传感器与测量技术-第1章 测试系统的构成

第1章 传感与检测技术基础第2章 电阻式传感器 第3章 电感式传感器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：00022l 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 ll l r 。

由此可见，要改善非线性，必须使l l∆要小，一般控制在0.1~0.2。

（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：20022l 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。

第1章 传感器与检测技术基础检测技术是人们认识和改造世界的一种必不可少的重要技术手段。

而传感器是科学实验和工业生产等活动中对信息资源的开发获取、传输与处理的一种重要手段。

我们已经知道，对于电量参数的测量具有测量精度高、反应速度快、能自动连续地进行测量、可以进行遥测、便于自动记录、可以与计算机方便地连接进行数据处理、也可采用微处理器做成智能仪表、能实现自动检测与转换等一系列优点。

但是在工程上和实际的测量中，所需要测量的参数往往有相当大的部分为非电量，例如温度、位移、压力、流量等，所以通常就把将这些非电量转换为电信号输出的装置或设备称为传感器。

传感器与检测技术是一门随着现代科学技术发展而迅猛发展的综合性技术学科，广泛应用于人类的社会生产和科学研究中，起着越来越重要的作用，成为国民经济发展和社会进步的一项必不可少的重要技术。

检测的基本任务就是获取有用的信息，通过借助专门的仪器、设备，设计合理的实验方法以及进行必要的信号分析与数据处理，从而获得与被测对象有关的信息，最后将结果提供显示或输入其他信息处理装置、控制系统。

因此，传感器与检测技术属于信息科学范畴，它与通信技术、计算机技术一起分别构成信息技术系统的“感官”、“神经”和“大脑”，是信息技术的三大支柱(传感技术、通信技术和计算机技术)之一。

检测技术的发展与生产和科学技术的发展是紧密相关的，它们互相依赖、相互促进。

现代科技的发展不断地向检测技术提出新的要求，推动了检测技术的发展。

与此同时，检测技术迅速吸取各个科技领域(如材料科学、微电子学、计算机科学等)的新成果，开发出新的检测方法和先进的检测仪器，同时又给科学研究提供了有力的工具和先进的手段，从而促进了科学技术的发展。

在各种现代机械设备的设计和制造中，检测技术的成本已达到设备系统总成本的50%～70%。

据资料统计：一辆汽车需要30～100余种传感器及配套检测仪表用以检测车速、方位、转矩、振动、油压、油量、温度等；而一架飞机需要3600余种传感器及配套检测仪表用来监测飞机各部位的参数(压力、应力、温度等)和发动机的参数(转速、振动等)等。

第一章绪论1课程简介【引题，作为整门课程的开始，开篇引题要能抓住学生兴趣】设计1：带几个机器人去教室，演示机器人功能，以其中一个机器人（排雷机器人）为例，提问：以这个排雷机器人为例，分析一下它具体实现了哪些功能？首先，当地面有雷的时候，它能够“看”到。

然后，它能将“看”到的信息，通过它的“神经”，也就是这些数据线，传达给它的“大脑”。

它的大脑就做出反应：此处有雷。

引出：这其实也就是我们这门课程中，主要研究的问题：怎样让一个系统去感知它周围的世界，然后，把它所感知到的信息，传递给它的大脑，来完成相应的系统任务。

（接课程内容）提到武器测试技术这个名词，我们可能都不陌生，我们在很多新闻、书籍、电影乃至动画片当中，都见到过关于武器测试技术的片段（图1.1 武器测试技术应用）。

如果我们把研究的对象放宽，那测试技术可以说遍布我们身边的方方面面（图1.2 测试技术的应用）。

仔细看一看这些系统我们能够发现，它们的基本任务大体一致：将研究目标的相关信息检测出来，再传输给系统，来完成相应的系统任务。

1.1课程内容也就是说，我们这门课当中的主要内容：1、是系统感知世界的感官，也就是传感器。

2、是我们怎样利用这些感官，以及这些感官所感知到的信息（测试技术）。

3、最后，我们一起来简单的了解一下这门学科当前的应用以及未来的发展趋势。

图1.3 课程内容及学时安排我们这门课的主要内容，就一起来学习一下，作为一个电气系统，它们用什么来感知外界的信息（传感器），又如何对感知到的信息加以处理，并应用到系统中去的（测试技术），最后，我们一起来简单的了解一下这门学科当前的应用以及未来的发展趋势。

