传感器与检测技术

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第一章 概 述

• 本章重点、难点
  1.传感器的特性及主要性能指标。
  2.传感器及检测系统基本特性的评价指标与选用原则。
  3.传感器的静、动态标定。

• 传感器的组成：传感器一般由敏感元件、转换元件与基本转换电路组成

• 传感器的分类
  
  • 按被测量对象分类
    内部信息传感器主要检测系统内部的位置(位移)、速度、加速度、力、力矩、温度以及异常变化等。
    外部信息传感器主要检测系统的外部环境状态。
  • 按工作机理分类
    可分为物性型和结构型
  • 按被测物理量及其对应派生物理量分类
    如位移传感器、温度传感器
  • 按工作原理分类
  • 按输出信号的性质分类
    可将传感器分为开关型(二值型)、模拟型、数字型。
• 传感器的基本特性及主要性能指标
  
  • 传感器的基本特性: 静态特性、动态特性
    传感器的静态特性是指静态的输人信号即常量或随时间作缓慢变化时的输出量与输人量之间所具有相互关系，简称为静特性。传感器静态特性的主要参数有线性度、灵敏度、分辨力、迟滞和重复性等。
    传感器的动态特性是指输出量对于随时间变化的输人信号的响应特性，简称为动特性。
  • 传感器主要性能要求：①高精度、低成本;②高灵敏度;③工作可靠;④稳定性好;⑤抗干扰能力强;⑥测量时应具有良好的动态特性;⑦结构简单。
• 传感器及检测系统基本特性的评价指标与选用原则
  
  • 测量范围及量程
    在不致引起传感器的规定性能指标永久改变的条件下，传感器允许超过其测量范围的能力被称为过载能力
  • 灵敏度
    1.灵敏度是指传感器输出量的变化量△Y与引起此变化的输人量的变化量△X之比，即$K_o=△Y/△X$
    2.灵敏度越高，传感器所能感知的变化量越少。
    3.灵敏度密切相关的是侧量范围。
  • 线性度
    定义与计算式见课本
  • 稳定性
    影响传感器稳定性的因素是时间和环境
  • 分辨力
    在传感器的输入从非零的任意值缓慢增加时，当其超过某一增量时才能检测到输出值的变化，这个能检测到的最小输入增量即被称为传感器的分辨力。
    当用分辨力与满量程的百分比表示时，则被称为分辨率。
    分辨力越高表示传感器能感知的输入增量越小。
• 传感器的标定
  
  • 传感器的静态标定
    静态标定的目的是确定传感器的静态性能指标（灵敏度、线性度、迟滞误差、重复性等）
  • 传感器的动态标定
    动态标定的自的是检验测试传悠器的动态性能指标（响应时间、时间常数、阻尼比、固有频率等）

重点、难点分析

第1章 概述

1. 传感器的特性及主要性能指标。
2. 传感器的分类
   考题：2017-11（按输出信号的性质分类）

3. 传感器及检测系统基本特性的评价指标与选用原则。

   • 性能指标(P31)
     主要性能指标：测量范围及量程、灵敏度、分辨力（率）、线性度、重复性、精确度、动态特性、环境参数。
     考题：2017-1（相位延迟）、2017-2（过载能力）、2017-21（分辨力与分辨率）、2018-1（重复性）

4. 传感器的静、动态标定。
   1.传感器的静态标定
   静态标定的目的是确定传感器的静态性能指标（灵敏度、线性度、迟滞误差、重复性等）
   2.传感器的动态标定
   动态标定的自的是检验测试传悠器的动态性能指标（响应时间、时间常数、阻尼比、固有频率等）

第2章 位移传感器

位移分为角位移和线位移两种。

1. 位移传感器的分类
   分类：电位器式、电容式、涡流式、感应同步式、礠栅式、光电式
2. 电位器式位移传感器
   
   1. 线绕电位器的阶梯特性是什么，及其影响？
      对于线绕电位器，其电阻和电压输出空载特性并不是一条理想直线，而是星阶梯状，称电位器的阶梯特性。它限制了线绕电位器的分辨力和精度。
   2. 负载电阻$R_l$与电位器电阻R的比值越小，负载误差越大。
   3. 电位器的电阻灵敏度（Ω/m）$K_R=\frac{R}{L}$；$R=\frac{ρπD_0W}{\frac{πd^2}{4}}$(导线总长l=$πD_0W$)
   4. 电位器的电压灵敏度（V/m）$K_U=\frac{U_i}{L}$
      考题：2018-2（负载误差）
3. 电容式位移传感器
   分类：变极矩型、变面积型、变介质型
   
