差动结构的优点

特点：差动结构不仅可以大大减少环境干扰量的影响，而且可以提高传感器的灵敏度和线性度

偏差/零位/微差法的应用

偏差法测量

定义：以检测仪表指针相对于刻度起始线的偏移量的大小来确定被测量的大小。

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零位法测量

被测量和已知标准量都作用在测量装置的平衡机构上，根据指零机构示值为零来确定测量装置达到平衡，此时被测量的量值就等于已知标准量的量值。

关键词:已知标准量、被测量、平衡机构

应用场景：天平称重、电位差计和平衡电桥（惠斯通电桥）

微差法测量

原理:用已知标准量的作用去抵消被测量的大部分作用(零位法体现)，再用偏差发来测量被测量与已知量的差值(偏差法体现)结合两者优点，测量精度高、反应快，适合实时控制参数的检测。

案例：不平衡电桥

格罗布斯准则（作业题）

步骤：

（1）计算所有测量值的算术平均值

（2）计算残差和

（3）由贝塞尔公式计算出样本的测量列标准差$\hat{\sigma }=\sqrt{{\sum }_{i=1}^n\frac{1}{n-1}{\nu }^2}$

（4）查表得到格罗布斯临界系数，然后计算格罗布斯鉴别值（系数*列标准差），对比每一个残余误差和鉴别值，每次只剔除并只能1个最大值。

用卡尺等精度测量某工件的厚度10次（卡尺测量的标准偏差未知），并确认测量已排除系统误差，测得值为：1.33，1.36，1.41，1.40，1.38，1.39，1.35，1.34，1.49，1.37mm。若取定置信概率p＝0.99，试用格拉布斯准则判断测量结果中是否存在坏值，若有坏值，则将坏值剔除后写出测量结果。若如坏值，直接写出测量结果。

最小二乘法

已知测量数据（x，y）

1. 已知直线的函数，然后通过该函数去计算那些x值对应的y。

2. 计算预测值y和测量值y的差值并求平方（残差平方和）。

3. 分别求残差平方和对几个参数的导数

自相关/互相关算法的应用（教材和课件案例）

自相关性分析

$$R_x(T)=\frac{1}{T}{\int }_0^{T}x(t)x(t+T)dt$$

反映了信号在时移中的相关性（意义）识别信号中是否含有周期成分和它的频率大小（作用）

应用：可以用来检测机械加工表面粗糙度，通过使用自相关函数。性质：提取出回转误差等周期性的故障源。

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互相关分析：

相关分析法的应用相关测速相关信号分析（注意教材和课件例题）。要会画相关函数曲线图，结合图说明设计原理。注意教材和课件例题

$$R_{xy}(T)=\underset{T\to \infty }{\lim }\frac{1}{T}{\int }_0^{T}x(t)y(t+T)dt$$

反映了两个信号在时移中的相关性（意义），频率相同的两个周期信号，互相关函数保留了原信号频率、幅值和相位差的信息（重要性质）。对于不同频率信号，其互相关系数为0

如下图对地下输油滚到漏损位置的探测，因为破损处像两侧发出的信号是一致的，只是在相位上存在误差，通过互相关函数，就可以将存在相位误差的这点信号筛选出来。

电子计数器测频法（作业题）

数字计数器测频法

测量原理：确定一个取样时间$T_B$，在该时间内对被测信号的脉冲累加计数(N)，根据$f_x=\frac{1}{T_A}=\frac{N}{T_B}$得到频率值。

