第3章力與壓力測量傳感器

實用傳感器技術(shù)教程2023/2/41壓電式傳感器1.2第3章力與壓力測量傳感器電阻式壓力傳感器3.13.2集成壓力傳感器1.2差動變壓器式傳感器3.33.4力與壓力測量傳感器性能比較1.2壓磁式傳感器3.53.62023/2/42本章要點電阻式、壓電式、差動變壓器式、壓磁式與集成式壓力傳感器等壓力測量傳感器結(jié)構(gòu)與工作原理壓力測量傳感器的特性參數(shù)、測量電路與溫度補(bǔ)償方法壓力測量傳感器性能及應(yīng)用范圍比較壓力測量傳感器應(yīng)用實例2023/2/433.1電阻式壓力傳感器3.1.1金屬電阻應(yīng)變式傳感器金屬電阻應(yīng)變式傳感器是利用應(yīng)變效應(yīng)原理制成的一種測量微小機(jī)械變化量的傳感器。它是由彈性元件和電阻應(yīng)變片構(gòu)成。當(dāng)彈性元件感受被測物理量時，其表面產(chǎn)生應(yīng)變，粘貼在彈性元件表面的電阻應(yīng)變片也產(chǎn)生應(yīng)變，其阻值將隨著彈性元件的應(yīng)變而變化。通過測量電阻應(yīng)變片的電阻值，可以用來測量被測的物理量。金屬電阻應(yīng)變傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、測量精度高、使用方便、動態(tài)性能好等特點，被廣泛應(yīng)用于測量力、力矩、壓力、加速度、重量等參數(shù)。

2023/2/441.1傳感器基本概念1.電阻應(yīng)變片原理及主要特性（1）工作原理金屬導(dǎo)體材料在受到外界力作用時，將產(chǎn)生機(jī)械變形，機(jī)械變形會導(dǎo)致其電阻值變化，這種因形變而使其電阻值發(fā)生變化的現(xiàn)象被稱為“應(yīng)變效應(yīng)”。

圖3-1金屬電阻絲伸長后幾何尺寸變化

2023/2/45設(shè)有一根電阻絲，如圖3-1所示，它在未受到外力作用時的初始電阻為

（3-1）式中，ρ——電阻絲的電阻率；L——電阻絲的長度；S——電阻絲的截面積。2023/2/46當(dāng)電阻絲在外力F的作用下被拉伸(或壓縮)，則其ρ、L、S均發(fā)生變化，變化量分別為Δρ、ΔL、ΔS。幾何尺寸的變化引起電阻值的變化，電阻值相應(yīng)變化為ΔR，其電阻的相對變化量為:

(3-2)

經(jīng)過整理，可得下式:

(3-3)

2023/2/47

式中，μ為為泊松比，定義為材料在單向受拉或受壓時，橫向正應(yīng)變與軸向正應(yīng)變的絕對值的比值。如果令:

(3-4)

則有:

(3-5)

式中，ε=ΔL/L為金屬導(dǎo)體電阻絲的縱向應(yīng)變；k0為電阻絲的靈敏系數(shù)，即單位應(yīng)變所引起的電阻的相對變化。

2023/2/48由式(3-4)可知，電阻絲的靈敏系數(shù)受兩個因素的影響：一是(1+2μ)，它是由電阻絲幾何尺寸改變引起的，對某種材料來說，它是常數(shù)；另一個是（Δρ/ρ）/ε，對于同一種金屬材料，其值也是常數(shù)，但比(1+2μ)小很多，可以忽略，故k0≈1+2μ。理論與實驗證明，對于每一種電阻絲，在一定的相對變形范圍內(nèi)，金屬材料的靈敏系數(shù)k0將保持不變。因此，由式（3-5）可知，當(dāng)金屬電阻絲受到外界應(yīng)力的作用時，其電阻的變化與受到應(yīng)力的大小成正比。即金屬導(dǎo)體電阻絲的電阻的相對變化率與電阻絲的應(yīng)變呈線性關(guān)系變化，這就是金屬電阻應(yīng)變式的工作原理。2023/2/49（2）應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)常用的金屬應(yīng)變片分為電阻絲應(yīng)變片和箔式應(yīng)變片。它們基本結(jié)構(gòu)大體相同，由敏感柵、基底、覆蓋層、引線和黏結(jié)劑組成。2023/2/410（3）電阻應(yīng)變傳感器主要特性1)靈敏系數(shù)K

