传感器技术教学课件1296

第1章传感器技术基础1.1传感器的定义及组成1.2传感器的基本特性1.3传感器的标定1.4传感器的命名及技术指标1.5传感器的选择与使用 1.1传感器的定义及组成

1.1.1传感器的定义

在工程技术中，传感器是人体“五官”的工程模型。国家标准GB7665-87对传感器下的定义是：“能够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”。这一定义包含了几个方面的含意：(1)能感受被测量敏感，灵敏地反映被测量的变化；

(2)传感器的输出与输入之间满足一定的规律，且具有一定的精度；

(3)可用输出信号通常是指便于传输、转换、处理和显示的信号，目前主要是电信号，电信号有很多形式，如电压、电流、电容、电阻、频率等，输出信号的形式由传感器的原理确定，随着科学的发展，输出信号将来也可能是光信号或其它的信号；

(4)被测量可以是物理量，也可以是化学量、生物量或其它的量。1.1.2传感器的组成与分类

1.传感器的组成

一般将传感器的组成定义为：“传感器通常由直接响应于被测量的敏感元件和产生可用信号输出的转换元件以及相应的电子线路所组成”。根据此定义可知，传感器是由敏感元件、转换元件、转换电路三部分组成，如图1.1.1所示。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；转换元件是指传感器中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。由于传感器的输出信号一般都很微弱，因此需要有转换电路对其进行放大、运算调制等。随着半导体器件与集成技术在传感器中的应用，传感器的转换电路可能安装在传感器的壳体里或与敏感元件一起集成在同一芯片上。在实际应用中，传感器的具体构成方法视被测对象、转换原理、使用环境及性能要求等具体情况的不同而有很大差异。图1.1.1传感器组成

2.传感器的分类

传感器技术是一门知识密集型技术，它与许多学科有关。传感器的原理各种各样，其种类十分繁多，传感器的分类方法很多，国内外尚无统一的分类方法，一般按如下几种方法进行分类。

(1)按输入被测量分类

这种方法是根据输入物理量的性质进行分类，如温度、压力、位移、速度、湿度等传感器。这种分类方法给使用者提供了方便，使大家容易根据被测量对象来选择所需的传感器。

(2)按输出信号形式分类

这种分类方法是根据传感器输出信号的不同来进行分类，有模拟式传感器和数字式传感器。模拟式传感器的特点是输出的信号为模拟量；数字式传感器的特点是输出的信号为数字量，数字传感器便于和计算机联用，且抗干扰性强。

(3)按工作原理分类

这种分类方法是按传感器的工作原理分类，如应变式、电容式、压电式、磁电式等，如表1.1.1所示。本书是按该分类方法来介绍各种传感器的，对于初学者和应用传感器的工程技术人员来说，应先从工作原理出发，了解各种各样的传感器。

1.1.3传感器的作用与地位

传感器技术是现代信息技术的主要内容之一。信息技术包括计算机技术、通信技术和传感器技术，计算机相当于人的大脑，通信相当于人的神经，而传感器就相当于人的感官。传感器与人的感官一一对应，相当于人眼(视觉)的光传感器，如光敏元件、电荷耦合器件(CCD)、图像传感器和光敏二极管等；相当于入耳(听觉)的音响传感器，如传声器、压电元件等；相当于人皮肤(触觉)的振动传感器、温度传感器和压力传感器；相当于人舌头(味觉)的味觉传感器，如氧化物、离子传感器等；相当于人鼻子(嗅觉)的嗅觉传感器，如生物化学元件等。目前，传感器技术早己渗透到诸如工农业生产、交通运输、环境保护、海洋探测、资源调查、健康管理、生物工程、宇宙开发、文物保护等极其广泛的领域。可以说，从宏观的茫茫宇宙探索到研究微观粒子的世界，从各种复杂的工程系统到日常生活的衣食住行，几乎每一个现代化项目都离不开各种各样的传感器。传感器的作用包括以下几方面：

(1)信息的收集

科学研究中的计量测试、产品制造与销售中所需的计量等都需由测量而获得准确的定量数据。对某种特定要求，需检测目标物的存在状态，把某状态信息传换为数据，对系统或装置的运行状态进行监测，发现异常情况时，发出告警信号并启动保护电路工作，这样可以对系统或装置进行正常运行与安全管理。判断产品是否合格，或是人体各部位的异常诊断等都需由传感器的测量来完成。

(2)信息数据的交换

把以文字、符号、代码、图形等多种形式记录在纸或胶片上的信号数据转换成计算机、传真机等易处理的信号数据，或者读出并记录在各种媒介体上的信息并进行转换，例如，磁盘与光盘的信息读出磁头就是一种传感器。

(3)控制信息的采集

检测控制系统处于某种状态的信息，并由此控制系统的状态，或者跟踪系统变化的目标值。1.1.4传感器技术的发展动向

传感器技术的发展动向主要有两个方面：一是传感器本身的基础研究；二是与电子技术以及计算机技术组合在一起的传感器系统的研究。前者是研究新型传感器，后者是研究新材料、新工艺以及将检测功能与信号处理技术相结合，向集成化、智能化方向发展。

1.发现新现象

目前的传感器物理型居多，而化学型和生物型较少。即使是物理型也有许多方面有待于进一步深入研究和开发。根据物理学家们列出的“效应周期表”，仅在热、磁、电三者之间就存在54种有关效应，到目前为止实际发现并被利用的不足20种，这说明大量未发现的效应需要发现、开发与利用，而发现新现象与新效应则可扩大传感器的检测极限和应用领域，其意义极为深远。例如，日本夏普公司利用超导技术研制成功高温超导磁性传感器，是传感技术的重大突破，其灵敏度比霍尔器件高，仅次于超导量子干涉器件，而其制造工艺远比超导量子干涉器件简单，它可用于磁成像技术，具有广泛的推广价值。

2.开发新材料

随着材料科学的迅猛发展，人们已设计制造出各种用于传感器的功能材料，而新材料又是开发新传感器的基础。近年来，半导体材料发展很快，在气敏、热敏、光敏传感器中得到广泛应用；有机材料也是制造力敏、气敏、湿敏、光敏和离子敏传感器的重要材料；光导纤维的应用是传感器材料的重大突破，它被制成多种传感器，以光信号传输代替电信号传输，具有耐高温、防爆、抗电磁干扰、远传等优点，这是由其它材料制成的传感器所不能比拟的；格外引入注目的生物传感器，是由生物敏感材料构成，有的生物传感器的某些性能已超过人的感官，受到各国学者的高度重视。

3.集成化、多功能化

将敏感元件和放大电路、运算电路、温度和线性补偿电路等利用IC技术，制作在同一芯片上或制成混合式的传感器。从点到一维、二维、三维空间图像的检出，而且正向着包含时间系列的四维空间发展，这样同一个传感器不仅能检测一种信号，而且可以检测多种信号。

4.智能化传感器

20多年前，美国Honeywell公司推出了第一个智能传感器。它将硅敏感元件与微处理器的计算、控制能力结合在一起，建立起一种新的传感器概念，从而使传感器技术进入一个新的阶段。智能传感器是一种带微处理器的传感器，具有信息的采集、记忆、诊断、综合和处理等功能。现在符合要求的智能传感器的数量虽然很少，但随着今后的科技发展，将会出现更多更好的智能传感器。 1.2传感器的基本特性

1.2.1传感器的静态特性

1．静态特性

静态特性是指输入的被测参数不随时间而变化，或随时间变化很缓慢时，传感器的输出量与输入量的关系。传感器实际输出与输入关系曲线用下列多项式代数方程表示(1.2.1)图1.2.1传感器静态特性曲线(1.2.2)静态特性曲线是一条直线、传感器的灵敏度为(1.2.3)

