《传感器与检测技术》题库要点.doc

### 传感器与检测技术知识点详解 #### 一、传感器的概念、作用及组成 **概念**： 传感器是一种能够感知被测量信息，并按照一定规律将其转换成可用输出信号的器件或装置。 **作用**： 1. **采集信息**：通过传感器获取环境中的物理、化学或生物信息。 2. **信号转换**：将非电量信号（如温度、压力）转换成电信号或其他形式的信号。 3. **控制与监测**：广泛应用于工业自动化、环境监测等领域，实现对各种参数的精确控制和监测。 **组成**： 1. **敏感元件**：直接响应被测量，并将其转换成易于转换的其他物理量。 2. **转换元件**：将敏感元件输出的非电量转换成电信号。 3. **辅助电源**：为传感器提供必要的工作条件，如供电、调制等。 #### 二、传感器的分类及其优缺点 **按工作原理分类**： 1. **电阻式传感器**：利用材料电阻的变化来检测物理量的变化。 - **优点**：结构简单，成本低。 - **缺点**：精度和稳定性较差。 2. **电感式传感器**：利用线圈的自感或互感的变化来检测位移等物理量。 - **优点**：抗干扰能力强。 - **缺点**：测量范围有限。 3. **电容式传感器**：通过改变电容的一个参数（如极板间距、面积或介电常数）来检测物理量的变化。 - **优点**：灵敏度高，结构紧凑。 - **缺点**：易受外界因素干扰。 4. **压电式传感器**：利用某些物质的压电效应将机械应力转换成电信号。 - **优点**：频率响应好，灵敏度高。 - **缺点**：不适合静态测量。 **按用途分类**： 1. **温度传感器**：测量温度变化。 2. **压力传感器**：检测压力变化。 3. **流量传感器**：测量流体流量。 4. **位移传感器**：检测物体位置变化。 #### 三、传感器的命名及代号应用 **命名规则**： 1. **依据传感器的工作原理**。 2. **根据测量对象**。 3. **考虑使用场合**。 **代号构成**： 1. **基本代号**：表示传感器的工作原理。 2. **特征代号**：反映传感器的主要功能和技术特征。 3. **序列号**：区分同一类别的不同型号。 **应用**： 在设计文档、技术规格书、产品手册等文件中，明确标识传感器的代号，便于识别和选型。 #### 四、传感器的静态性能指标及其含义 1. **灵敏度**：传感器输出量增量与输入量增量之比。 2. **线性度**：传感器的实际特性曲线与理想直线的最大偏差。 3. **迟滞**：对于同一输入量，在升程和降程过程中输出量的不一致性。 4. **重复性**：在同一工作条件下，多次测量同一输入量所得结果的一致性。 5. **分辨率**：能够检测到的最小输入变化量。 #### 五、传感器的动态特性描述 **动态特性**主要通过以下两个方面进行描述： 1. **幅频特性**：描述传感器输出信号的幅度随频率变化的关系。 2. **相频特性**：描述传感器输出信号相对于输入信号的相位变化与频率的关系。 **鼓励信号**： 1. **周期函数型**：如正弦波，用于测试传感器的稳态响应。 2. **瞬变函数型**：如阶跃信号或脉冲信号，用于测试传感器的瞬态响应。 #### 六、力传感器的组成与弹性敏感元件 **组成**： 1. **弹性敏感元件**：感知力的变化。 2. **转换元件**：将弹性敏感元件的变形转换成电信号。 3. **信号调理电路**：对电信号进行处理，提高信号质量。 **弹性敏感元件作用**： 1. **传递力**：将外部力传递给转换元件。 2. **变形**：在力的作用下产生变形。 3. **恢复原状**：去除外力后能迅速恢复原状。 **分类**： 1. **弹簧式**：利用弹簧的变形。 2. **梁式**：利用梁的弯曲。 3. **膜片式**：利用膜片的膨胀或收缩。 **特点**： 1. **高精度**：能够精确测量微小力的变化。 2. **高灵敏度**：对微小力变化反应迅速。 3. **耐久性**：长期使用保持稳定性能。 #### 七、电阻应变式传感器的工作原理 **工作原理**： 电阻应变式传感器通过测量电阻的变化来间接测量物体的应变。当被测物体受到外力作用而发生形变时，附着在其表面的应变片也会随之形变，导致应变片电阻值发生变化。 **测量原理**： 1. **应变片**：通常由金属丝或箔制成，其电阻随应变而变化。 2. **惠斯通电桥**：将应变片接入电桥电路中，通过测量电桥输出电压的变化来计算应变量。 #### 八、电阻应变式传感器的测量电路 **常用电路**： 1. **单臂电桥**：只有一个电阻作为应变片，其余三个为固定电阻。 - **特点**：结构简单，但灵敏度较低。 2. **半桥电路**：两个应变片分别承受拉伸和压缩变形，其余两个为固定电阻。 - **特点**：灵敏度高于单臂电桥。 3. **全桥电路**：四个应变片分别承受拉伸和压缩变形。 - **特点**：灵敏度最高，温度影响小。 #### 九、金属电阻应变片与半导体材料的电阻应变效应的区别 1. **金属电阻应变效应**：主要是由于其几何形状的变化而产生的，即应变效应。 2. **半导体材料应变效应**：主要取决于材料的电阻率随应变所引起的变化产生的，即电阻率效应。 #### 十、电阻应变片的温度补偿方法 **温度补偿方法**： 1. **串联补偿法**：将温度补偿片与应变片串联，利用温度补偿片的反向温度系数抵消温度影响。 2. **差动电桥补偿法**：使用差动电桥电路，通过差动结构消除温度变化的影响。 3. **恒温源补偿法**：为传感器提供稳定的温度环境，减少温度波动。 #### 十一、压电式传感器的工作原理与压电材料 **工作原理**： 压电式传感器利用某些物质（压电材料）的压电效应将机械应力转换成电信号。当这些材料受到外力作用时，会产生电荷。 **压电材料**： 1. **石英晶体**：具有良好的温度稳定性和较高的机械强度。 2. **压电陶瓷**：具有较高的灵敏度和较宽的工作温度范围，但温度稳定性较差。 **压电效应**： 1. **直接压电效应**：在电轴方向施加力时，材料两端面出现电荷。 2. **逆压电效应**：在外加电场作用下，材料产生形变。 #### 十二、压电传感器的测量电路 **常用测量电路**： 1. **电荷放大器**：将传感器输出的电荷信号转换成电压信号。 - **特点**：适合于高频信号的测量，能较好地保持信号的完整性。 2. **电压放大器**：直接放大传感器输出的电压信号。 - **特点**：适用于低频信号测量，电路简单。 #### 十三、压电式传感器的应用限制 **仅适用于动态测量的原因**： 压电式传感器是基于压电材料的电荷积累原理工作的，因此不适合静态测量。当被测量为静态时，电荷会很快泄漏，难以维持稳定的信号输出，故主要用于动态测量。 #### 十四、电容式传感器的工作原理及其类型 **工作原理**： 电容式传感器通过改变电容器的一个参数（如极板间距、面积或介电常数）来检测物理量的变化。 **类型**： 1. **变面积型**：通过改变极板的有效覆盖面积来改变电容量。 2. **变间距型**：通过改变极板之间的距离来改变电容量。 3. **变介电常数型**：通过改变极板间的介电常数来改变电容量。 **特点**： - **变面积型**：适用于直线位移和角位移的测量。 - **变间距型**：适用于微小位移的测量，灵敏度较高。 - **变介电常数型**：适用于液体或气体的存在与否的检测。 #### 十五、电容式传感器的测量转换电路 **常见电路**： 1. **调频电路**：将电容变化转换成频率变化。 2. **调幅电路**：将电容变化转换成电压幅度的变化。 3. **电桥电路**：通过比较电桥两侧的不平衡状态来测量电容变化。 4. **运算放大器电路**：利用运算放大器将电容变化转换成电压变化。 传感器与检测技术涉及的知识点非常广泛，从基本概念到具体应用都有详细的阐述。通过学习这些知识点，可以更深入地理解传感器的工作原理、分类、性能指标以及各种传感器的具体应用，为传感器的选择和使用提供理论基础和技术支持。