传感器与检测技术复习参考

《传感器与现代检测技术》复习参考

前言

知识点

第一章 概论 1、 检测的定义

2、 传感器的定义、组成、分类

传感器(狭义):能感应被测量的变化并将其转换为其他物理量变化的器件. 传感器(广义):是信号检出器件和信号处理部分的总称. 传感器的分类：

按测量的性质划分:位移传感器,压力传感器,温度传感器等.

按工作的原理划分:电阻应变式,电感式,电容式,压电式,磁电式传感器等. 按测量的转换特征划分:结构型传感器和物性型传感器.

按能量传递的方式划分:能量控制型传感器和能量转换型传感器.

3、 检测系统的静、动态性能指标

静态特性可用下列多项式代数方程表示：y=a0+a1x+a2x+a3x+…+anx式中：y—输出量； x—输入量； a0—零点输出；

a1—理论灵敏度； a2、a3、 … 、 an—非线性项系数。

1）线性度：指输出量与输入量之间的实际关系曲线偏离直线的程度,又叫非线性误差. 2）灵敏度：指传感器的输出量增量与引起输出量增量的输入量的比值.

3）迟滞：指传感器在正向行程和反向行程期间,输出-输入曲线不重合的现象. 4）重复性：指传感器在输入量按同一方向做全量程多次测试时,所得特性曲线不一致性的程度. 5）分辨率：指传感器在规定测量范围内所能检测输入量的最小变化量.

6）稳定性：指传感器在室温条件下,经过相当长的时间间隔,传感器的输出与起始标定时的输出之间的差异.

7）漂移：指传感器在外界的干扰下,输出量发生与输入量无关的变化,包括零点漂移和灵敏度漂移等.

