《传感器与检测技术》串讲资料.doc

第一章 概绪例1-1 什么是物性型传感器？什么是结构型传感器？试举例说明。答 物性型传感器在实现信号的变换过程中，其结构参数基本不变化，而依靠敏感材料本身物理性质的变化实现信号的变换。它以半导体、电解质、铁电体等作为敏感材料的固态器件，如半导体力敏、热敏、光敏、气敏等固态传感器。物性型传感器结构体积小，易实现传感器生产的智能化、标准化、集成化。 结构型传感器则依靠传感器的几何尺寸、形状或位置等结构参数敏感被测量，常将被测量转换为相应的电阻、电感、电容等物理量的变化。结构型传感器性能稳定，抗干扰能力强，但结构复杂，不易成批生产。常用结构型传感器如电感式、电容式、电阻式位移传感器。 例1-2 有源型传感器和无源型传感器有何木同？试举例说明。 答 无源型又称参量型、能量控制型传感器。如R、L、C型传感器，它们都是无源器件，需要外加辅助电源，被测量通过传感器转变为R、L、C的变化，并控制外加电源，最终产生正比于被测量的电信号输出。被测信号作为调制信号，外加电源作为载波，输出信号为调制波（如调幅波、调频波）。相应的测量电路为调制解调放大器。 有源型也称为能量转换型、发电型传感器。如一台发电机，将非电能量转换为电能。典型的有源型传感器如压电式、热电式、电磁式，输出量为电势、电荷等。相应的测量电路为电压、电荷放大器等。 11 / 11第二章 位移检测传感器 例2-1 一电位计式位移传感器及接线图如图2-5所示，变阻器有效长度为L，总电阻，读数仪表电阻，活动触点位置。求：读数仪表的指示值；指示值的非线性误差；时，指示值的非线性误差。解 用戴维南定律求解 从图2-5a、b两点向左看，戴维南等效电路的开路电压为，等效电阻为，根据电路分析的有关定理，得到求示值的非线性误差线性输出电压非线性误差若非线性误差实际非线性误差例2-2 某电容传感器（平行极板电容器）的圆形极板半径，工作初始极板间距离，介质为空气。问：如果极板间距离变化量，电容的变化量是多少？如果测量电路的灵敏度，读数仪表的灵敏度（格mV）在时，读数仪表的变化量为多少？解 已知，传感器的灵敏度为（格）例2-4 选用位移传感器应注意哪些问题？ 答 无论选用任何传感器，应注意的问题有其共同点。对于位移传感器则更具体一些。综合有以下几方面：选择传感器时，应分清：被测量是线位移还是角位移；位移量的大小（微波、中、大）及变化范围；静态还是动态；接触还是非接触测量等。静态要求：合理的灵敏度，满足测量范围的线性度、滞差、分辨力、精度等。动态要求：满足传感器在不失真频段（允许的精度范围）工作。环境及稳定性：包括温度、湿度、压力、重力、磁场、冲击、振动、倾斜、电源电压波动、辐射等条件下，静态、动态参数的稳定性。第三章 速度、加速度传感器例3-1 已知某他励直流测速发电机的电枢绕组电阻，在n=300(r/min)时，测得测速发电机的输出电压。求：当负载电阻时，该发电机的和C。当，n=300(r/min)时，发电机的输出电压。当，时的输出电压。此时，是否变化（不考虑电枢反应的去磁作用）？当时的电枢电流及测速发电机的输入功率（不考虑效率）。及测速发电机的输入功率过大有何危害？如何减少发电机的输入功率及电枢电流？解 参照教材图3-1及有关公式，有电枢电流感应电势则 或 当时 当改变时，不会改变。因为，取决于电动机本身的参数及励磁电流，。而或测速发电机是发电型传感器。它是测量元件，对被测轴是附加负载。因而，消耗的功率越小越好。如果是动态测量，测速发电机的转动惯量也应小。尽量减少对被测轴状态的影响，才能提高检测的精度及可靠度。另一方面，若电枢电流过大，由于电枢反应的去磁作用使磁通减少，导致下降，则会造成输出特性的非线性。