传感器考试重点

第一章：传感器：能感受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=敏感元件+转换元件敏感元件是传感器中能直接感受（或响应）被测信息（非电量）的元件转换元件则是指传感器中能将敏感元件的感受（或响应）信息转换为电信号的部分传感器的共性：利用物理定律或物质的物理、化学、生物等特性，将非电量转换成电量传感器的分类如下：按传感器的构成进行分类：物性型和结构型按传感器的输入量（即被测参数）进行分类：位移、速度、温度、压力传感器等按传感器的输出量进行分类：模拟式和数字式按传感器的基本效应分类：物理型、化学型、生物型按传感器的工作原理进行分类：应变式、电容式、电感式、压电式、热电式传感器等按传感器的能量变换关系进行分类：有源（能量控制型）、无源（能量变换型）第二章：传感器的基本特性：传感器的输入－输出关系特性，是传感器内部结构参数作用关系的外部表现。不同的传感器有不同的内部结构参数，这些内部结构参数决定了他们具有不同的外部特性。输入信号分为：稳态、动态对应传感器特性：静态特性、动态特性传感器的静态特性：在稳态信号作用下的输入－输出关系。输入输出关系式不含有时间变量。一个高精度的传感器必须要有良好的静态特性和动态特性，从而确保信号（或能量）的无失真转换，使检测结果反应被测量的原始特征。衡量传感器的静态特性的主要指标：线性度,灵敏度,分辨率,迟滞,重复性,漂移。线性度：传感器的输入、输出间成线性关系的程度。传感器的理想输入输出特性应是线性的，实际是具有一定的非线性特征，因此需要传感器非线性特性的“线性化”。非线性特性的线性化处理：所采用的直线为拟合直线。ooomaxLmaxLmaxLmXmXmXxxxyyyFSYFSYFSY（a）切线或割线（c）端点平移（b）过零旋转P13上半部分。（2-1）非线性误差：%100*/fsMAXLYLL：非线性误差（线性度指标）maxL：最大非线性绝对误差FSY：输出满量程灵敏度：传感器在稳态信号作用下输出量变化对输入量变化的比值Sn=输出量的变化/输入量的变化=dy/dx。对于线性传感器，他的灵敏度就是他的静态特性的斜率。非线性传感器的灵敏度为一变量。灵敏度实质上是放大倍数，传感器对输入变量微小变化的敏感程度。灵敏度越高，系统的稳定性越差。分辨率：指传感器能够感知或检测到的最小输入信号增量。分辨率可以用绝对值或与满量程的百分比来表示。迟滞：也叫回程误差。在相同测量条件下，对应于同一大小的输入信号，传感器正（输入量由小到大）、反（输入量由大到小）行程的输出信号大小不相等的现象。产生迟滞原因：产生原因：传感器机械部分存在摩擦、间隙、松动、积尘等迟滞=%100*/maxfsYHp14(2-3)yxHmaxYFSo重复性：传感器在输入量按同一方向作全量程多次测试时所得输入－输出特性曲线一致的程度yxoYFSmax2Rmax1Rp14(2-4)漂移：传感器在输入量不变的情况下，输出量随时间变化的现象。漂移将影响传感器稳定性。产生漂移的原因：1.传感器自身结构参数老化，如：零漂2.测试过程中环境发生变化：如温漂。传感器的动态特性：是指传感器对动态激励（输入）的响应（输出）特性，即其输出对随时间变化的输入量的响应特性。一个动态特性好的传感器，其输出随时间变化的规律（输出变化曲线），将能再现输入随时间变化的规律（输入变化曲线），即具有相同的时间函数。动态误差：实际上由于传感器的敏感材料对不同的变化会表现出一定的惯性（如：温度测量中的热惯性）。因此输出信号与输入信号不具有完全相同的时间函数，这种输入与输出之间产生的差异叫做动态误差，动态误差反应的是惯性延迟所引起的附加误差。传感器的动态特性分析：时域（瞬态响应法）+频域（频率响应法）。时域输入信号为阶跃信号，频域输入信号为正弦信号。动态特性指标:1.与阶跃响应有关的指标2.