南工程传感器与检测胡向东整理复习

1、14 届考试参考方向第 1 章概述1.1 什么是传感器？P6答：传感器是能够感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件和装置，通常由敏感元件和转换元件组成。1.2 传感器的共性是什么？P6答：传感器的共性就是利用物理定律或物质的物理、化学或生物特性，将非电量（如位移、 速度、加速度、力等）输入转换成电量（电压、电流、频率、电荷、电容、电阻等）输出。1.3 传感器一般由哪几部分组成？P7答：传感器的基本组成分为敏感元件和转换元件两部分，分别完成检测和转换两个基本功能。另外还需要信号调理与转换电路，辅助电源。1.6 改善传感器性能的技术途径有哪些？P10-11答： 差动技术； 平均技术

2、； 补偿与修正技术； 屏蔽、隔离与干扰抑制； 稳 定性处理。第 2 章 传感器的基本特性2.1 什么是传感器的静态特性？描述传感器静态特性的主要指标有哪些？P15答：传感器的静态特性是它在稳态信号作用下的输入、输出关系。静态特性所描述的传感器的输入-输出关系中不含时间变量。衡量传感器静态特性的主要指标是线性度、灵敏度、分 辨率、迟滞、重复性和漂移。P24 传感器的标定：利用某种标准仪器对新研制或生产的传感器进行技术检定和标度；它是通过实验建立传感器输入量与输出量间的关系，并确定出不同使用条件下的误差关系或测量精度。传感器的标定分为静态标定和动态标定两种。第 3 章电阻式传感器3.2 电阻应变片

3、的种类有哪些？各有什么特点？P30-31答：常用的电阻应变片有两种：金属电阻应变片和半导体电阻应变片。金属电阻应变片的工作原理是主要基于应变效应导致其材料几何尺寸的变化；半导体电阻应变片的工作原理是主要基于半导体材料的压阻效应。P41 电阻式力传感器的分类和各类别的适用场合：电阻式力传感器分为柱式、环式、悬臂式等，柱式力传感器为为实心的，结构简单、紧凑，可承受很大载荷，如火箭发动机实验；载 荷较小，为增大柱的曲率半径，便于粘贴电阻片等，使用空心筒式结构；环式多用于测量较大载荷，它应力分布有正有负，易接成差动电桥；悬臂梁式弹性元件结构简单，加工容易， 电阻应变片容易粘贴，灵敏度较高，适用于测量小

4、载荷。本章主要公式：1 ）轴向应变（即电阻丝轴向长度相对变化量）= L/L2)电阻丝的灵敏度系数K= ( R/R) /=1+2 卩+A p/p3） 应力与应变的关系d=E（b为被测试件的应力，E为弹性模量）4）应力d与力 F 和受力面积 A 的关系d=F/A5） 直流电桥平衡条件，相邻两臂电阻的比值相等，即R1R2=R3R46） 电桥的电压灵敏度为Ku=Uo/（ R1/R1）=En/（1+n）2（桥臂比 n=R2/R1）7） n=1 时，即 R 仁 R2=R3 =R4 Ku 值最大，灵敏度最高，各单臂电桥此时Uo=(E/4)( R1/R1); Ku=E4;非线性误差为丫L=(“ R1/R1)

5、/ (2+ R1R1 )8 ）半桥差动：如图 a,两个相邻桥臂接入电阻应变片， 若R仁R2, R 仁 R2=R3 =R4 贝 U Uo=（ E/2） （“ R1/R1）,Ku=E/2,无非线性误差全桥差动：如图b，电桥四臂都接入电阻应变片，若R 仁R2= R3= R4, R 仁 R2=R3 =R4 则 Uo=E（ R1/R1）,Ku=E,无非线性误差书中例题 P37乎 d 如果将 皿仇的h皿片貼何I：形艸性试件谀试件的械面枳冲4”4m材 山棘杵模处= 2 x IO1N/m杆山5 x何N的拉力引起磁变片电眠变化为1.21U1）求噱胃变片的灵敏系数忍杆舟电阻应变片儿軽于单臂演址电桥.电桥盹源屯压为

