第三章 常用传感器

第三章常用传感器第一页，共七十一页，2022年，8月28日

传感器的构成传感器一般由敏感器件与辅助器件组成。敏感器件是传感器的核心，它的作用是直接感受被测物理量，并对信号进行转换输出。辅助器件则是对敏感器件输出的电信号进行放大、阻抗匹配，以便于后续仪表接入。

二者有时很容易分开，有时合二为一。目前，传感器转换后的信号大多为电信号。因而从狭义上讲，传感器是把外界输入的非电信号转换成电信号的装置。第二页，共七十一页，2022年，8月28日

第一节传感器的分类按被测量分:位移式传感器,力传感器,温度传感器等按工作原理分:电阻式,电容式,电气式,光学式,流体式等按信号变换特征分:物性型和结构型物性型:依靠敏感元件材料本身物理性质的变化来实现信号变换.例如:水银温度计,压电测力计.结构型:依靠传感器结构参数的变化实现信号转变.例如:电容式和电感式传感器.常用的分类:工作原理+被测量电阻式位移式传感器,压电式力传感器第三页，共七十一页，2022年，8月28日

按敏感元件与被测对象之间的能量关系:能量转换型与能量控制型能量转换型: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.能量控制型: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.按输出信号分:模拟式和数字式按变换原理:可分为参量型与发电型。发电型：被测量使传感器产生电动势、电流、电荷，可直接接入放大器或记录仪器，所以又称为有源型，一般不需外加电源.参量型：被测量使传感器本身的电参量R、L、C改变，这种传感器工作时必须有外加电源，故又称为无源型.第四页，共七十一页，2022年，8月28日

第二节机械式传感器及仪器原理：在测试技术中，以弹性体作为传感器的敏感元件，对力、压力、温度等物理量进行测量，而输出弹性元件本身的弹性变形，经放大后成为仪表指针的偏转，借助刻度指示出被测量的大小。优点：结构简单、可靠、使用方便、价格低廉、读数直观等

缺点：弹性变形不宜大，以减小线形误差。此外，由于放大和指针环节多为机械传动，不仅受间隙的影响，而且惯性大，固有频率低，只宜用于检测缓变或静态被测量。

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第三节电阻、电容、与电感式传感器一、电阻式传感器电阻式传感器是把被测量转换为电阻变化的一种传感器.按其工作原理可分为变阻器式和应变片式两类。

1变阻器式传感器结构组成：骨架，电阻元件（线圈等）电刷电刷可直线也可旋转运动第六页，共七十一页，2022年，8月28日

原理：它通过改变电位器触头位置，把位移转换为电阻的变化。根据下式式中

ρ——电阻率l——电阻丝长度A——电阻丝截面积

△x

△RR=Kx

K是一常数

传感器的灵敏度

=常数

=常数

输入(位移)和输出成线性关系

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△x

△R

△U

变阻式传感器电路△x

△U

灵敏度S=常数

——变阻器的总电阻——变阻器的总长度——后接电路的输入电阻

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输入(位移)和输出成线性关系灵敏度S=常数

只有

时

优点；结构简单，性能较稳定，使用方便。

缺点；受阻经直径影响，分辩率不高，运用检测精度不高的场合，噪声大.=常数

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2．电阻应变式传感器电阻应变式传感器分为金属电阻应变片式与半导体应变片式两类.△R应变式传感器是基于测量物体受力所产生应变的一种传感器金属电阻应变片结构组成：基片，电阻丝（片），覆盖层，引出线金属电阻应变片的工作原理是基于金属导体的应变效应，即金属导体在外力作用下发生机械变形时，其电阻值随着它所受机械变形(伸长或缩短)的变化而发生变化的现象。

