《传感器与检测技术（第3版）》课件全套 周润景 第1-18章 传感器概述-检测系统的抗干扰设计

第1章传感器概述1.1基本概念11.2传感器的一般特性1.3传感器的标定和校准31.4传感器选择的一般原则421.1基本概念1.1.1

传感器的定义传感器(Sensor/Transducer)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。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。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，主要是电量。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。能量转换输入量输出量电量（便于传输、转换、处理、显示）物理量、化学量、生物量等附:传感器的定义示意图1.1基本概念传感器的定义示意图1.1基本概念1.1.2传感器的组成

敏感元件是直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的物理量；转换元件把敏感元件的输出作为它的输入，转换成电路参量；上述电路参数接入基本转换电路，便可转换成电量输出。被测量电量敏感元件转换元件转换电路图1-1传感器的组成1.1基本概念被测量电量敏感元件转换元件转换电路直接感受被测量转化为电量参数敏感元件的输出作为转换元件的输入附：传感器组成示意图传感器组成示意图1.1基本概念1.1.3传感器的分类按工作机理分类可分为物理型、化学型、生物型按构成原理又分为：结构型、物性型和复合型三大类按能量的转换分类可分为能量控制型和能量转换型按输入量分类常用的有机、光、电和化学等传感器按输出信号的性质分类可分为模拟式传感器和数字式传感器场的定律，如电场、磁场、物质场主要由其结构参数决定物质定律如虎克定律F=kx主要由物质的性质决定无源传感器有源传感器1.1基本概念1.1基本概念1.1.4

传感器技术的发展方向开发新的敏感、传感材料开发研制新型传感器及组成新型测试系统研究新一代的智能化传感器及测试系统传感器发展集成化多功能与多参数传感器的研究自学习、自适应、自诊断、自校准、自调零、

自测试一、线性度二、灵敏度三、迟滞特性四、重复性五、漂移1.2传感器的一般特性1.2.1传感器的静态特性传感器的静态特性定义：被测量处于稳定状态下的输入输出关系。1.2传感器的一般特性

x-输入量；y-输出量；a0-零位输出;

a1-传感器的灵敏度;常用K、S表示；a2……an-非线性项待定常数。1.2传感器的一般特性实际使用中，为了标定和数据处理的方便，希望得到线性关系，因此引入了非线性补偿电路或者计算机软件法等补偿环节。非线性的方次不高，输入量变化范围较小时，可用一条直线（切线或割线）近似地代表实际曲线的一段。使传感器输出—输入特性线性化，所采用的直线称为拟合直线。所谓拟合是指已知某函数的若干离散函数值{f1,f2,…,fn}，通过调整该函数中若干待定系数f(λ1,λ2,…,λn),使得该函数与已知点集的差别(最小二乘意义)最小。

标定是确定实际物体重量或挂码质量累计值与仪表测量显示值一一对应的关系和修正的过程。

1.2传感器的一般特性理论拟合过零旋转拟合端点连线拟合端点平移拟合图1-2几种直线拟合方法选定拟合直线的过程，就是传感器的线性化过程。拟合直线的选定原则：保证尽量小的非线性误差计算与使用方便选定拟合直线的方法：1.2传感器的一般特性1.2传感器的一般特性实际特性曲线与拟合直线之间的偏差称为传感器的非线性误差（或线性度），通常用相对误差表示

——最大非线性绝对误差；——满量程输出。FullScale线性度计算动画演示1.2传感器的一般特性1.2传感器的一般特性2．灵敏度灵敏度S是指传感器的输出量增量Δy与引起输出量增量Δy的输入量增量Δx的比值，即:对于线性传感器，它的灵敏度就是它的静态特性的斜率。而非线性传感器的灵敏度为一变量，用S=dy/dx表示。传感器的灵敏度如图1-3所示。1.2传感器的一般特性图1-3传感器的灵敏度表征传感器对输入量变化的反应能力1.2传感器的一般特性3．迟滞传感器在正（输入量增大）反（输入量减小）行程期间其输入-输出特性曲线不重合的现象称为迟滞，如下图所示:图1-4迟滞特性flash1.2传感器的一般特性迟滞大小通常由实验确定。迟滞误差可由下式计算：

式中：——正反行程输出值间的最大差值。1.2传感器的一般特性4．重复性重复性是指传感器在输入量按同一方向作全量程连续多次变化时，所得特性曲线不一致的程度，如图所示:图1-5重复性FLASH1.2传感器的一般特性重复性误差属于随机误差，常用标准偏差σ表示，也可用正反行程中的最大偏差ΔRmax表示，即：1.2传感器的一般特性5．漂移传感器的漂移是指在外界的干扰下，输出量发生与输入量无关的、不需要的变化。漂移包括零点漂移和灵敏度漂移等。漂移可分为时间漂移和温度漂移。时间漂移是指在规定的条件下，零点或灵敏度随时间的缓慢变化。温度漂移是指环境温度变化而引起的零点或灵敏度的漂移。1.2传感器的一般特性1.2.2传感器的动态特性传感器的动态特性是指其输出对随时间变化的输入量的响应特性。动态特性好的传感器，其输出将再现输入量的变化规律，即具有相同的时间函数。实际上除了具有理想的比例特性外，输出信号将不会与输入信号具有相同的时间函数，这种输出与输入间的差异就是所谓的动态误差。反映输出值真实再现变化着的输入量的能力。1.2传感器的一般特性以动态测温的问题为例说明传感器动态特性。在被测温度随时间变化或传感器突然插入被测介质中以及传感器以扫描方式测量某温度场的温度分布等情况下，都存在动态测温问题，如图所示:动态测温1.2传感器的一般特性传感器的种类和形式很多，但它们一般可以简化为一阶或二阶系统。高阶可以分解成若干个低阶环节。对于正弦输入信号，传感器的响应称为频率响应或稳态响应；对于阶跃输入信号，则称为传感器的阶跃响应或瞬态响应。时域：瞬态响应法频域：频率响应法1.2传感器的一般特性1.瞬态响应特性传感器的瞬态响应是时间响应。从时域中对传感器的响应和过渡过程进行分析称为时域分析法，传感器对所加激励信号的响应称瞬态响应。常用激励信号有阶跃函数、斜坡函数、脉冲函数等。下面以传感器的单位阶跃响应来评价传感器的动态性能指标。1.2传感器的一般特性(1)一阶传感器的单位阶跃响应一阶传感器单位阶跃响应的通式：式中、分别为传感器的输入量和输出量，均是时间的函数，表征传感器的时间常数，具有时间“秒”的量纲。一阶传感器的传递函数：1.2传感器的一般特性对阶跃信号，传感器输出的拉氏变换为：一阶传感器的单位阶跃响应信号为：图1-7一阶传感器的单位阶跃响应一阶传感器的时间常数τ越小越好。1.2传感器的一般特性(2)二阶传感器的单位阶跃响应二阶传感器的单位阶跃响应的通式为：

