传感器原理复习提纲及详细知识点

1、传感器原理复习提纲第一章 绪论1. 检测系统的组成。传感器测量电路输出单元把被测非电量转换成为与之有确定对应关系，且便于应用的某些物理量（通常为电量）的测量装置。把传感器输出的变量变换成电压或电流信号，使之能在输出单元的指示仪上指示或记录仪上记录；或者能够作为控制系统的检测或反馈信号。指示仪、记录仪、累加器、报警器、数据处理电路等。2. 传感器的定义及组成。定义能感受被测量并按一定规律转换成可用输出信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。组成敏感元件转换元件转换电路直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的物理量。敏感元件的输出就是它的输入，抟换成电路参量。上述电路参数接入基本转换电路

2、，便可转换成电量输出。3. 传感器的分类。工作机理物理型、化学型、生物型构成原理结构型（物理学中场的定律）、物性型:物质定律能量转换能量控制型、能量转换型物理原理电参量式传感器、磁电传感器、压电式传感器用途位移、压力、振动、温度4. 什么是传感器的静态特性和动态特性。静特性输入量为常量，或变化极慢动特性输入量随时间较快地变化时5. 列出传感器的静态特性指标，并明确各指标的含义。x输入量，y输出量，a0零点输出，a1理论灵敏度，a2非线性项系数灵敏度传感器在稳态下，输出的变化量与引起该变化量的输入变化量之比。表征传感器对输入量变化的反应能力 线性传感器 非线性传感器迟滞正（输入量增大）反（输入量

3、减小）行程中输出输入曲线不重合称为迟滞。产生迟滞的原因：由于传感器敏感元件材料的物理性质和机械另部件的缺陷所造成的，如弹性敏感元件弹性滞后、 运动部件摩擦、 传动机构的间隙、紧固件松动等。线性度传感器的实际输入-输出曲线的线性程度。4种典型特性曲线非线性误差，Lmax最大非线性绝对误差，YFS满量程输出值。直线拟合线性化：出发点获得最小的非线性误差（最小二乘法：与校准曲线的残差平方和最小。）例 用最小二乘法求拟合直线。设拟合直线y=kx+b残差i=yi-（kxi+b）分别对k和b求一阶导数，并令其 =0，可求出b和k将k和b代入拟合直线方程，即可得到拟合直线，然后求出残差的最大值Lmax即为非

4、线性误差。重复性重复性是指传感器在输入量按同一方向作全量程连续多次变化时，所得特性曲线不一致的程度。重复性误差属于随机误差，常用标准差计算，也可用正反行程中最大重复差值计算，即 或零点漂移传感器无输入时，每隔一段时间进行读数，其输出偏离零值，即为零点漂移。零漂，式中Y0最大零点偏差；YFS 满量程输出。温度漂移温度变化时，传感器输出量的偏移程度。一般以温度变化1度，输出最大偏差与满量程的百分比表示，即温漂max 输出最大偏差；T温度变化值；YFS满量程输出。6. 一阶特性的指标及相关计算。一阶系统微分方程 ：时间常数，k=1静态灵敏度拉氏变换传递函数频率响应函数误差部分7. 测量误差的相关概念

5、及分类。相关概念（1）等精度测量（2）非等精度测量（3）真值（4）实际值（5）标称值（6）示值（7）测量误差分类系统误差随机误差粗大误差绝对误差-修正值相对误差最大允许误差（看例题）（1）正态分布（2）随机误差的评价指标（3）测量的极限误差其标准差为，如果其中某一项残差，则该项为坏值8. 绝对误差，相对误差的概念及计算。绝对误差1. 绝对误差是示值与被测量真值之间的差值，是一个有大小、有正负、有单位的量。1.实际绝对误差x=x-A02.在实际中用精度高一级的示值代替真值A0，即实际值A代替真值A0。3.修正值C= x相对误差相对误差是绝对误差与被测量的约定值之比。1.实际相对误差2. 示值相对

