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常用传感器

一、概述

1、传感器的定义：（简答题、填空）

什么是传感器，传感器的作用是什么？

答：传感器是能感受规定的被测量（温度，力，位移等等），并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或者装置，通常由敏感元件和转换元件组成。

一个指定的传感器只能感受规定的物理量：电量、非电量

机械：非电量---电信号

传感器是机械量检测中的首要环节，直接影响测试系统的整体测试精度。

敏感元件：敏感的获得被测对象的信号：直接感受被测量（如位移），将被测量转换为有确定关系的易变成电参数的其它物理量（如应变）。

转换元件：把其它物理量直接转换为有确定关系的电量的元件（如电阻）。

（转换电路）

传感器的基本特性：静态特性（量程、精度、灵敏度、非线性等）和动态特性（可以频率范围、动态放大比）。

2、传感器的分类：（重点是：电阻，电容，电感—参数式传感器）

3、传感器的性能要求：

工作范围或量程应足够大，具有一定的过载能力。

与检测系统匹配性好，转换灵敏度高。

精度适当，稳定性高。

反应速度快，工作可靠性高。

适应性和适用性强。

4、传感器的选用原则：

一定不是越贵越好。

主要考虑：灵敏度、线性范围、响应特性、稳定性、精确度、测量方式六个方面的问题。

传感器的灵敏度越高，可以感知越小的变化量。

过高的灵敏度会影响其量程范围。

线性范围越宽，传感器的工作量程越大。

传感器响应特性必须在所测频率范围内尽量保持不失真。

稳定性是指经过长期使用后，其输出特性不发生变化的性能。影响传感器稳定性的因素是时间和环境。

精确度表示传感器输出与被测量的对应程度。

测量方式：接触与非接触测量，破坏与非破坏测量，在线与非在线测量。

二、电阻式传感器

把被测量（机械量）转换成电阻变化的一种传感器。

按工作原理分类：

其中，变阻式传感器和高中的滑动变阻器类似，结构简单、性能稳定、使用方便。

缺点：分辨率不高。

仅适用于测量较大的位移。

应变式电阻传感器，体积小、动态响应好，测量精度高、可以直接测定结构的应变或应力。

填空：

应变式电阻传感器的工作原理：应变效应

即金属导体在外力作用下发生机械变形(伸长或缩短)时，其电阻值随着发生变化的现象。

其中，

金属式和半导体式两种应变片在工作原理上的区别：（填空，选择）

金属电阻应变片－金属材料受力后几何变形→电阻的相对变化

半导体应变片－半导体材料受力后电阻率变化→电阻的相对变化

例：（填空题）

金属电阻应变片与半导体应变片的物理基础的区别在于：前者利用引起电阻变化，后者利用的变化引起电阻变化。

例：半导体应变片在外力作用下引起其电阻变化的因素主要是。

A长度B截面积C电阻率D高通

两者的优缺点：（判断、选择）

金属电阻应变片：

灵敏度较低，但其温度稳定性好，可用于对精度要求较高的测量。

半导体应变片：

优点：灵敏度高，分辨率高，横向效应和机械滞后小，适用于动态测量。

缺点：温度稳定性差，在较大应变下，非线性误差大。

三、电容式传感器

1、工作原理：（填空题）

将被测物理量的变化转化为电容量变化。

两个极板构成的电容器，其电容可以表示为：

2、特点：（填空、选择或者判断）

电容式传感器结构简单，分辨率高，可非接触测量，可在恶劣环境下工作。

极矩变化型特点：灵敏度高，有线性误差，适于小位移测量。

面积变化型特点：线性关系好，量程大；与极距变化型相比，灵敏度较低。适用于较大角位移及直线位移的测量。

四、电感式传感器

1、工作原理：电感式传感器是基于电磁感应原理，将被测量转换为电感量变化的一种结构型传感器。可测位移、流量、压力、振动。

2、分类：自感型（自感量）、互感式（互感量）

五、压电传感器

1、工作原理是以某些物质的压电效应为基础的。（填空题）

例：压电式传感器是利用某些物质的压电效应而工作。

压电效应：某些物质，如石英，当收到外力作用时，不仅几何尺寸会发生变化，其内部还会被极化，表面会产生电荷；当外力去掉时，又会恢复原来的状态，这种现象就称为压电效应。

逆压电效应（电致伸缩效应）：

如果在这些物质的极化方向施加电场，这些物质就在一定方向上产生机械变形或机械应力，当外电场撤去时，这些变形或应力也随之消失。

既可将机械能→电能，又可将电能→机械能。

2、压电材料：压电单晶体（石英）、多晶压电陶瓷、新型压电材料。

3、压电式传感器输出电荷很少，内阻很大，输出信号很弱，因此要进行处理（填空、选择）：

（1）放大微弱的电压

（2）进行阻抗匹配

通常有两种方式：采用电压放大器、采用电荷放大器

都可以将微弱的压电信号进行放大。

例：一压电式压力传感器的灵敏度S=90pC／MPa，把它和一台灵敏度调0.V／pC的电荷放大器连接，放大器的输出又接到一灵敏度已调到20mm／V的光线示波器上记录，试绘出这个测试系统的框图，并计算其总的灵敏度。