1.1.1章节内容1.1.2学时安排1.2课程特点1.2.1涉及范围广传感器部分物理电路模拟电路测试技术部分信号与系统电路模拟电路自动控制原理单片机原理1.2.2知识点零散1.2.3贴近工程应用1.3学习要求1.3.1课上：认真听讲、记好笔记1.3.2课后：按时、独立完成作业1.3.3实验：充分预习，勇于实践1.4参考书目1.4.1《传感器与检测技术》魏学业主编人民邮电出版社1.4.2《传感器与自动检测技术》张玉莲主编机械工业出版社1.4.3《现代传感器技术》徐群和主编科学出版社1.4.4《传感器与的检测技术》李增国主编北京航空航天大学出版社1.4.5《MATLAB基础与应用教程》蔡旭晖等著人民邮电出版社1.4.6《LabVIEW程序设计基础》德湘轶主编清华大学出版社2产生背景【引题】这门学科是如何产生的呢？我们已经知道，这是一门主要研究传感器原理和使用方法的学科，那么，这门学科是怎样产生的呢？2.1生物能够感知外界信息人们从很早就知道，生物，可以通过视觉、听觉、味觉等形形色色的感官感知我们周围的世界（图1-4~图1-6）。

《传感器与现代检测技术》复习参考前言知识点第一章概论1、检测的定义2、传感器的定义、组成、分类传感器(狭义):能感应被测量的变化并将其转换为其他物理量变化的器件.传感器(广义):是信号检出器件和信号处理部分的总称.传感器的分类：按测量的性质划分:位移传感器,压力传感器,温度传感器等.按工作的原理划分:电阻应变式,电感式,电容式,压电式,磁电式传感器等.按测量的转换特征划分:结构型传感器和物性型传感器.按能量传递的方式划分:能量控制型传感器和能量转换型传感器.3、检测系统的静、动态性能指标静态特性可用下列多项式代数方程表示：y=a0+a1x+a2x2+a3x3+…+a n x n式中：y—输出量；x—输入量；a0—零点输出；a1—理论灵敏度；a2、a3、… 、an—非线性项系数。

1）线性度：指输出量与输入量之间的实际关系曲线偏离直线的程度,又叫非线性误差.2）灵敏度：指传感器的输出量增量与引起输出量增量的输入量的比值.3）迟滞：指传感器在正向行程和反向行程期间,输出-输入曲线不重合的现象.4）重复性：指传感器在输入量按同一方向做全量程多次测试时,所得特性曲线不一致性的程度.5）分辨率：指传感器在规定测量范围内所能检测输入量的最小变化量.6）稳定性：指传感器在室温条件下,经过相当长的时间间隔,传感器的输出与起始标定时的输出之间的差异.7）漂移：指传感器在外界的干扰下,输出量发生与输入量无关的变化,包括零点漂移和灵敏度漂移等.4、传感器的动态特性1）瞬态响应法2）频率响应法第二章常用传感器1、电阻式传感器（1）基本原理：将被测物理量的变化转换成电阻值的变化，再经相应的测量电路显示或记录被测量值的变化。

（2）电阻应变片结构（3）应变效应电阻应变片满足线性关系：，S即为应变片灵敏系数，或用K表示，K=1+2μ。

半导体应变片满足： （4）测量电路A ．直流电桥 （电桥形式（单臂、双臂、全桥）、输出电压表达式、电压灵敏度、应变片的位置安放）见课后习题P242 3.5 B ．交流电桥（5）温度误差原因及补偿方法2、 电容式传感器（1） 结构、原理 （2） 类型：变极距型：非线性误差大，适用于微小位移量测量变极板面积型：面积变化型电容传感器的优点是输出与输入成线性关系，但与极板变化型相比，灵敏度较低，适用于较大角位移及直线位移的测量。

第1章传感器概述传感器原理及应用第1章传感器概述主要内容：1.1什么是传感器1.2传感器的作用和地位1.3传感器现状和国内外发展趋势1.4检测系统的组成原理1.5传感器的定义、组成和分类方法1.1什么是传感器在我们日常生活中，使用着各种各样的传感器电冰箱、电饭煲中的温度传感器;空调中的温度和湿度传感器;抽油烟机中的煤气泄漏传感器;电视机和影碟机中的红外遥控器;照相机中的光传感器;汽车中燃料计和速度计等等，不胜枚举。

1.1什么是传感器1.1什么是传感器眼（视觉）耳（听觉）鼻（嗅觉）皮肤（触觉）舌（味觉）1.1什么是传感器如果用机器完成这一过程，计算机相当人的大脑，执行机构相当人的肌体，传感器相当于人的五官和皮肤。

传感器又是人体感官的延长，有人又称传感器为“电五官”，它作为替代补充人的感觉器官功能，传感器为人类客观定量认识世界起到重要作用。

1.1什么是传感器1.1什么是传感器1.2传感器技术的作用和地位1.2传感器技术的作用和地位1.2传感器技术的作用和地位1.2传感器技术的作用和地位第1章传感器概述1.2传感器技术的作用和地位第1章传感器概述第1章传感器概述第1章传感器概述1.2传感器技术的作用和地位第1章传感器概述第1章传感器概述1.2传感器技术的作用和地位1.2传感器技术的作用和地位1.2传感器技术的作用和地位1.2传感器技术的作用和地位1.2传感器技术的作用和地位第1章传感器概述1.3传感器现状和国内外发展趋势1.3传感器现状和国内外发展趋势1.3传感器现状和国内外发展趋势1.3传感器现状和国内外发展趋势使现场数据就近登陆，通过Internet网与用户之间异地交换数据远程控制等。