解决的办法是加大，即采用高输入阻抗的前置放大器。例3-2 变磁通感应式转速传感器中的开磁路与闭磁路各有何优缺点？答 开磁路式结构简单，测量头与被测轴不接触，且置于径向位置，所以，安装和使用均较方便；但由于是开磁路，磁阻大，输出信号小，不宜测量低转速。闭磁路式输出信号大，测量范围宽，抗干扰能力强，性能可靠。例3-3 变磁通式转速传感器，若测得输出电动势的交变频率为24（Hz），求被测轴的转速为多少？在其条件下，最大测量误差是多少？解 由教材图3-6可见，z=18计数误差为1个数字。所以，应为1/18转。即为了减少误差，可增加测速齿盘的齿数z。例3-4 如教材图3-4所示，磁电式线速度传感器的线圈平均直径D=25（mm），气隙磁感应强度B=6000（Gs）。希望传感器的灵敏度，求工作线圈的匝数N应为多少？解 已知D=25（mm）=0.025（m），=600(mV/cm/s)=60（V/m/s），B=6000(Gs)=0.6(T)因为所以（匝）例3-5 压电式加速度传感器的固有电容为，电缆电容为，电压灵敏度为被测加速度），输出电荷灵敏度。试推导和的关系。若已知，=100(pF)，此时，标定电压灵敏度，求电荷灵敏度如果改接电缆后（pF）。此时，有无变化？g为重力加速度。解 压电式加速度传感器的灵敏度是指其输出变化量（电压或电流）与输入变化量（加速度）的比值，故有两种表示方法：电荷灵敏度（采用电荷放大器）和电压灵敏度（采用电压放大器）。因为已知若没有变化则例3-6 压电式加速度传感器与电荷放大器联接，电荷放大器又与一函数记录仪联接。已知，传感器的电荷灵敏度，反馈电容，被测加速度。求：电荷放大器的输出电压是多少？电荷放大器的灵敏度若函数记录仪的灵敏度，求记录仪在纸上的移动距离画出该测试系统的框图，并求其总灵敏度。解 图3-3为测试系统框图。第四章 力、扭矩和压力传感器例4-2 圆柱形弹性元件，在拉、弯联合作用下，如图4-10a，应变片应如何布片和正确接电桥才能测定拉力P和弯矩M，并能消除拉力和弯矩间的相互干扰？解 原则上仅需在圆柱弹性元件上下表面各贴一片应变片和（图4-10a），并与两阻值和应变片阻值相同的固定电阻组成电桥。没有力、弯矩作用时，电桥输出电压为零。测拉力时，由于受拉，测弯矩时，由于受弯，。测定拉力的电桥如图4-10b所示，和组成电桥的相对臂。测定弯矩的电桥如图4-10c所示，和组成相邻臂。测拉力的电桥输出电压代入已知条件，有可见，弯矩M的存在对力P的测量没有影响。同理，可得到测量弯矩M的电桥（图4-10c）的输出电压同样，P的存在对M的测量也没有影响。例4-3 用应变片组成电桥测力F，贴片如图4-11所示。试回答下列问题：在图a与图b两种情况下，应分别将应变片接在电桥哪两个臂上？在图a与图b两种情况下，应分别采取什么措施，抵消温度变化引起的电阻变化？解 在图a情况下，两应变片产生符号相同的电阻变化，应接在四臂电桥的两相对臂上，如图c所示。为抵消温度变化引起的电桥输出，固定电阻应置于与应变片温度相同之处。不受力时，。在图b情况下，两应变片的电阻变化符号相反，应置于电桥的相邻臂上。温度变化引起的应变片电阻变比符号相同，在相邻臂上会自动抵消，故有温度误差自动补偿作用。如图d，F力作用下，温度上升引起的电阻变化为，电桥输出电压为将代入上式有可见，互相抵消，对电桥的输出无影响。例4-4 用电阻应变片及差动电桥测量悬臂梁应变，贴片及电桥如图4-12所示。已知，上下贴片位置对称，应变片的，应变，电桥电源电压为3（V）。求： 图b中电桥输出电压图c中如将与串联，与串联，在上述条件不变时，求解 第六章 温度传感器例6-1 证明（中间导体定律），并说明中间导体定律的应用。