传感检测技术知识点总结仅供参考.docx

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传感检测技术知识点总结仅供参考

《传感与检测技术》考试总结

20121030

第一章：

概论（P1）

1.1静态特性（P6）：

在稳态信号作用下，传感器输出量与输入量的关系，主要指标（线性度，精度，灵敏度，重复性）。

1.1.1线性度（P6）：

研究传感器线性特性时，有三种特殊情况（图）：

①理想特性曲线

②仅有偶次非线性项时，特性曲线没有对称性，可取的线性范围较小，传感器设计应该避免出现这种曲线

③仅有奇次项时，以原点为对称点，可获得较大的线性范围，差动传感器就具有这样的特性

拟合直线（P8）：

“线性化”是指用割线或切线近似地代替实际曲线的一段，是能反映校准曲线的变化趋势且使误差的绝对值最小的直线，大多采用端点连线法得到拟合直线

线性度公式（P8）：

=

指非线性误差，即线性度；

指满量程输出量，

指最大非线性绝对误差，

1.1.2灵敏度（P8）：

指传感器在稳态下输出增量对输入量之比值，对于线性传感器系统,灵敏度就是拟合直线的斜率，是个常数,公式:

对于非线性传感器系统，灵敏度不是常数，公式：

1.1.3重复性（P9）：

是指传感器在输入量按同一方向做全量程连续多次测试时所得输入输入曲线不重合程度，是反映精密度的一个指标，产生原因与迟滞性基本相同，重合性越好，误差越小

公式：

——重复性误差；

——标准误差

1.1.4精度（精确度）（P10）：

反映传感器系统误差和随机误差的综合误差指标，即准确度和精密度的综合偏差程度，习惯上以满度（或引用）相对误差表示精度，公式：

，

——在规定范围内的最大绝对误差，去掉“%”所得

的值就是仪表的精密等级，如0.05级，0.1级

1.2动态特性（P10）：

反映传感器对于（随时间变化的输入量）的响应特性，为了记录波形参数，传感器要有较好的动态响应特性。

1.2.1数学模型（P10）：

通常以线性时不变系统来描述传感器的动态特性，就是用常系数微分方程建立传感器输出量y与输入量x之间的数学关系,公式：

线性时不变系统有两个十分重要性质：

叠加性和频率保持性，频率保持性指线性系统稳态响应时输出信号的频率与输入信号的频率保持相同

1.2.2时域特性（P11）

1.2.2.1一阶传感器单位阶跃响应（P11）:

1.2.2.2时域特性指标（P13）：

①时间常数τ——一阶传感器输出量上升到稳态值的0.632倍所需要的时间，τ越小，稳态响应时间越短

②上升时间tr——传感器输出量由稳态值的1/10（或1/20）上升到稳态值的90%（95%）所需要的时间

③延迟时间ts——传感器输出量达到稳态值的50%所需时间

④超调量σ——传感器输出的最大值与稳态值的偏差，公式：

；

y（tp）——输出的最大值；y（

）——输出的稳态值

1.2.3频域特性

1.2.3.1一阶传感器的正弦响应（P14）

1.2.3.2频域特性指标（P15）：

①通频带：

传感器输出量保持在一定值（幅频特性曲线上相对于幅值衰减3dB）内所对应的频率范围；

②工作频率：

传感器输出幅值误差在±5%（或±10%）所对应的频率范围

③相对误差：

在工作频带范围内输出量的相位偏差，应小于5°（或10°）

1.3测量误差分析基础

1.3.1.1系统误差（P18）是指服从于某一确定规律（定值或规律性变化值）的测量误差，产生原因有以下4方面，是可预知的：

①测试环境没有达到标准

②测试仪表不够完善

③测试电路的搭建或系统的安装不正确

④测试人员的不良操作或视觉偏差

1.3.1.2系统误差消除方法（P19）：

系统误差是产生测量误差的主要原因，消除或减小系统误差是提高精度的主要途径。

有四种主要方法：

①引入修正值：

当系统误差为恒值时，修正值是一个定值；

当系统误差为变差时，修正值是一个数表或者曲线或者修正计算式。

②对称法：

对于线性系统误差，若选定某一时刻为中心，则对应此点的两个对应时刻的系统误差算术平均值相等，利用这一特点，在实时测量时，取各对称点两次测量值的算术平均值即可

③替代法：

在相同测量条件下，用可调的标准器具替代被测量接入检测系统，调节标准器具至使检测系统的指示值与被测量接入时相同，此时标准器具的读数就是被测量。

④对照法：

通过改换被测量在检测电路中的位置而进行两次测量，将两次结果进行对照并进行处理以获得被测量的实值，也称为换位法

1.3.2.1随机误差（p19）:

