检测与转换技术整理 (1)

检测与转换技术总结

一、传感器概述

1.传感器的定义：

能感受规定的被测量并按一定规律转换成可用输出信号的器件或装置，与计算机、通讯并称现代信息技术的三大支柱。通

常由敏感元件和转换元件组成。

2.传感器的分类

(1)按外界输入的信号变换为电信号采用的效应分类:

物理传感器、化学传感器、生物传感器。

(2)按能量的传递方式分类：

有源传感器、无源传感器。

(3)按被测量对象分类:

速度(加速度),力(力矩、压力），流速，液位，温度，湿度，光，电压，电流，浓度，气体成分，位移等传感器。

(4)按工作原理分类:

电阻式、电容式、电感式、涡流式、光电式、应变式、压电式、热电式。

3.传感器的发展趋势

（1）固态化趋向

（2）集成化和多功能化趋向

（3）图象化趋向和智能化趋向

二、检测技术基础

1.测量和误差的定义

测量：采用各种手段将被测量与同类标准量进行比较，从而确定出被测量大小的方法。

误差：测量结果与被测量真值的差别。

2.测量方法的分类

（1）根据获得测量结果的方法不同

①直接测量：

在仪表上直接读出被测量的大小而无须经过任何运算。简单、迅速但精度差。

②间接测量：

首先测出与被测量有确定函数关系的物理量，再经过函数运算求出被测量的大小。

③组合测量：

又称“联立测量”，即被测物理量必须经过求解联立方程才能导出结果。

（2）根据测量条件相同与否

①等精度测量：

在测量过程中，影响测量误差的各种因素不改变。

②不等精度测量：

改变测量条件的测量。

（3）根据是否接触被测对象

①接触测量：如测速发电机、体温计测温。 ②非接触测量：如光电检测测转速、红外测温。 （4）根据测量对象是否随时间变化 ①静态测量：如测倾角。 ②动态测量：如测汽车速度。

