中央电大传感器测试技术总复习

1、传感器与测试技术总复习第一章 绪论一、测试系统构成传感器、信号变换、显示记录等环节 P3二、传感器组成敏感元件、转换元件、转换电路。传感器定义：以一定的精度把被测量转换成另一种便于检测量的装置。三、传感器的分类按工作机理、能量转换、输入量、物理原理（常用） 按工作机理分：结构型传感器结构参数变化（实现信号变换）物性传感器结构参数不变，而仅依靠内部物体，化学性质变化而实现传感的功能。第二章 传感器的一般特性一、传感器的静特性1、定义传感器在输入量的各个值处于稳定状态时的输出与输入关系，即当输入为常量或变化极慢时输出与输入的关系。2、主要指标测量范围与量程测量的下限和测量上限表示的测量区间称测量范

2、围。量程=上限-下限线性度输出输入校正曲线与其拟合直线间的最大偏差。迟滞传感器在正反行程中输出输入曲线不重合称迟滞。重复性全量程输入按同一方向会连续多次测量所得曲线不一致的程度。 灵敏度输出变化量y与引起此变化量的输入变化量x之比K=灵敏误差S=dy dxK100% K分辨力在测量范围内能检测出输入量的最小变化值阈值（起始灵敏度）在零点附近的分辨力（它是死区概论）稳定性在室温条件下，经一段时间间隔后，传感器的输出与起始标定时的输出间的差异。漂移零点漂移、灵敏度漂移、时漂和温漂误差的表示a 绝对误差=X-Q（式中X为测量值，Q为约定真值），修正值C=- b 相对误差=Q100%c 引用（相对）误

3、差 =yFS100%=xmax-xmin100%常用max定义仪表精度等级SSm=myFS100%静态误差（精度）定义在全量程内任何一点输出值与理论输出值偏离程度二、动特性1、定义传感器对随时间变化的输入量的响应程度2、指标响应时间，y()的63%；上升时间tr，y()的10%90%；稳定时间tw，超调量 见P30三、标定与校准1、标定利用某种标准器具对传感器进行标度概念：对新研制或生产的传感器全面技术检定称标定。 对使用中或储存后进行性能复测称校准。2、方法利用标准仪器产生标准输入量，输入到传感器，传感器输出量与输入的标准量作比较，得一系列数据或曲线。对传感器静态特性指标确定。3、静态和动态

4、标定研究动态响应。零阶为静态灵敏度K0；一阶为时间常数；二阶为固有频率wn和阻尼比四、提高传感器性能方法1、非线性校正开环非线性补偿、非线性反馈补偿法2、温度补偿减小传感器零位输出温度误差灵敏度；减小传感器灵敏度对温度的敏感度。3、闭环技术4、平均技术误差平均效应、数据平均处理5、差动技术电感、电容传感器应用（一正一负组成差动形式）6、集成和智能化7、抑制干扰屏蔽、隔离、滤波是减小电磁干扰的措施第三章 电阻式传感器一、应变式传感器1、定义电阻称在外力作用下机械变形阻值变化，这一现象称电阻丝应变效应。 具体分析：R= 2rd 纵向应变dRdd 2r r=-，式中为泊松比 =+- 定义drR rr

5、=横向应变r=ddR=(1+2)+=K0 R金属丝dRR=(1+2) 计算公式=K0 RR2、结构与类型应变片类型电阻丝式、金属箔式 P56应变片结构敏感栅、绝缘基片、覆盖片3、主要特性应变片电阻灵敏度系数 K=度系数，K<K0横向效应 纵向力，但也会有r变动，这就是横向效应。这是与用丝式应变片有关，若用箔式就可减小横向效应带来测量误差。 温度效应 环境温度变化t 引起电阻丝阻值变化 R/R，式中K实验测得(抽样5%)，K0电阻丝灵敏R=tt R1R敏感元件和试件膨胀系数不同 =k(e-g)t，式中e为应变R2片，g为试件膨胀系数补偿方法单丝自补偿法、双丝自补偿法、桥路补偿法（差动、热敏

