《电气测量与信号处理/传感器与检测技术》PPT课件 白永强 北京理工大学

 
课件内容： 
第一章 传感器的特性 
本章教学内容导读：本章讲述传感器的特性。内容上按照输入量是否随时间的变化，分为静态特性、动态特性。（1）传感器的静态特性包括线性度、迟滞、重复性、灵敏度、分辨率、阈值、稳定性、温度稳定性、静态误差和多种抗干扰能力。这些是传感器最基本的概念。学习中要清楚各项指标的内涵、线性度与拟合直线的关系、迟滞与重复性的区别、分辨率与灵敏度、精度的区别、静态误差的综合方法。（2）动态特性–传感器所检测的信号大多是时间的函数。为使传感器的输出信号和输入信号，随着时间变化的曲线相一致，要求传感器不仅具有良好的静态特性，还应该有良好的动态特性。常用用瞬态响应法或频率响应法来研究动态特性。这里学习中要清楚描述传感器动态特性的数学模型、在时域和频域分析动态特性时的主要特性指标是哪些。 
1.1 传感器单项静态特性 
1.2 传感器综合静态误差和动态特性 
第二章 电阻式传感器 
对于电位器式电阻传感器，主要学习内容是线性电位器、非线性电位器、负载特性与负载误差、结构与材料。这里学习重点是线性电位器传感器的阶梯特性和阶梯误差、负载误差计算方法、非线性电位器传感器的设计原理，以及制造中对结构、材料、工艺的相关要求。对于应变片式电阻传感器，主要学习内容是电阻应变片工作原理、金属应变片主要特性、温度误差及补偿、测量电路。这里学习重点是电阻应变效应原理、金属丝式与箔式应变片的各自技术特点、温度效应、温度效应的补偿方法、电桥原理。其中用于电阻测量的直流电桥又是一个学习要点，要掌握电桥平衡条件、非线性误差、单臂/双臂/四臂电桥的灵敏度，掌握灵活使用电桥测量应变片，补偿温度效应、提高灵敏度的方法。 
2.1 电位器式电阻传感器 
2.2 应变片式电阻传感器 
第三章 电感式传感器 
本章电感式传感器内容包括自感式传感器、差动变压器、涡流传感器等3中类型的传感器原理与应用方法。对于自感式传感器，主要学习内容是工作原理、灵敏度与非线性（变截面型灵敏度、变气隙型灵敏度、差动式传感器灵敏度）、等效电路、转换电路（调幅、调频、调相电路）、零点残余电压、特点及应用。本章开始通过自感式传感器典型结构的介绍，使得学习者了解电感传感器的基本原理。学习中要注意差动式和单边式构造和技术特点的区别、分析变极距自感式传感器非线性的方法、各种转换电路的设计原理。对于差动变压器，主要学习内容是工作原理、等效电路及其特性、差动变压器式传感器的测量电路、零点残余电压的补偿。学习中注意区分差动变压器与上一小节中差动式自感传感器的区别、学会分析影响差动式变压器灵敏度的因素。对于涡流传感器，主要学习内容是工作原理、转换电路、涡流式传感器的特点及应用。学习中掌握影响涡流效应的因素、清楚等效阻抗的概念、掌握谐振调幅法的原理。 
3.1 自感式传感器 
3.2 变压器式传感器 
3.3 涡流式传感器 
第四章 电容式传感器 
本章电容式传感器内容包括工作原理及类型、灵敏度及非线性、电容传感器的特性与等效电路、电容传感器的设计要点、测量电路，以及应用举例。对于工作原理及类型、灵敏度及非线性，学习中要重点掌握电容传感器的构造原理、非线性误差和灵敏度分析。对于电容传感器的特性与等效电路，学习中要重点掌握实际应用电容传感器时如何考虑输出阻抗、寄生电容、绝缘电阻、非线性等因素的影响。对于电容传感器的设计要点，学习中要重点掌握提高绝缘性能、消除和减小边缘效应、消除和减小寄生电容、防止和减小外界干扰等的方法。对于电容的测量电路，学习中要重点掌握两种脉冲型电路，即双T型充放电网络 、脉冲调宽型电路的设计原理和技术特点。 
