传感器与电子测量总复习(20151229).ppt

1、总复习,传感器与电子测量,主讲: 熊文华,南昌航空大学电子信息工程,Part1 检测技术基础 Part2 传感技术 Part3 检测技术,复 习 内 容,一、检测技术基础,1.传感器,能感受(或响应)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或装置。,传感器一般由敏感元件、变换元件和其他辅助元件组成。,2.系统性能指标,(1)静态特性的性能指标,指检测系统的输入、输出信号不随时间变化或变化很缓慢的特性。,(2)动态特性指标,指检测系统的输出对随时间变化的输入量的不失真的快速响应能力。,系统动态特性可以从时域和频域两个方面分别采用瞬态响应法和频率响应法来分析。,3.测量误差,指测量过程

2、的不尽完善或测量条件的不理想而使测量结果偏离真值引起的误差。,按误差特点与性质，测量可分为系统误差、随机误差和粗大误差。,4.测量结果的处理,(1) 利用修正值等方法对测得值进行修正，将已减弱 恒值系统误差影响的各数据Xi依次列成表格。,(2) 求出算术平均值。,(3) 列出残差 , 并验证 。,(4) 列出 ，计算标准偏差的估计值,(5) 按 的原则， 检查和剔除粗差。,(6) 算出算术平均值的标准偏差,(7) 写出测量结果的表达式,二、传感技术,1.传感器的工作机理,2.主要效应,(一) 温度传感器-热电偶,重要定律,(二) 位移传感器,1. 电阻应变片,2.测量电桥,K为灵敏系数,(三)

3、电感式传感器,指差动变压器衔铁处于中间位置时输出的微小电压(从零点几mV到数十mV) 。,零点残余电压：,零点残余电压的产生原因：,(1)传感器的两个二次绕组的电气参数与几何尺寸不对称， 产生了零点残余电压的基波； (2)磁性材料磁化曲线的非线性，产生了零点残余电压的高 次谐波(主要是三次谐波)； (3)励磁电压本身含高次谐波。,(四) 转速测量传感器,(五) 超声波传感器,传播特性,在弹性介质中传播的振动频率20kHz以上的机械波。,三、检测技术,1.信号调理,2.抗干扰技术,一、填空题,(一)传感器组成与分类,1.传感器一般由 、 和其他辅助元件组成。,敏感元件、变换元件,20132014

4、(1),2.数字式传感器可分为三类，即 ， 和频率输出式数字传感器。, 脉冲输出式、编码输出式,20132014(1),历年考试题型,(二)传感器性能指标,20132014(1),20142015(1),1.某位移传感器，在输入量变化5 mm时，输出电压变化为300 mV，其灵敏度为 。,2、传感器的动态特性可以从时域和频域两个方面分别采用 和 来分析。,瞬态响应法、频率响应法,(三)误差分析,1、测量误差可分为：系统误差、 和 三大类。,随机误差、粗大误差,20142015(1),2、服从正态分布规律的随机误差的特征包括 、 和对称性。,单峰性、有界性,20142015(1),(四)电感式传

5、感器,(五)磁电式传感器,1.电感式传感器根据电感类型的不同，可分为 变化型和 变化型两类。,自感系数、互感系数,1.采用磁电式传感器测量转速，测速齿轮齿数为60，当传感器输出频率为1kHz的正弦波信号时，被测轴的转速为 转/分钟。,20132014(1),20132014(1),(六)超声波,1、当超声波由一种介质入射到另一种介质时，由 于在两种介质中的传播速度不同，在异质界面 上将会产生 、 和波型转换等现象。, 反射、折射,20132014(1),(七)调理技术,1.信号调理电路通常具有放大、电平移动、 阻抗匹配、滤波、 、 等功能。,调制、解调,2.根据滤波器处理信号的频带，滤波器可分

