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传感器与测试技术第2章测试系统的特性2.1概述2.2测试系统的静态特性2.3测试系统的动态特性2.1概述典型的测试系统主要由传感器、信号调理电路、数据处理设备以及显示仪表等部分组成。需要指出的是，当测试目的、要求不同时，测试系统的差别很大。2.1.1测试系统的基本要求通常的工程测试问题总是处理输入量x（t）、系统的传输或转换特性h（t）和输出量y（t）三者之间的关系，如图所示。系统、输入和输出的关系理想的测试系统应该具有单值的、确定的输入输出关系。对于每一个输入量，系统都有一个单一的输出量与之一一对应，知道其中一个量就可以确定另一个量，并且以输出和输入呈线性关系为最佳。在静态测量中，测试系统的这种线性关系虽然总是所希望的，但不是必须的，因为用曲线校正或用输出补偿技术作非线性校正并不困难。在动态测量中，测试系统本身应该力求是线性系统，这不仅因为目前对线性系统能作比较完善的 数学 数学高考答题卡模板高考数学答题卡模板三年级数学混合运算测试卷数学作业设计案例新人教版八年级上数学教学计划 处理与分析，而且也因为在动态测试中作非线性校正还相当困难或不经济。由于相当多的实际测试系统不可能在较大的工作范围内完全保持线性，因而只能限制在一定的工作范围内和一定的误差允许范围内，近似地作为线性系统处理。2.1.2线性系统及其主要性质线性系统的输入x（t）和输出y（t）之间可用下列微分方程来描述：若系数和均为常数，该方程就是常系数线性微分方程，所描述的是时不变（常系数）线性系统。若系数是时变的，即均为时间t的函数，则称为时变系统。若以表示测试系统中输入与输出的对应关系，则时不变线性系统具有以下主要性质：线性系统性质叠加性比例性微分性积分性频率保持性2.2测试系统的静态特性在静态测量中，输入和输出都不随时间而变化或变化极慢（在所观察的时间内可忽略其变化），公式将变为由此可见，静态特性是动态特性的一个特例。输入不随时间变化，即输入频率为零。因此，在描述测试系统的静态特性时，必须和系统的频率特性联系起来。2.2.1测试系统的误差与精度1．测试系统的误差测试结果与被测量的真值总是不一致的，它们之间的差值称为误差。所谓真值是一个理想的概念，一般是不知道的，通常用高一等级的 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 装置所测得的量值或多次测量的算术平均值来代替。误差的种类较多，根据其表示方法可分为绝对误差、相对误差和引用误差；根据其特点、性质和产生原因又可分为系统误差、随机误差和过失误差。误差系统误差随机误差过失误差系统误差是指在相同的条件下，多次重复测量同一个量时，其绝对值和符号固定不变，或改变条件（如环境条件、测量条件）后按一定规律变化的误差。这类误差的出现是有规律的，容易被人们所掌握，并可采取适当的措施加以修正或消除。随机误差是指在相同的条件下，多次重复测量同一个量时，其绝对值和符号变化无常，但随着测量次数的增加又符合统计规律的误差。这类误差的特点是随机分布的，并且是不可避免的，只有用统计的方法找出它的规律，才能使之控制在最小。过失误差是一种明显歪曲实验结果的误差。主要是由于操作不当、疏忽大意、环境条件突然变化所造成的。含有过失误差的数据称为异常数据，在误差分析时应将其剔除。2．测试系统的精度测试系统的精度反映测试结果与真值的接近程度。它与误差的大小相对应，因此可用误差的大小来表示精度的高低，误差小则精度高，反之误差大则精度低。测试系统精度精密度正确度准确度精密度表示多次重复测量中，测量值彼此之间的重复性或分散性大小的程度。它反映随机误差的大小，随机误差愈小，测量值就愈密集，重复性愈好，精密度愈高。正确度表示多次重复测量中，测量平均值与真值接近的程度。它反映系统误差的大小，系统误差愈小，测量平均值就愈接近真值，正确度愈高。准确度（精确度）表示在多次重复测量中，测量值与真值一致的程度。它反映随机误差和系统误差综合的大小，只有当随机误差和系统误差都小时，准确度才高。准确度也简称为精度。对于具体的测量，精密度高而正确度不一定高，正确度高而精密度也不一定高，但准确度高，则精密度和正确度都高。在消除了系统误差的情况下，精密度与准确度才是一致的。现以下图所示的打靶结果——子弹落在靶心周围的三种情况来说明精度的高低。（a）（b）（c）精度衡量精度的性能指标常用相对误差和引用误差来表示。相对误差引用误差我国测试仪表的精度等级仍多用引用误差的百分数值来表示，即在选用测试系统时，应在合理选用量程的条件下再选择合适的精度等级，一般应尽量避免在全量程的1/3以下范围内工作，以免产生较大的相对误差。对于被测量不随时间变化或变化甚缓的静态测量中，上述术语和误差计算、表达方法都很明确。但对于动态测量，误差的度量就比较复杂。如果输入是由多个频率组成，则实际系统总会导致一定的输出失真，如何度量失真，如何定量表示失真的大小，则是一个复杂的问题。对于时不变线性系统，由于频率保持性，系统输入单一频率的正弦信号，其稳态输出也只能有该单一频率，无所谓失真问题，任何畸变都是系统偏离理想线性系统的结果。但即使系统是理想线性的，由于系统的频率特性，对具有多种频率成分的输入波形，仍会引起输出波形畸变。在选择测试系统时应根据被测信号的频率范围，按不失真的要求，选用频率特性合适的系统。在信号频率范围内幅值的变化一般希望限制在5%~10%以内，相应的相位偏移不超过3°～6°。2.2.2测试系统的静态特性参数1．线性度线性度是指测试系统的输出与输入之间能否像理想系统那样保持常值比例关系（线性关系）的一种度量。在静态测量中，通常用实验的方法求取系统的输出与输入关系曲线，称为标定曲线。标定曲线与拟合直线的接近程度称为线性度。如图所示，线性度用标定曲线与拟合直线的最大偏差B与满量程输出值A的百分比表示，即线性度（1）平均法平均法确定拟合直线的实质是选择合适的系数，使标定曲线与拟合直线偏差的代数和为零，即拟合直线方程有两个待定系数a与b，为了求它们，首先把实验数据按输入由小到大依次排列，然后分成个数近似相等的两组。