)不等精度测量是指有时在科学研究或高精度测量中，往往在不同的测量条件下，用不同精度的仪表、不同的测量方法、不同的测量次数，以及不同的测量者进行测量和对比的测量方法。本课件是可编辑的正常PPT课件测量的基础知识测量的方法

4.根据被测量变化快慢可分为静态测量与动态测量。(1)静态测量是指被测量在测量过程中认为是固定不变的，对这种被测量进行测量的测量方法。静态测量不需要考虑时间因素对测量的影响。(2)动态测量是指被测量在测量过程中是随时间不断变化的，对这种被测量进行测量的测量方法。本课件是可编辑的正常PPT课件测量的基础知识检测系统1.检测系统组成检测系统既指由众多环节组成的复杂的检测系统，又指检测系统中的各组成环节，例如传感器、调理电路、记录仪器等。对检测系统的基本要求就是使检测系统的输出信号能够真实地反映被测物理量的变化过程，而不使信号发生畸变，即实现不失真地检测。一个完整的检测控制系统通常由传感器、测量电路、显示记录装置或调节执行装置和电源等几部分组成。传感器通常以电信号的形式输出，以便于传输、转换、处理和显示。输出电量的形式多种多样，如电压、电流等。输出信号的形式一般由传感器的原理确定。本课件是可编辑的正常PPT课件测量的基础知识检测系统开环自动检测系统的方框图本课件是可编辑的正常PPT课件测量的基础知识检测系统传感器是感受被测量的大小，并输出相对应的可用输出信号(一般多为电量)的器件或装置。变送器将传感器输出的信号变换成便于传输和处理的信号，大多数变送器的输出信号是统一的标准信号(目前多为4mA～20mA直流电流)。信号标准是系统各环节之间的通信协议。测量电路将传感器输出的信号进行处理和变换。显示装置是将被测量的信息变成人的感官能接受的形式，以完成监视、控制或分析的目的。测量结果可以采用模拟显示，也可以采用数字显示或图形显示，还可以由记录装置进行自动记录或由打印机将数据打印出来。本课件是可编辑的正常PPT课件测量的基础知识检测系统2.检测系统的分类检测系统按信号在系统中的传递情况可以分为开环检测系统和闭环检测系统。(1).开环检测系统开环检测系统全部信息变换只沿着一个方向进行，如图所示。其中x为输入量，y为输出量，k1、k2、k3为各个环节的传递系数。输入输出关系表示如下：y=k1k2k3x

δ=δ1+δ2+┈┈δi+┈┈δn

式中δ——系统的相对误差；δi——各环节的相对误差。本课件是可编辑的正常PPT课件测量的基础知识检测系统（2）.闭环检测系统闭环检测系统有两个通道，一个通道为正向通道，另一个通道为反馈通道，其结构如图所示。其中x1为正向通道的输入量，β为反馈环节的传递系数，正向通道的总传递系数为k=k2k3。Δx＝x1-xfy=k2k3Δxxf=βy则y=k2k3x1∕（1+βk2k3）当k＝k2k3>>1时，则系统的输入输出关系为y≈x1/βy=k1k/(1+kβ)≈k1x/β本课件是可编辑的正常PPT课件测量的基础知识检测系统

图2-2开环检测系统框图图2-3闭环检测系统框图本课件是可编辑的正常PPT课件测量误差的基本概念

任何测量的目的是为了获得被测量的真实值（受测量环境、方法、仪器、人员等因素影响）量是物体可以从数量上进行确定的一种属性。由一个数和合适的计量单位表示的量称为量值量值有真值和实际值或标称值与指示值之分本课件是可编辑的正常PPT课件测量误差的基本概念真值是指在一定时间和空间条件下，能够准确反映被测量真实状态的数值。分为理论真值和约定真值。理论真值是在理想情况下表征一个物理量真实状态或属性的值，通常客观存在但不能实际测量得到，或者是根据一定的理论所定义的数值（如三角形三内角之和为180度）约定真值是为了达到某种目的按照约定的办法所确定的值（如光速为30万公里每秒），或以高精度等级仪器的测量值约定为低精度等级仪器测量值的真值实际值是在满足规定准确度时用以代替真值使用的值。本课件是可编辑的正常PPT课件测量误差的基本概念测量误差及其表示方法

