传感器与测试技术第六章
《传感器与检测技术》高教(4版) 第六章
差动变压器位移计
当铁芯处于中间位置时，输出电压: UU 21 U 220
当铁芯向右移动时，则输出电压: UU 21 U 220
当铁芯向左移动时，则输出电压: UU 21 U 220
输出电压的方向反映了铁芯的运动方向，大小反映了铁 芯的位移大小。
差动变压器位移计
输出特性如图所示。
差动变压器位移计
角度的精密测量。 光栅的基本结构
1、光栅：光栅是在透明的玻璃上刻有大量平行等宽等 距的刻线构成的，结构如图。
设其中透光的缝宽为a，不透光的缝宽为b，
一般情况下，光栅的透光缝宽等于不透光
的缝宽，即a = b。图中d = a + b 称为光
栅栅距（也称光栅节距或称光栅常数）。
光栅位移测试
2、光栅的分类
1、激光的特性
（1）方向性强
（2）单色性好
（3） 亮度高
（4） 相干性好
2、激光器
按激光器的工作物质可分为以下几类： （1）固体激光器：常用的有红宝石激光器、钕玻 璃激光器等。
（2）气体激光器：常用的为氦氖激光器、二氧化 碳激光器、一氧化碳激光器等。
激光式传感器
（3） 液体激光器：液体激光器分为无机液体激光器 和有机液体激光器等。
数小，对铜的热电势应尽可能小，常用材料有： 铜镍合金类、铜锰合金类、镍铬丝等。 2、骨架：
对骨架材料要求形状稳定表面绝缘电阻高， 有较好的散热能力。常用的有陶瓷、酚醛树脂 和工程塑料等。 3、电刷：
电刷与电阻丝材料应配合恰当、接触电势 小，并有一定的接触压力。这能使噪声降低。
电位器传感器
电位计式位移传感器
6.2.2 差动变压器位移计结构
1-测头； 2-轴套； 3-测杆； 4-铁芯；5-线圈架； 6-导线； 7-屏蔽筒；8-圆片弹簧；9-弹簧； 10-防尘罩
《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。
《传感器与测试技术》教学课件 第六章
aanAn
A
22
4A
4A
22
4A4A 4A4A 4A 4 A 2 2222 2
OO 00 3300 50570070
（(a)(aa）)
Cn
Cn
A
A
2
2
2A 2A
2
2A
2
2
A2
A
2 A2 A
2A
2 2 2 22 2
70 7500 5300 30 O0 0 0 O30 0 530 0 7500 70
的两倍，在数据处理中常按此关系将它们相互转化。
复数形式的傅里叶级数除了可用幅频图和相频图表示外，也可以 分别以 的实部和虚部与频率的关系作图表示。
例6-2 求右图所示的周期性三角波的幅频谱。
an
解A ：x(4tA)在一个周期中可表达为
Cxnt A
2
2
A2
因 x(-t)O=xx((tt0))，3（4故A20AAa）x45(tA22T)T02AA是tt74偶A02 函0≤数T2 ＜t，≤t＜bTn20=0 。70
测试系统是通过某种技术手段，从被测对象的运动状态中提取所需的 信息。这个信息从物理的角度讲，是以某种信号的形式反映出来的。
在工程实际中，测试系统的测试过程包括信号的获取、加工、处理、 显示、反响、计算等，因此测试系统对被测参量测试的整个过程都是信
号1的．流电程桥。 的工作原理
1．信号的根本概念
信息本身不具有能量及物质，故信息的传递必须借助于某种中间媒介， 而这个包含有特定信息的媒介即为信号。信号一般表现为声、光、电、磁 等物理量。
bn an
傅里叶级数的三角函数可简化为
x(t) a0 An cos(n0t n ) n 1
传感器与检测技术习题答案(六)
第6章 压电传感器习题答案
1．为什么说压电式传感器只适用于动态测量而不能用于静态测量?
答：因为压电式传感器是将被子测量转换成压电晶体的电荷量，可等效成一定的电容，如被测量为静态时，很难将电荷转换成一定的电压信号输出，故只能用于动态测量。
2．压电式传感器测量电路的作用是什么?其核心是解决什么问题?
