传感器与检测技术串讲讲义

1、传感器与检测技术串讲讲义课程介绍一、课程的设置、性质及特点传感器与检测技术课程，是全国高等教育自学考试机电一体化专业必考的一门专业课。本课程的学 习目的在于使学生掌握常用传感器的基本原理及其特性、 中间转换电路及与微机的接口技术、 传感检测技术、 数字显示技术等，并在此基础上掌握对动态测试及其信号的分析与处理。通过本课程的学习为后续专业课学 习和今后从事检测技术领域奠定基础。本课程的性质及特点： 1传感器与检测技术是一门专业课，与电气工程、自动化、电子信息工程、电子信息科学与技术、 计算机以及供电技术等专业密切相关。2本课程首先学习常用传感器的结构、工作原理及其特性，其次学习由其构成的检测电路

2、，最后要掌 握对传感器信号的分析与处理方法。二、教材的选用本课程所选用教材是全国高等教育自学考试指定教材，该书由张建民主编，机械工业出版社出版（ 2000 版）。三、章节体系第一章 概述第二章 位移检测传感器第三章 力、扭矩和压力传感器第四章 速度、加速度传感器第五章 视觉、触觉传感器第六章 温度传感器第七章 气敏、湿度、水份传感器第八章 传感检测系统的构成第九章 信号分析及其在测试中的应用第十章 传感器在机电一体化系统中的应用 注：其中，第十章的内容，考试大纲未作要求。考情分析、历年真题的分布情况一）知识点分布从知识点分布来看，本课程试题覆盖了教材九章的全部内容。单项选择题和填空题覆盖面最广

3、，基本上 每章都能涉及。问答题主要是考查学生掌握基本概念、基本原理的能力。问答题分布基本上能够覆盖 6 章的 内容。计算题其分布在第 3、4、6、8、9 章，能够覆盖 5章的内容。应用题知识点的分布基本与计算题不重 复，即一章中一般不会同时考计算题和应用题两种。这样的话，计算和应用题加起来的分布就很广。从整体 来看，教材 9 章内容知识点分布不均匀，重点章节主要是第 2 章，第 3 章，第 4 章，第 6 章，第 7 章，第 8 章，第 9 章。第 1 章是知识点考查最少的章节，并且主要是以选择题的形式出现。结论： 在全面阅读教材的基础上， 掌握重点章节内容， 着重掌握传感器的基本概念、 基本

4、原理及其特性、 掌握构成检测系统的各环节的工作原理及其性能分析、计算方法等。（二）试题难度对于重点知识每年都会重复出现，只是以不同的形式，或者考查不同的内容。这一点大家要特别注意， 不要以为以前考过的知识点就不会再考。虽然每年均有偏题出现，一般是属于课程涉及的较细的内容，但所 占比例较低，属于正常情况。总体而言，试题较难。、历年真题结构分析及答题技巧2009 年题型（一）单项选择题（12题X 2分=24分）第一章 3 题：（ 2009 ：1 23）例： 2下列指标中，属于传感器动态特性指标的是（）A 灵敏度B 线性度C 过载能力D 幅频特性第二章 1 题：（2008：6）例： 6下列线位移传感

5、器中，测量范围大的类型（）A 自感式B 差动变压器式C 电涡流式D 变极距型电容式第三、四、五、六章各 1题：（2008 : 4. 5. 7. 8）例： 5 下列测力传感器的类型中，属于发电型的是（）A .电感型C .压磁型B .电容型D .应变型第八章 3题：（2008:9. 10 . 11）例：11.由RC网络与集成运算放大器组成的带通滤波器需要的电容元件的个数至少为（C . 3D . 4第九章1题：（2008:12）例：12.信号的方差小，表示信号的（）A .波动范围小B .波动范围大C.平均功率小D.平均功率大结论：通过掌握书中的基本概念和教师提醒的易考点，解决此部分考题。（二）填空题

6、（12题X 1分=12分）涵盖的是每一章的基本概念、基本原理，只是与上面的选择题出题形式不同，因此要牢固掌握之。13.传感器的响应特性应在所测频率范围内保持 。15线绕式电位计的阶梯特性限制了其分辨力和 。24. 对于非确定性信号，只能用 方法来描述它的规律。结论：答题能否正确，关键还是对课程内容和基本概念的把握程度。对教材中基本知识点把握，将教师提示的易考点掌握即可解决此类题型。（三）问答题（6题X 4 = 24分）问答题，更侧重于考察每一章所讲述的物理效应、基本原理及其特点、技术指标等。26.简述应变式加速度传感器的工作原理。28.简述金属铂热电阻的测温特点。30.在设计计算机数据采集系统

7、时，选择模/数转换器应考虑的主要技术指标是什么？结论：不要止步于听明白的阶段，还要善于理解情况下的归纳。（四）计算题（3题X 8分=24分）要求学生能够运用所学知识点，分析、解决简单的应用问题，如，简单计算、绘制简单波形图等。33试计算信号 x（t） x°sin（ t ）和y（t） y°sin（ t）的互相关函数xy（），并画出其图形。结论：熟练掌握教师特别要求的有关测温度、测位移及相关函数计算等例题，并多做相关练习题。（五）应用题（本大题共2小题，每小题8分，共16分）要求学生能够运用所学多个知识点，分析、解决一般应用问题，如，较复杂的计算等。34. 图示为函数的时域图，

