传感器与检测技术

传感器与检测技术第一章：1.传感器的组成：主要由敏感元件和转换元件组成，一般还需要信号调节与转换电路，如：放大器、振荡器、电荷放大器等。2.传感器的分类：按输入量分类:位移传感器、速度传感器、温度传感器、压力传感器等，传感器以被测物理量命名；按工作原理分类:应变式、电容式、电感式、压电式、热电式等，传感器以其工作原理命名；按物理现象分类:结构型传感器，依赖其结构参数变化实现信息转换，特性型传感器，依赖其敏感元件物理特性的变化实现信息转换；按能量关系分类:能量转换型传感器，将被测量的能量转换为输出量的能量；能量控制传感器：由外部供给传感器能量，而由被测量来控制输出的能量；按输出信号分类:模拟式传感器、数字式传感器。3.传感器的静态特性：线性度：非线性误差用相对误差表示；拟合方法：理论拟合，端点拟合，过零旋转拟合，端点平移拟合，最小二乘法迟滞：正输入与反输入曲线的不重合产生迟滞，重复性：同一方向上作全量程连续多次变动所得曲线不一致。灵敏度与灵敏度误差：直线斜率分辨率和阀值：传感器能检测到的最小的输入增量；传感器输入零点附近的分辨率称为阀值；稳定性：零点漂移；温度稳定性：温度漂移；静态误差：多种抗干扰能力4.误差的表示方法：5.绝对误差：绝对误差是指测量结果的测量值与被测量的真实值之间的差值。可表示为Δ＝X-LL--真实值X--测量值相对误差：引用误差：6.误差的性质：系统误差：系统误差是指服从某一规律（如定值、线性、多项式、周期等函数规律）的误差。它包括仪器误差、环境误差、读数误差及由于调整不良、违反操作规程所引起的误差等，系统误差的特征是出现的规律和产生的原因具有可知性。因此，可以设法消除或估计出未能消除的系统误差值。随机误差：服从大多数统计规律的误差，随机误差的特征是出现的规律和产生的原因不具有可知性。6.最大引用误差和允许引用误差7.工业仪表常见精度等级，用精度等级来判断仪表是否合格8.检测技术的测量方法：直接测量、间接测量（函数关系式）、联立测量（联立方程组）%10021maxFSHyH2222SRHL%100L%100Xm9.偏差式测量（压力表，仪表指针的位置决定被测量量）、零位式测量（电位差计，用指零仪表的零位指示检测系统的平衡状态、微差式测量（被测未知量与标准量相比较，取差值）第二章：1.单圈绕线电位器2.线性变位器：电压分辨率，行程分辨率，产生2n-2个阶梯；视在分辨脉冲由主分辨和次分辨脉冲组成。为减小阶梯误差和分辨率，采取的措施：1.增加线圈匝数（即减小导线直径）、2.或增加骨架直径3.电位器的负载特性相对于空载特性的偏差为负载误差。4.负载误差：(1-11+𝑚𝑟(1−𝑟))*100%当电刷处于行程中心位置时，负载误差最大。并且随着负载系数的增大时，即减小负载电阻时，负载误差也随之增大。减小负载误差的方法：采用高输入阻抗放大器；或者限制电位器工作的区间来减少负载误差；或将电位器空载特性设计成某种上凸特性，即设计非线性电位器。5.非线性电位器的空载特性曲线与线性电位器的负载特性曲线是以特性直线为镜像的。6.电位器式电阻传感器：压力传感器、位移传感器、测小位移传感器、加速度传感器7．应变片式电阻传感器：缺点：在大的应变状态下具有较大的非线性；输出信号弱；不适用于高温环境中（1000度以上）；应变片实际测出的只是某一面积上的平均应变。8.金属电阻应变片敏感栅：灵敏度系数K0比较大，电阻温度系数小，电阻率大，机械强度高。9.应变片的主要特性：横向效应、机械滞后、零漂及蠕变、应变特性、疲劳寿命、动态响应特性10.横向效应：为减少横向效应产生的误差，一般是减少r，增大L，采用直角线栅式或箔式应变片，因为箔式应变片的截面积比栅丝大，电阻值小，电阻变化量小。11.机械滞后：产生的原因：粘合剂性能差；过载；过热12.