天津大学传感器复习重点

天津大学传感器复习重点-适用于机械工业出版社唐文彦主编版本绪论传感器定义：能够感受规定的测量量，并且按照一定的规律转换成可用输出信号的器件和装置一、静特性指标当输入量为常量，或变化极慢时，输出与输入之间的关系称为静特性二、传感器组成P1敏感元件、转换元件、基本转换电路1、敏感元件：直接感受被测量，输出与被测量成确定关系的某一物理量输出元件。

2、转换元件：敏感元件的输出就是它的输入，他把输入转换成电路参量。

3、基本转换电路电路参数变化量接入基本转换电路，便可以转化成电量输出。

传感器只需要完成被测参数到电量的基本转换，然后输入测控电路即可。

三、稳定性指标及其含义P71、线性度：在采用直线拟合线性化时，输出输入的校正曲线与其拟合曲线之间的最大偏差，称为线性度，通常用相对误差来表示。

2、迟滞：传感器在正反行程中输出输入曲线不重合称为迟滞。

3、重复性：重复性是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。

4、灵敏度与灵敏度误差：（1）灵敏度：传感器输出的变化量与引起该变化量的输入变化量之比称为其静态灵敏度。

（2）灵敏度误差：由于某种原因，引起灵敏度发生变化，产生灵敏度误差。

用相对误差表示。

5、分辨力与阈值：（1）分辨力：分辨力是指传感器能检测到的最小的输入增量。

（2）阀值：传感器输入零点附近的分辨力称为阈值。

6、稳定性：稳定性是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。

7、温度稳定性：温度稳定性又称为温度漂移，是指传感器在外界温度变化下输出量发生的变化。

温度稳定性误差用温度每变化若干度的绝对误差或相对误差表示。

每摄氏度引起的传感器误差又称为温度误差系数。

8、抗干扰稳定性：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、静态误差：是指传感器在其全量程内任一点的输出值与理论值的偏离程度。

第一章电阻式传感器Part one应变式传感器一、工作原理应变式传感器是利用金属的电阻应变效应，将被测物体变形转换成电阻变化的传感器。

1.什么是金属的电阻应变效应？当金属丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻值将发生变化，这种现象称为金属的电阻应变效应。

2.应变片有哪些优点？灵敏度和精度高，性能稳定、可靠电阻率变化公式P22 应变片尺寸小、重量轻、结构简单、使用方便测量范围大适应性强便于多点测量、远距离测量和遥测二、应变片的类型和材料1.电阻应变片有哪几种形式？金属丝式应变片、金属箔式应变片、金属薄膜式应变片2.横向效应：将直的电阻丝绕成敏感柵之后，虽然长度相同，但是应变状态不相同，其灵敏系数降低了，该现象称为横向效应。

非线性P25修正方法：多采用箔式应变片，因为其圆弧部分尺寸较栅丝尺寸大得多，电阻值较小，电阻变化量较小。

（就是使弯曲处电阻值变小即可）三、转换电路应变片将应变的变化转换成电阻的相对变化，△R/R，还要把电阻的变化再转换为电压或者电流的变化，才能用电仪器表进行测量。

通常采用电桥电路实现微小阻值变化的转换。

使用惠斯通电桥(一)直流电桥直流电桥有哪些优点？高稳定度直流电源易于获得；电桥调节平衡电路简单；传感器及测量电路分布参数影响小。

(二)电桥的非线性误差如何减小非线性误差？采用差动电桥（差动电桥是如何改善非线性和进行温度补偿的？答：安装多个应变片、采取4臂差动电桥）采用恒流源电桥四、温度补偿1、什么是温度误差？用应变片测量时，由于环境温度变化而引起电阻变化，由此而产生的测量误差，称为应变片的温度误差。

2、温度误差是由哪些因素引起的？敏感栅电阻随温度的变化引起的误差。

试件材料的线膨胀引起的误差 3、补偿温度误差的方法有哪些？应变片自补偿法、线路补偿法（用电桥电路补偿温度）五、传感器应用电阻应变片有哪些典型应用？测应力、应变、力、拉力、扭矩、位移、加速度等。

