文档长安大学考研复试传感器资料.docx

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第一章测试的基础知识

一、测试系统包括：

信号的检测和转换、信号调理、信号分析与处理、信号的显示和记录等。

二、测试系统的最重要的三个单元：

传感器、信号调整、显示记录

三、测试系统的基本原则：

1、各环节的输出量与输入量只见应保持一一对应；

2、输出量与输入量呈一定比例（量值大小）；

3、尽量不失真的原则。

四、测试系统的组成框图

第二章信号分析基础

信号的分类：

傅里叶级数的三角函数展开式：

式中

—周期信号基频的角频率，

=

T—信号周期

—傅里叶系数

—常值分量，

，表示信号在一个周期内的平均值

—余弦分量的幅值，

—正弦分量的幅值，

·将式中正弦、余弦项合并，可得

式中

—各频率分量的幅值，

—各频率分量的初相位，

·周期信号的频谱具有如下特点：

1、离散性。

周期信号的频谱是由不连续的谱线组成，每条谱线代表一个谐波分量。

2、谐波性。

频谱中每条谱线只出现在基波频率的整数倍上，基波频率是各分量频率的公约数。

3、收敛性。

各频率分量的谱线高度表示各次谐波分量的幅值或相位角。

工程上常见的周期信号的谐波幅值总的趋势是随着谐波次数的增高而减小的。

这就是傅立叶级数的复指数展开式。

其中为复数傅立叶系数。

第三章测试系统的特性

一、传感器、信号的调理器、记录显示器组成的系统称为测试系统。

二、静态特性：

输入信号x（t）和输出信号y（t）不随时间变化，或者随时间变化但变化缓慢以至可以忽略时，测试系统输入与输出之间呈现的关系就是测试系统的静态特性。

三、测试系统的静态特性指标：

1、灵敏度：

灵敏度是指测试系统在静态测量时，输出增量△y与输入增量△x之比，即

该灵敏度指标也称为系统的绝对灵敏度。

2、

线性度：

理想的测试装置静态特性曲线是条直线，但实际上大多数测试装置的静态特性曲线是非线性的。

实际特性曲线与参考直线偏离的程度称为线性度，用线性误差表示为

3、回差：

在输入量增加和减少的过程中，对于同一输入量会得到大小不等的输出量，在全部测量范围内，这个差别的最大值与标称输出范围之比称回差。

即

δh＝hm/ym×100％

4、漂移和稳定度：

输入量不变时，经过一定的时间后输出量产生的变化叫做漂移。

由于温度变化而产生的漂移称温漂。

测试装置在规定条件下保持其测试特性恒定不变的能力称为稳定度。

漂移小，则稳定度高，反之，稳定度低。

1、周期性信号的频谱具有以下三个特点：

离散性、谐波性、收敛性

2、根据电阻与温度的变化关系不同，热敏电阻分为三类，它们分别是正温度系数（PTC）、负温度系数（NTC）、临界温度系数（CTR）

3、信号频宽的大小与允许误差的大小有关，通常把频谱中幅值下降到最大幅值的1/10的分量所对应的频率作为信号的频宽。

4、频率响应的图形表示法有伯德图、奈奎斯特图、幅频图三种。

5、温度补偿片正常工作的条件是①补偿片不受载荷作用；②与工作片处于同一温度场；③接在相邻桥臂上。

6、测试系统的静态特性是：

当被测量不随时间变化或变化缓慢时，输出量与输入量之间的关系成为静态特性，可以用代数方程表示。

动态特性是：

当被测量随时间迅速变化时，输出量与输入量之间的关系称为动态特性，可以用微分方程表示。

7、差动变压器式传感器是将机械位移量转换成线圈的感应电势变化。

8、电阻应变式传感器的测量电路为直流电桥电路，自感式传感器的测量电路为交流电桥和谐振电路。

9、交流电桥平衡必须满足两个条件：

相对桥臂阻抗之模的乘积应相等，并且它们的阻抗角之和也必须相等。

10、设单片压电元件的电容为C，电荷量为Q，电压为U，

并联时，输出电压U’=U，电容C’=2C，电荷Q’=2Q，适用于测量缓变信号及电荷量输出情号；

串联时，输出电压U’=2U，电容C’=C/2，电荷Q’=Q，适用于测量以电压作输出的信号和频率较高的信号。

11、自感式传感器改变自感的两种方式是：

变气隙式和变面积式

12、光电元件基于三种光电效应工作，它们分别是：

内光电效应、外光电效应和光生伏特效应。

13、热电偶的基本定律：

（1）均质导体定律

两种均质金属组成的热电偶，其电势大小与热电极直径、长度及沿热电极长度的温度分布无关，只与热电极材料和两端温度有关。

由一种均质金属组成的热电偶，即使有温差，也无热电势。

（2）中间导体定律

在热电偶回路中插入第三、四……种导体，只要插入导体的两端温度相等，且插入导体是匀质的，则无论插入导体的温度分布如何，都不会影响原来热电偶热电势的大小。

因此，将毫伏表接入热电偶回路并保证两个结点温度一致，不影响热电偶的输出，可对热电势进行正确测量。

3）中间温度定律

热电偶AB在接点温度分别为T，T。

时的热电势，等于热电偶在接点温度为T、Tn和TO时的热电势的代数和。

即

EAB（T，TO）＝EAB（T，Tn）十EAB（Tn，TO）

（4）标准电极定律

若两种导体A、B分别与第三种导体C组成的热电偶的热电势已知，则导体A、B组成的热电偶的热电势为：

这里C称为标准电极。

铂容易提纯，熔点高，性能稳定，使用中一般是以纯铂作为标准电极。

14、测试系统不失真的物理意义及不失真的条件：

设有一个测试系统，其输出y（t）与输入x（t）满足关系

y（t）=A0x（t-t0）

其中，都是常数。

即该系统为不失真测试系统。

物理意义：

此式表明该测试系统的输出波形与输入信号的波形完全相似，只是幅值放大了A0倍，在时间上延迟了t0而已（如下图所示）这种情况下，我们认为测试系统具有不失真的特性，据此来考察测试系统不失真测试的条件。