零漂和蠕变：两者同时存在，蠕变值里面包含同一时间的零漂值；产生原因：在粘贴应变片时，本身被压缩或拉伸的力13.应变极限、疲劳寿命;1.应变片的敏感栅或引线断路；应变片输出指示应变的极值l变化10%；应变片输出信号波形上出现穗状尖峰。14.单丝自补偿法：15．双丝自补偿法、电桥补偿法16.应变式测力传感器（圆柱式力传感器、梁式力传感器）、应变式压力传感器（膜片式传感器）、应变式扭矩传感器、应变式加速度传感器第三章1.自感式传感器的计算：气隙型：电感值：灵敏度：灵敏度好)0(),(tstk)1(022rmlANRNL)(202rrLlLlANddLK截面型：电感值：灵敏度：灵敏度低，线性好螺线管型的自感值：灵敏度：2.零点残余电压：产生原因：1.复阻抗不容易达到真正的平衡；2.磁化曲线的非线性产生高次波；3.各种损耗；4.分布电容的影响；5.两个传感器的完全不对称；工频干扰。引起问题：1.零点附近灵敏度下降；2.限制分辨率提高；3.线性度差；4.堵塞有用信号解决方法：设计与工艺上力求磁路与线圈对称；拆线圈法来调整；电路补偿。3.测气体压力传感器：改变空气间隙长度的电感传感器压差传感器（差接电感传感器）4.变压器式传感器的灵敏度：输出电压与衔铁位移之比。灵敏度：1.与二次线圈匝数N2成正比；2.与激励电压幅值成正比；3.在低频时，与频率成正比。低频时高频时：5.桥式电路：可以调零，灵敏度低，不能判断方向，可以用来消除零点残余电压。6.差动变压器式传感器：灵敏度高，输出既可以反映位移大小，又可以反映位移极性的测量信号。原理是把直流信号变成交流信号。7.变压器也有零点残余误差，引起问题：1.零点附近灵敏度下降；2.限制分辨率提高；3.线性度差；4.堵塞有用信号解决方法：1.做到磁路对称、线圈对称；2.差动整流电路，相敏检波电路；3.补偿电路法（加串联电阻，加并联电阻，加并联电容，加反馈绕组，加反馈电容）8.影响涡流效应的因素：相互作用距离x，电阻率p，磁导率，导体厚度，电流频率9.电涡流强度：t为趋肤深度，AKAlNlANRNLLrrm02022rLlNdAdLK02)(2200221aaaellAllNlANLLL2202aeaalAlNdldLdldLK),ω(2ωω2ω1110MRUjMLjRUjUCLMUMLjUjMLjRUjU111102ω2ωω2ωthhejj010.涡流式传感器：1.测量位移，厚度，振动，转速，接近开关（X变）；2.测温度，材质（电阻率变化）；3.应力，硬度（μ变），4.金属探伤（x，ρ，μ综合）偏心振动测量11.涡流式传感器的应用：1.位移测量：偏心、间隙、位置、倾斜、弯曲、变形、移动、振动、圆度、冲击、偏心率、冲程、宽度等等。来自不同应用领域的许多量都可归结为位移或间隙变化。2.振幅及频率的测量3.厚度及间隙测量镀层厚度测量：利用集肤效应，镀层或箔层越薄，电涡流越小。？？？测量前，可先用电涡流测厚仪对标准厚度的镀层和铜箔作出“厚度-输出”电压的标定曲线，以便测量时对照。4.零件计数、尺寸检查、表面粗糙度测量5.介质温度和金属表面温度测量6.介质温度和金属表面温度测量7.电涡流式表面探伤。第四章：磁电式传感器是通过磁电作用将被测量(如振动、位移、转速等)转换成电信号的一种传感器。磁电感应式传感器是利用导体和磁场发生相对运动产生感应电势的；霍尔式传感器为载流半导体在磁场中有电磁效应(霍尔效应)而输出电势。1.霍尔元件的零位误差：不加磁场时，出现的霍尔元件；原因：控制极接触不良或不对称，半导体材料的不均匀性，霍尔元件安装的位置不对称；解决方法：在1，2之间加电阻。2.寄生直流电势：通交流控制电流时，除交流不等位电势外，存在直流电势分量。原因：（a）控制电极与霍尔电极接触不良引起整流效应。（b）霍尔电极焊点大小不一致引起的温差电势。解决办法：（a）改善电极接触性能和元件的散热条件;（b）均匀散热（有效措施）3.