传感器复习提纲.doc

考试题型1、 填空题（20分） 约10-20空2、 选择题 (20分 ) 约10个3、 名词解释（15分） 约5个4、 简答题（30分） 约5小题5、 计算题（15分） 约2题一、 基础知识点l 测量是以确定被测量的值或获取被测量结果为目的的一系列操作。l 测量根据测量方法分：直接测量、间接测量和组合测量; l 测量根据测量方式分:偏差式测量、零位法测量与微差法测量; l 等精度和不等精度测量的区别：不等精度测量是用不同精度的仪表、不同的测量方法、不同的测量次数和不同的测量者l 变送器将传感器输出的信号变换成便于传输和处理的信号l 测量误差是测得值减去被测量的真值l 修正值是与绝对误差大小相等、符号相反的值l 仪表精度等级是根据最大引用误差来确定的l 系统误差分恒值系统误差和变值系统误差l 在数据处理时要采用的误差不应该包含粗大误差，即所有的坏值都应当剔除l 算术平均值是反映随机误差的分布中心, 而均方根偏差则反映随机误差的分布范围。 l 各测量值与算术平均值差值称为残余误差, l 绝对值大于3的误差是不可能出现的, 通常把这个误差称为极限误差lim。即极限误差lim= 3l 3准则就是如果一组测量数据中某个测量值的残余误差的绝对值|vi|3时, 则该测量值为可疑值（坏值）, 应剔除。 l 最小二乘法原理就是要获得最可信赖的测量结果, 使各测量值的残余误差平方和为最小。l 传感器的静态特性有：灵敏度、线性度、迟滞、重复性、漂移l 非线性度是表示校准曲线偏离拟合直线的程度l 传感器的动态特性：瞬态特性、频率特性l 写出灵敏度和线性度的公式 S=y/x l 时间常数是一阶传感器重要的性能参数。越小, 响应速度越快l 二阶传感器对阶跃信号的响应在很大程度上取决于阻尼比和固有频率n。l 传感器的频率响应特性的好坏主要取决于传感器的固有频率n和阻尼比。为了减小动态误差和扩大频率响应范围, 一般是提高传感器固有频率n。l 电阻应变片的工作原理是基于应变效应l 半导体应变片的工作原理是基于应阻效应l 金属应变片由敏感栅、 基片、 覆盖层和引线等部分组成l 金属电阻应变片的敏感栅有丝式、 箔式和薄膜式三种。 l 康铜是目前应用最为广泛的应变丝材料l 目前应变片的电阻值(标称值)也有一个系列，如60、120、350、600、1000等，其中以120最为常用。l 电阻应变片的温度补偿方法通常有线路补偿法和应变片自补偿两大类。线路补偿法测量应变时, 工作应变片R1粘贴在被测试件表面上, 补偿应变片RB粘贴在与被测试件材料完全相同的补偿块上, 且仅工作应变片承受应变。 l 画出图3-10，半桥和全桥，写出电桥输出电压 （3-46） （3-47）和灵敏度l 欲使直流电桥平衡, 其相邻两臂电阻的比值应相等, 或相对两臂电阻的乘积相等。 l 对交流电桥, 除要满足电阻平衡条件外, 还必须满足电容平衡条件l 电感式传感器种类很多, 主要有自感式、 互感式和电涡流式三种传感器l 自感式电感传感器是利用线圈自感量的变化来测量的，由线圈、铁芯和衔铁三部分组成。又称为磁阻传感器l 自感式电感传感器又可分为变气隙厚度的传感器和变气隙面积0的传感器。使用最广泛的是变气隙厚度式电感传感器。l 变间隙式电感传感器的测量范围与灵敏度及线性度相矛盾, 所以变隙式电感式传感器用于测量微小位移时是比较精确的。l 为了减小非线性误差, 实际测量中广泛采用差动变隙式电感传感器。 l 自感式电感传感器的测量电路有交流电桥式、 变压器式以及谐振式等几种形式。 对于变压器式由于输入电压是交流电压, 输出指示无法判断位移方向, 必须配合相敏检波电路来解决l 零点残余电压主要由基波分量和高次谐波分量组成，零点残余电压的存在造成零点附近的不灵敏区，限制了分辨率的提高。