中央电大传感器测试技术总复习详解

#传感器与测试技术总复习第一章绪论一、测试系统构成——传感器、信号变换、显示记录等环节P3二、传感器组成——敏感元件、转换元件、转换电路。传感器定义：以一定的精度把被测量转换成另一种便于检测量的装置。三、传感器的分类——按工作机理、能量转换、输入量、物理原理（常用）按工作机理分：结构型传感器——结构参数变化（实现信号变换）物性传感器——结构参数不变，而仅依靠内部物体，化学性质变化而实现传感的功能。第二章传感器的一般特性一、传感器的静特性1、定义——传感器在输入量的各个值处于稳定状态时的输出与输入关系，即当输入为常量或变化极慢时输出与输入的关系。2、主要指标①测量范围与量程——测量的下限和测量上限表示的测量区间称测量范围。量程=上限-下限②线性度—输出输入校正曲线与其拟合直线间的最大偏差。③迟滞—传感器在正反行程中输出输入曲线不重合称迟滞。④重复性—全量程输入按同一方向会连续多次测量所得曲线不一致的程度。⑤灵敏度一输出变化量Ay与引起此变化量的输入变化量A%之比K=dydx灵敏误差Y=AK义100%SK⑥分辨力—在测量范围内能检测出输入量的最小变化值阈值（起始灵敏度）—在零点附近的分辨力（它是死区概论）⑦稳定性一在室温条件下，经一段时间间隔后，传感器的输出与起始标定时的输出间的差异。⑧漂移一零点漂移、灵敏度漂移、时漂和温漂⑨误差的表示a绝对误差b=X-Q（式中X为测量值，Q为约定真值），修正值C=-b相对误差e=5 _相对误差e=x100%Q5 5c引用（相对）误差丫=——X100%= X100%y x-xFS maxmin常用丫 定义仪表精度等级Smax5S<Y=一X100%myFS⑩静态误差（精度）定义——在全量程内任何一点输出值与理论输出值偏离程度二、动特性、定义——传感器对随时间变化的输入量的响应程度、指标一一响应时间t,yQ）的3上升时间t,yQ）的r稳定时间t，超调量o 见w三、标定与校准1、标定——利用某种标准器具对传感器进行标度概念：①对新研制或生产的传感器全面技术检定称标定。②对使用中或储存后进行性能复测称校准。2、方法——利用标准仪器产生标准输入量，输入到传感器，传感器输出量与输入的标准量作比较，得一系列数据或曲线。对传感器静态特性指标确定。3、静态和动态标定——研究动态响应。零阶为静态灵敏度K；一阶为时间常数t；二阶为固有频率攻和阻尼比己0n四、提高传感器性能方法1、非线性校正——开环非线性补偿、非线性反馈补偿法2、温度补偿一一①减小传感器零位输出温度误差灵敏度；②减小传感器灵敏度对温度的敏感度。3、闭环技术4、平均技术——误差平均效应、数据平均处理5、差动技术——电感、电容传感器应用（一正一负组成差动形式）6、集成和智能化7、抑制干扰——屏蔽、隔离、滤波——是减小电磁干扰的措施第三章电阻式传感器一、应变式传感器1、定义一一电阻称在外力作用下一机械变形一阻值变化，这一现象称电阻丝应变效应。/具体分析：R=P兀r28=如纵向应变定义8(犬 8=~^8，式中N为泊松比dr横向应变 rrdR

Rdp=[(1+2N)+—]8=K8人dR金属丝 =(1+2日)8R….AR计算公式r二K082、结构与类型①应变片类型一一电阻丝式、金属箔式②应变片结构一一敏感栅、绝缘基片、覆盖片3、主要特性—,AR/R 一 〃,①应变片电阻灵敏度系数K= ，式中实验测得抽样，K电阻丝灵敏8 0度系数,K<Ko②横向效应纵向力-8，但也会有8变动，这就是横向效应。r③温度效应这是与用丝式应变片有关，若用箔式就可减小横向效应带来测量误差。环境温度变化At引起③温度效应=At-at=k(P-P=At-at=k(P-P)At，式中P为应变IR一八一……一八一……」AR}敏感元件和试件膨胀系数不同|--IR2片，P为试件膨胀系数g补偿方法一一单丝自补偿法、双丝自补偿法、桥路补偿法(差动、热敏电阻桥路)④绝缘电阻一一引线与被测试件之间的电阻⑤应变权限一一 使非线性达到 时的真实应变值