证明 实践证明，在热电偶回路中起主要作用的是两个结点的接触电势，本证明为简单起见，忽略单一导体的温差电势和，从而有因为所以同理，热电偶回路中插入多种导体后，只要保证插入的每种导体两端温度相同，则对热电偶的热电动势均无影响。在热电偶实际测量温度时，联接导线和显示仪表等均可看成是中间导体，只要保证中间导体两端温度相同，则对热电偶的热电动势没有影响。因此，中间导体定律对热电偶的实际应用十分重要。 例6-2 试设计用两个同型号的热电偶测量：两点的温度之和 两点的温度之差两点的平均温度 的测温线路。 解 其测量线路见图6-2。图a是两个同型号的热电偶正向串联，用于测量两点的温度之和；图b是两个同型号的热电偶反向串联，用于测量两点的温度之差；图c是两个同型号的热电偶并联，用于测量两点的平均温度。图中，串入较大阻值的电阻，以减少热电偶内阻与的不同影响。a) b) c)a)两点温度之和的测量 b)两点温差的测量 c)两点平均温度的测量例6-3 测量温度的金属热电阻应具有什么特性？答 电阻温度系数大而稳定。电阻与温度之间具有良好的线性关系：电阻率高，热容量小，反应速度快；材料的复现性和工艺性好，价格低廉；在测温范围内化学、物理性能稳定。例6-4 当T没有变化，但下降时，是否发生变化？热电偶本身输出的实际电动势是否发生变化？为什么？答 不发生变化。因为当时，热电偶自身输出的热电势，但由于的作用，使是具有正温度系数的热电阻，当时，。由电路可知只要保证的下降量与的增加量相等，则保持不变。例6-5 什么是电阻式温度传感器的阻温特性，教材式（6-6）中的n取多少由什么决定？答 电阻式温度传感器敏感元件的电阻值随温度变化的关系称为阻温特性。教材式（6-6）为金属热电阻阻温特性的数学表达式，也可用曲线表示。教材式（6-6）中n的取值，即最终取几项，由材料、测温精度的要求所决定。例6-6 金属热电阻式温度传感器为何要求用双线无感绕制法？答 热电阻由金属电阻丝绕制而成，采用双线无感绕制法，可使通过两股导线的电流方向相反，从而使产生的磁通相互抵消，避免通过交流电时产生感抗或有交变磁场时产生感应电动势。例6-7 如何消除热敏电阻阻温特性的非线性？热敏电阻的测温范围一般是多少？答 热敏电阻的灵敏度较金属热电阻高。因此，可采用温度系数很小的金属电阻与热敏电阻串联或并联，使热敏电阻的阻温特性在一定范围内呈线性关系，从而提高其测温范围和精度。热敏电阻的测温范围一般在-100350之间。如果要求特别稳定，最高温度是150左右。例6-8 什么是热敏电阻的正阻区、负阻区？答 此问题涉及到热敏电阻的伏安特性。伏安特性是热敏电阻上的端电压与通过电阻体的电流在热敏电阻和周围介质热平衡时的相互关系。由图6-3可见，当流过热敏电阻的电流很小时，热敏电阻的伏安特性符合欧姆定律，如段为一条直线，称为线性区，也是正阻区。用于测温、控温和补偿的热敏电阻应当工作在线性区，即测量电流应很小，才可忽略电流加热所引起的热敏电阻阻值发生的变化，使其发生变化仅与环境温度（被测温度）有关。随着电流的增加，热敏电阻的耗散功率增加，使热敏电阻自身的温度超过介质的温度，其电阻阻值减少。因此，出现段，当电流为时，电压达到最大值。电流继续增加，热敏电阻自身加温更为剧烈，使其阻值逐渐减少，出现负阻特性，段为负阻区。可利用热敏电阻的耗散原理工作，如测流量、真空等，都应当工作在负阻区。例6-9 什么是热电偶的分度表？ 答 是热电偶温度传感器在冷端温度为0的条件下，输出热电动势的毫伏值与热端温度之间的对应关系，采用表格表示。不同材料组成的热电极有不同的分度表。常用热电极材料有铜-康铜、镍铬-考铜、镍铬-镍硅。