第二章 传感器检测技术基础
《传感与检测技术》习题及解答
第1章 传感与检测技术基础第2章 电阻式传感器 第3章 电感式传感器1、电感式传感器有哪些种类？它们的工作原理分别是什么？2、说明3、变气隙长度自感式传感器的输出特性与哪些因素有关？怎样改善其非线性？怎样提高其灵敏度？答：根据变气隙自感式传感器的计算式：00022l S W L μ=，线圈自感的大小，即线圈自感的输出与线圈的匝数、等效截面积S 0和空气中的磁导率有关，还与磁路上空气隙的长度l 0有关；传感器的非线性误差：%100])([200⨯+∆+∆= l ll l r 。
由此可见，要改善非线性，必须使l l∆要小，一般控制在0.1~0.2。
（因要求传感器的灵敏度不能太小，即初始间隙l 0应尽量小，故l ∆不能过大。
）传感器的灵敏度：20022l S W dl dL l L K l ⨯-=≈∆∆≈μ，由此式可以看出，为提高灵敏度可增加线圈匝数W ，增大等效截面积S 0，但这样都会增加传感器的尺寸；同时也可以减小初始间隙l 0，效果最明显。
4、试推导 5、气隙型 6、简述 7、试分析 8、试推导 9、试分析 10、如何通过11、互感式12、零点残余电压产生的原因是什么？怎样减小和消除它的影响？答：在差动式自感传感器和差动变压器中，衔铁位于零点位置时，理论上电桥输出或差动变压器的两个次级线圈反向串接后电压输出为零。
但实际输出并不为零，这个电压就是零点残余电压。
残差产生原因：①由于差动式自感传感器的两个线圈结构上不对称，如几何尺寸不对称、电气参数不对称。
②存在寄生参数；③供电电源中有高次谐波，而电桥只能对基波较好地预平衡。
④供电电源很好，但磁路本身存在非线性。
⑤工频干扰。
差动变压器的零点残余电压可用以下几种方法减少或消除：①设计时，尽量使上、下磁路对称；并提高线圈的品质因素Q=ωL/R；②制造时，上、下磁性材料性能一致，线圈松紧、每层匝数一致等③采用试探法。
在桥臂上串/并电位器，或并联电容等进行调整，调试使零残最小后，再接入阻止相同的固定电阻和电容。
传感器技术及应用(第二版)检测与传感技术基础
1）偏差式测量法
•
在测量过程中，用仪表指针相对于刻度线的
检 位移（偏差）来直接表示被测量，这种方法称为 测 偏差式测量法，广泛应用于工程测量。
与
传
感
技
术
基
础
传 感 器 技 术 及 应
用•
2）零位式测量法 零位式测量法是在测量过程中，用指零仪
表的零位指示来检测测量系统是否处于平衡状
态，当测量系统达到平衡时，用已知的基准量
用
•
根据测量数据中的误差所呈现的规律及产
生的原因可将其分为系统误差、随机误差和粗
检 大误差。
测
与
传
感
技
术
基
础
传
感
器 技
术 及
1）随机误差
应 用
•
在同一测量条件下，多次测量被测量时，
其绝对值和符号以不可预定方式变化着的误差
称随机误差。
•
检
测•
与 传 感 技 术 基 础
随机误差表示为
随机误差 xi x
检 测 与 传 感 技 术 基 础
传
感
器
技
术
及 应
1.2.3 测量误差
用
• 测量误差是测得值减去被测量的真值。
检 1. 测量误差的表示方法
测
与 • 测量误差的表示方法有多种，含义各异。
传 感 技 术 基 础
传 感 器 技 术 及 应
用•
检 测
•
与
传
感
技
术
基
础
1）绝对误差 绝对误差可定义为
X L
式中：——绝对误差；
感
技
图1-1 检测系统组成框图
传感器与检测技术ppt课件
22
重复性
图1-4所示为校正曲线的重复特性。
正行程的最大重复性偏差为△Rmax1, 反行程的最大重复 性偏差为△Rmax2，重复性误差取这两个最大偏差中之较 大者为△Rmax，再以满量程输出的百分数表示，即
rR
Rmax yFS
100%
（1-15）
式中 △Rmax----输出最大不重复误差。
精选课件ppt
现代人们的日常生活中，也愈来愈离不开检测技术。例 如现代化起居室中的温度、湿度、亮度、空气新鲜度、防火、 防盗和防尘等的测试控制，以及由有视觉、听觉、嗅觉、触 觉和味觉等感觉器官，并有思维能力机器人来参与各种家庭 事务管理和劳动等，都需要各种检测技术。
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34
自动检测系统的基本组成
自动检测系统是自动测量、自动资料、自动保护、自动 诊断、自动信号处理等诸系统的总称，基本组成如图1-7。