测量结果与被测量真值之差称为测量误差。在实际测试中真值无法确定，因此常用约定真值或相对真值代替真值来确定测量误差。测量误差可以用以下几种方法表示。

1.绝对误差绝对误差是指测量结果的测量值与被测量的真值之间的差值，即Δ=|X-X0|式中Δ—绝对误差；X0—真值，其可为相对真值或约定真值；X—测量值。绝对误差Δ说明了系统示值偏离真值的大小，其值可正可负，具有和被测量相同的量纲。

本课件是可编辑的正常PPT课件测量误差的基本概念测量误差及其表示方法

2.相对误差相对误差δ定义为绝对误差Δ与真值X0的比值，通常用百分数表示，即

δ—相对误差。通常，用绝对误差来评价相同被测量测量精度的高低，用相对误差来评价不同被测量量精度的高低。本课件是可编辑的正常PPT课件测量误差的基本概念测量误差及其表示方法

3.引用误差引用误差γ定义为绝对误差Δ与测量仪表的满量程A的百分比，即式中γ—引用误差。在测量领域，检测仪器的精度等级是由引用误差大小划分的。通常用最大引用误差去掉正负号和百分号后的数字来表示精度等级，精度等级用符号G表示。为统一和方便使用，国家标准GB776—76《电测量指示仪表通用技术条件》规定，测量指示仪表的精度等级G分为0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5、5.0七个等级，这也是工业检测仪器常用的精度等级。本课件是可编辑的正常PPT课件测量误差的基本概念测量误差的来源

1.方法误差：由于测量方法不合理所引起的误差。2.理论误差：由于测量理论本身不够完善而采用近似公式或近似值计算测量结果时所引起的误差。3.测量装置误差：测量仪表本身以及仪表组成元件不完善所引入的误差。4.环境误差：测量仪表的工作环境与要求条件不一致所造成的误差。5.人身误差：由于测量者本人不良习惯、操作不熟练或疏忽大意所引起的误差。如念错读数、读刻度示值时总是偏大或偏小等。本课件是可编辑的正常PPT课件误差的分类根据测量数据中误差的规律，有三类：系统误差随机误差粗大误差本课件是可编辑的正常PPT课件误差的分类系统误差：相同的条件下，对同一物理量进行多次测量，如果误差按照一定规律出现，则把这种误差称为系统误差，简称系差。系统误差可分为定值系统误差(简称定值系差)和变值系统误差(简称变值系差)。数值和符号都保持不变的系统误差称为定值系差。数值和符号均按照一定规律性变化的系统误差称为变值系差。变值系差按其变化规律又可分为线性系统误差，周期性系统误差和按复杂规律变化的系统误差。如图所示，其中1为定值系差，2为线性系统误差，3为周期系统误差，4为按复杂规律变化的系统误差。

本课件是可编辑的正常PPT课件误差的分类系统误差：系统误差示意图

本课件是可编辑的正常PPT课件误差的分类随机误差：当对某一物理量进行多次重复测量时，若误差出现的大小和符号均以不可预知的方式变化，则该误差为随机误差。随机误差总体服从统计规律，具有下列特性。1.对称性：绝对值相等、符号相反的误差在多次重复测量中出现的可能性相等。2.有界性：在一定测量条件下，随机误差的绝对值不会超出某一限度。3.单峰性：绝对值小的随机误差比绝对值大的随机误差在多次重复测量中出现的机会多。4.抵偿性：随机误差的算术平均值随测量次数的增加而趋于零。

本课件是可编辑的正常PPT课件误差的分类粗大误差：明显超出规定条件下的预期值的误差称为粗大误差。粗大误差一般是由于操作人员粗心大意、操作不当或实验条件没有达到预定要求就进行实验等造成的。如读错、测错、记错数值、使用有缺陷的测量仪表等。含有粗大误差的测量值称为坏值或异常值，所有的坏值在数据处理时应剔除掉。本课件是可编辑的正常PPT课件误差的分类测量精度：是从另一角度评价测量误差大小的量，它与误差大小相对应，即误差大，精度低；误差小，精度高。1.准确度：描述仪表指示值有规律地偏离真值的程度，反映系统误差的影响，系统误差小，则准确度高。2.精密度：描述测量仪表指示值不一致程度的量，表明测量结果的分散程度，它反映随机误差的影响，随机误差小，则精密度高。3.精确度：反映测量中系统误差和随机误差综合影响的程度，简称精度。精度高，说明准确度与精密度都高，意味着系统误差和随机误差都小。测量的准确度与精密度的区别，由图可知，若靶心为真实值，图中黑点为测量值，则图(a)表示准确却不精密的测量，图(b)表示精密却不准确的测量，图(c)表示既准确又精密的测量。本课件是可编辑的正常PPT课件误差的分类