8、求其频谱，并绘制其幅值谱图。35. 试画出包括压电式加速度传感器和电荷放大器等组成的测振系统原理框图，并说明采用电荷放大器的特点。结论：熟练掌握各知识点的综合应用，将教师提示的基本要点掌握。三、学习方法（一）本课程的学习方法1. 必须保证已经全部学习完教材内容。考生要以考试大纲和教材作为学习的依据，掌握教材的知识点，从历 年命题特点看，抓住教材是根本。2. 考生手中至少有一本与教材相配套的辅导练习，每学完一章内容后，做辅导书的本章的练习题；学完全部 内容后再做模拟题。做题是为了有助于理解和记忆教材的知识点，检查自己对知识的掌握情况，同时分析出 题的思路，所以做完题要注意分析总结，自我评价是否达

9、到了做题的目的。3. 将做错的试题重点划出来，认真查找错误原因所在。4. 认真钻研解题技巧，要认真领会，揣摩并加以熟练掌握。（二）总复习技巧 学完本课程后，进入复习阶段，一般说来至少要留出一个月的总复习时间。在总复习期间，考生应注意：1. 树立考试成功的信心，不打 “退堂鼓”；每年都会有一部分考生在听完辅导或自学完教材后， 进入复习阶段时感到心中没底， 加之时间紧， 就放弃了， 很可惜。所以，进入复习阶段，考生应多给自己鼓鼓劲，树立 “我能行” 的信心。2. 制定详细的复习计划，按部就班地复习，提高效率； 在复习时更应注意经常翻阅和回忆教材内容，强化记忆；分析整理知识点、出题点、出题角度、解题

10、方法等； 做模拟题和考试真题，熟悉考点以及出题思路，熟练、巩固和检验所学知识，把握教材中的要点。3. 注意概括总结，浓缩所学知识； 在复习阶段，要善于概括总结，提炼要点，以便记忆。（三）考试过程中的注意事项1. 排除一切思想杂念，一心一意答题。2. 拿到试卷后，迅速浏览试卷。同时要快速浏览考题和相应的分值，按难易程度确定做题的顺序，首先做最 熟悉的题目和内容；主观题中如有得心应手题，应先做，然后再按顺序答题，遇到一时难答的题果断跳过， 答后面的题，以防在某道题上耽搁时间，影响后面的答题。3. 答完卷后别忘记重新考虑最初没确定答案的那些题，另外要至少全部检查一遍看有没有因疏忽而出错的地 方。4.

11、 不要盲目提前交卷，在确保没有漏题的情况下经过两遍检查方可交卷。内容串讲第一章 概述第一节机电一体化系统常用传感器常见考点：1、传感器的组成；2、传感器的分类；3、传感器的特性一、传感器的组成【知识点】的器件或装置。1、传感器一是能够感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信（简记为：一感、二传）2、传感器的组成1、传感器的组成部分中，直接感受被测物理量的是（）。处理）A .转换元件B .敏感元件C.转换电路D .放大元件【答案】 B【解析】该题考查组成传感器每一部分的作用。二、传感器的分类【知识点】1、按被测量对象分类；2、按工作机理分类；（1）物性型：如压电式、光电式传感器（2）结构型

12、：如电感式、电容式、光栅式传感器。3、按被测物理量分类；如：位移传感器、温度传感器；4、按传感器能量源分类；（ 1）无源型（又称能量转换型） ；如压电式、热电式、光电式传感器（ 2）有源型（又称能量控制型） ：如电阻式、电容式、电感式等传感器5、按输出信号的性质分类；（1）开关型（二值型 1 或 0）：如行程开关、接近开关等（2）模拟型：其输出为随时间作连续变化的电量。（3）数字型：其输出为一串脉冲信号。 计数型 如：增量式编码盘 代码型 如：绝对值式编码器三、传感器的特性【知识点】1、传感器特性的定义：指输出与输入之间的关系；2、传感器的特性包括： （ 1）静态特性（ 2）动态特性静态特性当

13、传感器的输入量为常量或随时间作缓慢变化时， 传感器的输出与输入之间的关系称为 静态特性，简称静特性。表征传感器静特性的指标有灵敏度、线性度、重复性等 动态特性当传感器的输出量对于随时间变化的输入量的响应特性称为传感器的动态特性， 简称动 特性。在评定传感器动特性时，动态测量输入信号的形式，通常采用正弦信号和阶跃信号。历年试题 3：（ 2006.10）三、问答题25、什么是传感器的静态特性？试举出三个表征静态特性的指标？【答案】静态特性一当传感器的输入量x为常量或随时间作缓慢变化时，传感器的输出y与输入x之间的关系 y=f（x） 称为静态特性，简称静特性。表征传感器静特性的指标有灵敏度、线性度、

