传感器技术期末复习提纲

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0
������
mc hS
静态灵敏度K = ������0 = 1
0
b
频率响应特性为H(jω) = 幅频特性A(ω) =
K
T(jω) T0(jω)
=
������ ������ωτ+1 1
= ������ωmc
hS
1
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ+1
√(ωτ)2 +1
=
2 √(ωmc) +1 hS
相频特性φ(ω) = arctan(−ωτ) = arctan (−
1 ������������ 2 1 ������������������ 2 ������
)
10. 应变计产生热输出的原因: ①温度变化时, 敏感栅材料的电阻值将随温度变化而变化 (电阻温度 效应) ∆R ( ) = α∆T R α 应变计敏感栅材料和试件材料的线膨胀系数不匹配,敏感栅产生附加应变,引起电阻变化 单丝自补偿法:电阻丝材料和被测试件材料符合 α = −K(βg − βs ) 双丝自补偿法:电阻温度系数一正一负,产生热输出抵消(不同传感器补偿型?) ★★★桥路补偿法: (相同传感器补偿型)
***热电偶传感器:热电效应,被测温度场的能量直接转换成电量的输出,能量转换型 ***压电传感器:压电效应,被测压力直接转换成电量输出
2)带激励型:由转换元件与辅助能源组成,不需要变换电路,就有较大的电量输出,能量转换 型
***霍尔电磁感应式传感器:霍尔效应,被测量为外加磁场,在辅助能源(激励电流)的作用下,磁 场变化转换为霍尔电势输出 ***磁电式传感器:电磁感应定律,被测量是动铁芯上下移动的距离,在辅助能源(磁源)的激励下, 被测量转换为线圈感应电势输出
***超声波流速计: ***变面积式差动电容器:P93 P89 变间隙型差动电容器 P113 差动式自感传感器
★★★5. 传感器的静态模型:代数方程、特性曲线 1)滞后:传感器在正、反行程,输入-输出曲线的不重合程度 ∆Hmax × 100% yF⋅S 2)线性度:传感器实际的输入-输出曲线(校准曲线)与拟合直线之间的吻合(或偏离)程度 eH = ∆������������������������ × 100% ������������⋅������ 3)重复性:传感器在同一工作条件下,输入量按同一方向作全量程连续多次测试时,所得特性曲 线间一致程度指标 ������������������������������ eR = ± × 100% ������������⋅������ eL = ± 4)分辨力(率) :传感器在规定测量范围内所能检测出的被测输入量的最小变化量 5)阈值:传感器产生可测输出变化量时的最小被测输入量值 6. 传感器的动态模型:微分方程、传递函数 ★★★加速度传感器的动态特性:二阶环节 P109 电容式 P147 压电式
������
⑤ A. B. C.
★★★11. 电压电桥输出特性:∆U0 = 4 ������ (������1 − ������2 + ������3 − ������4 ) 非线性误差:eφ = (������1 + ������2 + ������3 + ������4 )
2 ������
电桥的加减特性:“相邻臂相减,相对臂相加” (例题)P158 气体成分分析仪桥路 P170 热电偶冷端补偿电桥 交流电桥的调平方法 电阻调整 电容调整 串联电阻法 并联电阻法 差动电容法 阻容调平法
2. 线性电位器的负载特性曲线: 当电位器的电刷处于零位 (K=0) 和最大位置 (K=1) 时, Ux = ������������������ ; 如果电位器的分压系数 K 一定, 即电刷处于某一位置不变, 则负载系数 a 越小, 即负载电阻R L 越大, 这时Ux 越接近Usc,负载误差越小,电位器的负载特性曲线越接近线性;当负载系数 a 一定,电位器 的输出随分压系数 K 变化。 3. 阶梯误差:P49 4. 光电电位器原理:P51 5. 电阻应变计结构:敏感栅、基底、引线、盖层、黏结剂 6. 导电丝材的应变电阻效应:
