傳感器與檢測技術(shù)復(fù)習(xí)參考

1、傳感器與現(xiàn)代檢測技術(shù)復(fù)習(xí)參考前言知識點第一章 概論1、 檢測的定義2、 傳感器的定義、組成、分類傳感器(狹義):能感應(yīng)被測量的變化并將其轉(zhuǎn)換為其他物理量變化的器件.傳感器(廣義):是信號檢出器件和信號處理部分的總稱.傳感器的分類：按測量的性質(zhì)劃分:位移傳感器,壓力傳感器,溫度傳感器等.按工作的原理劃分:電阻應(yīng)變式,電感式,電容式,壓電式,磁電式傳感器等.按測量的轉(zhuǎn)換特征劃分:結(jié)構(gòu)型傳感器和物性型傳感器.按能量傳遞的方式劃分:能量控制型傳感器和能量轉(zhuǎn)換型傳感器.3、 檢測系統(tǒng)的靜、動態(tài)性能指標(biāo)靜態(tài)特性可用下列多項式代數(shù)方程表示：y=a0+a1x+a2x2+a3x3+anxn式中：y輸出量； x輸

2、入量； a0零點輸出； a1理論靈敏度； a2、a3、 、 an非線性項系數(shù)。 1）線性度：指輸出量與輸入量之間的實際關(guān)系曲線偏離直線的程度,又叫非線性誤差.2）靈敏度：指傳感器的輸出量增量與引起輸出量增量的輸入量的比值.3）遲滯：指傳感器在正向行程和反向行程期間,輸出-輸入曲線不重合的現(xiàn)象. 4）重復(fù)性：指傳感器在輸入量按同一方向做全量程多次測試時,所得特性曲線不一致性的程度.5）分辨率：指傳感器在規(guī)定測量范圍內(nèi)所能檢測輸入量的最小變化量.6）穩(wěn)定性：指傳感器在室溫條件下,經(jīng)過相當(dāng)長的時間間隔,傳感器的輸出與起始標(biāo)定時的輸出之間的差異.7）漂移：指傳感器在外界的干擾下,輸出量發(fā)生與輸入量無關(guān)

3、的變化,包括零點漂移和靈敏度漂移等.4、 傳感器的動態(tài)特性1）瞬態(tài)響應(yīng)法2）頻率響應(yīng)法第二章 常用傳感器1、 電阻式傳感器（1）基本原理：將被測物理量的變化轉(zhuǎn)換成電阻值的變化，再經(jīng)相應(yīng)的測量電路顯示或記錄被測量值的變化。（2）電阻應(yīng)變片結(jié)構(gòu) （3）應(yīng)變效應(yīng) 電阻應(yīng)變片滿足線性關(guān)系：，S即為應(yīng)變片靈敏系數(shù)，或用K表示，K=1+2。 半導(dǎo)體應(yīng)變片滿足：（4）測量電路 A直流電橋 （電橋形式（單臂、雙臂、全橋）、輸出電壓表達式、電壓靈敏度、應(yīng)變片的位置安放） 見課后習(xí)題P242 3.5B交流電橋（5）溫度誤差原因及補償方法2、 電容式傳感器（1） 結(jié)構(gòu)、原理（2） 類型：變極距型：非線性誤差大，適用

4、于微小位移量測量變極板面積型：面積變化型電容傳感器的優(yōu)點是輸出與輸入成線性關(guān)系，但與極板變化型相比，靈敏度較低，適用于較大角位移及直線位移的測量。變介質(zhì)型：用于用來測量電介質(zhì)的厚度、液位（3） 電容式傳感器測量電路A電橋電路B調(diào)頻振蕩電路 C運算放大器式電路D差動脈沖寬度調(diào)制電路3、 電感式傳感器（1） 結(jié)構(gòu)、原理、分類自感式：變氣隙式自感傳感器（非線性）、變面積式自感傳感器（線性）、螺管式自感傳感器 差動系統(tǒng)：可提高靈敏度，改善輸出特性的非線性測量電路：交流電橋、變壓器電橋互感式：全波差動整流電路、二極管相敏檢波電路4、 電渦流式傳感器（1） 電渦流效應(yīng)：基于法拉第電磁感應(yīng)原理，當(dāng)傳感器線圈