2)非线性项仅有偶次项输出—输入特性曲线不对称，这时，在(1.2.1)式中除线性项外，非线性项只是偶次项，即(1.2.4)对应的曲线如图1.2.1(b)所示。

3)非线性项仅有齐次项

在原点附近的相当范围内，输出—输入特性基本成线性，如图1.2.1(C)所示。在这种情况下，在(1.2.1)式中除线性项外，非线性项只是奇次项，即(1.2.5)对应的曲线如图1.2.1(c)所示。

4)一般情况表达式是式(1.2.1)，对应的特性曲线如图1.2.1(d)所示。

2.静态特性指标

衡量传感器静态特性优劣的主要指标有：线性度、迟滞、重复性、灵敏度、分辨率、稳定性、漂移和静态误差等。

1)线性度

理想传感器的输出与输入呈线性关系。然而，实际的传感器即使在量程范围内，输出与输入的线性关系严格来说也是不成立的，总存在一定的非线性，线性度就是评价非线性程度的参数，其定义为：传感器的输出—输入校准曲线与理论拟合直线之间的最大偏差与传感器满量程输出之比，称为该传感器的“非线性误差”或称“线性度”。通常用相对误差表示其大小，即(1.2.6)式中，△max—输出输入量实际关系曲线与拟合直线之间的最大偏差值；yFS—满量程输出。拟合直线的方法很多。不同的拟合直线，非线性误差也不同。选择拟合直线的主要出发点，应是获得最小的非线性误差。最简单的是端基线性度的拟合直线，只需校正传感器的零点和对应于最大输入量xmax的最大输出值yFS点，将这两点连成直线便得到该传感器的拟合直线，此法简单方便，但精度不高。根据误差理论，采用最小二乘法来确定拟合直线，其拟合精度最高。

2)迟滞

迟滞特性表明传感器在正(输入量增大)反(输入量减小)行程中输出—输入特性曲线不重合的程度，如图1.2.2所示。也就是说，对应于同一大小的输入信号，传感器正反行程的输出信号大小不相等。产生这种现象的主要原因是传感器机械部分存在不可避免的缺陷，如轴承摩擦、间隙、紧固件松动、材料内摩擦、积尘等。图1.2.2迟滞特性迟滞误差大小一般由实验方法确定，用最大输出差值△max与满量程输出yFS的百分比来表示，即(1.2.7)

3)重复性

重复性表示传感器在输入量按同一方向作全量程连续多次变动时所得到的各特性曲线不一致的程度，如图1.2.3所示。多次重复测试的曲线越重合，说明重复性越好，误差也小。重复性误差只能用实验方法确定。为了衡量传感器的重复特性，一般采用输出最大重复性偏差△max与满量程yFS的百分比来表示，即(1.2.8)重复性误差也常用绝对误差表示。检测时也可选取几个测试点，对应每一点多次从同一方向趋近，获得输出系列值，算出最大值与最小值之差作为重复性偏差，然后在几个重复性偏差中取出最大值△max作为重复性误差。图1.2.3重复性

4)灵敏度

灵敏度是传感器输出量增量与被测输入量增量之比，用k来表示。线性传感器的灵敏度就是拟合直线的斜率，如图1.2.4(a)所示，其表达式为(1.2.9)非线性传感器的灵敏度不是常数，如图1.2.4(b)所示，其表示式为(1.2.10)例如，某位移传感器在位移变化1mm时，输出电压变化有300mV，则其灵敏度为300mV／mm。

图1.2.4传感器灵敏度1.2.2传感器的动态特性

大多数情况下，传感器的输入信号是随时间变化的，这时要求传感器时刻精确地跟踪输入信号，按照输入信号的变化规律输出信号。当传感器输入信号的变化缓慢时，是容易跟踪的，但随着输入信号的变化加快，传感器随动跟踪性能会逐渐下降。输入信号变化时，引起输出信号也随时间变化，这个过程叫做响应。动态特性就是指传感器对于随时间变化的输入量的响应特性。响应特性即动态特性，是传感器的重要特性之一。

1.传感器的传递函数

假设传感器在输入输出存在线性关系(即传感器是线性的，特性不随时间变化)的范围内使用，则它们之间的关系可用高阶常系数线性微分方程表示：(1.2.12)当其初值为0时，对上式进行拉氏变换即可得系统传递函数H(s)的一般式为(1.2.13)式中，Y(s)—

传感器输出量的拉氏变换式；Y(s)—

传感器输入量的拉氏变换式；s—

拉氏算子，为复数。

传递函数在数学上的定义是：初始条件为零时，输出量(响应函数)的拉氏变换与输入量(激励函数)的拉氏变换之比。传递函数表示系统本身的传输、转换特性，与激励及系统的初始状态无关。同一传递函数可能表征着两个完全不同的物理(或其它)系统，但说明它们有相似的传递特性。当传递函数式（1.2.12）中，只有a0与b0不为零(1.2.13)称为零阶系统。这种传感器的输出能精确地跟踪输入，电位器式传感器就是一种零阶系统。除系数a1，a0，b0外，其它系数均为零的系统称为一阶系统。一阶系统的传递函数为(1.2.14)

2．传感器的动态响应

输入信号从某一稳定状态到另一稳定状态时，输出信号也跟着变比。输出信号到达新的稳定状态以前的响应特性叫做瞬态响应，当时间t趋于无穷大时传感器的输出状态叫做频率响应。研究传感器的瞬态响应常用阶跃信号，因为它是最基本的瞬变信号。研究频率响应时常用正弦信号，因为任何周期性信号都可以看成是正弦函数的迭加。

1)瞬态响应

对于一阶系统的传惑器，设在t=0时，x和y均为0；当t＞0时，有一单位阶跃信号输入，如图1.2.5(a)所示，此时方程(1.2.11)变为(1.2.15)此时该齐次方程的通解为(1.2.16)而该非齐次方程的特解为(1.2.17)因此方程的解为(1.2.18)(1.2.19)式(1.2.19)画成曲线，如图1.2.5(b)所示。输出的初值为零，随着时间的推移，y接近于l，当t=τ时，y=0.63。在一阶惯性系统中，时间常数τ值是决定响应速度的重要参数。图1.2.5一阶传感器的阶跃响应将一阶传感器的传递函数式(1.2.13)中的s用jω代替后，即可得频率特性表达式，即(1.2.20)幅频特性(1.2.21)相频特性(1.2.22)图1.2.6为一阶传感器的频率响应特性曲线。从式(1.2.22)、式(1.2.23)和图1.2.6看出，时间常数τ越小，频率响应特性越好。当ωτ<<1时，A(ω)≈1，，表明传感器输出与输入为线性关系，且相位差也很小，输出y(t)比较真实地反映了输入x(t)的变化规律，因此，减小τ可改善传感器的频率特性。图1.2.6一阶传感器频率特性 1.3传感器的标定

1.3.1标定的方法及组成

1．传感器的标定

传感器的标定就是利用精度高一级的标准器具对传感器进行定度的过程，从而确定其输出量与输入量之间的对应关系，同时也确定不同使用条件下的误差关系。

传感器的标定有两层含义：一个是确定传感器的性能指标，另一个是明确这些性能指标所适用的工作环境。

2．传感器标定的基本方法

传感器标定的基本方法是将已知的被测量(亦即标准量)输入给待标定的传感器，同时得到传感器的输出量，对所获得的传感器输入量和输出量进行处理和比较，从而得到一系列表征两者对应关系的标定曲线，进而得到传感器性能指标的实测结果。

