传感器技术课件

第1章绪论1.1传感器的地位和作用例1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。人与机器的机能对应关系图外界对象感官传感器人脑微机肢体执行器

无论是金属粮仓还是土仓，为防止霉变，粮食都是分层存放，仓内温度和湿度不能过高，为此，需在各层安放温湿度传感器进行检测。装有温湿度探头的粮仓示意图如下。将各层探头输出接至温湿度巡检仪上，通过巡检仪监视器监视各点温湿度情况。通过通风口保持温湿度在要求范围内。例2粮仓温度、湿度检测装有温湿度探头的粮仓示意图通风口探头通风口通风口例3：开发区海湾公司生产的感温、感烟火灾报警器集控器1中央监控图1监控系统组成框图探头11探头12探头1N其监控系统组成框图如图2:可在每一房间安放一对感温、感烟探头（智能传感器），它们输出温度、浓度信号通过串行通讯线送入由微机组成的检测系统（集控器）；集控器负责信号汇总，汇总各房间的温度和浓度信号，并监控各房间温度、烟浓度是否异常，如异常，声光报警并打开喷淋设备灭火，一层一台。各层集控器通过CAN总线、M-BUS总线等现场总线将温度、浓度等信号送入中央监控计算机。值班人员在电脑屏幕上直观监视各房间情况（温度、烟雾浓度）。房间、楼道装配摄像头，还可通过电视屏幕查看房间、楼道情况。可看出没有感温、感烟传感器，就像人缺少感官，系统无法工作。例4：热轧带钢表面温度的测量用辐射温度计测量热轧带钢表面温度的方法巳被广泛采用。从加热炉出来的钢坯最后到卷取机之前的整个轧制线上，如加热炉出口、粗轧机的入口和出口、精轧机的入口和出口以及在卷取机之前都设有辐射温度计，用以测量各阶段带钢的表面温度。并用此温度信号来控制轧制速度、轧辊压下力和冷却水流量等。

传感器作为整个检测系统的前哨，它提取信息的准确与否直接决定着整个检测系统的精度。一个国家的现代化水平是用其自动化水平来衡量的。而自动化水平是用仪表及传感器的种类和数量多少来衡量的。信息化技术包括传感器技术、通讯技术和计算机技术。传感器技术列为信息技术之首，由此可见一斑。国内高精度、多功能、集成化、智能化传感器急需开发研制。总结1.2传感器的定义与组成一、定义（Sensor）

能够感受规定的被测量并按一定规律和精度转换成可用输出信号的器件或装置.（GB7665-87）它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。

输入量是物理量、化学量和生物量。输出量主要是电量。（电量最便于传输、转换、处理及显示）输入输出的转换规律（关系）已知，转换精度要满足测控系统的应用要求。传感器应用场合（领域）不同，叫法不同。过程控制：变送器。（标准化的传感器）射线检测：发送器、接收器。探头。二、组成例如：气体压力传感器

由半导体材料制成的物性性传感器基本是敏感元件与转换元件二合一。直接能将被测量转换为电量输出。压电传感器、光电池。热敏电阻等。膜盒差动电感电桥电路气体压力传感器组成框图PSLU0mVTT0BA热电偶IhfG光电池f+++++–––––Q压电传感器RRTR0RU0Ui热敏电阻传感器1.3传感器的分类与要求分类一.分类1.按输入量分类常用的有机、光、电和化学等传感器。例如：位移、速度、加速度、力、温度和流量传感器等2.按输出量分类参数式：电阻、电感、电容、频率和离子传感器发电式：压电式、霍尔式、光电和热电式传感器3.按输出信号的性质分类模拟式传感器和数字式传感器。二.一般要求1、稳定性、可靠性一般用平均无故障时间来衡量稳定性、可靠性。在计量、工业生产等领域中稳定性、可靠性至关重要。2、静态精度测静态量，传感器精度应满足系统的精度要求。3、动态性能测动态量，如响应速度、工作频率、稳定时间等。4、量程测量被测量的范围。一般量程越大，精度越低。5、抗干扰能力工业现场环境较恶劣，存在温湿度、电磁等干扰，设计的传感器能克服这些干扰，安全稳定运行。6、体积小、能耗低、成本低结构型传感器向物性型半导体传感器发展。如测人体血压的电子血压计。（uWmW级）1.4传感器技术的发展方向1、开发新的敏感、传感材料在半导体硅材料发现力、热、光、磁、气体等物理量都会使其性能改变。制成力敏、热敏、光敏、磁敏气敏等敏感元件。基础研究寻找发现具有新原理、新效应的敏感元件和传感元件。没有深入细致的，就没有新传感元件的问世，也就没有新型传感器，组成不了新型测试系统。2、开发研制新型传感器及组成新型测试系统

(1)MEMS技术要求研制微型传感器。如用于微型侦察机的CCD传感器、用于管道爬壁机器人的力敏、视觉传感器。（2）研制仿生传感器（3）研制海洋探测用传感器（4）研制成分分析用传感器（5）研制微弱信号检测传感器3、研究新一代的智能化传感器及测试系统

如电子血压计，智能水、电、煤气、热量表。它们的特点是传感器与微型计算机有机结合，构成智能传感器。系统功能最大程度地用软件实现。4、多功能于多参数传感器的研究

如同时检测压力、温度和液位的传感器一逐步走向市场。1.5本课程的任务和目的1、任务：掌握传感器的工作原理、结构、测量电路及典型应用。2、目的：1）合理选择和使用传感器。2）对传感器技术问题有一定的分析和处理能力。3）知晓传感器的工程设计方法和实验研究方法。4）了解传感器的发展动向。要求1、复习巩固已学电路、电子等方面的知识。2、多看一些相关参考书及期刊杂志。参考书：1、检测与转换技术常健生吉林工业大学机械工业出版社2、非电量电测技术谭祖根浙江大学3、传感器技术贾伯年东南大学传感器实例温度传感器压力传感器

液位传感器第2章光电式传感器

将光量转换为电量的器件称为光电传感器或光电元件。光电式传感器的工作原理是：首先把被测量的变化转换成光信号的变化，然后通过光电转换元件变换成电信号。光电传感器的工作基础是光电效应。2.1光电效应概述

光电效应按其作用原理可分为外光电效应和内光电效应。一.外光电效应在光线作用下，物体内的电子逸出物体表面，向外发射的现象称为外光电效应。基于外光电效应的光电器件由光电管、光电倍增管等。我们知道，光子是具有能量的粒子，每个光子具有的能力由下式确定。若物体中电子吸收的入射光的能量足以克服逸出功A0时，电子就逸出物体表面，产生电子发射。故要使一个电子逸出，则光子能量hν必须超出逸出功A0，超过部分的能量，表现为逸出电子的动能。即二.内光电效应

受光照的物体导电率发生变化，或产生光生电动势的效应叫内光电效应。内光电效应又可分为以下两大类。1）光电导效应。在光线作用下，电子吸收光子能量从键合状态过渡到自由状态，而引起材料电阻率变化，这种效应称为光电导效应。基于这种效应的器件有光敏电阻等。2）光生伏特效应。在光线作用下能够使物体产生一定方向电动势的现象叫光生伏特效应。基于该效应的器件有光电池和光敏晶体管等。一.普通光电管在一个真空泡内装有两个电极：光电阴极和光电阳极。光电阴极通常是用逸出功小的光敏材料徐敷在玻璃泡内壁上做成，其感光面对准光的照射孔。当光线照射到光敏材料上，便有电子逸出，这些电子被具有正电位的阳极所吸引，在光电管内形成空间电子流，在外电路就产生电流。2.2光电管二.光电倍增管1.结构与原理由于真空光电管的灵敏度较低，因此人们便研制了光电倍增管，其工作原理如图。2.主要参数1）倍增系数M