3.平均值

（1）算术平均值： （2）几何平均值： （3）均方根平均值：

4.检测装置的性能

（1）基本性能 ①精度：

a.精密度：在相同条件下，对同一个量进行重复测量时，这些测量值之间的相互接近程度（离散程度）；

b.准确度：表示测量仪器指示值对真值的偏离程度；

c.精确度：它是精密度和准确度的综合反映。 ② 稳定性：

a.零点漂移：在一定条件下，保持输入信号不变，输出信号随时间而变化；

b.灵敏度变化：灵敏度随时间延长而下降。

n

x

n

x x x n

i i

n

x ∑=-

=+?++=

1

21n n

G x x x x ????=21n

x x x x n

u 2

2

22

1+?++=

（2）静态性能（输入输出之间的函数关系） ①灵敏度：

传感器或检测仪表在稳态下输出量的变化量△y 与输入量的变化量△x 之比，用K 表示。 ②分辨率：

灵敏度阈值，引起输出量产生微小变化所需的最小输入量的变化量。 ③线性度：

检测输入输出特性对理想线性输入输出特性的近似程度。 ④滞环

说明测量系统正向（输入量增大）和反向（输入量减小）特性不一致的程度。 ⑤重复性：

在同样的工作条件下，输入按同一方向作全量程多次（三次以上）往复变化时，测量系统刻度特性曲线的一致性。 （3）动态性能（系统输入输出与时间的关系）

响应时间、超调量（一说时间常数、固有频率、阻尼系数）。

%100A

??=

m

m E %100A

??=

m

m δ

三、误差理论

1.误差的表示方法

（1）绝对误差

①具有量纲，与被测量相同； ②其大小与所取单位有关； ③能反映误差的大小和方向； ④不能反映测量的精细程度。

（2）相对误差：绝对误差与被测量真值之比 ①大小与被测量单位无关； ②能反映误差的大小和方向； ③能反映测量工作的精细程度 。 （3）引用误差

是一种特殊的相对误差表示法，常用于连续刻度的仪表中，实质给出仪表的最大绝对误差。

2.测量误差的分类和判别

（1）系统误差：在同一条件下，多次重复测量同一量时，误差的大

小和符号保持不变或按一定规律变化。

①恒值系统误差的判别

a.实验对比法；

b.改变测量条件法；

x x x -=?%

1000

??=x x

δ%

100A

??=m x γ

c.理论计算与分析法；

可用代替法、交换法消除。

②变值系统误差

a.累进性系统误差，对称测量法消除；

b.周期性系统误差，半周期读数法消除；

c.按复杂规律变化的系统误差。

变值系统误差的判别：

a.残余误差观察法；

b.残余误差之和相减法(马利科夫判据)。

③产生系统误差的原因：

a.仪器不良，如零点未校准刻度不准；

b.测试环境的变化，如外界湿度、温度、压力变化等；

c.安装不当；

d.测试人员的习惯偏向，如读数偏高；

e.测量方法不当。

（2）随机误差：在一定测量条件下的多次重复测量，误差出现的数值和正负号没有明显的规律。这叫“随机误差”。

（3）疏失误差：又称“过程误差”或“粗大误差”，简称“粗差”，这是一种由于测量人员的粗心或过度疲劳造成的误差。

3.误差分析与处理方法（考计算题）

（1）算数平均值代表真值： （2）均方根误差： （3）算术平均值的均方根误差 ：

（4）测量结果的表示方法： （5）根据莱依特准则，剔除异常值： 4.测量误差的综合处理

设Y 为被测量，n 321...x x x x 、、

、、为中间变量，找出被测量与中间变量的函数关系：

对上式两边除以Y ，就可得相对误差的综合表达式： 四、电阻应变式传感器

电阻应变式传感器是将被测量的应力（压力、荷重、扭力等）通过所产生的金属弹性形变转换成电阻变化的检测元件，它由电阻应变片和测量线路两部分组成。目前应用最广泛的电阻应变片

有两种：电阻丝应变片和半导体应变片。

1.

温度补偿措施

环境温度是造成应变片测量误差的主要因素，消除误差的方

法有：

（1）应变片补偿法

将两个特性相同的应变片，用同样的方法粘贴在同样材质的

n

x

n

x x x n

i i

n

x ∑=-

=+?++=1

211

-n )

(n

1

2

i

∑=-=

i x x σn

σ

σ=x x x x x x x σσ3±=±=或σ

3?-=x x U i i ()

n x x x f Y ?=21,n n

x x y

x x y x x y Y ???++???+???=

?Λ2211y x x y y

x x y y x x y y y n n ???+

??????+???+???=?2211

两个器件上，接入电桥电路相邻桥臂，置于相同的温度中，承受应力的为工作片，不受应力的为补偿片。 （2）应变片自补偿

使用特殊的应变片，使其温度变化的电阻增量等于零或相互抵消，从而不产生测量误差。 （3）热敏电阻补偿法

将热敏电阻R t 置于应变片相同的温度下，可以进行温度补偿。 2.电桥电路的分类 （1）按输入电源分

①直流电桥； ②交流电桥； ③ 恒压源电桥； ④恒流源电桥。 （2）按桥臂电阻的配备方式分

①串联对称电桥(第一类对称电桥)：R 1＝ R 2 ,R 3 ＝R 4 ②并联对称电桥(第二类对称电桥)：R 1＝R 3，R 2＝R 4 ③全对称电桥（等臂电桥）：R 1＝R 2＝R 3 ＝R 4 ④不对称电桥。 （3）按电桥的工作方式分

①平衡电桥：满足R 1R 4＝R 2R 3 ②不平衡电桥：

（4）按被测电阻的接入方式分（在下面）

3.不平衡电桥的工作特性（考计算题）

电阻变化1

1

R R ?=ε，应变作用l

l l ?=ε ，l s k εε

?=，电源电压s

U

定义 灵敏度us K

非线性度f

δ

差动电桥

R 1＝R 2，R 3＝R 4，

R 1和R 2为敏感元

件

s U 2

1

双差动电桥 R 1＝R 2＝R 3＝R 4均为敏感元件 s U

相对臂电桥

敏感元件相对臂

较高

较大

4.提高不平衡电桥输出线性度的方法

（1）采用差动电桥工作方式

（2）电桥输出端串接一大阻值的电阻R L （3）采用恒流源供电方式 （4）采用有源电桥方式

5.

