传感器原理复习提纲及详细知识点(2016)(DOC)

1、第一章 绪论1.检测系统的组成。传感器测量电路输出单元把被测非电量转换成为与之有 确定对应关系， 且便于应用的某 些物理量 （通常为电量）的测量 装置。把传感器输出的变量变换成电压或电流 信号，使之能在输出单元的指示仪上指 示或记录仪上记录；或者能够作为控制 系统的检测或反馈信号。指示仪、记录仪、累加 器、报警器、数据处理 电路等。2.传感器的定义及组成定义能感受被测量并按一定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。组成敏感元件转换元件转换电路直接感受被测量，并输出与被测量 成确定关系的物理量。敏感元件的输出就是它的输入，抟换成电路参量。上述电路参数接入基本转换电路

2、， 便可转换成电量输出。3.传感器的分类工作机理物理型、化学型、生物型构成原理结构型（物理学中场的定律）、物性型：物质定律能量转换能量控制型、能量转换型物理原理电参量式传感器、磁电传感器、压电式传感器用途位移、压力、振动、温度4.什么是传感器的静态特性和动态特性。静特性输入量为常量，或变化极慢动特性输入量随时间较快地变化时5.列出传感器的静态特性指标，并明确各指标的含义23ny二a0qx a2xa3xanxx输入量，y输出量，ao零点输出，a-|理论灵敏度，a2非线性项系数传感器在稳态下，输出的变化量与引起该变化量的输入变化量之比。表征传感器对输入量变化的反应能力线性传感器非线性传感器正（输入

3、量增大）反（输入量减小）行程中输出输入曲线不重合称为迟滞。AHH=max100%2YFS产生迟滞的原因：由于传感器敏感元件材料的物理性质和机械另部件的缺陷所造成的，如弹性敏感元件弹性滞后、运动部件摩擦、传动机构的间隙、紧固件松动等。传感器的实际输入-输出曲线的线性程度。传感器原理复习提纲灵敏度迟滞线性度4种典型特性曲线LM 二Lmax100%非线性误差YFS, Lmax最大非线性绝对误差，YFS一满量程输出值。直线拟合线性化：出发点T获得最小的非线性误差（最小二乘法：与校准曲线的残差平方和最小。） 例 用最小二乘法求拟合直线。设拟合直线y=kx+b残差i=yi-（kxi+b）n分别对k和b求一

4、阶导数，并令其.：i2最小=0,可求出b和k7将k和b代入拟合直线方程，即可得到拟合直线，然后求出残差的最大值 重复性是指传感器在输入量按同一方向作全量程连续多次变化时， 所得特性曲线不一致的程度。重复性误差属于随机误差，常用标准 差Z计算，也可用正反行程中最大重复差值计算，即R一（23）二100%或-Rmax100%R或2YFS传感器无输入时，每隔一段时间进行读数，其输出偏离零值，即为零点漂移。蛍勺00%零漂=YFS，式中Y0最大零点偏差；YFS满量程输出。00%即温漂=YFSTmax输出最大偏差;YFS零点漂移温度漂移温度变化时，传感器输出量的偏移程度。一般以温度变化1度，输出最大偏差与满

5、量程的百分比表示,：maxT温度变化值；YFS满量程输出。理懑线性蓋奇次项的非线性蓋偶次项的非线区奇、偶次项的非线性Lmax即为非线性误差。重复性y=ayya样斗口尹亍+.y=a1X+ZTX2+CT+1X4尸口+ +&芒6.一阶特性的指标及相关计算。一阶系统微分方程型+y = kxJ 时间常数，k=1静态灵敏度dt拉氏变换(範+1)Y(s) =X (s)传递函数Y(s)1频率响应函数Hg)=Yj)=1X(jo)1+j血误差部分7.测量误差的相关概念及分类相关概念（1）等精度测量（2）非等精度测量（3）真值（4）实际值（5）标称值（6）示值（7）测量误差分类系统误差随机误差粗大误差绝对误差-修正

6、值（1）正态分布其标准差为Z，如果其中某一项相对误差一一最大允许误差 （看例题）（2）随机误差的评价指标（3）测量的极限误差残差d 3，则该项为坏值8.绝对误差，相对误差的概念及计算绝对误差1.绝对误差是示值与被测量真值之间的差值，是一个有大小、有正负、有单位的量。1.头际绝对误差x=x-Ao2在实际中用精度高一级的示值代替真值Ao，即实际值A代替真值A。3修正值C=x相对误差相对误差是绝对误差与被测量的约定值之比。ix1实际相对误差-A-X100%A2.示值相对误差-x -“00%x3.满度（引用）相对误差 4 00%Xn4.最大允许误差；缶一xx100% a%，仪表最大满度误差不许超过准确