测量的准确度与精密度的区别，由图可知，若靶心为真实值，图中黑点为测量值，则图(a)表示准确却不精密的测量，图(b)表示精密却不准确的测量，图(c)表示既准确又精密的测量。（a）(b)(c)本课件是可编辑的正常PPT课件测量数据处理

测量数据处理是对测量所获得的数据进行深入的分析，找出变量之间相互制约、相互联系的依存关系，有时还需要用数学解析的方法，推导出各变量之间的函数关系。只有经过科学的处理，才能去粗取精、去伪存真，从而获得反映被测对象的物理状态和特性的有用信息，这就是测量数据处理的最终目的。本课件是可编辑的正常PPT课件随机误差及其处理

由于随机误差是由一系列随机因素引起的，因而随机变量可以用来表达随机误差的取值范围及概率。若有一非负函数f(x)，其对任意实数有分布函数F(x)称f(x)为x的概率分布密度函数。为误差在[x1,x2]之间的概率，在测量系统中，若系统误差已经减小到可以忽略的程度后才可对随机误差进行统计处理。本课件是可编辑的正常PPT课件随机误差及其处理

实践和理论证明，大量的随机误差服从正态分布规律。正态分布的曲线如图所示图中的横坐标表示随机误差Δx=xi-x0，纵坐标为误差的概率密度f(Δx)。应用概率论方法可导出

式中特征量σ为σ称为标准差，其中n为测量次数。随机误差的正态分布曲线本课件是可编辑的正常PPT课件随机误差及其处理随机误差的估算1.标准差标准差σ定义为，它是一定测量条件下随机误差最常用的估计值。物理意义为随机误差落在(-σ,+σ)区间的概率为68.3%。区间(-σ,+σ)称为置信区间，相应的概率称为置信概率。显然，置信区间扩大，则置信概率提高。置信区间取(-2σ,+2σ)、(-3σ,+3σ)时，相应的置信概率P(2σ)=95.4%、P(3σ)=99.7%。定义3σ为极限误差，其概率含义是在1000次测量中只有3次测量的误差绝对值会超过3σ。由于在一般测量中次数很少超过几十次，因此，可以认为测量误差超出±3σ范围的概率是很小的，故称为极限误差，一般可作为可疑值取舍的判定标准。本课件是可编辑的正常PPT课件随机误差及其处理随机误差的估算1.标准差

不同σ的概率密度曲线本课件是可编辑的正常PPT课件随机误差及其处理2.单次测量值的标准差的估计由于真值未知时，随机误差Δxi不可求，可用各次测量值与算术平均值之差—剩余误差代替误差Δxi来估算有限次测量中的标准差，得到的结果就是单次测量的标准差，用表示，它只是σ的一个估算值。由误差理论可以证明单次测量的标准差的计算式为这一公式称为贝塞尔公式。本课件是可编辑的正常PPT课件随机误差及其处理3.算术平均值的标准差的估计在测量中用算术平均值作为最可信赖值，它比单次测量得到的结果可靠性高。由于测量次数有限，因此也不等于x0。也就是说，还是存在随机误差的，可以证明，算术平均值的标准差S()是单次测量值的标准差σ的倍，即在n较小时，增加测量次数n，可明显减小测量结果的标准差，提高测量的精密度。但随着n的增大，减小的程度越来越小；当n大到一定数值时S()就几乎不变了。本课件是可编辑的正常PPT课件系统误差的发现及减小的方法系统误差的发现

1.定值系统误差的发现(1)实验对比法：可分为标准器件法和标准仪器法两种。标准器件法是用测量仪表对高精度的标准器件(如标准砝码)进行多次重复测量。如果定值系差存在则测量值与标准器件的差值为固定值。该差值的相反数即可作为仪表的修正值。标准仪器法是用精度等级高于被标定仪器(即需要检验是否具有系统误差的仪表)的标准仪器和被标定仪器同时测量被测量。将标准仪器的测量值作为相对真值。若两测量仪表的测量值存在固定差值则可判断有定值系差，并将差值的相反数作为修正值。(2)改变外界测量条件(3)理论计算及分析本课件是可编辑的正常PPT课件系统误差的发现及减小的方法系统误差的发现