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根据

长度为L，截面积为A，电阻率为ρ，

如果金属丝沿轴向方向受拉力而变形，其长度L变化dL，截面积A变化dA，电阻率ρ变化

，因而引起电阻R变化dR。式中A=πr²，r为电阻丝的半径，所以上式为第十一页，共七十一页，2022年，8月28日

电阻的相对变化当电阻丝沿轴向伸长时，必须沿径向缩小，两者之间的关系为

dl/l——电阻丝轴向相对变形，或称纵向应变，dr/r——电阻丝径向相对变形，或称横向应变,dp/p——电阻丝电阻率相对变对置E——电阻丝材料弹性模量λ——压阻系数

v——电阻丝泊桑比第十二页，共七十一页，2022年，8月28日

其中（1+2υ）ε项是由电阻丝几何尺寸改变引起的。对于同一电阻材料，1+2υ是常数。λEε项是由电阻丝的电阻率随应变的改变而引起的。对于金属电阻丝来说，λE是很小的，可忽略。这样上式就可简化为

灵敏度上式表明电阻相对变化率dR/R与应变ε成正比，且呈线性关系

优点:稳定性好.缺点:灵敏度系数小第十三页，共七十一页，2022年，8月28日

半导体应变片工作原理:是基于半导体材料的压阻效应。所谓压阻效应是指单晶半导体材料在沿某一轴向受到外力作用时，其电阻率ρ发生变化的现象。

结构组成:胶膜衬底半导体敏感栅（P-si）焊接端子P型硅单晶（1+2υ）ε项是由几何尺寸改变引起的，λEε项是由电阻率变化引起的。对半导体而言，后者远远大于前者，它是半导体应变片电阻变化的主要部分第十四页，共七十一页，2022年，8月28日

灵敏度=常数上式表明电阻相对变化率dR/R与应变ε成正比，且呈线性关系

半导体电阻材料的灵敏度比金属的要高50～70倍。

优点：灵敏度大;缺点：稳定性不如金属应变片。

金属丝电阻应变片与半导体应变片的主要区别在于：前者利用导体形变引起的电阻的变化，后者利用半导体电阻率变化引起的电阻的变化。△R第十五页，共七十一页，2022年，8月28日

电阻应变式传感器优点：结构简单，体积小，重量轻；频率响应较好，动态响应快;测量精度高,性能稳定可靠；使用简便。电阻应变片式传感器应用方式1）直接用来测定结构的应变或应力

2）将应变片贴于弹性元件上，作为测量力、位移、压力、加速度等物理参数的传感器。在这种情况下，弹性元件得到与被测量成正比的应变，在由应变片转换为电阻的变化。△R△U

电路电阻应变式传感器

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二、电容式传感器1.变换原理:将被测量的变化转化为电容量变化。两极板间距离为δ有效覆盖面积为A极板间介质的相对介电系数ε真空介电常数△δ△A

△ε△C

如果在δ、A、ε三个参数中保持其中的两个不变，而只改变一个参数，则电容器的电容量将随之发生变化。所以电容式传感器可以分成三种类型：极距变化型（变δ）、面积变化型（变A）和介质变化型（变ε）。

+++A第十七页，共七十一页，2022年，8月28日

1.极距变化型

当极距有微小变化dδ时，引起电容变化量dC为结构：动板，定板传感器灵敏度为≠常数

电容量C与极距δ呈非线性关系

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+++A+++极距变化S=常数灵敏度△δ＜＜δ0δ0±△δ可见，灵敏度与极距的平方成反比，极距越小，灵敏度越高，但极距减小受极板间击穿电压的限制。此外，为了减小因灵敏度随极距变化导致的非线性误差，通常极距变化范围/00.1。因此，此类电容传感器仅适于较小位移的测量（0.01m~数百微米）。

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优点：可进行动态非接触式测量，灵敏度高，动态响应快。缺点：非线性误差大，工作范围较小。实际应用为采用差动式，以提高灵敏度，和扩大测量范围第二十页，共七十一页，2022年，8月28日

面积变化型保持电容器极板距离、介质不变，仅改变极板间的相对覆盖面积。面积变化型:角位移型,平面线位移型,柱面线位移型.++++++灵敏度优点：输出与输入成线性关系。

缺点：灵敏度较低。

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介质变化型利用介质介电常数的变化将被测量转换为电量的传感器灵敏度优点：输出与输入成线性关系。

