传感器考试重点

1、第1章 ：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=敏感元件+转换元件敏感元件是传感器中能直接感受（或响应）被测信息（非电量）的元件转换元件则是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传感器的共性：利用物理定律或物质的物理、化学、生物等特性，将非电量转换成电量传感器的分类如下：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、电感式、压电式、热电式传

2、感器等 按传感器的能量变换关系进行分类：有源（能量控制型）、无源（能量变换型）第2章 ：传感器的基本特性：传感器的输入输出关系特性，是传感器内部结构参数作用关系的外部表现。不同的传感器有不同的内部结构参数，这些内部结构参数决定了他们具有不同的外部特性。输入信号分为：稳态、动态对应传感器特性：静态特性、动态特性传感器的静态特性：在稳态信号作用下的输入输出关系。输入输出关系式不含有时间变量。一个高精度的传感器必须要有良好的静态特性和动态特性，从而确保信号（或能量）的无失真转换，使检测结果反应被测量的原始特征。衡量传感器的静态特性的主要指标：线性度,灵敏度,分辨率,迟滞,重复性,漂移。线性度：传感器

3、的输入、输出间成线性关系的程度。传感器的理想输入输出特性应是线性的，实际是具有一定的非线性特征，因此需要传感器非线性特性的“线性化”。非线性特性的线性化处理：所采用的直线为拟合直线。P13 上半部分。（2-1）非线性误差：非线性误差（线性度指标）：最大非线性绝对误差：输出满量程灵敏度：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 Sn=输出量的变化/输入量的变化=dy/dx。对于线性传感器，他的灵敏度就是他的静态特性的斜率。非线性传感器的灵敏度为一变量。灵敏度实质上是放大倍数，传感器对输入变量微小变化的敏感程度。灵敏度越高，系统的稳定性越差。分辨率：指传感器能够感知或检测到的最小输入信号

4、增量。分辨率可以用绝对值或与满量程的百分比来表示。迟滞：也叫回程误差。在相同测量条件下，对应于同一大小的输入信号，传感器正（输入量由小到大）、反（输入量由大到小）行程的输出信号大小不相等的现象。产生迟滞原因：产生原因：传感器机械部分存在摩擦、间隙、松动、积尘等迟滞= p14(2-3)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p14(2-4)漂移：传感器在输入量不变的情况下，输出量随时间变化的现象。漂移将影响传感器稳定性。产生漂移的原因：1.传感器自身结构参数老化，如：零漂2.测试过程中环境发生变化：如温漂。传感器的动态特性：是指传感器对动态激励（输入）的响

5、应（输出）特性，即其输出对随时间变化的输入量的响应特性。一个动态特性好的传感器，其输出随时间变化的规律（输出变化曲线），将能再现输入随时间变化的规律（输入变化曲线），即具有相同的时间函数 。动态误差：实际上由于传感器的敏感材料对不同的变化会表现出一定的惯性（如：温度测量中的热惯性）。因此输出信号与输入信号不具有完全相同的时间函数，这种输入与输出之间产生的差异叫做动态误差，动态误差反应的是惯性延迟所引起的附加误差。传感器的动态特性分析：时域（瞬态响应法）+频域（频率响应法）。时域输入信号为阶跃信号，频域输入信号为正弦信号。动态特性指标:1.与阶跃响应有关的指标2.与频率响应特性有关的指标时域动态

6、特性：延迟时间，上升时间，响应时间，超调量频域动态特性：幅频特性，相频特性P15 参数讲解传感器的标定：是利用某种标准仪器对新研制或生产的传感器进行技术检定和标度；它是通过实验建立传感器输入量与输出量间的关系，并确定出不同使用条件下的误差关系或测量精度。传感器的校准：是指对使用或储存一段时间后的传感器性能进行再次测试和校正，校准的方法和要求与标定相同。传感器的标定：静态标定+动态标定传感器的静态标定：是在输入信号不随时间变化的静态标准（静态标准是指没有加速度、没有振动、没有冲击（如果它们本身是被测量除外）及环境温度一般为室温（20±5），相对湿度不大于85%，大气压力为7kPa的情形

