傳感器及其一般特性課件

2025/1/141

傳感器及其一般特性

2025/1/142

人通過五官接受外界信息，經(jīng)大腦思維（信息處理），作出相應(yīng)的動作。而對于用計算機控制的自動化系統(tǒng)，計算機則相當(dāng)于人的大腦，傳感器則相當(dāng)于人的五官。一、概論人體與智能機器的對應(yīng)關(guān)系2025/1/143傳感器的定義和組成定義：被測量：物理量、化學(xué)量、生物量……規(guī)律：確定規(guī)律，可以重復(fù)（線性、非線性、周期）可用信號：便于處理和傳輸?shù)姆窃肼曅盘枺娦盘?、光信號……）例：電阻?yīng)變片—變形和溫度變化--電阻變化傳感器：傳--傳遞信息；感--感受被測量；器--器件；

傳感器是現(xiàn)代科學(xué)的耳目。傳感器是一種把特定的被測信息量按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成為可用信號輸出的器件或裝置。2025/1/144傳感器的定義和組成

傳感器一般由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件、轉(zhuǎn)換電路三部分組成。電量被測量

敏感元件轉(zhuǎn)換元件轉(zhuǎn)換電路非電量輸出

2025/1/145傳感器的定義和組成●敏感元件：直接感受被測量，并輸出與被測量成確定關(guān)系的某一物理量的元件。如：粘貼于構(gòu)件上的電阻應(yīng)變片，直接感受應(yīng)變，并將應(yīng)變的變化轉(zhuǎn)換為電阻的變化。說明：以現(xiàn)有的方法和技術(shù)，并非所有的非電量都能直接變換為電量，而是常需要預(yù)變換。即：將被測非電量預(yù)先變換為一種易于變換成電量的非電量。如：電容式壓力傳感器中的膜片就是敏感元件，它首先將壓力量預(yù)變換成位移量，然后再將位移量變換為電容量。故敏感元件也稱預(yù)變換器。2025/1/146傳感器的定義和組成●轉(zhuǎn)換元件：以敏感元件的輸出為輸入，把輸入轉(zhuǎn)換成電量的器件。有時敏感元件和轉(zhuǎn)換元件合成一體，如電阻應(yīng)變計、壓電晶體等。●轉(zhuǎn)換電路（測量電路）：是將傳感元件輸出的電信號轉(zhuǎn)換為便于顯示、控制和處理為有用信號的電路。使用較多的有惠斯登電橋電路。由于傳感元件輸出的信號一般較小，大多數(shù)測量電路還包括了放大器，但有時把放大器歸在測量儀器中。2025/1/147傳感器的分類分類法型式說明按輸入量位移：線/角位移；速度：線/角速度；加速度：線/角加速度；力：壓力、應(yīng)力等以被測量命名（即按用途分類）按工作原理電阻式電容式電感式壓電式磁電式熱電式光電式光纖式利用電阻參數(shù)變化實現(xiàn)信號轉(zhuǎn)換利用電容參數(shù)變化實現(xiàn)信號轉(zhuǎn)換利用電感參數(shù)變化實現(xiàn)信號轉(zhuǎn)換利用壓電效應(yīng)實現(xiàn)信號轉(zhuǎn)換利用電磁感應(yīng)原理實現(xiàn)信號轉(zhuǎn)換利用熱電效應(yīng)實現(xiàn)信號轉(zhuǎn)換利用光電效應(yīng)實現(xiàn)信號轉(zhuǎn)換利用光纖特性參數(shù)變化實現(xiàn)信號轉(zhuǎn)換按輸出量模擬式數(shù)字式輸出量為模擬信號（電壓、電流、……）輸出量為數(shù)字信號（脈沖、編碼、……）2025/1/148