——传感器的固有频率；ζ——传感器的阻尼比。二阶传感器的传递函数：1.2传感器的一般特性

二阶传感器输出的拉氏变换：图1-8二阶传感器单位阶跃响应图1.2传感器的一般特性(3)瞬态响应特性指标

给传感器输入一个单位阶跃信号时，其输出特性如图：图1-9瞬态响应特性指标各指标定义如下：①时间常数：一阶传感器时间常数越小，响应速度越快②延时时间td：传感器输出达到稳态值的50%所需时间③上升时间tr：传感器输出达到稳态值的90%所需时间④最大超调量p：传感器输出超过稳态值的最大值，⑤峰值时间tp：响应曲线到达第一个峰值所需的时间⑥响应时间ts：响应曲线衰减到稳态值±5%或±2%范围内所需的时间上一页下一页返回1.2传感器的一般特性1.2传感器的一般特性2.频率响应特性传感器对正弦输入信号的响应特性，称为频率响应特性。频率响应法是从传感器的频率特性出发研究传感器的动态特性。（1）一阶传感器的频率响应1.2传感器的一般特性幅频特性：幅频特性时间常数τ越小，频率响应特性越好。当ωτ<<1时，A(ω)≈1，Φ(ω)≈ωτ1.2传感器的一般特性相频特性：相频特性图1-10一阶传感器频率响应特性1.2传感器的一般特性(2)二阶传感器的频率响应其幅频特性和相频特性分别为：1.2传感器的一般特性二阶传感器的幅频特性、相频特性图：幅频特性相频特性图1-11二阶传感器频率响应特性1.2传感器的一般特性1.2.3传感器的其它特性静态特性和动态特性并不能完全描述传感器的性能。在选择传感器时应当考虑的传感器和待检测量有关的另一些特性。除那些传感器特性以外，测量方法也必须始终适合于应用。1.2传感器的一般特性1）输入特性：阻抗待检测的量的输出阻抗决定传感器的输入阻抗。输入阻抗的概念能使我们确定什么时候会出现加载误差。用方块图描述传感器或测量系统忽略了传感器要从测量系统提取某些功率这一事实。当这种功率提取使被测变量的值变更时，便视为存在加载误差。1.2传感器的一般特性为了使加载误差最小，测量作用变量时，必须使输入阻抗很高。当对一个量进行测量时，总是涉及到另一个量，乘积具有功率的量纲。若

是作用变量，则得:从被测系统提取的功率为

，若要使

维持最小，则必须使

尽可能小。因此，输入阻抗必须很高。1.2传感器的一般特性传感器的输出阻抗决定了接口电路所需的输入阻抗。电压输出要求高输入阻抗，以使检测电压接近传感器的输出电压。相反，电流输出则要求低输入阻抗，以使输入电流接近传感器的输出电流。1.2传感器的一般特性2）可靠性传感器只有在规定条件和规定期间无故障工作才是可靠的。可靠性在统计学上被描述为：高可靠性意味着按要求工作的概率接近于1（即在所考虑的期间，该传感器的部件几乎不失效）。失效率是指某一产品每单位寿命测度（时间、周期）的失效数与保持完好的产品数之比。MTBF,即平均无故障时间，英文全称是“MeanTimeBetweenFailure”。扩展：故障率

产品的故障总数与寿命单位总数之比叫“故障率”（Failurerate），常用λ表示。例如正在运行中的100只硬碟，一年之内出了2次故障，则每个硬碟的故障率为0.02次/年。当产品的寿命服从指数分布时，其故障率的倒数就叫做平均故障间隔时间（MeanTimeBetweenFailures），简称MTBF。即：MTBF=1/λ

又如：一款可用于伺服器的WDCaviarRE27200RPM硬碟，MTBF高达120万小时，保修5年。120万小时约为137年，并不是说该种硬碟每只均能工作137年不出故障。由MTBF=1/λ可知λ=1/MTBF=1/137年，即该硬碟的平均年故障率约为0.7%，一年内，平均1000只硬碟有7只会出故障。

1.2传感器的一般特性1.3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两方面：●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；●经过一段时间的储存或使用后，对传感器的复测工作。1.3传感器的标定和校准传感器的标定分为静态标定和动态标定。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。1.3传感器的标定和校准1.3.1传感器的静态特性标定

1．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%RH，大气压力为101±7kPa的情况。

2．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。

RH:Relativehumidity。相对湿度，湿空气中水蒸气的分压力与相同湿度压力下的饱和水蒸气分压力之比。1.3传感器的标定和校准3．静态特性标定的方法将传感器全量程（测量范围）分成若干等间距点；根据传感器量程分点情况，由小到大逐点输入标准量值，并记录与各输入值相对应的输出值；将输入值由大到小逐点减少，同时记录与各输入值相对应的输出值；重复上述过程，对传感器进行正、反行程往返循环多次测试，将得到的输出－输入测试数据列表或画成曲线；对测试数据进行必要处理，得出静态特性指标。1.3传感器的标定和校准1.3.2传感器的动态特性标定传感器的动态特性主要是研究传感器的动态响应，和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

和阻尼比ζ两个参数。1.3传感器的标定和校准标准激励信号是阶跃变化和正弦变化的输入信号。一阶传感器的单位阶跃响应函数为:则上式可变为1.3传感器的标定和校准上图表明z和时间t成线性关系，并且有τ=Δt/Δz,可以根据测得的y(t)值作出z-t曲线。根据Δt/Δz的值获得时间常数τ。图1-12一阶系统时间常数的测定1.3传感器的标定和校准如图1-13所示，二阶欠阻尼传感器（ζ<1）的单位阶跃响应为：图1-13二阶系统阶跃响应曲线1.3传感器的标定和校准最大超调量与阻尼比的关系：因此，测得M之后，便可根据下式求得阻尼比：1.3传感器的标定和校准如果测得阶跃响应的较长瞬变过程，则可利用任意两个过冲量

和

求得阻尼比ζ，其中n是该两峰值相隔的周期数（整数）。

式中，1.3传感器的标定和校准当ζ<0.1时，以1代替，此时不会产生过大的误差（不大于0.6%），可用下式计算ζ，即：若传感器是精确的二阶传感器，则n值采用任意正整数所得的ζ值不会有差别。反之，若n取不同值获得不同的ζ值，则表明该传感器不是线性二阶系统。1.3传感器的标定和校准根据响应曲线测出振动周期

