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+a2x2+a3x3+…+a n x n

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，

K=1+2μ。

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）

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

2、 电容式传感器

（1） 结构、原理 （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

04o I R U U R ?=02o I R U U R ?=0o I

R

U U R ?=2

1

1')1(n n E R R U S O U +=?=l

A l A C r 0εεε=

=(,,,,)Z F r f x ρμ=

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 2

，弹性模量2

11/102m N E ?=，泊松比为0.3，R1、R2、

R3、R4标称值均为120Ω、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

个应变片应怎样粘贴在悬臂梁上？（2）画出相应的电桥电路图。

思考题

1．在传感器测量电路中，直流电桥与交流电桥有什么不同，如何考虑应用场合？用电阻应变片组成的半桥、全桥电路与单桥相比有哪些改善？

四、电感式传感器

作业习题

1.叙述变磁阻式传感器的工作原理。

2.说明差动变压器（螺线管式）传感器的结构形式与输出特性。

3.什么是零点残余电压，有哪些方法可以进行残余电压补偿？

4.用差动变压器进行位移测量时采用那种电路形式可以直接由输出电压区别位移的大小和方向？

5.什么是电涡流效应？电涡流传感器可以进行哪些非电量参数测量？分别利用哪些物理量进行检测，由哪个电参量转换进行电量输出的？

6．电感式传感器有哪些种类？它们的工作原理是什么？

7.将非电量的变化转换成线圈______ (或______)变化，这种测量装置叫做电感式传感器。该传感器按转换原理不同可分为_______式或_______式两大类。

