傳感器與檢測技術》小結30~40學時

1、系統(tǒng)誤差：在同一條件下，多次測量同一量值時絕對值與符號保持不變， 或在條件改變時按一定規(guī)律變化的誤差。簡稱系差。隨機誤差：在同一測量條件下，多次測量同一量值時，絕對值和符號以不可預定的方式變化的誤差。粗大誤差：超出規(guī)定條件下預期的誤差。簡稱粗差，或稱寄生誤差。最小二乘法原理：是指測量結果的最可信賴值應在殘余誤差平方和為最小 的條件下求出。設有n組實測數據(xi, yi) (i=1, 2,，n),其最佳擬合方程(回歸方程)為Y二A+Bx ; A直線的截距；B直線的斜率。nnn2(Vi Y)2 . (y A Bx)2 n (1.3.41)根據最小二乘法原理，要使i 1v為最小，取其對A、B求偏導數

2、,i 1并令其為零，可得兩個方程，聯(lián)立兩個方程可求出A,B的唯一解。n-A2 yj A Bx 0A i 1n-B2x Yi A B0B i 1nnYi nA B xi 1i 1nnnx yi A xi B x2i 1i 1i 1P25傳感器靜態(tài)特性的標定步驟。 將傳感器全量程(測量范圍)分成若干等間距點； 根據傳感器量程分點情況，由小到大逐漸一點一點的輸入標準 量值，并記錄下與各輸入值相對應的輸出值；將輸入值由大到小一點一點的減少，同時記錄下與各輸入值相對應的輸出值；按、所述過程，對傳感器進行正、反行程往復循環(huán)多次測試，將得到的輸出-輸入測試數據用表格列出 或畫成曲線； 對測試數據進行必要的處

3、理，根據處理結果就可以確定傳感器 的線性度、靈敏度、滯后和重復性等靜態(tài)特性指標。n2yi xi 1 i 1n2n 為i 1n xi yii 1n2n 人i 1yi為i 1i 1-2Xii 1x Yii 1 i 1傳感器能感受規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律轉換成可用輸出信號的器件和裝敏感元件直接感受被測量，并輸出與被測量成確定關系的物理量。轉換元件敏感元件的輸出就是它的輸入， 轉換 成電路參量。轉換電路：上述電路參數接入基本轉換電路，便可轉換成電量輸出P26研究、分析標定傳感器的動態(tài)特性常用的兩種標準激勵信號。電阻應變式傳感器 由彈性元件和電阻應變片構成。電阻應變片的工作原理是基于金屬的 應變效應

4、。金屬絲的電阻隨著它所受的機械形變（拉伸或壓縮）的大小而相應變化的現(xiàn)象稱為金屬的電阻應變效應。P33P34K0推導過程表達式（2.1.1）（2.1.5）P35什么是應變片的靈敏系數K，表達式（2.1.7）因此將電阻應變絲做成電阻應變片后，其電阻的應變特性與金屬單絲是不同的, 必須通過實驗重新測定。此實驗必須按規(guī)定的統(tǒng)一標準進行P35應變式傳感器為何要進行溫度補償？產生溫度誤差的主要因素有哪兩點？理解電橋溫度補償法。應變片由于溫度變化引起的電阻變化與試件（彈性元件）應變所造成的電阻變化幾乎有相同的數量級， 如果不采取必要 的措施克服溫度的影響，測量精度將無法保證。產生溫度誤差的主要因素有：電阻溫

5、度系數的影響、試件材料和電阻絲材料的線性膨脹系數的影響。P40P43應變式力、壓力傳感器對于圓柱式彈性元件，若R1=R2,R1沿軸向粘貼，R2沿橫向粘貼，在軸向應變作用下沿橫向粘貼的電阻的變化量是軸向粘貼電阻變化量的 -倍，即厶R2=-止R1圓柱式彈性元件:S r2;,F 被測力、SES 彈性元件柱體截面積、E 材料彈性模量等強度梁：-6FL，等截面梁：_6學F 作用在自由端的外力、I 梁長度、b0h Eb0h El0 應變片安裝位置與自由 端的距離，b0 梁固定端寬度、h 梁的高度。P48半導體應變片的靈敏系數比金屬電阻應變片約高50倍主要有體型半導體應變片和擴散型 半導體應變片。 半導體的