，则有阻尼的固有频率

为：则无阻尼固有频率

为：1.3传感器的标定和校准利用正弦输入，测定输出和输入的幅值比和相位差来确定传感器的幅频特性和相频特性，然后根据幅频特性，分别按下图求得一阶传感器的时间常数τ和欠阻尼二阶传感器的固有频率和阻尼比。（a）由幅频特性求时间常数τ（b）欠阻尼二阶传感器的ωn和ζ图1-14正弦输入测参数1.4传感器选择的一般原则传感器选择的一般原则为：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、精度量程大小、位置体积、接触还是非接触、信号引线、传感器是国产还是进口灵敏度高会混入与被测量无关的外界噪声，所以应提高信噪比，减少干扰信号。定性测量还是定量测量。习题与思考题习题1.什么是传感器？它由哪几个部分组成？分别起到什么作用？2.传感器技术的发展动向表现在哪几个方面？3.传感器的性能参数反映了传感器的什么关系？静态参数有哪些？各种参数代表什么意义？动态参数有那些？应如何选择？4.某位移传感器，在输入量变化5mm时，输出电压变化为300mV，求其灵敏度。

人的生活方式有两种，

第一种方式是像草一样活着，

你尽管活着，每年还在成长，

但是你毕竟是一棵草，

你吸收雨露阳光，

但是长不大。人们可以踩过你，

但是人们不会因为你的痛苦，而他产生痛苦；

人们不会因为你被踩了，而来怜悯你，

因为人们本身就没有看到你。

所以我们每一个人，

都应该像树一样的成长，

即使我们现在什么都不是，但是只要你有树的种子，

即使你被踩到泥土中间，你依然能够吸收泥土的养分，

自己成长起来。当你长成参天大树以后，

遥远的地方，人们就能看到你；走近你，你能给人一片绿色。活着是美丽的风景，死了依然是栋梁之才，

活着死了都有用。这就是我们每一个同学做人的标准和成长的标准。

每课结束一名言第2章应变式传感器2.1工作原理12.2电阻应变片特性2.3电阻应变片的测量电路32.4应变式传感器应用42概述基于元器件电阻变化的传感器十分常见，这是因为许多物理量（力、力矩、位移、形变、速度、加速度等）都会对材料的电阻产生影响。电阻应变式传感器是利用电阻应变片将应变转换为电阻变化的传感器。传感器由在弹性元件上粘贴电阻应变敏感元件构成。应变式传感器的灵敏度较高，目前已应用于各种检测系统中。2.1工作原理电阻应变片的工作原理是基于应变效应的，即在导体产生机械变形时，它的电阻值相应发生变化。图2-1金属电阻丝应变效应图2.1工作原理2.1工作原理金属电阻丝，在其未受力时，原始电阻值为:ρ——电阻丝的电阻率；L——电阻丝的长度；S——电阻丝的截面积。当电阻丝受到拉力F作用时，将伸长

，横截面积相应减小

，电阻率将因晶格发生变形等因素而改变

，故引起电阻值相对变化量为:

2.1工作原理式中

是长度相对变化量，用金属电阻丝的轴向应变ε表示，ε数值一般很小表达式为：ΔS/S为圆形电阻丝的截面积相对变化量，即：2.1工作原理由材料力学可知，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：●

μ—电阻丝材料的泊松比；●

一般金属μ=0.3-0.5，负号表示应变方向相反。将式(2-3)、(2-4)、(2-5)代入式(2-2)，可得：径向应变2.1工作原理又因为λ-为压阻系数，与材质有关；σ-为试件的应力；E-为试件材料的弹性模量。所以根据上述特点，测量应力或应变时，在外力作用下，被测对象产生微小机械变形，应变片随着发生相同的变化，同时应变片电阻值也发生相应变化。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。2.1工作原理由前述可知：应力值σ正比于应变ε，而试件应变ε正比于电阻值的变化，所以应力σ正比于电阻值的变化，这就是利用应变片测量应变的基本原理。2.2电阻应变片特性2.2.1电阻应变片的种类常用的应变片可分为两类：金属电阻应变片和半导体电阻应变片。金属应变片由敏感栅、基片、覆盖层和引线等部分组成，如图所示:图2-2金属电阻应变片的结构图敏感栅是应变片的核心部分，它粘贴在绝缘的基片上，其上再粘贴起保护作用的覆盖层，两端焊接引出导线。2.2电阻应变片特性金属电阻应变片的敏感栅有丝式、箔式和薄膜式三种。箔式应变片是利用光刻、腐蚀等工艺制成的一种很薄的金属箔栅，厚度一般在0.003-0.01mm。其优点是散热条件好，允许通过的电流较大，便于批量生产，可制成各种所需的形状，如下图所示：箔式应变片缺点是电阻分散性大。图2-3各种形状的箔式应变片图2.2电阻应变片特性薄膜式应变片是采用真空蒸发或真空沉淀等方法在薄的绝缘基片上形成0.1μm以下的金属电阻薄膜的敏感栅，最后再加上保护层。优点是应变灵敏度系数大，允许电流密度大，工作范围广。2.2电阻应变片特性半导体应变片是用半导体材料制成的，其工作原理是基于半导体材料的压阻效应。所谓压阻效应，是指半导体材料在某一轴向受外力作用时，其电阻率ρ发生变化的现象。半导体应变片受轴向力作用时，其电阻相对变化为式：2.2电阻应变片特性实验证明，半导体材料的

比大上百倍，所以可以忽略，因而半导体应变片的电阻相对变化为：半导体应变片的突出优点是灵敏度高，比金属丝式应变片高50~80倍，尺寸小，横向效应小，动态响应好。但它有温度系数大，应变时非线性比较严重等缺点。2.2电阻应变片特性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的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，线性度以及它们受温度变化影响的程度。2.2电阻应变片特性2.2.2电阻丝的灵敏度系数通常把单位应变能引起的电阻值变化称为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:2.2电阻应变片特性

2.2电阻应变片特性2.2.3应变片的灵敏系数当具有初始电阻值

的应变片粘贴于试件表面，试件受力引起的表面应变，将传递给应变片的敏感栅，使其产生电阻相对变化。理论和实践表明，在一定应变范围内与

的关系满足下式●

为应变片的轴向应变；●

是应变片未经安装也不受外力的情况下，于室温测得的电阻值。2.2电阻应变片特性上式中的

就是应变片的灵敏系数，但应变片的灵敏系数不等于其敏感栅应变丝的灵敏系数

，一般情况下，<。其原因有两个：一是粘结层传递变形失真，另一个是栅端圆弧部分的横向效应。

值通常需要在规定条件下通过实测来确定，称为标称灵敏度系数。上述规定的条件是：试件材料取泊松系数为0.286的钢材；试件单向受力，且受力方向与应变片轴向一致。2.2电阻应变片特性2.2.4横向效应将直的电阻丝绕成敏感栅后，虽然长度不变，应变状态相同，但由于应变片敏感栅的电阻变化较小，因而其灵敏系数