l 差动变压器结构形式较多, 有变隙式、 变面积式和螺线管式等，差动变压器输出的是交流电压, 为了达到能辨别移动方向及消除零点残余电压的目的, 实际测量时, 常常采用差动整流电路和相敏检波电路。 l 相敏检波电路输出电压u0的值反映位移x的大小, 而uL的极性则反映了位移x的方向。 l 根据电涡流效应制成的传感器称为电涡流式传感器。n 电容式传感器可分为三种：变极板间距离的变极距型、改变极板面积的变面积型、改变介质介电常数的变介质型 n 图5-1分清各种结构形式的传感器类型n 变极距型电容传感器，极板间可采用高介电常数的材料（云母、塑料膜等）作介质，有了云母片, 极板间起始距离可大大减小。n 一般变极板间距离电容式传感器的起始电容在 20100pF之间, 极板间距离在25200m的范围内, 最大位移应小于间距的1/10, 故在微位移测量中应用最广。 n 变面积型电容传感器的应用场合：主要应用于测量线位移和角位移。n 变介质型电容传感器是利用不同介质的介电常数各不相同，通过介质的改变来实现对被测量的检测，并通过电容式传感器的电容量的变化反映出来n 除变极距型电容传感器外, 其它几种形式传感器的输入量与输出电容量之间的关系均为线性的l 差动脉宽调制电路能适用于变极板距离以及变面积式差动式电容传感器, 并具有线性特性。l 压电式传感器基于压电材料的压电效应，是有源传感器。l 居里点温度：压电材料开始丧失压电特性的温度。l 压电材料可以分为两大类：压电晶体和压电陶瓷l 石英晶体的压电系数比压电陶瓷低得多（压电陶瓷的压电灵敏度高）l 锆钛酸铅与钛酸钡相比，压电系数更大，居里点温度高（在300以上），各项机电参数受温度影响小，时间稳定性好，因此锆钛酸铅系压电陶瓷（PZT）是目前压电式传感器中应用最广泛的压电材料。l 磁电式传感器是一种有源传感器，有磁电感应式传感器和霍尔式传感器等l 两种磁电式传感器结构：变磁通式和恒磁通式。变磁通式又称为磁阻式l 霍尔传感器是基于霍尔效应的一种传感器，常用的霍尔元件材料有：锗、硅、砷化铟、锑化铟。l 光电器件工作的物理基础是光电效应。光电效应分为外光电效应和内光电效应两大类l 在光线作用下，能使电子逸出物体表面的现象称为外光电效应，如光电管、光电倍增管就属于这类光电器件。l 内光电效应又可分为光电导效应和光生伏特效应l 在光线作用下, 能使物体产生一定方向的电动势的现象称为光生伏特效应, 如光电池就属于这类光电器件。 l 光敏电阻的亮电流与暗电流之差称为光电流l 由于光敏电阻的光照特性呈非线性，因此不宜作为测量元件，一般在自动控制系统中常用作开关式光电信号传感元件。l 光电池是在光线照射下，直接将光能转换为电能的光电器件l 光敏二极管在电路中一般是处于反向工作状态l 光电耦合器件是由发光元件（如发光二极管）和光电接收元件合并使用，以光作为媒介传递信号的光电器件l 光电耦合器件分为用于实现电隔离的光电耦合器和用于检测有无物体的光电开关两类，l 电荷耦合器件（Charge Couple Device，简称CCD）是一种金属氧化物半导体（MOS）集成电路器件。它以电荷作为信号，具有光电信号转换、存储、移位并读出信号电荷的功能l 面型CCD图像传感器有三种基本类型：线转移、帧转移和隔列转移。l 功能型传感器是利用光纤本身的特性把光纤作为敏感元件，被测量对光纤内传输的光进行调制，使传输的光的强度、相位、频率或偏振态等特性发生变化，再通过对被调制过的信号进行解调，从而得出被测信号。l 非功能型传感器是利用其它敏感元件感受被测量的变化，光纤仅作为信息的传输介质。 