上海海事大學(xué)檢測(cè)技術(shù)與傳感器復(fù)習(xí)整理

1、第一章1.1傳感器與檢測(cè)技術(shù)的定義與作用P3傳感器是能以一定精確度把某種被測(cè)量（主要為各種非電的物理量、化學(xué)量、生物量 等）按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換為另一參量的器件或測(cè)量裝置.傳感器通常由敏感器件和轉(zhuǎn)換器件組合而成。檢測(cè)是指在生產(chǎn)、科研、試驗(yàn)及服務(wù)等各個(gè)領(lǐng)域，為及時(shí)獲得被測(cè)、被控對(duì)象的有關(guān) 信息而實(shí)時(shí)或非實(shí)時(shí)地對(duì)一些參量進(jìn)行定性檢查和定量測(cè)量。檢測(cè)與計(jì)量的不同計(jì)量”：指用精度等級(jí)更高的標(biāo)準(zhǔn)量具、器具或標(biāo)準(zhǔn)儀器，對(duì)被測(cè)樣品、樣機(jī)進(jìn)行考 核性質(zhì)的測(cè)量。特點(diǎn)：非實(shí)時(shí)、離線、標(biāo)定。檢測(cè)”：指在生產(chǎn)、實(shí)驗(yàn)等現(xiàn)場(chǎng)，利用某種合適的檢測(cè)儀器或綜合測(cè)試系統(tǒng)對(duì)被測(cè)對(duì) 象進(jìn)行在線、連續(xù)的測(cè)量。呂輸出IT侑號(hào)顯示1.2檢測(cè)系統(tǒng)

2、的組成P5傳念器I十號(hào)訓(xùn)職Tft抵來集H信號(hào)處理III圖伯典型珊代檢測(cè)系統(tǒng)的組成框圈對(duì)傳感器性能要求:準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性、靈敏度其他如耐腐蝕性、功耗、輸出信號(hào)形式、體積、售價(jià)等。信號(hào)調(diào)理：對(duì)傳感器輸出的微弱信號(hào)進(jìn)行檢波、轉(zhuǎn)換、濾波、放大，以便后續(xù)處理與顯示。要求: 能準(zhǔn)確轉(zhuǎn)換、穩(wěn)定放大、可靠地傳輸信號(hào);信噪比高，抗干擾性能要好。信號(hào)處理：自動(dòng)檢測(cè)儀表進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和各種控制的中樞環(huán)節(jié)。1.3傳感器與檢測(cè)系統(tǒng)的分類P81.3.1傳感器的分類表1一丄傳惑器的分類分傳辭的種類授轉(zhuǎn)展翡輸人夢(mèng)蹙分夷位移傳感器、壓力傳感 器、溫度傳感器、一拿化碳 傳感器等-傳感器以被測(cè)1參阜命名按傳感器轉(zhuǎn)換機(jī)理（工屯阻式、電容

3、式、屯感以傳感關(guān)綾換機(jī)理諭各1作J貝理）分実壓電式、超聲礙式、霍爾式等結(jié)構(gòu)型傳感器傳感器依賴具紹枸歩數(shù) 的變化冥現(xiàn)信息轉(zhuǎn)換竣輛理現(xiàn)釁分類特性業(yè)傳展S&傳感器依賴其墩惑霜件愉理特性的變化實(shí)現(xiàn)僧息轉(zhuǎn) 換-冃總壘轉(zhuǎn)按型恃!翳&傳感麗盲榕將被測(cè)對(duì)彖 的能塑轉(zhuǎn)換篦輸山能壘按能壘關(guān)系分類由外部慣給傳感器能壘，能量控簾煙傳感關(guān)由祓測(cè)重大小眈例控制傳感 器的輸出匪莖捜輪出信號(hào)分我.模擬式傳感器傳感器輸出沖模擬墾魏宇式傳感器傳感器輛出溝酸字重132檢測(cè)系統(tǒng)分類1. 按被測(cè)參量分類電工量電壓、電流、電功率、電阻、電容、頻率、磁場(chǎng)強(qiáng)度、磁通密度等;熱工量溫度、熱量、比熱、熱流、熱分布、壓力、壓差、真空度、流量、流速

