传感器与测试技术,考试要点,中国计量学院

测量：以确定被测对象属性和量值为目的的全部操作计量：实现单位统一和量值准确可靠的测量。

计量的三个特征：统一性、准确性和法制性。

静态测量：对不随时间变化的（静止的）被测量进行的测量。

动态测量：对随时间变化的被测量进行的测量，需确定被测量的瞬时值及其随时间变化的规律。

评定精度：相对误差越小，测量精度越高。

不确定度表明测量结果可能的分散程度：可用标准偏差表示，也可用标准偏差的倍数或置信区间的半宽度表示。通常测量结果的不确定度都用扩展不确定度表示。

1、A类标准不确定度的评定方法

测试系统是指由传感器、信号调理电路、信号处理电路、记录显示设备组成并具有获取某种信息之功能的整体。

最佳的测试系统具有线性时不变特性。

输出是输入的单调、线性比例函数。y=Sx 称为静态特性方程

不确定度是测量误差极限估计值的评价,不确定度越小，测量结果可信度越高，即精度越高.

静态标定步骤：1作输入-输出特性曲线2求重复性误差3求作正反行程的平均输入-输出曲线4求回程误差5求作定度曲线6求作拟合直线，计算线性度和灵敏度

传感器是能够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。

内涵：1.传感器对规定的物理量具有最大的灵敏度和最好的选择性；2.从传感器的输出端来看，传感器的输出信号是可用信号。3.具有确定规律的静态特性和动态特性。

传感器的集成化、多功能化与智能化：

1)集成化包括两种形式：一是同一功能的多元件并列化，如CCD图象传感器。另一个是多功能一体化，即将传感器与放大、运算以及温度补偿等环节一体化，组装成一个器件。

2)将几种不同的传感器组合在一起，同时测量几种不同被测参数。例如温、气、湿三功能陶瓷传感器

3)智能化(Smart Sensor)——带有微处理器并兼有检测和信息处理功能。

4)研究生物感官，开发仿生传感器。

电阻应变片：输出信号微弱，大应变下具有明显的非线性。

电阻应变片的工作原理：电阻应变效应和压阻效应

电阻应变片灵敏度系数S称为“标称灵敏度系数”，由实验测定。

电阻应变片的横向效应：栅状结构敏感栅的电阻变化一定小于纯直线敏感栅的电阻变化的现象。消除办法：必须采取措施减小横向效应的影响,改进结构等。短接式应变片敏感栅平行排列，其优点是克服了横向效应。目前使用的应变片大多是金属箔式应变片。薄膜应变片是今后的发展趋势

温度补偿方法：自补偿法，桥路补偿法——电桥的和差特性，热敏电阻补偿法——热敏电阻适当分压

电感传感器按工作原理可分为：自感式、互感式、店涡流式三种。

自感式电感传感器：工作原理——可变磁阻式：原理---电磁感应

δ

μ

2

2A

W

L=变气隙式自感传感器适用于微小位移的测量，测量范围：0.001～1mm。.变面积式自感传感器：输出特性为线性，因此测量范围大。要提高灵敏度，气隙厚度δ不能过大。

差动式自感传感器:：灵敏度-

δ

δ

L

L

S2

=

∆

∆

=为原来的两倍。

R

H

L

A

δ

δ

δ

δ+

+

=

x

S

R

dRε

=

/

调制就是使信号的某些参数在另一信号的控制下发生变化的过程。可分为调幅AM 、调频FM 和调相PM 调幅过程相当于“频谱”搬移过程：

1若调制信号为简谐信号（正弦或余弦，单一频率f s ），调幅波的频谱也是离散谱，以载波信号f 0为中心，仅仅位于频率f 0－ f s 和f 0＋ f s 两个边频处，其幅值等于两个信号幅值乘积的1/2。

2若调制信号为一般周期信号，其包含多个频率分量(f 1、f 2 、…)，则调幅波的频谱仍为离散谱，谱线以载波信号f 0为中心，分别位于f 0±f 1、f 0± f 2、…，即调制信号的每一个频率分量均产生一对边频。

3若调制信号为瞬态信号(连续谱，信号最高频率f m )，则调幅波的频谱也是连续谱，位于f 0± f m 之间。只有f 0>>f m ，频谱不会产生交叠现象。

极距δ变化型：εεA r C 0=仅适于微小位移的测量（0.01μm ～数百微米）

；非接触测量 面积变化型电容传感器的优点是输出与输入成线性关系，但与极板变化型相比，灵敏度较低，适用于较大角位移及直线位移的测量。

介电常数变化型：

正压电效应：某些物质，如石英，受到外力作用时，不仅几何尺寸会发生变化，而且内部会被极化，表面产生电荷；当外力去掉时，又重新回到原来的状态，这种现象称为正压电效应。

逆压电效应：与压电效应相反，如果将具有压电效应的物质置于电场中，其几何尺寸也发生变化，这种由于外电场作用导致物体机械变形现象称为逆压电效应。

压电式传感器主要是利用纵向压电效应。

石英晶体产生压电效应的物理过程 ：每个晶体单元中，具有3个硅离子和6个氧离子，氧离子是成对的，如图构成六边的形状。在没有外力的作用时，电荷互相平衡，外部没有带电现象。

定义压电传感器输出电压灵敏度：c om u d C R R A dF dU S o 22201ωω+==当作用力频率ω与电路时间常数RC 足够大时， i c a c u C C C Ad S o ++≈

电荷放大器是一个高增益带电容负反馈的运算放大器，其输入阻抗极高（1012Ω以上）

电缆分布电容变化不会影响传感器灵敏度及测量结果是电荷放大器的突出优点。

霍尔效应：置于磁场中的通电半导体，在垂直于电场和磁场的方向产生电动势的现象。

额定激励电流I H ：使霍尔元件温升10o

C 所施加的激励电流

灵敏度K H ：霍尔元件在单位磁感应强度和单位激励电流作用下的空载霍尔电势值。

输入电阻R i 与输出电阻R 0 ： R i 指霍尔元件激励电极之间的电阻；R 0指霍尔电极间的电阻。

产生不等位电势的原因主要有：霍尔电极安装位置不正确（不对称或不在同一等电位面上）；半导体材料的不均匀造成了电阻率不均匀或是几何尺寸不均匀；激励电极接触不良造成激励电流不均匀分布等。 温度误差及其补偿

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