傳感器原理復習提綱及詳細知識點(2016)(DOC)

1、第一章 緒論1.檢測系統(tǒng)的組成。傳感器測量電路輸出單元把被測非電量轉換成為與之有 確定對應關系， 且便于應用的某 些物理量 （通常為電量）的測量 裝置。把傳感器輸出的變量變換成電壓或電流 信號，使之能在輸出單元的指示儀上指 示或記錄儀上記錄；或者能夠作為控制 系統(tǒng)的檢測或反饋信號。指示儀、記錄儀、累加 器、報警器、數(shù)據(jù)處理 電路等。2.傳感器的定義及組成定義能感受被測量并按一定規(guī)律轉換成可用輸出信號的器件或裝置，通常由敏感元件和轉換元件組 成。組成敏感元件轉換元件轉換電路直接感受被測量，并輸出與被測量 成確定關系的物理量。敏感元件的輸出就是它的輸入，摶換成電路參量。上述電路參數(shù)接入基本轉換電路

2、， 便可轉換成電量輸出。3.傳感器的分類工作機理物理型、化學型、生物型構成原理結構型（物理學中場的定律）、物性型：物質定律能量轉換能量控制型、能量轉換型物理原理電參量式傳感器、磁電傳感器、壓電式傳感器用途位移、壓力、振動、溫度4.什么是傳感器的靜態(tài)特性和動態(tài)特性。靜特性輸入量為常量，或變化極慢動特性輸入量隨時間較快地變化時5.列出傳感器的靜態(tài)特性指標，并明確各指標的含義23ny二a0qx a2xa3xanxx輸入量，y輸出量，ao零點輸出，a-|理論靈敏度，a2非線性項系數(shù)傳感器在穩(wěn)態(tài)下，輸出的變化量與引起該變化量的輸入變化量之比。表征傳感器對輸入量變化的反應能力線性傳感器非線性傳感器正（輸入

3、量增大）反（輸入量減小）行程中輸出輸入曲線不重合稱為遲滯。AHH=max100%2YFS產生遲滯的原因：由于傳感器敏感元件材料的物理性質和機械另部件的缺陷所造成的，如彈性敏感元件彈性滯后、運動部件摩擦、傳動機構的間隙、緊固件松動等。傳感器的實際輸入-輸出曲線的線性程度。傳感器原理復習提綱靈敏度遲滯線性度4種典型特性曲線LM 二Lmax100%非線性誤差YFS, Lmax最大非線性絕對誤差，YFS一滿量程輸出值。直線擬合線性化：出發(fā)點T獲得最小的非線性誤差（最小二乘法：與校準曲線的殘差平方和最小。） 例 用最小二乘法求擬合直線。設擬合直線y=kx+b殘差i=yi-（kxi+b）n分別對k和b求一

4、階導數(shù)，并令其.：i2最小=0,可求出b和k7將k和b代入擬合直線方程，即可得到擬合直線，然后求出殘差的最大值 重復性是指傳感器在輸入量按同一方向作全量程連續(xù)多次變化時， 所得特性曲線不一致的程度。重復性誤差屬于隨機誤差，常用標準 差Z計算，也可用正反行程中最大重復差值計算，即R一（23）二100%或-Rmax100%R或2YFS傳感器無輸入時，每隔一段時間進行讀數(shù)，其輸出偏離零值，即為零點漂移。蛍勺00%零漂=YFS，式中Y0最大零點偏差；YFS滿量程輸出。00%即溫漂=YFSTmax輸出最大偏差;YFS零點漂移溫度漂移溫度變化時，傳感器輸出量的偏移程度。一般以溫度變化1度，輸出最大偏差與滿

5、量程的百分比表示,：maxT溫度變化值；YFS滿量程輸出。理懣線性蓋奇次項的非線性蓋偶次項的非線區(qū)奇、偶次項的非線性Lmax即為非線性誤差。重復性y=ayya樣斗口尹亍+.y=a1X+ZTX2+CT+1X4尸口+ +&芒6.一階特性的指標及相關計算。一階系統(tǒng)微分方程型+y = kxJ 時間常數(shù)，k=1靜態(tài)靈敏度dt拉氏變換(範+1)Y(s) =X (s)傳遞函數(shù)Y(s)1頻率響應函數(shù)Hg)=Yj)=1X(jo)1+j血誤差部分7.測量誤差的相關概念及分類相關概念（1）等精度測量（2）非等精度測量（3）真值（4）實際值（5）標稱值（6）示值（7）測量誤差分類系統(tǒng)誤差隨機誤差粗大誤差絕對誤差-修正