6、壓阻效應 是指單晶半導體材料在沿某一軸向受外力 作用時，其電阻率發(fā)生很大變化的現(xiàn)象P49半導體應變片組成的傳感器中，全橋測量電路應采用恒壓源還是 恒流源供電？在半導體應變片組成的傳感器中， 均由4個應變片組成全橋 電路。全橋電路應采用恒流源供電，因為環(huán)境溫度的變化對其沒有影響。P52相關計算題P54自感式傳感器結構形：線圈、鐵心、銜鐵三種。P54自感式傳感器是把被測量變化轉變成哪種電量的變化？變氣隙、 變面積自感傳感器哪種是線性的？自感式傳感器是把被測量變化轉換成自感L的變化，通過一定的轉化電路轉換成電壓或電流輸出。變氣隙式自感傳感器是非線性的， 變面積式自感傳感器是線性的。P57差動變間隙式

7、自感傳感器與單線圈式自感傳感器相比，靈敏度和 線性度有何不同？（ 1）差動變間隙式自感傳感器的靈敏度是單線圈式自感傳感器的兩倍。（2）由式（3.1.10）和（3.1.16）可得：差動式自感式傳感器線性 度得到明顯改善。P59自感式傳感器調幅電路中，相敏檢波電路與變壓器電路相比有哪些優(yōu)點？使用相敏整流，輸出電壓U0不僅能反映銜鐵位移的大小和方向， 而且還消除零點殘余電壓的影響。P64從改變磁路參數的角度，自感式傳感器和差動變壓器傳感器的共同點是什么？P64差動變壓器是把被 測量轉變成哪種電量的變化？其結構形式有哪幾種？ 差動變壓器是 把被測的非電量變化轉換為傳感器線圈的互感系數的變化。 這種傳感

8、器是根據變 壓器的基本原理制成的， 并且次級繞組常用差動的形式連接， 故稱之為差動變壓 器式傳感器。 差動變壓器結構形式較多，有變隙式、變面積式和螺線管式等。P81P83表達式（341 ）。電容式傳感器可分為哪幾種類型？電容式傳 感器的電容量與電參數之間哪些是線性關系，哪些是非線性關系。電容式傳感器可分為： 變極距型電容傳感器、 變面積型電容傳感器、 變介電常數 型電容傳感器。 只有變極距型電容傳感器是非線性的，變面積型電容傳感器 和變介電常數型電容傳感器都是線性的。P85 變極距型電容傳感器，采用差動形式比單一形式有哪些優(yōu)點？ 由式（ 3.4.13）和（ 3.4.14）可得：采用差動形式的電

9、容傳感器非線性得到了很 大的改善，靈敏度也提高了一倍。P87電容傳感器在低頻和高頻供電情況下的等效電路（圖3.4.8）。高頻時Ce和ke表達式，從ke表達式分析測量時能否改變電纜長度和供 電電源，若改變，必須怎樣做？ 當電容式傳感器的供電電源頻率較高時， 傳感器的靈敏度由 kg 變?yōu)?ke，ke 與傳感器的固有電感（包括電纜電感）有關， 且隨3變化而變化。因此，改變傳感器供電電源頻率（即轉換電路工作頻率）或 轉換電路的引線電纜之后， 必須對整個儀器重新標定。 儀器測量時， 應與標定所 處的條件相同，即電纜長度不能改變，供電電源頻率不能改變。P97 光電器件的特點有哪些光電效應及相應的光電器件

10、外光電效應小于 紅限頻率的入射光 ,光強再大也不會產生光電發(fā)射） 光電器件的特點：光電器 件或者光電元件是一種能夠將光亮轉化為電量的器件。 光電傳感器就是以光電器 件為檢測元件的傳感器， 它先將被測非電量轉換成光量的變化， 然后通過光電器 件將相應的光量轉換成電量。 在光線作用下使物體的電子逸出表面的現(xiàn)象稱為 外光電效應，如光電管、光電倍增管等屬于這類光電器件。 在光線的作用下能 使物體電阻率改變的現(xiàn)象稱為內光電效應， 如光敏電阻等屬于這類光電器件。 在 光線的作用下能使物體產生一定方向的電動勢的現(xiàn)象， 稱為阻擋層光電效應， 如 光電池、光敏晶體管等屬于這類光電器件。阻擋層光電效應即光生伏特效

