傳感器原理與應(yīng)用-復(fù)習(xí)思考題.doc

復(fù)習(xí)思考題一、填空題1、按能量角度分析，典型的傳感器構(gòu)成方法有三種，即自源型、帶激勵(lì)源型以及外源型，前兩者屬于能量轉(zhuǎn)換型，后者是能量控制型。2、將溫度轉(zhuǎn)換為電勢(shì)大小的熱電式傳感器是熱電偶傳感器，而將溫度變化轉(zhuǎn)換為電阻大小的熱電式傳感器是熱電阻（金屬材料）或熱敏電阻（半導(dǎo)體材料）。3、電感式傳感器也稱為變磁阻式傳感器，它是利用電磁感應(yīng)原理將被測(cè)物理量轉(zhuǎn)換成線圈 自感系數(shù)和互感系數(shù)的變化，再由測(cè)量電路轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化，從而實(shí)現(xiàn)非電量到電量的轉(zhuǎn)換。4、容柵傳感器實(shí)際上是多個(gè)差動(dòng)式變面積型電容傳感器的并聯(lián)，它具有誤差平均效應(yīng)，測(cè)量精度很高。5、熱電偶傳感器的工作基礎(chǔ)是熱電效應(yīng)，其產(chǎn)生的熱電勢(shì)包括接觸電勢(shì)和溫差電勢(shì)兩部分。熱電偶的中間導(dǎo)體（連接導(dǎo)體）定律是工業(yè)上運(yùn)用補(bǔ)償導(dǎo)線法進(jìn)行溫度補(bǔ)償?shù)睦碚摶A(chǔ)； 中間溫度定律為制定分度表奠定了理論基礎(chǔ)；根據(jù)中間導(dǎo)體定律，可允許采用任意的焊接方式來焊接熱電偶。6、用于制作壓電傳感器的常用壓電材料是石英晶體和壓電陶瓷。7、基于外光電效應(yīng)的器件有光電管和光電倍增管；基于內(nèi)光電效應(yīng)的器件有光敏電阻、光電池、光敏二極管和光敏晶體管等。二、選擇題: 1. 被測(cè)信號(hào)x(t)的最高頻率為fm時(shí)，采樣頻率fc至少為_C_,才能恢復(fù)原始波形，否則，會(huì)引起信號(hào)失真。 A 0.5fm B fm C 2fm2. 某傳感器的精度為2%FS，滿量程輸出為100mV，可能最大的誤差為_A_。 A 2 mV B 1 mV C 4 mV D 6 mV3. 傳感器在正、反行程中輸入輸出曲線不重合稱為_B_。 A 非線性誤差 B 遲滯 C 重復(fù)性 4. 一彈性式壓力傳感器在加壓過程和減壓過程中，輸入值相同，但傳感器的輸出卻不一致，這種現(xiàn)象稱為_C_。A 彈性元件的非線性 B 彈性后效 C 彈性滯后 D 彈性元件的不穩(wěn)定 5. 傳感器的輸出分辨率_D_輸入分辨率。 A 大于 B 等于 C 小于 D 不相關(guān)6. 傳感器能檢測(cè)到的最小輸入增量為_D_。 A 零點(diǎn)殘余 B 遲滯 C 誤差 D 分辨力7. 金屬應(yīng)變片利用了金屬材料的_A_。A 電阻應(yīng)變效應(yīng) B 壓阻效應(yīng) C 壓電效應(yīng)8. 半導(dǎo)體應(yīng)變片利用了金屬材料的_B_。A 電阻應(yīng)變效應(yīng) B 壓阻效應(yīng) C 壓電效應(yīng)9. 應(yīng)變式傳感器是一種_C_的測(cè)量裝置。A 只能測(cè)量應(yīng)變 B 只能測(cè)量電阻的相對(duì)變化 C 可以測(cè)量能轉(zhuǎn)化為應(yīng)變的被測(cè)量 D 可以測(cè)量所有的被測(cè)量10. 采用箔式應(yīng)變片是為了減小傳感器的_C_。A 原始阻值 B 最大工作電流 C 橫向效應(yīng)11. 直流電橋的平衡條件可以概括為_A_。A 對(duì)臂阻抗之積相等 B相鄰臂阻抗之和相等 C 相鄰臂阻抗之積相等 D對(duì)臂阻抗之和相等12. 電阻應(yīng)變片測(cè)量時(shí)采用補(bǔ)償片作溫度補(bǔ)償，對(duì)補(bǔ)償片的要求是_C_。A 與工作應(yīng)變片處在相同的應(yīng)變狀態(tài)下B 應(yīng)該遠(yuǎn)離工作應(yīng)變片C 與工作應(yīng)變片處在相同環(huán)境溫度下13. 應(yīng)變片采用半橋差動(dòng)測(cè)量線路時(shí)，電源電壓為Usr，其輸出電壓Usc為_B_。A Usc=Usr B Usc=Usr*R/(2*R) C Usc=Usr*R/(4*R)D Usc=Usr*R/R14.若差動(dòng)電感傳感器磁芯位移與輸出電壓有效值關(guān)系曲線在零點(diǎn)總有一個(gè)最小輸出電壓，稱為_A_。A 零點(diǎn)殘余電壓 B 參考電壓 C 測(cè)量信號(hào)電壓15. 常見的數(shù)顯游標(biāo)卡尺用_C_作為基準(zhǔn)器件。A 感應(yīng)同步器 B 光柵尺 C 容柵尺 4. 熱電阻溫度計(jì)采用三線制或四線制引線是為了? B A. 在測(cè)量時(shí)提高靈敏度 B. 在測(cè)量時(shí)消除引線電阻的影響 C. 消除接觸電動(dòng)勢(shì)的影響5. 霍耳傳感器的輸出與沿_A_方向的距離成反比。 A. 磁場(chǎng) B. 電流 C. 電壓6. 熱電偶溫度計(jì)采用冷端補(bǔ)償?shù)哪康氖菫榱薩C_ 。 A. 節(jié)省熱電偶的長(zhǎng)度 B. 避免使用補(bǔ)償導(dǎo)線 C. 可以直接使用分度表7. 補(bǔ)償導(dǎo)線的作用是為了_B_。 A. 補(bǔ)償冷端不在0的影響 B. 將冷端延伸至遠(yuǎn)離熱源且溫度恒定的地方 C. 節(jié)約熱電偶材料12. 光電倍增管的工作原理是_B_。 A. 熱電效應(yīng) B. 外光電效應(yīng) C. 內(nèi)光電效應(yīng)13. 電機(jī)軸上安裝一個(gè)10個(gè)齒的調(diào)制盤，當(dāng)電機(jī)以30的角速度轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，光電二極管的輸出信號(hào)頻率是_D_。 A 300Hz B 180 Hz C 450 Hz D 150 Hz14. 電機(jī)軸上安裝一個(gè)60個(gè)齒的調(diào)制盤，當(dāng)電機(jī)以15的角速度轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，光電二極管的輸出信號(hào)頻率是_C_。 A 900Hz B 60 Hz C 450 Hz D 15 Hz15. 裂相光柵四個(gè)部分的透射光的相位依次相差_C_。A B 2 C 0.5 D 0.25三、簡(jiǎn)述題1、 簡(jiǎn)述非線性誤差的定義。答：輸出-輸入校準(zhǔn)曲線與所選定的擬合直線之間的吻合（或偏離）程度的指標(biāo)。2、 舉例說明結(jié)構(gòu)型傳感器與物性型傳感器的區(qū)別。3、 簡(jiǎn)述壓電陶瓷的壓電機(jī)理。4、 簡(jiǎn)述應(yīng)變計(jì)橫向效應(yīng)的產(chǎn)生原因、橫向效應(yīng)系數(shù)的定義及減小橫向效應(yīng)的方法。5、 給出熱電偶傳感器冷端電橋補(bǔ)償法的結(jié)構(gòu)，并說明其原理。