2.变值系统误差的发现

(1)残差观察法当系统误差与随机误差相比较大时，通过观察测量数据的各个剩余误差大小和符号的变化规律来判断有无变值系统误差。若剩余误差数值有规律的递增或递减，且剩余误差序列减去其中值后的新数列在以中值为原点的数轴上呈正负对称分布，则说明测量存在累进性的线性系统误差。如果发现剩余误差序列呈有规律交替重复变化，则说明测量存在周期性系统误差。当系统误差比随机误差小或相当时，则不能通过观察来发现系统误差，必须通过专门的判断准则才能较好地发现和确定。这些判断准则实质上是检验误差的分布是否偏离正态分布，常用的有马利科夫准则和阿贝-赫梅特准则等。本课件是可编辑的正常PPT课件系统误差的发现及减小的方法系统误差的发现

2.变值系统误差的发现

(2)马利科夫准则设对某一被测量进行n次等精度测量，按测量先后顺序得到x1,x2,xi,…xn等数值，令这些数值的算术平均值为，相应的剩余误差为：(i=1,2…n)

将前面一半以及后面一半数据的剩余误差分别求和，然后取其差值，有当n为偶数时，取k=n/2;当n为奇数时，取k=(n+1)/2,此时有若M近似为零，测量列中不含线性系统误差；若M与vi相当或更大，则测量列中存在线性系统误差。本课件是可编辑的正常PPT课件系统误差的发现及减小的方法系统误差的发现

2.变值系统误差的发现

(3)阿贝-赫梅特(Abbe-Helmert)准则实际操作方法是将在等精度重复测量下得到的一组测量值x1,x2,xi,…xn,按顺序排列，并求出相应的剩余误差vi。然后计算

若存在成立(σ2为测量数据序列的方差)，则认为测量序列中含有周期性系统误差。本课件是可编辑的正常PPT课件系统误差的发现及减小的方法系统误差的发现

2.变值系统误差的发现(4)不同公式计算标准差比较法对等精度的多次测量，用不同的方法计算标准差，通过比较以发现系统误差。用贝塞尔公式用别捷尔斯公式对于两种不同公式计算得出的标准差如果有成立，则认为测量序列中有系统误差存在。

本课件是可编辑的正常PPT课件系统误差的发现及减小的方法减小系统误差的方法

1.消除系统误差产生的根源选用合适的测量方法以避免方法误差；选择最佳的测量仪表与合理的装配工艺，以减小工具误差；应选择合适的测量环境以减小环境误差。此外，还需定期的检查、维修和校正测量仪器以保证测量的精度。2.引入更正值法该方法主要用于消除定值系统误差。在测量之前，通过对测量仪表进行校准，可以得到更正值，将更正值加入测量值中，即得到被测量的真值。更正值一般用C表示，它是与测量误差的绝对值相等而符号相反的值。更正值给出的方式不一定是具体的数值，也可以是一条曲线、公式或数表。本课件是可编辑的正常PPT课件系统误差的发现及减小的方法减小系统误差的方法

3.采用特殊测量方法消除系统误差(1)直接比较法:用于消除定值系统误差。优点在于当指示器的灵敏度足够高时，测量的准确度取决于标准的已知量，而标准量具的误差是很小的。（2)替代法:主要用于消除定值系统误差，操作方法为用可调的标准量具取代被测量x接入测量仪表，通过调节标准量具A的值使测量仪表的示值与被测量接入时相同，于是有x=A。本课件是可编辑的正常PPT课件系统误差的发现及减小的方法减小系统误差的方法

（2)替代法用替代法测电阻

本课件是可编辑的正常PPT课件系统误差的发现及减小的方法减小系统误差的方法

3.采用特殊测量方法消除系统误差(3)交换法:是指当测量仪表内部存在固定方向的误差因素时，将测量中的某些条件相互交换，使产生系差的原因对先后两次测量结果起反作用，将这两次测量结果加以适当的数学处理，即可消除系统误差。（4)微差法:是将被测量与已知的标准量进行比较，取其差值，然后用测量仪表测量这个差值。微差法只要求标准量与被测量相近，而用指示仪表测量其差值。这样，指示仪表的误差对测量的影响会大大减弱。本课件是可编辑的正常PPT课件测量不确定度