6、值（1）正態(tài)分布其標準差為Z，如果其中某一項相對誤差一一最大允許誤差 （看例題）（2）隨機誤差的評價指標（3）測量的極限誤差殘差d 3，則該項為壞值8.絕對誤差，相對誤差的概念及計算絕對誤差1.絕對誤差是示值與被測量真值之間的差值，是一個有大小、有正負、有單位的量。1.頭際絕對誤差x=x-Ao2在實際中用精度高一級的示值代替真值Ao，即實際值A代替真值A。3修正值C=x相對誤差相對誤差是絕對誤差與被測量的約定值之比。ix1實際相對誤差-A-X100%A2.示值相對誤差-x -“00%x3.滿度（引用）相對誤差 4 00%Xn4.最大允許誤差；缶一xx100% a%，儀表最大滿度誤差不許超過準確

7、度等級的百分數(shù)Xnx5.示值相對誤9.隨機誤差的評價指標和極限誤差評價指標正態(tài)分布曲線的算術平均值和均方根誤差算術平均值標準差nZ 62i=1x1十x2十+ xnnxi啟2 +崔2 +單次測量厲12-v -1n pinxn厶nni=1n殘差代替隨機誤差：1n2f v 2I 2 .2 . 2J L vi貝塞爾公式花_/V1v2 + Vn-J 7Vn -er1 n -1算術平均值測量6x=Fx節(jié)n計算單次測量1CTJ 2從beJ算術平均值被測量的算術平均值與真值之差d_ =x- A0隨機誤差在S至+S范圍內概率為：x1戶e26念當多個測量列算術平均值誤差為正態(tài)分布時，得到測量n / -4-X5 6

8、 =J % 56P( 2) 二二上式變列算術平均值的極限誤差表達式為5lim經變換t為式中的t為置信系數(shù)，坊-為算術平均值的標準差。P嚴)2t上f e2dt = 2(t)L0 /Sm X二=3七10.系統(tǒng)誤差的發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)誤差的減弱和消除方法。發(fā)現(xiàn)1） 理論分析及計算：因測量原理或使用方法不當引入系統(tǒng)誤差時，可以通過理論分析和計算的方法加 以修正。2） 實驗對比法：實驗對比法是改變產生系統(tǒng)誤差的條件進行不同條件的測量，以發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)誤差， 這種 方法適用于發(fā)現(xiàn)恒定系統(tǒng)誤差。3） 殘余誤差觀察法：根據(jù)測量列的各個殘余誤差的大小和符號變化規(guī)律，直接由誤差數(shù)據(jù)或誤差曲線 圖形來判斷有無系統(tǒng)誤差，這種方法主

9、要適用于發(fā)現(xiàn)有規(guī)律變化的系統(tǒng)誤差。4）殘余誤差校核法1用于發(fā)現(xiàn)累進性系統(tǒng)誤差一一馬利科夫準則2用于發(fā)現(xiàn)周期性系統(tǒng)誤差一一阿卑-赫梅特準則5）計算數(shù)據(jù)比較法：對冋一量進行多組測量，得到很多數(shù)據(jù)，通過多組計算數(shù)據(jù)比較，若不存在系統(tǒng)誤差，其比較結果應滿足隨機誤差條件，否則可認為存在系統(tǒng)誤差。任意兩組結果之間不存在系統(tǒng)誤22I j1）從產生誤差源上消除系統(tǒng)誤差：從生產誤差源上消除誤差是最根本的方法，它要求在產品設計階段 從硬件和軟件方面采取必要的補償措施和修正措施，或者采取合適的使用方法將誤差從產生根源上加以消除。2） 引入修正值法知道修正值后，將測量結果的指示值加上修正值，就可得到被測量的實際值。智

