传感器与电子测量总复习(20151229)

,单击此处编辑母版标题样式,第,*,页,南昌航空大学电子信息工程,第,*,页,南昌航空大学电子信息工程学院电子工程系,传感器与电子测量,单击此处编辑母版标题样式,第,*,页,南昌航空大学电子信息工程,单击此处编辑母版标题样式,*,第,*,页,南昌航空大学电子信息工程,单击此处编辑母版标题样式,*,总复习,传感器,与,电子测量,主讲,:,熊文华,南昌航空大学电子信息工程,Part1 检测技术根底,Part2 传感技术,Part3 检测技术,复 习 内 容,一、检测技术根底,1.,传感器,能感受(或响应)规定的被测量，并依据肯定规律转换成可用输出信号的器件或装置。,传感器一般由敏感元件、变换元件和其他帮助元件组成。,2.,系统性能指标,(1),静态特性的性能指标,测量范围,允许误差范围内的最小被测量和最大被测量之间的范围。,灵敏度,非线性度,标定曲线与拟合直线的偏离程度,回程误差,重复性,分辨力,能够检测被测量最小变化量的能力。,稳定度,检测系统在规定的条件下保持其测量特性恒定不变的能力。,漂移,检测系统随时间的慢变化,精确度,精密度与正确度的总称,指检测系统的输入、输出信号不随时间变化或变化很缓慢的特性。,(2),动态特性指标,时域指标,最大超调量,时间常数,延迟时间,t,d,、上升时间,t,r,、峰值时间,t,p,和响应时间,t,s,等,频域指标,固有频率,阻尼比,系统频率特性,指检测系统的输出对随时间变化的输入量的不失真的快速响应力量。,系统动态特性可以从时域和频域两个方面分别承受瞬态响应法和频率响应法来分析。,3.,测量误差,指测量过程的不尽完善或测量条件的不抱负而使测量结果偏离真值引起的误差。,按误差特点与性质，测量可分为,系统误差,、,随机误差,和,粗大误差,。,系统误差,表征测量的准确度,(,偏离真值的程度,),具有规律性,。,随机误差,表征测量的精密度,(,分散程度,),服从,正态分布规律,，具有,单峰,性,、,有界,性,，且测量次数无穷大时，还具有,对称性,(,即,抵偿性,),。,粗大误差,(,疏失误差,),数据处理时应剔除含粗大误差的数据。,具,有明显错误的误差,4.,测量结果的处理,(1)利用修正值等方法对测得值进展修正，将已减弱,恒值系统误差影响的各数据Xi依次列成表格。,(2),求出算术平均值。,(3),列出残差,并验证 。,(4),列出,，计算标准偏差的估计值,(5),按 的原则，检查和剔除粗差。,(6),算出算术平均值的标准偏差,(7),写出测量结果的表达式,二,、传感技术,1.,传感器的工作机理,热电偶,基于,热电效应,电阻应变片,基于,应变效应,半导体应变片,基于,压阻效应,电涡流式传感器,基于,电涡流效应,压电式传感器,基于,压电效应,霍尔式传感器,基于,霍尔效应,光电式传感器,基于,光电效应,2.,主要效应,热电效应,两种不同金属导体连接成闭合回路时，因两接触点温度不同，在回路中产生热电动势的现象。,应变效应,导体受到外力作用时，产生机械形变而导致其阻值变化的现象。,压电效应,物质,受外力作用发生机械变形而使其表面产生符号相反,的等量电荷，或物质置于电场中导致物质发生形变的现象。,霍尔效应,半导体薄片置于磁场中，在其控制电极通以电流时，在,垂直于电流和磁场的方向上,产生霍尔电势,的现象。,光电效应,外光电效应,光线照射下，电子逸出物体表面向外发射的现象。,内光电效应,光线照射下，物体内的电子不能逸出物体表面，而使物体的电导率发生变化或产生光生电动势的现象,(,一,),温度传感器,-,热电偶,重要定律,中间,导体,定律,接入检测仪表不会带来测量误差。,中间,温度,定律,冷端温度不为零，结合分度表可求出工作端的,被测温度,，,补偿导线,也依据了该定律。,参考,电极,定律,简化热电偶选配电极。