7、）条件下确定传感器的静态特性指标，如线性度、灵敏度、迟滞、重复性等。传感器的动态标定：主要是研究传感器的动态响应特性。常用的标准激励信号源是正弦信号和阶跃信号。根据传感器的动态特性指标，传感器的动态标定主要涉及到一阶传感器的时间常数，二阶传感器的固有角频率和阻尼系数等参数的确定。第3章 ：电阻式传感器的基本工作原理:将被测量的变化转化为传感器电阻值的变化，再经一定的测量电路实现对测量结果的输出。应变：物体在外部压力或拉力作用下发生形变的现象弹性应变：当外力去除后，物体能够完全恢复其尺寸和形状的应变弹性元件：具有弹性应变特性的物体应变式传感器：是利用电阻应变片将应变转换为电阻变化的传感器工作原理

8、：当被测物理量作用于弹性元件上，弹性元件在力、力矩或压力等的作用下发生变形，产生相应的应变或位移，然后传递给与之相连的应变片，引起应变片的电阻值变化，通过测量电路变成电量输出。输出的电量大小反映被测量的大小。结构：应变式传感器由弹性元件上粘贴电阻应变片构成应用：广泛用于力、力矩、压力、加速度、重量等参数的测量电阻应变片的工作原理是基于应变效应应变效应：导体或半导体材料在外界力的作用下产生机械变形时，其电阻值相应发生变化电阻丝的灵敏系数（物理意义）：单位应变所引起的电阻相对变化量。常用的电阻应变片有两种：1.金属电阻应变片（应变效应为主，工作原理：基于应变效应导致其材料几何尺寸发生变化）2.半导

9、体应变片（压阻效应为主，工作原理：基于压阻效应导致其电阻率发生变化的现象）。应变片的温度误差：环境温度的改变而给测量带来的附加误差。 产生电阻应变片的温度误差主要因素有：1.电阻温度系数的影响2.试件材料和电阻丝材料的线膨胀系数的影响。电阻应变片的温度补偿方法通常有线路补偿和应变片自补偿两大类。电桥补偿是最常用且效果较好的电阻片温度误差补偿方法。 电桥补偿工作原理：g为由桥臂电阻和电源电压决定的常数。当R3和R4为常数时，R1和R2对电桥输出电压Uo的作用方向相反。 利用这一基本关系可实现对温度的补偿。测量方法：1. 当被测试件不承受应变时：R1和R2又处于同一环境温度为t的温度场中，调整电桥

10、参数使之达到平衡。工程上，一般按R1 = R2 = R3 = R4 选取桥臂电阻。温度补偿的实现：当温度升高或降低t=t-t0时，两个应变片因温度而引起的电阻变化量相等，电桥仍处于平衡状态，2. 被测试件有应变的作用：被测试件有应变的作用，则工作应变片电阻R1又有新的增量，而补偿片因不承受应变，故不产生新的增量。可见,电桥的输出电压Uo仅与被测试件的应变有关，而与环境温度无关。注意补偿条件： 在应变片工作过程中，保证R3=R4。 R1和R2两个应变片应具有相同的电阻温度系数、线膨胀系数、应变灵敏度系数K和初始电阻值R0。 粘贴补偿片的补偿块材料和粘贴工作片的被测试件材料必须一样，两者线膨胀系数

11、相同。 两应变片应处于同一温度场。测量电路：通常采用直流电桥或交流电桥。（计算题：自己看书）直流电桥：1.平衡条件：当RL时，电桥输出电压为：当电桥平衡时，Uo=0，则有：电桥平衡条件：欲使电桥平衡， 其相邻两臂电阻的比值应相等， 或相对两臂电阻的乘积应相等。应变片能将应变直接转换成电阻的变化其他物理量（力、压力、加速度等），需先将这些量转换成应变弹性元件应变式传感器的组成：弹性元件、应变片、附件（补偿元件、保护罩等）；应用：电阻式力传感器，电阻式压力传感器，电阻式液体重量传感器。第4章 ：电感式传感器的工作基础：电磁感应概念：即利用线圈电感或互感的改变来实现非电量测量优点：1.工作可靠、寿命