测量速度与分辨力：闸门时间$T_B$为频率测量的采样时间，$T_B$愈大，测量时间愈长，但计数值N愈大，分辨力愈高。

测频法的误差：由于$T_B$不一定正好为被测信号周期，所以$T_B$和$N{T}_A$之间存在一定误差。其最大相对误差：

$$\frac{\Delta N}{N}=\pm \frac{1}{N}=\frac{T_A}{T_{\text{B}}}=\frac{f_B}{f_x}$$

被测频率越高，测频的相对误差越小。当被测频率很低时，要保证测量精度，就要增加时基$T_B$的长度，这样又会降低测量速度，因此，测频法不适合于测量低频信号。

因为对于低频信号，其周期大，则闸门取样时间存在于两个脉冲信号之间的概率越大，也就越会导致误差（自我理解）

数字计数器测周法

**测量原理：**在被测信号的周期$T_x$内，对晶体振荡器产生的标准周期$T_B$进行计数，则$T_x=N{T}_B$.其最大相对误差为

$$\frac{\Delta N}{N}=\pm \frac{1}{N}=\frac{T_B}{T_{\text{x}}}=\frac{f_x}{f_B}$$

测频法与测周法的比较

对于测频法，主要影响误差的就是那个被测信号的周期过大，然后测量范围刚好卡在两个周期之间，也就是适用于高频小周期信号；对于测周法，主要影响就是其周期太小，然后测量脉冲次数少，不够精确，也就是适用于低频大周期信号

作业题

电阻式传感器

电位器式传感器的应用（作业题）

电位器可直接用来测量位移/角位移。被测位移直接作用于电位器的电刷上，引起电位器输出电阻或输出电压发生变化。

非线性电位器（油量）

因为在油量设计时，液面的横截面积它是变化的，变化相同的高度，容量变化情况不是固定的，所以将表盘设置为非线性。

电阻应变片+柱梁轴膜测量电路（作业题）

电阻应变片将应变转换为电阻的变化量，再通过直流电桥、交流电桥等测量电路将电阻的变化再转换为电压或电流信号，经放大后用显示仪表实现被测量的测量

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电阻应变式传感器测量电路（全桥）

全桥接法**（相对桥臂变化相同，相邻桥臂变化相反）**，可以获得最大的输出，其灵敏度为单臂桥接法的4倍，为半桥的2倍，且非线性误差可忽略不计。电桥的输出电压为：

$$U_0=\frac{R_1{R}_3-R_2{R}_4}{\left(R_1+R_2\right)\left(R_3+R_4\right)}{U}_I$$

应变片布置和桥接方式

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交流电桥

若检测元件为阻抗元件，则必须使用交流不平衡电桥；若检测元件为纯电阻元件，则既可以采用直流不平衡电桥，也可以采用交流不平衡电桥。

调制与解调

被测量当需要远程传输的时候，通过交流电桥的调制与解调，解决微弱缓变信号的放大以及信号的传输问题（目的）。

调幅是将被测信号与一个高频正弦信号(载波)相乘，使载波信号的幅值随被测信号的变化而变化。

解调是将调幅波再次与载波相乘，然后通过低通滤波器滤除2倍频载波分量，即可恢复出被测信号的品偶信息。

动态电阻应变仪

相敏检波电路：不仅能反映出信号幅值的大小，还能反应出信号的相位。通过交流电桥的输出电压为交流电压，若采用一般的交流电压表测量，仅能反映幅值的大小，不能反映信号的相位。

交流电阻应变仪组成框图：

作业题

电涡流传感器的调幅电路及应用（作业题）

原理及分类

**工作原理：**当金属导体置于交变的磁场中时，导体内要产生感应电动势而形成电流，该电流的流线在导体内自动闭合，通常称之为电涡流。

线圈的等效阻抗与距离x，线圈激励电流的大小i和频率f、线圈的半径r、金属材质，金属磁导率有关。

特点：1.非接触测量；2.灵敏度高；3.不受油污等介质影响。

传感器的等效电感为：

当金属导体为软磁性材料时，金属导体靠近传感器线圈，L1增大，L2也增大，但L1增大的程度大于L2增大的程度，从总的结果来看，传感器线圈的等效电感L随着线圈与金属导体间的距离x减小而增大。