一、 1. 传感器的定义:把特定的被测量信息按一定规律转换成某种可用信号输出的器件或装置。 1)传感器是一种测量器件或装置,作用是测量 2)特定的被测量信息:非电量,包括物理量、化学量和生物量等 3)可用信号:便于处理、传输的信号,电量 4)传感器起到转换的作用,也叫做变换器、换能器或探测器。 2. 传感器的四个物理定律:守恒定律、统计定律、场的定律、物质定律 ***物性型和结构型传感器的比较 ① 定义:利用场的定律构成的传感器是结构型传感器; 基于物质定律构成的传感器是物性型传感器。 ② 特性:结构型传感器由构成结构参数决定,与构成传感器的具体物质无关; 物性型传感器与构成传感器的物质的性质有密切关系。 ③ 性能、成本、应用:结构型传感器性能更稳定、成本较高、应用广泛; 物性型传感器在飞速发展过程中,成本将大幅降低,是日后发展方向之一。 ④ 组成:在信号调节转换电路、辅助电路相同的情况下,结构型传感器包含敏感元件和传感元 件两个环节,而物性型传感器只有传感元件。 3. 从能量角度分析,三种传感器构成方法:自源型、带激励源型、外源型 1)自源型:不需要外能源,转换元件从被测对象直接吸取能量,转换成电量输出(较弱)
dQ mc
dQ = hS(T0 − T)dt ∴
mc ℎ������

������������ ������������
+ ������ = ������0 对比a1
������������ ������������
+ a0 ������ = ������0 ������
时间常数τ = ������1 =
若R1 = R 2,R T =
——>导线电阻 r 对热电阻的测量毫无影响
①不受任何条件约束,总能消除连接导线电阻对测量的影响;②电流 I 恒定不
变 3. 测量真空度:真空度↑+电流恒定→导热系数↓→平衡温度↑→电阻值↑ 10−3 ������������ 气体分析仪:P158 混合气体导热系数 λ = ∑������ ������=1
热敏电阻 热电阻 PN 结型温度传感器
温度—>电阻值 -
金属材料 半导体材料 半导体 PN 结与温度关系
������2 ������4 ������1
2. 热电阻的测量电路:三线制、四线制(都必须从热电阻感温体根部引出导线) 1)三线制:R T = 2)四线制:R T =
������2 (������4 +������)−������1 ������ ������1 ������ ������
受弹簧力−ky,受阻尼力−c
dy dt
,x 为被测物相对于地球位移,y 为质量块相对于外壳 ������ ������ d2 (������ + ������) ������������ = −������ − ky 2 ������������ ������������
d2 y ������������ ������ 2 ������ + ������ + ������������ = −������ ⋅ = −������������ dt 2 ������������ ������������ 2
传递函数的特点: ① 反映传感器系统本身的特性,只与系统结构参数 ai、bi 有关,与输入量 x(t)无关 ② 只要知道 X(s)、Y(s)、H(s)三者中任意两者,就能求出第三者 ③ 同一个传递函数可能表征两个不同的物理系统,有相似的传递特性,但有不同的系数 量纲 ④ N 个环节串联有,H(s) = ∏������ ������=1 ������������ (������) = ������1 (������) ∗ ������2 (������) ∗ … ∗ ������������ (������) N 个环节并联有,H(s) = ∑������ ������=1 ������������ (������) = ������1 (������) + ������2 (������) + ⋯ + ������������ (������) ⑤ 当传感器比较复杂或基本参数未知,可以通过实验求出传递函数 ★★★分析二阶环节传感器的动态响应,温度传感器为例 dT =