11、應。 P100 從光敏電阻的光照特性看， 它是否適宜做測量元件？從光敏電阻 的光譜特性看，對于可見光和紅外線，應選擇哪種材料的光敏電阻？ - 由于光敏電阻的光照特性呈非線性， 因此不宜作為測量元件， 一般在自動控制系 統(tǒng)中常用作開關式光電信號傳感元件。 硫化鎘光敏電阻的光譜響應峰值在可見光區(qū)域， 而硫化鉛的峰值在紅外區(qū)域。 因 此，在選用光敏電阻時，應該根據光源考慮，這樣才能得到較好的功效。 從硫化鉛光敏電阻的光譜特性曲線看，溫度升高峰值波長向長波長方 向還是向短波長方向移動？ 隨著溫度的升高光譜響應峰值向短波方向移動。 P101 光敏二極管在電路中一般處于怎樣的偏置狀態(tài)？ 光敏二極管在電路中

12、一般處于反向工作狀態(tài)，即反偏狀態(tài)。P102NPN 型光敏晶體管基本結構和基本電路（圖4.1.16 ）P102 光敏二極管與光敏晶體管光譜特性是否相似， 為什么？為何存在 峰值波長？在探測可見光或紅外光時應選擇硅管還是鍺管，為什么？ 光敏二極管與光敏晶體管光譜特性相似。 對于可見光或探測赤熱狀態(tài)物體時， 一般都用硅管。在紅外光進行探測時，則鍺管較為適宜。P103從光敏二極管與光敏晶體管光照特性看，它們能否作為檢測元件使用，為什么？光敏晶體管在照度較小和照度較大（ 幾千勒克斯）時 是否適宜做測量元件？硅光敏晶體管與鍺光敏晶體管頻率響應相比哪 個好？ 例：V光敏 二極 管的 光照 特性 曲線 的線

13、性較好，可以作為檢測元件使用。由光敏晶體管的光照特性曲線可知： 當光照較小和足夠大時靈敏度減小，所以在光敏晶體管中等強度時適合作為檢測元件。光敏晶體管在照度較小和照度較大（ 幾千勒克斯）時不適宜做測量元件，因為此時 非線性嚴重、靈敏度不高 對于錯管，入射光的調制頻率要求在5000Hz以下，硅管的頻率響應要比錯管好。P104從圖看，光電池作為檢測元件使用時，宜把它當作電流源使用還是當作電壓源使用？光電池的短路條件是什么？短路電流在很大范 圍內與光照度成線性關系，開路電壓（）與光照度的關系是非線性的，而且在光 照200IX時就趨向飽和了。因此光電池作為測量元件使用時，應當把它當做電流源的形式使用，

14、利用短路電流與光照度成線性關系的優(yōu)點， 而不要把它當做電壓源使用。光電池的短路條件是：外接負載電阻相對于它的內阻來說很小的情況。P106簡述光電式數字轉速表的工作原理f=C/T=ZN/60P120數值孔徑的定義及表達式、數值孔徑的意義。只有入射角的那些光線才可以進入光纖被全反射傳播。無論光源發(fā)射功率有多大，只有 2 0 i張角之內的光功率能被光纖接受傳播。根據光纖在傳感器中的作用分類：功能型（全光纖型）光纖傳感器、非功能型（或稱傳光型）光纖傳感器、拾光型光纖傳感器。根據光受被測對象的調制形式分類：強度調制型光纖傳感器、偏振調制光纖傳感器、頻率調制光纖傳感器、相位調制傳感器、測得某檢測裝置的一組

15、輸入輸出數據如下:X0.92.53.34.55.76.7Y1.11.62.63.24.05.0試用最小二乘法擬合直線，求其線性度和靈敏度（10分）解:y kx byi (kxi b)n S x y2 / 2 n Xi ( Xi)(Xi2 yiXi XiYi)2/v2n Xi ( Xi)代入數據求得k 0.68 b0.25y 0.68x0.2510.23820.3530.1640.115 0.12660.194max100%yFS0.3557%擬合直線靈敏度k 0.68,線性度土 7%、如圖所示電路是電阻應變儀中所用的不平衡電橋的簡化電路，圖中R2=R3=Fg固定電阻,R1與R4是電阻應變片，工

16、作時R1受拉，R4受壓， R=0,橋路處于平衡狀態(tài)，當應變片受 力發(fā)生應變時，橋路失去平衡，這時，就用橋路輸出電壓 Ucd表示應變片變后電阻值的變化 量。試證明：Ucd二（E/2） （ R/R）。 （10 分） 證明：R1 R R R4 RU cd U cb U db2R R e4R R2 E略去R的二次項，即可得U cdE _R2 R七、什么是系統(tǒng)誤差？系統(tǒng)誤差產生的原因是什么？如何減小系統(tǒng)誤差？ （8分）答：當我們對同一物理量進行多次重復測量時，如果誤差按照一定的規(guī)律性出現(xiàn)，則把這種 誤差稱為系統(tǒng)誤差。系統(tǒng)誤差出現(xiàn)的原因有： 工具誤差：指由于測量儀表或儀表組成組件本身不完善所引起的誤差。