第一组为，第二组为，建立相应的两组方程，并将两组方程分别相加得解此联立方程便可求出待定系数a与b，从而确定拟合直线方程。（2）最小二乘法最小二乘法确定拟合直线的实质是选择合适的系数，使标定曲线与拟合直线偏差的平方和为最小，即为最小。由于偏差的平方均为正值，故若偏差的平方和为最小，即意味着拟合直线与整个实验数据的偏离程度最小。按最小二乘法确定待定系数，就是要求出能使Q取最小的a与b值。为此，将Q分别对a和b求偏导数，并令其等于零，得由此解得式中，。得到待定系数a与b后，就可确定拟合直线方程。值得注意的是，将代入拟合直线方程，得该式表明拟合直线通过（,）点，这对作拟合直线是很有帮助的。用不同方法得到的拟合直线是不同的，计算的线性度也有所不同。平均法计算简单，但对实验数据的统计规律考虑得不够深入，仅能作粗略估计之用。一般较为重要的实验数据应选用最小二乘法确定拟合直线方程。在动态测量中，系统的线性度在标定时，应在其全量程范围内进行。线性度所描述的是在某一频率点上输出与输入是否呈线性比例关系的一种度量。因为动态测量的输入一般为周期性的变化，其量值经历正、负和零，所以测试系统的非线性必然引起波形的畸变，导致输出失真。即使输入为单一频率的正弦波，由于波形畸变使输出中必然含有高次谐波。所以在标定时如果发现系统有比较明显的非线性，则说明该系统已不能作为线性系统处理，线性系统的叠加性、频率保持性都不复存在，更谈不上不失真问题，因此线性度是表述测试系统的重要参数。2．灵敏度灵敏度是测试系统对被测量变化的反应能力，是反映系统特性的一个基本参数。当系统输入x有一个变化量，引起输出y也发生相应的变化量，则输出变化量与输入变化量之比称为灵敏度，用S表示，即在静态测量中，对于呈直线关系的线性系统，由公式得在动态测量中，由于系统的频率特性影响，即使在适用的频率范围内，系统的灵敏度也不相同。在实际工作中，常对适用频率范围内特性最为平坦、具有代表性的频率点进行标定。3．滞后量（回程误差）当输入x由小增大，而后又由大减小时，同一个输入量系统会出现不同的输出量。在全量程范围内，同一个输入量的前后两个输出量的最大差值称为滞后量H，如图所示。滞后量也可用最大输出差值H与满量程输出值A的百分比表示，即滞后量实际上滞后量包括了一般的滞后现象和仪器的不工作区（或称死区）。4．重复性重复性表示输入量按同一方向变化时，在全量程范围内重复进行测量时所得到各特性曲线的重复程度，如图所示。一般采用输出最大不重复误差Δ与满量程输出值A的百分比来表示重复性，即重复性重复性可反映测试系统的随机误差大小。为了确保测量结果的准确可靠，要求测试系统的线性度好、灵敏度高、滞后量和重复性误差小。实际上，线性度是一项综合性参数，滞后量和重复性也都能反映在线性度上。因此，有关滞后量和重复性在动态测量中的频率特性就不再作详细分析。为了确定上述静态特性参数，通常用静态标准量作为输入，用实验方法测出对应的输出量，这一过程称为静态标定。然后根据静态标定实验数据求出拟合直线方程，并计算出各测得值与理论估计值（由拟合直线方程计算得到）之间的偏差，由此即可求出静态特性参数值。2.3测试系统的动态特性2.3.1传递函数对于时不变线性系统，如果x（t）是时间变量t的函数，并且在初始条件t≤0时x（t）=0，则它的拉氏变换定义为由此可得x（t）的n阶微分的拉氏变换为若系统的初始条件为零，即在考察时刻以前（t=0－），其输出量与输入量以及各阶微分都为零，可得线性系统的传递函数定义为：在零初始条件下，系统输出量拉氏变换与输入量拉氏变换之比，即传递函数为复变量s的函数，一般为有理真分式，即n＞m。分母中s的最高阶数等于输出量微分的最高阶数，如果s的最高阶数为n，则该系统称为n阶测试系统。1．传递函数的特点传递函数与输入无关，即不因x（t）的不同而异。它只反映测试系统的特性，所描述的测试系统对任一具体的输入x（t）都确定地给出了相应的输出y（t）。传递函数是把实际物理系统抽象成数学模型。它只反映测试系统的传输、转换和响应特性，而与具体的物理结构无关。同一形式的传递函数可能表征着完全不同的物理系统，它们具有相似的传递特性。由于在实际的物理系统中，输入x（t）和输出y（t）常具有不同的量纲，所以用传递函数描述测试系统的传输、转换特性也应该真实地反映这种量纲变换。前面谈到不同的物理系统可能有相似的传递函数，但是系数a0和b0的量纲将因具体物理系统的输入量和输出量的量纲而异。传递函数的分母通常取决于测试系统的结构，分子则和输入方式、所测变量以及测点布置情况有关。2．复杂测试系统的传递函数实际的测试系统往往由若干个环节通过串联或反馈的方式组成，如图所示。复杂测试系统的传递函数图a所示为两个环节串联组成的测试系统，其传递函数为类似地，对个环节串联组成的测试系统图b所示为闭环反馈测试系统，其传递函数为式中，负反馈取“+”号，正反馈取“-”号。2.3.2频率特性测试系统的频率响应是系统对正弦信号输入的稳态响应，当由低到高改变正弦输入信号的频率时，输出与输入的幅值比及相位差的变化情况称为测试系统的频率特性。若将s=jw代入拉氏变换就可得到实际上这是单边傅里叶变换（简称傅氏变换），系统输出量拉氏变换与输入量拉氏变换之比将变为就是测试系统的频率特性。很显然，频率特性是传递函数的一个特例。在推导传递函数时，曾经强调了测试系统的初始状态为零。但是，即使测试系统的初始状态为零，从t=0+所施加的输入也是正弦信号，而测试系统的响应也将有瞬态响应和稳态响应两部分组成。瞬态响应取决于测试系统的结构参数，反映测试系统固有特性的“自然响应”，稳态响应取决于输入信号的形式。因为测试系统中存在阻尼，瞬态响应部分经过一段过渡过程而趋于零。频率特性仅反映测试系统的稳态响应。当输入同一频率的正弦信号时，在时间坐标上，前可推溯至t=－∞，后将延续至t=+∞，因此在观察时刻，瞬态响应早就衰减为零。由此可见，频率特性不能反映过渡过程，传递函数才能反映全过程。