与频率响应特性有关的指标时域动态特性：延迟时间，上升时间，响应时间，超调量频域动态特性：幅频特性，相频特性P15参数讲解传感器的标定：是利用某种标准仪器对新研制或生产的传感器进行技术检定和标度；它是通过实验建立传感器输入量与输出量间的关系，并确定出不同使用条件下的误差关系或测量精度。传感器的校准：是指对使用或储存一段时间后的传感器性能进行再次测试和校正，校准的方法和要求与标定相同。传感器的标定：静态标定+动态标定传感器的静态标定：是在输入信号不随时间变化的静态标准（静态标准是指没有加速度、没有振动、没有冲击（如果它们本身是被测量除外）及环境温度一般为室温（20±5℃），相对湿度不大于85%，大气压力为7kPa的情形）条件下确定传感器的静态特性指标，如线性度、灵敏度、迟滞、重复性等。传感器的动态标定：主要是研究传感器的动态响应特性。常用的标准激励信号源是正弦信号和阶跃信号。根据传感器的动态特性指标，传感器的动态标定主要涉及到一阶传感器的时间常数，二阶传感器的固有角频率和阻尼系数等参数的确定。第三章：电阻式传感器的基本工作原理:将被测量的变化转化为传感器电阻值的变化，再经一定的测量电路实现对测量结果的输出。应变：物体在外部压力或拉力作用下发生形变的现象弹性应变：当外力去除后，物体能够完全恢复其尺寸和形状的应变弹性元件：具有弹性应变特性的物体应变式传感器：是利用电阻应变片将应变转换为电阻变化的传感器工作原理：当被测物理量作用于弹性元件上，弹性元件在力、力矩或压力等的作用下发生变形，产生相应的应变或位移，然后传递给与之相连的应变片，引起应变片的电阻值变化，通过测量电路变成电量输出。输出的电量大小反映被测量的大小。结构：应变式传感器由弹性元件上粘贴电阻应变片构成应用：广泛用于力、力矩、压力、加速度、重量等参数的测量电阻应变片的工作原理是基于应变效应应变效应：导体或半导体材料在外界力的作用下产生机械变形时，其电阻值相应发生变化电阻丝的灵敏系数（物理意义）：单位应变所引起的电阻相对变化量。常用的电阻应变片有两种：1.金属电阻应变片（应变效应为主，工作原理：基于应变效应导致其材料几何尺寸发生变化）2.半导体应变片（压阻效应为主，工作原理：基于压阻效应导致其电阻率发生变化的现象）。应变片的温度误差：环境温度的改变而给测量带来的附加误差。产生电阻应变片的温度误差主要因素有：1.电阻温度系数的影响2.试件材料和电阻丝材料的线膨胀系数的影响。电阻应变片的温度补偿方法通常有线路补偿和应变片自补偿两大类。电桥补偿是最常用且效果较好的电阻片温度误差补偿方法。电桥补偿工作原理：R1R3R2R4UoR1R2(a)(b)R1－工作应变片　R2－补偿应变片FF~Uab314231012341234()()abRRRRRRUUUUUURRRRRRRR01423()UgRRRR1234()()UgRRRRg为由桥臂电阻和电源电压决定的常数。当R3和R4为常数时，R1和R2对电桥输出电压Uo的作用方向相反。利用这一基本关系可实现对温度的补偿。测量方法：1.当被测试件不承受应变时：R1和R2又处于同一环境温度为t的温度场中，调整电桥参数使之达到平衡。01423()0UgRRRR＝工程上，一般按R1=R2=R3=R4选取桥臂电阻。温度补偿的实现：当温度升高或降低Δt=t-t0时，两个应变片因温度而引起的电阻变化量相等，电桥仍处于平衡状态，0114223()()0UgRRRRRR＝2.被测试件有应变的作用：被测试件有应变ε的作用，则工作应变片电阻R1又有新的增量KRR1'1，而补偿片因不承受应变，故不产生新的增量。0114231414()()UgRRRRRgRRgRKR可见,电桥的输出电压Uo仅与被测试件的应变ε有关，而与环境温度无关。注意补偿条件：①在应变片工作过程中，保证R3=R4②R1和R2两个应变片应具有相同的电阻温度系数α、线膨胀系数β、应变灵敏度系数K和初始电阻值R0。③④两应变片应处于同一温度场。