传感器期末复习资料).doc

. 传感器绪论概念：1.传感器的定义：①：能够感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置②：狭义的定义：能把外界非电信息转换成电信号输出的器件2.传感器组成:传感器一般由敏感元件、转换元件、基本转换电路三部分组成第一章概念：1.传感器的一般特性：描述此种变换的输入与输出关系静特性：输入量为常量或变化极慢时（慢变或稳定信号）1) 线性度：传感器的输出与输入关系呈线性，实际上这往往是不可能的假设传感器没有迟滞和蠕变效应,其静态特性可用以下多项式来描述： x——输入量；y——输出量；a0——零点输出；a1——传感器的灵敏度,常用k表示；a2,a3,…,an——非线性项系数 非线性误差（线性度） 定义：输出输入的实际测量曲线与某一选定拟合直线之间的最大偏差，用相对误差γL表示其大小即传感器的正、反行程平均测量曲线与拟合直线之间的最大偏差对满量程（F.S.）输出之比（%）：γL——非线性误差（线性度）；ΔLmax——输出平均值与拟合直线间的最大非线性误差；yF.S.——满量程输出满量程输出用测量上限标称值yH与测量下限标称值yL之差的绝对值表示,即yF.S.=|yH-yL|。

大多数传感器的输出曲线是通过零点的，或者使用“零点调节”使它通过零点某些量程下限不为零的传感器，也可以将量程下限作为零点处理目前常用的拟合方法有：①理论拟合；②过零旋转拟合；③端点连线拟合； ④端点连线平移拟合；⑤最小二乘拟合；⑥最小包容拟合等2) 迟滞：迟滞说明传感器在正（输入量增大）、反（输入量减小）行程期间,输出-输入曲线不重合的程度（信号大小不相等）迟滞产生原因：传感器的机械部分和结构材料方面不可避免的弱点,如轴承摩擦、灰尘积塞、间隙不适当,元件磨蚀、碎裂等迟滞的大小一般由实验确定. 3) 重复性：指传感器在输入按同一方向连续多次变动时所得特性曲线不一致的程度正行程的最大重复性误差为ΔRmax1，反行程的最大重复性误差为ΔRmax2重复性误差取这两个误差之中较大者为ΔRmax，再以满量程yFS输出的百分数表示，即4) 灵敏度与灵敏度误差：传感器输出的变化量Δy与引起该变化量的输入变化量Δx之比即为其静态灵敏度，其表达式为斜率就是其灵敏度，灵敏度k是一常数，与输入量大小无关 灵敏度误差用相对误差表示，即5) 阈值、分辨力 阈值：当一个传感器的输入从零开始极缓慢地增加时,只有在达到了某一最小值后才测得出输出变化,这个最小值就称为传感器的阈值。

分辨率：分辨力是指传感器能检测到的最小的输入增量分辨力用绝对值表示，用与满量程的百分数表示时称为分辨率阈值说明了传感器的最小可测出的输入量分辨力说明了传感器的最小可测出的输入变量 6) 稳定性：指传感器在长时间工作的情况下输出量发生的变化，有时称为长时间工作稳定性或零点漂移漂移量的大小是表征传感器稳定性的重要性能指标传感器的漂移有时会致使整个测量或控制系统处于瘫痪7) 温度稳定性：温度稳定性又称为温度漂移，它是指传感器在外界温度变化时输出量发生的变化8) 抗干扰稳定性：这是指传感器对外界干扰的抵抗能力，例如抗冲击和振动的能力、抗潮湿的能力、抗电磁场干扰的能力等9) 静态测量不确定度（传统上也称为静态误差）：指传感器在其全量程任一点的输出值与其理论值的可能偏离程度静态误差的求取方法：求出标准偏差取2σ或3σ即为静态误差或用相对误差来表示静态误差是一项综合性指标，它包括非线性误差、迟滞误差、重复性误差、灵敏度误差等，动特性：输入量随时间变化极快时（快变信号）1) 时域性能指标：通常在阶跃函数作用下测定传感器动态性能的时域指标阶跃输入对一个传感器来说是最严峻的工作状态2) 频域性能指标：通常在正弦函数作用下测定传感器动态性能的频域指标。