较电阻丝的灵敏系数

小，这种现象称为应变片的横向效应。2.2电阻应变片特性（a）应变片及轴向受力图（b）应变片的横向效应图应变片轴向受力及横向效应图2-4应变片轴向受力及横向效应2.2电阻应变片特性当将图2-4所示的应变片粘贴在被测试件上时，由于其敏感栅是由

条长度为

的直线段和个半径为

的半圆组成，若该应变片承受轴向应力而产生纵向拉应变

时，则各直线段的电阻将增加，但在半圆弧段则受到从

到

之间变化的应变圆弧段电阻的变化将小于沿轴向安放的同样长度电阻丝电阻的变化，所以

值减小。2.2电阻应变片特性当实际使用应变片的条件与其灵敏系数k的标定条件不同时，如μ≠0.285或受非单向应力状态，由于横向效应的影响，实际

值要改变，如仍按标称灵敏系数来进行计算可能造成较大误差。当不能满足测量精度要求时，应进行必要的修正。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。2.2电阻应变片特性2.2.5应变片的其他特性

1．机械滞后、零漂和蠕变机械滞后是指粘贴在试件上的应变计，在恒温条件下增(加载)、减(卸载)试件应变的过程中，对应同一机械应变所指示应变量(输出)之差值。图2-5应变计的机械滞后特性图2.2电阻应变片特性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，电阻值随时间变化的特性称为应变片的零漂，如图2-6中所示。图2-6

应变计的蠕动和零漂特性2.2电阻应变片特性温度保持恒定，在承受某一恒定的机械应变时，应变片电阻值随时间变化而变化的特性称为应变片的蠕变，如上图中θ所示。蠕变的方向一般与原应变量变化的方向相反。蠕变反映了应变计在长时间工作中对时间的稳定性，通常要求

。引起蠕变的主要原因是，制作应变计时内部产生的内应力和工作中出现的剪应力，使丝栅、基底，尤其是胶层之间产生的“滑移”所致。2.2电阻应变片特性2．应变极限和疲劳寿命应变计的线性(灵敏系数为常数)特性，只有在一定的应变限度范围内才能保持。当试件输入的真实应变超过某一限值时，应变计的输出特性将出现非线性。在恒温条件下，使非线性误差达到10%时的真实应变值，称为应变极限。应变极限图如下所示:2.2电阻应变片特性应变极限是衡量应变计测量范围和过载能力的指标，通常要求。图2-7应变极限2.2电阻应变片特性影响应变极限的主要因素及改善措施，与蠕变基本相同，即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。2.2电阻应变片特性3．最大工作电流和绝缘电阻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，但过大的电流会使应变片过热，灵敏系数产生变化，零漂及蠕变增加，甚至烧毁应变片。2.2电阻应变片特性绝缘电阻是指粘贴的应变片的引线与被测件之间的电阻值。通常要求绝缘电阻在

以上。绝缘电阻下降将使测量系统的灵敏度降低，使应变片的指示应变产生误差。绝缘电阻取决于粘结剂及基底材料的种类及固化工艺。2.2电阻应变片特性

4．动态响应特性电阻应变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,形式和速度相同于声波。它依次通过一定厚度的基底、胶层(两者都很薄，可忽略不计)和栅长

而为应变计所响应时，就会有时间的迟后。2.2电阻应变片特性应变计的这种响应迟后对动态（高频）应变测量，尤其会产生误差。应变计的动态特性就是指其感受随时间变化的应变时之响应特性。①对正弦应变波的响应●应变计对正弦应变波的响应是在其栅长l范围内所感受应变量的平均值。因此，响应波的幅值将低于真实应变波，从而产生误差。2.2电阻应变片特性●下图表示一个频率为

，幅值为

的正弦波，以速度

沿着应变计纵向x方向传播时，在某一瞬时t的分布图。应变计中点

的瞬时应变为：图2-8

应变片的动态特性2.2电阻应变片特性●而栅长

范围

内的平均应变为：●由此产生的相对误差为：●考虑到，将展开成级数形式，并略去高阶小量后可解得：2.2电阻应变片特性●由上式可见，粘贴在一定试件（

为常数）上的应变计对正弦应变的响应误差随栅长和应变频率

的增加而增大。在设计和应用应变计时，就可按上式给定的e、

、

三者关系，根据给定的精度e，来确定合理的

或工作频率

。2.2电阻应变片特性图2-9

应变计对阶跃应变波的响应②对阶跃应变波的响应●下图为应变计对阶跃应变波的响应。2.2电阻应变片特性●a为试件产生的阶跃机械应变波；●b为传播速度为

的应变波，通过栅长

而迟后一段时间

的理论响应特性；●c为应变计对应变波的实际响应特性。它的上升工作时间

，工作频限。2.2电阻应变片特性2.2.6应变片的温度误差及补偿

1.应变片的温度误差当测量现场环境温度变化时，由于敏感栅温度系数及栅丝与试件膨胀系数之差异性而给测量带来的附加误差，称为应变片的温度误差。下面对应变片温度误差产生的主要因素进行分析:2.2电阻应变片特性（1）电阻温度系数的影响敏感栅的电阻丝阻值随温度变化的关系可用下式表示：——温度为t℃时的电阻值；——温度为℃时的电阻值；

——金属丝的电阻温度系数；——温度变化值，。

当温度变化Δt时，电阻丝电阻的变化值为：2.2电阻应变片特性（2）试件材料和电阻丝材料的线膨胀系数的影响

当试件与电阻丝材料的线膨胀系数相同时，不论环境温度如何变化，电阻丝的变形仍和自由状态一样，不会产生附加变形。当试件和电阻丝线膨胀系数不同时，由于环境温度的变化，电阻丝会产生附加变形，从而产生附加电阻。2.2电阻应变片特性

