第一章 检测技术基础

检测技术的基本概念

测量

• 作用：获得各种物理量和描述物理过程的唯一手段
• 定义：将被测量的量与同性质的标准量进行比较，确定被测量对标准量的倍数

静态/动态测量

被测量不随时间变化或缓慢变化的测量叫静态测量
随时间变化迅速的叫动态测量

直接/间接测量

• 直接测量：测量结果能直接用预先标定好的测量仪器、器具的读数装置上获取的测量
• 间接测量：对多个被测量进行标定，经过计算求得被测量的测量

接触/非接触

在线/离线

在生产线上/不在生产线上

传感器的分类

按转换原理分类

• 结构型：机械构件在xx的作用下形变、位移，变化的参数转变成电阻、电感等物理量
• 物性型：利用材料的物理/化学特性转换
• 复合型：上述二者组合而成

输出信号形式分类

开关式、模拟式、数字式

输入和输出特性分类

线性/非线性

能量转换方式

• 有源型（能量转换型/发电型）：非电量直接转换成电压量，电流量等，如磁电式、压电式、光电池、热电偶
• 无源型（能量控制型/参数型）：非电量变成电压电阻电感等

传感器的静态特性

线性度

传感器的输出与输入之间数量关系的线性程度

灵敏度

传感器在稳态输出下输出变化量与输入变化量的比值

分辨力

传感器在规定范围内检测被测量的最小变化量的能力

迟滞

正向特性（输入量++）与反向特性（输入量--）之间输入-输出特性曲线不重合的现象叫迟滞

重复性

输入量统一方向作全量程多次变化，曲线不一致的程度

稳定性与漂移

• 稳定性：一定工作条件下，输入信号不变时，输出信号时漂或温漂的程度
• 时漂
• 温漂

传感器的动态特性

动态特性指传感器随时间变化的输入量的响应特性

误差与处理

误差的基本概念

定义：测量结果与真值的差异
$$\Delta x = x - A_0$$ （测量误差=测量值-真值）

• 理论真值：理论上存在、计算推导 三角形内角和180度
• 约定真值：国际上认定的最高基准值
• 相对真值（测量中用的最广泛）：高一级精度的仪器测量的结果当最近似真值

误差的分类

按误差的表示方法分类

• 绝对误差：测量值与真值的差值
• 相对误差（通常使用）：
  • 实际相对误差：绝对误差与真值的百分比$$\gamma_\alpha = \frac{\Delta}{A_0}100\%$$
  • 示值相对误差：绝对误差与测量值的百分比$$\gamma_\alpha = \frac{\Delta}{A_x}100\%$$

按误差出现的规律分类

• 系统误差：系统缺陷或环境导致的
• 随机误差（偶然误差）：误差不定或不可预测的
• 粗大误差：某些过失引起的

按误差来源分类

• 仪器误差（装置误差）：仪器设计不完善/使用老化等
• 影响误差（环境误差）：环境因素
• 理论误差和方法误差：测量原理等的近似导致，如非线性较小当作线性处理
• 人身误差（使用误差）：测量人员的问题

按时间分类

• 静态误差
• 动态误差

第二章 温度传感器及应用

热电偶

热电偶有两个端：测量端，参考端

热电效应

两种不同的金属组成闭合回路，两个接触端温度不同则会产生热电势（赛贝克效应）

热电势

热电偶的温差电动势只与热电极的材料和两节点的温度有关，与几何尺寸无关
存在的条件

• 两种不同的金属组成热电偶
• 两端存在温度差

基本定律

• 均质导体定律
• 中间导体定律：热电偶回路中，若中间导体两端温度相同，接入对热电动势无影响
• 标准电极定律
  $$E_{AB}(T,T_0) = E_{AC}(T,T_0) + E_{CB}(T,T_0)$$
• 连接导体定律（工业上运用补偿导线进行温度测量的基础）
• 中间温度定律
  $$E_{AB}(T,T_0) = E_{AB}(T,T_n) + E_{AB}(T_n,T_0)$$