   1. 【重】变极距型电容式位移传感器的电容量表达式：$C_0=\frac{ε^S}{δ_0}$、灵敏度表达式：$K=\frac{△C}{△δ}=\frac{ε^S}{{δ_0}^2}$（说明：△C：电容变化量）
      考题：2017-26（计算电容量、灵敏度）、2018-26（灵敏度、电容变化量）
      课后题：2-20
   2. 电容式液位传感器属于变介质型，其具有线性输出特性。
      考题：2018-12（输出特性）
   3. 容栅式电容位移传感器是在变面积型电容式位移传感器基础上发展而成的。

4. 电感式位移传感器
   分类：自感式、互感式、涡流式、压磁式、礠栅式和感应同步器
   优点：输出功率大、灵敏度高、稳定性好

   1. 电涡流式位移传感器利用电涡流效应将被测量变换为线圈阻抗 Z变化的一种测量装置。
      考题：2017-12（电涡流式位移传感器是什么）
   2. 【重】涡流式传感器的特点
      结构简单、非接触式测量、灵敏度高、广泛应用于位移、厚度、振动参数测量
   3. 【重】感应同步器测位移的特点
      精度高、测量范围宽、抗干扰能力强、维护简单，应用于数控机床与大型测量仪

5. 磁栅式与光栅式位移传感器
   考题：2018-21（双频激光干涉式位移传感器）

第3章 速度、加速度和流量传感器

速度传感器分为线速度和角速度传感器两种、主要分电磁式或变磁路式

1. 直、交流测速发电机，以及直流测速发电机的输出特性
   
   1. 直流测速发电机：分为电磁式和永磁式
      1.1 直流测速发电机的输出特性：是一组直线，负载电阻不同斜率不同。
      1.2 产生误差的原因及改进办法
      原因：有负载是电枢反映去磁作用影响；电刷接触降压影响；温度影响
      改进：在绕组回路中串联一个电阻值较大的附加电阻，再接到励磁电源上。
      考题：2018-22（直流测速发电机温度误差的原因）
   2. 交流测速发电机：分为永磁式、感应式和脉冲式
      2.1 输出电动势的频率f(Hz):$f=\frac{Z_rn}{60}$ (说明：$Z_r$:转子齿数；n:电动机转速)

2. 电磁式速度传感器（线振动速度传感器、变礠通式速度传感器、霍尔式和电涡流式转速传感器）

   1. 线振动速度传感器工作原理
      线圈作垂直于磁场方向的相对运动使=时，线圈切割磁力线，线圈产生感应电动势E（E=NBlv）,当传感器结构选定后产生的感应电动势正比于被测速度。
      考题：2017-22（电磁感应式线振动速度传感器的工作原理）

   2. 霍尔式和电涡流式转速传感器转速计算：$n=\frac{60f}{z}$ （说明：n:被测转速；f:传感器输出周期信号的频率Hz；z:被测物体的齿数)，同样，利用f可以求出角速度$ω=\frac{2πf}{z}（rad/s）$

      考题：2017-27（电涡流式转速传感器转速、转速误差）

3. 陀螺式角速度传感器
   
   1. 压电陀螺式角速度传感器主要分三类：振梁型、双晶片、圆柱壳型
      1.1 三者对比：振梁型（稳定性好）、双晶片（体积小、响应快、功耗低、抗干扰能力强）、圆柱壳型（结构简单、可靠性好）
      考题：2017-4（振梁型压电陀螺-正压电效应与逆压电效应）、2018-13（激光陀螺式角速度传感器）

