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任课教师签字：___________ 华北电力大学研究生结课作业
学年学期：2013-2014第一学期
名称：传感与检测技术
学生姓名：张文正
学号：2132215061
提交时间：2013年11月6日
《传感与检测技术》结课报告
一、传感与检测技术的发展及现状
1、传感器的现状
传感器（英文名称：transducer/sensor）是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。
传感器产品的门类品种繁多，用于流程工业的主要有：温度传感器、压力传感器、重量传感器、流量传感器、液位传感器、氧敏传感器,各种力敏传感器、气敏传感器、分析仪表等，用于机械工业的还有：开关类的接近/定位传感器、安门开关等安全传感器、旋转编码器、视觉传感器、速度传感器、加速度传感器等。
目前国内传感器共分10大类，24小类，6000个品种。而国内品种更多，如美国约有17000种传感器，所以我国发展传感器品种的领域很宽广。
中国传感器的市场近几年一直持续增长，增长速度超过15%，2003年销售额为186亿元，同比增长32.9%；而世界非军用传感器市场1998年为325亿美元，平均增长率为9%，预计2008年将增加到506亿美元。2003年中国传感器应用四大领域为工业及汽车电子产品、通信电子产品、消费电子产品专用设备，其中工业和汽车电子产品占市场份额的33.5%。由于改革开放，我国巨大的市场，引来了各国厂商如西门子、横河、霍尼韦尔、欧姆龙、邦纳等公司，这为最终用户和工业设备制造厂带来了很大的便利，而国内传感器和检测仪表生产虽有发展，但这远不能跟上形势的要求。各国传感器生产和研发的规模在不断扩大，美国约有1300家生产和开发传感器的厂家，100多个研究院所和院校，日本有800家厂商。我国近年建立了传感器技术国家重点实验室、微米/纳米国家重点实验室等研发基地，初步建立了敏感元件和传感器产业，2000年总产量超过13亿只，目前我国已有1688家从事传感器的生产和研发的企业，其中从事MEMS研制生产的已有50多家，到“十五”末期，敏感元件和传感器年总产量已达到20亿只。
传感器技术包括敏感机理、敏感材料、工艺设备和计测技术四个方面，约有
30多种技术。随着微电子技术的发展，传感器技术发展很快，我国研发的力量尚需大量投入，特别要加强具有自主知识产权的传感器的开发、科研成果的转化及传感器生产产业化问题，在我国更是迫在眉睫的问题，在批量生产情况下，控制传感器产品性能(主要是稳定性、可靠性)，使之合格率很高，就需要有先进的制造工艺和自动化水平很高的工艺设备，我国应在开发专用工艺设备上下功夫，解决传感器生产产业化的“瓶颈”问题；在传感器的应用上，特别是新型传感器的应用上，还没大力推广，改革开放创造了有利条件，各种工业设备应用了先进的传感器，这扩大了传感器市场，也使我国新型传感器生产产业化有了动力。
我国在传感器生产产业化过程中，应该兼顾引进国外技术和自主创新两方面。在引进国外先进技术中，可以提高自己的技术，同时也满足了国内市场的需求，形成了传感器生产产业规模。如横河公司最近发布的EJX多变量变送器，就是个可以考虑引进技术的例子，它精度高(0.025%)、智能化程度高，采用现场总线技术，由于能把质量流量、介质压力及导管堵塞、诊断、蒸气伴热诊断和孔板磨损情况等多种变量和信息经现场总线传输给中央控制室；对保证生产和提供设备维护信息、保证安全运行都很有利，这种新型变送器的发展，配合了自动化系统管控一体化的变革，只有信息源头能力强了，信息丰富了，才能使信息化更好促进生产力发展。
2、传感器的发展趋势
当前技术水平下的传感器系统正向着微小型化、智能化、多功能化和网络化的方向发展。今后，随着CAD技术、MEMS技术、信息理论及数据分析算法的继续向前发展，未来的传感器系统必将变得更加微型化、综合化、多功能化、智能化和系统化。在各种新兴科学技术呈辐射状广泛渗透的当今社会，作为现代科学“耳目”的传感器系统，作为人们快速获取、分析和利用有效信息的基础，必将进一步得到社会各界的普遍关注。
（一）、利用新发现的现象、效应。传感器本来就是基于一系列效应制造出来的，目前应用的效应很多，比如压电效应、压阻效应等等，还有一些效应是我们未知的，等着我们去认识；
（二）、采用高新技术。随着计算机、电子技术以及制造加工技术的发展，传感器也进入高速发展时期，这些技术都是开发和设计传感器的基础。高科技含
量的传感器是未来产业化的一个方向。
（三）、新材料的开发。传感器的感应元件、传感器保护的基础都是各种材料，随着人们对新材料性能的掌握，将大大促进传感器的发展。近年，广泛应用的材料有陶瓷、光纤、高分子有机材料等。
（四）、不断提高传感器的性能。影响传感器的性能因素很多，有系统的，还有检测的。随着检测技术跟精密制造的发展，这方面也将得到大大提高。
（五）、传感器应用的扩展。物联网的横空出世，传感器应用也在不断拓展。近些年，地震灾害、海啸灾害、食品危机不断，对研究人员来说，也是个挑战，开发出各种传感器检测这些现象的发生，及早预警。
（六）、传感器的集成化和多功能化。以前的传感器一般只能检测一种物理量，一个系统光传感器就需要很口。现在，已经出现了多功能和集成化的传感器，比如温湿度和检测各种气体的集成传感器，这也将是以后发展的一个趋势。
（七）、微型与低功耗化。有些精密仪器或设备，体积本身就小，还需要接上各种传感器进行感知和控制，这也对传感器提出了更高的要求。
二、传感器的分类与应用
根据各个传感器的不同工作原理，结构和材料的区别，可以将传感器分为如下几类：力学量传感器、温度传感器、磁敏传感器、光敏传感器、光纤传感器、气，湿敏传感器、离子敏，生物敏传感器、压电传感器与SAW传感器等。
1）力学量传感器
又称为力敏传感器，其所实现的物理量的测量都与机械应力有关。
包括以下三类：
a.几何学量，如位移、形变、长度、距离、位置、尺寸（长宽高）、厚度、
深度等有长度量纲的量，以及角度、角位移等有角度量纲的量。
b.运动学量，如速度、加速度、角加速度、是集合学量的时间函数。
c.力学量，指质量、力、力矩、应力、压力等狭义的力学量。
力学量传感器的种类繁多，如电阻应变片压力传感器、半导体应变片压力传感器、压阻式压力传感器、电感式压力传感器、电容式压力传感器、谐振式压力传感器及电容式加速度传感器等。
而压力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器，其广泛应用于各种工业自控环境，涉及水利水电、铁路交通、智能建筑、生产自控、航空航天、军工、石化、油井、电力、船舶、机床、管道等众多行业
2）温度传感器
温度是一个状态量，从超低温到超高温，测量范围极宽，测量对象涉及到许多方面。温度传感器主要用于检测发动机温度、吸入气体温度、冷却水温度、燃油温度以及催化温度等。温度用传感器有热电势式测温传感器、金属测温电阻器和半导体温度传感器和集成温度传感器。
3）磁敏传感器
磁敏传感器是伴随着测磁仪器的进步而逐渐发展起来的。在众多的测磁方法中，大都将磁场信息变成电信号进行测量。在测磁仪器中“探头”或“取样装置”就是磁敏传感器。包括霍尔器件传感器、磁阻元件传感器、磁敏二极管和磁敏三极管。
