中央電大傳感器測試技術(shù)總復(fù)習(xí)詳解

#傳感器與測試技術(shù)總復(fù)習(xí)第一章緒論一、測試系統(tǒng)構(gòu)成——傳感器、信號變換、顯示記錄等環(huán)節(jié)P3二、傳感器組成——敏感元件、轉(zhuǎn)換元件、轉(zhuǎn)換電路。傳感器定義：以一定的精度把被測量轉(zhuǎn)換成另一種便于檢測量的裝置。三、傳感器的分類——按工作機理、能量轉(zhuǎn)換、輸入量、物理原理（常用）按工作機理分：結(jié)構(gòu)型傳感器——結(jié)構(gòu)參數(shù)變化（實現(xiàn)信號變換）物性傳感器——結(jié)構(gòu)參數(shù)不變，而僅依靠內(nèi)部物體，化學(xué)性質(zhì)變化而實現(xiàn)傳感的功能。第二章傳感器的一般特性一、傳感器的靜特性1、定義——傳感器在輸入量的各個值處于穩(wěn)定狀態(tài)時的輸出與輸入關(guān)系，即當(dāng)輸入為常量或變化極慢時輸出與輸入的關(guān)系。2、主要指標(biāo)①測量范圍與量程——測量的下限和測量上限表示的測量區(qū)間稱測量范圍。量程=上限-下限②線性度—輸出輸入校正曲線與其擬合直線間的最大偏差。③遲滯—傳感器在正反行程中輸出輸入曲線不重合稱遲滯。④重復(fù)性—全量程輸入按同一方向會連續(xù)多次測量所得曲線不一致的程度。⑤靈敏度一輸出變化量Ay與引起此變化量的輸入變化量A%之比K=dydx靈敏誤差Y=AK義100%SK⑥分辨力—在測量范圍內(nèi)能檢測出輸入量的最小變化值閾值（起始靈敏度）—在零點附近的分辨力（它是死區(qū)概論）⑦穩(wěn)定性一在室溫條件下，經(jīng)一段時間間隔后，傳感器的輸出與起始標(biāo)定時的輸出間的差異。⑧漂移一零點漂移、靈敏度漂移、時漂和溫漂⑨誤差的表示a絕對誤差b=X-Q（式中X為測量值，Q為約定真值），修正值C=-b相對誤差e=5 _相對誤差e=x100%Q5 5c引用（相對）誤差丫=——X100%= X100%y x-xFS maxmin常用丫 定義儀表精度等級Smax5S<Y=一X100%myFS⑩靜態(tài)誤差（精度）定義——在全量程內(nèi)任何一點輸出值與理論輸出值偏離程度二、動特性、定義——傳感器對隨時間變化的輸入量的響應(yīng)程度、指標(biāo)一一響應(yīng)時間t,yQ）的3上升時間t,yQ）的r穩(wěn)定時間t，超調(diào)量o 見w三、標(biāo)定與校準(zhǔn)1、標(biāo)定——利用某種標(biāo)準(zhǔn)器具對傳感器進(jìn)行標(biāo)度概念：①對新研制或生產(chǎn)的傳感器全面技術(shù)檢定稱標(biāo)定。②對使用中或儲存后進(jìn)行性能復(fù)測稱校準(zhǔn)。2、方法——利用標(biāo)準(zhǔn)儀器產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)輸入量，輸入到傳感器，傳感器輸出量與輸入的標(biāo)準(zhǔn)量作比較，得一系列數(shù)據(jù)或曲線。對傳感器靜態(tài)特性指標(biāo)確定。3、靜態(tài)和動態(tài)標(biāo)定——研究動態(tài)響應(yīng)。零階為靜態(tài)靈敏度K；一階為時間常數(shù)t；二階為固有頻率攻和阻尼比己0n四、提高傳感器性能方法1、非線性校正——開環(huán)非線性補償、非線性反饋補償法2、溫度補償一一①減小傳感器零位輸出溫度誤差靈敏度；②減小傳感器靈敏度對溫度的敏感度。3、閉環(huán)技術(shù)4、平均技術(shù)——誤差平均效應(yīng)、數(shù)據(jù)平均處理5、差動技術(shù)——電感、電容傳感器應(yīng)用（一正一負(fù)組成差動形式）6、集成和智能化7、抑制干擾——屏蔽、隔離、濾波——是減小電磁干擾的措施第三章電阻式傳感器一、應(yīng)變式傳感器1、定義一一電阻稱在外力作用下一機械變形一阻值變化，這一現(xiàn)象稱電阻絲應(yīng)變效應(yīng)。/具體分析：R=P兀r28=如縱向應(yīng)變定義8(犬 8=~^8，式中N為泊松比dr橫向應(yīng)變 rrdR