图1-10 微差法测量稳压电源输出电压的微小变化
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44
误差处理 主要内容
• 一、误差与精确处理 • 二、测量数据的统计处理 • 三、间接测量中误差的传递 • 四、有效数字及其计算法则
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45
误差与精确处理
主要内容
(1)绝对误差与相对误差 (2)系统误差、偶然误差和疏失误差 (3)基本误差和附加误差 (4)常见的系统误差及降低其对测量结果影响的方法
（1-17）
由于种种原因，会引起灵敏度变化，产生灵敏度误差。灵 敏度误差用相对误差来表示
k10% 0 sk
（1-18）
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25
分辨率
分辨率是指传感器能检测到的最小的输入增量。 分辨率可用绝对值表示，也可以用满量程的百分比表 示。
自动检测技术及应用》教案
自动检测技术及应用教案章节：第一章自动检测技术概述教学目标：1. 了解自动检测技术的定义、作用和分类。
2. 掌握常见自动检测技术的原理和应用。
3. 理解自动检测技术在工程实践中的应用价值。
教学内容：1. 自动检测技术的定义和作用2. 自动检测技术的分类3. 常见自动检测技术及其原理4. 自动检测技术在工程实践中的应用案例教学过程：1. 引入：通过生活中常见的自动检测实例，如自动门、自动感应灯等，引发学生对自动检测技术的兴趣。
2. 讲解：详细讲解自动检测技术的定义、作用和分类。
3. 示范：通过示例演示常见自动检测技术的原理和应用。
4. 实践：让学生参与实际操作，体验自动检测技术的工作原理和应用效果。
5. 讨论：引导学生思考自动检测技术在工程实践中的应用价值，并提出问题引导学生深入思考。
教学评价：1. 学生能准确回答自动检测技术的定义、作用和分类。
2. 学生能理解常见自动检测技术的原理和应用。
3. 学生能认识到自动检测技术在工程实践中的应用价值。
教案章节：第二章传感器技术基础教学目标：1. 了解传感器的定义、作用和分类。
2. 掌握常见传感器的原理和应用。
3. 理解传感器在自动检测系统中的重要性。
教学内容：1. 传感器的定义和作用2. 传感器的分类3. 常见传感器的原理和应用4. 传感器在自动检测系统中的重要性教学过程：1. 引入：通过生活中的传感器实例，如温度计、光敏电阻等，引发学生对传感器的兴趣。
2. 讲解：详细讲解传感器的定义、作用和分类。
3. 示范：通过示例演示常见传感器的原理和应用。
4. 实践：让学生参与实际操作，体验传感器的工作原理和应用效果。
5. 讨论：引导学生思考传感器在自动检测系统中的重要性，并提出问题引导学生深入思考。
教学评价：1. 学生能准确回答传感器的定义、作用和分类。
2. 学生能理解常见传感器的原理和应用。
教案章节：第三章信号处理与分析教学目标：1. 了解信号处理的定义、作用和分类。
传感器及检测技术教案全
传感器及检测技术教案第一章：传感器概述1.1 教学目标让学生了解传感器的基本概念和作用。
让学生了解传感器的分类和特点。
让学生了解传感器在现代科技领域的应用。
1.2 教学内容传感器的定义和作用传感器的分类和特点传感器在现代科技领域的应用1.3 教学方法采用讲授法，讲解传感器的定义、作用和分类。
采用案例分析法，分析传感器在现代科技领域的应用。
采用小组讨论法，让学生讨论传感器的特点和优缺点。
1.4 教学评估课堂问答，检查学生对传感器的基本概念和作用的理解。
小组讨论，评估学生对传感器特点和优缺点的理解。
第二章：温度传感器2.1 教学目标让学生了解温度传感器的原理和结构。
让学生了解常见温度传感器的特点和应用。
让学生了解温度传感器的选择和安装。
2.2 教学内容温度传感器的原理和结构常见温度传感器的特点和应用温度传感器的选择和安装2.3 教学方法采用讲授法，讲解温度传感器的原理和结构。
采用案例分析法，分析常见温度传感器的特点和应用。
采用实验演示法，展示温度传感器的安装和应用。
2.4 教学评估课堂问答，检查学生对温度传感器原理和结构的理解。
实验操作，评估学生对温度传感器的安装和应用的掌握。
