传感器与检测技术（共5篇）

第一篇：传感器与检测技术

第一章传感器与检测技术第一节：机电一体化系统常用传感器p11.传感器的组成由敏感元件、转换元件及其转换电路三部分组成①敏感元件是直接感受被测物理量，并确定元件及其基本转换电路②转换元件是将敏感元件输出的非电量转换成电路参数及电流或电压等电信号③基本转换电路则将该电信号转换成便于传输、处理的电量p1

2.传感器的分类p1①按被测量对象分类②按工作机理分类③按被测物理量分类④按工作原理分类⑤按传感器能量源分类⑥按输出信号的性质分类p

2三、传感器的特性及主要性能指标p41、传感器的静态特性

2、传感器的动态特性

3、传感器的性能指标p4①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动态特性良好⑦结构简单、小巧，使用维护方便，通用性强p4第二节：传感器检测技术的地位和作用p5第三节：1.测量范围及量程p62.灵敏度p63.线性度p74.重复性p75.稳定性：稳定性即在相同条件、相当长时间内，其输入/输出特性不发生变化的能力p76.精确度p77.动态特性：传感器的动态特性反映了传感器对于随时间变化的动态量的响应特性p88.环境参数p8第四节：传感器的标定与校准p91.传感器的静态标定p92.传感器的动态标定p10第五节：传感器与检测技术的发展方向。

1.开发新型传感器p112.传感检测技术的智能化p113.复合传感器：复合传感器是同时检测几种物理量具有复合检测功能的传感器p124.研究生物感官，开发仿生传感器p12

第二章第一节：参量型位移传感器p131.电阻式位移传感器p132.电阻应应变式位移传感器p153.电容式位移传感器p154.电感式位移传感器p20第二节：发电型位移传感器—压电位移传感器p25第三节：大位移传感器p261.磁栅式位移传感器p262.光栅式位移传感器p273.感应同步器p294.激光式位移传感器p31

第三章 力、扭矩和压力传感器p34第一节：测力传感器p341.电阻应变式测力传感器p342.压电式力传感器p41①压电效应p41②压电晶体及材料③压电式传感器的等效电路和前置放大器p423.压磁式力传感器p44①效应p44②工作原理p45③结构p45第二节：扭矩传感器p461.电阻应变式扭矩传感器p462.压磁式扭矩仪p483.电容式扭矩测量仪p494.光电式扭矩测量仪p495.钢弦式扭矩传感器p50

第三节：压力传感器p501.液柱式压力转换原理p502.活塞式压力转换原理p513.弹性式压力传感元件p514.电量式压力计p53①电容式压力传感器p53②应变式压力传感器p53③压阻式压力传感器p54④电感式压力传感器⑤涡流式压力传感器p55⑥霍尔式压力传感器p55⑦压电式压力传感器p55

第四章 速度、加速度传感器p57第一节：速度传感器p571.直流测速发电机p57

2.交流测速发电机p583.线振动速度传感器p594.变磁通式速度传感器p605.霍尔式和电涡流式转速传感器p616.陀螺式角速度传感器p627.流速风速传感器p64第二节：加速度传感器p661.压电式加速度传感器p672.应变式加速度传感器p693.磁致伸缩式振动加速度传感器p734.力平衡式伺服加速度传感器p735.单片微型平衡式伺服加速度传感器p756.惯性倾角加速度传感器p76

第五章 视觉、触觉传感器p77第一节：视觉传感器p771.光电式摄像机原理p77固体半导体摄像机原理p783.激光式视觉传感器原理p784.红外图像传感器原理p78

第二节：人工视觉p801.人工视觉系统的硬件构成p802.物体识别p81第三节：触觉传感器p851.接触觉传感器p862.压觉传感器p873.滑动觉传感器p88

第六章 第一节：热电偶式传感器p901.基本原理p902.热电偶组成、分类及其特点p91第二节：电阻式温度传感器p931.金属热电阻温度传感器p932.热敏电阻温度传感器p94第三节：非接触式温度传感器p951.全辐射温度传感器p952.高度式温度传感器p963.比色温度传感器p97第四节：半导体温度传感器p98

第七章 气敏、温度、水份传感器p100第一节：气敏传感器p1001.气敏元件工作机理p1002.常用气敏元件的种类p101①烧结型气敏元件p101②薄膜型气敏元件p101③厚膜气敏元件p1023.气敏元件的几种应用实例p102第二节：温度传感器p1051.相对湿度与绝对湿度p1062.氯化锂湿敏元件p1063.半导体陶瓷湿敏元件p1074.热敏电阻式湿敏元件p1085.高分子膜湿敏元件p1096.金属氧化物陶瓷湿敏元件p1117.结露传感器p112第三节：水份传感器p1131.水份传感器的工作原理与结构p1132.直流电阻式水份计的结构原理p114

第八章 传感检测系统的构成p116第一节：传感检测系统的组成p116第二节：电桥p1171.电桥工作原理p1172.电桥的分类与应用p1183.电桥的工作特性指标p1204.电桥调零p122第三节：调制与解调p1221.调制p1232.解调p124第四节：滤波器p1261.无源滤波器p1262.有源滤波器p1293.数字滤波p136第五节：数/模和模/数的转换p1371.数/模转换原理p1372.数/模转换器芯片介绍p1383.数/模转换器的技术指标p1394.模/数转换原理p1405.模/数转换器芯片介绍p1426.模/数转换器的技术指标p143第六节：传感器与模/数转换器的连接通道p1431.放大与滤波环节p1432.多路模拟开关环节p1453.采样保持环节p1464.模/数转换环节p148

第七节：传感检测信号的细分与辨向原理p1491.四倍细分原理p1492.辨向原理p151

3.细分、辨向常用电路p152第八节：传感检测系统中的抗干扰问题p1531.干扰与噪声p1532.抑制干扰的方法p1543.典型噪声干扰的抑制p156第九节：传感检测系统中的微机接口p1561.接口的基本方式p1572.A/D转换器与CPU连接需解决的技术问题p1573.数据转换接口的典型结构p1584.A/D转换器与CPU的接口示例p1595.传感检测系统的显示器及其接口p163第十节：传感器信号的温度补偿及线性化的计算机处理p1681.温度补偿的处理方法p1682.线性化处理方法p1683.线性化与温度补偿实例p170

第九章 信号分析及其在测试中的应用p173第一节：信号的分类p1731.确定性信号p1732.非确定性信号p1733.模拟信号与离散信号p174第二节：信号的幅值描述p1741.信号的均值u p1742.信号的方差p1753.信号的均方值p1754.信号的概率密度函数p（x）p175第三节：信号的相关描述p176第四节：信号的频域描述p178

1.周期信号与离散频谱—傅里叶级数p1782.非周期信号与连续频谱—傅里叶变换p182

3.傅里叶变换的基本性质p1834.非确定性信号的功率谱密度函数p184第五节：信号分析在振动测试中的应用p1881.振动的类型p1882.振动的激励方式p1893.激振器p190

第十章 传感器在机电一体化系统中的应用p200第一节：传感器在工业机器人中的应用p2001.零位和极限位置的检测p2002.位移量的检测p2013.速度加速度的检测p2014.外部信息传感器在电弧焊机器人中的应用p201第二节：传感器在CNC机床与加工中心的应用p2031.传感器在位置反馈系统中的应用p2032.传感器在速度反馈系统中应用p203第三节：传感器在三坐标测量机中的应用p204第四节：传感器在汽车机电一体化中应用p208第五节：传感器在家用电器中的应用p218

第二篇：传感器与检测技术论文

光电传感器--太阳能电池板

太阳能电池板是利用光生伏特效应原理制造的。在光线作用下能够使物体产生一定方向的电动势的现象叫做光生伏特效应。基于该效应的光电器件有光电池和光敏二极管、三极管。太阳能电池是通过光电效应或者光化学效应直接把光能转化成电能的装置。以光电效应工作的薄膜式太阳能电池为主流，而以光化学效应工作的湿式太阳能电池则还处于萌芽阶段。

太阳能电池板 Solar panel

分类：晶体硅电池板：多晶硅太阳能电池、单晶硅太阳能电池。

非晶硅电池板：薄膜太阳能电池、有机太阳能电池。

化学染料电池板：染料敏化太阳能电池。太阳能发电系统

太阳能发电系统由太阳能电池组、太阳能控制器、蓄电池（组）组成。如输出电源为交流220V或 110V，还需要配置逆变器。各部分的作用为：

（一）太阳能电池板：太阳能电池板是太阳能发电系统中的核心部分，也是太阳能发电系统中价值最高的部分。其作用是将太阳能转化为电能，或送往蓄电池中存储起来，或推动负载工作。太阳能电池板的质量和成本将直接决定整个系统的质量和成本。

（二）太阳能控制器：太阳能控制器的作用是控制整个系统的工作状态，并对蓄电池起到过充电保护、过放电保护的作用。在温差较大的地方，合格的控制器还应具备温度补偿的功能。其他附加功能如光控开关、时控开关都应当是控制器的可选项。

（三）蓄电池：一般为铅酸电池，一般有12V和24V这两种，小微型系统中，也可用镍氢电池、镍镉电池或锂电池。其作用是在有光照时将太阳能电池板所发出的电能储存起来，到需要的时候再释放出来。

（四）逆变器：在很多场合，都需要提供AC220V、AC110V的交流电源。由于太阳能的直接输出一般都是DC12V、DC24V、DC48V。为能向AC220V的电器提供电能，需要将太阳能发电系统所发出的直流电能转换成交流电能，因此需要使用DC-AC逆变器。在某些场合，需要使用多种电压的负载时，也要用到DC-DC逆变器，如将24VDC的电能转换成5VDC的电能（注意，不是简单的降压）。

晶体硅太阳能电池的制作过程：

晶体硅太阳能电池

“硅”是我们这个星球上储藏最丰量的材料之一。自从19世纪科学家们发现了晶体硅的半导体特性后，它几乎改变了一切，甚至人类的思维。20世纪末，我们的生活中处处可见“硅”的身影和作用，晶体硅太阳能电池是近15年来形成产业化最快的。生产过程大致可分为五个步骤：a、提纯过程 b、拉棒过程 c、切片过程 d、制电池过程 e、封装过程。

太阳能电池的应用：

太阳能电池,1971年首次应用于我国发射的卫星上。1973年开始将太阳能电池用于地面。由于受到价格和产量的限制,市场发展很缓慢,除了作为卫星电源,在地面上太阳能电池仅用于小功率电源系统,如航标灯、铁路信号系统等。

2002年,国家有关部委启动了“西部省区无电乡通电计划”,通过光伏和小型风力发电解决西部七省区无电乡的用电问题。这一项目的启动大大刺激了太阳能发电产业,国内建起了几条太阳能电池的封装线,使太阳能电池的年生产量迅速增加。

目前太阳能电池已经开始广泛用于通信、交通、民用产品等各个领域,光伏发电不但列入到国家的攻关计划,而且列入国家电力建设计划,同时也在一些重大工程项目中得到应用。2003年底，我国太阳能电池的累计装机达到5万千。目前，光伏发电已遍及我国西部各省区、以及中部和东部的部分省、市、自治区，投入总规模已经超过30亿元人民币。太阳能电池高效和低价统一始终是国际开发的目标。

太阳能发电系统的设计需要考虑如下因素：

问题

1、太阳能发电系统在哪里使用？该地日光辐射情况如何？

问题

2、系统的负载功率多大？

问题

3、系统的输出电压是多少，直流还是交流？

问题

4、系统每天需要工作多少小时？

问题

5、如遇到没有日光照射的阴雨天气，系统需连续供电多少天？

问题

6、负载的情况，纯电阻性、电容性还是电感性，启动电流多大？

问题

7、系统需求的数量？

太阳能电池的原理

太阳光照在半导体p-n结上，形成新的空穴-电子对，在p-n结电场的作用下，空穴由n区流向p区，电子由p区流向n区，接通电路后就形成电流。这就是光电效应太阳能电池的工作原理。

一、太阳能发电方式太阳能发电有两种方式，一种是光—热—电转换方式，另一种是光—电直接转换方式。

（1）光—热—电转换方式通过利用太阳辐射产生的热能发电，一般是由太阳能集热器将所吸收的热能转换成工质的蒸气，再驱动汽轮机发电。前一个过程是光—热转换过程；后一个过程是热—电转换过程，与普通的火力发电一样.太阳能热发电的缺点是效率很低而成本很高，估计它的投资至少要比普通火电站贵5～10倍.一座1000MW的太阳能热电站需要投资20～25亿美元，平均1kW的投资为2000～2500美元。因此，目前只能小规模地应用于特殊的场合，而大规模利用在经济上很不合算，还不能与普通的火电站或核电站相竞争。

（2）光—电直接转换方式该方式是利用光电效应，将太阳辐射能直接转换成电能，光—电转换的基本装置就是太阳能电池。太阳能电池是一种由于光生伏特效应而将太阳光能直接转化为电能的器件，是一个半导体光电二极管，当太阳光照到光电二极管上时，光电二极管就会把太阳的光能变成电能，产生电流。当许多个电池串联或 并联起来就可以成为有比较大的输出功率的太阳能电池方阵了。太阳能电池是一种大有前途的新型电源，具有永久性、清洁性和灵活性三大优点.太阳能电池寿命长，只要太阳存在，太阳能电池就可以一次投资而长期使用；与火力发电、核能发电相比，太阳能电池不会引起环境污染；太阳能电池可以大中小并举，大到百万千瓦的中型电站，小到只供一户用的太阳能电池组，这是其它电源无法比拟的

电池板原料：玻璃，EVA，电池片、铝合金壳、包锡铜片、不锈钢支架、蓄电池等。

太阳能电池板新型涂层研发成功

美国伦斯勒理工学院研究人员2008年开发出一种新型涂层，将其覆盖在太阳能电池板上能使后者的阳光吸收率提高到96.2%，而普通太阳能电池板的阳光吸收率仅为70%左右。

新涂层主要解决了两个技术难题，一是帮助太阳能电池板吸收几乎全部的太阳光谱，二是使太阳能电池板吸收来自更大角度的太阳光，从而提高了太阳能电池板吸收太阳光的效率。

普通太阳能电池板通常只能吸收部分太阳光谱，而且通常只在吸收直射的太阳光时工作效率较高，因此很多太阳能装置都配备自动调整系统，以保证太阳能电池板始终与太阳保持最有利于吸收能量的角度。

多元化合物太阳电池

除了常用的单晶、多晶、非晶硅电池之外，多元化合物太阳电池指不是用单一元素半导体材料制成的太阳电池。现在各国研究的品种繁多，大多数尚未工业化生产，主要有以下几种：

a)硫化镉太阳能电池

b)砷化镓太阳能电池

c)铜铟硒太阳能电池(新型多元带隙梯度Cu(In, Ga)Se2薄膜太阳能电池)全球太阳能电池产业现状

据Dataquest的统计资料显示,目前全世界共有136 个国家投入普及应用太阳能电池的热潮中,其中有95 个国家正在大规模地进行太阳能电池的研制开发,积极生产各种相关的节能新产品。1998年,全世界生产的太阳能电池,其总的发电量达1000兆瓦,1999年达 2850兆瓦。2000年,全球有将近4600 家厂商向市场提供光电池和以光电池为电源的产品。