、转换电路对角电阻乘积

两者相等平衡单臂U(RR—RR、转换电路对角电阻乘积

两者相等平衡单臂U(RR—RR) 1-3 2~4 E(R+R)(R+R)1 23 44AR一iE4R0双臂UAR一lE2R0P80例题已知：R=R=120Q，K=2，应变为1003£，U=5V，R和R一个受拉，12 12一个受压，求输出U0解：AR=KR£=2x120x0.001=0.24欧姆，AR 024=——U= x5=0.005V=5mV2R 2x1205、应变片的选择①类型选择——箔式或半导体应变片②材料选择③阻值选择，一般。，提高灵敏度也可使R阻值增加为 〜。④尺寸选择6、应用——测力、压力、加速度测力弹性元件为力敏元件将力的大小一应变量变化，通常有柱式、环式、梁式。二、压阻式传感器1、压阻效应——半导体应变片受应力后，材料电阻率变化，阻值中dpAR,—[(=[(1+2MO+~^~]eR e半导体应变片阻值变化主要由材料电阻率变化引起的ARApA—= =兀Ee，式中兀为压阻系数，E弹性模置，e应变Rp2、主要特性：了解、测量电路：恒压供电一一U=U力A力，它与电源U的大小精度有关，电路简单，不能消除0 R+ART温度影响，与温度有关，它还是非线性恒流供电一一U=IAR，它与电源I的大小精度有关，但不受温度影响。04、温度补偿①零点温度补偿一一它是由个扩散电阻值及它们温度系数不一致造成解决办法一一串并联电阻②灵敏度温度补偿一一压阻系数e随温度变化tT一eJ解决办法——串联二极管5、应用——测量压力、加速度三、热电阻传感器1、工作原理R=R(1+at) tTfRTt0 t要求：a、电阻温度系数a大；b、tTfRT良好线性；tc、物理、化学性能验定d、尺寸小e、复制性好(纯度高)价格便宜。2、类型特点①铂电阻P10和P100 。-〜℃稳定性好、精度高tt②铜电阻C50和C100 。〜℃线性、价廉、易氧化uu3、测量电路及应用三线制——克服引线电阻受环境温度变化带来测量误差四线制——精确测量四、电位计式（变阻器式）传感器位移一电阻变化、类型——直线位移型、角位移型、非线性型、测量电路——电阻分压电路用于测量线位移、角位移第四章电容式传感器一、原理及特性C=强5变极距型（或称变间隙5型）、变面积S，变解电常数81、变极距（间隙）型8S 8S8SAS「A8当间隙变小（CT，增加AC），则AC=一去■一^_=玉_・^一而=C一K5-AS5 55-AS o5-AS①只有当5»A5时，AC与A5呈线性关系②常用差动式（图）可减小非线性，提高灵敏度2、变面积型——电容量与位移量线性关系Aa⑴线位移AC=C—0aAa⑵角位移AC=C0a⑶容栅传感器它是在变面积型电容传感器的基础上发展成的一种新型传感器，它有长容栅和圆容栅二种。它可看成一对对小电容并联连接而成。——具有电容传感器的特点：动态响应快、结构简单，温度稳定性好（本身发热很小），易实现非接触测量，还具有分辩力高、精度高，对刻制精度和安装要求不高，量程大，应用数显量具（数显千分尺，数显卡尺）3、变解电常数型C=C+AC AC正比于液位高度x0它可以测量厚度、位移、液位一使用最多二、设计及应用1、特点优：a、温度稳定性好；b、结构简单；c、动态响应快；d、可实现非接触式测量缺：a、输出阻抗高，负载能力差；b、寄生电容影响大—一引线电容、分布电容，对电容传感器本身小电容影响大c、输出特性非线性变§本身非线性。变8和S只有忽略边缘效应，才是线性。（即当极片尺寸＞＞极距，圆筒高度＞＞直径）2、误差分析及补偿⑴减小环境温度、湿度等影响——常用差动对称结构★⑵消除和减小边缘效应边缘效应不仅使传感器灵敏度降低，而且产生非线性减小方法：a、尺寸上一一极片尺寸＞＞间距，圆筒高度＞＞直径b、结构上一一增设等位环P92等位环与电极电位相等，使电极边缘处电力线平直或理解等位环外电场不影响平板电容正常工作。⑶消除和减小寄生电容影响⑷防止和减小外界干扰3、转换电路⑴电桥电路 P96C⑵运放电路可使U=-U—0§0 8s4应用一差压（可测流量）、加速度、液位、荷重