测量电路：通常采用直流电桥或交流电桥。（计算题：自己看书）直流电桥：1.平衡条件：R1R2R4R3ACBEDIoRLUo＋－当RL→∞时，电桥输出电压为：433211RRRRRREUo当电桥平衡时，Uo=0，则有：3241RRRR电桥平衡条件：欲使电桥平衡，其相邻两臂电阻的比值应相等，或相对两臂电阻的乘积应相等。应变片能将应变直接转换成电阻的变化其他物理量（力、压力、加速度等），需先将这些量转换成应变－弹性元件应变式传感器的组成：弹性元件、应变片、附件（补偿元件、保护罩等）；应用：电阻式力传感器，电阻式压力传感器，电阻式液体重量传感器。第四章：电感式传感器的工作基础：电磁感应概念：即利用线圈电感或互感的改变来实现非电量测量被测物理量（非电量：位移、振动、压力、流量、比重）线圈自感系数L/互感系数M电压或电流（电信号）电磁感应测量电路优点：1.工作可靠、寿命长2.灵敏度高，分辨力高3.精度高、线性好4.性能稳定、重复性好根据工作原理分为：变磁阻式、变压器式、涡流式.变磁阻式传感器（工作原理）：变磁阻式传感器由线圈、铁芯和衔铁三部分组成。铁芯和衔铁由导磁材料制成。在铁芯和衔铁之间有气隙，传感器的运动部分与衔铁相连。当衔铁移动时，气隙厚度δ发生改变，引起磁路中磁阻变化，从而导致电感线圈的电感值变化，因此只要能测出这种电感量的变化，就能确定衔铁位移量的大小和方向。20022AWRWLm当线圈匝数W为常数时，电感L仅仅是磁路中磁阻Rm的函数，改变δ或A0均可导致电感变化，因此变磁阻式传感器又可分为变气隙厚度δ的传感器和变气隙面积A0的传感器。目前使用最广泛的是变气隙厚度式电感传感器。变磁阻式传感器的应用：变隙电感式压力传感器，变隙式差动电感压力传感器螺线管式差动变压器（工作原理）：两个次级线圈反相串联，并且在忽略铁损、导磁体磁阻和线圈分布电容的理想条件下,其等效电路。Ur1L1aL2aL2baE2bE2r2ar2boURLI1＋－＋－＋－＋－当初级绕组加以激励电压U时,根据变压器的工作原理,在两个次级绕组W2a和W2b中便会产生感应电势E2a和E2b。如果工艺上保证变压器结构完全对称,则当活动衔铁处于初始平衡位置时,必然会使两互感系数M1=M2。根据电磁感应原理,将有E2a=E2b。由于变压器两次级绕组反相串联,因而Uo=E2a-E2b=0,即差动变压器输出电压为零。零点残余电压：差动变压器在零位移时的输出电压差动变压器式传感器的应用：微压传感器。电涡流式传感器（工作原理）：根据法拉第定律，当传感器线圈通以正弦交变电流I1时，线圈周围空间必然产生正弦交变磁场H1，使置于此磁场中的金属导体中感应电涡流I2，I2又产生新的交变磁场H2。根据愣次定律，H2的作用将反抗原磁场H1，由于磁场H2的作用，涡流要消耗一部分能量，导致传感器线圈的等效阻抗发生变化。线圈阻抗的变化完全取决于被测金属导体的电涡流效应。电涡流式传感器的应用：1、位移测量2、振幅测量3、转速测量4、无损探伤第五章电容式传感器的（工作原理）：Ard0rAACdd＝＝P59（参数含义)保持其中两个参数不变，而只变其中一个参数，把该参数的变化转换成电容量的变化，通过测量电路转换为电量输出。电容式传感器利用了将非电量的变化转换为电容量的变化来实现对物理量的测量。电容式传感器特点：1.结构简单、体积小、分辨率高；2.可实现非接触式测量；3.动态响应好；4.能在高温、辐射和强振动等恶劣条件下工作；5.电容量小，功率小，输出阻抗高，负载能力差，易受外界干扰产生不稳定现象。电容式传感器可分为三种：1.变极板间距离的变极距型2.改变极板面积的变面积型3.改变介质介电常数的变介质型变极距型电容式传感器：00ddCCC：电容增大量d：电容极板间距缩小量推论出：C与d近似成线性关系变极距型传感器可解决击穿问题：云母的相对介电常数约为空气的7倍，其击穿电压远高于空气，在这种情况下，极板间距可大大减小。一般极板间距在