6、电阻桥路）绝缘电阻引线与被测试件之间的电阻应变权限P59 使非线性达到10%时的真实应变值4、转换电路 对角电阻乘积两者相等平衡I1=(R1R3-R2R4)EE，I2=，U0=E (R1+R2)(R3+R4)R1+R2R3+R4 单臂 U0=P80例题 R1R1E 双臂 U1=E 4R02R0已知：R1=R2=120，K=2，应变为1000，U=5V，R1和R2一个受拉，另一个受压，求输出U0解：R=KR=21200.001=0.24欧姆，U0=R0.24U=5=0.005V=5mV 2R21205、应变片的选择类型选择箔式或半导体应变片材料选择阻值选择，一般120，提高灵敏度也可使R阻值增加

7、为 350500 尺寸选择6、应用测力、压力、加速度测力弹性元件为力敏元件将力的大小应变量变化，通常有柱式、环式、梁式。二、压阻式传感器1、压阻效应半导体应变片受应力后，材料电阻率变化，阻值中 4dR=(1+2)+ R半导体应变片阻值变化主要由材料电阻率变化引起的 R=E，式中为压阻系数，E弹性模置，应变 R2、主要特性：了解3、测量电路：P72 恒压供电U0=UR，它与电源U的大小精度有关，电路简单，不能消除R+RT温度影响，与温度有关，它还是非线性恒流供电U0=IR，它与电源I的大小精度有关，但不受温度影响。4、温度补偿零点温度补偿它是由4个扩散电阻值及它们温度系数不一致造成 P73 解决

8、办法串并联电阻灵敏度温度补偿压阻系数随温度变化t解决办法串联二极管5、应用测量压力、加速度三、热电阻传感器1、工作原理Rt=R0(1+t) tRt要求：a、电阻温度系数大；b、tRt良好线性；c、物理、化学性能验定d、尺寸小e、复制性好（纯度高）价格便宜。2、类型特点铂电阻Pt10和Pt100 -200850 稳定性好、精度高铜电阻Cu50和Cu100 -50150 线性、价廉、易氧化 53、测量电路及应用三线制克服引线电阻受环境温度变化带来测量误差四线制精确测量四、电位计式（变阻器式）传感器位移电阻变化1、类型直线位移型、角位移型、非线性型2、测量电路电阻分压电路 用于测量线位移、角位移第四

9、章 电容式传感器一、原理及特性C=S 变极距型（或称变间隙型）、变面积S，变解电常数1、变极距（间隙）型当间隙变小（C，增加C），则C=S-SS =C0-只有当>>时，C与呈线性关系常用差动式（P83图4-1） 可减小非线性，提高灵敏度2、变面积型电容量与位移量线性关系线位移 C=C0角位移 C=C0a a容栅传感器它是在变面积型电容传感器的基础上发展成的一种新型传感器，它有长容栅和圆容栅二种。P85它可看成一对对小电容并联连接而成。具有电容传感器的特点：动态响应快、结构简单，温度稳定性好（本身发热很小），易实现非接触测量，还具有分辩力高、精度高，对刻制精度和安装要求不高，量程大，

10、应用数显量具（数显千分尺，数显卡尺）3、变解电常数型Cx=C0+C C正比于液位高度它可以测量厚度、位移、液位使用最多二、设计及应用1、特点优：a、温度稳定性好；b、结构简单；c、动态响应快；d、可实现非接触式测量 缺：a、输出阻抗高，负载能力差；b、寄生电容影响大引线电容、分布电容，对电容传感器本身小电容影响大 c、输出特性非线性变本身非线性。变和S只有忽略边缘效应，才是线性。(即当极片尺寸>>极距，圆筒高度>>直径)2、误差分析及补偿减小环境温度、湿度等影响常用差动对称结构消除和减小边缘效应边缘效应不仅使传感器灵敏度降低，而且产生非线性减小方法：a、尺寸上极片尺寸&