频率特性只是传递函数在特定输入下的描述，这一点在就已充分反映了。对于稳定的常系数线性系统，若输入为正弦信号，则稳态响应是与输入同一频率的正弦信号。输出的幅值和相位通常不等于输入的幅值和相位，输出与输入的幅值比和相位差是输入信号频率的函数，这将反映在频率特性的模和相角上。若将频率特性的虚部和实部分开，记作则和都是的实函数。若将频率特性写成模和相角的形式，即则称为测试系统的幅频特性函数，为测试系统的相频特性函数，即输入不同频率的正弦信号时，输出与输入的幅值比和相位差。据此画出的曲线和曲线分别称为测试系统的幅频特性曲线和相频特性曲线。1．一阶测试系统的传递函数和频率特性右图所示为典型的一阶测试系统。其中左上图是由弹簧、阻尼器组成一阶机械系统，图中x（t）为输入位移量，y（t）为输出位移量。通常阻尼力Fb与运动速度成正比，作用力Fa与弹簧刚度及位移成正比，即典型的一阶测试系统根据力的平衡条件，可得左下图是一个常见的RC低通滤波器电路。输出电压yu（t）与输入电压xu（t）之间的关系为对于右图所示的液柱式温度计，若用Ti（t）表示温度计的被测温度，T0（t）表示温度计的示值温度，c表示温度计的热容量，α表示传热系数，则根据热力学定律，它们之间的关系为上述所列举的三个测试系统，虽然分别属于力学、电学、热学范畴，但其输出与输入的关系都可以用一阶微分方程描述，均属于一阶测试系统。可写成如下标准形式对于时不变线性系统，静态灵敏度S=b0/a0为常数，在动态特性分析中，灵敏度只起着使输出量增加倍数的作用。因此为了方便起见，本章讨论的测试系统都采用静态灵敏度S=b0/a0=1。这样，可得一阶测试系统的传递函数为其频率特性为一阶测试系统的幅频特性函数和相频特性函数分别为以无量纲系数为横坐标，和为纵坐标，可得一阶测试系统的幅频特性曲线和相频特性曲线如下图所示。一阶测试系统的频率特性一个理想的测试系统，其输出波形应该是无滞后地按比例地再现被测信号的波形，即（常数）由此可得一阶测试系统的幅值误差和相位误差分别为2．二阶测试系统的传递函数和频率特性下图所示为典型的二阶测试系统。其中图a为动圈式测试仪表，动圈中流过的电流为输入信号，指针偏转角度为输出信号。当动圈中流过电流时，线圈在磁场中受到电磁转矩Mi的作用，Mi的大小与电流成正比，即（a）（b）（c）典型的二阶测试系统在电磁转矩作用下，测试仪表的可动部分发生偏转，同时产生惯性力矩MJ、阻尼力矩Mc、弹簧刚度力矩MG与电磁转矩Mi相平衡，即图b所示的测力弹簧可简化为弹簧—质量—阻尼系统。当被测力xf（t）=0时，可调整初始值使输出位移y（t）=0。根据力平衡方程，不计系统质量的影响，可得图c为振荡回路，输入电压xu（t）和输出电压yu（t）之间的关系为可归一化为标准形式若取静态灵敏度S=b0/a0=1，则二阶测试系统的传递函数为二阶测试系统的幅频特性函数和相频特性函数分别为以相对角频率为横坐标，和为纵坐标，可得二阶测试系统的幅频特性曲线和相频特性曲线如图所示。（a）（b）二阶测试系统的频率特性二阶测试系统的幅值误差和相位误差分别为2.3.3瞬态响应前面所讨论的都是测试系统对稳态正弦激励的响应。频率特性充分描述了在稳态输出输入情况下测试系统的动态特性，它反应对不同频率成分的正弦激励，测试系统输出与输入的幅值比和相位滞后的变化。在讨论过程中也曾指出，在正弦激励刚施加上去的一段时间内，测试系统的输出中含有自然响应。自然响应是一种瞬态响应，它随时间的增大逐渐衰减为零。自然响应反映测试系统的固有特性，它和激励的初始施加方式有关，而和激励的稳态频率无关。自然响应的存在说明测试系统的响应有一个过渡过程。在控制理论中指出，利用拉氏变换可以以代数方法解微分方程，所得到的解不仅包括稳态响应，而且包括瞬态响应。因此，如果测试系统的传递函数H（s）已知，输入（激励）也可以用数学表达式x（t）描述，那么就可以对激励函数求拉氏变换得X（s），由公式得到响应的拉氏变换Y（s），即对Y（s）再求拉氏逆变换就可得到响应的时域描述，即，所得到的解包括过渡过程。为了求出Y（s），需要确定传递函数H（s）的数学表达式，所以要用参数拟合的方法估计传递函数表达式中的各项系数。如果测试系统已建立了足够准确的模型，能用数学方法直接描述该模型，写出其运动的微分方程，那么就可以直接求得传递函数H（s）。此外，运用以上公式还可能遇到另一个问题，那就是工程中的很多实际激励（输入）也难以用解析式表达，因此也难以直接获得X（s）的表达式。这样要研究测试系统的动态特性，就只有用测试系统对典型瞬变输入信号的响应来描述。1．典型输入函数通常采用的典型输入函数有单位斜坡函数r（t）、单位阶跃函数u（t）和单位脉冲函数δ（t），如图所示，系统对这些典型输入函数的响应称为测试系统的瞬态响应。典型输入函数图a所示的是单位斜坡函数，其表达式为t≥0t<0图b所示的是单位阶跃函数，其表达式为t≥0t<0图c所示的是单位脉冲函数（又称为δ函数），其表达式为且。它实际上是一个宽度为零、幅值为无限大、面积为1的脉冲。由图可以看出，三种典型输入函数之间有如下微积分关系：根据线性系统的微分性和积分性，三种典型输入信号的响应之间也同样存在相应的微积分关系。因此，只要知道测试系统对其中一种典型输入信号的响应，就可以利用上述微积分关系求出另外两种典型输入信号的响应。2．单位脉冲响应——权函数单位脉冲函数也可以从原点移到任意点t0，这时满足δ（t－t0）满足和单位脉冲函数最有用的性质之一是所谓的采样性质。即若任意函数f（t）在t0处连续，则乘积f（t）δ（t－t0）除了在t=t0点有值外，其他各点均为零，因此有利用这个性质，不难求出单位脉冲函数δ（t）的拉氏变换为因此，传递函数H（s）的拉氏逆变换就是单位脉冲响应（或权函数），即反之，单位脉冲响应的拉氏变换就是测试系统的传递函数，即这是一对拉氏变换对。对于任意输入函数x（t），可以用无限多个出现在不同时刻的脉冲来逼近，如下图所示。