设电阻丝和试件在温度为0℃时的长度均为

，它们的线膨胀系数分别为βs和βg，若两者不粘贴，则它们的长度分别为

当二者粘贴在一起时，电阻丝产生的附加变形附加应变

和附加电阻变化

分别为：2.2电阻应变片特性由上面几个式子可得由于温度变化而引起应变片总电阻的相对变化量为：折合成附加应变量或虚假的应变

，有：2.2电阻应变片特性因环境温度变化而引起的附加电阻的相对变化量，除了与环境温度有关外，还与应变片自身的性能参数（

，，）以及被测试件线膨胀系数

有关。灵敏度系数电阻温度系数电阻丝的线膨胀系数2.2电阻应变片特性

2．电阻应变片的温度补偿方法电阻应变片的温度补偿方法通常有线路补偿法和应变片自补偿两大类。（1）线路补偿法●电桥补偿是最常用的且效果较好的线路补偿法。图2-10电桥补偿法的原理图2.2电阻应变片特性●电桥输出电压

与桥臂参数的关系为：式中：A—由桥臂电阻和电源电压决定的常数；—工作应变片；—补偿应变片（应和

特性相同）。●当

和

为常数时，

和

对电桥输出电压

的作用方向相反。利用这一基本关系可实现对温度的补偿。●测量应变时，工作应变片

粘贴在被测试件表面上，补偿应变片

粘贴在与被测试件材料完全相同的补偿块上，且仅工作应变片承受应变。2.2电阻应变片特性●工程上，一般按

选取桥臂电阻。当温度升高或降低

时，两个应变片因温度而引起的电阻变化量相等，电桥仍处于平衡状态，即：。●若此时被测试件有应变

的作用，则工作应变片电阻

又有新的增量

，而补偿片因不承受应变，故不产生新的增量，此时电桥输出电压为：。●由上式可知，电桥的输出电压仅与被测试件的应变

有关，而与环境温度无关。2.2电阻应变片特性●应当指出，若实现完全补偿，上述分析过程必须满足四个条件： ①在应变片工作过程中，保证

。 ②

和

两个应变片应具有相同的电阻温度系数α，线膨胀系数β，应变灵敏度系数

和初始电阻值

。 ③粘贴补偿片的补偿块材料和粘贴工作片的被测试件材料必须一样，两者线膨胀系数相同。 ④两应变片应处于同一温度场。2.2电阻应变片特性●还可采用热敏电阻补偿法，如图2-11所示。●热敏电阻

与应变片处在相同的温度下，当应变片的灵敏度随温度升高而下降时，热敏电阻的阻值下降，使电桥的输入电压随温度升高而增加，从而提高电桥的输出电压。图2-11热敏电阻补偿法TKRtUiR1＋⊿RR4R3U0R2RtR5分流电阻UURtU=Ui-URtK上一页返回下一页2.2电阻应变片特性2.2电阻应变片特性●选择分流电阻

的值，可以使应变片灵敏度下降对电桥输出的影响得到很好的补偿。（2）应变片的自补偿法这种温度补偿法是利用自身具有温度补偿作用的应变片，称之为温度自补偿应变片。温度自补偿应变片的工作原理可由下式得出，要实现温度自补偿，必须有：2.2电阻应变片特性上式表明，当被测试件的线膨胀系数βg已知时如果合理选择敏感栅材料，即其电阻温度系数灵敏系数

和线膨胀系数βs，使上式成立，则不论温度如何变化，均有，从而达到温度自补偿的目的。2.3电阻应变片的测量电路由于机械应变一般都很小，要把微小应变引起的微小电阻变化测量出来，同时要把电阻相对变化

转换为电压或电流的变化。因此需要有专用测量电路用于测量应变变化而引起电阻变化的测量电路，通常采用直流电桥和交流电桥两种。电桥电路的主要指标是桥路灵敏度、非线性和负载特性，下面具体讨论相关原理。2.3电阻应变片的测量电路2.3.1直流电桥

1．直流电桥平衡条件

为电源，

为桥臂电阻，

为负载电阻。输出电压为：图2-12

直流电桥？2.3电阻应变片的测量电路当电桥平衡时：或

上式称为电桥平衡条件。这说明欲使电桥平衡，其相邻两臂电阻的比值应相等，或相对两臂电阻的乘积相等。2.3电阻应变片的测量电路2．电压灵敏度设

为电阻应变片，

为电桥固定电阻，这就构成了单臂电桥。当产生应变时，若应变片电阻变化为

，其它桥臂固定不变，电桥输出电压

，则电桥不平衡输出电压为：2.3电阻应变片的测量电路设桥臂比，由于，分母中可忽略，并考虑到平衡条件，则上式可写为：

电桥电压灵敏度定义为：2.3电阻应变片的测量电路分析上式可知：①电桥电压灵敏度正比于电桥供电电压，供电电压越高，电桥电压灵敏度越高，但供电电压的提高受到应变片允许功耗的限制；②电桥电压灵敏度是桥臂电阻比值n的函数，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。当

值确定后，n值取何值时使

最高？由

求

的最大值，得：2.3电阻应变片的测量电路求得

时，

为最大值。这就是说，在电桥电压确定后，当

时，电桥电压灵敏度最高，此时有：从上述可知，当电源电压

和电阻相对变化量一定时，电桥的输出电压及其灵敏度也是定值，且与各桥臂电阻阻值大小无关。2.3电阻应变片的测量电路3．非线性误差及其补偿方法由式求出的输出电压因略去分母中的

项而得出的是理想值，实际值计算为：与的关系非线性，非线性误差为：2.3电阻应变片的测量电路如果是四等臂电桥，即

，则对于一般应变片来说，所受应变

通常在

以下，若取应变片灵敏系数

，则

代入上式计算得非线性误差为0.5%；若

，时，，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。2.3电阻应变片的测量电路为了减小和克服非线性误差，常采用差动电桥（a）半桥差动（b）全桥差动在试件上安装两个工作应变片，一个受拉应变，一个受压应变，接入电桥相邻桥臂，称为半桥差动电路。图2-13差动电桥R1R2FR1+⊿RRb-⊿R2.3电阻应变片的测量电路半桥差动电路输出电压为若

，

，

，则得：所以

与

呈线性关系，差动电桥无非线性误差，而且电桥电压灵敏度

，比单臂工作时提高一倍，同时还具有温度补偿作用。2.3电阻应变片的测量电路若将电桥四臂接入四片应变片，如图(b)所示，即两个受拉应变，两个受压应变，将两个应变符号相同的接入相对桥臂上，构成全桥差动电路，若

，且

，则：此时全桥差动电路不仅没有非线性误差，而且电压灵敏度是单片的4倍，同时仍具有温度补偿作用。2.3电阻应变片的测量电路2.3.2交流电桥根据直流电桥分析可知，由于应变电桥输出电压很小，一般都要加放大器，而直流放大器易于产生零漂，因此应变电桥多采用交流电桥。图2-14交流电桥2.3电阻应变片的测量电路每一桥臂上复阻抗分别为式中