6、误差3. 满度（引用）相对误差4. 最大允许误差 ，仪表最大满度误差不许超过准确度等级的百分数5. 示值相对误差x与准确度等级a的关系 ，被测量的值应大于其测量上限的2/3。9. 随机误差的评价指标和极限误差。评价指标正态分布曲线的算术平均值和均方根误差算术平均值标准差单次测量残差代替随机误差：贝塞尔公式算术平均值测量计算单次测量随机误差在至范围内概率为：经变换 ，上式变为算术平均值被测量的算术平均值与真值之差当多个测量列算术平均值误差为正态分布时，得到测量列算术平均值的极限误差表达式为式中的t为置信系数， 为算术平均值的标准差。10. 系统误差的发现，系统误差的减弱和消除方法。发现1） 理论

7、分析及计算：因测量原理或使用方法不当引入系统误差时，可以通过理论分析和计算的方法加以修正。2） 实验对比法：实验对比法是改变产生系统误差的条件进行不同条件的测量，以发现系统误差，这种方法适用于发现恒定系统误差。3） 残余误差观察法：根据测量列的各个残余误差的大小和符号变化规律，直接由误差数据或误差曲线图形来判断有无系统误差，这种方法主要适用于发现有规律变化的系统误差。4） 残余误差校核法 用于发现累进性系统误差马利科夫准则 用于发现周期性系统误差阿卑-赫梅特准则5） 计算数据比较法：对同一量进行多组测量，得到很多数据，通过多组计算数据比较，若不存在系统误差，其比较结果应满足随机误差条件，否则可

8、认为存在系统误差。任意两组结果之间不存在系统误差的标志是削弱/消除1） 从产生误差源上消除系统误差：从生产误差源上消除误差是最根本的方法，它要求在产品设计阶段从硬件和软件方面采取必要的补偿措施和修正措施，或者采取合适的使用方法将误差从产生根源上加以消除。2） 引入修正值法知道修正值后，将测量结果的指示值加上修正值，就可得到被测量的实际值。智能传感器更容易采用该方法。3） 零位式测量法4） 这种方法是标准量与被测量相比较的测量方法，其优点是测量误差主要取决于参加比较的标准器具的误差，而标准器具的误差可以做的很小。这种方法要求检测系统有足够的灵敏度，如自动平衡显示仪表。5)补偿法6)对照法11.

9、粗大误差的判定及处理。判别粗大误差最常用的统计判别法：如果对被测量进行多次重复等精度测量的测量数据为x1，x2，xd,，xn其标准差为，如果其中某一项残差vd大于三倍标准差，即则认为vd为粗大误差，与其对应的测量数据xd是坏值，应从测量列测量数据中删除。第二章 电阻式传感器原理与应用1. 电阻式传感器的基本原理。电阻变化被测量电阻元件电阻式传感器是将被测量的变化转化为传感器电阻值的变化，再经过测量电路实现测量结果的输出。2. 金属的应变效应：金属丝(导体)在外界力作用下产生机械变形（伸长或缩短）时,其电阻值相应发生变化3. 应变片的横向效应。敏感栅是由多条直线和圆弧部分组成直线段：沿轴向拉应变

10、x，电阻圆弧段：沿轴向压应度y，电阻 K(箔式应变片)4. 应变片的温度误差产生的原因及其补偿方法。产生原因（1）敏感栅电阻值（2）线膨胀系数不匹配由于温度变化而引起的总电阻变化为相应的虚假应变输出为补偿方法自补偿法单丝自补偿法(选择式自补偿)组合式自补偿法（双金属敏感栅自补偿）实现温度补偿的条件为当被测试件的线膨胀系数g已知时，通过选择敏感栅材料，使 成立。优点：容易加工，成本低，缺点：只适用特定试件材料，温度补偿范围也较窄。R1R2敏感栅丝由两种不同温度系数的金属丝串接组成选用两者具有不同符号的电阻温度系数，调整R1和R2的比例，使温度变化时产生的电阻变化满足 通过调节两种敏感栅的长度来控