6、自流？,求削桥输出的电 |压及其非线性泯差。（H应变片电阻的相对变代为柱形弾性试件的应变为应变片的灵敏系数为 AR/R0.01K =TS（2）将电阻应变片&實于单臂测量电桥*电桥电源电压为直流3V,则电桥输出电压为= 0.007丹韭线性泯差为P38氓輛：某电阻城变片的电=400（1.应变灵敬度系数设戡测应变立 求：（1）AN/R和（2）如果电桥供电电源电压3Vt计算全桥差动测联电路的输出电压。解：（D根据式（头卬），有=105 x1000 x10 =2,05 xlO3相应地*= fcA = 105 x0 x400fl =0. 82ft2）根据式（3-43）,有t/ = 3xZ05 xl

7、O-1V=6.15mV第 4 章电感式传感器1.2R12Q_R/R0.Q1? + n + A/?/=1+0+0i0.5%- -0*4.2 试分析变气隙厚度电感式传感器的工作原理。P58当压力进入膜盒时，膜盒的顶端在压力p 的作用下产生与压力 p 大小成正比的位移。于是衔铁也发生位移，使气隙厚度发生变化，流过线圈的电流也发生相应的变化，电 流表指示值将反映被测压力的大小。4.4 差动式比单线圈式结构的变磁阻电感式传感器在灵敏度和线性度方面有什么优势？为什么？P56差动式的灵敏度提高了一倍。因为差动式非线性项比单线圈多乘了（Ac/d）因子；不存在偶次项，因Ac/d1，线性度得到改善。4.7 试分析

8、变压器式交流电桥测量电路的工作原理。详见 P57衔铁上下移动时，输出电压相位相反，大小随衔铁的位移而变化。4.9 弓 I 起零点残余电压的原因是什么？如何消除零点残余电压？P621 ）零点残余电压的产生原因：（线圈）传感器的两个二次绕组的电气参数和几何尺寸不对称，导致它们产生的感生电动势幅值不等、 相位不同，构成了零点残余电压的基波； （铁 心）由于磁性材料磁化曲线的非线性 （磁饱和、磁滞），产生了零点残余电压的高次谐波 （主 要是三次谐波）；（电源）励磁电压本身含高次谐波。2）零点残余电压的消除方法：尽可能保证传感器的几何尺寸、线圈电气参数和磁路的对 称；采用适当的测量电路，如差动整流电路。

9、4.11 如何通过相敏检波电路实现对位移大小和方向的判定？P65答：相敏检测电路原理是通过鉴别相位来辨别位移的方向，即差分变压器输出的调幅波经相敏检波后，便能输出既反映位移大小，又反映位移极性的测量信号。经过相敏检波电路，正 位移输出正电压，负位移输出负电压， 电压值的大小表明位移的大小，电压的正负表明位移的方向。P59-60 变隙式差动变压器r工作原理変陳式黑动变圧器的结构如图4-Ma所示.在A、R蔺个铁心上绕有两个一欢绕组j = %、栩閃卜二次绕组 他三料 yz=,曲亍-欣绕tn臟向“y阴亍 次诜细向樹时液Tf位移*槓旣址于中间平衡祐董*它与两个锲心阿的问曲 均叽，=尽“ =% *则 绘頂

10、间的支憊霍数M与绕级用心用地间的苴屬系数他和筹致何:曲亍一二次绕细的 耳釀电功势牺称、即，J M由于二次轻组型反向屮接，丙此.斥动空川鹉的输出电爪昭椅铁上穆时.序 V 晦.对应的互協系数忆 A 骨因吐*圖牛二次绕组的互脏电动势 匸加 A输出电- FJI.反之当術铁卜移时唇.A 虬.对应的互蛇系散嗽U 叭.因此，两个二吹绕纽的互屈电动舞 =输出电氐心*=】比弋 0闵此，粮披焉岀电圧的大小和极性町以反映岀械测物体位移的大小和方向P68-69 电涡流效应定义根据法拉第电磁感应定律，块状金属导体置于变化的磁场中或在磁场中作切割磁力线运动 时，通过导体的磁通将发生变化，产生感应电动势，该电动势在导体表面