第三章：压力传感器3.1 教学目标让学生了解压力传感器的原理和结构。
让学生了解常见压力传感器的特点和应用。
让学生了解压力传感器的选择和安装。
3.2 教学内容压力传感器的原理和结构常见压力传感器的特点和应用压力传感器的选择和安装3.3 教学方法采用讲授法，讲解压力传感器的原理和结构。
采用案例分析法，分析常见压力传感器的特点和应用。
采用实验演示法，展示压力传感器的安装和应用。
3.4 教学评估课堂问答，检查学生对压力传感器原理和结构的理解。
实验操作，评估学生对压力传感器的安装和应用的掌握。
第四章：湿度传感器4.1 教学目标让学生了解湿度传感器的原理和结构。
让学生了解常见湿度传感器的特点和应用。
让学生了解湿度传感器的选择和安装。
4.2 教学内容湿度传感器的原理和结构常见湿度传感器的特点和应用湿度传感器的选择和安装4.3 教学方法采用讲授法，讲解湿度传感器的原理和结构。
传感器与检测技术期末考试试题与答案
第一章传感器基础l。
检测系统由哪几部分组成? 说明各部分的作用.答：一个完整的检测系统或检测装置通常是由传感器、测量电路和显示记录装置等几部分组成，分别完成信息获取、转换、显示和处理等功能。
当然其中还包括电源和传输通道等不可缺少的部分。
下图给出了检测系统的组成框图。
检测系统的组成框图传感器是把被测量转换成电学量的装置,显然,传感器是检测系统与被测对象直接发生联系的部件，是检测系统最重要的环节，检测系统获取信息的质量往往是由传感器的性能确定的，因为检测系统的其它环节无法添加新的检测信息并且不易消除传感器所引入的误差。
测量电路的作用是将传感器的输出信号转换成易于测量的电压或电流信号。
通常传感器输出信号是微弱的，就需要由测量电路加以放大,以满足显示记录装置的要求。
根据需要测量电路还能进行阻抗匹配、微分、积分、线性化补偿等信号处理工作.显示记录装置是检测人员和检测系统联系的主要环节，主要作用是使人们了解被测量的大小或变化的过程。
2.传感器的型号有几部分组成，各部分有何意义?依次为主称(传感器）被测量—转换原理—序号主称-—传感器，代号C;被测量—-用一个或两个汉语拼音的第一个大写字母标记.见附录表2;转换原理——用一个或两个汉语拼音的第一个大写字母标记。
见附录表3；序号—-用一个阿拉伯数字标记，厂家自定，用来表征产品设计特性、性能参数、产品系列等。
若产品性能参数不变，仅在局部有改动或变动时，其序号可在原序号后面顺序地加注大写字母A、B、C等，(其中I、Q不用）。
例：应变式位移传感器： C WY-YB-20；光纤压力传感器：C Y—GQ—2.3.测量稳压电源输出电压随负载变化的情况时，应当采用何种测量方法？如何进行?答：测定稳压电源输出电压随负载电阻变化的情况时，最好采用微差式测量.此时输出电压认可表示为U0，U0=U+△U，其中△U是负载电阻变化所引起的输出电压变化量，相对U来讲为一小量。
如果采用偏差法测量，仪表必须有较大量程以满足U0的要求，因此对△U，这个小量造成的U0的变化就很难测准。
《传感器与检测技术》知识点总结
《传感器与检测技术》（传感器部分）知识点总结第一章 概述1.传感器的定义与组成（1）定义：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。
（2）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。
（3）功能：检测和转换。
（4）组成：5.开展基础理论研究寻找新原理6.传感器的集成化第二章 传感器的基本特性1.线性度（传感器的静态特性之一）（1）定义：传感器的输入、输出间成线性关系的程度。
（2）非线性特性的线性化处理：Y FSy Y FSy Y FSyo（a ）切线或割线X mxo（b ）过零旋转X mxo（c ）端点平移X mx（3）非线性误差：γL = ± Δ L ma xY FS式中，γL ——非线性误差（线性度）；ΔL m a x ——输出平均值与拟合直线间的最大偏差绝对 值；Y F S ——满量程输出。
2.灵敏度（传感器的静态特性之二）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。