6、为 滤波器、高通滤波器、 滤波器、带阻滤波器 及 滤波器等五种 。, 低通、带通、全通,20132014(1),20142015(1),二、名词解释题,(一)传感器概念,1.传感器,答：,能感受（或响应）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或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。,20142015(1),20132014(1),(二)传感器性能指标,1、分辨率,答：,是用来表示检测系统或仪表装置能够检测被测量最小变化量的能力。通常是以最小量程的单位值来表示。,20132014(1),20142015(1),2、线性度,答：,指传感器的输出与输入成线性关系的程度。,20132014

7、(1),(三)传感器机理,1.压阻效应,答：,指半导体材料在某一轴向受外力作用时，其电阻率发生变化的现象。,20132014(1),2.霍尔效应,3、外光电效应,答：,在金属或半导体薄片相对两侧面通以控制电流I，在薄片垂直方向上施加磁场B，则在垂直于电流和磁场的方向上，会产生一个大小与控制电流I和磁场B乘积成正比的电动势UH，这一 现象称为霍尔效应。,答：,指在光线照射下，电子逸出物体表面向外发射的现象 。,20142015(1),20142015(1),三、基本分析题,1、什么是传感器的静态特性？它有哪些性能指标？,(一)传感器性能指标,答：,描述静态响应特性的指标有测量范围、灵敏度、非线性

8、度、回程误差、稳定度和漂移、精度、可靠性、分辨率、灵敏阀等。,静态特性：在稳态信号作用下的输入输出关系。,20132014(1),2、为什么在使用各种指针式仪表时，总希望指针偏转在全量程的2/3以上范围内使用？,答：,在仪器仪表的精度等级一定时，由最大引用误差计算公式 可知，越接近满刻度的测量示值，其最大引用误差越小、测量精度越高，故在选用仪表时要兼顾精度等级和量程，通常要求测量示值落在仪表满刻度的三分之二以上。,20132014(1),20142015(1),(二)误差分析,1、产生系统误差的常见原因有哪些？,答：,产生系统误差的常见原因有：测量系统本身的性能不完善、测量方法不完善、测量者对

9、仪器的使用不当、环境条件的变化等。,20132014(1),(三)温度传感器,1、简述热电偶的中间导体定律，并说明它的实用价值。,答：,中间导体定律：若在热电偶回路中插入中间导体，无论插入导体的温度分布如何，只要中间导体两端温度相同，则对热电偶回路的总电动势无影响。,中间导体定律的使用价值在于：利用热电偶实际测温时，可以将连接导线和显示仪表看成是中间导体，只要保证中间导体两端温度相同，则对热电偶的热电动势没有影响。,20132014(1),2.简述热电偶的几个重要定律，并分别说明它们的实用价值。,答：,(1)中间导体定律：若在热电偶回路中插入中间导体，无论插入导体的温度分布如何，只要中间导体两

10、端温度相同，则对热电偶回路的总电动势无影响,(2) 中间温度定律: 热电偶在结点温度为T、T0时的热电动势EAB(T，T0)等于该热电偶在(T，Tn)及(Tn，T0)时的热电动势EAB(T，Tn)与EAB(Tn，T0)之和。,(3) 参考电极定律(也称组成定律): 已知热电极A、B与参考电极C组成的热电偶在结点温度为(T，T0)时的热电动势分别为EAC (T，T0)与EBC (T，T0)，则相同温度下，由A、B两种热电极配对后的热电动势EAB(T，T0)可按下式计算： EAB (T，T0) = EAC (T，T0) EBC (T，T0),中间温度定律的实用价值在于：当自由端温度不为0时，可利用