若要测试系统的输出波形不失真，则其幅频特性和相频特性应分别满足A（ω）=A0=常数φ（ω）=－t0ω。

A（ω）不等于常数时所引起的失真称为幅值失真，φ（ω）与ω之间的非线性关系所引起的失真称为相位失真。

1、自感式电感传感器结构由铁芯、衔铁、和线圈三部分组成，常用的自感式电感传感器有变面积式、螺管式和差动式三种。

其中变面积式的输出特性呈线性，为了提高传感器灵敏度，增大线性工作范围。

常使用差动式电感传感器。

2、非同期信号的频谱具有连续性特点，联系时域和频域的桥梁为傅里叶变换。

3、常用的压电材料有压电单晶、压电陶瓷和压电薄膜三种。

需要进行极化处理才能作为压电材料，且对于X轴和Y得压电特性是等效的，其是压电陶瓷材料。

压电传感器是把作用力转换为电荷；它最适合于动态信号的测量。

4、热偶电阻是基于热电效应的基本定律分别为中间导体定律、中间温度定律和标准电极定律。

5、数字式传感器中的计量光栅的测量的理论依据是莫尔条纹；为提高分辨能力，提高测量精度可以采用增加刻线密度和细分技术两种方法来实现。

6、半导体光电池传感器是把光能转换为电能；其依据光电效应的光生伏特效应，它属于非接触式信号的测试，根据实际应用中输出量的性质其信号有模拟量与开关量信号之分。

7、若两段式差动变压器的输出电压为：

则

中可用于测量位移的成分项为：

；可用于测量速度的成分项为：

；不可利用的成分项为：

。

15、一阶测试装置的单位阶跃响应函数及其曲线的性状及时间常数的意义：

在初始条件为零（即输入和输出均为零）时，给系统输入单位阶跃信号是的输出信号称为单位阶跃响应。

若静态灵敏度为S=1，由，则可求出一阶系统的单位阶跃响应函数为：

一阶系统单位阶跃响应的特点：

①单位阶跃响应函数是一条曲线。

响应输出随着时间的延长而增大，符合指数规律，最终趋近于稳态值。

②指数曲线的变化率取决于时间常数。

起始点的斜率为。

当时，输出达到稳态值的98%，故以作为衡量系统响应速度的指标。

16、差动式自感传感器的工作原理：

这是两个变气隙式自感传感器的组合

当公用铁心位于中间位置时，，由于采用差动连接，电感变化量为。

传感器输出电感为零。

电感式传感器的工作原理：

它是利用电磁感应原理，通过线圈自感和互感的变化，实现非电量电测。

分类：

按工作原理分为自感式、互感式和电涡流式三种。

自感式电感传感器原理图如下：

互感式传感器（差动变压器）工作原理：

传感器主要由线圈、铁芯和活动衔铁三个部分组成。

线圈包括一个初级线圈和两个反接的次级线圈，当初级线圈输入交流激励电压时，次级线圈将产生感应电动势e1和e2。

电涡流式传感器工作原理：

下图所示为高频反射式涡流传感器工作原理。

金属板置于一只线圈的附近，它们之间相互的间距为为δ，当线圈输入一交变电流i时，便产生交变磁通量Φ金属板在此交变磁场中会产生感应电流i1，这种电流在金属体内是闭合的，所以称之为“涡电流”或“涡流”。