17、方法誤差：指由于對測量方法研究不夠而引起的誤差。 定義誤差：是由于對被測量的定義不夠明確而形成的誤差。 理論誤差：是由于測量理論本身不夠完善而只能進行近似的測量所引起的誤差。 環(huán)境誤差：是由于測量儀表工作的環(huán)境（溫度、氣壓、濕度等）不是儀表校驗時的 標準狀態(tài)，而是隨時間在變化，從而引起的誤差。 安裝誤差：是由于測量儀表的安裝或放置不正確所引起的誤差。個人誤差：是指由于測量者本人不良習慣或操作不熟練所引起的誤差。減小系統(tǒng)誤差的方法： 引入更正值法：若通過對測量儀表的校準，知道了儀表的更正值，則將測量結果的 指示值加上更正值，就可得到被測量的實際值。 替換法：是用可調的標準量具代替被測量接入測量儀

18、表，然后調整標準量具，使測 量儀表的指針與被測量接入時相同，則此時的標準量具的數值即等于被測量。 差值法：是將標準量與被測量相減，然后測量二者的差值。 正負誤差相消法：是當測量儀表內部存在著固定方向的誤差因素時，可以改變被測量的極性，作兩次測量，然后取二者的平均值，以消除固定方向的誤差因素。 選擇最佳測量方案：是指總誤差為最小的測量方案，而多數情況下是指選擇合適的函數形 式及在函數形式確定之后，選擇合適的測量點 八、什么是傳感器的可靠性？可靠性設計程序和原則是什么？什么是傳感器的失效？失效有 哪幾種？失效分析方法有哪幾種？（ 10 分） 答：傳感器的可靠性是指傳感器在規(guī)定條件、規(guī)定時間，完成規(guī)

19、定功能的能力?？煽啃栽O計 程序：建立系統(tǒng)可靠性模型可靠性分配可靠性分析可靠性預測可靠性設計評審 試制品的可靠性試驗最終的改進設計可靠性設計原則：盡量簡單、組件少、結構簡單工藝簡單使用簡單維修簡單技術 上成熟選用合乎標準的原材料和組件采用保守的設計方案 產品喪失完成規(guī)定功能能力所有狀態(tài)及事件的總和叫失效。失效的分類：按失效發(fā)生場合分：試驗失效、現(xiàn)場失效按失效的程度分：完全失效、局 部失效按失效前功能或參數變化的性質分：突然失效、退化失效按失效排除的性質分： 穩(wěn)定性失效、間歇失效按失效的外部表現(xiàn)分：明顯失效、隱蔽失效按失效發(fā)生的原因分： 設計上的失效、工藝上的失效、使用上的失效按失效的起源分：自然

20、失效、人為失效按 與其它失效的關系分：獨立失效、從屬失效按失效浴盆曲線上不同階段分：早期失效、偶 然失效、耗損失效等 失效分析的方法失效模式、效應及危害度分析工藝過程 FMMEA及質量反饋分析失效樹 分析方法1、直流電橋和交流電橋有何區(qū)別？直流電橋的平衡條件是什么？應變片式電阻傳感器、 自感式、互感式、渦流式、電容式、熱電阻式傳感器分別可采用哪種電橋作為測量電 路？答：根據電源不同分為直流和交流電橋。直流電橋優(yōu)點：高穩(wěn)定度直流電源容易 獲得，電橋平衡電路簡單，傳感器至測量儀表的連接導線分布參數影響小。但是后續(xù) 要采用直流放大器，容易產生零點漂移，線路也較復雜。交流電橋在這些方面都有改 進。直流

21、電橋平衡條件： R1/R2=R3/R4 ，R1R4=R2R3。2、光電效應可分為哪三種類型，簡單說明其原理并分別列出以之為基礎的光電傳感器。 答：當用光照射物體時， 物體受到一連串具有能量的光子的轟擊， 于是物體材料中的電子 吸收光子能量而發(fā)生相應的電效應（如電阻率變化、發(fā)射電子或產生電動勢等） 。這種現(xiàn) 象稱為光電效應。 光電傳感器的工作原理是基于物質的光電效應， 目前所利用的光電效應 大致有三大類：第一類是利用在光線作用下材料中電子溢出表面的現(xiàn)象，即外光電效應， 光電管以及光電倍增管傳感器屬于這一類； 第二類是利用在光線作用下材料電阻率發(fā)生改 變的現(xiàn)象， 即內光電效應。 光敏電阻傳感器屬于