11、形成电流并自行闭合，状似水中的涡流，称为电涡流。电涡流只集中在金属导体的表面，这一现象称为趋肤效应。P71h调频式测总电路调顿式测址电路如图423所示传感器线圈柞为组成氏振荡器的电感元件*并联谐撮 同路的谐掾频率为丹电満流线圈与披测物体的距离变化时.电涡流线圈的电感量在涓飯影响下随之变化” 引起振诙器的输岀频率变化，该频率信号（HL电平）可査接由计算机计數+或通过频率- 电压转换器（又称为鉴频器）将频率信号转换为电压信号，用数字电压表显示出对应的 电压.本章主要公式：1）变磁阻电感式传感器由磁路欧姆定律有=IN/Rm（通过线圈的电流 I,线圈的匝数 N,穿过线圈的磁通 ）2） 忽略磁损，磁路总

12、磁阻为Rn=Li/卩1A1+L2/卩2A2+2S/卩oAo0、卩卩2空气、铁心、衔铁的导通率（卩0=4nX10-7H/m ）;L、L2磁通通过铁心和衔铁中心线的长度；Ao、A1、A2气隙、铁心、衔铁的截面积（近似认为Ao=A1）；S单个气隙的厚度3） 通常气隙磁阻远大于铁心和衔铁的磁阻，上式可近似为Rm- 23/1oAo224） 线圈电感值（量）L=N/Rm=N1oAo/235） 灵敏度定义为单位气隙厚度变化引起的电感量相对变化，即K= （“ L/Lo） /3=1/3o；6） 谐振时结构的机械品质因数Q=3L/RP54-55 衔铁上下移时3与 K 的关系J*t人土*限签If為器4U衔铁生餌站与

13、寓的关系发IB性思爍调绦强 1(4.13) ftlA (4-17) M得卧r 15石卜山)叨方it 2由式（4-10） n闊M. g乩人沁420再结舍氏（4-0）般度的定财陥1I 花-1-山心飞裁（4*21）由式）4K取决 上，在M对于蒂X的光系见（4-19）和式（4-20可知,无论方袪或方法瓷均可得出同样的结论，即灵放 气加的十館璋愷（此时为y）而且站增加将导致灵敏度K増大 幫实11, fS3 （82、皆“他文瓦I J（鬲卜（石）2*沁 2楚忸式H-20J可得心）稱皓命式（417）灵红匮的毎丈有宀性七1（44）M1 * 3g為十囂由式ur,選比较器A?输岀正跳变信号，激励融发器发生翻转.重

14、复前述过程。如此周而复始，Q和0端（即A. B两点间）输岀方波。由式（566）可得二严吩卞：（5-68）因此， 对电容c,、C?分别充电至叫时所需的时间分别为 （叫、 “等于社发寿皆岀的髙 电平，二者应该相等，即叫=%）(5-69)7 = gin 说寸 gk（5-70）当差动电容C=C2时（初始平術态），由于*1=2.因此.T、=T“两个电容春的充电 过程完全一样.A、B间的电压叫为对称的方液，其直淹分（平均电压值）为0（对应 的各点电压波形见图5-15.0.当差动电容时，假设ctcJ9则G充电过程的时同要廷长、G充电过程的时用 要给短，导致时间常数7t72.此时的方渡不对称，各点的电压当矩形

15、电压波通过低通滤波器后，可得出“AB的直流分量（平均电压值）不为0,而 应为% = （%）DC r讣点 -齐严二芈警帶詈（5-71）式中%的幅值。通过弘对G充描述，但时间常数变为TS 直至N点图5 14脉冲寬度调制电路匣复更hP93 电容式厚度传感器&3 4电容式讯度传感器Hl沽W度传减器用fiWht金履带材在轧制过程中的厚度.其原理如图久1今所示。在 被测带材的I:卜稠边袴放块面枳相尊，与带材中心霹距离的极板，这样*极板与带材就构 成曲个电容胖（帯材也柞为 i 个极板）用导线将两亍极板连接起来作为一个极板*带材作 为电容器的対极，此时，相当于卿个业容井联，其总电容二 u金属帯材在轧制