10、能傳感器更容易采用 該方法。3） 零位式測量法4）這種方法是標準量與被測量相比較的測量方法，其優(yōu)點是測量誤差主要取決于參加比較的標準器 具的誤差，而標準器具的誤差可以做的很小。這種方法要求檢測系統(tǒng)有足夠的靈敏度，如自動平衡顯 示儀表。4.應變片的溫度誤差產生的原因及其補償方法。產生原因（1） 敏感柵電阻值ARp =（2） 線膨脹系數(shù)不匹配ARrp=R0Ko（Pg-氏）豪由于溫度變化而引起的總電阻變化為也 RT=RTG+ ART0=R）必T+尺心（駡-ESHT（邑）相應的虛假應變輸出為莓R季+（目_R）ZTK。Ko補償方法自補償法單絲自補償法（選擇式自補償）組合式自補償法（雙金屬敏感柵自補償）削

11、弱/消除5）補償法11.粗大誤差的判定及處理。判別粗大誤差最常用的統(tǒng)計判別法：如果對被測量進行多次重復等精度測量的測量數(shù)據(jù)為xnx1，x2，,，xd”,其標準差為Z，如果其中某一項殘差vd大于三倍標準差，即V 3則認為vd為粗大誤差，與其對應的測量數(shù)據(jù)xd是壞值，應從測量列測量數(shù)據(jù)中刪除。第二章電阻式傳感器原理與應用1.電阻式傳感器的基本原理。電阻式傳感器是將被測量的變化轉化為傳感器電阻值的變化，再經過測量電路實現(xiàn)測量結果的輸出。被測電阻電阻變化2.金屬的應變效應：金屬絲（導體）在外界力作用下產生機械變形（伸長或縮短）時，其電阻值相應發(fā)生變化3.應變片的橫向效應。敏感柵是由多條直線和圓弧部分組

12、成 直線段：沿軸向拉應變 x，電阻f圓弧段：沿軸向壓應度&y，電阻J卻KJ（箔式應變片）es,調節(jié)電位器R可調平衡。圖中電阻Rl=R2=Ro，電容Ci=C2=Co，輸出電壓為UCD。電路是以兩個橋路整流后的直流電壓之差作為輸出的， 所以稱為差動整流電路。它不但可以反映位移的大小(電(1)當差動變壓器鐵芯在中間位置時，es=O,只有er起作用。 設此時er為正半周， 即A為“+”，B為“一”，則D1、D2導通，D3、D4截止， 流過R1、R2上的電流 分別為i1,、i2， 其電壓降UCB及UDB大小相等方向相反， 故輸出電壓UCD=0。當er為負半周時，A為“-”，B為“+”，此時D3、D4導通

13、，D1、D2截止， 流過，R1、R2的電流分別為i3、i4，其電壓降UBC與UBD大 小相等方向相反， 故輸出電壓UCD=0。(2) 若鐵芯上移es和er同位相， 由于eser,故er正 半周時D1、D2仍導通，D3、D4截止，但D1回路內總 電勢為er+es/2，而D2回路為er-es/2,故回路電流i1i2,輸出電壓UCD=R0(i1-i2)0。當er為負半周時，D3、D4導通、D1、D2截止， 此時D3同路內總電勢為er-es/2,D4回路內總電勢為er+es/2，所以回路電流i4i3，故輸 出電壓UCD=R0(i4-i3)0因此， 鐵芯上移時，輸出電壓UCD0。(3) 當鐵芯下移時，e

14、s和er相位相反。 同理可得UCDRB-RA時，電容器的電容為:10.電容式傳感器可分為哪幾類？各自的主要用途是什么？電容式差壓傳感器電容式振動位移傳感器電容式加速度傳感器結構簡單、靈敏度咼、響應速度快(約100ms)能測微小壓差(00.75Pa卜真空或微小絕對壓力加速度傳感器安裝在轎車上， 可以作為碰撞傳感器。利用加速度傳感器實現(xiàn) 延時起爆的鉆地炸彈11.推導變極距型、變面積型和變介電常數(shù)型電容傳感器的計算公式，并利用公式進行計算。(會公式并進行計算)變極距型變面積型變介電常數(shù)型低頻透射式渦流傳感器基本結構平板電容式中：電容極板間介質的介電常數(shù),=0，其中0為真空介電常數(shù)，r極板間介質的相對

15、介電常數(shù)；A的面積；d 兩平行板之間的距離。兩平行板所覆蓋InRA工作原理名名AC _0 rAC0d初始電容d線位移變面積型初始電容廠2兀訕ln dC C - Co _ (；r2-1)LAable-odCU+口動極板定極板(b)筒狀Uo與極板間距離d成線性關系(a)平板狀UoUoUoC1- C2UG C22運算放大 器電路U21/(j Cx)u1/(j C)uCd；s輸出電壓d2Cx = (；S)/d乙U八4。+U2 |電容量與極板間距 j 一 _離的關系若采用變極距式電容傳感器Uod UCi, C2二:-d_ 心dd + Ad輸出電壓與位移呈線性關系。d 2_最大特點：能克服變極距型電容傳感