第七章 气敏、湿度、水份传感器例7-1 半导体气敏元件与其它类型气敏元件相比，有什么特点？答 气敏元件属于半导体传感器，有以下特点：气敏元件阻值随检测气体浓度呈指数规律变化，低浓度下灵敏度高，高浓度下趋于稳定值。因此，这种器件非常适于检测微量低浓度气体。如检查可燃气体性的泄漏，定限报警等。材料的物理、化学稳定性好，耐腐蚀性强。元件结构简单，成本低，可靠性较高，机械性能良好。对气体检测不需要复杂的处理设备。待检测气体可通过元件电阻的变化直接转化为电信号，且元件电阻率变化大。因此，信号处理不用高倍数放大电路即可实现。例7-2 气敏传感器为何都附有加热器？烧结型气敏元件按加热方式分为哪两种？答 由教材图7-2可见，半导体在加热一定时间后，特性才进入稳定状态。实用时，加热器使附着在探测部分的雾、尘埃等烧掉。同时，加速气体的吸附，从而提高器件的灵敏度和响应速度。一般，加热到，具体温度视所掺杂质不同而异。烧结型气敏元件在工作时需加热到300左右。按加热方式可分为直热（内热）式和旁热式。前者结构简单，后者性能稳定、可靠性高。例7-3 负感湿性和正感湿性半导体陶瓷湿敏元件的性能有何不同？答 教材图7-19为具有负感湿性的半导体陶瓷湿敏元件的特性，电阻率随湿度的增加而下降，故称为负特性湿敏元件或湿敏电阻。半导体陶瓷湿敏元件具有教材图7-20所示的电阻相对湿度特性，电阻率随相对湿度的增加而增大，所以，称为正感湿性湿敏元件。例7-4 简述电容式湿度传感器的工作原理。答 电容式湿度传感器如教材图7-28所示，由电极、高分子膜及导线构成。其中，电极是极薄的金属蒸镀膜，透过电极，高分子膜吸收或放出水份，从而引起介电常数的变化。设高分子膜的厚度为，介电常数为，则由于随气体介质和相对湿度而变化，当气体介质不变时，随相对湿度变化，C亦随相对湿度而变化。可见，此湿度传感器只能测量相对湿度。第八章 传感检测系统的构成 （一）电桥1电桥在检测系统中的作用，是将转换为电压或电流的测量电路。 2从不同的角度有不同的分类方法，其中主要有： (1)按电桥不同的激励电源，可分为直流电桥和交流电桥。 (2)按电桥的工作方式可分为平衡电桥（零测法）和不平衡电桥（偏差测量法）。 (3)按被测电阻（阻抗）的接入方式，可分为单臂电桥、差动电桥和全桥。3相对臂阻抗的乘积相等为平衡条件。教材图8-2所示电桥的平衡条件为；教材图8-3所示电桥的平衡条件为。4直流电桥的灵敏度和非线性误差(1)直流电桥的灵敏度：式中 电桥输出电压的变化量。由电桥的工作原理知，其最大值为。电桥的电源电压。桥臂电阻的相对变化量。(2)电桥的非线性误差：式中 电桥的输出电压；线性化后的输出电压；(3)单臂电桥、差动电桥和有源电桥的及单臂电桥差动电桥有源电桥式中5直流电桥戴维南等效电路的开路电压及等效电阻的求法及应用（结合教材图8-2)。6不平衡电桥的调零(1)调零的作用 一个系统，当有输入信号时才应有输出。所以，输入信号前应先排除电桥本身不平衡所引起的输出电压。 (2)调零的方法 串联和并联电阻调零。若是交流电桥还应串联或并联电容调零。 （二）调制与解调 调制是使一个信号（高频信号）的某些参数在另一个信号（缓变信号）的控制下而发生变化的过程。前一信号称为载波，后一信号称为调制信号。最后的输出是已调制波。已调制波由于是高频交变信号，因而，便于放大和传输。最终，从已调制波中恢复出调制信号（原缓变信号）的过程称为解调。实际上，许多参量型传感器（如差动变压器式位移传感器）的输出已是一种调制波（如调幅波、调频波）。因此，调制-解调技术在测试技术中极为常用。 根据载波受调制参数的不同，调制可分为调幅(AM）、调频(FM)和调相(PM)。