四、如圖所示的純彎試件，如何利用全橋測(cè)量提高靈敏度并實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償，畫出布片圖和電橋連接圖，推導(dǎo)輸出公式。 F 五、壓電式加速度傳感器的結(jié)構(gòu)如圖所示，假設(shè)重塊組件的質(zhì)量為m，壓電元件的壓電系數(shù)為d，傳感器殼體內(nèi)的等效阻尼系數(shù)為c。要求：（1）分別給出輸出電荷q及輸出電壓U與加速度a之間的關(guān)系；（2）畫出此加速度傳感器的等效模型；（3）推導(dǎo)傳感器的微分方程，并說明它是幾階環(huán)節(jié)的傳感器。六、 熱電阻傳感器設(shè)計(jì)一個(gè)電熱水器，當(dāng)熱水器內(nèi)的水溫低于90時(shí)，控制熱水器的電源接通，給水加熱，同時(shí)紅色指示燈亮，表示正在給水加熱；當(dāng)熱水器內(nèi)的水溫達(dá)到95時(shí)，控制電路自動(dòng)切斷熱水器的電源，停止給水加熱，處于保溫狀態(tài)，此時(shí)綠色指示燈亮，表示可飲用。（本題10分）實(shí)驗(yàn)儀器及材料：熱電阻傳感器；XMT-122數(shù)字指示調(diào)節(jié)儀；電爐及水壺；穩(wěn)壓電源（DH1718-4）；繼電器（控制電壓為DC5V）；電源線及導(dǎo)線。說明：（1）XMT-122數(shù)字指示調(diào)節(jié)儀的前面板如圖，“H”鍵和“L”鍵分別用于調(diào)節(jié)“上限溫度”和“下限溫度”。（2）XMT-122數(shù)字指示調(diào)節(jié)儀的后面板中，A、B、C端子接熱電阻傳感器的輸出，電源采用220V（50Hz）的交流電。上（下）限電接點(diǎn)1、2、3的狀態(tài)說明： 當(dāng)熱電阻實(shí)測(cè)溫度低于“上（下）限溫度”時(shí)，上（下）限電接點(diǎn)端子1、2開路，處于“斷”狀態(tài)，而端子1、3短路，處于“通”狀態(tài)。 當(dāng)熱電阻實(shí)測(cè)溫度高于“上（下）限溫度”時(shí)，上（下）限電接點(diǎn)端子1、2短路，處于“通”狀態(tài)，而端子1、3開路，處于“斷”狀態(tài)。要求：（1）畫出系統(tǒng)電路連接圖，并說明其工作原理。（2）給出熱電阻三線制測(cè)量電路及工作原理，說明它是如何減小引線電阻對(duì)測(cè)量的影響的？1-1. 衡量傳感器靜態(tài)特性的主要指標(biāo)，說明含義。線性度表征傳感器輸出-輸入校準(zhǔn)曲線與所選定的擬合直線之間的吻合（或偏離）程度的指標(biāo)?；夭睿螅┓磻?yīng)傳感器在正（輸入量增大）反（輸入量減?。┬谐踢^程中輸出-輸入曲線的不重合程度。重復(fù)性衡量傳感器在同一工作條件下，輸入量按同一方向作全量程連續(xù)多次變動(dòng)時(shí)，所得特性曲線間一致程度。各條特性曲線越靠近，重復(fù)性越好。靈敏度傳感器輸出量增量與被測(cè)輸入量增量之比。分辨力傳感器在規(guī)定測(cè)量范圍內(nèi)所能檢測(cè)出的被測(cè)輸入量的最小變化量。閥值使傳感器輸出端產(chǎn)生可測(cè)變化量的最小被測(cè)輸入量值，即零位附近的分辨力。穩(wěn)定性即傳感器在相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)仍保持其性能的能力。漂移在一定時(shí)間間隔內(nèi)，傳感器輸出量存在著與被測(cè)輸入量無關(guān)的、不需要的變化。靜態(tài)誤差（精度）傳感器在滿量程內(nèi)任一點(diǎn)輸出值相對(duì)理論值的可能偏離（逼近）程度。1-2. .計(jì)算傳感器線性度的方法，差別。理論直線法：以傳感器的理論特性線作為擬合直線，與實(shí)際測(cè)試值無關(guān)。端點(diǎn)直線法：以傳感器校準(zhǔn)曲線兩端點(diǎn)間的連線作為擬合直線。“最佳直線”法：以“最佳直線”作為擬合直線，該直線能保證傳感器正反行程校準(zhǔn)曲線對(duì)它的正負(fù)偏差相等并且最小。這種方法的擬合精度最高。最小二乘法：按最小二乘原理求取擬合直線，該直線能保證傳感器校準(zhǔn)數(shù)據(jù)的殘差平方和最小。1-3. 什么是傳感器的靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性？為什么要分靜和動(dòng)？（1）靜態(tài)特性：表示傳感器在被測(cè)輸入量各個(gè)值處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)的輸出-輸入關(guān)系。動(dòng)態(tài)特性：反映傳感器對(duì)于隨時(shí)間變化的輸入量的響應(yīng)特性。（2）由于傳感器可能用來檢測(cè)靜態(tài)量（即輸入量是不隨時(shí)間變化的常量）、準(zhǔn)靜態(tài)量或動(dòng)態(tài)量（即輸入量是隨時(shí)間變化的變量），于是對(duì)應(yīng)于輸入信號(hào)的性質(zhì)，所以傳感器的特性分為靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性。1-4. 分析改善傳感器性能的技術(shù)途徑和措施。（1）結(jié)構(gòu)、材料與參數(shù)的合理選擇（2）差動(dòng)技術(shù)（3）平均技術(shù)（4）穩(wěn)定性處理（5）屏蔽、隔離與干擾抑制 (6）零示法、微差法與閉環(huán)技術(shù)（7）補(bǔ)償、校正與“有源化”（8）集成化、智能化與信息融合2-1.金屬應(yīng)變計(jì)和半導(dǎo)體工作機(jī)理的異同？比較應(yīng)變計(jì)各種靈敏系數(shù)概念的不同意義？（1）相同點(diǎn)：它們都是在外界力作用下產(chǎn)生機(jī)械變形，從而導(dǎo)致材料的電阻發(fā)生變化所；不同點(diǎn)：金屬材料的應(yīng)變效應(yīng)以機(jī)械形變?yōu)橹?，材料的電阻率相?duì)變化為輔；而半導(dǎo)體材料則正好相反，其應(yīng)變效應(yīng)以機(jī)械形變導(dǎo)致的電阻率的相對(duì)變化為主，而機(jī)械形變?yōu)檩o。（2）對(duì)于金屬材料，靈敏系數(shù)Ko=Km=(1+2)+C(1-2)。前部分為受力后金屬幾何尺寸變化，一般0.3，因此（1+2）=1.6；后部分為電阻率隨應(yīng)變而變的部分。金屬絲材的應(yīng)變電阻效應(yīng)以結(jié)構(gòu)尺寸變化為主。對(duì)于半導(dǎo)體材料，靈敏系數(shù)Ko=Ks=(1+2)+ E。前部分同樣為尺寸變化，后部分為半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)所致，而E (1+2)，因此Ko=Ks=E。半導(dǎo)體材料的應(yīng)變電阻效應(yīng)主要基于壓阻效應(yīng)。2-4.試述應(yīng)變電橋產(chǎn)生非線性的原因及消減非線性誤差的措施。