电流放大倍数M与所加电压有关，一般在105－108之间。一般阳极和阴极的电压为1000V－2500V，两个相邻的倍增电极的电压差为50V－100V。2）阴极灵敏度和总灵敏度

一个光子在阴极上能够打出的平均电子数焦作光电阴极的灵敏度。而一个光子在阳极上产生的平均电子数焦灼光电倍增管的总灵敏度。光电倍增管的放大倍数或总灵敏度如图所示。

光电池是一种直接将光能转换为电能的光电器件。光电池在有光线作用下实质就是电源,电路中有了这种器件就不需要外加电源。

一.结构与工作原理

光电池的工作原理是基于“光生伏特效应”。它实质上是一个大面积的PN结,当光照射到PN结的一个面,例如p型面时,若光子能量大于半导体材料的禁带宽度,那么p型区每吸收一个光子就产生一对自由电子和空穴,电子空穴对从表面向内迅速扩散,在结电场的作用下,最后建立一个与光照强度有关的电动势。2.3光电池二.光电池的基本特性1.光谱特性

硒光电池和硅光电池的光谱特性如左图不同的光电池，光谱峰值的位置不同。例如，硅光电池在8000A附近，硒光电池在5400A附近。2.光照特性

光照度定义为电位面积上所接收的光的辐射能通量。单位勒克斯。Lx(W/m2)

反映短路电流、开路电压与光照度的关系。短路电流在很大范围内与光照强度成线性关系,光电池工作于短路电流状态，可做检测元件。开路电压（负载电阻RL无限大时）与光照度的关系是非线性的,并且当照度在2000lx时就趋于饱和了。光电池工作于开路电压状态，可做开关元件。3.温度特性

温度特性主要描述开路电压与短路电流随温度变化的情况。如图所示.

把光电池作为测量器件应用时,应保证温度恒定或采取温度补偿措施。JMJ112V2A51KL39K470uf～三.光电池的应用1.自动干手器手放入干手器时，手遮住灯泡发出的光，光电池不受光照，晶体管基极正偏而导通，继电器吸合。风机和电热丝通电，热风吹出烘手。手干抽出后，灯泡发出光直接照射到光电池上，产生光生电动势，使三极管基射极反偏而截止，继电器释放，从而切断风机和电热丝的电源。2.路灯控制器2.4光敏电阻为了防止周围介质的影响,在半导体光敏层上覆盖了一层漆膜,漆膜的成分应使它在光敏层最敏感的波长范围内透射率最大。1.光敏电阻的结构它是涂于玻璃底板上的一薄层半导体物质,半导体的两端装有金属电极,金属电极与引出线端相连接,光敏电阻就通过引出线端接入电路。2.光敏电阻的工作原理

光敏电阻又称光导管,它几乎都是用半导体材料制成的光电器件。光敏电阻没有极性,纯粹是一个电阻器件,使用时既可加直流电压,也可以加交流电压。无光照时,光敏电阻值（暗电阻）很大,电路中电流（暗电流）很小。当光敏电阻受到一定波长范围的光照时,它的阻值（亮电阻）急剧减少,电路中电流迅速增大。一般希望暗电阻越大越好,亮电阻越小越好,此时光敏电阻的灵敏度高。实际光敏电阻的暗电阻值一般在兆欧级,亮电阻在几千欧以下。3．光敏电阻的主要参数１）暗电阻光敏电阻在不受光时的阻值称为暗电阻,此时流过的电流称为暗电流。２）亮电阻光敏电阻在受光照射时的电阻称为亮电阻,此时流过的电流称为亮电流。３）光电流亮电流与暗电流之差称为光电流。

4．光敏电阻的基本特性

1）伏安特性：在一定照度下,流过光敏电阻的电流与光敏电阻两端的电压的关系①一定光照，R一定，I正比于U。②一定电压，I随着光照E增强而增大。

E↑→R↓→I↑。2)光照特性（I～E）

光敏电阻的光照特性为非线性，不宜作检测元件，主要用于自动控制中。3）光谱特性（Kr%）光敏电阻的相对光敏灵敏度与入射波长的关系称为光谱特性。亦称为光谱响应。①不同材料，其峰值波长不同。②同一种材料，对不同波长的入射光，其相对灵敏度不同，响应电流不同。应根据光源的性质，选择合适的光电元件（匹配）使光电元件得到较高得相对灵敏度。4）温度特性温度变化影响光敏电阻的光谱响应。

硫化铅光敏电阻的光谱温度特性曲线,它的峰值随着温度上升向波长短的方向移动。因此,硫化铅光敏电阻要在低温、恒温的条件下使用。对于可见光的光敏电阻,其温度影响要小一些。5.光敏电阻的应用1.光照度计农作物日照时数测定。输出接单片机的I/O口，每2分钟对此口查询1次，为高电平，计数一次，为低电平，不计数。1天查询720次。无光照V0=VL。有光照V0=VH。2.环境照度监视器3.带材跑偏检测仪2.5光敏二极管与三极管一.光敏二极管1.工作原理与结构光敏二极管的结构与普通二极管一样，都有一个PN结，两根电极引线，而且都是非线性器件，具有单向导电性。不同之处在于光敏二极管的PN结状在管壳的顶部，可直接受到光的照射，其结构和电路如图所示。没有光照射时，处于反向偏置的光敏二极管，工作于截止状态,这时只有少数载流子在反向偏压的作用下，渡越阻挡层，形成微小的反向电流即暗电流。这时反向电阻很大。当光照射在PN结上时,光子打在PN结附近,PN结附近产生光生电子和光生空穴对。从而使P区和N区的少数载流子浓度大大增加，因此在反向外加电压和内电场的作用下,P区的少数载流子渡越阻挡层进入N区，N区的少数载流子渡越阻挡层进入P区，从而使通过PN结的反向电流大为增加，形成光电流。这时二极管处于导通状态。光的照度越大,光电流越大。2.光敏二极管的基本特性1）光谱特性在入射度一定时，输出的光电流（或相对灵敏度）随光波波长的变化而变化。一种光敏二极管只对一定波长的入射光敏感，这就是它的光谱特性。如图所示。2）伏安特性3）光照特性4）温度特性温度变化对光敏二极管输出电流影响较小,但对暗电流的影响却十分显著.3.光敏二极管的应用1）光电路灯控制电路2）光强测量电路二.光敏三级管光电三极管比具有相同有效面积的光电二极管的光电流大几十至几百倍，但相应速度较二极管差。1.工作原理与结构基极开路，集电极与发射极之间加正电压。当光照射在集电结上时,在结附近产生电子-空穴对,电子在结电场的作用下，由P区向N区运动，形成基极电流，放大β倍形成集电极电流（光电流）,所以光电三极管有放大作用。2.光敏三极管的基本特性1）光谱特性与伏安特性光谱特性与二极管相同，伏安特性如图。2）温度特性与光照特性

