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1、传感器与测试技术第1章 绪论1. 传感器由敏感元件、转换元件和转换电路（信号调理电路）组成。2. 传感器的静态特性有非线性度、灵敏度、迟滞（回程误差）和重复性等。第2章 信号分析与处理1. 按信号能量是否有限，可分为能量信号和功率信号。2. 能量信号的平均功率为零。3. 功率信号的平均功率有限。4. 周期信号中，比较傅里叶级数的两种展开式可知：（1） 复指数函数形式的频谱为双边谱，三角函数形式的频谱为单边谱；（2） |Cn|=An/2；（3） 双边幅频谱为偶函数，双边相频谱为奇函数。5. 非周期信号中，可知：（1） 非周期信号的幅频谱|X（f)|是连续谱，周期信号的幅频谱|Cn|是离散谱；（2
2、） 二者量纲不同，前者是频谱密度函数，后者是信号幅值。6. 关于奇偶虚实性的三个结论:(1) 傅里叶变换不改变奇偶性；(2) 偶函数变换不改变虚实性；(3) 奇函数变换改变虚实性。7. 香农定理：为了避免频率混叠，以便采样后仍能准确地恢复原信号，要求2。其中为采样频率，为最高频率。第3章 测量误差与数据处理1. 引用误差表征仪器仪表测量精度。2. 误差的分类：系统误差、随机误差和粗大误差。3. 算术平均值是反映随机误差的分布中心，而标准差则反映随机误差的分布范围。4. 测量结果的最可信赖值应在残差平方和为最小的条件下求出，这就是最小二乘法原理。5. P58页的表3-1.(1) k=1时，置信概
3、率为0.6826.(2) k=2时，置信概率为0.9544.(3) k=3时，置信概率为0.9973.第4章 测试系统的特性分析1. 测试系统的静态特性（1） 非线性度：标定曲线偏离其拟合直线的程度。其中最常用的方法是最小二乘直线。（2） 灵敏度：测试系统在静态测量时被测量的单位变化量引起的输出变化量。线性测试系统的灵敏度S为常数，静态特性曲线的斜率越大，其灵敏度越高。装置的灵敏度越高，就越容易受外界干扰的影响，即装置的稳定性越差。（3） 迟滞（回程误差或滞后）：反映在测试过程中输入量在正行程与反行程的标定曲线不重合。（4） 重复性：同一个测点，测试系统按同一方向作全量程的多次重复测量时，每一
4、次的输出量都不一样，是随机的。反应了测量值的随机性、分散性。（5） 零漂：零位变化动态。（6） 温漂：输出动态变化。反映了温度稳定性。2. 线性时不变系统有两个重要的性质:叠加性和频率保持性。第5章 电阻应变片式传感器1. 电阻应变片的工作原理是基于金属的应变效应。2. 横向效应：由于横向应变使总电阻相对变化量减少的现象。3. 电阻应变片的主要参数:(1) 灵敏系数(静态灵敏度）：其误差的大小是衡量应变片质量优劣的主要标志。(2) 疲劳寿命：它反映了应变片对于动态应变的适应能力。(3) 绝缘电阻：它是检查应变片的粘贴质量以及粘接层固化程度和是否受潮的标志。(4) 机械滞后是指对已安装的应变片，
5、在温度恒定时，加载和卸载过程中同一载荷下指示应变的最大差值。(5) 零漂是指对已安装的应变片，在温度恒定且试件不受力的条件下，指示应变随时间的变化。(6) 蠕变是指对已安装的应变片，在温度恒定并承受恒定的机械应变时，指示应变随时间的变化。4. 温度效应：由温度变化造成虚假应变的现象称作温度效应。5. 温度补偿的方法有桥路补偿法和应变片自补偿法。6. 直流电路平衡条件和预调平衡条件：R1R4=R2R3.7. 直流电桥时：（1）单臂电桥 =U (2) 双臂电桥 =U (3） 全桥 =U8. 交流电桥的平衡条件=和+=+即：相对臂阻抗模的乘积必须相等，相对臂阻抗角的和必须相等。 交流电桥的预平衡条件