0 S n ＝ y x xS n = dy dx (a) 线性测量系统(b) 非线性测量系统 0S n y = f x ) dy dx = C x 0 S n y = f ( )dy x 0 S n y = f (x ) dy dx(c) 灵敏度为常数(d) 灵敏度随输入增加而增加 (e) 灵敏度随输入增加而减小3.分辨率/分辨力（传感器的静态特性之三）分辨率是指传感器能够感知或检测到的最小输入信号增量。
分辨率可以用增量的绝对值 或增量与满量程的百分比来表示。
4.迟滞/回程误差（传感器的静态特性之四）（1）定义：在相同测量条件下，对应于同一大小的输入信号，传感器正、反行程的输出信 号大小不相等的现象。
开发新材料 采用新工艺 探索新功能具有同样功能的传感器集成化，即将同一类型的单个传感元件用集成工艺在同一平面上 排列起来，形成一维的线性传感器，从而使一个点的测量变成对一个面和空间的测量。
电大《传感器与检测技术》期末复习题及详细答案参考
电大《传感器与检测技术》期末复习题及详细答案参考传感器与检测技术复习题基础知识自测题第一章传感器的通常特性1.传感器是检测中首先感受，并将它转换成与有确定对应关系的的器件。
2.传感器的基本特性通常用其特性和特性去叙述。
当传感器转换的被测量处在动态时，测出的输入一输出关系称作特性。
3.传感器变换的被测量的数值处在稳定状态下，传感器输出与输入的关系称为传感器的特性，其主要技术指标有：、、和等。
4.传感器实际曲线与理论直线之间的称作传感器的非线性误差，其中的与输入满度值之比称作传感器的。
5.传感器的灵敏度是指稳态标准条件下，变化量与化量的比值。
对传感器来说，其灵敏度是常数。
6.传感器的动态特性就是指传感器测量时，其输入对输出的特性。
7.传感器中直接感受被测量，并输出与被测量成关系的其它量的元件称为元件。
8.只体会由敏感元件输入的，并且与成确认关系的另一种非电量，然后输入电量的元件，称作元件。
第二章电阻式传感器1.电阻应变片就是将被测试件上的转换成的传感元件。
2.电阻应变片由、、和等部分共同组成。
3.应变式传感器中的测量电路是将应变片转换成的变化，以便显示或记录被测非电量的大小。
4.金属电阻应变片脆弱栅的形式和材料很多，其中形式以式用的最少，材料Infreville的最为广为。
5.电阻应变片的工作原理就是依据快速反应效应创建与变形之间的量值关系而工作的。
6.当应变片主轴线与试件轴线方向一致，且受到一维形变时，应变片灵敏系数k就是应变片的与试件主应力的之比。
7.电阻应变片中，电阻丝的灵敏系数小于其灵敏系数的现象，称为应变片的横向效应。
8.电阻应变片的温度补偿中，若使用电桥补偿法测量应变片时，工作应变片粘贴在表面上，补偿应变片粘贴在与被测试件完全相同的上时，则补偿应变片不。
9.用弹性元件和及一些附件可以共同组成快速反应式传感器.10.应变式传感器按用途划分有：应变式传感器、应变式传感器、应变式传感器等。
11.电阻应变片的配用测量电路采用差动电桥时，不仅可以，同时还能起到的作用。
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第二节
传感器的动态特性
动态特性：指输入量随时间变化时，其输出与输入的关系。
传感器的动态特性的研究方法：
1、建立数学模型 在模型输入端 加入标准信号 逻辑推理 和运算 分析输出随 时间的变化 获得动态 特性指标 测输出随时 间的变化
y1=a0+a1x+a2x2+a3x3+a4x4+… y2=a0-a1x+a2x2-a3x3+a4x4-…
• 则
△y=y1-y2=2(a1x+a3x3+…)
差动测量的优越性： 大大改善线性； 零偏被消除； 灵敏度提高一倍。
二、静态特性指标：
1、测量范围和灵敏度 测量范围：由可测量的被测量最小值与最大值所限定 的范围。 最理想的测量范围：不管输入值多大，输入输出总是 线性的； 实际上，测量范围是有限的（由传感元件和测量电路 的工作范围决定）。
5、环境特性： （1）温度 （2）气压 （3）湿度 （4）振动 （5）电源 ……
6、精度、精密度、准确度
（1）精度：用输出测量值与被测直值之间的偏差值来衡 量。反映传感器输出结果的可靠程度。
通常用传感器满量程输出范围内的最大绝对误差与 满量程的比值来表示：
K ' A / YFS 100%
D算子方法：求Y(s)与 X(s)的代数方程
a1Dy(t ) a0 y(t ) b0 x(t ) 或 ( D 1) y (t ) kx(t )
s---拉普拉斯变量
