自动检与转换技术复习题

1.测量是借助专门的技术和仪表设备,采用一定的方法取得某一客观事物定量数据资料的过程。

2.绝对误差：被测量值Ax与真值A0之间总是存在着一个差值，这种差值称为绝对误差，用Δ表示： Δ=Ax－Ａ0 3.相对误差及准确度等级 示值相对误差： xΔ100%Ax

Δ100%引用误差γm（也称满度相对误差）： mAm

Δ准确度等级S Sm100Am

我国的工业模拟仪表有下列常用的7种等级：0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5、5.0。 例 某压力表准确度为2.5级,量程为0～1.5MPa，求: 1）可能出现的最大满度相对误差γm。

2）可能出现的最大绝对误差Δm为多少千帕？

3）测量结果显示为0.70MPa时，可能出现的最大示值相对误差γx。

解: 1）可能出现的最大满度相对误差可以从准确度等级直接得到，即γm＝25%。

2）Δm＝γmAm＝25％1.5MPa＝0.0375MPa＝37.5kPa

Δm0.0375100%100%5.36%3） x

Ax0.70

测量误差的分类

1.粗大误差：超出在规定条件下预计的误差，或明显偏离真值的误差称为粗大误差，也叫过失误差、疏忽误差或粗差。粗大误差主要是由于测量人员的粗心大意及电子测量仪器受到突然而强大的干扰所引起的。

2.系统误差：在重复性条件下，对同一被测量进行无限多次测量所得结果的平均值与被测量的真值之差，称为系统误差。

凡误差的数值固定或按一定规律变化者，多属于系统误差。

系统误差是有规律性的,因此可以通过实验的方法或引入修正值的方法计算修正,也可以重新调整测量仪表的有关部件予以消除

3.随机误差：测量结果与在重复条件下,对同一被测量进行无限多次测量所得结果的平均值之差称为随机误差。（增加测量次数）

4.动态误差 ：当被测量随时间迅速变化时，系统的输出量在时间上不能与被测量的变化精确吻合，这种误差称为动态误差。

传感器的组成：敏感元件、传感元件及测量转换电路三部分组成。

测量转换电路的作用是将传感元件输出的电参量转换成易于处理的电压、电流或频率量。

1

传感器基本特性

1.灵敏度：指传感器在稳态下输出变化值与输入变化值之比，用K 来表示：

对线性传感器而言，灵敏度为一常数；对非线性传感器而言，灵敏度随输入量的变化而变化。曲线越陡，灵敏度越高

2.分辨力：指传感器能检出被测信号的最小变化量。当被测量的变化小于分辨力时，传感器对输入量的变化无任何反应。

3.分辨率：将分辨力除以仪表的满量程就是仪表的分辨率，分辨率常以百分比或几分之一表示，是量纲为1的数。

第二章 电阻应变传感器

1.导体或半导体材料在外界力的作用下，会产生机械变形，其电阻值也将随着发生变化，这种现象称为应变效应

2.电阻应变传感器主要由电阻应变片、弹性元件及测量转换电桥电路等组成。 3.应变片可分为金属应变片及半导体应变片两大类。前者可分成金属丝式、箔式、薄膜式等。后者电阻率随应力的变化而变化。

4.电桥平衡的条件是：上下两个桥臂的左右桥臂的电阻比例相等。

URR2R3R4

Uoi(1) 2-3 4R1R2R3R4

例：用某荷重传感器称重。当桥路电压Ui为6V时，测得桥路的输出电压Uo为8mV，求被测荷重为多少吨？F m=100103N，KF= 2mV/V 33UF10010810om F66.67103N6.8t3KFUi2106

测温热电阻传感器的分类

金属热电阻（热电阻）和半导体热电阻（热敏电阻） Pt25:铂热电阻在0度时的阻值25欧。

热敏电阻（NTC负温度系数,PTC正温度系数）

绝对湿度：大气的水气含量通常用大气中水分的密度来表示，

相对湿度：是空气的绝对湿度与同温度下饱和状态空气绝对湿度的比值，能准确说明空气

的干湿程度。

陶瓷湿敏电阻应采用交流供电。

2

第三章 电感传感器

1.电感传感器是利用线圈自感或互感系数的变化来实现非电量电测的一种装置。 2.自感式传感器（电感传感器）

互感量式传感器（差动变压器传感器） 3.