大题：1、什么是传感器的静态特性？它有哪些性能指标？答：输入量为常量或变化很慢情况下，输出与输入两者之间的关系称为传感器的静态特性它的性能指标有：线性度、迟滞、重复性、灵敏度与灵敏度误差、分辨率与阈值、稳定性、温度稳定性、抗干扰稳定性和静态误差（静态测量不确定性或精度）3、某传感器给定相对误差为2%FS，满度值输出为50mV，求可能出现的最大误差δ（以mV 计）当传感器使用在满刻度的1/2 和1/8 时计算可能产生的百分误差并由此说明使用传感器选择适当量程的重要性已知：γ= 2%FS , y mV FS = 50 ；求：δm=？第二章概念：1. 金属的电阻应变效应：金属导体的电阻随着机械变形（伸长或缩短）的大小发生变化的现象称为金属的电阻应变效应2. 电阻应变片的工作原理是基于金属电阻丝的电阻应变效应位移、加速度、力矩、应力、压力、拉力、温度等等3. 转换电路1) 直流电桥：IL=0是电桥平衡：平衡条件2) 不平衡直流电桥的工作原理：当电桥后面接放大器是，放大器的输入阻抗很高，比电桥输出电阻大很多，可以吧电桥输出端看出开路应变片工作时，其电阻变化为△R既n=1时，当电源电压U与电阻相对值一定时，电桥的输出电压与电压灵敏度与各臂阻值得大小无关。

n=1时的电桥，称对称电桥，目前常采用这种电桥形式3) 减小非线性误差１.以下图为一直流应变电桥，其中，E=4V，R1=R2=R3=R4=120Ω，试求：（1）R1为应变片，其余为外接电阻，当R1的增量为ΔR1=1.2Ω时，电桥输出电压为多少？ （2）R1、R2均为应变片，批号相同，感受应变的极性和大小相同，其余为外接电阻，电桥输出电压为多少？ （3）R1、R2均为应变片，批号相同，感受应变的极性相反，且，其余为外接电阻，电桥输出电压为多少？（4）由题（1）~（3）能得出什么主要结论？答：（1）U0=U=××4=0.01(V)=10(mv) (2) U0=0(V)(3) U0=U=20(mV)(4)由（１）～（３）可以看出，双臂电桥比单臂电桥灵敏度提高一倍； 可利用双臂电桥消除温度变化对测量误差的影响已)6、在材料为钢的实心圆柱形试件上，沿轴线和圆周方向各贴一片电阻为120Ω的金属应变片R1 和R2，把这两应变片接入差动电桥（参看图2-9a）若钢的泊松系数μ=0.285，应变片的灵敏系数k=2，电桥电源电压U=2V，当试件受轴向拉伸时，测得应变片R1 的电阻变化值△R =0.48Ω,试求电桥的输出电压U0。

第三章：概念1. 自感式传感器：大题：1. (已)☆以下图为一气体压力传感器结构示意图，试分析其工作原理图中，1—弹簧管，2—衔铁，3、4—铁芯，5、6—线圈，7—调节螺钉解：压力P弹簧管自由端发生移动，带动衔铁上下移动，引起线圈电感值变化，分别把两线圈接入交流电桥的两臂，引起交流电桥输出电压变化，则UP2. .1—两片簧片，2—质量块测量时，质量块的位移与被测加速度成正比，把对加速度的测量转变为对位移测量既当质量块2以△X振动时，引起线圈电感值变化，产生电流，导致变压器输出的也按相同规例变化，通过这个变化就可以测加速度3. 何谓电感式传感器？它是基于什么原理进行检测的？答：电感式传感器是利用电磁感应原理将被测量转换成线圈自感量或互感量的变换，再由测量电路转换为电压或电流的变化量输出的一种装置它是基于电磁感应原理进行检测的第4章概念：1. 根据其改变参数不同，可将电容式传感器分为下三种：改变极板间距离(δ)的变极距型传感器改变极板遮盖面积（ A）的变面积型传感器改变电介质介电常数（ε）的变介电常数型传感器2. 运算放大器式测量电路运算放大器的放大倍数K非常大, 而且输入阻抗Zi很高运算放大器的这一特点可以使其作为电容式传感器的比较理想的测量电路。