3．传感器标定系统的组成

传感器标定时，所用测量设备的精度通常要比待标定传感器的精度高一个数量级(至少要高1/3以上)。为了保证各种被测量量值的一致性和准确性，很多国家都建立了一系列计量器具(包括传感器)检定的组织和规程、管理办法。我国由国家计量局、中国计量科学研究院和部、省、市计量部门以及一些大企业的计量站进行制定和实施。国家计量局(1989年后由国家技术监督局)制定和发布了力值、长度、压力、温度等一系列计量器具规程，并于1985年9月公布了《中华人民共和国计量法》，其中规定：计量检定必须按照国家计量检定系统表进行。计量检定系统表是建立计量标准、制定检定规程、开展检定工作、组织量值传递的重要依据。工程测试中传感器的标定，应在与其使用条件相似的环境下进行。为获得较高的标定精度，应将传感器及其配用的电缆(尤其象电容式压电式传感器等)、放大器等测试系统一起标定。

根据系统的用途，输入可以是静态的也可以是动态的，因此传感器的标定有静态和动态标定两种。但应注意：由于一个已知的动态源不能独立存在，因此，动态响应通常建立在静态标定的基础上。1.3.2传感器的静态标定

静态标定就是输入到传感器的信号是一个不随时间变化而等于常量的标定。静态标定的目的是确定传感器静态特性指标，如线性度、灵敏度、滞后和重复性等。传感器的静态特性是在静态标准条件下标定的。

1.静态标定条件

所谓静态标定条件主要是指没有加速度、振动、冲击(除非这些参数本身就是被测量)，环境温度为20℃±5℃，相对湿度不大于85%，大气压力为101.32kPa±7.998kPa等条件。

2．静态特性的标定方法

对传感器进行静态标定时，首先要创造一个静态标准条件，其次是选定与被标定传感器精度要求相适应的具有一定等级的标定用仪器设备，然后才能对传感器的静态特性进行标定。标定过程及步骤如下：

(1)将传感器全量程(测量范围)分成若干等间距点；

(2)根据传感器量程分点情况，由小到大、逐点递增输入标准量值，并记录下与各点输入值相对应的输出值；

(3)将输入量值由大到小逐点递减，同时记录下与各点输入值相对应的输出值；

(4)按(2)、(3)所述过程，对传感器进行正、反行程往复循环多次(一般为3～10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；

(5)对测试数据进行必要的处理，根据处理结果就可以得到传感器校正曲线，进而可以确定出传感器的灵敏度、线性度、迟滞和重复性。1.3.3传感器的动态标定

传感器动态标定的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。有时，根据需要也要对横向灵敏度、温度响应、环境影响等进行标定。

传感器动态标定实质上就是通过实验得到传感器动态性能指标的具体数值，也称为实验确定法。实验确定法常因传感器形式不同而不完全一样，一般可分为阶跃信号响应法、正弦信号响应法、随机信号响应法和脉冲信号响应法。传感器的动态标定方法有绝对标定法和比较法。绝对标定法精度高，但所需设备复杂，标定不方便，常用于高精度传感器与标准传感器的标定。比较法则是由灵敏度已知的标准传感器与待标定传感器同时感受相同的被测信号。

同静态标定一样，在对传感器进行动态标定时，需对传感器输入一种标准激励信号。常用的标准激励信号有周期性信号(正弦信号、三角波信号、方波脉冲信号)和瞬时变化信号(阶跃信号、半正弦波等)，并测出其在动态输入信号激励时响应的输出量值，然后绘出响应曲线。

利用上述标定系统采用逐点比较法可以标定待标定传感器的频率响应。随着技术的进步，在上述方法的基础上，出现了连续扫描法。连续扫描法的原理是将标准被测量与内装或外加的标准传感器组成闭环扫描系统，使待标定传感器在连续扫描过程中被测量，并记下待标定传感器的输出随频率变化的曲线。通常频率偏差以参考灵敏度为准，各点灵敏度相对于该灵敏度的偏差用分贝数给出。这种方法操作简单，效率很高。

需要说明的是，由于传感器种类繁多，标定设备与方法各异，各种传感器的标定项目也有所区别。此外，随着技术的不断进步，不仅标准发生器与标准测试系统在不断改进，利用微型计算机进行数据处理、自动绘制特性曲线以及自动控制标定过程的系统也在各种传感器的标定中出现。

1.4传感器的命名及技术指标

1.4.1传感器的命名方法及代号

中华人民共和国国家标准GB7666—87规定了传感器的命名方法及代号，并将其作为统一传感器命名及代号的依据，本标准适用于传感器的生产、科学研究、教学以及其它相关领域。

1.传感器的命名方法

一种传感器产品的名称，应由主题词加四级修饰语构成。

(1)主题词—

传感器；

(2)第一级修饰语—

被测量，包括修饰被测量的定语；

(3)第二级修饰语—

转换原理．一般可后续以“式”字；

(4)第三级修饰语—

特征描述，指必须强调的传感器结构、性能、材料特征、敏感元件以及其它必要的性能特征，一般可后续以“型”字；

(5)第四级修饰语—

主要技术指标(量程、精确度、灵敏度范围等)。

2.传感器命名的应用

应用的场合不同，命名方法也不完全相同，譬如：

(1)题目中的用法。本命名法在有关传感器的统计表格、图书索引、检索以及计算机汉字处理等特殊场合，应采用上述所规定的顺序。如，传感器、色压、应变[计]式、放大[型]、0～3500kPa。

(2)正文中的用法。作为产品名称，在技术文件、产品样本、学术论文、教材及书刊的陈述句子中，应采用与上述相反的顺序。如，0～3500kPa放大[型]应变[计]式色压传感器。

(3)修饰语的省略。当对传感器的产品名称简化表征时，除第一级修饰语外，其它各级可视产品的具体情况任选或省略。

(4)在侧重传感器科学研究的文献、报告及有关教材中，为便于对传感器进行原理及其分类的研究，允许只采用第二级修饰语，省略其它各级修饰语。

3．传感器的代号

传感器的完整代号应包括以下四部分：(1)主称(传感器)；(2)被测量；(3)转换原理；(4)序号。各部分代号的表述格式如图1.4.1所示。在被测量、转换原理、序号三部分代号之间须用连字符“—”连接。图1.4.1传感器代号表述格式传感器代号各部分的意义如下:

(1)第一部分—

主称(传感器)，用汉语拼音字母“C”标记。

(2)第二部分—

被测量，用其一个或两个汉语拼音的第一个大写字母标记，如表1.4.1。当这组代号与该部分的另一个代号重复时，则取汉语拼音的第二个大写字母作代号，以此类推。对于有两个或两个以上被测量的多功能传感器，应作同样处理。当被测量为离于、粒子或气体时，可用其元素符号、粒于符号或分子式加圆括号()表示。

(3)第三部分—

转换原理，用其一个或两个汉语拼音的第一个大写字母标记，如表1.4.2。当这组代号与该部分的另一个代号重复时，则用其汉语拼音的第二个大写字母作代号，以此类推。

(4)第四部分—

序号，用阿拉伯数字标记。序号可表征产品设计特征、性能参数、产品系列等。如果传感器产品的主要性能参数不改变，仅在局部有改进或变动时，其序号可在原序号后面顺序地加注大写汉语拼音字母A、B、C、……(其中I、O两个字母不用)。序号及其内涵可由传感器生产厂家自选决定。

4.传感器代号标记举例

（1）应变式位移传感器（2）光纤式压力传感器（3）谐振式压力传感器1.4.2传感器的技术指标

传感器的技术指标是衡量和评价传感器性能好坏的重要条件和主要依据。由于传感器应用广泛，类型较多，使用要求千差万别，传感器性能的基本参数、环境参数、可靠性等性能指标较多，表1.4.1列出了几个方面的技术指标，对于一种具体的传感器而言，并不是全部指标都是必需的。此外，按照不同的需要，可列出一些特定含义的指标，在上述各项指标中，也有对于一些性能参数采用不同特征参数表达的情况。 1.5传感器的选择与使用

