传感器期末复习资料)

传感器绪论概念：1 .传感器的定义：:感受规定的测量，可转换为可按照一定规则输出信号的设备或装置。狭义定义：可将外部非电信息转换为电信号输出的元件。2 .传感器配置：传感器一般包括传感器元件、转换元件和基本转换电路三部分。第一章概念：1 .传感器的一般特性：描述这种变换的输入输出关系。静态特性：输入量恒定或变化极慢时(缓慢变化或稳定的信号)。1 )线性度：传感器的输出和输入的关系是线性的，实际上很多情况下是不可能的。假定传感器没有滞后和蠕变效应，静态特性可以用以下多项式来描述x输入量y的输出量347； a0零点输出； a1传感器的灵敏度由k表示，a2、a3、an非线性项系数。非线性误差(线性度)定义：输出输入的实测曲线与某选择的拟合直线的最大偏差，其大小用相对误差L表示。 即，传感器正、反行程平均测定曲线与拟合直线的最大偏差相对于满刻度(F.S.)输出之比(% ) :L非线性误差(线性度)Lmax输出平均值与拟合直线间的最大非线性误差，以yF.S.全标度输出。 全标度输出用测定上限公称值yH与测定下限公称值yL之差的绝对值表示，是yF.S.=|yH-yL|。大多数传感器的输出曲线通过零点或使用“零点调节”通过零点。 有些传感器范围下限不为零，也可将范围下限作为零点处理。现在常用的拟合方法有理论拟合过零旋转拟合端点接线拟合端点接线直线移动拟合最小二乘拟合最小包含拟合等。2 )迟滞：迟滞表示传感器在正(输入量增大)、反(输入量减少)行程之间，输出-输入曲线重叠的程度(信号大小不相等)。滞后的产生原因：传感器的机械部分和结构材料方面不可避免的弱点，如轴承摩擦、灰尘积存、间隙不适当、元件磨损、缺口等。 滞后的大小一般由实验决定3 )反复性：传感器在同一方向上连续多次变动时得到的特性曲线不一致的程度。正程的最大重复误差为Rmax1，反程的最大重复误差为Rmax2。 再现性误差将这两个误差中较大的误差设为Rmax，用全标度yFS输出的百分比表示4 )灵敏度和灵敏度误差：传感器输出的变化量y和引起它的输入变化量x之比为静态灵敏度，其式子如下。 该倾斜是灵敏度，并且灵敏度k是恒定的，而与输入量的大小无关。灵敏度误差是相对误差，即5 )阈值、分辨率阈值：一个传感器的输入从零极端缓慢增加时，仅在达到某个最小值时测量输出的变化，将该最小值称为传感器的阈值。分辨率：分辨率是传感器可检测的最小输入增量。 分辨率用绝对值表示，用与满刻度的百分比表示的话称为分辨率。阈值表示传感器的最小可检测输入量。分辨率表示传感器的最小可检测输入变量。6 )稳定性：传感器长时间工作时输出量发生变化，有时被称为长时间工作稳定性和零位偏移。漂移量的大小是表示传感器稳定性的重要性能指标。 传感器漂移可能会使整个测量和控制系统瘫痪。7 )温度稳定性：温度稳定性也称为温度漂移，是指传感器在外部温度变化时输出量发生变化。8 )抗干扰稳定性：这是指传感器对干扰的抵抗力，例如对冲击和振动的抵抗力、对湿气的抵抗力、对电磁场干扰的抵抗力等。9 )静态测量不确定度(传统上也称为静态误差):传感器全范围内任意点的输出值与其理论值偏离的可能性程度。求静态误差的方法：求标准偏差取2或3是静态误差。 或用相对误差表示。 静态误差是综合指标，包括非线性误差、滞后误差、反复误差、灵敏度误差等。动态特性：输入量的时间变化非常快的情况(快进信号)。1 )时域性能指标：通常用阶跃函数测量传感器动态性能的时域指标。 步进输入对于一个传感器来说是最严格的工作状态。2 )频域性能指标：通常用正弦函数测量传感器动态性能的频域指标。主题：1 .什么是传感器的静态特性？ 有哪些绩效指标？a :输入量为常数或变化较慢时，将输出与输入的关系称为传感器的静态特性。 其性能指标为线性、滞后、重现性、灵敏度和灵敏度误差、分辨率和阈值、稳定性、温度稳定性、抗噪稳定性和静态误差(静态测量的不确定性和精度)。3、某传感器给出的相对误差为2%FS，全值输出为50mV，求出可能出现的最大误差(mv )。 