11、制应变片的温度自补偿，可达0.45m/的高精度线路补偿法电桥补偿法优点：简单、方便，在常温下补偿效果较好缺点：在温度变化梯度较大的条件下，很难做到工作片与补偿片处于温度完全一致的情况，因而影响补偿效果。热敏电阻5. 应变电桥产生非线性的原因及消减非线性误差的措施。原因因为电桥的输出无论是输出电压还是电流，实际上都与Ri/Ri呈非线性关系。措施采用半桥差动电桥R1R2R3R4=R，R1R2=R输出电压为：严格的线性关系电桥灵敏度比单臂时提高一倍温度补偿作用全桥差动电路输出电压为：消除非线性误差；具有温度补偿作用；提高电压灵敏度（为单片的4倍）。6. 单臂电桥，半桥差动电桥和全桥差动电桥测量电路及

12、输出电压的推导，得出结论。（计算）单臂电桥电桥平衡时，检流计所在支路电流为零，则有：（1）流过R1和R4的电流相同（记作I1），流过R2和R3的电流相同（记作I2）；（2）B，D两点电位相等，即UB=UD。因而有 I1R1=I2R37. 半导体的压阻效应。定义单晶半导体材料在沿某一轴向受外力作用时，其电阻率发生很大变化的现象8. 金属应变片与半导体应变片在工作机理上有何异同? 金属应变片半导体应变片异基于应变效应基于压阻效应同第三章 变电抗式传感器原理与应用电感式传感器1. 有哪三种自感式传感器？变气隙式自感传感器、变面积式自感传感器、螺线管式自感传感器2. 自感式传感器的测量电路（看图分析测

13、量电路）。调幅电路相敏检波电路谐振式调幅电路电桥两臂Z1、Z2为传感器线圈阻抗，另外两桥臂为交流变压器次级线圈的1/2阻抗。开路时，桥路输出电压：当传感器的衔铁处于中间位置，即Z1=Z2=Z时有， 电桥平衡。当传感器衔铁上移时，Z1=Z+Z，Z2=Z-Z当传感器衔铁下移时，Z1=Z-Z，Z2=Z+Z由于是交流电压，输出指示无法判断位移方向，后续电路中配置相敏检波电路来解决。衔铁偏离中间位置而使Z1=Z+Z增加，则Z2=Z-Z减少。当电源u上端为正，下端为负时，R1上的压降大于R2上的压降；电压表输出上端为负，下端为正。当电源u上端为负，下端为正时，R2上压降则大于R1上的压降，电压表输出上端为

14、正，下端为负。非相敏整流和相敏整流电路输出电压比较(a) 非相敏整流电路；（b） 相敏整流电路使用相敏整流，输出电压U0不仅能反映衔铁位移的大小和方向，而且还消除零点残余电压的影响。工作原理：传感器电感L与电容C、 变压器原边串联在一起， 接入交流电源，变压器副边将有电压输出，输出电压的频率与电源频率相同，而幅值随着电感L而变化。谐振式调幅电路，L0:谐振点的电感值特点：敏感度高，非线性差3. 差动变压器的零点残余电压及其减小此电压的方法。产生原因（1）由于两个二次测量线圈的等效参数不对称，使其输出的基波感应电动势的幅值和相位不同，调整磁芯位置时，也不能达到幅值和相位同时相同。（2）由于铁芯的

15、B-H特性的非线性，产生高次谐波不同，不能互相抵消。（3）励磁电压波形中含有高次谐波。危害（1）使传感器输出特性在零点附近的范围内不灵敏，限制着分辨力的提高。（2）零点残余电压太大，将使线性度变坏，灵敏度下降，甚至会使放大器饱和，堵塞有用信号通过，致使仪器不再反映被测量的变化。减小措施（1）提高框架和线圈的对称性，特别是两个二次线圈对称。（2）采用适当的测量电路，一般可采用在放大电路前加相敏整流器。（3）在电路上进行补偿，使零点残余电压最小，接近于零。线路补偿主要有：加串联电阻，加并联电容，加反馈电阻或反馈电容等。4. 差动整流电路和相敏检波电路原理及其作用。（看图进行电路的推导和说明）差动整

