现代检测技术及仪表考试重点

1、第章绪论1.1. 1传感器的基本概念一、 传感器的定义国家标准定义“能感受（或响应）规定的被测量并按照一定规律转换成可用信号输出的器件或装置。”（当今电信号最易于处理和便于传输）通常定义“能把外界非电信息转换成电信号输出的器件或装置”或“能把非电量转换成电量的器件或装置”。二、 敏感器的定义把被测非电量转换为可用非电量的器件或装置、当即被测非电量X正是传感器所能接受和转换的非电量(即可用非电量)Z时，可直接用传感器将被测非电量X转换成电量Y。、当即被测非电量X不是传感器所能接受和转换的非电量(即可用非电量)Z时，就需要在传感器前面增加一个敏感器，把被测非电量X转换为该传感器能够接受和转换的非电

2、量(即可用非电量)Z。 1.2.2传感器的分类和命名法一、 传感器的类型二、传感器的分类方法：按照被测的非电量分类，按照输出量的性质1.3 检测仪表与系统概述1.2. 1检测仪表与系统的基本组成传感器:把被测的非电量变换成电量测量电路:把传感器的输出电量变成电压或电流信号显示装置:显示测量结果。模拟显示数字显示图像显示1.3.2常规检测仪表与系统的基本类型二、普通数字式检测仪表（a）模数转换式A/D转换器把直流电压转换成数字(b) 脉冲计数式计数器对传感器脉冲进行计数三、微机化检测系统具有普通的模拟式和数字式检测仪表所没有的新特点和新功能：(1)自动调零功能(2)量程自动切换功能(3)多点快速

3、测量(4)数字滤波功能(5)自动修正误差(6)数据处理功能 (7)多媒体功能(8)通信或网络功能(9)自我诊断功能第章检测系统的基本特性2.1.2检测系统的静态性能指标一、 测量范围和量程1、 测量范围：（xmin，xmax）xmin检测系统所能测量到的最小被测输入量（下限）xmax检测系统所能测量到的最大被测输入量（上限）。2、量程： 二、灵敏度S 串接系统的总灵敏度为各组成环节灵敏度的连乘积三、 分辨力与分辨率1、分辨力：能引起输出量发生变化时输入量的最小变化量。2、分辨率：全量程中最大的即与满量程L之比的百分数。四、精度（见第三章）五、线性度eL四、迟滞eH回程误差检测系统的输入量由小增

4、大（正行程），继而自大减小（反行程）的测试过程中，对应于同一输入量，输出量的差值。Hmax输出值在正反行程的最大差值即回程误差最大值。 第章 误差分析与处理基3.1.1测量误差的概念及表达方式一、绝对误差测量值与真值之差 X检测仪表指示或显示被测参量的数值即仪表读数或示值（测量值） X0在一定时间、空间条件下客观存在的被测量的真实数值（真值），一般情况下，理论真值是未知的，在工程上，通常用高一级标准仪器的测量值来代替真值。二、相对误差（评定测量的精确度）1、实际相对误差 2、示值相对误差 为了减小测量中的示值误差，当选择仪器、仪表量程时，应使被测量的数值接近满度值，一般使这类仪器、仪表工作在不

5、小于满度值23以上的区域。三、引用误差1、引用误差示值绝对误差x与仪表量程L之比值q 2、最大引用误差仪表量程内出现的最大绝对误差与该仪器仪表量程L之比值，即仪表在出厂检验时，其示值的最大引用误差qmax不能超过其允许误差Q（以百分数表示）即3、精度等级工业检测系统常以允许误差Q作为判断精度等级的尺度。规定：取允许误差百分数的分子作为精度等级的标志，也即用最大引用误差中去掉百分号（%）后的数字来表示精度等级，其符号是G， 精度等级为G的仪表在规定的条件下使用时，它的绝对误差的最大值的范围是 例3-1-1 检定一个满度值为5A的1.5级电流表，若在2.0A刻度处的绝对误差最大，xmax+0.1A