4、 传感器的动态特性

1）瞬态响应法 2）频率响应法 第二章 常用传感器 1、 电阻式传感器

（1）基本原理：将被测物理量的变化转换成电阻值的变化，再经相应的测量电路显示或记录被测量值的变化。

（2）电阻应变片结构 （3）应变效应

电阻应变片满足线性关系：

，S即为应变片灵敏系数，或用K表示，

2

3

n

K=1+2?。

半导体应变片满足： （4）测量电路

A．直流电桥 （电桥形式（单臂、双臂、全桥）、输出电压表达式、电压灵敏度、应变片的位置安放）

?R?R?RUo?UIUo?UIUo?UI4R02R0R0

U'OnSU??E ?R1(1?n)2 R1见课后习题P242 3.5 B．交流电桥

（5）温度误差原因及补偿方法

?A?r?0A2、 电容式传感器

C??（1） 结构、原理 ll（2） 类型：变极距型：非线性误差大，适用于微小位移量测量

变极板面积型：面积变化型电容传感器的优点是输出与输入成线性关系，但与

极板变化型相比，灵敏度较低，适用于较大角位移及直线位移的测量。

变介质型：用于用来测量电介质的厚度、液位

（3） 电容式传感器测量电路

A．电桥电路

B．调频振荡电路 C．运算放大器式电路

D．差动脉冲宽度调制电路

3、 电感式传感器

（1） 结构、原理、分类

自感式：变气隙式自感传感器（非线性）、变面积式自感传感器（线性）、螺管式自感传感器

差动系统：可提高灵敏度，改善输出特性的非线性 测量电路：交流电桥、变压器电桥

互感式：全波差动整流电路、二极管相敏检波电路

4、 电涡流式传感器

（1） 电涡流效应：基于法拉第电磁感应原理，当传感器线圈通以正弦交变电流 I1 时，线圈

周围空间将产生正弦交变磁场 H1，被测导体内产生呈涡旋状的交变感应电流I2。 电涡流产生的交变磁场H2与H1方向相反，它使传感器线圈等效阻抗发生变化。

) ，应用：x——位移、厚度、振幅； ρ——表面温度、电解质浓度、材质 Z ? F ( ? , ? , r , f , x 判别等； μ，ρ——无损探伤等。

特点：非接触连续测量，灵敏度高、频响宽、分辨率高

（2） 电涡流式传感器基本结构

高频反射式电涡流式传感器：电涡流效应+集肤效应 多用于位移及与位移相关的厚

度、振动等测量

低频透射式电涡流式传感器：音频(<20kHz)激励电流、低频透射式涡流传感器多用于测定材料厚度。 5、 压电式传感器

（1） 压电效应、逆压电效应 （2） 电路特点：

压电传感器本身产生的电荷量很小，且传感器本身的内阻很大，因此输出信号很微弱，

给后续测量电路提出很高的要求

由于传感器的内阻及后续测量电路输入电阻Ri非无限大，电路将按指数规律放电，造成

测量误差。为了减小误差，Ri越大越好。

电荷泄漏使得利用压电传感器测量静态或准静态量非常困难。通常压电传感器适宜作动

态测量。

实际应用中为了增大输出值，压电传感器往往用两个或两个以上的晶体串联或并联：

（3） 前置放大器的作用：放大信号、阻抗变换

（4） 电荷放大器的性能稳定，其输出不受电缆分布电容的影响。 （5） 6、 霍尔传感器

（1） 霍尔效应

（2） 结构，工作原理，测量电路 （3） 温度误差及补偿

（4） 不等位电压产生原因及补偿 7、 热电式传感器

（1） 热电式传感器分类：热电偶、热电阻 （2） 工作原理

（3） 热电动势、接触电动势和温差电动势 （4） 温度测量基本定律 （5） 冷端补偿 8、 数字式传感器

（1） 光栅传感器

（2） 编码器 原理 应用

自测：

一、 绪论

作业习题

1．仪表精度有几个指标？它们各自的定义是什么？ 精确度、精密度、准确度 2．仪表分辨力的定义是什么？

指传感器能够检测到的最小输入增量

3．什么是传感器？（传感器定义）传感器由哪几个部分组成？分别起到什么作用？ 4.解释下列名词术语：

1）敏感元件;2)传感器; 3)信号调理器

5.测量仪表指示值不一致程度的量称为精密度。测量仪表指示值有规律地偏离真值程度的量称为准确度。

6． 测量仪表的精确度简称精度，是精密度和准确度的总和，以测量误差的相对值来表示。

复习思考

1. 什么是传感器？常用的分类方法有哪两种？ 思考题

1. 传感器特性在检测系统中起到什么作用？

二、 传感器的一般特性

作业习题

判断以下各题正确与否：

1.传感器是一种测量器件或装置，它将被测量按一定规律转换成可用输出，一般系统有输入和输出，所以均可看作传感器。×

2.传感器的静态特性曲线表示法一般有方程表示法，曲线表示法，列表表示法三种，但是它们严格意义上是等效的。√

3.迟滞误差、非线性误差和重复性误差都会给测量结果带来误差，但它们都可用统计平均的办法减少。√

4.传感器的阈值，实际上就是传感器在零点附近的分辨力。√

5.某位移传感器的测量量程为1mm，分辨力为0.001 mm，这说明传感器的灵敏度很高，其灵敏度为0.1 %。×

6.无论何种传感器，若要提高灵敏度必然会增加非线性误差。× 复习思考

1.传感器的性能参数反映了传感器的什么关系？ 2.静态参数有哪些？各种参数代表什么意义？ 3.动态参数有那些？应如何选择？

4．传感器由那两个部分组成？各自的定义是什么？ 5．机械弹性元件的输入和输出各是什么？ 6．弹性元件形式上分那两类？

三、 电阻式传感器

作业习题

1．什么是应变效应？什么是压阻效应？什么是横向效应？

2. 说明电阻应变片的组成和种类。电阻应变片有哪些主要特性参数？

3．一个量程为10kN的应变式测力传感器，其弹性元件为薄壁圆筒轴向受力，外径20mm,内径18mm,在其表面粘贴八各应变片，四个沿周向粘贴，应变片的电阻值均为120Ω,灵敏度为2.0,波松比为0.3,材料弹性模量E=2.1×1011Pa。要求：

①绘出弹性元件贴片位置及全桥电路； ②计算传感器在满量程时，各应变片电阻变化；

③当桥路的供电电压为10V时，计算传感器的输出电压。

6.有一测量吊车起吊物质量的拉力传感器如图(a)所示。电阻应变片R1、R2、R3、R4贴在等轴截面上。已知等截面轴的截面积为0.00196m，弹性模量E?2?10N/m，泊松比为0.3，R1、R2、

2

112R3、R4标称值均为120?、灵敏度为2.0，它们组成全桥如图(b)所示，桥路输入电压为2V，输出电压为1.0mV，求：①等截面轴的纵向应变及横向应变；②重物m有多少吨？

7.半桥测量时两片不同受力状态的电阻应变片介入电桥时，应放在邻边。 8.桥路（差动电桥）测量存在非线性误差，是因为_____________________。

复习思考

1．说明电阻应变片的组成、规格及分类。

2．什么叫应变效应？利用应变效应解释金属电阻应变片工作原理 3．什么叫横向效应？应变片敏感栅的结构型式与横向效应有和关系？ 4．试述应变片温度误差的概念、原因和补偿方法。

5．拟在等截面的悬臂梁上粘贴四个完全相同的电阻应变片组成差动全桥电路。试问，（1）四

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