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1、传感器复习题 第一章 1.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或装置。 2.传感器的组成原理：被测量敏感元件转换元 件基本转换电路电量 3.传感器的分类：a.按被测对象分为内部信息传感 器、外部信息传感器。b.按工作原理分为物性型、 结构型。c.按被测物理量分 d.按传器能量源分为有 源型、无源型 e.按输出信号性质分为开关型、模 拟型、数字型 4.传感器的静态指标有:线性度、灵敏度、重复性、 回程误差等 5.动态特性及动态指标传感器或检测系统对随时间快速变化的被测信号 的反应能力称为动态特性。 (1) 动态特性的描述 系统对不同输入信号的响应特性也不相同。一
2、 般的输入信号有时间域确定信号、频率域信号 和随机信号。时间域:常用的时间域信号有阶跃信号和脉 冲信号；相应的系统输出分别称为阶跃响应和脉 冲响应。频率域:频率域的输入信号为振幅不变、频 率按一定规律（对数或线性） ，扫描的正弦信号。 系统在其输入信号的激励下，输出信号与输入信 号在不同频率时，稳态值的振幅比和相位差，即 是系统的频率响应特性。随机信号:以伪随机信号或白噪声作为输入 信号，通过谱分析找出系统输出、输入信号之间 的有关统计特性，如自功率谱、互功率谱、相干 函数等。(2)动态参数 一阶系统的时间常数越小，系统响 应越快，工作频带越宽。 二阶系统的固有角频率 n、阻尼比 为满足不失真
3、测量条件，=0.60.7 最好。在此 条件下，n 越高，不失真测量频段越宽。动态参数由系统本身的结构参数、固有特性 所决定，如弹簧刚度、运动质量、电容、电阻的 性质及大小、液体（气体）的阻尼系数等. (3)动态指标 响应时间 为传感器能否迅速反应信息st 的时域指标。一般表示传感器或检测系统在阶跃 信号激励下，其输出值与稳态值的相对误差在 5%（或2%）范围内所需要的时间。越小，st 传感器的响应越快，动态性能越好。 频率响应范围 在传感器的对数幅频特性 曲线上，相对幅值变化3dB,时对应的频率范围。 频率响应范围越宽，该传感器动态响应特性越好。6.传感器的评价指标与选用原则 a.测量范围及量
4、程； b.灵敏度：K=Y/X；c.灵敏度误差 K/K100%；d.重复性；e.迟滞性；f.稳定性： 温漂、零漂 g.精确度；h.动态特性；i.环境参数； 7.传感器的标定：生产厂家或研究单位在已知传感 器特性的前提下，利用实验的方法测得传感器输 入、输出之间关系的过程。 传感器的校准：传感器在使用前、使用中或搁置 一段时间再使用时必须对其性能参数进行复测或 做必要的调整和修正，以确保传感器的测量精度， 这个复测调整过程称为校准。 8.传感器的标定分为静态标定和动态标定。动态标 定是利用线性工作范围、频率响应函数、幅频特 性、相频特性曲线、阶跃响应曲线确定，方法有 绝对标定法、比较法。 9.传感
5、器与检测技术的发展方向：开发新型传感器 （利用新材料、新的加工技术、新原理） 、微电子 技术的发展和开发、传感技术的智能化、复合传 感器、研究生物器官开发仿生传感器。第二章 1.位移可分为线位移和角位移两种，测量方法有机 械法、光测法、电测法。 电测法是利用各种传感器将位移量变换成电量或 电参数，再经后结测量仪器进一步变换完成对位 移检测的一种方法。 2.参量型位移传感器： （1） 工作原理：将被测物理量转化为电参数 R、L、C。 A 电阻式位移传感器：电位计和应变片 B 电阻应变式位移传感器：将被测位移引起的应 变元件的应变，经后续电路变换成电信号输出， 从而测出被测位移。xRu0 C 电容