原因：上式分母中含Ri/Ri，是造成輸出量的非線性因素。無論是輸出電壓還是電流，實(shí)際上都與Ri/Ri呈非線性關(guān)系。措施：(1) 差動(dòng)電橋補(bǔ)償法差動(dòng)電橋呈現(xiàn)相對(duì)臂“和”，相鄰臂“差”的特征，通過應(yīng)變計(jì)合理布片達(dá)到補(bǔ)償目的。常用的有半橋差動(dòng)電路和全橋差動(dòng)電路。 (2) 恒流源補(bǔ)償法 誤差主要由于應(yīng)變電阻Ri的變化引起工作臂電流的變化所致。采用恒流源，可減小誤差。2-9.四臂平衡差動(dòng)電橋，說明為什么采用？全橋差動(dòng)電路，R1,R3受拉，R2,R4受壓，代入，得 由全等橋臂，得可見輸出電壓Uo與Ri/Ri成嚴(yán)格的線性關(guān)系，沒有非線性誤差。即Uo=f(R/R)。因?yàn)樗谋鄄顒?dòng)工作，不僅消除了飛線性誤差，而且輸出比單臂工作提高了4倍，故常采用此方法。3-1.比較差動(dòng)式自感傳感器和差動(dòng)變壓器在結(jié)構(gòu)上及工作原理上的異同？絕大多數(shù)自感式傳感器都運(yùn)用與電阻差動(dòng)式類似的技術(shù)來改善性能，由兩單一式結(jié)構(gòu)對(duì)稱組合，構(gòu)成差動(dòng)式自感傳感器。采用差動(dòng)式結(jié)構(gòu)，除了可以改善非線性、提高靈敏度外，對(duì)電源電壓與頻率的波動(dòng)及溫度變化等外界影響也有補(bǔ)償作用，從而提高了傳感器的穩(wěn)定性?；ジ惺絺鞲衅魇且环N線圈互感隨銜鐵位移變化的變磁阻式傳感器，初、次級(jí)間的互感隨銜鐵移動(dòng)而變，且兩個(gè)次級(jí)繞組按差動(dòng)方式工作，因此又稱為差動(dòng)變壓器。3-4. 變間隙式、變截面式和螺旋式三種電感式傳感器各適用于什么場(chǎng)合？各有什么優(yōu)缺點(diǎn)？變氣隙式靈敏度較高，但測(cè)量范圍小，一般用于測(cè)量幾微米到幾百微米的位移。變面積式靈敏度較低，但線性范圍較大，除E型與四極型外，還常做成八極、十六極型，一般可分辨零點(diǎn)幾角秒以下的微小角位移，線性范圍達(dá)10. 螺管式可測(cè)量幾納米到一米的位移，但靈敏度較前兩種低。3-5. 螺管式電感傳感器做成細(xì)長(zhǎng)形有什么好處？欲擴(kuò)大其線性范圍可以采用哪些措施？答：好處：增加線圈的長(zhǎng)度有利于擴(kuò)大線性范圍或提高線性度。措施：適當(dāng)增加線圈長(zhǎng)度、采用階梯形線圈。3-6. 差動(dòng)式電感傳感器為什么常采用相敏檢波電路？分析原理。原因：相敏檢波電路，它能有效地消除基波正交分量與偶次諧波分量，減小奇次諧波分量，使傳感器零位電壓減至極小。3-7. 電感傳感器產(chǎn)生殘余電壓的原因和減小殘余電壓的措施。差動(dòng)自感式傳感器當(dāng)銜鐵位于中間位置時(shí)，電橋輸出理論上應(yīng)為零，但實(shí)際上總存在零位不平衡電壓輸出(零位電壓)，造成零位誤差。措施：一種常用的方法是采用補(bǔ)償電路，其原理為： (1)串聯(lián)電阻消除基波零位電壓；2)并聯(lián)電阻消除高次諧波零位電壓；(3)加并聯(lián)電容消除基波正交分量或高次諧波分量。另一種有效的方法是采用外接測(cè)量電路來減小零位電壓。如前述的相敏檢波電路，它能有效地消除基波正交分量與偶次諧波分量，減小奇次諧波分量，使傳感器零位電壓減至極小。此外還可采用磁路調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)(如可調(diào)端蓋)保證磁路的對(duì)稱性，來減小零位電壓。3-12. 電渦流式傳感器的原理及應(yīng)用。1.測(cè)位移電渦流式傳感器的主要用途之一是可用來測(cè)量金屬件的靜態(tài)或動(dòng)態(tài)位移，最大量程達(dá)數(shù)百毫米，分辨率為0.1%。2.測(cè)厚度 金屬板材厚度的變化相當(dāng)于線圈與金屬表面間距離的改變，根據(jù)輸出電壓的變化即可知線圈與金屬表面間距離的變化，即板厚的變化。3.測(cè)溫度 若保持電渦流式傳感器的機(jī)、電、磁各參數(shù)不變，使傳感器的輸出只隨被測(cè)導(dǎo)體電阻率而變，就可測(cè)得溫度的變化。3-14. 比較定頻調(diào)幅式、變頻調(diào)幅式和調(diào)頻式三種測(cè)量電路的優(yōu)缺點(diǎn)，并指出它們的應(yīng)用場(chǎng)合。（1）定頻調(diào)幅式：這種電路采用石英晶體振蕩器，能獲得高穩(wěn)定度頻率的高頻激勵(lì)信號(hào)，輸出穩(wěn)定，獲得廣泛應(yīng)用，但線路較復(fù)雜，裝調(diào)較困難，線性范圍也不夠?qū)?。?）變頻調(diào)幅式：這種電路除結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低外，還具有靈敏度高、線性范圍寬等優(yōu)點(diǎn)，因此監(jiān)控等場(chǎng)合常采用它。（3）調(diào)頻式：這種電路的關(guān)鍵是提高振蕩器的頻率穩(wěn)定度。通常可以從環(huán)境溫度變化、電纜電容變化及負(fù)載影響三方面考慮。4-1. 電容式傳感器可分為哪幾類？各自的主要用途是什么？（1） 變極距型電容傳感器：在微位移檢測(cè)中應(yīng)用最廣。（2）變面積型電容傳感器：適合測(cè)量較大的直線位移和角位移。（3）變介質(zhì)型電容傳感器：可用于非導(dǎo)電散材物料的物位測(cè)量。4-2. 變極距型電容傳感器產(chǎn)生非線性誤差的原因及如何減?。吭颍红`敏度S與初始極距錯(cuò)誤！不能通過編輯域代碼創(chuàng)建對(duì)象。的平方成反比，用減少錯(cuò)誤！不能通過編輯域代碼創(chuàng)建對(duì)象。的辦法來提高靈敏度，但錯(cuò)誤！不能通過編輯域代碼創(chuàng)建對(duì)象。的減小會(huì)導(dǎo)致非線性誤差增大。采用差動(dòng)式，可比單極式靈敏度提高一倍，且非線性誤差大為減小。由于結(jié)構(gòu)上的對(duì)稱性，它還能有效地補(bǔ)償溫度變化所造成的誤差。4-3. 為什么電容式傳感器的絕緣、屏蔽和電纜問題特別重要？如何解決？電容式傳感器由于受結(jié)構(gòu)與尺寸的限制，其電容量都很小，屬于小功率、高阻抗器，因此極易受外界干擾，尤其是受大于它幾倍、幾十倍的、且具有隨機(jī)性的電纜寄生電容的干擾，它與傳感器電容相并聯(lián)，嚴(yán)重影響傳感器的輸出特性，甚至?xí)蜎]沒有用信號(hào)而不能使用。解決：驅(qū)動(dòng)電纜法、整體屏蔽法、采用組合式與集成技術(shù).5-12. 什么是霍爾效應(yīng)？可進(jìn)行哪些參量的測(cè)量？當(dāng)電流垂直于外磁場(chǎng)通過導(dǎo)體時(shí)，在導(dǎo)體的垂直于磁場(chǎng)和電流方向的兩個(gè)端面之間會(huì)出現(xiàn)電勢(shì)差，這一現(xiàn)象便是霍爾效應(yīng)。