5、通以正弦交變電流 I1 時，線圈周圍空間將產(chǎn)生正弦交變磁場 H1，被測導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生呈渦旋狀的交變感應(yīng)電流I2。電渦流產(chǎn)生的交變磁場H2與H1方向相反，它使傳感器線圈等效阻抗發(fā)生變化。 ，應(yīng)用：x位移、厚度、振幅； 表面溫度、電解質(zhì)濃度、材質(zhì)判別等； ，無損探傷等。特點：非接觸連續(xù)測量，靈敏度高、頻響寬、分辨率高（2） 電渦流式傳感器基本結(jié)構(gòu) 高頻反射式電渦流式傳感器：電渦流效應(yīng)+集膚效應(yīng) 多用于位移及與位移相關(guān)的厚度、振動等測量 低頻透射式電渦流式傳感器：音頻(20kHz)激勵電流、低頻透射式渦流傳感器多用于測定材料厚度。5、 壓電式傳感器（1） 壓電效應(yīng)、逆壓電效應(yīng)（2） 電路特點：壓電傳感器

6、本身產(chǎn)生的電荷量很小，且傳感器本身的內(nèi)阻很大，因此輸出信號很微弱，給后續(xù)測量電路提出很高的要求由于傳感器的內(nèi)阻及后續(xù)測量電路輸入電阻Ri非無限大，電路將按指數(shù)規(guī)律放電，造成測量誤差。為了減小誤差，Ri越大越好。電荷泄漏使得利用壓電傳感器測量靜態(tài)或準(zhǔn)靜態(tài)量非常困難。通常壓電傳感器適宜作動態(tài)測量。實際應(yīng)用中為了增大輸出值，壓電傳感器往往用兩個或兩個以上的晶體串聯(lián)或并聯(lián)：（3） 前置放大器的作用：放大信號、阻抗變換（4） 電荷放大器的性能穩(wěn)定，其輸出不受電纜分布電容的影響。（5）6、 霍爾傳感器（1） 霍爾效應(yīng)（2） 結(jié)構(gòu)，工作原理，測量電路（3） 溫度誤差及補償（4） 不等位電壓產(chǎn)生原因及補償7、

7、 熱電式傳感器（1） 熱電式傳感器分類：熱電偶、熱電阻（2） 工作原理（3） 熱電動勢、接觸電動勢和溫差電動勢（4） 溫度測量基本定律（5） 冷端補償8、 數(shù)字式傳感器（1） 光柵傳感器（2） 編碼器 原理 應(yīng)用自測：1、 緒論作業(yè)習(xí)題1儀表精度有幾個指標(biāo)？它們各自的定義是什么？ 精確度、精密度、準(zhǔn)確度2儀表分辨力的定義是什么？ 指傳感器能夠檢測到的最小輸入增量3什么是傳感器？（傳感器定義）傳感器由哪幾個部分組成？分別起到什么作用？4.解釋下列名詞術(shù)語：1）敏感元件;2)傳感器; 3)信號調(diào)理器 5.測量儀表指示值不一致程度的量稱為精密度。測量儀表指示值有規(guī)律地偏離真值程度的量稱為準(zhǔn)確度。6

8、測量儀表的精確度簡稱精度，是精密度和準(zhǔn)確度的總和，以測量誤差的相對值來表示。復(fù)習(xí)思考1. 什么是傳感器？常用的分類方法有哪兩種？ 思考題1. 傳感器特性在檢測系統(tǒng)中起到什么作用？2、 傳感器的一般特性作業(yè)習(xí)題判斷以下各題正確與否：1.傳感器是一種測量器件或裝置，它將被測量按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出，一般系統(tǒng)有輸入和輸出，所以均可看作傳感器。2.傳感器的靜態(tài)特性曲線表示法一般有方程表示法，曲線表示法，列表表示法三種，但是它們嚴(yán)格意義上是等效的。3.遲滯誤差、非線性誤差和重復(fù)性誤差都會給測量結(jié)果帶來誤差，但它們都可用統(tǒng)計平均的辦法減少。4.傳感器的閾值，實際上就是傳感器在零點附近的分辨力。5.某位移