温度特性与光敏二极管相同，光照特性如图3.光敏三极管的应用1.脉冲编码器2.转速传感器2.6光电耦合器件一．光电耦合器

光电耦合器的发光和接收元件都封装在一个外壳内,一般有金属封装和塑料封装两种。发光元件为发光二极管，受光元件为光敏三极管或光敏可控硅。它以光为媒介，实现输入电信号耦合到输出端。

特点：①强弱电隔离。输入输出极之间绝缘电阻很高。耐压达2000V以上。能避免输出端对输入端地线等的干扰。②对系统内部噪声有很强的抑制作用。发光二极管为电流驱动元件，动态电阻很小，对系统内部的噪声有旁路作用。（滤除噪声）

光电耦合器的组合形式应用于自动控制电路中的强弱电隔离。二.光电开关

光电开关在制造业自动化包装线及安全装置中作光控制和光探测装置。可实现限位控制、产品计数,料位检测，越限安全报警及计算机输入接口等用途。1.光电开关结构透射式和反射式的光电开关。

利用输出电平的状态判断有无被测物。2.基本电路（透射式）如图（a)(c)无被测物，输出高电平；有被测物，输出低电平。(b)无被测物，输出低电平；有被测物，输出高电平。2.7色敏光电传感器1.结构与基本原理

色敏光电传感器相当于两支结构不同的光电二极管的组合，故又称光电双结二极管2.基本特性1）光谱特性2）短路电流比－波长特性

短路电流比－波长特性是表征半导体色敏器件对波长的识别能力，是赖以确定被测波长的基本特性。3.色敏光电传感器的应用色彩信号处理电路2.8红外光传感器红外辐射红外辐射俗称红外线，它是一种不可见光，由于是位于可见光中红色光以外的光线，故称红外线。它的波长范围大致在0.76-1000μm,红外线在电磁波谱中的位置如下图。二.红外光传感器的工作原理与结构

红外光传感器按工作原理可分为光量子型和热电型两大类。光量子型可直接把红外光转换成电能。如，红外光敏电阻和红外PN结型光生伏特器件，用于遥感成像方面。热电型吸收红外光后变为热能，使材料的温度升高，电学性能发生变化，人们利用这个现象制成了测量光辐射的器件。如红外热释电传感器。1.热释电效应

对于某些材料(如锆钛酸铅系陶瓷以及钽酸锂、硫酸三甘肽等)，具有自发极化的特征。自发极化与温度有很大关系。若温度因吸收红外光而升高，则极化强度减少，使单位面积上极化电荷减少，释放一定量的吸附电荷；若与一个电阻连成回路，会形成电流，如图所示。由实验证实，电阻上压降的变化为由于dT/dt与红外线强度的变化成正比，结合上式，可得出输出电压正比与红外线强度的变化。2.单元件热释电传感器的结构和等效电路3.双元件（双元型）红外传感器

此传感器专门用来检测人体辐射的红外线能量。市场上常见有国产的SD02、PH5324，日本的SCA02-1，美国的P2288等。

SD02由敏感单元、场效应管、高阻抗变换管、滤光窗等组成，并在氦气环境下封装而成。三.红外光传感器的应用1.无线报警系统2.卫生间节水控制器3.红外测温仪4.红外气体分析仪2.9固态CCD图像传感器

固态图像传感器按其结构可分为三类：电荷耦合器件（简称CCD）、MOS图像传感器（简称SSPA）和电荷注入器件（简称CID）。目前，前两种用得较多。广泛用于图像传输与识别。例如，摄像机、数码照相机、扫描仪、复印机和机器人的眼睛等。在本节中仅说明CCD图像传感器的工作原理与特性一.电荷耦合器件(CCD)电荷耦合器件（ChargeCoupleDevice，简称CCD），它将光敏二极管阵列和读出移位寄存器集成为一体，构成具有自扫描功能的图象传感器。是一种金属氧化物半导体（MOS）集成电路器件，它以电荷作为信号,基本功能是进行光电转换电荷的存储和电荷的转移输出。广泛应用于自动控制和自动测量,尤其适用于图像识别技术。1.MOS光敏单元的结构及原理CCD器件完成对物体的成像，在其内部形成与光像图形相对应的电荷分布图形。这就要求它的基本单元具有存储电荷的功能，同时还具有电荷转移输出功能。CCD器件的基本单元结构是MOS（金属—氧化物—半导体）结构。即在P型硅衬底上生长一层SiO2(120nm),再在SiO2层上沉积金属铝构成MOS结构，它是CCD器件的最小工作单元。A、势阱的产生

MOS的金属电极加正压，电极下的P型硅区域内空穴被赶尽，留下带负电荷的负离子，其中无导电的载流子，形成耗尽层。它是电子的势阱。势阱的深浅取决于U的大小。B、电荷的存储势阱具有存储电荷的功能，势阱内所吸收的光生电子数量与入射到势阱附近的光强成正比。

CCD器件将物体的光像形成对应的电像时，就是CCD器件中上千个相互独立的MOS单元势阱中存储与光像对应的电荷量。2.读出移位寄存器是电荷图像的输出电路研究如何实现势阱下的电荷从一个MOS元位置转移到另一个MOS元位置，并依次转移并传输出来。A、电荷的定向转移

当外加电压一定时，势阱的深度随势阱中的电荷量的增加而线性减少。由此通过控制相邻MOS电容器栅极电压高低来调节势阱的深浅。要求：多个MOS电容紧密排列且势阱相互沟通。金属电极上加电压脉冲严格满足相位要求。B、三相CCD电极的结构

MOS上三个相邻电极，每隔两个所有电极接在一起。由3个相位差120°时钟脉冲驱动。C、电荷的输出在输出端P型硅衬底上扩散形成输出二极管，二极管加反压，在PN结形成耗尽层。输出栅OG加压使电荷转移到二极管的耗尽区，作为二极管的少数载流子形成反向电流输出。输出电流的大小与电荷大小成正比，通过负载变为电压输出。输出二极管电流法二.CCD图像传感器

1.线阵电荷耦合器件线阵CCD结构原理图

（1）光照光敏元，各光敏元中的光敏二极管产生光生电子空穴对，电子注入对应的MOS势阱中，光像变为电像—电荷包。（光积分）（2）积分周期结束，控制信号使转移栅打开，光生电荷就通过转移栅耦合到移位寄存器中，通过移位寄存器并行输出。（3）转移栅关闭后，光敏单元开始下一行图像信号积分采集。图7-12各脉冲的波形和相位2.面阵型CCD图像传感器

面阵型CCD图像器件的感光单元呈二维矩阵排列，能检测二维平面图像。按传输和读出方式可分为行传输、帧传输和行间传输三种。下面主要介绍前两种。1）行传输（LT）面阵CCD2）帧传输（FT）面阵CCD

光敏区和存储区分开，光敏区在积分时间内，产生与光像对应的电荷包，在积分周期结束后，利用时钟脉冲将整帧信号转移到读出寄存器。然后，整帧信号再向下移，进入水平读出移位寄存器，串行输出。（一帧对应光敏区MOS的数量）光敏区存储区读出寄存器三.CCD图像传感器的特性参数1.转移效率当CCD中电荷包从一个势阱转移到另一个势阱时，若Q1为转移一次后的电荷量，Q0为原始电荷，则转移效率定义为若转移损耗定义为则电荷进行N次转移时，总转移效率为要求转移效率必须达到99.99％－99.999%2.分辨率CCD图象传感器的分辨率用调制转移函数MTF表征。当光强以正弦变化的图像作用在传感器上时，电信号幅度随光像空间频率的变化为调制转移函数MTF。根据奈奎斯特采样定理，定义图像传感器的最高分辨率fm等于它的空间采样频率f0的一半，即3.暗电流