(一)应变式力传感器贴有应变片有柱式力传感器、梁式、环式、框式等(二)应变式压力传感器膜片式、筒式主要用于液体、气体压力的测量(三)应变式加速度传感器Part two 压阻式传感器一、什么是压阻效应？半导体材料固体受到作用力后，电阻率发生变化，这种现象称为压阻效应。

在半导体材料的基片上，用集成电路工艺制称扩散电阻，称为扩散性压阻传感器。

压阻式传感器有哪些优缺点？灵敏系数大分辨率高频率响应高体积小温度误差较大二、压阻式传感器有哪些应用？测应变、压力、加速度等。

第二章电感式传感器一、互感式传感器（差动变压器式传感器）P451、工作原理：（1）互感式传感器又称为差动变压器式传感器，它是把被测量的变化转换成互感系数的变化。

（2）互感式传感器本身是互感系数可变的变压器，当一次线圈接入激励电压后，二次线圈产生感应电压的输出，互感变化是，输出电压就会产生相应的变化。

互感变压器的二次线圈有两个，接线方式是差动接线，又称为差动变压式传感器。

2、差动变压器式传感器的结构：P45，略。

总之，检测的输出电压信号，随互感的变化而变化。

被测量的变化引起磁芯的位移，导致磁链φ12的变化和互感系数M的变化，最后是输出差动电压变化。

3、分类：气隙型、截面型（微同步器）、螺管型4、什么是零点残余电压？电桥在零点总有一个最小的输出电压，把这个最小的输出电压称为零点残余电压。

5、零点残余电压有什么危害？灵敏度下降、非线性误差增大、放大器末级饱和6、造成零点残余误差的原因是什么？是两电感线圈的等效参数不对称。

7、零点参与电压的解决方法常采用相敏整流电路设计上：使上下磁路对称，制造上：使上下磁性材料特性一致，磁筒磁盖磁芯要配套挑选，线圈排列要均匀，数量一致，每层匝数相等。

调整法：调整电容大小。

直到残余电压为零补偿法：电路上进行补偿：加串联电阻；加并联电阻；加并联电容；加反馈电容等拆圈法：在单臂上并联电阻，使线圈分流，改变谐波分量试探法：并联电容，调整C的大小二、电涡流传感器1、什么是涡流效应？金属导体置于变化着的磁场中，导体内就会产生感应电流，这种电流像水中旋涡那样在导体内转圈，所以称之为电涡流或涡流。

这种现象称为涡流效应。

电涡流式传感器就是建立在涡流效应的基础上。

2、形成涡流必须具备哪两个条件？存在交变磁场、导电体处于交变磁场中3、被测参数变化会引起线圈哪些参数变化？阻抗、电感、品质因数4、线圈阻抗与哪些参数有关？金属导体的电阻率、金属导体的磁导率、线圈与金属导体的距离、线圈与激励电流的角频率5、工作原理P54把一个扁平线圈置于金属导体附近，在线圈中通入电流正弦交变电流I1，则线圈的周维空间产生正弦交变磁场H1，处于该磁场中的金属导体就会产生涡流I2，该涡流产生交变磁场H2.由于H2的作用，涡流要消耗一部分能量，因此使线圈阻抗Z发生变化。

同时，引起了线圈电感L和线圈品质因数Q的变化。

我们就可以选择ZLQ中的任意一个参数，将其转换成电量的变化进行测量。

与之变化相关的有：金属导体的电导率、磁导率、线圈和金属导体的距离、激励电流的角频率等等。

6、涡流分布涡流只存在于金属导体的表面薄层内，在径向只有一个有限的范围内存在涡流。

涡流分布是不均匀的，在线圈外径处，涡流密度最大。

三、感应同步器 1、原理利用两平面绕组的互感随位置不同而变化来工作。

（交变磁场、互感原理）可以用来测量直线和转角的位移。

2、类型：长感应同步器（测直线位移）、圆感应同步器测转角位移3、结构：（1）长感应同步器由定尺和转尺组成：定尺连续绕组（2）圆感应同步器由转子和定子组成：转子连续绕组4、工作原理P63：（1）工作时，在其中一组绕组上通以交流激磁电压，由于磁电耦合，在另一组上面会产生感应电动势，该电动势随二者相对位置不同呈正弦余弦变化，我们对此信号检测处理即可。

