傳感器技術(shù)知識點(diǎn).doc

1-1 衡量傳感器靜態(tài)特性的主要指標(biāo)。說明含義。1、 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)。2、 回差（滯后）反應(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。3、 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。4、 靈敏度傳感器輸出量增量與被測輸入量增量之比。5、 分辨力傳感器在規(guī)定測量范圍內(nèi)所能檢測出的被測輸入量的最小變化量。6、 閥值使傳感器輸出端產(chǎn)生可測變化量的最小被測輸入量值，即零位附近的分辨力。7、 穩(wěn)定性即傳感器在相當(dāng)長時(shí)間內(nèi)仍保持其性能的能力。8、 漂移在一定時(shí)間間隔內(nèi)，傳感器輸出量存在著與被測輸入量無關(guān)的、不需要的變化。9、 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。1、 理論直線法：以傳感器的理論特性線作為擬合直線，與實(shí)際測試值無關(guān)。2、 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。3、 “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)曲線對它的正負(fù)偏差相等并且最小。這種方法的擬合精度最高。4、 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），于是對應(yīng)于輸入信號的性質(zhì)，所以傳感器的特性分為靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性。14 傳感器有哪些組成部分？在檢測過程中各起什么作用？答：傳感器通常由敏感元件、傳感元件及測量轉(zhuǎn)換電路三部分組成。各部分在檢測過程中所起作用是：敏感元件是在傳感器中直接感受被測量，并輸出與被測量成一定聯(lián)系的另一物理量的元件，如電阻式傳感器中的彈性敏感元件可將力轉(zhuǎn)換為位移。傳感元件是能將敏感元件的輸出量轉(zhuǎn)換為適于傳輸和測量的電參量的元件，如應(yīng)變片可將應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電阻量。測量轉(zhuǎn)換電路可將傳感元件輸出的電參量轉(zhuǎn)換成易于處理的電量信號。1-5傳感器有哪些分類方法？各有哪些傳感器？答：按工作原理分有參量傳感器、發(fā)電傳感器、數(shù)字傳感器和特殊傳感器；按被測量性質(zhì)分有機(jī)械量傳感器、熱工量傳感器、成分量傳感器、狀態(tài)量傳感器、探傷傳感器等；按輸出量形類分有模擬式、數(shù)字式和開關(guān)式；按傳感器的結(jié)構(gòu)分有直接式傳感器、差分式傳感器和補(bǔ)償式傳感器。1-6 測量誤差是如何分類的？答：按表示方法分有絕對誤差和相對誤差；按誤差出現(xiàn)的規(guī)律分有系統(tǒng)誤差、隨機(jī)誤差和粗大誤差按誤差來源分有工具誤差和方法誤差按被測量隨時(shí)間變化的速度分有靜態(tài)誤差和動(dòng)態(tài)誤差按使用條件分有基本誤差和附加誤差按誤差與被測量的關(guān)系分有定值誤差和積累誤差。1-7 彈性敏感元件在傳感器中起什么作用？答：彈性敏感元件在傳感器技術(shù)中占有很重要的地位，是檢測系統(tǒng)的基本元件，它能直接感受被測物理量（如力、位移、速度、壓力等）的變化，進(jìn)而將其轉(zhuǎn)化為本身的應(yīng)變或位移，然后再由各種不同形式的傳感元件將這些量變換成電量。1-8. 彈性敏感元件有哪幾種基本形式？各有什么用途和特點(diǎn)？答：彈性敏感元件形式上基本分成兩大類，即將力變換成應(yīng)變或位移的變換力的彈性敏感元件和將壓力變換成應(yīng)變或位移的變換壓力的彈性敏感元件。變換力的彈性敏感元件通常有等截面軸、環(huán)狀彈性敏感元件、懸臂梁和扭轉(zhuǎn)軸等。實(shí)心等截面軸在力的作用下其位移很小，因此常用它的應(yīng)變作為輸出量。它的主要優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、加工方便、測量范圍寬、可承受極大的載荷、缺點(diǎn)是靈敏度低。空心圓柱體的靈敏度相對實(shí)心軸要高許多，在同樣的截面積下，軸的直徑可加大數(shù)倍，這樣可提高軸的抗彎能力，但其過載能力相對弱，載荷較大時(shí)會(huì)產(chǎn)生較明顯的桶形形變，使輸出應(yīng)變復(fù)雜而影響精度。環(huán)狀敏感元件一般為等截面圓環(huán)結(jié)構(gòu)，圓環(huán)受力后容易變形，所以它的靈敏度較高，多用于測量較小的力，缺點(diǎn)是圓環(huán)加工困難，環(huán)的各個(gè)部位的應(yīng)變及應(yīng)力都不相等。懸臂梁的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，易于加工，輸出位移(或應(yīng)變)大，靈敏度高，所以常用于較小力的測量。扭轉(zhuǎn)軸式彈性敏感元件用于測量力矩和轉(zhuǎn)矩。變換壓力的彈性敏感元件通常有彈簧管、波紋管、等截面薄板、波紋膜片和膜盒、薄壁圓筒和薄壁半球等。彈簧管可以把壓力變換成位移，且彈簧管的自由端的位移量、中心角的變化量與壓力p成正比，其剛度較大，靈敏度較小，但過載能力強(qiáng)，常用于測量較大壓力。波紋管的線性特性易被破壞，因此它主要用于測量較小壓力或壓差測量中。