1.5.1传感器的正确选择

由于传感器的研制和发展很快，传感器的种类和型号较多，对传感器的选择就变得更加灵活。同一测量任务可用多种传感器完成，但是其测量成本、技术条件限制等往往是不一样的。因此，针对具体测量对象、测量目的，选择合适的测量传感器就必须有一定的标准。为了选择最适合于测试目的的传感器，—般按照如下原则进行：

1.根据测量条件进行选择

(1)测量的目的；

(2)被测量的性质；

(3)测量范围；

(4)输入信号的幅值、频带宽度；

(5)精度要求；

(6)测量所需要的时间。

2．根据传感器的性能进行选择

(1)精度；

(2)稳定度；

(3)响应速度；

(4)模拟量与数字量；

(5)输出量幅值；

(6)对被测物体产生的负载效应；

(7)校正周期；

(8)超标准过大的输入信号保护。

3.根据传感器的使用环境条件进行选择

(1)安装现场条件及情况；

(2)环境条件(湿度、温度、振动等)；

(3)信号传输距离；

(4)需要现场提供的功率容量。

4.根据购买与维修等因素进行选择

(1)价格；

(2)零配件的储备；

(3)服务与维修制度，保修时间；

(4)交货日期。以上是选择传感器的主要注意事项。虽然，选择传感器时要考虑的事项很多，但无需满足所有的事项要求，应根据实际使用的目的、指标、环境等，有不同的侧重点。例如，长时间连续使用的传感器，就必须重视经得起时间考验等长期稳定性问题；而对机械加工或化学分析等时间比较短的工序过程，则需要灵敏度和动态特性较好的传感器。但是，并不是灵敏度越高越好，只要选择能够满足测量要求的灵敏度指标即可。因为传感器灵敏度越高，说明传感器能检测到的变化量越小，感知外界噪声信号等能力越强，稳定性越差。

为了提高测量精度，应注意以平常使用时的显示值要在满刻度的50％左右来选择测定范围或刻度范围。然而，在实际测量中，也并非精度越高越好，因为传感器的精度等级越高，价格就越昂贵，因此，从实际出发，不但要考虑测量对精度指标的要求，还要考虑测量成本等。选择传感器的响应速度，目的是适应输入信号的频带宽度，从而提高信噪比。此外，还要合理选择设置场所，注意安装方法，了解传感器的外形尺寸、重量等；注意从传感器的工作原理出发，分析被测物体中可能会产生的负载效应等问题，以确定选择哪一种传感器最合适。1.5.2传感器的合理使用

1．传感器的标定

所谓传感器的标定，是指在明确输入和输出变换对应关系的前提下，利用某种标准或标准器具，对传感器进行全面检定。在传感器使用前对其进行定标以后，在使用过程中还要定期进行检查，确认精度及性能是否满足所制定的标淮。传感器的标定依据不同的传感器而有所差异，但基中方法是一致的。具体的标定方法在1.3中已经讲述，这里不再赘述。

2．线性化处理与补偿

有时传感器与测量系统误差的变化规律很复杂，采取一定的技术措施后仍难以满足要求或虽可能满足要求，但因价格昂贵或技术过分复杂而无现实意义。此时可以找误差的来源和数值，采用修正方法加以补偿和修正。如果还存在温度误差，找出温度对测量值的影响规律，然后在实际测量时进行补偿。例如，在传感器的实际应用中，其输出量往往不能直接显示和记录，因为大多数传感器的输入—输出特征是非线性的，所以应把输出量乘以一定系数来进行校正补偿，如果是经过了微处理器，可通过软件进行线性化处理。在模拟电路中，可采用与传感器输入—

输出特性相反的元件，通过硬件进行线性化处理。

3．抗干扰技术

在传感器应用系统中，由于传感器是感受非电量的器件，故还应考虑与被测量有关的其它影响因素，如温度、湿度、机械振动、气压、声压、辐射，甚至气流等。为此，需采取相应的隔离措施，或者在变换为电量后对干扰信号进行分离或抑制，减小影响。具体抗干扰措施将在第10章中讲述。第2章电阻与电容式传感器技术

2.1电阻应变式传感器2.2压阻式传感器2.3电位器式传感器2.4电容式传感器 2.1电阻应变式传感器

2.11电阻应变效应

导体或半导体材料在受到外界力（拉力或压力）作用时，产生机械变形，机械变形导致其阻值变化，这种因形变而使其阻值发生变化的现象称为“应变效应”。导体或半导体的电阻（2.1.1）导体或半导体在受外力作用时会产生机械变形，从而使电阻率

、长度l和截面积S这三者都发生变化，所以会引起电阻的变化。通过测量阻值的变化，就可以反映外界作用力的大小。当受到长度方向均匀拉力作用时如图2.1.1所示，长度伸长

l，横截面积相应减小

S，电阻率将因晶格发生变形等因素而改变

，故引起电阻值发生

R的变化，此值可通过式（2.1.1）的全微分求得（2.1.2）相对变化量为（2.1.3）图2.1.1应变效应一般电阻丝是圆形的，则 ，r为电阻丝的半径，对r微分得，则（2.1.4）（2.1.5）式中，——材料的泊松系数。

将式（2.1.4）和式（2.1.5）代入式（2.1.3）得（2.1.6）或（2.1.7）令（2.1.8）（2.1.9）式（2.1.9）表示电阻丝的电阻相对变化与轴向应变成正比关系。2.1.2电阻应变片

1.电阻应变片的工作原理

电阻应变片是一种能将机械构件上的应变的变化转换为电阻变化的传感元件。用应变片测量应变或应力时，是将应变片牢固地粘贴于被测对象上。在外力作用下，被测对象产生微小机械变形，粘贴在被测对象上的应变片随其发生相同的机械变形，从而引起应变片电阻也发生相应变化。当测得应变片电阻值变化量时，便可得到被测对象的应变值ε，根据应力和应变的关系，得到应力值σ

（2.1.10）式中,σ——试件的应力；ε——试件的应变；E——试件材料的弹性模量（kg/mm2）。图2.1.2金属丝绕式应变片结构示意图

(1)敏感栅

敏感栅是应变片最重要的组成部分，根据敏感栅形状和制造工艺的不同，金属应变片主要分为丝式、箔式和薄膜式三种类型。它们根据需要可以制作成各种形状。

①丝式应变片

丝式应变片制作简单、性能稳定、成本低、易粘贴。其敏感栅由直径为0.012mm～0.05mm（0.025mm最常用）金属细丝绕成栅状，栅长依用途不同有0.2mm、0.5mm、1.0mm、100mm、200mm等。有回线式和短接式两种，如图2.1.3所示。图2.1.3金属丝绕式应变片结构示意图回线式敏感栅回线的半径为0.1mm～0.3mm，但因圆弧部分参与变形，横向效应较大。短接式敏感栅平行排列，两端用直径比栅线直径大5～10倍的镀银丝短接而成，可以较好地克服横向效应。但由于焊点多，在冲击或振动条件下，易在焊点处出现疲劳，制造工艺要求高。目前大都采用性能更优越的箔式应变片。