随着信息产业、工业自动化、交通运输、电力电子技术、办公自动化、家用电器、医疗仪器等的飞速发展和电子计算机应用的普及，需要大量的传感器将所测量和控制的非电参量转换成可以与计算机兼容的电信号，作为输入信号，这就给磁敏传感器的快速发展提供了机遇和应用渠道。
4）光敏传感器
光敏传感器是把光信号转换为电信号的传感器，其种类极多，包括光电导型传感器、光电二极管、光敏晶体管、色敏传感器、CCD图像传感器、红外热释电式光敏器件等。它们共同的特点是响应速度快，易于实现非接触测量，非常适于与计算机接口。
光敏传感器广泛应用于自动控制、航空、航天、广播电视等许多领域。如果把计算机比喻为人的大脑，那么光敏传感器则是人的眼镜。
5）光纤传感器
按照光纤在传感器中的应用，把光纤传感器系统分为功能型和非功能型两种。
光纤传感器由于极高的灵敏度和精度，固有的安全性，良好的抗电磁
场干扰能力，高绝缘强度以及耐高温、耐腐蚀、轻质、柔韧、宽频带等优点受到了广泛的重视。在机械、电子仪器仪表、航空航天、石油、化工、生物医学、环保、电力、冶金、交通运输、轻纺、食品等国民经济各领域的生产过程自动控制、在线检测、故障诊断、安全报警以及军事方面有着广泛的应用。
6）气、湿敏传感器
气、湿敏传感器主要包括可燃性气体传感器、氧传感器、化学传感器以及湿度传感器等。
A.气敏传感器
关于气敏传感器的应用，其检测对象主要包括三个方面：
(1)可燃性气体造成的火灾或爆炸；
(2)有毒气体造成的中毒；
(3)空气中的惰性气体含量过高造成的窒息。
B．湿敏传感器
空气的湿度对工农业生产和人类的生活有着密切的关系。湿度传感器可以用于测量绝对湿度、相对湿度、露点温度、比湿度和饱和度等。可用于检测水质（酸碱度、浊度、色度、PH值）、检测水中的农药毒物，有害微生物和大气中的有毒物质。
7）离子敏、生物敏传感器
a.随着科学技术的发展，离子敏传感器在生物学、床医学、化学、环境保护等领域要求快速、准确地检测各种离子（如钾、钠、钙氯、PH等）的活度显得越来越重要。
b.人们把用固定化的生物体成分（酶、抗原、抗体、激素）或生物体本身（细胞、细胞器、组织）作为敏感元件所构成的传感器称为生物敏传感器。如今，生物敏传感器已在医学诊断、生物化工、发酵与食品工业生产过程和生态环境的监测与控制方面得到了相对成熟的应用。
8）压电传感器与SAW传感器
a.压电传感器的压电元件是利用材料的压电效应制成的，当有力作用在压电材料上时，传感器就有电荷（或电压）输出。其可应用于力的测量（加速度），
微观过程质量检测或性状检测（介电常数、电阻率、密度…），使用于电化学过程（可达到ng质量）、生物医学以及有机化学。
b.声表面波SAW是在任何固体上都会发生的现象，在IDT发明之后，大大加速了声表面波技术的研究，使SAW技术逐渐发展成一门新兴的声学与电子学相结合的边缘学科。现在SAW技术已经在地震学、天文学等领域取得了迅速发展，并在雷达、卫星、彩电、计算机等电子学领域得到了广泛的应用。
三、关于光纤传感器的调研
光纤传感器由于极高的灵敏度和精度，固有的安全性，良好的抗电磁场干扰能力，高绝缘强度以及耐高温、耐腐蚀、轻质、柔韧、宽屏带等优点受到了广泛的重视。在机械、电子仪器仪表、航空航天、石油、化工、生物医学、环保、电力、冶金、交通运输、轻纺、食品等国民经济各领域的生产过程自动控制、在线监测、故障诊断、安全报警、以及军事方面有着广泛的应用。
通常，按照光纤在传感器中的应用，把光纤传感器系统分为两种类型：功能型（或称传感型、探测型）和非功能型（或称传光型、结构型、强度型、混合型）。
1）在功能型光纤传感器中，光纤不仅起传光作用，有事敏感元件，即光纤本身同时具有“传”与“感”两种功能。功能型光纤传感器是利用光线本身的传输特性受被测量的作用而发生变化，使光纤中波导光的属性（光强、相位、偏振态、波长等）被调制这一特点，而构成的一类传感器。其中有光强调制型、相位调制型、偏振态调制型和波长调制型等。
优点：结构紧凑、灵敏度高。缺点：须用特殊光纤，成本高，典型例子：光纤陀螺、光纤水听器等。
图1 功能型传感器的工作方式
此类传感器的产品实例：
A.光线压力传感器，如图2所示。
图2 光线压力传感器
其原理是利用光线的微弯损耗效应。微弯损耗效应是光线中的一种特殊的光学现象，它的主要敏感元件是一对齿形波纹板和一根光纤，光纤穿过波纹板夹缝，在波纹板感受压力P的作用下而产生微小位移时，波纹板中间的光纤便处于微变效应状态。微弯产生，传输损耗发生，其变化量与压力有关。压力越大，光纤变形弯曲越大，光损耗越大。因此可用其输出光照度变化量来确定感受压力的变化量。可见光纤不仅传光，而且还能感受到被测压力的变化。这种传感器不仅可以检测压力。也可测量微位移、应变等参量。因此称之为结构型传感器。光纤压力传感器能够准确检测出压力的变化，并且安全性好，适用于一些有害、易燃、易爆液体压力的测定，也可为医用原始设备制造商设备设计，非凡的测量性能非常适合血管、子宫或颅腔的压力监测。
B．光纤位移传感器
反射式光强调制测量位移由光纤输出的光照射到反射面上发生反射，其中一部分反射光返回光纤，测出反射光的光强，就能确定反射面位移情况。这种传感器可使用两根光纤，分别作传输发射光及接收光用；也可以用一根光纤同时承担两种功能。为增加光通量可采用光纤束，此方法测量范围在9 mm以内，其光强调制的示意如下图所示。
图3 光纤位移传感器测量位移
图4 光纤位移传感器测量曲线
2）非功能型光学传感器中，光纤不是敏感元件。它是在光纤的端面或在光纤中间放置光学材料、机械式或光学式的敏感元件来感受被测量的变化。在这种情况下，光纤只是作为传输光信息的通道。将光束传输到光电元件和检测电路，
被测对象的“感觉”功能则依靠其他敏感元件来完成。如图5所示。
图5 非功能光纤传感器
优点：无需特殊光纤及其他特殊技术；比较容易实现，成本低。缺点：灵敏度较低。
此类传感器的产品实例：
A．光纤报警器，如图6所示。
图6 光纤报警器
其原理是当水银柱尚未升到预定的报警温度限时，由光源来的光能通过温度计而达到与之对应的光纤，当水银柱升到预定的报警温度限时，由于水银柱的上升挡住了光纤通道的光，由信号处理装置发出声光报警信号。可见这类传感器中光纤不仅作为光传输导体，而且其本身又具有测量功能，可直接用光纤作为敏感元件，通过测量光强和相位的变化来测量外界的被测物理参数，如应变、温度、压力、电压、电流、磁场等。
B．光纤高温测量系统
图7 光纤高温测量系统
测量时，测量光纤插入钢水内部约40 cm 深。光纤可采用金属套层光纤，光纤插入钢水瞬间，光纤被烧蚀，端面形成半圆形凹面，这时，在金属套层被烧蚀前，光纤最前端可近似视为黑体。在测量段光纤被烧蚀前，钢水测量点处的温度可传出。钢水内部温度通过对光纤端面的辐射由光纤传输到光电转换及单片机处理系统。
三、 波长调制型光纤温度传感器
温度传感器是最早开发、应用最广的一类传感器。但真正把温度变成电信号的传感器是由德国物理学家赛贝发明的，就是后来的热电偶传感器。50年以后，德国人西门子发明了铂电阻温度计。在半导体技术的支持下，本世纪相继开发了包含半导体热电偶传感器在内的多种温度传感器。与之相应，根据波与物质的相互作用规律，相继开发了声学温度传感器、红外传感器和微波传感器。
而光纤自20世纪70
年代问世以来，随着激光技术的发展，从理论和实践上2221211222111111(,)ln 5ln ln 5ln (,)C C T L T B L T λλλλλλλλλλ????-- ? ?????==??????-- ? ?????????