6、R1R4=R2R3和R1C1=R2C2.即电阻预调平衡和电容预调平衡。第6章 电容式传感器1. 电容式传感器可以分为变间隙（极距）式、变面积式和变介电常数式。2. 要提高灵敏度，应减小起始间隙，但过小，容易引起电容器击穿或短路。为此，极板间采用高介电常数的材料（云母、塑料膜等）作介质。3. 电容式传感器做成差动式结构以后，灵敏度提高了一倍，非线性度大大降低了。4. 电容式传感器的信号调理电路包括：电桥电路、调频电路、谐振电路、运算放大器式电路和脉冲宽度调制电路（PWM)。5. 运算放大器式电路的优点是能够将电容式传感器的非线性特性转换为线性关系。前提条件是运算放大器的放大倍数K无穷大、输入阻抗
7、无穷大。6. 差动式脉冲调宽电路的优点是：不论是改变平板电路器的极板面积或是极板距离，电容器变化量与输出量都成线性关系。7. 为减小环境温度对结构尺寸的影响，在制造电容式传感器的时候，一般选用温度系数小、几何尺寸稳定的材料。8. 为了减少边缘效应，应给电容器加等位环。9. 电容式传感器的应用：（1） 变极距d：差动式电容测厚仪 微压/升压电容传感器（2） 变介电常数：液位/物位/限位 电容式接近开关 延时起爆器钻地导弹（3） 变极板面积S：调频收音机第7章 电感式传感器1.变气隙厚度的电感式传感器，采用差动式结构后，灵敏度可以提高一倍，并且非线性误差减小。2.变气隙面积的电感式传感器，在忽略边
8、缘效应的条件下，其电感量L与面积S成线性关系。3.对于单螺管线圈型，当x=0.5l时，传感器灵敏度最高； 对于双螺管线圈型，当x=0.6l时，传感器灵敏度最高。4. 变压器式交流电桥，当传感器的铁芯处于中间位置时，即Z1=Z2=Z，此时有=0，电桥平衡。5. 相敏检波电路的作用：（1） 判断衔铁移动方向；（2）消除零位误差；（3）滤除高频噪声。6. 消除温度漂移的方法：（1） 采用恒流源作激励；（2）提高线圈品质因数；（3）采用差动电桥；（4）合理匹配线膨胀系数。7. 改善非线性特性的方法：（1） 采用差动结构；（2）限制衔铁的最大位移量。8. 螺管式差动变压器次级线圈S1和S2反极性串联。9
9、. 涡流式传感器可分为高频反射式涡流传感器和低频透射式涡流传感器。前者用于测量位移，后者用于测量厚度。10. 涡流式传感器的应用：（1）无损检测（探伤）；（2）安检门第八章 压电式传感器1.压电式传感器的工作原理是基于压电效应。2.压电式传感器通常是利用纵向压电效应来实现的。3.电能机械能； 电能机械能。4. 压电材料的三个特性：（1） 压电常数衡量材料压电效应的强弱：灵敏度。（2） 机电耦合系数机电转换效率。（3） 居里点压电材料开始丧失压电特性的温度，表征材料对温度的稳定性。5. 石英晶体x轴为电轴，y轴为机械轴，z轴为光轴。6. P169 图8-37. 压电陶瓷是人工制造的多晶体压电材料
10、，不具有压电效应；为了使压电陶瓷具有压电效应，必须进行极化处理。8. 压电陶瓷由无数细微的电畴组成。PZT为压电陶瓷的一种。9. 只有在外电路负载为无穷大、内部无漏电时，压电式传感器受力所产生的电荷及其形成的电压U才能长期保存下来。10. 压电元件并联时，输出电荷；串联时，输出电压。11. 前置放大器的两个作用：（1） 把压电式传感器的微弱信号放大；（2)把传感器高阻抗输出变换为低阻抗输出。12. 前置放大器有电压放大器和电荷放大器。13. 电压放大器又称阻抗放大器。它的主要作用是把压电传感器的高阻抗变换为低输出阻抗，并将微弱信号进行适当放大。14. 当作用在压电元件上的力是静态力（w=0)时
