传感器第1章.ppt

传感器及应用传感器及应用课程教学目标与方法课程教学目标与方法 了解传感器的基本概念。了解传感器的基本概念。掌握常用传感器的原理、结构、特性和用途，能正确选掌握常用传感器的原理、结构、特性和用途，能正确选用传感器。用传感器。理解传感器的信号处理方法和测量电路、抗干扰技术及理解传感器的信号处理方法和测量电路、抗干扰技术及数据采集系统的组成方法。数据采集系统的组成方法。掌握常用传感器的技术特性及其使用、安装和调整方法。掌握常用传感器的技术特性及其使用、安装和调整方法。本课程应采用理论与实践相结合的教学方法，重点理解本课程应采用理论与实践相结合的教学方法，重点理解传感器的原理与特性，掌握传感器的选用、安装与调传感器的原理与特性，掌握传感器的选用、安装与调整技能。整技能。课程授课计划课程授课计划学时分配表（参考）学时分配表（参考）内容内容理论学时理论学时 实验学时实验学时内容内容理论学时理论学时 实验学时实验学时第第1章章4第第7章章2第第2章章810第第8章章6第第3章章6第第9章章6第第4章章2第第10章章6第第5章章4第第11章章2第第6章章4总结复习总结复习4合计：合计：64学时学时说明说明 本课程一般为本课程一般为5664学时学时 机电一体化技术专业重点讲授第机电一体化技术专业重点讲授第1、2、3、4、5、6、8、10、11章。章。电气自动化技术专业重点讲授第电气自动化技术专业重点讲授第1、2、3、4、5、6、7、9、10、11章。章。汽车电子技术专业重点讲授第汽车电子技术专业重点讲授第1、2、4、5、6、7、8、10章及章及9.2节。节。楼宇智能化技术专业重点讲授第楼宇智能化技术专业重点讲授第1、2、4、5、6、7、9、10章。章。电子信息技术专业电子信息技术专业重点讲授第重点讲授第1、2、4、5、6、7、9、10章。章。计算机控制技术专业计算机控制技术专业重点讲授第重点讲授第1、2、4、5、6、7、9、10、11章。章。若学时富裕可适当增加第若学时富裕可适当增加第2、3、8章的学时。章的学时。第第1章章 传感器的基本知识传感器的基本知识 1.11.1 传感器的定义与作用传感器的定义与作用传感器的定义与作用传感器的定义与作用 1.21.2 传感器的组成与分类传感器的组成与分类传感器的组成与分类传感器的组成与分类 1.3 1.3 传感器的基本特性传感器的基本特性传感器的基本特性传感器的基本特性 1.4 1.4 传感器的测量误差与准确度传感器的测量误差与准确度传感器的测量误差与准确度传感器的测量误差与准确度 1.5 1.5 传感器中的弹性敏感元件传感器中的弹性敏感元件传感器中的弹性敏感元件传感器中的弹性敏感元件要点：要点：1.1.传感器的作用、类型及基本特性传感器的作用、类型及基本特性 2.2.传感器的误差与准确度传感器的误差与准确度 3.3.弹性敏感元件的作用与类型弹性敏感元件的作用与类型第一讲第一讲 1.11.1 传感器的定义与作用传感器的定义与作用传感器的定义与作用传感器的定义与作用 1.21.2 传感器的组成与分类传感器的组成与分类传感器的组成与分类传感器的组成与分类 1.3 1.3 传感器的基本特性传感器的基本特性传感器的基本特性传感器的基本特性主要内容：主要内容：传感器的定义、作用、组成、分类与静态特性传感器的定义、作用、组成、分类与静态特性 能够回答的问题：能够回答的问题：1.什么是传感器？什么是传感器？2.传感器有什么作用？传感器有什么作用？3.传感器有哪些功能组成部分？各部分的作用时什么？传感器有哪些功能组成部分？各部分的作用时什么？4.传感器时如何分类、命名的？不同分类方法有什么特点？传感器时如何分类、命名的？不同分类方法有什么特点？5.传感器的静态特性有哪些？