14、重复性等【解析】该题考查传感器静特性的定义及主要静特性指标。第二节 传感器及检测系统基本特性的评价指标传感器及检测系统基本特性的评价指标【知识点】要求掌握传感器各种评价指标的含义。具体如下：1、测量范围及量程；2、灵敏度；3、线性度；4、重复性；5、稳定性；6、动态特性；7、环境参数历年试题4: (2007.10)单选题传感器的分辨力越高，表示传感器()A.迟滞越小 B .重复性越好 C .线性度越好 D .能感知的输入变化量越小【答案】D【解析】该题考查学生对传感器基本特性的评价指标的具体含义，要深入理解。第二章位移检测传感器第一节参量型位移传感器常见考点：1、电阻式位移传感器2、电容式位移

15、传感器3、电感式位移传感器、电阻式位移传感器【知识点】1、线性电位计的结构及工作原理；2、线性电位计的优缺点。优点：结构简单、输出信号大。缺点：要求输入能量大，有干摩擦，易磨损，产生噪声;b21kR匸IT3、线性电位计的空载特性RRx -x KrX式中 电位计的电阻灵敏度电位计空载输出电压为UoUUixKuX式中 ku 电位计的电压灵敏度。历年试题5: （2006.10）问答题对于电位计式位移传感器，其后接测量仪器的输入电阻对传感器的输出特性有何影响？如何减小这个影响？【答案】由于与电位计输出端并联的负载电阻要从电位计分出一些电流，所以使传感器产生负载误差。为减少这个影响，应使负载电阻满足）和

16、瀏農的条件。R为电位计本身电阻。、电容式位移传感器【知识点】1、电容式位移传感器的三种类型，即：变极距型；变面积型和变介质型；2、变极距型位移传感器灵敏度的计算，即：当满足感販魂j时，则其灵敏度:一.-一3、容栅式位移传感器的分类及其特点；4、 容栅式位移传感器的最大电容量的计算，即：式中 n可动容栅的栅极数；a、b 分别为宽度和长度（m）历年试题6（ 2005.10）单选题若-分别为变极距型电容式传感器极板间的初始极距和极距的减小量，在该电容传感器的灵敏度近似等于（）ESES【答案】D【解析】该题考察FF L'C 酣k 。三、电感式位移传感器【知识点】变极距型位移传感器灵敏度的计算：

17、当满足小* X时，则其灵敏度1、电感式位移传感器的主要类型及其各自特点；2、 自感式位移传感器的类型及自感系数L的计算。类型：气隙式、截面型和螺管型;3、互感式位移传感器零点残余电压的概念、产生的原因。4、何谓涡流效应及其分类。第二节大位移传感器1、磁栅式位移传感器2、光栅式位移传感器3、感应同步器式位移传感器、磁栅式位移传感器【知识点】1、 磁栅式位移传感器的种类及其特点；（长磁栅和圆磁栅）2、 磁头的种类及其结构特点；（静态磁头和动态磁头）3、磁栅式位移传感器的工作原理，即磁头输出绕组输出电动势与被测位移量之间的关系。历年试题7（ 2007.10）7、磁栅式位移传感器测量位移时，其输出电动

18、势为:一 ，磁尺剩磁信号的波长=:二二，求：若阕m滋临;嘔出跖训，此时所测得的位移量 l。【答案】由题意知，已=£工肘口（31 LV，由已知条件可知：E = 10siin（100t4D.967r）Va 170.96 A由上两式比较可得，I ，所以，L= = 0.96 （mm）【解析】该题要求熟练掌握磁栅式位移传感器的工作原理。、光栅式位移传感器与感应同步器【知识点】1、 光栅式位移传感器的种类及其特点；（长光栅和圆光栅）2、光栅栅距 W与莫尔条纹间距卜”之间的关系，即：R _ 科 -W-一- =3、 感应同步器的结构与种类。（直线式和旋转式）第三章 力、扭矩和压力传感器第一节测力传感

19、器常见考点：1、电阻应变式测力传感器2、压电式力传感器3、压磁式力传感器一、电阻应变式测力传感器一一参量型测力传感器【知识点】式中k 应变片灵敏度系数三应变2、应变仪电桥工作方式和输出电压工作方式单臂双臂四臂应变片所在桥臂Ri2叫输出电压峡、压电式力传感器一一发电型测力传感器【知识点】1、压电效应与逆压电效应压电效应一一当某些晶体沿一定方向受外力作用变形时，在其相应的两个表面产生极性相 反的电荷，当外力去掉后，又恢复到不带电的状态，这种物理现象称为正压电效应。逆压电效应在某些晶体的极化方向施加外电场，晶体本身将产生机械变形，当外电场 撤去后，变形也随之消失，这种物理现象称为逆压电效应。2、压电