11、gt;>间距，圆筒高度>>直径b、结构上增设等位环P92 等位环与电极电位相等，使电极边缘处电力线平直或理解等位环外电场不影响平板电容正常工作。消除和减小寄生电容影响防止和减小外界干扰3、转换电路电桥电路 P96=-U 运放电路 可使U0C0 s4、应用P98差压（可测流量）、加速度、液位、荷重第5章 电感式传感器xL 自感式传感器xM 互感式传感器§1自感式传感器间隙Rm磁阻L1、闭磁路L=2、螺线管式位移量可增大，特别是差动式位移量可增大，P107差动式与单线圈比较 变气隙式灵敏度高，非线性严重，量程小；变面积式灵敏度低，线性好，量程较大，制造装配较方便；螺管型

12、灵敏度最低，量程大，线性较好，制造方便，批量生产互换性强，应用广P108转换电路，交流电桥U0=Z =LU Ui，当L>>r，U0i2Z02L0§2差动变压器-其工作原理类似变压器，并做成差动形式，故称差动变压器1、原理xMU 它也有变间隙，变面积和螺线管式三种2、转换电路利用整流电路 UI直流电流U直流电压变化 见P1173、误差分析 零位误差（零点残余电压）原因，解决办法 见P117§3 电涡流传感器P119原理-当一块金属导体放置在一变化的磁场中，导体内就会感应电流，电流在导体内转圈，故称电涡流，利用此原理做成的传感器称电涡流传感器。电涡流最大特点它是非接

13、触式高频反射式z=f(,t,w,x) 式中t导体厚度式中：x变化可测位移、厚度、振动。电阻率变化测量表面温度、材质。磁导率变化测应力、硬度。同时改变x、和可对导体探伤。低频透射式，通过金属板在接收线圈感应出交变电动势P121图5-24发射线圈两端加低频电压U1E就越小。 金属板厚度越大，产生电涡流越大，损耗磁场越大，E电流穿透度h(t)f（大，适用高频，小，适用低频；f，适用薄板，f，适用厚板。）§4 压磁式传感器1、压磁效应铁磁材料在外力作用下，内部产生应变产生应力各磁畴间的界限发生移动磁畴的磁化强度矢量转动破坏平衡材料总磁化强度发生变化。=f(F) 即FE E测量绕组就会有感应电

14、动势E2、工作原理 感应电场E=f(F)外力3、应用输出功率大，抗干扰能力强，过载性好（重机业和化工行业）§5感应同步器1、工作原理利用两个平面绕组互感系数M随定尺和滑尺的相对位置的变化而变化，W（W为节距），滑尺通入激励电压定尺得感应电势。 4根据感应电势周期变化次数，即可反映节距W移动个数，也就反映了定尺和滑尺的相对位构造滑尺两绕组错开置的变化。2、输出信号的处理检测系数鉴相式根据感应电势的相位变化测出位移xxe鉴幅式根据感应电势的幅值变化测出位移xsin(x-1)e 式中 1 一定3、感应同步器误差零位误差（定尺精度造成）细分误差（滑尺精度造成）第六章磁电式传感器一、磁电感应式

15、传感器1、工作原理线圈在磁场中作切割磁力传运动产生感应电动势 只要磁通量发生变化，就会产生感应电动势磁通量变化主要有：线圈与磁场发生相对运动 磁路中磁阻变化线圈中磁通量发生变化恒定磁场中线圈面积变化P141还反映磁电式传感器的优点二、类型（1）变磁通式变磁阻式 气隙变化磁阻变化 闭磁路变磁通式 （图6-1） 开磁路变磁通式 （图6-2）（2）恒定磁通式测速度 速度变化感应电势磁铁不动，线圈运动 图6-3 v线圈不动，磁铁运动 图6-43、应用 P143二、霍尔传感器RHIB1、工作原理 霍尔效应(P159 第5题 ) UH=KHIB d(RH霍尔系数，KH霍尔灵敏度系数，d半导体厚度)2、结构