,(,二,),位移传感器,种类,主要类型,原理,测量电路,应变片,金属电阻应变片,直流电桥,电容式传感器,变极距型,交流电桥、,脉冲调宽,电感式传感器,差动变压器,输出反映位移大小和方向，消除零点残余电压的影响,相敏检波,电涡流传感器,高频反射式,电涡流效应,调频、调幅,1.,电阻应变片,2.,测量电桥,K,为灵敏系数,电桥形式,输出,U,0,电压灵敏度,S,V,(,三,),电感式传感器,自感型传感器,变,气,隙型、变面积型、螺管型,互感型电感传感器,差动变压器,指差动变压器衔铁处于中间位置时输出的微小电压,(,从零点几,m,V,到数十,m,V),。,零点剩余电压：,零点剩余电压的产生缘由：,(1)传感器的两个二次绕组的电气参数与几何尺寸不对称，,产生了零点剩余电压的基波；,(2)磁性材料磁化曲线的非线性，产生了零点剩余电压的高,次谐波(主要是三次谐波)；,(3)励磁电压本身含高次谐波。,(,四,),转速测量传感器,转速传感器类型,结构,转速公式,磁电式,n,转速,(,r,min,);,f,输出信号频率,z,齿数、磁钢数、,转盘上孔数,电涡流式,霍尔式,光电式,(,五,),超声波传感器,传播特性,传播速度,不同介质中传播有各自的传播速度,指向性,中心轴线上声强最大，随着扩散角度的增大声强逐步减小,。,传播类型,超声波由一种介质入射到另一种介质时，由于在两种介绍中的传播速度不同，在异质界面上将会产生,反射,、,折射,和,波型转换,等现象,.,衰减,介质,密度越小,，衰减越快；,频率越高,，衰减越快。,在弹性介质中传播的振动频率,20kHz,以上的机械波。,三,、检测技术,1.,信号调理,2.,抗干扰技术,放大,滤波,信号转换,非线性校正与补偿,调制与解调,屏蔽,接地,隔离,滤波,调制,软件抗干扰,一、,填空题,(,一,),传感器组成与分类,1.传感器一般由 、和其他帮助元件组成。,敏感元件,、,变换元件,20232023(1),2.,数字式传感器可分为三类，即,，,和频率输出式数字传感器。,脉冲输出式,、,编码输出式,20232023(1),历年考试题型,(,二,),传感器性能指标,20232023(1),20232023(1),1.,某位移传感器，在输入量变化,5 mm,时，输出电压变化为,300 mV,，其灵敏度为,。,2、传感器的动态特性可以从时域和频域两个方面分别承受 和 来分析。,瞬态响应法,、,频率响应法,(,三,),误差分析,1,、测量误差可分为：系统误差、,和,三大类。,随机误差、粗大误差,20232023(1),2、听从正态分布规律的随机误差的特征包括 、,和对称性。,单峰性,、,有界性,20232023(1),(,四,),电感式传感器,(,五,),磁电式传感器,1.电感式传感器依据电感类型的不同，可分为,变化型和 变化型两类。,自感系数,、,互感系数,1.承受磁电式传感器测量转速，测速齿轮齿数为60，当传感器输出频率为1kHz的正弦波信号时，被测轴的转速为 转/分钟。,20232023(1),20232023(1),(,六,),超声波,1,、当超声波由一种介质入射到另一种介质时，由,于在两种介质中的传播速度不同，在异质界面,上将会产生,、,和波型转换等现象。,反射,、,折射,20232023(1),(,七,),调理技术,1.,信号调理电路通常具有放大、电平移动、,阻抗匹配、滤波、,、,等功能。,调制、解调,2.依据滤波器处理信号的频带，滤波器可分为,滤波器、高通滤波器、滤波器、带阻滤波器,及 滤波器等五种。,低通,、,带通,、,全通,20232023(1),20232023(1),二,、名词解释题,(,一,),传感器概念,1.,传感器,答：,能感受或响应规定的被测量，并依据肯定规律转换成可用输出信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。,20232023(1),20232023(1),(,二,),传感器性能指标,1、区分率,答：,是用来表示检测系统或仪表装置能够检测被测量最小变化量的力量。通常是以最小量程的单位值来表示。