传感器与检测技术 完整版本
(完整版)《传感器与检测技术》试题及答案
1、测量系统的静态特性指标主要有线性度、迟滞、重复性、分辨力、稳定性、温度稳定性、各种抗干扰稳定性等。
2、霍尔元件灵敏度的物理意义是表示在单位磁感应强度相单位控制电流时的霍尔电势大小。
3、光电传感器的理论基础是光电效应。
通常把光线照射到物体表面后产生的光电效应分为三类。
第一类是利用在光线作用下光电子逸出物体表面的外光电效应,这类元件有光电管、光电倍增管；第二类是利用在光线作用下使材料内部电阻率改变的内光电 效应，这类元件有光敏电阻；第三类是利用在光线作用下使物体内部产生一定方向电动势的光生伏特效应，这类元件有光电池、光电仪表。
4、压磁式传感器的工作原理是：某些铁磁物质在外界机械力作用下，其内部产生机械压力，从而引起极化现象，这种现象称为正压电效应。
相反，某些铁磁物质在外界磁场的作用下会产生机械变形，这种现象称为负压电效应。
5、变气隙式自感传感器，当街铁移动靠近铁芯时，铁芯上的线圈电感量（①增加②减小③不变）6、仪表的精度等级是用仪表的（① 相对误差 ② 绝对误差 ③ 引用误差）来表示的7、电容传感器的输入被测量与输出被测量间的关系，除（① 变面积型 ② 变极距型 ③ 变介电常数型）外是线性的。
8、变面积式自感传感器，当衔铁移动使磁路中空气缝隙的面积增大时，铁心上线圈的电感量（①增大，②减小，③不变）。
9、在平行极板电容传感器的输入被测量与输出电容值之间的关系中，（①变面积型，②变极距型，③变介电常数型）是线性的关系。
10、在变压器式传感器中，原方和副方互感M 的大小与原方线圈的匝数成（①正比，②反比，③不成比例），与副方线圈的匝数成（①正比，②反比，③不成比例），与回路中磁阻成（①正比，②反比，③不成比例）。
11、传感器是能感受规定的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，传感器通常由直接响应于被测量的敏感元件 和产生可用信号输出的转换元件以及相应的信号调节转换电路组成。
12、在变压器式传感器中，原方和副方互感M 的大小与 绕组匝数 成正比，与 穿过线圈的磁通_成正比，与磁回路中 磁阻成反比。
传感器与检测技术第一章(共41张PPT)
1.2 检测系统的组成
信号调理模块实物图
单通道信号调理电路
1.2 检测系统的组成
3. 数据采集 基于ARM9核的嵌入式控制器
转换速度 单位次/秒； 检测是指在生产、科研、试验及服务等各个领域，为及时获得被测、被控对象的有关信息而实时或非实时地对一些参量进行定性检查和定量测
量信。噪比高，抗干扰性数能要据好。 采集是对信号调理后的连续模拟信号离散 化并转换成与模拟信号电压幅度相对应的数值信息， 状态量 颜色、透明度、磨损量、裂纹、缺陷、泄漏、表面质量等。
检测仪表和检测系统的输出信号通常有4～20 mA的电流模拟信号和脉宽调制PWM信号及串行数字通信信号等多种形式，需根据系统的具体要
求确定。
基于ARM9核的嵌入式控制器
1 传感器与检测技术的地位与作用
检测是指在生产、科研、试验及服务等各个领域，为及时获得被测、被控对象的有关信息而实时或非实时地对一些参量进行定性检查和定量测
应用领域主要有： ➢石化行业的自动 化控制。 如右图，有液位、 温度、压力等检测。
1.1 传感器与检测技术的地位与作用
➢城市生活污水处理
主要有流量 检测、液位检 测和成分量检 测。
1.1 传感器与检测技术的地位与作用
➢新型武器和装备的研制与测试
定位与导航，图为中国研制的DF-21和雷达。
1.1 传感器与检测技术的地位与作用
7.输入设备 输入设备用于输入设置参数，下达有关命
令等。最常用的输入设备是各种键盘、拨码盘、 条码阅读器等。通过网络或各种通信总线利用 其他计算机或数字化智能终端，实现远程信息 和数据输入的方式将会得到更多的应用。
1.2 检测系统的组成
键盘
触摸屏
1.2 检测系统的组成
传感器与检测技术(完整)ppt课件
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电子与信息工程学院控制科学与工程系
3）热敏电阻补偿