4、、物位、液位、界面等；機(jī)械量位移、形狀，力、應(yīng)力、力矩、重量、質(zhì)量、轉(zhuǎn)速、線速度、振動(dòng)、加速度、噪聲等；2. 按被測(cè)參量的檢測(cè)轉(zhuǎn)換方法分類電磁轉(zhuǎn)換電阻式、應(yīng)變式、壓阻式、熱阻式、電感式、互感式、電容式、阻抗式、 磁電式、熱電式、壓電式、霍爾式、振頻式、感應(yīng)同步器、磁柵等;3. 按使用性質(zhì)分類標(biāo)準(zhǔn)表、實(shí)驗(yàn)室表、工業(yè)用表1.4傳感器與檢測(cè)系統(tǒng)的發(fā)展方向P101.4.1傳感器的發(fā)展方向1探索新現(xiàn)象，研發(fā)新型傳感器 2采用新技術(shù)、新工藝、新材料，提高現(xiàn)有傳感器的性能 3.研究和開發(fā)集成化、微型化與智能化傳感器1.4.2檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)1不斷拓展測(cè)量范圍，努力提高檢測(cè)精度和可靠性 2重視非接觸式檢測(cè)技

5、術(shù)研究 3檢測(cè)系統(tǒng)智能化第二章2.1檢測(cè)系統(tǒng)誤差分析基礎(chǔ)P142.1.1誤差基本概念1.測(cè)量誤差。因內(nèi)外因素使得測(cè)量結(jié)果不能準(zhǔn)確地反映被測(cè)量的真值而存在一定的偏差，這個(gè) 偏差就是測(cè)量誤差。2理論真值.一個(gè)量嚴(yán)格定義的理論值通常叫理論真值 3.約定真值。根據(jù)國(guó)際計(jì)量委員會(huì)通過并發(fā)布的各種物理參量單位的定義，利用當(dāng)今最高科學(xué)技 術(shù)復(fù)現(xiàn)的這些實(shí)物單位基準(zhǔn)，其值被公認(rèn)為國(guó)際或國(guó)家基準(zhǔn)，稱為約定真值4. 相對(duì)真值如果高一級(jí)檢測(cè)儀器（計(jì)量器具）的誤差僅為低一級(jí)檢測(cè)儀器的誤差的1/31/10 ,則可認(rèn)為前者是后者的相對(duì)真值。5.標(biāo)稱值計(jì)量或測(cè)量器具上標(biāo)注的量值，稱為標(biāo)稱值。6.示值檢測(cè)儀器指示或顯示的數(shù)值叫

6、示值，也叫測(cè)量值或讀數(shù)。7. 絕對(duì)誤差檢測(cè)系統(tǒng)的測(cè)量值X與被測(cè)量的真值Xo之間的代數(shù)差值 Ax稱為檢測(cè)系統(tǒng)測(cè)量值 的絕對(duì)誤差x X Xo8. 相對(duì)誤差檢測(cè)系統(tǒng)測(cè)量值的絕對(duì)誤差A(yù)x與被測(cè)參量真值Xo的比值，稱為檢測(cè)系統(tǒng)測(cè)量的相對(duì)誤差3,常用百分?jǐn)?shù)表示100% 血 X100%9. 引用誤差檢測(cè)系統(tǒng)測(cè)量值的絕對(duì)誤差 Ax與系統(tǒng)量程L之比值，稱為檢測(cè)系統(tǒng)測(cè)量值的引用 誤差Y引用誤差Y通常仍以百分?jǐn)?shù)表示Av10. 最大引用誤差（或滿度最大引用誤差）Yax , 可表示所有測(cè)量值中最大絕對(duì)誤差（絕對(duì)值）與量程的比值的百分?jǐn)?shù)，稱為該系統(tǒng)的最大 引用誤差，由符號(hào)11.精度等級(jí)0.1、0.2、0.5、1.0、1.

7、5、2.5、5.0儀表的最大引用誤差去掉%后的數(shù)字經(jīng)過圓整（數(shù)據(jù)修正）后的值。選大不選小2.1.4測(cè)量誤差的分類P181.根據(jù)測(cè)量誤差的性質(zhì)系統(tǒng)誤差：在相同條件下，多次重復(fù)測(cè)量同一被測(cè)參量時(shí)，其測(cè)量誤差的大小和符號(hào) 保持不變， 或在條件改變時(shí)，誤差按某一確定的規(guī)律變化，這種測(cè)量誤差稱為系統(tǒng)誤差。隨機(jī)誤差：在相同條件下多次重復(fù)測(cè)量同一被測(cè)參量時(shí)，測(cè)量誤差的大小與符號(hào)均無(wú) 規(guī)律變化，這類誤差稱為隨機(jī)誤差 粗大誤差：粗大誤差是指明顯超出規(guī)定條件下預(yù)期的誤差2.按被測(cè)參量與時(shí)間的關(guān)系分類靜態(tài)誤差：被測(cè)參量不隨時(shí)間變化時(shí)所測(cè)得的誤差稱為靜態(tài)誤差;動(dòng)態(tài)誤差：被參測(cè)量隨時(shí)間變化過程中進(jìn)行測(cè)量時(shí)所產(chǎn)生的附加誤