Rdp=[(1+2N)+—]8=K8人dR金屬絲 =(1+2日)8R….AR計算公式r二K082、結(jié)構(gòu)與類型①應(yīng)變片類型一一電阻絲式、金屬箔式②應(yīng)變片結(jié)構(gòu)一一敏感柵、絕緣基片、覆蓋片3、主要特性—,AR/R 一 〃,①應(yīng)變片電阻靈敏度系數(shù)K= ，式中實驗測得抽樣，K電阻絲靈敏8 0度系數(shù),K<Ko②橫向效應(yīng)縱向力-8，但也會有8變動，這就是橫向效應(yīng)。r③溫度效應(yīng)這是與用絲式應(yīng)變片有關(guān)，若用箔式就可減小橫向效應(yīng)帶來測量誤差。環(huán)境溫度變化At引起③溫度效應(yīng)=At-at=k(P-P=At-at=k(P-P)At，式中P為應(yīng)變IR一八一……一八一……」AR}敏感元件和試件膨脹系數(shù)不同|--IR2片，P為試件膨脹系數(shù)g補償方法一一單絲自補償法、雙絲自補償法、橋路補償法(差動、熱敏電阻橋路)④絕緣電阻一一引線與被測試件之間的電阻⑤應(yīng)變權(quán)限一一 使非線性達(dá)到 時的真實應(yīng)變值

、轉(zhuǎn)換電路對角電阻乘積

兩者相等平衡單臂U(RR—RR、轉(zhuǎn)換電路對角電阻乘積

兩者相等平衡單臂U(RR—RR) 1-3 2~4 E(R+R)(R+R)1 23 44AR一iE4R0雙臂UAR一lE2R0P80例題已知：R=R=120Q，K=2，應(yīng)變?yōu)?003￡，U=5V，R和R一個受拉，12 12一個受壓，求輸出U0解：AR=KR￡=2x120x0.001=0.24歐姆，AR 024=——U= x5=0.005V=5mV2R 2x1205、應(yīng)變片的選擇①類型選擇——箔式或半導(dǎo)體應(yīng)變片②材料選擇③阻值選擇，一般。，提高靈敏度也可使R阻值增加為 ?。④尺寸選擇6、應(yīng)用——測力、壓力、加速度測力彈性元件為力敏元件將力的大小一應(yīng)變量變化，通常有柱式、環(huán)式、梁式。二、壓阻式傳感器1、壓阻效應(yīng)——半導(dǎo)體應(yīng)變片受應(yīng)力后，材料電阻率變化，阻值中dpAR,—[(=[(1+2MO+~^~]eR e半導(dǎo)體應(yīng)變片阻值變化主要由材料電阻率變化引起的ARApA—= =兀Ee，式中兀為壓阻系數(shù)，E彈性模置，e應(yīng)變Rp2、主要特性：了解、測量電路：恒壓供電一一U=U力A力，它與電源U的大小精度有關(guān)，電路簡單，不能消除0 R+ART溫度影響，與溫度有關(guān)，它還是非線性恒流供電一一U=IAR，它與電源I的大小精度有關(guān)，但不受溫度影響。04、溫度補償①零點溫度補償一一它是由個擴(kuò)散電阻值及它們溫度系數(shù)不一致造成解決辦法一一串并聯(lián)電阻②靈敏度溫度補償一一壓阻系數(shù)e隨溫度變化tT一eJ解決辦法——串聯(lián)二極管5、應(yīng)用——測量壓力、加速度三、熱電阻傳感器1、工作原理R=R(1+at) tTfRTt0 t要求：a、電阻溫度系數(shù)a大；b、tTfRT良好線性；tc、物理、化學(xué)性能驗定d、尺寸小e、復(fù)制性好(純度高)價格便宜。2、類型特點①鉑電阻P10和P100 。-?