這個(gè)電勢(shì)差也被叫做霍爾電勢(shì)差。利用霍爾效應(yīng)可測(cè)量大電流、微氣隙磁場(chǎng)、微位移、轉(zhuǎn)速、加速度、振動(dòng)、壓力、流量和液位等；用以制成磁讀頭、磁羅盤、無刷電機(jī)、接近開關(guān)和計(jì)算元件等等。磁敏電阻與磁敏二極管的特點(diǎn)？磁敏電阻：外加磁場(chǎng)使導(dǎo)體(半導(dǎo)體)電阻隨磁場(chǎng)增加而增大的現(xiàn)象稱磁阻效應(yīng)。載流導(dǎo)體置于磁場(chǎng)中除了產(chǎn)生霍爾效應(yīng)外,導(dǎo)體中載流子因受洛侖茲力作用要發(fā)生偏轉(zhuǎn),載流子運(yùn)動(dòng)方向偏轉(zhuǎn)使電流路徑變化,起到了加大電阻的作用,磁場(chǎng)越強(qiáng)增大電阻的作用越強(qiáng)。磁敏電阻主要運(yùn)用于測(cè)位移。 磁敏二極管：輸出電壓隨著磁場(chǎng)大小的方向而變化，特別是在弱磁場(chǎng)作用下，可獲得較大輸出電壓變化，r區(qū)內(nèi)外復(fù)合率差別越大，靈敏度越高。當(dāng)磁敏二極管反向偏置時(shí)，只有很少電流通過，二極管兩端電壓也不會(huì)因受到磁場(chǎng)的作用而有任何改變。利用磁敏二極管可以檢測(cè)弱磁場(chǎng)變化這一特性可以制成漏磁探傷儀。6-1. 什么是壓電效應(yīng)？正壓電與逆壓電？一些離子型晶體的電介質(zhì)不僅在電場(chǎng)力作用下，而且在機(jī)械力作用下，都會(huì)產(chǎn)生極化現(xiàn)象。且其電位移D(在MKS單位制中即電荷密度)與外應(yīng)力張量T成正比： D = dT 式中 d壓電常數(shù)矩陣。 當(dāng)外力消失，電介質(zhì)又恢復(fù)不帶電原狀；當(dāng)外力變向，電荷極性隨之而變。這種現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)，或簡(jiǎn)稱壓電效應(yīng)。 若對(duì)上述電介質(zhì)施加電場(chǎng)作用時(shí)，同樣會(huì)引起電介質(zhì)內(nèi)部正負(fù)電荷中心的相對(duì)位移而導(dǎo)致電介質(zhì)產(chǎn)生變形，且其應(yīng)變S與外電場(chǎng)強(qiáng)度E成正比： S=dtE 式中 dt逆壓電常數(shù)矩陣。這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)，或稱電致伸縮。壓電材料的主要特性參數(shù)有哪些？比較三類壓電材料的應(yīng)用特點(diǎn)。主要特性：壓電常數(shù)、彈性常數(shù)、介電常數(shù)、機(jī)電耦合系數(shù)、電阻、居里點(diǎn)壓電單晶：時(shí)間穩(wěn)定性好，居里點(diǎn)高，在高溫、強(qiáng)幅射條件下，仍具有良好的壓電性，且機(jī)械性能，如機(jī)電耦合系數(shù)、介電常數(shù)、頻率常數(shù)等均保持不變。此外，還在光電、微聲和激光等器件方面都有重要應(yīng)用。不足之處是質(zhì)地脆、抗機(jī)械和熱沖擊性差。壓電陶瓷：壓電常數(shù)大，靈敏度高，制造工藝成熟，成形工藝性好，成本低廉，利于廣泛應(yīng)用，還具有熱釋電性。新型壓電材料：既具有壓電特性又具有半導(dǎo)體特性。因此既可用其壓電性研制傳感器，又可用其半導(dǎo)體特性制作電子器件；也可以兩者合一，集元件與線路于一體，研制成新型集成壓電傳感器測(cè)試系統(tǒng)。 6-6. 原理上，壓電式傳感器不能用于靜態(tài)測(cè)量，但實(shí)用中，壓電式傳感器可能用來測(cè)量準(zhǔn)靜態(tài)量，為什么？壓電式測(cè)力傳感器是利用壓電元件直接實(shí)現(xiàn)力-電轉(zhuǎn)換的傳感器，在拉力、壓力和力矩測(cè)量場(chǎng)合，通常較多采用雙片或多片石英晶片作壓電元件。由于它剛度大，動(dòng)態(tài)特性好；測(cè)量范圍廣，可測(cè)范圍大；線性及穩(wěn)定性高；可測(cè)單、多向力。當(dāng)采用大時(shí)間常數(shù)的電荷放大器時(shí)，就可測(cè)準(zhǔn)靜態(tài)力。7-1. 熱電式傳感器分類。各自特點(diǎn)。熱電式傳感器是一種將溫度變化轉(zhuǎn)換為電量變化的裝置。它可分為兩大類：熱電阻傳感器和熱電偶傳感器。熱電阻傳感器的特點(diǎn)：（1)高溫度系數(shù)、高電阻率。(2)化學(xué)、物理性能穩(wěn)定。(3)良好的輸出特性。(4).良好的工藝性，以便于批量生產(chǎn)、降低成本。熱電偶傳感器的特點(diǎn)：（1）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單（2）制造方便（3）測(cè)溫范圍寬（4）熱慣性?。?）準(zhǔn)確度高（6）輸出信號(hào)便于遠(yuǎn)傳7-2. 常用的熱電阻，適用范圍。鉑、銅為應(yīng)用最廣的熱電阻材料。鉑容易提純，在高溫和氧化性介質(zhì)中化學(xué)、物理性能穩(wěn)定，制成的鉑電阻輸出輸入特性接近線性，測(cè)量精度高。銅在-50150范圍內(nèi)銅電阻化學(xué)、物理性能穩(wěn)定，輸出輸入特性接近線性，價(jià)格低廉。當(dāng)溫度高于100時(shí)易被氧化，因此適用于溫度較低和沒有浸蝕性的介質(zhì)中工作。7-4. 利用熱電偶測(cè)溫必須具備哪兩個(gè)條件？（1）用兩種不同材料作熱電極（2）熱電偶兩端的溫度不能相同7-5. 什么是中間導(dǎo)體定律和連接導(dǎo)體定律？它們?cè)诶脽犭娕紲y(cè)溫時(shí)有什么實(shí)際意義？中間導(dǎo)體定律：導(dǎo)體A、B組成的熱電偶，當(dāng)引入第三導(dǎo)體時(shí)，只要保持第三導(dǎo)體兩端溫度相同，則第三導(dǎo)體對(duì)回路總熱電勢(shì)無影響。利用這個(gè)定律可以將第三導(dǎo)體換成毫伏表，只要保證兩個(gè)接點(diǎn)溫度一致，就可以完成熱電勢(shì)的測(cè)量而不影響熱電偶的輸出。連接導(dǎo)體定律：回路的總電勢(shì)等于熱電偶電勢(shì)EAB(T,To)與連接導(dǎo)線電勢(shì)EAB(Tn,To)的代數(shù)和。連接導(dǎo)體定律是工業(yè)上運(yùn)用補(bǔ)償導(dǎo)線進(jìn)行溫度測(cè)量的理論基礎(chǔ)。7-6. 什么是中間溫度定律？有什么實(shí)際意義？EAB(T,Tn,To)=EAB(T,Tn)+EAB(Tn,To)這是中間溫度定律表達(dá)式，即回路的總熱電勢(shì)等于EAB(T,Tn)與EAB(Tn,To)的代數(shù)和。Tn為中間溫度。中間溫度定律為制定分度表奠定了理論基礎(chǔ)。8-2. 什么是外光電效應(yīng)、內(nèi)光電效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)？外光電效應(yīng)：在光線的作用下，物體內(nèi)的電子逸出物體表面向外發(fā)射的現(xiàn)象。