计算传感器使用全刻度的1/2和1/8时可能发生的误差率。 说明使用传感器选择合适的量程的重要性。=2%FS，y mV FS=50； 求：m=？第二章概念：1 .金属的电阻应变效应：金属导体的电阻随机械变形(伸长或收缩)的大小而变化的现象称为金属的电阻应变效应。2 .电阻应变仪的工作原理基于金属电阻线的电阻应变效应。位移、加速度、力矩、应力、压力、拉力、温度等。3 .转换电路1 )直流电桥： IL=0为电桥平衡：平衡条件2 )不平衡直流电桥的工作原理：如果在电桥后面连接放大器，则放大器的输入阻抗高，比电桥的输出电阻大很多，因此在电桥的输出端可以看到开路。 应变计工作时，其电阻变化为R。在n=1的情况下，当电源电压u和电阻器的相对值是恒定的时候，桥接器的输出电压和电压灵敏度与每个臂的电阻值的大小无关。 n=1时的桥称为对称桥，现在经常采用该桥形式。3 )减小非线性误差1 .下图为E=4V、R1=R2=R3=R4=120，试着求出(1)R1是应变计，其馀为外接电阻，R1的增量为R1=1.2时，桥输出电压是多少(2)R1、R2均为应变仪，批号相同，感觉应变的极性和大小相同，其馀为外接电阻，桥接输出电压是多少？(3)R1、R2均为应变仪，批号相同，应变极性相反，且其馀为外接电阻，桥输出电压为多少？(4)从主题(1)(3)得出什么主要结论？a:(1)u0=u=4=0.01(v)=10(mv )(2) U0=0(V )(3) U0=U=20(mV )(4)由(1)(3)可知，双臂桥比单臂桥灵敏度加倍双臂桥可消除温度变化对测量误差的影响。(已经) 6、在材料为钢实心圆柱形的试验片上，在轴线和圆周方向上各粘贴一片电阻120的金属应变片R1和R2将这两个应变计连接到差分桥(参见图2-9a )。 钢泊松系数=0.285，应变计的灵敏度系数k=2，桥电源电压U=2V，试验片沿轴向拉伸时，测定应变仪R1的电阻变化值R=0.48，尝试计算电桥的输出电压U0。第三章：概念1 .自感应式传感器：主题：1.(已经)下图示意性地表示了气体压力传感器的结构，试着分析了其工作原理。 图中为1-双簧管、2-电枢、3、4-铁心、5、6-线圈、7-调节螺钉。解：压力p双簧管的自由端移动，衔铁上下移动，引起线圈电感值的变化，将各个线圈连接在交流桥的两臂上，引起交流桥的输出电压的变化，则UP。2.1枚导程，2-质量块测量时，质量体的位移与被测量加速度成正比，将加速度的测量转换为对位移测量。 当质量块2以x振动时，会引起线圈的电感值的变化，产生电流，变压器的输出也以相同规例变化，因此能够通过该变化来测量加速度。3 .什么是感应式传感器？ 是根据什么原理检测出来的？a :感应式传感器是利用电磁感应原理，转换为测量线圈的自感量和互感量，从测量电路转换为电压和电流的变化量后输出的装置。 根据电磁感应原理进行检测。第四章概念：1 .根据该变更参数，可将静电电容式传感器分为以下3种改变极板间距离()的变极距离型传感器改变极板盖面积(a )的变面积型传感器改变电介质介电常数()的变介电常数型传感器2 .运算放大器式测量电路运算放大器的放大率k非常大，输入阻抗Zi也很高。 运算放大器的这一特征可以作为电容式传感器的比较理想的测量电路。可从运算放大器的工作原理中得到公式中：Cx是静电电容式传感器输出信号电压u是交流电源电压c为固定电容传感器为平板电容器时，以Cx=S/代入上式式中“-”表示输出电压U0的相位与电源电压反相该公式表明运算放大器的输出电压与极板间距呈线性关系。 运算放大器电路解决了单个可变极距型电容传感器的非线性问题。Zi和k要求足够大。 为了保证设备的精度，还要求电源电压的振幅和固定电容器c的值稳定。3.(济)4.(已)减少和消除寄生电容的影响： (1)增加传感器的原始电容值；(2)注意传感器的接地和屏蔽；(3)集成化；(4)采用“驱动电缆”技术；(6)整体屏蔽主题：1 .下图为电容式差压传感器的结构图和转换电路图，分析了其工作原理。