直接测量的方法有偏差式测量零位式测量微差式测量三种方法.docx
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直接测量的方法有偏差式测量零位式测量微差式测量三种方法
1直接测量的方法有偏差式测量零位式测量微差式测量三种方法
2传感器静态特性的技术指标线性度分辨率灵敏度迟滞重复性和漂移
3传感器一般由敏感元件、转换元件两部分组成。
•敏感元件：
传感器中能直接接受被测量信息的
元件转换元件：
将敏感元件的感受或响应被测量转换成适于运输和测量的电信号。
感器组成
系统灵敏度计算：
&二输出dy输入dx
4什么叫热电阻效应？
将两种不同材料的导体或半导体焊接起来，构成一个闭合回路，当导体的两个连接点之间存在温差时，两者之间便产生电动势，因而在回路中形成一个大小的电
流，这种现象称为热电效应。
什么叫应变效应？
导体或半导体电阻随其机械变形而变化的物理现象。
概念：
金属导体的电
阻值随它受外力所产生机械变化的大小而变化的现象称为金属的电阻应变效应
金属的电阻应变效应的原理：
当金属丝受外力作用时其长度和面积都会发生变化从
R=少S式中很容易看出。
其电阻值即会发生改变。
假如金属丝受外力作用而伸长时，其长度I增加，而截面积s减少。
电阻值便会增加。
同理，当金属丝受外力作用而压缩时，长度减少而截面积增大。
电阻值减少。
只要测出加在电阻的变化即可获得应变电阻丝的应变情况。
。
L=Li-L2
2
）E=4V，Ri=R2=R3=R4=120?
，试求：
［片，其余为外接电阻。
当R1的增量为？
R1=1.2?
时，电桥
5图示为一直流应变
（1）NR1为金金属
输出电压1Uo=?
2）Ri,R2都是应变片，且批号相同，感应应变的极性和大小都相同，其余为外接电阻，电桥输出电压Uo=?
3）题
（2）中，如果R2与R1感受应变的极性相反，且？
R仁？
R2=1.2?
，电桥输出电压Uo=?
3-5图所示
答：
①如题
由于Ri，
Ri=R2=R
根据题意，
图3-5
R2均为应变片，且批号相同，所受应变大小和方向均相同，则
Uo
I2—
Ri=R+?
Ri，R2=R-?
R2'R+AR2_R_、lR+R2R尹&
e_r/
R2120
=0.02V符号根据应变片
工作原理：
当衔
形成差动。
若衔
的极性决定）
6说明单线圈和差动变隙式传感器的主要组成、工作原理和基本特性
差动变隙式传感器结构：
如图4-6所示由差动线圈、铁芯、衔铁等组成
铁随被测量移动而偏离中间位置时，两线圈的电感量一个增加，一个减小,
铁向上移动△3时，两线圈电感量发生变化：
△L1、△L2，则总的电感变化量为:
当3>>△3时，忽略△S2,则：
基本特性：
差动式与单线圈电感传感器的电感L和气隙厚度3之间的关系如图4-7所示。
通
过比较可以看出，差动式电感传感器灵敏度约为非差动式电感传感器的两倍。
从图4-7还可
看出，差动式电感传感器的线性较好，且输出曲线较陡，灵敏度较高。
采用差动式结构除了
可以改善线性、提高灵敏度外，对外界影响，如温度的变化、电源频率的变化等也基本上可以互相抵消，衔铁承受的电磁吸引力也较小，从而减小了测量误差。
灵敏度：
单线圈变隙式传感器结构：
由线圈、铁芯、衔铁等组成。
工作原理：
传感器工作时，衔铁
与被测体连接。
当被测体产生土3的位移时，衔铁与其同步移动，引起磁路中气隙的磁阻发
生相应的变化。
从而导致线圈电感的变化。
只要测出这种电感量的变化，就能确定衔铁（被
测体）位移量的大小和方向。
基本特性：
传感器输出电感L和输入量3之间的关系，由
磁路基本知识而知（N—线圈匝数；Rm—磁路总磁阻）。
由于铁芯和衔铁的磁阻远小于气隙磁阻，所以忽略铁芯和衔铁的磁阻。
二（3—气隙厚度；S—气隙截面积；卩一真空磁导率,
近似空气。
）•••当匝数N确定，若保持面积S为常数，则L是气隙厚度3的函数，即L=F
（3）。
如图4-2所示。
电感量
2N2%S
2
Lo
T
L与气隙厚度3成正比。
输入与输出是非线性。
灵敏度:
L
Li
K00可以看出，3越小，K越高，为保证线性度，只能用于微小位移的测量。
7何谓零点残余电压？
说明该电压的产生原因及消除方法。
答：
