检测与传感器技术 考试真题 模拟.docx
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检测与传感器技术考试真题模拟
检测与传感器技术2015考试真题模拟
1、传感器的定义：
传感器是指那些对被测对象的某一确定的信息具有感受（或响应）与检
出功能，并使之按照一定规律换成与之对应的有用输出信号的元器件或装置。
2从功能出发：
所谓传感器是指那些能够取代甚至超出人的“五官”，具有视觉、听觉、触觉、嗅觉和味觉等功能的元器件或装置
3传感器的组成：
（1）敏感元件：
是直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的某一物理量的元件，
（2）转换元件：
敏感元件的输出就是它的输入，它把输入转换成电路参量
（3）基本转换电路：
上述电路参数接入基本转换电路（简称转换电路），便可转换成电量输出。
4传感器的分类：
（1）按传感器的工作机理，可分为结构型、物性型与复合型。
（2）按被测量分类：
分为物理量传感器、化学量传感器、生物量传感器等
（3）按敏感材料分类：
半导体传感器、陶瓷传感器、光导纤维传感器、高分子材料传感器、金属传感器等
（4）按能量的关系分类：
根据传感器的能量转换情况，可分为有源传感器和能无缘传感器
第五节
静态模型：
在静态小号情况下，描述传感器输出与输入量之间的一种函数关系。
动态模型：
在准动态信号或动态信号作用下，描述其输出与输入信号之间的一种数学关系。
Y（s）bmsm?
?
?
b1s?
b0H（s）?
?
X（s）ansn?
?
a1s?
a0
动态特性是对输入激励的输出响应问题频率响应
Y（jω）bm（jω）m?
?
?
b1（jω）?
b0j?
H（jω）?
A（ω）eH（jω）?
?
nX（jω）an（jω）?
?
a1（jω）?
a0
幅频特性A（?
）?
H（j?
）?
1
?
（?
?
）2相频特性?
（?
）?
tg（?
?
?
）?
1
传感器的输出输入关系或多或少地存在非线性。
在不考虑迟滞、蠕变、不稳定性等因素的情况下，其静态特性可用下列多项式代数方程表示：
y=a0+a1x+a2x2+a3x3+…+anxn
传感器静态特性：
1、线性度：
传感器的输入量与输出量之间的实际关系曲线（校准曲线）偏离直线（拟合直线）的程度。
线性度又称为非线性误差。
Ef=±（Δmax/YFS）×100%
2．灵敏度与灵敏度误差：
传感器在稳定状态下，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：
K=Δy/Δx
3．重复性：
重复性是指传感器在输入量按同一方向连续全程多次变动时所得特性曲线不一致的程度。
重复性误差可用正反行程的最大偏差表示，即Ex=Δmax/YFS）×100%
4．迟滞:
传感器在正（输入量增大）反（输入量减小）行程中输出输入曲线不重合称为迟滞。
5．分辨率与阈值：
分辨力是指传感器能检测到的最小的输入增量。
6．稳定性：
稳定性是指传感器在相当长时间内保持其性能的能力。
即在室温下，长时间工作输出量发生的变化。
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下输出量发生的变化。
二、动态模型
1
动态模型是指传感器在准动态信号或动态信号作用下，输出和输入信号之间的一种数学关系。
有三类：
微分方程（求解y（t）），代数方程（传递函数），频率响应函数第二章
电阻式传感器：
电阻式传感器与相应的测量电路组成的测力、测压、称重、测位移、测加速度、测扭矩、测温度等测试系统。
电位器式电阻传感器
一、线绕式电位器传感器：
RxxRx
?
U0?
Ui
L即R1、工作原理：
（1）空载时RL→∞对应电阻的变化R
其中
SR?
R
L
为线绕电位器的电阻灵敏度。
U0?
Rxx
Ui?
Ui?
SVxRL
它表示电刷单位位移所能引起的输出电阻的变化量其中
SV
?
Ui
L
为线绕电位器的电压灵敏度。
它表示电刷单位位移所能引起的输出电压的变化量。
SR、SV均为常数。
U0?
I
RLRx
?
RL?