當(dāng)具有初始電阻值R的應(yīng)變片粘貼于試件表面時，試件受力引起的表面應(yīng)變，將傳遞給應(yīng)變片的敏感柵，使其產(chǎn)生電阻相對變化ΔR/R。實驗表明，在一定應(yīng)變范圍內(nèi)ΔR/R由下式確定：式中:ε為應(yīng)變片的縱向應(yīng)變；K為應(yīng)變片的靈敏系數(shù)。2023/2/411（3）電阻應(yīng)變傳感器主要特性2)機(jī)械滯后

應(yīng)變片安裝在試件上以后，在一定的溫度下，應(yīng)變片的指示應(yīng)變εi與試件機(jī)械應(yīng)變εm應(yīng)該是一個確定關(guān)系，但實驗表明，在加載和卸載過程中，對同一機(jī)械應(yīng)變量，兩過程的特性曲線并不重合，卸載時的指示應(yīng)變高于加載時的指示應(yīng)變，如圖3-3所示，這種現(xiàn)象稱為應(yīng)變片的機(jī)械滯后。加載和卸載特性曲線之間的最大差值Δεm稱為應(yīng)變片的機(jī)械滯后值。2023/2/412（3）電阻應(yīng)變傳感器主要特性3)零漂和蠕變

已粘貼在試件上的應(yīng)變片，在溫度保持恒定，試件上沒有機(jī)械應(yīng)變的情況下，應(yīng)變片的指示會隨著時間增長而逐漸變化，這就是應(yīng)變片的零點漂移，簡稱零漂。

已粘貼的應(yīng)變片，溫度保持恒定，在承受某一恒定的機(jī)械應(yīng)變長時間作用下，應(yīng)變片的指示會隨時間的變化而變化，這種現(xiàn)象稱為蠕變。一般來說，蠕變的方向與原來應(yīng)變量變化的方向相反。2023/2/413（3）電阻應(yīng)變傳感器主要特性4)溫度效應(yīng)粘貼在試件上的電阻應(yīng)變片，除感受機(jī)械應(yīng)變而產(chǎn)生電阻相對變化外，在環(huán)境溫度變化時，也會引起電阻的相對變化，產(chǎn)生虛假應(yīng)變，這種現(xiàn)象稱為溫度效應(yīng)。溫度變化對電阻應(yīng)變片的影響是多方面的，這里僅考慮兩種主要影響：