利用辐射式测温原理，测温公式为：
都已证明光纤具有一系列的优越性，光纤在传感技术领域中的应用也日益受到广泛重视，随着科学技术的发展，涌现了许许多多的光纤温度传感器，并且可以预料，在新技术革命的浪潮中，光纤温度传感器必将得到广泛的应用，并发挥出更多的作用。
光纤温度传感器的基本工作原理是将来自光源的光经过光纤送入调制器，待测参数温度与进入调制区的光相互作用后，导致光的光学性质(如光的强度、波长、频率、相位等)发生变化，称为被调制的信号光。再经过光纤送入光探测器，经解调后，获得被测参数。
光纤温度传感器种类很多，但概括起来按其工作原理可分为功能型和传输型两种。功能型光纤温度传感器是利用光纤的各种特性(相位、偏振、强度等)随温度变换的特点，进行温度测定。这类传感器尽管具有传、感合一的特点，但也增加了增敏和去敏的困难。传输型光纤温度传感器的光纤只是起到光信号传输的作用，以避开测温区域复杂的环境。对待测对象的调制功能是靠其他物理性质的敏感元件来实现的。这类传感器由于存在光纤与传感头的光耦合问题，增加了系统的复杂性，且对机械振动之类的干扰比较敏感。
1.波长调制型光纤传感器的介绍
波长调制型光纤传感器：被测场或参量与敏感光纤相互作用，引起光纤中传输光的波长改变，进而通过测量光波长的变化来确定北侧参量的传感方法。
光纤光栅传感器是一种典型的波长调制型光纤传感器。基于光纤光栅的传感过程是通过外界参量对布拉格中心波长B λ的调制来获取传感信息，其数学表达式为：
2B eff n λ=Λ
式中：eff n 为纤芯的有效折射率；Λ是光栅周期。
这是一种波长调制型光纤温度传感器，它具有一下明显优势：
（1）抗干扰能力强。由于光纤传感器是利用光波传输信息，而光纤又是电绝缘、耐腐蚀的传输介质，因而不怕强电磁干扰，也不影响外界的电磁场，并且安全可靠。这使它在各种大型机电、石油化工、冶金高压、强电磁干扰、易燃、易爆、强腐蚀环境中能方便而有效地传感，具有很高的可靠性和稳定性。
（2）传感探头结构简单，体积小，重量轻，外形可变，适合埋入大型结构中测量结构内部的应力 、应变及结构损伤，稳定性、重复性好，适用于许多应用场合，尤其是智能材料和结构。
（3）测量结果具有良好的重复性。
（4）便于构成各种形式的光纤传感网络。
（5）可用于外界参量的绝对测量。
（6）光栅的写入技术已经较为成熟，便于形成规模生产。
（7）轻巧柔软，可以在一根光纤中写入多个光栅，构成传感阵列，与波分复用和时分复用系统相结合，实现分布式传感。
由于以上优点，光纤光栅传感器在大型土木工程结构、航空航天等领域的健康检测以及能源化工等领域得到了广泛的应用。但是它也存在一些不足之处。因为光纤光栅传感的关键技术在于对波长漂移的检测，而目前对波长漂移的检测需要用较复杂的技术和较昂贵的仪器或光纤器件，需大功率的宽带光源或可调谐光源，其检测的分辨率和动态范围也受到一定的限制等。
光纤布拉格光栅无疑是一种优秀的光纤传感器，尤其在测量应力和应变的场合，具有其它一些传感器无法比拟的优点，被认为是智能结构中最有希望集成在材料内部，作为检测材料的结构和载荷，探测其损伤的传感器。
2.传感设计
根据耦合模理论，光纤布拉格光栅的中心反射波长可以表示为：
2B eff n λ=Λ
式中 eff n 为导模的有效折射率，Λ为光栅的周期。由(1)式可以看出，中心反射波长B λ与有效折eff n 射率 和光栅周期Λ有关；有效折射率eff n 和光栅周期Λ会随着温度、压力、应变的变化而变化，从而根据中心反射波长的变化量来测量温度，压力，应变等变化量。
当光纤光栅受到轴向外力及温度的影响时，其光栅周期Λ和纤芯折射率
eff
n 将会发生变化，光纤光栅反射波长也会发生变化。其关系式为： 22B eff eff n n λ?=?Λ+?Λ
对于(2)式，假设仅有温度变化时，由热膨胀效应引起的光栅周期变化为 ：
=T α?Λ?Λ?? (3)
式中?为光纤的热膨胀系数。热光系数引起有效折射率变化为：
=eff eff n n T ξ???? (4)
式中ξ 为光纤的热光系数，表示折射率随温度的变化率。因此可得光纤布喇格光栅的温度灵敏度系数：
B T B
K T λαξλ?==+?? (5) 对于普通的光纤光栅，比如掺锗石英光纤，60.510/o C α-=? ，
67.010/o C ξ-=?， 可以估算出常温下光纤光栅的温度灵敏度系数大约为
67.510/o C -?。
由数据可见，若要把光纤光栅应用于实际的传感，必须对光纤光栅的灵敏度进行温度增敏，增加光纤光栅对温度的灵敏度，方法一般都是对光纤光栅进行封装。对于封装后的光纤光栅传感器，其温度灵敏度系数为：
(1)()B T e s B
K P T λαξααλ?==++--?? 设计高灵敏温度光纤光栅传感器，常用方法是采用热膨胀系数大的材料封装光纤光栅。常用的材料是热膨胀系数大的金属材料，聚合物材料，合金材料等。常用的封装方式有：选用热膨胀系数较大的金属材料对光纤光栅进行贴片封装和把光纤光栅以嵌入式的方法封装在热膨胀系数较大的聚合物材料中等。
解调方案影响到整个传感系统的精度、分辨率的参数。现今常见的实现对波长编码的解调方法包括：可调激光器解调方案、可调滤波解调方案、边缘滤波解调方案和干涉仪解调方案等。其中利用可调滤波器和干涉仪来实现解调是目前最重要也是应用最广泛的两种方法。
干涉仪解调基本方法是：把从传感FBG 反射的光用耦合器分为光强相等的两路，然后引入一定的路程差，当两路光重新汇合发生干涉的时候，就存在一个相位差。对于不同中心波长的发射光，经过相同路程差所引入的相位差是不一样的，其所得的干涉光的光强也是不一样的。通过从干涉光强中解出相位差的信息，就能得到反射光中心波长的信息。
图8 基于非平衡M-Z 干涉仪的解调方案
用于信号解调的干涉仪有M-Z 干涉仪、Michelson 干涉仪和Sagnac 环干涉仪等。1992年以来A.D.Kersey 等人就先后提出了一系列基于非平衡M-Z 干涉仪的解调方案，其基本结构如图1所示。
假设非平衡M-Z 干涉仪两臂引入的路程差为L ?，那么干涉时的相位差可表示为：
2()eff B n L
π?λλ??=
如果不引入其他噪声，且两束干涉光光强相等时，其干涉光强可表示为：
2()=A+Acos()eff B B n L
I πλλ??
可见输出光强是反射光中心波长的函数。另外从上式中可以看到，干涉光强中带有直流信号，这样会影响到系统的分辨率。因此，如图1所示，通过差分放大，能够抑制干涉信号的直流分量，从而提高系统的分辨率。
这种解调方案分辨率高，响应速度快，非常适合于动态测量。但是由于是通过相位差来反映中心波长，其最大变化范围为2π，超过以后将无法得到正确的
中心波长值，因此限制系统的测量范围。另外，由于干涉强度对于相位差相当敏感，因此干涉两臂所处环境的噪声对系统影响较大，也是该系统缺陷之一。
FBG 温度传感器增敏的原理是利用FBG对温度和应变同时敏感的特性，通过合理的结构设计，把FBG和高热膨胀系数材料封装在一起，当被测温度变化时，通过高热膨胀系数材料的形变向FBG施加一个应变量，使得FBG的返回波长变化量加大。基于此原则的方法大体上分为两种:
( 1)直接将FBG粘贴在高热膨胀系数材料上，当温度升高时，高膨胀系数材料直接拉动FBG，使FBG的应变加大，返回中心波长的变化量增加。然而，这种增敏方式有明显的缺点:增敏效果受到材料的热膨胀系数制约、分辨率有限、而且伴有啁啾的负面效应。
( 2)通过采用双金属结构的方法实现温度增敏，效果明显。温度变化时，双金属结构把2 种热膨胀系数不同的金属的长度变化量的差转化成FBG 长度的变化量，从而提高FBG的温度灵敏度。可是，他们没有对该类型的FBG 温度传感器的结构和精度作进一步研究，限制了它的应用范围。
基于上面所提到的2 个缺点，利用光纤光栅对温度和应变同时敏感的特性，设计制作了一款双金属光纤光栅温度传感器。
图9 传感器结构示意图
当温度变化时，材料A和材料B长度均变化，且A长度的变化量比B长度的变化量大得多，A、B长度的变化量的差值直接传递给了FBG。当FBG的应变发生变化时，其返回波长会随之发生变化。
FBG的应变量越大，返回波长变化量也就越大。因此，可以通过调整A和B的长度和选用不同热膨胀系数的材料来控制FBG 的应变量，从而实现高分辨率和高精度的温度测量。实验证明:该传感器的精度达到0.05%℃，获得了现今光纤光栅温度传感器最高的分辨率0.0014℃/pm，再稍微扩展下还能利用这个原理，设计制作一款灵敏度系数可调的高灵敏度光纤光栅温度传感器，并通过调整高灵敏度光纤光栅温度传感器的灵敏度改变其量程。
图10 双管式光纤光栅温度传感器结构示意图