如何定义？它们与误差有什么传感器的静态特性有哪些？如何定义？它们与误差有什么关系？关系？1.1 传感器传感器的定义与作用的定义与作用1.1.1 传感器的定义与作用传感器的定义与作用 传感器就是利用物理效应、化学效应、生物效应，传感器就是利用物理效应、化学效应、生物效应，把被测的物理量、化学量、生物量等非电量转换成电把被测的物理量、化学量、生物量等非电量转换成电量的器件或装置。量的器件或装置。图图1-1 人机人机对应对应关系关系外外界界信信息息五种感官五种感官人人脑脑四肢等四肢等传传感器感器微机微机执执行器行器1.1.2 传传感器的作用和感器的作用和应应用用领领域域1.传传感器的作用感器的作用 如图如图1-1所示所示,人们把传感器比作人的五种感觉器官，人们把传感器比作人的五种感觉器官，但在诸如高温、高湿、深井、高空等环境及高精度、高但在诸如高温、高湿、深井、高空等环境及高精度、高可靠性、远距离、超细微等方面是人的感官所不能代替可靠性、远距离、超细微等方面是人的感官所不能代替的。的。传感器的作用可包括信息的收集、信息数据的交换传感器的作用可包括信息的收集、信息数据的交换及控制信息的采集三大内容。通过传感器对自然界的各及控制信息的采集三大内容。通过传感器对自然界的各种物质信息进行采集。种物质信息进行采集。2.传传感器的感器的应应用用领领域域如图如图1-2所示所示,传感器是任何一个自动控制系统必不可少的传感器是任何一个自动控制系统必不可少的环节。环节。如今，如今，传传感器的感器的应应用用领领域已涉及到科研、各域已涉及到科研、各类类制造业、制造业、农业、汽车、智能建筑、家用电器、安全防范、机器人、人农业、汽车、智能建筑、家用电器、安全防范、机器人、人体医学、环境保护、航空航天、遥感技术、军事等各个方面，体医学、环境保护、航空航天、遥感技术、军事等各个方面，人们已经离不开各种各样的传感器了。人们已经离不开各种各样的传感器了。传传感感器器显示与显示与记录设备记录设备输输出出接接口口计计算算机机输输入入接接口口控制设备控制设备控控制制对对象象图图1-2 1-2 微机化检测与控制系统的基本组成微机化检测与控制系统的基本组成3.传传感器在国民感器在国民经济经济中的地位中的地位传传感器技感器技术术不不仅对现仅对现代化科学技代化科学技术术、现现代化代化农农业业及工及工业业自自动动化的化的发发展起到基展起到基础础和支柱的作用，和支柱的作用，同同时时在世界各国也已成在世界各国也已成为为一种重要一种重要产业产业。可以。可以说说“没有没有传传感器就没有感器就没有现现代化的科学技代化的科学技术术”；没；没有有传传感器也就没有人感器也就没有人类现类现代化的生活代化的生活环环境和条境和条件；件；传传感器技感器技术术已成已成为为科学技科学技术术和国民和国民经济发经济发展水平的展水平的标标志之一。志之一。1.2 传感器的组成与分类传感器的组成与分类被被测测非非电电量量输输出出电电量量敏感元件敏感元件转换转换元件元件转换电转换电路路图图1-3 传传感器的感器的组组成成辅辅助助电电源源 从功能上讲，传感器通常由敏感元件、转换元件及转从功能上讲，传感器通常由敏感元件、转换元件及转换电路组成，如图换电路组成，如图1-3所示。所示。1.2.1 1.2.1 传感器的组成传感器的组成 敏感元件是指传感器中能直接感受（或响应）被测量敏感元件是指传感器中能直接感受（或响应）被测量的部分。在完成非电量到电量的变换时，并非所有的非电的部分。在完成非电量到电量的变换时，并非所有的非电量都能利用现有手段直接转换成电量，往往是先变换为另量都能利用现有手段直接转换成电量，往往是先变换为另一种易于变成电量的非电量，然后再转换成电量。如传感一种易于变成电量的非电量，然后再转换成电量。