➢霍尔元件一般具有正温度系数，即输出随温度升高而下降， 若能使控制电流随温度升高而上升。
➢输入回路串热敏电阻（当温度上升时其阻值下降，使 控制电流上升。） ➢输出回路补偿负载上得到的霍尔电势随温度上升而下 降被热敏电阻阻值减小所补偿。 ➢在使用时，热敏电阻或电阻丝最好和霍尔元件封在一起或 靠近，使它们温度变化一致。
f=npN =n⇒ pn= tN /pt
线性霍尔
n 60 f 22
NS
磁铁
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霍尔转速表原理
当齿对准霍尔元件时，磁力线集中穿 过霍尔元件，可产生较大的霍尔电动势， 放大、整形后输出高电平；反之，当齿轮 的空挡对准霍尔元件时，输出为低电平。
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（2）不等位电势补偿
当霍尔元件B=0，I≠0，UH=U0≠0。 这时测得的空载霍尔电势称不等位电势。 产生这一现象的原因有:
① 霍尔电极安装位置不对称或不在同一等电位面上； ② 半导体材料不均匀造成了电阻率不均匀或是几何尺寸不 均匀；
两电极电不在同一等电位面上
同济大学电子与信息工程学院控制科学与工程系
传感器与检测技术
主讲教师：苏永清
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1
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物理现象观察
霍尔效应
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(完整版)传感器与检测技术实验报告
传感器与检测技术实验报告学院专业班级学号姓名实验目录实验一金属箔式应变片单臂、半桥、全桥性能比较实验 (3)实验二电容式传感器的位移实验 (8)实验三直流激励时霍尔式传感器位移特性实验 (9)实验四磁电式转速传感器测速实验 (11)实验五压电式传感器测振动实验 (12)实验六计算修正法热电偶测温电路 (13)实验一金属箔式应变片单臂、半桥、全桥性能比较实验一、实验目的：了解金属箔式应变片的应变效应，单臂、半桥、全桥工作原理和性能比较。
二、基本原理：电阻丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻值发生变化，这就是电阻应变效应，描述电阻应变效应的关系式为：ΔR／R＝Kε式中：ΔR／R为电阻丝电阻相对变化，K为应变灵敏系数,ε=ΔL/L为电阻丝长度相对变化。
金属箔式应变片就是通过光刻、腐蚀等工艺制成的应变敏感元件，通过它转换被测部位受力状态变化。
电桥的作用完成电阻到电压的比例变化，电桥的输出电压反映了相应的受力状态。
对单臂电桥输出电压 Uo1= EKε/4；对于半桥不同受力方向的两只应变片接入电桥作为邻边，电桥输出灵敏度提高，非线性得到改善。
当应变片阻值和应变量相同时，其桥路输出电压UO2＝EKε／2；对于全桥测量电路中，将受力方向相同的两应变片接入电桥对边，相反的应变片接入电桥邻边。
当应变片初始阻值：R1＝R2＝R3＝R4，其变化值ΔR1＝ΔR2＝ΔR3＝ΔR4时，其桥路输出电压U03＝KEε。
其输出灵敏度比半桥又提高了一倍，非线性误差和温度误差均得到改善。
应变片电桥性能试验原理图如下图所示：三、需用器件与单元：主机箱(±4V、±15V、电压表)、应变式传感器实验模板、托盘、砝码、4位数显万用表（自备）。
图1 应变片单臂电桥性能实验安装、接线示意图四、实验步骤：单臂：应变传感器实验模板说明：实验模板中的R1、R2、R3、R4为应变片，没有文字标记的5个电阻符号下面是空的，其中4个组成电桥模型是为实验者组成电桥方便而设，图中的粗黑曲线表示连接线。
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i 1
i 1
为最小。由于偏差的平方均为正值，故若偏差的平方和为最小，即意味
着拟合直线与整个实验数据的偏离程度最小。
按最小二乘法确定待定系数，就是要求出能使Q取最小的a与b值。为