6、式位移传感器：利用电容量的变化来测量 线位移或角位移的装置。C=s/。分为变极距 型（）灵敏度高、测量小位移、K=s/02、 变面积型（S）使用方便灵活、C/C0=x/L、 C/C0=Q/、变介质型（）可用于高频、 C/C0=（2-1）hx/1h、用于测介质厚度、液 面高度等 D 电感式位移传感器：将被测物理量位移转化为 自感 L、互感 M 的变化，并通过测量电感量的变 化确定位移量。类型分为：自感式、互感式、涡 流式、压磁式。 自感式电感位移传感器 互感式位移传感器 涡流式位移传感器 E 发电型位移传感器：将被测物理量转化为电源性 参量，如电动势、电荷等。实际上是一种能量转 换型传感器。 a
7、 压电式位移传感器：工作原理是将位移量转化为 力的变化，然后利用压电效应将力的变化转换为 电信号。 b 大位移传感器分为： （a）磁栅式位移传感器（分为长磁头和圆磁栅位 移传感器）：精度较高 （b）光栅式位移传感器（分为测量线位移的长光 栅和测量角位移的圆光栅） 莫尔条纹的间距：BH=W/Q （长光栅） BH=WR/r1+r2 （圆光栅） 莫尔条纹性质：放大效应、一一对应、平均效应 （c）感应同步器：利用电磁感应原理将线位移和 角位移转换成电信号的一种装置。分为直线式和 旋转式。 结构：有一个固定绕组和一个可动绕组，绕组采 用腐蚀方法在印制电路板上制成，固定绕组为定 尺，绕组是连续的；可动绕组
8、是滑尺，绕组是分 段的。 特点：精度较高，对环境要求较低，可测大位移。 感应同步器工作可靠，抗干扰能力强，维护简单， 寿命长。 （d）激光式位移传感器：由激光器、光学元件、 光电转换元件构成的激光测量系统，将被测位移 量转换成电信号。第三章 1.测力传感器：根据转换方式的不同分为参量型和 发电型两种。 （1） 应变式测力传感器 A、原理：将力作用在弹性元件上，弹性元件在力 的作用下产生形变，利用贴在弹性元件上的应变 片将应变转换成电阻的变化，然后利用电桥将电 阻变化转换成电压或电流的变化，再送入测量放 大电路测量，最后利用标定的电压或电流和力之 间的关系，可测出力的大小或经换算得到被测力。 =
9、F/SE B、应变片在弹性元件上典型的布片和接桥方式： 1.柱形；2.环形；3.悬臂梁式；4.两端固定式； C、电阻应变效应 压阻效应：指固体受到应力作用时，其电阻率发 生变化，这种现象称为压阻效应。 半导体应变片的工作原理基于压阻效应。 （1）压电式力传感器：基于压电元件的压电效应 工作。 A、正压电效应：某些晶体沿一定方向受外力作用 而变形时，在相应面产生极性相反的电荷，外力 去掉后又恢复到不带电状态，这种物理现象称为 正压电效应。 逆压电效应：在某些晶体的极化方向施加外电场， 晶体本身将产生机械形变，当外电场撤去后，变 形也随之消失，这种物理现象称为逆压电效应。 B、压电式传感器的等效电
10、路和前置放大器 前置放大器：与压电传感器配套使用的前置放大 器用于放大压电元件输出的微弱信号，并把高阻 抗变换为低阻抗输出。分为电压放大器和电荷放 大器两种形式。电压放大器输出电压与压电元件 的输出电压成正比，灵敏度因电缆线电容的变化 而改变；电荷放大器输出 电压与压电元件的输出电荷成正比，价格高、电 路复杂。 （2）压磁式力传感器： A 压磁效应：在机械力作用下，铁磁材料内部产 生应力或应力变化，使磁导率发生变化，磁阻相 应也发生变化的现象。常用铁磁材料：硅钢片、 坡莫合金 B 工作原理：Fu 产生各向异性u0 2.扭矩传感器：使物体转动的力偶或力矩简称转矩。 相对转角只与轴上所承受的扭矩有
11、关，测量方式 有应变式及相对转角式。 （1）电阻应变式扭矩传感器： 集流环是将转动中轴体上的电信号与固定测量电 路装置相联系的专用部件。四个集流环中的两个 用于接入激励电压，两个用于输出信号。集流环 按工作原理分为：电刷-滑环式、水银式和感应式 等。 （2）压磁式扭矩仪：又称磁弹式扭矩仪，根据磁 弹效应，受扭矩作用的轴的导磁性（磁导率）也 要发生相应变化，从而线圈的感抗变化，通过测 量电路测量感抗的变化确定扭矩。 （3）电容式扭矩测量仪：利用机械结构，将轴受 扭矩作用后的两端两相对转角变化变换成电容器 两极板之间的相对有效面积的变化，引起电容量 的变化来测量扭矩。 优点：灵敏度高，测量时需要集