20、元件的连接方式及其各自特点串联的特点：传感器本身电容小，输出电压大，适合于以电压作为输出的场合。并联的特点：传感器本身电容大，输出电荷量大，时间常数大，适用于测量缓慢信号和以电荷作为输出的场合。3、前置放大器的种类及其作用（1） 种类：电压放大器和电荷放大器两种形式；（2）作用：用于放大压电元件输出的微弱信号，并把高阻抗变换为低阻抗输出。、压磁式力传感器一一发电型测力传感器【知识点】压磁效应一一在机械力的作用下，铁磁材料内部产生应力变化，是磁导率发生变化， 磁阻相应也发生变化的现象，称为压磁效应。外力是拉力，在作用力方向铁磁材料磁导率提高，垂直作用力方向磁导率降低； 作用力为压力时，则反之。历

21、年试题8（ 2007.10）单选题8 当某些晶体沿一定方向受外力作用变形时，在其相应的两个表面产生极性相反的电荷，当去掉外力后电荷消失，这种现象称为（）A .压阻效应B.压电效应C.应变效应 D.霍尔效应【答案】B【解析】熟练掌握应变、压电等各种效应的含义。常见考点:第四章 速度、加速度传感器第一节速度传感器1、测速发电机测转速2、变磁通式、霍尔式和电涡流式速度传感器*测速发电机【知识点】為1、直流测速发电机测速原理；空载时：瞎:式中 &电枢感应电动势；感应电动势与转速的比例系数;n转速有负载时右如式中喘:;*测速发电机输出电压;电枢回路总电阻；测速发电机的负载电阻历年试题9( 200

22、8.10)计算题9如图所示，某他励直流测速发电机的电枢回路总电阻一 一 J。当转速n=500 r/min，负载电阻.=誥世；时，测得输出电压咯=弭。试计算：严织(1) 电枢电流氐(2) 输出电压与转速的比例系数C ；(3) 测速发电机的感应电动势与转速的比例系数【答案】(1)=0.0S (A)(2) C=5/500=0.01(v/(r/min)XI.(3) 2 =咱弋)=0负4_芯=0.01G5(v/(；r/nnn)f感应交变电动势频率转子齿数【解析】该题考察直流测速发电机工作原理。2、交流测速发电机测速原理永磁式：一一 式中n转速p电机极对数感应式和脉冲式:、变磁通式、霍尔式和电涡流式速度传

23、感器【知识点】1、变磁通式、霍尔式和电涡流式速度传感器所测转速为2、变磁通式、霍尔式和电涡流式速度传感器所测角速度Z畑=于 frad/s）式中n被测转速（r/min ）f 传感器输出周期信号的频率訂芒Z 被测物上标记（齿）数。例题10霍尔式转速传感器输出信号频率为f = 30腿:，被测物上的标记齿数为 Z=2，求:（1）所测转速为多少？（2）角速度又是多少？【答案】（1）所测转速为： ' 一” r/minf nf71-（2 ）角速度：' 一 -. 【解析】考察对转速、角速度的计算公式是否熟练。第二节加速度传感器常见考点：1、压电式加速度传感器2、应变式加速度传感器一、压电式加速

24、度传感器 【知识点】1、压电式加速度传感器放大器特点；电压放大器：（1）输入阻抗大于1000M.：输出阻抗小于10Q；（2）连接电压放大器的电缆发生变化时，必然引起与传感器电容并联的电缆电容 发生变化，从而引起传感器输出电压灵敏度发生变化。电荷放大器：（1）输入阻抗高达-一二以上；（2） 放大器输出电压二：与输入电荷 成正比，即 : 式中。集一一反馈电容（3）电荷放大器输出电压与电缆分布电容无关，电缆长度的变化不影响电荷放大 器灵敏度的变化。2、压电式加速度传感器的灵敏度的类型电压灵敏度：加速度传感器输出电压与所承受加速度之比。电荷灵敏度：加速度传感器输出电荷与所承受加速度之比。历年试题 11

25、 （ 2007.10） 问答题11、简述电荷放大器的特点及电荷放大器与压电式传感器相连时的特点。 【答案】（ 1） 电荷放大器的特点是：增益高，输入阻抗大。（ 2 ） 与压电式传感器相连时， 其输出电压与压电元件的输出电荷成正比； 【解析】主要考察电荷放大器的特点。二、应变式加速度传感器【知识点】应变式加速度传感器的工作原理。第五章 视觉传感器第一节 视觉传感器 常见考点：1、 视觉传感器在机电一体化系统中的作用；2、视觉传感器的组成；3、光电式摄像机、固体半导体摄像机原理； 一、视觉传感器在机电一体化系统中的作用及组成 【知识点】1、视觉传感器在机电一体化系统中的作用：（1） 位置检测；（2

26、） 图像识别；（3）物体形状、尺寸缺陷的检测。2、视觉传感器的组成及各部分的作用：（1）照明部； （ 2）接收部； （ 3）光电转换部； （ 4）扫描部 二、光电式摄像机、固体半导体摄像机原理【知识点】1、 光电式摄像机原理；2、 固体半导体摄像机的组成： 他由摄像元件（ CCD ）、信号处理电路、驱动电路和电源组成。其中， MOS 型晶体管开关集成电路。第二节 人工视觉常见考点：1、人工视觉系统的硬件构成；电缆电容影响小。CCD 摄像元件是一种2、 人工视觉系统各组成部分的作用；、人工视觉系统的硬件构成人工视觉系统的硬件一般由图像输入、图像处理、图像存储和图像输出四个子系统构成。、人工视觉系