9、傳感器的測量量程為1mm，分辨力為0.001 mm，這說明傳感器的靈敏度很高，其靈敏度為0.1 %。6.無論何種傳感器，若要提高靈敏度必然會增加非線性誤差。復(fù)習(xí)思考1.傳感器的性能參數(shù)反映了傳感器的什么關(guān)系？2.靜態(tài)參數(shù)有哪些？各種參數(shù)代表什么意義？3.動態(tài)參數(shù)有那些？應(yīng)如何選擇？4傳感器由那兩個部分組成？各自的定義是什么？ 5機械彈性元件的輸入和輸出各是什么？ 6彈性元件形式上分那兩類？ 3、 電阻式傳感器作業(yè)習(xí)題1什么是應(yīng)變效應(yīng)？什么是壓阻效應(yīng)？什么是橫向效應(yīng)？2. 說明電阻應(yīng)變片的組成和種類。電阻應(yīng)變片有哪些主要特性參數(shù)？3一個量程為10kN的應(yīng)變式測力傳感器，其彈性元件為薄壁圓筒軸向受

10、力，外徑20mm,內(nèi)徑18mm,在其表面粘貼八各應(yīng)變片，四個沿周向粘貼，應(yīng)變片的電阻值均為120,靈敏度為2.0,波松比為0.3,材料彈性模量E=2.11011Pa。要求：繪出彈性元件貼片位置及全橋電路；計算傳感器在滿量程時，各應(yīng)變片電阻變化；當(dāng)橋路的供電電壓為10V時，計算傳感器的輸出電壓。6.有一測量吊車起吊物質(zhì)量的拉力傳感器如圖(a)所示。電阻應(yīng)變片R1、R2、R3、R4貼在等軸截面上。已知等截面軸的截面積為0.00196m2，彈性模量，泊松比為0.3，R1、R2、R3、R4標(biāo)稱值均為120、靈敏度為2.0，它們組成全橋如圖(b)所示，橋路輸入電壓為2V，輸出電壓為1.0mV，求：等截面

11、軸的縱向應(yīng)變及橫向應(yīng)變；重物m有多少噸？7.半橋測量時兩片不同受力狀態(tài)的電阻應(yīng)變片介入電橋時，應(yīng)放在鄰邊。8.橋路（差動電橋）測量存在非線性誤差，是因為_。復(fù)習(xí)思考1說明電阻應(yīng)變片的組成、規(guī)格及分類。2什么叫應(yīng)變效應(yīng)？利用應(yīng)變效應(yīng)解釋金屬電阻應(yīng)變片工作原理 3什么叫橫向效應(yīng)？應(yīng)變片敏感柵的結(jié)構(gòu)型式與橫向效應(yīng)有和關(guān)系？ 4試述應(yīng)變片溫度誤差的概念、原因和補償方法。 5擬在等截面的懸臂梁上粘貼四個完全相同的電阻應(yīng)變片組成差動全橋電路。試問，（1）四個應(yīng)變片應(yīng)怎樣粘貼在懸臂梁上？（2）畫出相應(yīng)的電橋電路圖。思考題1在傳感器測量電路中，直流電橋與交流電橋有什么不同，如何考慮應(yīng)用場合？用電阻應(yīng)變片組成的