現(xiàn)代化的傳感器必須具備以下特點：傳感器的必備特點高精度——高精度的測量必須使用高精度的傳感器。小型化——很多測量場合要求傳感器具有盡可能小的尺寸。集成化——其一是將傳感器與放大器、溫度補償電路等集成在同一芯片上；其二是將同一類的傳感器集成在同一芯片上，構(gòu)成二維陣列式傳感器，如面型固態(tài)圖像傳感器（CCD）。數(shù)字化——為了使傳感器與計算機直接聯(lián)機，要求傳感器本身的信號數(shù)字化。智能化——智能化傳感器與微型計算機相結(jié)合，兼有檢測與信息處理，甚至自動化操作的功能。根據(jù)測試目的和實際條件，合理的選用傳感器。2025/1/149傳感器的基本特性

傳感器的輸出-輸入關(guān)系特性是傳感器的基本特性（與其內(nèi)部參數(shù)有密切關(guān)系），從誤差角度去分析輸出-輸入特性是測量技術(shù)所要研究的主要內(nèi)容之一。傳感器特性分為靜態(tài)特性和動態(tài)特性。衡量傳感器的特性又有靜態(tài)性能指標和動態(tài)性能指標之分。二、傳感器的靜態(tài)特性和動態(tài)特性2025/1/14101、靜態(tài)特性

傳感器在穩(wěn)態(tài)信號作用下，其輸出-輸入的關(guān)系稱為靜態(tài)特性。衡量傳感器靜態(tài)特性的重要指標是線性度、靈敏度、重復(fù)性、遲滯、零點漂移和溫度漂移等技術(shù)指標，傳感器本身的特點、被測量及外界條件都可能影響這些技術(shù)指標。

2025/1/1411輸出－輸入特性的非線性YFSyyyYFSYFSxmxmxmxxxΔLmaxΔLmaxΔLmax

傳感器的線性度就是其輸出量與輸入量之間的實際關(guān)系曲線與擬合直線的偏離程度，又稱非線性誤差。如圖中所示的?Lmax值，取其中最大值與輸出滿度值之比作為評價非線性誤差的指標。

（1）線性度2025/1/1412

傳感器的靈敏度是指穩(wěn)態(tài)時，輸出增量Δy與輸入增量Δx的比值，對于線性傳感器，靈敏度就是靜態(tài)特性的斜率：而非線性傳感器的靈敏度是一個變量，即用dy/dx表示傳感器在某一工作點的靈敏度。

靈敏度定義y0xyy0(a)線性傳感器x0(b)非線性傳感器ΔxΔyyK=Δy/Δx(2)靈敏度2025/1/1413YFSyxXFS?Hmax

遲滯現(xiàn)象0

遲滯是指傳感器在正向（輸入量增大）行程和反向（輸入量減?。┬谐唐陂g，輸出-輸入特性曲線不重合程度如圖中所示。遲滯反映了傳感器機械部分如軸承摩擦、間隙、材料內(nèi)摩擦等缺陷。（3）遲滯現(xiàn)象2025/1/1414

對于同一大小的輸入信號x，在x連續(xù)增大的行程中，對應(yīng)某一輸出量為yi，在x連續(xù)減小過程中，對應(yīng)于輸出量為yd，之間的差值叫滯環(huán)誤差，這就是遲滯現(xiàn)象，該誤差用?H表示為：?H＝|yi-yd|

在整個測量范圍內(nèi)的最大滯環(huán)誤差用?Hmax表示，它與滿量程輸出值YFS的比值稱為最大滯環(huán)率δH，即：

（3）遲滯現(xiàn)象2025/1/1415

重復(fù)性表示傳感器在輸入量按同一方向作全量程多次測試時，所得特性曲線不一致的程度。y

重復(fù)性0△Rm1△Rm2yFSxFSx（4）重復(fù)性2025/1/1416

不重復(fù)性誤差屬隨機誤差，重復(fù)性誤差為：其中σ為標準偏差，如果誤差服從高斯分布，標準偏差可以按貝塞爾公式計算：

yi－某次測量值；－各次測量值的平均值，；

n－測量次數(shù)。（4）重復(fù)性2025/1/1417零點漂移:傳感器無輸入信號、溫度恒定時，每隔一段時間進行讀數(shù)，其輸出偏離零值，即為零點漂移，其值為：