12、长2.灵敏度高，分辨力高3.精度高、线性好4.性能稳定、重复性好根据工作原理分为：变磁阻式、变压器式、涡流式.变磁阻式传感器（工作原理）：变磁阻式传感器由线圈、铁芯和衔铁三部分组成。铁芯和衔铁由导磁材料制成。在铁芯和衔铁之间有气隙，传感器的运动部分与衔铁相连。当衔铁移动时，气隙厚度发生改变，引起磁路中磁阻变化，从而导致电感线圈的电感值变化，因此只要能测出这种电感量的变化，就能确定衔铁位移量的大小和方向。当线圈匝数W为常数时，电感L仅仅是磁路中磁阻Rm的函数，改变或A0均可导致电感变化，因此变磁阻式传感器又可分为变气隙厚度的传感器和变气隙面积A0的传感器。目前使用最广泛的是变气隙厚度式电感传感器

13、。变磁阻式传感器的应用：变隙电感式压力传感器，变隙式差动电感压力传感器 螺线管式差动变压器（工作原理）：两个次级线圈反相串联，并且在忽略铁损、导磁体磁阻和线圈分布电容的理想条件下, 其等效电路。 当初级绕组加以激励电压U时, 根据变压器的工作原理,在两个次级绕组W2a和W2b中便会产生感应电势E2a和E2b。 如果工艺上保证变压器结构完全对称,则当活动衔铁处于初始平衡位置时, 必然会使两互感系数M1=M2。根据电磁感应原理, 将有E2a=E2b。由于变压器两次级绕组反相串联, 因而Uo=E2a-E2b=0, 即差动变压器输出电压为零。零点残余电压：差动变压器在零位移时的输出电压差动变压器式传感

14、器的应用：微压传感器。电涡流式传感器（工作原理）：根据法拉第定律，当传感器线圈通以正弦交变电流I1时，线圈周围空间必然产生正弦交变磁场H1，使置于此磁场中的金属导体中感应电涡流I2，I2又产生新的交变磁场H2。根据愣次定律， H2的作用将反抗原磁场H1，由于磁场H2的作用，涡流要消耗一部分能量，导致传感器线圈的等效阻抗发生变化。线圈阻抗的变化完全取决于被测金属导体的电涡流效应。电涡流式传感器的应用：1、位移测量2、振幅测量3、转速测量4、无损探伤第五章电容式传感器的（工作原理）：P59 （参数含义)保持其中两个参数不变，而只变其中一个参数，把该参数的变化转换成电容量的变化，通过测量电路转换为电

15、量输出。电容式传感器利用了将非电量的变化转换为电容量的变化来实现对物理量的测量。电容式传感器特点：1.结构简单、体积小、分辨率高；2.可实现非接触式测量；3.动态响应好；4.能在高温、辐射和强振动等恶劣条件下工作；5.电容量小，功率小，输出阻抗高，负载能力差，易受外界干扰产生不稳定现象。电容式传感器可分为三种：1.变极板间距离的变极距型2.改变极板面积的变面积型3.改变介质介电常数的变介质型 变极距型电容式传感器：电容增大量：电容极板间距缩小量 推论出：与近似成线性关系变极距型传感器可解决击穿问题：云母的相对介电常数约为空气的7倍，其击穿电压远高于空气，在这种情况下，极板间距可大大减小。一般极

16、板间距在25200um范围内，而最大位移应小于间距的十分之一，因此这种电容式传感器主要用于微位移测量。解决变极距型传感器的非线性问题：采用差动结构（使得两个电容器的电容量一个增加，另一个减小，这就是差动含义）未采用差动结构前：灵敏度：单位输入位移所引起的输出电容量变化与成反比关系 非线性误差：采用差动结构后：灵敏度得到一倍的改善：非线性误差转换为二次关系而得以大大降低：变压式交流电桥：电容式传感器所用的变压式交流电桥测量电路为差动电容式传感器电桥输出电压：得出结论：在放大器输入阻抗极大的情况下，输出电压与位移成线性关系二极管双T型交流电桥：（c1和c2为传感器的两个差动电容）a:双T型电桥连接