、

表示应变片引线分布电容。由交流电路分析可得2.3电阻应变片的测量电路要满足电桥平衡条件，即，则有：将各桥臂阻抗代入上式，可得：整理可得：其实部、虚部分别相等，并整理可得交流电桥的平衡条件为：及2.3电阻应变片的测量电路对这种交流电容电桥，除要满足电阻平衡条件外，还必须满足电容平衡条件。为此在桥路上除设有电阻平衡调节外还设有电容平衡调节。●下图为电阻串联法调零的电路图，通过调节可变电阻R5来调节电桥平衡。2.3电阻应变片的测量电路●下图为电阻并联法调零的电路图，电阻R6决定可调的范围，R6越小，可调的范围越大，但测量误差也大，R5和R6通常取相同的值。这两种方法也可用于直流电桥调零。2.3电阻应变片的测量电路

●

下图为差动电容调零法的电路图，C3、C4为差动电容，调节C3和C4时，由于电容大小相等，极性相反，可使电桥平衡。

●

下图为阻容调零法的电路图，该电路接入了“T”型RC阻容电路，可通过调节电位器R使电桥达到平衡状态。2.3电阻应变片的测量电路图2-15交流电桥平衡调节电路2.3电阻应变片的测量电路2.3.3测量电路设计注意事项当增大电桥供电电压时，虽然会使输出电压增大，放大电路本身的漂移和噪声相对减少，但电源电压或电流的增大，会造成应变片的发热，从而造成测量误差，甚至是应变传感器的损坏，故一般电桥电压的设计应低于6V。其次，由于应变片阻值的分散性，即使应变片处于无压的状态，电桥仍然会有电压输出，故电桥应设计调零电路。再次，由于应变片受温度的影响，应考虑温度补偿电路。2.4应变式传感器应用

123KP100A的封装图（俯视图）654图2-16恒电流电源驱动的KP100的实验电路链接运放知识复习2.4应变式传感器应用下图是KP100A本身的输出特性。在1个大气压时，包含不平衡电压在内的输出电压为79mV。在完全真空时输出电压应当为0V。图2-17KP100的输出特性2.4应变式传感器应用

2.4应变式传感器应用图2-18高度显示气压计的电路2.4应变式传感器应用2.4.2起重机吊钩电子秤传感器选用BLR-1型电阻应变式拉压力传感器。测量电桥因受重力作用引起的输出电压变化很小，必须对这个电压进行放大。电压放大器由第四代斩波稳零运算放大器ICL7650组成。这是一个差动放大器，其电压放大倍数为100倍。如果称重量程2000kg，差动变压器的反馈电阻和分压电阻取值100kΩ是合适的；若量程较小或较大，应适当减小或增大这两个电阻。输出经简单RC滤波后输出到A/D转换器。2.4应变式传感器应用图2-19吊钩电子秤电路图链接其它应用习题与思考题习题1.什么是应变效应？什么是压阻效应？什么是横向效应？2.试说明金属应变片与半导体应变片的相同和不同之处。3.应变片产生温度误差的原因及减小或补偿温度误差的方法是什么？4.钢材上粘贴的应变片的电阻变化率为0.1%，钢材的应力为10kg/。试求：①求钢材的应变。②钢材的应变为300×时，粘贴的应变片的电阻变化率为多少？习题与思考题5.如图所示为等强度梁测力系统，为电阻应变片，应变片灵敏度系数，未受应变时，当试件受力F时，应变片承受平均应变，求（1）应变片电阻变化量和电阻相对变化量。（2）将电阻应变片置于单臂测量电桥，电桥电源电压为直流3V，求电桥输出电压是多少。6.单臂电桥存在非线性误差，试说明解决方法。第3章电感式传感器3.1变磁阻式传感器13.2互感式传感器3.3电涡流式传感器32概述电感式传感器是利用电磁感应原理将被测非电量如位移、压力、流量、重量、振动等转换成线圈自感量L或互感量M的变化，再由测量电路转换为电压或电流的变化量输出的装置。优点:结构简单，工作可靠寿命长，测量精度高，零点稳定，输出功率较大等。缺点:灵敏度、线性度和测量范围相互制约，传感器自身频率响应低，不适用于快速动态测量。概述电感式传感器种类很多，有利用自感原理的自感式传感器，利用互感原理做成的差动变压器式传感器，还有利于涡流原理的涡流式传感器、利用压磁原理的压磁式传感器等本章主要介绍自感式、互感式和电涡流式三种传感器。3.1变磁阻式传感器1-线圈；2-铁芯（定铁芯）；3-衔铁（动铁芯）图3-1变磁阻式传感器结构图3.1变磁阻式传感器3.1.1工作原理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F3.1变磁阻式传感器铁芯和衔铁由导磁材料如硅钢片或坡莫合金制成，在铁芯和衔铁之间有气隙，气隙厚度为δ，传感器的运动部分与衔铁相连。当衔铁移动时，气隙厚度δ发生改变，引起磁路中磁阻变化，从而导致电感线圈的电感值变化，只要能测出这种电感量的变化，就能确定衔铁位移量的大小和方向。电路的磁阻指由于电流引起的链合磁通量。根据电感定义，线圈中电感量可由下式确定：磁链3.1变磁阻式传感器上式中：Ψ——线圈总磁链；I——通过线圈的电流；N——线圈的匝数；Φ——穿过线圈的磁通。由磁路欧姆定律，得磁通表达式：——磁路总磁阻。对于变隙式传感器，因为气隙很小，所以可以认为气隙中的磁场是均匀的。3.1变磁阻式传感器若忽略磁路磁损，则磁路总磁阻为:式中：——铁芯材料的导磁率(H/m)；——衔铁材料的导磁率(H/m)；——磁通通过铁芯的长度(m)；——磁通通过衔铁的长度(m)；——铁芯的截面积()；——衔铁的截面积()；——空气的导磁率(4π×H/m)；——气隙的截面积()；δ——气隙的厚度(m)。3.1变磁阻式传感器通常气隙磁阻远大于铁芯和衔铁的磁阻，即：则可近似认为：联立前几式，可得空气导磁率气隙截面积3.1变磁阻式传感器上式表明，当线圈匝数为常数时，电感L仅仅是磁路中磁阻

的函数，只要改变δ或均可导致电感变化。因此变磁阻式传感器又可分为变气隙厚度δ的传感器和变气隙面积的传感器。使用最广泛的是变气隙厚度δ式电感传感器。连接FLASH3.1变磁阻式传感器3.1.2等效电路图3-2传感器线圈的等效电路L-电感；-铜耗电阻；Re-铁心涡流损耗电阻；-磁滞损耗电阻；C-寄生电容copper3.1变磁阻式传感器变磁阻式传感器通常都具有铁心线圈或空心线圈。将传感器线圈等效成上图所示电路:1．铜损电阻