答：压电式传感器测量电路的作用是将压电晶体产生的电荷转换为电压信号输出，其核心是要解决微弱信号的转换与放大，得到足够强的输出信号。
3．一压电式传感器的灵敏度K 1＝10pC ／MPa ，连接灵敏度K 2=0.008V ／pC 的电荷放大器，所用的笔式记录仪的灵敏度K 3=25mm ／V ，当压力变化Δp =8MPa 时，记录笔在记录纸上的偏移为多少?
解：记录笔在记录纸上的偏移为
S =10×0.008×25×8=16/mm
4．某加速度计的校准振动台，它能作50Hz 和1g 的振动，今有压电式加速度计出厂时标出灵敏度K ＝100mV ／g ，由于测试要求需加长导线，因此要重新标定加速度计灵敏度，假定所用的阻抗变换器放大倍数为1，电压放大器放大倍数为100，标定时晶体管毫伏表上指示为9.13V ，试画出标定系统的框图，并计算加速度计的电压灵敏度。
解：此加速度计的灵敏度为
3.91100
9130=='K mV/g 标定系统框图如下：。
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）
精选课件ppt
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。
传感器与检测技术教案NO6
传感器与检测技术教案NO6一、教案概述本教案是以传感器与检测技术为主题的教学内容，旨在帮助学生了解传感器的基本概念、分类、原理以及常见的检测技术和应用。
通过理论讲解和实例分析，培养学生对传感器的认知能力和应用能力，为学生今后的学习和工作提供基础。
二、教学目标1. 了解传感器的基本概念、分类和工作原理；2. 掌握常见检测技术的原理和应用；3. 能够应用所学知识解决简单的传感器与检测技术问题；4. 培养学生的实验操作和数据处理能力。
三、教学重点1. 传感器的分类和工作原理；2. 常见检测技术的原理和应用；3. 实验操作和数据处理。
四、教学内容与方法1. 传感器基础知识讲解a. 传感器的定义和作用；b. 传感器的分类和特点；c. 传感器的工作原理和参数。
2. 常见传感器分类与原理a. 接触式传感器和非接触式传感器；b. 模拟传感器和数字传感器；c. 主动传感器和被动传感器；d. 特殊传感器（温度传感器、压力传感器、湿度传感器等）。
3. 常见检测技术原理与应用a. 光电检测技术；b. 电磁感应检测技术；c. 超声波检测技术；d. 激光雷达检测技术；e. 红外线检测技术；f. 微波雷达检测技术。
4. 实验操作和数据处理a. 利用传感器进行温度检测实验；b. 利用传感器进行压力检测实验；c. 利用传感器进行湿度检测实验；d. 实际应用案例分析和讨论。
五、教学步骤与安排1. 引入（5分钟）通过举例引入传感器的作用和应用领域，激发学生的学习兴趣。
2. 传感器基础知识讲解（15分钟）详细讲解传感器的基本概念、分类和工作原理，引导学生理解传感器的本质和功能。
3. 常见传感器分类与原理（30分钟）分别介绍接触式传感器和非接触式传感器的工作原理和应用，让学生了解不同传感器的特点及适用场景。
4. 常见检测技术原理与应用（40分钟）介绍光电检测技术、电磁感应检测技术、超声波检测技术、激光雷达检测技术、红外线检测技术和微波雷达检测技术的原理和应用，加深学生对各种检测技术的理解。
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。
《传感器与检测技术胡向东-第版)》习题解答
传感器与检测技术（胡向东，第2版）习题解答王涛第1章概述1.1 什么是传感器？答：传感器是能够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和装置，通常由敏感元件和转换元件组成。
1.2 传感器的共性是什么？答：传感器的共性就是利用物理定律或物质的物理、化学或生物特性，将非电量（如位移、速度、加速度、力等）输入转换成电量（电压、电流、频率、电荷、电容、电阻等）输出。