17、 b:方波电源 c:正半周 d:负半周1. 当传感器没有输入时（ C1C2）：电流，且方向相反，一个周期内流过负载（）的平均电流为02. 当传感器有输入时，（C1！C2）：电流,F:电源频率脉冲宽度调制电路：1. 变极距型：（采用差动电容）：与为线性关系2. 变面积型：与为线性关系结论：差动脉冲宽度调制电路适用于变极板距离和变面积式差动电容传感器，且为线性特性。电容式传感器的应用：1.电容式压力传感器2.电容式位移传感器3.电容式加速度传感器4.电容式厚度传感器第8章 ：1. 热电偶测温原理热电效应：两种不同材料的导体（或半导体）组成一个闭合回路，当两接点温度T和T0不同时，则在该回路中就会产

18、生电动势的现象。热电动势:通过热电效应形成的电动势（热电动势来源两方面：1.两种导体的接触电动势2.单一导体的温差电动势）热电偶：两种不同导体的组合热电极：A,B两导体为热电极热端（测量端或工作端，测温时置于被测温度场中）、冷端（参考端或自由端，一般要求他恒定在某一温度）热电偶基本定律（4种）1中间导体定律：在热电偶测温回路内，接入第三种导体时，只要第三种导体的两端温度相同，则对回路的总热电势没有影响。应用：利用热电偶进行测温，必须在回路中引入连接导线和仪表，接入导线和仪表后不会影响回路中的热电势。测量仪表及引线作为第三种导体的热电偶回路。2. 中间温度定律：在热电偶测温回路中，为热电极上某一

19、点的温度，热电偶AB在接点温度为t、时的热电势等于热电偶AB在接点温度t、和、时的热电势和的代数和，即=+应用：如果热电偶的两个电极通过连接两根导体的方式来延长，只要接入的两根导体的热电特性与被延长的两个电极的热电特性一致，且他们之间的连接的两点温度相同，则回路总的热电动势只与延长后的两端温度有关，与连接点温度无关。在实际测量中，利用热电偶这一性质，还可以对参考端温度不为的热电动势进行修正。3. 标准电极定律：如果两种导体A,B分别与第三种导体C组成的热电偶所产生的电动势已知，则有这两个导体A，B组成的热电偶产生的热电动势可确定为：应用：由于铂的物理化学性稳定，通常选用高纯铂丝作标准电极，只要

20、测得它与各种金属组成的热电偶的热电动势，则各种金属间相互组合成热电偶的热电动势就可根据标准电极定律计算出来。 4. 均值导体定律：如果组成热电偶的两个热电极材料相同，无论两接点的温度是否相同，热电偶回路中的总热电动势均为0.应用（意义）：有助于检验两个热电极材料成分是否相同及材料的均匀性。热电偶为什么需要冷端温度补偿：由热电偶的测温原理可知，热电偶产生的热电动势大小与两端温度有关，热电偶的输出电动势只在冷端温度不变的条件下，才与工作端温度形成单值函数关系，实际应用中，由于热电偶的冷端离工作端很近，且又处于大气中，其温度受到测量对象和周围环境温度波动的影响，因而冷端温度难以保持恒定，这样会带来误

21、差，所以需要进行冷端补偿。冷端补偿的四种方法：1. 热电偶补偿导线 ：P111 图8-9看一眼热电偶一般做得较短， 一般为3502000mm。在实际测温时，需要把热电偶输出的电势信号传输到远离现场数十米远的控制室里的显示仪表或控制仪表，这样, 冷端温度t0比较稳定。工程中采用一种补偿导线。在0100温度范围内，要求补偿导线和所配热电偶具有相同的热电特性。2. 冷端恒温法：p111 图8-10看一眼在实验室及精密测量中，通常把冷端放入0恒温器或装满冰水混合物的容器中，以便冷端温度保持0。 这是一种理想的补偿方法，但工业中使用极为不便3. 冷端温度校正法：参数含义见P112如果热电偶的冷端温度偏离

22、，但稳定在，则按中间温度定律对仪表值进行修正。显示仪表为被测量的实际温度值。存在不足是不适合连续测量温度。4. 自动补偿法：自动补偿法也称电桥补偿法，它是在热电偶与仪表间加上一个补偿电桥，当热电偶冷端温度升高，导致回路总电动势降低时，这个电桥感受到自由端温度的变化，产生一个电位差，其数值刚好与热电偶降低的电动势相同，两者相互补偿。这样，测量仪表上所测的电动势将不随自由端温度变化，自动补偿法解决了冷端温度校正法不适合连续测温的问题热电偶的测温电路（3种）1. 测量单点的温度：2. 测量两点间温度差（反极性串联(a接a，b接b)）仪表值为温度差值。为了提高测量精度，减小误差，热电偶的冷端温度应相同

