传感器与检测技术,习题课一,1传感器有哪些组成部分？在检测过程中各起什么作用？传感器定义？ 2. 测量误差是如何分类的？ 3. 系统误差如何发现？ 4.系统误差如何消除？,习题,5.有三台测温仪表，量程均为0600，精度等级分别为2.5级、2.0级和1.5级，现要测量500的温度，要求相对误差不超过2.5%，选哪台仪表合理？,例 已知某一被测量电压约10V，现有如下两块电压表：150V，0.5级；15V，2.5级。问选择哪一块表测量误差小？ 解： 用表时，其s=0.5，即m0.5，故测量中可能出现的最大绝对误差为 Um= Umm=1500.50.75V 用表时， Um= Umm=152.50.375V 显然， 表的精度等级高于表，但其量程较大，可能出现的最大绝对误差反而大于表，所以用精度等级较低的表测量10V左右的电压，测量误差反而小。 由此可见，选用测量仪表时，不能单纯追求精度等级，还要考虑量程是否合适等因素。,6传感器的静态特性是什么?由哪些性能指标描述?它们一般用哪些公式表示?7. 电阻应变片的分类；说明横向效应产生的原因。 8. 何谓直流电桥？若按桥臂工作方式不同，可分为哪几种?各自的输出电压及电桥灵敏度如何计算?. 分析电桥法温度补偿的原理。,9. 什么是电阻应变效应？应变效应与压阻效应异同点？,3-5. 图示为等强度梁测力系统，R1 为电阻应变片，其灵敏系数K = 2.05，未受应变时R1=120。当梁受力时F，应变片承受的平均应变= 800 m/m ，求（1）应变片电阻变化量R1 和电阻相对变化量R1 /R1。（2）将电阻应变片R1 置于直流电桥的一个桥臂，若电桥供电电压为3V，求电桥输出电压及电桥的电压灵敏度。,10电感式传感器的工作原理是什么？能够测量哪些物理量？ 11. 变气隙式传感器主要由哪几部分组成？有什么特点？.零点残余电压 传感器输入量为零时，电桥有一个不平衡输出电压U.,气隙型电感传感器,4.1 自感式传感器,线圈电感：,N - 线圈匝数,Rm- 磁路总磁阻,播放动画,气隙型电感传感器,4.1 自感式传感器,线圈,铁芯,衔铁,气隙型电感传感器,Rm- 磁路总磁阻：,气隙型电感传感器,4.1 自感式传感器,Rm- 磁路总磁阻：,气隙型电感传感器,4.1 自感式传感器,线圈,铁芯,衔铁,气隙型电感传感器,线圈电感：,N - 线圈匝数,/ 1时，泰勒级数展开,衔铁上移时,衔铁下移时,对上式作线性处理(忽略高次项)时,定义灵敏度,表示气隙变化引起电感的相对变化量,讨论： 传感器测量范围与灵敏度和线性度相矛盾； 变间隙式电感传感器用于小位移比较精确； 一般取 /= 0.1-0.2； 为减小非线性误差，实际测量中多采用差动形式。,（4-15）,图 差动变隙式电感传感器,在实际使用中，常采用两个相同的传感线圈共用一个衔铁，构成差动式自感传感器。,这种结构除了可以改善线性、提高灵敏度外，对温度变化、电源频率变化等的影响也可以进行补偿，从而减少了外界影响造成的误差。,9. 传感器的静态特性是什么?由哪些性能指标描述?它们一般用哪些公式表示? 10. 电阻应变片的分类；说明横向效应产生的原因。 11. 何谓直流电桥？若按桥臂工作方式不同，可分为哪几种?各自的输出电压及电桥灵敏度如何计算? 12. 分析电桥法温度补偿的原理。,13什么是金属应变片的灵敏系数？它与金属丝的灵敏系数有何不同？ 14.分析差动整流电路的工作原理，画出衔铁在不同位置时的电压波形图。 15.什么是电涡流?电涡流传感器为什么也属于电感传感器? 16.说明差动式电感传感器与差动变压器式传感器工作原理的区别。 17.如果要测量加速度可以选用那些传感器？,18.电涡流式传感器有何特点？ 19.何谓差动变压器的零点残存电压？,12.概述电涡流式传感器的基本结构与工作原理。 分析测厚的原理,由于涡流消耗部分磁场能量，使感应电动势u2减少，当金属板越厚时，损耗的能量越大，输出电动势u2越小。,21.有三台测温仪表，量程均为0600，精度等级分别为2.5级、2.0级和1.5级，现要测量500的温度，要求相对误差不超过2.5%，选哪台仪表合理？,例 已知某一被测量电压约10V，现有如下两块电压表：150V，0.5级；15V，2.5级。问选择哪一块表测量误差小？ 解： 用表时，其s=0.5，即m0.5，故测量中可能出现的最大绝对误差为 Um= Umm=1500.50.75V 用表时， Um= Umm=152.50.375V 显然， 表的精度等级高于表，但其量程较大，可能出现的最大绝对误差反而大于表，所以用精度等级较低的表测量10V左右的电压，测量误差反而小。 