光電導(dǎo)效應(yīng)：在光線作用下，電子吸收光子能量從鍵合狀態(tài)過渡到自由狀態(tài)，而引起材料電導(dǎo)率的變化的現(xiàn)象。光生伏特效應(yīng)：在光線作用下能夠使物體產(chǎn)生一定方向的電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象。一、填空題1、傳感器的輸入輸出特性指標(biāo)可分為靜態(tài)和動(dòng)態(tài)指標(biāo)兩大類，線性度和靈敏度是傳感器的 靜態(tài)指標(biāo)，而頻率響應(yīng)特性是傳感器的動(dòng)態(tài)指標(biāo)。2、 導(dǎo)電絲材的截面尺寸發(fā)生變化后其電阻會(huì)發(fā)生變化，用這一原理可制成的傳感器稱為電阻應(yīng)變式傳感器，利用有料具有磁致伸縮效應(yīng)可制成的壓磁式傳感器也可用以測(cè)量力，而壓電式傳感器則利用了一些具有離子型晶體電介質(zhì)的壓電效應(yīng)，它敏感的最基本的物理量也是力。3、熱電式傳感器中，能將溫度變化轉(zhuǎn)換為電阻變化的一類稱為熱電阻，而能將溫度變化轉(zhuǎn)換為電勢(shì)的稱為熱電偶，其中熱電偶式傳感器在應(yīng)用時(shí)需要做溫度補(bǔ)償(冷端補(bǔ)償)。4、旋轉(zhuǎn)式編碼器用以測(cè)量轉(zhuǎn)軸的角位移，其中絕對(duì)式編碼在任意位置都有固定的數(shù)字編碼與位置對(duì)應(yīng)，線數(shù)為360線的增量式編碼器分辨力為 1 （角）度。5、光電效應(yīng)分為內(nèi)光電效應(yīng)和外光電效應(yīng)兩大類。1傳感器可分為物性型和結(jié)構(gòu)型傳感器，熱電阻是物性型傳感器， 電容式加速度傳感器是結(jié)構(gòu)型傳感器。 2熱電式傳感器中，能將溫度變化轉(zhuǎn)換為電阻變化的一類稱為熱電阻。有一種熱電阻的型號(hào)為Pt100，它在0時(shí)的電阻值為100，利用不同種材料的接觸電勢(shì)和溫差電勢(shì)將溫度變化轉(zhuǎn)換為電勢(shì)的一類熱電式傳感器稱為熱電偶傳感器。3旋轉(zhuǎn)式編碼器可分為增量式編碼器和絕對(duì)式編碼器，用以測(cè)量轉(zhuǎn)軸的角位移，其中絕對(duì)式在任意位置都有固定的數(shù)字編碼與位置對(duì)應(yīng)，所以這種編碼器能直接反映轉(zhuǎn)軸位置；用一個(gè)線數(shù)為200線的編碼器分辨力為_（角）度。4目前壓電式傳感器的常用的材料有石英晶體、壓電陶瓷和高分子電致伸縮材料等三類。壓電材料的逆壓電效應(yīng)還可以用來產(chǎn)生超聲波。5在電感式傳感器中，線圈之間的沒有耦合的是自感式傳感器，被測(cè)對(duì)象也是磁路一部分的是電渦流式傳感器。6電容式傳感器按結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可分為變極距型、變介質(zhì)型和變面積型等三種。電容式傳感器存在邊緣效應(yīng)，會(huì)造成測(cè)量誤差，常用保護(hù)環(huán)來消除，保護(hù)環(huán)是電容式傳感器特有的結(jié)構(gòu)。7傳感器的輸入輸出特性指標(biāo)可分為靜態(tài)和動(dòng)態(tài)指標(biāo)兩大類，線性度和靈敏度是傳感器的靜態(tài)指標(biāo)。8光敏電阻的原理是基于內(nèi)（填內(nèi)、外）光電效應(yīng)的。二、簡(jiǎn)答題： 1. 簡(jiǎn)要說明電容式傳感器的原理。答：電容式傳感能將被測(cè)量轉(zhuǎn)換為傳感器電容變化。傳感器有動(dòng)靜兩個(gè)板板，板板間的電容為：錯(cuò)誤！不能通過編輯域代碼創(chuàng)建對(duì)象。 ，式中： 0 真空介電常數(shù):(8.8541012 F/m r 介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù) 兩極板間的距離有關(guān) A 極板的有效面積當(dāng)動(dòng)板板運(yùn)動(dòng)或極板間的介質(zhì)變化就會(huì)引起傳感器電容值的變化，從而構(gòu)成變極距式、變面積式和變介質(zhì)型的電容式傳感器。2. 簡(jiǎn)要說明光柵尺的原理。3. 什么是外光電效應(yīng)？什么是內(nèi)光電效應(yīng)？1什么是傳感器？以加速度傳感為例，畫圖說明傳感器的敏感元件和轉(zhuǎn)換元件的定義和作用。2簡(jiǎn)述莫爾條紋在光柵中的應(yīng)用原理。3試說明壓電式傳感器中，壓電片并聯(lián)和串聯(lián)后對(duì)測(cè)量的影響。4設(shè)三種制造熱電偶的材料A、B、C，兩兩配對(duì)后的熱電熱分別為：EAB（T，T0）、EBC（T，T0）、EAC（T，T0）。試證明：EAB（T，T0）EAC（T，T0）EBC（T，T0）。并說明這一公式的實(shí)踐意義。三、綜合分析題：1、圖為用電阻應(yīng)變式傳感器測(cè)量金屬材料的彎曲變形的原理圖，簡(jiǎn)支梁在力F的作用下發(fā)性彎曲，在梁的上下表面各貼一片應(yīng)變片，試說明這個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的其原理。要求：1畫出測(cè)試電路的原理圖，并給出計(jì)算公式（10分）FR1R2 2圖中用兩個(gè)應(yīng)變片有什么好處？ （10分）分析：這是一個(gè)用應(yīng)變計(jì)測(cè)量金屬梁變形的一個(gè)示意圖，上下兩個(gè)應(yīng)變片都應(yīng)當(dāng)按圖示方向粘貼，并按圖中的方法組橋，其輸出為：。這種布局方式構(gòu)成了差動(dòng)式測(cè)量，可以有效地降低非線性誤差、消除溫度誤差，還能提高測(cè)量的靈敏度。答題要求：1。寫出輸出公式，（5分、圖5分） 2說出差動(dòng)測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)（4分）給出相應(yīng)的說明或證明（各2分） 2. 在圖示的機(jī)械系統(tǒng)中，電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速經(jīng)減速器減速后驅(qū)動(dòng)絲桿螺母構(gòu)成一個(gè)直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，已知電機(jī)轉(zhuǎn)速為3000轉(zhuǎn)/分，減速器減速比為100，絲桿的導(dǎo)程為12mm，今欲測(cè)量螺母的位移，并要求測(cè)量精度為1mm，暫時(shí)不考慮機(jī)械系統(tǒng)傳動(dòng)誤差，請(qǐng)選擇傳感器并設(shè)計(jì)測(cè)量方案。 （15分）答題要求：本題可有多種答案，合理的答案均可給分。可以選用直接測(cè)量直線位移的傳感器如光柵等，也可以選用編碼器測(cè)量絲桿軸等。