一是當(dāng)環(huán)境溫度變化Δt時，由于敏感柵材料的電阻溫度系數(shù)αt的存在，引起電阻的相對變化；二是當(dāng)環(huán)境溫度變化Δt時，由于敏感材料和試件材料的膨脹系數(shù)不同，應(yīng)變片產(chǎn)生附加的形變，從而引起電阻的相對變化。2023/2/414（3）電阻應(yīng)變傳感器主要特性5)應(yīng)變極限與疲勞壽命應(yīng)變片的應(yīng)變極限是指在一定溫度下，應(yīng)變片的指示應(yīng)變εi與試件的真實應(yīng)變εm的相對誤差達(dá)到規(guī)定值（一般為10%）時的真實應(yīng)變值εj，如右圖所示。對于已安裝的應(yīng)變片，在恒定幅值的交變力作用下，可以連續(xù)工作而不產(chǎn)生疲勞損壞的循環(huán)次數(shù)N稱為應(yīng)變片的疲勞壽命。2023/2/4156）絕緣電阻和最大工作電流應(yīng)變片的絕緣電阻是指已粘貼的應(yīng)變片的引線與被測件之間的電阻值Rm。通常要求Rm在50MΩ～100MΩ以上。絕緣電阻下降將使測量系統(tǒng)的靈敏度降低，使應(yīng)變片的指示應(yīng)變產(chǎn)生誤差。最大工作電流是指已安裝的應(yīng)變片允許通過敏感柵而不影響其工作特性的最大電流。工作電流大，輸出信號就大，靈敏度就高。但工作電流過大，會使應(yīng)變片過熱，靈敏度系數(shù)發(fā)生變化，零漂及蠕變增加。通常靜態(tài)測量時取25mA左右，動態(tài)測量時取75～100mA。2023/2/4167）應(yīng)變片的電阻值指應(yīng)變片在未經(jīng)安裝也不受外力的情況下，在室溫條件下測得的電阻值。目前常用的電阻系列，有60Ω、120Ω、200Ω、350Ω、500Ω、1000Ω、1500Ω等。2023/2/4172.電阻應(yīng)變片溫度誤差及補(bǔ)償由于外界溫度變化而給電阻應(yīng)變片測量帶來的附加誤差，稱為應(yīng)變片的溫度誤差。溫度誤差主要是由于敏感柵的溫度系數(shù)αt及敏感材料與試件材料的膨脹系數(shù)的差異造成的（見公式3-7）。該誤差對于測量精度影響極大，必須采取一定的補(bǔ)償方法進(jìn)行溫度補(bǔ)償。2023/2/418（1）自補(bǔ)償法這種補(bǔ)償方法是利用應(yīng)變片自身具有的溫度補(bǔ)償作用進(jìn)行補(bǔ)償1）選擇式自補(bǔ)償法由式(3-7)可知，若想完全補(bǔ)償溫度變化帶來的測量誤差，就要使溫度變化形成的總電阻相對變化為零，則需滿足下面條件

(3-8)

因此，當(dāng)被測試件的線膨脹系數(shù)βg已知時，如果合理選擇敏感柵材料，即其電阻溫度系數(shù)αt、靈敏系數(shù)K以及線膨脹系數(shù)βs，滿足式(3-8)，則不論溫度如何變化，均有ΔR/R=0，即消除了溫度變化對電阻變化率的影響，從而達(dá)到了溫度自補(bǔ)償?shù)哪康摹＿@種自補(bǔ)償應(yīng)變片容易加工，成本低，缺點是只適用特定的被試件材料，溫度補(bǔ)償范圍也較窄。2023/2/419（1）自補(bǔ)償法2）組合式自補(bǔ)償法

采用這種補(bǔ)償方法的應(yīng)變片，其敏感柵是由兩種不同溫度系數(shù)的金屬電阻絲串接而成的。這兩種溫度系數(shù)可以是相同符號，也可以是不同符號。利用兩種具有不同符號的電阻溫度系數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償?shù)膽?yīng)變片結(jié)構(gòu)如圖3-5所示，它是將兩種具有不同溫度系數(shù)的電阻絲串聯(lián)繞制成敏感柵。