此，将Q分别对a和b求偏导数，并令其等于零，得
Q
a
2
n i 1
( yi
a
bxi )
0
Q
b
2
n i 1
( yi
a
bxi )xi
随机误差是指在相同的条件下，多次重复测量同一个量时，
误 差
随机误差
其绝对值和符号变化无常，但随着测量次数的增加又符合统计规
律的误差。这类误差的特点是随机分布的，并且是不可避免的，
只有用统计的方法找出它的规律，才能使之控制在最小。
过失误差
过失误差是一种明显歪曲实验结果的误差。主要是由于操作不 当、疏忽大意、环境条件突然变化所造成的。含有过失误差的数据 称为异常数据，在误差分析时应将其剔除。
对于被测量不随时间变化或变化甚缓的静态测量中，上述术语和误 差计算、表达方法都很明确。但对于动态测量，误差的度量就比较复杂。 如果输入是由多个频率组成，则实际系统总会导致一定的输出失真，如 何度量失真，如何定量表示失真的大小，则是一个复杂的问题。
对于时不变线性系统，由于频率保持性，系统输入单一频率的正弦 信号，其稳态输出也只能有该单一频率，无所谓失真问题，任何畸变都 是系统偏离理想线性系统的结果。但即使系统是理想线性的，由于系统 的频率特性，对具有多种频率成分的输入波形，仍会引起输出波形畸变。
4．重复性
重复性表示输入量按同一 方向变化时，在全量程范围内 重复进行测量时所得到各特性 曲线的重复程度，如图所示。 一般采用输出最大不重复误差 Δ与满量程输出值A的百分比 来表示重复性，即
(完整版)传感器与检测技术教案
(完整版)传感器与检测技术教案
课时授课计划
科目传感器与检测技术授课时数共页
课题：绪论
授课目的: 通过本节课的学习使学生了解传感器概念,组成,分类以及今后的发展趋势
授课重点：传感器的概念和组成
授课难点：对传感器概念的理解
教学类型：讲授教具与挂图：
复习提问：
引入新课：如果将人的大脑比作CPU,那么感觉器官便是敏感元件,大脑是转换元件，那么四肢根据大脑转换的信息去处理事件,就是一个完整的传感器的模型了。
今天我们来学习一个新的设备传感器。
讲授新课(附后）：
本课小结：通过本节课的学习，学生初步了解传感器的一般概念和组成.
作业布置：
改进措施：。
传感器与检测技术第3版谢志萍06
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传感器与检测技术
传感器与检测技术
6.1 电桥电路
例6.1 采用阻值350、灵敏度系数K=2.0的金属电阻应变片和阻值为 350的固定电阻组成电桥供桥电压为8V，并假定负载电阻无穷大。当 应变片上的应变为1000μ时，试求单臂工作电桥、双臂工作电桥及全桥 工作时的输出电压。
解：单臂工作电桥的输出电压为：UO
U 4
K
6.2 信号的放大与隔离
（2）护卫（Guard）端的连接。 当测量放大器通过电缆与信号源连接时，电缆的屏蔽层应连接测量放大器 的护卫端。如果电缆的屏蔽层不接护卫端而接地，如图
传感器与检测技术
6.2 信号的放大与隔离
（3）R端、S端的连接。测量放大器通常设有R端和S端，如图
传感器与检测技术
6.2 信号的放大与隔离
U24
R2 R2 R3
6.2
传感器与检测技术
6.2 信号的放大与隔离
2．电流转换为电压（I/V转换器） 当变送器的输出信号为电流信号时，要转化成电压信号，需经I/V转换。最 简单的I/V转换可以利用一个500的精密电阻，将0～10mA的电流信号转 换为0～5V的电压信号。
传感器与检测技术
6.2 信号的放大与隔离
传感器与检测技术
6.2 信号的放大与隔离
6.2.4 隔离放大器 在自动检测系统中，人们希望在输入通道中把工业现场传感器输出的模 拟信号与检测系统的后续电路隔离开来，即无电的联系，这样可以避免 工业现场送出的模拟信号带来的共模电压及各种干扰对系统的影响。解 决模拟信号的隔离问题要比解决数字信号的隔离问题困难得多。目前， 对于模拟信号的隔离广泛采用隔离放大器。
(完整版)《传感器与检测技术》习题答案--周杏鹏
传感器与检测技术习题答案第一章1.1答：随着我国工业化、信息化步伐加快，现代化建设中的各行各业高效生产对传感器也检测技术的依赖逐步加深。
比如：先进的传感器技术助力现代化石油钻井平台建设。