暗电流起因于热激发产生的电子－空穴对，是缺陷产生的主要原因。CCD器件暗电流越小越好。4.灵敏度

图象传感器的灵敏度是指单位发射照度下，单位时间、单位面积发射的电量，即

四.CCD图像传感器应用

1、线阵CCD器件检测工件尺寸L——工件尺寸，N——覆盖的光敏单元d——相邻光敏单元中心距离M——光学系统放大率2d为图象末端两个光敏单元之间可能的最大误差。根据目前产品情况d＝0．013～0．03mm。2.线列CCD摄像系统3.文字图像识别系统邮政编码识别系统。写有邮政编码的信封放在传送带上，传感器光敏元的排列方向与信封的运动方向垂直，光学镜头将编码的数字聚焦到光敏元上。当信封运动时，传感器以逐行扫描的方式把数字依次读出。读出的数字经二值化等处理，与计算机中存储的数字特征比较，最后识别出数字码。由数字码，计算机控制分类机构，把信件送入相应分类箱中。驱动电路分类机构计算机细化二值化处理传送带CCD透镜1分类箱23邮政编码识别系统2.10光纤传感器一、光纤的传光原理1、光纤结构由纤芯和包层组成（石英玻璃5—100um)（n1>n2)。外层一层尼龙保护套。2、传光原理光的全内反射是光纤传输光的基础。（1）光的全反射条件

光由纤芯到包层表面，由光的折射定律可知：

（2）数值孔径NA光由空气射入光纤端面，与轴成角。即可实现全反射，光在纤芯内全反射（无损耗）传输。希望NA越大越好。它表明无论光源发射功率多大，只有2内的光才能被光纤接受，全反射传输。二.光纤分类1.按传输模式分单模光纤、多模光纤.

模的概念光纤传输光波，可分解为沿纵向和横向传输两种平面波成分。横向波在纤芯和包层界面上产生全反射。当它在横向往返依次的相位变化为2π的整数倍时，形成驻波。形成驻波的光线组成为模。模是离散存在的。一定材质一定尺寸的光纤只能传输特定模数的光波。模的确定光纤传输模数由归一化频率确定。芯径大，折射率差大（NA大），N大，多模。芯径小到6µm,折射率差小到0.5%。N=1光纤只能传输一定波长光，单模。2.按折射率分布阶跃型光纤和梯度型光纤三.光纤传感器的基本原理光纤传感器通常可分为功能型（传感型）和非功能型（传光型）。功能型光纤传感器

用单模光纤，既传光又是敏感元件。（单模光纤只能传输某一角度和波长的单色光）光纤的传输特性受被测物理量作用而发生变化。使光纤中传输光的属性（相位、强度、波长、偏振态）被调制。光强调制型、相位调制型、偏振态调制型和波长调制型。测温度、压力、位移等。

非功能型光纤传感器（光通讯）光纤只作为光的传输回路。为了得到较大的受光量和传输光功率。非功能型光纤传感器采用NA较大和芯径较大的阶跃型多模光纤。增大传输光的通量。1.光强调制2.相位调制Mach-Zehnder干涉原理图3.偏振调制光纤电流传感器

三、光纤传感器实例

1.光纤加速度传感器

激光束通过分光板后分为两束光,透射光作为参考光束,反射光作为测量光束。当传感器感受加速度时,由于质量块M对上下光纤的作用,

从而使光纤被拉伸,引起光程差的改变。相位改变的激光束由单模光纤射出后与参考光束会合产生干涉效应。激光干涉仪的干涉条纹的移动可由光电接收装置转换为电信号,(光电探测器置于汇合处）经过处理电路处理后便可正确地测出加速度值。由于光纤长度的变化，引起光束光程差的变化两束光经干涉仪产生相干条纹，相干条纹移过的数目与相位差成正比。一般用光电探测器计下干涉条纹移过的数目，经处理电路可算出相位差，即而算出加速度。2.光纤电流传感器3.光纤图像传感器4.光纤温度传感器2.11激光传感器一.激光产生的机理原子在正常分布状态下，总是稳定的处于低能级E1，如无外界作用，原子将长期保持这种稳定状态。一旦受到外界光子的作用，赋予原子一定的能量E后，原子就从低能级E1跃迁到高能级E2，这个过程称为光的受激吸收。光受激后，其能量有下列关系：

E=hυ=E2-E1E-光子的能量

υ-光的频率

h-普朗克常数（6.623×10-23J.s)受激辐射:处于高能级E2的原子在外来光的诱发下，从高能级E2跃迁至低能级E1而发光。这个过程叫光的受激辐射。受激辐射的条件：根据外光电效应，只有外来光的频率等于激发态原子的某一固有频率（即红限频率）时,原子的受激辐射才能产生。粒子反转：在外来光的激发下，如果受激辐射大于受激吸收，原子在某高能级的数目就多于低能级的数目，像对于原子正常分布状态来说，称之为粒子反转。当激光器内工作物质中的原子处于反转分布，这时受激辐射占优势，光在这种物质中传播时，会变得越来越强。通常把这种处于粒子反转分布状态的物质称为增益介质。增益介质放在光学谐振腔内。光学谐振腔除了有增益介质外，还有两个平行对置的反射镜，一个为全反射镜，另一个为半反半透镜。当原子发出的光焰谐振腔轴向传播时，光子碰到反射镜后，就被反射折回，在两反射镜间往返运行，不断碰撞，使工作物质受激辐射，产生雪崩似的放大，从而形成了强大的受激辐射光该辐射光称为激光。然后由半反半透镜输出。二.激光的特性激光与普通光源相比，具有如下特点。方向性强能量集中具有高平行度，发散角小，约为0.18°。光束扩展角小，一般可至10－3rad。能量高度集中，其亮度很高，一般比同能量的普通光源好几百万倍单色性好普通光源中，单色性最好的是同位素氪86（86Kr)灯发出的光，其中心波长λ＝605.7nmΔλ=0.0047nm;而氦氖激光器λ＝632.8nm，Δλ=10－6nm。相干性好所谓相干性好就使两束光在相遇区域内发出的波相叠加，并能形成较清晰的干涉图样或能接收到稳定的拍频信号。时间相干空间相干三.激光器及其特性

要产生激光必须具备三个条件：1）必须由能形成粒子数反转分布的工作物质（增益介质）2）激励能量（光源）3）光学谐振腔。将这三者结合在一起的装置称为激光器。到目前为止，激光器按增益介质可分为如下四种。