图10为双管式光纤Bragg光栅温度传感器的结构示意图。其中，外套管隔离了外加应力应变向内管的作用，避免了外力通过内管传递给光纤Bragg光栅。同时，由于内、外管均是热传导性能良好的金属材料(比如：铜) ，故温度仍能通过外管和内管传递给光纤Bragg 光栅，从而使得Bragg波长响应温度变化而产生移位。
医疗以至海洋开发等领域，并已取得了大量可靠的应用实绩。它的应用是一个方兴未艾的领域，有着非常广阔的发展前景，迄今为止，国内外已经有不少相关研究，虽然在灵敏度、测量范围、分辨率等方面均有了很大的发展，但是相信随着
研究的深入，根据具体的应用目的，会有越来越多的精度更高、结构更简单、成本更低、更实用的方案提出，更进一步促进温度传感器的发展。
《传感与检测技术》课程标准 (60学时) 一、课程概述 （一）课程性质 本课程是高等职业技术学校机电一体化专业核心课程《机电一体化技术》中重要的组成模块，是本专业学生必修的综合技术课程。 （二）课程基本理念 本课程打破了原来各学科体系的框架，将各学科的内容按“项目”进行整合。本课程的“项目”以职业实践活动为主线，因而，它是跨学科的，且理论与实践一体化。本课程体现职业教育“以就业为导向，以能力为本位”的培养理念，即不仅应该强调职业岗位的实际要求，还应强调学生个人适应劳动力市场变化的需要，因而，本课程的设计兼顾了企业和个人两者的需求，着眼于人的全面发展，即以培养全面素质为基础，以提高综合职业能力为核心。 （三）课程设计思路 本课程重点学习传感与检测技术一个模块，模块设置了2个应用型项目，每个项目均由若干个具体的典型工作任务组成，每个任务均将相关知识和实践（含实验）过程有机结合，力求体现“做中学”、“学中做”的教学理念。课程结构框如下图所示。 本课程内容的选择上降低了理论重心，删除繁冗计算，突出实际应用，注重培养学生的应用能力和解决问题的实际工作能力；本课程在内容组织形式上强调了学生的主体性学习，在每个项目实施前，先提出学习目标，再进行任务分析，使学生在学习每个项目开始就知道学习的任务和要求，引起学生的注意与兴趣，然后针对本项目相关理论知识进行介绍，最后给出技能训练的目标、内容、安装、调试及评分标准，以方便学生的自我评价。 二、课程目标
（一）总目标 通过学习，使学生初步掌握终身发展必备的传感与检测相关的基础知识和基本技能，了解这些知识与技能在生产实践中的应用，关注科学技术的现状及发展趋势，了解常用传感器及其检测技术的基础知识，具备安装和使用常用传感器的初步能力，能正确选用与安装调整常用传感器和检测元件。 学习科学探究方法，发展自主学习能力，养成良好的思维习惯和职业规范，能运用相关的专业知识、专业方法和专业技能解决工程中的实际问题。 发展好奇心与求知欲，发展科学探索兴趣，培养坚持真理、勇于创新、实事求是的科学态度与科学精神，有振兴中华，将科学服务于人类的社会责任感。 理解科学技术与社会的相互作用，形成科学的价值观；培养学生的团队合作精神，激发学生的创新潜能，提高学生的实践能力。 （二）具体目标 1．知识与技能 （1）说出传感器的概念与种类，描述各种传感器的最新发展水平和方向。 （2）解释各种常用传感器的基本结构、工作过程及应用特点。 （3）会根据使用要求，查阅传感器性能指标与使用技术，能够正确选用安装常用的传感器。 （4）获得有关传感检测的基础知识和基本技能，学习实验研究的方法，能设计并完成一些传感检测实验。 （5）重视本课程与其他课程之间的联系，能综合运用有关的知识、技能与方法分析和解决工程问题。 2．过程与方法 （1）经历各种科学探究过程，进一步理解科学探究的意义，学习科学探究的基本方法，提高科学探究能力。 （2）在学习过程中，学会运用观察、实验、查阅资料等多种手段获取信息，并运用比较、分类、归纳、概括等方法对信息进行加工。 （3）能对自己的学习过程进行计划、反思、评价和调控，提高自主学习的能力。 （4）通过理论知识和实践活动相结合的一体化学习过程，深入了解实践和理论之间的相互关系。 （5）通过各种实践活动，尝试经过思考发表自己的见解，尝试运用技术知识和研究方法解决一些工程实践问题。 （6）具有一定的质疑能力，分析、解决问题能力，交流、合作能力。 3．情感态度与价值观
第1题测试工作的任务主要是要从复杂的信号中提取 ________。 您的答案：C 题目分数：0.5 此题得分：0.5 批注：测试目的 第2题不能用确定的数学公式表达的信号是________信号。 您的答案：D 题目分数：0.5 此题得分：0.5 批注：测试信号 第3题信号有多种类型，从分析域上看，经典的分析方法为________。 您的答案：D 题目分数：0.5 此题得分：0.5 批注：测试信号 第4题下列统计参数中，用以描述随机信号波动范围的参数为________。 您的答案：B 题目分数：0.5 此题得分：0.5
第5题信号的时域统计参数不包括________。 您的答案：C 题目分数：0.5 此题得分：0.5 批注：测试信号 第6题描述周期信号的数学工具是________。 您的答案：B 题目分数：0.5 此题得分：0.5 批注：测试信号 第7题 ________的频谱为连续频谱。 您的答案：C 题目分数：0.5 此题得分：0.5 批注：测试信号 第8题任意函数与δ函数的卷积，就是________。您的答案：B 题目分数：0.5 此题得分：0.5
第9题 ________不属于测试系统的静特性。 您的答案：D 题目分数：0.5 此题得分：0.5 批注：测试系统 第10题传感器的灵敏度越高，意味着传感器所能感知的________越小。 您的答案：A 题目分数：0.5 此题得分：0.5 批注：测试系统 第11题非线性度是表示定度曲线________的程度。 您的答案：B 题目分数：0.5 此题得分：0.5 批注：测试系统 第12题系统在全量程内，输入量由小到大及由大到小时，对于同一个输入量所得到的两个数值不同的输出量之间的最大差值称为________。 您的答案：A
第1章传感与检测技术基础
1、电感式传感器有哪些种类？它们的工作原理分别是什么？ 2、说明 3、变气隙长度自感式传感器的输出特性与哪些因素有关？怎样改善其非线性？怎样提 高其灵敏度？ 答：根据变气隙自感式传感器的计算式：0 0022l S W L μ=，线圈自感的大小，即线圈自感的输出与线圈的匝数、等效截面积S 0和空气中的磁导率有关，还与磁路上空气隙的长度l 0有关； 传感器的非线性误差：%100])([ 200?+?+?= l l l l r 。由此可见，要改善非线性，必须使0 l l ?要小，一般控制在~。（因要求传感器的灵敏度不能太小，即初始间隙l 0应尽量小，故l ?不能过大。） 传感器的灵敏度：20 022l S W dl dL l L K l ?-=≈??≈μ，由此式可以看出，为提高灵敏度可增加线圈匝数W ，增大等效截面积S 0，但这样都会增加传感器的尺寸；同时也可以减小初始间隙l 0，效果最明显。 4、试推导 5、气隙型 6、简述 7、试分析 8、试推导 9、试分析 10、如何通过 11、互感式 12、零点残余电压产生的原因是什么？怎样减小和消除它的影响？ 答：在差动式自感传感器和差动变压器中，衔铁位于零点位置时，理论上电桥输出或差动变压器的两个次级线圈反向串接后电压输出为零。但实际输出并不为零，这个电
压就是零点残余电压。 残差产生原因： ①由于差动式自感传感器的两个线圈结构上不对称，如几何尺寸不对称、电气参数不 对称。 ②存在寄生参数； ③供电电源中有高次谐波，而电桥只能对基波较好地预平衡。 ④供电电源很好，但磁路本身存在非线性。 ⑤工频干扰。 差动变压器的零点残余电压可用以下几种方法减少或消除： ①设计时，尽量使上、下磁路对称；并提高线圈的品质因素Q=ωL/R； ②制造时，上、下磁性材料性能一致，线圈松紧、每层匝数一致等 ③采用试探法。在桥臂上串/并电位器，或并联电容等进行调整，调试使零残最小后，再接入阻止相同的固定电阻和电容。 ④采用带相敏整流的电桥电路。 ⑥拆圈法：通过实验，依次拆除二次线圈1~2圈，调整线圈的感抗。方法麻烦，但行 之有效。 （注：若按教材的回答也算正确） 13、何谓涡流效应？ 14、为什么电涡流传感器被归类为电感式传感器？它属于自感式还是互感式？ 答：电感式传感器是建立在电磁感应的基础上，利用线圈自感或互感的改变来实现非电量的检测。电涡流传感器是建立在电磁场理论的基础上的，当检测线圈通以交变电流并接近被测导体时，由于涡流效应，会在被测导体表面形成电涡流；同时电涡流与检测线圈相互作用，会引起检测线圈的阻抗变化。因为这种作用机理是建立在磁场相互作用的基础上，所以电涡流传感器归类为电感式传感器。 根据电涡流传感器的检测原理，再结合电涡流传感器的等效电路及分析，检测线圈阻抗变化正是检测线圈与“涡流线圈”之间的互感系数相互作用引起，所以是互感式。 15、 16、简述压磁效应，并与应变效应进行比较。