根据叠加原理，总输入x（t）所引起的响应y（t）为任意输入函数式中，当t＜0时，h（t）=x（t）=0。该式也可简写为（1）一阶测试系统的单位脉冲响应对于一阶测试系统，传递函数，则单位脉冲响应为（2）二阶测试系统的单位脉冲响应对于二阶测试系统，传递函数不同阻尼度的单位脉冲响应一阶测试系统和二阶测试系统的单位脉冲响应曲线如图所示。（a）（b）单位脉冲响应曲线t＜0t≥03．单位阶跃响应（1）一阶测试系统的单位阶跃响应绘出的阶跃响应曲线如图所示。（a）（b）一阶测试系统的阶跃响应曲线（2）二阶测试系统的单位阶跃响应将单位阶跃输入的拉氏变换和二阶测试系统的传递函数代入公式得不同阻尼度的单位脉冲响应二阶测试系统的单位阶跃响应曲线如图所示。二阶测试系统的阶跃响应曲线4．单位斜坡响应一阶测试系统的单位斜坡响应为二阶测试系统对于不同阻尼度的单位斜坡响应为：不同阻尼度的单位脉冲响应一阶测试系统和二阶测试系统对单位斜坡输入的响应都包括三项。其中第一项等于输入，因此第二项和第三项即为动态误差。第二项只与测试系统的动态特性参数或、有关，而与时间t无关，此项误差称为稳态误差。第三项误差与时间有关，都含有（其中b为正数）因子，因此当时，此项误差趋于零。由此可见，用一阶测试系统和二阶测试系统来测量单位斜坡函数时，都存在着稳态误差，一阶测试系统稳态误差随时间常数的增大而增大，二阶测试系统稳态误差随固有角频率的减小、阻尼度的增大而增大。用一阶测试系统和二阶测试系统来测量单位阶跃函数和单位脉冲函数时，它们的单位阶跃响应和单位脉冲响应的误差项都包含因子，因而当时间时，动态误差都趋于零，而且它们都没有稳态误差。但是，一阶测试系统和二阶测试系统的瞬态响应之间有很大差别。其中最重要的差别是在欠阻尼（）情况下，二阶测试系统的三种瞬态响应表达式都包含一个以为角频率的衰减正弦振荡，而一阶测试系统不会出现振荡。2.3.4动态特性参数的测定要使测量结果准确可靠，不仅测试系统的标定应当准确，而且应当定期校准。标定和校准就其实验内容来说，都是为了测定测试系统的特性参数。在测定测试系统的静态特性参数时，以静态标准量作为输入，测出输入与输出的关系曲线，从中整理确定拟合直线，然后求出线性度、灵敏度、滞后量和重复性。同样在测定测试系统的动态特性参数时，应以经过校准的动态标准量作为输入，从而测出输入与输出的关系曲线，然后确定一阶测试系统的时间常数和二阶测试系统的阻尼度、固有角频率。所采用的标准输入量误差应当为所要求测量结果误差的1/3~1/5或更小。1．用频率响应法测定动态特性参数（1）一阶测试系统时间常数的测定当静态灵敏度S=1、幅频特性、相频特性时，所对应的横坐标，查出该点对应输入信号的角频率，就可得到时间常数，即（2）二阶测试系统阻尼度和固有角频率的测定由二阶测试系统的幅频特性曲线可知，在阻尼度的情况下，幅频特性的共振点在稍微偏离固有角频率的处，且此时，共振点幅频特性的峰值为由此可估计出固有角频率和阻尼度的值，由共振点估计和的方法也称为共振法。由二阶测试系统的相频特性曲线可知，在处，相频特性，该点斜率即为阻尼度的值。工程中相频特性的测定比较困难，所以常用幅频特性曲线估计二阶测试系统的动态特性参数。不同阻尼度的二阶测试系统，其幅频特性曲线的形状各不相同，但只要该系统确实是二阶测试系统，将测得的某一阻尼度的幅频特性曲线与二阶测试系统的典型曲线比较，很快就可以确定阻尼度的范围和估计值。2．用阶跃响应法测定动态特性参数（1）一阶测试系统时间常数的测定一阶测试系统的单位阶跃响应式可改写为令，则上式表明，Z与t呈线性关系。因此，可根据测得的单位阶跃响应yu（t）值，作出Z与t的关系曲线如图所示。一阶测试系统的阶跃判断曲线的斜率在数值上等于，量取Δt所对应的ΔZ值，便可计算得这种方法充分考虑了瞬态响应的全过程。若测试系统是一个典型的一阶测试系统，则Z与t的关系曲线是一条严格的直线。当测得单位阶跃响应后，取若干组、的值，计算出相应的并依次在图上描点，如果所有各点均匀分布在一条直线上，说明该系统是一阶测试系统，否则就不是一阶测试系统。（2）二阶测试系统阻尼度和固有角频率的测定从测试不失真的角度讲，二阶测试系统均应为欠阻尼系统。典型的欠阻尼二阶测试系统的单位阶跃响应公式表明，瞬态响应是以的角频率作自由衰减振荡，称为响应的阻尼振荡角频率，其周期为欠阻尼二阶测试系统的单位阶跃响应曲线如图所示。欠阻尼二阶测试系统的单位阶跃响应从二阶测试系统的单位阶跃响应曲线上测得最大过冲量M1，将其代入公式即可求出阻尼度。如果不仅能测取最大过冲量M1，而且还能测得阶跃响应的整个瞬变过程，那么就可利用任意两个过冲量Mi和Mi+n来求取阻尼度。其公式为其中当阻尼度时，（其误差小于0.6%），则若测试系统是典型的二阶测试系统，用n=1，2，3…和对应的过冲量Mi、Mi+n分别求出的阻尼度值均应相等。若分别求出的阻尼度值都不相等，则说明该系统不是二阶测试系统。阻尼度值之间的差别越大，说明该系统与二阶测试系统的差别也越大。固有角频率为测定计算固有角频率时，先在二阶测试系统的单位阶跃响应曲线上测取周期的值，然后将周期及计算出的阻尼度值代入公式即可求出固有角频率的值。2.3.5实现不失真测试的条件输入信号经过测试系统后，一般来说输出信号必然与输入信号之间存在差异，这就是说，信号在传输过程中将产生失真。线性测试系统产生失真一般由两种因素造成：一种是系统对输入信号中各频率分量的幅值将产生不同程度的放大或衰减，从而使各频率分量的相对幅值发生变化而引起失真，称为幅值失真；另一种是系统对各频率分量的相对相位发生变化而引起失真，称为相位失真。测试系统实现不失真测试的条件为：（1）各频率分量的幅值输出比输入应放大（或衰减）同样的倍数，反映在幅频特性曲线上应是一条平坦的直线，即在整个频率范围内是一常数（常数）。（2）各频率分量的滞后相位与各自的角频率必须成正比，反映在相频特性曲线上应是一条过原点的斜线，即相位差与角频率成正比（）。但是，如果测试结果用来作为反馈控制信号，那么输出对输入的滞后时间有可能破坏系统的稳定性，这时只有滞后相位为零才是理想的，即。