（2）磁通在任意空间分布近似矩形波，而且他的幅值则按照激磁电流的瞬时值以正弦的方式变化，这种空间位置固定，大小随时间变化的磁场称为脉振磁场四、三大传感器的应用例子掌握1、电感传感器有哪些典型应用？可测位移、压力、加速度等。

自动测厚仪、在位球度测量、电感测微移、电感式压力传感器、2、涡流式传感器的应用：可以进行非接触式策略，可以检测物质的属性。

四个方面的应用：1.利用位移x作为变换量，做成位移、厚度、振幅、振摆、转速传感器及接近开关、计数器等。

2.利用材料电阻率ρ作为变换量，做成温度、材质判别等传感器。

3.利用导磁率μ作为变换量，做成应力、硬度等传感器。

4.利用变换量x、ρ、μ的综合影响，做成探伤装置。

但是难以识别主要因素，等效阻抗是综合影响的结果。

3、感应同步器的应用：测直线位移或者角位移。

测量范围大，精度高，可以输出数字结果第三章电容式传感器一、工作原理两平行极板构成的电容器，在忽略边缘效应时，其电容量为 C=εS/δ＝（εrε0S）/δ式中某一项或几项参数变化，C就随之变化。

其中：S为极板相对覆盖面积。

δ极板间的距离。

Εr相对介电常数ε0真空介电常数。

Ε电容极板间介质的介电常数。

二、分类电容式传感器可分为三种基本类型：变极距型、变面积型、变介电常数型极板形状有：平板形、圆板形、圆柱形、球面形、锯齿形等。

1、变极距型：存在原理非线性，实际常用差动式改善非线性。

2、变面积型电容传感器：圆柱形结构受到极板径向变化影响很小，成为实际中常采用的结构。

变面积型电容传感器具有良好的线性。

3、变介电常数型电容传感器：多用于测量电介质的厚度，液位。

还可以根据极板之间的介质的介电常数随着温度、湿度的改变，来测量介质的温度湿度。

电极板最好涂有绝缘层4、差动结构单边结构三、转换电路1、二极管双T型电路P71特点：线路简单、要求电源周期和幅值高度稳定、输出阻抗与电容无关、适用于具有线性特性的单阻式差动式电容式传感器。

2、运算放大器式电路特点：能够克服变极距式的非线性，输出电压和电容极板之间的距离呈线性关系，输出电压和电源电压反相。

3、差动脉冲调宽电路利用对传感器电容的充放电是电路输出脉冲的宽度随传感器电容量变化而变化。

我们改变电容大小即可。

输出的是直流电压输入为直流电源。

适用于任何差动是电容式传感器，并具有理论上的线性特性（差动变压器式电容电桥、二极管环形检波电路也有线性）。

四、优化设计P771、减小环境温度湿度变化产生的影响2、消除和减小边缘效应危害：降低灵敏度、产生非线性消除和减小方法：适当减小极间距，使极径或边长与间距比很大电极做得很薄，使之与极间距相比很小在结构上增设等位环3、减小和消除寄生电容的影响屏蔽集成化。

影响传感器的灵敏度影响传感器的精度采用方法：⑴增加传感器原始电容值（减小δ，增加S）⑵注意传感器的接地和屏蔽（用短电缆线）⑶集成化（环境适应性降低）⑷采用“驱动电缆”技术⑸采用运算放大器法⑹整体屏蔽4、减小和防止外界干扰⑴屏蔽和接地⑵增加原始电容量，降低容抗⑶导线间的分布电容有静电感应，因此导线和导线之间要离得远，线尽量短，成直角排列⑷尽可能一点接地，避免多点接地，地线要粗 5、尽量采用差动式电容传感器五、容栅式传感器1、原理：原理上属于变面积型电容传感器由定栅和动栅组对成，根据位移变化，形成差动电容器C1和C2。