福建农林大学传感器考试材料.doc

一、信号的分类与描述1 按信号随时间的变化特征分类-确定性信号与非确定性信号；2 按信号幅值随时间变化的连续性分类-连续信号与离散信号；3 按信号的能量特征分类-能量信号与功率信号；2、 信号描述方法1、 时域描述：反映信号随时间变化2、 频域描述：反映信号的组成成分3、 幅值域描述：反映信号幅值大小的分布4、 时延域描述：反映信号间的相互关系同一信号无论选用哪种描述方法都含有同样的信息量三、结论：周期信号的频谱具有离散性、谐波性和收敛性1) 周期信号频谱是离散的；2)每条谱线只出现在基波频率的整倍数上，不存 在非整倍数的频率分量；3)各频率分量的谱线高度与对应谐波的振幅成 正比。工程中常见的周期信号，其谐波幅值 总的趋势是随谐波次数的增高而减小的。四、傅立叶变换的性质 5、 随机信号分析与处理基本概念1. 随机过程随机信号是非确定性信号， 不能用确定的数学关系式来描 述， 不能预测它未来任何瞬时的精确值， 任一次观测值只代 表在其变动范围内可能产生的结果之一， 但其值的变动服从统 计规律。 随机信号的描述必须采用概率和统计学的方法。2. 平稳随机过程平稳随机过程就是统计特征参数不随时间变化而改变的随 机过程。 例如， 对某一随机过程的全部样本函数的集合选取不 同的时间t进行计算， 得出的统计参数都相同， 则称这样的随 机过程为平稳随机过程， 否则就是非平稳随机过程。3. 各态历经随机过程若从平稳随机过程中任取一样本函数， 如果该单一样本 在长时间内的平均统计参数(时间平均)和所有样本函数在某一 时刻的平均统计参数(集合平均)是一致的， 则称这样的平稳随 机过程为各态历经随机过程。 要完整描述一个各态历经随机过程理论上要无限长时间记 录，但实际上这是不可能的。通常用统计方法对以下三个方面1）幅值域描述均值，均方值，方差，概率密度等2）时域描述自相关函数，互相关函数3）频域描述自功率谱密度函数，互功率谱密度函数六、1、绝对误差 = 测量结果被测真值 2、相对误差 = 绝对误差/被测真值 x 100%3、引用误差 = 绝对误差/满量程值 x 100 4、 精密度（precision）：示值重复性（ 随机误差） 准确度（accuracy）：系统误差 5、分辨力：指能引起输出量发生变化时输入量的最小变 量，表明测试装置分辨输入微小变化的能力。 6、测量范围：是指测试装置能正常测量最小输入量和最大输入量之间的范围。 静态测量：幅值 动态测量：幅值和频率7、稳定性：是指在一定工作条件下，当输入量不变时，输出量随时间变化的程度。8、可靠性：是与测试装置无故障工作时间长短有关的一种描述。9、非线性度：标定曲线与拟合直线的偏离程度就是非线性度。 非线性度=B/A100% 10、线性系统性质： a)叠加性：系统对各输入之和的输出等于各单个输入的输出之和即 若x1(t) y1(t)，x2(t) y2(t) 则x1(t)x2(t) y1(t)y2(t) b)比例性：常数倍输入所得的输出等于原输入所得输出的常数倍，即 若x(t) y(t) 则kx(t) ky(t) c)微分性：系统对原输入信号的微分等于原输出信号的微分，即 若 x(t) y(t) 则 x(t) y(t) d)积分性：当初始条件为零时，系统对原输入信号的积分等于原输出信号的积。 e)频率保持性：若系统的输入为某一频率的谐波信号，则系统的稳态输出将为同 一频率的谐波信号，即若x(t)=Acos(t+x) 则y(t)=Bcos(t+y)线性系统的这些主要特性，特别是符合叠加原理和频率保持性，在测量工作中具有重要作用。 11、测量系统的静态特性指标主要有线性度、迟滞、重复性、分辨力、稳定性、温度稳定性、各种抗干扰稳定性等 12、测量系统的静态特性指标通常用输入量与输出量的对应关系来表征。七、传感器 1、传感器是能感受规定的被测量、并按照一定的规律 转换成可用输出信号的器件或装置。通常由敏感元件和 转换元件组成(GB766-87)。 2.传感器的分类 1)按被测物理量分类 常见的被测物理量机械量：位移、力、速度、加速度 热工量：温度、流量、热量、比热、压 力(差) 物性参量：浓度、比重、真空度、酸 碱度 状态参量：裂纹、缺陷、泄漏、磨损 2) 按工作原理分类 这种分类方法以传感器的工作原理作为分类依据,见表 3)按信号变换特征: 能量转换型和能量控制型.4)按敏感元件与被测对象之间的能量关系: 物性型：依靠敏感元件材料本身物理性质的变化来实现信号变换。