16、器的非線性Cx是傳感器電容C是固定電容u0是輸出電壓信號CuCx12.電容傳感器測量電路。電橋電路Uo=Z2U2Z1Z22乙靈敏度高Co電容變化量與移動量L呈線性關系。ddodo小則CoLoAR-A0-)u脈寬調制電路結論：從原理上保證了變極距型電容式傳感器的線性。假設放大器開環(huán)放大倍數(shù)A=輸入阻抗Zi=因此仍然存在一定的非線性誤差，但一般A和Zi足夠大，所以這種誤差很小。利用對傳感器電容的充放電使電路輸出脈沖的寬度隨傳感器電容量變化而變化通過低通濾波器就能得到對應被測量變化的直流信號d0 Ad C+ACC二CoC = A =Co,do_Ad 1也ddoC二CoC二1,dCo4do丿/1-do

17、Ad/do1時：CdoC _0；r(a-：X)bAC與Ax呈線 性 關系 角位移 變 面積型Coa(6 )名0gr Ao1-O二Co_ Co -TtdoAC與角位移0呈線性關系乂/心一；)hln d電容增量與液位h呈線性關系。L=0時，傳感器的初始電容o；r1Lobodo(Lo- L) *汀2LC = C C2 = Jobo-do當被測電介質進入極板間L深度后，引起電容相對變化量為Co+ V!XXUo二UA-UB當差動電容不相等時，uAB電壓經低通濾波器濾波后，U1T1-U1T2- T2式中:U1 -T1T2T1T2比轉吾動相T平為當電軫電均5調頻電路雙T型電 橋電路Uo輸出U1T1、T2U1

18、T2=R2C2I nU1U1 Ur=RCInU1 Ur結論：輸出的直流電壓與傳感器兩電容差值成正比 設電容C1和C2的極間距離和面積分別為di、d2和S1、S2Si功不時均值零基容答T壓為當電W，電0觸發(fā)器輸出高電平；-Ci、C2充電至Ur時所需時間。CC2U1C1C2I Id2 -d1 |.U0UEU0差動變極距型d2d1，差動變面積型特性：差動脈沖調寬電路能適用于任何差動式電容式傳感器，并具有理論上的線性特性12二 一LC2、LQ G C。_ OC2,Uo0傳感器有 輸入時如果C1vC2T,U。0電路的優(yōu)點：簡單，不須附加相敏檢波電路。負半周：C2充電情況不變，C1放電電流增 大。輸出負電

19、 壓變小。正半周：C1充電 電量增多，C2放 電情況不變。輸 出正電壓情況不 變。正半周：C1充tbvCl|0直流電場直流電場 E電場作用下的伸長電場作用下的伸長+ （Ca+Cc+Ci）第六章溫度檢測1.接觸式測溫方法的優(yōu)點和缺點。（簡答）優(yōu)點直觀、可靠，測量儀表也比較簡單。缺點由于敏感元件必須與被測對象接觸，在接觸過程中就可能破壞被測對象的溫度場分布，從而造成測量誤差。 有的測溫元件不能和被測對象充分接觸，不能達到充分的熱平衡，使測溫元件和被測對象溫度不一致，帶來誤差。在接觸過程中，介質腐蝕性，高溫時對測溫元件的影響，影響測溫元件的可靠性和工作壽命。也會2.影響較大的兩個經驗溫標。華氏溫標、

20、攝氏溫標3.常用的熱電阻有哪幾種？適用范圍如何？材料溫度系數(shù)a（1/C）比電阻p(.mm2/m)溫度范圍（C）特性3.92X10-30.0981-200 +650近線性銅4.25X10-30.0170-50 +150線性鐵6.50X10-30.0910-50 +150非線性鎳6.60X10-30.1210-50 +100非線性4.熱敏電阻與熱電阻相比較有什么優(yōu)缺點？熱敏電阻熱電阻優(yōu)點具有電阻值和電阻溫度系數(shù)大（49倍）、靈敏度高；體積小、結構簡單；熱慣性小、響應速度快；使用方便；壽命長；易于實現(xiàn)遠距離測量。靈敏度低缺點互換性較差，冋一型號的產品特性參數(shù)有較大區(qū)別；穩(wěn)定性較差；非線性穩(wěn)定性好，線