℃穩(wěn)定性好、精度高tt②銅電阻C50和C100 。?℃線性、價廉、易氧化uu3、測量電路及應(yīng)用三線制——克服引線電阻受環(huán)境溫度變化帶來測量誤差四線制——精確測量四、電位計式（變阻器式）傳感器位移一電阻變化、類型——直線位移型、角位移型、非線性型、測量電路——電阻分壓電路用于測量線位移、角位移第四章電容式傳感器一、原理及特性C=強5變極距型（或稱變間隙5型）、變面積S，變解電常數(shù)81、變極距（間隙）型8S 8S8SAS「A8當(dāng)間隙變?。–T，增加AC），則AC=一去■一^_=玉_?^一而=C一K5-AS5 55-AS o5-AS①只有當(dāng)5?A5時，AC與A5呈線性關(guān)系②常用差動式（圖）可減小非線性，提高靈敏度2、變面積型——電容量與位移量線性關(guān)系A(chǔ)a⑴線位移AC=C—0aAa⑵角位移AC=C0a⑶容柵傳感器它是在變面積型電容傳感器的基礎(chǔ)上發(fā)展成的一種新型傳感器，它有長容柵和圓容柵二種。它可看成一對對小電容并聯(lián)連接而成。——具有電容傳感器的特點：動態(tài)響應(yīng)快、結(jié)構(gòu)簡單，溫度穩(wěn)定性好（本身發(fā)熱很小），易實現(xiàn)非接觸測量，還具有分辯力高、精度高，對刻制精度和安裝要求不高，量程大，應(yīng)用數(shù)顯量具（數(shù)顯千分尺，數(shù)顯卡尺）3、變解電常數(shù)型C=C+AC AC正比于液位高度x0它可以測量厚度、位移、液位一使用最多二、設(shè)計及應(yīng)用1、特點優(yōu)：a、溫度穩(wěn)定性好；b、結(jié)構(gòu)簡單；c、動態(tài)響應(yīng)快；d、可實現(xiàn)非接觸式測量缺：a、輸出阻抗高，負(fù)載能力差；b、寄生電容影響大—一引線電容、分布電容，對電容傳感器本身小電容影響大c、輸出特性非線性變§本身非線性。變8和S只有忽略邊緣效應(yīng)，才是線性。（即當(dāng)極片尺寸＞＞極距，圓筒高度＞＞直徑）2、誤差分析及補償⑴減小環(huán)境溫度、濕度等影響——常用差動對稱結(jié)構(gòu)★⑵消除和減小邊緣效應(yīng)邊緣效應(yīng)不僅使傳感器靈敏度降低，而且產(chǎn)生非線性減小方法：a、尺寸上一一極片尺寸＞＞間距，圓筒高度＞＞直徑b、結(jié)構(gòu)上一一增設(shè)等位環(huán)P92等位環(huán)與電極電位相等，使電極邊緣處電力線平直或理解等位環(huán)外電場不影響平板電容正常工作。⑶消除和減小寄生電容影響⑷防止和減小外界干擾3、轉(zhuǎn)換電路⑴電橋電路 P96C⑵運放電路可使U=-U—0§0 8s4應(yīng)用一差壓（可測流量）、加速度、液位、荷重

第5章電感式傳感器Ax-AL 自感式傳感器Ax-AM互感式傳感器§1自感式傳感器間隙AS-AR磁阻—ALm變面積式，線性,N2四S一變面積式，線性1、閉磁路L=--^―2S、小位移，常用差動式2、螺線管式位移量可增大，特別是差動式位移量可增大，P107差動式與單線圈比較變氣隙式——靈敏度高，非線性嚴(yán)重，量程?。蛔兠娣e式——靈敏度低，線性好，量程較大，制造裝配較方便；螺管型——靈敏度最低，量程大，線性較好，制造方便，批量生產(chǎn)互換性強，應(yīng)用廣AZ ALP108轉(zhuǎn)換電路，交流電橋U=--U，當(dāng)3L?r，U=--U02Zi 02Li00§2差動變壓器--其-工作原理類似變壓器，并做成差動形式，故稱差動變壓器1、原理Ax-AM-AU它也有變間隙，變面積和螺線管式三種2、轉(zhuǎn)換電路—利用整流電路-2、轉(zhuǎn)換電路—利用整流電路-AI直流電流-AU直流電壓變化見P1173、誤差分析零位誤差（零點殘余電壓）一原因，解決辦法見P117§3電渦流傳感器原理 當(dāng)一塊金屬導(dǎo)體放置在一變化的磁場中，導(dǎo)體內(nèi)就會感應(yīng)電流，電流在導(dǎo)體內(nèi)轉(zhuǎn)圈，故稱電渦流，利用此原理做成的傳感器稱電渦流傳感器。