6、，问此电流表精度是否合格?解 按式(3-1-6)求此电流表的最大引用误差 2.01.5即该表的基本误差超出1.5级表的允许值。所以该表的精度不合格。但该表最大引用误差小于2.5级表的允许值，若其它性能合格可降作2.5级表使用。例-1-2 测量一个约80 V的电压，现有两块电压表：一块量程300 V、0.5级，另一块量程l00 V、1.0级。问选用哪一块为好?解 如使用300 V、0. 5级表、按式(3-1-4)、(3-1-9)求出其示值相对误差为 如使用100V、1.0级表，其示值相对误差为 可见由于仪表量程的原因，选用1.0级表测量的精度可能比选用0.5级表为高。故选用100V、1.0级表为

7、好。3.1.2 测量误差的分类一、随机误差随机误差是测量结果与在重复条件下对同一被测量进行无限多次测量所得结果的平均值A之差。即、 随机误差是测量值与数学期望之差，它表明了测量结果的分散性，经常用来表征测量精密度的高低。随差越小，精密度越高。二、系统误差在相同测量条件下，对同一被测量进行无限多次重复测量所得结果的平均值A与被测量的真值A0之差。即系统误差表明了测量结果偏离真值或实际值的程度。系统误差越小，测量就越准确。所以，系统误差经常用来表征测量准确度的高低。三、粗大误差在相同的条件下，多次重复测量同一量时，明显地歪曲了测量结果的误差，称粗大误差， 3.3 系统误差的处理3.3.3 系统误差

8、的消除方法一、消除产生误差的根源二、对测量结果进行修正 三、采用特殊测量法1、恒定系差消除法(1）零值法 (2)替代法 (3)交换法 (4)补偿法（5）微差法（虚零法2、变值系差消除法3.4 粗大误差的处理3.4.1 粗大误差的判别 3.4.2拉依达准则3.4.3格拉布斯准则第四章 阻抗型传感器.1 电阻式传感器.1.1 电位器式传感器 三、结构形式2非接触式光电电位器 图412（c）4.1.2 电阻式应变传感器和固态压阻式传感器一、电阻式应变传感器（一）电阻应变效应应变使电阻变化（二）电阻应变片3、安装粘贴在试件表面（应使应变片轴向与所测应变方向一致） 4、应变片灵敏系数应变片电阻相对变化与

9、粘贴处试件表面应变之比 试件表面纵向线应变 试件表面横向线应变纵向灵敏系数，横向灵敏系数应变片灵敏系数小于应变电阻材料灵敏系数 5、温度误差的产生及危害1）温度误差产生原因 应变电阻随温度变化试件材料与应变法的线膨胀系数不一致2）温度误差的危害产生应变测量误差即“虚假视应变”温度变化产生的应变片电阻的相对变化可折算成的“虚假视应变”为二、固态压阻式传感器（一）半导体压阻效应应力使半导体电阻率变化（二）固态电阻式传感器特点：在半导体硅材料基底上制成扩散电阻，作为测量传感元件，优点：无须粘贴，便于传感器的集成化缺点：易受温度影响。4.1.3 热电阻和热敏电阻一、热电阻金属电阻1电阻温度特性 （正温

10、度特性）2对热电阻材料的要求温度特性的线性度好温度系数大且稳定电阻率物理化学性能稳定二、热敏电阻半导体电阻PTC Positive temperature coefficientCTC critical temperature coefficientNTC negative temperature coefficientNTC常用于温度测量和温度补偿 PTC、CTC常用作开关元件3NTC热敏电阻电阻温度特性结论：1温度系数比热电阻大几十倍 2非线性比热电阻严重伏安特性图4-1-10应根据允许功能确定电流4.1.4 气敏电阻一、工作原理半导体陶瓷与气体接触时电阻发生变化；1接触氧化性气体，电阻2

11、接触还原性气体，电阻3浓度越大，电阻变化越大。用途：气体识别，浓度检测1材料SnO2应用最广2组成 气敏电阻体 加热器 4.1.6 电阻传感器接口电路一、 电桥电路 2、电桥开路输出电压：恒压源供电时 恒流源供电时 表4-1-1 传感器电桥几种工作情况的对比传感器电桥的工作情况恒压源供电恒流源供电图4-1-15(a)图4-1-15 (b)图4-1-15(c)图4-1-15 (d)（）当时3、几点结论：1）由于温度引起的电阻变化是相同的，因此，如果电阻传感器接在电桥的相邻两臂，温度引起的电阻变化将相互抵消，其影响将减小或消除；2）被测非电量若使两电阻传感器的电阻变化符号相同，则应将这两电阻传感器