7、度等级的百分数Xnx5.示值相对误9.随机误差的评价指标和极限误差评价指标正态分布曲线的算术平均值和均方根误差算术平均值标准差nZ 62i=1x1十x2十+ xnnxi启2 +崔2 +单次测量厉12-v -1n pinxn厶nni=1n残差代替随机误差：1n2f v 2I 2 .2 . 2J L vi贝塞尔公式花_/V1v2 + Vn-J 7Vn -er1 n -1算术平均值测量6x=Fx节n计算单次测量1CTJ 2从beJ算术平均值被测量的算术平均值与真值之差d_ =x- A0随机误差在S至+S范围内概率为：x1戶e26念当多个测量列算术平均值误差为正态分布时，得到测量n / -4-X5 6

8、 =J % 56P( 2) 二二上式变列算术平均值的极限误差表达式为5lim经变换t为式中的t为置信系数，坊-为算术平均值的标准差。P严)2t上f e2dt = 2(t)L0 /Sm X二=3七10.系统误差的发现，系统误差的减弱和消除方法。发现1） 理论分析及计算：因测量原理或使用方法不当引入系统误差时，可以通过理论分析和计算的方法加 以修正。2） 实验对比法：实验对比法是改变产生系统误差的条件进行不同条件的测量，以发现系统误差， 这种 方法适用于发现恒定系统误差。3） 残余误差观察法：根据测量列的各个残余误差的大小和符号变化规律，直接由误差数据或误差曲线 图形来判断有无系统误差，这种方法主

9、要适用于发现有规律变化的系统误差。4）残余误差校核法1用于发现累进性系统误差一一马利科夫准则2用于发现周期性系统误差一一阿卑-赫梅特准则5）计算数据比较法：对冋一量进行多组测量，得到很多数据，通过多组计算数据比较，若不存在系统误差，其比较结果应满足随机误差条件，否则可认为存在系统误差。任意两组结果之间不存在系统误22I j1）从产生误差源上消除系统误差：从生产误差源上消除误差是最根本的方法，它要求在产品设计阶段 从硬件和软件方面采取必要的补偿措施和修正措施，或者采取合适的使用方法将误差从产生根源上加以消除。2） 引入修正值法知道修正值后，将测量结果的指示值加上修正值，就可得到被测量的实际值。智

10、能传感器更容易采用 该方法。3） 零位式测量法4）这种方法是标准量与被测量相比较的测量方法，其优点是测量误差主要取决于参加比较的标准器 具的误差，而标准器具的误差可以做的很小。这种方法要求检测系统有足够的灵敏度，如自动平衡显 示仪表。4.应变片的温度误差产生的原因及其补偿方法。产生原因（1） 敏感栅电阻值ARp =（2） 线膨胀系数不匹配ARrp=R0Ko（Pg-氏）豪由于温度变化而引起的总电阻变化为也 RT=RTG+ ART0=R）必T+尺心（駡-ESHT（邑）相应的虚假应变输出为莓R季+（目_R）ZTK。Ko补偿方法自补偿法单丝自补偿法（选择式自补偿）组合式自补偿法（双金属敏感栅自补偿）削

11、弱/消除5）补偿法11.粗大误差的判定及处理。判别粗大误差最常用的统计判别法：如果对被测量进行多次重复等精度测量的测量数据为xnx1，x2，,，xd”,其标准差为Z，如果其中某一项残差vd大于三倍标准差，即V 3则认为vd为粗大误差，与其对应的测量数据xd是坏值，应从测量列测量数据中删除。第二章电阻式传感器原理与应用1.电阻式传感器的基本原理。电阻式传感器是将被测量的变化转化为传感器电阻值的变化，再经过测量电路实现测量结果的输出。被测电阻电阻变化2.金属的应变效应：金属丝（导体）在外界力作用下产生机械变形（伸长或缩短）时，其电阻值相应发生变化3.应变片的横向效应。敏感栅是由多条直线和圆弧部分组

12、成 直线段：沿轴向拉应变 x，电阻f圆弧段：沿轴向压应度&y，电阻J却KJ（箔式应变片）es,调节电位器R可调平衡。图中电阻Rl=R2=Ro，电容Ci=C2=Co，输出电压为UCD。电路是以两个桥路整流后的直流电压之差作为输出的， 所以称为差动整流电路。它不但可以反映位移的大小(电(1)当差动变压器铁芯在中间位置时，es=O,只有er起作用。 设此时er为正半周， 即A为“+”，B为“一”，则D1、D2导通，D3、D4截止， 流过R1、R2上的电流 分别为i1,、i2， 其电压降UCB及UDB大小相等方向相反， 故输出电压UCD=0。当er为负半周时，A为“-”，B为“+”，此时D3、D4导通