缺点：灵敏度较低。

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电容传感器主要优点

(2)电参量相对变化大。(3)动态特性好。(4)能量损耗小。(5)结构简单，适应性好。（6）可进行动态非接触式测量。(1)输人能量小而灵敏度高。

主要缺点:

（1）非线性

（2）电缆分布电容影响大。第二十三页，共七十一页，2022年，8月28日

2．测量电路△x△c△u电容传感器电路△x(被测量)

△u（电量）

（1.）电桥型电路（2.）直流极化电路（3.）谐振电路（4.）调频电路（5.）运算放大器电路

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（1.）电桥型电路∞第二十五页，共七十一页，2022年，8月28日

有两个桥臂和电容式传感器，电容值随被测量而变化。极距变化δ0±△δ灵敏度输出∆U与输入∆δ成线性关系。第二十六页，共七十一页，2022年，8月28日

（5.）运算放大器电路输入阻抗采用固定电容C0反馈阻抗采用电容传感器

灵敏度=常数输出电压与极距δ成线性关系激励电压为时第二十七页，共七十一页，2022年，8月28日

三、电感式传感器电感式传感器的工作原理是电磁感应。把被测量转换成相应电感量(自感量或互感量)变化。电感式传感器可分为自感型和互感型两大类1．自感型（1）可变磁阻式结构：线圈铁芯衔铁线圈自感量N——线圈匝数Rm－磁路磁阻第二十八页，共七十一页，2022年，8月28日

——空气磁导率A——铁芯截面积δ——气隙长度N——线圈匝数灵敏度L与δ显非线性关系≠常数

第一项为空气磁阻，第二，三项为铁心磁阻。第二十九页，共七十一页，2022年，8月28日

灵敏度S=常数δ0±△δ△δ＜＜δ0为了减小非线性误差，通常使这种传感器在较小间隙范围内工作。设间隙变化范围为（0，0+），一般实际应用中，取/00.1。第三十页，共七十一页，2022年，8月28日

差动变气隙型：提高灵敏度，改善非线性

差动型:当衔铁有位移时，可以使两个线圈的间隙按变化。一个线圈自感增加，另一个线圈自感减小。第三十一页，共七十一页，2022年，8月28日

灵敏度=常数差动式传感器单线圈传感器灵敏度灵敏度提高一倍线性范围改善非线性第三十二页，共七十一页，2022年，8月28日

（2）电涡流式传感器(涡流式)涡电流式传感器的变换原理是利用金属体在交变磁场中的涡电流效应。涡电流产生交变磁场Φ1根据楞次定律，涡电流（电涡流）的交变磁场与线圈的磁场变化方向相反，Φ1总电抵抗Φ的变化。由于涡流磁场的作用使原线圈的等效阻抗Z发生变化，变化程度主要与气隙长度δ有关。第三十三页，共七十一页，2022年，8月28日

分析表明：由于涡流磁场的作用使原线圈的等效阻抗Z发生变化。Z的变化与δ金属板的电阻率ρ、磁导率μ以及线圈激磁圆频率ω等有关。改变其中某一因素，即可达到不同的变换目的。变化δ，可作为位移，振动测量。变化ρ或μ，可作为材质鉴别或探伤等。优点：用于动态非接触测量，结构简单，使用方便，不受油液等介质影响，分辨率高。第三十四页，共七十一页，2022年，8月28日

2．互感型——差动变压器式电感传感器工作原理：是利用电磁感应中的互感现象，将被测位移量转换成线圈互感的变化。由于常采用两个次级线圈组成差动式，故又称差动变压器式传感器。当线圈W1输入交流电流i1时，线圈W2产生感应电动势e12，其大小与电流i1的变换率成正比，即式中M——比例系数，称为互感第三十五页，共七十一页，2022年，8月28日