传感与测试技术复习题 一、填空题： 1. 测量的最基本的形式是 比较 ，测量可分为 直接 和 间接测量 两类。 2. 复杂周期信号展开为三角函数形式的傅立叶级数时，A n 表示谐波分量的 幅值 。 3. 信号x (t )=x 01sin5t +x 02cos(100t +450)，则该信号的周期T = 2π/5 。 4. 频率不同的两个正弦信号，其互相关函数等于 0 。 5. 在相关分析中，自相关函数保留了原信号的 幅值 和 频率 信息，互相关函数保留了原信号的 幅值 、频率 和 相位差 信息。 6. 已知某信号的自相关函数πττ50cos 100)(=x R ，则该信号的均方值=2x ψ 100 。 7. 随机信号的均值μx 、方差σx 2、均方值ψx 2之间的关系是 ψx 2 = σx 2 + μx 2 。 8. 若信号x (t )的傅立叶变换是X (f )，则x (kt )的傅立叶变换是()k X k f //。 9. 复杂周期信号展开为三角函数形式的傅立叶级数时，a 0表示 直流 分量，a n 表示 余弦 分量，b n 表示 正弦 分量。 10. 当信号的时间尺度压缩时，则其频带 展宽 ，幅值 降低 。 11. 求周期信号、非周期信号频谱的数学方法分别是 傅里叶级数 和 傅里叶积分。 12. 周期信号、非周期信号频谱的主要差别是 离散与连续 。 13. 信号x (t )的均值x μ表示信号中的 直流 分量。 14. 周期信号的频谱具有的特点是 离散性 、 谐波性 和 收敛性 。 15. 信号的互相关函数)(τxy R 的峰值偏离原点位置0τ，反映时延0τ时相关程度 最高 。 16. 当时延τ=0时，信号的自相关函数R x (0)= 2 x ψ。 17. 若信号满足)()(t x t x =-，则其傅立叶级数中只有 余弦 项。 18. 测试装置的结构参数是不随时间而变化的系统，则称为 时不变 系统。 19. 测试装置的输出信号拉氏变换与输入信号拉氏变换之比称为装置的 传递函数 。 20. 测试装置在稳态下，其输出信号的变化量y ?与其输入信号的变化量x ?之比值，称为 灵敏度。 21. 已知某位移传感器，当输入量x ?=10mm ，其输出电压变化量y ?=50mV ，则其平均灵敏度为 5mV/mm 。 22. 某测温系统由铂电阻温度传感器、电桥和记录仪三个环节组成，其灵敏度分别为0.4Ω/℃、0.02V/Ω、20mm/V ，则该测温系统的灵敏度 0.16mm/ ℃ 。 23. 二阶系统的动态性能参数为 阻尼比 和 固有频率 。 24. 影响一阶装置动态特性参数是 时间常数 ，原则上希望它越 小 越好。
红外传感器及其应用 班级：****** 姓名：****** 学号：******
机电工程学院 目录 1.什么是红外线 (1) 2.什么是红外传感器 (1) 3.红外传感器的工作原理 (1) 4.红外传感器的分类 (3) 5.红外传感器的应用 (3) 6.红外传感器的发展前景 (5)
前言 在科技高度发达的今天，自动控制和自动检测在人们的日常生活和工业控制所占的比例也越来越重，使人们的生活越来越舒适，工业生产的效率越来越高。而传感器是自动控制中的重要组成部件，是信息采集系统的重要部件，通过传感器将感受或响应的被测量转换成适合输送或检测的信号（一般为电信号），再利用计算机或者电路设备对传感器输出的信号进行处理从而达到自动控制的功能，由于传感器的响应时间一般都比较短，所以可以通过计算机系统对工业生产进行实时控制。红外传感器是传感器中常见的一类，由于红外传感器是检测红外辐射的一类传感器，而自然界中任何物体只要其稳定高于绝对零度都将对外辐射红外能量，所以红外传感器称为非常实用的一类传感器，利用红外传感器可以设计出很多实用的传感器模块，如红外测温仪，红外成像仪，红外人体探测报警器，自动门控制系统等。在我们日常的生活中红外线传感器也是非常的常见，比如我们生活中的各种遥控器，以及电脑使用的鼠标等等，都用到了红外线传感器，所以红外线传感器在先到生活中是不可或缺的一种产品。
1.红外线简介 我们都知道，光有红、橙、黄、绿、青、蓝、紫，这些都是我们用肉眼可以看得见的光，红外光是居这些可见光之外的一种光。红外线就是这种不可见光，实质上是一种电磁波，也称红外热辐射。太阳光谱上红外线的波长大于可见光线，波长为0.75～1000μm。红外线可分为三部分，即近红外线，波长为0.75～1.50μm之间；中红外线，波长为1.50～6.0μm之间；远红外线，波长为6.0～l000μm之间。所有的物体都会发出红外线，都会产生红外辐射，甚至有些动物就是靠红外线来识别物体。 现在提到红外线，我们首先想到就是他的应用。利用它肉眼看不到而戴上特殊的镜片就能看到的特点被广泛应用与军事中，如红外夜视仪、狙击步枪的瞄准镜等，当然生活中到处也都用到红外线，我们常用的遥控器、甚至有些防盗门等等。 2.什么是红外传感器 红外线传感器就是利用所有物体都会产生红外辐射的特性，以及红外光的反射、折射、散射、干涉、吸收等性质，实现自动检测的传感器。 红外传感器是将红外辐射能转换成电能的一种光电器件，通常称为红外探测器。常见的红外传感器有两类:热探测器和光子探测器。 3.红外传感器的工作原理 因为红外辐射的物理本质是热辐射。物体的温度越高，辐射出来的红外线越多，红外辐射的能量就越强。研究发现，太阳光谱各种单色光的热效应从紫色光到红色光是逐渐增大的，而且最大的热效应出现在红外辐射的频率范围内，因此人们又将红外辐射称为热辐射或热射线。
中国石油大学（北京）远程教育学院 《检测传感技术》期末复习题参考答案 一、填空题（本题共计40分，每一填空计2分） 1. 一个完整的测试系统由激励装置、传感器、信号调理、信号处理、显示记录等五个基本环节组成。 2. 在测试系统中，激励装置的功能是激发隐含的被测信息；传感器的功能是将被测信息转换成其他信息；信号调理环节的功能是将传感器获得的信息转换成更适合于进一步传输和处理的形式；信号处理环节的功能是对来自信号调理环节的信息进行各种处理和分析；显示记录环节的功能是显示或存储测试的结果。 3. 不失真测试即测试系统的输出要真实地反映其输入的变化。为实现不失真测试，系统频率响应需要满足的条件是：幅频特性为常数；相频特性呈线性。对系统瞬态响应的要求是：瞬态误差小；调整时间短。 4. 测试信号的时域特征参数主要有均值、方差和均方值。 5. 信号的均值反映随机信号变化的中心趋势；信号的方差反映随机信号在均值附近的分布状况；信号的均方值反映随机信号的强度。 6. 任何周期信号均可分解为一系列频率比为有理数的简谐信号, 其频谱特性包括离散性、谐波性、收敛性。 7. 频率单一的正弦或余弦信号称为谐波信号。一般周期信号由一系列频率比为有理数的谐波信号叠加而成。 8. 周期信号的频谱特性：离散性即各次谐波分量在频率轴上取离散值；谐波性即各次谐波分量的频率为基频的整倍数；收敛性即各次谐波分量随频率的增加而衰减。 9. 瞬态信号是在有限时间段存在，属于能量有限信号。
10. 瞬态信号的频谱为连续谱,其幅值频谱的量纲为单位频宽上的幅值，即幅值频谱密度函数。 11. 一阶测试系统的基本参数是时间常数。根据对测试系统的基本要求及一阶测试系统的频率响应和单位阶跃响应，一阶测试系统的基本参数的选取原则是时间常数小。 12. 二阶测试系统的基本参数是固有频率和阻尼比。 13. 金属丝应变片依据应变效应工作；半导体应变片依据压阻效应工作。 14. 压力传感器由弹性敏感元件和机电转换元件两部分组成。 15. 测量传感器的动态特性的实验方法包括频率响应法和时间响应法。 16. 基于弹性元件受力产生变形实现检测的力传感器为二阶测试系统。为保证不失真测试，要求传感器的固有频率远大于被测力参数的工作频率。 17. 线性系统的频率保持性即若对线性系统的输入为某一频率的简谐信号，则其稳态响应必是同一频率的简谐信号。 18. 系统频率响应函数测试中，稳态正弦激励方式的依据是线性系统的频率保持性，其特点是测试周期长，其原因在于在每个测试频率处，只有当系统达到稳定状态才能进行测试。 二、解释题（本题共计12分，每小题4分） 1. 物性型传感器 答：依靠敏感元件材料本身物理性质在被测量作用下的变化来实现信号转换的传感器，如应变式、压电式、压阻式传感器。 2. 结构型传感器