△0max為在一定時間內(nèi)的最大零點偏差。

（5）零點漂移、蠕變和溫度漂移溫度漂移:溫度每變化1℃時，傳感器輸出最大偏差與滿量程輸出的百分比：蠕變:在滿量程輸入并保持不變時，輸出量隨時間變化的最大值與滿量程輸出的百分比：2025/1/1418

測量范圍：是指測試裝置能正常測量最小輸入量和最大輸入量之間的范圍。靈敏閥：又稱為死區(qū)，用來衡量測量起始點不靈敏的程度。(如壓力傳感器）分辨率：指能引起輸出量發(fā)生變化時輸入量的最小變化量，表明測試裝置分辨輸入量微小變化的能力。如：A/D轉(zhuǎn)換．穩(wěn)定性：是指在一定工作條件下，當(dāng)輸入量不變時，輸出量隨時間變化的程度。可靠性：是與測試裝置無故障工作時間長短有關(guān)的一種描述。（6）靜態(tài)響應(yīng)特性的其他描述2025/1/1419

傳感器的動態(tài)特性：輸入量隨時間變化時傳感器的響應(yīng)特性。動態(tài)誤差：實際的傳感器，輸出信號將不會與輸入信號具有相同的時間函數(shù),輸出與輸入間有差異。誤差原因：溫度傳感器的熱慣性（比熱容、質(zhì)量）和傳熱熱阻動態(tài)測溫

2、動態(tài)特性

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傳感器的種類和形式很多，但它們的動態(tài)特性一般都可以用下述的n階微分方程來描述：（1）傳感器的基本動態(tài)特性方程式中，a0、a1、…,an,b0、b1、….,bm是與傳感器的結(jié)構(gòu)特性有關(guān)的常系數(shù)；分別為動態(tài)輸入和輸出。絕大多數(shù)傳感器輸出和輸入關(guān)系均可用零階、一接或二階微分方程來描述，因此分別稱為零階、一接和二階傳感器。2025/1/1421通常將該代數(shù)方程寫成：

為傳感器的靜態(tài)靈敏度或放大系數(shù)。①零階系統(tǒng)

ULxUx+-零階傳感器原理圖（電位器式傳感器）2025/1/1422一階系統(tǒng)微分方程：

上式通常改寫成為式中：τ——傳感器的時間常數(shù)，τ=a1/a0

k——傳感器的靜態(tài)靈敏度或放大系數(shù)。②一階系統(tǒng)2025/1/1423

二階系統(tǒng)的微分方程通常改寫為：③二階系統(tǒng)a0-相當(dāng)于彈簧系數(shù)γ；a2-相當(dāng)于質(zhì)量塊m。二階傳感器原理圖（電動式振動傳感器）k——傳感器的靜態(tài)靈敏度或放大系數(shù)；ξ——傳感器的阻尼系數(shù)，ωn——傳感器的固有頻率，式中：2025/1/1424

動態(tài)特性的傳遞函數(shù):在線性系統(tǒng)中初始條件為0時，系統(tǒng)輸出量的拉氏變換與輸入量的拉氏變換之比。單位階躍響應(yīng)標準輸入信號:階躍信號和脈沖信號。（2）瞬態(tài)響應(yīng)特性：時域分析法2025/1/1425拉氏變換*拉普拉斯變換：是求解線性微分方程，特別是常系數(shù)的線性微分方程的有效工具。用拉氏變換可簡單地寫出激勵與響應(yīng)之間的代數(shù)關(guān)系。已知函數(shù)，下列積分所確定的函數(shù)稱為函數(shù)的拉氏變換，或簡單記為稱為函數(shù)的拉氏逆變換，記為（S是復(fù)數(shù)）2025/1/1426用拉氏變換方法求解微分方程舉例。單自由度欠阻尼系統(tǒng)對任意激勵的響應(yīng)微分方程：對上式兩端各項作拉氏變換：