目前,许多国家正在制订中长期太阳能开发计划,准备在21世纪大规模开发太阳能，美国能源部推出的是国家光伏计划, 日本推出的是阳光计划。NREL光伏计划是美国国家光伏计划的一项重要的内容，该计划在单晶硅和高级器件、薄膜光伏技术、PVMaT、光伏组件以及系统性能和工程、光伏应用和市场开发等5个领域开展研究工作。

美国还推出了太阳能路灯“计划”,旨在让美国一部分城市的路灯都改为由太阳能供电,根据计划,每盏路灯每年可节电 800 度。日本也正在实施太阳能“7万套工程计划”，日本准备普及的太阳能住宅发电系统,主要是装设在住宅屋顶上的太阳能电池发 电设备,家庭用剩余的电量还可以卖给电力公司。一个标准家庭可安装一部发电3000瓦的系统。欧洲则将研究开发太阳能电池列入著名的“尤里卡”高科技计划，推出了“10万套工程计划”。这些以普及应用光电池为主要内容的“太阳能工程”计划是目前推动太阳能光电池产业大发展的重要动力之一。

日本、韩国以及欧洲地区总共8个国家最近决定携手合作,在亚洲内陆及非洲沙漠地区建设世界上规模最大的太阳能发电站,他们的目标是将占全球陆地面积约1/4的沙漠地区的长时间日照资源有效地利用起来,为30万用户提供100万千瓦的电能。计划将从2001年开始，花4年时间完成。

目前,美国和日本在世界光伏市场上占有最大的市场份额。美国拥有世界上最大的光伏发电厂,其功率为7MW,日本也建成了发电功率达1MW的光伏发电厂。全世界总共有23万座光伏发电设备,以色列、澳大利亚、新西兰居于领先地位。

20世纪90年代以来,全球太阳能电池行业以每年15%的增幅持续不断地发展。据Dataquest发布的最新统计和预测报告显示,美国、日本和西欧工业发达国家在研究开发太阳能方面的总投资, 1998年达570亿美元;1999年646亿美元;2000年700亿美元;2001年将达820亿美元;2002年有望突破1000亿美元。

我国太阳能电池产业现状

我国对太阳能电池的研究开发工作高度重视,早在七五期间,非晶硅半导体的研究工作已经列入国家重大课题;八五和九五期间,我国把研究开发的重点放在大面积太阳能电池等方面。2003年10月，国家发改委、科技部制定出未来5年太阳能资源开发计划，发改委“光明工程”将筹资100亿元用于推进太阳能发电技术的应用，计划到2005年全国太阳能发电系统总装机容量达到300兆瓦。

2002年，国家有关部委启动了“西部省区无电乡通电计划”，通过太阳能和小型风力发电解决西部七省区无电乡的用电问题。这一项目的启动大大刺激了太阳能发电产业，国内建起了几条太阳能电池的封装线，使太阳能电池的年生产量迅速增加。我国目前已有10条太阳能电池生产线,年生产能力约为4.5MW,其中8条生产线是从国外引进的,在这8条生产线当中,有6条单晶硅太阳能电池生产线,2条非晶硅太阳能电池生产线。据专家预测,目前我国光伏市场需求量为每年5MW,2001～2010年,年需求量将达10MW,从2011年开始,我国光伏市场年需求量将大于20MW。

目前国内太阳能硅生产企业主要有洛阳单晶硅厂、河北宁晋单晶硅基地和四川峨眉半导体材料厂等厂商，其中河北宁晋单晶硅基地是世界最大的太阳能单晶硅生产基地，占世界太阳能单晶硅市场份额的25％左右。

在太阳能电池材料下游市场，目前国内生产太阳能电池的企业主要有无锡尚德、南京中电、保定英利、河北晶澳、林洋新能源、苏州阿特斯、常州天合、云南天达光伏科技、宁波太阳能电源、京瓷（天津）太阳能等公司，总计年产能在800MW以上。

2009年，国务院根据工信提供的报告指出多晶硅产能过剩，实际业界人并不认可，科技部已经表态，多晶硅产能并不过剩。太阳能电池发展市场

当电力、煤炭、石油等不可再生能源频频告急，能源问题日益成为制约国际社会经济发展的瓶颈时，越来越多的国家开始实行“阳光计划”，开发太阳能资源，寻求经 济发展的新动力。欧洲一些高水平的核研究机构也开始转向可再生能源。在国际光伏市场巨大潜力的推动下，各国的太阳能电池制造业争相投入巨资，扩大生产，以争一席之地。

全球太阳能电池产业1994-2004年10年里增长了17倍，太阳能电池生产主要分布在日本、欧洲和美国。2006年全球太阳能电池安装规模已达1744MW，较2005年成长19％，整个市场产值已正式突破100亿美元大关。2007年全球太阳能电池产量达到3436MW，较2006年增长了56%。

中国对太阳能电池的研究起步于1958年，20世纪80年代末期，国内先后引进了多条太阳能电池生产线，使中国太阳能电池生产能力由原来的3个小厂的几百kW一下子提升到4个厂的4.5MW，这种产能一直持续到2002年，产量则只有2MW左右。2002年后，欧洲市场特别是德国市场的急剧放大和无锡尚德太阳能电力有限公司的横空出世及超常规发展给中国光伏产业带来了前所未有的发展机遇和示范效应。

目前，我国已成为全球主要的太阳能电池生产国。2007年全国太阳能电池产量达到1188MW，同比增长293%。中国已经成功超越欧洲、日本为世界太阳能电池生产第一大国。在产业布局上，我国太阳能电池产业已经形成了一定的集聚态势。在长三角、环渤海、珠三角、中西部地区，已经形成了各具特色的太阳能产业集群。

中国的太阳能电池研究比国外晚了20年，尽管最近10年国家在这方面逐年加大了投入，但投入仍然不够，与国外差距还是很大。政府应加强政策引导和政策激励，尽快解决太阳能发电上网与合理定价等问题。同时可借鉴国外的成功经验，在公共设施、政府办公楼等领域强制推广使用太阳能，充分发挥政府的示范作用，推动国内市场尽快起步和良性发展。

太阳能光伏发电在不远的将来会占据世界能源消费的重要席位，不但要替代部分常规能源，而且将成为世界能源供应的主体。预计到2030年，可再生能源在总能源结构中将占到30％以上，而太阳能光伏发电在世界总电力供应中的占比也将达到10％以上；到2040年，可再生能源将占总能耗的50％以上，太阳能光伏发电将占总电力的20％以上；到21世纪末，可再生能源在能源结构中将占到80％以上，太阳能发电将占到60％以上。这些数字足以显示出太阳能光伏产业的发展前景及其在能源领域重要的战略地位。由此可以看出，太阳能电池市场前景广阔。

利用太阳能电池的离网发电系统

太阳能离网发电系统包括

1、太阳能控制器(光伏控制器和风光互补控制器)对所发的电能进行调节和控制，一方面把调整后的能量送往直流负载或交流负载，另一方面把多余的能量送往蓄电池组储存，当所发的电不能满足负载需要时，太阳能控制器又把蓄电池的电能送往负载。蓄电池充满电后，控制器要控制蓄电池不被过充。当蓄电池所储存的电能放完时，太阳能控制器要控制蓄电池不被过放电，保护蓄电池。控制器的性能不好时，对蓄电池的使用寿命影响很大，并最终影响系统的可靠性。

2、太阳能蓄电池组的任务是贮能，以便在夜间或阴雨天保证负载用电。

3、太阳能逆变器负责把直流电转换为交流电，供交流负荷使用。太阳能逆变器是光伏风力发电系统的核心部件。由于使用地区相对落后、偏僻，维护困难，为了提高光伏风力发电系统 5 的整体性能，保证电站的长期稳定运行，对逆变器的可靠性提出了很高的要求。另外由于新能源发电成本较高，太阳能逆变器的高效运行也显得非常重要。

太阳能离网发电系统主要产品分类 A、光伏组件 B、风机 C、控制器 D、蓄电池组 E、逆变器 F、风力/光伏发电控制与逆变器一体化电源。

利用太阳能电池的并网发电系统

可再生能源并网发电系统是将光伏阵列、风力机以及燃料电池等产生的可再生能源不经过蓄电池储能，通过并网逆变器直接反向馈入电网的发电系统。

因为直接将电能输入电网，免除配置蓄电池，省掉了蓄电池储能和释放的过程，可以充分利用可再生能源所发出的电力，减小能量损耗，降低系统成本。并网发电系统能够并行使用市电和可再生能源作为本地交流负载的电源，降低整个系统的负载缺电率。同时，可再生能源并网系统可以对公用电网起到调峰作用。并网发电系统是太阳能风力发电的发展方向，代表了21世纪最具吸引力的能源利用技术。

太阳能并网发电系统主要产品分类 A、光伏并网逆变器 B、小型风力机并网逆变器 C、大型风机变流器（双馈变流器，全功率变流器）。

第三篇：传感器与检测技术总结

《传感器与检测技术》总结

姓名：王婷婷 学号：14032329 班级：14-1

1传感器与检测技术

这学期通过学习《传感器与检测技术》，懂得了很多，以下是我对这本书的总结。第一章 概 述

传感器的作用是：传感器是各种信息的感知、采集、转换、传输和处理的功能器件，具有不可替代的重要作用。

传感器的定义：能够感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。

传感器的组成：被测量量---敏感元件---转换元件----基本转换电路----电量输出

传感器的分类：按被测量对象分类（内部系统状态的内部信息传感器{位置、速度、力、力矩、温度、导演变化}、外部环境状态的外部信息传感器{接触式[触觉、滑动觉、压觉]、非接触式[视觉、超声测距、激光测距）；按工作机理分类（结构型{电容式、电感式}、物性型{霍尔式、压电式}）；按是否有能量转换分类（能量控制型[有源型]、能量转换型[无源型]）；按输出信号的性质分类（开关型[二值型]{接触型[微动、行程、接触开关]、非接触式[光电、接近开关]}、模拟型{电阻型[电位器、电阻应变片]，电压、电流型[热电偶、光电电池]，电感、电容型[电感、电容式位置传感器]}、数字型{计数型[脉冲或方波信号+计数器]、代码型[回转编码器、磁尺]}）。

传感器的特性主要是指输出与输入之间的关系。当输入量为常量，或变化极慢时，称为静态特性；输出量对于随时间变化的输入量的响应特性，这一关系称为动态特性，这一特性取决于传感器本身及输入信号的形式。可以分为接触式环节（以刚性接触形式传递信息）、模拟环节（多数是非刚性传递信息）、数字环节。动态测量输入信号的形式通常采用正弦周期（在频域内）信号和阶跃信号(在时域内)。

传感器的静态特性：线性度（以一定的拟合直线作基准与校准曲线比较LLmaxY100%）、迟滞、重复性、灵敏度（K0=△Y/△X=输出变化量/输入变化量=k1k2···kn）和灵敏度误差（rs=△K0/K0×100%、稳定性、静态测量不确定性、其他性能参数：温度稳定性、抗干扰稳定性。

传感器的动态特性：传递函数、频率特性（幅频特性、相频特性）、过渡函数。

0阶系统：静态灵敏度；一阶系统：静态灵敏度，时间常数；二阶系统：静态灵敏度，时间常数，阻尼比。

传感器的标定：通过各种试验建立传感器的输入量与输出量之间的关系，确定传感器在不同使用条件下的误差关系。国家标准测力机允许误差±0.001%，省、部一级计量站允许误差±0.01%，市、企业计量站允许误差±0.1%，三等标准测力机、传感器允许误差±（0.3～0.5）%，工程测试、试验装置、测试用力传感器允许误差±1%。分为静态标定和动态标定。

第二章 位 移 检 测 传 感 器

测量位移常用的传感器有电阻式、电容式、涡流式、压电式、感应同步器式、磁栅式、光电式。参量位移传感器是将被测物理量转化为电参数，即电阻、电容或电感等。发电型位移传感器是将被测物理量转换为电源性参量，如电动势、电荷等。属于能量转换型传感器，这类传感器有磁电型、压电型等。

电位计的电阻元件通常有线绕电阻、薄膜电阻、导塑料（即有机实心电位计）等。电位计结构简单，输出信号大，性能稳定，并容易实现任意函数关系。其缺点是要求输入能量大，电刷与电阻元件之间有干摩擦，容易磨损，产生噪声干扰。

Rx线性电位计的空载特性：

RxKRxl，KR----电位计的电阻灵敏度（Ω/m）。电位计输出空载电压为U0UixKuxl，Ku------电位计的电压灵敏度（V/m）。

C电容式传感器的基本原理：

SroSδ、S和εr中的某一项或几项有变化时，就改变了电容C0，δ或S的变化可以反映线位移或角位移的变化，也可以间接反映压力、加速度等的变化；εr的变化则可反映液面高度、材料厚度等的变化。ε0=8.85×10-12F/m。

Ka.变极距型电容位移传感器的灵敏度为

CSC00，C00；b.变极板面积型电C容位移传感器2(lx)xCxC0C0lnRB/RAl, C0l ； c.变介质型电容式位移传感器

C0Sd/r，其中ε0为真空介电常数（空气介电常数ε1=ε0）εr为介质的相对介电常数，r/0，ε为介质的介电常数； d.容栅式电容位移传感器

Cmaxnab(RRrr)n2，其中n为可动容栅的栅极数，a、b分别为栅极的宽度宽度和长度，α为每条栅极所对应的圆心角，R、r分别为栅极外半径和内半径。特点分辨力高、精度高、量程大，刻划精度和安装精度要求有所降低。

电容式传感器的转换电路：电桥电路、二极管双T形电路、差动脉冲调宽电路、运算放大器式电路、调频电路。

电容式传感器的特点：优点：温度特性好，结构简单、适应性强，动态响应好，可以实现非接触测量、具有平均效应。缺点：输出阻抗高、负载能力差，寄生电容影响大。

电感式位移传感器：是一种利用线圈自感和互感的变化实现非电量电测的装置。感测量：位移、振动、压力、应变、流量、比重。种类有：根据转换原理：分自感式和互感式两种；根据结构型式，分气隙型、面积型和螺管型。

电感式传感器的转换电路：调幅电路；调频电路；调相电路。

自感式电感受位移传感器：NmLi ；

mNiNNLRm ；Rm ；Rml2S0S0；其中l----铁心与衔铁中的导磁长度；μ---铁心与衔铁的磁导率（H/m）；S---铁心与衔铁中的导磁面积；δ---气隙厚度；μ0---真空磁导率；S0---气隙导磁横截面积。互感式位移传感器：将被测物理量的变化转换成互感系数的变化。常接成差动形式，故也称差动变压器式位移传感器，属于螺管型。则总输出电动势E0E1E2(M2M1)di1dt

