傳感器考試重點

1、第1章 ：傳感器：能感受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=敏感元件+轉換元件敏感元件是傳感器中能直接感受（或響應）被測信息（非電量）的元件轉換元件則是指傳感器中能將敏感元件的感受（或響應）信息轉換為電信號的部分傳感器的共性：利用物理定律或物質的物理、化學、生物等特性，將非電量轉換成電量傳感器的分類如下：按傳感器的構成進行分類：物性型和結構型 按傳感器的輸入量（即被測參數(shù)）進行分類：位移、速度、溫度、壓力傳感器等 按傳感器的輸出量進行分類 ：模擬式和數(shù)字式 按傳感器的基本效應分類：物理型、化學型、生物型按傳感器的工作原理進行分類 ：應變式、電容式、電感式、壓電式、熱電式傳

2、感器等 按傳感器的能量變換關系進行分類：有源（能量控制型）、無源（能量變換型）第2章 ：傳感器的基本特性：傳感器的輸入輸出關系特性，是傳感器內部結構參數(shù)作用關系的外部表現(xiàn)。不同的傳感器有不同的內部結構參數(shù)，這些內部結構參數(shù)決定了他們具有不同的外部特性。輸入信號分為：穩(wěn)態(tài)、動態(tài)對應傳感器特性：靜態(tài)特性、動態(tài)特性傳感器的靜態(tài)特性：在穩(wěn)態(tài)信號作用下的輸入輸出關系。輸入輸出關系式不含有時間變量。一個高精度的傳感器必須要有良好的靜態(tài)特性和動態(tài)特性，從而確保信號（或能量）的無失真轉換，使檢測結果反應被測量的原始特征。衡量傳感器的靜態(tài)特性的主要指標：線性度,靈敏度,分辨率,遲滯,重復性,漂移。線性度：傳感器

3、的輸入、輸出間成線性關系的程度。傳感器的理想輸入輸出特性應是線性的，實際是具有一定的非線性特征，因此需要傳感器非線性特性的“線性化”。非線性特性的線性化處理：所采用的直線為擬合直線。P13 上半部分。（2-1）非線性誤差：非線性誤差（線性度指標）：最大非線性絕對誤差：輸出滿量程靈敏度：傳感器在穩(wěn)態(tài)信號作用下輸出量變化對輸入量變化的比值 Sn=輸出量的變化/輸入量的變化=dy/dx。對于線性傳感器，他的靈敏度就是他的靜態(tài)特性的斜率。非線性傳感器的靈敏度為一變量。靈敏度實質上是放大倍數(shù)，傳感器對輸入變量微小變化的敏感程度。靈敏度越高，系統(tǒng)的穩(wěn)定性越差。分辨率：指傳感器能夠感知或檢測到的最小輸入信號

4、增量。分辨率可以用絕對值或與滿量程的百分比來表示。遲滯：也叫回程誤差。在相同測量條件下，對應于同一大小的輸入信號，傳感器正（輸入量由小到大）、反（輸入量由大到小）行程的輸出信號大小不相等的現(xiàn)象。產生遲滯原因：產生原因：傳感器機械部分存在摩擦、間隙、松動、積塵等遲滯= p14(2-3)重復性：傳感器在輸入量按同一方向作全量程多次測試時所得輸入輸出特性曲線一致的程度p14(2-4)漂移：傳感器在輸入量不變的情況下，輸出量隨時間變化的現(xiàn)象。漂移將影響傳感器穩(wěn)定性。產生漂移的原因：1.傳感器自身結構參數(shù)老化，如：零漂2.測試過程中環(huán)境發(fā)生變化：如溫漂。傳感器的動態(tài)特性：是指傳感器對動態(tài)激勵（輸入）的響