第3章传感器基本特性 一、单项选择题 1、衡量传感器静态特性的指标不包括（）。 A. 线性度 B. 灵敏度 C. 频域响应 D. 重复性 2、下列指标属于衡量传感器动态特性的评价指标的是（）。 A. 时域响应 B. 线性度 C. 零点漂移 D. 灵敏度 3、一阶传感器输出达到稳态值的50%所需的时间是（）。 A. 延迟时间 B. 上升时间 C. 峰值时间 D. 响应时间 4、一阶传感器输出达到稳态值的90%所需的时间是（）。 A. 延迟时间 B. 上升时间 C. 峰值时间 D. 响应时间 5、传感器的下列指标全部属于静态特性的是（） A．线性度、灵敏度、阻尼系数 B．幅频特性、相频特性、稳态误差 C．迟滞、重复性、漂移 D．精度、时间常数、重复性 6、传感器的下列指标全部属于动态特性的是（） A．迟滞、灵敏度、阻尼系数 B．幅频特性、相频特性 C．重复性、漂移 D．精度、时间常数、重复性 7、不属于传感器静态特性指标的是（） A．重复性 B．固有频率 C．灵敏度 D．漂移 8、对于传感器的动态特性，下面哪种说法不正确（） A．变面积式的电容传感器可看作零阶系统 B．一阶传感器的截止频率是时间常数的倒数 C．时间常数越大，一阶传感器的频率响应越好 D．提高二阶传感器的固有频率，可减小动态误差和扩大频率响应范围9、属于传感器动态特性指标的是（） A．重复性 B．固有频率 C．灵敏度 D．漂移
10、无论二阶系统的阻尼比如何变化，当它受到的激振力频率等于系统固有频率时，该系统的位移与激振力之间的相位差必为（） A. 0°°° D. 在0°和90°之间反复变化的值 11、传感器的精度表征了给出值与( )相符合的程度。 A.估计值 B.被测值 C.相对值 D.理论值 12、传感器的静态特性，是指当传感器输入、输出不随( )变化时，其输出-输入的特性。 A.时间 B.被测量 C.环境 D.地理位置 13、非线性度是测量装置的输出和输入是否保持( )关系的一种度量。 A.相等 B.相似 C.理想比例 D.近似比例 14、回程误差表明的是在( )期间输出-输入特性曲线不重合的程度。 A.多次测量 B.同次测量 C.正反行程 D.不同测量 =秒的一阶系统，当受到突变温度作用后，传感器输15、已知某温度传感器为时间常数τ3 出指示温差的三分之一所需的时间为（）秒 A．3 B．1 C． D．1/3 二、多项选择题 1．阶跃输入时表征传感器动态特性的指标有哪些（） A.上升时间 B.响应时间 C.超调量 D.重复性 2．动态响应可以采取多种方法来描述，以下属于用来描述动态响应的方法是：（） A.精度测试法 B.频率响应函数 C.传递函数 D.脉冲响应函数 3. 传感器静态特性包括许多因素，以下属于静态特性因素的有（）。 A．迟滞 B.重复性 C.线性度 D.灵敏度 4. 传感器静态特性指标表征的重要指标有：（） A.灵敏度 B.非线性度 C.回程误差 D.重复性 5．一般而言，传感器的线性度并不是很理想，这就要求使用一定的线性化方法，以下属于线性化方法的有:（） A.端点线性 B.独立线性 C.自然样条插值 D.最小二乘线性 三、填空题 1、灵敏度是传感器在稳态下对的比值。 2、系统灵敏度越，就越容易受到外界干扰的影响，系统的稳定性就越。 3、是指传感器在输入量不变的情况下，输出量随时间变化的现象。 4、要实现不失真测量，检测系统的幅频特性应为，相频特性应为。
《传感与检测技术》课程教学大纲 一、课程性质与任务 本课程是电子电器应用与维修专业的专业课。主要内容介绍传感器技术，以模块+项目+任务的模式，将同一被测物理量放在一个模块中，每个项目介绍一种传感器的应用，解决传感器选型和接口技术。 二、课程教学目标 本课程的任务是使学生掌握每种传感器的结构、原理、给你、特性、技术参数、选用原则和转换接口电路的组成原理等。通过学习，提高学生的动手能力及分析、解决问题的能力，培养学生的职业能力。 三、教学内容与要求 模块一为传感器与检测基本知识。 任务一传感器基本知识项目二传感器的测量误差和准确度项目三检测电路基本知识 模块二为温度传感器的应用。 项目一热敏电阻在冰箱温度控制中的应用项目二PN节温度传感器在温室大棚中的应用项目三热电偶在输油管道温度测量中的应用项目四集成温度传感器在数字显示温度表中的应用模块三为光电传感器的应用 项目一光敏电阻在报警器中的应用项目二热释电红外传感器在公共照明中的应用 模块四为压力传感器的应用 项目一电阻应变片在电子秤中的应用项目二压电式传感器在警戒区报警电路中的应用项目三高分析压电薄膜振动感应片在玻
璃破碎报警装置中的应用项目四压阻式压力传感器在数字压力计中的应用 模块五为位移传感器的应用 项目一电位器式位移传感器在机械行程控制位置检测电路中的应用项目二光栅传感器在数控机床位移检测电路中的应用项目三接近传感器在防触电警告电路中的应用项目四电传感器在电动测微仪中的应用项目五超声波车载雷达在测距电路中的应用模块六为流量传感器的应用 项目一涡轮流量计在天然气计量电路中的应用项目二电磁流量计在自来水厂水量监控电路中的应用 模块七为速度传感器的应用 项目一霍尔式传感器在汽车防抱死装置中的应用项目二磁电式传感器在发动机转速检测电路中的应用 模块八为气体与温度传感器的应用 项目一气敏电阻在酒精测试仪中的应用项目二湿敏传感器在自动加湿器装置中的应用 在每个项目的内容组织上，用任务的方式，将理论知识融入到元件的识别与检测、电路的装配、电路的调试和电流的运行中，突出传感器的选用、识别、检测转换电路的装配和调试时的原理分析，是学生真正掌握传感器。 四、教学实施 （一）教学时数安排建议 总课时96课时（其中实训42课时） 模块一为传感器与检测基本知识， 6课时
测试与传感技术作业三答案 测试与传感技术作业三答案 一、单项选择题（每题2分，共20分） 1、在光的作用下，电子吸收光子能量从键合状态过渡到自由状态，引起物体电阻率 的变化，这种现象称为（ D ） A磁电效应 B声光效应 C光生伏特效应 D光电导效应 2、码盘式传感器是建立在编 码器的基础上的，它能够将角度转换为数字编码，是一种数字式的传感器。码盘按结构可 以分为接触式、光电式和（ C ）三种。 A变电式 B磁电式 C电磁式 D感应同步器 3、利用测量仪表指针相对于刻度初始点的位移来决定被测量的方法称为（ C ） A 零位式测量 B 微差式测量 C 偏差式测量 D 直接测量 4、（ C ）的数值越大,热电偶的输出热电势就越大。 A、热端直径 B、热端和冷端的温度 C、热端和冷端的温差 D、热电极的电导率 5、在仿型机床当中利用电感式传感器来检测工件尺寸，该加工检测装置是采了（ C ）测量方法。 A、微差式 B、零位式 C、偏差式 D、零点式 6、时域阶跃响应法和频率响应法是研究传感器的（ A ）的方法。 A 动态特性 B 静 态特性 C 灵敏性 D 迟滞性 7.将电阻应变片贴在( C )上，就可以分别做成测力、位移、加速度等参数的传感器。 A.质量块 A.上升 B.导体 C.弹性元件 D.机器组件 D.归零 D.电阻值 8.半导体热敏电阻率随着温度上升，电阻率( B ) B.迅速下降 C.保持不变 B.体积大小 C.结构参数 9结构型传感器是依靠传感器( C )的变化实现信号变换的。 A.材料物理特性 10.阻抗头是测量振动系统( D )的拾振器。
A.振动位移 B.振动加速度 C.激振力 D.激振力及其响应 二、填空题（每题3分，共30分） 1.如果仅仅检测是否与对象物体接触，可使用ON-OFF型微动开关作为传感器。 2．码盘式传感器是建立在编码器的基础上的，它能够将角度转换为数字编码，是一种数 字式的传感器。码盘按结构可以分为接触式、_光电式_和_电磁式__三种。 3．应变片的选择包括类型的选择、材料的选用、___阻值的选择___、__尺寸的选择 ___等。 4.有源滤波器由集成运放和___ RC网络____组成。 5.采用__交流_____电源供电的电桥称为交流电桥。 6.多路模拟开关由__地址译码器_____和多路双向模拟开关组成。 7.为了提高检测系统的分辨率，需要对磁栅、容栅等大位移测量传感器输出信号进行 ___细分____。 8.若随机信号x(t)、y(t)的均值都为零，当τ→∞时，它们的互相关函数 Rxy(τ)=_____0__。 9．若测量系统无接地点时，屏蔽导体应连接到信号源的对地低阻抗端(或接地端) 10．交流电桥各桥臂的复阻抗分别为Z1，Z2，Z3，Z4，各阻抗的相位角分别为 ?1、?2、?3、?4，若电桥平衡条件为Z1/Z4=Z2/Z3，那么相位平衡条件应为 ?1+?3=?2+?4 。 三、问答题（每小题5分，共20分） 1.简述两类扭矩的测量原理及举例说明相应的扭矩传感器。 答：1)轴类零件受扭矩作用时，在其表面产生切应变，可通过测量该应变检测扭矩， 如电阻应变式扭矩传感器。2)弹性转轴受扭后，两端面的相对转角只与所承受的扭矩有关，且呈比例关系，可通过测量扭转角测量扭矩，如电容式或光电式扭矩传感器。 2、简述应变片在弹性元件上的布置原则，及哪几种电桥接法具有温度补偿作用。答：布置原则有：(1)贴在应变最敏感部位，使其灵敏度最佳； (2)在复合载荷下测量，能消 除相互干扰； (3)考虑温度补偿作用；单臂电桥无温度补偿作用，差动和全桥方式具有温 度补偿作用。 3.涡流式传感器测量位移与其它位移传感器比较，其主要优点是什么?涡流传感