第5章电感式传感器Ax-AL 自感式传感器Ax-AM互感式传感器§1自感式传感器间隙AS-AR磁阻—ALm变面积式，线性,N2四S一变面积式，线性1、闭磁路L=--^―2S、小位移，常用差动式2、螺线管式位移量可增大，特别是差动式位移量可增大，P107差动式与单线圈比较变气隙式——灵敏度高，非线性严重，量程小；变面积式——灵敏度低，线性好，量程较大，制造装配较方便；螺管型——灵敏度最低，量程大，线性较好，制造方便，批量生产互换性强，应用广AZ ALP108转换电路，交流电桥U=--U，当3L»r，U=--U02Zi 02Li00§2差动变压器--其-工作原理类似变压器，并做成差动形式，故称差动变压器1、原理Ax-AM-AU它也有变间隙，变面积和螺线管式三种2、转换电路—利用整流电路-2、转换电路—利用整流电路-AI直流电流-AU直流电压变化见P1173、误差分析零位误差（零点残余电压）一原因，解决办法见P117§3电涡流传感器原理 当一块金属导体放置在一变化的磁场中，导体内就会感应电流，电流在导体内转圈，故称电涡流，利用此原理做成的传感器称电涡流传感器。电涡流最大特点它是非接触式①高频反射式z=f(P,N,t,攻,x) 式中t导体厚度式中：x变化一一可测位移、厚度、振动。电阻率P变化一一测量表面温度、材质。磁导率N变化一一测应力、硬度。同时改变x、P和N可对导体探伤。②低频透射式■图 发射线圈两端加低频电压U，通过金属板在接收线圈感应出交变电动势1E金属板厚度越大，产生电涡流越大，损耗磁场越大，E就越小。电流穿透度h电流穿透度h(t)(P大，适用高频，P小，适用低频;fT，适用薄板，fJ，适用厚板。)§4压磁式传感器i压磁效应一一铁磁材料在外力作用下，内部产生应变一产生应力一各磁畴间的界限发生移动一磁畴的磁化强度矢量转动一破坏平衡一材料总磁化强度发生变化。测量绕组就会有感应电动势E E=f(F) 即fTfeT2工作原理感应电场E=f(F)外力3、应用——输出功率大，抗干扰能力强，过载性好(重机业和化工行业)§5感应同步器i工作原理一利用两个平面绕组互感系数随定尺和滑尺的相对位置的变化而变化，W构造一滑尺两绕组错开4(卬为节距)，滑尺通入激励电压一定尺得感应电势。根据感应电势周期变化次数，即可反映节距卬移动个数，也就反映了定尺和滑尺的相对位置的变化。2、输出信号的处理—检测系数①鉴相式一根据感应电势的相位变化测出位移X-e-ex②鉴幅式一根据感应电势的幅值变化测出位移X-sin（e-e）-eX1式中e一定1、感应同步器误差—零位误差（定尺精度造成）细分误差（滑尺精度造成）第六章磁电式传感器一、磁电感应式传感器i工作原理一一线圈在磁场中作切割磁力传运动一产生感应电动势只要磁通量发生变化，就会产生感应电动势磁通量变化主要有：①线圈与磁场发生相对运动 ②磁路中磁阻变化③线圈中磁通量发生变化——恒定磁场中线圈面积变化还反映磁电式传感器的优点二、类型（）变磁通式一一变磁阻式 气隙变化一磁阻变化闭磁路变磁通式 （图6-）1开磁路变磁通式 （图6-）2（）恒定磁通式一一测速度速度变化一感应电势①磁铁不动，线圈运动图 ez②线圈不动，磁铁运动图3、应用P143二、霍尔传感器RIBi工作原理 霍尔效应 第题 -H-霍尔系数，霍尔灵敏度系数，半导体厚度、结构与特性一看书后面练习（1）材料与结构 （2）主要技术参数、驱动电路 恒流驱动（线性度高、精度高、受温度影响小）恒压驱动（简单、但性能较差、用于精度要求不高的场合）、误差分析及补偿（1）不等位电势及补偿—通过外接电阻实现补偿（2）温度误差及补偿（）恒流源提供 （）恒压供电热敏电阻t一!（）串并联电阻 （）补偿电路、应用——压力、磁场、电流、转速