当铁芯在中间时M1=M2，则eo=0,铁芯向上e1>e2铁芯向下e1<e2，M1≠M2eo≠0第三十六页，共七十一页，2022年，8月28日

铁芯P移动：M1

=M±M，M2

=MM（M为初始平衡互感）。

灵敏度第三十七页，共七十一页，2022年，8月28日

第四节磁电、压电与热电式传感器

一磁电式传感器（电动式传感器）

它把被测物理量的变化转变为感应电动势。

工作原理：根据电磁感应定理，一个匝数为N的线圈，当穿过该线圈的磁通Φ发生变化时，其感应电动势的大小为：

电动势与磁通变化量有关。导致磁通变化的原因有多种，当线圈的匝数及磁感应强度不变时，磁通的变化率与磁路的磁阻及线圈在磁场中的运动速度有关。根据利用被测量改变线圈速度或磁阻的方式，可将电动式传感器分成动圈式和变磁阻式。

被测量电量第三十八页，共七十一页，2022年，8月28日

1、动圈式线速度型角速度型a.线圈在磁场中作直线运动b.线圈在磁场中作旋转运动

其中，N－线圈匝数，B－磁感应强度，l－单匝线圈有效长度，v－线圈与磁场的相对速度。

其中，k－与结构有关的系数，A－线圈的截面积，ω－角速度。

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线速度型角速度型灵敏度灵敏度=常数=常数放大器~输出检波eZ0RCCCRLuL传感器电缆动圈磁电式传感器等效电路其中，Z0为线圈阻抗，Rc为电缆电阻，

Cc为电缆电容，RL为负载电阻。

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~eZ0RCCCRLuL传感器电缆下面对等效电路进行分析：若RL>>Z0，则有:与频率ω等有关，低频较好，高频较差。第四十一页，共七十一页，2022年，8月28日

2、磁阻式物体运动磁路磁阻改变磁通变化产生感应电动势第四十二页，共七十一页，2022年，8月28日

二、压电式传感器利用某些物质的压电效应将被测量转换为电量的一种传感器。

1、压电效应压电效应:某些材料，在某一方向受力时，不仅几何尺寸会发生变化，而且内部也会被极化，表面会产生电荷；当外力去掉时，又重新回到原来的状态，这种现象称为压电效应。其表面产生的电荷，电荷量的改变与受力情况有关，即

q=DFD：压电系数；F：施加力的大小2、压电材料常用的压电材料大致分为三类：压电单晶(石英晶体人工晶体等)、压电陶瓷（钛酸钡

）和有机压电薄膜（高分子聚合物薄膜

）。第四十三页，共七十一页，2022年，8月28日

3、压电传感器及其等效电路(b)也可等效为一个电压源U和一个电容器C0串联的等效电路压电传感器相当于一个电荷发生器

(a)压电元件等效为一个电荷源Q和一个电容器C0的等效电路RaCaua等效电压源等效电荷源第四十四页，共七十一页，2022年，8月28日

压电元件并联连接和串联连接

并联连接：两压电元件的负极集中在中间极板上，正极在上下两边并连接在一起，此时电容量大，输出电荷量大，适用于测量缓变信号和以电荷为输出的场合。串联连接：上极板为正极，下极板为负极，在中间是一元件的负极与另一元件的正极相连接，此时传感器本身电容小，输出电压大，适用于要求以电压为输出的场合，并要求测量电路有高的输入阻抗。第四十五页，共七十一页，2022年，8月28日

4、测量电路压电式传感器输出电信号很微弱，通常应把传感器信号先输入到高输入阻抗的前置放大器中，经过阻抗变换后，方可输入到后续显示仪表中。前置放大器有电压放大器和电荷放大器。

电压放大器电路CaRa电压放大电路uaCcRiCi-Auiuo设作用于压电晶片上的力F=F0sint。则：

q=dcF=dcF0sint，第四十六页，共七十一页，2022年，8月28日

输入端电压幅值：其中，R=Ra//Ri，C=Ca+Cc

+Ci。

当作用力频率与电路时间常数RC足够大时，电压灵敏度：第四十七页，共七十一页，2022年，8月28日

电压灵敏度与电缆电容Cc有关，当改变电缆长度或布线方法时，电压灵敏度都会改变，从而导致测量误差。对动态测量，较大，易满足(RC)2>>1，此时电压灵敏度近似与

无关，即压电传感器具有良好的高频响应特性。第四十八页，共七十一页，2022年，8月28日

电荷放大器电路电荷灵敏度

=常数CaRaqCcRiCi-AuiuyCf第四十九页，共七十一页，2022年，8月28日

在此式中，电荷灵敏度与电缆电容Cc值无关，改变电缆长度或布线方法时，电缆电容并无影响。与电压放大器比较，这是一个突出的优点，但是，电荷放大电路复杂，价格较高。电压灵敏度：电荷灵敏度