由此可见，选用测量仪表时，不能单纯追求精度等级，还要考虑量程是否合适等因素。,22电容式传感器的工作原理及分类 23压电材料的分类及压电原理 24光电效应分类，概念，对应的光电器件 25热电偶的测温工作原理，三大基本定律,（1）不考虑负载时两极板间电压的峰峰值；,26磁电感应式传感器 类型（7章） 27霍尔式传感器（7章） 28不等位电势 29超声波传感器应用,7.1.1工作原理,9/8/2018,传感器原理与应用,31,导体切割磁感线：,线圈处于变化磁场：,磁电式传感器结构分类 变磁通式（磁阻式）恒磁通式,开磁路,闭磁路,动圈式,动铁式,7.1.1工作原理,9/8/2018,传感器原理与应用,32,开磁路变磁通式,1永久磁铁 2软磁铁 3感应线圈 4铁齿轮,齿轮转动,磁阻变化,磁通变化,产生感应电动势,频率=转速*齿数,特点 结构简单 输出信号较小 高速危险,7.1.1工作原理,闭磁路变磁通式,9/8/2018,传感器原理与应用,33,1永久磁铁 3感应线圈 5内齿轮 6外齿轮 7转轴,内齿轮转动,磁阻变化,产生感应电动势,频率与转速成正比,7.2.1霍尔效应,霍尔效应 置于磁场中的静止载流导体，当它的电流方向与磁场方向不一致时，载流导体上平行于电流和磁场方向上的两个面之间产生电动势，此现象称为霍尔效应。该电势称霍尔电势。,9/8/2018,34,答案,1.答：传感器通常由敏感元件、传感元件及测量转换电路三部分组成。各部分在检测过程中所起作用是：敏感元件是在传感器中直接感受被测量，并输出与被测量成一定联系的另一物理量的元件，如电阻式传感器中的弹性敏感元件可将力转换为位移。传感元件是能将敏感元件的输出量转换为适于传输和测量的电参量的元件，如应变片可将应变转换为电阻量。测量转换电路可将传感元件输出的电参量转换成易于处理的电量信号。,2.答：按表示方法分有绝对误差和相对误差；按误差出现的规律分有系统误差、随机误差和粗大误差；按被测量随时间变化的速度分有静态误差和动态误差。 3.答：弹性敏感元件在传感器技术中占有很重要的地位，是检测系统的基本元件，它能直接感受被测物理量（如力、位移、速度、压力等）的变化，进而将其转化为本身的应变或位移，然后再由各种不同形式的传感元件将这些量变换成电量。,4.答：弹性敏感元件形式上基本分成两大类，即将力变换成应变或位移的变换力的弹性敏感元件和将压力变换成应变或位移的变换压力的弹性敏感元件。 变换力的弹性敏感元件通常有等截面轴、环状弹性敏感元件、悬臂梁和扭转轴等。实心等截面轴在力的作用下其位移很小，因此常用它的应变作为输出量。它的主要优点是结构简单、加工方便、测量范围宽、可承受极大的载荷、缺点是灵敏度低。空心圆柱体的灵敏度相对实心轴要高许多，在同样的截面积下，轴的直径可加大数倍，这样可提高轴的抗弯能力，但其过载能力相对弱，载荷较大时会产生较明显的桶形形变，使输出应变复杂而影响精度。环状敏感元件一般为等截面圆环结构，圆环受力后容易变形，所以它的灵敏度较高，多用于测量较小的力，缺点是圆环加工困难，环的各个部位的应变及应力都不相等。悬臂梁的特点是结构简单，易于加工，输出位移(或应变)大，灵敏度高，所以常用于较小力的测量。扭转轴式弹性敏感元件用于测量力矩和转矩。,变换压力的弹性敏感元件通常有弹簧管、波纹管、等截面薄板、波纹膜片和膜盒、薄壁圆筒和薄壁半球等。弹簧管可以把压力变换成位移，且弹簧管的自由端的位移量、中心角的变化量与压力p成正比，其刚度较大，灵敏度较小，但过载能力强，常用于测量较大压力。波纹管的线性特性易被破坏，因此它主要用于测量较小压力或压差测量中。,5.答：导体或半导体材料在外力作用下产生机械变形（拉伸或压缩）时，其电阻值也随之发生相应的变化，这种现象即为电阻应变效应。 6.答：电感式传感器是利用电磁感应原理，将被测非电量的变化转换成线圈的电感（或互感）变化的一种机电转换装置。利用电感式传感器可以把连续变化的线位移或角位移转换成线圈的自感或互感的连续变化，经过一定的转换电路再变成电压或电流信号以供显示。它除了可以对直线位移或角位移进行直接测量外，还可以通过一定的感受机构对一些能够转换成位移量的其他非电量，如振动、压力、应变、流量等进行检测。,7.答：变气隙式自感式传感器由铁心线圈、衔铁、测杆及弹簧等组成。变气隙式传感器的线性度差、示值范围窄、自由行程小，但在小位移下灵敏度很高，常用于小位移的测量。,8.答：变气隙式自感式传感器由铁心线圈、衔铁、测杆及弹簧等组成。变气隙式传感器的线性度差、示值范围窄、自由行程小，但在小位移下灵敏度很高，常用于小位移的测量。,