三、磁栅式1、它由磁栅、磁头、检测电路组成。当磁栅与磁头相对位是发生变化时一产生电信号一数字显示它有长磁栅一测位移 圆磁栅一测角位移2输出信号处理 两个静态磁头相位差卬n鉴幅式一幅值正比于位移X4 鉴相式一相位正比于位移x3误差一零位误差一细分误差4、应用——大位移高精度位移检测第七章压电式传感器第七章压电式传感器一、压电效应见二、压电传感器及其等效电路边极板上积累电荷（作用力）为压电系数电压源三、压电材料压电晶体——常用精密和稳定性高的场合，可制成标准传感器压电陶瓷一一制作工艺简单、耐湿、耐高温一使用最广泛压电半导体——既有压电性又有半导体性高分子压电材料——高分子薄膜、高分子陶瓷四、变换电路电荷放大器一电缆长度影响可不计 Q-Ca五、应用—测加速度、测力、测压力第八章光电传感器一、光电效应及光电器件1、光电效应——物体吸收光能后产生电效应的现象，它是光电传感器的理论基础。2、外光电效应内光电效应（光导电效应）光生伏特效应光电管 光敏电阻 光敏二、三极管，光电池3、光电器件基本特性——光电流暗电流，光照光谱伏安特性4、光敏电阻光敏二、三极管半导体色敏器件结型场效应光敏管一可检测微弱电流5、应用——测量尺寸、转速二、光纤传感器——要掌握其优点及应用i工作原理工作基础一一光的全反射全射角a＞a（临界角）2、主要参数 C3、种类4、常见传感器——传感型、传光型三、光栅传感器1光栅与莫尔条纹 W62、结构与原理——辨向原理、细分技术四、激光传感器1、原理及特点受激吸收，受激辐射特性—方向性强亮度高单色性强相干性好2、激光器3和一将入射光照在器件感光面不同位置一电信号 XI21测肝得 一2"电压.势阱7照＞光生电子进入势阱 ＞象素光强光生电子多第九章 超声波传感器一、超声波的物理性质1、什么叫超声波——频率高的声波特点：频率高可达 （波长短） 方向性好穿透本领大（在液体、固体中衰减小） 碰到杂质或分界面有明显反射它是一种机械波符合机械波一般规律——波的叠加、干涉及驻波、波的反射、折射、衰减它有本身的特殊性——纵波、横波、表面波、蓝姆波四种波形并在分界面上出现波型的转换2声波的衰减—-原因声波在扩散 散射 介质吸收衰减以衰减系数a表示二、超声波转换器功能——把超声波发出去，再接收回来转换成电信号型式——压电型、磁致伸缩型、电磁伸缩型、振板型、弹性波型主要采用压电型逆压电效应发射一一外加应力加在压电元件（晶体）上，机械变形 ^发出超声波电压晶体接收一一接收超声波 ^电信『■►放大输出正压电效应声能 ►电能三、超声波探伤——3种方法1、共振法——根据声波（频率连续可调）在工作中呈共振状态来测工件厚度和探伤。调节发射频率，使发射波与反射波同相位，引起共振。共振法测量精度高，但对工件表面质量要求高2、穿透法——二个探头。一个发射，另一个接收。根据穿透工件后的能量变化来判断工件内部的质量。优点：方法简单、可避免盲区，便于自动探伤。缺点：灵敏度低、只能判有无缺陷，不能定位。两探头距离位置要求高3脉