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1、第四章 常用传感器,2,传感器,温度,供电,各种干扰稳定性的因素,温漂,分辨力,冲击与振动,电磁场,线性,滞后,重复性,灵敏度,输入,误差因素,外界影响,传感器输入输出作用图,输出,衡量传感器特性的主要技术指标,稳定性(零漂),第一节 传感器的特性,一. 传感器的静态特性,静态特性曲线:,实际上:,线性的,理想的:,非线性的,1. 线性度（非线性误差）,(c)独立线性度,(b)端基线性度,(a)理想线性度,2. 迟滞（滞后、回差）,3. 重复性,4. 灵敏度,5. 漂移 6. 静态误差,用相对误差表示静态误差，则有,二. 传感器的动态特性 （一）传感器的瞬态响应特性 1. 一阶传感器的单位阶跃
2、响应,单位阶跃信号：,2. 二阶传感器的单位阶跃响应,3. 瞬态响应特性指标 时间常数 上升时间 响应时间 超调量 衰减度,（二）传感器的频率响应特性 1. 一阶系统,频率特性： 幅频特性： 相频特性：,幅频特性和相频特性分别为:,2. 二阶系统,3. 频率响应性能指标 频率响应范围 时间常数 固有频率,三. 传感器的标定 1. 静态标定 2. 动态标定,传感器的标定,第二节 电阻应变式传感器,一. 金属电阻应变片 1. 基本结构,电阻应变片结构示意图,敏感栅,2. 金属丝电阻应变效应,金属丝电阻：,受力后，电阻相对变化量,即,应变灵敏系数：,单位应变所引起的电阻相对变化量,或,应力和应变关系
3、，应力：,应力正比于电阻变化量，即dR,3. 金属丝电阻应变片基本特性 (1)横向效应 (2)机械滞后 (3)零漂和蠕变 (4)温漂,箔式应变片,二. 半导体电阻应变片,受轴向力作用时，电阻相对变化：,半导体材料的纵向压阻系数,压阻效应,三. 测量电路,进入“测量电桥”,(一) 直流电桥的工作原理,输出电压,（3-1）,或：,，U=0,电桥平衡条件,当应变片,输出电压增量,由式（3-1）,(二) 电桥的基本特性,设四桥臂均为应变片，则电桥输出电压,若为全等臂电桥,加减特性,(三)电桥常用工作方式,1. 单臂工作,灵敏度,由式（3-1）,非线性关系,2. 半桥工作,灵敏度,线性,若,灵敏度,3.
4、 全桥工作,灵敏度,线性,若,灵敏度,若,差动电桥： 灵敏度的提高 非线性的改善 温度自补偿,补偿片,工作臂,(四)交流电桥,(五)变压器电桥 (六)电桥使用中应注意的问题 连接导线的补偿,电桥的加减特性,常用应变片的形式,金属应变计,四. 电阻应变式传感器的应用,各种电子秤,1. 电阻应变式力传感器,被测物理量：荷重或力。 主要用途：作为各种电子称与材料试验机的测力元件、 发动机的推力测试、 水坝坝体承载状况监测等。 力传感器的弹性元件：柱式、环式、悬臂式等。,（a） 实心柱（b） 空心柱（c） 圆柱面展开图；（d） 桥路连线图,(1) 柱式力传感器,(2) 环式力传感器,(3) 悬臂梁式力
5、传感器,35,各种平行双孔梁,2. 应变式压力传感器,3. 应变式加速度传感器,4. 应变式转矩传感器,第三节 电容式传感器,电容式指纹传感器,电容式键盘,电容传声器,极距变化型,面积变化型,介质变化型,一. 工作原理,1. 极距变化型,近似线性,非线性,反比关系,相对非线性误差：,反比关系,灵敏度：,非线性项,2. 面积变化型,线性,线性,K 的提高,3. 介质变化型,二. 测量电路 电桥电路,单臂接法,差动接法,紧耦合桥,变压器式电桥,若上移，,2. 调频测量电路,初态时，,工作时，,三、电容式传感器的应用举例,1.电容式压力传感器(差压变送器),2.电容式料位计,3.电容式加速度传感器在