4. 应变式加速度传感器、压电式加速度传感器

   加速度传感器主要有：应变式、压阻式、电容式、压电式

   1. 电阻应变片（利用金属丝的应变效应实现的应变片）
      电阻应变片的电阻变化与应变的关系：dR/R=Kε (说明：K：应变片的应变灵敏系数)
   2. 半导体应变片
      2.1 工作原理基于压阻效应，其灵敏系数比电阻应变片大50~70倍，适合于大信号输出的场合
      2.2 半导体应变片缺点（离散性大、温度系数大、机械强度低）
   3. 压阻式加速度传感器
      利用半导体压阻效应；在压阻式加速度传感器中， 将被测加速度转换为惯性力的是质量块
   4. 压电式加速度传感器
      4.1 压电效应
      当某些晶体沿一定方向受外力作用而变形时，其相应的两个相对表面产生极性相反的电荷，而去掉外力时电荷消失
      4.2 【重】压电式加速度传感器中使用的电荷放大器的优点
      输出电压与电缆分布电容无关:输出电压与输入电荷成正比;抗干扰能力强。
      4.3 压电式加速度传感器的特点
      只能用于动态测量，且动态范围宽、灵敏度高，对被测机构影响小，压电式传感器本身的内阻抗很高需配套使用电荷前置放大器
      4.4 压电式加速度传感器的灵敏度(属发电型传感器，有电压灵敏度和电荷灵敏度两种表示)
      考题：2018-28（压电式加速度传感器的直接输出电压、电压灵敏度）
5. 流量传感器
   
   1. 转子流量计（力平衡原理）
      考题：2017-13（转子流量计、力平衡原理）
   2. 节流式流量传感器
      2.1 由节流装置和测量静压差的压差传感器组成
      2.2 国标节流装置前后要装10D和5D的直管段
      考题：2018-3（节流式流量传感器精度）

第4章 力、扭矩和压力传感器

1. 电阻应变式测力传感器，力与应变的关系，电桥输出。

   1. 只要弹性元件的尺寸和材料确定后，弹性元件在外力作用下所产生的应变与外力成正比。

   2. 柱形弹性元件 受力后的应变值：$ε=\frac{F}{SE}$(说明：F:力；E：材料的弹性模量；S：弹性元件的横断面积)

   3. 薄壁环形弹性元件
   4. 梁型弹性元件
      考题：2018-27（电阻应变片电阻变化量、电阻相对变化量、电桥输出电压）

2. 压电式力传感器

3. 压磁式力传感器
   压磁效应，常用的铁磁材料有硅钢片和坡莫合金。当外力是拉力时，作用力方向上的铁磁材料磁导率提高，垂直于作用力方向上的铁磁材料磁导率降低；作用力为压力时，反之。
   考题：2018-4（压磁效应）

4. 常用扭矩传感器
   扭矩传感器的分类：电阻应变式扭矩传感器、压磁式扭矩传感器、电容式扭矩传感器（灵敏度高）
   磁弹效应：受扭矩作用的轴的导磁性发生相应变化

   考题：2017-14（压磁式扭矩传感器）、2017-28（电阻应变式扭矩传感器、电桥电路、电桥输出电压值）

5. 常用压力传感器
   压力传感器的分类：液柱式压力计、活塞式压力计（力平衡）、弹性式压力敏感元件、电量式压力传感器
   
   1. 弹性式压力敏感元件：指针式压力计和压力传感器是根据弹性变形原理工作的。
   2. 电量式压力传感器：
      应变片（应用广泛）、
      压阻式（喷气发动机，适用于工业自动化、爆炸，不适用温差大）、
      电容式（灵敏、抗干扰强）、
      电感式（适用于静态压）、
      涡流式（利用电涡流效应将压力转换为线圈阻抗的变化；具有良好的动态特性，适用于爆炸等恶劣环境）、
      霍尔式（恒定电流、霍尔电动势、适用于静态压）、
      压电式（适用于冲击压）
      考题：2018-14（活塞式压力计）、2017-5（电涡流式->直接输出模拟电压信号的）、2018-10（压力传感器、适用于汽车）
6. 常用力、压力传感检测系统
7. 谐振式压力传感器
   
   1. 谐振式压力传感器是将被测压力的变化转换为弹性敏感元件的固有频率变化
   2. 分类：
      谐振弦式（谐振弦、磁铁线圈、振弦夹；能够直接输出频率量。灵敏度高、测量精度高、结构简单体积小、应用广泛。）
      振动筒式(绝对压力传感器)
      谐振膜式（应用才超声速飞机上）
      石英谐振梁式

