传感器复习知识点.docx

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1、总 复 习第 1 章 传感与检测技术的理论根底 测量的概念:测量是以确定被测量的值或猎取测量结果为目的的一系列操作。测量也就是将被测量与同种性质的标准量进展比较， 确定被测量对标准量的倍数。x = nu测量结果完整表述包括估量值，测量单位及测量不确定度关于误差:分为系统误差、随机误差和粗大误差。随机误差的数字特征(1) 算术平均值 x对被测量进展等精度的 n 次测量，得 n 个测量值 x1, x2,xn，它们的算术平均值为x = 1 (x + x+L+ x) = 1 nxn12nni i=11n -1nx - x2ii =1s=ss0.5s1s1.52 标准偏差(又称均方根误差):刻划总体的分

2、散程度， 值愈大，曲线愈平坦，即随机变量的分散性愈大；反之，愈小，曲线愈锋利集中，随机变量的分散性愈小。y不同 的正态分布曲线粗大误差o3准则x) = 1 nx = 120.404对于正态分布的随机误差，落在3 以外的概率只有 0.27%，它在有限次测量中发生的可能性很小。3 准则就是假设一组测量数据中某个测量值的剩余误差确实定值|vi|3 时，则该测量值为可疑值坏值，应剔除。例题：P27x = 1 (x + x+L+ xn12nni i=11n -1nx - x2ii=1s= 0.0327sx + 3ssx - 3ss= 120.404 + 3* 0.0327 = 120.5021= 120

3、.404 - 3* 0.0327 = 120.3059思考 其测量结果应当是多少包括真值的最正确估量值 ，测量单位及不确定度1x + 3ss第 2 章 传 感 器 概 述传感器的静态特性传感器的静态特性可以用一组性能指标来描述，如灵敏度、 迟滞、线性度、重复性和漂移等。y=a0+a1x+a2x2+ anxn灵敏度灵敏度是传感器静态特性的一个重要指标。其定义是输出量增量 y 与引起输出量增量Dy实际特性曲线抱负特性曲线 y 的相应输入量增量 x 之比。用 S 表示灵敏度，即 S = Dx灵敏度 S 值越大， 表示传感器越灵敏。y线性度YFS传感器的线性度是指传感器的输出与输入之间数量关系的线性程

4、度。DLg= max 100%LYFSox迟滞DHmax传感器在输入量由小到大正行程及输入量由大到小反行程变化期间其输入输出特性曲线不重合的现象称为迟滞。也就是说，对于同一大小的输入信号，传感器的正反行 程输出信号大小不相等，这个差值称为迟滞差值。 传感器在全量程范围内最大的迟滞差值 Hmax 与满量程输出值 YFS 之比称为迟滞误差，用H 表示，即yDHFSg=max 100%2-4YHYFS4. 重复性oxRm ax2Rm ax1重复性是指传感器在输入量按同一方向作全量程连续屡次变化时，所得特性曲线不全都的程度yYFS传感器的动态特性x(t)ox重复性ad 2 y(t) + ady(t)

5、+ ay(t) = bx(t)2dt 21dt001时间常数越小， 频率响应特性越好20t2ty(t)x(t)y(t)569.9.00528398.000.03t4t5tt一阶传感器的频率响应t dy(t) + y(t) = kx(t) dt一阶传感器单位阶跃响应H (s) =Y (s) =1X (s)ts +1dy(t)Y (s)1y(t)0.7x00.10.30.5122一阶系统t+ y(t) = kx(t)H (s) =dtX (s) = ts +111+ (wt )2幅频特性:A(w) =10w tn相频特性：F(w) = - arctan(wt)二阶传感器单位阶跃响应传感器的频率响应

6、特性好坏主要取决于传感器的固有频率 n 和阻尼比 。 当 取0.60.7， n 时，A 1， 很小， 此时，传感器的输出 y(t)再现了输入x(t)的波形，通常固有频率 n 至少应为被测信号频率 的35倍， 即 n35 。为了减小动态误差和扩大频率响应范围，一般是提高传感器固有频率 n 在固有频率 n 四周会引起共振,故要避开.第3章应变式传感器电阻应变片的工作原理是基于应变效应，即导体或半导体材料在外界力的作用下产生气械变形时，其电阻值相应发生变化， 这种现象称为“应变效应”。当电阻丝受到拉力 F 作用时， 将伸长 l，横截面积相应减小 A，电阻率因材料晶格发生变形等因素影响而转变了d ，从