实际测试系统不可能在非常宽的频率范围内都能满足上述两个条件，所以一般既有幅值失真，也有相位失真。但在允许的误差范围条件下，在一定的工作频带范围内，可以使测试系统的幅频特性和相频特性满足不失真测试的条件。从实现测试波形不失真条件看，对一阶测试系统而言，如果时间常数愈小，则系统的响应愈快，频带愈宽。所以一阶测试系统的时间常数原则上愈小愈好。二阶测试系统特性曲线输出波形失真较小。输出波形失真太大。二阶测试系统常采用阻尼度，工作角频率与固有角频率之比小于0.5，相频特性也接近于线性关系，产生的相位失真也很小。2.3.6负载效应在测试工作中，为了完成测试任务，测试系统往往由若干个环节通过串联或反馈方式组成。当一个测量环节接到另一个被测环节上时，必然对测量结果产生影响，即所谓的负载效应。以电压表测量电压为例来说明负载效应对测量结果的影响，如图所示。被测环节用电压为ui、阻抗为Zi的信号源来等效，测量环节电压表的输入阻抗（内阻）为ZL，在未接此负载时，a、b两端的电压就是被测环节等效的开路电压ui。在接入电压表后，有一电流流过ZL，此时电压表的指示电压为用电压表测量电压时引起的负载效应指示电压u0与待测电压ui之差就是负载效应引起的测量误差，该误差在理论上属于系统误差范畴。由上式可知，若要使u0≈ui，则必须使。事实上，当测量环节作为被测环节的负载接到测试系统上时，将会出现两种现象：一是连接点的状态发生改变，即连接点的物理参数发生变化；二是两个环节之间将发生能量交换，都不再简单地保持原来的传递函数，而是共同形成一个整体系统的新传递函数，故整个测试系统的传输特性将会变化。因此在选用测试系统时必须考虑这类负载效应，必须分析接上测量环节后对被测环节的影响。1．用一阶测量环节测量时引起的负载效应下图所示为两个低通滤波器串联前后的电路系统。（a）（b）（c）用一阶测量环节测量时引起的负载效应理想情况下两个环节串联后的传递函数为不难看出，即两个环节串联后的传递函数不等于两个独立环节传递函数的乘积，这是由于两个环节直接串联后它们之间有能量交换。对于这种典型电路，若要避免相互影响，最简单的方法就是采取隔离措施，即在两个环节之间插入“跟随器”。跟随器的输入阻抗很大，基本上不从第一环节吸取电流，而输出阻抗又很小，不因第二环节的负载而改变输出电压。在上图所示的例子中，一般图a是被测环节的特性，图b是测量环节的特性。为了使测量结果能尽量准确地反映被测环节的动态特性，而排除测量环节的负载影响，应使。因此在选择测试系统时，应选用，即测量环节的时间常数远小于被测环节的时间常数。另外测量环节的储能器件尽量选用容量小的，即要小。是必要条件，这就是用一阶测量环节测量时对时间常数的要求。2．用二阶测量环节测量时引起的负载效应右图是由质量、弹簧和阻尼器组成的机械系统。外力F1作用在此系统上，用测力计来测量这一作用力。测力计亦可简化为质量、弹簧、阻尼系统，力的测量值由标尺读出。用二阶测量环节测量时引起的负载效应对于机械系统对于测力计解这两个方程式，可得到测力计所测得的力F2与被测力F1之间的关系为这就是在静态情况下测力计（测量环节）对机械系统（被测环节）的影响。为了减小这一负载所造成的测量误差，使测力计所测得的力F2接近于被测力F1，应选择，即测力计的弹簧刚度系数远大于被测机械系统的弹簧刚度系数。在动态情况下，系统的速度和加速度都不等于零。当测力计尚未接到被测机械系统上时，且取静态灵敏度S1和S2均为1，各自的传递函数分别为由此可见，要使测量结果尽量准确地反映被测环节（机械系统）的动态特性，减小测量环节（测力计）的动态负载影响，应使。因此在选择测试系统时，不仅要选用，即测量环节的固有角频率远高于被测环节的固有角频率，而且测量环节的阻尼度应选用为最佳，测量环节的静态灵敏度远低于被测环节的静态灵敏度。传感器与测试技术第6章传感器应用技术6.1传感器的选择6.2供电电源6.3抗干扰技术6.1传感器的选择6.1.1选择传感器时应考虑的因素（1）与测量条件有关的因素：包括测量的目的、被测量的性质、测量范围、输入信号的幅值、频带宽度、精度要求、测量所需的时间等。（2）与传感器性能有关的因素：包括静态性能指标、动态性能指标、模拟量与数字量、输出量的数量级、负载效应、过载保护与报警等。（3）与使用环境有关的因素：包括传感器的安装场所、使用环境条件（温度、湿度、振动、电磁场等）、信号传输距离、现场提供的功率容量等。（4）与购买和维护有关的因素：包括性价比、零部件的储存、售后服务 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、保修时间与交货日期等。6.1.2选择传感器的一般步骤（1）借助于传感器的分类表，根据被测量的性质，找出符合用户需要的传感器类别，再从典型应用中初步确定几种传感器。（2）借助于常用传感器的比较表、价格表，按被测量的测量范围、精度要求、环境要求等情况再次确定传感器的类别。（3）借助于传感器的产品目录选型样本或传感器手册，查出传感器的规格型号和性能参数及结构尺寸。6.2供电电源6.2.1电池电池有锰干电池、碱性电池、锂电池和镍镉电池等。锰干电池，价格非常便宜，标称电压为1.5V，电流容量随大小不同而异，如SUM3单节电池约为500mAh。碱性电池包括碱性锰电池、水银电池和氧化银电池，容量比锰干电池大，水银电池与氧化银电池在放电过程中其电压变化小，常用于基准电压源等。锂电池的标称电压为3V，能量密度也比锰干电池高5~10倍，自放电小，可保存10年左右。镍镉电池一般为可充电电池，能进行500次以上的充放电，容量为50mAh~10Ah，标称电压为1.2V，但市场销售的多为叠层电池，其内阻很小，放电电压也比锰干电池稳定。6.2.2稳压电源稳压电源主要由变压器、整流电路、滤波电容和稳压电路等构成。变压器将交流电网220V变成合适的交流电压；整流电路将交流电压转换成直流电压；滤波电容起滤波作用；稳压电路得到稳定的基准电压。下图所示为骨外固定力测量仪的稳压电源。