圖3-5組合式自補(bǔ)償方法之一2023/2/420（2）線路補(bǔ)償法常用的線路補(bǔ)償法是利用電橋進(jìn)行補(bǔ)償。圖3-7所示為電橋補(bǔ)償電路，其中R1為工作應(yīng)變片，RB為補(bǔ)償應(yīng)變片，R3、R4為固定電阻。工作片R1粘貼在被測試件上需要測量應(yīng)變的地方，補(bǔ)償片RB粘貼在補(bǔ)償塊上，補(bǔ)償塊與被測試件溫度相同，但不承受應(yīng)變。圖3-7電橋補(bǔ)償電路2023/2/4213.電阻應(yīng)變片的粘貼技術(shù)（1）應(yīng)變片的檢查與篩選（2）試件貼片處表面的處理（3）底層處理（4）貼片（5）粘貼質(zhì)量的檢查2023/2/4223.1.2壓阻式傳感器盡管金屬電阻應(yīng)變式傳感器具有性能穩(wěn)定、精度較高等優(yōu)點，但卻存在一大弱點，就是靈敏系數(shù)低。在20世紀(jì)50年代中期出現(xiàn)了半導(dǎo)體應(yīng)變片制成的壓阻式傳感器，其靈敏系數(shù)比金屬電阻式傳感器高幾十倍，而且具有體積小、分辨率高、工作頻帶寬、機(jī)械遲滯小、傳感器與測量電路可實現(xiàn)一體化等優(yōu)點。2023/2/4231.壓阻式傳感器工作原理當(dāng)單晶半導(dǎo)體材料在在沿某一軸向受外力作用時，其電阻率發(fā)生很大變化，這一現(xiàn)象稱半導(dǎo)體的壓阻效應(yīng)。壓阻式傳感器就是基于半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)原理工作的。當(dāng)對半導(dǎo)體材料施加應(yīng)力作用時，半導(dǎo)體材料的電阻率將隨著應(yīng)力的變化而發(fā)生變化，因此它也屬于一種電阻式傳感器。前面介紹了金屬導(dǎo)體材料在受到外界力作用時，導(dǎo)致其電阻值變化，其電阻變化率由式(3-3)給出，即：2023/2/4241.壓阻式傳感器工作原理其中Δρ/ρ一項很小，即電阻率的變化很小，因而可以忽略不計，所以金屬電阻應(yīng)變片的電阻的變化主要由金屬材料的幾何尺寸所決定。但對于半導(dǎo)體材料而言，情況正好相反，由材料幾何尺寸變化而引起電阻的變化很小，可忽略不計，而Δρ/ρ一項很大，也就是說，半導(dǎo)體材料電阻的變化主要由半導(dǎo)體材料電阻率的變化所造成的，這就是壓阻式傳感器的工作原理。壓阻式傳感器電阻的變化一般可表示為：由于彈性模量E=σ/ε：故上式又可以表示為：

2023/2/4252.壓阻式傳感器的構(gòu)成圖3-8所示為壓阻式傳感器的結(jié)構(gòu)框圖。彈性敏感元件將被測量Δx轉(zhuǎn)換成為中間變量σ，壓阻式變換器將其轉(zhuǎn)換成電阻的變化量ΔR。

圖3-8壓阻式傳感器框圖2023/2/4263.1.3電阻式壓力傳感器的驅(qū)動及測量電路1.驅(qū)動方式電阻式壓力傳感器屬于無源傳感器，工作時需要外加驅(qū)動電源，其驅(qū)動方式分為恒流驅(qū)動與恒壓驅(qū)動兩種。（1）恒流驅(qū)動方式

2023/2/427（2）恒壓驅(qū)動方式3.1.3電阻式壓力傳感器的驅(qū)動及測量電路2023/2/4282.電橋測量電路電阻式壓力傳感器將壓力轉(zhuǎn)換成電阻的相對變化ΔR/R，為了便于進(jìn)行測量，還必須經(jīng)過測量電路將這種電阻的變化進(jìn)一步轉(zhuǎn)換成電壓或電流信號。電阻式壓力傳感器常用的測量電路是電橋。電橋測量電路具有測量精度高、靈敏度高、測量范圍寬、電路簡單以及易于實現(xiàn)溫度補(bǔ)償?shù)葍?yōu)點，因此在電阻式傳感器的測量電路中得到了普遍應(yīng)用。3.1.3電阻式壓力傳感器的驅(qū)動及測量電路2023/2/4293.1.3電阻式壓力傳感器的驅(qū)動及測量電路（1）單臂工作電橋右圖為電橋電路，U為橋路供電電源電壓，U0為電橋輸出電壓。其輸出電壓表達(dá)式為右圖基本電橋電路

在實際使用中，根據(jù)敏感元件的數(shù)量和橋臂電阻的阻值情況，經(jīng)常將電橋分為以下幾種工作形式。2023/2/4301）等臂電橋

等臂電橋是指在初始狀態(tài)時，電橋四臂的電阻均相等，即R10=R20=R30=R40=R。當(dāng)R1為工作臂時，其增量為ΔR1=ΔR，則輸出電壓為

式中，ε=ΔR/R，為敏感元件電阻的相對變化量。如果，ε＜＜1

，則輸出電壓為

2023/2/4312）第一對稱電橋所謂第一對稱電橋是指電橋初始狀態(tài)時，R10=R40=R，R20=R30=R′。當(dāng)R1為工作臂時，其增量為ΔR1=ΔR，則輸出電壓為