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三、热电式传感器将被测量（温度）转换为电量的传感器热电势效应原理可分为热电偶和热电阻

1.热电偶工作原理：热电偶是基于热电势效应原理的测温用传感器，把两种不同的导体或半导体连接如图，若1、2点温度不同，回路中有电流产生，称之为热电势。对于某个确定的热电偶，当某一端温度T0恒定时，热电势仅与测量端温度T有关，故可测温度T。热电势由两部分组成：①接触电势；②温差电势。

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①接触电势：A、B两导体接触后，由于电子浓度不同，在截面附近产生接触电势：

②温差电势：当一块导体两端温度不同时，在导体两端形成温差电势。

显然，当AB材料已定时，接触电势与温度T（绝对温度）有关。所以，当两种材料AB组成一个闭合回路时，设Ｔ＞Ｔ0时，回路中总电势为

由于接触电势大于温差电势，若忽略温差电势的影响。热电偶的材料有许多种，一般金属有镍铬—镍铝硅、铜、康铜，贵重金属有铂铑—铂、铂铑3，铂铑6以及钨、钼等。热电偶的种类也比较多，构成基本相同：由热电极材料、绝缘材料、保护材料和引线装置等组成。热电偶是一种发电型传感器，其输出信号可直接接入记录仪器。利用热电偶还可测量两点温差及温度场中多点的平均温度，有关方面知识还可参考其它专著。

温度T0恒定第五十二页，共七十一页，2022年，8月28日

2、热电阻

金属热电阻（热电阻）与半导体热电阻（热敏电阻）两类它具有负的电阻温度系数,随温度的上升而阻值下降。（1）铂电阻（2）铜电阻金属热电阻原理：热能热电阻电阻值温度热电阻阻值半导体热电阻RT第五十三页，共七十一页，2022年，8月28日

第五节光电传感器

首先把被测量的变化转换成光信号的变化，光电传感器是将光量转换为电量。光电器件的物理基础是光电效应。一、光电测量原理1.外光电效应在光线作用下，物质内的电子逸出物体表面向外发射的现象，称为外光电效应。如光电管、光电倍增管。2.内光电效应受光照物体(通常为半导体材料)电导率发生变化或产生光电动势的效应称为内光电效应。如光敏电阻等。3.光生伏特效应

在光线作用下使物体产生一定方向电动势的现象；如光电池、光敏晶体管等。第五十四页，共七十一页，2022年，8月28日

光通量是随被测量而变,光电流就成为被测量的函数,故又称为光电传感器的函数运用状态光电传感器。这一类光电传感器有如下几种工作方式。被测物体位于恒定光源与光电元件之间,根据被测物对光的吸收程度或对其谱线的选择来测定被测参数。如测量液体、气体的透明度、混浊度,对气体进行成分分析,测定液体中某种物质的含量等。恒定光源发出的光投射到被测物体上,被测物体把部分光通量反射到光电元件上,根据反射的光通量多少测定被测物表面状态和性质。例如测量零件的表面粗糙度、表面缺陷、表面位移等。第五十五页，共七十一页，2022年，8月28日

被测物体位于恒定光源与光电元件之间,光源发出的光通量经被测物遮去其一部分,使作用在光电元件上的光通量减弱,减弱的程度与被测物在光学通路中的位置有关。利用这一原理可以测量长度、厚度、线位移、角位移、振动等。被测物体本身就是辐射源，它可以直接照射在光电元件上，也可以经过一定的光路后作用在光电元件上。光电高温计、比色高温计、红外侦察和红外遥感等均属于这一类。这种方式也可以用于防火报警和构成光照度计脉冲式光电传感器的作用方式是光电元件的输出仅有两种稳定状态,也就是“通”、“断”的开关状态,所以也称为光电元件的开关运用状态。第五十六页，共七十一页，2022年，8月28日