如传感器中各种类型的弹性元件常被称为弹性敏感元件。器中各种类型的弹性元件常被称为弹性敏感元件。转换元件是指能将感受到的非电量直接转换成电量的转换元件是指能将感受到的非电量直接转换成电量的器件或元件。如光电池将光的变化量转换为电势，应变片器件或元件。如光电池将光的变化量转换为电势，应变片将应变转换为电阻量等。将应变转换为电阻量等。转换电路是指将无源型传感器输出的电参数量转换成转换电路是指将无源型传感器输出的电参数量转换成电量。常用的转换电路有电桥电路，脉冲调宽电路，谐振电量。常用的转换电路有电桥电路，脉冲调宽电路，谐振电路等，它们将电阻、电容、电感等电参量转换成电压、电路等，它们将电阻、电容、电感等电参量转换成电压、电流或频率。电流或频率。实际上，有些传感器的敏感元件可以直接把被测非电实际上，有些传感器的敏感元件可以直接把被测非电量转换成电量输出，如压电晶体、光电池、热电偶等。通量转换成电量输出，如压电晶体、光电池、热电偶等。通常称它们为有源型传感器。常称它们为有源型传感器。辅助电源为无源传感器的转换电路提供电能。辅助电源为无源传感器的转换电路提供电能。1.2.2 传感器的分类传感器的分类传感器几种常用的分类方法：传感器几种常用的分类方法：1.按输入量按输入量(被测对象被测对象)分类分类 输入量即被测对象，按此方法分类，传感器可分为物理输入量即被测对象，按此方法分类，传感器可分为物理量传感器、化学量传感器和生物量传感器三大类。例如，物量传感器、化学量传感器和生物量传感器三大类。例如，物理量传感器又可分为温度传感器、压力传感器、位移传感器理量传感器又可分为温度传感器、压力传感器、位移传感器等等。这种分类方法给使用者提供了方便。等等。这种分类方法给使用者提供了方便。2.按转换原理分类按转换原理分类 从传感器的转换原理来说，通常分为结构型、物性型和从传感器的转换原理来说，通常分为结构型、物性型和复合型三大类。复合型三大类。结构型传感器是利用机械构件结构型传感器是利用机械构件(如金属膜片等如金属膜片等)在动力场在动力场或电磁场的作用下产生变形或位移，将外界被测参数转换成或电磁场的作用下产生变形或位移，将外界被测参数转换成相应的电阻、电感、电容等物理量，它是利用物理学运动定相应的电阻、电感、电容等物理量，它是利用物理学运动定律或电磁定律实现转换的。律或电磁定律实现转换的。物性型传感器是利用材料的固态物理特性及其各种物理、物性型传感器是利用材料的固态物理特性及其各种物理、化学效应（即物质定律，如虎克定律、欧姆定律等）实现非化学效应（即物质定律，如虎克定律、欧姆定律等）实现非电量的转换。它是以半导体、电介质、铁电体等作为敏感材电量的转换。它是以半导体、电介质、铁电体等作为敏感材料的固态器件。例如：电阻式、电感式、电容式、压电式、料的固态器件。例如：电阻式、电感式、电容式、压电式、光电式、热敏、气敏、湿敏、磁敏等等。光电式、热敏、气敏、湿敏、磁敏等等。复合型传感器是由结构型传感器和物性型传感器组合而成复合型传感器是由结构型传感器和物性型传感器组合而成的，兼有两者的特征。的，兼有两者的特征。这种分类方法清楚地指明了传感器的原理，便于学习和研这种分类方法清楚地指明了传感器的原理，便于学习和研究。究。3.按输出信号的形式分类按输出信号的形式分类 按输出信号的形式，传感器可分为开关式、模拟式和数字按输出信号的形式，传感器可分为开关式、模拟式和数字式。式。4.按输入和输出的特性分类按输入和输出的特性分类 按输入和输出特性，传感器可分为线性和非线性两类。按输入和输出特性，传感器可分为线性和非线性两类。5.按能量转换的方式分类按能量转换的方式分类 按转换元件的能量转换方式，传感器可分为有源型和按转换元件的能量转换方式，传感器可分为有源型和无源型两类。