9.判断题：

①.差动电感传感器不能完全消除非线性误差。√

②.电感式传感器和涡流式传感器都是通过电感量的变化检测信号的，所以它们结构和工作原

理没有任何不同。×

③.自感式电感传感器改变空气隙等效截面积类型变换器转换关系为非线形的，改变空气隙长

度类型的为线形的。×

④.变压器式电感传感器多采用差动结构，并用线圈间互感M的大小确定被测非电量的数值。

√

10.什么叫电涡流效应？什么叫线圈——导体系统？

11.概述电涡流式传感器的基本结构与工作原理。

12.电涡流式传感器的基本特性式什么？它是基于何种模型得到的？

13．电涡流的形式范围包括哪些内容？他们的主要特点式什么？

复习思考

1.请简述电涡流传感器的工作原理，并举出两种传感器的测量电路，说明电路的测量原理。

2.分析电感传感器出现非线性的原因，并说明如何改善？

思考题

1．差动电感结构有什么优点，采用什么电路可有线形输出？

2．简述电涡流效应及构成电涡流传感器的可能的应用场合。

五、电容式传感器

作业习题

1.电容传感器有哪些类型？

2.叙述电容传感器的工作原理，输出特性。

3.电容传感器的测量电路有哪些？叙述二极管双T型交流电桥工作原理。

4．差动式电容测厚传感器系统的工作原理？

5. 简述电容式传感器用差动脉冲调宽电路的工作原理及特点。

6.电容传感器有哪三种类型，试从输入输出关系的角度说明各自的特点，对于非线性类型采用什么

方法来改善？

7.对变间隙的电容式传感器而言即使采用差动结构也不能完全消除非线性误差吗？

复习思考

1．根据电容传感器的工作原理说明它的分类，电容传感器能够测量哪些物理参量？

2.如果电容传感器的电缆丢失了，更换另一根电缆后，可以不必对测量系统重新进行标定，也可直

接使用。

思考题

1.为什么电感式和电容式传感器的结构多采用差动形式，差动结构形式的特点是什么？

2．总结电容式传感器的优缺点，主要应用场合以及使用中应注意的问题。

六、磁电式传感器

作业习题

1.为什么说磁电感应式传感器是一种有源传感器？

2.变磁阻式传感器有哪几种结构形式？可以检测哪些非电量？

3.什么是霍尔效应？霍尔电势的大小与方向和哪些因素有关？影响霍尔电势的因素有哪些？

4.集成霍尔器件有哪几种类型？试画出其输出特性曲线。

5.磁敏元件有哪些？（磁敏电阻、磁敏二极管、磁敏晶体管）什么是磁阻效应？简述磁敏二极管、晶体管工作原理。

6.简答：写出霍尔电压的表达式，并给出消除不等位电势的方法。

7.简述霍尔传感器测量磁场的原理。

复习思考

１．试述霍尔效应的定义与简单的工作原理？ 2．简述霍尔元件灵敏系数的电定义？ 3．试述霍尔元件的简单结构？ 4．画出霍尔元件的输出电路图？

5．试述霍尔元件不等位电势和温度补偿的简单概念及处理方法？

七、 压电式传感器

作业习题 1. 判断题：

1）沿机械轴（Y-Y ）方向施加作用力时，产生的电荷量与压电晶片的几何尺寸有关。√

2）压电式传感器如果使用电荷放大器作为前置放大器，在一定条件下，传感器的灵敏度与电缆长度无关。√

3）电荷放大器是将传感器输出的电荷进行放大的前置放大器，由于它可以使用较长的电缆，因而得到广泛应用。√

4）石英晶体和压电陶瓷均呈压电现象，压电机理也一样，但后者的压电常数要大的多。× 5）在压电式传感器的测量线路中，电荷放大器的低频特性要比电压放大器的好的多。

6）压电晶体有三个互相垂直的轴，分别为X 轴（电轴）、Y 轴（力轴）、Z 轴（光轴），当沿某一轴的方向施加外作用力时，会在另外两个轴的表面出现电荷。×

2.什么是正压电效应？什么是逆压电效应？压电效应有哪些种类？压电传感器的结构和应用特点是什么？能否用压电传感器测量静态压力？

3.石英晶体X 、Y 、Z 轴的名称是什么？有哪些特征？

4.说明电压放大器与电荷放大器的优缺点，各自要解决什么问题？

5.石英晶体的压电效应有何特点？已知石英晶体压电片上的极性如图（a ）所示，试标出图（b ）、（c ）、（d ）所示的石英晶体压电片上电荷的极性，并结合图说明什么叫纵向压电效应？什么叫横向压电效应？、

x F x

? +

+

+

+

?

? ?

F x

y

x F x

F x

y

（a ）x 方向受压力 （b ）x 方向受拉力

（c ）y 方向受压力 （d ）y 方向受拉力

6.压电传感器配用电路常采用电荷放大器，问：

①根据压电材料的等效模型推导电荷放大器输出电压与电荷的关系； ②说明电荷放大器有何特点。

复习思考

1．什么叫正、逆压电效应和纵向、横向压电效应？

八、 热电式传感器

作业习题 1.判断题：

a) 热电偶使用时，常配用冷端延长线，延长线可以采用任何一种金属材料制造。 b) 把N 支相同型号的热电偶依次将正、负极连接，则串联线路的相对误差会减少。 c) 两种金属相接触时会产生接触电势，两种半导体也会产生接触电势，但金属和半导体

间不会产生接触电势。

d) 热电偶传感器的中间导体定律保证了接入热电偶回路中的第三甚至第四种导体只要

它们几端的温度相同就一定不会影响回路的总电势。

e) 热电偶的补偿导线法与零度恒温法一样，可完全消除冷端温度变化带来的测温误差。 f) 热电偶的工作机理是导体的热电效应。而热电势的产生必须具备两个条件，即两种导

体材质不同且两个节点的温度不同。

2.已知铜热电阻Cu100的百度电阻比W(100)=1.42，当用此热电阻测量50℃温度时，其电阻值为_______欧；若测温时的电阻值为83欧，则被测温度是_______℃（保留小数点后两位）

3. 叙述并证明热电偶参考电极定律，其中k 为玻尔兹曼常数；e 为电子电荷量；n A 、n B 、 n C 分别为材料A 、B 、C 的自由电子密度；A σ、B σ、C σ分别为材料A 、B 、C 的汤姆逊系数。且已知在某特定条件下材料A 与铂配对的热电势为13.967mV ，材料B 与铂配对的热电势是8.345mV ，求出在此特定条件下，材料A 与材料B 配对后的热电势。(材料A 在前，材料B 在后)

x

F y F y

y

x

F y

F y

y

4.将一灵敏度为0.08 mV/℃的热电偶与电压表相连接，电压表接线端是50℃，若电位计上读数是60mV ，热电偶的热端温度是___________________。

5.下图是热敏电阻的伏安特性曲线，

1）请对曲线进行分析；

2）用该热敏电阻测量温度时，应该利用曲线的哪一段，说明原因；

I a I m I （电流）

V （电压）

a

b c

d

6．集成温度传感器的测温原理，有何特点？

7．什么叫热电动势、接触电动势和温差电动势？说明热电偶测温原理及其工作定律的应用。分析热电偶测温的误差因素，并说明减小误差的方法。 8．试述热电偶测温的基本原理和基本定理。

11．使用k 型热电偶，基准接点为0℃、测量接点为30℃和900℃时，温差电动势分别为1.203mV 和37.326mV 。当基准接点为30℃。C ，测温接点为900℃时的温差电动势为多少？

T

C

T 0

T

A

B

T 0

T

A

复习思考

1．解释热电效应、热电势、接触电势和温差电势？

2．简述热电偶能够工作的两个条件？

3．什么叫中间导体定律和标准电极定律？

4．目前常用哪三种结构的热电偶？它们各自的特点是什么？

5.简述热电偶冷端处理的几种方式及其各自的特点？

6．简述热电偶测温原理？