代入原微分方程，經(jīng)整理得：拉氏變換*2025/1/1427

上式是系統(tǒng)的響應(yīng)在拉氏域中的表達式。對其進行拉氏逆變換，得到在時間域的響應(yīng)表達式。

如不計運動的初始條件，即令則上式可寫成

拉氏變換*或令則或稱為系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，它定義為系統(tǒng)的響應(yīng)的拉氏變換與激勵的拉氏變換之比。

在拉氏域中，系統(tǒng)的響應(yīng)是系統(tǒng)的傳遞函數(shù)和激勵的乘積。2025/1/1428t≤0t>0當(dāng)k=1系統(tǒng)的傳遞函數(shù):一階傳感器微分方程為：單位階躍輸入輸入拉氏變換則輸出拉氏變換：拉氏反變換：

①一階傳感器的單位階躍響應(yīng)2025/1/1429圖:一階傳感器單位階躍響應(yīng)1、一階傳感器具有慣性2、t=4τ,認為達到穩(wěn)態(tài)3、τ越小，動態(tài)誤差小由圖：

①一階傳感器的單位階躍響應(yīng)（續(xù)）2025/1/1430微分方程為設(shè)傳感器的靜態(tài)靈敏度k=1，其二階傳感器的傳遞函數(shù)為傳感器輸出的拉氏變換為

②二階傳感器的單位階躍響應(yīng)2025/1/1431ξ＝1為臨界阻尼，響應(yīng)時間最短；ξ>1為過阻尼，無超調(diào)也無振蕩，但反應(yīng)遲鈍，動作緩慢，達到穩(wěn)態(tài)所需的時間較長；ξ<1為欠阻尼，衰減振蕩，達到穩(wěn)態(tài)所需的時間隨著ξ減少而加長。ξ＝0，零阻尼，超調(diào)量為100％，產(chǎn)生等幅振蕩，達不到穩(wěn)態(tài)。②二階傳感器的單位階躍響應(yīng)（續(xù)）2025/1/1432（3）頻率響應(yīng)特性

頻率響應(yīng)特性:傳感器對不同頻率正弦輸入信號的響應(yīng)特性。頻率響應(yīng)法：幅值比和相位差。

2025/1/1433由圖知，隨頻率增加誤差變大；一階系統(tǒng)是低通環(huán)節(jié)，只當(dāng)<<1/時，幅頻響應(yīng)才接近于1。截止頻率：幅值比下降到零頻率下倍時對應(yīng)的頻率一階傳感器頻率響應(yīng)特性（a）幅頻特性（b）相頻特性①一階傳感器的頻率響應(yīng)

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②二階傳感器的頻率響應(yīng)曲線

低頻區(qū)共振區(qū)高頻區(qū)低頻區(qū)：λ→0的情形，阻尼比對放大系數(shù)的影響很小。共振區(qū)：λ=1振幅出現(xiàn)最大值，λ→1振幅變化明顯，阻尼的影響也顯著。高頻區(qū)：λ>>1，阻尼的影響又變小，振幅放大因子減小→0。頻響曲線2025/1/1435幅頻特性相頻特性

②二階傳感器的頻率響應(yīng)曲線

設(shè)計傳感器時，應(yīng)使ξ<1，固有頻率ωn大于被測信號頻率的（3～5）倍。幅頻特性相頻特性對數(shù)坐標中的頻響曲線2025/1/1436儀器校準的內(nèi)容之一就是用它去測量“標準”件（特性或參數(shù)是已知的物質(zhì)）。通過這種測量調(diào)整儀器，使其測量的結(jié)果與“標準”件的特性或參數(shù)相一致。因此，對標準件的要求非常高，因為其后由該儀器所進行的測量都是與校準結(jié)果相比較而言的。通常，儀器的校準是逐級傳遞的，例如A級標準用來校準標準實驗中的B級儀器，B級用來校準在工廠中使用的C級儀器，C級用來校準最終的產(chǎn)品D，校準D的實際上是A，校準的路徑是A→B→C→D，即量值傳遞（是自上而下的活動，帶有強制性）。最常用的標準件是專門制作的，存放在國家標準實驗室。目前任何一個國家標準實驗室都無法對新型儀器進行校準。為此，在測量過程中使用某些器件，并把這些公認的測量結(jié)果定為標準。三、傳感器標定（校準）儀器校準2025/1/1437