由运算放大器工作原理可得式中：Cx为电容式传感器 是输出信号电压 U是交流电源电压 C 为固定电容如果传感器是一只平板电容,则Cx=εS/δ, 代入上式, 有式中“-”号表示输出电压U0 的相位与电源电压反相此式说明运算放大器的输出电压与极板间距离呈线性关系运算放大器电路解决了单个变极板间变极距式电容传感器的非线性问题但要求Zi与K足够大为保证仪器精度, 还要求电源电压的幅值和固定电容C值稳定3. (已)4. (已)减少和消除寄生电容的影响：（1）增加传感器原始电容值 （2）注意传感器的接地和屏蔽 （3）集成化 （4）采用“驱动电缆”技术 （6）整体屏蔽大题：1. 以下图为电容式差压传感器结构示意图和转换电路图，试分析其工作原理答：当两边压力P1，P2相等时，金属膜片处在中间位置与左、右固定电极间距相等即Cab=Cbd，u0=0当P1>P2（或P2>P1）时，膜片弯向P2（或P1）边，CabCdb），u0输出与成正比信号2. （10分）如下图，简述此电路为什么能够改善变间隙式电容传感器的非线性？图中，，ε为传感器极间间隙介质的介电常数，s为传感器极板耦合的面积，d为两极板间的距离，C为标准电容。

答:Zx=Cx=U0=-Ui=-Ui=-Ui在Ui,,ε,s,C不变的情况下，Uo∝d3. 如何改善单组式变极距型电容传感器的非线性？答：方案1：采用差动形式电容传感器，有效地改善了传感器的线性度，而且灵敏度也提高1倍方案2：采用运算放大器电路为标准电容；可见，与成正比所以，使用此测量电路能够改善变间隙式电容传感器非线性4. 九、以下图为变极距型平板电容电容传感器的一种测量电路，其中CX为传感器电容，C为固定电容，假设运放增益A=∞，输入阻抗Z=∞；试推导输出电压U0与极板间距的关系，并分析其工作特点5. (已)单组式变面积型平板形线位移电容传感器，两极板相对覆盖部分的宽度为4mm，两极板的间隙为0.5mm，极板间介质为空气，试求其静态灵敏度？若两极板相对移动2mm，求其电容变化量答案为0.07pF/mm,0.142pF）（运算放大器结合）已知：b=4mm，δ=0.5mm，ε0=8.85×10－12F/m求：（1）k=?；(2)若△a=2mm 时△C=?第五章概念：1. (已)霍尔效应：一块长为l、宽为b、厚为d的半导体薄片置于磁感应强度为B的磁场(磁场方向垂直于薄片)中当有电流I流过时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势UH （霍尔电势或称霍尔电压）。

这种现象称为霍尔效应霍尔式传感器是由霍尔元件所组成霍尔系数，与材料有关它由载流材料的物理性质决定霍尔灵敏度表示单位磁感应强度和单位控制电流时的霍尔电势的大小一般要求它越大越好1）对于金属而言，n很大，所以RH很小，而半导体尤其是N型半导体霍尔常数RH则较大，所以在实际应用中，一般都采用N型半导体材料做霍尔元件2）kH与元件材料的性质和几何尺寸有关元件的厚度d对灵敏度的影响也很大，元件越薄，灵敏度就越高如采用薄膜技术的薄膜霍尔元件　（3）UH标量 规定正方向 可正可负当控制电流的方向或磁场的方向改变时，输出电势的方向也将改变但当磁场与电流同时改变方向时，霍尔电势极性不变当磁感应强度B和元件平面法线成一角度θ时，作用在元件上的有效磁场是其法线方向的分量，这时，UH=KHIBc。