6.3抗干扰技术6.3.1电磁干扰在传感器技术中，把来自测控系统内部的无用信号称为噪声，而把来自外部的无用信号称为干扰。工程实践中把噪声和干扰总称为“干扰”。形成电磁干扰要具备三个要素：向外发送干扰的源（噪声源）；传播电磁干扰的途径（耦合通道）；承受电磁干扰的受体（受扰设备）。为了使测控系统不受内外电磁干扰，必须采取三方面的措施：消除或抑制噪声源；切断或破坏噪声源与受扰设备之间的耦合通道；加强受扰设备抗电磁干扰的能力，降低其对干扰的敏感度。1．噪声及噪声源信噪比越大，表示噪声的影响越小。常见的噪声源有：各种放电现象的放电噪声源、电气设备噪声源和固有噪声源。固有噪声源是由于物理性的无规则波动所造成的，如热噪声、粒散噪声、接触噪声等。自然界雷电、有触点电器、放电管、工业用高频设备、电力输电线、机动车、大功率发射装置、超声波设备等都是常见的噪声源。2．噪声耦合方式噪声耦合方式有静电耦合、互感耦合、公共阻抗耦合和漏电流耦合等，如图所示。a是由电路间的寄生电容造成的b是由电路间的寄生互感造成的c是由电路的公共阻抗造成的d是由电路间的漏电流造成的静电耦合互感耦合阻抗耦合漏电流耦合6.3.2屏蔽、接地、隔离、布线与灭弧技术在测控系统设计、组装和使用中，主要通过屏蔽、接地、隔离、合理布线、灭弧、滤波和采用专门电路与器件等措施抑制干扰。1．电磁屏蔽与双绞线传输电磁屏蔽就是采用高电导率和高磁导率的材料制成封闭容器，将受扰电路置于该容器中，从而抑制该容器外的干扰对容器内电路的影响。（1）电磁屏蔽屏蔽的结构形式主要有屏蔽罩、屏蔽栅网、屏蔽铜箔、隔离仓和导电涂料等。屏蔽材料分电场屏蔽和磁场屏蔽材料两类。电场屏蔽一般采用电导率较高的铜、铝、银等金属材料，磁场屏蔽一般采用磁导率较高的磁材料（如铁、钴、镍等）。（2）双绞线传输抑制电磁感应干扰应采用双绞线，其中一根作屏蔽线，另一根用作信号传输线；抑制静电感应采用金属网状编织的屏蔽线，金属网作屏蔽层，芯线用于传输信号。双绞线对外来磁场干扰引起的感应电流情况如图所示。（3）屏蔽线与屏蔽电缆屏蔽线是在单股导线的绝缘层外罩以金属编织网或金属薄膜（屏蔽层）构成。屏蔽电缆是将几根绝缘导线合成一束再罩以屏蔽层构成。屏蔽层一般接地，使其信号线不受外部电器干扰的影响。需要注意的是，屏蔽层接地应严格遵守一点接地的原则，以免产生地线环路而使信号线中的干扰增加。2．接地技术接地通常有两种含义：一是连接到系统基准地，二是连接到大地。连接到系统基准地是指系统各电路通过低阻抗导体与电气设备的金属地板或金属外壳连接，但并不连接到大地；而连接到大地是指将电气设备的金属地板或金属外壳通过低阻抗导体与大地连接。（1）共基准电位接地测控系统中的基准电位是各电路工作的参考电位，参考电位通常选为电路中直流电源的零电位端。参考电位与大地的连接方式主要有直接接地、悬浮接地、一点接地等。直接接地适用于高速、高频和大规模的测控系统。一点接地适用于低频测控系统，可分为串联接地和并联接地两种方式，如图所示。（a）串联接地方式（b）并联接地方式悬浮接地简称浮地，即系统各电路通过低阻抗导体与电气设备的金属地板或金属外壳连接，并作为系统各电路的参考电位（零电位）。悬浮接地的优点是不受大地电流的影响，内部器件也不会因高电压感应而击穿，但在高压情况下要注意操作安全问题。（2）抑制干扰接地电气设备的某些部分与大地相连接可以起到抑制干扰的作用。从连接方式上讲，抑制干扰接地又可分为部分接地、一点接地与多点接地、直接接地与悬浮接地等类型。（3）安全保护接地将电气设备的金属地板或金属外壳与大地连接，可消除触电危险。进行安全接地连接时，必须确保较小的接地电阻和可靠的连接方式，防止日久失效。此外，要确保独立接地，即将接地线通过专门的低阻抗导线与最近处的大地连接。3．隔离技术隔离技术就是把电路上的干扰源和易受干扰的部分隔离开，使测控系统与现场仅保持信号联系，不产生直接的电联系。隔离的实质是把引入的干扰通道切断，从而达到隔离现场干扰的目的。测控系统与现场干扰之间、强电与弱电之间常采用的隔离方法有光电隔离、继电器隔离、变压器隔离等。测控系统中器件布局、走线方式、连接导线的种类、线径的粗细、线间距离、导线长短、屏蔽方式及分布对称性都与抑制干扰有关。对于印制电路板上的器件布局，原则上应将相互有关的器件相对集中。对于印制电路板上的布线，应注意降低电源线和地线的阻抗。电路板间配线在使用扁平电缆时要注意其长度一般不应超过传输信号波长的1/3。4．布线5．灭弧技术为消除或减小接通或断开电感性负载产生的瞬时高电压所带来的干扰，需要在电感性负载上并联各种吸收浪涌电压（或浪涌电流）并抑制电弧或火花放电的元器件。通常将这些元器件称为灭弧元件，与此有关的技术称为灭弧技术。常用的灭弧元件有RC回路、泄放二极管、硅堆整流器、压敏电阻、雪崩二极管等，其连接电路如图所示。6.3.3电源干扰抑制技术1．电网干扰抑制技术抑制电网干扰的措施可采用线路滤波器、切断噪声变压器等。线路滤波器实质上是一个交流电源滤波器，如图所示。切断噪声变压器（NoiseCutoutTransformer，NCT）的结构、铁芯材料、形状以及线圈位置都比较特殊，可以切断高频干扰磁通，使之不能感应到次级绕组，这样既能切断共模干扰，又能切断差模干扰。2．直流电源干扰抑制技术在测控系统中直流电源一般为几个电路所共用，为了避免通过电源内阻引起几个电路之间相互干扰，应在每个电路的直流电源上采用RC或LC滤波器，如图所示。图中C1、C3、C5、C7为电解电容，C2、C4、C6、C8为陶瓷电容。传感器与测试技术第7章智能传感器与传感器网络7.1智能传感器7.2传感器网络7.1智能传感器7.1.1智能传感器的组成智能传感器由硬件和软件两大部分组成，硬件部分主要由传感器、信号调理电路、微处理器（或微计算机）等构成，其结构框图如图所示。软件在智能传感器中起着举足轻重的作用，可通过各种软件对信息检测过程进行管理和调节，使之工作在最佳状态，并可对传感器传送的数据进行各种处理，从而增强传感器的功能，提高传感器的性价比。另外，利用软件可实现硬件难以完成的任务，由此来降低传感器的制造难度，提高性能，降低成本。