16、过程中不断前行， 如果带材厚度有变化， 将导致它与上下两个扱板间的 华离发生变化，从而引起电容僵的变化。将总电容蚩作为交流电桥的一个臂，电容的变牝将 使得电桥产生不平衡输出，从而实现对带材厚度的检测。:Lrrrrt第 6 章压电式传感器6.1 什么是压电效应？什么是逆压电效应？P951 ）所谓压电效应就是对某些电介质沿一定方向施以外力使其变形时，其内部将产生极化现 象而使其出现电荷集聚的现象，也称为正压电现象。2）当在片状压电材料的两个电极面上加上交流电压，那么压电片将产生机械振动，即压电 片在电极方向上产生伸缩变形， 压电材料的这种现象称为电致伸缩效应，6.3 试分析石英晶体的压电效应原理P

17、96石英晶体的化学成分是，是单晶结构，理想形状六角锥体，石英晶 体是各向异性材料，不同晶向具有各异的物理特性，用 x、y、z 轴来描述。z 轴：是通过锥顶端的轴线，是纵向轴，称为光轴，沿该方向受力不 会产生压电效应。x 轴：经过六面体的棱线并垂直于z 轴的轴为 x 轴，称为电轴（压电效应只在该轴的两个表面产生电荷集聚），沿该方向受力产生的压电效应称为“纵向压电效应”。y 轴：与 x、z 轴同时垂直的轴为 y 轴，称为机械轴（该方向只产生机械变形，不会出现电荷 集聚）。沿该方向受力产生的压电效应称为“横向压电效应”。P99-100 压电陶瓷与石英晶体的对比：压电陶瓷的压电系数比石英晶体大得多（即

18、压电效应更明显），因此用它做成的压电式传感器的灵敏度较高，但稳定性、机械强度等不如石英晶体。石英是较好的单晶体类压电材料，除了压电系数不大外，其他特性都具有明显的优越性，石英主要用于测量大量值的力和加速度或作为标准传感器使用。第 7 章磁敏式传感器7.5 什么是霍尔效应？霍尔电动势与哪些因素有关？P116-117当载流导体中通电电流方向与磁场方向垂直时，在导体的两个端面上就有电势产生，这种现象叫做霍尔效应。与载流子浓度、激励电流大小、磁场强度、电子迁移率、载流导体的厚度 有关。P110-115 磁电感应式传感器分类、基本特性、测量电路与应用 1）分类一一恒磁通式：动圈式和动铁式结构；变磁通式：

19、开磁路和闭磁路结构2 ）基本特性P112-1143 ）测量电路与应用 P114-115需会算载流子Lji JJir4吕-评或半导ft址F 4电淹相垂的磁场11在阿端将产络:电位堆，这一现象皱称为孤如效门霜尔熾应产主的电动势被称均袄尔电动势繼隊敕惊的产生足由于运动电荷受磁炀中洛伦兹力件用的turn7-io所示.在一块栈度为匚 宽度曲筑邸 度为討的悅方形导电板上.两对垂血测血各装上电 扱，如聚住悅度青向通人控制电流人 在厚度方向施 加嚴黯应强度为安的磁场时，那么学电板申的自由电子虑电场作用T定向运动此时*毎亍电子受到落伦兹力人的作用大小为/L=TBB（7-1S）式中 上里个第子的电荷EL e =

20、L6xlO-|,CI也称为逆压电效应。IH6-1农英从岸 I懈bl朴时.fl磁场牺门啊fit；*-11产1F均运功谨度济伦兹X 人的方向fi卸|%向甲的右f小訓此tii- f r呑电尹号力 动悴.还超杵川卜向屮5UA结果程#电梅甲底血职翠门也而外0；累 捋廳成阳加内砲场.称如；厂社扬 矗笑尔业场柞用 匚业f碎刃,向相区的电塢力的作用*此力PH止电荷的邯绞槪事,艸在导电畅优內电f矽象/ 时I媲荷乐冉RW).所受涪仑歿力和电场力丸小相第E心.闵此析二 1R丁- I 心則相心的电动勢就称为幣尔电动钾M1其大小町昴J；为片=总詁(/H= iBb片讥字如 B年 4注意：如果所加磁场与导电板表面垂直方向的