材料要求

• 较大的热电势
• 线性关系
• 较宽的温度范围、稳定的参数
• 电导率高、电阻温度系数小
• 易于复制、工艺简单、便宜

结构

• 普通热电偶
• 铠装热电偶
• 薄膜热电偶

热电阻

材料要求

• 电阻率高
• 其余的和热电偶差不多

热敏电阻

分为：

• 负温度系数（PTC）
• 正温度系数（NTC）

与热电阻差别

• 材料不同：热电阻是金属，热敏电阻式半导体
• 热敏电阻测温范围更大
• 热敏电阻精度更高

工作原理

半导体阻值随温度升高迅速降低

第三章 应变片式电阻

分为

• 金属电阻应变片
• 半导体应变片

工作原理

导体在外力作用下变形，电阻值发生变化（电阻应变效应）
优点：稳定性和温度特性好
缺点：灵敏度系数小

半导体应变片

利用压阻效应
优点：灵敏度高
缺点：温漂大，灵敏度非线性大

测量电路

• 半桥单臂：1应变片3电阻
• 半桥双臂
• 全桥四臂

温度特性

应用

第四章 电感式传感器

自感式传感器

原理：通过改变传感器磁路的总磁阻来改变传感器的电感量
由线圈、铁芯、衔铁组成

变间隙型自感传感器

灵敏度较高，非线性误差大，装配困难

变面积型自感传感器

灵敏度比前者小，线性较好，使用广泛

螺管型自感传感器

灵敏度较低，量程大，易生产，使用最广泛

差动式传感器

灵敏度式单线圈的两倍
线性度明显改善

互感式传感器

实质上是变压器

电涡流传感器

第五章 电容式传感器

变极距型电容式传感器

对于平板电容器，有电容量
$$C = \frac{\epsilon S}{d} = \frac{\epsilon_0 \epsilon_r S}{d}$$
其中，
$\epsilon$为电容极板的介电常数，
$\epsilon = \epsilon_0 \epsilon_r$
$\epsilon_0 = 8.8510^{-12}F/m$ ：真空介电常数
$\epsilon_r$为极板间介质相对介电常数
$S$为两极板所覆盖的有效面积
$d$为两极板之间的距离

变面积式电容传感器

分为两种：

• 线位移型
• 角位移型

对于同心圆筒型，初始电容量为
$$
C_0 = \frac{2\pi \epsilon_0 \epsilon_r l_0}{ln(R/r)}
$$
位移改变了 $l$

第六章 磁电式传感器

磁电式传感器是一种有源传感器，利用电磁感应原理将运动速度转换成感应电动势

磁电感应式传感器

原理

利用导体和磁场发生相对运动产生感应电动势
$$
e = -W \frac{d\Phi}{dt}
$$
其中， $\Phi$为磁通，$W$为线圈匝数

组成部分

• 磁路系统：它产生一个恒定的直流磁场，为了减小传感器体积，一般都采用永久磁铁
• 线圈：它与磁铁中的磁通相交产生感应电动势
• 运动机构：它感受被测体的运动使线圈磁通发生变化

恒磁通式

结构组成：由永久磁铁、线圈、弹簧、金属框架和外壳等组成
类型

• 动铁式：线圈不动，磁铁运动
• 动圈式：磁铁不动，线圈运动

工作原理：当壳体随被测振动体振动时，若振动频率远高于传感器固有频率，永久磁铁与线圈间的相对运动速度接近振动体振动速度，线圈切割磁力线产生感应电动势。

变磁通式

结构：线圈和永久磁铁固定不动，运动部分为动铁心（衔铁）
类型

• 衔铁上下振动结构：气隙磁阻变化引起磁通变化。
• 衔铁旋转结构：测量旋转体的角速度。

工作原理：动铁心运动使气隙和磁路磁阻变化，导致磁通变化，在线圈中产生感应电动势。

特性

非线性误差
原因：线圈电流产生附加磁场，叠加在永久磁铁工作磁场上，使气隙磁通变化，导致灵敏度随被测速度增大而降低，且运动方向不同时灵敏度不同。
补偿方法：加入补偿线圈，通入放大后的电流，产生交变磁通抵消线圈本身产生的交变磁通。
温度误差
原因：温度变化影响线圈电阻、磁感应强度等，导致灵敏度变化。
补偿方法：采用热磁分流器，其磁导率随温度升高显著下降，保持气隙工作磁通不变。

应用

• 磁电式振动速度传感器：动圈式恒定磁通型，由永久磁铁、线圈、阻尼环等组成，可测量振动速度，阻尼环起衰减固有振动和扩展频率响应范围的作用。
• 磁电式转速传感器：变磁通式，转子与定子齿槽相对时磁阻变化，线圈产生脉冲信号，转速 n=60f/Z（Z 为齿数，f 为脉冲频率）。
• 磁电式转矩传感器：转轴上固定两齿轮，承受转矩后两线圈输出信号产生相位差，相位差与扭转角成正比，可测量扭转矩。

霍尔传感器

原理

霍尔效应：恒定电流通过一金属薄片，并将薄片置于强磁场中，在金属薄片的另外两侧将产生与磁场强度成正比的电动势

应用

• 霍尔式电流传感器
• 霍尔式位移传感器
• 霍尔式转速传感器
• 霍尔式接近开关

习题

什么是检测技术?它有哪些研究内容?

检测技术是以研究检测系统中的信息提取,信息转换以及信息处理的理论和技术为主要内容的一门应用技术学科，

它的主要内容包括：测量原理、测量方法、测量系统、处理方法

什么是非电量的电测法?

