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1、传感器原理设计与应用考试内容首先课后作业类型题要会做！（斜体字迹部分未给出答案）第一章：传感器概论传感器的定义； 能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置传感器的组成，各组成部分的作用；传感器=敏感元件+转换元件（+信号调节电路）敏感元件：传感器中能直接感受被测量的部分。转换元件：传感器中能将敏感元件输出量转换为适于传输和测量的电信号部分。信号调节与转换电路：能把传感元件输出的电信号转换为便于显示、记录、处理、和控制的有用电信号的电路。常用的电路有电桥、放大器、变阻器、振荡器等。辅助电路通常包括电源等。传感器分类：有源、无源 有源传感器（能量转换型传感器） 能将非电量直接转
2、换成电信号，所以有时被称为“换能器”。如压电式，热电式，磁电式等。有源 无源传感器（能量控制型传感器） 自身无能量转换装置，被测量仅能在传感器中起能量控制作用，必须有辅助电源供给电能。无源式传感器常用电桥和谐振电路等电路来测量。如电阻式，电容式，和电感式等。无源第二章：传感器的一般特性分析传感器的一般特性包括哪两种？各自的含义是什么（什么是静态特性，什么是动态特性）？ 对应的特性指标有哪些？两种特性：静态特性、动态特性静态特性：指在静态信号的作用下，描述传感器的输入、输出之间的一种关系。 静态特性指标：迟滞（对于同一大小的输入信号x，在x连续增大的行程中，对应于某一输出量为yi，在x连续减小的
3、过程中，对应于输出量为yd，yi和yd二者不相等，这种现象称为迟滞现象。迟滞特性能表明传感器在正向输入量增大行程和反向输入量减小行程期间，输入输出特性曲线不重合的程度）、线性度（传感器实际的输出输入关系曲线偏离拟合直线的程度，称为传感器的线性度或非线性误差）、灵敏度（Sn=输出变化量/输入变化量，注意单位）、重复性、分辨力、精度、稳定性、漂移、阈值静态特性的各指标【重点掌握迟滞，线性度（非线性误差），灵敏度】的概念； 动态特性：输入量随时间变化时传感器的响应特性。 动态特性指标：通常从时域和频域两方面采用瞬态响应法和频率响应法来分析传感器的动态特性一阶传感器的阶跃响应特性：包括单位阶跃响应输出
4、；一阶传感器的单位阶跃响应信号为二阶传感器的频率响应特性（幅频特性、相频特性）；其幅频特性、 相频特性分别为时间常数、固有角频率和阻尼比的取值与阶跃响应及频率响应之间的关系，传感器一般的工作范围；静态灵敏度固有角频率阻尼比一阶传感器的时域动态性能指标；时间常数：一阶传感器输出上升到稳态值的63.2%所需的时间，称为时间常数。延迟时间td：传感器输出达到稳态值的50%所需的时间。上升时间tr： 对有振荡的传感器，它是指从零上升到第一次达到稳态值所需的时间。对无振荡的传感器，它是指从稳态值的10%到90%。第三章：电阻应变式传感器金属应变片和半导体应变片是根据什么效应工作的？各自效应的定义？金属应
5、变片：应变效应（在导体产生机械变形时，它的电阻值相应发生变化）半导体应变片：压阻效应（所谓压阻效应，是指半导体材料在某一轴向受外力作用时, 其电阻率发生变化的现象）轴向应变，径向应变和泊松系数的含义以及它们之间的关系；当电阻丝受到拉力F作用时, 将伸长dL, 横截面积相应减小dS, 电阻率将因晶格发生变形等因素而改变d, 故引起电阻值相对变化量为式中dL/L是长度相对变化量, 用轴向应变x表示 。x： dL/L轴向应变dS/S为圆形电阻丝的截面积相对变化量, 即 。y： dr/r 径向应变由材料力学可知, 在弹性范围内, 金属丝受拉力时, 沿轴向伸长, 沿径向缩短, 那么轴向应变x和径向应变y