传感器的数字化和网络化1.4检测系统的组成原理1.4检测系统的组成原理1.4检测系统的组成原理1.4检测系统的组成原理1.4检测系统的组成原理1.4检测系统的组成原理1.4检测系统的组成原理1.5传感器的定义、组成和分类方法1.5传感器的定义、组成和分类方法1.5传感器的定义、组成和分类方法1.5传感器的定义、组成和分类方法1.5传感器的定义、组成和分类方法1.5传感器的定义、组成和分类方法1.5传感器的定义、组成和分类方法1.5传感器的定义、组成和分类方法1.6本课程的特点和研究内容1.6本课程的特点和研究内容传感器原理及应用第1章传感器概述传感器发展趋势传感器的历史远比近代科学来得古老，如‘天平’古埃及开始使用、利用液体热膨胀进行温度测量，在16世纪前后实现的。

电大《传感器与检测技术》期末复习题及详细答案参考传感器与检测技术复习题基础知识自测题第一章传感器的通常特性1.传感器是检测中首先感受，并将它转换成与有确定对应关系的的器件。

2.传感器的基本特性通常用其特性和特性去叙述。

当传感器转换的被测量处在动态时，测出的输入一输出关系称作特性。

3.传感器变换的被测量的数值处在稳定状态下，传感器输出与输入的关系称为传感器的特性，其主要技术指标有：、、和等。

4.传感器实际曲线与理论直线之间的称作传感器的非线性误差，其中的与输入满度值之比称作传感器的。

5.传感器的灵敏度是指稳态标准条件下，变化量与化量的比值。

对传感器来说，其灵敏度是常数。

6.传感器的动态特性就是指传感器测量时，其输入对输出的特性。

7.传感器中直接感受被测量，并输出与被测量成关系的其它量的元件称为元件。

8.只体会由敏感元件输入的，并且与成确认关系的另一种非电量，然后输入电量的元件，称作元件。

第二章电阻式传感器1.电阻应变片就是将被测试件上的转换成的传感元件。

2.电阻应变片由、、和等部分共同组成。

3.应变式传感器中的测量电路是将应变片转换成的变化，以便显示或记录被测非电量的大小。

4.金属电阻应变片脆弱栅的形式和材料很多，其中形式以式用的最少，材料Infreville的最为广为。

5.电阻应变片的工作原理就是依据快速反应效应创建与变形之间的量值关系而工作的。

6.当应变片主轴线与试件轴线方向一致，且受到一维形变时，应变片灵敏系数k就是应变片的与试件主应力的之比。

7.电阻应变片中，电阻丝的灵敏系数小于其灵敏系数的现象，称为应变片的横向效应。

8.电阻应变片的温度补偿中，若使用电桥补偿法测量应变片时，工作应变片粘贴在表面上，补偿应变片粘贴在与被测试件完全相同的上时，则补偿应变片不。

9.用弹性元件和及一些附件可以共同组成快速反应式传感器.10.应变式传感器按用途划分有：应变式传感器、应变式传感器、应变式传感器等。

11.电阻应变片的配用测量电路采用差动电桥时，不仅可以，同时还能起到的作用。

第1章传感器特性习题答案：5.答：静特性是当输入量为常数或变化极慢时，传感器的输入输出特性，其主要指标有线性度、迟滞、重复性、分辨力、稳定性、温度稳定性、各种抗干扰稳定性。

传感器的静特性由静特性曲线反映出来，静特性曲线由实际测绘中获得。

人们根据传感器的静特性来选择合适的传感器。

9．解：10.解：11．解：带入数据拟合直线灵敏度0.68,线性度±7%。

，，，，，，13．解：此题与炉温实验的测试曲线类似:14．解：15．解：所求幅值误差为1.109,相位滞后33042,所求幅值误差为1.109,相位滞后33042,16．答：dy/dx=1-0.00014x。