传感与检测技术 一、填空 1、传感器按工作原理分类，有物理传感、化学传感、生物传感。 2、光电二极管进行简易检测时，分析下列情况的阻值。 10K欧姆、无穷大 3、光电三极管是由光窗,三极管和电极组成的。 4、当一些晶体受热时，在晶体两端将产生数量相等而符号相反的电荷，这种由于热变化产生的电极化现象，称为热释电效应。 5、光射到某些物质上，该物质的电导率会变大，这种现象称之为光电导效应。 6、解释下列各物理量：亮电阻：特定光源下电阻；暗电阻：切断电源于30秒后测得的暗阻；光电流：亮电流与暗电流之差。 7、应变式传感器的核心元件是电阻应变片，其工作原理是基于电阻应变效应。 8、在压电效应中顺压电效应是指：机械能转换为电能；逆电效应是指：电能转换为机械能。 9、湿敏传感器通常应满足下列的基本要求：电感应、电容、霍尔、磁性、%RH。 10、智能传感器中，数据处理要涉及如下问题：数据采集、信号处理、信号交换。 11、在智能传感器中数字滤波主要指通过软件来实现的数字滤波。 12、在测控系统中传感器主要作用是信号采集,物理参量变换。 13、传感器是由敏感元件、转换元件、基本转换电路和辅助电源元件组成。 14、红外线是人眼不可见的电磁波,它的波长范围为760nm--1000nm介于可见光和微波之间。 15、光纤的纤芯与包层的折射率差值越大，数值孔径就越大、光纤的集光能力就越强。 16、实验证明，热释电红外传感器加菲涅耳透镜后，其探测距离由原来的2米左右增加到10米以上，甚至更远。 17、光敏电阻在给定的外加额定电压下，受光照时的电流称之为亮电流；无光照时的电流称之为暗电流；光电流等于亮电流和暗电流之和。 18)、CCD是由一系列MOS电容器构成的矩形阵列。 19、阻抗式湿敏传感器必须在交流电压下工作。 20、绝对湿度是指在一定温度及压力条件下,单位体积空气中所含的水蒸汽量，其单位为mg/L。 21)、光射到某些物质上，该物质的电导率会变大，这种现象称之为光电导效应。 二简答题 1`、什么是传感器的灵敏度？ 传感器的灵敏度:达到稳定工作状态时输出变化量与引起变化的输入变化量之比. 2`、什么是传感器的静态、动态特性，它们的区别何在？ 静态特性:传感器在被测处于稳定状态下输入与输出关系. 动态特性:输入量随时间动态变化时,输出也随之变化的响应. 区别:静态特性是在静态标准工作条件下测定的,动态特性是在动态条件下测定的. 3`、衡量传感器静态特性、动态特性的主要指标有那些？ 静态特性:量程与测量范围,线性度,迟滞,灵敏度,重复性,精度,零漂与温漂. 动态特性:传感器在测量运动信号时,其输出量随输入量变化的能力 4`、简述光纤的结构与实用光纤的种类说明？ 光纤的结构:由光纤和包层构成; 光纤种类:阶跃折射率光纤,梯度折射率光纤,阶跃多模光纤,渐变多模光纤,单模光纤. 5`、简述光纤传光原理的基础是什么？说明什么是单模光纤？什么是多模光纤？ 光的传输基于光的内全反射,其传输被限制在光纤中,传送至很远距离,光纤中只传播一种模式的光为单模光纤,能同时传送多模式光的光纤称为多模光纤.
测试与传感技术试题及答案 一、埴空题[每空2分．共26分） 1．铁磁材料在外力的作用下，内部产生应变，从而产生应力，导致各磁畴间的界限发生移 动，各个磁畴的磁化强度矢量转动，破坏了平衡状态，使材料的总磁化强度随之发生变化，这种 现象称为——。 2．用于检测的超声波换能器有——、磁致伸缩型、电磁型、有振板型和弹性 表面波型等。 3．当有电流流过两个不同导体的连接处时，此处便吸收或放出热量(取决于电流的方向)，这种现象叫做——· 4．在自动化探伤中，声源和工件之间有相对运动，由缺陷反射回来的超声波的频率将与声源发射超声波的频率有所不同，这种现象即为———兰——，由此效应引起的频率变化称为——。 5．应变片由——、——及覆盖片三部分组成。 ——两头焊有引出线，作连接测量导线用。 6．传感器在正(输人量增大)反(输入量减小)行程中输出输入曲线不重合称为 ——，它一般由实验方法测得。 7．某些晶体沿着一定方向受到外力作用时，内部会产生极化现象，同时在某两个表面上产 生大小相等符号相反的电荷；当外力去掉后，又恢复到不带电状态；当作用力方向改变时，电荷 的极性也随着改变：晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比。这种现象叫 。反之，如对晶体施加电场，晶体将在一定方向上产生机械变形；当外加电 场撤去后，该变形也随之消失。这种现象称为——，也称作电致伸缩效应。 8．超声波探伤作为无损探伤的主要手段，在工业检测中应用十分广泛，常用的超声波探伤
方法有共振法、——和脉冲反射法等。 9．电阻丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻值发生变化，这一现象叫做 二、选择题：选择正确的答案，将其对应的字母填入横线处。(每空2 分，共26分) 1．声波在介质中传播的速度称为声速。对于不同波型的超声波，其传播速度—— A．不同B．相同 C成线性关系D．纵波的声速约是横波的一半 2．．是测试系统的第一个环节，将被测系统或过程中需要观测的信息转化为人们 所熟悉的各种信号。 A 敏感元件B．转换元件 C传感器D．被测量 3．当超声波在一种介质中传播到界面或遇到另一种介质时，若其方向不垂直于界面，将产生声波的反射、折剔·及——现象。 A．表面波B．兰姆波 C驻波D波型转换 4．利用——制成的光电举件有光敏二极管、光敏三极管和光电池等：利用——可 制成半导体光敏电阻；利用——制成的光电铝件有真空光电管、充气光电管和光电倍增管。 A压电效应B．外光电效应 C磁电效应D．声光效应 E．光生伏特效应F．光电导效应 5．为了消除应变片的温度误差，可采用的温度补偿措施包括：——、——和
《传感与检测技术》考试试卷参考答案 一、填空题（每空1分，共20分） 1、输出量、输出变化值、K=dy/dx； 2、敏感元件、传感元件、测量转换电路、非电量、电量； 3、电涡流、金属； 4、可闻声波、超声波、20KHz； 5、霍尔、霍尔； 6、普通热电偶、铠装热电偶、薄膜热电偶； 7、线性型、开关型； 二、选择题（每题3分，共21分） 1 2 3 4 5 6 7 C C B C D C C 三、判断题（每题2分，共16分） 1 2 3 4 5 6 7 8 √√√√×√×√ 四、简答题（每题5分，共20分） 1、传感器是一种一测量为目的，以一定的精度把被测量转换为与之有确定关系的、便于处理的另一种物理量的测量器件。（1分）传感器有敏感元件、传感元件及测量转换电路三部分组成。（3分） （5分）2、某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，内部会产生极化现象，同时在其表面上产生电荷，当外力去掉后，又重新回到不带电的状态，这种现象称为压电效应（2分）当在电介质极化方向施加电场，会引起电介质内部电荷中心转移，而导致电介质在一定方向上产生机械变形。当外电场消失后，这些变形也随之消失。这种现象称为“逆压电效应”（5分）
3、在汽车倒车时，超声波倒车雷采用超声波测距原理探测汽车尾部离障碍物的距离。在汽车尾部装有超声波探头，超声波发射器发出超声波，当超声波遇到障碍物反射回一束超声波，超声波接收器接收超声波。根据发射与接收时间计算出车辆与障碍物距离，当汽车尾部离障碍物的距离达到探测范围时，倒车雷达通过数码管实时动态显示距离。当汽车尾部离障碍物的距离达到设定的安全警告值时，倒车雷达发出报警声，以警示驾驶员，辅助驾驶员安全倒车。 4、两种不同材料的导体A 和B 组成的闭合回路，当两个结点温度不相同时，回路中将产生电动势。这种物理现象称为热电效应。（3分）它的数值取决于两种导体的自由电子密度和接触点的温度，而与导体的形状及尺寸无关。（5分） 五、分析计算题（11分） （1）γm ＝±0.5%；(3分) （2）0.5%×600＝3℃；(4分) （3）γx ＝ 150 600 %5.0X 100%＝2%；(4分) 六、设计题（12分） 电子导盲拐杖由四部分构成:超声波测距电路、光敏报警电路、语音录放电路、电源电路构成。利用超声波感应器，能够感应到前方的障碍物，并通过震动手柄通知使用者。利用光电传感器，自动感知光度，在夜晚的时候驱动二极管发光，以提示路人。