利用標準設(shè)備產(chǎn)生已知的非電量（標準量），或用基準量來確定傳感器電輸出量與非電輸入量之間關(guān)系的過程，稱為傳感器標定。

（1）傳感器標定、校準與檢定概念

傳感器或儀器在制造、裝配完畢后必須對設(shè)計指標進行一系列試驗，進行全面檢測，確定其實際性能，這個稱之為標定過程。經(jīng)使用一段時間（中國計量法規(guī)定一般為一年，因儀器不同而異）或修理后，必須對其主要技術(shù)指標再次進行檢測試驗，即校準試驗，以確保其性能指標達到要求。1、傳感器標定方法和內(nèi)容2025/1/1438

檢定必須嚴格按照檢定規(guī)程運作，對所檢儀器給出具有法律效應(yīng)合格或不合格的結(jié)論。

（2）傳感器標定的方法與特點

標定的基本方法是將已知的被測量（亦即標準量）輸入給待標定的傳感器，同時得到傳感器的輸出量；對所獲得的傳感器輸入量和輸出量進行處理和比較，從而得到一系列表征兩者對應(yīng)關(guān)系的標定曲線，進而得到傳感器性能指標的實測結(jié)果。標定系統(tǒng)分為絕對法標定系統(tǒng)和比較法標定系統(tǒng)。傳感器的標定有靜態(tài)標定和動態(tài)標定兩種。

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（3）靜態(tài)標定

確定傳感器靜態(tài)指標，主要是線性度、靈敏度、遲滯和重復(fù)性。傳感器的靜態(tài)特性是在靜態(tài)標準條件下進行標定的，主要用于檢驗、測試其靜態(tài)特性指標。靜態(tài)標準條件主要包括沒有加速度、振動、沖擊（除參數(shù)本身是被測量）及環(huán)境溫度（一般為室溫20℃±5℃）、相對濕度不大于85％、氣壓為（101±7）kPa等條件。一般的靜態(tài)標定步驟：①將傳感器全量程（測量范圍）分成若干等間距點。2025/1/1440②根據(jù)傳感器量程分點情況，由小到大、逐點遞增輸入標準量值，并記錄與各點輸入值相對應(yīng)的輸出值。③將輸入量值由大到小、逐點遞減，同時記錄下與各點輸入值相對應(yīng)的輸出值。④按上述步驟②、③所述過程，對傳感器進行正、反行程往復(fù)循環(huán)多次（一般為3～10次）測試，將得到的輸出-輸入測試數(shù)據(jù)用表格列出或畫成曲線。⑤對測試數(shù)據(jù)進行必要處理。以輸入量為橫坐標、輸出量為縱坐標，給出標定曲線、標定方程和標定常數(shù)，計算靈敏度、線性度、滯差、重復(fù)性等靜態(tài)特性指標。

2025/1/1441（4）動態(tài)標定

傳感器的動態(tài)標定就是通過實驗得到傳感器動態(tài)性能指標（頻率響應(yīng)、時間常數(shù)、固有頻率和阻尼比等），確定方法常常因傳感器的形式（如電的、機械的、氣動的等）不同而不完全一樣，但從原理上一般可分為階躍信號響應(yīng)法、正弦信號響應(yīng)法、隨機信號響應(yīng)法和脈沖信號響應(yīng)法等。必要條件：可靠的標準信號源（如階躍信號響、正弦信號、脈沖信號等）；標準信號源與時間的關(guān)系。2025/1/1442①力標定設(shè)備