同樣，如果ε＜＜1，則輸出電壓為：2023/2/4323）第二對稱電橋所謂第二對稱電橋是指電橋初始狀態(tài)時，R10=R20=R，R30=R40=R′。當(dāng)R1為工作臂時，其增量為ΔR1=ΔR，則輸出電壓為：如果ε＜＜1，則輸出電壓為

由以上對單臂電橋的分析得出兩點結(jié)論：第一，當(dāng)橋臂電阻發(fā)生相同變化時，等臂電橋與第一類對稱電橋的輸出電壓相同，且比第二類對稱電橋輸出電壓大，即第一類對稱電橋靈敏度比第二類對稱電橋靈敏度高。第二，就是單臂工作電橋輸出電壓與電阻的相對變化是非線性關(guān)系，只有當(dāng)ε＜＜1時，才近似為線性關(guān)系。2023/2/4333.橋傳感器信號調(diào)節(jié)電路1B32

橋信號調(diào)節(jié)電路1B32是一個以斬波器為基礎(chǔ)的精密信號調(diào)節(jié)器件。由于它具有高精度、高增益、橋激勵電壓可編程以及電路簡單等特點，所以常被用于高精度稱重和橋傳感器。2023/2/4343.1.4電阻式壓力傳感器應(yīng)用1.高壓數(shù)字壓力表

2023/2/4353.1.4電阻式壓力傳感器應(yīng)用2.煤礦快速定量自動裝車系統(tǒng)2023/2/4363.1.4電阻式壓力傳感器應(yīng)用3.膠帶張力測試

圖3-17帶式輸送機(jī)的膠帶張力測試裝置圖3-18壓力滾筒受力示意圖

2023/2/4373.2壓電式傳感器壓電式傳感器是基于某些介質(zhì)材料的壓電效應(yīng)原理工作的，是一種典型的有源傳感器。壓電效應(yīng)是材料受到應(yīng)力作用時所產(chǎn)生的電極化現(xiàn)象，是一種可逆效應(yīng)，因此，當(dāng)在材料兩側(cè)之間施加電壓時，材料便產(chǎn)生應(yīng)變。由于壓電式轉(zhuǎn)換元件具有體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡單、固有頻率高、工作可靠以及信噪比高等特點，因此，它成為一種典型的力敏元件，被廣泛地應(yīng)用于壓力、加速度、機(jī)械沖擊和振動等諸多物理量的測量中。2023/2/4383.2.1壓電效應(yīng)與壓電傳感器1.壓電效應(yīng)某些電介質(zhì)物體在某方向受壓力或拉力作用產(chǎn)生形變時，表面會產(chǎn)生電荷，外力撤銷后，又回到不帶電狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。當(dāng)作用力方向改變時，電荷極性隨之改變，把這種機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的現(xiàn)象，稱為“正壓電效應(yīng)”，反之，當(dāng)在電介質(zhì)極化方向施加電場，這些電介質(zhì)會產(chǎn)生幾何變形，這種現(xiàn)象稱為“逆壓電效應(yīng)”。

2023/2/4393.2.1壓電效應(yīng)與壓電傳感器2.壓電傳感器壓電式傳感器的基本原理就是利用壓電材料的壓電效應(yīng)這個特性，即當(dāng)有力作用在壓電元件上時，傳感器就有電荷(或電壓)輸出。圖3-19壓電元件組合接法

2023/2/4403.2.2壓電傳感器等效電路壓電元件兩電極間的壓電陶瓷或石英都是絕緣體，因此就構(gòu)成一個電容器，其容量為（3-27）式中S——極板面積；εr、ε0——壓電材料的相對介電常數(shù)和空氣的介電常數(shù)；δ——壓電片的厚度。當(dāng)壓電元件受外力作用時，兩表面產(chǎn)生等量的正、負(fù)電荷Q，壓電元件的開路電壓U為2023/2/4413.2.2壓電傳感器等效電路因此，可以把壓電元件等效為一個電荷源Q和一個電容Ca并聯(lián)的等效電路如圖3-20(a)中虛線方框所示；也可以等效為一個電壓源U和一個電容Ca串聯(lián)的等效電路，如圖3-20(b)中虛線方框所示。其中，Ra為壓電元件的漏電阻。