11、，则前置放大器的输出电压等于零，电荷就会通过放大器的输入电阻和传感器本身的泄露电阻漏掉。这也就从原理上决定了压电传感器不能测量静态物理量。15. 电压放大器的一个缺点：连接电缆不宜过长，而且也不能随意更换电缆，否则会使传感器实际灵敏度与出厂校正灵敏度不一致，从而导致测量误差。16. 电荷放大器一个突出的优点是，在一定条件下，传感器的灵敏度与电缆长度无关。17. 压电式传感器的应用破甲弹。第14章 温度的测量1. 热电偶的测温原理是基于热电效应。2. T接触点为热端，又称工作端或者测量端；接触点为冷端，又称参考端或者自由端。3. 热电势=接触电势+温差电势。4. 形成热电势的两个必要条件：（1）
12、 两种导体的材料不同；（2） 接点的温度不同。5.热电偶测温基本定律：（1) 均质导体定律 两种均质金属组成的热电偶，其热电势大小只与热电极材料和两端温度有关，与热电极的几何尺寸及热电极长度上的温度分布无关。（2） 中间导体定律 在热电偶回路中插入第3种，第4种.导体，只要插入导体的两端温度相等，且插入导体是均质的，热电偶产生的热电势保持不变。 公式：(,)=(,)+(,)(3) 中间温度定律 在热电偶回路中，两接点温度为,时的热电势，等于该热电偶在接点，的热电势与，的热电势之和。 公式：(,)=(,)+(,) 若=0时，则有 (,0)=(,)+(,0)6.插值公式：=+(-)7.我国把性能符
13、合专业标准或国标并具有统一分度表的热电偶材料称为定型热电偶材料。8.铜热电阻，在温度t时的铜电阻值为：=1+(t-) 在时电阻值； 在初始温度为时的温度系数。分度号为50的热电阻的为50欧；分度号为100的热电阻的为100欧。9.集成温度传感器就是利用pn结的伏安特性与温度之间的关系研制成的一种固态传感器。第十二章 位移的测量1.光栅传感器由光栅读数头和光栅数显表组成。2.光栅数显表是实现细分、辨向和显示功能的电子系统。3.莫尔条纹（亮带与暗带）之间的间距可表示为： =4. 莫尔条纹的主要作用：（1） 放大位移；（2） 消除局部误差；（3） 辨向。5. 为了提高分辨率能够测量比栅距更小的位移，
14、采用细分技术。6. 对莫尔条纹的细分方法有电子细分法、光学细分法和机械细分法。7. 旋转编码器分为脉冲盘式（增量式）和码盘式（绝对式）。8. 增量式编码器需要计数系统和零位基准才能测旋转角度。9. 绝对式编码器的最小分辨角度=360/ 10. 超声波的传播波型主要可分为纵波、横波、表面波等几种。11. 纵波能在三态中传播；横波只能在固体中传播；表面波只能在固体表面传播。12. 由物理学知，当波在界面处产生折射时，入射角的正弦与折射角的正弦之比，等于入射波在第一介质中的波速c1与折射波在第二介质中的波速c2之比，即 13. 超声波传感器常用压电式：（1）发射探头：逆压电效应。（2）接收探头：正压电效应。14. 超声波传感器的应用：（1） 物位/液位传感器；（2） 超声防盗报警器；（3） 无损探伤。15. 超声防盗报警器基于多普勒效应。16. 超声波传感器分为透射型和反射型。17. 直线感应同步器由定尺和滑尺两部分组成。18. 标准型定尺每块长250mm，绕组节距W=2mm。19. 滑尺上有两组绕组：一组叫正弦绕组，简称S绕组；另一组叫余弦绕组，简称C绕组。两线圈绕组在空间位置上相差W/4。20. 根据感应同步器输出信号的处理方式，可分为鉴幅型数字位移测量系统和鉴相型数字位移测量系统。21. 机械位移角=2x/W。 第10章 固态图像传感器