当测量完成报告测量结果时，必须对其质量给出定量的说明，以确定测量结果的可信程度。测量不确定度就是用于定量表征测量结果质量的，测量结果的可用性很大程度上取决于其不确定度的大小。所以，测量结果必须附有不确定度说明才是完整并有意义的。本课件是可编辑的正常PPT课件测量不确定度的定义及分类1.测量不确定度的定义《测量不确定度表示指南》给出的测量不确定度的定义是：与测量结果相关联的一个参数，用以表征合理地赋予被测量之值的分散性。测量不确定度是测量系统最基本也是最重要的特性指标，是测量质量的重要标志。引入不确定度概念后，测量结果的完整表达式中应包含：①测量值；②不确定度；③单位和置信度。我国的《国家计量规范JJG1027—91测量误差及数据处理》中把置信概率P=0.95作为广泛采用的约定概率，当取P=0.95时，可不必注明。本课件是可编辑的正常PPT课件测量不确定度的定义及分类2.测量不确定度的分类测量不确定度的分类方式如图所示本课件是可编辑的正常PPT课件测量不确定度的定义及分类标准不确定度：用概率分布的标准差给出的不确定度称为标准不确定度，用符号μ表示。根据评定方法的不同，标准不确定度分为A类标准不确定度和B类标准不确定度和合成标准不确定度。(1)A类标准不确定度：由统计方法得到的不确定度，用符号μA表示。(2)B类标准不确定度：由非统计方法得到的不确定度，即根据资料及假设的概率分布估计的标准差表示的不确定度，用符号μB表示。(3)合成标准不确定度：在间接测量时，测量结果是由若干非相关分量求得的，按各分量的方差和协方差算得的标准不确定度为合成标准不确定度。即：当测量结果的标准不确定度由若干标准不确定度分量构成时，按方差和的正平方根(必要时加协方差)得到的标准不确定度，用符号μC表示。本课件是可编辑的正常PPT课件测量不确定度的定义及分类扩展不确定度:测量结果的扩展不确定度等于包含因子k与合成标准不确定度的乘积，用符号U表示，即U=k×μC式中，包含因子k又称为置信因子，k的取值范围一般为2～3，k的大小取决于测量结果的概率分布和置信概率。本课件是可编辑的正常PPT课件测量误差与不确定度本课件是可编辑的正常PPT课件不确定度的评定方法1.A类标准不确定度的评定在相同条件下对某独立变测量x进行n次测量，测量值为xi(i=1,2...n)，若用样本算术平均值作为该被测量x的估计值，则该独立变量的A类标准不确定度定义为算术平均值的标准差S()，即式中本课件是可编辑的正常PPT课件不确定度的评定方法2.B类标准不确定度的评定如果对被测量只进行单次测量或者不测量(如标准电阻)就获得测量结果，此时该独立变量对应的不确定度就为B类标准不确定度。B类不确定度评定需要用到的信息主要有以下几类：(1)历史测量数据；(2)对相关技术资料和仪器性能的了解；(3)厂商的技术说明文件、校准检定证书或研究报告提供的数据；(4)某些资料给出的参考数据及其不确定度等。本课件是可编辑的正常PPT课件不确定度的评定方法3．合成标准不确定度的评定当测量结果的各输入量彼此独立时，测量结果的合成不确定度由下式求出：式中ci—不确定传播系数或灵敏系数，是被测量y对输入量xi的偏导数；(xi)—输入量xi的A类或B类标准不确定度分量。传播系数的计算方法有微分法、数值法和实验确定法。