圖3-20壓電傳感器等效電路2023/2/4423.2.3壓電傳感器測量電路壓電式傳感器本身的阻抗很高，而輸出能量較小，為了使壓電元件能正常工作，它的測量電路需要接入一個高輸入阻抗的前置放大器，該放大器主要有兩個作用：

一是放大，即放大壓電元件的微弱電信號；二是阻抗變換，把高阻抗輸入變換為低阻抗輸出。

根據(jù)壓電式傳感器的等效電路，它的輸出信號可以是電壓也可以是電荷，因此，前置放大器有兩種形式：

一種是電壓放大器，其輸出電壓與輸入電壓成正比；另一種是電荷放大器，其輸出電壓與輸入電荷成正比。2023/2/4433.2.3壓電傳感器測量電路1.電壓放大器

圖3-21壓電傳感器與電壓放大器連接

2023/2/4443.2.3壓電傳感器測量電路2.電荷放大器2023/2/4453.2.4壓電傳感器主要技術(shù)指標(biāo)1）量程：壓電式壓力傳感器的量程是指在給定精度內(nèi)，傳感器所測物理量的上、下限。壓電傳感器的精度與量程是相互關(guān)聯(lián)的，即同一傳感器，所規(guī)定的測試精度不同，其量程范圍也是不同的。2）靈敏度：壓電式壓力傳感器的靈敏度定義為輸出量與被測物理量的比值，即

3）絕緣電阻：如果傳感器沒有足夠高的絕緣電阻，壓電轉(zhuǎn)換元件產(chǎn)生的電荷將通過它迅速泄露，給測量帶來誤差。通常要求壓電傳感器絕緣電阻不低于1010Ω

2023/2/4463.2.4壓電傳感器主要技術(shù)指標(biāo)4）諧振頻率：按輸入方式不同，傳感器的振動可以是受迫振動或衰減振動。在受迫振動時，當(dāng)被測信號頻率與傳感器固有頻率相同時，傳感器則發(fā)生共振。衰減振動時，傳感器的有阻尼諧振頻率為：式中，k為組合剛度；

m為質(zhì)量；

c為阻尼系數(shù)。2023/2/4473.2.4壓電傳感器主要技術(shù)指標(biāo)5）非線性：壓電式壓力傳感器的輸出特性曲線一般為上翹、下翹甚至S型。對于同一傳感器的輸出特性曲線，由于計算方法不同將導(dǎo)致結(jié)果不同，因此，在給定非線性這一指標(biāo)時，應(yīng)注明所采用的計算方法。6）滯后（遲滯）：由于石英晶體本身滯后極小，所以優(yōu)質(zhì)壓電式傳感器滯后極小。滯后嚴(yán)重的傳感器不能用于動態(tài)參數(shù)測量。2023/2/4483.2.5壓電傳感器的應(yīng)用1.用壓電式測力傳感器測量激振力圖3-23測力傳感器測量振動臺激振力測試系統(tǒng)

2023/2/4493.2.5壓電傳感器的應(yīng)用2.大型發(fā)電機(jī)組的振動監(jiān)測圖3-24為電廠設(shè)備振動監(jiān)測示意圖。監(jiān)測用壓電加速度傳感器多選用XYZ三向傳感器，可測量一點空間各方向上的振動。一臺3×105kW的汽輪發(fā)電機(jī)組的監(jiān)測點至少需要30多個。

圖3-24發(fā)電廠設(shè)備振動監(jiān)測示意圖2023/2/4503.3差動變壓器式傳感器變壓器式傳感器就是指互感系數(shù)可變的變壓器。當(dāng)變壓器初級線圈加上激勵電源后，變壓器的次級線圈將感應(yīng)產(chǎn)生輸出電壓。當(dāng)互感發(fā)生變化時，輸出電壓將隨之做相應(yīng)的變化。一般情況這種傳感器的二次側(cè)線圈有兩個，且都采用差動方式連接，因此，常稱之為差動變壓器式傳感器。