温度影响：输入电阻Ri（控制电流两端之间的电阻）输出电阻（霍尔电势两端输出端的电阻）4.霍尔元件传感器输出迭加的联接：直流供电联接方式：控制极相并联；交流供电联接方式：控制极相串联。5.霍尔元件传感器的应用举例：测量工程上大直流电流方法：旁测法，贯串法，绕线法第六章1.正压电效应——某些晶体或多晶陶瓷受到外力作用时，内部就产生极化现象，表面上产生符号相反的电荷的现象；2.石英晶体：Z轴：中心轴，不产生压电效应；X轴：压电效应最为显著；Y轴：在外电场的作用下，机械形最大。2.)1,(,00fftejjthrh000000200000001114141111dddddD4.压电陶瓷是一种经过极化处理的人工多晶铁电体，在极化方向上压力效应最为显著。压电陶瓷的压电常数矩：5.压电陶瓷常数：d31=-78*10^(-12)(C/N)d33=190*10^(-12)(C/N)d15=250*10^(-12)(C/N)6.压电陶瓷的效果比较显著；7.影响压电传感器的主要因数：1.压电材料的特性参数；2.某些压电材料的热释电效应（晶体受热时，晶体两端会产生数量相等而符号相反的电荷）3.环境温度变化会使压电材料的压电常数d、介电常数ξ、电阻率ρ和弹性系数k等机电特性参数发生变化。8.压电材料必须具有以下几点：转换性能（较大的压电常数）、机械性能（机械强度大，具有更宽的线性范围和高的固有振动；电性能：较高的电阻率和大的介电常数；温度和湿度稳定性要好；时间稳定性：压电特性不随时间蜕变。9．电压放大器：其输出电压与输入电压(压电元件的输出电压)成正比；电荷放大器：其输出电压与输入电荷成正比。10.电压放大器：高频响应非常好，要扩大低频响应范围，必须增加R来增加测量会理的时间常数；误差来源：电压灵敏度将随着电缆分布电容及传感器自身电容的变化而变化。11.电荷放大器：具有深度电容负反馈的高增益运算放大器12.高频时，运放K足够大，（Rf可忽略）低频时，（Rf不可忽略）13.压电元件串并联使用并联增加输出电荷，电容变大，时间常数大，适合测量缓慢变化的信号，以及一电荷输出的场合。串联时，增加输出电压，电容小，时间常数小，适合测量高频信号，以及以电压的形式输出的场合。14.压电传感器提高灵敏度的方法：一般用增加压电片数目和采用合理的连接方法也可以提高传感器的灵敏度。第七章1.热电式传感器：利用敏感元件的电磁参数随温度的变化而变化的特性来达到测量目的。2.热电阻测温度：温度升高，电阻率增大，电阻增大特点：精度高，适宜测量低温3.测温热电阻特点：电阻温度系数大，电阻率大，热容量小，具有稳定性的物理和化学性质，电阻和温度的关系最好近似于线性，容易加工，复制性好。。)/(1073.0),/(1031.212141211NCdNCd00000000000003331311515dddddDFCQU04.Pt100和Pt50分别表示温度为0度时其阻值为100欧姆的铂热电阻；温度为0度时其阻值为50欧姆的铂热电阻；5.百度电阻比W（100）W（100）=R100/R0R100水沸点（100度）时的铂电阻的电阻值；R0为水冰点（0度）时的铂电阻的电阻值。6.热电偶：是由两种不同性质的导体或半导体互相绝缘并将一端焊接在一起而成的。7.凡是有电势的回路，必须为非均与导电物质组成，可用来检查热电极材料的均匀性。8.中间导体定律：在热电偶回路中插入多种导体，只要插入导体的两端温度相等.且插入导体是匀质的,则无论插入导体的温度分布如何,都不会影响原来热电偶的热电势的大小。9.热电偶材料：1.具有较大的热电势，并且热电势与温度之间成线性关系；电导率要求高，电阻温度系数小。10.热电偶参考端温度的处理：0度恒温法，热电偶参考端温度为tn时的补正方法、冷端延长法11.热电偶参考端温度为tn时的补正方法：中间温度定律补正法12.