互感式位移传感器的误差因素：零点残余电压（当差动变压器的衔铁处于中间位置时，理想条件下其输出电压为零。但实际上，当使用桥式电路时，在零点仍有一个微小的电压值（从零点几mV到数十mV）存在，称为零点残余电压。电涡流式传感器：电感线圈产生的磁力线经过金属导体时，金属导体就会产生感应电流，该电流的流线呈闭合回线，类似水涡形状，称之为电涡流。电涡流式传感器是以电涡流效应为基础，由一个线圈和与线圈邻近的金属体组成，当线圈通入交变电流I时，在线圈的周围产生一交变磁场H1，处于该磁场中的金属体上产生感应电动势，并形成涡流。金属体上流动的电涡流也将产生相应的磁场H2，H2与H1方向相反，对线圈磁场H1起抵消作用，从而引起线圈等效阻抗Z或等效电感L或品质因素相应变化。金属体上的电涡流越大，这些参数的变化亦越大。如图如式：

涡流位移传感器主要分为高频反射和低频透射两类。电涡流式传感器的转换电路：电桥电路法、谐振电路法、正反馈法。其特点是涡流式传感器结构简单，易于进行非接触测量，灵敏度高，应用广泛，可测位移、厚度、振动等。

霍尔效应的定义：磁场中的静止载流导体，当它的电流方向与磁场方向不一致时，载流导体上平行于电流和磁场方向上的两个面之间产生电动势，这种现象称霍尔效应。该电势称霍尔电势，霍尔效应的大小：UHBI/nedUHkHBI

霍尔式传感器的误差因素：元件几何误差以及电极焊点的大小造成的影响；不等位电势的影响；寄生直流电势的影响；感应电势的影响；温度误差的影响（恒流源供电和输入回路并联电阻；合理选取负载电阻；恒压源和输入回路串联电阻；采用温度裣元件。）

光栅式位移传感器：长光栅（测量线位移）、圆光栅（测量角位移）。长光栅：是根据

BH莫尔条纹效应设计的。两个莫尔条纹的间距

WW2sin/2。光栅条纹密度有25条/mm，50条/mm，100条/mm或更密，栅线长度一般为6～12mm。其测长精度可达0.5～3μm(3000mm范围内），分辨力可达0.1μm。圆光栅：圆光栅同心放置时，条纹间距BHWRWRBHr1r2；偏心放置时，e，测量精度可达到0.15“，分辨力可达0.1”。W：光栅栅距。R：圆的半径。R1、R2:分别为切线圆半径。e :偏心量。

光栅可以制成透射光栅和反射光栅,透射光栅的栅线刻制在透明村料上,要求较高时,可以采用光学玻璃；而指示光栅最好采用光学玻璃，反射光栅的栅线刻制在具有反射率很高的金属或镀以金属膜的玻璃上。

感应同步器：利用电磁感应原理将线位移和角位移转换成电信号的一种装置。根据用途可将感应同步器分为直线式和旋转式两种，分别用于测量线位移和角位移。

激光式位移传感器：由激光器、光学元件、光电转换元件构成的将测位移量转换成电信号。常用的激光干涉测长传感器分为单频激光干涉传感器和双频激光干涉传感器。

第三章 力、扭矩和压力传感器 测力传感器：用于测力的传感器多为电气式。电气式测力传感器根据转换方式不同又分为参量型和发电型。参量型测力传感器有电阻应变式、电容式、电感式等。发电测力传感器有压电式、压磁式等。

电阻应变式测力传感器:将力作用在弹性元件上,弹性元件在力作用下产生应变,利用贴在弹性元件上的应变片将应变转换成电阻的变化。然后利用电桥将电阻变化转换成电压（或电流）的变化，再送入测量放大电路测量。最后利用标定的电压（或电流）和力之间的对应关系，可测出力的大小或经换算得到被测力。

dRdLdSd2LE(12)LELS应变片：R；其中μ：电阻丝的泊松系数；ζ：电阻丝受到的应力（Pa)；E：电阻丝的弹性模量；πL：电阻丝材料的dR(12)K纵向压阻系数。对于金属丝，（1+2μ）ε»πLEε，则R；其中K：金属电阻丝灵敏系数，K约在1.7～3.6之间。常用金属丝材料在200℃～300℃以下工作可选用康铜丝应变丝，在300℃以上工作可选用镍铬合金应变片、铂铱合金应变片等。

半导体应变片：其工作原理是基于压阻效应。压阻效应：是指当半导体受到应力作用时，由于截流子迁移率的变化，使其电阻率发生变化的现象。表达电阻丝电阻应变效应的公

K式也适用于半导体电阻材料。其应变灵敏系数为：

dR/RLE，半导体应变片的缺点是应变灵敏系数的离散性大，机械强度低，非线性误差大，温度系数大。

应变片的布置和接桥方式：则电桥的输出U0电压为：

R1R3R2R4Ui(R1R2)(R3R4)，当R1=R2=R3=R4=R，U0UiR1R2R3R4()4RRRR，应变仪电桥式作方式有：单臂、双臂、四臂。应变片在弹性元件上典型的布片和接桥方式有：柱型、环形、悬臂梁式、两端固定梁、轴。压电式力传感器：是基于压电元件的压电效应而工作的。正压电效应：当某些晶体沿一定方向受到外力作用而变形时，在其相应的两个相对表面产生极性相反的电荷，当外力去掉后，又恢复到不带电状态。晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比，电荷的极性取决于变形的形式。逆压电效应：在某些晶体的极化方向（受力能产生电荷的方向）施加外电场，晶体本身将产生机械变形，当外电场撤去后，变形也随之消失。

压电元件及其晶片连接方式有：单片式、两片串联式、两片并联式、剪切式、扭转式。压磁式力传感器：在机械力作用下，铁磁材料内部产生应力或应力变化，使磁导率发生变化，磁阻相应也发生变化的现象。外力是拉力时，在作用方向铁磁材料磁导率提高，垂直作用力方向磁导率降低；作用力为压力时，则反之。常用的铁磁材料有硅钢片和坡莫合金。

第四章 速度、加速度传感器

直流测速发电机：按定子磁极的励磁方式不同，可分为电磁式、永磁式两类；若按电枢的结构形式不同，可分为无槽电枢、有槽电枢、空心杯电枢、圆盘印刷绕组等。电枢感应电动势为EsKenCen，其中Ke：感应系数；Φ：磁通；n：转速；Ce:感应电动势与转速的比例系数。空载时：Is=0 ,则有直流测速发电机的输出电压和电枢感应电动势相等，因而输出电压与转速成正比。有负载时，直流测速发电机的输出电压为VCFEsIsrs，rS：电枢回路的总电阻。电枢电流为

ISVCFRL，RL：测速发电机的负载电阻。则可得VCFCenCn1rs/RL

直流测速发电机在工作中，其输出电压与转速之间不能保持比例关系，原因和改进方法：一是有负载时，电枢反映去磁作用的影响，使输出电压不再与转速成正比（在定子磁极上安装补偿绕组，或使负载电阻大于规定值）。二是电刷接触压降的影响（应采用接触压降较小的铜-石墨电极或铜电极，并在它与换向器相接触的表面上镀银）。三是温度的影响（在直流测速发电机的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）。

交流测速发电机：可分为永磁式、感应式、脉冲式三种。永磁式并流测速发电机实质上是单向永磁转子同步发电机,定子绕组感应的交变电动势的大小和频率都随输入信号而变f化:

ppnE4.44fNKwm44.4NKwmnKn6060 ；

；其中K：常系数，K4.44pNKwm60 ；p：电机极对数；N：定子绕组每相匝数；KW：定子绕组基波绕组系数；Φm：电机每极基波磁通的幅值。通常此电机只做指示式转速计使用。感应式测速发电机与脉冲式测速发电机的工作原理基本相同，都是利用定子、转子齿槽相互位置的变化，使输出绕组中的磁通产生脉动，从而感应出电动势，也称为感应子式发电机原理。输出电动f势的频率为ZrnHz60，其中Zr：转子齿数；n：电动机转速（r/min)线振动速度传感器：当一个绕有N匝的线圈作垂直于磁场方向相对运动时，线圈切割磁力线，由法拉第电磁感应定律可知，线圈产生感应电动势ENBlv，其中B：线圈所在磁场的磁感应强度（T）；l：每匝线圈的平均长度；v：线圈磁场的运动速度。

变磁通式：开磁路式：测量时，齿轮随被测旋转体一起转动，每转过一个齿，传感器磁路磁阻变化一次，磁通亦变化一次，因此线圈产生感应电动势的变化频率等于齿轮的齿数与转速的乘积。闭磁路式：测量转速时，磁能周期变化，线圈产生感应电动势的频率与转速成正比。n60f/z ； w(2/z)f(rad/s)

陀螺式角速度传感器：包括转子陀螺、压电陀螺、激光陀螺、光纤陀螺。半导体硅流速传感器是一种可测流速、流动方向的传感器。其工作原理是依据发热体与放置发热体的流体介质的热导率λ与流体流速相关原理制成的。Q(T1T2)(ABvt)(T1T2)，Q：流体介质从温度T1流向温度T2的热量；λ：热导率；vt:流体介质流速；B：常数，A为vt=0时的热导率，A与B均由由流体介质性质和发热体性质决定。

加速度传感器：常用的有压电式、应变式、磁致伸缩式等。

压电式加速度传感器包括：压缩型(为了区分异常振动与其它噪声振动，传感器的固有频率设计成与异常振动频率相同，从而提高了信噪比）、剪切型（可忽略横向加速度的影响，还能在高温环境中使用）、弯曲型（结构简单、体积小、重量轻、灵敏度高，但压电材料有阻抗高、脆性大、难于与金属粘结）。因为其本身内阻抗很高，输出微弱，则必须接高输入阻抗的前置放大器。这类放大器有电压放大器（第一级采用场效应管构成源极输出器，第二级晶体管构成对输入端的负反馈，以提高输入阻抗）和电荷放大器（输出电压u0Q/Cf，Q：传感器输出电荷，Cf:反馈电容，即输出电压与电缆分布、长短无关）。压电加速度传感器属发电型传感器，可把它看成电压源或电荷源，故灵敏度有电压灵敏度{输出电压（mV）与所承受加速度之比}、电荷灵敏度{输出电荷（Q）与所承受加速度之比）。对给定的压电材料，灵敏度随质量的增大或压电片的增多而增大。一般加速度传感器尺寸越大，其固有频率越低。因此在选用加速度传感器时应当权衡灵敏度和结构尺寸、附加质量影响和频率响应特性之间的利弊。

第五章 视觉、触觉传感器

视觉传感器：以光电变换为基础，由四个部分组成，照明部（钨丝灯、闪光灯等）、接收部（由透镜和滤光片组成，具有聚成光学图像或抽出有效信息的功能）、光电转换部（将光学图像信息转换成电信号）、扫描部（将二维图像的电信号转换成时间序列的一维信号）。在机电一体化系统中的作用有三：进行位置检测；进行图像识别；进行物体形状、尺寸缺陷的检测。

视觉传感器分为:光电式摄像机（即工业电视摄像机）{其光导摄像管是一种兼有光电转换功能和扫描功能的真空管}、固体半导体摄像机{由许多光电二极管组成阵列代替光导摄像管。其摄像元件为CCD即电荷耦合器件,它是一种MOS型晶体管开关集成电路，它的构成主要有隔行传送方式、帧传送方式}、激光式视觉传感器{利用激光作为定向性高密度光源，由光电转换及放大元件、高速回转多面棱镜、激光器组成}、红外图像传感器{由红外敏感元件、电子扫描电路组成}。

人工视觉系统的硬件构成：图像输入、图像处理、图像存储、图像输出四个子系统组成。图像输出装置分为两类：一类是只要求瞬时知道处理结果，以及计算机用对话形式进行处理的显示终端，称为软拷贝；另一类可长时间保存结果，如宽行打印机、绘图机、X-Y绘图仪以及显示器图面照像装置等，称为硬拷贝。图像信息的处理技术中，区域法与微分法不同，它不直接检测灰度的变化点，而是以灰度大致相同的像素集合作为区域而汇集的方法。

触觉传感器：接触觉、压觉的阈值单位为104Pa，人的压觉阈值约为1.28×104Pa，人的手指接触觉阈值约为3×104Pa。接触觉传感器的代表是用硅橡胶制成的矩阵式触觉传感器。硅橡胶与金属电极对置、接触。由于硅橡胶受压其电阻值就改变，所以输出电压相应变化。滑动觉传感器：被用于工业机器人手指把持面与操作对象之间的相对运动，以实现实时控制指部的夹紧力。它是检测指部与操作物体在切向的相对位移。

第六章 温度传感器

热电偶式温度传感器：属于接触式热电动势型传感器，基于热电效应（当两种不同金属导体两端相互紧密地连接在一起组成一个闭合电路时，由于两个端点温度不同，回路中将产生热电动势，并有电流通过，即将热能转换成电能。）它由热电偶（闭合回路）、热电极（两导体）、热端、冷端组成。热电动势由接触电动势、温差电动势两部分组成。

热电偶的分类:普通热电偶(主要用于测量液体和气体的温度)、铠装热电偶（也称缆式热电偶，可分为有碰底型、不碰底型、露头型、帽型。特点是测量结热容量小、热惯性小、动态响应快、挠性好、强度高、抗震性好，适用于普通热电偶不能测量的空间温度）、薄膜热电偶（可分为片状、针状，主要用于测量固体表面小面积瞬时变化的温度。特点是热容量小、时间常数小、反应速度快）、并联热电偶（它是把几个同一型号的热电偶的同性电极参考端并联在一起，而各个热电偶的测量结处于不同温度下，其输出电动势为各热电偶热电动势的平均值，所以这种热电偶可用于测量平均温度）、串联热电偶（又称热电堆，它是把若干个同一型号的热电偶串联在一起，所有测量端处于同一温度T之下，所有连接点处于另一温度TO之下，则输出电动势是每个热电动势之和。为保证测量值的真实性，常用的方法有恒温法、温度修正法、电桥补偿法、冷端补偿法、电位补偿法。）

电阻式温度传感器：分为金属热电阻式、热敏电阻式两大类。金属热电阻式温度传感器：其基理是在金属导体两端加电压后，使其内部杂乱无章运动的自由电子形成有规律的定向运动，而使导体导电。对于大多数金属导体而言RtRo(11t2t2ntn)；铂电阻物理化学性能稳定，搞氧化能力强，测温精度