◆測力砝碼我國基準測力裝置是固定式基準測力機，如圖采用杠桿式砝碼標定裝置。2、常用傳感器標定設(shè)備（1）靜態(tài)標定設(shè)備

傳感器靜態(tài)標定設(shè)備分類：力標定設(shè)備、壓力標定設(shè)備、位移標定設(shè)備、溫度標定設(shè)備等。12341-支架2-傳感器3-杠桿4-砝碼

杠桿式砝碼標定裝置2025/1/144321341－傳感器2－工作活塞3－液壓缸4－液體

5－砝碼6－加力活塞7－測力液壓缸8－導(dǎo)管5678液壓式測力機工作原理2025/1/1444

◆拉壓式（環(huán)形）測力計（也稱測力環(huán)）環(huán)形測力計是一種標準推力標定裝置，它由液壓缸產(chǎn)生測力，測出測力環(huán)變形量作為標準輸入?？梢杂酶軛U放大機構(gòu)和百分表來讀測力環(huán)變形量，也可用光學(xué)顯微鏡讀取。若用光學(xué)干涉法讀取，則精度更高。2025/1/1445②壓力標定設(shè)備

◆活塞式壓力計

如圖所示，利用液壓式測力機原理和不同的結(jié)構(gòu)形式，再將傳感器受力由點改成面接觸結(jié)構(gòu)，就形成了活塞式壓力計。其中，砝碼1經(jīng)油路產(chǎn)生的壓力作為標準壓力作用在待標定的傳感器6上。1234567891-標準壓力表2-砝碼3-活塞4-進油閥5-油杯6-被標傳感器7-針形閥8-手輪9-手搖壓力閥活塞壓力計示意圖2025/1/1446壓力標定曲線◆水銀壓力計

水銀壓力計是一種最普通的液體壓力計，采用U形管水銀壓力計的原理，靠水銀的重力產(chǎn)生壓力，根據(jù)兩端位置差和一端的壓力，即可求出另一端的壓力。2025/1/1447③位移標定設(shè)備

主要是各種長度計量器具，如各種直尺、深度尺、深度千分尺、量塊、塞規(guī)、專門制造的標準樣柱等均可用作位移傳感器的靜態(tài)標定設(shè)備。

標準位移器2025/1/1448④溫度標定設(shè)備

630.74℃以下主要用鉑電阻溫度計，630.74～1064℃用鉑銠-鉑熱電偶，1064℃以上一般采用光學(xué)高溫計。⑤應(yīng)變標定設(shè)備

一般采用加載后能產(chǎn)生已知均勻準確的一維應(yīng)力裝置，多采用泊松系數(shù)為0.285的合金鋼的等彎矩梁或等強度懸臂梁，梁的應(yīng)變通常用撓度計轉(zhuǎn)換后測得?；蛴脴藴蕬?yīng)變模擬儀。2025/1/1449（2）動態(tài)標定設(shè)備

標定中常用的動態(tài)激勵設(shè)備有激振器（如電磁振動臺、低頻回轉(zhuǎn)臺、機械振動臺等）、激波管、周期與非周期函數(shù)壓力發(fā)生器等。其中激振器可用于加速度、速度、位移、力、壓力傳感器的動態(tài)標定。2025/1/1450◆電動式中、低頻激振器

中頻激振器工作的頻率范圍為5～7.5kHz，一般采用電動式激振器作為中頻標定用振動臺。右圖所示為電動式激振器結(jié)構(gòu)示意圖，驅(qū)動線圈7固裝在頂桿4上，并由支承彈簧1支承在殼體2中，線圈7正好位于磁極5與鐵芯6的氣隙中。磁鋼3、磁極5、鐵芯6和氣隙構(gòu)成磁回路，當(dāng)線圈7通以經(jīng)功率放大的交變電流時，它在氣隙的磁場中受力，該力通過頂桿4傳到試件8上便是激振力。①振動標定設(shè)備電動式激振器原理圖1彈簧2殼體3磁鋼4頂桿5磁極6鐵芯7線圈8試件2025/1/1451◆壓電式高頻激振器