有源型也称能量转换型或发电型，它把非电无源型两类。有源型也称能量转换型或发电型，它把非电量直接变成电压量、电流量、电荷量等，如磁电式、压电量直接变成电压量、电流量、电荷量等，如磁电式、压电式、光电池、热电偶等。无源型也称能量控制型或参数型，式、光电池、热电偶等。无源型也称能量控制型或参数型，它把非电量变成电阻、电容、电感等量。它把非电量变成电阻、电容、电感等量。按上述后按上述后3种分类方法进行分类便于选择测量电路。种分类方法进行分类便于选择测量电路。1.3 传传感器的基本特性感器的基本特性 传传感器的特性参数有很多，且不同感器的特性参数有很多，且不同类类型的型的传传感器，其特性感器，其特性参数的要求和定参数的要求和定义义也各有差异，但都可以通也各有差异，但都可以通过过其静其静态态特性和特性和动动态态特性特性进进行全面描述。行全面描述。1.3.1 传传感器的静感器的静态态特性特性 静静态态特性表示特性表示传传感器在被感器在被测测各量各量值处值处于于稳稳定状定状态时态时的的输输出出与与输输出的关系。它主要包括灵敏度、分辨力出的关系。它主要包括灵敏度、分辨力(或分辨率或分辨率)、测测量量范范围围及及误误差特性。差特性。1.灵敏度灵敏度 灵敏度是指灵敏度是指稳态时传稳态时传感器感器输输出量出量y和输入量和输入量x之比，或输出之比，或输出量的增量量的增量y和相应输入量和相应输入量x的增量之比。的增量之比。线性传感器的灵敏度线性传感器的灵敏度k为常数；为常数；非线性传感器的非线性传感器的灵敏度灵敏度K是随输入量变化的量。是随输入量变化的量。2.分辨力分辨力 传感器在规定的测量范围内能够检测出的被测量的最传感器在规定的测量范围内能够检测出的被测量的最小变化量称为分辨力。它往往受噪声的限制，所以噪声电小变化量称为分辨力。它往往受噪声的限制，所以噪声电平的大小是决定传感器分辨力的关键因素。平的大小是决定传感器分辨力的关键因素。实际中，分辨力可用传感器的输出值表示：模拟式传实际中，分辨力可用传感器的输出值表示：模拟式传感器以最小刻度的一半所代表的输入量表示，数字式传感感器以最小刻度的一半所代表的输入量表示，数字式传感器则以末位显示一个字所代表的输入量表示。注意不要与器则以末位显示一个字所代表的输入量表示。注意不要与分辨率混淆。分辨力是与被测量有相同量纲的绝对值，而分辨率混淆。分辨力是与被测量有相同量纲的绝对值，而分辨率则是分辨力与量程的比值。分辨率则是分辨力与量程的比值。3.测测量范量范围围和量程和量程 在允在允许误许误差范差范围围内，内，传传感器能感器能够测够测量的下限量的下限值值(y min)到上到上限值限值(y max)之间的范围称为测量范围，表示为之间的范围称为测量范围，表示为y min y max；上；上限值与下限值的差称为量程，表示为限值与下限值的差称为量程，表示为y F.S y max y min。如。如某温度计的测量范围是某温度计的测量范围是-20100，量程则为，量程则为120。4.误误差特性差特性 传传感器的感器的误误差特性包括差特性包括线线性度、性度、迟迟滞、重复性、零漂和温滞、重复性、零漂和温漂等。漂等。（1）线线性度：性度：线线性度即非性度即非线线性性误误差，是差，是传感器的校准曲线传感器的校准曲线与理论拟合直线之间的最大偏差（与理论拟合直线之间的最大偏差（Lmax）与满量程值（）与满量程值（yF.S）的百分比的百分比 校准曲线：在标准条件下，即在没有加速度、振动、冲击校准曲线：在标准条件下，即在没有加速度、振动、冲击及温度为及温度为205、湿度不大于、湿度不大于85%RH、大气压力为、大气压力为1013277800Pa（76060mmHg）的条件下，用一定等级的设）的条件下，用一定等级的设备，对传感器进行反复循环测试，得到的输入和输出数据用表备，对传感器进行反复循环测试，得到的输入和输出数据用表格列出或画出曲线，这条曲线称为校准曲线。