运用物理的化学的或其他的原理性质和效应，通过传感器将某些载有工业信息的被测物理量转换便于传输、处理和测量的电量

检测技术的组成是什么?各组成部分的作用是什么?

由传感器、信号处理与数据处理装置以及记录或执行机构三大部分构成

传感器是一种把某种测量被测非电信号从被测物理量中检测出来并转化成电信号的测量装置

信号处理与数据处理装置能够将传感器输出的电量变换成具有一定功率的电压、电流或频率信号，然后对信号进行处理运算分析

记录显示装置的作用是将处理后的信号不失真的记录并显示出来

举例说明在生产与生活中哪些应用了检测技术?

数控机床系统

按照表现出来的规律,误差主要可分为哪几种?它们各有什么特点?它们与准确度和精密度的关系是什么?

可分为系统误差、随机误差、粗大误差

特点

系统误差：误差值恒定或按一定规律变化

随机误差：误差值不定且不可预测

粗大误差：测量值明显偏离实际值

系统误差有规律性，可以通过改进系统或引入修正值或补偿校正的方法减少或消除

随机误差可以通过多次测量取平均来减小

粗大误差应在处理中剔除

电阻应变片直接测量的量是什么?如何利用电阻应变片设计测力传感器和加速度传感器？

电阻应变片直接测量的量是应变，即物体在受力时产生的尺寸相对变化，通常用$\epsilon$表示$\epsilon = \frac{\Delta L}{L}$

设计测力传感器：将电阻应变片粘贴在弹性元件上，当弹性元件受力形变时，其上的应变片随之变形，导致应变片阻值发生变化，根据应变与电阻的关系，易求得在弹性元件上力的大小

设计加速度传感器：将应变片粘在悬臂梁自由端附近，悬臂梁的固定端与被测物体固定。当被测物体存在加速度a时，质量块由于惯性导致应变片发生形变，进而导致电阻值改变，通过测量电阻变化可推算a的大小

什么是金属的电阻应变效应?利用应变效应解释金属电阻应变片的工作原理。金属电阻应变片灵敏度系数的物理意义是什么?

金属的电阻应变效应：金属导体在外力作用下发生形变，其电阻值会随之变化，这一现象是金属的电阻应变效应

工作原理：应变片会随被粘贴物体的形变而形变，又会引发电阻值R的变化，通过测量电阻值变化量可得应变大小

灵敏度系数物理意义：金属应变片灵敏度系数K表示单位应变引起的电阻相对变化。

举例说明用应变片测量时为什么要进行温度补偿?常用的温度补偿方法有哪几种?

原因：温度变化会导致测量误差增大

方法：

• 桥路补偿法
• 应变片自补偿法

衔铁移动→气隙变化→磁路中磁阻改变→电感值变化

差动变压器式传感器的零点残余电压产生的原因是什么?如何减小和消除它的影响?

①电路原因：差动变压器次级绕组不可能完全对称，包括绕圈的匝数、线径，材质等存在差异，导致感应电动势不可完全抵消。此外初级、次级绕组的分布电容会产生寄生耦合

②磁性材料问题：磁导率不均匀，以及磁化曲线的非线性。当铁芯处于中间时，由于非线性会导致次级绕组的感应电动势产生差异从而形成残余电压

③电源因素：激励电源含高次谐波成分，也使输出产生零点残余电压

方法：提高绕组精度，保证对称性

选用磁性能优秀，磁导率均匀的磁性材料

对磁性材料进行热处理，改善其性能

采用串联、并联电阻、电容的方法使两个次级绕组感应电动势尽可能相等

什么是涡流效应?如何利用涡流效应进行位移测量?

涡流效应：当块状金属处于变化的磁场中，或在磁场中作切割力线运动时，导体内会产生一圈圈闭合的电流，这种电流像水中漩涡一样 故称电涡流

测位移方法：将一个通有交变电流的线圈靠近金属导体，线圈产生的交变磁场会在导体表面产生涡流，涡流产生的磁场又会反作用在线圈使线圈阻抗变化。将导体位移时，涡流大小与分布会随之变化，进而影响线圈阻抗，可由此推导位移大小

电涡流传感器常用的测量电路有几种?其测量原理是什么?各有什么特点?