1.被標傳感器2.內(nèi)裝傳感器3.壓電片4.底座壓電式高頻振動臺◆其他激振器

機械振動臺種類很多，其中最常用的是偏心慣性質(zhì)量式。其原理是電機帶動-偏心質(zhì)量旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生振動。2025/1/1452◆周期函數(shù)壓力發(fā)生器

a）振動空腔校驗器為封閉空腔，用適當(dāng)方法產(chǎn)生空氣諧振，安裝在空腔壁上的傳感器能感受到周期變化的力。b）非諧振空腔校驗器的原理是用一定方式調(diào)制通過容器的氣流，使容器內(nèi)的氣體產(chǎn)生周期變化的壓力。c）活塞與缸筒式穩(wěn)態(tài)壓力源，如下圖所示。調(diào)節(jié)手柄可以改變壓力的幅值，可獲得70kg/cm2的峰值壓力，頻率可達100Hz。d）凸輪控制噴嘴式穩(wěn)態(tài)壓力源，如下右圖所示，可獲得0.1kg/cm2的峰值壓力，頻率可達300Hz。②壓力標定設(shè)備2025/1/14531-接被檢壓力計；2-接標準壓力計；3-飛輪；4-調(diào)節(jié)手柄

活塞缸筒穩(wěn)態(tài)壓力源示意圖1-恒定壓力入口；2-接被檢壓力計；3-凸輪；4-接標準壓力計凸輪控制噴嘴穩(wěn)態(tài)壓力源2025/1/1454◆非周期函數(shù)壓力（力）發(fā)生器

a）激波管

2025/1/1455b）快速閥門裝置

1－傳感器2－泄放閥3－小容腔4－閥芯5－閥桿6－活塞7－供油管道2025/1/14561、基本原理

由于應(yīng)變測量具有很多的優(yōu)點，任何物理量只要能設(shè)法轉(zhuǎn)變?yōu)閼?yīng)變，都可以利用應(yīng)變片進行間接測量，進而發(fā)展成多種形式的應(yīng)變式傳感器。例如測量力時，可以將應(yīng)變片粘貼在承受被測力的桿件上，因為桿件應(yīng)變與力的大小成比例，測出應(yīng)變即可間接測出力。該桿稱為彈性元件，其作用是承受被測物理量并產(chǎn)生一定的應(yīng)變。應(yīng)變片式傳感器有應(yīng)變片、彈性元件及附件組成。四、應(yīng)變片式傳感器2025/1/1457要求：

（1）彈性元件上粘貼應(yīng)變片的部位有足夠大的應(yīng)變量，以使傳感器有較大的靈敏度。（2）保證彈性元件上任何部分的應(yīng)力不超過材料的屈服極限，并有必要的安全系數(shù)。（3）如果彈性元件是被測部件的組成部分，應(yīng)使變形量足夠小，以免改變被測部件原有狀態(tài)。（4）彈性元件應(yīng)設(shè)計緊湊，但要有足夠部位粘貼應(yīng)變片，并便于粘貼和接線。（5）動態(tài)測量時，需進行彈性元件自振頻率計算或?qū)鞲衅鬟M行動態(tài)特性試驗。1.1彈性元件2025/1/1458（1）非線性度和遲滯：非線性度和遲滯使測量產(chǎn)生誤差，一般遲滯值在0.2％～1.5％之間。選用優(yōu)質(zhì)的材料和進行適當(dāng)?shù)臒崽幚砟軌驕p小遲滯。（2）彈性模量隨溫度變化：材料的彈性模量隨溫度而稍有變化，會產(chǎn)生應(yīng)變測量誤差。因此要求彈性模量隨溫度變化盡可能小。（3）熱膨脹系數(shù)：當(dāng)彈性元件與應(yīng)變片敏感柵材料的熱膨脹系數(shù)不同時也會使應(yīng)變片產(chǎn)生熱輸出。（4）自振頻率：彈性元件和傳感器有關(guān)部分與被測部件的有關(guān)部分組成彈性自振系統(tǒng)，在動態(tài)測量時，彈性元件的自振頻率影響測量準確度。彈性元件剛度越大，自身和附加質(zhì)量越小，慣性越小，則自振頻率越高。彈性元件的特性：2025/1/14591.2傳感器電路補償和調(diào)整