当金属导体为非磁性材料或硬磁材料时，金属导体靠近传感器线圈，L1不变，L2增大，从总的结果来看，传感器线圈的等效电感L随着线圈与金属导体间的距离x减小而减小。

对于硬磁性材料（非磁性），当导体靠近，其等效电感下降，则谐振频率变大，由下图，输出电压不断减小。对于软磁性，等效电感上升，频率下降，输出往左下降。

测量电路

调幅电路

调频电路

应用（趋肤效应）

$\delta$为渗透深度， $\delta =\sqrt{\frac{\rho }{\pi {\mu }_0{\mu }_{r}f}}$

高频反射式电涡流式传感器：激励电流频率>1MHz ，产生的涡流主要集中在导体表面。高频反射式涡流传感器多用于位移及与位移相关的厚度、振动等测量。

低频透射式电涡流式传感器：激励频率<音频(20kHz),产生的涡流可以进入导体内部。低频透射式涡流传感器多用于测定材料厚度，以及进行金属材料内部的探伤检测等。

电容式传感器的应用和设计要点（教材）

使用过程中需要注意必须考虑如环境温度、绝缘性能、电场边缘效应、寄生/分布电容等干扰因素的影响。

设计要点：

1）保证绝缘材料的绝缘性能

必须从选材、结构、加工工艺等方面来减小温度等误差和保证绝缘材料具有高的绝缘性能。

采用高的电源频率（如几kHz～几MHz），以降低电容式传感器的内阻抗，从而也相应地降低了对绝缘电阻的要求。

2）消除和减小边缘效应

应增大传感器的初始电容量$C_0$，即增大极板面积，减小极板间距。

3）消除和减小寄生电容的影响

消除寄生电容的方法：

1. 增加电容式传感器的原始电容值，减小寄生电容的影响

2. 注意传感器的接地和屏蔽，将电容式传感器放置在金属壳内，并将壳体于大地相连。

3. 整体屏蔽法：用一个统一金属罩屏蔽保护起来

电容式传感器的优缺点：

优点：

(1)测量范围大;

(2)灵敏度高;

(3)动态特性好，适合测量动态参数。

(4)能量损耗小。

(5)结构简单，环境适应性好，非接触式测量（高温、辐射等）。

缺点：输出阻抗高，负载能力差,电缆分布电容影响大。

应用：广泛应用在位移、压力、流量、液位等测试中。

压电式传感器

正压电效应：压电材料(例如石英晶体），在受到外力作用的时候，不仅几何尺寸会发生变化，而且内部会被极化，在晶体表面产生电荷；当外力去掉时，又重新回到原来的状态；当作用力方向改变时，电荷的极性也随着改变；

逆压电效应：如果将具有压电效应的物质置于电场中，其几何尺寸也发生变化，外电场撤离，变形也随着消失。

简而言之，正压电效应就是电能→机械能，逆压电效应就是机械能→电能。

电荷放大器的输出公式：

$$\begin{array}{l}{U}_{om}\approx -K{U}_{im}=\frac{-K{d}_{ij}}{C_a+C_c+C_i+(1+K)C_f}{F}_m\\ U_{om}\approx -\frac{{\mathrm{d}}_{ij}}{C_f}{F}_m\end{array}$$

（频率测量范围）在实际应用当中，为了增大输出值，压电传感器通常用两个或两个以上的晶体串联或并联：

前置放大器的作用：放大信号、阻抗变换

1. 放大传感器输出的微弱信号

2. 将传感器的高输出阻抗转换为低输出阻抗，即阻抗变换。

电压放大器和电荷放大器：

电压放大器的输出电压和灵敏度与电缆分布电容都有关，而电荷放大器的电缆分布电容变化不会影响传感器灵敏度及测量结果。

电荷放大器突出优点：电缆分布电容变化不会影响传感器灵敏度及测量结果（不受分布电缆电容影响）

应用：1.车辆振动2.压电式加速度记3.压电打火机4.超声波振动（逆压电）

应用特点：

光电式传感器

光电效应

外光电效应：在光的照射下，材料中的电子逸出表面的现象。

内光电效应：在光的照射下材料的电阻率发生改变的现象。

• 光电导效应：光照后电阻率发生变化的现象，光敏电阻

• 光生伏特效应：半导体材料P-N结受到光照后产生一定方向的电动势。光电池

脉冲测距仪、光纤传感器

应用特点

光电式传感器具有非接触、高精度、高分辨率、高抗干扰、高可靠性和响应快等优点，应用广泛。

光纤传感器

特点：灵敏度高、频带宽、动态测量范围大、抗干扰能力强、耐高温、体积小。

应用：由于流体流动而使光纤发生机械变形，从而使光纤中传播的各模式光强出现强弱变化，其振幅的变化与流速成正比.