2 0

自感系数常用L来表示，简称自感或电感

自感的单位是亨利,简称亨,符号是H。常用的较小的单位有毫亨(mH)和微亨(μH) 自感传感器的数值多为mH数量级 当铁心的气隙较大时，磁路的磁阻Rm也较大，线圈的电感L及感抗XL 较小，所以电流I 较大。当铁心闭合时，气隙δ变小，磁阻变小，电感L变大，电流I减小。 4.差动电感传感器

5.新的仪表标准规定电流输出为4～20mA；电压输出为1～5V 不让信号占有0～4mA这一范围的原因，一方面是有利于判断线路故障（开路）或仪表故障；另一方面，这类一次仪表内部均采用微电流集成电路，总的耗电还不到4mA，因此还能利用0～4mA这一部分“本底电流”为一次仪表的内部电路提供工作电流，使一次仪表有可能成为“两线制仪表”。 6. 二线制仪表

所谓二线制仪表是指仪表与外界的联系只需两根导线。多数情况下，其中一根（红色）为+24V电源线，另一根（黑色）既作为电源负极引线，又作为信号传输线。在信号传输线的末端通过一只标准“负载电阻”（也称“取样电阻”）接地（也就是电源负极），就能将电流信号转变成电压信号。

NAL2

3

第四章 电涡流传感器（非接触式测量）

1.电涡流效应：根据法拉第电磁感应定律，金属导体置于变化的磁场中时，导体表面就会有感应电流产生。电流的流线在金属体内自行闭合，这种由电磁感应原理产生的旋涡状感应电流称为电涡流。这种现象称为电涡流效应。（被测物为导电性能较好的金属导体） 2.集肤效应：当100kHz～2MHz信号源产生的交变电压施加到电感线圈L1上时，就产生一次电流i1 ，在线圈周围产生交变磁场Φ。如果将线圈靠近一块金属导体，金属导体表面就fn60 产生电涡流i2。i2在金属导体的纵深方向并不是均匀分布的，而只集中在金属导体的表面，z这称为趋肤效应。

交变磁场的频率f 越高，电涡流的渗透深度就越浅，趋肤效应越严重。可以利用趋肤效应来控制非电量的检测深度。 高频：反射式100kHz～1MHz

低频：透射式十几钱赫兹到几百赫 3.被测体材料形状和大小对灵敏度的影响 线圈阻抗变化与金属导体的电导率，磁导率有关。对于非磁性材料，被测体的电导率越高，则灵敏度越高，但被测体是磁性材料时，其导磁率将影响电涡流线圈的感抗，其磁滞损耗还将影响电涡流线圈的Q值。

被测物为圆状物体的平面时，物体的直径应大于线圈直径的2倍以上。 被测物为轴状圆柱体的圆弧表面时，它的直径必须为线圈直径的4倍以上。

一般情况下，只要厚度在0.2mm以上，在测量时，传感器线圈周围除被测导体外，应尽量避开其他导体，以免干扰高频磁场，引起线圈的附加损失。 4.转速测量

若转轴上开z 个槽(或齿)，频率计的读数为f（单位为Hz），则转轴的转速n（单位为r/min）的计算公式为 n=60f/z 镀层厚度测量

由于存在集肤效应，镀层或箔层越薄，电涡流越小。测量前，可先用电涡流测厚仪对标准厚度的镀层和铜箔作出“厚度-输出”电压的标定曲线，以便测量时对照。 电涡流表面探伤 5.接近开关

