模拟信号电压幅度相对应的一系列数据信息,同时以一 定的方式把这些转换数据及时传递给微处理器或依次 自动存储
（3）信号处理
信号处理摸块是自动检测仪表，检测系统进行数据处 理和各种控制的中枢环节。现代检测仪表，检测系统 中的信号处理模块通常以各种型号的嵌入式微处理器， 专用高速数据处理器(DSP)和大规模可编程集成电路， 或直接采用工业控制计算机来构建
电阻率发生变化的影响
（2）对于金属材料：
12,K12
对于半导体材料： 12,K
3.1.2 电阻应变片的结构
➢ 电阻丝—是应变片的转换元件 ➢ 基底—将传感器弹性体表面的应变传递到电阻丝栅上的
中间介质并起到电阻丝与弹性体之间绝缘和保护的作用 ➢ 黏合剂—将电阻丝与基底粘贴在一起 ➢ 引出线—连接测量导线
B (1Pe)()T
1个微应变 0.1 ℃
B 2neff
•B为FBG中心波长 •neff 为纤芯的有效折射率 •为光纤光栅折射率调制周期 •Pe为有效光弹系数 •为光纤的热膨胀系数 •为光纤的热光系数 •应变灵敏度系数（1-Pe） •温度灵敏度系数（＋）
FBG准分布式传感器测量原理图
si720光纤光栅传感分析仪 主要技术性能指标
(2)应变片的灵敏系数K是通过抽样测定得到的，因为应变片
粘贴到试件上以后，就不能取下再用，所以只能在每批产 品中提取一定比例（一般为5%）的应变片，测定灵敏系
数K值，然后取其平均值作为这批产品的灵敏系数，这就
是产品包装盒上注明的“标称灵敏系数”
(3)用应变片构成应变式传感器，如何将应变栅粘贴在 基片上是能否将其应用于测量的关键之一，因此对 粘合剂有苛刻的要求。常用的粘合剂为有机粘合剂， 如硝化纤维粘合剂，用于粘合纸质基底；酚醛类粘 合剂，常用于粘合酚醛胶膜玻璃纤维布、胶膜玻璃 纤维布等。粘贴必须遵循粘贴工艺，才有可能使应 变片正常工作
(4)由于应变片敏感栅是对温度变化敏感的材料，因此 选用时应注意温度的影响
电阻应变片的温度误差
温度误差产生的原因 • 一是由于电阻丝温度系数的存在，当温度改变时，
应变片自身的电阻值发生变化 • 二是当电阻丝与试件材料的线膨胀系数不同时，温
度改变将引起附加变形，使应变片产生附加电阻
(1)温度系数产生的误差
测量（如FBG），甚至实现全分布式测量（如BOTDR） 宽频带、高速传输，易于系统集成
3.2.1 布拉格光纤光栅(FBG)
光纤光栅传感器现在已称为健康监测中应用最广泛的光 纤传感器，在整个光纤传感器市场中约占44%的份额， 是目前最有发展前途的光纤传感器之一
布拉格光纤光栅(FBG)传感原理
• 光纤光栅的中心波长与温度 和应变的关系
（4）测量范围和量程 • 量程可以用来表示其测量范围的大小，用其测量上
限值与下限值的代数差来表示 • 量程 = |测量上限值-测量下限值|
（5）迟滞
在相同测量条件下，对应于同一大小的输入信号，传感器 正、反行程的输出信号大小不相等的现象
产生原因：传感器机械部分存在摩擦、间隙、松动、积尘 等
y
被测量的变化。因此，传感器的输出与输入关系必须是 严格的单值函数关系，最好是线性关系 ②稳定性：传感器的输入、输出的单值函数关系最好不随 时间和温度的变化而变化 ③灵敏度：满足工程要求 ④其他：如赖腐蚀性、功耗、输出信号形式、体积和售价 等
（2）数据采集
数据采集在检测系统中的作用 • 对信号调理后的连续模拟信号进行离散化并转化成与
位移、振动、化学物质、放射体等多种要素进行测量 灵敏度高、动态范围大 耐高温、抗腐蚀，化学性能稳定，不受电磁干扰，能在较恶劣
的环境中使用，在易燃易爆等危险条件下也能保证安全工作 光纤体积小，易于表面和埋入式安装，且不会导致被测体的机
械性能和材料的变化 可以串连复用，用一根光纤连接多个传感单元，实现准分布式
二 测试技术基础知识
1 测试的一般知识
测试 • 将被测试值与同种性质的标准量进行比较，确定被测
试值对标准量的倍数
xnu
测试系统 • 传感器与测试仪表、变换装置等的有机结合
检测系统的组成
被测对象
信号存储
传感器 信号处理 数据采集 信号处理
信号输出
输入设备
信号显示
稳压电源
（1）传感器
检测系统对传感器的要求 ①准确性：传感器的输出信号必须准确地反映其输入量,即
当环境温度变化△t℃时，粘贴在试件表面的应变
片敏感栅材料的电阻温度系数为 0
敏感栅电阻丝电阻的变化值为 :
Rα R00t
式中
Rα ──温度为t℃时电阻丝电阻的变化值；
R0 ──温度为t0℃时的电阻值；
0 ──电阻丝的电阻温度系数，表示温度变化1℃时，