如:水银温度计。结构型：依靠传感器结构参数的变化实现信号 转变。3、 传感器的性能要求1)高灵敏度、线性、抗干扰的稳定性(对噪声不敏 感)、容易调节(校准简易) 2) 高精度、高可靠性、无迟滞性、工作寿命长(耐 用性) 3) 高响应速率、可重复性、抗老化、抗环境影响 (热、振动、酸、碱、空气、水、尘埃)的能力4) 选择性、安全性(传感器应是无污染的)、互换 性、低成本 5)宽测量范围、小尺寸、重量轻和高强度、宽工 作温度范围4、 改善传感器性能的技术途径 ：1)差动技术提高灵敏度、改善非线性误差、 减小外 界干扰(温度、电源、噪声等)影响。 2)平均技术若干个传感单元同时感受被测量，输出为平均值，有效减小误差，提高灵敏度。3) 补偿与修正技术软件或硬件等。4)屏蔽、隔离与干扰抑制5)稳定性处理传感器是长期测量或反复使用 的器件。5、1)电阻式传感器：将被测物理量的变化转换成电阻值的变化，再经 相应的测量电路显示或记录被测量值的变化。2)金属电阻应变片的工作原理是基于金属导体电的应变效应，即金属导体在外力作用下发生机械阻 变形时，其电阻值随着它所受机械变形(伸长或式缩短)的变化而发生变化的现象。3)压阻效应：半导体材料在受到外力作用时，其电阻率发生变化的现象。4)电阻应变式传感器特点：精度高，测量范围广；使用寿命长，性能稳定可靠；结构简单，体积小，重量轻；频率响应较好，既可用于静态测量又可用于 动态测量；价格低廉，品种多样，便于选择和大量使用。6、 丝式应变片制作简单、性能稳定、成本低、易粘贴。 分为丝绕式和短接式两种。 丝绕式应变片因圆弧部分参与变形，横向效 应较大； 短接式应变片敏感栅平行排列， 两 端用直径 比栅线直径大510倍的镀银丝短接而成， 其优点是克服了横向效应。7、 直流电桥的联接方式: 通式：1） 不同的接桥方式具有不同的电桥灵敏度，尽量采用半桥双臂或全桥方式。2） 在R0R0条件下，电桥的输出与 R0/R0成正比；3） 全桥接法可以获得最大的输出，其灵敏度为半桥单臂接法的4倍。8、电桥的和差特性全桥接法：4桥臂均为工作应变片相邻桥臂：应变极性相同时，电桥输 出电压与两应变差有关；应变极性相 反时，电桥输出电压与两应变和有关。 相对桥臂：输出电压与应变的关系和 相邻桥臂正好相反。电桥的和差特性的实际应用：提高灵敏度半桥双臂或全桥联接 相对桥臂：同极性 相邻桥臂：反极性式实现温度补偿全桥自动补偿 半桥双臂：邻臂(同一温度场)消除非测量载荷的干扰影响9、 温度补偿方法：1）自补偿法选择自补偿法敏感栅材料与试件材料 组合式自补偿 2)桥路补偿法电桥的和差特性 全桥自动补偿；半桥邻臂 3)热敏电阻补偿法热敏电阻适当分压10、 应变片的布置和接桥方式 利用适当的布片和组桥方式消除温度变化和 复合载荷作用的影响，获得最大的输出灵敏 度。1）应变片应布置在弹性元件产生应变最大 的位置，并沿主应力方向贴片；贴片处的 应变尽量与外载荷呈线性关系（避开非线 性区），同时应注意使该处不受非待测载 荷的干扰影响。2）根据电桥的和差特性，选择适当的接桥 方式，可以使输出的灵敏度最大，同时又 能排除非待测载荷的影响并进行温度补偿。11、差动变压器式传感器特点：精度高(0.1m 数量级，最高可达0.01m )，高精度型非线性误差可达0.1% ，稳定性好，结构简单，使用方便因包含机械结 构，频率响应较低，不宜测量高频动态参量。广泛应用于直线位移，或能转换为位移变化的 压力、重量等参数的测量。12、压电式传感器的特点：能量转换型（发电型）传感器体积小，重量轻，刚性好，可以提高其固 有频率 体积小得到较宽的工作频率范围。灵敏度高，稳定性好，可靠。有比较理想的线性，且通常没有滞后现象低频特性较差，主要用于动态测量应用中要求采取严格的绝缘措施，并采用 低电容、低噪声电缆。 应用：广泛应用于冲击、振动及动态力的测量。13、 磁电式传感器特点：不需要外部供电电源 电路简单；性能稳定 输出阻抗小；具有一定的频率响应范围（一般为10-1000hz）；适用于振动、转速、扭矩等测量尺寸和重量都比较大14、 霍尔元件灵敏度的物理意义是表示在单位磁感应强度相单位控制电流时的霍尔电势的大小。名词解释1.应变效应 一根金属导线在其拉长时电阻增大，在受压缩短时电阻减小。这个规律被称为金属材料的电阻应变效应。 2.边缘效应 对于电容式传感器，当极板厚度与极板距离可比时，两极板边缘处电力线出现分布不均匀的现象，即边缘效应。 