：取决于导线材料及线圈几何尺寸。2．涡流损耗电阻Re：由频率为f的交变电流激励产生的交变磁场，会在线圈铁心中造成涡流及磁滞损。3．磁滞损耗电阻：铁磁物质在交变磁化时，磁分子来回翻转克服阻力，类似摩擦生热的能量损耗。4．并联寄生电容C的影响：并联寄生电容主要由线圈绕组的固有电容与电缆分布电容所构成。3.1变磁阻式传感器为便于分析，先不考虑寄生电容C，并将上图中的线圈电感与并联铁损电阻等效为串联铁损电阻Re′与串联电感L′的等效电路，如下图所示。这时Re′和L′的串联阻抗应该与Re和L的并联阻抗相等，即：图3-3线圈等效电路的变换形式3.1变磁阻式传感器可见，铁损的串联等效电阻Re′与L有关。当被测非电量的变化引起线圈电感量改变时，其电阻值亦发生不希望有的变化。要减少这种附加电阻变化的影响，比值

应尽量小，以使

，从而减小了附加电阻变化的影响。可见，在设计传感器时应尽可能减少铁损。其中：3.1变磁阻式传感器当考虑实际存在并联寄生电容C时，阻抗Z为：式中，总的损耗电阻，品质因数有效值Q为：电感的相对变化：3.1变磁阻式传感器由上述三式知，并联电容C的存在，使有效串联损耗电阻与有效电感均增加，有效品质因素Q值下降并引起电感的相对变化增加，即灵敏度提高。因此从原理而言，按规定电缆校正好的仪器，如更换了电缆，则应重新校正或采用并联电容加以调整。实际使用中因大多数变磁阻式传感器工作在较低的激励频率下()，上述影响常可忽略，但对于工作在较高激励频率下的传感器（如反射式涡流传感器），上述影响必需引起充分重视。3.1变磁阻式传感器3.1.3输出特性设电感传感器初始气隙为

，初始电感量为，衔铁位移引起的气隙变化量为Δδ，可知L与δ之间是非线性关系，特性曲线如图所示，初始电感量为：图3-4变隙式电感传感器的L-δ特性3.1变磁阻式传感器当衔铁上移Δδ时，传感器气隙减小Δδ，即

，则此时输出电感为

，代人上式整理得：当

时，可将上式用泰勒级数展开成级数形式为由上式可求得电感增量

和相对增量

的表达式，即：3.1变磁阻式传感器当衔铁下移Δδ时，传感器气隙增大Δδ，即

，则此时输出电感为整理，得：线性处理，忽略高次项，可得：3.1变磁阻式传感器灵敏度为：由此可见，变间隙式电感传感器的测量范围与灵敏度及线性度相矛盾，所以变隙式电感式传感器用于测量微小位移时是比较精确的。3.1.4测量电路

电感式传感器的测量电路有交流电桥式、交流变压器式以及谐振式等几种形式。3.1变磁阻式传感器1．交流电桥式测量电路图为输出端对称交流电桥测量电路，把传感器的两个线圈作为电桥的两个桥臂

和

，另外两个相邻的桥臂用纯电阻代替。图3-5交流电桥式测量电路3.1变磁阻式传感器对于高Q值()的差动式电感传感器，其输出电压为：其中：——衔铁在中间位置时，单个线圈的电感;R0为其损耗。——单线圈电感的变化量。将

代入上式得：

3.1变磁阻式传感器2．变压器式交流电桥

变压器式交流电桥测量电路如图所示，电桥两臂

、

为传感器线圈阻抗，另外两桥臂为交流变压器次级线圈的1/2阻抗。图3-6变压器式交流电桥3.1变磁阻式传感器当负截阻抗为无穷大时，桥路输出电压当传感器的衔铁处于中间位置，即

时有，电桥平衡。当传感器衔铁上移时，上面线圈的阻抗增加，而下面线圈的阻抗减小，即

，

此时：3.1变磁阻式传感器当传感器衔铁下移时，则

，此时：设线圈Q值很高，省略损耗电阻，则由上两式可写为：

从上式可知，衔铁上下移动相同距离时，输出电压的大小相等，但方向相反，由于是交流电压，输出指示无法判断位移方向，必须配合相敏检波电路来解决。3.1变磁阻式传感器3．谐振式测量电路谐振式测量电路有谐振式调幅电路和谐振式调频电路两种，分别如下图3-7和3-8所示：(a)(b)

图3-7谐振式调幅电路3.1变磁阻式传感器在调幅电路中，传感器电感L与电容C和变压器原边串联在一起，接入交流电源，变压器副边将有电压输出，输出电压的频率与电源频率相同，而幅值随着电感L而变化。图3-7（b）所示为输出电压与电感L的关系曲线，其中

为谐振点的电感值。该测量电路灵敏度很高，但线性差，适用于线性要求不高的场合。3.1变磁阻式传感器调频电路的基本原理是传感器电感L的变化将引起输出电压频率的变化。其振荡频率。当L变化时，振荡频率随之变化，根据f的大小即可测出被测量的值。图3-8（b）表示f与L的特性，它具有明显的非线性关系。(a)(b)

图3-8谐振式调频电路3.1变磁阻式传感器

图3-9变隙电感式传感器结构图

图3-10变隙式差动电感电压传感器3.1.5变磁阻式传感器的应用3.1变磁阻式传感器变隙电感式传感器由膜盒、铁芯、衔铁及线圈等组成，衔铁与膜盒的上端连在一起。当压力进入膜盒时，膜盒的顶端在压力P的作用下产生与压力P大小成正比的位移，于是衔铁也发生移动，从而使气隙发生变化，流过线圈的电流也发生相应的变化，电流表指示值就反映了被测压力的大小。3.1变磁阻式传感器变隙式差动电感压力传感器，主要由C形弹簧管、衔铁、铁芯和线圈等组成。当被测压力进入C形弹簧管时，C形弹簧管产生变形，其自由端发生位移，带动与自由端连接成一体的衔铁运动，使线圈1和线圈2中的电感发生大小相等、符号相反的变化，即一个电感量增大，另一个电感量减小。电感的这种变化通过电桥电路转换成电压输出。由于输出电压与被测压力之间成比例关系，所以只要用检测仪表测量出输出电压，即可得知被测压力的大小。3.2互感式传感器互感式传感器是把被测的非电量变化转换为线圈互感量变化的传感器。它根据变压器的基本原理制成，并且次级绕组都用差动形式连接，故又称为差动变压器式传感器。差动变压器结构形式较多，有变隙式、变面积式和螺线管式等，但其工作原理基本一样。非电量测量中，应用最多的是螺线管式差动变压器，它可以测量1～100mm范围内的机械位移，并具有测量精度高，灵敏度高，结构简单，性能可靠等优点。3.2互感式传感器3.2.1工作原理螺线管式差动变压器结构如下图所示。它由一个初级线圈，两个次级线圈和插入线圈中央的圆柱形铁芯等组成。１-活动衔铁；２-导磁外壳；３-骨架；４-匝数为