是具有随机变化特性的测量误差。

这种误差是由一些偶尔的未知因素造成的，因而误差具有偶发性和分散性，但在多次测

量时出现的随机误差服从于大数统计规律。

用精密度表示随机误差的大小如果随机误差和系统误差都非常小，说明测量结果精确度高，

因而测量精度包括测量的准确度和精密度

1.3.2.2随机误差的处理（P21）

1.3.2.2.1随机误差的正态分布,随机误差有如下四条特征：

1对称性：

绝对值相等的正负误差出现的概率相同

2有界性：

绝对值很大的误差几乎不出现，随机误差的绝对值不会超出某个界限

3单峰性：

绝对值小的误差出现的次数多，绝对值大的误差出现的次数少。

4抵偿性：

随测量次数增加，随机误差的代数和趋于零，也就是正负误差相互抵消

随机误差数学表达式（P22）：

从方程中可以看到，服从正态分布的随机变量其概率密度一定由高斯方程描述。

1.3.2.3算术平均值和方均根误差（P22）：

①算术平均值：

，可以用剩余误差

代替测量值与被测量真值之差

②方均根误差又称标准误差

：

，实际测量中随机误差

无法获得。

此时只能用残差Vi代替随机误差来计算方均根误差，称为方均根误差的估计值

，即：

称为贝塞尔（Bessel）公式

③测量次数的确定：

只有当测量次数n>30时，才能按照正态分布规律分析随机变量的统计性质，但是一个被测量在无系统误差和粗差的情况

下测量30次比较困难，而且由BESSEL公式看到，n>15时，

趋于稳定，所以测量次数一般取n=10~20即可

第二章：

电阻应变传感器（P27）

电阻应变传感器由弹性元件，电阻应变片，和测量电路组成，弹性元件感受被测量的变化，并将被测量的变化转换为弹性元件表面应变；电阻应变片粘贴在弹性元件上，将弹性元件的表面应变转换为应变片电阻值的变化；然后通过测量电路将应变片电阻值的变化转化为便于输出测量的电量，从而实现非电量的测量

2.1金属电阻应变片

2.1.1金属丝电阻应变效应（重点敏感系数）（P28）推导如下：

；[1]

取对数得

;[2]

取微分得

;[3]

导体截面半径r,则S=πr*r,dS=2πrdr;

=

;[4]

导体纵向（轴向）应变量为

横向（径向）应变量为

，则

；[5]

式中

为导体的泊松比，它表示导体的横向应变量与纵向应变量成正比，但是变形方向相反；

④和⑤代入②得，

；[6]

引入应变灵敏系数

，化简⑥得

；[7]

式中

决定于导体几何形状发生的变化，

决定于导体变形后所引起的电阻率的变化；

Ks的物理含义是单位纵向应变引起电阻的相对变化量，即

或者

；[8]

当金属丝制成敏感栅时，灵敏系数不仅取决于金属导体材料本身的灵敏系数Ks,而且还与敏感栅的横向效应，粘结剂以及粘贴工艺等因素有关，因而实际的电阻应变片灵敏系数K略小于Ks,产品上所标注的为平均值。

2.1.2金属丝电阻应变片基本特性（P30）

①机械滞后：

在恒温下，应变片受力后，内部会产生不可逆转的残余变形，致使应变片在加载和卸载时出现一定的差值，此差值称为机械滞后，也会使灵敏系数下降

②蠕变：

应力在粘胶层中传递出现滑动现象，胶层越厚，滑动越严重，此现象为蠕变，将引起灵敏系数下降。

所以要选用同型号优质粘结剂，并且粘结层要薄而均匀

③温漂：

由于物质内部热激发引起的热输出而出现温漂，是导致灵敏系数变化的主要因素，要采取相应温度补偿措施。

④横向效应：

直线金属丝受纵向拉伸时，丝上各段所感受的应力（stress）应变是相同的，因而每段的伸长也是相同的，金属丝总电阻的增加等于各段电阻增加的总和。

但将金属丝烧成敏感栅后，在同样的拉伸力作用下，沿拉伸力方向的直线段仍感受到纵向应变而拉伸，但弯曲的圆弧段在感受纵向拉应变的同时，也感受到与纵向拉应变相反的横向压应变，称为横向效应，且弯曲半径越大横向效应越严重，致使电阻的增加值减小，应变片灵敏系数降低.