Rx
Ui
LxRL?
Rx
RLRxUiRLRx
?
2
R?
RxRRL?
RRx?
Rx
?
（R?
Rx）L
（2）有载时RL≠∞且RL≠0，
2、线绕式电位器传感器输出特性
（1）阶梯特性电刷每移动一匝线圈输出电压产生一次跳动，其阶跃值为：
Uo
?
U?
n当电刷丛m-1匝移动到匝m时，电刷瞬间使两相邻匝线短路，在每一个电压阶跃中产生一次小阶跃
（2）电压分辨率：
线绕式电位器的电压分辨率是指在电刷行程内电位器输出电压阶梯的最大值与最大输出电压之比的百分数
Uo
1
Re?
?
100%?
?
100%
Uon
1U
?
（?
o）
1
ei?
?
100%?
?
?
100%
Uo2n
（3）阶梯误差：
阶梯特性曲线围绕理论特
型直线上下波动，从而产生偏差，这种偏差成为阶梯误差
2
第二节应变式电阻传感器
电阻应变片：
是利用电阻应变效应原理制成的、应用最为广泛的电阻式传感器，主要用于机械量的检测中，如力、力矩、压力、加速度、质量等物理量的检测。
应变效应：
当金属丝（或半导体）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（或半导体）的电阻应变效应。
金属丝式应变片性能中最重要一项技术，指标为灵敏系数，单位应变所能引起的电阻相对变化。
金属电阻应变片分为：
金属丝绕式应变片和金属箔式应变片
半导体应变片有以下几种类型：
（1）体型半导体应变片2）薄膜型半导体应变片3）扩散型半导体应变片
半导体应变片：
是用半导体材料，采用与丝式应变片相同方法制成的应变片，
其工作原理：
是基于半导体材料的压阻式效应。
压阻效应：
是指材料的某一轴向受外力作用时，其电阻率发生变化的现象
半导体应变片的优点：
体积小、灵敏度高、频率响应范围宽，输出幅度大，可直接与记录仪连接。
缺点：
温度系数大，非线性严重
直流电桥优点：
电源稳定、电路简单，仍是主要测量电路；
缺点：
直流放大器比较复杂，存在零漂、工频干扰。
由一片半导体应变片组成的电桥测量电路，其非线性误差较大，对其作特殊处理：
（1）提高桥臂比2）采用差动电桥3）采用高内阻的恒流电桥
采用高内阻的恒流电桥好处：
供桥电压越高，电桥电压灵敏度越高坏处：
供桥电压的提高，受到应变片允许功耗的限制。
三、电阻应变片的测量电路
应变片将应变的变化转换成电阻相对变化△R/R，还要把电阻的变化再转换为电压或电流的变化，才能用电测仪表进行测量。
通常采用电桥电路实现微小阻值变化的转换。
（一）直流电桥1、平衡条件
电桥平衡,IL=0,UO=0,则R1R4=R2R3或R1/R2=R3/R4
3
2、电桥电压灵敏度
二）交流电桥的调平方法a）串联电阻调平b）并联电阻调平c）差动电容调平d）阻容调平方法
4、应变传感器在衡器中的应用1、称重传感器2、调零电桥3、测量仪表
电桥2（补偿电桥）串接在应变片传感器的输出和测量仪表之间，通过调节补偿电桥中的电位器W，改变其输出电压U02，用U02来抵消传感器的零点偏移输出电压U01，因此调节W可使传感器在空载时输出电压Uo为零。
4
5、应变式加速度传感器
由端部固定并带有惯性质量块m的悬臂梁及贴在梁根部的应变片、基座及外壳等组成。
是一种惯性式传感器。
测量时，根据所测振动体加速度的方向，把传感器固定在被测部位。
当被测点的加速度沿图中箭头所示方向
时，悬臂梁自由端受惯性力F=ma的作用，
质量块向箭头a相反的方向相对于基座运
动，使梁发生弯曲变形，应变片电阻也发
生变化，产生输出信号，输出信号大小与
加速度成正比。
第三章电容式传感器
优点：
测量范围大、灵敏度高、结构简单、适应性强、动态响应时间短、易实现非接触测量等。