7、而引起电阻值相对变化量为R = r ldR =dl - dA + dr3-2ARlAr式中：dl/l长度相对变化量，用应变 表示为e = dl3-3ldR = (1+ 2m + pE)eR对于金属应变片dR = (1+ 2m)e 为电阻丝材料的泊松R对于半导体应变片dR = pEe 材料的压阻系数;E材料的弹性模量;R2. 电阻应变片的温度补偿方法线路补偿法FR1FRBR1RBUoRR34U3R 工作应变片R； 补偿应变片1B(a )(b )电桥输出电压 Uo 与桥臂参数的关系为：Uo=A(R1R4-RBR3)应当指出，假设要实现完全补偿，上述分析过程必需满足以下4 个条件： 在应变片工作过程

8、中，保证 R3=R4。 R1 和 RB 两个应变片应具有一样的电阻温度系数 、线膨胀系数 、应变灵敏度系数 K 和初始电阻值 R0。 粘贴补偿片的补偿块材料和粘贴工作片的被测试件材料必需一样，两者线膨胀系数一样。 两应变片应处于同一温度场。直流电桥平衡条件AIBoRR12CRULoR1R4=R2R3或RR 1 =3RR243RR4DE电桥平衡条件， 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。E DRU=1o4R1K= EU4E DRU=1o2R1差动电桥无非线性误差，而且电桥电压灵敏度KU=E/2，是单臂工作时的两倍，同时还具有温度补偿作用。假设将电桥四臂接入四片应变片，即两个

9、受拉应变，两个受压应变，将两个应变符号一样的接入相对桥臂上，构成全桥差动电路。假设 R1= R2= R3= R4，且 R1=R2=R3=R4，则DR U= E1oR1K= EU4此时全桥差动电路不仅没有非线性误差，而且电压灵敏度为单片工作时的4 倍，同时仍具有温度补偿作用。变磁阻式传感器W 2W 2 m S第 4 章 电感式传感器00L =R2dm1线圈；2铁芯(定铁芯)；3衔铁(动铁芯)l11LS21Wl2dS32 Dd变气隙厚度的传感器和变气隙面积 S0 的传感器.目前使用最广泛的是变气隙厚度式电感传感器测量范围为几个毫米DLL1灵敏度为K0= d0= dD0变间隙式电感传感器的测量范围

10、与灵敏度及线性度相冲突，因此变隙式电感式传感器适用于测量微小位移的场合。 为了减小非线性误差，实际测量中广泛承受差动变隙式电感传感器(灵敏度提高一倍)。差动变压器式传感器当被测体有位移时，与被测体相连的衔铁的位置将发生相应的变化，使 a b，互感MaMb，两次级绕组的互感电势 e2ae2b，输出电压 Uo=e2a-e2b0，即差动变压器有电压输出， 此电压的大小与极性反映被测体位移的大小和方向。4.3.1工作原理4.3电涡流式传感器H&传感器鼓励电流1I&1传感器鼓励线圈(a)H&2I&2被测金属导体5(b)U&1L1f1U&2f1L2图 4-22 电涡流式传感器原理图a 传感器鼓励线圈;b

11、被测金属导体4.3.4涡流式传感器的应用1 低频透射式涡流厚度传感器被测金属板2.高频反射式涡流厚度传感器厚度给定系统厚度不变时 为常数Sx 11带材xdx 2S2检波比较电压加法器指示仪表检波图 4-31高频反射式涡流测厚仪测试系统图第 5 章 电容式传感器5.1 电容式传感器的工作原理和构造由绝缘介质分开的两个平行金属板组成的平板电A容器，假设不考虑边缘效应，其电容量为C = e Sdder电容式传感器可分为变极距型、 变面积型和变介电常数型三种。一般变极板间距离电容式传感器极板间距离在5200m 的范围内。最大位移应小于间距的1/10， 故在微位移测量中应用最广。第 6 章 压电式传感器