13、，D1、D2截止， 流过，R1、R2的电流分别为i3、i4，其电压降UBC与UBD大 小相等方向相反， 故输出电压UCD=0。(2) 若铁芯上移es和er同位相， 由于eser,故er正 半周时D1、D2仍导通，D3、D4截止，但D1回路内总 电势为er+es/2，而D2回路为er-es/2,故回路电流i1i2,输出电压UCD=R0(i1-i2)0。当er为负半周时，D3、D4导通、D1、D2截止， 此时D3同路内总电势为er-es/2,D4回路内总电势为er+es/2，所以回路电流i4i3，故输 出电压UCD=R0(i4-i3)0因此， 铁芯上移时，输出电压UCD0。(3) 当铁芯下移时，e

14、s和er相位相反。 同理可得UCDRB-RA时，电容器的电容为:10.电容式传感器可分为哪几类？各自的主要用途是什么？电容式差压传感器电容式振动位移传感器电容式加速度传感器结构简单、灵敏度咼、响应速度快(约100ms)能测微小压差(00.75Pa卜真空或微小绝对压力加速度传感器安装在轿车上， 可以作为碰撞传感器。利用加速度传感器实现 延时起爆的钻地炸弹11.推导变极距型、变面积型和变介电常数型电容传感器的计算公式，并利用公式进行计算。(会公式并进行计算)变极距型变面积型变介电常数型低频透射式涡流传感器基本结构平板电容式中：电容极板间介质的介电常数,=0，其中0为真空介电常数，r极板间介质的相对

15、介电常数；A的面积；d 两平行板之间的距离。两平行板所覆盖InRA工作原理名名AC _0 rAC0d初始电容d线位移变面积型初始电容厂2兀讪ln dC C - Co _ (；r2-1)LAable-odCU+口动极板定极板(b)筒状Uo与极板间距离d成线性关系(a)平板状UoUoUoC1- C2UG C22运算放大 器电路U21/(j Cx)u1/(j C)uCd；s输出电压d2Cx = (；S)/d乙U八4。+U2 |电容量与极板间距 j 一 _离的关系若采用变极距式电容传感器Uod UCi, C2二:-d_ 心dd + Ad输出电压与位移呈线性关系。d 2_最大特点：能克服变极距型电容传感

16、器的非线性Cx是传感器电容C是固定电容u0是输出电压信号CuCx12.电容传感器测量电路。电桥电路Uo=Z2U2Z1Z22乙灵敏度高Co电容变化量与移动量L呈线性关系。ddodo小则CoLoAR-A0-)u脉宽调制电路结论：从原理上保证了变极距型电容式传感器的线性。假设放大器开环放大倍数A=输入阻抗Zi=因此仍然存在一定的非线性误差，但一般A和Zi足够大，所以这种误差很小。利用对传感器电容的充放电使电路输出脉冲的宽度随传感器电容量变化而变化通过低通滤波器就能得到对应被测量变化的直流信号d0 Ad C+ACC二CoC = A =Co,do_Ad 1也ddoC二CoC二1,dCo4do丿/1-do

17、Ad/do1时：CdoC _0；r(a-：X)bAC与Ax呈线 性 关系 角位移 变 面积型Coa(6 )名0gr Ao1-O二Co_ Co -TtdoAC与角位移0呈线性关系乂/心一；)hln d电容增量与液位h呈线性关系。L=0时，传感器的初始电容o；r1Lobodo(Lo- L) *汀2LC = C C2 = Jobo-do当被测电介质进入极板间L深度后，引起电容相对变化量为Co+ V!XXUo二UA-UB当差动电容不相等时，uAB电压经低通滤波器滤波后，U1T1-U1T2- T2式中:U1 -T1T2T1T2比转吾动相T平为当电轸电均5调频电路双T型电 桥电路Uo输出U1T1、T2U1

18、T2=R2C2I nU1U1 Ur=RCInU1 Ur结论：输出的直流电压与传感器两电容差值成正比 设电容C1和C2的极间距离和面积分别为di、d2和S1、S2Si功不时均值零基容答T压为当电W，电0触发器输出高电平；-Ci、C2充电至Ur时所需时间。CC2U1C1C2I Id2 -d1 |.U0UEU0差动变极距型d2d1，差动变面积型特性：差动脉冲调宽电路能适用于任何差动式电容式传感器，并具有理论上的线性特性12二 一LC2、LQ G C。_ OC2,Uo0传感器有 输入时如果C1vC2T,U。0电路的优点：简单，不须附加相敏检波电路。负半周：C2充电情况不变，C1放电电流增 大。输出负电