23RtRo[11t2t3(t100C)t]，在高，在（-200～0）℃范围内的阻温特性是：（0～850）℃内的阻温特性是：RtRo(11t2t)，一般在RO=100Ω或RO=50Ω时，α1=3.96847×10-3/℃,α2=-5.847×10-7/℃2，α3=-4.22×10-12/℃4。铜价格低，在（-50～150）℃，23RtRo(11t2t3t)其电化学性和物理性能稳定，则有。为了避免通过交流电时产

2生感抗，或有交变磁场时产生感应电动势，在绕制时要采用双线无感绕制法。

热敏电阻式温度传感器：所用材料是陶瓷半导体，其导电性取决于电子-空穴的浓度。其阻温特性为RT=ROeB(1/T-1/TO)；正温度系数热敏电阻，随温度增加而增加，高温不得超过140℃，临界温度系数热敏电阻，不适于较宽温度范围内的测量；负温度系数热敏电阻，其阻值随温度增加而下降，一般用于（-50～300）℃之间的温度测量。硅热敏电阻即可具有正温度系数也可具有负温度系数，采用线性化措施后，可在（-30～150）℃内实现近似线性化。锗热敏电阻广泛应用于低温测量；硼热敏电阻在工作中700℃高温时仍能满足要求。

非接触式温度传感器：可分为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。

全辐射式温度传感器：利用物体在全光谱范围内总辐射能量与温度的关系测量温度。

4全辐射式温度传感器测得的温度总是低于物体的真实温度。测量温度：TTr1/T ；Tr:辐射温度；εT：温度T时物体的全辐射发射系数。这种传感器适用于远距离、不能直接接触的高温物体，其测量范围为（100～2000）℃。

亮度式温度传感器：利用物体的单色辐射亮度随温度变化的原理。传感器测得的温度

11lnT值小于被测物体的真实温度T：TTLC2，ελT：单色辐射发射系数；C2：第二辐射常数，C2=0.014388(m·K）；λ：波长（m)。

比色温度传感器：通常，将波长选在光谱的红色和蓝色区域内。真实温度T：11ln(1/2)TTPC2(11)12 ；其量程（800～2000）℃，测量精度为0.5%。如果两个波长的单色发射系数相等，则真实温度与比色温度相同。一般灰体的发射系数不随波长而变，故比色温度等于真实温度。通常λ1：对应蓝色，λ2：对应为红色。对于很多金属，由于单色发射系数随波长的增加而减小，故比色温度高于真实温度。半导体温度传感器：以半导体P-N结的温度特性为理论基础，利用晶体二极管与晶体三极管作为感温元件。采用晶体二极管，测温范围在（0～50）℃；采用晶体三极管，测温范围在（-50～150）℃。

第七章 气敏、温度、水份传感器 气敏传感器（N型半导体）：是一种将检测到的气体成份和浓度转换为电信号的传感器。具有代表性的是SnO2系和ZnO系气敏元件。这些金属氧化物都是利用陶瓷工艺制成的具有半导体特性的材料，简称半导瓷。材料吸收吸附分子，为正离子吸附（O2和氮氧化合物，为氧化型气体）；材料释放电子，为负离子吸附（H2、CO碳氢化合物和酒类倾向，为还原型气体）。SnO2气敏半导瓷掺加Pd、Mo、Ga等杂质，可供制造常温工作的烟雾报警器。

湿度传感器：分为绝对温度（一定大小空间中水蒸气的绝对含量，kg/m3，又称为水气浓度或水气密度。它可以用水的蒸气压表示，空气水气密度

vpvMRT，其中M：水气摩尔质量；R：摩尔气体常数；Pv：蒸气压力；T：热力学温度）、相对温度（为某一被测蒸气压与相同温度下饱和蒸气压比值的百分数，常用%RH表示。是无量纲值。表示为潮湿程度。）

湿敏元件有：氯化锂湿敏元件、半导体陶瓷湿敏元件、热敏电阻湿敏元件、高分子膜湿敏元件。

氯化锂湿敏元件：利用吸湿性盐类潮解，离子导电率发生变化而制成的测湿元件。是典型的离子晶体。

热敏电阻式湿敏元件：特点有灵敏度高且响应速度快；无滞后现象；不像干湿球温度计需要水和纱布及其它维修保养；可连续测量（不需要加热清洗）；抗受风、油、尘埃能力强。可制造精密的恒湿槽，精度达±0.2g/m3。

高分子膜湿敏元件：它是以随高分子膜吸收或放出水份而引起电导率或电容变化测量环境相对湿度的装置。根据电容器的容量值

CSd，再测得相对温度。电子温度计由检测部分（有携带型、墙袋型、凸缘型）、数字显示器、变换器构成。常用于工业温度监视、记录和控制，尤可用于湿度小于20%RH的测量。在超过90%RH的高湿区域会出现结露。结露时湿度传感器在沾湿间歇不能测量，一旦沾湿消失，恢复原来特性。

水份传感器：水份是存在于物质中水的数量，以百分比表示。种类有:直流电阻型、高频电阻型、电容率型、气体介质型、近红外型、中子型、核磁共振型。

第八章 传感检测系统的构成

传感检测系统的组成：传感器（信息获取）、中间转换（信号调理）电路（信号转换调理）、微机接口电路（信息传输）、分析处理及控制显示电路（信息分析处理、显示记录）等部分组成。目前常用的有模拟显示（精度受标尺最小分度限制，易引入主观误差）、数字显示（有利于消除读数主观误差）、图像显示（常用的自动记录仪器有笔式记录仪、光线示波器、磁带记录仪）三种。

电桥：是把电阻、电感、电容等元件参数转换成电压或电流的一种测量电路。

直流电桥：在电桥的输入端加入直流电源ES。当输出端与高输入阻抗装置相接时，电桥相当于工作在输出端开路状态，其输出电压UoR1R3R1R4R2R3EsEsEsR1R2R3R4(R1R2)(R3R4)。当R2R3=R1R4时，输出电压UO为0，称这种状态为平衡状态。若将电桥输出端与内阻为Rg的检流计相连接，由戴维南定

Ro理知，AB端的等效电阻

R1R2R3R4R1R2R3R4，AB端的开路电压UocR1R4R2R3RgEsUoUoc(R1R2)(R3R4)，则电桥输出端的电压为RoRg。如下图。

交流电桥：采用交流电源供电的电桥。如果交流电源是频率为f的正弦交流信号，则有Z1Z11，Z2Z22，Z3Z33，Z4Z44。当电桥输出端开路时，其输出

UsUsZ1Z4Z2Z3UoZ1Z3UsZ1Z2Z3Z4(Z1Z2)(Z3Z4)电压，当Z1Z4=Z2Z3，则有Z2Z3Z1Z4，2314。如下图

电桥的分类：按电桥采用电源的不同分为：直流电桥、交流电桥。按电桥的工作方式可分为：平衡电桥、不平衡电桥。按电桥被测电阻的接入方式：单臂电桥、差动电桥。

电桥的工作特性指标分别为：电桥的灵敏度、电桥的非线性误差。电桥的灵敏度是单

Kus位输入量时的输出变化量，对于不平衡电桥：

U/UoR/R。电桥的非线性误差：若线

f性化后的输出电压为UOS，则有

UosUoUo。

各类电桥的灵敏度与非线性误差：单臂电桥：当R2=R1、R3=R4时，R1/R1，Uo则有R1R41UsUsUosUs(R1R1R2)(R3R4)2(2)，化简可得4，非线性误差fUosUo1Uo2。可见输入变化量越大，非线性误差越大，若要求电桥的误差小于3%，KusUos/Us14。差动电桥：

时允许ε的最大值为0.06。对于单臂电桥，其输出电压灵敏度当R2=R

1，R1/R1，R2R3=R1R4Uo(R1Rx)R4(R2Rx)R3Rx1UsUsUoUs(R1RxR2Rx)(R3R4)R1R2，化简得2，得差动电桥灵

11UsUs2f20Uo/Us11KusUs2，非线性误差2敏度。如下图。有源电桥：装有一个具有高输入阻抗和低输出阻抗及高增益等特点的运算放大器A，当△R=0时，电桥平衡，当

UsUsUsRUo(RR)Uo(1)I1I2Us/(2R)22R2RR变化到R+△R时，则有，(Us/Us)Uo/Us1UoUsKus22，则输出灵敏度及非线性误差分别为2，即

f0。如下图

电桥调零：测量前电桥的输出应调为零，通常采用的有串联调零法（多用于桥参数R值较大的场合，调零电位器的阻值RW « RO）和并联调零法（并联在电桥输出端，多用于桥参数R值较大的场合，调零电位器的阻值RW » RO）。

无源滤波器：特点是电路简单，但是带负载能力差。有源滤波器：由运算放大器和RC网络组成。特点是1）有源滤波器不用电感线圈，因而在体积、重量、价格、线性度等方面具有明显的优越性，便于集成化。2）由于运算放大器输入阻抗高，输出阻抗低，可以提供良好的隔离性能，并可提供所需增益。3）可以使低频截止频率达到很低的范围。

低通滤波器：具有低频信号容易通过并抑制高频信号的作用。高通滤波器：RC电路具有高频信号容易通过并抑制低频信号的作用。带通滤波器：RLC电路用于通过某一频段

Q的信号，而将此频段外的信号加以抑制或衰减。品质因素

fo1B3RFRfRf，带阻滤波器：用于抑制某一频段的信号，而让此频段外的信号通过。品质因素Qfo1B2(2RfRF)Rf。

一阶RC低通滤波器的幅频及相频特性如图。

一阶高通滤波器的幅频及相频特性如图所示：

数字滤波：利用程序来实现，因而不需增加硬件，而且可靠性高、稳定性好、灵活方便。常用的方法有：限定最大偏差法：当

YnYn1Y，则令YnYn1。如果YnYn1Y，则YnYn。算术平均值法：

YnYn1YnYnkkk，适用于压力测量、流

i量测量等。加权平均滤波法：

YnCiYn1i0n1，其中满足i0C1n1。

数/模转换：它是把数字量转变成模拟的器件，它由四个部分组成：电阻网络、运算放大器、基准电源、模拟开关。目前用得较多的是T型电阻网络数/模转换器（D/A）。D/A集成电路芯片分为八位、十位、十二位、十六位等。DAC0832是一个具有两个输入数据缓冲器的八位D/A芯片。其分辨率是指最小输出电压与最大输出电压之比。例如八位D/A的110.00398分辨率212561。其精度的误差由参考电压的波动、运算放大器的零点漂移、模拟开关的压降以及电阻阻值的偏差。通常用非线性误差的大小表示D/A的线性度。

多路模拟开关环节：采用分时法切换信号，完成多路切换的器件称为多路模拟开关。常用的模拟开关有晶体管开关、光耦合器开关、结型场效应管开关、CMOS场效应开关。其中应用最多的是CMOS场效应开关。多路模拟开关电路由地址译码器和多路双向模拟开关组成。

采样保持环节：其作用是在采样期间，其输出能跟随输入的变化而变化，而在保持状态能使其输出值保持不变。采样理论表明，连续模拟信号可以表示为一组等间隔离散化瞬时采样序列，反之也可由这组离散采样脉冲序列恢复为原连续信号。但其中必有采样频率fs2fH采样信号频谱中的最高频率分量，如不满足，将会出现信息丢失或信号失真。LF398采样保持器具有采样速度高、保持电压下降速率慢、精度高等特点。

传感检测信号的细分：为了提高检测系统的分辨力，需要对传感检测信号进行细分。如几何量测量中采用机械式细分（如游标卡尺）、光学式细分和电子式细分等。四倍细分原理：莫尔条纹的间距为BHW/[2sin(/2)]W/。

传感检测系统中的抗干扰问题：产生内部干扰的因素有：信号通过公共电源、地线和传输线的阻抗相互耦合形成的干扰；元件之间、导线之间通过寄生电容或互感耦合造成的干扰；大功率和高压元件产生的电场；电子开关元件的电压或电流急剧变化而产生的干扰源；工作电源，交叉走线等。外部干扰的因素有：外部高压电源因绝缘不良形成的漏电；广播电视、高频感应加热等；空间电磁波的辐射；周围机械振动和冲击的影响。信噪比是指信号通

SPS10lgPN。形成干扰路中，有用信号功率Ps与噪声功率PN之比，通常用S/N表示，N的三个条件有：干扰源、干扰的耦合通道[电容性耦合，互感性耦合，公共地线的耦合，漏电耦合，辐射电磁场耦合]、干扰的接收电路。

抑制干扰的方法：主要是采取单点接地、屏蔽隔离（静电屏蔽、低频磁感应屏蔽、高频磁感应屏蔽）、滤波（电源滤波、退耦滤波器、有源滤波、数字滤波）等。接地在测量系统中有四种接地系统：安全地（强电应用设备）、信号源地、数字信号地、模拟信号地（此三地是为了防止电路有公共阻抗而引起信号交叉耦合）。

典型噪声干扰的抑制：设备启、停时产生的电火花干扰：消除这种干扰的方法通常是RC吸收电路，即将电阻R和电容C串联后再并联到继电器触点或电源开关两端。共模噪声：抑制这种干扰可采用差分放大器，差分放大器的输入阻抗越高，抑制作用越强。串扰：克服串扰的有效方法是将不同信号线分开，并且留有最大可能的空间隔离。

ADC与CPU的时间协调：其控制方式有延时等待、中断式、查询式。

数据转换接口的典型结构有：高电平单路信号调理单ADC系统（性能一般，成本低，全部输入通道共用一路信号调理电路）、低电平多路信号调理单ADC系统（最常见的数据采集系统，性能较高，每个通道均有各自的信号调理电路）、多路信号调理多ADC系统（通过多路ADC转换的数字信号由一个多路数字开关送入微机，其成本虽高，但性能较高）。

A/D转换器与CPU的接口示例：8位8通道A/D转换电路：由模拟多路转换开关（LF13508）、采样/保持器（LF398）、A/D转换（ADC0804：逐次逼近式8位转换芯片，属于脉冲启动转换芯片）和并行接口PIO组成。ADC574是12位逐次比较式A/D转换芯片，很容易与8031单片机的接口相连。

传感器信号的温度补偿：在计算机能力允许时，可采用计算机软件（常用公式法、表格法）进行，也可采用硬件电路实现。温度补偿公式法的步骤：1。给定m+1个温度值，测出每一个温度下传感器静态特性曲线在y轴上的截距；2。将Y表示成以温度T为自变量的n次代数多项式Ya0a1Ta2TanT，用最小二乘曲线拟合法确定a0„，在测得