5、應（輸出）特性，即其輸出對隨時間變化的輸入量的響應特性。一個動態(tài)特性好的傳感器，其輸出隨時間變化的規(guī)律（輸出變化曲線），將能再現(xiàn)輸入隨時間變化的規(guī)律（輸入變化曲線），即具有相同的時間函數(shù) 。動態(tài)誤差：實際上由于傳感器的敏感材料對不同的變化會表現(xiàn)出一定的慣性（如：溫度測量中的熱慣性）。因此輸出信號與輸入信號不具有完全相同的時間函數(shù)，這種輸入與輸出之間產生的差異叫做動態(tài)誤差，動態(tài)誤差反應的是慣性延遲所引起的附加誤差。傳感器的動態(tài)特性分析：時域（瞬態(tài)響應法）+頻域（頻率響應法）。時域輸入信號為階躍信號，頻域輸入信號為正弦信號。動態(tài)特性指標:1.與階躍響應有關的指標2.與頻率響應特性有關的指標時域動態(tài)

6、特性：延遲時間，上升時間，響應時間，超調量頻域動態(tài)特性：幅頻特性，相頻特性P15 參數(shù)講解傳感器的標定：是利用某種標準儀器對新研制或生產的傳感器進行技術檢定和標度；它是通過實驗建立傳感器輸入量與輸出量間的關系，并確定出不同使用條件下的誤差關系或測量精度。傳感器的校準：是指對使用或儲存一段時間后的傳感器性能進行再次測試和校正，校準的方法和要求與標定相同。傳感器的標定：靜態(tài)標定+動態(tài)標定傳感器的靜態(tài)標定：是在輸入信號不隨時間變化的靜態(tài)標準（靜態(tài)標準是指沒有加速度、沒有振動、沒有沖擊（如果它們本身是被測量除外）及環(huán)境溫度一般為室溫（20±5），相對濕度不大于85%，大氣壓力為7kPa的情形

7、）條件下確定傳感器的靜態(tài)特性指標，如線性度、靈敏度、遲滯、重復性等。傳感器的動態(tài)標定：主要是研究傳感器的動態(tài)響應特性。常用的標準激勵信號源是正弦信號和階躍信號。根據(jù)傳感器的動態(tài)特性指標，傳感器的動態(tài)標定主要涉及到一階傳感器的時間常數(shù)，二階傳感器的固有角頻率和阻尼系數(shù)等參數(shù)的確定。第3章 ：電阻式傳感器的基本工作原理:將被測量的變化轉化為傳感器電阻值的變化，再經(jīng)一定的測量電路實現(xiàn)對測量結果的輸出。應變：物體在外部壓力或拉力作用下發(fā)生形變的現(xiàn)象彈性應變：當外力去除后，物體能夠完全恢復其尺寸和形狀的應變彈性元件：具有彈性應變特性的物體應變式傳感器：是利用電阻應變片將應變轉換為電阻變化的傳感器工作原理

8、：當被測物理量作用于彈性元件上，彈性元件在力、力矩或壓力等的作用下發(fā)生變形，產生相應的應變或位移，然后傳遞給與之相連的應變片，引起應變片的電阻值變化，通過測量電路變成電量輸出。輸出的電量大小反映被測量的大小。結構：應變式傳感器由彈性元件上粘貼電阻應變片構成應用：廣泛用于力、力矩、壓力、加速度、重量等參數(shù)的測量電阻應變片的工作原理是基于應變效應應變效應：導體或半導體材料在外界力的作用下產生機械變形時，其電阻值相應發(fā)生變化電阻絲的靈敏系數(shù)（物理意義）：單位應變所引起的電阻相對變化量。常用的電阻應變片有兩種：1.金屬電阻應變片（應變效應為主，工作原理：基于應變效應導致其材料幾何尺寸發(fā)生變化）2.半導

9、體應變片（壓阻效應為主，工作原理：基于壓阻效應導致其電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象）。應變片的溫度誤差：環(huán)境溫度的改變而給測量帶來的附加誤差。 產生電阻應變片的溫度誤差主要因素有：1.電阻溫度系數(shù)的影響2.試件材料和電阻絲材料的線膨脹系數(shù)的影響。電阻應變片的溫度補償方法通常有線路補償和應變片自補償兩大類。電橋補償是最常用且效果較好的電阻片溫度誤差補償方法。 電橋補償工作原理：g為由橋臂電阻和電源電壓決定的常數(shù)。當R3和R4為常數(shù)時，R1和R2對電橋輸出電壓Uo的作用方向相反。 利用這一基本關系可實現(xiàn)對溫度的補償。測量方法：1. 當被測試件不承受應變時：R1和R2又處于同一環(huán)境溫度為t的溫度場中，調整電橋