16、流电路相敏检波电路差动整流电路是把差动变压器的两个次级输出电压分别整流， 然后将整流的电压或电流的差值作为输出。电压输出型全波整流电路全波差动整流电路U0=Udc+Ugh=Ugh-Ucd电路是以两个桥路整流后的直流电压之差作为输出的，所以称为差动整流电路。它不但可以反映位移的大小（电压的幅值），还可以反映位移的方向。图中调制电压er和es同频，经过移相器使er和es保持同相或反相，且满足eres，调节电位器R可调平衡。图中电阻R1=R2=R0，电容C1=C2=C0，输出电压为UCD。电路工作原理：（1）当差动变压器铁芯在中间位置时，es=0，只有er起作用。设此时er为正半周，即A为“+”，B

17、为“”，则D1、D2导通，D3、D4截止，流过R1、R2上的电流分别为i1,、i2，其电压降UCB及UDB大小相等方向相反，故输出电压UCD=0。当er为负半周时，A为“-”，B为“+”，此时D3、D4导通，D1、D2截止，流过，R1、R2的电流分别为i3、i4，其电压降UBC与UBD大小相等方向相反，故输出电压UCD=0。（2）若铁芯上移es和er同位相，由于eser，故er正半周时D1、D2仍导通，D3、D4截止，但D1回路内总电势为er+es/2，而D2回路为eres/2，故回路电流i1i2，输出电压UCD=R0(i1-i2)0。当er为负半周时，D3、D4导通、D1、D2截止，此时D3

18、同路内总电势为eres/2，D4回路内总电势为er+es/2，所以回路电流i4i3，故输出电压UCDR0(i4-i3)0因此，铁芯上移时，输出电压UCD0。（3）当铁芯下移时，es和er相位相反。同理可得UCD RBRA时，电容器的电容为：10. 电容式传感器可分为哪几类?各自的主要用途是什么?电容式差压传感器电容式振动位移传感器电容式加速度传感器结构简单、灵敏度高、响应速度快(约100ms)能测微小压差(00.75Pa)、真空或微小绝对压力加速度传感器安装在轿车上，可以作为碰撞传感器。利用加速度传感器实现延时起爆的钻地炸弹11. 推导变极距型、变面积型和变介电常数型电容传感器的计算公式，并利

19、用公式进行计算。（会公式并进行计算）变极距型变面积型变介电常数型初始电容d0 d C+C线位移变面积型，C与x呈线性关系初始电容电容增量与液位h呈线性关系 。d/d0C2,如果C1 C2，电路的优点：简单，不须附加相敏检波电路。正半周：C1充电电量增多，C2放电情况不变。输出正电压情况不变。正半周：C1充电电量不变，C2放电情况增加。输出正电压情况变大。负半周：C2充电情况不变，C1放电电流增大 。输出负电压变小。负半周：C2充电电量增加，C1放电电流不变。输出负电压情况不变。13. 三种电容传感器各适合测量哪些量。面积变化型角位移或较大的线位移介质变化型物位测量和各种介质的温度、密度、湿度的

20、测定极距变化型微小的极距变化第四章 光电式传感器1. 内光电效应，外光电效应和光生伏特效应。内光电效应：在光线作用下能使物体电阻率改变的现象，如光敏电阻等。外光电效应光电导效应光生伏特效应在光线作用下能使物体产生一定方向的电动势的现象。如光电池、光敏晶体管等。在光线作用下使电子逸出物体表面的现象。如光电管、光电倍增管。2. 光电管和光电倍增管的工作原理。在入射光极为微弱时，光电管能产生的光电流就很小，光电倍增管：放大光电流光电阴极光电倍增极阳极倍增极上涂有锑化铯或银镁合金等光敏材料，并且电位逐级升高。阴极发射的光电子以高速射到倍增极上，引起二次电子发射。 二次电子发射系数 = 二次发射电子数入