12、半橋、全橋電路與單橋相比有哪些改善？4、 電感式傳感器作業(yè)習(xí)題1.敘述變磁阻式傳感器的工作原理。2.說明差動變壓器（螺線管式）傳感器的結(jié)構(gòu)形式與輸出特性。3.什么是零點殘余電壓，有哪些方法可以進行殘余電壓補償？4.用差動變壓器進行位移測量時采用那種電路形式可以直接由輸出電壓區(qū)別位移的大小和方向？5.什么是電渦流效應(yīng)？電渦流傳感器可以進行哪些非電量參數(shù)測量？分別利用哪些物理量進行檢測，由哪個電參量轉(zhuǎn)換進行電量輸出的？6電感式傳感器有哪些種類？它們的工作原理是什么？7.將非電量的變化轉(zhuǎn)換成線圈_ (或_)變化，這種測量裝置叫做電感式傳感器。該傳感器按轉(zhuǎn)換原理不同可分為_式或_式兩大類。9.判斷題：

13、. 差動電感傳感器不能完全消除非線性誤差。. 電感式傳感器和渦流式傳感器都是通過電感量的變化檢測信號的，所以它們結(jié)構(gòu)和工作原理沒有任何不同。. 自感式電感傳感器改變空氣隙等效截面積類型變換器轉(zhuǎn)換關(guān)系為非線形的，改變空氣隙長度類型的為線形的。. 變壓器式電感傳感器多采用差動結(jié)構(gòu)，并用線圈間互感M的大小確定被測非電量的數(shù)值。10.什么叫電渦流效應(yīng)？什么叫線圈導(dǎo)體系統(tǒng)？11.概述電渦流式傳感器的基本結(jié)構(gòu)與工作原理。12.電渦流式傳感器的基本特性式什么？它是基于何種模型得到的？13電渦流的形式范圍包括哪些內(nèi)容？他們的主要特點式什么？復(fù)習(xí)思考1.請簡述電渦流傳感器的工作原理，并舉出兩種傳感器的測量電路，

14、說明電路的測量原理。2.分析電感傳感器出現(xiàn)非線性的原因，并說明如何改善？思考題1差動電感結(jié)構(gòu)有什么優(yōu)點，采用什么電路可有線形輸出？2簡述電渦流效應(yīng)及構(gòu)成電渦流傳感器的可能的應(yīng)用場合。5、 電容式傳感器作業(yè)習(xí)題1.電容傳感器有哪些類型？2.敘述電容傳感器的工作原理，輸出特性。3.電容傳感器的測量電路有哪些？敘述二極管雙T型交流電橋工作原理。4差動式電容測厚傳感器系統(tǒng)的工作原理？5. 簡述電容式傳感器用差動脈沖調(diào)寬電路的工作原理及特點。6.電容傳感器有哪三種類型，試從輸入輸出關(guān)系的角度說明各自的特點，對于非線性類型采用什么方法來改善？7.對變間隙的電容式傳感器而言即使采用差動結(jié)構(gòu)也不能完全消除非線

15、性誤差嗎？復(fù)習(xí)思考1根據(jù)電容傳感器的工作原理說明它的分類，電容傳感器能夠測量哪些物理參量？2.如果電容傳感器的電纜丟失了，更換另一根電纜后，可以不必對測量系統(tǒng)重新進行標(biāo)定，也可直接使用。思考題1.為什么電感式和電容式傳感器的結(jié)構(gòu)多采用差動形式，差動結(jié)構(gòu)形式的特點是什么？2總結(jié)電容式傳感器的優(yōu)缺點，主要應(yīng)用場合以及使用中應(yīng)注意的問題。6、 磁電式傳感器作業(yè)習(xí)題1.為什么說磁電感應(yīng)式傳感器是一種有源傳感器？2.變磁阻式傳感器有哪幾種結(jié)構(gòu)形式？可以檢測哪些非電量？3.什么是霍爾效應(yīng)？霍爾電勢的大小與方向和哪些因素有關(guān)？影響霍爾電勢的因素有哪些？4.集成霍爾器件有哪幾種類型？試畫出其輸出特性曲線。5.