（5分）但要求說明傳感器的原理（5分），畫出結(jié)構(gòu)安裝示意圖（5分）較好的答案如下：螺母每走1mm對(duì)應(yīng)絲桿的轉(zhuǎn)角為：112360=30度，相對(duì)應(yīng)的電機(jī)的轉(zhuǎn)角為：30100=3000度，可見，只要精確電機(jī)的轉(zhuǎn)數(shù)就足以按要求測(cè)量出螺母的位移?？墒褂媒咏絺鞲衅?，安裝方法如圖：在電機(jī)軸上裝一個(gè)圓盤，盤四周裝一個(gè)突出盤表需的元件，無件的個(gè)數(shù)可以只有一個(gè)，也可以有多個(gè)，根據(jù)選用傳感器類型元件的材料有一定要求，如選用霍爾式傳感器就要求是磁性體，電感式或渦流式就要求鐵磁性物質(zhì)，電容式要求元件材料相對(duì)介電常盡量大。設(shè)元件的個(gè)數(shù)為N，則測(cè)量的分辨力為： 。圓盤上突起元件的安裝精度及傳感器的靈敏度、穩(wěn)定性有關(guān)，如果誤差為5度，測(cè)量誤差為：510036012=0。0017mm。1a試列出三種能測(cè)量直線位移的傳感器，并詳述其原理。1b試列出三種能對(duì)流水線上的工件進(jìn)行計(jì)數(shù)的方法，并說明各自的應(yīng)用范圍。2 以任意一種傳感器為例，說明差動(dòng)測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)。答：差動(dòng)傳感器的三個(gè)優(yōu)點(diǎn)：靈敏度提高一倍，非線性誤差降低一級(jí)，補(bǔ)償溫度誤差。 評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)：畫圖正確（3分），每一種優(yōu)點(diǎn)的說4分，其中：說出優(yōu)點(diǎn)2分，證明或能說明優(yōu)點(diǎn)的道理2分1.何謂結(jié)構(gòu)型傳感器?何謂物性型傳感器?試述兩者的應(yīng)用特點(diǎn)。答：結(jié)構(gòu)型傳感器是利用物理學(xué)中場(chǎng)的定律構(gòu)成的，包括動(dòng)力場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)定律，電磁場(chǎng)的電磁定律等。物理學(xué)中的定律一般是以方程式給出的。對(duì)于傳感器來說，這些方程式也就是許多傳感器在工作時(shí)的數(shù)學(xué)模型。這類傳感器的特點(diǎn)是傳感器的工作原理是以傳感器中元件相對(duì)位置變化引起場(chǎng)的變化為基礎(chǔ)，而不是以材料特性變化為基礎(chǔ)。物理型傳感器是利用物質(zhì)定律構(gòu)成的，如虎克定律、歐姆定律等。物質(zhì)定律是表示物質(zhì)某種客觀性質(zhì)的法則。這種法則，大多數(shù)是以物質(zhì)本身的常數(shù)形式給出。這些常數(shù)的大小，決定了傳感器的主要性能。因此，物理型傳感器的性能隨材料的不同而異。例如，光電管就是物理型傳感器，它利用了物質(zhì)法則中的外光電效應(yīng)。顯然，其特性與涂覆在電極上的材料有著密切的關(guān)系。又如，所有半導(dǎo)體傳感器，以及所有利用各種環(huán)境變化而引起的金屬、半導(dǎo)體、陶瓷、合金等特性能變化的傳感器，都屬于物理型傳感器。2圖1所示為一種膜合式壓力傳感器。試用這個(gè)例子說明傳感器的組成原理。答：傳感器一般由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件、轉(zhuǎn)換電路組成，它是一種典型的結(jié)構(gòu)型傳感器。敏感元件是直接感受被測(cè)量，并輸出與被測(cè)量成確定關(guān)系的某一物理量的元件。圖1中，膜盒2的下半部分與殼體1固接，上半部分通過連桿與磁芯4相連，磁芯4置于兩個(gè)電感線圈3中，后者接入轉(zhuǎn)換電路5。這里的膜盒就是敏感元件，其外部與大氣壓力相通，內(nèi)部感受被測(cè)壓力。當(dāng)變化時(shí)，引起膜盒上半部分移動(dòng)，即輸出相應(yīng)的位移量。圖1 氣體壓力傳感器轉(zhuǎn)換元件：敏感元件的輸出就是它的輸入，它把輸入轉(zhuǎn)換成電路參量。在圖0-2中，轉(zhuǎn)換元件是可變電感線圈3，它把輸入的位移量轉(zhuǎn)換成電感的變化?；巨D(zhuǎn)換電路：上述電路參數(shù)接入基本轉(zhuǎn)換電路（簡(jiǎn)稱轉(zhuǎn)換電路），便可轉(zhuǎn)換成電量輸出。傳感器只完成被測(cè)參數(shù)至電量的基本轉(zhuǎn)換，然后輸入到測(cè)控電路，進(jìn)行放大、運(yùn)算、處理等進(jìn)一步轉(zhuǎn)換，以獲得被測(cè)值或進(jìn)行過程控制。1傳感器的靜態(tài)特性主要有那些？說明什么是線性度？答：傳感器的特性主要是指?jìng)鞲衅鞯妮斎耄ū粶y(cè)量）與輸出（電量）的關(guān)系。靜態(tài)特性表示傳感器在被測(cè)量各個(gè)值處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)的輸入輸出關(guān)系。也即當(dāng)輸入量為常量，或變化極慢時(shí)，這一關(guān)系就稱為靜態(tài)特性。傳感器的靜態(tài)特性主要有：線性度、遲滯性、靈敏度、穩(wěn)定性、重復(fù)性、閾值等。傳感器的靜特性曲線可實(shí)際測(cè)試獲得，用下列多項(xiàng)式程表示為：式中y為輸出量、x為輸入量、 為零點(diǎn)輸出、為理論靈敏度、為非線性項(xiàng)系數(shù)。在獲得特性趨向之后，可以說問題已經(jīng)得到解決。但是為了標(biāo)定和數(shù)據(jù)處理的方便，希望得到線性關(guān)系。這時(shí)可采用各種方法，其中也包括硬件或軟件補(bǔ)償，進(jìn)行顯性化處理。一般來說，這些辦法都比較復(fù)雜。所以在非線性誤差不太大的情況下，總是采用直線擬合的方法來線性化。 在采用直線擬合線性化時(shí)，輸出輸入的校正曲線之間的最大偏差，就稱為非線性誤差，也就是線性度：%由此可見，非線性偏差的大小是以一定的擬合直線為基準(zhǔn)直線而得來的。擬合直線不同，非線性誤差也不同。所以，選擇擬合直線的主要出發(fā)點(diǎn)，應(yīng)是獲得最小的非線性誤差。另外，還應(yīng)考慮使用是否方便，計(jì)算是否簡(jiǎn)便。2什么是傳感器的靜態(tài)誤差？傳感器的靜態(tài)誤差是如何評(píng)定的？答：靜態(tài)誤差是指?jìng)鞲衅髟谄淙砍虄?nèi)任一點(diǎn)的輸出值與其理論值的偏離程度。靜態(tài)誤差的求取方法如下：把全部輸出數(shù)據(jù)與擬合直線上對(duì)應(yīng)值的殘差，看成是隨即分布，求出其標(biāo)準(zhǔn)偏差，即式中 各測(cè)試點(diǎn)的殘差；n測(cè)試點(diǎn)數(shù)。取2和3值即為傳感器的靜態(tài)誤差。