16、与特性看书后面练习（1）材料与结构 （2）主要技术参数3、驱动电路 恒流驱动（线性度高、精度高、受温度影响小）恒压驱动 （简单、但性能较差、用于精度要求不高的场合）4、误差分析及补偿（1）不等位电势及补偿通过外接电阻实现补偿（2）温度误差及补偿（a）恒流源提供I （b）恒压供电热敏电阻tRt（c）串并联电阻 （d）补偿电路5、应用压力、磁场、电流、转速三、磁栅式1、它由磁栅、磁头、检测电路组成。当磁栅与磁头相对位是发生变化时产生电信号数字显示 它有长磁栅测位移 圆磁栅测角位移2、输出信号处理 两个静态磁头相位差W4 鉴幅式幅值正比于位移X鉴相式相位正比于位移X3、误差零位误差细分误差 P157

17、4、应用大位移高精度位移检测第七章 压电式传感器一、压电效应 见P161二、压电传感器及其等效电路边 C=0A极板上积累电荷Q=dF（作用力） d为压电系数电压源 电流源三、压电材料压电晶体常用精密和稳定性高的场合，可制成标准传感器 压电陶瓷制作工艺简单、耐湿、耐高温使用最广泛 压电半导体既有压电性又有半导体性高分子压电材料高分子薄膜、高分子陶瓷四、变换电路电荷放大器电缆长度影响可不计 Ua=QCa五、应用测加速度、测力、测压力第八章 光电传感器一、光电效应及光电器件1、光电效应物体吸收光能后产生电效应的现象，它是光电传感器的理论基础。2、外光电效应 内光电效应（光导电效应） 光生伏特效应光电

18、管 光敏电阻 光敏二、三极管，光电池3、光电器件基本特性光电流 暗电流， 光照 光谱 伏安特性4、光敏电阻光敏二、三极管 半导体色敏器件结型场效应光敏管可检测微弱电流5、应用测量尺寸、转速二、光纤传感器要掌握其优点及应用1、工作原理 工作基础光的全反射 全射角C（临界角）2、主要参数3、种类4、常见传感器传感三、光栅传感器1、光栅与莫尔条纹 B=W2、结构与原理辨向原理、细分技术四、激光传感器1、原理及特点 受激吸收，受激辐射特性方向性强 亮度高 单色性强 相干性好2、激光器3、CCD和PSD将入射光照在器件感光面不同位置电信号 X=L（I2-I1）/I1+I2测得I1 I2X加正电压 势阱光

19、照象素(光强光生电子多)第九章 超声波传感器一、超声波的物理性质1、什么叫超声波频率高的声波特点：a.频率高可达109HZ（波长短） b.方向性好c.穿透本领大（在液体、固体中衰减小） d.碰到杂质或分界面有明显反射 它是一种机械波符合机械波一般规律波的叠加、干涉及驻波、波的反射、折射、衰减它有本身的特殊性纵波、横波、表面波、蓝姆波四种波形并在分界面上出现波型的转换2、声波的衰减原因 a.声波在扩散 b.散射 c.介质吸收衰减以衰减系数 表示二、超声波转换器功能把超声波发出去，再接收回来转换成电信号型式压电型、磁致伸缩型、电磁伸缩型、振板型、 弹性波型主要采用压电型逆压电效应 发出超声波电压晶体正压电效应电能三、超声波探伤3种方法1、共振法根据声波（频率连续可调）在工作中呈共振状态来测工件厚度和探伤。调节发射频率，使发射波与反射波同相位，引起共振。共振法测量精度高，但对工件表面质量要求高2、穿透法二个探头。一个发射，另一个接收。根据穿透工件后的能量变化来判断工件内部的质量。优点：方法简单、可避免盲区，便于自动探伤。缺点：灵敏度低、只能判有无缺陷，不能定位。两探头距离位置要求高3、脉冲反射法发射波为T，一部分声波遇缺陷反射回来为FT F B另一部分声源到底部反射回来B