2.2.1半导体电阻应变片（P31），灵敏度是金属应变片的50~80倍，尺寸，横向效应，蠕动，机械滞后，相比下都小点，更适用于动态测量

2.2.2半导体应变片的压阻效应（P31半导体的电阻率随所受的力改变而改变。

不同的半导体压阻效应不同，受力方向不同时，压阻方向也不同

公式类似于金属应变片灵敏系数公式[7]:

;[9]

π——半导体晶体纵向压阻系数；E——半导体晶体弹性模量；

式子里

是由纵向应变而引起应变片几何形状的变化，金属电阻应变灵敏系数主要由此项决定；

式子里πE是因纵向力所引起的压阻效应，半导体电阻应变系数主要由πE决定，一般πE比（1+2

）大近百倍，

所以

【10】，其应变灵敏系数为：

;【11】

第三章：

电感传感器（P46）

3.1.1电感传感器:

利用线圈的自感和互感的变化实现非电量的测量，分为自感式，互感式，和涡流式，灵敏度高，精度好，线性度好。

3.1.2测量原理（P47）：

3.1.3自感式传感器:

①变气隙长度：

（P47）,具有较高灵敏度，但是线性度差。

公式：

;[12]

——单个气隙的长度

②变气隙截面积：

灵敏度低，工程上广泛采用两线圈的自感传感器。

公式：

；【13】

3.1.4涡流传感器的径向密度（P61）：

①涡流传感器的径向密度与传感线圈的外径有一定的比例关系，电涡流的径向分布是不均匀的，当涡流半径r等于线圈外圆半径R时，密度最大；而后随着涡流半径的增大或者减小，密度都显著下降，当r↓=0或者r↑=2.5R时，密度均趋于0

②电涡流的径向密度与传感线圈对被测体的间距δ成反比。

当间距δ=0时，电涡流的密度最大而后随着间距的增加，密度显著下降，当δ↑=R时，电涡流下降到最大值的30%

第四章：

压电传感器（P110）

4.1压电效应：

某些电介质当沿某一方向对其施力使其变形时，在介质内部将产生极化现象，而在介质的两个表面会产生数量相等，符号相反的电荷，形成电场，外力去掉后，回到不带电状态；外力方向改变时，极性方向随之改变，这种效应为压电效应，相反，在电介质极化方向施加电场时，电介质会发生变形，这种效应称为逆压电效应，或者电致伸缩效应，大多数具有压电效应的材料因为效应太微弱而没有实用性，具有良好压电效应的电介质有压电陶瓷和石英晶体

4.2压电传感器测量电路（P116）：

（多次强调前置放大器），此电路具有很大的内阻而输出电信号非常微弱，在做非电测量时，为了提高敏感

度和测量精度，通常取许多片压电材料组成一个压电敏感元件，且压电输出信号应接高输入阻抗的前置放大器

第五章：

光电传感器（P144）

5.1光电效应分三类:

（③属于外光电效应，①和②属于内光电效应）

1光电导效应——光照改变电导体的导电率，从而改变电阻，光敏电阻属于这类

2光生伏特效应—光照改变半导体PN结电场，引起PN结电势变化，又称为PN结光电效应，光电池，光敏晶体管属于这类光电效应器件，

3光电发射效应—某些物质在光的照射下，能从表面向外部发射电子的现象，称之为光电发射效应，利用此技术的有光电管和光电倍增管

5.2常见光敏器件的的基本外特性

5.2.1光敏电阻（P145）

5.2.2光敏二极管和三极管的区分（重点）（P150）：

5.3光栅传感器（P158）:

用于测位移的光电传感器，光透过光栅