靜態(tài)誤差也可用相對(duì)誤差來表示，即 （1-15）靜態(tài)誤差也是一向綜合指標(biāo)，他基本上包括了前面敘述的非線性誤差、遲滯誤差、重復(fù)性誤差、靈敏度誤差等，若者幾項(xiàng)誤差是隨機(jī)的、獨(dú)立的、正態(tài)分布的，也可以把這幾個(gè)單項(xiàng)誤差綜合而得，即：3.某測(cè)溫系統(tǒng)由以下四個(gè)環(huán)節(jié)組成，各自的靈敏度如下： 鉑電阻溫度傳感器：0.45/電橋： 0.02V/ 放大器： 100(放大倍數(shù)) 筆式記錄儀： 0.2cm/V求：(1)測(cè)溫系統(tǒng)的總靈敏度；(2)記錄儀筆尖位移4cm時(shí)，所對(duì)應(yīng)的溫度變化值。 解：（1）測(cè)溫系統(tǒng)的總靈敏度為 cm/（2）記錄儀筆尖位移4cm時(shí)，所對(duì)應(yīng)的溫度變化值為:4.有三臺(tái)測(cè)溫儀表，量程均為0800，精度等級(jí)分別為2.5級(jí)、2.0級(jí)和1.5級(jí)，現(xiàn)要測(cè)量500的溫度，要求相對(duì)誤差不超過2.5，選那臺(tái)儀表合理?解：2.5級(jí)時(shí)的最大絕對(duì)誤差值為20，測(cè)量500時(shí)的相對(duì)誤差為4；2.0級(jí)時(shí)的最大絕對(duì)誤差值為16，測(cè)量500時(shí)的相對(duì)誤差為3.2；1.5級(jí)時(shí)的最大絕對(duì)誤差值為12，測(cè)量500時(shí)的相對(duì)誤差為2.4。因此，應(yīng)該選用1.5級(jí)的測(cè)溫儀器。1金屬電阻應(yīng)變片與半導(dǎo)體材料的電阻應(yīng)變效應(yīng)有什么不同?答：金屬電阻的應(yīng)變效應(yīng)主要是由于其幾何形狀的變化而產(chǎn)生的，半導(dǎo)體材料的應(yīng)變效應(yīng)則主要取決于材料的電阻率隨應(yīng)變所引起的變化產(chǎn)生的。2.直流測(cè)量電橋和交流測(cè)量電橋有什么區(qū)別?答：它們的區(qū)別主要是直流電橋用直流電源，只適用于直流元件，如電阻應(yīng)變片，交流電橋用交流電源，適用于所有電路元件，如電阻應(yīng)變片、電容。3簡(jiǎn)述電阻應(yīng)變式傳感器產(chǎn)生橫向誤差的原因。答：粘貼在受單向拉伸力試件上的應(yīng)變片，如圖2-3所示，其敏感柵是有多條直線和圓弧部分組成。這時(shí)，各直線段上的金屬絲只感受沿軸向拉應(yīng)變,電阻值將增加。但在圓弧段上，沿各微段軸向 (即微段圓弧的切向) 的應(yīng)變與直線段不相等，因此與直線段上同樣長(zhǎng)度的微段所產(chǎn)生的電阻變化就不相同，最明顯的在處圓弧段上，按泊松關(guān)系，在垂直方向上產(chǎn)生負(fù)的壓應(yīng)變，因此該段的電阻是最小的。而在圓弧的其它各段上，其軸向感受的應(yīng)變由 變化到。由此可見 , 將直的電阻絲繞成敏感柵之后，雖然長(zhǎng)度相同，但應(yīng)變狀態(tài)不同，其靈敏系數(shù)降低了。這種現(xiàn)象稱橫向效應(yīng)。圖23 橫向效應(yīng)應(yīng)變片橫向效應(yīng)表明 , 當(dāng)實(shí)際使用應(yīng)變片時(shí)，使用條件與標(biāo)定靈敏系數(shù) k 時(shí)的標(biāo)定規(guī)則不同時(shí),實(shí)際 k 值要改變,由此可能產(chǎn)生較大測(cè)量誤差，當(dāng)不能滿足測(cè)量精確度要求時(shí)，應(yīng)進(jìn)行必要的修正。4采用阻值為120靈敏度系數(shù)K=2.0的金屬電阻應(yīng)變片和阻值為120的固定電阻組成電橋，供橋電壓為4V，并假定負(fù)載電阻無窮大。當(dāng)應(yīng)變片上的應(yīng)變分別為1和1000時(shí)，試求單臂、雙臂和全橋工作時(shí)的輸出電壓，并比較三種情況下的靈敏度。解：?jiǎn)伪蹠r(shí)，所以:應(yīng)變?yōu)?時(shí)/V;應(yīng)變?yōu)?000時(shí)應(yīng)為/V；雙臂時(shí)，所以:應(yīng)變?yōu)?時(shí)/V;應(yīng)變?yōu)?000時(shí)應(yīng)為/V；全橋時(shí)，所以:應(yīng)變?yōu)?時(shí)/V;應(yīng)變?yōu)?000時(shí)應(yīng)為/V。從上面的計(jì)算可知：?jiǎn)伪蹠r(shí)靈敏度最低，雙臂時(shí)為其兩倍，全橋時(shí)最高，為單臂的四倍。5差動(dòng)電橋有哪些有優(yōu)點(diǎn)？答：差動(dòng)電橋比單臂電橋的靈敏度高，此外，還可以有效地改善電橋的溫度誤差、非線性誤差。圖1變間隙式電容傳感器1為什么說變間隙型電容傳感器特性是非線性的?采取什么措施可改善其非線性特征?答：下圖為變間隙式電容傳感器的原理圖。圖中1為固定極板，2為與被測(cè)對(duì)象相連的活動(dòng)極板。當(dāng)活動(dòng)極板因被測(cè)參數(shù)的改變而引起移動(dòng)時(shí)，兩極板間的距離d發(fā)生變化，從而改變了兩極板之間的電容量C。設(shè)極板面積為A，其靜態(tài)電容量為，當(dāng)活動(dòng)極板移動(dòng)x后，其電容量為 (1)當(dāng)xd時(shí) 則 (2) 由式（1）可以看出電容量C與x不是線性關(guān)系，只有當(dāng) xd時(shí)，才可認(rèn)為是最近似線形關(guān)系。同時(shí)還可以看出，要提高靈敏度，應(yīng)減小起始間隙d。但當(dāng)d過小時(shí)，又容易引起擊穿，同時(shí)加工精度要求也高了。為此,一般是在極板間放置云母、塑料膜等介電常數(shù)高的物質(zhì)來改善這種情況，如下圖2。在實(shí)際應(yīng)用中，為了提高靈敏度，減小非線性，還常采用差動(dòng)式結(jié)構(gòu):圖2板間放置高介電常數(shù)材料圖3差動(dòng)式傳感器圖中所示為差動(dòng)結(jié)構(gòu)，動(dòng)極板置于兩定極板之間。初始位置時(shí)，120，兩邊初始電容相等。當(dāng)動(dòng)極板向上有位移時(shí)，兩邊極距為10，20；兩組電容一增一減。同差動(dòng)式自感傳感器式（341）的同樣分析方法，由式（44）和式（45）可得電容總的相對(duì)變化量為 （411）略去高次項(xiàng)，可得近似的線性關(guān)系 （412）相對(duì)非線性誤差為 （413） 上式與式（46）及式（49）相比可知，差動(dòng)式比單極式靈敏度提高一倍，且非線性誤差大為減小。由于結(jié)構(gòu)上的對(duì)稱性，它還能有效地補(bǔ)償溫度變化所造成的誤差。2.如圖3-22所示正方形平板電容器,極板長(zhǎng)度a=4cm,極板間距離=0.2mm.若用此變面積型傳感器測(cè)量位移x,試計(jì)算該傳感器的靈敏度并畫出傳感器的特性曲線.極板間介質(zhì)為空氣,。1為什么電感式傳感器測(cè)量電路中常用相敏檢波器？說明相敏檢波器的原理。答：電感式傳感器常用的交流電橋有以下幾種。