2nx每一个y值对应的T值，计算出Y，再求传感器的输入值

yYk。温度补偿表格法的步YYi(TTi)骤：Yi1YiTi1Ti，若TTm，则做线性外推，再按以上公司计算x。

线性化处理方法：可以用硬件实现，也可以用软件实现线性化处理。常用的方法有公式法、表格法。公式法也称曲线拟合法，（求完）

第九章 信号分析及其在测试中的应用

信号的分类：信号有静态信号、动态信号。按能否用明确的时间函数关系描述，可将信号分为确定性信号与非确定性信号。确定信号是指能用明确的数学解析关系式或图表描述的信号，如简谐波、方波、矩形波等信号。确定性信号又可分为周期信号和非周期信号。非确定性信号也称随机信号，是指时域波形不确定，无法用确切的数学关系式描述，也不能准确预测未来的结果。只能用概率统计方法描述它的规律。

模拟信号：在某一自变量连续变化的间隔内，信号的数值连续。离散信号：自变量在某些不连续数值时，输出信号才具有确定值。如果将其各离散点的幅值也作离散化，以二进制编码表示，则称为数字信号。

xlim信号的均值

1TTT0x(t)dt，它表示信号中常值分量或直流分量。信号的方差1limTT2xT0[x(t)x]2dt，它描述信号的波动范围，其正平方根为信号的标准差。信号的均方值x2lim1TTT0x2(t)dt，它描述信号的强度，表示信号的平均功率。则有2x2x2x。信号的概率密度函数

pxlimTxT0T0x，它描述了信号x(t)对指定幅值的取值机会。

信号的相关描述：它又称为信号的时差描述。信号的自相关函数Rx()lim1TTT0x(t)x(t)dt，其中η---时延量，自相关函数的性质：1）当时延0，1Rx(0)limTT信号的自相关函数就是信号的均方值

T0x2(t)dt2,2）当Rx(0)Rx()时，即在η=0处取峰值；3）Rx()Rx()；4）周期信号的自相关函数必呈周期性，这是因为有x(t)x(tnT)，故

Rx(nT)lim1Tx(tnT)x(tnT)dtRx()0TT。信号的Rxy()lim互相关函数

1TTT0x(t)y(t)dt，互相关函数的性质有：1）Rxy(η)通常不在η=0处取峰值，其峰值偏离原点的位置为ηd，图反映两信号相互有ηd时移时，相关程度

1Rxy()limTT最高；2）Rxy(η)与Ryx(η)是两个不同的函数。根据定义Ryx()lim1TTT0x(t)y(t)dt；T0y(t)x(t)dt，不难证明Rxy()Ryx()；3）均值为零的两个统计独y(t)，其中Rxy()0。信号的互相关系数立的随机信号x(t)和xy()Rxy()Rxy()Rx(0)Ry(0)xrmsyrms，由于Rxy()Rx(0)Ry(0),故xy()1，一般有：xy()1说明x(t)和y(t)完全相关；xy()0说明x(t)和y(t)完全不相关；0xy()0，x()说明x(t)和y(t)部分相关。自相关系数

Rx()Rx(0)。

周期信号与离散频谱：傅里叶级数

x(t)a0(ancosnw0tbnsinnw0t)n1，其中w02/T，a01TT0x(t)dt,an2T2Tx(t)cosnw0tdt,bnx(t)sinnw0tdt,T0T0如果周期信号x(t)为奇函数时，an0,a00，此时

x(t)bnsinnw0tn1；如果周期信号x(t)为偶函数时，bn0，此时x(t)a0ancosnw0tn1。周期信号频谱特点：离散性、收敛性、谐波性。瞬态信号的频谱连续。傅里叶变换的主要性质有：（如图所示

非确定性信号的功率谱密度函数：自功率谱密度函数：若自相关函数满足绝对可积条件，即Rx()d，则定义

Sx(f)Rx()ej2fd，为x(t)的自功率谱密度函数，称自谱或自功率谱。频域上Sx(f)曲线下的总面积代表信号x(t)的总功率。互功率谱密度函数：如果互相关函数Rxy(η)满足傅里叶变换的条件Rxy()d，则定义

称Sxy(f)为信号x(t)和y(t)的互谱密度函数，简称互谱。互相干函数：有一种方法能评价测试系统输入信号和输出信号之间的因果性，即输出信号的功率谱中有多少是所测输入信号引起的响应，这个指标常用相干函数γxy(f)表示，其定义为Sxy(f)Rxy()ej2fd2xy(f)Sxy(f)22(0xy1)Sx(f)Sy(f)。当

2xy(f)0，表示输出信号y(t)与输入信号x(t)不相干；当2xy(f)1，表示输出信号y(t)与输入信号x(t)完全相干，系统无干扰输入；若

2xy(f)在0~1之间，则表示下述可能性：测试中有外界噪声干扰输入；联系x(t)和y(t)的系统非线性；输出y(t)和x(t)和其它输入的综合。

第十章 传感器在机电一体化系统中的应用

零位和极限位置的检测：零位的检测精度直接影响工业机器人的重复定位精度和轨迹精度；极限位置的检测则起保护机器人和安全动作的作用。工业机器人常用的位置传感器有：接触式微动开关、精密电位计，非接触式光电开关、电涡流传感器。

位移量的检测：机器人上常用的位移传感器有：旋转变压器、差动变压器、感应同步器、电位计、光栅、磁栅、光电编码器等。例如关节型机器人大多采用光电编码器，由于刚性原因，位移传感器多与驱动元件同轴，以提高分辨力。直角坐标机器人中的直线关节或气动、液压驱动的某些关节采用线位移传感器。

速度、加速度的检测：速度传感器是为实现机器人各关节的速度闭环控制。加速度传感器被用于机器人中关节的加速度控制。

在大位移量中，常用位移传感器有感应同步器、光栅、磁尺、容栅等。传感器在位置反馈系统中，在传感器安装位置的不同有半闭环控制和全闭环控制；按反馈信号的检测和比较方式不同有脉冲比较伺服系统、相伴比较伺服系统、幅值比较伺服系统。光电编码器PE同时进行速度反馈和位置反馈的半闭环控制系统中，光电编码器将电动机转角变换成数字脉冲信号，反馈到CNC装置进行位置伺服控制。又由于电动机转速与编码器反馈的脉冲频率成比例，因此采用F/V（频率/电压）变换器将其变换为速度电压信号就可以进行速度反馈。

“测量中心”是指三坐标测量与机械加工中心相配合。测量系统按其性质可以分为机械式测量系统、光学式测量系统、电气式测量系统。三坐标测量机的测量头按测量方法分为接触式{ 应用广泛，它可分为硬测头[多为机械测头，使用较少]、软测头[可分为触发式测头、三维测微测头（可分为模拟测头、数字测头）}，、非接触式{常用激光测头、光学测头、电视扫描测头等} 汽车机电一体化的中心内容是以微机为中心的自动控制系统取代原有纯机械式控制部件，从而改善汽车的性能，增加汽车的功能，实现汽车降低油耗，减少排气污染，提高汽车行驶的安全性、可靠性、操作方便和合适性。汽车行驶控制的重点是：1）汽车发动机的正时点火、燃油喷射、空燃比和废气再循环的控制，使燃烧充分、减少污染、节省能源；2）汽车行驶中的自动变速和排气净化控制，以使其行驶状态最佳化；3）汽车的防滑制动、防碰撞，以提高行驶的安全性；4）汽车的自动空调、自动调整车高控制，以提高舒适性。

公路交通用传感器：国外采用的传感器有电感式、橡皮管式、超声波式、雷达式及红外线式。

第四篇：传感器原理及检测技术

传感器原理及检测技术

（工程硕士）考试题

1、简要说明非电量电测法的基本思想。

2、简要说明传感元件与敏感元件的作用及区别。

3、简述现代测量系统由那几部分组成及各部分的功能与特点。

4、何为传感器静态特性？静态特性主要技术指标有哪些？何为传感器动态特性？动态特性主要技术指标有哪些？

5、系统误差，随机误差及粗大误差产生的原因是什么？对测量结果有何影响？从提高测量精度来看，应如何处理这些误差？

6、说明误差的分类，以及各类误差的性质，特点及对测量结果的影响？

7、某测量系统的频率响应曲线H(j)1，若输入周期信号10.05j

x(t)2cos10t0.8cos(100t300)，试求其响应y(t)。

8、有一个传感器，其微分方程为30dy其中y为输出电压(mV),x3y0.15x。

为输入温度(0C)，试求传感器的时间常数和静态灵敏度S。

9、根据磁电式传感器工作原理，设计一传感器测量转轴的转速。要求画出原理结构简图并说明原理。

10、谈谈你对传感器原理及检测技术这门课程学习的体会及建议，你认为检测技术将来的发展方向是什么？

要求：每道题必须认真完成。

第五篇：传感器与检测技术(知识点总结)

传感器与检测技术知识总结 第一章概述

1：传感器是能感受规定的被检测量并按照一定规律转换成可输出信号的器件或装置。

一、传感器的组成

2：传感器一般由敏感元件，转换元件及基本转换电路三部分组成。①敏感元件是直接感受被测物理量，并以确定关系输出另一物理量的元件（如弹性敏感元件将力，力矩转换为位移或应变输出）。②转换元件是将敏感元件输出的非电量转换成电路参数（电阻，电感，电容）及电流或电压等电信号。③基本转换电路是将该电信号转换成便于传输，处理的电量。

二、传感器的分类

1、按被测量对象分类

（1）内部信息传感器主要检测系统内部的位置，速度，力，力矩，温度以及异常变化。（2）外部信息传感器主要检测系统的外部环境状态，它有相对应的接触式（触觉传感器、滑动觉传感器、压觉传感器）和非接触式（视觉传感器、超声测距、激光测距）。

2、传感器按工作机理

（1）物性型传感器是利用某种性质随被测参数的变化而变化的原理制成的（主要有：光电式传感器、压电式传感器）。（2）结构型传感器是利用物理学中场的定律和运动定律等构成的（主要有①电感式传感器；②电容式传感器；③光栅式传感器）。

3、按被测物理量分类

如位移传感器用于测量位移，温度传感器用于测量温度。

4、按工作原理分类主要是有利于传感器的设计和应用。

5、按传感器能量源分类（1）无源型：不需外加电源。而是将被测量的相关能量转换成电量输出（主要有：压电式、磁电感应式、热电式、光电式）又称能量转化型；

（2）有原型：需要外加电源才能输出电量，又称能量控制型（主要有：电阻式、电容式、电感式、霍尔式）。

6、按输出信号的性质分类（1）开关型（二值型）：是“1”和“0”或开(ON)和关（OFF）；

（2）模拟型：输出是与输入物理量变换相对应的连续变化的电量，其输入/输出可线性，也可非线性；

（3）数字型：①计数型：又称脉冲数字型，它可以是任何一种脉冲发生器所发出的脉冲数与输入量成正比；②代码型（又称编码型）：输出的信号是数字代码，各码道的状态随输入量变化。其代码“1”为高电平，“0”为低电平。

三、传感器的特性及主要性能指标

1、传感器的特性主要是指输出与输入之间的关系，有静态特性和动态特性。

2、传感器的静态特性是当传感器的输入量为常量或随时间作缓慢变化时，传感器的输出与输入之间的关系，叫静态特性，简称静特性。

表征传感器静态特性的指标有线性度，敏感度，重复性等。

3、传感器的动态特性是指传感器的输出量对于随时间变化的输入量的响应特性称为动态特性，简称动特性。传感器的动态特性取决于传感器的本身及输入信号的形式。传感器按其传递，转换信息的形式可分为①接触式环节；②模拟环节；③数字环节。评定其动态特性：正弦周期信号、阶跃信号。

4、传感器的主要性能要求是：1）高精度、低成本。2）高灵敏度。3）工作可靠。4）稳定性好，应长期工作稳定，抗腐蚀性好；5）抗干扰能力强；6）动态性能良好。7）结构简单、小巧，使用维护方便等；

四、传感检测技术的地位和作用

1、地位：传感检测技术是一种随着现代科学技术的发展而迅猛发展的技术，是机电一体化系统不可缺少的关键技术之一。

2、作用：能够进行信息获取、信息转换、信息传递及信息处理等功能。应用：计算机集成制造系统（CIMS）、柔性制造系统（FMS）、加工中心（MC）、计算机辅助制造系统（CAM）。

五、基本特性的评价

1、测量范围：是指传感器在允许误差限内，其被测量值的范围； 量程：则是指传感器在测量范围内上限值和下限值之差。

2、过载能力：一般情况下，在不引起传感器的规定性能指标永久改变条件下，传感器允许超过其测量范围的能力。过载能力通常用允许超过测量上限或下限的被测量值与量程的百分比表示。

3、灵敏度：是指传感器输出量Y与引起此变化的输入量的变化X之比。

4、灵敏度表示传感器或传感检测系统对被测物理量变化的反应能力。灵敏度越高越好，因为灵敏度越高，传感器所能感知的变化量越小，即被测量稍有微小变化，传感器就有较大输出。K值越大，对外界反应越强。

5、反映非线性误差的程度是线性度。线性度是以一定的拟合直线作基准与校准曲线作比较，用其不一致的最大偏差△Lmax与理论量程输出值Y（=ymax—ymin）的百分比进行计算。

6、稳定性在相同条件，相当长时间内，其输入/输出特性不发生变化的能力，影响传感器稳定性的因素是时间和环境。

7、温度影响其零漂，零漂是指还没输入时，输出值随时间变化而变化。长期使用会产生蠕变现象。

8、重复性：是衡量在同一工作条件下，对同一被测量进行多次连续测量所得结果之间的不一致程度的指标；（分散范围小，重复性越好）

9、精确度：简称精度，它表示传感器的输出结果与被测量的实际值之间的符合程度，是测量值的精密程度与准确程度的综合反映。

10、分辨力是指传感器能检出被测量的最小变化量。

11、动态特性：反映了传感器对于随时间变化的动态量的响应特性，传感器的响应特性必须在所测频率范围内努力保持不失真测量条件。一般地，利用光电效应、压电效应等物性型传感器，响应时间快，工作频率范围宽。

12、环境参数：指传感器允许使用的工作温度范围以及环境压力、环境振动和冲击等引起的环境压力误差，环境振动误差和冲击误差。

六、传感器的标定与校准

1、标定（计量学称之为定度）是指在明确传感器输入/输出变换关系的前提下，利用某种标准器具产生已知的标准非电量（或其它标准量）输入，确定其输出电量与其输入量之间的过程。

2、校准是指传感器在使用前或使用过程中或搁置一段时间再使用时，必须对其性能参数进行复测或作必要的调整与修正，以确保传感器的测量精度。

3、标定系统的组成：①被测非电量的标准发生器；②待标定传感器；③它所配接的信号调节显示、记录器等。

4、静态标定是给传感器输入已知不变的标准非电量，测出其输出，给出标定方程和标定常数，计算其灵敏度，线性度，滞差，重复性等传感器的静态指标。

5、传感器的静态标定设备有力标定设备，压力标定设备，温度标定设备等。

6、对设备要求：①具有足够的精度；②量程范围应与被标定传感器的量程相适应；③性能稳定可靠，使用方便，能适应多种环境。

7、传感器的动态标定的目的是检验测试传感器的动态性能指标。

8、动态标定指标是通过确定其线性工作范围，频率响应函数，幅频特性和相频特性曲线，阶跃响应曲线，来确定传感器的频率响应范围，幅值误差和相位误差，时间常数，阻尼比，固有频率等。