电桥调零

（1）串联调零

应用于R 1、R 2值较大的场合，此时，R W 越小，对传感器灵敏度的影响越小。 （2）并联调零

该方式应用于桥臂电阻R 2、R 4值较小的场合。此时，R w 越大，对桥路影响越小。

6.电阻应变片传感器的应用（考设计题）

（1）力及扭矩的测量

①柱式转换法

②差动法

③环状法

在拉力作用下，内环拉长，外环压缩，可构成双差动电桥，灵敏度比差动电桥提高一倍。

（2）加速度的测量

（3）流体压力的测量

（4）其他应用

称重、测臂力、测肺活量、测走路步数等

五、电容传感器

1.电容传感器的类型

（1）变极距型电容传感器

d d

S

d K C ?-

=?=?2

ε，非线性，灵敏度与d 2成反比，适合

测量较小位移。 （2）变面积型电容传感器

①平行线位移传感器

x d

b

x K C x ?=

?=?ε，线性，适合测量较大位移。

②角位移型传感器

θεθ?=

?=?d

R K C x 22

，线性，适用测量较大线位移或角位移。

（3）变介质型电容传感器

线性，适合测量液位高度或空气湿度。

2.电容传感器测量电路

（1）运算放大器电路，解决了非线性问题 （2）桥式电路

3.电容式传感器的应用（考设计题）

（1）膜片电极式压力传感器

由一个固定电极和膜片电极构成电容。

（2）电容加速度传感器

两个固定极板，中间有一个用弹簧片支撑的质量块构成的差动式电容加速度传感器：

（3）电容荷重传感器

镍铬同一高度上并排打圆孔，在孔的内壁以特殊的粘接剂固定两个截面为T 型的绝缘体钼钢，形成一排平板电容。当孔受荷重变形时，电容值将改变，在电路上各电容并联，总电容增量将正比于被测平均荷重F 。

被测压力

（4）电容湿度传感器

铝棒和能渗透水的黄金膜为极板，极板间充以氧化铝微孔介质。多孔性氧化铝吸水以后，介电常数 发生变化，电容量随之改变。

黄金膜

（5）新型电容式指纹传感器

六、电感式传感器的应用（考设计题）

1.自感式传感器的应用

（1）闭磁路式自感传感器：非线性，测量小位移

（2）螺管型自感传感器：灵敏度较低，测量较大的位移

（3）空气隙差动式自感传感器：灵敏度约提高一倍,非线性减小

（4）差动自感传感器测量电路

（5）测量电路：调频、调幅检测电路

2.互感传感器（差动变压器）的应用

（1）呼吸测定

（2）流量测量

（3）气压测量

3.电涡流式传感器的应用

根据激磁电流的频率进行分类，涡流传感器可分为高频反射式和低频透射式两种。

（1）轴向位移测定

（2）轴径向振动测量

（3）线膨胀系数测量

（4）接近检测开关

（5）转速测量

（6）零件数的检测

（7）表面光洁度测量（高频反射）

七、其他传感器

1.热电阻式传感器

（1）金属热电阻

①铂热电阻：高精度

②铜热电阻：价格便宜、近似线性、温度系数大、体积大、易氧化、

范围小。

③铟电阻、锰电阻：适合低温测量

（2）半导体热电阻（热敏电阻）：

温度系数大、体积小、热惯性小、非线性。

①负电阻温度系数热敏电阻NTC

②正电阻温度系数热敏电阻

③临界温度热敏电阻

2.热电偶

基于热电势效应，由两种导体连接制成，应用定则如下：

a若组成热电偶回路的两导体相同，或热电偶两端温度相同，则热电偶回路中的总热电动势为零；

b.热电偶的总热电动势只与端点温度有关；

c.串入回路中的第三种导线不会影响热电动势；

d.导体A,B的热电动势等于AC热电偶与BC热电偶的热电

动势之和

3.霍尔传感器

（1）不等位电势的补偿

由于输出端的不对称和其它原因，霍尔元件在外磁场为零的情况下，仍有电势输出，需要不等位电势的补偿：

（2）霍尔传感器的应用：

①位移检测

②转速测量

④测量

注：关于综合设计题

第一步：分析问题，提取可用物理量，据此选择合适的传感器；

第二步：画出传感器的局部安装示意图并简要叙述；

第三步：写出该传感器的检测原理，画出系统框图。

关于检测考试：

考试时间和地点：见教务系统；

考试题型：

1.选择题：10道，每题2分，共20分；

2.填空题：10空，每空1分，共10分；

3.计算题：2道，每道10分，共20分；

4.基础设计题：用多种方法检测某一物理量，20分；

（要求画出原理图，并用文字简要叙述）

5.应用设计题：三选二，每题15分，共30分；

（要求画出应变片的安装示意图、系统方框图，简要叙述工作原理）

考试内容：

1.基础题主要包括检测与测量基础、误差理论、电阻传感器、电容传感器、电感传感器、温度传感器等；

2.计算题要求掌握测量结果的表示方式（正版书39页例2-5）、粗大误差剔除方法（正版书42页例2-6）、应变片电桥电路的计算（正版书86页习题）

3.基础设计题要求掌握各基本传感器的工作原理和工作特性（课件上有），应用设计题格式参考新版红皮书301页（黄皮书246页）的创新案例。

本次考试题目不算很难，希望大家做好复习。