为了能够可靠地采集钻井平台钴机塔架上运动部件的终点位置，使用了感应式传感器。
在整个新型钻井中共使用了60个这样的感应式传感器，方形的接近开关对钢质目标的感应距离增大到20mm, 满足了近海海上勘探工作环境极为恶劣的所有要求。
1.2答：自动检测系统组成框图如下：对于传感器，一般要求是：①准确性：输出信号必须反映其输入量，即被测量的变化。
因此，传感器的输出与输入关系必须是严格的单值函数关系，最好是线性关系。
②稳定性：传感器的输入、输出的单值函数关系最好不随时间和温度二变化，受外界其他因素的干扰影响亦很小，重复性要好。
③灵敏度：即被测参量较小的变化就可使传感器获得较大的输出信号。
④其他：如耐腐蚀性、功耗、输出信号形式、体积、售价等。
1.3答：功能：信号调理：在检测系统中的作用是对传感器输出的微弱信号进行检波、转换、滤波、放大等，以方便检测系统后续处理或显示。
信号处理：信号处理时自动检测仪表，检测系统进行数据处理和各种控制的中枢环节，其作用和人类的大脑相类似。
区别：被测对象传感器 信号调理数据采集 信号处理 输入设备 信号存储 信号输出 信号显示 稳压电源信号调理作用是把信号规格化，滤除干扰，信号处理则是提取信号中的信息，并对这些信息按照功能要求进行处理。
可以说，信号调理是进行信号处理的基础。
组成：信号调理：信号放大、信号滤波、A/D转换信号处理：主要是各种信号的嵌入式微控制器、专用高速数据处理器（DSP）等1.4答：分类见表1-1(P8)1.5答：按照被测参量分类，可以分成测量：电工量、热工量、机械量、物性和成分量、光学量、状态量等。
1.6答：1.不断拓展测量范围，提高管检测精度和可靠性2重视非接触式检测技术研究3检测系统智能化第二章2.1答：随机误差：检测仪器或者测量过程中某些未知或无法控制的随机因素（如仪器某些原件器件性能不稳定、外界温度、湿度变化，空中电磁波扰动等）综合作用的结果。
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器 高压、热响应时间快和坚固耐用等许多优点，适用于位置
与 狭小、结构复杂的测量对象，其实物外形如图所示。
检
测
技
术
铠装热电偶
6.1.2 热电偶的材料及结构
任（务3）1.薄1膜热传电感偶 器的认识
用真空蒸镀（或真空溅射）、化学涂层等工艺，将热电
传 极材料沉积在绝缘基板上形成的一层金属薄膜。热电偶测
感 量端既小又薄（厚度可达0.01～0.1μm），因而热惯性小，
项目6 温度测量
任务6.12 热热电电偶阻测测温温度度
传 感 器 与 检 测 技 术
【任知务识1目.1 标传】 感器的认识
传 学习热电偶和热电阻的的工作原理，熟悉常用热电极材料 感 的类型、性能特点。
器 与
【能力目标】
检
学会识别一般温度检测元件和测温仪表，能够使用热电偶 和热电阻，利用手册查阅测温元件的技术参数，解决简单
检
场（T）中，称该点为测量端，也叫工作端或热端；另一 个接点2置于某个恒定温度（T0）的地方，称参考端或自
测 由端、冷端。
技
术
热电偶测温原理图
6.1.1 热电偶的工作原理
任务2热. 电1热.偶1电回势路的传内组感产成生器的的热认电势识由接触电势和温差电势两部
传 感
分组成，下面以导体为例说明热电势的产生。 （1）接触电势 由于不同的金属材料所具有的自由电子密度不同，当两
检 测 技
术 1热电极 2绝缘套管 3保护套管 4接线盒
普通热电偶结构
6.1.2 热电偶的材料及结构
任务1.1 传感器的认识
（2） 铠装热电偶（缆式）。
传 它是将热电极、绝缘材料和金属保护套管组合在一起，经
感
拉伸加工而成。根据测量端的形式不同，可分为碰底型、 不碰底型、露头型、帽型等。铠装热电偶具有能弯曲、耐
测 的温度检测问题。
技
术
任务1.1 传感器的认识
传
感 器
任务6.1 热电偶测温度
与
检
测
技
术
＊任任务务1导.1入 传感器的认识
传
在轧钢过程中，钢坯的轧制温度是关键的工艺参数，钢
感 坯温度控制的好坏，将直接影响产品的质量，加热炉的炉
器
温在950～1200℃之间，它要跟随轧机轧制节奏的变化来随 时调节，所以能否有效地控制加热炉的温度，直接影响钢