的初级绕组；５-匝数为

的次级绕组；６-匝数为

的次级绕组图3-11螺线管式差动变压器结构图3.2互感式传感器螺线管式差动变压器按线圈绕组排列的方式不同，可分为一节、二节、三节、四节和五节式等类型，如图所示。一节式灵敏度高，三节式零点残余电压较小，通常采用的是二节式和三节式两类。

(a)(b)(c)(d)(e)线圈排列方式图（a）一节式；（b）二节式（c）三节式；（d）四节式；（e）五节式图3-12线圈排列方式3.2互感式传感器差动变压器式传感器中两个次级线圈反向串联，并且在忽略铁损、导磁体磁阻和线圈分布电容的理想条件下，其等效电路如下图所示。3-13差动变压器等效电路3.2互感式传感器当初级绕组

加以激励电压时，根据变压器的工作原理，在两个次级绕组

和

中便会产生感应电势和。如果工艺上保证变压器结构完全对称，则当活动衔铁处于初始平衡位置时，必然会使两互感系数

。根据电磁感应原理，将有变压器两次级绕组反向串联，因而即差动变压器输出电压为零。3.2互感式传感器活动衔铁向上移动时，由于磁阻的影响，

中磁通将大于

，使

，因而增加，而减小。反之，增加，减小。因为，所以当、随着衔铁位移x变化时，也必将随x变化。下图给出了变压器输出电压与活动衔铁位移x的关系曲线。实际上，当衔铁位于中心位置时，差动变压器输出电压并不等于零，我们把差动变压器在零位移时的输出电压称为零点残余电压，记作它的存在使传感器的输出特性不过零点，造成实际特性与理论特性不完全一致。3.2互感式传感器3-14差动变压器输出电压特性曲线3.2互感式传感器零点残余电压主要是由传感器的两次级绕组的电气参数与几何尺寸不对称，以及磁性材料的非线性等问题引起的。零点残余电压波形复杂，主要由基波和高次谐波组成。基波产生的主要原因是：传感器的两次级绕组的电气参数和几何尺寸不对称，导致它们产生的感应电势的幅值不等、相位不同，因此不论怎样调整衔铁位置，两线圈中感应电势都不能完全抵消。高次谐波中起主要作用的是三次谐波，产生的原因是由于磁性材料磁化曲线的非线性(磁饱和、磁滞)。零点残余电压一般在几十毫伏以下，在实际使用时，应设法减小，否则将会影响传感器的测量结果。3.2互感式传感器3.2互感式传感器3.2.2等效电路与计算差动变压器中，当次级开路时，初级线圈激励电流为：式中：ω——激励电压的角频率；

——初级线圈激励电压；

——初级线圈激励电流；——初级线圈直流电阻和电感。3.2互感式传感器根据电磁感应定律，次级绕组中感应电势的表达式分别为：由于次级两绕组反向串联，且考虑到次级开路，则由以上关系可得：输出电压的有效值为：3.2互感式传感器下面分三种情况进行分析：（1）活动衔铁处于中间位置时：故（2）活动衔铁向上移动时：故与同极性。（3）活动衔铁向下移动时：故与同极性。3.2互感式传感器3.2.3测量电路

◆差动变压器随衔铁的位移而输出的是交流电压，若用交流电压表测量，只能反映衔铁位移的大小，而不能反映移动方向。测量值中包含零点残余电压。为了达到辨别移动方向及消除零点残余电压的目的，实际测量时，常常采用差动整流电路和相敏检波电路。差动整流电路差动整流电路具有结构简单，不需要考虑相位调整和零点残余电压的影响，分布电容影响小和便于远距离传输等优点。这种电路是把差动变压器的两个次级输出电压分别整流，然后将整流的电压或电流的差值作为输出。3.2互感式传感器3.2互感式传感器分析如图所示差动整流工作原理，电阻

用于调整零点残余电压。图3-15差动整流电路3.2互感式传感器从图3-15电路结构可知，不论两个次级线圈的输出瞬时电压极性如何，流经电容

的电流方向总是从2到4，流经电容

的电流方向从6到8，故整流电路的输出电压为：当衔铁在零位时，因为，所以；当衔铁在零位以上时，因为，则而当衔铁在零位以下时，则有，则3.2互感式传感器2.相敏检波电路参见06应物讲义相敏检波电路原理图3.2互感式传感器正半周时等效电路负半周时等效电路图3-16相敏检波电路3.2互感式传感器如上图

为四个性能相同的二极管，以同一方向串联成一个闭合回路，形成环形电桥。输入信号

（差动变压器式传感器输出的调幅波电压）通过变压器T1加到环形电桥的一个对角线。参考信号

通过变压器T2加入环形电桥的另一个对角线。输出信号

从变压器Ｔ1与Ｔ2的中心抽头引出。平衡电阻R起限流作用，避免二极管导通时变压器T2的次级电流过大。RL为负载电阻。

的幅值要远大于输入信号

的幅值，以便有效控制四个二极管的导通状态，且

和差动变压器式传感器激磁电压

由同一振荡器供电，保证二者同频、同相（或反相）。3.2互感式传感器3.2互感式传感器(a)被测位移变化波形图(b)差动变压器激励电压波形(c)差动变压器输出电压波形(d)相敏检波解调电压波形(e)相敏检波输出电压波形(a)(e)(d)(c)(b)图3-17波形图3.2互感式传感器由上图(a)、(c)、(d)可知当位移Δx>0时，

同频同相；当位移Δx<0时，

与同频反相。Δx>0时，

与

为同频同相，当

与

均为正半周时，在原理图中，环形电桥中二极管截止，

导通，则可得图b的等效电路。根据变压器的工作原理，考虑到O、M分别为变压器T1、T2的中心抽头，则有：式中

为变压器T1、T2的变压比。3.2互感式传感器采用电路分析的基本方法，可求得图b所示电路的输出电压

的表达式：同理，当

与

均为负半周时，二极管

截止，

导通。其等效电路如图c所示，输出电压表达式与上式相同，说明只要位移Δx>0，不论

与

是正半周还是负半周，负载RL两端得到的电压

始终为正。3.2互感式传感器