4.1 电容传感器工作原理及类型 
4.2电容式传感器的灵敏度与非线性 
4.3 特性与等效电路 
4.4 设计要点 
4.5 转换电路 
4.6 应用举例 
第五章 磁电式传感器 
本章磁电式传感器内容包括磁电感应式传感器、霍尔传感器这两部分。也就是说用于传感器制作的磁电作用，主要是电磁感应现象和霍尔效应。磁电感应式传感器是利用变化的磁通，使闭合线圈产生感应电动势的输出来进行测量。霍尔式传感器是利用半导体材料在磁场中具有的霍尔效应，产生电动势的输出。对于磁电感应式传感器，学习中要重点掌握其工作原理和结构类型、动态特性分析、测量电路，以及应用。其中学习难点是绝对式振动速度传感器的力学模型、数学模型的建模方法，以及在此基础上进一步根据幅频、相频特性分析影响动态特性的因素。对于霍尔传感器，学习中要重点掌握霍尔效应和霍尔元件材料（不同材料对应的特性差异是什么？）、霍尔元件构造及测量电路、主要技术指标、补偿电路（主要影响因素是什么？常用的补偿方法设计原理）以及应用举例。 
5.1 磁电感应式传感器 
5.2 霍尔式传感器 
第六章 压电式传感器 
本章压电式传感器内容包括压电效应、压电材料、等效电路、测量电路，以及应用。对应压电效应，学习中要重点掌握石英晶体与压电陶瓷压电效应的机理以及各自特点、掌握压电方程与压电常数矩阵的物理含义。对于压电材料，学习中要重点掌握考量压电材料性能的主要指标组成。对于等效电路，学习中要重点掌握传感器视为电压源、电荷源的等效方法，外电路电阻、电容在等效电路中的组成。对于测量电路，学习中要重点掌握电压放大器、电荷放大器各自的工作原理和技术特点。对这两种测量电路都要掌握分析其频率响应特性的方法。对电压放大器，要分析放大电路前端输入电阻、输入电容、引线电容对灵敏度、下限截止频率的影响。对电荷放大器，要分析测量引线对测量误差的影响、运放反馈支路电阻和电容对下限截止频率的影响。最后应用举例中的测力传感器和加速度传感器是两种典型的压电传感器。学习中要重点掌握加速度传感器结构设计原理、加速度传感器的动态特性分析方法。 
6.1 压电效应 
6.2 压电材料 
6.3 等效电路 
6.4 测量电路 
6.5 应用举例 
第七章 光电式传感器 
本章光电式传感器内容主要包括光电效应、光电器件及其特性、光电式传感器的测量电路、光电传感器及其应用、光纤传感器。光电效应包括外光电效应、内光电效应、光生伏特效应。学习中要掌握各自原理和对应的光电器件。对于光电器件及其特性，学习中要重点掌握光电管和光电倍增管、光敏电阻、光敏二极管和光敏三极管、光电池等器件的结构、材料、技术特点（光谱特性、频率特性、主要性能参数）对于电式传感器的测量电路及应用，学习中要重点掌握电路的构造形式、设计要点（光电倍增管测量电路、射极耦合电路）、模拟式和脉冲式传感器对器件的灵敏度和频率特性不同要求。对于光纤传感器，学习中要重点掌握光导纤维结构、光纤传感器的调制技术分类、典型功能型与非功能型光纤传感器的构造原理。课程中介绍的新型光纤传感器，作为一般学习了解。 
7.1 光电效应 
7.2 光电器件及其特性 
7.3 光电传感器测量电路 
7.4 光电传感器及其应用 
7.5 光纤传感器 
第八章 热电式传感器 