本课件是可编辑的正常PPT课件测量不确定度的评定流程1.“测量过程”概述；简单说明下列一些测量条件和情况。2.建立测量过程数学模型；根据被测量的定义和测量方案，确立被测量与有关量之间的函数关系。3.确定输入量的测量值xi，它们已包括所有系统误差影响的修正值。4.计算各个输入量xi的标准不确定度μ(xi)包括A类和B类评定方法。5.计算灵敏度系数ci，包括数值法、微分法和实验法。6.确定输入量的相关性及相关系数，包括统计法或公式法。7.由xi计算输出量即测量结果y的估计值y=f(x1,……,xn)8.确定y的合成标准不确定度μC(y)。9.选择k值，确定扩展不确定度U=k×μC(y)，估计区间[y-U,y+U]的置信水平p。10.测量不确定度的报告与表示。本课件是可编辑的正常PPT课件Thankyou!本课件是可编辑的正常PPT课件项目2电阻式传感器任务1电阻应变式传感器本课件是可编辑的正常PPT课件电阻应变式传感器

电阻应变式传感器具有悠久的历史，也是目前应用比较广泛的传感器之一。将电阻应变片粘贴在各种弹性敏感元件上，加上相应的测量电路就可以检测位移、力、力矩、加速度等物理量的变化，电阻应变片是电阻应变式传感器的核心部件。这种传感器具有结构简单、尺寸小、重量轻、使用方便、性能稳定可靠、价格便宜、工艺较成熟、可实现远距离测量和遥测等特点，并且测量的灵敏度和分辨率都较高，无论是静态测量还是动态测量都很适用。因此在航空航天、机械、化工、建筑、医学、汽车、航空工业等领域有很广的应用。本课件是可编辑的正常PPT课件电阻应变式传感器【能量变换】【原理】应变效应【用途】检测力、压力、转矩、位移、加速度等本课件是可编辑的正常PPT课件电阻应变式传感器的结构1.应变片的种类2.应变片的结构本课件是可编辑的正常PPT课件电阻应变式传感器的结构1.应变片的种类

按材料分：金属式体型——丝式、箔式、薄膜型；半导体式体型——薄膜型、扩散型、外延型、PN结型。本课件是可编辑的正常PPT课件电阻应变式传感器的结构2.应变片的结构

金属电阻应变片由敏感栅、基片、覆盖层、引线和黏合剂等部分组成,如图所示。本课件是可编辑的正常PPT课件电阻应变式传感器的结构2.应变片的结构

敏感栅：直径为0.015～0.05mm的金属丝，电阻为60Ω、120Ω、200Ω、…作用：将应变量转换成电阻量要求：灵敏系数大且稳定，电阻率高，电阻温度系数小，易加工成细丝和箔材，具有良好的焊接性能和抗氧化性能。材料：铜镍合金、镍铬合金等本课件是可编辑的正常PPT课件电阻应变式传感器的结构2.应变片的结构

基片：厚度为0.02～0.04mm

作用：保持敏感栅、引线的几何形状及其相对位置，被测构件上的应变不失真地传递到敏感栅上。要求：使敏感栅与弹性体之间具有足够高的电绝缘性能；材料：纸或有机高分子材料，如环氧树脂等。本课件是可编辑的正常PPT课件电阻应变式传感器的结构2.应变片的结构

引线作用：连接敏感栅和测量电路要求：灵敏系数大且稳定，电阻率高，电阻温度系数小，具有良好的焊接性能和抗氧化性能。材料：紫铜，表面镀锡或镀银，便于焊接。本课件是可编辑的正常PPT课件电阻应变式传感器的结构2.应变片的结构

粘结剂作用：将敏感栅固定于基底上，并将盖片与基底粘贴在一起。用于使用金属应变片时，也需用粘结剂将应变片基底粘贴在构件表面某个方向和位置上。要求：将构件受力后的表面应变传递给应变计的基底和敏感栅。材料：分为有机和无机两大类。有机粘结剂用于低温、常温和中温。常用的有聚丙烯酸酯、酚醛树脂、有机硅树脂，聚酰亚胺等。无机粘结剂用于高温，常用的有磷酸盐、硅酸、硼酸盐等。本课件是可编辑的正常PPT课件电阻应变式传感器的结构2.应变片的结构