1.固体激光器

2.液体激光器

3.气体激光器

4.半导体激光器四.激光传感器的应用1.激光测距2.激光测流速第3章数字式传感器

数字式传感器能把被测的模拟量直接转换成数字量。与模拟传感器相比的特点是:抗干扰能力强,稳定性强;易于微机接口,便于信号处理和实现自动化测量。

本章讲述常用的数字式传感器光栅传感器磁栅传感器旋转式光电编码器直线感应同步器旋转变压器3.1光栅传感器一.光栅及其测量系统1.光栅的结构类型

1）长光栅尺2）圆光栅刻划在玻璃盘上的光栅称为圆光栅也称光栅盘，用来测量角度或角位移。根据栅线刻划的方向，圆光栅分两种，一种是径向光栅，其栅线的延长线全部通过光栅盘的圆心；另一种是切向光栅，其全部栅线与一个和光栅盘同心的直径只有零点儿或几个毫米的小圆相切若按光线的走向，圆光栅只有透射光栅。2.光栅测量系统（光栅读数头）二.光栅传感器的工作原理1.莫尔条纹的形成及其特征当指示光栅和标尺光栅的刻线相交一个微小的夹角时,光源照射光栅尺，由于挡光效应，两块光栅刻线的相交处形成亮带，而在刻线彼此错开处形成暗带。在与光栅线纹大致垂直的方向上,产生出亮暗相间的条纹,这些条纹称为“莫尔条纹”。

莫尔条纹的特征1)放大作用放大倍数为1/θ,θ越小,B越大。例如θ=0.1°时θ=0.1°=0.1×2π/360=0.00175432radW=0.02mmBH=11.4592mm。2)对应关系

3）误差的平均效应光电元件对光栅的栅距误差具有消差作用。莫尔条纹由光栅的大量刻线形成,对线纹的刻划误差有平均抵消作用,几条刻线的栅距误差或断裂对莫尔条纹的位置和形状影响甚微。能在很大程度上消除短周期误差的影响。

例W=0.02mm,接收元件尺寸10×10mm2,在10mm范围内有500条刻线参与工作，某几条刻线误差对莫尔条纹位置和形状基本无影响。2.辨向原理及辨向电路1）为什么要辨向

当可动光栅（主光栅）无论向前或向后移动时，在一固定点安装的光电元件只能接收到莫尔条纹明暗交替的变化，后面的数字电路都将发生同样的计数脉冲，从而无法辨别光栅移动的方向，也不能正确测量出有往复移动时位移的大小。因而必须在测量电路中加入辨向电路。2）辨向原理与辨向电路辨向电路设计数器记得脉冲数为N，位移

x=NW

光栅测量位移属于增量式测量。三.细分技术目的：提高分辨力（测量比栅距更小的位移量）。细分思想：在一个栅距即一个莫尔条纹信号变化周期内,发出n脉冲,每个脉冲代表原来栅距的1/n。由于细分后计数脉冲频率提高了n倍,因此也称之为n倍频。细分类型：电子细分又分为四倍频直接细分和电位器桥细分。1.四倍频细分在相差B/4位置上安放两个光电元件，得到两个相差π/2电压信号（S和C），将这两个信号整形、反相得到四个依次相差π/2的电压信号。0°（S），90°（C）180°（S）270°（C）。在光栅作相对运动时，经过微分电路，在正向运动时，得到四个微分脉冲（加计数脉冲）；反向运动时，得到四个微分脉冲（减计数脉冲）。2.电位器桥（电阻链）细分实现方法及原理四细分后得到的四个相位差为90度的交流信号Umsinθ,Umcosθ和-Umsinθ,-Umcosθ。以这四个交流信号为原函数（两原函数间各接几个电位器，构成电位器桥，把θ=0-360度,（x=0-W）分成四个象限。每一个象限，由于电压的合成与电位器的移相作用，电阻链上各电位器中间抽头得到幅值各不相同的一系列移相信号（新函数）。四.光栅数显装置主要芯片简介1.光栅信号处理芯片(HKF710502)

主要功能：信号的同步、整形、四细分、辨向、加减控制、参考零位信号的处理、记忆功能的实线和分辨率的选择等。2.逻辑控制芯片（HKE701314）主要功能：为整机提供高频和低频脉冲；完成BCD译码；XJ校验及超速报警。3.可逆计数与零位记忆芯片（HKE701201)

主要功能：接收从光栅信号处理芯片传来的计数脉冲，完成可逆计数；接收参考零位脉冲，使计数器确定参考零位的数值，同时也完成清零、置数、记忆等功能。五.光栅传感器的应用3.2旋转式光电编码器一.增量式旋转光电编码器1.工作原理2.增量式光电盘4.旋转方向的判别二.绝对式光电编码器1.测量原理2.绝对式光电码盘3.循环码盘1）编码规则将二进制码右移一位并舍去最末位与原二进制做不进位加法。2）特点相邻两个数码之间只有一位变化。4.提高分辨率的方法－插值法三.光电编码器的应用1.在数控机床中的应用2.角度及转速的测量

脉冲频率法脉冲周期法3.3直线式感应同步器一.直线式感应同步器的结构二.工作原理三.数显装置1.鉴幅式2.主要性能指标1）精度在整个测量范围内作静态测量时的显示值与被测实际值的最大可能偏离量，用正负偏差表示2）分辨力系统能反映的最小位移变化量。在数字系统中分辨力与脉冲当量或最低为显示数字一致。所谓脉冲当量q是指一个脉冲所对应的机械位移变化量。对于线位移测量，可用下式计算：式中：W－节距

n－系统的细分数3）跟踪速度

当机械运动大于系统所允许的跟踪速度时，增量脉冲跟不上机械位移增量，就会发生丢失节距而不能正常工作的情况。系统的允许跟踪速度ui为式中：fi-增量脉冲频率

q-脉冲当量四.安装使用注意事项

安装结构图如下所示。完整的感应同步器有定尺组件、滑尺组件和防护罩三部分。感应同步器的安装要求如下：五.感应同步器的应用1.机床闭环控制2.定位控制3.随动控制3.4旋转变压器一.旋转变压器的结构二.旋转变压器的工作原理1.两级绕组式的工作原理2.四级绕组式的工作方式1）鉴相工作方式定子绕组分别通以同幅值、同频率、相位相差90度的交流电压。根据叠加原理，转子绕组中的感应电压为这两个电压的代数和，即2）鉴幅式工作方式

当两个定子绕组分别通以同频率、同相位，单幅值不同的交流电压其幅值分别为α－定子绕组的电气角，转子上的叠加电压为由上式可知，转子输出电压的幅值随转子的转角而变化，因此只要测出电压幅值的变化则可知的角位移的变化。三.旋转变压器的应用在数控机床中的应用第4章热电式传感器

温度是表征物体冷热程度的物理量。它反映物体内部各分子运动平均动能的大小。温度可以利用物体的某些物理性质（电阻、电势、等）随着温度变化的特征进行测量。测量方法按作用原理分接触式和非接触式。接触式传感器接触温度场，二者进行热交换。（热电偶、热电阻温度传感器）。

测温范围在-250——1800度，适用于远距离多点测量。非接触式测温方法是应用物体的热辐射能量随温度的变化而变化的原理。物体辐射能量的大小与温度有关,当选择合适的接收检测装置时,便可测得被测对象发出的热辐射能量并且转换成可测量和显示的各种信号,实现温度的测量。这类测温方法的温度传感器主要有光电高温传感器、红外辐射温度传感器、光纤高温传感器等。测量范围600—6000度。4.1热电偶传感器一.热电偶的测温原理1.接触电势2.温差电势回路总的电势为由于温差电势很小，可略去。因此回路的电势为:热电偶回路的几点结论：①如果构成热电偶的两个热电极为材料相同的均质导体，则无论两结点温度如何，热电偶回路内的总热电势为零。必须采用两种不同的材料作为热电极。②如果热电偶两结点温度相等，热电偶回路内的总电势亦为零。③热电偶AB的热电势与A、B材料的中间温度无关，只与结点温度有关。二.热电偶基本定律