6、的关系可表示为式中: 电阻丝材料的泊松系数, 负号表示应变方向相反。电阻应变特性：；什么是应变片的灵敏系数（包括哪两方面的内容）？它和电阻丝的灵敏系数有何不同，为什么？通常把金属丝产生单位变形所引起的电阻值相对变化量称为电阻丝的灵敏度系数Ks。其表达式为金属丝受力后主要引起两个方面的变化： 材料几何尺寸变化（1+2）； 材料电阻率的变化（d/）/大量实验证明, 在金属丝拉伸极限内, 电阻的相对变化与应变成正比, 即Ks为常数。故有：Ks1+2金属丝应变效应表示式：当金属丝做成敏感栅后，实验表明应变片同样有它和电阻丝的灵敏系数有何不同，为什么？什么是横向效应？怎样减小横向效应？采用箔式应变片的优
7、点？将直的电阻丝绕成敏感栅后，虽然长度不变，但由于应变状态不同,应变片敏感栅的电阻变化较小，因而其灵敏系数K较电阻丝的灵敏系数Ks小，这种现象称为应变片的横向效应。减小横向效应误差的措施：一般采用箔式应变片。直流电桥的平衡条件：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。应变片传感器的测量电桥（直流电桥）按应变片的工作方式和数量的不同，一般有哪几种类型？1/4桥，半桥和全桥会标出应变片的极性，对于1/4桥，半桥和全桥要知道输出电压表达式，知道各自电压灵敏度；哪几种电桥具有温度补偿作用和非线性补偿作用? 半桥和全桥当桥臂比n为多少时，直流电桥的电压灵敏度最高？N=1第四章：电容式传感
8、器电容式传感器的工作原理与分类（电容的表达式是最基本的）。A极板相对覆盖面积； d极板间距离；r相对介电常数；0真空介电常数； 电容极板间介质的介电常数通常保持其中两个参数不变，而只变其中一个参数，把该参数的变化转换成电容量的变化，通过测量电路转换为电量输出，此即电容式传感器的原理。每种类型各有什么特点？各适用于什么场合（根据输入与输出之间的关系：哪个是线性，哪个是非线性）？变极距( d )型：变极距型电容式传感器只有在d/d0很小时, 才有近似的线性输出。(1)要提高灵敏度，可用减少初始极距d0的办法。(2)非线性随着相对位移d的增加而增加，为保证线性度应限制相对位移(3)起始极距与灵敏度、
9、非线性误差相矛盾，适合测量小位移。(4)在实际应用中，为了提高灵敏度，减小非线性，大都采用差动式电容结构。变面积型( A )型：结论：输出特性呈线性。因而其量程不受线性范围限制，适合测量较大的直线位移和角位移。变面积式电容传感器灵敏度S为常数。变介电常数()型：电容的变化与电介质r2的移动量L呈线性关系。上述原理可用于非导电流散材料的物位测量。变极距型电容式传感器的非线性及灵敏度的表达式？g=7云母的相对介电常数1=1空气的相对介电常数d1空气隙厚度 dg云母片的厚度故灵敏度S可表示为其非线性误差可表示为如何改善单极式变极距型电容式传感器的非线性，提高灵敏度？提高灵敏度，减小非线性，大都采用差
10、动式电容结构。对于变极距型电容式传感器，加入云母片对于灵敏度和非线性误差有什么影响？云母片的插入对灵敏度的影响：云母片击穿电压不小于1000 kV/mm，而空气仅为3 kV/mm。因此有了云母片，极板间起始距离d1可大大减小，可知传感器的灵敏度能大大提高。云母片的插入对非线性误差的影响：设无云母片时极板间距为d0，其非线性误差为d/d0；插入厚度为dg的云母片时，有d0=d1+dg。此时非线性误差为d/(d1+dg/g)，由于g=71故(d1+dg/g)(d1+dg)=d0，则对同样的d，其非线性误差将增加，线性度将变坏。测量电路：双T形电路、电桥电路、运算放大器的工作原理；二极管双T形交流电