12、接在电桥的相对两臂，但是这只能提高电桥输出电压，并不能减小温度变化的影响和非线性误差。3）被测非电量若使两电阻传感器的电阻变化符号相反，则应将这两电阻传感器接在电桥的相邻两臂，即构成差动电桥，这既能提高电桥输出电压，又能减小温度变化的影响和非线性误差。4）恒流源供电时单臂电桥和差动半桥的温度误差都比恒压源供电时小，恒流源供电时差动全桥在理论上无温度误差。4、应变电桥将四个电阻应变片接入图4114(a)电路构成应变电桥。设这四个应变片的型号相同，粘贴处的应变分别为因应变电阻的变化，故应变电桥的输出电压近似为 将（4119）式即代入上式得例题 采用上下两个如图（b）所示的电位器式传感器，构成一个圆

13、形电桥电路。随转动轴转动的绝缘连杆的两端装有电位器的滑臂且作为电压输出端。两电位器的连接端作为电桥电源端。设电位器的电阻为R，其圆弧长为L，圆弧半径为r，即绝缘连杆长2r。试导出电桥输出电压与转角的关系式。解：圆形电桥电路如图T41所示。其等效电路如图4115(c)所示，图T41测量范围为（二）有源电桥电桥输出电压U0与传感器电阻相对变化成线性关系.2 电容式传感器4.2.1基本原理与结构类型二、结构类型：变极距、变面积、变介质4.2.2 输入输出特性一、变极距型1、单一式图4-2-1（a）初始时 动极板上移 2、差动式图4-2-1（b） 二、变面积型1 线位移式：单一式 图4-2-2（a）

14、初始时 移动后 差动式 2角位移式（差动结构）扇形结构图4-2-3（a）初始时 转动后 所以 柱面形结构 图4-2-3（b） 公式同上三、变介质型（差动式） 图4-2-4初始时 介质（）块右移时 所以 所以 所以 二、交流电桥1、电阻平衡臂电桥 图-（a）2、变压器电桥图-（b）开路（ZL时）输出电压都为 Z1和Z2若为两个电容传感器，则 应用于变极距差动式电容传感器 4.3 电感式传感器4.3.2 互感式传感器二、互感式传感器（差动变压器）组成原理 差动变压器也有变气隙式、变面积式为螺管式三种类型。4.3.4 电涡流传感器一、电涡流效应 1电涡流的产生：成块金属置于交变磁场中 在固定磁场中运

15、动，金属导体内产生环形感应电流电“涡流”。3电涡流作用方式图4-3-14反射方式涡流环产生的磁场抵消一部分原激励磁场透射方式涡流环产生的磁场在另一侧线圈中产生感应电压第5章 电压型传感器5.1 磁电感应式传感器5.1.1 基本原理和组成一、基本原理电磁感应定律 二、基本组成1磁路系统2线圈产生感应电压3运动机构感受被测运动5.1.2 结构类型一、变磁通式永久磁铁和线圈均不动（变磁阻式）铁芯平移型 铁芯旋转型 二、恒磁通式永久磁铁与线圈相对运动动铁式动圈式5.2 压电式传感器5.2.1 压电效应及其表达式一、压电效应 只动态测量1正压电效应（压电效应）某些电介质，当沿着一定方向对其施力而使它变形

16、时，内部就产生极化现象，同时在它的两个相对的表面上便产生符号相反的电荷；当外力去掉后，又重新恢复不带电的状态；当作用力的方向改变时，电荷的极性也随着改变。5.2.2 常用压电材料 1、石英晶体2、压电陶瓷 5.2.4接口电路 一、压电传感器等效电路 图5-2-11 所以二、电压放大器 图5-2-12 （一阶高通滤波特性）时，测力时， 5.3 热电偶（thermal couple）5.3.1 热电效应： 若两个节点处于不同的温度，回路中就会产生电动势，因而在回路中产生电流一、热电势的产生 1、两个不同电极的材料2、两个节点的温度若PAPB则A为正极1单一导体的温差电势2两种导体的接触电势与1、金