6、汽车中的应用,装有传感器的假人,气囊,51,4.电容式接近开关在物位测量控制中的使用,第四节 电感式传感器,一.自感式传感器（变气隙型、螺管型、差动型）1. 变气隙型自感传感器,自感式,互感式,涡流式,变气隙长度/变气隙截面积,非线性,初始位置,衔铁上移,当/01时：,非线性,线性,衔铁下移:,55,电感传感器的基本工作原理演示,气隙变小，电感变大，电流变小,F,2.差动电感传感器,3.螺管型自感传感器,线圈电感为：,实际非线性,4. 测量电路 交流电桥式、 变压器式交流电桥以及谐振式等。 ,1) 交流电桥式,2) 变压器式交流电桥,当传感器衔铁上移：如Z1=Z+Z，Z2=ZZ，,当传感器衔铁
7、下移：如Z1=ZZ，Z2=Z+Z， 此时,(a)带相敏检波的交流电桥 (b)实用电路,带相敏整流的交流电桥,3) 谐振式测量电路,分为：谐振式调幅电路和谐振式调频电路。,5. 自感式传感器的应用,变隙电感式压力传感器,变隙式差动电感压力传感器,二. 互感式传感器（差动变压器）,(a)、(b) 变隙式差动变压器,(c)、(d) 螺管式差动变压器,(e)、(f) 变面积式差动变压器,1. 三段式螺管差动变压器：,输出特性：,零点残余电压,2. 互感式传感器的应用,加速度计用传感器,第五节 电涡流式传感器,电涡流式传感器原理图 （a） 传感器激励线圈; （b） 被测金属导体,一. 工作原理,什么是电
8、涡流效应？,电涡流的趋肤效应,1. 高频反射式电涡流传感器,因涡流效应，线圈的品质因数Q下降。,Z=F(,r,f,x),线圈受电涡流影响时的等效阻抗Z,r为线圈与被测体的尺寸因子。 ,2. 低频透射式电涡流传感器,1.电桥电路,二. 测量电路,2.谐振电路,1) 调频式电路,(a) 测量电路框图； (b) 振荡电路,2） 调幅式电路,调幅式测量电路示意图,三. 电涡流式传感器的应用,1、位移测量 2、振幅测量 3、转速测量 4、无损探伤,第九节 霍尔式传感器,一、霍耳效应Hall effect,当达到动态平衡时,电流密度 J=nqv,霍尔常数,设 KH=RH / d,UH KH I B,若磁感
9、应强度B的方向与霍尔器件的平面法线夹角为时，霍尔电动势应为：,UH KH I B cos,N型半导体,霍尔元件的灵敏度,二、霍尔元件,霍尔元件的符号,测量电路,1.UHI特性,2.UHB特性,控制电流灵敏度,三、霍尔元件的基本特性,3.UHIB特性 4.开关特性 5.集成特性,霍尔传感器,霍尔元件,集成霍尔器件,霍尔线性集成器件,霍尔开关集成器件,霍尔线性集成器件,霍耳开关集成传感器内部结构框图,2,（a）外型,1,2,3,霍耳开关器件的特性,四、霍尔式传感器的应用,1、磁场测量 2、电流测量,霍尔变流器原理图,3、位移测量,霍耳开关集成传感器的应用,4、转速测量 5、 无触点开关,霍尔转速传
10、感器用于测量车轮的转速,第六节 压电式传感器,压电陶瓷位移器,压电陶瓷超声换能器,压电警号,压电加速度计,压电秤重浮游计,工作原理 压电效应,（a）正电压效应 （b）压电效应的可逆性,石英晶体压电效应机理示意图,石英晶体切片上电荷极性与受力方向的关系,电荷量,纵向压电系数,横向压电系数,压电陶瓷结构示意图,二. 等效电路,压电元件,1. 串联输出型压电元件,2. 并联输出型压电元件,第五章 电参数测量,第一节 电压测量,概述 电压测量仪器的分类,显示方式,模拟式电压表,数字式电压表,直流电压表,交流数字电压表,脉冲电压表,直流数字电压表,峰值交流数字电压表,平均值交流数字电压表,有效值交流数字
11、电压表,交流电压表,二. 模拟式直流电压测量 （一）动圈式电压表,永久磁铁,游丝,可动线圈,圆柱型铁芯,极掌,指针,调整螺钉,平衡锤,轴承,磁电系测量机构,电压灵敏度,（二）电子电压表 1.电子电压表原理,2.调制式直流放大器,三.交流电压表征和测量方法 （一）交流电压表征,1.峰值,2.平均值,全波平均值,定义式,3.有效值,数学式,4.波形因数、波峰因数,（二）交流电压的测量方法 AC/DC 转换,检波法,热电转换法,四.低频交流电压测量 （一）均值电压表,（二）波形换算,任意波形有效值,五.电压的数字式 测量 （一）概述 核心：A/D转换器,（二）数字式电压表的组成原理 1.直流数字电压表,2. 数字多用表,