格列出或画出曲线，这条曲线称为校准曲线。拟合直线：对传感器特性线性化，用一条理论直线代替拟合直线：对传感器特性线性化，用一条理论直线代替标定曲线，标定曲线，即即拟拟合直合直线线。拟拟合直合直线线不同，所得不同，所得线线性度也不性度也不同。常用的两种同。常用的两种拟拟合直合直线线，即端基，即端基拟拟合直合直线线和独立和独立拟拟合直合直线线，如，如图图1-4所示。所示。图图1-4 传传感器感器拟拟合直合直线线示意示意图图a）端基）端基拟拟合直合直线线 b）独立）独立拟拟合直合直线线 端基拟合直线是由传感器校准数据的零点输出平均端基拟合直线是由传感器校准数据的零点输出平均值和满量程输出平均值连成的一条直线。由此所得的线性值和满量程输出平均值连成的一条直线。由此所得的线性度称为端基线性度。这种拟合方法简单直观，应用较广，度称为端基线性度。这种拟合方法简单直观，应用较广，但拟合精度很低，尤其对非线性比较明显的传感器，拟合但拟合精度很低，尤其对非线性比较明显的传感器，拟合精度更差。精度更差。独立拟合直线方程是用最小二乘法求得的，在全量独立拟合直线方程是用最小二乘法求得的，在全量程范围内各处误差都最小。独立线性度也称最小二乘法线程范围内各处误差都最小。独立线性度也称最小二乘法线性度。这种方法拟合精度最高，但计算很复杂。性度。这种方法拟合精度最高，但计算很复杂。图图1-5 传传感器的感器的迟迟滞特性滞特性 （2）迟迟滞：滞：迟迟滞是指在滞是指在相同工作条件下，相同工作条件下，传传感器正感器正行程特性与反行程特性的不行程特性与反行程特性的不一致的程度，如一致的程度，如图图l-5所示。所示。其数其数值为对应值为对应同一同一输输入量的入量的正行程和反行程正行程和反行程输输出出值间值间的的最大偏差最大偏差Hmax，与，与满满量程量程输输出出值值的百分比。用的百分比。用H表示表示为为 或用其一半表示。或用其一半表示。3）重复性：如）重复性：如图图1-6所示，重复性是指在同一工作条件所示，重复性是指在同一工作条件下，下，输输入量按同一方向在全入量按同一方向在全测测量范量范围围内内连续变连续变化多次所得特化多次所得特性曲性曲线线的不一致性。在数的不一致性。在数值值上用各上用各测测量量值值正、反行程正、反行程标标准偏准偏差最大差最大值值的两倍或三倍与满量程的百分比表示。记作的两倍或三倍与满量程的百分比表示。记作K K：从误差的性质讲，重复性误差从误差的性质讲，重复性误差属于随机误差。若误差完全按属于随机误差。若误差完全按正态分布，则随机误差的标准正态分布，则随机误差的标准误差误差，可由各次校准量数据，可由各次校准量数据间的最大误差间的最大误差im求出：求出：式中，式中，前的系数为置信因数，前的系数为置信因数，n为重复测量的次数。置信为重复测量的次数。置信因数取因数取2时，置信概率为时，置信概率为95%；置信因数取；置信因数取3时，置信概率为时，置信概率为99.73%。（4）零漂和温漂：传感器无输入（或某一输入值不变）零漂和温漂：传感器无输入（或某一输入值不变）时，每隔一定时间，其输出值偏离原示值的最大偏差与满量时，每隔一定时间，其输出值偏离原示值的最大偏差与满量程的百分比，即为零漂。温度每升高程的百分比，即为零漂。温度每升高1，传感器输出值的，传感器输出值的最大偏差与满量程的百分比，称为温漂。最大偏差与满量程的百分比，称为温漂。1.3.2 动态特性动态特性 动态特性是描述传感器在被测量随时间变化时的输出动态特性是描述传感器在被测量随时间变化时的输出和输入的关系。