10、參數(shù)使之達到平衡。工程上，一般按R1 = R2 = R3 = R4 選取橋臂電阻。溫度補償?shù)膶崿F(xiàn)：當溫度升高或降低t=t-t0時，兩個應變片因溫度而引起的電阻變化量相等，電橋仍處于平衡狀態(tài)，2. 被測試件有應變的作用：被測試件有應變的作用，則工作應變片電阻R1又有新的增量，而補償片因不承受應變，故不產生新的增量?？梢?電橋的輸出電壓Uo僅與被測試件的應變有關，而與環(huán)境溫度無關。注意補償條件： 在應變片工作過程中，保證R3=R4。 R1和R2兩個應變片應具有相同的電阻溫度系數(shù)、線膨脹系數(shù)、應變靈敏度系數(shù)K和初始電阻值R0。 粘貼補償片的補償塊材料和粘貼工作片的被測試件材料必須一樣，兩者線膨脹系數(shù)

11、相同。 兩應變片應處于同一溫度場。測量電路：通常采用直流電橋或交流電橋。（計算題：自己看書）直流電橋：1.平衡條件：當RL時，電橋輸出電壓為：當電橋平衡時，Uo=0，則有：電橋平衡條件：欲使電橋平衡， 其相鄰兩臂電阻的比值應相等， 或相對兩臂電阻的乘積應相等。應變片能將應變直接轉換成電阻的變化其他物理量（力、壓力、加速度等），需先將這些量轉換成應變彈性元件應變式傳感器的組成：彈性元件、應變片、附件（補償元件、保護罩等）；應用：電阻式力傳感器，電阻式壓力傳感器，電阻式液體重量傳感器。第4章 ：電感式傳感器的工作基礎：電磁感應概念：即利用線圈電感或互感的改變來實現(xiàn)非電量測量優(yōu)點：1.工作可靠、壽命

12、長2.靈敏度高，分辨力高3.精度高、線性好4.性能穩(wěn)定、重復性好根據(jù)工作原理分為：變磁阻式、變壓器式、渦流式.變磁阻式傳感器（工作原理）：變磁阻式傳感器由線圈、鐵芯和銜鐵三部分組成。鐵芯和銜鐵由導磁材料制成。在鐵芯和銜鐵之間有氣隙，傳感器的運動部分與銜鐵相連。當銜鐵移動時，氣隙厚度發(fā)生改變，引起磁路中磁阻變化，從而導致電感線圈的電感值變化，因此只要能測出這種電感量的變化，就能確定銜鐵位移量的大小和方向。當線圈匝數(shù)W為常數(shù)時，電感L僅僅是磁路中磁阻Rm的函數(shù)，改變或A0均可導致電感變化，因此變磁阻式傳感器又可分為變氣隙厚度的傳感器和變氣隙面積A0的傳感器。目前使用最廣泛的是變氣隙厚度式電感傳感器

13、。變磁阻式傳感器的應用：變隙電感式壓力傳感器，變隙式差動電感壓力傳感器 螺線管式差動變壓器（工作原理）：兩個次級線圈反相串聯(lián)，并且在忽略鐵損、導磁體磁阻和線圈分布電容的理想條件下, 其等效電路。 當初級繞組加以激勵電壓U時, 根據(jù)變壓器的工作原理,在兩個次級繞組W2a和W2b中便會產生感應電勢E2a和E2b。 如果工藝上保證變壓器結構完全對稱,則當活動銜鐵處于初始平衡位置時, 必然會使兩互感系數(shù)M1=M2。根據(jù)電磁感應原理, 將有E2a=E2b。由于變壓器兩次級繞組反相串聯(lián), 因而Uo=E2a-E2b=0, 即差動變壓器輸出電壓為零。零點殘余電壓：差動變壓器在零位移時的輸出電壓差動變壓器式傳感