②箔式应变片

箔式应变片是利用照相制版或光刻腐蚀等技术将厚度为0.003mm～0.01mm的金属箔片在绝缘基底上制成所需的各种图形的敏感栅。因形状美观，有时称为应变花，图2.1.4为常见的几种箔式应变片敏感栅。箔式应变片具有：制造技术能保证敏感栅尺寸准确、线条均匀，可以制成任意形状以适应不同的测量要求；敏感栅薄而宽，粘结情况好，传递试件应变性能好；散热性能好，允许通过较大的工作电流．从而增大输出信号；敏感栅弯头横向效应可以忽略；蠕变、机械滞后较小，疲劳寿命长等优点，因此，在测试中得到了日益广泛的应用。在常温条件下，已逐步取代了丝式应变片。图2.1.4箔式应变片敏感栅

③薄膜式应变片

薄膜式应变片是薄膜技术发展的产物，采用溅射、蒸发或沉积等方法，在薄的绝缘基底上形成厚度在0.1

m以下各种形状的电阻材料（金属或半导体）薄膜敏感栅。

这种应变片灵敏系数高，易实现工业化生产，允许工作电流密度大，工作温度范围宽，可达-197℃～317℃。是一种很有前途的新型应变片。

2)基底和盖片

基底用于保持敏感栅和引线的几何形状和相对位置，并且有绝缘作用。盖片除固定敏感栅和引线外，还可以保护敏感栅。基底和盖片的材料有纸和聚合物两大类，逐渐被胶基（有机聚合物）取代，因为胶基各方面性能都好于纸基。胶基是由环氧树脂、酚醛树脂和聚酰亚胺等制成的胶膜，厚度约0.02mm～0.05mm。

3)引线

应变片的引线用以连接敏感栅和外接导线。康铜丝敏感栅应变片的引线采用直径为0.05mm～0.1mm的银铜丝，采用点焊焊接。其它类型敏感栅，多采用直径与上述相同的铬镍、卡马、铁铬铝金属丝或扁带作为引线，与敏感栅点焊相接。

4)黏合剂

黏合剂用于将敏感栅固定于基片上，并将盖片与基底粘结在一起。测量时也需用黏合剂将应变片粘贴在试件表面某一方向和位置上，以便感受试件的应变。常用黏合剂分为有机和无机两大类。有机黏合剂用于低温、常温和中温，无机黏合剂用于高温。2.1.3电阻应变片的温度补偿

作为测量用的应变片，希望其电阻只随应变而变化，不受其它因素的影响。实际上应变片的电阻受环境温度（包括试件的温度）的影响很大。因环境温度改变引起电阻变化的主要因素有两方面：一是应变片电阻丝的温度系数；二是电阻丝材料与试件材料的线膨胀系数不同。由温度的变化而引起电阻的变化量与试件由应变引起电阻的变化量，通常具有同一数量级，如果不采取必要的措施克服温度的影响，测量精度无法保证。

为了消除温度变化引起的误差，可以采取多种补偿措施。温度补偿措施，基本上分为桥路补偿和应变片自补偿两大类。图2.1.5桥路补偿法最常用和最好的方法是桥路补偿法，如图2.1.5所示。桥路补偿法也称补偿片法，选取两片完全相同的应变片（材料相同、电阻值相等），处于同一温度场，分别作为平衡电桥的两个相邻桥臂。R1为工作应变片粘贴在试件上需要测量应变的地方，R2为补偿应变片，粘贴在一块不承受应变的与试件材料、温度相同的补偿块上。当温度发生变化时，工作应变片R1和补偿应变片R2的温度变化相同，由于是相同的应变片，又贴在相同的材料上，因此R1和R2的变化也相同，阻值变化符号相同、数值相等，对输出没有影响。当工作应变片R1感受应变时，补偿应变片R2不感受应变，电桥将产生相应的输出电压。此输出只与应变有关，而与温度无关。

桥路补偿法简单、方便，在常温下补偿效果较好，但在温度变化梯度较大的条件下，很难做到工作片与补偿片处于温度完全一致的情况，因而影响补偿效果。在某些测试条件下，可以巧妙地安装应变片而不需补偿块并兼得灵敏度的提高。如图2.1.5（b）所示，将两个相同应变片R1和R2分贴于悬臂梁上、下两面对称位置，R1和R2感受同样的温度变化，对输出没有影响。悬臂梁弯曲应变时，R1和R2因应变引起的电阻变化值相同而符号相反，电桥输出电压比单片时增加一倍，提高了测量灵敏度。2.1.4测量电路

1.直流电桥

(1)平衡条件

直流电桥的基本形式如图2.1.6所示。设电桥的各桥臂分别为R1、R2、R3、R4，可以全部或部分是应变片（可变电阻），RL为其负载（可以是测量仪表内阻或其它负载）。根据基尔霍夫定律，电桥输出电流为（2.1.11）电桥输出电流为（2.1.12）当电桥平衡时，Uo=0，电桥无输出，由式（2.1.12）可得到或（2.1.13）式（2.1.13）称为电桥平衡条件。平衡电桥就是桥路中相邻两臂阻值之比应相等（或对臂阻值之积相等），平衡时流过负载电阻的电流为0。当RL→∞时，IL≈0，电桥的输出电压Uo应为（2.1.14）图2.1.6直流电桥

(2)电压灵敏度

如果在实际测量中，使第一桥臂R1由应变片来替代，如图2.1.7，称为单臂电桥。微小应变引起微小电阻的变化，电桥则输出不平衡电压的微小变化。一般需要加入放大器放大。由于放大器的输入阻抗可以比桥路输出电阻高得多，所以此时仍视电桥为开路情况（RL→∞）。当受应变时，若应变片电阻变化为ΔR1，其它桥臂固定不变，则电桥输出电压Uo≠0，电桥不平衡。图2.1.7单臂电桥电路（2.1.15）（2.1.16）电桥电压灵敏度定义为（2.1.17）从式（2.1.17）可以看出：

①电桥电压灵敏度正比于电桥供电电压，供桥电压愈高，电桥电压灵敏度愈高，但是供桥电压的提高，受到应变片允许功耗的限制，所以一般供桥电压应适当选择。

②电桥电压灵敏度是桥臂电阻比值n的函数，因此必须恰当地选择桥臂比n的值，保证电桥具有较高的电压灵敏度。（2.1.18）（2.1.19）（2.1.20）（2.1.21）（2.1.22）

②采用差动电桥根据被测试件的受力情况，若使一个应变片受拉，一个受压，则应变符号相反；测试时，将两个应变片接入电桥的相邻臂上。如图2.1.8所示，称为半桥差动电路。图2.1.8半桥差动电路

该电桥输出电压Uo为（2.1.23）若ΔR1=ΔR2，R1=R2，R3=R4，则得（2.1.24）比使用一只应变片提高了一倍，同时可以起到温度补偿的作用。若将电桥四臂接入四片应变片。如图2.1.9所示，即两个受拉，两个受压，将两个应变符号相同的接入相对臂上，则构成全桥差动电路。图2.1.9全桥差动电路（2.1.26）电压灵敏度（2.1.27）电压灵敏度是单臂电桥电路的四倍，是半桥差动电路的两倍。

③采用高内阻的恒流源电桥

通过电桥各臂的电流如果不恒定，也是产生非线性误差的重要原因。所以供给半导体应变电桥的电源一般采用恒流源，如图2.1.10所示。图2.1.10恒流源电桥供桥电流为I，通过各臂的电流为I1和I2，若测量电路输入阻抗较高，则解该方程组得输出电压为（2.1.28）若电桥初始处于平衡状态（R1R4

=R2R3），而且R1=R2=R3=R4=R，当第一桥臂电阻R1变为R1＋ΔR1时，电桥输出电压为（2.1.29）由式（2.1.29）可知，分母中的ΔR被4R除，与式（2.1.19）相比较，比前面的单臂电桥的非线性误差减少了50%。