1.3 传感器一般由哪几部分组成？答：传感器的基本组成分为敏感元件和转换元件两部分，分别完成检测和转换两个基本功能。
①按传感器的输入量（即被测参数）进行分类按输入量分类的传感器以被测物理量命名，如位移传感器、速度传感器、温度传感器、湿度传感器、压力传感器等。
②按传感器的工作原理进行分类根据传感器的工作原理（物理定律、物理效应、半导体理论、化学原理等），可以分为电阻式传感器、电感式传感器、电容式传感器、压电式传感器、磁敏式传感器、热电式传感器、光电式传感器等。
③按传感器的基本效应进行分类根据传感器敏感元件所蕴含的基本效应，可以将传感器分为物理传感器、化学传感器和生物传感器。
1.6 改善传感器性能的技术途径有哪些？答：①差动技术；②平均技术；③补偿与修正技术；④屏蔽、隔离与干扰抑制；⑤稳定性处理。
第2章传感器的基本特性2.1 什么是传感器的静态特性？描述传感器静态特性的主要指标有哪些？答：传感器的静态特性是它在稳态信号作用下的输入、输出关系。
静态特性所描述的传感器的输入-输出关系中不含时间变量。
衡量传感器静态特性的主要指标是线性度、灵敏度、分辨率、迟滞、重复性和漂移。
2.3 利用压力传感器所得测试数据如下表所示，计算非线性误差、迟滞和重复性误差。
设压力为0MPa时输出为0mV，压力为0.12MPa时输出最大且为16.50mV。
解：①求非线性误差，首先要求实际特性曲线与拟合直线之间的最大误差，拟合直线在输入量变化不大的条件下，可以用切线或割线拟合、过零旋转拟合、端点平移拟合等来近似地代表实际曲线的一段（多数情况下是用最小二乘法来求出拟合直线）。
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VD1
1000 μF
AC220V
AC18V
AC18V
1000 μF 1000 μF
7815
0.1 μF 47 μF
••
•
•
0.1 μF
47 μF
7915
15 V
VD2
• 0V
VD3 15 V
6.3 抗干扰技术
在传感器技术中，把来自测控系统内部的无用信号称为噪声，而把来自 外部的无用信号称为干扰。工程实践中把噪声和干扰总称为“干扰”。
6.1.2 选择传感器的一般步骤
（1）借助于传感器的分类表，根据被测量的性质，找出符合用户需要的 传感器类别，再从典型应用中初步确定几种传感器。 （2）借助于常用传感器的比较表、价格表，按被测量的测量范围、精度 要求、环境要求等情况再次确定传感器的类别。 （3）借助于传感器的产品目录选型样本或传感器手册，查出传感器的规 格型号响越小。 常见的噪声源有：各种放电现象的放电噪声源、电气设备噪声源和 固有噪声源。固有噪声源是由于物理性的无规则波动所造成的，如热噪 声、粒散噪声、接触噪声等。自然界雷电、有触点电器、放电管、工业 用高频设备、电力输电线、机动车、大功率发射装置、超声波设备等都 是常见的噪声源。
6.3.1 电磁干扰
形成电磁干扰要具备三个要素：向外发送干扰的源（噪声源）；传播 电磁干扰的途径（耦合通道）；承受电磁干扰的受体（受扰设备）。
为了使测控系统不受内外电磁干扰，必须采取三方面的措施：消除或 抑制噪声源；切断或破坏噪声源与受扰设备之间的耦合通道；加强受扰设 备抗电磁干扰的能力，降低其对干扰的敏感度。
2．接地技术
接地通常有两种含义：一是连接到系统基准地，二是连接到大地。连 接到系统基准地是指系统各电路通过低阻抗导体与电气设备的金属地板或 金属外壳连接，但并不连接到大地；而连接到大地是指将电气设备的金属 地板或金属外壳通过低阻抗导体与大地连接。
（1）共基准电位接地 测控系统中的基准电位是各电路工作的参考电位，参考电位通常选为
Ri is1 is2
RR
ic
Ⅰ
M
R1
Ⅱ
Ⅲ
R2
R2
（3）屏蔽线与屏蔽电缆 屏蔽线是在单股导线的绝缘层外罩以金属编织网或金属薄膜（屏蔽