由于材料、工艺，特别是测量电路及半导体集成技术等方面已达到了相当高的水平，因此寄生电容的影响得到较好地解决，使电容式传感器的优点得以充分发挥。
应用：
压力、位移、厚度、加速度、液位、物位、湿度和成分含量等测量之中。
一、工作原理
用两块金属平板作电极可构成电容器，当忽略边缘效应时，其电容C为
A—极板相对覆盖面积；d—极板间距离；
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。
d、A和εr中的某一项或几项有变化时，就改变了电容C0，d或A的变化可以反映线位移或角位移的变化，也可以间接反映压力、加速度等的变化；εr
的变化则可反映液面高度、材料厚度等的变化。
变极距型电容式传感器原理：
改变平行板
间距来进行测量，常设计成Δd在极小范
围内变化；
变极板面积型电容式传感器：
变面积型电容传感器中，平板形结构对极距变化特别敏感，测量精度受到影响。
而圆柱形结构受极板径向变化的影响很小，成为实际中最常采用的结构
5
电容式角位移传感器原理：
当动极板有一个角位移θ时，与定极板的遮盖面积改变，从而改变了两极板间的电容量
圆柱形电容式传感器原理：
初始位置，动、
定极板相互覆盖，动极板发生位移后，电
容量即发生变化
变介质型电容传感器原理：
介质发生位移
改变电容量
第三节电容式传感器的测量电路
三、二极管双T形电路
供电电压是幅值为±Ui、周期为T、占空比为50％的方波。
若将二极管理想化，则当电源为正半周时，电路等效为典型的一阶电路，如图（b）。
其中
当电源为正半周期时，二极管D1导通、D2截止，电容C1被以极其短的时间充电，电容C2通过R2、RL放电。
（b）
当电源为负半周时，其中二极管D2导通、D1截止，电容C2被以极其短的时间充电，电容C1通过R1、RL放电。
电路等效为图（b）。
如果二极管具有相同的特性，且令C1=C2，R1=R2=R，则正半周和负半周流过负载的电流大小相等，方向相反，即一个周期内流过负载的平均电流为零。
如果C1≠C2,输出电压的
f中为电源频率。
输出电压不仅与电源的频率和幅值有关，而且与电容的差值有关。
6
四、差动脉冲调宽电路
又称脉冲宽度调制电路，利用对传感器电容的充放电使电路输出脉冲的宽度随传感器电容量变化而变化。
通过低通滤波器得到对应被测量变化的直流信号。
图中C1、C2为差动式传感器的两个电容，
若用单组式，则其中一个为固定电容，其
电容值与传感器电容初始值相等；A1、A2
是两个比较器，Ur为其参考电压。
第四章电感式传感器
1.变磁阻式传感器属自感式传感器结构：
线圈，衔铁和铁芯组成
原理：
当衔铁移动时，气隙厚度发生变化，从而使磁路中的磁阻发生变化，导致电感线圈的电感值发生变化，可以用来辨别被测量的位移大小。
第一项为铁芯磁阻，第二项为衔铁的磁阻，
第三项为气隙磁阻。
因为第三项远远大于
前两项，可把前两项忽略。
7
2.差动自感传感器：
结构：
利用两只完全对称的单个电感传感器合用一个活动衔铁传感器的两只电感线圈结成交流电桥的相邻桥臂，另两只桥臂有电阻组成。
原理：
初始状态时，衔铁位于中间位置，两边空隙相等，电桥处于平衡状态，当衔铁偏离中间位置向上或向下移动时，造成两边气隙不一样，使两只电感线圈的电感量一增一减。
电桥不平衡，电桥输出电压与衔铁移动大小成正比例，其相位则与衔铁移动量的方向有关，若向下移动，输出电压为正，若向上移动，输出电压为负。
a）b）
图4.1.5差动式电感传感器
a）变间隙型b）变面积型c）螺管型
1-线圈2-铁芯3-衔铁4-导杆c）
2、输出特性
忽略高次项时，差动电桥灵敏度
差动电感传感器输出特
8
互感式传感器
互
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