21、喪箱为筑此时*实际作用于霍尔元件上 的有效磁场为扛法线方向的分SL即風佔所强此时我(7-19)歳改为%=KJRE扒龜尔灵敏度 KH表征了一个探尔元件在单位控制电谎和单应强度时产生的攝尔电动毎的大小。置(7-19)給出的誤尔龟动势是用控制电流来表示的在箱尔器件的陞用中+电源是一席科叽、审于而载流子在粗场中的平均迁移速度为v #fE式中共在单位电场强度下，载流子的迁移速華。；联芷式(7-18)和式(7-20)f得(7-21)第 8 章热电式传感器8.1 什么是热电效应、接触电动势、温差电动势？P128JTJTj帛乞好力力或式中b一錚电极宽度嗎业子诳度为机 电子定向运动平均速度为；时.对卡不同的林料

22、檄肇悸怵豺事:屮 群数戦流子物电子.电流与电子的运动方向栩反匚p型毕导体材料中多数嚴诡F为空了： ， 电 涼与电F的运动方佝相同)，根据电腕的定乂(单位时间内流过导悴裁曲聯的电超帝丿对夠 岀a 7-1所示稻尔效应的特征址匚半导体林料特肝fit电壷-neviti書尔电功勢HjlIBned他nrd嚅尔杲故町丄w1a 一畫尔灭垃度心-Lnaii弓最丁不問半导体材料笑尔效应的特証筋尔电动势与霸尔系数或霍尔灵敏度的爻系可表示为1)两种不同导体组成闭合回路， 如果两接点温度不同， 则在闭合回路中就有热电势产生, 这种现象称为热电效应。2 )在热电效应中因为导体电子密度不同，因接触而产生的热电势称为接触电动

23、势3)单一导体内部，因为两端的温度不同产生的热电势称为温差电势。8.2 热电偶的工作原理是什么？P128-129热电偶测温是基于热电效应的基本原理。根据热电效应，任何两种不同的导体或半导体组成的闭合回路，如果将它们的两个接点分别置于温度不同的热源中，则在该回路中会产生热电动势，在一定条件下，产生的热电动势与被测温度成单值函数关系。因此，我们只需测得热电动势值，就可间接获得被测温度。8.3 什么是中间导体定律、中间温度定律、标准导体定律、均质导体定律？P131-1341) 中间导体定律：在热电偶测温回路内接入第三种导体，只要其两端温度相同，则回路的 总热电动势不变。2)中间温度定律：热电偶 AB

24、 在接点温度为 t,tO 时的热电动势 EAB(t,tO)等于它在接点温度 t,tc 和 tc,t0 时的热电动势 EAB(t,tc)和 EAB(tc,t0)的代数和。3)标准电极定律：如果两种导体A、 B 分别与第三种导体 C 组成的热电偶所产生的热电动势已知，则由这两个导体A、B 组成的热电偶所产生的热电动势可由下式来确定：EAB(t,tO)=EAC(t,tO)-EBC(t,tO)4)均质导体定律：如果组成热电偶的两个热电极的材料相同，无论两接点的温度是否相同，热电偶回路中的总热电势均为08.7 用两只 K 型热电偶测量两点温度，其连接线路如下图所示，已知 ti=420C,t2=30C，测

25、得两点的温差电动势为15.24mv,问两点的温度差是多少？如果测量 ti温度的那只热电偶错用的是E 型热电偶，其他都正确，试求两点实际温度差是多少？(可能用到的热电偶分度表数据见表一和表二，最后结果可只保留到整数位) 表一 K 型热电偶分度表(部分)工作端 温度/c0102030405060708090热电动势/mV000.3970.7981.2031.6112.0222.4362.853.2663.6811004.0954.5084.9195.3275.7336.1376.5396.9397.3387.7372008.1378.5378.9389.3419.74510.15110.5610.