8、差稱為動(dòng)態(tài)誤差。1殘差觀察法P21拉伊達(dá)準(zhǔn)則P292馬利科夫準(zhǔn)則（線性系統(tǒng)誤差）P212 格拉布斯準(zhǔn)則P293阿貝-赫梅特準(zhǔn)則 （周期性系統(tǒng)誤差）P22第三章傳感器與檢測(cè)系統(tǒng)的靜態(tài)特性主要參數(shù)P40線性度P42是指輸出與輸入之間數(shù)量關(guān)系的線性程度%=理論線性度、端基線性度、獨(dú)立線性度、最小二乘線性度at一燈 00%皆*A遲滯P43傳感器在輸入量由小到大（正行程）及輸入量由大到?。ǚ葱谐蹋?變化期間其輸入輸出特性曲線不重合的現(xiàn)象或程度。 二土竺JlOO%疋用I曲線與 反向曲a之問產(chǎn)生原因：彈性元件，磁性元件以及摩擦、間隙等原因重復(fù)性P43傳感器在輸入量按同一方向作全量程連續(xù)多次變化時(shí)，所得特性

9、曲線不一致（或稱輸出量值相互偏離）的程度。也稱重復(fù)性誤差。心竽50%Us靈敏度P41靜態(tài)工作條件下，單位輸入量的變化引起傳感器輸出量的變化。第四章4.1電阻應(yīng)變式傳感器應(yīng)力：是和應(yīng)變直接相關(guān)的一個(gè)物理量，定義為物體單位面積的受力。應(yīng)變：是應(yīng)力形變的簡(jiǎn)稱，所指的是彈性材料在應(yīng)力作用下的相對(duì)形變；用符表示。-AZ =L冬-1爛依在冏工1世下的應(yīng)安電阻應(yīng)變式傳感器：利用電阻應(yīng)變片將應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電阻的變化，從而實(shí)現(xiàn)電測(cè) 非電量的傳感器電阻應(yīng)變效應(yīng)：在金屬或半導(dǎo)體材料產(chǎn)生機(jī)械變形時(shí)，它的電阻值相應(yīng)發(fā)生變化。金屬材料的應(yīng)變電阻效應(yīng)P64右=門十23十U1輕腫Km=（1+2卩）+C（t2卩）金屬電阻絲的應(yīng)變靈

10、敏度系數(shù)。半導(dǎo)體材料的應(yīng)變電阻效應(yīng)P64U-3)P為作用于材料上的軸向應(yīng)力;為半導(dǎo)體在受力方向的壓阻系數(shù);E為半導(dǎo)體材料的彈性模量。t4-9)=(1 + 溜E 旺 EKs=(1+2卩)+E為半導(dǎo)體絲材的應(yīng)變靈敏度系數(shù)。應(yīng)變片 通常把應(yīng)變絲制成柵狀的應(yīng)變敏感元件，簡(jiǎn)稱應(yīng)變片。應(yīng)變片類型 P67(1)按加工方法絲式應(yīng)變片、箔式應(yīng)變片、半導(dǎo)體應(yīng)變片、薄膜應(yīng)變片(2)按敏感柵的材料金屬應(yīng)變計(jì)、半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)制作應(yīng)變片敏感柵常用的金屬材料有：P67 康銅、鎳鉻合金、鐵鉻鋁合金、貴金屬(鉑、鉑鎢合金等)其中康銅是目前應(yīng)用最廣泛的應(yīng)變絲材料。靜態(tài)特性P69口指應(yīng)變計(jì)感受不隨時(shí)間變化或變化緩慢的應(yīng)變時(shí)的輸出特性