12、流装置传输信号。（4）光电式扭矩测量仪 （5）钢弦式扭矩传感器：是将扭矩转换成钢弦固 有频率变化进行工作的，可通过测量钢弦振动频 率的方法确定轴所受的扭矩。 3.压力传感器 作用于单位面积上的全部压力称为绝对压力 P 绝， 而把测量仪表所指示的压力称为表压力 P。当绝对 压力高于大气压力 P0时称为正压力，绝对压力低 于大气压力时称为负压或真空度 Pf。 （1）液柱式压力转换原理：液柱式压力计利用液 柱产生的压力与被测介质压力相平衡的原理进行 测压。 （2）活塞式压力转换原理：应用于基准和标定工 作中，此压力计利用力平衡原理制成。 （3）弹性式压力传感器元件：指针式压力计和压 力传感器都是根据
13、弹性变形原理工作的。某种特 定形式的弹性元件在被测流体和气体压力作用下， 将产生与被测压力成一定函数关系的机械变位， 经转换装置转换成指针的偏转，从而直接指示被 测力的大小，此转换装置就是压力传感元件。 常用弹性式压力传感元件有：波登管、膜片、波 纹管。 （5）电量式压力计 A、电容式压力传感器：将压力转换成电容的变化， 经电路变换成电量的输出。特点：灵敏度高、适合测量微压，频响时抗干扰 能力较强。 B、应变式压力传感器：利用应变片将弹性元件在 压力作用下产生的应变转换成电量的变化。 特点：体积小、重量轻、精度高、测量范围宽， 频响高，同时耐压、抗震，因而在实际中得到广 泛应用。 C、压阻式压
14、力传感器：利用压阻效应将压力变换 成电阻的变化实现压力的测量。 特点：频响宽、动态响应快、测量范围从几 Pa 到 3109Pa 特别适用于爆炸、冲击压力的测量。 D、电感式压力传感器：是将压力变化转换成电感 变化，通过测量电路再将电感变化转换成电量实 现压力测量。 特点：频响低，适用于静态或变化缓慢压力的测 试。 E、涡流式压力传感器：属于电感式压力传感器中 的一种，他利用涡流效应将压力变换成线圈阻抗 的变化，再经测量电路转换成电量。 特点：具有良好的动态特性，适用于爆炸等级极 其恶劣的条件下工作，如测量冲击波。 F、霍尔式压力传感器：霍尔元件通过恒定电流时， 产生被测压力成正比的霍尔电动势，
15、完成压力至 电量变换。 特点：由于波登管的频响较低，适用于静态或变 化缓慢压力的测量。 G、压电式压力传感器：是压力通过膜片或活塞， 压片作用在晶片上，晶片上产生了电荷，经后接 放大器的变换，由显示或记录仪器显示或记录实 现对压力的测量。 特点：频响宽、测量压力范围大、体积小、重量 轻、安装方便、可测多向压力等特点，因而在实 际压力测试中得到广泛应用。适用于测量动态力 和冲击力，但不适于测静态力。第四章 1. 速度传感器 （1）发电机：是机电一体化系统中用于测量和自 动调节电机转速的一种传感器。他由带有绕组的 定子和转子构成。根据电磁感应原理，当转子绕 组供给励磁电 压并随被测电动机转动时，定
16、子绕组则产生与转 速成正比的感应电动势。根据励磁电流的种类， 测速发电机可分为直流测速发电机（他励式和永 磁式）和交流测速发电机两类。 A、直流测速发电机 电枢感应电动势 空载时输出电压 有负载时输出电压 *产生误差的原因和改进方法：原因一是有负载时 电枢反映去磁作用的影响，使输出电压不再与转 速成正比，遇到这种情况可以在定子磁极上安装 补偿绕组，或使负载电阻大于规定值；原因二是 电刷接触压降的影响，应采用接触压降较小的铜- 石墨电极或铜电极，并在他与换向器相接触的表 面上镀银；原因三是温度的影响，可在直流测速 发电机的绕组回路上串联一个电阻值较大的附加 电阻，再接到励磁电源上，故可保持励磁电流几 乎不变。 B 交流测速发电机可分：永磁式、感应式、脉冲 式三种。 a 永磁式交流测速发电机实质上是单向永磁转子同 步发电机，定子绕组感应的交变电动势的大小和 频率都随输入信号而变化。 F=pn/60、E=Kn（K=4.44pNKwm） b 感应式测速发电机与脉冲式测速发