本课件是可编辑的正常PPT课件电阻应变式传感器的工作原理应变

物体在外部压力或拉力作用下发生形变的现象弹性应变

当外力去除后，物体能够完全恢复其尺寸和形状的应变弹性元件具有弹性应变特性的物体本课件是可编辑的正常PPT课件电阻应变式传感器的工作原理电阻应变式传感器是利用弹性元件和电阻应变片将应变转换为电阻值变化的传感器。工作原理：当被测物理量作用于弹性元件上，弹性元件在力、力矩或压力等的作用下发生变形，产生相应的应变或位移，然后传递给与之相连的应变片，引起应变片的电阻值变化，通过测量电路变成电量输出。输出的电量大小反映被测量的大小。结构：应变式传感器由弹性元件（敏感元件）上粘贴电阻应变片（转换元件）构成应用：广泛用于力、力矩、压力、加速度、重量等参数的测量本课件是可编辑的正常PPT课件电阻应变式传感器的工作原理应变效应电阻应变片的工作原理是基于应变效应。

即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”。

本课件是可编辑的正常PPT课件电阻应变式传感器的工作原理应变效应一根金属电阻丝，在其未受力时，原始电阻值为：

本课件是可编辑的正常PPT课件电阻应变式传感器的工作原理应变效应

当电阻丝受到拉力F作用时，将伸长ΔL，横截面积相应减小ΔA，电阻率因材料晶格发生变形等因素影响而改变了Δρ，从而引起电阻值变化量为：式中：dL/L——长度相对变化量，用应变ε表示为

电阻相对变化量：本课件是可编辑的正常PPT课件电阻应变式传感器的工作原理应变效应

dA/A——圆形电阻丝的截面积相对变化量，设r为电阻丝的半径，微分后可得dA=2πrdr，则：材料力学：在弹性范围内，金属丝受拉力时，沿轴向伸长，沿径向缩短，轴向应变和径向应变的关系可表示为：μ为电阻丝材料的泊松比，负号表示应变方向相反。

本课件是可编辑的正常PPT课件电阻应变式传感器的工作原理应变效应推得：

定义：电阻丝的灵敏系数（物理意义）：单位应变所引起的电阻相对变化量。其表达式为本课件是可编辑的正常PPT课件电阻应变式传感器的工作原理应变效应灵敏度系数K受两个因素影响1.是应变片受力后材料几何尺寸的变化，即1+2μ2.是应变片受力后材料的电阻率发生的变化，即（∆ρ/ρ）/ε。对金属材料：1+2μ＞＞(∆ρ/ρ)/ε对半导体材料：(∆ρ/ρ)/ε＞＞1+2μ大量实验证明，在电阻丝拉伸极限内，电阻的相对变化与应变成正比，即K为常数。本课件是可编辑的正常PPT课件电阻应变式传感器的工作原理应变效应灵敏度取决于尺寸变化（应变效应为主）本课件是可编辑的正常PPT课件电阻应变式传感器的工作原理应变效应半导体应变片灵敏度取决于电阻率的变化（压阻效应为主）本课件是可编辑的正常PPT课件电阻应变式传感器的工作原理应变效应分析：当半导体应变片受轴向力作用时，半导体应变片的电阻率相对变化量与所受的应变力有关：式中：π—半导体材料的压阻系数;σ—半导体材料的所受应变力;

E—半导体材料的弹性模量;ε—半导体材料的应变。压阻效应：单晶半导体材料沿某一轴向受到外力作用时，其电阻率发生变化的现象本课件是可编辑的正常PPT课件电阻应变式传感器的工作原理应变效应因此：实验证明，πE比1+2μ大上百倍，所以1+2μ可以忽略，因而半导体应变片的灵敏系数为：本课件是可编辑的正常PPT课件电阻应变式传感器的特性

应变计是一种重要的敏感元件。首先,它在实验应力分析中是测量应变和应力的主要传感元件;其次,某些其他类型的传感器,如膜片式压力传感器、加速度计、线位移传感器等,也经常使用应变计作为机电转换元件或敏感元件,广泛地应用于工程测量和科学实验中。本课件是可编辑的正常PPT课件电阻应变式传感器的特性应变计之所以成为重要的敏感元件,主要由于具有如下优点:(1)测量应变的灵敏度和精确度高。能测1～2微应变（1×10-6mm/mm）的应变。(2)测量范围大。从弹性变形一直可测至塑性变形。变形范围从1%～20%。(3)尺寸小（超小型应变计的敏感栅尺寸为0.2mm×2.5mm）,重量轻,对试件工作状态和应力分布影响很小。既可用于静态测量,又可用于动态测量,且具有良好的动态响应（可测几十甚至上百赫的动态过程）。(4)能适应各种环境。可以在高温、超低压、高压、水下、强磁场以及辐射等恶劣环境下使用。(5)价格低廉、品种多样,便于选择和大量使用。应变计有如下缺点:在大应变下具有较大的非线性,半导体应变计的非线性更为明显;输出信号较微弱,故抗干扰能力较差。应变式传感器的性能在很大程度上取决于应变计的性能。本课件是可编辑的正常PPT课件电阻应变式传感器的特性