22、這一類。 第三類是利用在光線作用下光勢 壘現(xiàn)象，即光生伏特效應，光敏二極管及光敏三極管傳感器屬于這一類。3、光導纖維導光的原理是什么按其傳輸模式分為哪兩種類型并分別指出對應類型光纖 傳感器的典型光源 答 光纖為芯包結構，就是里面是纖芯。外面是包層，構成光波導 結構限制光的傳播在纖芯里。最外面可以加上涂覆層增強其柔韌性。光纖按折射率分 布不同分為階躍折射率分布光纖（SIOF和漸變折射率分布光纖（GIOF）.SIOF導光的原理是內全反射定律v, GIOF的則是廣義折射定律。光導纖維工作的基礎是光的全內反 射，當射入的光線的入射角大于纖維包層間的臨界角時，就會在光纖的接口上產生全 內反射,并在光纖內

23、部以后的角度反復逐次反射,直至傳遞到另一端面。按其傳輸模 式分為單模和多模4、壓電式傳感器更適用于靜態(tài)測量,此觀點是否正確,分析原因。 答不正確。其工作原理是基于壓電材料的壓電效應,具有使用頻率寬,靈敏度高、信噪比高、 結構簡單、工作可靠、測量范圍廣等優(yōu)點,因此在壓力沖擊和震動等動態(tài)參數測試中是主要 的傳感器品種,它可以把加速度、位移、壓力、溫度、濕度等許多非電量轉換為電量。1、傳感器是 能感受規(guī)定的被測量并按照一定規(guī)律轉換成可用輸出信號的 器件或裝置傳感器通常由直接響應于被測量的敏感元件和產生可用信號輸出的 轉換元件 以及相應的 信號調節(jié)轉換電路組成。2、電阻應變片式傳感器按制造材料可分為金

24、屬材料和半導體體材料。 它們在受到外力作用時電阻發(fā)生變 化，其中的電阻變化主要是由電阻應變效應形成的， 而的電阻變化主要是由 造成的。_材料傳感器的靈敏度較大。3、在變壓器式傳感器中，原方和副方 互感M的大小與繞組匝數成正比,與穿過線圈的磁通成正比,與磁回路中磁阻成 反比，而單個空氣隙磁阻的大小可用公式 表示。4、測量過程中存在著測量誤差，按性質可被分為絕對誤差 、相對誤差、和 引用誤差三類，其中絕 對誤差可以通過對多次測量結果求平士的方法來減小它對測量結果的影響。7、偏差式測量是指測量過程中，用儀表指針的位移（即偏差）決定被測量的測 量方法;零位測量是指測量過程中，用指零儀表的零位指示，檢測

25、測量系統(tǒng)的平 衡狀態(tài)；在測量系統(tǒng)達到平衡時用已知的基準量決定被測未知量的測量方法;微差式測量是指將被測的未知量與已知的標準量進行比較，并取得差值，然后用偏差法測得此差值的 方法。二、問答題：（25分）1、什么是傳感器動態(tài)特性和靜態(tài)特性，簡述在什么頻域 條件下只研究靜態(tài)特就能夠滿足通常的需要，而在什么頻域條件下一般要研究傳 感器的動態(tài)特性？ （ 10分）答：傳感器的特性是指傳感器所特有性質的總稱。 而傳感器的輸入輸出特性是其基本特性， 一般把傳感器作為二端網絡研究時，輸 入輸出特性是二端網絡的外部特性，即輸入量和輸出量的對應關系。由于輸入量 的狀態(tài)（靜態(tài)、動態(tài)）不同分靜態(tài)特性和動態(tài)特性。靜態(tài)特性是指當輸入量為常 量或變化極慢時傳感器輸入-輸出特性。動態(tài)特性指當輸入量隨時間變化時傳感器的輸入-輸出特性?？梢詮臅r域和頻域來研究動態(tài)特性從傳感器的靜態(tài)特性和動態(tài)特性考慮，詳述如何選用傳感器。答：考慮傳感器的靜態(tài)特性的主要指標， 選用線性度大、遲滯小、重復性好、 分辨力強、