( s 1)Y ( s) kX ( s)
Y (s) k H ( s) X ( s) s 1
静态灵敏度：k=b0/a0 时间常数：τ =a1/a0 --一阶传感器的动态 特性指标 定义传递函数为Y(s) 与X(s)之比
2、实验手段 在传感器输入端 加入标准信号
标准信号：正弦信号、阶跃信号、线性输入信号等
一、传感器动态特性的数学模型
1、引例：热电偶传感器（热电偶插入恒温水池测温度）
dT1 热平衡方程： mC (T0 T1 ) / R dt
dT1 T1 T0 dt
时间常数：
T1 T0
RmC
(
2 0
2
0
s 1)Y (s) kX (s)
a1 2 a0 a2
2 k0 Y ( s) s 2 2 s H ( s) k /( 2 1) 2 2 X ( s) 0 0 s 2 s0 0
3、n阶传感器的传递函数
由
d nY (t ) d n 1Y (t ) dY (t ) an an 1 ... a1 a0Y (t ) n n 1 dt dt dt d m X (t ) d m 1 X (t ) dX (t ) bm bm 1 ... b1 b0 X (t ) m m 1 dt dt dt
2、二阶传感器的传递函数
d 2 y(t ) dy (t ) a2 a1 a0 y(t ) b0 x(t ) 2 dt dt
二阶传感器的动态特性指标：
静态灵敏度
b0 k a0
a2
(
D
2
s2
2 0
2
0
D 1) y(t ) kx(t )
无阻尼固有频率 a0 0 阻尼比
y a1x a2 x a4 x ...
2 4
（3）非线性项次数为奇数：图像关于原点对称，在原点有 较宽的线性区，不少差动式传感器具有此特性。
y a1x a3 x a5 x ...
3 5
3、差动的测量系统
•
将两个性能相同的位移传感器与被测对象适当连接， 使之分别产生正、反向位移，设二者的输出分别为：
第一节
传感器的静态特性
一、静态特性
被测量分为： • 静态量---固定状态的信号或变化极其缓慢的信号（准静态）： 如体温、血压（舒张压和收缩压）、身高、体重等。 • 动态量---相对时间变化的确定性信号或随机信号：如心电、 肌电、脑电等。 传感器的基本特性分为： • 静态特性---指当测量静态量时，传感器的输出值与输入值之 间的关系（数学表达式、曲线或数据表）。 • 动态特性---指传感器对随时间变化的输入信号的响应特性。
y a0 a1x a2 x a3 x ... an x
2 3
零偏 线性项 非线性项
n
2、几种情况的传感器特性： （1）理想线性：图像为过原点的直线
y a1x
灵敏度：
或
y a1 x
a1 y / x y / x
（2）非线性项次数为偶数：图像不对称，线性范围较窄， 传感器设计时很少采用此特性
引例：电容式位移传感器的静态特性 平行板电容器的电容量计算公式：
C0
s
d0
s 极距变化△d时的电容变化量△C为： C d 0 d 灵敏度
C
s
d0
2
d
s
d0
3
(d )
2
s
d0
4
(d ) ...
3
线性项
非线性项 电容传感器的静态特性方程
1、传感器静态特性的数学模型:（x--输入信号，y--输出信号）
静态灵敏度： k=△y/△x （传感器稳定后） 非线性传感器的 灵敏度与x值（工 作点）、测量范 围等因素有关
• 灵敏度与测量范围有关。多数传感器的灵敏度越高，测量 范围越窄。 • 灵敏度界限：指输入量的变化不致引起输出量有任何可见 变化的量值范围。原因（内部吸收+噪声）
2、线性度（非线性误差）δ
L
Lmax L 100% YFS
YFS Ymax y0
3、迟滞（滞后） 相同工作条件下，对应于同一大小的输入信号，传感 器正反行程的输出信号大小不等的现象。
正反行程的工 作条件相同
H ma同样大小的信号时，最理想 的情况是不管什么时候输出值的大小均保持不变。--性能稳定 影响因素： （1）经时变化 （2）外界影响（应力、温度） （3）连续使用（产生零点漂移） （4）电源 ……
dy (t ) a1 a0 y (t ) b0 x(t ) dt
一阶微分方程---一阶传感器
热电偶质量m，比热C，热接点 温度T1；被测介质温度T0；热 电偶与被测介质间的热阻R
二、传感器的传递函数H（s）
1、一阶传感器的传递函数
dy (t ) a1 a0 y (t ) b0 x (t ) dt