差動變壓器式傳感器有如下優(yōu)點：分辨力高，線位移分辨力可達(dá)0.1μm靈敏度高，每mm位移量輸出信號電壓可達(dá)到幾V線性好，重復(fù)性好，高精度差動變壓器線性達(dá)到0.1％測量范圍寬，可測位移量為±25nm～±500mm2023/2/4513.3.1差動變壓器工作原理圖3-25差動變壓器的結(jié)構(gòu)及等效電路

2023/2/4523.3.2差動變壓器主要特性1.

靈敏度:差動變壓器的靈敏度是指差動變壓器,在單位電壓勵磁下，鐵芯移動一單位距離時的輸出電壓，以mV/（mmV）表示。一般差動變壓器靈敏度可達(dá)100～5000mV/（mmV）。2.頻率特性:差動變壓器的激磁頻率對其靈敏度、線性都有影響，因此恰當(dāng)?shù)剡x擇激磁頻率是很重要的。差動變壓器的激磁頻率一般以50Hz～10kHz較為適當(dāng)。頻率太低時差動變壓器的靈敏度顯著降低，溫度誤差和頻率誤差增加。但頻率太高，前述的理想差動變壓器的假定條件不能成立，因為隨著頻率的增加，鐵損和耦合電容等的影響也增加了。因此具體應(yīng)用時，應(yīng)在400Hz到5kHz的范圍內(nèi)選擇。3.線性范圍:差動變壓器的線性范圍一般為±2.5～±500mm，在這個范圍內(nèi)，線性度可達(dá)0.1％～0.5％。2023/2/4533.3.3差動變壓器誤差及補(bǔ)償1.零位誤差:

當(dāng)差動變壓器銜鐵位于中間平衡位置時，理論上差動輸出電壓應(yīng)該等于零。但實際上其輸出電壓并不為零，該電壓就被稱為零點殘余電壓。零點殘余電壓一般為幾毫伏到幾十毫伏。由于零點殘余電壓的存在，造成零位誤差。零點殘余電壓的存在使傳感器輸出特性在零點附近不靈敏，限制了傳感器分辨率的提高。零點電壓過大，會使放大器飽和，使儀器無法正常工作。2023/2/4543.3.3差動變壓器誤差及補(bǔ)償克服零點殘余電壓，減小零位誤差，可以通過電路補(bǔ)償實現(xiàn)。圖3-27所示為幾個補(bǔ)償零點殘余電壓的電路實例。圖3-27補(bǔ)償零點殘余電壓的電路

2023/2/4553.3.3差動變壓器誤差及補(bǔ)償2.溫度誤差溫度影響差動變壓器測量精度，其中影響最大的是初級線圈電阻的溫度系數(shù)。當(dāng)溫度變化時，初級線圈的電阻變化引起初級激磁電流的變化，從而造成次級電壓隨溫度而變化。減少溫度造成的誤差可以通過穩(wěn)定激勵電流的方法來實現(xiàn)，即控制激勵電流不隨溫度變化。有兩種穩(wěn)定激勵電流的方法，一種是采用恒流源激勵代替恒壓源激勵；另一種辦法是在使用穩(wěn)壓源的初級回路中串聯(lián)一個熱敏電阻，利用熱敏電阻隨溫度變化的方向與一次線圈電阻的變化方向相反來消除溫度對激勵電流的影響。2023/2/4563.3.3差動變壓器誤差及補(bǔ)償圖3-28所示為利用初級串聯(lián)電阻穩(wěn)定激勵電流，達(dá)到溫度補(bǔ)償目的的電路。在初級串入一高阻值降壓電阻R，或同時串入一熱敏電阻RT進(jìn)行補(bǔ)償。適當(dāng)選擇RT，可使溫度變化時原邊總電阻近似不變，從而使激勵電流保持恒定。

圖3-28溫度補(bǔ)償電路

2023/2/4573.3.4差動變壓器測量電路1.差動整流電路

2023/2/4583.3.4差動變壓器測量電路2.直流差動變壓器電路2023/2/4593.3.4差動變壓器測量電路3.相敏檢波電路（1）分立元件相敏檢波電路2023/2/4603.3.4差動變壓器測量電路（2）集成相敏檢波電路AD630應(yīng)用電路

2023/2/4613.3.5差動變壓器傳感器應(yīng)用1.差動變壓器實用電路2023/2/4623.3.5差動變壓器傳感器應(yīng)用2.