電渦流最大特點它是非接觸式①高頻反射式z=f(P,N,t,攻,x) 式中t導(dǎo)體厚度式中：x變化一一可測位移、厚度、振動。電阻率P變化一一測量表面溫度、材質(zhì)。磁導(dǎo)率N變化一一測應(yīng)力、硬度。同時改變x、P和N可對導(dǎo)體探傷。②低頻透射式■圖 發(fā)射線圈兩端加低頻電壓U，通過金屬板在接收線圈感應(yīng)出交變電動勢1E金屬板厚度越大，產(chǎn)生電渦流越大，損耗磁場越大，E就越小。電流穿透度h電流穿透度h(t)(P大，適用高頻，P小，適用低頻;fT，適用薄板，fJ，適用厚板。)§4壓磁式傳感器i壓磁效應(yīng)一一鐵磁材料在外力作用下，內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)變一產(chǎn)生應(yīng)力一各磁疇間的界限發(fā)生移動一磁疇的磁化強度矢量轉(zhuǎn)動一破壞平衡一材料總磁化強度發(fā)生變化。測量繞組就會有感應(yīng)電動勢E E=f(F) 即fTfeT2工作原理感應(yīng)電場E=f(F)外力3、應(yīng)用——輸出功率大，抗干擾能力強，過載性好(重機業(yè)和化工行業(yè))§5感應(yīng)同步器i工作原理一利用兩個平面繞組互感系數(shù)隨定尺和滑尺的相對位置的變化而變化，W構(gòu)造一滑尺兩繞組錯開4(卬為節(jié)距)，滑尺通入激勵電壓一定尺得感應(yīng)電勢。根據(jù)感應(yīng)電勢周期變化次數(shù)，即可反映節(jié)距卬移動個數(shù)，也就反映了定尺和滑尺的相對位置的變化。2、輸出信號的處理—檢測系數(shù)①鑒相式一根據(jù)感應(yīng)電勢的相位變化測出位移X-e-ex②鑒幅式一根據(jù)感應(yīng)電勢的幅值變化測出位移X-sin（e-e）-eX1式中e一定1、感應(yīng)同步器誤差—零位誤差（定尺精度造成）細(xì)分誤差（滑尺精度造成）第六章磁電式傳感器一、磁電感應(yīng)式傳感器i工作原理一一線圈在磁場中作切割磁力傳運動一產(chǎn)生感應(yīng)電動勢只要磁通量發(fā)生變化，就會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢磁通量變化主要有：①線圈與磁場發(fā)生相對運動 ②磁路中磁阻變化③線圈中磁通量發(fā)生變化——恒定磁場中線圈面積變化還反映磁電式傳感器的優(yōu)點二、類型（）變磁通式一一變磁阻式 氣隙變化一磁阻變化閉磁路變磁通式 （圖6-）1開磁路變磁通式 （圖6-）2（）恒定磁通式一一測速度速度變化一感應(yīng)電勢①磁鐵不動，線圈運動圖 ez②線圈不動，磁鐵運動圖3、應(yīng)用P143二、霍爾傳感器RIBi工作原理 霍爾效應(yīng) 第題 -H-霍爾系數(shù)，霍爾靈敏度系數(shù)，半導(dǎo)體厚度、結(jié)構(gòu)與特性一看書后面練習(xí)（1）材料與結(jié)構(gòu) （2）主要技術(shù)參數(shù)、驅(qū)動電路 恒流驅(qū)動（線性度高、精度高、受溫度影響?。┖銐候?qū)動（簡單、但性能較差、用于精度要求不高的場合）、誤差分析及補償（1）不等位電勢及補償—通過外接電阻實現(xiàn)補償（2）溫度誤差及補償（）恒流源提供 （）恒壓供電熱敏電阻t一!（）串并聯(lián)電阻 （）補償電路、應(yīng)用——壓力、磁場、電流、轉(zhuǎn)速