11、。表征靜態(tài)特性的指標(biāo)主要有: 靈敏度系數(shù)、橫向效應(yīng)、機(jī)械滯后、蠕變、應(yīng)變極限等。靈敏度系數(shù): 應(yīng)變計(jì)阻值的相對(duì)變化與試件表面軸向應(yīng)變之比即為靈敏度系數(shù) 橫向效應(yīng): 將直的金屬絲繞成敏感柵后，雖然長(zhǎng)度相同，但應(yīng)變狀態(tài)不同，應(yīng)變片敏感柵 的電阻變化較直的金屬絲小，其靈敏系數(shù)降低了，這種現(xiàn)象稱為應(yīng)變片的橫向 效應(yīng)。機(jī)械滯后：產(chǎn)生機(jī)械滯后的原因主要是敏感柵、基底和粘合劑在承受機(jī)械應(yīng)變 后所留下的殘余變形所造成的 零漂：粘貼在試件上的應(yīng)變計(jì)，在溫度保持恒定、不承受機(jī)械應(yīng)變時(shí)，其電阻 值隨時(shí)間而變化的特性，稱為應(yīng)變計(jì)的零漂。蠕變：如果在一定溫度下，使其承受恒定的機(jī)械應(yīng)變，應(yīng)變計(jì)電阻值隨時(shí)間而 變化的特性，

12、稱為應(yīng)變計(jì)的蠕變。應(yīng)變極限:在恒溫條件下，使非線性誤差達(dá)到 10%時(shí)的真實(shí)應(yīng)變值，稱為應(yīng)變 極限溫度效應(yīng)P72由溫度變化引起應(yīng)變計(jì)輸出變化的現(xiàn)象，稱為應(yīng)變片的 溫度效應(yīng) 溫度效應(yīng)產(chǎn)生的原因： 1.溫度變化引起應(yīng)變片敏感柵電阻變化而產(chǎn)生附加應(yīng)變 2.試件材料與敏感材料的線膨脹系數(shù)不同，使應(yīng)變片產(chǎn)生附加應(yīng)變電阻應(yīng)變片的溫度補(bǔ)償11應(yīng)變片自補(bǔ)償法P73 這種方法是通過精心選配敏感柵材料與結(jié)構(gòu)參數(shù)，使得當(dāng)溫度變化時(shí)，產(chǎn)生的 附加應(yīng)變?yōu)榱慊蛳嗷サ窒＿x擇式自補(bǔ)償應(yīng)變片，也稱單絲自補(bǔ)償應(yīng)變片 雙絲自補(bǔ)償應(yīng)變片 橋路補(bǔ)償P73 也稱補(bǔ)償片法，是最常用而且效果較好的線路補(bǔ)償方法 熱敏電阻補(bǔ)償法P74電橋測(cè)量電

13、路P74應(yīng)變電橋：四個(gè)橋臂Zi、 端。當(dāng)橋臂接入應(yīng)變計(jì)時(shí),Z2、Z3、Z4按順時(shí)針為序，ac為電源端，bd為輸出 即稱為應(yīng)變電橋直流電橋:ES 4 11直血電祐當(dāng)Uo=O時(shí)，電橋處于平衡狀態(tài)，則有: 件。根據(jù)此條件可分為以下三種情況：RiR3=R2R4，此即電橋平衡條（1）對(duì)輸出端對(duì)稱，即 Ri=R2 , R3=R4, 稱形式；這種結(jié)構(gòu)形式也稱為第一種對(duì)（2）對(duì)電源端對(duì)稱，即 Ri=R4，R2=R3,稱形式；這種結(jié)構(gòu)形式也稱為第二種對(duì)（3）全等臂電橋結(jié)構(gòu)，即Ri=R2 = R3 = R4單臂工作電橋 P75二（R + 込W-R員二卩+山妁X峋十&）Q +(4-22)(4-24)雙臂工作電橋P7

14、7+)72J (RAJ?二出 5八（盡+乂1 +島-乂 nK兄+R斗）(4-30)全臂工作電橋 P77口1 =U 血點(diǎn)? + 血點(diǎn)1 + AR：丹4 + 乂*& _ D 皿1g +冬）（鳥+衛(wèi)4）(4-32)17*2 皿(m (嘰 10石為47,5 mm 試計(jì)算當(dāng)支柱承受1000kg化.（理湊：0=生 溝測(cè)運(yùn)的應(yīng)力;往為應(yīng)曼;E為村 希的彈性模童）解：因?yàn)?aR/R=K 所以 AR*iR=KRcr/E=Kl? To）,貝y在此閉合回路中就有電 流產(chǎn)生，也就是說回路中有電動(dòng)勢(shì)存在的現(xiàn)象?；芈分兴a(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)叫熱電勢(shì)。用 Eab( T, To) 表示。由接觸電勢(shì)和溫差電勢(shì)兩部分組成熱端熱電偶原理圖