27、统各组成部分的作用1、图像输入:（1）通过视觉传感器将对象物体变为二维或三维图像；（2）通过光电变换将光信号变为电信号；（3）通过扫描采样将图像分解成许多像素；（4）把表示各个像素信息的数据输入计算机进行图像处理。2、图像处理：是在研究图像时，对获得的图像信息进行预处理（前处理） 色彩方面校正，以提高信噪比。3、图像存储：，以滤去干扰、噪声、并作几何、是把表示图像各个像素的信息送到存储器存储，以备调用。4、图像输出：（1）软拷贝：只要求瞬时知道处理结果，通常以显示终端输出；（2）硬拷贝：长时间保存结果。如，打印机、绘图仪等输出设备。第六章 温度传感器第一节热电偶式温度传感器常见考点：1、热电偶

28、的基本原理；2、热电偶的分类及其特点;一、热电偶的基本原理【知识点】1、热电效应由热电效应可知，热电动势由接触电动势和温差电动势两部分组成。接触电动势是由于两种不同导体的自由电子密度不同而在接触处形成的电动势，其值仅与材料性质和温度有关。温差电动势是在同一根导体中由于两端温度不同而产生的电动势，其值与金属的汤姆逊系数：有关。（温差电动势的大小与接触电动势相比可忽略不计。）因此，热电偶总热电动势卜=知曲&爲曲冷式中EaTJ热端（T）接触电动势鬲曲卫冷端（山）接触电动势2、中间导体定律及其意义导体a、b组成的热电偶，当引入第三个导体时，只要保持其两端温度相同，则对总热电动势无影响。利用此定

29、律，可将毫伏表接入热电偶回路中，只要保证两个结点温度一致，就能正确测出热电动势而不影响热电偶的输出。3、热电偶的冷端温度补偿为了是输出电动势能正确反映被测温度的真实值，要求参考端温度说.恒为爲但实际热电偶使用的环境不能保证；恒为【勺，因此必须对参考端温度进行补偿。常用的方法有：恒温法、温度修正法、电桥 补偿法、冷端补偿法、电位补偿法等。其中，温度修正法如下：訴=:.式中7热端温度-冷端温度-=为中间温度历年试题12（ 2004.10）计算题12.已知铂铑一铂热电偶在冷端为 :时的热电动势如下表，写出该热电偶在冷端为2丁：时的热电动势表（自 4： 丁二 二：'."）oT （陀）

30、20406080100ECT.O）血¥0.1130.2350.3640.5000.643【答案】根据:7.，有岛戎咒翅灼=打- < 二:故得冷端为21：时的热电动势表T （陀）406080100nV0.1220.2510.3870.530二、热电偶的分类及其特点热电偶按结构可分为 5种，即：普通热电偶、铠装热电偶、薄膜热电偶、并联热电偶、串联热电偶。这里重点说一下并联热电偶、串联热电偶的特点。1、并联热电偶：是把同一型号的热电偶并联在一起，各热电偶测量结处于不同温度下，测量平均温度。2、 串联热电偶：是把同一型号的热电偶串联在一起，各热电偶测量结处于同一温度下，则输出电动势是每

31、个电动势之和。第二节电阻式及半导体式温度传感器常见考点：1、金属热电阻式温度传感器；2、热敏电阻式温度传感器；3、半导体式温度传感器的工作机理。一、金属热电阻式温度传感器【知识点】1、金属热电阻式温度传感器的测温机理在金属导体两端加电压后，使其内部杂乱无章运动的自由电子形成有规律的定向运动，而使导体导电。当温度升高时，由于自由电子获得较多能量，能从定向运动中挣脱出来，从而定 向运动被削弱，导电率降低，电阻率增大。2、铂、铜金属热电阻的测温特点铂金属热电阻的特点：物理化学性能稳定、抗氧化能力强、测温精度高、测温范围宽，价格高。铜金属热电阻的特点：物理化学性能稳定、在空气中易被氧化，阻温特性近似线

32、性，价格低。历年试题12：（2008.10） 问答题简述金属铂热电阻的测温特点。【答案】物理化学性能稳定、抗氧化能力强、测温精度高、测温范围宽，价格高。【解析】考察学生对金属热电阻测温特点的理解能力。二、热敏电阻式温度传感器【知识点】1、热敏电阻的测温机理：在低温下，陶瓷半导体的电子 -空穴浓度很低，故电阻率很大。随着温度的升高，电子-空穴浓度按指数规律增加，电阻率迅速减小。其阻温特性为：式中温度为T时的电阻值（二）1；如温度为2：二时的电阻值（；.）T 热力学温度（K）B 热敏电阻常数2、热敏电阻的种类按照不同的物理特性，热敏电阻可分为：（1）正温度系数热敏电阻；（2）临界温度系数热敏电阻（