14、器的應用：微壓傳感器。電渦流式傳感器（工作原理）：根據(jù)法拉第定律，當傳感器線圈通以正弦交變電流I1時，線圈周圍空間必然產生正弦交變磁場H1，使置于此磁場中的金屬導體中感應電渦流I2，I2又產生新的交變磁場H2。根據(jù)愣次定律， H2的作用將反抗原磁場H1，由于磁場H2的作用，渦流要消耗一部分能量，導致傳感器線圈的等效阻抗發(fā)生變化。線圈阻抗的變化完全取決于被測金屬導體的電渦流效應。電渦流式傳感器的應用：1、位移測量2、振幅測量3、轉速測量4、無損探傷第五章電容式傳感器的（工作原理）：P59 （參數(shù)含義)保持其中兩個參數(shù)不變，而只變其中一個參數(shù)，把該參數(shù)的變化轉換成電容量的變化，通過測量電路轉換為電

15、量輸出。電容式傳感器利用了將非電量的變化轉換為電容量的變化來實現(xiàn)對物理量的測量。電容式傳感器特點：1.結構簡單、體積小、分辨率高；2.可實現(xiàn)非接觸式測量；3.動態(tài)響應好；4.能在高溫、輻射和強振動等惡劣條件下工作；5.電容量小，功率小，輸出阻抗高，負載能力差，易受外界干擾產生不穩(wěn)定現(xiàn)象。電容式傳感器可分為三種：1.變極板間距離的變極距型2.改變極板面積的變面積型3.改變介質介電常數(shù)的變介質型 變極距型電容式傳感器：電容增大量：電容極板間距縮小量 推論出：與近似成線性關系變極距型傳感器可解決擊穿問題：云母的相對介電常數(shù)約為空氣的7倍，其擊穿電壓遠高于空氣，在這種情況下，極板間距可大大減小。一般極

16、板間距在25200um范圍內，而最大位移應小于間距的十分之一，因此這種電容式傳感器主要用于微位移測量。解決變極距型傳感器的非線性問題：采用差動結構（使得兩個電容器的電容量一個增加，另一個減小，這就是差動含義）未采用差動結構前：靈敏度：單位輸入位移所引起的輸出電容量變化與成反比關系 非線性誤差：采用差動結構后：靈敏度得到一倍的改善：非線性誤差轉換為二次關系而得以大大降低：變壓式交流電橋：電容式傳感器所用的變壓式交流電橋測量電路為差動電容式傳感器電橋輸出電壓：得出結論：在放大器輸入阻抗極大的情況下，輸出電壓與位移成線性關系二極管雙T型交流電橋：（c1和c2為傳感器的兩個差動電容）a:雙T型電橋連接

17、 b:方波電源 c:正半周 d:負半周1. 當傳感器沒有輸入時（ C1C2）：電流，且方向相反，一個周期內流過負載（）的平均電流為02. 當傳感器有輸入時，（C1！C2）：電流,F:電源頻率脈沖寬度調制電路：1. 變極距型：（采用差動電容）：與為線性關系2. 變面積型：與為線性關系結論：差動脈沖寬度調制電路適用于變極板距離和變面積式差動電容傳感器，且為線性特性。電容式傳感器的應用：1.電容式壓力傳感器2.電容式位移傳感器3.電容式加速度傳感器4.電容式厚度傳感器第8章 ：1. 熱電偶測溫原理熱電效應：兩種不同材料的導體（或半導體）組成一個閉合回路，當兩接點溫度T和T0不同時，則在該回路中就會產

18、生電動勢的現(xiàn)象。熱電動勢:通過熱電效應形成的電動勢（熱電動勢來源兩方面：1.兩種導體的接觸電動勢2.單一導體的溫差電動勢）熱電偶：兩種不同導體的組合熱電極：A,B兩導體為熱電極熱端（測量端或工作端，測溫時置于被測溫度場中）、冷端（參考端或自由端，一般要求他恒定在某一溫度）熱電偶基本定律（4種）1中間導體定律：在熱電偶測溫回路內，接入第三種導體時，只要第三種導體的兩端溫度相同，則對回路的總熱電勢沒有影響。應用：利用熱電偶進行測溫，必須在回路中引入連接導線和儀表，接入導線和儀表后不會影響回路中的熱電勢。測量儀表及引線作為第三種導體的熱電偶回路。2. 中間溫度定律：在熱電偶測溫回路中，為熱電極上某一