利用集成信號調(diào)節(jié)電路芯片AD598實現(xiàn)測量2023/2/4633.3.5差動變壓器傳感器應(yīng)用3.差動變壓器式張力檢測控制系統(tǒng).2023/2/4643.4集成壓力傳感器3.4.1集成硅壓力傳感器1.MPX系列工作原理（1）基本無補(bǔ)償型硅壓力傳感器2023/2/4653.4集成壓力傳感器表3-3MPX100系列硅壓力傳感器主要技術(shù)參數(shù)參數(shù)最小值典型值最大值單位壓力范圍0—10kPa電源電壓—3.06.0Vdc滿量程輸出電壓456090mV零位偏差電壓02035mV靈敏度—0.6—mV/kPa線性度-2.5—+2.5％FSS壓力遲滯-0.1—+0.1％FSS滿量程溫度系數(shù)-0.22-0.19-0.16％/℃電阻溫度系數(shù)0.210.240.27％/℃輸入阻抗400—550Ω輸出阻抗750—1875Ω響應(yīng)時間—1.0—ms穩(wěn)定度——±0.5％FSS2023/2/4663.4集成壓力傳感器（2）溫度補(bǔ)償和校正型硅壓力傳感器2023/2/4673.4集成壓力傳感器（3）全信號調(diào)理型硅壓力傳感器

圖3-42MPX5100A的內(nèi)部電路框圖

2023/2/4683.4集成壓力傳感器2.應(yīng)用電路（1）水位監(jiān)視電路設(shè)計2023/2/4693.4集成壓力傳感器（2）壓力變送器2023/2/4703.4集成壓力傳感器（3）壓力開關(guān)2023/2/4713.4.2智能壓力傳感器。隨著計算機(jī)及微處理技術(shù)的不斷發(fā)展，微處理器技術(shù)已經(jīng)被引入到傳感器，使傳感器的性能得到了極大地提高，能夠?qū)崿F(xiàn)很多過去所不能完成的功能，從而造就了新一代智能傳感器。1.ST-3000系列智能壓力傳感器2.PPT系列智能壓力傳感器2023/2/4723.5壓磁式傳感器壓磁式傳感器（也稱磁彈性傳感器）是一種壓力傳感器。它的作用原理是建立在磁彈性效應(yīng)的基礎(chǔ)上，即利用這種傳感器將作用力變換成傳感器導(dǎo)磁率的變化，并通過導(dǎo)磁率的變化輸出相應(yīng)變化的電信號。壓磁式傳感器有以下優(yōu)點：輸出功率大，信號強(qiáng)；結(jié)構(gòu)簡單，牢固可靠；抗干擾性能好，過載能力強(qiáng)；便于制造，工藝簡單，成本低；壓磁式壓力傳感器既適于靜態(tài)，又動態(tài)力測量；與壓電式傳感器相比，信號放大電路簡單，無需電荷放大器，無需特殊的同軸電纜，只用一般導(dǎo)線即可；電阻應(yīng)變式傳感器相比，無需粘貼，安裝方法簡單。2023/2/4733.5.1壓磁傳感器工作原理

圖3-49壓磁式傳感器結(jié)構(gòu)

2023/2/4743.5.2壓磁傳感器測量誤差1.

溫度誤差溫度誤差產(chǎn)生的主要原因是壓磁元件材料的磁化特性受溫度變化影響較大。一般鐵磁材料的磁化性能隨溫度變化系數(shù)約為2％/10℃，并且不是常數(shù)