9、常用的标准动态激励设备有激振器、激波管、周期与非周期函数压力发生器；（其中激振器可用于位移、速度、加速度、力、压力传感器的动态标定）

10、传感器与检测技术的发展方向：⑴开发新型传感器。⑵传感检测技术的智能化。⑶复合传感器⑷研究生物感官，开发仿生传感器。

11、开发新型传感器：①利用新材料制作传感器；②利用新加工技术制作传感器；③采用新原理制作传感器。

12、传感检测技术的智能化：传感检测系统目前迅速地由模拟式、数字式向智能化方向发展。功能：①自动调零和自动校准；②自动量程转换；③自动选择功能；④自动数据处理和误差修正；⑤自动定时测量；⑥自动故障诊断。第二章位移检测传感器

1、移可分为线位移和角位移两种，测量位移常用的方法有：机械法，光测法，电测法。

2、位移传感器的分类：参量型位移传感器，发电型位移传感器，大位移传感器。

一、参量型位移传感器

1、参量位移传感器的工作原理：将被测物理量转化为电参数，即电阻，电容或电感等。

2、电阻式位移传感器的电阻值取决于材料的几何尺寸和物理特征，即R=p L/S（1）电位计由骨架、电阻元件、电刷等组成；

（2）电位计优点：结构简单，输出信号大，性能稳定，并容易实现任意函数关系，缺点：是要求输入量大，电刷与电阻元件之间有干摩擦，容易磨损，产生噪声干扰。

3、⑴线性电位计的空载特性：Rx=RX/L=KrX(Kr——电位计的电阻灵敏度)。电位计输出空载电压为Uo=UiX/L=KuX(Ku——电位计的电压灵敏度)⑵非线性电位计空载特性：其电阻灵敏度Kr=DR/Dx,电压灵敏度Ku=Duo/Dx

4、电阻应变式位移传感器：是将被测位移引起的应变元件产生的应变，经后续电路变换成电信号，从而测出被测位移。

5、电容式位移传感器：是利用电容量的变化来测量线位移或角位移的装置。

(1)变极距型的电容位移传感器：有较高的灵敏度，但电容变化与极距变化之间为非线性关系，其它两种类型的位移传感器具有比较好的线性，但敏度比较低。

(2)变极板面积型电容位移传感器：用于线位移测量，也可用于角位移测量。

(3)变介质型电容式位移传感器：用于位移或尺寸测量的改变介质型电容位移传感器，一般都具有较好的线性特性，但也有输入/输出呈非线性关系。

(4)容栅式电容位移传感器是在面积型电容位移传感器的基础上发展来的，可分为长容栅和圆容栅。（特点：因多极电容及平均效应，分辨力高，精度高，量程大对刻划精度和安装精度要求可有所降低，一种很有发展前途的传感器。

6、电容式位移传感器的绝缘和屏蔽

（1）若绝缘材料性能不佳，绝缘电阻随环境温度和湿度而变化，还会使电容位移传感器的输出产生缓慢的零位漂移；（2）绝缘材料应具有高的绝缘电阻、低的膨胀系数、几何尺寸的长期稳定性和低的吸潮性；（3）通常对电容位移传感器及其引线采取屏蔽措施，即将传感器放在金属壳内，接地应可靠；

（4）可以消除不稳定的寄生电容，还可以消除外界静电场和交变磁场的干扰。

7、电感式位移传感器：将被测物理量位移转化为自感L,互感M的变化，并通过测量电感量的变化确定位移量。主要类型有自感式、互感式'、涡流式和压磁式。输出功率大，灵敏度高，稳定性好等优点。

（1）自感式电感位移传感器原理：缠绕在铁心的线圈中通以交变电流，产生磁通，形成磁通回路。

为了提高自感位移传感器的精度和灵敏度，增大特性的线性度，实际用的传感器大部分都作为差动式

改善其性能考虑的因素有：1）损耗问题，2）气隙边缘效应的影响，3）温度误差，4）差动式电感位移传感器的零点剩余电压问题。

（2）互感式位移传感器（测量范围最大）：将被测位移量的变化转换成互感系数的变化，基本结构原理与常用变压器类似，故称为变压器式位移传感器。

（3）涡流式位移传感器：利用电涡流效应将被测量变换为传感器线圈阻抗Z变化的一种装置。只要分为高频反射和低频透射两类。

二、发电型位移传感器

1、发电型位移传感器（压电位移传感器）是将被测物理量转换为电源性参量。

2、压电式位移传感器的基本工作原理是将位移量转换为力的变化，然后利用压电效应将力的变化转换为点信号。

三、大位移传感器

1、磁栅式位移传感器是根据用途可分为长磁栅和圆磁栅位移传感器，分别用于测量线位移和角位移。磁头分动态和静态。

2、当磁头不动时，输出绕组输出一等幅的正弦或余弦电压信号，其频率仍为励磁电压的频率，其幅值与磁头所处的位置关系。当磁头运动时，幅值随磁尺上的剩磁影响而变化。

4、光栅式位移传感器有测量线位移的长光栅和测量角位移的圆光栅。其性质：光栅移动方向与莫尔条纹移动方向垂直。

5、两块光栅作为一个标尺光栅（不动的）和一个指示光栅（动的），标尺光栅是一个长条形光栅，光栅长度由所需量程决定。

6、莫尔条纹的性质：①当两个光栅沿刻线垂直方向相对移动时，莫尔条纹相对栅外不动点沿着近似垂直的运动方向移动，光栅移动一个栅距W，莫尔条纹移动一个条纹间距B；②光栅运动方向改变，莫尔条纹的运动方向也作相应改变；③光栅条纹的光强度随条纹移动按正弦规律变化。

7、感应同步器是利用电磁感应原理将线位移和角位移转换成点信号的一种装置。根据用途，可将感应同步器分为直线式和旋转式两种，分别用于测量线位移和角位移。

原理：当滑块的两相绕组用交流电励磁时，由于电磁感应，在定尺的绕组中会产生与励磁电压同频率的交变感应电动势E。当滑尺相对定尺移动时，滑尺与定尺的相对位置发生变化，改变了通过定尺绕组的磁通，从而改变了定尺绕组中输入的感应电动势E。

根据对滑尺的正、余弦绕组供给励磁电压方式的不同，又分为鉴相和鉴幅型测试系统。特点：①精度较高，对环境要求低，可测大位移；②工作可靠，抗干扰能力强，维护简单，寿命长；③对局部误差有平均化作用。）

8、激光式位移传感器结构由：激光器、光学元件、光电转换元件组成激光测试系统，将被测位移量转化成电信号。（特点：精度高，测量范围大、测试时间短、非接触、易数字化、效率高。）

9、激光干涉测长技术用途：①精密长度测量（磁尺、感应同步器、光栅检定）；②精密机床位移检测与校正；③集成电路制作中的精密定位。

10、常用的激光干涉测长传感器：①单频激光干涉传感器；②双频激光干涉传感器。第三章力、扭矩和压力传感器

一、测力传感器

1：测量力的传感器多为电气式，根据转换方式分为参量型和发电型。参量型测力传感器有电阻应变式，电容式，电感式，发电型测力传感器有压电式，压磁式。

2：电阻式应变测力传感器原理是将力作用在弹性元件上，弹性元件在力作用下产生应变，利用贴在弹性元件上应变片将应变转换成电阻的变化，然后利用电桥将电阻变化转换成电压或电流的变化，在送入测量放大电路测量。弹性元件：（1）柱型弹性元件；（2）薄壁环型弹性元件；（3）梁型弹性元件：悬臂梁式、两端固定梁式。

3、应变片是非电量电测中一种常见的转换元件。，由于应变片使用简单，测量精度高，体积小，动态响应好，应用广。

4、金属丝的作用是感受机械试件的应变变化，称为敏感栅。

5、对金属丝的要求：（1）具有较高的电阻系数（单位长度的电阻要大）；（2）具有尽可能大的电阻应变灵敏度系数；（3）具有较小的温度系数；（4）具有较高的弹性极限，以便得到较宽的应变测量范围；（5）良好的加工性和焊接性；（6）对铜的热电动势要小。

6、底基的作用：是将试件的应变准确地传给敏感栅，所以底基应具有较低的弹性模量，较高的绝缘电阻，良好的抗湿抗热性能。（常用底基：纸基、胶基、玻璃纤维布基）

纸基制作简单，价格便宜，比较柔软，易于粘贴，应变极限打，但耐潮湿性和耐热性差。胶基比纸基更柔软，且具有较好的绝缘性，较高的弹性，耐热和耐潮湿性都较好，7、箔式电阻应变片：敏感栅是用（3~5）um厚的金属箔粘于胶基上，用光刻技术加工成需要的形状。优点：（1）金属箔很薄，因而所感受的应力状态与试件表面的应力状态更接近；（2）箔式敏感栅面积大，散热条件好，允许通过较大的电流，灵敏度较高，输出信号功率比较大，为丝式电阻应变片的100~400倍；（3）箔式敏感栅的尺寸可以做的很准确，基长可以很短，并能制成任意形状，从而可扩大使用范围；（4）便于成批生产。

缺点：生产工序复杂，引线的焊点采用锡焊，不适于在高温环境中测量，另外价格比较高。

8、半导体应变片的工作原理是基于压阻效应。

（1）压阻效应是指固体受到应力作用时，其电阻率发生变化。这就叫压阻效应。

（2）优点：半导体应变片横向效应小，其横向灵敏度几乎为零；机械滞后小，可制成小型和超小型片子。

（3）缺点：应变灵敏系数的离散性大，机械强度低，非线性误差大，温度系数大，使用于需要大信号输出场合。

9、应变片的布置和接桥方式：电桥又单臂、双臂、四臂工作方式（平衡条件U。=0 R1R3=R2R4）工作方式

单臂

双臂

四臂

应变片所在位置

R1

R1，R2

R1，R2，R3，R4

输出电压Uo

1/4UiKε

1/2UiKε

UiKε

10、压电式传感器是基于压电元件的压电效应而工作的。压电效应有正压电效应和逆压电效应。

（1）正压电效应是当某些晶体沿一定方向受外力作用而变形时，在其相应的两个相对表面产生极性相反的电荷，当外力去掉后，又恢复到不带电状态，电荷的极性取决于变形的形式。（2）逆压电效应是当某些晶体的极化方向施加外电场，晶体本身将产生机械变形，当外电场撤去后，变形也随之消失。

电压式传感器的前置放大器的输入阻抗应尽可能的高。压电式力传感器是利用压电晶体的纵向和剪切向压电效应。（单分量和多分量）电荷放大器的选择：要求电荷放大器输入阻抗高于1012Ω，低频响应为0.001Hz

13、压磁效应是在机械力作用下，铁磁材料内部产生应力变化，使磁导率发生变化，磁阻相应也发生的现象。外力是拉力时，在作用力方向铁磁材料磁导率提高，垂直作用力方向磁导率降低；作用力为压力时，则反之

14、压磁式力传感器工作原理是根据压磁效应原理，当在一次侧绕组通过交变励磁电流时，铁心中产生磁场，由于压磁元件在未受力时各向同性，磁力线呈轴对称分布。

15、压磁式力传感器结构主要是由压磁元件，弹性机架，基座和传力钢球等组成。

二、扭矩传感器

1、电阻应变式扭矩传感器的工作原理是在轴类零件受扭矩作用时，在其表面产生切应变，此应变可用电阻应变片测量。（集流环按工作原理分类：电刷-滑环式、水银式、感应式。）

2、压磁式扭矩仪又叫磁弹式扭矩仪工作原理是根据磁弹效应，受扭矩作用的轴的导磁性发生相应变化，即磁导率发生变化，从而引起线圈的感抗变化，通过测量电路测量感抗的变化可确定扭矩。

3、电容式扭矩测量仪工作原理是利用机械结构，将轴受扭矩作用后的两端相对转角变化变换成电容器两极板之间的相对有效面积的变化，引起电容量的变化来测量扭矩。其最要优点是灵敏度高，测量时它需要集流装置传输信号。

4、光电式扭矩测量仪：这种扭矩传感器的工作转速为（100~800）r/min，测量精度为1%。

5、钢弦式扭矩传感器是将扭矩转换成钢弦固有频率变化进行工作。（优点：抗干扰能力强，允许导线长达几百米到几千米，测量精度可达±1%。）

三、压力式传感器

1、弹性式压力传感元件有：波登管、膜片和波纹管三类。

2、电量式压力计是用各种传感器或测量元件将压力变换成电量或电参数，再经后接相应的测量电路进一步变换，最后由显示或记录仪显示或记录下来，以实现压力测量的装置。常用的测压力系统所用的传感器有电容式，电感式，电阻式，涡流式，压电式。

（1）电容式压力传感器是将压力转换成电容的变化，经电路变换成电量输出。其特点是灵敏度高，适合测量微压，频响好，抗干扰能力较强。

（2）应变式压力传感器的工作原理是利用应变片将弹性元件在压力作用下产生的应变转换成电量的变化。应变式压力传感器体积小重量轻，精度高，测量范围宽，从几帕到500MPa，频响高，同时耐压，抗振，应用广泛。

（3）压阻式压力传感器是利用压阻效应将压力变换成电阻的变化实现压力测量。其特点是频响宽，动态响应快，测量范围从几Pa到三亿Pa，适用于爆炸，冲击压力的测量。

（4）电感式压力传感器是将压力变化转换成电感变化，通过测量电路再将电感变化转换成电量实现压力测量。其特点是频响低，使用于静态或变化缓慢压力的测试。

（5）涡流式压力传感器属于电感式压力传感器中的一种，它是利用涡流效应将压力变换成线圈阻抗的变化，再经测量电路转换成电量。它有良好的动态特性，适合在爆炸等极其恶劣的条件下工作，如测量冲击波。

（6）霍尔式压力传感器结构原理是波登管在压力作用下其末端产生位移，带动了霍尔元件在均匀梯度的磁场中运动。由于波登管的频响较低，适用于静态或变化缓慢压力的测量。（7）压电式压力传感器工作原理是压力通过膜片或活塞，压块作用在晶片上，晶片上是产生了电荷，经后接放大器的变换，由显示或记录仪器显示或记录，实现对压力的测量。其特点是具有频响宽，可测压力范围大，体积小，重量轻，安装方便，可测多向压力等特点，应用广泛，适用于测动态力和冲击力，但不适于测静态力。第四章速度、加速度传感器