用两线圈组成电桥，当两线圈的阻抗相等时，输出电压为零。
它的阻抗是一个复合阻抗
有感抗也有阻抗，为了达到平衡，就要求两线圈的电阻R相等，两线圈的电L相等。
但这种情况
是很难精确达到的，在零点总有一个最小的输出电压。
一般把这个最小的输出电压称为零点「2小
—cNUoSA盂
残余压L二222
A5
1,传感器啲两个三次绕组的电气参数与几何尺寸不对称
°0
2,由于磁性材料磁化曲线的非线性
3,励磁电压本身含高次谐波
方法：
1尽可能保证传感器的几何尺寸，绕组线圈电气参数和磁路的对称
2,采用适当的测量电路
8差动变压器的测量电路有几种类型？
试述它们的组成和基本原理。
为什么这类电路可以消b
除零点残余电压？
差动变压器的测量电路有变隙式，变面积式，螺线管式。
9什么叫电涡流效应？
电涡流的应用包括哪些内容
电涡流效应指的是这样的一种现象：
根据法拉第电磁感应定律，块状金属导体置于变化的磁
场中或在磁场中作切割磁力线运动时，通过导体的磁通将发生变化，产生感应电动势。
该电
动势在导体表面形成电流并自行闭合，状似水中的涡流，称为电涡流。
电涡流只集中在金属
导体的表面，这一现象称为趋肤效应。
应用：
位移测量，振幅测量，转速测量，无损探伤。
10电容式传感器的工作原理与分类
是一种接近式开关。
它的测量头通常是构成电容器的一个极板，而另一个极板是待测物体
的本身。
当物体移向接近开关时，物体和接近开关的介电常数发生变化，使得和测量头相连
的电路状态也随之发生变化。
变面积型，变介质型，变极距型
11什么叫光电效应
答：
光照射到物体上使物体发射电子，或电导率发生变化，或产生光生电动势，这些因光照引起物体电学特性改变的现象为光电效应
12解释热电效应、热电势、接触电势和温差电势
答；热电效应：
两种不同的导体两端相互紧密地连接在一起，组成一个闭合回路。
当两接点
温度不等时，回路中就会产生大小和方向与导体材料及两接点的温度有关的电动势，从而形
成电流。
热电势：
因为热而产生的电势差。
接触电势：
这种由于两种导体自由电子密度不同，而在其接触形成的电动势称为接触电势
温差电势：
对单一金属导体，如果将导体两端分别置于不同的温度场，在导体内部，热端的
自由电子仅有较大的动能，将向冷端移动，导致热端失去电子带正电，冷端得到电子带负电，这样在导体两端产生的电位差称为温差电动势
13热电偶测温原理及计算
热电偶是一种将温度变化转换为电量变化的装置，它利用传感元件的电磁参数随温度变化的
特征来达到测量的目的。
通常将被测温度转换为敏感元件的电阻、磁导或电势等的变化，通
过适当的测量电路，就可由电压电流这些电参数的变化来表达所测温度的变化。
热电偶的基本定律包括以下三种定律：
1）中间导体定律：
在热电偶回路中，只要中间导体两端的温度相同，那么接入中间导体后，对热电偶的回路的总电势无影响。
2）参考电极定律：
如果导体C热电极作为参考电极，并已知标准电极与任意导体配对时的热电势，那么在相同结点温度（T,TO）下，任意两导体A、B组成的热电偶，其电势可由下式求得Eab（T,T。
）=Eac（T,T°厂Ecb（T,T。
）
3）中间温度定律：
在热电偶回路中，两接点温度为T，To时的热电势，等于该热电偶在接
点T、Ta和Ta、To时的热电势之和，即Eab（T,T。
）=Eab仃,Ta）EAB（Ta，T。
）
14什么叫正、逆压电效应？
前置放大器选用，测量动态量
正压电效应就是对某些电介质沿一定方向施以外力使其变形时，其内部将产生极化现象而使其出现电荷集聚的现象。
对某些电介质沿一定方向施以外力使其变形时，其内部将产生极化现象，而使其表面出现电
荷集聚的现象，当片状材料的两个电极面上加交流电压，那么压电片将产生机械振动，即压
电片在电极方向上产生伸缩变形，压电材料的这种想象称为伸缩效应，也称逆压电效应，15试述霍尔效应的定义与简单的工作原理？
为什么霍尔元件用N型半导体制作？
1）定义：
金属或半导体薄片置于磁感应强度为B的磁场中，磁场方向垂直于薄片，
当有电流流过薄片时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势，这种现象称霍尔效应。
工作原理：