21、性關系好嚴重，不能在高溫下使用。5.根據(jù)熱敏電阻隨溫度變化的特性不同，熱敏電阻可以分為哪三種類型，各有什么特點負溫 度系數(shù) 熱敏電阻NTC熱敏電阻在不同值時的電阻一溫度特性，溫度越高，阻值越 小,且有明顯的非線性。NTC熱敏電阻具有很高的負電阻溫 度系數(shù)，特別適用于：100+300C之間測溫。應用較多。NTC的溫度系數(shù)（1）5式const.T :a T低溫段比高溫段靈敏（3）靈敏度比金屬熱電阻高（10倍）CTRPTC1FIt*irIF1電廂1r 一 f -葦 -:* Kn4Vi4d正溫度 系數(shù)熱 敏電阻PTC熱敏電阻的阻值隨溫度升高而增大，且有斜率最大的區(qū)域，當溫度超過某一數(shù)值時，其電阻值朝正

22、的方向快速變化?？?以用作各種電器設備的過熱保護。-V1X-%X” *I=I ;臨界溫 度系數(shù) 熱敏電阻CRT也具有負溫度系數(shù)，但在某個溫度范圍內電阻值急劇下降，曲線斜率在此區(qū)段特別陡，靈敏度極高。主要用作溫度開關。%. q*潟虹.L1111-U W110 1AU 2UU6.熱敏電阻的線性化方法。7.熱電阻的三線制接法及其特點8.熱敏電阻的應用。管道流量測量、熱敏電阻體溫表、CPU的溫度測量、電熱水器的溫度控制9.什么是熱電效應？熱電偶測溫回路的熱電動勢由哪兩部分組成？由同一種導體組成的閉合回路能產生熱電勢嗎?含義熱電偶、熱電阻和熱敏電阻的結構及測溫范圍熱電動勢來源：接觸電動勢和溫差電動勢產生

23、熱電勢的條件：熱電偶不同電極材料兩端溫度不同10.熱電偶的結構形式有哪幾種?普通型熱電偶特殊熱電偶鎧裝型熱電偶薄膜熱電偶11.熱電偶的基本定律。中間導體定律在熱電偶測溫回路內，接入第二種導體時，只要第二種導體的兩端溫度相冋，則對回路的總熱電 勢沒有影響。連接導體定律T在熱電偶回路中，如果熱電極A和B分別于連接導體A和B相接，其接點溫度分別為T、Tn和TO。則回路的總熱電動勢等于：Ar|YBrEABAB仃,人,T0) =EAB(T,Tn)+EA*B(Tn,T0)T 0T“當A與A ,B與B材料分別相同時bEAB(T,Tn,To) =EAB(T, Tn) +EAB(Tn,T0)均質導體定律由兩種均

24、質導體組成的熱電偶，其熱電動勢的大小只與兩材料及兩接點溫度有關，與熱電偶的大 小尺寸、形狀及沿電極各處的溫度分布無關。即熱電偶必須由兩種不同性質的均質材料構成。12什么是補償導線？作用是什么?補償導線是在一定溫度范圍內(0100C)具有與所匹配熱電偶熱電動勢相同標稱值的一對帶有絕緣層的導線，用它們連接熱電偶與測量裝置，以補償它們與熱電偶連接處的溫度變化所產生的誤差。13.使用補償導線時應注意哪些問題?(1) 補償導線必須與熱電偶配套，不同型號的熱電偶應選用不同的補償導線。(2) 補償導線與熱電偶連接時應正極接正極，負極接負極。(3) 補償導線與熱電偶連接的兩個接點必須同溫。14.熱電偶的冷端溫度補償(電橋補償法)15.會查表計算。(計算)toEAB(t,to) “RCU*UABEAB(3UAB=恒定值UABRCE(RCUR注意：儀表的輸入阻抗要足夠高，否則無法準確測量電動勢。R2R3熱電偶冷端不為0的計算例：用鎳鉻-鎳硅熱電偶測量加熱爐溫度。已知冷端溫度t0=30C,測得熱電勢eAB（t,t0）