层）构成。屏蔽电缆是将几根绝缘导线合成一束再罩以屏蔽层构成。屏 蔽层一般接地，使其信号线不受外部电器干扰的影响。需要注意的是， 屏蔽层接地应严格遵守一点接地的原则，以免产生地线环路而使信号线 中的干扰增加。
c是由电路的公共阻抗造成的
d是由电路间的漏电流造成的
6.3.2 屏蔽、接地、隔离、布线与灭弧技术
在测控系统设计、组装和使用中，主要通过屏蔽、接地、隔离、合理 布线、灭弧、滤波和采用专门电路与器件等措施抑制干扰。
1．电磁屏蔽与双绞线传输
（1）电磁屏蔽 电磁屏蔽就是采用高电导率和高磁导率的材料制成封闭容器，将受扰 电路置于该容器中，从而抑制该容器外的干扰对容器内电路的影响。
电路中直流电源的零电位端。参考电位与大地的连接方式主要有直接接地、 悬浮接地、一点接地等。
直接接地适用于高速、高频和大规模的测控系统。
悬浮接地简称浮地，即系统各电路通过低阻抗导体与电气设备的金属 地板或金属外壳连接，并作为系统各电路的参考电位（零电位）。悬浮接 地的优点是不受大地电流的影响，内部器件也不会因高电压感应而击穿， 但在高压情况下要注意操作安全问题。
2．噪声耦合方式
噪声耦合方式有静电耦合、互感耦合、公共阻抗耦合和漏电流耦合等，
如图所示。
U1
a Cc
U2
Z2
b
d
（a） 静电耦合
a
c
I1
Z1
U2
Z2
b
d
（c） 阻抗耦合
aM c
I1
U2
Z2
b
d
（b） 互感耦合
aR c
U1
U2
Z2
b
d
（d） 漏电流耦合
a是由电路间的寄生电容造成的
b是由电路间的寄生互感造成的
6.2.2 稳压电源
稳压电源主要由变压器、整流电路、滤波电容和稳压电路等构成。变 压器将交流电网220 V变成合适的交流电压；整流电路将交流电压转换成直 流电压；滤波电容起滤波作用；稳压电路得到稳定的基准电压。下图所示 为骨外固定力测量仪的稳压电源。
AC12V
7809
•
6 V
500 Ω
0.1 μF 47 μF
屏蔽的结构形式主要有屏蔽罩、屏蔽栅网、屏蔽铜箔、隔离仓和导电 涂料等。屏蔽材料分电场屏蔽和磁场屏蔽材料两类。电场屏蔽一般采用电 导率较高的铜、铝、银等金属材料，磁场屏蔽一般采用磁导率较高的磁材 料（如铁、钴、镍等）。
（2）双绞线传输 抑制电磁感应干扰应采用双绞线，其中一根作屏蔽线，另一根用作信
号传输线；抑制静电感应采用金属网状编织的屏蔽线，金属网作屏蔽层， 芯线用于传输信号。双绞线对外来磁场干扰引起的感应电流情况如图所示。
第6章 传感器应用技术
6.1 • 传感器的选择 6.2 • 供电电源 6.3 • 抗干扰技术
6.1 传感器的选择
6.1.1 选择传感器时应考虑的因素
（1）与测量条件有关的因素：包括测量的目的、被测量的性质、测量范 围、输入信号的幅值、频带宽度、精度要求、测量所需的时间等。 （2）与传感器性能有关的因素：包括静态性能指标、动态性能指标、模 拟量与数字量、输出量的数量级、负载效应、过载保护与报警等。 （3）与使用环境有关的因素：包括传感器的安装场所、使用环境条件 （温度、湿度、振动、电磁场等）、信号传输距离、现场提供的功率容 量等。 （4）与购买和维护有关的因素：包括性价比、零部件的储存、售后服务 制度、保修时间与交货日期等。
6.2.1 电池
6.2 供电电源
电池有锰干电池、碱性电池、锂电池和镍镉电池等。 锰干电池，价格非常便宜，标称电压为1.5 V，电流容量随大小不同 而异，如SUM3单节电池约为500 mAh。 碱性电池包括碱性锰电池、水银电池和氧化银电池，容量比锰干电 池大，水银电池与氧化银电池在放电过程中其电压变化小，常用于基准 电压源等。 锂电池的标称电压为3 V，能量密度也比锰干电池高5~10倍，自放电 小，可保存10年左右。 镍镉电池一般为可充电电池，能进行500次以上的充放电，容量为50 mAh~10 Ah，标称电压为1.2 V，但市场销售的多为叠层电池，其内阻很 小，放电电压也比锰干电池稳定。