由于运动电荷受磁场中洛仑兹力作用的结果，设在N型半导体薄片上通以
电流I，则半导体中的载流子（电子）沿着与电流方向相反运动（速度V）,由于在
垂直于半导体薄片平面的方向上施加磁场B,所以电子受洛仑兹力的作用，向一边
偏转（虚线所示），并使该边形成电子积累，而另一边则为正电荷积累，于是形成电场，该电场阻止运动电子的继续偏转。
当电场作用在运动电子上的力与洛仑兹力
相等时，电子的积累便达到动态平衡，在薄片两横断面之间建立电场，相应的电势称为霍尔电势
2）材料中载流子的迁移率对元件灵敏度也有很大的影响，一般来说电子迁移率远
大于空穴的迁移率，所以霍尔元件一般采用N型半导体材料
16.什么叫湿敏电阻，气敏元件的工作原理
湿敏电阻是利用湿敏材料吸收空气中的水分而导致本身电阻值发生变化这一原理而
制成的。
气敏电阻是一种半导体敏感器件，它是利用气体的吸附而使半导体本身的电导率发生
变化这一机理来进行检测的。
1-1什么是传感器？
传感器就是能感知外界信息并能按一定规律将这些信息转换成可用信号的装置；简单说传感器是将外界信号转换为电信号的装置。
1-3传感器如何进行分类
1按输入量分类，以被测物理量命名，如位移传感器、速度传感器、压力传感器、温度传感器等2按输出信号形式分类，以模拟量输出的为模拟式传感器，以数字量输出的为数字式传感器。
3按工作原理分类，以工作原理命名，如应变式传感器、电容式传感器、电感式传感器、热释电传感器、压电式传感器、光电传感器等。
4按能量关系分类，分为能量转换型
和能量控制型传感器。
5按传感器的基本效应进行分类可以分为物理传感器，化学传感器和生物传感器6按传感器所蕴含的技术特征进行分类可分为普通传感器和新型传感器
2-1什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：
静态特性是指检测系统的输入为不随时间变化的恒定信号时，系统的输出与
输入之间的关系。
主要包括线性度、灵敏度、迟滞、重复性、漂移等。
2-7用某一阶传感器测量100Hz的正弦信号，如要求幅值误差限制在土5%A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？
2、某温度传感器为时间常数t=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。
1
解：
一阶传感器频率响应特性：
H（j•■）=
幅频特性:
（，）--arctan（，.）
由题意有:
A@）-*兰5%，即
<5%
=2二f=200二
所以：
0<<0.523ms
取=0.523ms,=2~50=100'：
幅值误差:
所以有：
一1.32%：
：
：
0
相位误差：
「-（，）--arctan（.）--9.3
所以有：
一9.3_厶（）<0
dt
2-9玻璃水银温度计通过玻璃温包将热量传给水银，可用一阶微分方程表示。
现已知某玻璃水银温度计特性的微分方程是4鱼，2y=2*10；xy代表水银柱高
度。
x代表输入温度。
求时间常数和灵敏度
3-5如果将100门应变片贴在弹性试件上，试件截面积S=0.5*10*m2弹性模量
!
'-2*101^/m2若5*104的拉力引起应变计电阻变化为V1，求该应变片的灵敏度系数
3-8如图所示为等强度梁测力系统，R!
为电阻应变片，应变片灵敏度系数k=2.05，未受
应变时R^12^1，当试件受力F时，应变片承受平均应变；=810,，求
（1）应变片电阻变化量R,和电阻相对变化量「R/R,。
（2）将电阻应变片置于单臂测量电桥，电桥电源电压为直流3V，求电桥
输出电压是多少。
4-2试分析变气隙厚度变磁阻式电感式传感器的工作原理？
变气隙厚度变磁阻式电感式传感器是被测压力进入C形弹簧管时，使其发生变形，其自由
端发生位移，带动与之相连的衔铁运动。
使线圈1和线圈2中的电感发生大小相等，符号相
反的变化。
电感的变化通过电桥转换成电压输出，只要检测出输出电压，就可确定被测压力
的大小
4-3已知变气隙电感传感器的铁心截面积S=1.5cm2,磁路长度L=20cm，相对磁导率
卩i=5000，气隙So=0.5cm,?
S=±0.1mm真空磁导率卩o=4n*1（-7H/m，线圈匝数N=3000,求？
L/?