微分值在x<7143Pa时为正，x>7143Pa时为负，故不能使用。

17．答：⑴20。

C时，0～100ppm对应得电阻变化为250～350kΩ。

V0在48.78～67.63mV之间变化。

⑵如果R2=10MΩ，R3=250kΩ，20。

C时，V0在0～18.85mV之间变化。

30。

C时V0在46.46mV（0ppm）～64.43mV（100ppm）之间变化。

⑶20。

C时，V0为0～18.85mV，30。

C时V0为0～17.79mV，如果零点不随温度变化，灵敏度约降低4.9%。

但相对（2）得情况来说有很大的改善。

18．答：感应电压=2πfCRSVN,以f=50/60Hz,RS=1kΩ,VN=100代入，并保证单位一致，得：感应电压=2π*60*500*10-12*1000*100[V]=1.8*10-2V 第3章应变式传感器概述习题答案9.答：(1).全桥电路如下图所示(2).圆桶截面积应变片1、2、3、4感受纵向应变；应变片5、6、7、8感受纵向应变；满量程时：（3）10．答：敏感元件与弹性元件温度误差不同产生虚假误差，可采用自补偿和线路补偿。

11．解：12．解：13．解：①是ΔR/R=2（Δl/l）。

因为电阻变化率是ΔR/R=0.001，所以Δl/l（应变）=0.0005=5*10-4。

传感器与检测技术（胡向东，第2版）习题解答王涛第1章概述什么是传感器答：传感器是能够感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件和装置，通常由敏感元件和转换元件组成。

传感器的共性是什么答：传感器的共性就是利用物理定律或物质的物理、化学或生物特性，将非电量（如位移、速度、加速度、力等）输入转换成电量（电压、电流、频率、电荷、电容、电阻等）输出。

传感器一般由哪几部分组成答：传感器的基本组成分为敏感元件和转换元件两部分，分别完成检测和转换两个基本功能。

②按传感器的工作原理进行分类根据传感器的工作原理（物理定律、物理效应、半导体理论、化学原理等），可以分为电阻式传感器、电感式传感器、电容式传感器、压电式传感器、磁敏式传感器、热电式传感器、光电式传感器等。

③按传感器的基本效应进行分类根据传感器敏感元件所蕴含的基本效应，可以将传感器分为物理传感器、化学传感器和生物传感器。

改善传感器性能的技术途径有哪些答：①差动技术；②平均技术；③补偿与修正技术；④屏蔽、隔离与干扰抑制；⑤稳定性处理。

第2章传感器的基本特性什么是传感器的静态特性描述传感器静态特性的主要指标有哪些答：传感器的静态特性是它在稳态信号作用下的输入、输出关系。

静态特性所描述的传感器的输入-输出关系中不含时间变量。

衡量传感器静态特性的主要指标是线性度、灵敏度、分辨率、迟滞、重复性和漂移。

利用压力传感器所得测试数据如下表所示，计算非线性误差、迟滞和重复性误差。

设压力解：①求非线性误差，首先要求实际特性曲线与拟合直线之间的最大误差，拟合直线在输入量变化不大的条件下，可以用切线或割线拟合、过零旋转拟合、端点平移拟合等来近似地代表实际曲线的一段（多数情况下是用最小二乘法来求出拟合直线）。

（1）端点线性度： 设拟合直线为：y=kx+b, 根据两个端点（0，0）和（，），则拟合直线斜率： ∴*+b= ∴b=0（2）最小二乘线性度： 设拟合直线方程为01y a a x =+， 误差方程01()i i i i i y y y a a x v ∧∧-=-+= 令10x a =，21x a =由已知输入输出数据，根据最小二乘法，有：直接测量值矩阵0.644.047.4710.9314.45L ⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦，系数矩阵10.0210.0410.0610.0810.10A ⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦，被测量估计值矩阵01a X a ∧⎡⎤=⎢⎥⎣⎦由最小二乘法：''A A X A L ∧=，有答：非线性误差公式：max 0.106100%100%0.64%16.50L FS L Y γ∆=±⨯=⨯= ② 迟滞误差公式：max100%H FSH Y γ∆=⨯， 又∵最大行程最大偏差max H ∆=，∴max 0.1100%100%0.6%16.50H FS H Y γ∆=⨯=⨯= ③ 重复性误差公式：max100%L FSR Y γ∆=±⨯， 又∵重复性最大偏差为max R ∆=，∴max 0.08100%100%0.48%16.50L FS R Y γ∆=±⨯=±⨯=± 用一阶传感器测量100Hz 的正弦信号，如果要求幅值误差限制在±5％以内，时间常数应取多少如果用该传感器测量50Hz 的正弦信号，其幅值误差和相位误差各为多少 解：一阶传感器频率响应特性：1()()1H j j ωτω=+幅频特性：()A ω=由题意有()15%A ω-≤15%-≤又22200f Tπωππ=== 所以：0＜τ＜取τ=，ω=2πf=2π×50=100π幅值误差：()100% 1.32%A ω∆==-所以有%≤△A(ω)＜0相位误差：△φ(ω)=-arctan(ωτ)= 所以有≤△φ(ω)＜0某温度传感器为时间常数τ=3s 的一阶系统，当传感器受突变温度作用后，试求传感器指示出温差的三分之一和二分之一所需的时间。