接近开关又称无触点行程开关

自感式，差动变压式 它只对导磁物体起作用。 电涡流式 它只对导电良好的金属起作用。

电容式 它对接地的金属或地电位的导电物体起作用。 霍尔式 它只对磁性物体起作用。

4

1.电容传感器的工作原理可以用平板电容器来说明。当忽略边缘效应时，其电容为

A0rA式中

C dd A——两极板相互遮盖的有效面积（m2）； d——两极板间的距离，也称为极距（m）； ε ——两极板间介质的介电常数（F/m）； εr——两极板间介质的相对介电常数； ε0——真空介电常数,ε0=8.8510-12(F/m) 2.a）差动变极距式 b）差动变面积式 1－动极板 2－定极板

差动电容传感器的灵敏度提高近一倍，线性也得到改善。外界的影响诸如温度、激励源电压、频率变化等也基本能相互抵消。电容传感器的非线性误差还可以进一步用计算机来计算修正 。

1-上面的电容特性 2-下面的电容特性 3-差动特性 线性好，灵敏度高

干的纸 2~4 纯净的水 80

3电容测厚仪：差动变极距式电容传感器 电容式油量表

当油箱中无油时，电容传感器的电容Cx 0为最小值。此时应使电桥输出为零。油量表调零过程如下：首先断开减速箱与RP的机械连接，将RP人为地调到零，即：电位器RP的滑动臂位于0点。此时R3=R4。再调节半可变电容C0，使C0=Cx 0，；此时，电桥满足：

1 2πfCCRXCx0R41CR XC0R32πfC

第五章 电容传感器

x004x0305

第六章 压电传感器

1.压电式传感器的特点：是一种自发电式传感器。它以某些电介质的压电效应为基础，在外力作用下，在电介质表面产生电荷，从而实现电量电测的目的。

压电传感元件是力敏感元件，它可以测量最终能变换为力的那些非电物理量，例如动态力、动态压力、振动加速度等，但不能用于静态参数的测量。 2.当晶体薄片受到压力时，晶格产生变形，表面产生电荷，电荷Q与所施加的力F成正比 ，这种现象称为压电效应 。

若在电介质的极化方向上施加交变电压，它就会产生机械变形。当去掉外加电场时，电介质的变形随之消失，这种现象称为逆压电效应（电致伸缩效应） 3石英晶体

石英晶体在20～200℃的范围内压电常数的变化量只有-0.0001/℃。还具有自振频率高、动态响应好、机械强度高、绝缘性能好、迟滞小、重复性好、线性范围宽等优点 压电陶瓷

比石英晶体的压电灵敏度高得多，而制造成本却较低，锆钛酸铅系列压电陶瓷（PZT） 高分子压电材料

聚偏二氟乙烯（PVF2或PVDF）

它是一种柔软的压电材料，可根据需要制成薄膜或电缆套管等形状。它不易破碎，具有防水性，可以大量连续拉制，制成较大面积或较长的尺度，价格便宜，频率响应范围较宽，测量动态范围可达80dB。

第七章 超声波传感器

1.次声波是频率低于20赫兹的声波，人耳听不到，但可与人体器官发生共振，8Hz左右的次声波会引起人的恐怖感，动作不协调，甚至导致心脏停止跳动。 可闻声波（20Hz~20kHz）美妙的音乐可使人陶醉。

频率高于20kHz的机械振动波称为超声波。指向性好，能量集中。

2.纵波（疏密波）纵波。在介质中传播时，波的传播方向与质点振动方向一致。在固体，液体，气体中传播。人讲话时产生的声波属于纵波。 横波也称“凹凸波”（剪切波），是介质粒子振动方向和波行进方向垂直的一种波。也称S波,若此波沿着x轴移动，则振动方向为与x轴垂直的方向上。只能在固体中传播。 表面波能量集中于表面附近的弹性波，横波声速的90%.