三、磁柵式1、它由磁柵、磁頭、檢測電路組成。當(dāng)磁柵與磁頭相對位是發(fā)生變化時一產(chǎn)生電信號一數(shù)字顯示它有長磁柵一測位移 圓磁柵一測角位移2輸出信號處理 兩個靜態(tài)磁頭相位差卬n鑒幅式一幅值正比于位移X4 鑒相式一相位正比于位移x3誤差一零位誤差一細(xì)分誤差4、應(yīng)用——大位移高精度位移檢測第七章壓電式傳感器第七章壓電式傳感器一、壓電效應(yīng)見二、壓電傳感器及其等效電路邊極板上積累電荷（作用力）為壓電系數(shù)電壓源三、壓電材料壓電晶體——常用精密和穩(wěn)定性高的場合，可制成標(biāo)準(zhǔn)傳感器壓電陶瓷一一制作工藝簡單、耐濕、耐高溫一使用最廣泛壓電半導(dǎo)體——既有壓電性又有半導(dǎo)體性高分子壓電材料——高分子薄膜、高分子陶瓷四、變換電路電荷放大器一電纜長度影響可不計 Q-Ca五、應(yīng)用—測加速度、測力、測壓力第八章光電傳感器一、光電效應(yīng)及光電器件1、光電效應(yīng)——物體吸收光能后產(chǎn)生電效應(yīng)的現(xiàn)象，它是光電傳感器的理論基礎(chǔ)。2、外光電效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng)（光導(dǎo)電效應(yīng)）光生伏特效應(yīng)光電管 光敏電阻 光敏二、三極管，光電池3、光電器件基本特性——光電流暗電流，光照光譜伏安特性4、光敏電阻光敏二、三極管半導(dǎo)體色敏器件結(jié)型場效應(yīng)光敏管一可檢測微弱電流5、應(yīng)用——測量尺寸、轉(zhuǎn)速二、光纖傳感器——要掌握其優(yōu)點及應(yīng)用i工作原理工作基礎(chǔ)一一光的全反射全射角a＞a（臨界角）2、主要參數(shù) C3、種類4、常見傳感器——傳感型、傳光型三、光柵傳感器1光柵與莫爾條紋 W62、結(jié)構(gòu)與原理——辨向原理、細(xì)分技術(shù)四、激光傳感器1、原理及特點受激吸收，受激輻射特性—方向性強亮度高單色性強相干性好2、激光器3和一將入射光照在器件感光面不同位置一電信號 XI21測肝得 一2"電壓.勢阱7照＞光生電子進(jìn)入勢阱 ＞象素光強光生電子多第九章 超聲波傳感器一、超聲波的物理性質(zhì)1、什么叫超聲波——頻率高的聲波特點：頻率高可達(dá) （波長短） 方向性好穿透本領(lǐng)大（在液體、固體中衰減?。?碰到雜質(zhì)或分界面有明顯反射它是一種機械波符合機械波一般規(guī)律——波的疊加、干涉及駐波、波的反射、折射、衰減它有本身的特殊性——縱波、橫波、表面波、藍(lán)姆波四種波形并在分界面上出現(xiàn)波型的轉(zhuǎn)換2聲波的衰減—-原因聲波在擴(kuò)散 散射 介質(zhì)吸收衰減以衰減系數(shù)a表示二、超聲波轉(zhuǎn)換器功能——把超聲波發(fā)出去，再接收回來轉(zhuǎn)換成電信號型式——壓電型、磁致伸縮型、電磁伸縮型、振板型、彈性波型主要采用壓電型逆壓電效應(yīng)發(fā)射一一外加應(yīng)力加在壓電元件（晶體）上，機械變形 ^發(fā)出超聲波電壓晶體接收一一接收超聲波 ^電信『■?放大輸出正壓電效應(yīng)聲能 ?電能三、超聲波探傷——3種方法1、共振法——根據(jù)聲波（頻率連續(xù)可調(diào)）在工作中呈共振狀態(tài)來測工件厚度和探傷。調(diào)節(jié)發(fā)射頻率，使發(fā)射波與反射波同相位，引起共振。共振法測量精度高，但對工件表面質(zhì)量要求高2、穿透法——二個探頭。一個發(fā)射，另一個接收。根據(jù)穿透工件后的能量變化來判斷工件內(nèi)部的質(zhì)量。優(yōu)點：方法簡單、可避免盲區(qū)，便于自動探傷。缺點：靈敏度低、只能判有無缺陷，不能定位。兩探頭距離位置要求高3脈