对于加速度等动态测量的传感器必须进行动和输入的关系。对于加速度等动态测量的传感器必须进行动态特性的研究，通常是用输入正弦或阶跃信号时传感器的响态特性的研究，通常是用输入正弦或阶跃信号时传感器的响应来描述的，即传递函数和频率响应。应来描述的，即传递函数和频率响应。小结：小结：1.传感器的定义传感器的定义2.传感器的组成传感器的组成3.传感器的作用传感器的作用4.传感器的分类传感器的分类5.传感器的基本特性传感器的基本特性作业：作业：1-3、1-4、1-5。思考：。思考：1-1、1-2。第二讲第二讲 1.4 1.4 传感器的测量误差与准确度传感器的测量误差与准确度传感器的测量误差与准确度传感器的测量误差与准确度 1.5 1.5 传感器中的弹性敏感元件传感器中的弹性敏感元件传感器中的弹性敏感元件传感器中的弹性敏感元件主要内容：主要内容：误差的类型、表示方法，准确度；盈利与应变，弹性误差的类型、表示方法，准确度；盈利与应变，弹性敏感元件的作用、特性、类型敏感元件的作用、特性、类型 能够回答的问题：能够回答的问题：1.传感器的误差是如何表示的？传感器的误差是如何表示的？2.传感器的准确度是如何定义的？它与测量误差有什么关系？传感器的准确度是如何定义的？它与测量误差有什么关系？3.什么是弹性敏感元件？弹性敏感元件的作用是什么？什么是弹性敏感元件？弹性敏感元件的作用是什么？4.什么是应力和应变？应力和应变有什么关系？横向应变与纵什么是应力和应变？应力和应变有什么关系？横向应变与纵向应变有什么关系？向应变有什么关系？5.弹性敏感元件主要特性有哪些？弹性敏感元件主要类型有哪弹性敏感元件主要特性有哪些？弹性敏感元件主要类型有哪些？些？1.4 1.4 传感器的测量误差与准确度传感器的测量误差与准确度了解测量误差的产生误差的原因了解测量误差的产生误差的原因熟悉测量误差的分类熟悉测量误差的分类掌握测量误差的表示方法掌握测量误差的表示方法理解准确度与测量误差的关系理解准确度与测量误差的关系 1.4.1 1.4.1 误差的类型误差的类型1.1.按误差的性质分类按误差的性质分类（1 1）系统误差）系统误差 在相同测量条件下多次测量同一物理量，在相同测量条件下多次测量同一物理量，其误差大小和符号保持恒定或按某一确定规律变化，此类误其误差大小和符号保持恒定或按某一确定规律变化，此类误差称为系统误差。系统误差表征测量的准确度。差称为系统误差。系统误差表征测量的准确度。（2 2）随机误差）随机误差 在相同测量条件下多次测量同一物理量，在相同测量条件下多次测量同一物理量，其误差没有固定的大小和符号，呈无规律的随机性，此类误其误差没有固定的大小和符号，呈无规律的随机性，此类误差称为随机误差。通常用精密度表征随机误差的大小。差称为随机误差。通常用精密度表征随机误差的大小。准确度和精密度的综合称为精确度，简称精度。准确度和精密度的综合称为精确度，简称精度。（3 3）粗大误差）粗大误差 明显偏离约定真值的误差称为粗大误差。明显偏离约定真值的误差称为粗大误差。它主要是由于测量人员的失误所致，如测错、读错或记错等。它主要是由于测量人员的失误所致，如测错、读错或记错等。含有粗大误差的数值称为坏值，应予以剔除。在测量中，若含有粗大误差的数值称为坏值，应予以剔除。在测量中，若误差大于极限误差误差大于极限误差C C，即为粗大误差。，即为粗大误差。2.2.按被测量与时间的关系分类按被测量与时间的关系分类（1 1）静态误差）静态误差 被测量不随时间变化时测得的被测量不随时间变化时测得的误差称为静态误差。误差称为静态误差。（2 2）动态误差）动态误差 被测量在随时间变化过程中测被测量在随时间变化过程中测得的误差称为动态误差。动态误差是由于检测得的误差称为动态误差。