使载波的幅值、频率或相位随调制信号而变化的过程分别称为调幅、调频、调相。它们的已调波分别称为调幅波、调频波、调相波。图8-1表示了载波、调制信号、调幅波和调频波。在此主要讨论调幅及调频。（三）滤波器2实际滤波器的幅频特性及参数实际滤波器的特性曲线(见图8-5b)没有明显转折点，通频带中幅频特性也并非常数。因而，需要更多参数描述实际滤波器的性能。主要参数有截止频率、带宽B、品质因素Q、纹波幅度和倍频程选择性等。(1)截止频率 幅频特性值等于所对应的频率，称为滤波器的截止频率。以为参考值，对应于-3dB点，即相对于衰减-3dB所对应的频率。 (2)带宽B和品质因素Q 上、下两截止频率之间的频率范围，称为滤波器的带宽或-3dB带宽，单位为Hz。带宽决定滤波器分离信号中相邻频率的能力频率分辨力。通常，中心频率和带宽B之比称为滤波器的品质因素Q。(3)纹波幅度 在一定频率范围内，实际滤波器的幅频特性可能呈波纹变化。其波动幅度与幅频特性的平均值相比应越小越好，一般。 (4)倍频程选择性 实际滤波器在两截止频率外侧，有一个过渡带，其幅频曲线的倾斜程度表明了幅频特性衰减的快慢，它决定着滤波器对带宽以外频率成份衰减的能力。此能力通常用倍频程选择性表征。倍频程选择性是指上截止频率与之间或下截止频率与之间幅频特性的衰减量，即频率变化一个倍频程的衰减量，以dB表示。显然，衰减越快，滤波器的选择性越好。对于远离截止频率的衰减量，也可用10倍频程的衰减量表示。 3滤波器的带负载能力与有源滤波嚣 无源滤波器虽然结构简单，但带负载能力差。采用有源滤波器可以大大提高滤波器的带负载能力，而且易实现较低的截止频率。 4滤波器的“阶数”与选择性 比较有源一阶和二阶低通滤波器的幅频特性可见，二阶滤波器对带宽以外的频率成份有较强的衰减能力，因而有较好的选择性。 (四)A/D、D/A转换器与控制系统 1A/D、D/A转换器在测控系统中的应用 在测控系统中，特别是计算机辅助测控系统中，A/D与D/A转换器是不可缺少的重要组成部分，它们是沟通计算机与各种连续变化物理量之间的桥梁。图8-6中“信号调理”包括电压幅值调理（含放大器）与抗混叠滤波器等。2.A/D、D/A转换器的技术参数（部分）（1）分辨力 D/A的分辨力，反映了输出模拟电压的最小变化量；而对于A/D，分辨力表示输出数字量变化一个相邻数码所需输入模拟电压的变化量。转换器的分辨力定义为满刻度电压与之比值，为转换器的位数，如12位分辨力A/D转换器能够分辨出满刻度电压的，若满刻度电压为5（V），则能分辨出模拟电压变化的最小值为1.22（mV）。同样，对于一个12位D/A，当其输入二进制数码变化一个LSB时，输出模拟电压的变化量为满刻度的0.024%。由此看出，不论D/A或A/D，当二进制位数确定之后，它的分辨力亦确定。所以，分辨力只是一个设计参数，而不是性能好坏的指标。转换器的位数越多，分辨力越高。（2）相对精度与绝对误差绝对误差 在转换器中，任何数码所对应的实际模拟电压与理想电压之差称为绝对误差。例如，某A/D转换器，理论上5（V）对应的数字量为80H，实际上，4.997（V）4.999（V）都对应80H，其绝对误差是相对精度 定义为绝对误差与满量程之比，用百分数表示。例如，绝对误差是2（mV），满量程为5（V），则相对精度为（3）转换时间与转换速度 转换时间指转换器完成一次转换所需的时间（包括稳定时间）。转换速度是转换时间的倒数，即每秒钟转换的次数。转换电路不同，转换速度也不同。并联比较型A/D的转换速度最快，但需要个比较器才能得到位二进制分辨力。积分式A/D转换器结构简单，但转换速度低。