智能传感器模块式混合式集成式模块式智能传感器由许多互相独立的模块组成，如将传感器、微处理器、信号调理电路、数据处理电路、显示电路等多个模块组装在同一壳体内，集成度较低，体积较大，但在目前的技术水平下，仍是一种实用的结构形式。混合式智能传感器是将传感器、微处理器和信号调理电路等集成在不同芯片上再组装在一起，是目前应用较多的结构形式。集成式智能传感器是将多个敏感元件、微处理器和信号调理电路等都集成在同一个芯片上，集成度高，体积小，但目前的技术水平还很难实现。初级阶段内部集成有温度补偿及校正电路、线性补偿电路和信号调理电路。中级阶段微处理器也组装在传感器内，具有自诊断、自校正、数据通信接口等功能。高级阶段具有多维检测、图像识别、分析记忆、模式识别、自学习甚至思维能力等功能。智能传感器的发展大致分为三个阶段：7.1.2智能传感器的功能与传统传感器相比，智能化传感器具有以下功能：（1）逻辑判断、信息处理功能（2）自校准、自诊断功能（3）自适应、自调整功能（4）组态功能（5）记忆、存储功能（6）数据通信功能7.1.3智能传感器的硬件结构智能传感器的硬件主要由基本传感器、信号调理电路和微处理器等构成。下图所示为DTP型智能压力传感器的结构框图。1．基本传感器（1）传感器的主要技术要求①具有将被测量转换为后续电路可用信号的功能。②转换范围与被测量实际变化范围一致③满足被测介质和使用环境的特殊要求④满足用户对可靠性和可维护性的要求。（2）可供选用的传感器类型①大信号输出传感器②数字式传感器③集成传感器④光纤传感器模拟信号调理电路主要由放大器、滤波器、温度补偿及自动校准电路等部分组成。模拟式传感器对传感器输出的信号必须进行放大、温度补偿和非线性校正等处理。智能传感器的技术指标如下：①非线性度②温漂③建立时间和恢复时间④电源引起的失调2．模拟信号调理电路智能传感器中常用的放大器有仪用放大器、程控增益放大器及隔离放大器。（1）仪用放大器仪用放大器常采用三运放对称结构，是具有较高的输入阻抗和共模抑制比的单片集成放大器，只需外接一个电阻即可设定增益，如美国BB（BurrBrown）公司生产的INA114，其内部电路如图所示。为了在整个测量范围内使A/D转换器获取合适的分辨率，常采用程控增益放大器。常见的程控增益放大器有美国BB公司生产的PGA202/203，其内部结构和基本接法如图所示。（2）程控增益放大器（3）隔离放大器隔离放大器由输入放大器、输出放大器、隔离器以及隔离电源等组成，其原理框图如图所示。上图为变压器耦合隔离放大器框图，下图为光电耦合隔离放大器框图。3．微处理器的接口技术（1）A/D转换器A/D转换器用于将模拟信号转变为数字信号，常用的A/D转换器有逐次逼近型ADC、双积分型ADC、型ADC等。逐次逼近型ADC包括一个比较器、一个数模转换器、一个逐次逼近寄存器（SAR）和一个逻辑控制单元。它是通过将采样输入信号与已知电压不断进行比较来完成转换的，1个时钟周期完成1位转换，n位转换需要n个时钟周期。双积分型ADC又称为双斜率或多斜率ADC，它由一个带有输入切换开关的模拟积分器、一个比较器和一个计数单元构成，通过两次积分将输入的模拟电压转换成与其平均值成正比的时间间隔。同时，在此时间间隔内利用计数器对时钟脉冲进行计数，从而实现A/D转换。型ADC又称为过采样转换器，其采样频率远远高于奈奎斯特（Nyquist）采样频率，是目前应用较广的新型A/D转换器。它由简单的模拟电路（一个比较器、一个开关、一个或几个积分器及模拟求和电路）和复杂的数字信号处理电路构成。型ADC采用增量编码方式，即根据前一量值与后一量值差值的大小来进行量化编码，包括模拟调制器和数字抽取滤波器。A/D转换器的主要技术指标：①分辨率②转换速度③精度（2）AD574A与微处理器的接口①AD574A简介AD574A为逐次逼近型ADC，是一种常用的12位A/D转换芯片，也可实现8位转换。下图所示为AD574A芯片结构及引脚说明。AD574A单极性输入和双极性输入的连接线路如图所示。单极性输入双极性输入②AD574A与89C51的接口AD574A与单片机89C51的接口电路如图所示。（3）CS5360与微处理器的接口①CS5360简介下图所示为CS5360的功能框图。②CS5360的接口电路下图所示是基于FPGA的数字接口电路框图，CS5360工作于主动模式。7.1.4智能传感器的应用1．集成智能传感器传感器的集成化是指将多个功能相同或不同的敏感器件制作在同一个芯片上构成传感器阵列，这主要有三个方面的含义：一是将多个功能完全相同的敏感单元集成制造在同一个芯片上；二是对多个结构相同、功能相近的敏感单元进行集成；三是对不同类型的传感器进行集成。2．智能温度传感器智能温度传感器亦称数字温度传感器，其内部包含温度传感器、A/D转换器、信号处理器、寄存器、接口电路以及多路选择器、中央控制器（CPU）、随机存取存储器（RAM）和只读存储器（ROM）等。MAX6654是美国MAXIM公司生产的双通道智能温度传感器，下图所示为MAX6654与温度传感器及主机的接口电路。3．智能湿度传感器湿度传感器也已从简单的湿敏元件向集成化、智能化、多参数检测的方向发展，为研制湿度测控系统创造了有利条件。SHT15是瑞士森斯瑞（Sensirion）公司推出的超小型、高精度、自校准、多功能智能传感器，可用来测量相对湿度、温度和露点等参数。SHT15与89C51（主机）的接口电路如图所示。4．智能压力传感器智能压力传感器的硬件结构如图所示，由压力传感器、温度传感器、微处理器、电源模块和输出模块构成。MSC1211是美国德州仪器公司（TI）新推出的一款功能强大的带24位型A/D转换器和16位D/A转换器的微处理器，其内部包括程控增益放大器、多路转换开关、数字滤波和信号校准电路等。图为MSC1211与传感器模块及主机的接口电路。5．智能差压传感器ST3000系列智能差压传感器是美国霍尼韦尔（Honeywell）公司在世界上率先推出实现商品化的智能传感器，由差压、静压、温度参数检测和数据处理两部分组成，如图所示。