一、速度传感器

1、测速发电机是机电一体化系统中用于测量和自动调节电机转速的一种传感器。它由绕组的定子和转子构成。

2、根据励磁电流的种类，测速发电机分为直流测速发电机（电磁式和永磁式两种）和交流测速发电机两类。

3、在实际应用中，机电一体化系统对测速发电机的主要要求有：①输出电压对转速应保持较精准的正比关系。②转动惯量要小。③灵敏度要高，即测速发电机的输出电压对转速的变化反应要灵敏。

(1)直流测速发电机是一种微型直流发电机。其工作原理是根据电磁感应原理，在恒定磁场中，旋转的电枢绕组切割磁通，并产生感应电动势，而后测速的发电机。

(2)空载时，直流测速发电机的输出电压和电枢感应电动势相等，因而输出电压与转速成正比。

负载时，测速发电机的输出电压应比空载时小，这是电阻rs（中枢绕组）的电压降造成的。

(3)直流测速电动机在理想情况下系数Ce和C与输出电压之间的关系：C=Ce/(1+Rs/Rl),Vcf=CeN/(1+Rs/Rl).（3）直流测速电动机产生误差的原因和改进方法？

①有负载时，电枢反映去磁作用的影响，使输出电压不再与转速成正比，遇到这种问题可以在定子磁极上安装补偿绕组，或使负载电阻大于规定值。②电刷接触降压的影响，这是因为电刷接触电阻是非线性的，即当电机转速较低，相应的电枢电流较小时接触电阻较大，从而使输出电压很小，只有当转速较高，电枢电流较大时，电刷压降才可以认为是常数，为了减小电刷接触压降的影响，即缩小不灵敏区，应采用接触压降较小的铜-石墨电极或铜电极，并在它与换向器相接触的表面上镀银。

③温度影响，这是因为励磁绕组中长期流过电流易发热，其电阻值也相应增大，从而使励磁电流减小的缘故，在实际使用中可在直流测速发电机的绕组回路中串联一个电阻值较大的附加电阻，在接到励磁电源上。

4、交流测速电动机可分为永磁式，感应式和脉冲式三种。交流测速电动机的工作原理是利用定子，转子齿槽相互的位置的变化，使输出绕组中的磁通产生脉冲，从而产生感应电动势，这种工作原理称为感应子式发电机原理。

5、线振动速度传感器的工作原理是当一个绕有N匝的线圈作垂直于磁场方向相对运动时，线圈切割磁力线，由法拉第电磁感应定律可得其线圈产生感应电动势。

6、陀螺式角速度传感器分为：转子陀螺、压电陀螺、激光陀螺、光纤陀螺。

（1）转子陀螺式角速度传感器是一种惯性传感器，安装简单，使用方便，但有机械活动部件，被测角速度范围±30°~120°/s，质量较大，成本高，寿命低。

（2）压电陀螺式利用压电晶体的压电效应工作，分：振梁型、双晶片型、圆管型。

（3）光纤陀螺式：具有无机械传动部件、无需预热时间、对加速度不敏感、动态范围宽、体积小、灵敏度高等优点。

7、霍尔式传感器的工作原理是利用霍尔元件组成的传感器，在被测物上粘有多对小磁钢，霍尔元件固定于小磁钢附近，当被测物转动时，每当一个小磁钢转过霍尔元件，霍尔元件输出一个相应的脉冲，测得单位时间内的脉冲个数，即可得被测物的转速和角速度。

8、电涡流式转速传感器的工作原理是在传感器靠近在被测物上设定的等距标记安装，当被测物转动时，传感器输出频率与转速成正比的信号。

9、半导体硅流速传感器的工作原理是依据发热体与放置发热体的流体介质的热导率与流体流速相关原理制成的。

二、加速度传感器

1、常用加速度传感器的种类有压电式，应变式，磁致伸缩式。

2、压电式加速度传感器的频率范围广、动态范围宽、灵敏度高，故应用较为广泛

压电加速度传感器的工作原理是利用压电陶瓷的压电效应可构成不同使用要求的振动加速度传感器来制作的。

常用的三种原理结构式压缩型，剪切型，弯曲型。其特点是它可以作得很小，重量很轻，对被测机构的影响就小，压电传感器的内阻抗很高，输出的能量很微小，要在接高输入阻抗的前置放大器。放大器有两种是电压放大器和电荷放大器。电荷放大器输出电压与电缆分布电容无关。一般加速度传感器的尺寸越大，其固有频率越低

3、应变式加速度传感器的工作原理是经过质量-弹簧惯性系统将加速度转换为力，再将力作用于弹性元件，从而将力转换为应变，通过测量应变可以测量加速度。第五章视觉、触觉传感器

1：视觉传感器在机电一体化系统中的作用有三种：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：视觉传感器（以光电变换为基础）的组成及各组成环节的作用？(1)照明部：为了从被测物体得到光学信息而需要照明，是充分发挥传感器性能的重要条件。(2)接受部：由透镜和虑光片组成，具有聚成光学图像或抽出有效信息的功能。(3)光电转换部：将光学图像信息转换成电信号。

(4)扫描部：将二维图像的电信号转换为时间序列的一维信号。在机器人领域，几乎都是采用工业电视摄像机作为视觉传感器。

3：光电式摄像机是由接收部分，光电转换部分和扫描部分组成的二维视觉传感器。

4：固体半导体摄像机原理是由许多光电二极管组成阵列，作为摄像机的感光部分以代替光导摄像管。它是由摄像元件（CCD），信号处理电路，驱动电路和电源组成。摄像元件（CCD）是一种MOS行晶体开光集成电路。

5：二维CCD摄像元件的构成主要有隔行传送方式和帧传送方式两种。

6：激光式视觉传感器的原理是利用激光作为定向性高密度光源的视觉传感器构成的，这种传感器用作激光扫描器来识别商品上的条形码。

7：红外图像传感器原理是把波长（2~20）um的红外光图像变换成如同电视图像的时序扫描信号输出的传感器。它通常由红外敏感元件和电子扫描电路组成。8：人工视觉（机器视觉）：使用机器的自动化刀法实现类似人类视觉的功能。

人工视觉系统的硬件构成一般由图像输入，图像处理，图像存储和图像输出四个系统构成。各部件的用途是（1）图像输入是通过视觉传感器将对象物体变成二维或三维图像，再经光电变换将光信号变成电信号，通过扫描采样将图像分解成许多像素，再把表示各个像素信息的数据输入计算机进行图像处理。（2）图像处理是对获取的图像信息进行预处理（前处理），以滤去干扰，噪声，并作几何，色彩方面的校正，以提高信噪比。目的是改善图像质量，以利于进行图像识别。（3）图像存储是把表示图像各个像素的信息送到存储，以备调用。图像的信息量大。（4）图像输出分为两类：(一类是只要求瞬时知道处理结果，以及计算机用对话形式进行处理的显示终端，该类称为软拷贝。(另一类是可长时间保存结果，称为硬拷贝。9：物体图像信息的输入识别物体前先将物体的有关信息输入到计算机内。被输入的信息主要有明亮度信息，颜色信息和距离信息。10：图像处理的方法有微分法和区域法。

10：接触觉传感器最早是微动开关。它工作范围宽，不受电，磁干扰，简单，易掌握，成本低，但响应速度低，动作压力高。原理：它们都是通过在一定接触力下，切换通—断状态，输出高或低的电平信号，以表示是否发生接触。

11：硅橡胶触觉传感器的工作原理是硅橡胶与金属电极对置，接触，硅橡胶受压其电阻值就改变，当金属电极受力压硅橡胶时，输出电压相应变化。12：压觉传感器定义通过高密度配置这种传感器，可以获得同物体接触时各部分不同的压力，将该压力变换成相应处的电压信号，可以获得关于物体形状的信息。特点：动作准确，精度高，缺点是体积大，不能高密度配置。13：滑动觉传感器应用于工业机器人手指把持面与操作对象之间的相对运动，以实现实时控制指部的夹紧力。第六章温度传感器

1：温度代表物质的冷热程度，是物体内部分子运动剧烈程度的标志。测量温度的方法有接触式和非接触式。

2：接触式的特点是感温元件与被测对象直接物理接触，进行热传导。

3：非接触式的特点是感温元件与被测对象不物理接触，而是通过热辐射进行热传递。4：热电偶式温度传感器属于接触式热电动势型传感器，它的工作原理是热电效应。热点效应：当两种不同金属导体两端相互紧密地连接在一起组成一个闭合电路时，由于两个接触点温度T'和T0不同，回路中将产生热电动势，并有电流通过，这种把热能转换成电能的现象称为热电效应。

5：热电动势由接触电动势和温差电动势组成。

6：接触电动势是由于两种不同导体的自由电子密度不同而在接触处形成的电动势。7：温差电动势是在同一根导体中由于两端温度不同而产生的电动势。中间导体定律：导体a，b组成的热电偶，当引入第三个导体时，只要保持其两端温度相同，则对总热电动势无影响，这一结论被称为中间导体定律

8：热电偶通常由热电极，绝缘材料，接线盒和保护套组成。9：热电偶可分为：（1）普通热电偶：主要用于测量液体和气体的温度。（2）铠装热电偶（缆式热电偶）：特点是测量结热容量小，热惯性小，动态响应快，挠性好，适用于普通热电偶不能测量的空间温度。

（3）薄膜热电偶：主要用于测量固体表面小面积瞬时变化的温度，特点是热容量小，时间常数小，反应速度快。

(4)并联热点偶：它是把几个同一型号的热电偶的同性电极参考端并联在一起。适用于测量平均温度。

(5)串联热电偶：（热电堆）

10：热电偶参考端电位补偿法有：恒温法，温度修正法，电桥补偿法，冷端补偿法，电位补偿法。

11：电位补偿法是在热电偶回路中接入一个自动补偿的电动势。12：热电阻式传感器可分为金属热电阻式和热敏电阻式。

13：金属热电阻式温度传感器是电阻体，电阻体是由金属导体构成的。

14：热电阻的结构主要由不同材料的电阻丝绕制而成，为了避免通过交流电时产生感抗，或有交变磁场时产生感应电动势，在绕制时采用双线无感绕制法。15：热敏电阻式温度传感器的感温元件是对温度非常敏感的热敏电阻，所用材料是陶瓷半导体，其导电性取决于电子-空穴的浓度。其特点是热敏电阻的温度系数比金属热电阻大，体积小，重量轻，很适用于小空间温度测量，它的热惯性小，反应速度快，适用于测量快速变化的温度。

16：非接触式温度传感器采用热辐射和光电检测的方法。其工作机理是当物体受热后，电子运动的动能增加，有一部分热能转变为辐射能量的多少与物体的温度有关，当温度较低时，辐射能力很弱；当温度较高时，辐射能力很强。17：非接触式温度传感器可分为全辐射式温度传感器，亮度式温度传感器和比色式温度传感器。18：全辐射温度传感器是利用物体的全光谱范围内总辐射能量与温度的关系测量温度。特点是适用于远距离，不能直接接触的高温物体，其范围是（100~2000度）19：亮度式温度传感器利用物体的单色辐射亮度随温度变化的原理，并以被测物体光谱的一个狭窄区域内的亮度与标准辐射体亮度进行比较来测量温度。特点是量程较宽，有较高的测量精度，一般用于测量（700~3200度）范围的浇铸。轧钢，锻压，热处理时的温度。20：比色温度传感器以测量两个波长的辐射亮度之比为基础。特点是用于连续自动检测钢水，铁水，炉渣和表面没有覆盖物的高温物体温度，其量程为（800~2000）度，测量精度为0.5%。它的优点是反应速度快，测量范围宽，测量温度接近于实际值。21：半导体温度传感器以半导体P-N结的温度特性为理论基础的。是利用晶体二极管与晶体三极管为感温元件。采用半导体二极管作温度传感器，有简单，价廉的优点，用它可制成半导体温度计，测量范围在（0~50）度。用晶体三极管制成的温度传感器测量精度高，测量范围较宽在（-50~150）度之间，因而用于工业，医疗等领域的测量仪器或系统。都还有很好的长期稳定性

第七章气敏、湿度、水份传感器

一、气敏传感器

1：气敏传感器是一种将检测到的气体成分和浓度转换为电信号的传感器。2：气敏元件的工作机理是吸附效应。半导瓷气敏电阻值将随吸附气体的数量和种类而改变。3：如果材料的功函数大于吸附分子的离解能，吸附分子将向材料释放电子而成为正离子吸附。氧气和氮氧化合物倾向于负离子吸附，称为氧化型气体。

4：氢气，CO碳氢化合物和酒类倾向于正离子吸附，称为还原型气体。

5：半导瓷气敏元件与半导体单晶体相比，具有工艺简单，使用方便，价格便宜，对气体浓度变化响应快，即使在低浓度下灵敏度也很高等优点，故可用于制作多种具有实用价值的气敏元件。其缺点是稳定性差，老化较快。

6：常用气敏元件的种类按其结构可分为：烧结型，薄膜型和厚膜型。7：（1）烧结型器件的一致性较差，机械强度也不高，但它价格便宜，工作寿命较长，应用广泛。（2）薄膜型气敏元件（如氧化锡，ZnO气敏性最好）为物理性附着系统，器件之间的性能差异仍较大。（3）厚膜气敏元件的一致性较好，机械强度高，适于批量生产。

8：气敏元件的几种应用实例有：①气敏电阻检漏报警器。②矿灯瓦斯报警器。③一氧化碳报警器。④煤气传感器。它可分为半导式和接触燃烧式。

二、湿度传感器

9：湿敏元件是利用湿敏材料吸收空气中的水份而导致本身电阻值发生变化的原理制成的。优点是灵敏度高，体积小，寿命长，可以进行遥测和集中控制。

10：湿度是指大气中所含的水蒸气量。最常用的两种方法是绝对湿度和相对湿度。11：绝对湿度是指一定大小空间中水蒸气的绝对含量。12：相对湿度是指为某一被测蒸气压与相同温度下饱和蒸气压比值的百分数，这是一个无量纲值。

13：氯化锂湿敏电阻式利用吸湿性盐类潮解，离子导电率发生变化而制成的测湿元件。14：负特性湿敏半导瓷是由于它们的电阻率随湿度的增加而下降。

15：正特性湿敏半导瓷是一类材料（Fe3O4半导瓷）的电阻率随着湿度的增加而增大。16：半导体陶瓷湿敏元件的材料，主要是不同类型的金属氧化物。

半导体湿敏元件具有较好的热稳定性，较强的抗沾污能力，能在恶劣，易污染的环境中测得准确的湿度数据，而且有响应快，使用温度范围宽（可在150度以下使用），可加热清洗。17：热敏电阻式湿敏元件特点和应用是：（1）灵敏度高且响应速度快，（2）滞后现象：（3）不像干湿球温度计需要水和纱布及其它维修保养：（4）可连续测量：（5）抗受风，油，尘埃能力强。应用：使用这种绝对湿度传感器的湿度调节，可制造出精密的恒湿槽。18：高分子膜湿敏元件它用于工业湿度计测中。19：高分子膜湿度传感器的工作原理是以随高分子膜吸收或放出水份儿引起电导率或电容变化测量环境相对湿度的装置。