1.中间导体定律利用热电偶进行测温,必须在回路中引入连接导线和仪表,接入导线和仪表后会不会影响回路中的热电势呢？中间导体定律说明,在热电偶测温回路内,接入第三种导体,只要其两端温度相同,则对回路的总热电势没有影响。接入第三种导体回路如图所示。由于温差电势可忽略不计,则回路中的总热电势等于各接点的接触电势之和。即EABC(T,T0)=eAB(T)+eBC(T0)+eCA(T0)（1）当T=T0

时,有

EABC(T0)=eAB(T0)+eBC(T0)+eCA(T0)=0

由此得eAB(T0)＝－eBC(T0)－eCA(T0)=0代入（1）式ＥＡＢＣ(T,T0)=eAB(T)-eAB(T0)=eAB(T,T0)

同理,加入第四、第五种导体后,只要加入的导体两端温度相等,同样不影响回路中的总热电势。2.参考电极定律当结点温度为T,T0时，用导体A，B组成的热电偶的热电动势等于AC热电偶和CB热电偶的热电动势的代数和。

参考电极的实用价值在于：它可大大简化热电偶的选配工作。实际测温中，只要获得有关热电极与参考电极配对时的热电势值，那么任何两种热电极配对时的热电势均可按公式而无需再逐个去测定。

用作参考电极(标准电极)的材料，目前主要为纯铂丝材，因为铂的熔点高，易提纯，且在高温与常温时的物理、化学性能都比较稳定。3.中间温度定律

在热电偶回路中,两接点温度为T,T0时的热电势,等于该热电偶在接点T,Ta和Ta和T0时的热电势。

根据这一定律，只要给出自由端0℃时的热电势和温度关系，就可求出冷端为任意温度T0的热电偶电动势。它是制定热电偶分度表的理论基础。在实际热电偶测温回路中,利用热电偶这一性质,可对参考端温度不为0℃的热电势进行修正。

三、常用热电偶

理论上讲,任何两种不同材料的导体都可以组成热电偶,但为了准确可靠地测量温度,对组成热电偶的材料必须经过严格的选择。工程上用于热电偶的材料应满足以下条件:热电势变化尽量大,热电势与温度关系尽量接近线性关系,物理、化学性能稳定,易加工,复现性好,便于成批生产,有良好的互换性。实际上并非所有材料都能满足上述要求。目前在国际上被公认比较好的热电材料只有几种。国际电工委员会（IEC）向世界各国推荐8种标准化热电偶,所谓标准化热电偶,它已列入工业标准化文件中,具有统一的分度表。我国从1988年开始采用IEC标准生产热电偶。表11-1为我国采用的几种热电偶的主要性能和特点。

1.镍铬-考铜(E型)2.镍铬-镍铝(K型)3.铂铑30-铂铑6（B型）4.铂铑10-铂(S型）目前工业上常用的有四种标准化热电偶四、热电偶的结构形式

为了适应不同生产对象的测温要求和条件,热电偶的结构形式有普通型热电偶、铠装型热电偶和薄膜热电偶等。

1.普通型热电偶

普通型结构热电偶工业上使用最多,它一般由热电极、绝缘套管、保护管和接线盒组成2.铠装热电偶

铠装热电偶又称套管热电偶。它是由热电偶丝、绝缘材料和金属套管三者经拉伸加工而成的坚实组合体,它可以做得很细很长,使用中随需要能任意弯曲。铠装热电偶的主要优点是测温端热容量小,动态响应快,机械强度高,挠性好,可安装在结构复杂的装置上,因此被广泛用在许多工业部门中。3.薄膜热电偶

薄膜热电偶是由两种薄膜热电极材料,用真空蒸镀、化学凃层等办法蒸镀到绝缘基板上面制成的一种特殊热电偶,薄膜热电偶的热接点可以做得很小（可薄到0.01~0.1μm）,具有热容量小,反应速度快等的特点,热相应时间达到微秒级,适用于微小面积上的表面温度以及快速变化的动态温度测量。

五.热电偶温度补偿方法

从热电偶测温基本公式可以看到,对某一种热电偶来说热电偶产生的热电势只与工作端温度t和自由端温度t0有关,即:EAB(t,t0)=eAB(t)-eAB(t0)

热电偶的分度表是以t0=0℃作为基准进行分度的,而在实际使用过程中,参考端温度往往不为0℃,那么工作端温度为t时,分度表所对应的热电势EAB(t,0)与热电偶实际产生的热电势EAB(t,t0)之间的关系可根据中间温度定律得到下式

EAB(t,0)=EAB(t,t0)+EAB(t0,0)由此可见,EAB(t,0)是参考端温度t0的函数,因此需要对热电偶参考端温度进行处理。1.补偿导线法在实际测温时,需要把热电偶输出的电势信号传输到远离现场数十米的控制室里的显示仪表或控制仪表,这样参考端温度t0也比较稳定。热电偶一般做得较短需要用导线将热电偶的冷端延伸出来。工程中采用一种补偿导线,它通常由两种不同性质的廉价金属导线制成,而且在0~100℃温度范围内,要求补偿导线和所配热电偶具有相同的热电特性。2.冷端温度修正法可得热电偶热电势的计算公式：

E(t,0)=E(t,t0)+E(t0,0)E(t,0)－表示冷端为零度，热端为t时的热电势E(t,t0)－表示冷端为t0，热端为t时的热电势,实测值E(t0,0)－表示冷端为零度，热端为t0时的热电势采用补偿导线可使热电偶的参考端延伸到温度比较稳定的地方,但只要参考端温度不等于0℃,需要对热电偶回路的电势值加以修正,修正值为EAB(t0,0)。经修正后的实际热电势,可由分度表中查出被测实际温度值3.电桥补偿法

补偿电桥法是利用不平衡电桥产生的不平衡电压作为补偿信号,来自动补偿热电偶测量过程中因参考端温度不为0℃或变化而引起热电势的变化值。

不平衡电桥由三个电阻温度系数较小的锰铜丝绕制的电阻R1、R2

、R3、电阻温度系数较大的铜丝绕制的电阻RCU和稳压电源组成。补偿电桥法补偿原理：将带有铜热电阻的补偿电桥与被补偿的热电偶串联，铜与热电偶的冷端置于同一温度场。室温时，电桥输出为零，当冷端温度变化时，铜电阻阻值变化造成电桥不平衡输出。此不平衡输出电压对热电偶输出变化有抵消作用。

4.冰浴法

六．热电偶测温线路

热电偶测温时,它可以直接与显示仪表（如电子电位差计、数字表等）配套使用,也可与温度变送器配套,转换成标准电流信号,下图为典型的热电偶测温线路。如用一台显示仪表显示多点温度时,可按下图连接,这样可节约显示仪表和补偿导线。

特殊情况下,热电偶可以串联或并联使用,但只能是同一分度号的热电偶,且参考端应在同一温度下。如热电偶正向串联,可获得较大的热电势输出和提高灵敏度。在测量两点温差时,可采用热电偶反向串联。利用热电偶并联可以测量平均温度。（1）、单点温度测量（2）、测量两点的温度差用两只相同型号的热电偶，配用相同的补偿导线，反向串联。产生热电势为ET=EAB（T1，T0）—EAB（T2，T0）显示仪表CBADBAT2T1T0T0C（3）、测量平均温度用几只型号特性相同的热电偶并联在一起。仪表R1E1R2R3E2E3T2T1T3T0ET