动态误差是由于检测系统对输入信号响应滞后，或对输入信号中不系统对输入信号响应滞后，或对输入信号中不同频率成分产生不同的衰减和延迟所造成的。同频率成分产生不同的衰减和延迟所造成的。动态误差值等于动态测量和静态测量所得误差动态误差值等于动态测量和静态测量所得误差的差值。的差值。1.4.2 1.4.2 误差的表示方法误差的表示方法 绝对误差和修正值的量纲必须与示值量纲相同。绝对误差和修正值的量纲必须与示值量纲相同。绝对误差可表示测量值偏离实际值的程度，但不能表绝对误差可表示测量值偏离实际值的程度，但不能表示测量的准确程度。示测量的准确程度。（1 1）绝对误差）绝对误差A Ax xA A0 0修正值修正值C CC C=当当A Ax xA A0 0时，为正误差；反之为负误差。时，为正误差；反之为负误差。（2 2）相对误差）相对误差实际相对误差实际相对误差示值示值(标称标称)相对误差相对误差满度（引用）相对误差满度（引用）相对误差1.4.3 1.4.3 准确度准确度传感器和测量仪表的误差是以准确度表示的。准确传感器和测量仪表的误差是以准确度表示的。准确度常用最大引用误差来定义度常用最大引用误差来定义它表示传感器的最大相对误差为它表示传感器的最大相对误差为S S%。仪表引起的最大测量相对误差为仪表引起的最大测量相对误差为如压力传感器的准确度等级分别为如压力传感器的准确度等级分别为0.050.05、0.10.1、0.20.2、0.30.3、0.50.5、1.01.0、1.51.5、2.02.0等；我国电工仪表的准确度等级分等；我国电工仪表的准确度等级分别为别为0.10.1、0.20.2、0.50.5、1.01.0、1.51.5、2.52.5、5.05.0。某某0.10.1级压力传感器的量程为级压力传感器的量程为100MPa100MPa，测量，测量50MPa50MPa压力时，压力时，传感器引起的最大相对误差为传感器引起的最大相对误差为0.2%0.2%。1.5 1.5 传感器中的弹性敏感元件传感器中的弹性敏感元件 能将力、力矩、压力、温度等物理量变换成位移、能将力、力矩、压力、温度等物理量变换成位移、转角或应变的弹性元件，称为弹性敏感元件。因此，转角或应变的弹性元件，称为弹性敏感元件。因此，位移传感器与弹性敏感元件（或构件本身）组合，可位移传感器与弹性敏感元件（或构件本身）组合，可构成力、压力、加速度、转矩、液位、流量等传感器。构成力、压力、加速度、转矩、液位、流量等传感器。熟悉应力和应变的概念熟悉应力和应变的概念掌握弹性敏感元件的作用、特性和类型掌握弹性敏感元件的作用、特性和类型1.1.应力应力截面积为截面积为S S的物体受到外力的物体受到外力F F的作用并处于平衡状态的作用并处于平衡状态时，在物体单位截面积上引起的内力称为应力时，在物体单位截面积上引起的内力称为应力图图1-7 1-7 应变种类示意图应变种类示意图a)a)拉、压应力拉、压应力 b)b)剪切应力剪切应力正（向）应力：拉伸或压缩状态，拉伸为正，压缩为负。正（向）应力：拉伸或压缩状态，拉伸为正，压缩为负。切切(向向)应力：物体一端固定，另一端受平行于端面的力作用，应力：物体一端固定，另一端受平行于端面的力作用，图图1-7b1-7b所示方向为正值，反之为负值所示方向为正值，反之为负值。2.2.应变应变物体受外力作用时产生的相对变形物体受外力作用时产生的相对变形纵向应变纵向应变l横向应变横向应变r r切应变切应变:切应力所产生的变形。切应力所产生的变形。式中，式中，x x为力为力F F使角点产生位移，使角点产生位移，L L为固定端至力作用点之间的距离为固定端至力作用点之间的距离3.3.