l 光纤传感器所用光纤有单模光纤和多模光纤l 光纤在空气中为了实现全内反射，光入射到端面的入射角应满足c= arcsinl 热电偶用来测量温度。l 智能传感器主要有两种形式：传感器的智能化、集成智能传感器。二、 名词解释1) 测量：是以确定被测量的值或获取被测量结果为目的的一系列操作。2) 随机误差：在统一测量条件下，多次测量被测量时，其绝对值和符号以不可预定方式变化着的误差。3) 系统误差：对同一被测量进行多次重复测量时, 绝对值和符号保持不变，或在条件改变时按照一定的规律变化的误差4) 粗大误差：超出规定条件下预期的误差称为粗大误差。5) 传感器：传感器是能感受规定的被测量并按照一定的规律将其转换成可用输出信号的器件或装置6) 灵敏度：是传感器静态特性的一个重要指标，其定义是输出量增量与引起输出量增量的相应输入量增量之比。7) 应变效应：在导体产生机械变形时, 它的电阻值相应发生变化。 8) 压阻效应：半导体材料的电阻率随作用应力的变化而发生变化的现象9) 正压电效应（顺压电效应）：某些电介质，当沿着一定方向对其施力而使它变形时，内部就产生极化现象，同时在它的一定表面上产生电荷，当外力去掉后，又重新恢复不带电状态的现象。当作用力方向改变时，电荷极性也随着改变。10) 逆压电效应（电致伸缩效应）：当在电介质的极化方向施加电场，这些电介质就在一定方向上产生机械变形或机械压力，当外加电场撤去时，这些变形或应力也随之消失的现象。11) 霍尔效应：置于磁场中的静止载流导体，当它的电流方向与磁场方向不一致时，在垂直于电流和磁场的方向会产生电动势（霍尔电势），这种现象称霍尔效应12) 内光电效应:受光照的物体导电率发生变化，或产生光生电动势的效应叫内光电效应13) 光电导效应：在光线作用下，电子吸收光子能量从键合状态过渡到自由状态，而引起材料电阻率变化，这种效应称为光电导效应。基于这种效应的器件有光敏电阻等。14) 光生伏特效应:在光线作用下, 能使物体产生一定方向的电动势的现象称为光生伏特效应15) 智能传感器：一种带有微处理机的，兼有信息检测、信号处理、信息记忆、逻辑思维与判断能力的传感器三、 简答题： 1、画出测量系统组成结构框图（图1-1）P4 2、随机误差有哪些性质？ 对称性、有界性、单峰性、抵偿性。 3、如何减小和消除系统误差？（1）在测量结果中进行修正。（2）消除系统误差的根源在测量之前, 仔细检查仪表, 正确调整和安装; 消除视差; （3）在测量系统中采用补偿措施找出系统误差的规律, 在测量过程中自动消除系统误差。（4） 实时反馈修正4、课后题3-3，要求能画出电阻应变片半桥和全桥的连接图，分别写出其输出电压和灵敏度公式。5、说明单极式变极距型电容传感器灵敏度和非线性误差间的关系，根据所学知识说明如何提高其提高灵敏度, 减小非线性误差。（课后题5-2类似，参看其答案）答：对于变极距型电容传感器，灵敏度与非线性误差对d0的要求是矛盾的。即K大，非线性误差大；K小，非线性误差小。为了提高灵敏度, 减小非线性误差, 大都采用差动式结构，如此一来，灵敏度得到一倍的改善， 由 变为 线性度得到改善由 变为 6、课后题5-17、课后题 5-38、为什么压电晶体不适合于静态测量？答：由于外力作用在压电元件上产生的电荷只有在无泄漏的情况下才能保存，即需要转换电路具有无限大的输入阻抗，事实上，传感器内部不可能没有泄漏，外电路负载也不可能无穷大，只有外力以较高频率不断地作用，传感器的电荷才能得以补充，因此，压电晶体不适合于静态测量。 9、画出压电元件的两种等效电路P107 图6-7 （课后题6-4）10、课后题6-611、课后题7-112、课后题 7-4 什么是霍尔效应，霍尔电势与哪些因素相关？答：置于磁场中的静止载流导体，当它的电流方向与磁场方向不一致时，在垂直于