例用镍铬一镍硅热电偶测炉温时，其冷端温度to＝30℃，在直流电位差计上测得的电动势EAB(t,30)=38．500mV，求炉温为多少?镍铬一镍硅热电偶分度表（自由端温度为0℃）解：①查镍铬一镍硅热电偶K分度表得：②根据中间温度定律得：③查镍铬一镍硅热电偶K分度表得：℃4.2

热电阻传感器

一、概述

热电阻传感器是利用导体或半导体的电阻值随温度变化而变化的原理进行测温的。

1.优点：①测量精度高；②有较大的测量范围；－200～600℃③易于使用在自动测量和远距离测量中2.分类热电阻传感器分为金属热电阻和半导体热电阻两大类,一般把金属热电阻称为热电阻,而把半导体热电阻称为热敏电阻。3.常用热电阻用于制造热电阻的材料应具有尽可能大和稳定的电阻温度系数和电阻率,R-t关系最好成线性,物理化学性能稳定,复现性好等。目前最常用的热电阻有铂热电阻和铜热电阻。4.热电阻的结构构测温范围：-200℃~850℃

电阻与温度的关系：在-200℃~0℃范围

在0～850℃范围式中，Rt—温度为t时的阻值

R0—温度为0度时的阻值

A－常数，

B－常数，

C－常数，

二、铂电阻Pt

热电阻在温度t时的电阻值与R0

有关。目前我国规定工业用铂热电阻有R0=50Ω和R0=100Ω两种,它们的分度号分别为Pt10和Pt100,其中以Pt100为常用。铂热电阻不同分度号亦有相应分度表,即Rt-t的关系表,这样在实际测量中,只要测得热电阻的阻值Rt,便可从分度表上查出对应的温度值。参看表4.3-4.4(P135)由于铂是贵重金属,因此,在一些测量精度要求不高且温度较低的场合,可采用铜热电阻进行测温,它的测量范围为－50～150℃。铜热电阻在测量范围内其电阻值与温度的关系几乎是线性的,可近似地表示为:Rt=R0（1+αt）式中：

α为铜热电阻的电阻温度系数,取α=4.28×10-3/℃。铜热电组的两种分度号为：

Cu50(R0=50Ω)和Cu100（R100=100Ω）。

三、铜热电阻铜热电阻线性好,价格便宜,但它易氧化,不适宜在腐蚀性介质或高温下工作。

四、热电阻传感器应用内部引线方式有两线制、三线制和四线制三种。二线制中引线电阻对测量影响大,用于测温精度不高场合。三线制可以减小热电阻与测量仪表之间连接导线的电阻因环境温度变化所引起的测量误差。四线制可以完全消除引线电阻对测量的影响,用于高精度温度检测。工业用铂电阻测温采用三线制或四线制。A、三线制测温消除导线产生误差原理相临两桥臂增加同一阻值的电阻，对电桥的平衡无影响。B、四线制测温运放采用斩波放大器ICL7650差动放大器。恒流源供电。4.3

半导体热敏电阻传感器一、热敏电阻的特点①电阻温度系数大，灵敏度高②结构简单③电阻率高，热惯性小④阻值与温度变化呈非线性⑤稳定性和互换性较差二、热敏电阻的结构与材料热敏电阻主要由热敏探头、引先壳体构成热敏电阻的结构形式三.半导体热敏电阻传感器的特性1.温度特性电阻－温度的关系为

RT、R0—温度T、T0时的阻值

T－热力学温度

B－热敏电阻材料常数，一般取2000～6000K

电阻温度系数为2.伏安特性1.温度补偿对一些仪表的重要元器件进行温度补偿。被补偿元器件具有正的温度系数。热敏电阻具有负的温度系数。R2R1被补偿元件四、热敏电阻的应用2.家电控温温度过高，RT减小，T截止，K失电，K1断开。负载失电。若RT为正温度系数，RW与RT对调即可。KD10K9013RTK1220V4.4

热电开关一.双金属片式温度计双金属片的弯曲程度（偏位的大小），可参照下列公式计算D=K(T2-T1)l/h式中：

D－偏位的大小

K－双金属片的特性常数

(T2-T1)－温度的变化

l－金属片的长度

h－金属片的厚度由此可知，提高灵敏度的方法是使双金属片减薄厚度h和增加常度l,通常灵敏度为0.01mm/C－0.03mm/C二、陶铁磁体热电开关第5章电阻式传感器

电阻式传感器的基本原理是将被测量的变化转换成传感元件电阻值的变化，再经过转换电路变成电信号输出。第一节应变式传感器目前自动测力或称重中应用最普遍的是应变式传感器，应变式传感器有下列优点：

1.精确度，线性度好，灵敏度高

2.滞后和蠕变都较小，寿命高

3.容易与二次仪表相匹配实现自动检测

4.结构较简单，体积较小应用灵活

5.工作稳定和保养方便应变式传感器除可用于测量力参数外，还可用于测量加速度，振幅等其他物理量。

应变式传感器是利用金属的电阻应变效应，将被测量转换为电量输出的一种传感器。一、工作原理（一）金属的电阻应变效应当金属丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻值发生变化。取一根长度为L，截面积为S，电阻率为的金属丝，未受力时其电阻R为（2-1）

当电阻丝受到拉力F作用时,将伸长ΔL,横截面积相应减小ΔS,电阻率将因晶格发生变形等因素而改变Δρ,故引起电阻值相对变化量为式中ΔL/L是长度相对变化量,用应变ε表示ΔS/S为圆形电阻丝的截面积相对变化量,即（2-2）（2-3）（2-5）由材料力学可知,在弹性范围内,金属丝受拉力时,沿轴向伸长,沿径向缩短,那么轴向应变和径向应变的关系可表示为式中:μ——电阻丝材料的泊松比,负号表示应变方向相反。（2-5）

将式（2-3）,式（2-5）代入式（2-2）,可得

或（2-6）（2-7）

通常把单位应变能引起的电阻值变化称为金属电阻丝的灵敏度系数。其物理意义是单位应变所引起的电阻相对变化量,其表达式为（2-8）（2-9）因此灵敏度系数受两个因素影响:

①受力后材料几何尺寸的变化,即（1+2μ）;②受力后材料的电阻率发生的变化,即Δρ/ε。

用应变片测量时，将其贴在被测对象表面上。当被测对象受力变形时，应变片的敏感栅也随同变形，其电阻值发生相应变化，通过转换电路转换为电压或电流的变化，这是用来直接测量应变。通过弹性敏感元件将位移、力、力矩、加速度、压力等物理量转换为应变，则可用应变片测量上述各量，而做成各种应变式传感器。(二)应变片的基本结构及测量原理