固体的横波声速约为纵波声速的一半，且与频率关系不大。表面波的声速约为横波声速的90%，表面波为慢波。温度越高，声速越慢。

3.声速取决于介质的弹性系数，介质的密度以及声阻抗。 声阻抗Z=pc 波长 指向性 sin1.22D材料 密度 声阻抗 纵波声速 横波声速 6

ρ/103kg·m-1 Z /MPa·s·m-1 cL/km·s-1 cS/km·s-1 钢 铜 铝 有机玻璃 甘油 水(20℃) 机油 空气 7.7 8.9 2.7 1.18 1.27 1.0 0.9 0.0012 460 420 170 32 24 14.8 12.8 4×10-3 5.9 4.7 6.3 2.7 1.9 1.48 1.4 0.34 3.2 2.2 3.1 1.20 — — — — 4.入射声压pi、反射声压pr、透射声压pd三者之间满足如下关系： p i+ pr = pd

反射声压pr与入射波声压pi之比称为声压反射率γ。 r21

i21

2Z2透射波声压pd与入射波声压pi之比称为声压透射率d： dpd piZ2Z1Z1——介质1的声阻抗；Z2——介质2的声阻抗

pZZpZZ

第八章 霍尔传感器

1霍尔效应:半导体薄片置于磁感应强度为B 的磁场中，磁场方向垂直于薄片，当有电流I 流过薄片时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势EH，导电薄膜越薄，灵敏度就越高。 2.作用在半导体薄片上的磁场强度B越强，霍尔电势也就越高。霍尔电势EH可用下式表示： EH=KH IB 磁场不垂直于霍尔元件时的霍尔电动势 EH=KHIBcos 3.性能参数

输入电阻Ri ：霍尔元件两激励电流端的直流电阻。温度升高，输入电阻变小。最好采用恒流源作为激励源。

输出电阻R0 ：两个霍尔电动势输出端之间的电阻。 最大激励电流IM :由于霍尔电势随激励电流增大而增大，故在应用中总希望选用较大的激励电流。但激励电流增大，霍尔元件的功耗增大，元件的温度升高，从而引起霍尔电势的温漂增大，因此每种型号的元件均规定了相应的最大激励电流，它的数值从几毫安至十几毫安

灵敏度Kh: EH=KH /(IB)单位为

不等位电动势：在额定激励电流下，当外加磁场为零时，霍尔元件输出端之间的开路电压。

7

是由于四个电极的几何尺寸不对称引起的。采用电桥法来补偿。 4.霍尔转速表

在被测转速的转轴上安装一个齿盘，也可选取机械系统中的一个齿轮，将线性型霍尔器件及磁路系统靠近齿盘。齿盘的转动使磁路的磁阻随气隙的改变而周期性地变化，霍尔器件输出的微小脉冲信号经隔直、放大、整形后可以确定被测物的转速

1.温度是表征物体的冷热程度的物理量。为了定量分析，要给给物体的冷热程度一个定量的描述。温标就是以此目的而建立的。

温标是温度数值化的标尺，它给出了温度数值化的一套规则和方法，并明确了温度的测量单位和温度起点。 2．摄氏温标（℃）、华氏温标（℉）、热力学温标(K)

热力学温标（K）热力学温标是建立在热力学第二定律基础上的最科学的温标，是由开尔文（Kelvin）根据热力学定律提来的，因此又称开氏温标。它的符号是T，单位是开尔文（K） 。 各种温标均有局限性，华氏温标和摄氏温标只能标定0℃～100℃ 的温度，而开氏温标的起点只是理论上存在，无法达到。 3.中间导体定律

若在热电偶回路中插入“中间导体”(A、B热电极之外的其他导体),只要中间导体两端温度相同,则对热电偶回路的总热电动势无影响 。

总的热电动势与C无关。同理，热电偶回路中插入多种导体（D、E、F……），只要保证插入的每种导体的两端温度相同，则对热电偶的热电动势也无影响。

利用热电偶来实际测温时，连接导线、显示仪表和接插件等均可看成是中间导体，只要保证这些中间导体两端的温度各自相同，则对热电偶的热电动势没有影响

4.分度表：就是热电偶自由端（冷端）温度为0度时，反应热电偶工作端（热端）温度与输出热电势之间的对应关系的表格。

直接从热电偶的分度表查温度与热电动势的关系时的约束条件是：自由端（冷端）温度必须为0℃。

5热电偶冷端的延长

用A‘、B’与A及B连接后，测温回路的总的热电势仅取决于A、B、T及T0（T0为新的自

第九章 热电偶传感器

8

由端，它是稳定的），而与A、A‘及B、B’连接处的温度Tn（中间温度，它是不稳定的）无关，在T0处测得的总的热电势与直接将热电偶延伸到T0无异。 6.热电偶的冷端温度补偿 必要性：