33、3）负温度系数热敏电阻三、半导体式温度传感器的工作机理【知识点】半导体式温度传感器的工作机理半导体式温度传感器以半导体P-N结的温度特性为理论基础。当P-N结的正向压降或反向压降保持不变时，正向电流和反向电流都随着温度的变化而近似于线性变化。因此，利用P-N结的这一特性，可以对温度进行测量。第七章气敏、湿度、水份传感器第一节气敏传感器常见考点:1、气敏传感器的工作机理；2、气敏传感器的特点；一、气敏传感器的工作机理【知识点】1、什么是气敏传感器？气敏传感器是一种将检测到的气体成分和浓度转换为电信号的传感器。2、气敏元件工作机理吸附效应半导瓷N型气敏电阻经过预热达到稳定状态后，当其表面有还原性气

34、体吸附时，将使 载流子增多，材料电阻率下降；而当其表面有氧化性气体吸附时，可使其载流子减少，从 而使材料的电阻率增大。根据这一特性，可以从阻值变化的情况得到吸附气体的种类和浓 度。二、气敏传感器的特点【知识点】气敏传感器都附有加热器，一般加热到200： -：:.加热器的作用：1、加热器能使附着在探测部分的雾、尘埃等烧掉；2、加速气体的吸附，从而提高器件的灵敏度和响应速度。第二节湿敏传感器常见考点：1、热敏电阻式湿敏元件；2、高分子膜湿敏元件；一、热敏电阻式湿敏元件【知识点】1、湿度的定义及其常用的两种表示方法；湿度是指大气中所含的水蒸气量。最常用的两种表示方法，即：绝对湿度和相对湿度2、湿敏元

35、件多种多样，如氯化锂湿敏元件、半导体陶瓷湿敏元件、热敏电阻湿敏元件、高分子膜湿敏元件等。其中，热敏电阻式湿敏元件是绝对湿度传感器，其他为相对湿度传感器。3、热敏电阻式湿敏元件的工作原理。给两个珠型热敏电阻通以电流，自身加热到200"左右，一个封入干燥空气中（封闭式），另一个作为湿敏元件（开启式），共同组成湿度传感器，其电桥电路构成原理如图所示。先在干燥空气中调整电桥元件，使电桥输出为零。当暴露在湿空气中时，由于相应空气中 含有水蒸气，使传感元件的电阻 扎.发生变化，从而电桥的平衡被破坏，此不平衡电压为绝度湿 度的函数。、高分子膜湿敏元件【知识点】1、高分子膜湿敏元件的特点；高分子膜湿

36、度传感器是以随高分子膜吸收或放出水份而引起电导率或电容变化测量 环境相对湿度的装置。2、电容式湿度传感器的特点设高分子膜的厚度为 d，介电系数为三，电极面积为S,则电容器的容量值 C为C=EI其中，3随气体介质和相对湿度的变化而变化，测出C,就能测得相对湿度。第八章传感检测系统的构成第一节 电桥常见考点：1、直流电桥的工作原理；2、电桥调零；一、直流电桥的工作原理【知识点】在检测技术中，电桥是经常配合传感器而使用的一种电路，其原理如图所示图中臥、珠，鳧组成电桥的四个桥臂，1%为输入电源, 输出信号为则电桥的输出电压为：U =Eg当M时，输出电压：屜为零，称电桥的这种状态为平衡状态。历年试题13

37、：（2004.10） 计算题如右图所示给出了一种测温范围为I二IT的测温电路，其中: j为感温热电阻;*.：=：,典.，工作电压E=10V ； M、N两点的电位差为输出电压。计算该测温电路的平均灵敏度。【答案】根据题中所给条件，该电路的输出特性方程为:金_10 10阳.00&£_ VE服(Kt2 二-0 DQ it.-当测温温度为們i时，所对应的输出电压为:vM3l(t= 0)On% K0当测温温度为口代时，所对应的输出电压为:UmjX= 100) =因此，该测温电路的测温平均灵敏度是S=100-0l-oICOo.ai (ve、电桥调零【知识点】电桥调零通常采用两种方法：R值

38、较大的场合;R值较小的场合。1、串联调零：微调电位器串联在桥路中，多用于桥臂参数2、并联调零：微调电位器并联在电桥输出端，多用于桥臂参数第二节调制解调与滤波器常见考点：1、调制、解调；2、无源滤波器；3、有源滤波器一、调制、解调【知识点】调制、解调的概念：1、 调制：将直流信号变换成交流信号的过程称为调制。2、解调：当直流信号被调制成交流信号后，若再将该交流信号还原成直流信号，称为解调。、无源滤波器【知识点】1、一阶RC低通滤波器，如右图所示C：O其截至角频率一° HC当這沁牲、：时，TJ）接近于1； 当心总时,T（J明显下降；因此，该电路具有低频信号容易通过并抑制高频信号的作用，故