红外及辐射式传感器

红外测温仪的结构框图及各模块的功能，红外空间滤波原理。红外热波探伤的特点。

传感器：接受物体辐射出的红外线并使之转换为电压信号。热释电传感器只能对变化的热源作出反应，也就是说它们的探测对象应是一个超低频红外辐射源。

传感器输出的信号需经放大器放大、滤波器滤波（把高于7Hz的信号滤掉），使得输出电压与温度基本成线性关系，

当在上半区域，穿过全透区和不透区域，则会出现脉冲波形。下方半透区，为恒定直线。

空间滤波的概念

前置放大器：阻抗变换、信号放大；调制器：将恒定或缓变的红外辐射变换为交变辐射、空间滤波。

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红外热波探伤特点：

针对各类试件选择不同特性的热源进行正弦、周期、脉冲、直流等函数类型的加热，在计算机控制下进行时序热波信号探测和数据采集。

主动式探伤、需要加热源、需要红外成像。

超声波传感器

1. 测量液位和物位（注意传感器安装位置）

2. 超声波探伤（可检测内部几米深的缺陷，这是x光探伤达不到的深度A型）

3. B超超声波成像

4. 用于清洗

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温度传感器

热敏电阻：

PTC、CTR两种热敏电阻随温度变化电阻都是存在剧变型的，适合作于温度保护开关。

热电脑和热电阻的测温原理，要会查分度表（注意作业）

热阻式：利用金属导体或半导体的电阻值随温度变化的性质，将电阻值的变化转化为带你信号，通过测量电路检测电信号从而达到效果。

热电阻测温，用电桥作为测量电路，采用三或四线制接法的主要目的是：减小热电阻引出线和连线导线电阻的影响

热电阻温度计算

先在分度表读取两个相差最近的温度值，通过线性函数，计算每升高1欧姆，温度变化值，从而求出结果。

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热电偶：

均值导体定律：若组成热电偶的两热电极为均质导体，则热电偶回路热电势的大小只与两热电极的材料和两结点的温度有关，而与热电极的形状、尺寸及沿热电极的温度分布无关

中间导体定律：在热电偶回路中接入第三种材料的导体，只要其两端的温度相等，该导体的接入就不会影响热电偶回路的总热电势

补偿导线法的实质是利用补偿导线将热电偶的冷端进行延伸，使热电偶的冷端从温度波动的地方延伸到温度恒定的地方

热电偶测温：

光栅传感器和流量传感器

各类流量计的工作原理和适用场合，结合课件学习

光栅的工作原理、细分电路、测量

电磁流量计：能够测量酸、碱、盐溶液以及含有固体颗粒（例如泥浆）或纤维液体的流量

差压式流量计：与伯努利有关。

涡轮流量计：根据涡轮的旋转速度随流量变化的原理来测量流量。电磁感应装置输出的脉冲数与流量成正比。应用：可用以测量气体、液体流量，但要求被测介质洁净，并且不适用于对粘度大的液体测量，其测量精度在流量较大时比较高。

涡街流量计：输出信号为脉冲频率信号，与卡门有关。应用：旋涡流量计的输出信号是与流量成正比的脉冲频率信号，可以远距离传输，而且输出信号与流体的温度、压力、密度、成分、粘度等参数无关。该流量计量程比宽，结构简单，无运动件，具有测量精度高、应用范围广、使用寿命长等特点。

超声波流量计：非接触测量，不受介质导电性、腐蚀度、粘稠度影响。

光栅位移传感器的测量分辨率取决于：栅线密度、细分技术

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科学家

斯蒂芬-玻尔兹曼：红外辐射的基本定律

莫尔：根据莫尔条纹原理制成光栅传感器

菲涅尔：热释电传感器

卡门：涡街流量计

伯努利：差压式流量计

托里奥利：气压计