第六节光纤传感器光纤传感器以光信号为变换和传输的载体，利用光导纤维传输光信号。

光纤传感器通过将被测量变换为光波的强度、频率、相位或偏振态四个参数之一的变化进行测量。通常将光波随被测量的变化而变化称为对光波进行调制。相应地，光纤传感器可分为：强度调制型、频率调制型、相位调制型及偏振态调制型。

光的电矢量的振动偏振态（矢量A的方向)

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光纤传感器可分为：功能型、传光型。功能型：是利用光纤将输入物理量变换为调制的光信号。其工作原理基于光纤的光调制效应，即光纤在外界环境因素，如温度、压力、电场、磁场等等改变时，其传光特性，如相位与光强，会发生变化的现象。因此，如果能测出通过光纤的光相位、光强变化，就可以知道被测物理量的变化。这类传感器又被称为敏感元件型。传光型：光纤仅作为光的传播媒质，由光检测元件调制的光信号。

光纤由内芯（折射率n1、直径几十m）、包层（折射率n2<n1、外径<200m）及护套（n3>>n2）组成。光导纤维结构第五十八页，共七十一页，2022年，8月28日

定义NA=为光纤的数值孔径NA是标志光纤接受能力的重要参数。作为传感器的光纤0.2NA<0.4。光纤传感器的特点光波传输，抗扰能力强无火花、无短路故障，可用于易燃、易爆环境化学性能稳定，耐高压、耐腐蚀重量轻、体积小、可挠性好，利于在狭窄空间使用频带宽、动态特性好，可实现非接触测量易于实现远距离测量技术复杂、成本高第五十九页，共七十一页，2022年，8月28日

第七节半导体传感器利用半导体材料对光、热、力、磁、气体、湿度等物理量的敏感性制成的物性型敏感器件。

半导体的特点是他们是一些物性型传感器，通常可以作成结构简单、体积小、重量轻的器件，他们的功耗低、安全可靠、寿命长；他们对被测量敏感，响应速度快；易于实现集成化。第六十页，共七十一页，2022年，8月28日

一、磁敏式传感器1霍尔元件工作原理：霍尔效应

置于均匀磁场中的通电半导体，在垂直于电场和磁场的方向产生横向电场的现象称为霍尔效应，相应电场称为霍尔电场。霍尔元件是一种半导体磁电转换元件，将霍尔元件置于磁场B中，如果在a，b端通以电流i，在c，d端就会出现电位差，称为霍尔电势第六十一页，共七十一页，2022年，8月28日

其中，k：霍尔常数，取决于材质、温度、元件尺寸（厚度）

B：磁感应强度

：电流与磁场方向的夹角。显然，改变i或B，即可改变VH。霍尔电势

热敏式传感器气敏式传感器湿敏式传感器第8节红外测试系统第9节激光测试传感器第六十二页，共七十一页，2022年，8月28日

第十节传感器的选用原则

灵敏度响应特性线性范围可靠性精确度测量方式其它（体积、价格、易维护性等）第六十三页，共七十一页，2022年，8月28日

1、灵敏度S理论上讲，我们希望传感器的灵敏度越高越好。灵敏度越高，意味着被测量发生很小变化，传感器就可以有较大的输出。但是，①灵敏度高，与测量信号无关的外界干扰也跟着混入，因此要求输入信号信噪比(SNR)高一些，而且传感器本身必须干扰噪声小，相应的设备复杂，造价高；②和灵敏度紧密相关的就是测量范围，前面已讲过，理想的测试装置应是线性的，实际测试时，输入量中含有被测量，也有干扰噪声，二者之和不可以进入非线性区域。盲目地追求高的灵敏度，导致可测量范围小，因此应折衷考虑。第六十四页，共七十一页，2022年，8月28日

2、响应特性（频率特性）在所测频率范围内，传感器