39、称为低通滤波器。2、一阶RC高通滤波器，如右图所示3、带通滤波器其截至角频率二-当心咋时,T（J接近于1；当弱：心时，TJ）明显下降；因此，该电路具有高频信号容易通过并抑制低频信号的作用，故称为高通滤波器。带通滤波器由RLC构成，用于通过某一频段的信号，而将此频段信号以外的信号加以抑制或衰减。是衡量带通滤波器工作特性好坏的重要指标。B为带通滤波器通频带。其中心角频率_二八： 品质因数Q = 式中尊为中心频率；三、有源滤波器【知识点】1、有源滤波器的组成;有源滤波器由运算放大器和RC网络组成。(1)与无源滤波器相比，具有如下优点：有源滤波器不用电感线圈，因而在体积、重量、价格、线性等方面具有明显

40、的优(2)越性，便于集成化。由于运算放大器输入阻抗高，输出阻抗低，可以提供良好的隔离性能，并提供所需增益。(3)可以使低频截止频率达到很低范围。第三节数/模（ D/A ）和模/数（ A/D ）转换常见考点：1、数/模转换原理及数/模转换器的主要技术指标;2、模/数转换器的种类及技术指标、数/模转换原理及数/模转换器的主要技术指标【知识点】1、目前数/模转换电路用得较多的是T型电阻网络数/模转换器，以四位转换器电路为例,III如下图所示:输入:;四位二进制数，经由数求和运算放大器，最后得到模拟输出电 TRfN血c 二-3R24字寄存器、模拟开关、T型电阻网络及如果输入的是n位二进制数，则% =-

41、严匚 + 沪5 + 2°d0）2、分辨率：是指最小输出电压与最大输出电压之比。例如，八位数模转换器的分辨率问为：-2*-1历年试题14：（2006.10） 计算题14、10位T型电阻网络D/A转换器在:爲习黒的条件下，试回答以下问题：（1 ）输出电压的表达式及分辨率；（2）当输入的数字量 D=1001000001，参考电压'-r=5V时的输出电压：是多少?【答案】（1）: _ . _ ，- . _分辨率：订0门门；与誉（2） -=-二、模/数转换器的种类及技术指标【知识点】1、模/数转换器的种类：（1）逐次逼近法：转换精度高，转换速度快，目前使用较多；（2）双积分式：转换速度

42、慢，但抗干扰能力强。常用于恶劣环境。2、模/数转换器的主要技术指标（1）分辨率：以输出二进制的位数表示。位数越多，分辨率越高。电压信号为 5/ -: V=4.88mv。A/D转换器的转换时间（2）转换速度：完成一次转换所需要的时间来衡量。多数在（10"!二1打戸之间。第四节采样保持环节与传感检测信号的细分、辨向原理常见考点：1、采样保持环节；2、传感检测信号的细分、辨向原理一、采样保持环节【知识点】1、采样保持器的作用：采样期间：其输出能跟随输入的变化而变化； 保持期间：使其输出值保持不变。2、采样保持器的组成：为了是采样保持器达到一定精度，需在它的输入级和输出级采用缓冲器，以减少信

43、 号源的输出阻抗，增加负载的输入阻抗。3、采样定理尙 > 张式中色一一采样频率；,采样信号频谱中的最高频率分量如不满足以上关系式，将会出现信息丢失或信号失真。历年试题15： （2005.10）单选题15. 通常在采样保持器的输出级采用缓冲器，其作用是（）A.提高放大倍数 B.增加信号的输出阻抗C.减少负载的输入阻抗D.增加负载的输入阻抗【答案】D【解析】考察采样保持器各组成的作用。二、传感检测信号的细分、辨向原理【知识点】1、四倍细分原理（以光栅传感器为例）（1） 无细分时，当主光栅与指示光栅相对移动一个栅距W时，则莫尔条纹也相应 移动一个间距HjP即甘eh=W/2血点.；竟W/日，光电

44、接收元件上得到一个脉冲信号， 利用一个光电元件记录下指示光栅上移动的莫尔条纹数，也就是脉冲个数。即可知道主光栅与指示光栅相对移动的距离。其分辨率为光栅栅距的大小。（2）四倍细分，即利用四个光电元件接收莫尔条纹信号，当主光栅与指示光栅相 对移动一个栅距 W时，可依次得到四个计数脉冲信号。这就是四倍细分。女口：栅线为50线/mm，则分辨率为0.02mm/脉冲，四细分后，其分辨率为 0.02/4mm=0.005mm。2、辨向原理为了辨别移动的方向，并根据不同的移动方向，计数器进行加或减运算，需要 两路有一定相位差的测量信号，只要辨别出这两路信号哪一路超前，就可以知道运 动的方向，其相位差多取为 90

45、。历年试题16：（2005.10） 计算题16. 已知光栅式位移传感器的栅距为0.01mm，标尺光栅和指示光栅的栅线夹角为0.3，求（1）光栅莫尔条纹的间距及莫尔条纹的放大系数。（2） 测量时，若光电元件接收到莫尔条纹10个周期的光强信号，求所测得的位移量是多少?（3）若想得到0.0025mm的分辨力，应采用多少倍的细分电路？【答案】（1）莫尔条纹的间距.产w/|卜曲唸：|=0.0伸1.91mm放大系数为K=R賈/W=1.91/0.01=191（2）测得的位移量是x=10W=10 ；LTL=0.1mm（3）W/0.0025=0.01/0.0025=4采用四倍细分电路。【解析】考察细分原理第五节