∆R R
= K 0 ������
★★★7. 横向效应:应变计既对纵向应变敏感,同时受横向应变影响出现灵敏系数及相对电阻减小 的现象
8. 绝缘电阻:应变计的引出线与粘贴应变计的试件之间的绝缘电阻 检查应变计的粘贴质量、黏合剂是否完全干燥和固化的重要指标 9. 应变计对正弦应变波的响应:|e| = ( ) = ( 6 ������ 6
为了提高传感器的灵敏度,需要减小极板初始极距δ0 ,一会引起非线性误差ef 增大(差动式改善线 性) ;二会引起电极击穿(有介电层的变间隙型电容传感器) 2. 紧耦合电感电桥、变压器电桥电路、双 T 二极管交流电桥、运算放大器式电路(四选一会画) 3. 边缘效应:带保护环;减小极板厚度 寄生电容:①驱动电缆法 ②整体屏蔽法 ③采用组合式与集成电路技术 四、 1. 电感式传感器:变磁阻式传感器,被测物理量—电磁感应原理—>线圈自感系数 L、互感系数 M— 测量电路—>电压、电流 2. 电涡流式传感器:高频反射式、低频透射式 测厚 P128 130 3. 转速测量的几种方法:P130 电涡流式 P135 电感接近式 P207 光电数字转速表 P185 霍尔元 件 五、 1. 压电陶瓷的压电现象: 极化: 在一定温度下, 对陶瓷施加强直流电场, 迫使电畴自发极化方向转到与外加电场正方向一致, 作规则排列 六、 1. 电热式传感器:热能转换成电能(电阻、电势) 热电偶 温度—>电势 -
P118 差动式电感测厚仪 P123 二极管相敏检波电路 筒型结构称重传感器: 排除载荷偏心或侧向力引起的干扰 三、 1. 平板电容器:C = 圆筒形电容器:c =
ε0 ������������ ������ ������
2πε0 ������������ ������ ������������
������ ������
t
ωmc hS
hS
)
阶跃响应特性T = KA (1 − e−τ ) = A (1 − e−(mc ) 7. 误差平均效应:利用 n 个相同的传感器单元同时感受被测量,因而其输出将是这 n 个单元输出的 总和。假设每一个单元可能带来的误差是δ0 ,对 n 个单元来说,可看作随机误差,根据误差理论, 总的误差将减小为δ = ±
δ0 √������
)t
***容栅传感器:n 个完全相同的变面积式电容传感器并联,输出是总和
P108 电容式称重传感器 P109
8. 消除或削弱系统误差:零示法、微差法、闭环技术 1)零示法:被测量对指示仪表的作用与已知量对仪表的作用相平衡。可以消除仪表不准而造成的误 差 2)微差法:利用标准量与被测量的差别减小到一定程度后,相互抵消,使仪表误差的影响大大削弱 x=B+A ∆x ∆B ∆A ∆B ∆A A ∆B A ∆A = + = + ⋅ ≈ + ⋅ x x x B+A A x B x A 3)闭环技术的特点: ①精度高、稳定性好。前向环节增益的波动对闭环传感器测量系统的精度和稳定性影响很小, 主要取决于反向传感器的精度和稳定性。 ②动态特性好。相比开环系统的时间常数减小了(1 + Aβ)倍,动态特性大大改善。 9. 集成式微型智能传感器 P41 10. 标定:依靠专用的标准设备来确定传感器的输入-输出转换关系 标定系统的组成: (e.g.电涡流传感器) ① 被测非电量的标准发生器 ② 被测非电量的标准测试系统 ③ 待标定传感器所配接的信号检测设备 ④ 二、 1. 电位器式传感器---变阻器(输出端位置) 应变式电阻传感器---应变-电阻效应(材料形变) 压阻式传感器---压电效应 (加在材料上的压力) 光电阻式传感器---光电效应(外加光强弱和性质) 热电阻式传感器---电阻-温度特性(材料温度)
3)外源型:由转换元件、变换电路(信号调理与转换电路)和外加电源组成,能量控制型 4. 为消除环境干扰,三种线路补偿法:相同传感器补偿型、差动结构补偿型、不同传感器补偿型
★★★差动技术的三个技术环节: ① 用两个完全相同的传感器 ② 接受大小相等、符号相反的输入量 ③ 二者输出相减,取其差值 差动技术有较宽的准线性,常用于改善非线性,提高灵敏度