,20232023(1),20232023(1),2,、线性度,答：,指传感器的输出与输入成线性关系的程度。,20232023(1),(,三,),传感器机理,1.,压阻效应,答：,指半导体材料在某一轴向受外力作用时，其电阻率发生变化的现象。,20232023(1),2.,霍尔效应,3,、外光电效应,答：,在金属或半导体薄片相对两侧面通以掌握电流I，在薄片垂直方向上施加磁场B，则在垂直于电流和磁场的方向上，会产生一个大小与掌握电流I和磁场B乘积成正比的电动势UH，这一,现象称为霍尔效应。,答：,指在光线照射下，电子逸出物体外表对外放射的现象。,20232023(1),20232023(1),三、根本分析题,1,、,什么是传感器的静态特性？它有哪些性能指标？,(,一,),传感器性能指标,答：,描述静态响应特性的指标有测量范围、灵敏度、非线性度、回程误差、稳定度和漂移、精度、牢靠性、区分率、灵敏阀等。,静态特性：在稳态信号作用下的输入,输出关系。,20232023(1),2、为什么在使用各种指针式仪表时，总希望指针偏转在全量程的2/3以上范围内使用？,答：,在仪器仪表的精度等级肯定时，由最大引用误差计算公式 可知，越接近满刻度的测量示值，其最大引用误差越小、测量精度越高，故在选用仪表时要兼顾精度等级和量程，通常要求测量示值落在仪表满刻度的三分之二以上。,20232023(1),20232023(1),(,二,),误差分析,1、产生系统误差的常见缘由有哪些？,答：,产生系统误差的常见缘由有：测量系统本身的性能不完善、测量方法不完善、测量者对仪器的使用不当、环境条件的变化等。,20232023(1),(,三,),温度传感器,1、简述热电偶的中间导体定律，并说明它的有用价值。,答：,中间导体定律：假设在热电偶回路中插入中间导体，无论插入导体的温度分布如何，只要中间导体两端温度一样，则对热电偶回路的总电动势无影响。,中间导体定律的使用价值在于：利用热电偶实际测温时，可以将连接导线和显示仪表看成是中间导体，只要保证中间导体两端温度一样，则对热电偶的热电动势没有影响。,20232023(1),2.简述热电偶的几个重要定律，并分别说明它们的有用价值。,答：,(1)中间导体定律：假设在热电偶回路中插入中间导体，无论插入导体的温度分布如何，只要中间导体两端温度一样，则对热电偶回路的总电动势无影响,(2),中间温度定律,:,热电偶在结点温度为,T,、,T,0,时的热电动势,E,AB,(,T,，,T,0,),等于该热电偶在,(,T,，,T,n,),及,(,T,n,，,T,0,),时的热电动势,E,AB,(,T,，,T,n,),与,E,AB,(,T,n,，,T,0),之和。,(3)参考电极定律(也称组成定律):热电极A、B与参考电极C组成的热电偶在结点温度为(T，T0)时的热电动势分别为EAC(T，T0)与EBC(T，T0)，则一样温度下，由A、B两种热电极配对后的热电动势EAB(T，T0)可按下式计算：,EAB(T，T0)=EAC(T，T0)EBC(T，T0),中间温度定律的有用价值在于：当自由端温度不为0时，可利用该定律及分度表求得工作端温度T，另外热电偶中补偿导线的使用也依据了以上定律。,20232023(1),(,四,),超声波,1.,超声波通过两种介质界面时，会发生什么现象？,答：,在当超声波由一种介质入射到另一种介质时，由于在两种介绍中的传播速度不同，在异质界面上将会产生反射、折射和波型转换等现象。,20232023(1),1,、,(5,分,),某测量系统由传感器、放大器和记录仪组成，各环节的灵敏度为：,S,1,=0.2mV/,，,S,2,=2.0V/mV,、,S,3,=5.0mm/V,，求系统的总的灵敏度。,答：,20232023(1),四,、综合计算,(,一,),传感器性能指标,2:,解：,某测量系统由温度传感器、放大器和记录仪组成，各环节的灵敏度为：S1=0.2mV/、S2=2.0V/mV、S3=5.0mm/V，当前温度为 ，求记录仪指针的位移。,总灵敏度,:,(,