3,若做成差动结构形式，其灵敏度将如何变化？
所以
54二10"
Z2-
0.510
=10.8二
=34
答:
△6
=L。
——
-0
做成差动结构形式灵敏度将提高一倍。
4-8;
5-2；一个以空气为介质的平板电容式传感器结构如图五所示，其中a=10mmb=
16mm两极板间距d=1mm测量时，若上极板在原始位置（Ax=0mm）上向左平移了2mm（x=2mm）求该传感器的电容变化量、电容相对变化量和位移相对灵敏
度K）o（已知空气的相对介电常数,=1F/m,真空时的介电常数；r=8.854x10-12F/m）
答：
电容的变化量为
即大容量减小了2.8310J3F
电容相对变化量为
位移相对灵敏度为
5-8一电容测微仪，其传圆极板的半径r=4mm工作初始间隙d=0.03mm,空气介质，试求:
（1）通过测量得到的电容变化量为厶C10”pF,则传感器与工件之间由初始间隙变
化的距离d二？
解：
（1）空气介电常数；=8.8510,2F/m，极距变化型电容传感器灵敏度：
2
Sd=「：
C/=d=-"S/do（4分）
则
（2）如果测量电路的放大倍数S,=100mV/pF，读数仪表的灵敏度S2=5格/mV，则此时仪表指示值变化多少格？
（2）设读数仪表指示值变化格数为m则
6-8简述电压放大器和电荷放大器的优缺点。
解：
电压放大器的应用具有一定的应用限制，压电式传感器在与电压放大器配合使用时，连
接电缆不能太长。
优点：
微型电压放大电路可以和传感器做成一体，这样这一问题就可以得
到克服，使它具有广泛的应用前景。
缺点：
电缆长，电缆电容Cc就大，电缆电容增大必然
使传感器的电压灵敏度降低。
不过由于固态电子器件和集成电路的迅速发展，
电荷放大器的优点：
输出电压Uo与电缆电容Cc无关，且与Q成正比，这是电荷放大
器的最大特点。
但电荷放大器的缺点：
价格比电压放大器高，电路较复杂，调整也较困难。
要注意的是，在实际应用中，电压放大器和电荷放大器都应加过载放大保护电路，否则在传感器过载时，会产生过高的输出电压。
7-6某霍尔元件长I,宽b,高d的尺寸分别为1.0cm*0.35cm*0.1cm，沿I方向通以电流I=1.0mA，在垂直lb面方向加有均匀磁场B=0.3T，传感器的灵敏度系数为22WA.T，试求输出的霍尔电动势和载流子浓度。
Rh
Uh=KhIB=22*0.001*0.3=0.0066V1KHH
Rh=—d
ne
11
n=219=2.84*10A20A*T/V*m*C
KHde22*0.1*10*1.602*10
8-15；8-17某热敏电阻的B值为2900K,若冰点电阻为500kQ,求热敏电阻在100C时的阻值。
9-4内光电效应，外光电效应。
物体收到光照后所产生的光电只在物体内部运行，而不会溢出物体的现象叫做内光电效应；
当光照射到金属或金属氧化物的光电材料上时光子能量传给光电材料表面的电子，如果入射
到表面的的光能使电子获得足够的能量，电子会克服正离子对它的吸引力，脱离材料表面而
进入外界空间，这种现象称为光电效应。
9-23光电码盘求最小分辨率，，如果要求每个最小分辨率对应的码盘圆弧长度L至少为
0.01mm码盘半径为多大？
最小分辨率360/2An，，半径r。
周长L=2口r，360儿=（360/2人n）/0.01
9-24利用某循环码盘测得结果为0110,其实际转过的角度是多少，
0110=2人1+2人2=66*360/2人4=135
10-2什么是热释电效应，热释电效应与哪些因素有关？
是指敏感元件的铁电片受红外线照射时，引起薄片温度升高使其极化强度降低，表面的电荷
减少，这相当于释放一部分电荷，与铁片的厚度有关，敏感元件尺寸，体积，灵敏面相关。
10-7试分析反射式和遮断式微波传感器的工作原理。
反射式通过检测经物体反射回来的微波信号的功率或微波信号从发出到接收到的时间间隔，来实现测量的一类微波传感器，可测位置，位移。
遮断式通过检测接收天线收到微波功率的大小来判断发射天线与接收天线之间有无物体，或
被测物体的位置厚度或含水量。
10-13超声波测量厚度，d=2△t/2
10-16超声波用于探伤的2种方法穿透法探伤反射法探伤
15.1什么是微软检测信号？
微软检测信号目的是？
微软检测信号是相对背景噪声而言，其信号幅度的绝对值很小，信噪比很低，远小于一，的
一类信号，目的是从噪声中提起出有用信号，或用一些新技术和新方法来提高检测系统输出信号的信噪比。
15.2什么是噪音
答：
噪音是一种连续型随机变量，在不同时刻可能出现的噪声值
18.4某压力表精度为2.5级，量程为0〜1.5MPa测量结果显示为0.70MPa，试求:
1）可能出现的最大满度相对误差•：
2）可能出现的最大绝对误差为多少kPa?
3）可能出现的最大示值相对误差
解1）可能出现的最大满度相对误差可以从精度等级直接得到，即.■-、
2）'■:
.
3）
由上例可知，:
总是大于（满度时等于）■
19-.1什么是虚拟仪器
答：
虚拟仪器虚拟技术在仪器表领域的一个重要应用，它是现代计算机技术和仪器技术深层
次结合的产物，是当今计算机辅助测试领域的一项重要技术
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