虎克定律与弹性模量虎克定律与弹性模量=E=G式中，式中，E为弹性模量或称杨氏模量，单位为为弹性模量或称杨氏模量，单位为Nm2；G为剪切模量或称刚性模量；为剪切模量或称刚性模量；为切应力。为切应力。1.5.2 1.5.2 弹性敏感元件的特性弹性敏感元件的特性1.1.刚度刚度图1-8 特性曲线说明弹性元件受力说明弹性元件受力(或力矩、或力矩、压力压力)与其相应的位移与其相应的位移(线位线位移，角位移移，角位移)之间的关系之间的关系2.2.灵敏度灵敏度3.3.固有振动频率固有振动频率其他：弹性滞后和弹性后效其他：弹性滞后和弹性后效1.5.3 1.5.3 弹性敏感元件的材料弹性敏感元件的材料表表1-1 1-1 常用弹性材料性能表常用弹性材料性能表序序号号名名称称弹弹性模量性模量/(N/m/(N/m2 2)材料按序号材料按序号说说明明E E(1(10 01111)G G(1(10 09 9)1 14545号号钢钢2.02.0-1.1.若淬火若淬火830830850,850,回火回火500500，强强度限可达度限可达9.59.510.510.52.2.用于一般用于一般传传感器感器2 240C40Cr r2.12.18 8-1 10 0铍铍青青铜铜1.31.31 15.05.01 11 1硬硬铝铝0.70.72 22.72.71.5.4 1.5.4 弹性敏感元件的类型弹性敏感元件的类型 1.1.变换力的弹性敏感元件变换力的弹性敏感元件图图1-9 1-9 变换力的弹性敏感元件变换力的弹性敏感元件a)a)实心轴实心轴 b)b)空心轴空心轴 c c、d)d)等截面圆环等截面圆环 e)e)变形的圆环变形的圆环f)f)等截面悬梁等截面悬梁 g)g)等强度悬臂梁等强度悬臂梁 h)h)变形的悬臂梁变形的悬臂梁 i)i)扭转轴扭转轴2.2.变换压力的弹性元件变换压力的弹性元件图图1-10 1-10 变换压力的弹性敏感元件变换压力的弹性敏感元件a)a)弹簧管弹簧管 b)b)波纹管波纹管 c)c)等截面薄板等截面薄板 d)d)膜盒膜盒 e)e)薄壁圆简薄壁圆简 f)f)薄壁半球薄壁半球小结：小结：1.1.误差按性质分类误差按性质分类2.2.误差的表示方法误差的表示方法3.3.准确度准确度4.4.弹性敏感元件的作用弹性敏感元件的作用5.5.弹性敏感元件的特性弹性敏感元件的特性6.6.弹性敏感元件的类型弹性敏感元件的类型作业：作业：1-91-9、1-101-10、1-111-11、1-121-12、1-131-13。思考：思考：1-61-6、1-71-7、1-81-8。第三讲第三讲2.1 电阻式传感器电阻式传感器2.2 电容式传感器电容式传感器 主要内容：主要内容：电阻应变效应，电阻应变片的结构、类型与特电阻应变效应，电阻应变片的结构、类型与特性，应变电桥原理与特性，电位器测量位移原理，电容传感器性，应变电桥原理与特性，电位器测量位移原理，电容传感器原理、结构类型与特性原理、结构类型与特性 能够回答的问题：能够回答的问题：1.线性位移传感器在其他传感器中的重要地位是什么？线性位移传感器在其他传感器中的重要地位是什么？2.应变式传感器由哪几部分组成？应变式传感器能检测哪应变式传感器由哪几部分组成？应变式传感器能检测哪些物理量？些物理量？3.电阻应变片有哪些类型？电阻应变片的特性是什么？电阻应变片有哪些类型？电阻应变片的特性是什么？4.应变式传感器的转换电路是什么？它们有什么特性？应变式传感器的转换电路是什么？它们有什么特性？5.电位器传感器如何测量位移？它有哪些类型？能测量电位器传感器如何测量位移？它有哪些类型？能测量哪些物理量？测量电路是什么？哪些物理量？测量电路是什么？6.电容式传感器有哪些类型？各有什么特点？能测量哪电容式传感器有哪些类型？各有什么特点？能测量哪些物理量？测量电路是什么？些物理量？测量电路是什么？