2交流电桥

采用直流电桥的优点是高稳定性电源易于获得，电桥平衡的调节简单，连接导线分布参数影响小。但输出电压需采用直流放大器，易于产生零点漂移，因此目前也常用交流电桥。交流电桥也是电感式传感器和电容式传感器的主要测量电路之一。

(1)交流电桥平衡条件

交流电桥采用交流放大器、供桥电源为交流电源，交流电桥连接导线分布参数影响、平衡调节、信号放大电路等均与直流电桥有明显不同。

交流电桥的桥臂可以是电阻，也可以是阻抗元件，图2.1.11是其一般形式。利用交流电桥测量应变时，由于供桥电源为交流电源，连接导线分布电容（忽略引线电感）使得桥臂的四只应变片均呈现复阻抗特性，即相当于四只应变片各并联了一只电容。但分析电桥平衡和输出电压方法仍与直流电桥相同。故输出电压为图2.1.11交流电桥那么，桥路平衡条件为或（2.1.30）或（2.1.31）

(2)交流电桥的调平方法

利用交流电桥测量应变时，由于引线产生的分布电容的容抗（引线电感忽略），供桥电源的频率以及被测应变片的性能差异，将严重地影响着交流电桥的初始平衡条件和输出特性，因此必须对电桥预调平衡。

由于式（2.1.30）中的Z阻抗应包括电阻和电容等参数，此处交流电桥的平衡，应包含着电阻和电容两个平衡条件，因此，交流电桥的平衡可用电阻调整和电容调整的方法实现。

(1)电阻调平法

串联电阻调平法如图2.1.12（a）所示，图中R5由下式确定：（2.1.32）

图2.1.12交流电桥平衡调节方法并联电阻调平法如图2.1.12（b）所示，通过调节电阻R5改变AD和CD的阻值比，使电桥满足平衡条件。电阻R6决定可调范围，R6越小，可调范围越大，但测量误差也越大。R5、R6通常取相同阻值。R5可按下式确定：（2.1.33）电阻调平法还有许多其它形式，道理基本相似，直流电桥的平衡一般用电阻调整的方法实现。

(2)电容调平法

差动电容调平方法如图2.1.12（c）所示，C3和C4为差动电容，调节C3和C4时，由于电容大小相等，极性相反，可使桥路平衡。

阻容调平方法如图2.1.12（d）所示，该电桥接入了“T”形RC阻容电路，可通过交替调节电容、电阻使电桥达到平衡状态。

(3)交流电桥不平衡状态

(1)单臂交流电桥

其输出电压为（2.1.34）(2)差动交流电桥（半桥差动电路）（2.1.35）(3)双差动交流电桥（全桥差动电路）（2.1.36）2.1.5电阻应变式传感器的应用

1.电阻应变式力传感器

应变式力传感器主要作为各种电子秤和材料试验机的测力元件，或用于测力机的推力测试以及水坝坝体承载状况的监视等。应变式力传感器的弹性元件常制成柱（筒）式、梁式、环式等形式。

(1)柱（筒）式力传感器

柱式力传感器是称重（或测力）传感器应用较普遍的一种形式。它的弹性元件分实心和空心（圆筒）两种，如图2.1.13所示。实心圆柱可以承受较大的负荷，当柱体轴向受力F作用时，在弹性范围内，则应力

与应变

成正比关系（2.1.37）式中，S—柱体截面积；E—柱体材料弹性模量。要想提高变换灵敏度，必须减小截面积S，但S减小其抗弯能力也减弱，对横向干扰力敏感。为了解决这个矛盾，在小集中力测量时多采用空心圆筒如图2.1.13（b）所示。在筒壁上还能开孔，如图2.1.13（c）所示。图2.1.13柱（筒）式力传感器弹性元件上应变片的粘贴和桥路的连接，应尽可能消除偏心和弯矩的影响。一般将应变片粘贴在弹性柱体外壁应力分布均匀的中间部分，沿轴向和周向对称地粘贴多片应变片，连接电桥时考虑尽量减小由于F不可能通过柱体中心轴线而造成的载荷偏心（横向力）和变矩的影响。贴片在柱面上的展开位置及其在桥路中的连接如图2.1.14所示。图2.1.14柱（筒）式力传感器

(2)梁式力传感器

梁式传感器主要用于小量限称重测力传感器，采用弹性悬臂梁及电阻应变片作敏感转换元件，组成全桥电路。灵敏度高，结构简单，加工容易，应变片粘贴方便，抗偏、抗侧性能优越。

当垂直正压力或拉力作用在弹性悬臂梁上时，电阻应变片随金属弹性梁一起变形，其应变使阻值变化，应变电桥输出与拉力（或压力）成正比的电压信号。

悬臂梁主要有两种，一种为等截面梁，另一种为等强度梁。图2.1.15悬臂梁式力传感器

(1)等截面梁式力传感器

等截面梁就是悬臂梁的横截面处处相等的梁，如图2.1.15（a）所示。当外力F作用在梁的自由端时，在固定端附近产生的应变最大，应变片R1、R4和R4、R4顺着梁的长度方向分别粘贴在梁的上、下表面对称位置上，应变大小相等，极性相反，并接成差动电桥，则电桥输出电压Uo与力F成正比。粘贴应变片处的应变为（2.1.38）被测力F可以通过测量电桥的输出电压来确定（2.1.39）

②等强度梁式力传感器

等强度梁的结构如图2.1.15（c）所示，是一种特殊形式的悬臂梁。其特点是沿梁长度方向的截面按一定规律变化，当外力F作用在自由端时，应力不随应变片粘贴位置变化，距作用点任何距离截面上的应力相等，即截面上的应力与x无关。

粘贴应变片处的应变为（2.1.40）这种梁的优点是对在梁长度方向上粘贴应变片位置要求不严格，但上下片对应位置仍要求严格。

(3)特殊悬臂梁力传感器.

如图2.1.16（a）所示的双孔梁多用于小量程电子称；2.1.16（b）为单孔梁；2.1.16（c）为S型梁，是双孔梁的变形。为解决小量程电子称称载物放置位置对称载结果的影响，在双孔梁力传感器上装配上、下承压板，变成了S形状。S形梁应变式测力传感器具有输出灵敏度高；应变大；变化加载点不影响输出；抗侧向力强等特点。图2.1.16特殊悬梁式力传感器

(3)薄壁圆环式力传感器

圆环式弹性元件结构也较简单，如图2.1.17所示。它的特点是在外力作用下，各点的应力差别较大。设图示的薄壁圆环的厚度为h，外径为R，宽度为b，应变片R1、R4贴在外表面，R2、R3贴在内表面，贴片处的应变量为（2.1.41）其线性误差可达0.2％，滞后误差可达0.1％，但上下受力点必须是线接触。图2.1.17薄壁圆环式力传感器

(4)轮幅式力传感器

轮幅式传感器如图2.1.18所示。它好像一个车轮，由轮毂、4个轮辐和轮圈三部分组成。外加载荷作用在轮毂的顶部和轮圈的底部，在轮圈和轮毂间的轮辐上受到纯剪切力，故也称为轮幅式剪切力传感器。图2.1.18轮幅式力传感器（实心轴）（空心轴）（2.1.42）（2.1.43）式中，D——轴外径（mm）；d——轴内径（mm）；

M——扭矩（N·m）；μ——轴材料泊松比；

E—轴材料弹性模量。当电桥的供桥电压为Ui时，电桥输出电压（2.1.44）式中，K——应变片的灵敏系数。为了给旋转的应变片输入电压和从电桥中取出检测信号，一般在扭转轴上安装有集流环和电刷，如图2.1.20所示。图2.1.19轴剪切力传感器图2.1.20装有集流环和电刷的轴剪切力传感器