涡流的大小与金属板的电阻率ρ、磁导率μ、厚度h，金属板与线圈的距离δ，激励电流角频率ω等参数有关。

该涡流产生的交变磁场又反作用于线圈，引起线圈自感L或阻抗ZL的变化。

压电式加速度传感器原理图：

当传感器随振动体振动时，压电晶片将受到质量块的惯性力作用而产生压电效应，其两端面上将产生数量相等，极性相反的电荷。

电荷Q的大小与作用力F成正比。

根据牛顿定律：

F=ma，而可见，压电传感器的输出电压与加速度成正比。

压电效应：

某些物质（物体），如石英、铁酸钡等，当受到外力作用时，不仅几何尺寸会发生变化，而且内部也会被极化，表面上也会产生电荷;当外力去掉时，又重新回到原来的状态，这种现象称之为

逆压电效应：

如果将这些物质（物体）置于电场中，其几何尺寸也会发生变化，这种由外电场作用导致物质（物体）产生机械变形的现象，称之为或称之为电致伸缩效应

光敏电阻的工作原理

光电导效应：

半导体材料在光线照射下,自由电子吸收光子能量从束缚状态变成自由状态，载流子浓度增大，导电性增强，电阻值减小。

热电变换原理：

把两种不同金属导体接成闭合回路，如果两端温度不同（设T＞TO），则在回路中就会产生热电势。

这种由于温度不同而产生电动势的现象，称为热电效应。

若两端的温差越大，产生的热电势也越大。

通常把上述两种不同导体的组合称为热电偶，称A、B两导体为热电极。

两个接点中，一个为工作端（或称为热端）T，测温时将它置于被测温度场中；另一个叫自由端（或称为冷端）TO，一般要求冷端恒定在某一温度。

热电偶回路中，所产生的热电势由接触电势和温差电势两部分组成。

由导体A和B组成的闭合回路,当两个结点的温度T＞T0时,回路的总热电势为两个结点的接触电势和两个导体的温差电势的代数和，即:

式中：

T，T0---结点处的绝对温度；

K--------波耳滋曼常数（关于温度及能量的物理常数）；

e---------电子电荷量；

---导体A和B的自由电子密度；

---温差系数，与导体材料和温度有关。

非接触式测温工作原理：

热辐射原理。

任何物体的温度高于绝对零度（-273。

15°C），都有一部分能量向外辐射，温度越高，辐射能量越大。

辐射能量是以电磁波的形式向外传递的。

包括β射线，X射线，紫外线，可见光，红外线等。

其中红外线和可见光可以转变为热能。

利用红外辐射和可见光测量温度的方法称为热辐射测温。

热电偶测温基本线路

（a）测单点温度；（b）测两点温差；（c）测平均温度；（d）测多点温度之和。

CCD固态图象传感器

将光的二维图象变成电信号的二维光电传感器称为图象传感器。

有摄像管和固态图象传感器两种。

固态图象传感器是高度集成的半导体光电传感器。

在一个器件上可以完成光电信号转换、传输和处理。

其核心是电荷转移器件，最常见的是电荷偶合器（CCD）。

⑴CCD的结构原理

CCD的基本组成是光敏元件阵列