电阻的相对变化；
△t──温度变化值，△t =t－t0。
总的温度误差
可得由于温度变化而引起应变片总的电阻相对变化量为
R R 0 t R α R 0 R β0 t Kgs t t
式中── 电阻应变片的电阻温度系数
上式表明，因环境温度改变而引起的附加电阻的相对 变化量除与环境温度变化有关外，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
③测量范围大。既可测量弹性变形，也可测量塑性变形。 变形范围可从1％～2％
④适应性强。可在高温、超低温、高压、水下、强磁场以 及核辐射等恶劣环境下使用…………？
⑤便于多点测量、远距离测量和遥测
⑥价格便宜，品种多，工艺较成熟，便于选择和使用，可 以测量各种物理量
应变片的使用说明
(1)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K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
dd ll ,或dlld
引入轴向相对变形（或称为应变） ，则有：
l l
R R ll s s 2 ( 1 2 )
或：
RR(12)
应变灵敏系数K
R K
R
金属材料的电阻的相对变 化与应变的关系
讨论： （1）应变的灵敏系数K受二个因素的影响：
R RK(12)
几何形状变化的影响
传感器：能感受被测量并按照一定规律转换成可用输 出信号的器件或装置
传感器功能：检测和转换
敏感元件：传感器中能直接感受（或响应）被测信息 （非电量）的元件
转换元件：指传感器中能将敏感元件的感受（或响应） 信息转换为电信号的部分
基本部分
弱
被测量
敏感元件
信 号 转换元件
信号调节与转换电路
输出
辅助电源 图1.2 传感器的组成
y
y
y
0
x
0
x
0
x
y
0
x
(a)理想线性
(b)只有偶次非线性项
(c)只有奇次非线性项
图3.1 线性度
(d)实际特性曲线
（2）灵敏度
传感器在稳态信号作用下输出量变化对输入量变化 的比值
y
y
Sn＝
y x
Sn
dy dx
0
x
0
x
(a) 线性测量系统
(b) 非线性测量系统
图3.3 灵敏度定义
（3）分辨力 传感器能检测到的最小输入增量称为分辨力 在输入零点附近的分辨力称为阈值
（4）信号显示
显示器是检测系统与人联系的主要环节之一,一般可分 为:
① 指示性显示,又称模拟式显示 ② 数字式显示 ③ 屏幕显示
（5）信号输出
检测系统在信号处理器计算出被测参量的瞬时值后除送 显示器进行实时显示外，通常还需把测量值及时传送给 监控计算机，可编程控制器(PLC)或其他智能化终端
已知导体（一根圆截面的金属丝）的电阻：
F
d
L
R l
s
金属丝的原始长度 金属丝的原始横截面积
金属丝的原始电阻
金属丝的原始电阻率
例如当金属丝被拉伸了的了dL，截面积缩小了ds，而 电阻率变化了dp，则：
相对变化：dRddlds Rl s
或R ： Rll
s s
s
1dd2
4
1d2
4
2d
s
1d2
d
4
引入泊松 （ 比或称为横向变）形，系则数有
百分比
3 常用传感器的类型和工作原理
按传感器的构成进行分类：物性型和结构型 按传感器的输入量（即被测参数）进行分类：位移、
速度、温度、压力传感器等 按传感器的输出量进行分类 ：模拟式和数字式 按传感器的基本效应分类：物理型、化学型、生物型 按传感器的工作原理进行分类 ：应变式、电容式、电
YFS Hmax
t
Hmax YFS
100%
o x
图3.4 迟滞特性
（6）重复性
传感器在输入量按同一方向作全量程多次测试时所得输 入－输出特性曲线一致的程度
y YFS
o
Rmax2
Rmax1
x 图3.5 重复性
（7）零漂和温漂 零漂 • 传感器在无输入或输入为另一值时，每隔一定时间，其
输出值偏离原始值的最大偏差与满量程的百分比 温漂 • 温度每升高一度，传感器输出值的最大偏差与满量程的
原理：在桥中设置一三角形障碍 物，利用汽车碍时的冲击对桥梁 进行激励，再通过应变片测量桥 梁动态变形，得到桥梁固有频率。
案例2：电子称
原理
将物品重量通过悬臂梁 转化结构变形再通过应变 片转化为电量输出
❖ 应变片的优点： ①测量应变的灵敏度和精度高，性能稳定、可靠，可测
1～2με，误差小于1％
②应变片尺寸小、重量轻、结构简单、使用方便、测量速 度快。测量时对被测件的工作状态和应力分布基本上无影 响。既可用于静态测量，又可用于动态测量
3.2 光纤传感器