术
接触电势
6.1.1 热电偶的工作原理
任务1.1 传感器的认识
2. 热电势的组成
传
（2）温差电势
感
同一导体中的，如果两端温度不同，在两端间会产生电
器
动势，即产生单一导体的温差电动势，这是由于导体内自 由电子在高温端具有较大的动能，因而向低温端扩散的结
与 果。高温端因失去电子而带正电，低温端由于获得电子而
术 纯铂丝等。
6.1.2 热电偶的材料及结构
任务1.1 传感器的认识
传
（1） 普通型热电偶。 该类型的热电偶外形如图所示，主要用于测量气体、蒸
感 汽和液体等介质的温度，热电偶通常由热电极、绝缘管、
器 保护套管和接线盒等几个主要部分组成。它的热电极是一 与 端焊在一起的两根金属丝，两热电极之间用绝缘管绝缘。
金温度的测量。
6.1.3 热电偶的温度补偿
任务从热1.电1效应传的感原理器可的知认，热识电偶产生的热电势与两端温
器
反应快，可用于测量瞬变的表面温度和微小面积上的温度。 薄膜热电偶分为片状、针状等。
与 （4）表面热电偶。
检
表面热电偶是用来测量各种状态的固体表面温度，如测
测 技
量轧辊、金属块、炉壁、橡胶筒和涡轮叶片等表面温度。 （5）浸入式热电偶。 浸入式热电偶主要用来测量液态金属温度，它可直接插
术 入液态金属中，常用于钢水、铁水、铜水、铝水和熔融合
与 3）当热电偶材料均匀时，热电偶的热电势只与两个接点
检 温度有关，而与中间温度无关，与热电偶的材料有关，而 测 与热电偶的尺寸、形状无关。
技
术
6.1.2 热电偶的材料及结构
任务1. 1热.1电偶的传材感料器的认识
传
根据金属的热电效应原理，任意两种不同材料的导体都 可以作为热电极组成热电偶，但是在实际应用中，用作热
器 种不同的金属导体接触时，在接触面上就会发生电子扩散
与 检
。电子的扩散速率与两导体的电子密度有关并和接触区的 温度成正比。设导体A和B的自由电子密度为NA和NB，且 有NA > NB，电子扩散的结果使导体A失去电子而带正电，
测 导体B则因获得电子而带负电，在接触面形成电场。这个电
技
场阻碍了电子继续扩散，达到动态平衡时，在接触区形成 一个稳定的电位差，即接触电动势，如图所示。
检 带负电，在高低温端之间形成一个电位差。温差电动势的 测 大小与导体的性质和两端的温差有关。
技
术
6.1.1 热电偶的工作原理
任务1.1 传感器的认识
结论：
传 1）热电偶的两个热电极必须是两种不同材料的均质导体，
感 否则热电偶回路的总电势零。
器
2）热电偶两接点温度必须不等，否则，热电偶回路总热 电势也为零。
任务1. 1热.1电效传应 感器的认识
当有两种不同的导体或半导体A和B组成一个回路，
传 其两端相互连接时，只要两结点处的温度不同，回路中
感
将产生一个电动势，形成电流，这种现象称为“热电效 应”。如图所示，两种导体所组成的闭合回路称为热电
器 偶，回路中的电势称为热电势；两个导体A和B称为热电
与 极。测量温度时，两个热电极的一个接点1置于被测温度
与 坯的质量和成本，而对温度进行精确地测量是控制的前提。
检 本任务就是针对轧钢工艺钢坯温度的控制，来选择一种温 测 度传感器来进行温度测量。
技
术
[基本知识与技能]
任务1.1 传感器热的电认偶识的认识
传
感
热电偶是工程上常用的一种的温度检测传感器，它是
器 一种自发电式传感器，测量时不需要外加电源，直接将被测
感 电极的材料应具备如下几方面的条件：
器
（1）热电势应足够大；
与
（2）热电性能稳定，热电势与温度有单值关系或简单 的函数关系；
检
Hale Waihona Puke （3）电阻温度系数和电阻率要小；
测
（4）易于复制，工艺性与互换性好，便于制定统一的
技
分度表，材料要有一定的韧性，焊接性能好，以利于制作。 常用的热电偶材料有铂铑、镍铬、镍硅、康铜、镍铜、
与 温度转换成电势输出。热电偶在温度测量中应用具有结构简
检 单、使用方便、测量精度高、测量范围宽等优点。常用的热
测 电偶测量范围为-50～1600℃。如果配用特殊材料，测量范
技 围会更广，某些特殊热电偶最低可测到-270℃（如金铁镍
术 铬），最高可达+2800℃（如钨铼）。
6.1.1 热电偶的工作原理