17、属材料有关2、接触面的温度有关3热电偶回路总热电势1、AB材料相同或两端温度相同则总热电动势也相同 二、热电偶基本定律1、中间导体定律在热电偶回路中接入第三种导体时，只要第三种导体两端温度相同，就不会影响热电偶回路中的总热电动势。 应用：1、热电偶回路接入仪表 2、开路热电偶的应用 2、中间温度定律热电偶AB在节点温度为T、To时的热电动势等于该热电偶在接点温度为T、Tn和Tn、To时的热电动势之和。应用：制作分度表与摄氏温度T的对应数据表 3、标准电极定律应用：选配热电偶图5-3-45.3.2 热电偶的材料、型号及结构一、热电偶的材料 铂二、热电偶的冷端处理 1、冷端恒温方式：1冰浴法2恒温

18、槽法3简易法2、冷端的延伸使冷端远离被测热源 3、冷端温度波动的自动补偿电桥补偿法 5.4光电式传感器5.4.1光电器件 一、光电发射型光电器件 1、外光电效应光电发射效应光电发射在光线照射下，物体内的电子逸出物体表面的现象称为外光电效应。2、光电发射型光电器件1） 光电管真空光电管 适合于要求温度影响小和灵敏度稳定的场合充气光电管 适合于要求灵敏度高的场合光电倍增管 适合在微弱光下使用，但是不能接受强光刺激，否则易于损坏。 二、光导型光电器件 1、内光电效应绝大多数的高电阻率半导体，受光照射吸收光子能量后，会产生电阻率降低而易于导电的现象。 3、光导型光电器件） 光敏电阻不受光照时的电阻值暗

19、阻，一般在兆欧数量级，受光照时的电阻值亮阻。一般在几千欧以下。） 光敏二极管光敏二极管基本电路图5-4-6不受光照射时处于截止状态，受光照射时处于导通状态） 光敏三极管光敏三极管基本电路图5-4-7不受光照射时处于截止状态，受光照射时处于导通状态三、光伏型光电器件光电池1、光生伏特效应光照射引起PN结两端产生电动势的现象。2、光电池直接将光能转变为电动势的光电器件(有源传感器)光电池应用电路图5-4-9 5.4.2光电器件的基本特性 一、光电特性和光照特性 二、光谱特性三、伏安特性四、频率特性五、温度特性5.4.3光电式传感器的基本组成和类型一、光电式传感器的基本组成 1、光源2、光学通路3、

20、光电器件4、测量电路二、光电传感器的基本类型1、透射式 应用：测量透明度和混浊度。2、反射式 应用：测量表面粗糙度3、辐射式 应用：光电高温计和炉子燃烧监视装置。4、遮挡式 应用：测量物体面积、尺寸和位移等5、开关式 应用：开关，产品计数或测量转速等，编码。5.5 霍尔传感器5.5.1、霍尔效应定义:光导体薄片置于磁场中，当有电流流过时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势这种物理现象称为霍尔效应。 5.5.2霍尔传感器组成与基本特性一、霍尔元件1、材料多用N型半导体霍尔片半导体薄片 引线激励电极、霍尔电极封装外壳陶瓷或环氧树脂二、电路部分2、霍尔元件的输出电路 线性应用 开关应用 3、输出

21、叠加连接方式 直流供电 交流供电 三、磁路部分图5-5-6产生梯度磁场霍尔片沿x方向移动时，若控制电流I保持不变，则霍尔电势为：四、基本特性1、霍尔传感器的灵敏度和线性度主要取决于磁路系统和霍尔元件的特性。2、提高磁场的磁感应强度B和增大激励电流I，也可获得较大的霍尔电势。但I的增大受到元件发热的限制。、 霍尔传感器动态性能好。5.5.4测量误差及补偿办法（1）恒流源供电和输入回路并联电阻（2）采用恒压源和输入回路串联电阻（3）合理选取负载电阻RL的阻值(4)采用温度补偿元件()不等位电压U0的温度补偿第6章 数字式传感器二、莫尔条纹的形成与特点1、莫尔条纹的形成 主光栅与指示光栅的栅线之间保