解：串联灵敏度相乘。

信号的调理处理

1、调理的概念、分类和目的；

信号调理的目的：便于信号的传输与处理。（简答、填空）

信号调理的原因：

传感器输出的电信号很微弱，大多数都不能直接输送到显示、记录或分析仪器中去。

有些传感器输出的电信号中混杂有干扰噪声（低频信号很容易受干扰），需要去掉噪音，提高信噪比。

某些场合，为了便于信号的远距离传输。

2、电桥的作用、原理。

信号的变换与调理中，经常用到的一类电路就是电桥。

电桥的作用：

将电阻、电感、电容等电参数变为电压或者电流信号后输出的一种转换电路。

电桥的特征：

四臂；

ac两端接电源Ui，称为供桥端；

bd两端接输出电压U0，称为输出端。

结构简单、精确度和灵敏度比较高，容易消除温度和环境的影响。

根据桥臂阻抗性质的不同，电桥可分为：电阻电桥、电容电桥、电感电桥（填空）

根据供桥电源不同，分为：直流电桥、交流电桥

直流电桥：（桥臂是电阻）只能用于测量电阻R的变化。（选择）

交流电桥：测量电阻、电容、电感的变化。

直流电桥：

1、调制与解调

什么是调制？（填空或简单）

利用缓变信号控制高频信号的某个参数（幅值、频率或相位）变化的过程。

调制的目的：

实现缓变信号的传输，特别是远距离传输。

提高信号传输中的抗干扰能力和信噪比。

调制的分类：（填空）

根据调制方式的不同，调制分为幅值调制简称调幅（AM）、频率调制简称调频（FM）、相位调制简称调相（PM）

大题经常考的是调幅

调幅：是将一个高频简谐信号y(t)（载波信号）与缓变信号（调制信号）x(t)相乘，使载波信号y(t)的幅值随缓变信号x(t)幅值的变化而变化的过程。幅值调制后的信号称为调幅波。

过程是通过乘法器实现的。

判断题：

调幅波是否可以看作载波与调制信号的叠加？

答：不可以。

选择题：

调幅过程相当于在时域中将调制信号与载波信号（）

A相乘B相除C相加D相减

调幅的时域表达：

填空选择：调幅波的幅值随着原调制信号的变化而变化，而频率保持不变，为载波信号的频率。

知识点：时域相乘，频域卷积。（填空题）

频谱进行卷积的过程，实际为它们在频域中的复制和搬移的过程。（选择）

填空、判断：

载波频率f0必须高于信号中的最高频率fm，这样才能使已调幅信号保持原信号的频谱图形不产生混叠现象。

为了减小电路可以引起的失真，信号的频宽相对载波频率应该越小越好。

大题：经常用到的三角公式：

三角函数积化和差、和差化积公式：

解调的目的：

解调的目的是恢复所需的缓变信号（填空）

解调的实现方式：同步解调、相敏检波解调

定义、填空：

调幅的过程，是将信号x(t)直接与载波y(t)相乘，这种调幅波具有极性变化，解调时必须再乘以与y(t)相位相同的信号才能复原出原信号，所以这种解调方法称为同步解调。

相敏检波又称相敏整流。其特点是相敏检波的解调输出既能反映调制信号电压的幅值，又能反映调制信号电压的极性。

二、频率调制与解调（填空）

调频主要是通过谐振电路来完成的。

1、滤波器（填空，选择，简答）

什么是滤波器？（简答）

被测信号一般由多个频率分量组成，检测中得到的信号除包含有效信息外，还含有噪声成分，因而会导致真实信号的畸变和失真。

滤波：让被测信号中的有效成分通过，而将其中不需要的成分抑制或衰减掉。

滤波器：能实施滤波功能的装置。

滤波器是一种选频装置，可以使信号中特定频率成分通过，而极大的衰减其他频率成分。

滤波器的分类：（填空、选择）

根据滤波器的选频作用分为：

低通：可以通过低频的，高频成分不能通过

高通：可以通过高频的，低频成分不能通过

带通：允许一定带宽内的成分通过，带宽外的不能通过

带阻：和带通相反，带宽外的频率可以通过，带宽内的频率不能通过，

理想滤波器：是指能使通带内信号的幅值和相位都不失真，阻带内的频率成分都完全衰减为零的滤波器。（填空、简单）

所以，理想滤波器的频率响应函数，满足前面讲过的系统动态测试不失真的两个条件：

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