15、1） 接觸電勢(shì)eAB (T )e NbSji（導(dǎo)體A. B結(jié)點(diǎn)在溫度卩時(shí)形成的接觸電動(dòng)勢(shì)乍e單位電荷，* = IMX 11k波爾玆曼常數(shù)，k =13X；J Nr導(dǎo)體在溫度為r時(shí)的電子密度。接觸電動(dòng)勢(shì)的大小與 溫度高低及導(dǎo)體中電子密度 有關(guān)。2）溫差電勢(shì)eA(T,T0) ToTAdT*導(dǎo)體A湯姆遜系數(shù)3）回路總熱電勢(shì)E您（丁J - %（D-勺#（7o）+g圧（廠忑）呵（匚幾）Nat、Nqj 體A在結(jié)點(diǎn)溫度為T和Tq時(shí)的電子密度： Net、N血 體B在結(jié)點(diǎn)溫度為T和To時(shí)的電子密度； （h 體人血的湯姆遜系數(shù)口電勢(shì)A限 接It電勢(shì)-FT檢電偶阿跖熱亀勢(shì)的丸小只與&成熱電的材料及兩靖 漫度有關(guān),與愈

16、電偶的長(zhǎng)度.頼知無(wú)關(guān)。若熱電偶兩躊A. B商科品體是眸材科時(shí)，電子密度即Na=Nb若熱電偶馬端01度柏同F(xiàn)和T=T0,朗氐B（仁7）=0cj塑電得的兩尋體財(cái)料不目且搔偶兩端溫度不同肘, 才能有熱電勢(shì)產(chǎn)生。溫差電勢(shì)E（T,TO）和BTO,故總電勢(shì)的方向取決于接觸電勢(shì) Eab（ T）的方 向，并且Eab（To）總與Eab（ T）的方向相反，所以飲B（巧1）二Sb （ T,）-（坊）2. 利用熱電偶測(cè)溫的原理導(dǎo)體材料確定后，熱電勢(shì)的大小只與熱電偶兩端的溫度有關(guān)。如果 使（參考端、冷端）Eab（To）=常數(shù)，則回路熱電勢(shì) ekt，TO）就只與溫度T有關(guān)，而且是T的單值函數(shù)，這就是利用熱電偶測(cè)溫的原理

17、。3. 熱電偶（回路）的基本定律1）均質(zhì)導(dǎo)體定律由一種均質(zhì)導(dǎo)體組成的閉合回路，不論其導(dǎo)體是否存在溫度梯度， 回路中沒有電流（即不產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)）；反之，如果有電流流動(dòng)，此材料則一定是非均質(zhì)的，即熱電偶必須 采用兩種不同材料作為電極。2）中間導(dǎo)體定律一個(gè)由幾種不同導(dǎo)體材料連接成的閉合回路，只要中間導(dǎo)體兩端溫 度相同，則中間導(dǎo)體的接入對(duì)回路總電勢(shì)沒有影響。n橋第三材料C棋入田 B電偶路，圖a中的A. C接點(diǎn)2與C. A的接點(diǎn) 3 F殆相同謖7 Tq第三種材料接 入熱電偶回路T則：此回路的總電勢(shì)不變，即Eau（ T&1）（爲(wèi)覽（冋理，下圖中U A接點(diǎn)2與B B的接點(diǎn)3,溫度冋為心第三種材料接則，此回路的

18、電勢(shì)也為=Ear （耳八）-ah 5 -E心（右）（八八）IE +Ecb（丁，？0）ill例己知在某特定條件下材料A與鉗配對(duì)的熱電動(dòng)勢(shì)為 13, 967inV,材料圧與鉗配對(duì)的熱電動(dòng)勢(shì)8- 345mV,求出 在此特定條件下材料A與材料B配對(duì)后的熱電勢(shì).解=根據(jù)中間導(dǎo)體定律結(jié)論公式，有Eab -8345mV則 Eab(T, To)=13.967m8 J45niV=5L622mV因此，在此特定條件下材料A與材料B配對(duì)后的熱電勢(shì)為22 mVo4. 冷端處理及補(bǔ)償原因?yàn)楸ＷC輸出熱電勢(shì)是被測(cè)溫度的單值函數(shù)，必須使冷端溫度保 持恒定。當(dāng)冷端溫度波動(dòng)較大時(shí)，必須使用補(bǔ)償導(dǎo)線將冷端延長(zhǎng)到 溫度穩(wěn)定的地方，然后再考慮將冷端處理為 0C。方法?補(bǔ)償導(dǎo)線法?冰點(diǎn)槽法?計(jì)算修正法?冷端補(bǔ)償器法?軟件修正法1.補(bǔ)