46、 传感检测系统中的抗干扰问题常见考点：1、干扰与噪声；2、干扰抑制的方法；3、典型噪声干扰的抑制。一、干扰与噪声【知识点】1、噪声及干扰的定义噪声：任何不希望有的信号干扰：在一有用频带内的任何不希望有的信号。2、信噪比的概念信噪比是指信号通路中，有用信号功率与噪声功率扣之比，通常用S/N表示,即: S/N=10应亠二、干扰抑制的方法【知识点】1、接地：测量系统中有四种接地系统：安全地、信号源地、数字信号地和模拟信号地，为了防止信号有公共阻抗而引起信号交叉耦合，通常采用单点接地。如下 图所示：2、屏敝（1）静电屏敝(2)低频磁感应屏蔽是利用屏蔽物的高导磁性能提供的低磁阻实现的。一般选用铁磁性材

47、料。(3)高频磁感应屏蔽通常采用金属屏蔽罩，如紫铜薄片等。当电磁场在金属内传播时，会在 金属内感应电流，继而产生热效应，即电磁场能量的一部分被金属吸收 而转化为热能，这就是由吸收损耗而导致的屏蔽效果。3、隔离(1)变压器隔离：两个电路之间靠磁通耦合，不会产生共模噪声。(2)光电耦合电路：光耦由一个发光二极管和光敏三极管组成，使两电路之间通过光耦合，将两个电路完全隔开， 可完全克服两电路间的地线干扰。4、滤波(1)电源滤波，可滤去低频和高频干扰。(2)退耦滤波：当一个直流电源对几个电路同时供电时，为了避免通过电源内阻造成几个电路之间互相干扰，可在每个电路的直流电源进线与地之间加装RC退耦滤波电路

48、。历年试题17: （2004.10）单选题17. 静电屏蔽的作用在于消除静电荷对测量仪器产生的（）A.高次谐波干扰B.放电干扰 C.静电场干扰D.漏电流干扰【答案】C【解析】考察静电屏蔽的作用。历年试题18：（2009.10）单选题18对于低频磁感应干扰，其屏蔽材料应选用（）A.导磁材料B.非导磁材料C.低电阻率材料D.高电阻率材料【答案】A【解析】考察如何选用低频屏蔽的材料。三、典型噪声干扰的抑制【知识点】1、设备启、停时产生的电火花干扰消除这种干扰的方法通常是采用RC吸收电路，即将电阻R和电容C串联后，再并联到继电器触点或电源开关两端。2、共模噪声抑制这种干扰可采用差分放大器，因为差分放大

49、器对共模噪声没有放大作用。3、串扰相邻信号在导线上产生的噪声或一信号耦合到另一导线上所产生的干扰为串扰。克服串扰的有效办法是将不同信号线分开，并且留有最大可能的空间隔离。第九章信号分析及其在测试中的应用第一节信号的分类与幅值描述常见考点：1、信号的分类；2、信号幅值描述；一、信号的分类【知识点】1、确定性信号：能用明确的数学解析关系式或图表描述的信号；根据信号特征，又分为周期信 号和非周期信号。（1） 周期信号：以一定的时间间隔 T （周期）周而复始。如正弦信号等（2）非周期信号：在时域内不按周期重复出现。2、非确定性信号（随机信号）：无法用确切的数学关系式描述，也不能准确预测未来的结果。只能

50、用概率统计方法描述它的规律。3、模拟信号：在某一自变量连续变化的间隔内，信号的数值连续。4、离散信号：自变量在某些不连续数值时，输出信号才具有确定值，称为离散信号。二、信号的幅值描述【知识点】1、信号的均值卩材一一表示信号中常值分量或直流分量均值估计，记作2、 信号的方差一描述信号的波动范围叱二烈乂嵐勺-订也方差估计，记作其中，-：称为信号的标准差3、信号的均方值叮描述信号的强度，表示信号的平均功率。忙=腰打詆Nt均方值估计，记作=訴/（切讥4、 忙=+历年试题19：（2002.10）判断题19.当信号的方差变为原来的 4倍时，该信号的标准差将变为原来的2倍。（）A.正确B.错误【答案】A【解

51、析】考察方差和标准差的定义。历年试题20：（ 2003.10）应用题20求余弦信号X（ t）=A；-的均值和均方值。【答案】（1） 池一- =-川 一:一:一: 一.=!=0（2）応二 *：；|曲5=_=-.¥=-【解析】考察均值和均方值的计算公式。第二节 信号的相关描述常见考点:1、信号的自相关函数=3:2、信号的互相关函数 解3、信号的互相关系数-、信号的自相关函数.曲【知识点】1 、股诂-:二-式中时延量， 一，； - 一； j 作为估计，有顽石=訂;x®xCt - T)dt2、自相关函数的性质：(1) 当时延量-二【时，信号的自相关函数就是信号的均方值。氏坊=鶴半=屮2(2) 丄左：£!，即在-二处取峰值。(3) 职/£；眼总垃(4) 周期信号的自相关函数必呈周期性。3、自相关函数描述了信号