21、射电子数若倍增极有n，则倍增率为n在光的照射下，光电子从阴极表面逸出，被阳极吸引，在光电管内形成电子流，在外部电路就产生了电流。若光强增大，光电流就变大，从而实现光电转换。3. 光敏电阻，光敏二极管，光敏晶体管及光电池的工作原理。光敏电阻当无光照时，光敏电阻值(暗电阻)很大，电路中电流很小 当有光照时，光敏电阻值(亮电阻)急剧减少，电流迅速增加光敏二极管结构与一般二极管相似，装在透明玻璃外壳中。在电路中一般是处于反向工作状态的。光敏晶体管与一般晶体管很相似，具有两个PN结。把光信号转换为电信号同时，又将信号电流加以放大。光电池有光线作用下实质上就是电源，电路中有了这种器件就不再需要外加电源。直

22、接将光能转换为电能的光电器件，是一个大面积的pn结。当光照射到pn结上时，便在pn结的两端产生电动势(p区为正，n区为负) 。用导线将pn结两端用导线连接起来，就有电流流过，电流的方向由P区流经外电路至n区。若将电路断开，就可以测出光生电动势。第五章 电动势式传感器原理与应用1. 磁电式传感器的工作原理及其应用。工作原理通过磁电作用将被测量（如振动、转速、扭矩）转换成电势信号。法拉第电磁感应定律：如果线圈是N匝，磁场强度是B，每匝线圈的平均长度la，线圈相对磁场运动的速度为=dx/dt，则整个线圈中所产生的电动势为：直接应用测定速度：在信号调节电路中接积分电路，或微分电路，磁电式传感器就可以用

23、来测量位移或加速度。2. 什么是霍尔效应？霍尔电势的大小与方向和哪些因素有关？霍尔效应在金属或半导体薄片的两端通过控制电流，并在薄片的垂直方向上施加磁场，则在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势（霍尔电势）霍尔电势霍尔电压（一般称霍尔电势）的大小和方向与下述因素有关：1、激励电流I2、与激励电流垂直的磁感应强度分量B（UH=KIB）3、器件材料（决定灵明度系数K）4、霍尔电势的方向还与半导体是P型还是N型有关,两者方向相反3. 霍尔传感器有哪些用途？电磁测量：测量恒定的或交变的磁感应强度、有功功率、无功功率、相位、电能等参数；自动检测系统：多用于位移、压力的测量。微位移和压力位移测量、力、压力

24、、应变、机械振动、加速度磁场霍尔式磁罗盘、霍尔式方位传感器、霍尔式转速传感器4. 霍尔元件的温度误差及其补偿。产生原因霍尔元件的基片是半导体材料，因而对温度的变化很敏感。其载流子浓度和载流子迁移率、电阻率和霍尔系数都是温度的函数。当温度变化时，霍尔元件的一些特性参数，如霍尔电势、输入电阻和输出电阻等都要发生变化，从而使霍尔式传感器产生温度误差。 补偿选用温度系数小的元件采用恒温措施采用恒流源供电5. 什么是不等位电阻，不等位电势？霍尔元件不等位电势产生的原因有哪些？不等位电势当霍尔元件的控制电流为额定值时，若元件所处位置的磁感应强度为零，测得的空载霍尔电势。不等位电阻r 06. 什么是正压电效

25、应和逆压电效应？正压电效应对某些电介质，沿着一定方向施力而使它变形时，在它的两个表面上产生符号相反的电荷， 当外力去掉后，又重新恢复到不带电状态。 当作用力方向改变时，电荷的极性也随之改变。逆压电效应(电致伸缩 )当在电介质极化方向施加交流电压时，这些电介质会产生机械振动，即压电片在电极方向上产生伸缩变形。例子：蜂鸣器7. 常用的压电材料有哪些？比较几种常用压电材料的优缺点，说出各自适用于什么场合？石英晶体。 X方向受压力Y方向受压力沿x方向施力fx，在与x垂直的平面上将产生电荷。 ，与尺寸无关沿y方向施力fy，在与x轴垂直的平面上产生电荷 ，与尺寸有关式中：d11为x方向受力的压电系数，d1