6．智能超声波传感器美国Merritt系统公司（MSI）开发了两种智能超声波测距传感器，测距范围分别为150~3000mm和25~600mm，精度分别为2.5mm和0.25mm，采样频率分别为40Hz和200Hz。超声波探头的工作频率为40kHz，传感器内部包括超声波发射与接收电路、模拟信号与数字信号处理电路等。这种传感器广泛应用于过程监控和移动机器人自动寻轨、避障的测距系统中。7.2传感器网络7.2.1传感器网络概述单独的传感器数据采集已经不能适应现代控制技术和检测技术的发展，取而代之的是分布式数据采集系统组成的传感器网络，如图所示。7.2.2传感器网络的作用传感器网络可以实施远程数据采集数据，并进行分类存储和应用。传感器网络上的多个用户可同时对同一过程进行监控。不同任务的传感器、仪器仪表（执行器）与计算机组成网络后，可凭借智能化软硬件（例如模式识别、神经网络的自学习、自适应、自组织和联想记忆功能），灵活调用网上各种计算机、仪器仪表和传感器各自的资源特性和潜力，区别不同的时空条件和仪器仪表、传感器的类别特征，测出临界值，作出不同的特征响应，完成各种形式、各种要求的任务。7.2.3传感器网络的结构传感器网络的结构形式多种多样，可以是如图所示的全部互连形成的分布式传感器网络系统。也可以是多个传感器计算机工作站和一台服务器组成的主从结构传感器网络，如图所示。网络形式可以是以太网或其他网络形式，总线连接可以是星形、环形、线形。传感器网络还可以是多个传感器和一台计算机或单片机组成的智能传感器，如图所示。传感器网络可以组成个人网、局域网、城域网，甚至可以连上遍布全球的Internet互联网，如图所示。7.2.4传感器网络信息交换体系传感器网络是传感器领域的新兴学科，传感器网络的运行需要传感器信号的数字化，还需要网络上各种计算机、仪器仪表（执行器）和传感器相互间进行信息交换。传感器网络系统信息交换体系涉及到 协议 离婚协议模板下载合伙人协议 下载渠道分销协议免费下载敬业协议下载授课协议下载 、总线、器件标准总线、复合传输、隐藏和数据链接控制等。协议是传感器网络为保证各分布式系统之间进行信息交换而制定的一套规则和约定。对于一个给定的具体应用，在选择协议时，必须考虑传感器网络的系统功能和使用硬件、软件与开发工具的能力。传感器与测试技术第3章常用传感器原理及应用3.1电阻式传感器3.2电容式传感器3.3电感式传感器3.4压电式传感器3.5热电式传感器3.6光电式传感器3.7其他传感器3.1电阻式传感器电阻式传感器是将被测量转换成材料的电阻变化，通过测量此电阻量达到测量被测量的目的。因而根据不同的物理原理就制成了各种各样的电阻式传感器，用于测量力、压力、位移、应变、加速度、温度等被测量。电阻式传感器应变式传感器压阻式传感器电位器式传感器应变式传感器一般由电阻应变片和测量电路两部分组成。电阻应变片是将被测试件上的应力、应变变化转换成电阻变化的传感转换元件，而测量电路则进一步将该电阻再转换成电压或电流的变化，以便显示或 记录 混凝土 养护记录下载土方回填监理旁站记录免费下载集备记录下载集备记录下载集备记录下载 被测量的大小。3.1.1应变式传感器1．工作原理—电阻应变效应下图所示为金属电阻丝的电阻应变效应原理图。在应变极限范围内，金属材料电阻的相对变化量与应变成正比，即2．应变片的种类和结构丝绕式应变片制造方便，价格低廉端部圆弧段会产生横向效应短接式应变片可减小横向效应敏感栅上焊点较多，耐疲劳性能较差，不适于长期的动应力测量箔式应变片尺寸准确、线条均匀、可制成各种形状黏结牢靠，传递试件应变性能好散热条件好横向效应小薄膜式应变片应变灵敏系数大允许电流密度大可以在-197~317℃温度下工作1－基底；2－敏感栅；3－覆盖层；4－引线金属电阻应变片的结构1－基底；2－敏感栅；3－引线金属电阻应变片的种类（a）短接式（b）箔式（c）用于扭矩测量（d）用于流体压力测量3．应变片的温度误差及其补偿（1）温度误差在采用应变片进行应变测量时，由于测量现场环境温度的改变（偏离应变片标定温度），而给测量带来的附加误差，称为应变片的温度误差，又叫应变片的热输出。应变片产生温度误差的主要原因如下：①敏感栅材料电阻温度系数的影响②试件材料和敏感栅材料线膨胀系数的影响由温度变化引起的总电阻相对变化为相应的热输出为（2）温度补偿①自补偿法利用应变片的敏感栅材料及制造工艺等措施，使应变片在一定的温度范围内满足这种应变片称为温度自补偿应变片。（a）（b）（c）双金属敏感栅是实现温度自补偿的常用方法，即利用两段电阻温度系数相反的敏感栅和串联制成的复合型应变片，如图a所示。若双金属敏感栅材料的电阻温度系数相同，则如图b所示。在两种材料和的连接处再焊接引线2，构成电桥的相邻臂如图c所示。②电桥补偿法利用测量电桥的特点来进行温度补偿，是最常用且效果较好的补偿方法，如图所示。（a）（b）（c）图a中为工作应变片，粘贴在试件上；为温度补偿应变片，粘贴在材料、温度与试件相同的补偿块上，补偿应变片和工作应变片完全相同，为同一批号生产。将和接入电桥的两个相邻桥臂，如图b所示。当温度变化时两个应变片的电阻变化与符号相同、数值相等，电桥仍然满足平衡条件，即，电桥没有输出。工作时只有工作应变片感受应变，电桥输出仅与被测试件的应变有关，而与环境温度无关。通常，在被测试件结构允许的情况下，不用另设补偿块，而将补偿片直接粘贴在被测试件上，如图c所示。将和接在电桥的两个相邻桥臂上，既能起到温度补偿作用，又能提高电桥灵敏度。4．测量电桥根据读数方法不同，电桥可分为平衡电桥（零读法）与不平衡电桥（偏差法）。平衡电桥仅适用于静态参数的测量，而不平衡电桥对静、动态参数都可以测量。（1）直流不平衡电桥的工作原理直流不平衡电桥采用直流电源供电，将应变式的电阻变化转换成电桥的电压或电流输出，如图所示。（2）电桥的连接方式①单臂电桥②差动半桥③差动全桥单臂电桥差动半桥差动全桥（3）交流电桥原理及平衡条件交流电桥