①调幅电路原理：将电涡流传感器的线圈与电容组成 LC 并联谐振回路，该回路的谐振频率 f=1/2π√LC 。当电涡流传感器接近被测导体时，线圈等效电感 L 变化，导致谐振频率改变，进而使回路的输出电压幅值发生变化，通过检测输出电压幅值来测量位移等物理量

特点：电路结构相对简单，易于实现，但受电源电压波动、放大器增益变化等影响较大 精度相对有限

②调频电路：原理：电涡流传感器的线圈作为LC振荡器的一部分，当传感器接近被测导体时，线圈电感L变化，使振荡器的振荡频率f发生变化，即\(f = \frac{1}{2\pi\sqrt{LC}}\)，通过测量振荡频率的变化，来确定被测物理量。

特点：抗干扰能力强，线性度较好，但对电路的频率稳定性要求较高，电路相对复杂

③相位测量电路：原理：电涡流传感器线圈的阻抗变化会引起激励电流与感应电压之间相位差的变化，通过检测相位差的变化来反应被测物理量变化

特点：灵敏度高，能有效区分被测导体的材质等特性；但相位检测电路相对复杂、易受干扰影响

根据电容式传感器工作原理,可将其分为几种类型?每种类型各有什么特点?适用什么场合?

3 种

变极板间距的变极距型：特点是电容量与间距成反比 可以测位移量

变极板覆盖面积的变面积型：特点是电容量与面积成正比 可以测线位移与角位移

变介质电常数的变介质型：特点是不同介质的介电常数不同 可以改变介电常数实现对被测量的检测

如何改善单组式变极距式电容传感器的非线性?

①. 使传感器工作在一个小范围内

②. 采用差动式

什么是“霍尔效应”?一个霍尔元件在一定的电流控制下,其霍尔电势与哪些因素有关?

霍尔效应定义：当电流垂直于外磁场通过半导体薄片时，在薄片垂直于电流和磁场的方向上，产生电势差，这种现象被称为霍尔效应

相关因素：磁场强度 ，霍尔元件灵敏度系数，控制电流

何谓压电效应?正压电效应传感器能否测直流信号?为什么?

① 压电效应：某些特定材料（石英，压电陶瓷）在机械应力作用下产生电荷（正压电效应）或在外加电场下产生形变（逆压电效应）

不能 原因：①电荷泄露：内部电阻：压电材料非理想绝缘，电荷会泄露

外部电路：测量电路的输入阻抗有限，电荷通过外部回路放电

结果：直流（静态）信号下，电荷无法保持，输出电压衰减为0

② 工作原理限制：压电传感器传输是与应变变化率相关的电荷 \( V \propto \frac{dF}{dt} \)

只有动态力才有可测输出信号

静态（直流）力下 \( \frac{dF}{dt} = 0 \) 输出为0

③ 等效电路模型：压电传感器可等效为电荷源与电容并联

静态力产生电荷会通过并联电阻放电 \( \tau = RC \)

典型时间常数维持在毫秒至秒级，无法长时间输出

压电元件采用多片串联或并联的结构形式时,其输出的电荷、电压、电容的关系如何?它们分别适用于什么场合?

电荷（Q）：与单片相同

电压（V）：\( V_{总} = N \cdot V_{单} \)

电容（C）：\( C_{总} = \frac{C_{单}}{N} \)

适用：高电压低电流输出：高压发生器、高阻抗测量系统

并联：

电荷（Q）：\( Q_{总} = N \cdot Q_{单} \)

电压（V）：\( V_{总} = V_{单} \)

电容（C）：\( C_{总} = N \cdot C_{单} \)

适用：大电荷低电压输出：高灵敏度传感器、能量采集、低阻抗负载驱动

压电式传感器可测信号频率范围与哪些因素有关?

① 自身因素：(1). 压电材料的谐振频率：基频谐振 \( f_r \) 、反谐振 \( f_a \)

工作范围一般远低于 \( f_r \) （\( f < 0.2f_r \) ）保证线性响应

谐振区应用：用于谐振式传感器 则工作在 \( f_a \) 附近

(2). 机械结构刚度与质量

(3). 压电元件的电容（\( C_p \) ），电容越小，高频响应越大

② 测量电路因素：(1). 前置放大器类型：

电压放大器：\( f_H = \frac{1}{2\pi R_i (C_i + C_c)} \)

电荷放大器：\( f_H = \frac{1}{2\pi R_f C_f} \)

光电效应有哪几种?与之对应的光电元件有哪些?请简述各光电元件的优缺点

外光电效应：光子能量让电子从材料表面逸出

光电管；光电倍增管

内光电效应：光照改变材料电阻率

光敏电阻

光生伏特效应：PN 结内建电场分离光生电子 - 空穴对 产生电压

光敏二（三）极管 太阳能电池

试述光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管和光电池的工作原理。在实际应用时各有什么特点?

光敏电阻：基于内光电效应，光照改变半导体材料的电阻率。当光子能量大于半导体禁带宽度时，电子被激发，电阻降低

应用：光照强度检测、低成本开关

光敏二极管：利用 PN 结光电效应，光子在 PN 结耗尽区产生电子 - 空穴对，在反向偏压（或零偏压）下产生光电流

应用：高速光通信、非接触式测量、红外遥控接收

光敏三极管：相当于光敏二极管 + 三极管放大：光生电流被放大，β 倍输出更大

应用：光电开关、简单光控电路

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