2.应变式压力传感器

应变式压力传感器主要用于液体、气体动态和静态压力的测量，如内燃机管道和动力设备管道的进气口、出气口的压力测量，以及发动机喷口的压力、枪、炮管内部压力的测量等。这类传感器主要采用筒式、膜片式、组合式等形式的弹性元件。

(1)筒式压力传感器

当被测压力较大时，多采用筒式压力传感器，如图2.1.21所示。弹性元件为一具有盲孔的圆筒，当被测流体压力P作用于筒体内壁时，圆筒部分发生变形，圆筒外表面上的环向（沿着圆周线）粘贴的应变片产生正应变。图2.1.21（b）中在盲孔的外端部有一个实心部分，制作传感器时，在筒壁和端部沿圆周方向各贴一片应变片，端部在筒内有压力时不产生变形，只作温度补偿用。图2.1.21（c）中没有端部，则R1和R2垂直粘贴，一个沿圆周，一个沿筒长，沿筒长方向的R2作温度补偿用。图2.1.21筒式压力传感器这类传感器可用来测量机床液压系统的压力（106～106Pa），也可用来测量枪炮的膛内压力（108Pa），其动特性和灵敏度主要由材料的E值和尺寸决定。

(2)膜片式压力传感器

这种传感器具有结构简单、使用可靠等特点，尤其是圆形箔式应变片可做成小尺寸、高精度的压力传感器。传感器的平膜片是一个周边固定的圆形金属膜片，如图2.1.22所示。在压力P的作用下膜片将产生弯曲变形，设径向应变为

r，切向应变为

t，则任一半径r处的应变为（2.1.45）（2.1.46）（2.1.47）（2.1.48）若用小栅长应变片，在膜片正应变区中心处沿切向贴两片应变片R2、R3，在负应变区边缘处沿径向贴两片应变片R1、R4如图2.1.22所示，并接成全桥差动线路。图2.1.22膜片式压力传感器图2.1.23圆箔式应变片

3.应变式加速度传感器

加速度传感器的结构如图2.1.24所示，等强度应变梁2的一端固定有惯性质量块1（质量为m），梁的另一端用螺钉固定在壳体10上，在梁的上下两面粘贴应变片4，梁和惯性质量块的周围充满阻尼液（硅油）3，用以产生必要的阻尼。测量加速度时，将传感器壳体和被测对象刚性连接，当有加速度作用在壳体上时，由于梁的刚度很大，惯性质量块也以同样的加速度运动。其产生的惯性力F正比于加速度a的大小（F＝ma），惯性力作用在梁的端部使梁产生变形，保护块11是保护传感器在过载时不被破坏。这种传感器在低频振动测量中得到广泛应用。图2.1.24应变式加速度传感器

4.电阻应变计

电阻应变计是一种可以直接测量试件应变的仪器。它以电桥为基础，将电桥输出的微小变化，经过电压放大，供普通仪表指示或供记录器记录。

图2.1.25是平面膜片式压力应变计的测量电路图，为恒压源供电全桥差动直流电桥典型电路。已知恒压源供电，U=5V，且R1=R2=R3=R4=R，ΔR1=ΔR3=ΔR，ΔR2=ΔR4=－ΔR，应变片的K=2.0，膜片允许测试的最大应变

=800

，对应的压力为100kPa，试求最大应变时测量电路输出电压为多少？图2.1.25压力应变计测量电路图 2.2压阻式传感器

（2.2.1）也就是说半导体应变片的应变效应主要是由半导体材料的电阻率随作用应力而变化引起的，这种现象称为半导体材料的压阻效应。

其实所有材料在某种程度上都呈现压阻现象，但半导体材料的这种效应特别显著，能直接反映出微小的应变。半导体材料的压阻效应可解释为：由应变引起能带变形，从而使能带中的载流子迁移率及浓度也相应地发生相对变化，因此导致电阻率变化。由半导体理论可知，立方晶系的硅和锗的纵向电阻率的相对变化与半导体敏感条在轴向所受的应变力之比为一常数，即（2.2.2）因而半导体应变片的灵敏系数为（2.2.3）最常用的材料是硅和锗，掺入杂质可形成P型或N型半导体。由于半导体是各向异性材料，它的压阻效应乃至应变灵敏系数不仅与掺杂浓度、温度和材料类型有关，还与晶向有关。半导体应变片体积小，灵敏度高，频率响应范围很宽，输出幅值大，不需要放大器，可直接与记录仪连接使用，使测量系统简单，横向效应和机械滞后都很小。但温度系数大，非线性比较严重。半导体应变片有两种制作方法：一种是将半导体材料按所需晶向切割成片或条，粘贴在弹性元件上，制成单根状敏感栅使用，称作“体型半导体应变片”，如图2.2.1所示；另一种是将P型杂质扩散到N型硅片上，形成极薄的导电P型层，焊上引线即成应变片，称作“扩散硅应变片”。图2.2.1体型半导体应变片结构2.2.2压阻式传感器

1.压阻式压力传感器

压阻式压力传感器用于流体压力、差压、液位测量，特别是它可以微型化，已有直径为0.8mm的压力传感器，在生物医学上可以测量血管内压、颅内压等参数。

（1）压阻式压力传感器的组成和工作原理

压阻式压力传感器结构如图2.2.2（a）所示，由外壳、硅膜片（硅杯）和引线等组成。核心器件是一个周边固定支承的硅敏感膜片，即硅压阻芯片，因形状象杯故名硅杯。上面用扩散掺杂法做成四个相等的硅应变电阻条，如图2.2.2（c）所示，经蒸镀金属电极及连线，接成惠斯登电桥，再用压焊法与外引线相连。膜片的一侧是和被测系统相连接的高压腔，另一侧是低压腔，通常和大气相连，也有做成真空的。

当膜片两边存在压力差时，膜片发生变形，产生应变，从而使扩散电阻的电阻值发生变化，电桥失去平衡，输出相对应的电压，其大小就反映了膜片所受压力差值。图2.2.2压阻式压力传感器

2）硅膜片的结构与材料

硅膜片常采用两种结构，周边固定支承的圆形硅杯和矩形（正方形）硅杯，如图2.2.2（b）。采用硅杯结构，使硅膜片与固定支承环构成一体，既可提高灵敏度，减少非线性误差和滞后，又便于集成化和批量生产。圆形硅杯最常采用，工艺成熟。硅芯片是在N型膜片上扩散的四个P型电阻条，并接成惠斯登电桥（全桥差动电桥）。电阻条的阻值、尺寸、取向与位置都对传感器的灵敏度有很大影响。一般取每个扩散电阻值为500Ω~3000Ω。常用扩散电阻条如图2.2.3所示，其阻值可按式（2.2.4）计算（2.2.4）式中，l为扩散电阻长；b为扩散电阻宽；RS为方块电阻。图2.2.3压阻式压力传感器

2.压阻式加速度传感器

压阻式加速度传感器结构如图2.2.4所示。直接以硅单晶作为悬臂梁3，梁的根部上下表面扩散制作四个应变电阻1构成测量电桥，在其自由端装惯性质量块13，就构成了微小的整体型加速度传感器。在结构上分玻璃－硅－玻璃三层结构，中间一层是该传感器的核心部件，是一层很薄的硅悬臂梁，四周由厚的（约20

m）凸缘边框围绕着，边框刚性地支撑着悬臂梁。上下两片玻璃的安装面平行于悬臂梁表面，每片上都蚀刻出凹坑，以构成梁和惯性质量块运动所需的空间。惯性质量块可以是高密度的物质，如金等，也可以是硅。这种结构的优点是体积小、灵敏度高、滞后小、蠕变小，具有良好的线性和稳定性，频率范围从DC到几十千赫。图2.2.4压阻式加速度传感器结构测量振动时，将壳体和被测对象刚性固定在一起，因此作用在质量块上的惯性力F＝ma使悬臂梁产生变形（应变）。梁上的四个电阻应变片所构成的电桥失去平衡而输出电压。此输出电压的大小正比于外界振动加速度a。2.2.3压阻式传感器在压力测量中的应用