由于傳感器長期使用，精確度要求通常比應(yīng)變測量高，所以常采用特別措施減少溫度和非線性引起的誤差。應(yīng)變片式傳感器利用電橋電路特點，用補償片法或采用溫度自補償應(yīng)變片來實現(xiàn)初步溫度補償，但環(huán)境溫度變化時電橋還有輸出，一種是無載時發(fā)生的輸出，另一種在有載時電橋輸出靈敏度隨溫度而變化的輸出，需要設(shè)法補償。

2025/1/1460零點輸出調(diào)整

為了減少測量誤差和便于儀表調(diào)零，傳感器的應(yīng)變計橋路在空載時輸出應(yīng)近似為零。由于應(yīng)變計電阻和接線電阻總有差別，因此需經(jīng)零點輸出調(diào)整。調(diào)整方法：先測出空載時的輸出，然后在某一橋臂中串聯(lián)一電阻溫度系數(shù)很小的電阻R0，使橋路輸出接近于零。R0計算如下：R：橋臂電阻值；U：供橋電壓；ΔU調(diào)整前實測零點輸出電壓（mV）。2025/1/1461零點溫度補償

傳感器空載時輸出基本為零，當(dāng)溫度變化時，因彈性元件、粘結(jié)劑、應(yīng)變計都有不同長度的熱脹冷縮，引起敏感柵電阻值變化，另一方面敏感柵材料電阻溫度系數(shù)引起電阻變化，這些因素均會引起傳感器輸出，因此需進行溫度補償。調(diào)整方法：在某一橋臂中串聯(lián)一電阻溫度系數(shù)很大的電阻Rt，只要選擇合適的阻值和橋臂，就可使零點溫度輸出得到補償。2025/1/1462線性補償

補償方法：在供橋電路中串聯(lián)一電阻RL，與電阻RAC組成分壓器，調(diào)節(jié)RL即可改變傳感器的實際供橋電壓UAC

，其等效電路見圖（b）。若傳感器輸出在未補償之前有遞減趨向，則調(diào)節(jié)RL使實際供橋電壓增加，經(jīng)補償后即可近似為直線。為了細調(diào)非線性補償特性，可用電阻RL’與RL并聯(lián)，使在一定范圍內(nèi)得到不同的補償效果。2025/1/1463靈敏度溫度補償補償方法：在供橋回路中串聯(lián)一電阻Rm，其電阻溫度系數(shù)較大。的那個溫度升高時，一般傳感器輸出隨之增大，而此時Rm增大，則由電阻分壓作用相當(dāng)于使橋路實際供橋電壓UAC降低，從而使輸出減少，補償補償作用。為了方便細調(diào)，在Rm上個并聯(lián)一電阻Rm’。2025/1/1464靈敏度標準化調(diào)整

為了提高傳感器互換性，應(yīng)將傳感器靈敏度調(diào)整到標準值（如2mV/V，允許變化±0.1%）。解決方法：在供橋回路中再串聯(lián)一電阻RS，相當(dāng)于減少實際供橋電壓UAC，以使靈敏度達到標準值。2025/1/1465輸入電阻標準化調(diào)整

經(jīng)過上述幾項補償和調(diào)整后，傳感器輸入電阻往往與標稱值（如120Ω）差別較大，為使輸入電阻標準化，可在輸入HJ間并聯(lián)一電阻值RP。2025/1/1466完整的傳感器電橋電路

上述6項補償和調(diào)整工作應(yīng)按順序進行，工作量雖大，但對于高精密度傳感器是必要的。為使橋路各項參數(shù)對稱，常把RL、Rm、RS分成相同兩部分對稱地串聯(lián)在供橋回路中。包括上述各種補償和調(diào)整電阻的完整傳感器橋路如圖所示。2025/1/1467粘貼式可調(diào)補償和調(diào)整片

傳感器橋路