第5章 温度与湿度传感器

1. 热电阻式温度传感器，测温电桥电路
   热电阻式传感器分为：金属热电阻式和热敏电阻式
   1.金属热电阻式，敏感元件是电阻体；测温机理是金属导体两段加电后自由电子形成有规律的定向运动，使导体导电
   2.热敏电阻式，感温元件是热敏电阻，其材料是陶瓷半导体。热敏电阻常数（K）与热敏电阻材料及其工艺有关。
   3.热敏电阻分类：正、负温度及临界温度热敏电阻；它们的阻值会随温度的变化而变化。
   考题：2017-15（热敏电阻）、2017-23（热敏电阻分类、适用于温度开关）
2. 热电偶式温度专感器、中间导体定律
   1.热电偶式温度专感器基于热电效应产生的热电动势实现测量
   2.中间导体定律是什么，及其作用（P124）
3. 非接触式温度传感器
   分类：全辐射式温度传感器、亮度式温度传感器、比色式温度传感器
   1.非接触式温度传感器采用热辐射和光电检测的方法测量温度。
   考题：2017-6（接触式测温）、2018-15（非接触式温度传感器）
4. 其他温度传感器
   半导体温度传感器利用晶体二极管和晶体管作感温元件
   考题：2018-5（石英温度传感器属于谐振式传感器）
5. 湿度传感器
   氯化锂湿敏元件
   半导体陶瓷湿敏元件
   热敏电阻式湿敏元件（绝对湿度）
   高分子膜湿敏元件（吸收或放出水分引起导电率或电容变化，可检测相对湿度。低湿度测量环境有优势）
   金属氧化物陶瓷湿敏元件（常用于空调机湿度控制系统）
   结露传感器（由树脂和导电粒子组成膜状结构，基本原理：吸收水分后，导电粒子的间隔扩大，电阻增大）
   考题：2018-23（结露传感器的基本原理。）

第6章 气敏、离子敏和水分传感器

1. 常用气敏元件
   1.气敏元件的分类：烧结型、薄膜型、厚膜型
   2.半导瓷气敏元件优点：
   考题：2017-16（气敏元件分类）、2017-24（半导瓷气敏元件优点）、2018-16（半导瓷气敏电阻使用前加热）
2. 离子选择性电极的工作原理与分类
   1.分类：晶体膜电极（导电性难溶盐晶体制成）、非晶体膜电极（刚性基质电极和流动性载体电极(也称液态膜电极)）、气敏电极、酶电极（酶的催化作用）
   2.离子选择性液态膜电极的优点
   内阻小，响应快；可制成对多种离子敏感的电极，提供离子电极的可选择性。
   考题：2018-24（离子选择性液态膜电极的优点）
3. 水分传感器
   电容式水分仪优点：体积小、测量范围宽、响应快、样品温度和压力的变化对测量精确度影响较小。其缺点：被测介质水含量低时，绝对误差小，水含量高时，绝对误差大。
   考题：2017-7（电容式微量水分仪优点）、2018-6（电容式水分传感器属于变介质型）

第7章 视觉与触觉传感器

1. 视觉传感器
   
   1. 视觉传感器的作用：1.进行位置检测；2.进行图像识别；3.进行物体形状、尺寸缺陷的检测
   2. 固体半导体摄像机（由摄像元件、信号处理电路、驱动电路、电源组成）
   3. 激光式视觉传感器（条码扫描，关键部件是高速回转多棱镜）
   4. 红外图像传感器（将被测物体发出的红外线作为热源，接收热能后产生热电效应而形成电信号）

考题：2017-8（视觉传感器、图像像素）、2017-17（固体半导体摄像机的组成）、2017-25（视觉传感器作用）、2018-7（红外光导摄像管图像传感器、热电效应）
2. 触觉或柔性触觉传感器
考题：2018-17（PVDF的热释电性测量导热性能）

第8章 传感检测系统的构成

1. 调制解调的概念及应用
   
   1. 调制：用低频信号控制高频振荡信号的某个参数（幅值、频率、相位）的过程
   2. 幅值调制的解调方法：同步解调、包络检波、相敏检波
      考题：2017-18（调制、高频振荡信号被称为载波）
2. 滤波器的幅频特性分析及性能比较
   