12、某些电介质，当沿着肯定方向对其施力而使它变形时，内部就产生极化现象，同时 在它的两个外表上便产生符号相反的电荷， 当外力去掉后，又重恢复到不带电状态。这种现象称压电效应。 当作用力方向转变时，电荷的极性也随之转变。有时人们把这种机械能转换为电能的现象， 称为“正压电效应”。当在电介质极化方向施加电场，这些电介质也会产生几何变形，这种现象称为 “逆压电效应”电致伸缩效应6.1.3压电式传感器压电式传感器的根本原理就是利用压电材料的压电效应这个特性，即当有力作用在压电材料上时，传感器就有电荷或电压输出。CaCa由于外力作用而在压电材料上产生的电荷只有在无泄漏的状况下才能保存，即需要 测量回路具有无

13、限大的输入阻抗，这实际上是不行能的， 因此压电式传感器不能用于静态测量。压电材料在交变力的作用下，电荷可以不断补充，以供给测量回路肯定的电流，故适用于动态测量。压电传感器可以等效为一个与电容相串联的电压源。压电传感器也可以等效为一个电荷源。6uqa(a) )(b )因此前置放大器也有两种形式：电压放大器和电荷放大器。压电元件的等效电路a 电压源; b 电荷源图a是两个压电片的负端粘结在一起，中间插入的金属电极成为压电片的负极，正电极在两边的电极上。从电路上看，这是并联接法， 类似两个电容的并联。所以，外力作用下正负电极上的电荷量增加了 1 倍，电容量也增加了 1 倍，输出电压与单片时一样。图b

14、是两压电片不同极性端粘结在一起， 从电路上看是串联的，两压电片中间粘接处正负电荷中和，上、 下极板的电荷量与单片时一样，总电容量为单片的一半，输出电压增大了 1 倍。 磁电感应式传感器:有源传感器(a) (b)第 7 章 磁电式传感器霍尔式传感器dfdt磁电感应式传感器变磁通式e = -W恒磁通式e =df dtdx= Bt dt= Blv霍尔式传感器霍尔效应置于磁场中的静止载流导体，当它的电流方向与磁场方向不全都时，载流导体上平 行于电流和磁场方向上的两个面之间产生电动势，这种现象称霍尔效应。该电势称霍尔电势。RIBU=H= KIBHdH霍尔常数要求霍尔片材料有较大的电阻率和载流子迁移率。R

15、H= 一般金属材料载流子迁移率很高，但电阻率很小； 而绝缘材料电阻率极高，但载流子迁移率极低 半导体材料才适于制造霍尔片。 应用:7 霍尔式微位移传感器 霍尔式转速传感器 霍尔计数装置第 8 章 光电式传感器光电器件 是将光信号的变化转换为电信号的一种传感器件. 工作原理： 光电效应外光电效应，内光电效应在光线作用下，物体内的电子逸出物体外表对外放射的现象称为外光电效应。基于外光电效应的光电器件有光电管、 光电倍增管等在光线作用下，物体的导电性能发生变化或产生光生电动势的效应称为内光电效应.包括光电导效应和光生伏特效应(光敏电阻,光电池)光敏电阻1. 光敏电阻的构造与工作原理光敏电阻又称光导管

16、，无光照时，光敏电阻值暗电阻很大，电路中电流暗电 流很小。当光敏电阻受到肯定波长范围的光照时，它的阻值亮电阻急剧减小，电路中电流快速增大。8光敏二极管工作原理光敏二极管的构造与一般二极管相像 ,光敏二极管在电路中一般是处于反向工作状态，在没有光照耀时，反向电阻很大，反向电流很小，当光照耀在PN 结上，形成光电流。光的照度越大，光电流越大。因此光敏二极管在不受光照耀时处于截止状态，受光照耀时处 于导通状态。光电耦合器件光电耦合器件是由发光元件(如发光二极管)和光电接收元件合并使用，以光作为媒介传递信号的光电器件。依据其构造和用途不同，它又可分为用于实现电隔离的光电耦合器和用于检测有无物体的光电开