26、9711.38111.79330012.2112.6213.0413.4613.87414.29214.7115.1315.55215.97440016.416.8217.2417.6618.08818.51318.9419.3619.78820.214表二E型热电偶分度表(部分)分度号乂 E参考端温度为此)测竝端温度/P203040热电功势加辛+01 1921.8012 41940030.546SL350S2 155解：1)rel s-w me(ti,t2) )=屮1,切-e(t2,to) = e(420, 30) -e(t2,30)-e(420,0) -e(30,0) -e(t2,0) -

27、 e(30,0)= e(420,0) -e(t2,0),所以&t2,0) =e(420,0) e(tnt2)=仃.24 -15.24 =2.0mv查表得点的温度为 49.5C,两点间的温度差为420-49.5=370.5C。2 )如果测量错用了 E 型热电偶，则e(t1, t2-eE(t1,0 eK(t2,) =eE(420,30)乐(t2,30)=eE(420,0) -eE( (30,0)血傀,。)鸟(30,0)-30.546 -1.801-eK(t2,0) -1.203,所以eK(t2,0) =30.546 -1.8011.203 -15.24 =14.708mv查表得点的温度为

28、360C,两点间的温度差实际为420-360=60C。8.14 热电阻有什么特点？P144(1 )热电阻测量电路优点：精度高，性能稳定，适于测低温。(2)热惯性大，需辅助电源。书上题目 P138探辞热电個丫工榨时其拎端温度为tD= 30T .测得热电动弊E (u rj32 1届*求被测介质冥际温度。第：由热电IS分度表査得E(30, 0) =l.203mVo剧(1.0) =(*,30) + (30.0) =(39. 17 + l.2O3)mV=4O. 373raV0再从丧中査得最相邻的两个热电动势(970,0) 40. O96mV,(980,0 -40. 488mVa禺此*利用式(8-9)可得

29、核测介质实际温度为冷端温度校正法得出的数据很箱确*存在的不足是不适合连续测量温度，为什么？弩热电偶通过补偿导疑连接到显示仪表时，热电偶拎端温度保持恒定且已知，则可预先 将有零位调整功能的显示仪表的措针从刻度的初始值调至已知的冷端温度值，这样，显示仪 表的示值即为被测暈的实际温度值口第 9 章光电式传感器9.4 什么是光电效应、内光电效应、外光电效应？P153、1571 )光电效应：根据光电效应方程，当光照射在某些物体上时，光能量作用于被测物体而释 放电子，即物体吸收具有一定能量的光子后所产生的电效应，这就是光电效应。2)内光电效应：内光电效应是指物体受到光照后所产生的光电子只在物体内部运动，而

30、不 会逸出物体的现象。3 )外光电效应：当光照射到金属或金属氧化物的光材料上时，光子的能量传给光电材料表 面的电子，如果入射到表面的光能使电子获得足够的能量，电子会克服正离子对它的吸引力,脱离材料表面而进入外界空间，这种现象称为外光电效应。9.22 一个 8 位光电码盘的最小分辨率是多少？如果要求每个最小分辨率对应的码盘圆弧长度至少为 0.01mm，则码盘半径应有多大？解：一个 n 位二进制码盘的最小分辨率是360 /2n 8 位光电码盘的最小分辨率是 360 /28 1.4码盘周长为 0.01mmx28=0.01mmx256=2.56mm码盘半径为 2.56mm/2n0.4074mm9.25 计量光栅是如何实现测量位移的？P190-191主光栅与运动部件连在一起，当被测物体运动时，在主光栅、莫尔条纹，条纹宽度和运动部件的位移成正比。9.27 已知某计量光栅的栅线密度为100 线/mm，栅线夹角0=0.1o。试求：(1) 该光栅形成的莫尔条纹间距是多少？(2) 若采用该光栅测量线位移，已知指示光栅上的莫尔条纹移动了15 条，则被测位移为多少？_6(3) 若采用四只光敏二极管接收莫尔条纹信号，并且光敏二极管响应时间为10 s，