19、 压变小。正半周：C1充电 电量增多，C2放 电情况不变。输 出正电压情况不 变。正半周：C1充tbvCl|0直流电场直流电场 E电场作用下的伸长电场作用下的伸长+ （Ca+Cc+Ci）第六章温度检测1.接触式测温方法的优点和缺点。（简答）优点直观、可靠，测量仪表也比较简单。缺点由于敏感元件必须与被测对象接触，在接触过程中就可能破坏被测对象的温度场分布，从而造成测量误差。 有的测温元件不能和被测对象充分接触，不能达到充分的热平衡，使测温元件和被测对象温度不一致，带来误差。在接触过程中，介质腐蚀性，高温时对测温元件的影响，影响测温元件的可靠性和工作寿命。也会2.影响较大的两个经验温标。华氏温标、

20、摄氏温标3.常用的热电阻有哪几种？适用范围如何？材料温度系数a（1/C）比电阻p(.mm2/m)温度范围（C）特性3.92X10-30.0981-200 +650近线性铜4.25X10-30.0170-50 +150线性铁6.50X10-30.0910-50 +150非线性镍6.60X10-30.1210-50 +100非线性4.热敏电阻与热电阻相比较有什么优缺点？热敏电阻热电阻优点具有电阻值和电阻温度系数大（49倍）、灵敏度高；体积小、结构简单；热惯性小、响应速度快；使用方便；寿命长；易于实现远距离测量。灵敏度低缺点互换性较差，冋一型号的产品特性参数有较大区别；稳定性较差；非线性稳定性好，线

21、性关系好严重，不能在高温下使用。5.根据热敏电阻随温度变化的特性不同，热敏电阻可以分为哪三种类型，各有什么特点负温 度系数 热敏电阻NTC热敏电阻在不同值时的电阻一温度特性，温度越高，阻值越 小,且有明显的非线性。NTC热敏电阻具有很高的负电阻温 度系数，特别适用于：100+300C之间测温。应用较多。NTC的温度系数（1）5式const.T :a T低温段比高温段灵敏（3）灵敏度比金属热电阻高（10倍）CTRPTC1FIt*irIF1电厢1r 一 f -苇 -:* Kn4Vi4d正温度 系数热 敏电阻PTC热敏电阻的阻值随温度升高而增大，且有斜率最大的区域，当温度超过某一数值时，其电阻值朝正

22、的方向快速变化。可 以用作各种电器设备的过热保护。-V1X-%X” *I=I ;临界温 度系数 热敏电阻CRT也具有负温度系数，但在某个温度范围内电阻值急剧下降，曲线斜率在此区段特别陡，灵敏度极高。主要用作温度开关。%. q*潟虹.L1111-U W110 1AU 2UU6.热敏电阻的线性化方法。7.热电阻的三线制接法及其特点8.热敏电阻的应用。管道流量测量、热敏电阻体温表、CPU的温度测量、电热水器的温度控制9.什么是热电效应？热电偶测温回路的热电动势由哪两部分组成？由同一种导体组成的闭合回路能产生热电势吗?含义热电偶、热电阻和热敏电阻的结构及测温范围热电动势来源：接触电动势和温差电动势产生

23、热电势的条件：热电偶不同电极材料两端温度不同10.热电偶的结构形式有哪几种?普通型热电偶特殊热电偶铠装型热电偶薄膜热电偶11.热电偶的基本定律。中间导体定律在热电偶测温回路内，接入第二种导体时，只要第二种导体的两端温度相冋，则对回路的总热电 势没有影响。连接导体定律T在热电偶回路中，如果热电极A和B分别于连接导体A和B相接，其接点温度分别为T、Tn和TO。则回路的总热电动势等于：Ar|YBrEABAB仃,人,T0) =EAB(T,Tn)+EA*B(Tn,T0)T 0T“当A与A ,B与B材料分别相同时bEAB(T,Tn,To) =EAB(T, Tn) +EAB(Tn,T0)均质导体定律由两种均

24、质导体组成的热电偶，其热电动势的大小只与两材料及两接点温度有关，与热电偶的大 小尺寸、形状及沿电极各处的温度分布无关。即热电偶必须由两种不同性质的均质材料构成。12什么是补偿导线？作用是什么?补偿导线是在一定温度范围内(0100C)具有与所匹配热电偶热电动势相同标称值的一对带有绝缘层的导线，用它们连接热电偶与测量装置，以补偿它们与热电偶连接处的温度变化所产生的误差。13.使用补偿导线时应注意哪些问题?(1) 补偿导线必须与热电偶配套，不同型号的热电偶应选用不同的补偿导线。(2) 补偿导线与热电偶连接时应正极接正极，负极接负极。(3) 补偿导线与热电偶连接的两个接点必须同温。14.热电偶的冷端温度补偿(电桥补偿法)15.会查表计算。(计算)toEAB(t,to) “RCU*UABEAB(3UAB=恒定值UABRCE(RCUR注意：仪表的输入阻抗要足够高，否则无法准确测量电动势。R2R3热电偶冷端不为0的计算例：用镍铬-镍硅热电偶测量加热炉温度。已知冷端温度t0=30C,测得热电势eAB（t,t0）