本章热电式传感器，讨论关于温度的测量。内容包括金属材料制成的热电阻、半导体材料制成的热敏电阻、以及能够将温度的变化转换成电动势的热电偶。对于热电阻，学习中要重点掌握热电阻的材料及工作原理、测量电路（为什么采用四线制测量方法？）。对于热电偶，学习中要重点掌握热电效应、热电偶基本规律（3个定律对于工程应用的指导意义）、热电偶材料及常用热电偶（结构形式、标准热电偶的类型和各自技术特点）、热电偶测温电路、热电偶参考端处理方法（常用的冷端补偿方法）。对于热敏电阻，学习中要重点掌握热敏电阻主要特性（与热电阻、热电偶在特性和应用场合等方面的区别）、热敏电阻的特性线性化方法。 
8.1 热电阻 
8.2 热电偶 
8.3 热敏电阻 
第九章 大电流测量技术 
在本章大电流测量技术中，我们主要学习电磁式电流互感器工作原理、主要技术参数（包括额定电流比、准确度等级、额定容量、额定电压）、稳态误差分析、安装及使用、以及电子式电流互感器介绍。重点学习内容包括电流互感器基本工作原理、主要技术参数的定义与国家标准的相关规定、学习通过向量图分析电磁式电流互感器实际存在的比值误差和相角误差，在此基础上掌握在使用电流互感器时，如何采取措施减小比差、角差。掌握使用电磁式电流互感器时需要注意的问题和原理，如二次侧不允许开路等原因。 
9.1 电磁式电流互感器工作原理 
9.2主要技术参数 
9.3稳态误差分析 
9.4安装及使用 
9.5电子式电流互感器介绍 
第十章 高电压测量技术 
本章内容包括电磁式电压互感器的工作原理、主要技术参数（绕组的额定电压、准确度等级、额定负载）、稳态测量误差分析、安装及使用方法、以及电子式电压互感器介绍。重点掌握电压互感器基本工作原理、主要技术参数的定义与国家标准的相关规定、电压互感器稳态测量误差分析方法、利用电压互感器向量图中的几何关系推导比差和角差表达式的方法。掌握电磁式电压互感器的安装及使用时需要特别注意的问题和原理。 
10.1电磁式电压互感器的工作原理 
10.2主要技术参数 
10.3稳态测量误差分析 
10.4安装及使用方法 
10.5电子式电压互感器介绍 
第十一章 频率测量技术 
本章我们学习交流电频率和周期、以及相位的测量方法。在频率测量的学习中，掌握计数法测量频率的原理、相对误差、最大误差。在周期测量的学习中，掌握通样使用电子计数器进行测量，但区别与测频法的特征。掌握周期测量的相对误差、最大误差。掌握中介频率的概念。在相位测量的学习中，掌握电子计数器构成的数字式相位计组成原理、测量方法和误差组成。 
11.1频率和周期 
11.2相位的测量方法 
第十二章 交流电电压、电流、功率测量技术 
本章重点学习关于交流功率的测量，包括3方面的内容：单相交流功率的测量、三相交流有功功率的测量、以及三相交流无功功率的测量。在单相交流功率的测量中掌握使用电压表、电流表进行交流功率的间接测量，和使用功率表进行有功、无功功率的直接测量。在三相交流有功功率的测量中掌握使用单相功率表测量的“一表法”、采用两个功率表测量的“两表法”，以及“三表法”。在三相交流无功功率的测量中掌握：有功表跨相90°连接法和有功两表法。 
12.1单相交流功率的测量 
12.2三相交流有功功率的测量 
12.3三相交流无功功率的测量 
第十三章 仪器技术的发展 
通过本章的学习了解电气测量仪器仪表的发展过程，和沿着自动化、智能化、系统化方向的技术发展趋势。掌握测试仪表的分别和技术特点。掌握虚拟仪器的定义、技术特征以及与传统仪器的区别。 
13.1模拟指示仪表 
13.2测量仪器的发展 
13.3虚拟仪器