（1）敏感栅感受应变，并将应变转换为电阻的变化。敏感栅有丝式、箔式和薄膜式三种。（2）基底绝缘及传递应变。测量是应变片的基底提高粘结剂粘在试件上，要求基底准确地把试件应变传递给敏感栅。同时基片绝缘性能要好，否则应变片微小电信号就要漏掉。由纸薄、胶质膜等制成。（3）粘结剂敏感栅与基底、基底与试件、基底与覆盖层之间的粘结。（4）覆盖层保护作用。防湿、蚀、尘。（5）引线连接电阻丝与测量电路，输出电参量。二、应变片的类型和材料（一）应变片的类型和材料1.金属丝式应变片回线式：横向效应较大短接式：克服横向效应金属丝式应变片材料要求2.金属箔式应变片箔式应变片是在绝缘基底上，将厚度为0.003～0.01mm电阻箔材，利用照相制版或光刻技术，制成各种需要的形状。优点：①可制成多种复杂形状尺寸准确的敏感栅；②与被测件粘结面积大；②散热条件好，允许电流大，提高了输出灵敏度；④横向效应小；⑥蠕变和机械滞后小，寿命长。缺点：电阻值的分散性大3.金属薄膜应变片

采用真空蒸发或真空沉积等方法在薄的绝缘基片上形成厚度在0.1微米以下的金属电阻材料薄膜的敏感栅，最后再加上保护层。优点：应变灵敏系数大，允许电流密度大。存在问题：温度稳定性差(二)应变片的粘贴

应变片是用粘合剂粘贴到被测件上的。粘合剂形成的胶层必须准确迅速地将披测件应变传进到敏感栅上。粘合剂的性能及粘贴工艺的质量直接影响着应变片的工作特性，如零漂、蠕变、滞后、灵敏系数，线性以及它们受温度变化影响的程度。对粘合剂和粘贴工艺有严格要求三、金属应变片的主要特性(一)灵敏系数灵敏系数由实验确定。实验发现，实际应变片的K值比单丝的K值要小，造成此现象原因是横向效应。还有粘结层传递变形失真。(二)横向效应将直的电阻丝绕成敏感栅之后，虽然长度相同，但应变状态不同，其灵敏系数降低了。这种现象称横向效应。1、定性分析当将应变片粘贴在被测试件上时,由于其敏感栅是由n条长度为l1的直线段和（n-1）个半径为r的半圆组成,若该应变片承受轴向应力而产生纵向拉应变εx时,则各直线段的电阻将增加,但在半圆弧段则受到从+εx到-μεx之间变化的应变。总的作用结果：将直的电阻丝绕成敏感栅后,虽然长度不变,应变状态相同,但圆弧段横向收缩引起阻值减小量对轴向伸引起阻值增加量起着抵消作用。因而同样应变阻值变化减小，K值减小，此现象为横向效应。2.定量分析应变片置于二维应力场，即有，又有。

横向效应在圆弧段产生，消除圆弧段即可消除横向效应。为了减小横向效应产生的测量误差，现在一般多采用箔式应变片，其圆弧部分尺寸较栅丝尺寸大得多，电阻值较小，因而电阻变化量也就小得多。(三)机械滞后、零漂和蠕变加载和卸裁特性曲线之间的最大差值称为应变片的滞后值。粘贴在试件上的应变片，在温度保持恒定没有机械应变的情况下，电阻值随时问变化的特性称为应变片的零漂。粘贴在试件上的应变片，温度保持恒定，在承受某一恒定的机械应变，其电电阻值随时间变化而变化的特性称为应变片的蠕变。一般来说，蠕变的方向与原应变量变化的方向相反。(四)应变极限和疲劳寿命应选用抗剪强度较高的粘结剂和基底材料，基底和粘结剂的厚度不宜太大，并经适当的固化处理。对于已安装的应变片，在恒定幅值的交变力作用下，可以连续工作而不产生疲劳损坏的循环次数称为应变片的疲劳寿命。（五）最大工作电流和绝缘电阻绝缘电阻是指应变片的引线与被测件之间的电阻值。最大工作电流是指允许通过应变片而不影响其工作特性的最大电流。工作电流大，应变片输出信号大，灵敏度高，但过大的电流会把应变片烧毁。（六）应变片的电阻值电阻值大可加大应变片承受电压，因此输出信号大，但敏感栅尺寸也增大。(六)动态响应特性电阻应交片在测量频率较高的动态应变时，应考虑其动态特性。动态应变是以应变波的形式在试件中传播的，它的传播速度与声波相同。

电路的作用：将电阻的变化量转换为电压输出。通常采用直流电桥和交流电桥。

一、直流电桥

1.直流电桥工作原理

四、转换电路直流电桥电路如图所示，它的四个桥臂由电阻组成AC端接直流电压UBD端输出电压一般情况桥路应接成等臂电桥,输出为零。这样无论哪个桥臂上受到外来信号作用后，桥路都将失去平衡，就会有信号输出。电桥输出端接入输入阻抗很高的指示仪表或放大器时，可认为电桥负载为无穷大，电桥输出端相当于开路，只能输出电压信号，称为电压输出。此时，桥路的电流为：AB之间和CD之间的电位差分别为：空载输出当电桥平衡时,Uo=0,则有

R1R4=R2R3

或电桥平衡条件：相邻两臂电阻的比值应相等,或相对两臂电阻的乘积相等。电桥接入的是电阻应变片时，即为应变桥。当一个桥臂、两个桥臂乃至四个桥臂接入应变片时，相应的电桥为单臂桥、半桥和全臂桥。2．不平衡直流电桥的工作原理及电压灵敏度

当电桥后面接放大器时，放大器的输入阻抗很高，比电桥输出电阻大很多，可把电桥输出端看成开路。R1为电阻应变片，RL→

∞。

设桥臂比n=R2/R1,分母中ΔR1/R1可忽略。由电桥平衡条件R2/R1=R4/R3。

电桥电压灵敏度定义为

提高灵敏度的措施①提高供电电源的电压U（在功耗允许的范围内）②n=1R1=R2=R3=R4由dKU/dn=0求KU的最大值,得

n=1时,KU为最大值。当R1=R2=R3=R4时,电桥电压灵敏度最高,此时有

得出单臂电桥电桥输出为直流电桥的优点：高稳定度直流电源易于获得，电桥调节平衡电路简单，传感器及测量电路分布参数影响小等。

（二）电桥的非线性误差单臂桥实际输出为：非线性误差为对于对称电桥，n=1（1）采用差动电桥减小非线性误差试件上安装两个应变片，R1

受拉，R2受压。接入电桥相邻桥臂,则电桥输出电压为

对于一般应变片来说,所受应变ε通常在5×10-3

以下,若取KU=2,则ΔR1/R1=KUε=0.01,代入式（3-38）计算得非线性误差为0.5%;若KU=130,ε=1×１0-3时,ΔR1/R1=0.130,则得到非线性误差为6%,故当非线性误差不能满足测量要求时,必须予以消除。如果ΔR1=ΔR2,R1=R2,R3=R4,则得结论：差动电桥消除了非线性误差，灵敏度比单臂电桥提高了一倍。且具有温度补偿作用。全桥差动电路：R1R4受拉应变,R2R3两个受压应变,将两个应变符号相同的接入相对桥臂上

结论：全桥电路电压灵敏度为单臂桥的4倍，消除了非线性误差，且具有温度补偿作用。若ΔR1=ΔR2=ΔR3=ΔR4,且R1=R2=R3=R4,则(2)采用恒流源电桥减小非线性误差(二)交流电桥当被测量为动态量时，应变电桥采用交流电桥。由于供桥电源为交流电源,引线分布电容使得二桥臂应变片呈现复阻抗特性,相当于二只应变片各并联了一