   1. 滤波器是一种选频装置。
   2. 【重】滤波器的幅频特性、及其作用(P181-182)
   3. 数字滤波器（离散时间系统特性）
      考题：2017-29（滤波器）
3. A-D与D-A的转换原理、转换器技术指标及应用
   
   1. 八位数-模转换器的分辨率为$\frac{1}{2^8-1}=\frac{1}{256-1}=0.0039$
   2. 模-数转换器的位数越多，分辨率越高
   3. 数-模转换器技术指标:分辨率、转换精度、线性度、转换时间、输出电平、温度系数
   4. 模-数转换器技术指标:分辨率、相对精度、转换时间
      考题：2018-8（十位数-模（D-A）转换器）
4. 传感检测系统中的干扰源及抑制方法
   抑制干扰的主要方法：单点接地、屏蔽隔离和滤波
5. 传感器温度补偿的处理方法

第9章 信号分析及其在动态测试系统中的应用

1. 信号(确定性、非确定性、模拟、离散)的基本概念
   确定性：能用明确的数学解析方式或图表描述的信号，如谐波、方波、矩形波。分为周期和非周期信号。
   正弦周期信号：x(t)=Asin(ωt+φ)
   非确定性：波形不确定，无法用确切的数学关系描述
   模拟：信号的数值连续
   离散：自变量在某些不连续数值是=时，输出信号才具有确定值
   考题：2017-9（周期信号）

2. 信号的均值$μ_x$、方差$σ_x^2$、方均值$ψ_x^2$、概率密度丽数p(x)的定义、意义与计算

   1. 【重 P221】信号的均值$μ_x$、方差$σ_x^2$、方均值$ψ_x^2$、概率密度丽数p(x)
      1.1 信号的均值$μ_x$：信号在整个事件坐标的积分平均，它表示信号中的常值分量和直流分量
      1.2 信号的方差$σ_x^2$：描述信号的波动范围，其二次方根值$σ_x=\sqrt{σ_x^2}$称为信号的标准差
      1.3 信号的方均值$ψ_x^2$：描述信号的强度，表示信号的平均功率
      1.4 同一信号均值、方均值、方差的关系式$ψ_x^2=σ_x^2+μ_x^2$
      1.5 信号的概率密度丽数p(x):信号瞬时取值的规律
      考题：2017-30（方均值$ψ_x^2$、方均根值）
   2. 无量纲的相关系数
      $|ρ_{xy}(τ)|$等于1 -> 完全相关；等于0 -> 完全不相关；大于0小于1 -> 部分相关
      考题：2018-19（无量纲的相关系数 P224）

3. 周期信号的博里叶级数及频谱特点，信号的频域分解与合成

   1. 周期信号频谱特点：离散形、收敛性、谐波性
   2. 博里叶变换的特性-尺度特性
      当信号x(t)的时间尺度变为kt（k>0）是有$\frac{1}{k}X(\frac{f}{k})$;当时间尺度扩展（k<1）时,频谱的频带变窄，幅值增高；当时间尺度压缩（k>1）时,频谱的频带变宽，幅值增低；
      考题：2017-10（博里叶级数）、2017-19（博里叶变换）、2018-9（博里叶变换的特性）

4. 非周期信号矩形两数的傅里叶变换及频谐分析

5. 傅里叶变换的基本性质及其频域表示和图解表示

其他

1. 无损检测技术是指在不损害或不影响被检测对象使用性能的前提下，利用物体的声、光、电磁等特性，发现机械零部件表面和内部缺陷的一项专门诊断技术。
2. 汽车压力传感器主要用压阻式和电容式压力传感器。
3. 加速度型爆燃传感器多为压电式加速度传感器

4. 冷却液温度传感器多采用热电阻和热敏电阻元件

5. 高密度配置的压觉传感器的功能？考题：2015-25
   可以获得与物体接触时各部分不同的压力，将该压力信号变换成相应的电压信号，获取关于物体形状的信息。

考题：2017-20（无损检测技术）、2018-11（数字型传感器分计数型和代码型）、2018-20（无损检测技术）、2018-25（机械系统中，机械阻抗的测试过程。）