1. 用热电偶的分度表查毫伏数-温度时，必须满足t0=0℃的条件。在实际测温中，冷端温度常随环境温度而变化，这样t0不但不是0℃ ，而且也不恒定， 因此将产生误差。

2. 一般情况下，冷端温度高于0℃ ，热电动势总是偏小。应想办法消除或补偿热电偶的冷端损失 。

一、冷端恒温法：

将热电偶的冷端置于装有冰水混合物的恒温容器中，使冷端的温度保持在0℃不变。此法也称冰浴法，它消除了t0不等于0℃而引入的误差，由于冰融化较快，所以一般只适用于实验室中。 二、计算修正法

当热电偶的冷端温度t0 0℃时，由于热端与冷端的温差随冷端的变化而变化，所以测得的热电动势EAB(t,t0)与冷端为0℃时所测得的热电动势EAB(t,0℃)不等。若冷端温度高于0℃，则EAB(t,t0)例：K热电偶测温电路中，热电极 A、B直接焊接在钢板上，A '、B' 为补偿导线，Cu为铜导线，已知接线盒1 的温度t1=40℃，冰瓶中为冰水混合物，接线盒 3 的温度t3=20.0℃。

求：1）冰瓶的温度t 2；2）将热电极直接焊在钢板上是应用了热电偶的什么定律？3）当Ux=29.97mV时，估算被测点温度t x ；4）如果冰瓶中的冰完全融化，温度上升到与接线盒1的温度相同，此时的Ux减小到28.36mV，再求t x。

1）接线盒1 是热电极与补偿导线（延长导线）的接线位置，不影响测量结果，不必考虑t 1温度的大小和波动。

冰瓶的温度为:

0 ℃,是补偿导线（冷端）与铜导线的接线位置,所以可以直接查分度表。

4）如果冰瓶中的冰完全融化，温度上升到与接线盒1的温度相同，即：冷端温度不再是0 ℃，而为40 ℃。

此时的Ux=28.36mV，再求t x。

EAB(t,0℃)=EAB(t,40℃)+EAB(40℃,0℃) =(28.36+1.61)mV=29.97mV 反查K型热电的偶分度表， 仍然得到t x =720℃。

9

1.用光照射某一物体，可以看作物体受到一连串能量为hf （或hν）的光子的轰击，组成这物体的材料吸收光子能量而发生相应电效应的物理现象称为光电效应。

2.第一类：在光线的作用下能使电子逸出物体表面的现象称为外光电效应，基于外光电效应的光电元件有光电管、光电倍增管、光电摄像管等。

第二类：在光线的作用下能使物体的电阻率改变的现象称为内光电效应，也称为光电导效应。基于内光电效应的光电元件有光敏电阻、光敏二极管、光敏晶体管及光敏晶闸管等。

第三类：在光线的作用下，物体产生一定方向电动势的现象称为光生伏特效应，基于光生伏特效应的光电元件有光电池等。

第一类光电元件属于玻璃真空管元件，第二、三类属于半导体元件。 3.光敏电阻

暗电阻：置于室温、全暗条件下测得的稳定电阻值称为暗电阻，通常大于1MΩ。光敏电阻受温度影响甚大，温度上升，暗电阻减小，暗电流增大，灵敏度下降，

4，光电传感器的几种应用形式

a）被

测物是光源 b）被测物吸收部分光

c）被测物是有反射能力的表面 d）被测物遮蔽部分光

1－被测物 2－光电元件 3－恒光源

第十章 光电传感器

10