17、关。包层njn022qq jicqi纤芯n1光 纤 传 感 器:全反射原理光纤传感器原理实际上是争论光在调制区内，外界信号温度、压力、应变、位移、振动、电场等与光的相互作用，即争论光被外界参数的调制原理。 外界信号可能引起光的强度、波长、频率、相位、偏振态等光学性质的变化，从而形成不同的调制。9第 10 章 超声波传感器超声波的波型及其传播速度声源在介质中施力方向与波在介质中传播方向的不同，声波的波型也不同。通常有： 纵波：质点振动方向与波的传播方向全都的波，它能在固体、液体和气体介质中传播； 横波：质点振动方向垂直于传播方向的波，它只能在固体介质中传播； 外表波：质点的振动介于横波与纵波之间

18、，沿着介质外表传播，其振幅随深度增加而快速衰减的波，外表波只在固体的外表传播。声波在介质中传播时，能量衰减的程度与声波的集中、散射及吸取等因素有关在流体中设置两个超声波传感器，它们既可以放射超声波又可以接收超声波，一个装在上游，一个装在下游，其距离为L, 。如设顺流方向的传播时间为t1，逆流方向的传播时间为 t2，流体静止时的超声波传播速度为c，流体流淌速度为v，则t =L1c + vt=L2c - v超声波传感1 器超声波传感2 器B1B2L电路管道qW第 13 章 数字式传感器13.1 光栅传感器13.2 编码器13.3 感应同步器光栅测量原理df dfd光栅2光栅1dB Hf df dq

19、W把两块栅距相等的光栅光栅 1、光栅 2面对对叠合在一起，中间留有很小的间隙，并使两者的栅线之间形成一个很小的夹角，这样就可以看到在近于垂直栅线方向上消灭明暗相间的条纹，这些条纹叫莫尔条纹。在d - d 线上，两块光栅的栅线重合，透光面积最大， 形成条纹的亮带， 它是由一系列四棱形图案构成的；在f - f 线上，两块光栅的栅线错开，形成条纹的暗带，它是由一些黑色叉线图案组成的。因此莫尔条纹的形成是由两块光栅的遮光和透光效应形成的。莫尔条纹具有以下三个方面的特点:d光栅 1dfB H(1) 位移的放大作用B=W WffHqs i n2qddfdd光栅 22 莫尔条纹移动方向依据莫尔条纹移动方向就

20、可以对光栅的运动进展辨向。(如何辩向?)(3) 误差的平均效应莫尔条纹由光栅的大量刻线形成，对线纹的刻划误差有平均抵消作用，能在很大程度上消退短周期误差的影响。光栅传感器的组成10光栅传感器作为一个完整的测量装置包括光栅读数头、光栅数显表两大局部。光栅 读数头利用光栅原理把输入量位移量转换成响应的电信号；光栅数显表是实现细分、辨向和显示功能的电子系统。3124BH4BuuuB13W42光栅辨向0W W42WxAu 1u 2AY1Y2u 1AAu 2光电式编码器1、2 光电元件；3、4 光栅；A ( A) 光栅移动方向；B ( ) 与AB( ) 对应的莫尔A 条纹移动方向光电式编码器主要由安装在

21、旋转轴上的编码圆盘码盘、 窄缝以及安装在圆盘两边的光源和光敏元件等组成。码盘由光学玻璃制成，其上刻有很多同心码道， 每位码道上都有按肯定规律排列的透光和不透光局部，即亮区和暗区。2451348C016632C11 光源；2 透镜；3 码盘；4 窄缝；5 光电元件组光电式编码器示意图码盘构造6 位二进制码盘，最内圈码盘一半透光， 一半不透光，最外圈一共分成 26=64 个黑白间隔。每一个角度方位对应于不同的编码。例如零位对应于 000000全黑；第 23 个方位对应于 010111。这样在测量时， 只要依据码盘的起始和终止位置，就可以确定角位移，而与转动的中间过程无关。一个 n 位二进制码盘的最小区分率，即能区分的角度为=36048C60C16/2n， 一个 6 位二进制码盘， 其最小区分的角度5.6 第 15 章 传感器在工程检测中的应用15.1 温度测量15.2 压力测量3215.3 流量测量15.4 物位测量1 膨胀式温度传感器 热电偶传感器 热电阻传感器(铂热电阻 ,铜热电阻 )11