19、點的溫度，熱電偶AB在接點溫度為t、時的熱電勢等于熱電偶AB在接點溫度t、和、時的熱電勢和的代數(shù)和，即=+應用：如果熱電偶的兩個電極通過連接兩根導體的方式來延長，只要接入的兩根導體的熱電特性與被延長的兩個電極的熱電特性一致，且他們之間的連接的兩點溫度相同，則回路總的熱電動勢只與延長后的兩端溫度有關，與連接點溫度無關。在實際測量中，利用熱電偶這一性質，還可以對參考端溫度不為的熱電動勢進行修正。3. 標準電極定律：如果兩種導體A,B分別與第三種導體C組成的熱電偶所產生的電動勢已知，則有這兩個導體A，B組成的熱電偶產生的熱電動勢可確定為：應用：由于鉑的物理化學性穩(wěn)定，通常選用高純鉑絲作標準電極，只要

20、測得它與各種金屬組成的熱電偶的熱電動勢，則各種金屬間相互組合成熱電偶的熱電動勢就可根據(jù)標準電極定律計算出來。 4. 均值導體定律：如果組成熱電偶的兩個熱電極材料相同，無論兩接點的溫度是否相同，熱電偶回路中的總熱電動勢均為0.應用（意義）：有助于檢驗兩個熱電極材料成分是否相同及材料的均勻性。熱電偶為什么需要冷端溫度補償：由熱電偶的測溫原理可知，熱電偶產生的熱電動勢大小與兩端溫度有關，熱電偶的輸出電動勢只在冷端溫度不變的條件下，才與工作端溫度形成單值函數(shù)關系，實際應用中，由于熱電偶的冷端離工作端很近，且又處于大氣中，其溫度受到測量對象和周圍環(huán)境溫度波動的影響，因而冷端溫度難以保持恒定，這樣會帶來誤

21、差，所以需要進行冷端補償。冷端補償?shù)乃姆N方法：1. 熱電偶補償導線 ：P111 圖8-9看一眼熱電偶一般做得較短， 一般為3502000mm。在實際測溫時，需要把熱電偶輸出的電勢信號傳輸?shù)竭h離現(xiàn)場數(shù)十米遠的控制室里的顯示儀表或控制儀表，這樣, 冷端溫度t0比較穩(wěn)定。工程中采用一種補償導線。在0100溫度范圍內，要求補償導線和所配熱電偶具有相同的熱電特性。2. 冷端恒溫法：p111 圖8-10看一眼在實驗室及精密測量中，通常把冷端放入0恒溫器或裝滿冰水混合物的容器中，以便冷端溫度保持0。 這是一種理想的補償方法，但工業(yè)中使用極為不便3. 冷端溫度校正法：參數(shù)含義見P112如果熱電偶的冷端溫度偏離

22、，但穩(wěn)定在，則按中間溫度定律對儀表值進行修正。顯示儀表為被測量的實際溫度值。存在不足是不適合連續(xù)測量溫度。4. 自動補償法：自動補償法也稱電橋補償法，它是在熱電偶與儀表間加上一個補償電橋，當熱電偶冷端溫度升高，導致回路總電動勢降低時，這個電橋感受到自由端溫度的變化，產生一個電位差，其數(shù)值剛好與熱電偶降低的電動勢相同，兩者相互補償。這樣，測量儀表上所測的電動勢將不隨自由端溫度變化，自動補償法解決了冷端溫度校正法不適合連續(xù)測溫的問題熱電偶的測溫電路（3種）1. 測量單點的溫度：2. 測量兩點間溫度差（反極性串聯(lián)(a接a，b接b)）儀表值為溫度差值。為了提高測量精度，減小誤差，熱電偶的冷端溫度應相同