26、2为y轴方向受力的压电系数,有d12=d11； a、b晶体切片的长度和厚度。压电陶瓷当作用力沿极化方向时，在极化面上出现电荷：，d33压电陶瓷的纵向压电常数。压电陶瓷是人工制造的多晶压电材料，它具有电畴结构。电畴是分子自发形成的区域，它有一定的极化方向，从而存在一定的电场。在没有外电场作用时，各个电畴在晶体上杂乱分布，它们的极化效应被相互抵消，因此原始的压电陶瓷内极化强度为零，见图（a）。高分子压电材料8. 石英晶体和压电陶瓷的压电效应原理。9. 为了提高压电式传感器的灵敏度，设计中常采用双晶片或多晶片组合，试说明其组合的方式和适用场合。（能写出串、并联后等效电容值，以及串并联适用的场合）电压

27、等效电路 等效为一个电荷源Q与一个电容Ca并联的电路电荷等效电路等效成一个电源U = Q/Ca 和一个电容Ca的串联电路。电压放大器（阻抗变换器）Ca：传感器的电容 Ra：传感器的漏电阻 Cc：连接电缆的等效电容Ri：放大器的输入电阻 Ci：输入电容10. 压电式传感器的等效电路。11. 电荷放大器有什么特点？在一定条件下，传感器的灵敏度与电缆长度无关。1、电荷放大器的输出电压只与输入电荷量和反馈电容有关，而与放大器的放大系数的变化或电缆电容等均无关系。2、只要保持反馈电容的数值不变，就可得到与电荷量Q变化成线形关系的输出电压。3、反馈电容Cf小，输出就大，要达到一定的输出灵敏度要求，必须选择

28、适当的反馈电容。4、输出电压与电缆电容无关条件：（1+K）Cf （Ca+Cc+Ci）第六章 温度检测1. 接触式测温方法的优点和缺点。（简答）优点直观、可靠，测量仪表也比较简单。缺点由于敏感元件必须与被测对象接触，在接触过程中就可能破坏被测对象的温度场分布，从而造成测量误差。有的测温元件不能和被测对象充分接触，不能达到充分的热平衡，使测温元件和被测对象温度不一致，也会带来误差。在接触过程中，介质腐蚀性，高温时对测温元件的影响，影响测温元件的可靠性和工作寿命。 2. 影响较大的两个经验温标。华氏温标、摄氏温标3. 常用的热电阻有哪几种?适用范围如何?材料温度系数（1/）比电阻（.mm2/m）温度

29、范围（）特 性铂3.9210-30.0981-200 +650近线性铜4.2510-30.0170-50 +150线性铁6.5010-30.0910-50 +150非线性镍6.6010-30.1210-50 +100非线性4. 热敏电阻与热电阻相比较有什么优缺点?热敏电阻热电阻优点具有电阻值和电阻温度系数大（49倍） 、灵敏度高；体积小、结构简单；热惯性小、响应速度快；使用方便；寿命长；易于实现远距离测量。灵敏度低缺点互换性较差，同一型号的产品特性参数有较大区别；稳定性较差；非线性严重，不能在高温下使用。稳定性好，线性关系好5. 根据热敏电阻随温度变化的特性不同，热敏电阻可以分为哪三种类型，各有什么特点。负温度系数热敏电阻NTC热敏电阻在不同值时的电阻温度特性，温度越高，阻值越小，且有明显的非线性。NTC热敏电阻具有很高的负电阻温度系数，特别适用于：100300之间测温。应用较多。NTC的温度系数低温段比高温段灵敏 灵敏度比金属热电阻高（10倍）正温度系数热敏电阻PTC热敏电阻的阻值随温度升高而增大，且有斜率最大的区域，当温度超过某一数值时，其电阻值朝正的方向快速变化。可以用作各种电器设备的过热保护。临界温度系数热敏电阻CRT也具有负温度系数，但在某个温度范围内电阻值急剧下降，曲线斜率在此区段特别陡，灵敏度极高。主要用作温度开关。6. 热敏电阻的线性