1.恒流工作测压电路

图2.2.5是压力传感器恒流工作电路图。传感器采用扩散硅绝对压力传感器，恒流驱动，电流为1.5mA，灵敏度为6～8mA/（N/cm2），额定压力范围为0～9.8N/cm2。

图2.2.5固态压阻式传感器恒流工作电路图

2.恒压工作测压电路

图2.2.6是压力传感器恒压工作电路图。传感器采用扩散硅绝对压力传感器，恒压驱动，压力传感器的量程为0～20kPa，测量电桥满量程输出为100mV，电源电压为1.5V，要求输出为0～5V。图2.2.6固态压阻式传感器恒压工作电路 2.3电位器式传感器

2.3.1线绕式电位器传感器

线绕式电位器传感器主要用于非电量变化较大的测量场合，测量线位移和角位移、压力、加速度等。

1线绕式电位器结构

线绕式电位器可分为单圈和多圈两种，目前常用的以单圈为多。其结构如图2.3.1所示，主要由骨架、缠绕在骨架上的电阻丝和沿电阻丝滑动的电刷三部分组成。骨架常用塑料、胶木、金属（经绝缘处理）等材料；电阻丝一般用康铜、镍铬、卡玛（Karma）丝以及铂铱、金银等金属丝；电刷一般选用贵金属制成。图2.3.1线绕式电位器结构示意图图2.3.2线绕式电位器工作原理图（2.3.1）而对应的电阻变化为（2.3.2）将式（2.3.2）代入式（2.3.1）得（2.3.3）（2.3.4）（2.3.5）式中,r——电阻的相对变化；KL——电位器负载系数的倒数；XR——电刷的相对行程；Y——电位器相对输出电压。图2.3.4是角位移型电位器示意图，对于角位移型电位器来说（2.3.6）图2.3.3电位器负载特性曲线图2.3.4角位移电位器示意图（2.3.7）（2.3.8）（2.3.9）所以其阶跃值为

（2.3.10）图2.3.5电刷在线圈表面滑动示意图短接时输出电压为（2.3.11）将式（2.3.11）与式（2.3.8）、式（2.3.9）比较，可以看出（2.3.12）这个小阶跃电压

Un为（2.3.13）图2.3.6线绕电位器的阶跃特性

(2)电压分辨率

线绕电位器的电压分辨率是指在电刷行程内电位器输出电压阶梯的最大值与最大输出电压之比的百分数。

对于具有理想阶梯特性线绕电位器，其理想的电压分辨率为（2.3.14）从电位器的电刷行程来说，又有行程分辨率，其表达式为（2.3.15）

3)非线性线绕电位器结构

图2.3.2所示的电位器，当负载相当大时，可近似为线性变阻器。有时为了控制过程需要。输入量位移和输出电压Uo之间要求呈现某种特殊函数规律变化，因此在工业控制中，通常特制几种非线性结构的变阻器以供使用。常用的有：

(1)用曲线骨架绕制的非线性变阻器。这种非线性电位器的结构形式如图2.3.7所示，骨架的形状就是一种特殊函数关系。

(2)三角函数变阻器，如图2.3.8所示，它的输出与输入之间具有正弦函数关系。所以（2.3.16）图2.3.7非线性变阻器图2.3.8三角函数变阻器图2.3.9分段法制成的非线性变阻器2.3.2非线绕式电位器传感器

1.膜式电位器

膜式电位器通常有两种：一种是碳膜电位器，另一种为金属膜电位器。

碳膜电位器是在绝缘骨架表面上喷涂一层均匀的电阻液，经烘干聚合后而制成电阻膜。电阻液由石墨、碳墨、树脂材料配制而成。这种电位器的优点是分辨率高、耐磨性较好、工艺简单、成本较低、线性度较好，但有接触电阻大、噪声大等缺点。

2.导电塑料电位器

这种电位器由塑料粉及导电材料粉（合金、石墨、碳黑等）压制而成、它又被称为实心电位器。其优点是耐磨性较好（可达千万次以上）、寿命较长、电刷允许的接触压力较大（几十至几百克），适用于振动、冲击等恶劣条件下工作；线性好，阻值范围大，能承受较大的功率。其缺点是受温湿度影响较大、接触电阻大、精度不高。图2.3.10光电电位器原理图光电电位器优点甚多：无摩擦和磨损，寿命长，精度、分辨率高，可靠性好，阻值范围宽（500Ω~15MΩ）。但是其结构复杂，存在滞后（0.1~1s），工作温度范围窄（＜150℃），输出电流小，输出阻抗较高需阻抗匹配，线性度不高。2.4电容式传感器2.4.1电容式传感器的工作原理及结构形式

电容式传感器是一个具有可变参数的电容器。多数场合下，电容是由两个金属平行板组成并且以空气为介质，如图2.4.1所示。图2.4.1电容式传感器原理图如果不考虑边缘效应，由两个平行板组成的电容器的电容量为（2.4.1）图2.4.2几种电容式传感器原理结构图

1.变间隙式电容传感器

图2.4.3（a）是变间隙式电容传感器的原理结构图。图中2为静止极板（定极板），1为与被测体相连的动极板。当动极板因被测参数改变而引起移动时，就改变了两极板间的距离d，从而改变了两极板间的电容量C。

由式（2.4.1）可知，初始电容（2.4.2）式中,S—两平行极板所覆盖的面积；

d0—两平行极板之间的初始距离；

—极板间介质的介电常数；（2.4.3）（2.4.4）图2.4.3变间隙式电容传感器的原理结构图和特性曲线

（2.4.5）当

d<d0时，将式（2.4.5）按级数展开为（2.4.6）（2.4.7）此时的电容静态灵敏度为（2.4.8）说明了单位输入位移所引起的输出电容相对变化的大小。如果考虑式（2.4.6）中的线性项和二次项，则得（2.4.9）由此得其相对非线性误差为

（2.4.10）由式（2.4.8）可以看出，要提高灵敏度，应减小起始间距d0；但d0过小时，容易引起电容器击穿，同时对加工精度的要求也提高了；而且从式（2.4.10）可以看出，随着位移

d的增加、起始间距d0的减小，相对非线性误差会相应地增大。所以，变间隙式电容传感器往往是设计成

d在极小的范围内变化，起始间距d0不可过小。在实际应用中，为了同时提高灵敏度和线性，常常采用差动结构和在极板间加入固体介质等方法。

图2.4.4是变间隙式差动电容传感器的原理结构图。当动极板移动后，C1和C2成差动变化，即其中一个电容量增大，而另一个电容量则相应减小，这样可以消除外界因素（例如电源电压、环境温度等）所造成的测量误差。图2.4.4变间隙式差动电容传感器原理结构图（2.4.11）（2.4.12）电容值总的变化为（2.4.13）电容值相对变化为（2.4.14）（2.4.15）可见近似成线性关系。变间隙式差动电容传感器的灵敏度为（2.4.16）只考虑式（2.4.14）中的线性项和三次项，则变间隙式差动电容传感器的相对非线性误差为（2.4.17）比较式（2.4.8）和式（2.4.16）及式（2.4.10）和式（2.4.17）可见，变间隙式电容传感器做成差动结构后，大大降低了非线性误差，而且灵敏度