a :两侧压力P1、P2相等时，金属膜片位于中间位置，左右固定电极的间距相等。 Cab=Cbd，u0=0。在P1P2(或P2P1)的情况下，膜片输出P2(或P1)侧、CabCdb、u0输出比例信号。2. (10分钟)如图所示，在简单说明该电路为什么能够改善间隙式静电电容传感器非线性的图中，是传感器极间间隙介质的介电常数，s是传感器极板耦合的面积，d是两极板间的距离，c是标准电容。:Zx=Cx=U0=-Ui=-Ui=-UiUi、s、c不变时，Uod3 .如何改善一组变极距型电容传感器的非线性？答：建议1 :采用差动式电容传感器，有效改善了传感器的线性度，灵敏度提高了一倍。方案2 :采用运算放大器电路是标准容量很明显，是成正比的。 因此，通过使用该测量电路，能够改善间隙式静电电容传感器的非线性。4.9、下图是变极距离型平板电容传感器的一个测量电路，其中，CX是传感器电容，c是固定电容，运算放大器A=，输入阻抗Z=； 推测输出电压U0和极板间距的关系，分析其动作特性。5.(已经)一组变面积型平板形线位移电容传感器，相对于两极板的被复部分的宽度为4mm，两极板的间隙为0.5mm，极板间介质为空气，求出静态灵敏度的两极板相对移动2mm时，求出其电容变化量。 (答案为0.07pF/mm、0.142pF ) (运算放大器耦合)已知b=4mm、=0.5mm、0=8.8510-12F/m求： (1)k=？ ( (2)a=2mm时c=？第五章概念：1.(已)霍尔效应：长度为l、宽度为b、厚度为d的半导体片设置在磁感应强度为b的磁场(磁场方向与片垂直)上。 当流过电流I时，在与电流和磁场垂直的方向上产生电动势UH (霍尔电位或霍尔电压)。 这种现象被称为霍尔效应。 霍尔传感器是由霍尔元件制成的。霍尔系数、材料相关的东西由通电材料的物理性质决定。 霍尔灵敏度表示单位磁感应强度和单位控制电流时霍尔电位的大小。 一般来说，越大越要求好。(1)在金属中，因为n大，所以RH小，但是半导体，特别是n型半导体霍尔常数RH大，所以实际上一般使用n型半导体材料作为霍尔元件。(2)kH与元件材料的性质和几何尺寸有关。 元件的厚度d对灵敏度的影响也大，元件越薄灵敏度越高。 采用薄膜技术的薄膜霍尔元件等。 (3)UH纯量规定正方向为正、负。当控制电流的方向和磁场的方向发生变化时，输出电位的方向也发生变化。 但是，磁场和电流同时改变方向时，霍尔电位的极性不变。当磁感应强度b与元件平面法线成角度时，作用于元件的有效磁场是其法线方向的成分，此时UH=KHIBcos。2 .霍尔元件电磁特性UH-I特性：固定磁场b在一定温度下霍尔输出电位UH与控制电流I之间具有线性关系。UH-B特性：固定控制电流，元件的开孔输出并非随着磁场的增加而完全呈线性关系，而是偏移。 霍尔元件在0.5T (弱磁场)以下动作时，直线性良好。3.(已经)霍尔元件的误差和补偿：零误差(不等位电动势：霍尔元件没有以额定控制电流施加磁场时，霍尔输出端之间的无负载电动势。 寄生直流电动势)，温度误差。 方法：1.采用恒流源馈电和输入电路并联电阻2 .合理选择负载电阻RL的电阻值3 .采用恒压源和输入电路串联电阻4 .温度补偿元件5 .使用霍尔元件的不等位电动势U0的温度补偿。4 .霍尔位移传感器：式中，k为位移传感器的输出灵敏度。 积分的UH=kx。霍尔电位与位移量呈线性关系。 霍尔电位的极性反映了元件位移的方向。 磁场梯度越大灵敏度越高的磁场梯度越均匀，输出的直线性越好。主题：7、某霍尔元件l、b、d的尺寸分别为1.0cm0.35cm0.1cm，在l方向上流过电流I=1.0mA，在垂直于lb面的方向上施加均匀的磁场B=0.3T，传感器的灵敏度系数为22V/AT，求出其输出霍尔电动势和载流子浓度。lbd=1.0厘米0.35厘米0.1厘米； I=1.0mA； B=0.3T； kH=22V/AT；求： UH=？ n=？解：如图所示9 .霍尔式位移传感器的输出UH与位移x成比例关系的说明。a :霍尔电压为： U k IB H H=，