23、（）：參考端溫度，:測量工作端：中間溫度解釋見p1143. 測量多點的平均溫度（同極性并聯(lián)或串聯(lián)）1>熱電偶的并聯(lián)：將多支型號熱電偶的正極和負極分別連在一起的電路稱為熱電偶的并聯(lián)優(yōu)點：它也不會中斷整個測溫系統(tǒng)的工作。缺點：當有一只熱電偶燒斷時，難以覺察出來。2>熱電偶的串聯(lián)：將多支型號熱電偶的正極和負極依次連接形成的電路稱為熱電偶的串聯(lián)優(yōu)點：熱電動勢大，儀表的靈敏度大大增加，且避免了熱電偶并聯(lián)線路存在的缺點，可立即可以發(fā)現(xiàn)有斷路。缺點：只要有一支熱電偶斷路，整個測溫系統(tǒng)將停止工作。第9章 ：光電式傳感器（或稱光敏傳感器）：是利用光電器件把光信號轉換成電信號（電壓、電流、電阻等）的裝

24、置。光電式傳感器可以用來測量光學量或已轉化為光學量的其他被測量，輸出電信號。測量光學時：光電器件作為敏感元件使用；測量其他物理量時:作為轉換元件使用；光電式傳感器（類別）按工作原理分：1. 光電效應傳感器：是應用光敏材料的光電效應制成的光敏器件2. 紅外熱釋電探測器：主要是利用輻射的紅外光（熱）照射材料時引起材料電學性質發(fā)生變化或產生熱電動勢原理制成的一類器件。3. 固體圖像傳感器：結構上分為兩大類，一類是用CCD電荷耦合器件的光電轉換和電荷轉移功能制成CCD圖像傳感器，一類是用光敏二極管與MOS晶體管構成的將光信號變成電荷或電流信號的MOS金屬氧化物半導體圖像傳感器。4. 光纖傳感器：它利用

25、發(fā)光管（LED）或激光管（LD）發(fā)射的光，經(jīng)光纖傳輸?shù)奖粰z測對象，被檢測信號調制后，光沿著光導纖維反射或送到光接收器，經(jīng)接收解調后變成電信號。光電效應：當光照射在某些物體上時，光能量作用于被測物體而釋放出電子，即物體吸收具有一定能量的光子后所產生的效應光電式傳感器特點：1>光電式傳感器具有結構簡單、響應速度快、高精度、高分辨率、高可靠性、抗干擾能力強（不受電磁輻射影響，本身也不輻射電磁波）、可實現(xiàn)非接觸式測量等特點2>可以直接檢測光信號，間接測量溫度、壓力、位移、速度、加速度等3>其發(fā)展速度快、應用范圍廣，具有很大的應用潛力光電式傳感器=光路+電路（光路：實現(xiàn)被測信號對光量的

26、控制和調制；電路：完成從光信號到電信號的轉換）按測量光路組成分為（光電式傳感器基本形式）：1>透射式光電傳感器2>反射式光電傳感器3>輻射式光電傳感器4>開關式光電傳感器p126 圖9-1看一下長什么樣子常用的光電轉換元器件：真空電管，充氣光電管，光電倍增管，光敏電阻，光電池，光敏二級管及光敏晶體管作用：檢測照射其上的光通量光電器件是將光能轉變?yōu)殡娔艿囊环N傳感器件。是構成光電式傳感器的主要部件。光電器件工件的物理基礎：光電效應。光電效應分為：內光電效應、外光電效應外光電效應：當光照射到金屬或金屬氧化物的光電材料上時，光子的能量傳給光電材料表面的電子，如果入射到表面的光能

27、使電子獲得足夠的能量，電子會克服正離子對它的吸引力，脫離材料表面而進入外界空間，即外光電效應是在光線作用下，電子逸出物體表面的現(xiàn)象。根據(jù)外光電效應做出的光電器件：光電管和光電倍增管。光電器件的主要性能：伏安特性，光照特性，光譜特性，響應時間，峰值探測率和溫度特性光電器件的性能：（以光電管為例）1>伏安特性：在一定的光照下，對光電器件的陰極所加電壓與陽極所產生的電流之間的關系稱為光電管的伏安特性2>光照特性：當光電管的陽極和陰極之間所加電壓一定時，光通量和光電流之間的關系為光電管的光照特性。3>光譜特性：不同光陰極材料的光電管，對同一波長的光有不同的靈敏度；同一種陰極材料的光電管對于不同波長的光的靈敏度也不同，這就是光電管的光譜特性。內光電效應