23、（）：参考端温度，:测量工作端：中间温度解释见p1143. 测量多点的平均温度（同极性并联或串联）1>热电偶的并联：将多支型号热电偶的正极和负极分别连在一起的电路称为热电偶的并联优点：它也不会中断整个测温系统的工作。缺点：当有一只热电偶烧断时，难以觉察出来。2>热电偶的串联：将多支型号热电偶的正极和负极依次连接形成的电路称为热电偶的串联优点：热电动势大，仪表的灵敏度大大增加，且避免了热电偶并联线路存在的缺点，可立即可以发现有断路。缺点：只要有一支热电偶断路，整个测温系统将停止工作。第9章 ：光电式传感器（或称光敏传感器）：是利用光电器件把光信号转换成电信号（电压、电流、电阻等）的装

24、置。光电式传感器可以用来测量光学量或已转化为光学量的其他被测量，输出电信号。测量光学时：光电器件作为敏感元件使用；测量其他物理量时:作为转换元件使用；光电式传感器（类别）按工作原理分：1. 光电效应传感器：是应用光敏材料的光电效应制成的光敏器件2. 红外热释电探测器：主要是利用辐射的红外光（热）照射材料时引起材料电学性质发生变化或产生热电动势原理制成的一类器件。3. 固体图像传感器：结构上分为两大类，一类是用CCD电荷耦合器件的光电转换和电荷转移功能制成CCD图像传感器，一类是用光敏二极管与MOS晶体管构成的将光信号变成电荷或电流信号的MOS金属氧化物半导体图像传感器。4. 光纤传感器：它利用

25、发光管（LED）或激光管（LD）发射的光，经光纤传输到被检测对象，被检测信号调制后，光沿着光导纤维反射或送到光接收器，经接收解调后变成电信号。光电效应：当光照射在某些物体上时，光能量作用于被测物体而释放出电子，即物体吸收具有一定能量的光子后所产生的效应光电式传感器特点：1>光电式传感器具有结构简单、响应速度快、高精度、高分辨率、高可靠性、抗干扰能力强（不受电磁辐射影响，本身也不辐射电磁波）、可实现非接触式测量等特点2>可以直接检测光信号，间接测量温度、压力、位移、速度、加速度等3>其发展速度快、应用范围广，具有很大的应用潜力光电式传感器=光路+电路（光路：实现被测信号对光量的

26、控制和调制；电路：完成从光信号到电信号的转换）按测量光路组成分为（光电式传感器基本形式）：1>透射式光电传感器2>反射式光电传感器3>辐射式光电传感器4>开关式光电传感器p126 图9-1看一下长什么样子常用的光电转换元器件：真空电管，充气光电管，光电倍增管，光敏电阻，光电池，光敏二级管及光敏晶体管作用：检测照射其上的光通量光电器件是将光能转变为电能的一种传感器件。是构成光电式传感器的主要部件。光电器件工件的物理基础：光电效应。光电效应分为：内光电效应、外光电效应外光电效应：当光照射到金属或金属氧化物的光电材料上时，光子的能量传给光电材料表面的电子，如果入射到表面的光能

27、使电子获得足够的能量，电子会克服正离子对它的吸引力，脱离材料表面而进入外界空间，即外光电效应是在光线作用下，电子逸出物体表面的现象。根据外光电效应做出的光电器件：光电管和光电倍增管。光电器件的主要性能：伏安特性，光照特性，光谱特性，响应时间，峰值探测率和温度特性光电器件的性能：（以光电管为例）1>伏安特性：在一定的光照下，对光电器件的阴极所加电压与阳极所产生的电流之间的关系称为光电管的伏安特性2>光照特性：当光电管的阳极和阴极之间所加电压一定时，光通量和光电流之间的关系为光电管的光照特性。3>光谱特性：不同光阴极材料的光电管，对同一波长的光有不同的灵敏度；同一种阴极材料的光电管对于不同波长的光的灵敏度也不同，这就是光电管的光谱特性。内光电效应