11、桥电路原理图。e是高频电源，它提供了幅值为E的对称方波VD1、VD2为特性完全相同的两只二极管固定电阻R1=R2=RC1、C2为传感器的两个差动电容 传感器电桥测量电路运算放大器式电路（完全解决非线性误差）运算放大器的电路原理图。图中Cx为电容式传感器电容；Ui是交流电源电压；Uo是输出信号电压；是虚地点。图4.3.1 运算放大器式电路原理图第五章：电感式传感器变气隙式自感传感器的电感值的表达式；W线圈的匝数； 0空气的磁导率；S0气隙的截面积；气隙的厚度。差动变压器式互感传感器和电涡流传感器的工作原理；变隙式差动变压器工作原理：在A、B两个铁芯上绕有W1a=W1b=W1的两个初级绕组和W2a
12、=W2b=W2两个次级绕组。两个初级绕组的同名端顺向串联， 而两个次级绕组的同名端则反向串联。 电涡流传感器的工作原理：由传感器线圈和被测导体组成线圈导体系统。根据法拉第定律，当传感器线圈通以正弦交变电流I1时，线圈周围空间必然产生正弦交变磁场H1，使置于此磁场中的金属导体中感应电涡流I2，I2又产生新的交变磁场H2。根据楞次定律，H2的作用将反作用于原磁场H1，导致传感器线圈的等效阻抗发生变化。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？ 零点残余误差产生的原因：传感器的两个次级绕组的电气参数与几何尺寸不对称，导致它们产生的感应电动势幅值不等、相位不同，构成了零点残余电压的基波；由
13、于磁性材料磁化曲线的非线性（磁饱和、磁滞），产生了零点残余电压的高次谐波（主要是三次谐波）；励磁电压本身含高次谐波。消除零点残余电压一般可用以下方法：(1)从设计和工艺上尽量保证结构对称性。尽可能保证传感器的几何尺寸、绕组线圈电气参数和磁路的对称；(2)选用合适的测量线路。采用相敏检波电路不仅可以鉴别铁芯移动方向，而且可以消除零点残余电压中的高次谐波成分。差动整流电路和相敏检波电路的作用； 差动整流电路这种电路是把差动变压器的两个次级输出电压分别整流, 然后将整流的电压或电流的差值作为输出。下图给出了几种典型电路形式。 图中(a)、(c)适用于交流负载阻抗,(b)、(d)适用于低负载阻抗, 电
14、阻R0用于调整零点残余电压。差动整流电路（a） 半波电压输出； （b） 半波电流输出相敏检波电路*相敏检波电路如图所示。图中VD1、VD2、VD3、VD4为四个性能相同的二极管，以同一方向串联接成一个闭合回路，形成环形电桥。输入信号u2通过变压器T1加到环形电桥的一个对角线上。参考信号us通过变压器T2加到环形电桥的另一个对角线上。 输出信号uo从变压器T1与T2的中心抽头引出。电涡流式传感器能够测量哪些物理量？电涡流传感器的测量对象材料是什么？物理量：电阻率、磁导率以及几何形状材料：金属导体什么叫电涡流效应?电涡流的形成范围包括哪些内容，其中贯穿深度的定义式一定要知道；电涡流效应：电涡流的径向形成范围电涡流密度既是线圈与导体间距离x的函数，又是沿线圈半径r的函数，即J=J(x,r)。当x一定时，电涡流密度J与半径r的关系曲线如图中所示。图中J0为金属导体表面电涡流密度最大值。Jr为半径r处的金属导体表面电涡流密度。1 电涡流线圈2 等效短路环3 电涡流密度分布图 电涡流密度J与半径r的关系曲线 由图可知： 电涡流径向形成的范围大约在传感器线圈外径ras的0.51.5 倍范围内, 且分布不均匀。 电涡流密度在短路环半径r=0处为零。