11、该定律及分度表求得工作端温度T，另外热电偶中补偿导线的使用也依据了以上定律。,20142015(1),(四)超声波,1.超声波通过两种介质界面时，会发生什么现象？,答：,在当超声波由一种介质入射到另一种介质时，由于在两种介绍中的传播速度不同，在异质界面上将会产生反射、折射和波型转换等现象。,20142015(1),1、 (5分)某测量系统由传感器、放大器和记录仪组成，各环节的灵敏度为：S1=0.2mV/，S2=2.0V/mV、 S3=5.0mm/V，求系统的总的灵敏度。,答：,20132014(1),四、综合计算,(一)传感器性能指标,2:,解：,某测量系统由温度传感器、放大器和记录仪组成，各

12、环节的灵敏度为：S1=0.2mV/、S2=2.0V/mV、 S3=5.0mm/V，已知当前温度为 ，求记录仪指针的位移。,总灵敏度:,(二)误差分析,解：,1.某温度计的量程范围为0500，校验时该表的最大绝对误差为6，试确定该仪表的精度等级。,该温度计的最大满度误差介于1.0%与1.5%之间，因此该表的精度等级为1.5级,电工仪表的准确度等级S按最大满度误差分级， 划分为0.1、 0.2、 0.5、 1.0、 1.5、 2.5及5.0七级。,用电压表对某一电压测量10次， 设已消除系统误差及粗大误差， 测得数据及有关计算值如下表所示， 试给出最终测量结果表达式。,2：,解：,计算得到vi=0

13、， 表示的计算正确。,因此该电压的最终测量结果为：,进一步计算得到,x=75.0450.029 (V),对某电压进行了16次等精密度测量， 测量数据xi中已计入修正值， 列于表中。 要求给出包括误差(即不确定度)在内的测量结果表达式。,3:,解：,(1) 求出算术平均值,(2) 计算vi ， 并列于表中。,(3) 计算标准差(估计值)：,(4) 按 判断有无 =1.3302， 查表中第5个数据 ,应将此对应 视为坏值加以剔除， 现剩下 15个数据。,(5) 重新计算剩余的15个数据的平均值：,(6) 重新计算各残差 并列于表中。,(8) 按 再判断有无坏值， ， 各 均小于 ，则认为剩下15个

14、数据不 再含有坏值。,(7) 重新计算标准差：,(9) 计算算术平均值标准偏差(估计值)：,因此该电压的最终测量结果为：,x=205.210.21 (V),(三)温度传感器,中间温度定律,1.用镍铬镍硅热电偶测炉温，当冷端温度为30(且为恒定时)，测出热端温度为t时的热电动势为39.17 mV，求炉子的真实温度。 (已知分度表中，EAB (30，0)= 1.2mV； EAB (946，0) =40.37mV),由电偶分度表可查出,解：,再通过分度表查出其对应的实际温度：,参考电极定律,1.(8分)当T为100，T0为0时，铬合金铂热电偶的E(100，0)=+3.13mV， 铝合金铂热电偶E(1

15、00，0)为1.02mV，求铬合金一铝合金组成热电偶材料的热电势E(100，0)。,解：,设铬合金为A，铝合金为B，铂为C,即,20142015(1),(四)应变传感器,1.有一电阻应变片，灵敏度系数K=2，电阻R=120 。设其工作时应变为1000 。求 (1)应变片的电阻变化量R； (2)采用应变仪电桥，若Ui=6V，计算U0的值。,解：,(2)一片应变片采用单臂式电桥,(1),1.通过本课程的学习，试举出四种测量温度的方法。 (共6分),五、应用题,解：,1.热电偶测温,2.热电阻测温,3. AD590测温,4.外光测温,一、考试要点,1、传感器,2、系统特性及其性能指标,(1)静态特性,(2)动态特性,热电偶,电阻应变片,磁电传感器,超声波传感器,压电传感器,光电传感器,3.检测误差知识,4.检测技术,滤波、干扰等,(1)随机误差、系统误差特点,(2)测量结果的处理,二、考试题型,1.选择题19分（9小题）,2.名词解析20分（4小题）,3.基本分析25分（5小题）,4.综合计算题30分（3小题）,5.应用题 6分,三