22、持很小的夹角，在近乎垂直栅线的方向上出现了明暗相间的条纹莫尔条纹。莫尔条纹之间距远大于光栅栅距W2、莫尔条纹的主要特性：(1) 移动方向： 主光栅右移，则莫尔条纹向下移；主光栅左移，则莫尔条纹向上移。(2) 移动距离：主光栅移动一个栅距W，莫尔条纹移动一个条纹间距H。莫尔条纹具有放大作用，即HW。 (3)平均效应：莫尔条纹具有减小光栅栅距局部误差的作用 三、光电转换电压与光栅位移的关系 主光栅移动一个栅距W，光电转换电压变化一个周期 第7章 新型传感器7.1 光纤传感器7.1.2光纤传感器的基本原理和类型一、光纤传感器的基本原理被测量对光纤传输的光进行调制，使传输光的强度(振幅)、相位、频率或

23、偏振态随被测量变化而变化，再通过对被调制过的光信号进行检测和解调，从而获得被测参数。二、光纤传感器的分类及作用功能型光纤用作敏感元件，常用单模光纤非功能型光纤用作传感元件，常用多模光纤光电磁效应：光生载流子的扩散运动在磁场作用下产生偏转的一种物理效应。7.3.2红外探测器的类型一、光敏红外探测器1、电真空器件(光电管、光电倍增管)，2、半导体器件二、热敏红外探测器一、热释电效应当一些晶体受热时，在晶体两端将会产生数量相等而符号相反的电荷，这种由于热变化而产生的电极化现象、称为热释电效应。能产生热释电效应的晶体称为热释电体。7.4超声波与核辐射传感器7.4.1超声波传感器1、 超声波的定义： 振

24、动在弹性介质中的传播称为波动，简称波。高于2Hz的机械波称为超声波。2、 超声波与声波的异同：相同点：传播速度也取决于介质的密度和介质的弹性常数 在两介质的分界面上将发生反射和折射及波型转换 不同点：振动频率高而波长短，因而具有束射特性，方向性强，可以定向传播。 能量远远大于振幅相同的一般声波，并具有很高的穿透能力。二、超声波传感器。产生超声波和接收超声波的装置，习惯上称为超声波换能器或超声波探头。超声波探头按其工作原理可分为1、压电式2、磁致伸缩式3、电磁式3、工作原理：逆压电效应将高频电振动转换成机械振动，以产生超声波。正压电效应将接收的超声振动转换成电信号。三、超声检测方法1、 透射法用

25、两个探头，分别置于被测对象的相对两侧，一个发射超声波，一个接收超声波。2、 反射法 通常采用一个超声波探头，兼做超声波发射和接收用。3、 频率法 是利用超声波测量流速时采用的方法二、核辐射传感器主要由放射源和探测器组成。1、放射源 要求：采用的同位素有较长的半衰期及合适的放射强度 应使射线从测量方向射出，而其它方向则必须使射线的剂量尽可能小。 2、探测器3、核辐射的防护在实际工作中要采取各种措施来减小射线的照射强度和照射时间。第九章 机械量电测法9.1 转速的电测法9.1.1模拟式电测法一、测速发电机把转速转换成电压 有直流式和交流式9.1.2计数式电测法一、转速传感器将转速转换成脉冲频率第1

26、0章 热工量电测法10.1 压力和差压的电测法10.1.1 压力的概念、单位和测量方法一、压力的概念和术语压力流体介质作用于单位面积的力压力术语间的关系图10-1-11、绝压Pa是相对于绝对真空(绝对零压力)所测得的压力 2、表压Pg 大气压力3、负压Pv真空度V低于大气压力的绝对压力4、差压Pd两个压力之间的差值二、压力单位 三、压力测量方法1、压力平衡法(1) 砝码压力平衡式活塞式压力计(2) 液体压力平衡式液柱式压力计2、弹性变形法弹性式压力（应用最普遍）3、电测法(1)直接法，如压电式压力传感器压阻式、压力传感器。 (2)间接法-以压力敏感型弹性元件作为敏感器配接传感器，10.1.2压