金属电阻丝的电阻相对变化与它所感受的应变之间具有线性关系。金属丝做成应变计后,由于基片、粘合剂以及敏感栅的横向效应,电阻应变特性与单根金属丝将有所不同,必须重新用实验来测定。实验是按规定的统一标准进行的。试件材料用泊松系数μ=0.285的钢，用精密电阻电桥或其他仪器测出应变计相对电阻变化,再用其他测应变的仪器测定试件的应变,得出电阻应变计的电阻—应变特性。实验证明,电阻应变计的电阻相对变化ΔR/R与应变Δl/l=ε之间在很大范围内是线性的,即灵敏度系数

式中,k为电阻应变计的灵敏度系数本课件是可编辑的正常PPT课件电阻应变式传感器的特性实验表明,应变计的灵敏度k恒小于金属线材的灵敏度系数k0。其原因除了粘合剂、基片传递变形失真外,主要是由于存在横向效应。敏感栅由许多直线及圆角组成,如图所示。拉伸被测试件时,粘贴在试件上的应变计,被沿应变计长度方向拉伸,产生纵向拉伸应变εx,应变计直线段电阻将增加。但是在圆弧段上,沿各微段（圆弧的切向）的应变并不是εx,与直线段上同样长的微段所产生的电阻变化不同。横向效应本课件是可编辑的正常PPT课件电阻应变式传感器的特性横向效应

最明显的是在θ=π/2垂直方向的微段,按泊松比关系产生压应变-εy。该微段电阻不仅不增加,反而减少。在圆弧的其他各微段上,感受的应变是由+εx变化到-εy的。这样,圆弧段的电阻变化,显然将小于同样长度沿x方向的直线段的电阻变化。

因此,将同样长的金属线材做成敏感栅后,对同样应变,应变计敏感栅的电阻变化较小,灵敏度有所降低。这种现象称为应变计的横向效应。本课件是可编辑的正常PPT课件电阻应变式传感器的特性横向效应下面计算横向效应引起的误差。由弹性力学知,对平面问题,如果已知任一点P处三个应变分量εx,εy,εxy,则任何斜向微小线段的正应变

式中,l、m为斜向小线段的方向余弦，如图。斜向小线段的方向余弦本课件是可编辑的正常PPT课件电阻应变式传感器的特性横向效应则采用半角公式则本课件是可编辑的正常PPT课件电阻应变式传感器的特性横向效应

当电阻丝受到εx,εy,εxy作用时,半圆部分的伸长为式中,ls为半圆弧长,r为圆半径。设应变计一个直线段的伸长为Δl1=εxl1(l1为直线段长度)若有n个直线段,而半圆弧共有(n-1)个,那么全长为L=nl1+(n-1)ls本课件是可编辑的正常PPT课件电阻应变式传感器的特性横向效应

整个应变计电阻丝受εx,εy,εxy作用后的总伸长为

因电阻的变化与电阻丝之伸长有如下关系

则得本课件是可编辑的正常PPT课件电阻应变式传感器的特性横向效应设

可写成对其他型式应变计也适用的一般形式

式中,kx为对轴向应变的灵敏度系数,它代表εy=0时,敏感栅电阻相对变化与εx之比,ky为对横向应变的灵敏度系数,它代表εx=0时,敏感栅电阻相对变化与εy之比。因为本课件是可编辑的正常PPT课件电阻应变式传感器的特性横向效应

称为横向效应系数。可见ls（r）愈小,l1愈大,H愈小。即敏感栅愈窄,基长愈长的应变计,其横向效应引起的误差越小。因为本课件是可编辑的正常PPT课件电阻应变式传感器的特性几何尺寸栅长栅宽基底长基底宽本课件是可编辑的正常PPT课件电阻应变式传感器的特性应变片电阻值没有安装也不受外力情况下，于室温时测定的电阻值；电阻值大，可承受的电压值大，但提高电阻值会使敏感栅尺寸变大；常见值：60、120、200、