20：电子湿度计的构成它由检测部分（有携带型，墙袋型和凸缘型三种传感器），数字显示器和变换器等构成。

21：高分子膜湿敏元年的主要用途是广泛用于湿度监视，记录和控制，尤其可用于普通湿度计难以测量的小于20%RH的湿度中，湿度计使用在超过90%RH的高湿度区域中会出现结露，结露时，湿度传感器在沾湿间歇不能测量，一旦沾湿现象消失，恢复原来特性。

22：结露传感器的优点是（1）实际使用时，传感器特性并不因表面的垃圾和尘埃以及其它气体的污染而受影响。（2）可以用于高湿状态。（3）具有快速开关特性，所以工作点变动小。（4）工作电路可用直流电压。

三、水份传感器

23：水份是存在于物质中水的数量，以百分比表示。该项指标是掌握物质保存状态和质量管理的指标。

24：水份传感器（水份计）有直流电阻型，高频电阻型，电容率型，气体介质，近红外型，中子型和核磁共振型。25：水份传感器的工作原理是利用了被测物质的电学性质，高分子物质的电阻R与其含水率M之间的关系，通过测定电阻值，就能测定水份含量。26：直流电阻式水份传感器的工作原理是利用微型计算机储存了温度修正以及各种试样水份与电阻值相关的特性，通过转换开关进行各种试样的水份测定。第八章传感检测系统的构成 一：电桥

1：传感检测系统的组成及其各环节的功能是：通常是由传感器，中间转换电路，微机接口电路，分析处理及控制显示电路等部分组成，分别完成信息的获取，转换，传输，分析处理，显示记录等功能。

2：电桥是把电阻，电感和电容等元件参数转换成电压或电流的一种测量电路。这种测量电路简单直接，而且精度和灵敏度都较高，在缉拿侧系统中应用较多。

3：按电源的不同电桥分为直流电桥和交流电桥。按电桥的工作方式可分为平衡电桥和不平衡电桥。按电桥被测电阻的接入方式可分单臂电桥和差动电桥。4：直流电桥是在电桥的输入端加入直流电源E。5：交流电桥是采用交流电源供电的电桥。

6：当用电桥进行测量时，可采用零测法和偏差测量法。

7：平衡状态的应用是基于零测法。利用热电阻传感器测量温度，应用的就是电桥的平衡状态。它一般适合于测量静态值。不平衡状态的应用基于偏差测量法。它既可以测量静态值又可以测量动态值，其测量精度受检流计的精度及电源稳定性的影响，但能满足实际测量的要求。

8：衡量电桥的工作特性质量的两项指标是电桥的灵敏度及电桥的非线性误差。9：电桥的灵敏度是指单位输入量时的输出变化量。

10：电桥调零是在测量时，由于是利用了电桥的不平衡输出反映被测量的变化情况，因此，测量前电桥的输出应调为零，称为电桥调零。

11：电桥调零通常采用串联调零和并联调零两种方法。串联调零电路，微调电位器Rw串联在桥路中，它多用在桥臂参数R值较大的场合。调零电位器的阻值Rw<

13：调解是指当直流信号被调制成交流信号后，若再将该交流信号还原成直流信号。常用的调制器是二极管调制器和三极管调制器。四：滤波器

14：滤波方式有无源滤波，有源滤波和数字滤波。

15：若检测系统中对滤波要求不太高，可以采用无源滤波器。无源滤波器电路简单缺点是带负载能力差。

16：一阶低通滤波器是指传递函数为一阶。它适用于精度要求不高的场合。高通滤波器是指RC电路具有高频信号容易通过并抑制低频信号的作用。

17：带通滤波器用于通过某一频段的信号，而将此频段以外的信号加以抑制或衰减。衡量带通滤波器的工作特性好坏的重要指标是品质因数，其定义为中心频率fo与通频带宽度B之比。在fo一定的条件下，Q越大通频带越窄，选择性越好。18：有源滤波器由运算放大器和RC网络组成。

19：有源滤波器与无源滤波器相比具有的优点是（1）有源滤波器不用电感线圈，因而在体积，重量，价格，线性等方面具有明显的优越性，便于集成化。（2）由于运算放大器输入阻抗高，输出阻抗低，可以提供良好的隔离性能，并可提供所需增益。（3）可以使低频截止频率达到很低范围。

20：一阶低通滤波器的缺点是对截止频率以外的信号衰减较慢，因此选择性差。二阶低通滤波器（R1=R2=R，C1=C2=C)能克服一阶低通滤波器的缺点。二阶高通滤波器可以克服一阶滤波器在w小于wo附近衰减慢的缺点。带通滤波器品质因数Q越大，通频带宽度越窄，则选择性越好，改变Rf或RF可以改变Q和B，不影响fo。带阻滤波器是抑制某个频率范围内的频率分量，使其衰减，而让此频带以外的频率顺利通过。

21：数字滤波方法有（1）限定最大偏差法，它最要用于变化比较缓慢的参数。（2）算术平均值法。适用于压力测量，流量测量。（3）加权平均滤波法。

22：模/数（A/D）转换是指将模拟量变为数字量。数/模（D/A）是指将数字量变为模拟量。23：数/模（D/A）转换器的技术指标是（1）分辨率：（2）精度：转换器的精度是指输出模拟电压的实际值与理想值之差。这种误差由参数电压的波动，运算放大器的零点漂移，模拟开关的压降以及电阻阻值的偏差引起的。（3）线性度。通常用非线性误差的大小表示数/模转换器的线性度。（4）输出电压（或电流）的建立时间。

24：模拟量、转换为数字量的方法很多，目前用的较多的是逐次逼近法。

25：多路模拟开关环节通常在微机控制的检测系统中，要采用多路信号，为了减少检测通道的设备，而使多个信号的采样共同使用一个模/数转换器，需将经过多路传感器转换后的信号采用分时法切换到模/数转换器上。

26由于多路模拟开关在接通时有一定的导通电阻，在某种情况下对信号的传递精度带来较大影响，一般可通用加大负载阻抗以减小其影响。

27：采样保持器的原理是模/数转换器在将模拟量转换成数字量的过程中需要一定的时间，这就要在模/数转换开始时将信号电平保持住，而在模/数转换结束后又能对输入信号进行采样。

28：为了使采样保持器达到一定的精度，需在它的输入级采用缓冲器，以减少信号源的输出阻抗，增加负载的输入阻抗。采样开关被接通的时间称为采样时间。七：传感器检测信号的细分与辨向原理

1：几何量测量中采用机械式细分、光学式细分和电子式细分等方法。

2：辨向原理：相位角不能是0o、180o、360o，否则会出现两路信号刚好相差整数周期或相位刚好想反。

3：四倍细分电路：又称直接细分。

29：按照干扰的来源可以分两类是系统内部的干扰和来自系统外部的干扰。30：产生内部干扰的因素有：信号通过公共电源，地线和传输线的阻抗相互耦合形成的干扰。31：外部干扰的因素有：外部高压电源因绝缘不良形成的漏电，广播电视，高频感应加热等，空间电磁波的辐射，周围机械振动和冲击的影响等。

32：形成干扰的三个条件是：干扰源，干扰的耦合通道，干扰的接收电路。33：抑制干扰的方法有：（1）接地：在测量系统中有四种接地系统：安全地，信号源地，数字信号地和模拟信号地。

（2）屏蔽：①静电屏蔽：其方法有两种(是用金属屏蔽罩罩住带静电的物体，并将屏蔽罩接地，使罩外空间不存在静电场(用屏蔽罩罩住测量电路，保证罩内部存在静电场。②低频磁感应屏蔽：其原理是使绝大部分磁通量经屏蔽体通过，选用导磁性能好的材料做屏蔽罩。③高频磁感应屏蔽：其对辐射电磁场屏蔽。（3）隔离：变压器隔离电路和光电耦合电路。（4）滤波：①电源滤波②退耦滤波器③有源滤波④数字滤波

34：典型噪声干扰的抑制（1）设备启，停时产生的电火花干扰：消除这种干扰的方法通常是采用RC吸收电路，即将电阻R和电容C串联后并联到继电器触点或电源开关两端。（2）共模噪声：噪声电压或电流同时加到两信号上所产生的噪声称共模噪声。抑制这种干扰采用差分放大器，因为它几乎对共模噪声没有放大作用。（3）串扰：克服串扰的有效方法是将不同信号线分开，并且留有最大可能的空间隔离。

35：克服串扰在设计及组装检测系统时，应注意的问题是：（1）信号线，数据线，控制线尽可能分开，以避免不同类型的走线平行或靠近。（2）走线尽可能短，尽可能不在集成芯片之间走线。（3）电源线和地线要设计的尽量粗而短。（4）对于单稳态，多谐振荡器等易受电源影响的器件，要在近旁的电源-地线之间接入电容器进行去耦，易受干扰的器件要远离振荡器。

36：传感检测系统中的微机接口是将被测的模拟量，经过传感器，放大器，采样保持器，A/D转换后输入微型计算机。

37：传感检测系统中微机接口的基本方式是（1）开关量接口方式（2）数字量接口方式（3）模拟量接口方式。

38：ADC 与CPU的时间协调，其时间常数远比CPU的指令周期长。其控制方式有（1）延时等待式（2）中断式。（3）查询式。39：液晶显示器是一种低功耗器件，其液晶显示器的驱动方式由电极引线的选择方式确定一般有静态驱动和时分割驱动。40：为消除环境温度的影响，需要对传感器信号进行温度补偿，其补偿在计算机能力允许时，可采用计算机软件进行，也可采用硬件电路实现。利用计算机软件进行温度补偿时常用公式法和表格法。

第九章信号分析及其在测试中的应用

1：信号有静态信号与动态信号。静态信号是指其量值与时间无关的信号。动态信号是指其量值随时间变化的信号。

2：信号分为确定性信号与非确定性信号。

3：确定性信号是指能用明确的数字解析关系式或图表描述的信号。确定性信号分为周期信号和非周期信号。

4：周期信号是指若信号依一定的时间间隔T周而复始，则该信号为周期信号。实际上周期信号往往不是仅含一个正（余）弦的简单周期信号，但它们具有取值周期重复性的特征。5：非周期信号是指在时域内不按周期重复出现，但仍可用明确的数字关系式或图表描述的信号。

6：非确定性信号是指非周期性信号时域波形不确定，无法用确切的数字关系式描述，也不能准确预测未来的结果的信号。

7：模拟信号是指在某一自变量连续变化的间隔内，信号的数值连续，为模拟信号。8：离散信号是指自变量在某些不连续数值时，输出信号才具有确定值称为离散信号。9：数字信号是指如果将其各离散点的幅值也作离散化，以二进制编码表示。

10：信号均值Ux是指信号x（t）在整个时间坐标的积分平均，它表示信号中常值分量或直流分量。

11：信号的方差是指描述信号的(波动范围)，其正平方根бx=√б2x称为信号的标准差。12：信号的均方值描述信号的强度，表示信号的(平均功率)。13：信号的概率密度函数描述了信号的（指定幅值的取值机会）。

14：任意一个周期信号x（t）都可认为由两类基本信号组成一类是以ao描述的直流分量，一类是由许多正交的，幅值分别以an和bn描述的，频率各为基频整数倍的余弦和正弦分量的迭加而组成。

15：周期信号频谱的特点：（1）离散性：频谱谱线是离散的。（2）收敛性：谐波幅值总的趋势随谐波次数的增加而降低。（3）谐波性：谱线只出现在基频整数倍的频率处。16：非周期信号包括准周期信号和瞬态信号。准周期信号的特点是谱线离散，并无法确定其基频wo和谐频now，只有频率分量幅值大小而没有共同周期。

17：振动测试的目的是（1）检查机器运转时的振动特性，检验产品质量，为设计提供依据。（2）考核机器设备承受振动和冲击的能力及对系统的动态响应特征进行测试。（3）分析查明振动产生的原因，寻找振源，为减振和隔振措施提供资料。（4）对工作机器进行故障监控，避免重大事故发生。

18：振动测试的内容是（1）振动参数的测试：对振动的位移，幅值，频率，相位，波形等参数的测定。（2）物体结构参数的测试：对结构的固有频率，阻尼，刚性，振型等参数的测定。

19：按产生振动的原因可分为自由振动，强迫振动和自激振动；按振动系统结构参数特性可分为线性振动和非线性振动；按振动的规律可分确定性振动和随机振动。

20：振动的激励方式有（1）稳态正弦激振（2）随机激振（3）瞬态激振。常用的瞬态激振是①快速正弦扫描激振②脉冲激振③阶跃激振

21：激振器是对被测对象施加某种预定要求的激振力，从而激起被测对象振动的装置。22：电动式激振器按其磁场形成的方法是永磁式和励磁式。前者多用于小型激振器，后者用于较大型的激振器。它主要用于对被测对象作绝对激振。23：振动测试的方法有机械法，电测法和光学法。

24：电测法测振系统有（1）压电式测振系统：它是利用压电式加速度传感器直接测得振动加速度的测振系统。（2）磁电式测振系统：该系统用磁电式传感器吧振动速度转换成电压，经测振仪器进一步变换，再由指示仪器指出其振动值或用记录仪器记录出波形，或直接由数据处理装置进行需要的数据处理。（3）电参数测振系统：该系统采用电容式或电感式，电阻应变式，涡流式传感器吧振动参数转换成电容或电感，电阻，电抗等电参数变化进行测振的系统。其优点是传感器大多数为非接触式，且灵敏度较高，适于微小振动的旋转体测振。25：机械阻抗的倒数称为机械导纳。26：机械阻抗是复数，可写成幅值，相角或实部，虚部形式，也可用幅，相特性或奈奎斯特图表示。

27：功率谱密度函数，可用于工业设备工作状况的分析和故障诊断。第十章传感器在机电一体化系统中的应用

1：工业机器人的准确操作取决于对其自身状态，操作对象及作业环境的准确认识。

2：工业机器人常用的位置传感器有接触式微动开关，精密电位计，或非接触式光电开关，电涡流传感器。

3：机器人上常用的位移传感器有旋转变压器，差动变压器，感应同步器，电位计，光栅，磁栅，光电编码器。

4：机器人中使用速度传感器是实现机器人各关节的速度闭环控制。在用直流，交流伺服电动机作为机器人驱动元件时，一般采用测速发电机作为速度的检测器。

5：三坐标测量机由机械部分，计算机和三坐标机系统软件部分，测量系统，测量头及附件构成。按其性质分为机械式测量系统，光学式测量系统和电气式测量系统。6：三坐标测量机的测量头按测量的方法分为接触式和非接触式。

7：目前国内采用的传感器有电感式，橡皮管式，超声波式，雷达式及红外线式。