应用最广泛的是逐次比较式A/D转换器，其转换速度、精度都较高。3逐次逼近式A/D转换器教材图8-37所示的A/D，可用图8-7的原理框图说明。转换开始，在第一个时钟脉冲作用下，逐次逼近寄存器的最高位置1，其状态送给D/A转换器，而后等待比较器的回答信号。若D/A转换器的输出小于输入电压，则比较器输出高电平，逐次逼近寄存器的最高位保持“1”状态；否则，比较器输出低电平，逐次逼近寄存器的最高位清“O”。无论哪种情况，在下一个时钟脉冲作用下，逐次逼近寄存器的第二位都置“1”，其“1”状态的保持或清除仍然取决于比较器的输出。如此进行下去，直到最低位，每一位只需一个脉冲。所有位都试过后，逐次逼近寄存器发出转换结束信号(EOC)。在此信号作用下，将最后结果送往锁存寄存器，并启动下一次转换。可见，此A/D的优点是为分辨力只需要个时钟脉冲。三、典型例题例8-1 由两个灵敏度系数K=2的应变片及两个固定电阻组成一个电桥测力。不受力时，受力后，。试绘图组成一个具有温度补偿作用的直流电桥。若电桥电源，应变片的应变为，求电桥的开路输出电压及负载电阻时的输出电压，并分析后者的测量误差。若以上电桥改为交流电源供电，应变片应变，其它条件不变，求此时电桥的开路输出电压并说明输出波形中含有哪些频率成份？解 组桥如图8-8a所示，由和组成电桥的相邻臂。当温度变化时，和的变化完全相同，不会引起输出电压的变化，从而有温度补偿作用。这种组桥方式称为差动电桥。电桥的开路输出电压当负载电阻时，已知戴维南等效电路的，现求等效电阻。由图8-8b可知。由于，此处不考虑，所以有由图8-8c得非线性误差因为不满足的要求，所以测量误差较大。利用三角公式变换，得含有两种频率成份：，幅值为，幅值为5A。例8-2 八位梯形电阻解码网络D/A转换器在的条件下，试求：输出电压的表达式及分辨力。当输入的数字量D=11011101，参考电压时的输出电压。解 根据教材式(8-31)可得分辨力为例8-3 由RC组成的无源低通滤波器，已知，试求：截止频率（以Hz表示）。周期信号，通过该滤波器的输出判断是否在通频带内。解 RC低遭滤波器为一阶系统，其幅频、相频特性为已知，则由低通滤波器的幅频特性可知，当时，所以信号的频率在通频带内。 例8-4 用幅频特性说明图8-9a所示电路为一带通滤波器。解 等效电路如图8-9b所示。设，则幅频特性可定性画出，如图8-9c所示，当时，。当或时，所以是一带通滤波器，其中心角频率。例8-5 有一八位T形电阻网络D/A转换器，若时计算时的为多少？解 由已知条件，得出其余为O例8-6 测量放大器有什么特点？答 测量放大器多采用集成运算放大器，主要特点是：输入阻抗高，输出阻抗低。漂移和噪声低，增益和共模抑制比高。理想的运算放大器，输入电阻，开环增益，输出电阻，且没有零漂。例8-7 多路模拟开关对信号传递精度的影响因素是什么？如何加以改善？答 主要是模拟开关在接通时有一定的导通电阻，其上有电压降，因而，影响对信号的传递精度。可通过加大负载阻抗减少在开关上的压降。例8-8 试分析采样保持器的工作原理？答 最简单的采样保持电路如教材图8-50a所示。采样过程为：当开关S闭合时，通过限流电阻R向C充电，输出电压随的变化而变化。保持过程为：当S断开时，保持电容C在S断开时的电压值，从而满足采样保持电路的要求。例8-9 试分析教材图8-50b中，电容对采样保持电路精度的影响。答 如果C值过大，充电时间长，会影响输出对输入的跟随特性。即在采样瞬间，与有一定误差，从而影响采样精度。在保持阶段，如果负载的内阻小，电容的漏电流就大，保持电压的变化也大，影响保持阶段的精度。为使采样保持器达到一定精度，需要在输入级和输出级采