16、磁敏元件有哪些？（磁敏電阻、磁敏二極管、磁敏晶體管）什么是磁阻效應(yīng)？簡述磁敏二極管、晶體管工作原理。6.簡答：寫出霍爾電壓的表達式，并給出消除不等位電勢的方法。7.簡述霍爾傳感器測量磁場的原理。復(fù)習(xí)思考試述霍爾效應(yīng)的定義與簡單的工作原理？2簡述霍爾元件靈敏系數(shù)的電定義？3試述霍爾元件的簡單結(jié)構(gòu)？4畫出霍爾元件的輸出電路圖？5試述霍爾元件不等位電勢和溫度補償?shù)暮唵胃拍罴疤幚矸椒ǎ?7、 壓電式傳感器作業(yè)習(xí)題1. 判斷題：1）沿機械軸（Y-Y）方向施加作用力時，產(chǎn)生的電荷量與壓電晶片的幾何尺寸有關(guān)。2）壓電式傳感器如果使用電荷放大器作為前置放大器，在一定條件下，傳感器的靈敏度與電纜長度無關(guān)。3）電

17、荷放大器是將傳感器輸出的電荷進行放大的前置放大器，由于它可以使用較長的電纜，因而得到廣泛應(yīng)用。4）石英晶體和壓電陶瓷均呈壓電現(xiàn)象，壓電機理也一樣，但后者的壓電常數(shù)要大的多。5）在壓電式傳感器的測量線路中，電荷放大器的低頻特性要比電壓放大器的好的多。6）壓電晶體有三個互相垂直的軸，分別為X軸（電軸）、Y軸（力軸）、Z軸（光軸），當(dāng)沿某一軸的方向施加外作用力時，會在另外兩個軸的表面出現(xiàn)電荷。2.什么是正壓電效應(yīng)？什么是逆壓電效應(yīng)？壓電效應(yīng)有哪些種類？壓電傳感器的結(jié)構(gòu)和應(yīng)用特點是什么？能否用壓電傳感器測量靜態(tài)壓力？3.石英晶體X、Y、Z軸的名稱是什么？有哪些特征？4.說明電壓放大器與電荷放大器的優(yōu)缺

18、點，各自要解決什么問題？5.石英晶體的壓電效應(yīng)有何特點？已知石英晶體壓電片上的極性如圖（a）所示，試標(biāo)出圖（b）、（c）、（d）所示的石英晶體壓電片上電荷的極性，并結(jié)合圖說明什么叫縱向壓電效應(yīng)？什么叫橫向壓電效應(yīng)？、xFxFxyxFx+Fxy（a）x方向受壓力 （b）x方向受拉力xFyFyyxFyFyy（c）y方向受壓力 （d）y方向受拉力6.壓電傳感器配用電路常采用電荷放大器，問：根據(jù)壓電材料的等效模型推導(dǎo)電荷放大器輸出電壓與電荷的關(guān)系；說明電荷放大器有何特點。復(fù)習(xí)思考1什么叫正、逆壓電效應(yīng)和縱向、橫向壓電效應(yīng)？8、 熱電式傳感器作業(yè)習(xí)題1.判斷題：a) 熱電偶使用時，常配用冷端延長線，延長

19、線可以采用任何一種金屬材料制造。b) 把N支相同型號的熱電偶依次將正、負極連接，則串聯(lián)線路的相對誤差會減少。c) 兩種金屬相接觸時會產(chǎn)生接觸電勢，兩種半導(dǎo)體也會產(chǎn)生接觸電勢，但金屬和半導(dǎo)體間不會產(chǎn)生接觸電勢。d) 熱電偶傳感器的中間導(dǎo)體定律保證了接入熱電偶回路中的第三甚至第四種導(dǎo)體只要它們幾端的溫度相同就一定不會影響回路的總電勢。e) 熱電偶的補償導(dǎo)線法與零度恒溫法一樣，可完全消除冷端溫度變化帶來的測溫誤差。f) 熱電偶的工作機理是導(dǎo)體的熱電效應(yīng)。而熱電勢的產(chǎn)生必須具備兩個條件，即兩種導(dǎo)體材質(zhì)不同且兩個節(jié)點的溫度不同。2.已知銅熱電阻Cu100的百度電阻比W(100)=1.42，當(dāng)用此熱電阻測量50溫度時，其電阻值為_歐；若測溫時的