3.霍尔效应 金属或半导体薄片置于磁场中，当有电流流过时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势，这种物理现象称为霍尔效应。 4.直流电桥 由联接成环形的四个电阻所组成，供桥电压为恒压源，这种线路称直流电桥。 5. 传感器 能感受规定的被测量并按一定规律转换成可用信号输出的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。 6.动态模型 在准动态信号或动态信号(输入信号随时间而变化)作用下，描述传感器输出量和输入量间关系的一种函数，通常称为晌应特性。 7.灵敏系数 在稳态下传感器输出的变化量 y 与引起此变化量的输入变化量 x 的比值。 8.横向效应 应变片既受轴向应变影响又受横向应变影响而引起电阻变化的现象称为横向效应。 9.电涡流 金属导体放置在磁场中，当通过金属导体的磁通发生变化时，导体内就会产生感应电流，这种电流在导体中是自行闭合的，就像水中旋涡那样在导体内转圈，故称之为电涡流。 10.不等位电势 在额定控制电流I 下，不加磁场时霍尔输出电极间的空载霍尔电势称为不等位电势，用Uo 表示。 11.光电流 连接于电路中的光敏元件，其电子由于受光照射而使电路中增加的电流。 12.光电导效应 在光线作用下，电子吸收光子的能量从键合状态过渡到自由状态，从而引起材料电导率的变化，这种现象被称为光电导效应。 13.静态灵敏度 在稳态下传感器输出的变化量y与引起此变化量的输入变化量x的比值即为其静态灵敏度。 14.静态模型 静态模型是指在输入静态信号（输入信号不随时间变化）的情况下，描述传感器输出与输入量间关系的一种函数。 15.霍尔效应 金属或半导体薄片置于磁场中，当有电流流过时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势，这种物理现象称为霍尔效应。 16.电涡流 金属导体放置在磁场中，当通过金属导体的磁通发生变化时，导体内就会产生感应电流，这种电流在导体中是自行闭合的，就像水中旋涡那样在导体内转圈，故称之为电涡流。 17.输入电阻 霍尔元件两控制电极之间的电阻值，用Ri 表示。 18.光电池 光电池是利用光生伏特效应把光直接转变成电能的光电器件。由于它可把太阳能直接转变为电能，因此又称为太阳能电池。它有较大面积的PN 结，当光照射在PN 结上时，在结的两端出现电动势。故光电池是有源元件。 19.光电效应 光电效应是指物体吸收了光能后转换为该物体中某些电子的能量，从而产生的电效应。光电效应分为外光电效应和内光电效应两大类。 20.压阻效应 对一块半导体材料的某一轴向施加一定的载荷而产生应力时，它的电阻率会发生变化，这种物理现象称为半导体的压阻效应。简答题 1.简述霍尔电动势产生的原理。 答：一块长为 l、宽为 d 的半导体薄片置于磁感应强度为磁场（磁场方向垂直于 薄片）中，当有电流 I 流过时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势 Uh。 这种现象称为霍尔效应，也是霍尔电动势的产生原理。1. 简述热电偶的工作原理。 答：热电偶的测温原理基于物理的“热电效应”。所谓热电效应，就是当不同材 料的导体组成一个闭合回路时，若两个结点的温度不同，那么在回路中将会产生 电动势的现象。两点间的温差越大，产生的电动势就越大。引入适当的测量电路 测量电动势的大小，就可测得温度的大小。2. 以石英晶体为例简述压电效应产生的原理。 答：石英晶体在沿一定的方向受到外力的作用变形时，由于内部电极化现象同时 在两个表面上产生符号相反的电荷，当外力去掉后，恢复到不带电的状态；而当 作用力方向改变时，电荷的极性随着改变。晶体受力所产生的电荷量与外力的大 小成正比。这种现象称为正压电效应。反之，如对石英晶体施加一定变电场，晶 体本身将产生机械变形，外电场撤离，变形也随之消失，称为逆压电效应。 石英晶体整个晶体是中性的，受外力作用而变形时，没有体积变形压电效应，但 它具有良好的厚度变形和长度变形压电效应。4. 简述电阻应变片式传感器的工作原理（6 分）答：电阻应变片的工作原理是基于电阻应变效应，即在导体产生机械变形时，它的电阻值相应发生变化。5、直流电桥和交流电桥有何区别？直流电桥的平衡条件是什么？应 变片式电阻传感器、自感式、互感式、涡流式、电容式、热