27、力敏感器压力敏感器是能够将压力转换为应变和位移的弹性敏感元件一、弹簧管 图101-2 弯曲成C形的空心扁管，一端与接头相连，另一端(自由端)密封二、波纹管 图101-3 带同心环状波形皱纹的薄壁圆管，一端开口，另一端封闭三、膜片 用金属或非金属制成的圆形薄片。平膜片断面是平的 图101-4（a）波纹膜片断面呈波纹状 图101-4（b）四、膜盒：两个膜片边缘对焊起来，构成膜盒(图10-1-4c)。几个膜盒连接起来，组成膜合组(图10-1-4d) 五、薄臂圆筒 图101-5 壁厚一般都小于圆筒直径的1/20，圆筒的一端开口，一端不通， 筒壁在圆周方向和轴向上的应变均与压力P成正比。10.1.3压力

28、的电测法一、应变式压力传感器共同点：将应变片粘贴到压力敏感型弹性元件上，由弹性元件或弹性元件组合将压力转换为应变，再由应变电桥将应变转换为电压输出。1、膜片式压力传感器 图101-62、筒式压力传感器 图101-73、组合式压力传感器 图101-8二、位移式压力传感器 共同点：将位移传感器的可动部分与压力敏感型弹性元件的自由端连在一起，将压力转换为位移，再由位移传感器将位移转换为电量，1、 电容式压力传感器 图101-9 2、 电感式压力传感器 图101-103、 电位器式压力传感器 图101-11 4、 霍尔式压力传感器 图101-125、光电式压力传感器 图101-13 三、谐振式压力传感

29、器振弦式 图101-14、 振弦式压力传感器 图101-14、 振膜式压力传感器 图6-3-9、 振筒式压力传感器 图6-3-6四、压阻式压力传感器图101-15 硅膜片上做四个相等的电阻，经蒸镀铝电极及连线，接成惠斯登电桥。五、压电式压力传感器图101-16 薄壁筒底承受外部压力为 压电晶片组所受力F1与外部压力F之比为10.1.4差压电测法一、差压敏感器把差压传换为应变或位移测量膜片应变或中心点位移与测量膜片两侧压力差成正比二、电容式（位移式）差压传感器 图10-1-17公共动极板将两侧压力差转换成位移，使两电容差动变化与压差成正比。 10.2温度电测法10.2.1温度的概念、单位和测量方

30、法一、温度的概念 温度是表征物体冷热程度的一种物理量，是物体内部分子无规则运动剧烈程度的标志。 三、温度测量方法、 接触式温度传感器与被测物体发生接触 热对流、热传导、 非接触式温度传感器与被测物体不发生接触 热辐射10.2.2接触式测温法一、将温度转换为非电量温度敏感器1、热膨胀式将温度转换成位移 液体膨胀式 酒精温度计、水银温度计 固体膨胀式热敏双金属元件 图1021 自由端的弯曲挠度2、压力式将温度转换为压力二、将温度转换为电量温度传感器1热电阻和热敏电阻2热电偶3半导体PN结4集成温度传感器：电流型、电压型、数字型10.2.3温度和温度差的电测法一、单点温度的电测法、采用热电阻或热敏电

31、阻图10-2-2 RP用于调满度，Ro用于调零图10-2-3 RP8为满度调整电阻图10-2-4是三线连接法，消除连接导线电阻造成的测量误差。图10-2-5是四线连接法，消除连接导线电阻和电位器接触电阻造成的测量误差。 2、采用热电偶 图5-3-7 采用单只热电偶 图10-2-6 采用多只热电偶串联，可提高灵敏度，减小相对误差 、采用二极管、三极管和集成温度传感器1） 采用二极管、三极管 图7-5-52） 采用集成温度传感器 图10-2-7 RP1用于调零，RP2用于调满度。 二、平均温度的电测法、 采用集成温度传感器 图10-2-8 、采用热电偶 图10-2-91）采用热电偶并联 图10-2-9(a) 2）采用热电偶串联 图10-2-9(b)