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ 第一次在线作业 单选题 (共20道题) 展开 收起 1.（ 2.5分）测试工作的任务主要是要从复杂的信号中提取________。 A、干扰噪声信号 B、正弦信号 C、有用信号 D、频域信号 正确答案：此题得分：2.5分 2.（2.5分）不能用确定的数学公式表达的信号是________信号。 A、复杂周期 B、非周期 C、瞬态 D、随机 正确答案：此题得分：2.5分 3.（2.5分）信号有多种类型，从分析域上看，经典的分析方法为________。 A、时域法和相频法 B、时域法和幅频法 C、相频法和幅频法 D、时域法和频域法 正确答案：此题得分：2.5分 4.（2.5分）下列统计参数中，用以描述随机信号波动范围的参数为________。 A、均值 B、方差 C、均方值 D、概率密度函数 正确答案：此题得分：2.5分 5.（2.5分）信号的时域统计参数不包括________。 A、均值 B、均方值 C、相关系数 D、方差 正确答案：此题得分：2.5分 6.（2.5分）描述周期信号的数学工具是________。 A、相关函数 B、傅氏级数 C、拉氏级数 D、傅氏变换 正确答案：此题得分：2.5分 7.（2.5分） ________的频谱为连续频谱。 A、周期矩形脉冲 B、正弦函数
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ C、矩形窗函数 D、周期方波 正确答案：此题得分：2.5分 8.（2.5分）任意函数与δ函数的卷积，就是________。 A、将该函数分散到δ函数所对应的位置 B、将该函数平移到δ函数所对应的位置 C、将δ函数平移到该函数所对应的位置 D、将δ函数分散到该函数所对应的位置 正确答案：此题得分：2.5分 9.（2.5分） ________不属于测试系统的静特性。 A、灵敏度 B、线性度 C、回程误差 D、阻尼系数 正确答案：此题得分：2.5分 10.（2.5分）传感器的灵敏度越高，意味着传感器所能感知的________越小。 A、被测量 B、输出量 C、频率特性 D、显示值 正确答案：此题得分：2.5分 11.（2.5分）非线性度是表示定度曲线________的程度。 A、接近真值 B、偏离其拟合直线 C、正反行程不重合 D、滞后现象 正确答案：此题得分：2.5分 12.（2.5分）系统在全量程内，输入量由小到大及由大到小时，对于同一个输入量所得到的两个数值不同的输出量之间的最大差值称为________。 A、回程误差 B、绝对误差 C、相对误差 D、非线性误差 正确答案：此题得分：2.5分 13.（2.5分）测试装置能检测输入信号的最小变化能力，称为________。 A、量程 B、灵敏度 C、精确度 D、分辨力 正确答案：此题得分：2.5分 14.（2.5分）描述传感器静态特性的指标有________。 A、幅频特性 B、稳定时间
传感器与自动检测技术 一、填空题（每题3分） 1、传感器通常由直接响应于被测量的敏感元件、产生可用信号输出的转换元件、以及相应的信号调节转换电路组成。 2、金属材料的应变效应是指金属材料在受到外力作用时，产生机械变形，导致其阻值发生变化的现象叫金属材料的应变效应。 3、半导体材料的压阻效应是半导体材料在受到应力作用后，其电阻率发生明显变化，这种现象称为压阻效应。 4、金属丝应变片和半导体应变片比较其相同点是它们都是在外界力作用下产生机械变形，从而导致材料的电阻发生变化。 5、金属丝应变片和半导体应变片比较其不同点是金属材料的应变效应以机械形变为主，材料的电阻率相对变化为辅；而半导体材料则正好相反，其应变效应以机械形变导致的电阻率的相对变化为主，而机械形变为辅。 6、金属应变片的灵敏度系数是指金属应变片单位应变引起的应变片电阻的相对变化叫金属应变片的灵敏度系数。 7、固体受到作用力后电阻率要发生变化，这种现象称压阻效应。 8、应变式传感器是利用电阻应变片将应变转换为电阻变化的传感器。 9、应变式传感器是利用电阻应变片将应变转换为电阻变化的传感器。 10、应变式传感器是利用电阻应变片将应变转换为电阻变化的传感器，传感器由在弹性元件上粘贴电阻敏感元件构成，弹性元件用来感知应变，电阻敏感元件用来将应变的转换为电阻的变化。 11、应变式传感器是利用电阻应变片将应变转换为电阻变化的传感器，传感器由在弹性元件上粘贴电阻敏感元件构成，弹性元件用来感知应变，电阻敏感元件用来将应变的转换为电阻的变化。 12、应变式传感器是利用电阻应变片将应变转换为电阻变化的传感器，传感器由在弹性元件上粘贴电阻敏感元件构成，弹性元件用来感知应变，电阻敏感元件用来将应变的转换为电阻的变化。 13、应变式传感器是利用电阻应变片将应变转换为电阻变化的传感器，传感器由在弹性元件上粘贴电阻敏感元件构成，弹性元件用来感知应变，电阻敏感元件用
测试与传感技术试题及答案 一、埴空题［每空2 分．共26 分） 1．铁磁材料在外力的作用下，内部产生应变，从而产生应力，导致各磁畴间的界限发生移动，各个磁畴的磁化强度矢量转动，破坏了平衡状态，使材料的总磁化强度随之发生变化，这种 现象称为——。2．用于检测的超声波换能器有——、磁致伸缩型、电磁型、有振板型和弹性表面波型等。3．当有电流流过两个不同导体的连接处时，此处便吸收或放出热量（取决于电流的方向），这种现象叫做------ 4．在自动化探伤中，声源和工件之间有相对运动，由缺陷反射回来的超声波的频率将与声源发射超声波的频率有所不同，这种现象即为———兰——，由此效应引起的频率变化称为——。 5．应变片由——、——及覆盖片三部分组成。——两头焊有引出线，作连接测量导线用。 6．传感器在正（输人量增大）反（输入量减小）行程中输出输入曲线不重合称为——，它一般由实验方法测得。 7．某些晶体沿着一定方向受到外力作用时，内部会产生极化现象，同时在某两个表面上产生大小相等符号相反的电荷；当外力去掉后，又恢复到不带电状态；当作用力方向改变时，电荷 的极性也随着改变：晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比。这种现象叫。反之，如对晶体施加电场，晶体将在一定方向上产生机械变形；当外加电场撤去后，该变形也随之消失。这种现象称为——，也称作电致伸缩效应。 8．超声波探伤作为无损探伤的主要手段，在工业检测中应用十分广泛，常用的超声波探伤方法有共振法、——和脉冲反射法等。 9．电阻丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻值发生变化，这一现象叫做 二、选择题：选择正确的答案，将其对应的字母填入横线处。（每空2 分，共26 分） 1．声波在介质中传播的速度称为声速。对于不同波型的超声波，其传播速度——A ．不同B ．相同 C 成线性关系 D ．纵波的声速约是横波的一半
一、填空题（本大题共30分，每空一分） 1．测量误差分为_______误差,__________误差和__________误差,其中_______误差是可以消除的，__________误差是必须要剔除的。 2．测量结果的完整表述包括__________,_______________,_______________. 3 金属应变片主要是由于材料的__________和__________，引起的电阻的变化；而半导体应变片主要是由于材料的__________，引起电阻的变化。 4．系统的相频特性是指输出信号的相位与______________的__________。5．电涡流传感器包括_______透射式和_______反射式厚度传感器。 6．地震时，先到达的是波，后到达的是波，能量大的是波。 7 常用的可测量微位移的是__________型电容传感器，其测量范围达几十__________（填长度单位）。 8__________传感器是一种有源传感器。 9 压电片__________联时，放大电路采用电荷放大器，__________联时，采用电压放大器。 10．光电耦合器件最典型的应用是实现__________与__________的隔离。 11 _________传感器可以作为有源传感器. 12 光敏电阻,光电池分别是__________效应和__________效应的典型器件 1 ，系统，粗大，随机，系统，粗大 2，估计值，测量单位，测量的不确定度 3，横向应变，纵向应变，电阻率 4，输入信号的相位，差 5低频, 高频 6纵，横，横 7，变极距型微米8，磁电式 9，、并，串10，强电，弱电 11，光电导效应,光生伏特效应 12，内外 二、单项选择题（本大题共10 小题，每题 2 分，共20 分） 1.不能利用下列器件或材料测量温度的是（） A.热敏电阻 B.热电偶 C.光敏电阻 D. 气体膨胀 2．固有频率最高的传感器是（） A 压电传感器 B 磁电传感器 C 金属应变片式传感器 D 电涡流传感器 3 适合做霍尔片的材料是（） A 金属 B 绝缘体 C 半导体 D 陶瓷 4 下列传感器在进行温度测量时,能测量高温的是（） Ａ液体膨胀式Ｂ半导体传感器 Ｃ铂热电阻Ｄ铜热电阻 5 光电编码器输出信号为001100时，其距000000方位相差________个最小分辨率（） A 12 B 24 C 36 D 48