圖14-1輸出端對(duì)稱電橋（a）一般形式;(b)變壓器電橋圖(a)為輸出端對(duì)稱電橋的一般形式。圖中Z1、Z2為傳感器，如果兩線圈阻抗，Z1=r1+jL1，Z2=r2+jL2，r10=r20=r0，L10=L20=L0,R1、R2為外接電阻，通常Rl=R2=R。設(shè)工作時(shí)Z1=Z+Z，Z2=Z-z，電源電勢(shì)為E，于是由上式可知，這種測(cè)量電路的輸出極性與電源有關(guān)，輸出并不能判斷出鐵芯的移動(dòng)方向，圖(b)是圖(a)的變型，稱為變壓器電橋。它以變壓器兩個(gè)次級(jí)作為電橋平衡臂。顯然，其輸出特性同(a)。差動(dòng)變壓器式傳感器也存在同樣的問題。相敏檢波電路是常用的判別電路。圖142 相敏檢波電路圖14-2為電路原理,Z1、Z2為傳感器兩線圈的阻抗，Z3Z4構(gòu)成另兩個(gè)橋臂，U為供橋電壓，U。為輸出。當(dāng)銜鐵處于中間位置時(shí)，Zl=Z2Z，電橋平衡，Uo0。若銜鐵上移，Z1增大, Z2減小。如供橋電壓為正半周，即A點(diǎn)電位高于B點(diǎn)，二極管D1、D4導(dǎo)通，D2、D3截止。在AECB支路中C點(diǎn)電位由于Z1增大而降低；在AFDB支路中，D點(diǎn)電位由于Z2減小而增高。因此D點(diǎn)電位高于C點(diǎn)，輸出信號(hào)為正。如供橋電壓為負(fù)半周，B點(diǎn)電位高于A點(diǎn)，二極管D2、D3導(dǎo)通，D1、D4截止。在BCFA支路中，點(diǎn)電位由于Z2減小而比平衡時(shí)降低；在BDEA支路中，D點(diǎn)電位則因Z1增大而比平衡時(shí)增高。因此D點(diǎn)電位仍高于C點(diǎn)，輸出信號(hào)仍為正。同理可以證明，銜鐵下移時(shí)輸出信號(hào)總為負(fù)。于是，輸出信號(hào)的正負(fù)代表了銜鐵位移的方向。1. 簡(jiǎn)述熱電偶的幾個(gè)重要定律，并分別說明它們的實(shí)用價(jià)值。答：一是勻質(zhì)導(dǎo)體定律：如果熱電偶回路中的兩個(gè)熱電極材料相同，無論兩接點(diǎn)的溫度如何，熱電動(dòng)勢(shì)為零。根據(jù)這個(gè)定律，可以檢驗(yàn)兩個(gè)熱電極材料成分是否相同，也可以檢查熱電極材料的均勻性。二是中間導(dǎo)體定律：在熱電偶回路中接入第三種導(dǎo)體，只要第三種導(dǎo)體的兩接點(diǎn)溫度相同，則回路中總的熱電動(dòng)勢(shì)不變。它使我們可以方便地在回路中直接接入各種類型的顯示儀表或調(diào)節(jié)器，也可以將熱電偶的兩端不焊接而直接插入液態(tài)金屬中或直接焊在金屬表面進(jìn)行溫度測(cè)量。三是標(biāo)準(zhǔn)電極定律：如果兩種導(dǎo)體分別與第三種導(dǎo)體組成的熱電偶所產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢(shì)已知，則由這兩種導(dǎo)體組成的熱電偶所產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢(shì)也就已知。只要測(cè)得各種金屬與純鉑組成的熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)，則各種金屬之間相互組合而成的熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)可直接計(jì)算出來。四是中間溫度定律：熱電偶在兩接點(diǎn)溫度t、t0時(shí)的熱電動(dòng)勢(shì)等于該熱電偶在接點(diǎn)溫度為t、tn和tn、t0時(shí)的相應(yīng)熱電動(dòng)勢(shì)的代數(shù)和。中間溫度定律為補(bǔ)償導(dǎo)線的使用提供了理論依據(jù)。16用鎳鉻-鎳硅(K)熱電偶測(cè)量溫度，已知冷端溫度為40，用高精度毫伏表測(cè)得這時(shí)的熱電動(dòng)勢(shì)為29.188mV，求被測(cè)點(diǎn)的溫度。解：由鎳鉻-鎳硅熱電偶分度表查出E(40，0)=1.638mV，可算出再通過分度表查出其對(duì)應(yīng)的實(shí)際溫度為1光電效應(yīng)有哪幾種?與之對(duì)應(yīng)的光電元件各有哪些?答：光電效應(yīng)有外光電效應(yīng)、內(nèi)光電效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)三種。基于外光電效應(yīng)的光電元件有光電管、光電倍增管等；基于內(nèi)光電效應(yīng)的光電元件有光敏電阻、光敏晶體管等；基于光生伏特效應(yīng)的光電元件有光電池等。1. 在電阻應(yīng)變式傳感器中，電阻應(yīng)變片與電阻絲相比較，哪一個(gè)的靈敏系數(shù)要大？為什么？2. 在電阻應(yīng)變式傳感器中，溫度誤差的來源有哪些？一、選擇題（共10分，每小題2分） 1、非線性度是表示校準(zhǔn)曲線( B )的程度。 A.接近真值 B.偏離擬合直線 C.正反行程不重合 D.重復(fù)性 2、半導(dǎo)體應(yīng)變片具有( A )等優(yōu)點(diǎn)。 A.靈敏度高 B.溫度穩(wěn)定性好 C.可靠性高 D.接口電路復(fù)雜3、用相鄰雙臂橋檢測(cè)的應(yīng)變式傳感器，為使其靈敏度高、非線性誤差?。?C ） A兩個(gè)橋臂都應(yīng)當(dāng)用大電阻值工作應(yīng)變片 B兩個(gè)橋臂都應(yīng)當(dāng)用兩個(gè)工作應(yīng)變片串聯(lián) C兩個(gè)橋臂應(yīng)當(dāng)分別用應(yīng)變量變化相反的工作應(yīng)變片 D兩個(gè)橋臂應(yīng)當(dāng)分別用應(yīng)變量變化相同的工作應(yīng)變片 4、將電阻應(yīng)變片貼在( C )上，就可以分別做成測(cè)力、位移、加速度等參數(shù)的傳感器。 A.質(zhì)量塊 B.導(dǎo)體 C.彈性元件 D.機(jī)器組件 5、壓電式傳感器可等效為（AC） A電荷源 B、電流源 C、電壓源 D、電阻1、在以下幾種傳感器當(dāng)中（C）屬于自發(fā)電型傳感器。 A、電容式 B、電阻式 C、壓電式 D、電感式2、（ C ）的數(shù)值越大,熱電偶的輸出熱電勢(shì)就越大。 A、熱端直徑 B、熱端和冷端的溫度 C、熱端和冷端的溫差 D、熱電極的電導(dǎo)率3、將超聲波（機(jī)械振動(dòng)波）轉(zhuǎn)換成電信號(hào)是利用壓電材料的（C ）。 A、應(yīng)變效應(yīng) B、電渦流效應(yīng) C、壓電效應(yīng) D、逆壓電效應(yīng) 4、在電容傳感器中，若采用調(diào)頻法測(cè)量轉(zhuǎn)換電路，則電路中（B ）。 A、電容和電感均為變量 B、電容是變量，電感保持不變 C、電感是變量，電容保持不變 D、電容和電感均保持不變 5、在兩片間隙為1mm的兩塊平行極板的間隙中插入（D ） ，可測(cè)得最大的容量。 A、塑料薄膜 B、干