Z-1 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)與半導(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?，材料的電阻率相對變化為輔；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)致的電阻率的相對變化為主，而機(jī)械形變?yōu)檩o。（2）對于金屬材料，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)。2-3 簡述電阻應(yīng)變計(jì)產(chǎn)生熱輸出（溫度誤差）的原因及其補(bǔ)償辦法。電阻應(yīng)變計(jì)的溫度效應(yīng)及其熱輸出由兩部分組成：前部分為熱阻效應(yīng)所造成；后部分為敏感柵與試件熱膨脹失配所引起。在工作溫度變化較大時(shí)，會(huì)產(chǎn)生溫度誤差。補(bǔ)償辦法：1、溫度自補(bǔ)償法 （1）單絲自補(bǔ)償應(yīng)變計(jì)(2) 雙絲自補(bǔ)償應(yīng)變計(jì) 2、橋路補(bǔ)償法 （1）雙絲半橋式（2）補(bǔ)償塊法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。2-5 如何用電阻應(yīng)變計(jì)構(gòu)成應(yīng)變式傳感器？對其各組成部分有何要求？一是作為敏感元件，直接用于被測試件的應(yīng)變測量；另一是作為轉(zhuǎn)換元件，通過彈性敏感元件構(gòu)成傳感器，用以對任何能轉(zhuǎn)變成彈性元件應(yīng)變的其他物理量作間接測量。 要求：非線性誤差要小（0.05%0.1%F.S），力學(xué)性能參數(shù)受環(huán)境溫度影響小，并與彈性元件匹配。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。2-10 何謂電阻式傳感器？它主要分成哪幾種？答：電阻式傳感器是將被測量轉(zhuǎn)換成電阻值，再經(jīng)相應(yīng)測量電路處理后，在顯示器記錄儀上顯示或記錄被測量的變化狀態(tài)的一種傳感器。主要有電阻應(yīng)變式、壓阻式、熱電阻、熱敏電阻、氣敏電阻及濕敏電阻等電阻式傳感器。2-11 什么是電阻應(yīng)變效應(yīng)？答：導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料在外力作用下產(chǎn)生機(jī)械變形（拉伸或壓縮）時(shí)，其電阻值也隨之發(fā)生相應(yīng)的變化，這種現(xiàn)象即為電阻應(yīng)變效應(yīng)。2-12 試比較金屬絲電阻應(yīng)變片與半導(dǎo)體應(yīng)變片的特點(diǎn)。答：金屬絲式應(yīng)變片的蠕變較大，金屬絲易脫膠，但其價(jià)格便宜，多用于應(yīng)變、應(yīng)力的一次性試驗(yàn)。半導(dǎo)體應(yīng)變片是用半導(dǎo)體材料作敏感柵而制成的。當(dāng)它受力時(shí)，電阻率隨應(yīng)力的變化而變化。它的主要優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高（靈敏度比絲式、箔式大幾十倍），橫向效應(yīng)小。主要缺點(diǎn)是靈敏度的熱穩(wěn)定性差、電阻與應(yīng)變間非線性嚴(yán)重。在使用時(shí)，需采用溫度補(bǔ)償及非線性補(bǔ)償?shù)却胧?-13. 熱電阻傳感器有哪幾種？各有何特點(diǎn)及用途？答：熱電阻可分為金屬熱電阻和半導(dǎo)體熱電阻兩類。前者稱為熱電阻，后者稱為熱敏電阻。以熱電阻或熱敏電阻為主要器件制成的傳感器稱為熱電阻傳感器或熱敏電阻傳感器。熱電阻傳感器主要是利用電阻隨溫度變化而變化這一特性來測量溫度的。其主要優(yōu)點(diǎn)是：測量精度高；有較大的測量范圍，尤其在低溫方面；易于使用在自動(dòng)測量和遠(yuǎn)距離測量中。熱電阻傳感器之所以有較高的測量精度，主要是一些材料的電阻溫度特性穩(wěn)定，復(fù)現(xiàn)性好。熱敏電阻按其對溫度的不同反應(yīng)可分為負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻（NTC）、正溫度系數(shù)熱敏電阻（PTC）和臨界溫度系數(shù)熱敏電阻（CTR）三類，CTR一般也是負(fù)溫度系數(shù)，但與NTC不同的是，在某一溫度范圍內(nèi)，電阻值會(huì)發(fā)生急劇變化。這三類熱敏電阻的電阻率與溫度t之間的相互關(guān)系均為非線性。 NTC熱敏電阻主要用于溫度測量和補(bǔ)償，測溫范圍一般為-50350，也可用于低溫測量（-1300）、中溫測量（150750），甚至更高溫度，測量溫度范圍根據(jù)制造時(shí)的材料不同而不同。PTC熱敏電阻既可作為溫度敏感元件，又可在電子線路中起限流、保護(hù)作用。CTR熱敏電阻主要用作溫度開關(guān)。2-14 簡要說明氣敏、濕敏電阻傳感器的工作原理，并舉例說明其用途。答：氣敏傳感器，是利用半導(dǎo)體氣敏元件同被測氣體接觸后，造成半導(dǎo)體性質(zhì)的變化，以此來檢測待定氣體的成分或濃度的傳感器的總稱。實(shí)際測量時(shí)，可用氣敏傳感器把各種氣體的成分或濃度等參數(shù)轉(zhuǎn)換成電阻、電壓或電流的變化量，并通過相應(yīng)測量電路在終端儀器上顯示。它的傳感元件是氣敏電阻，這是一種用金屬氧化物（如氧化錫SnO2、氧化鋅ZnO或Fe2O3等）的粉末材料并添加小量催化劑及添加劑，按一定配比燒結(jié)而成的半導(dǎo)體器件。氣敏傳感器可測量還原性氣體和測量氧氣濃度的兩大類，例如石油蒸汽、酒精蒸汽、甲烷、乙烷、煤氣、天然氣、氫氣等。濕敏電阻傳感器是利用材料的電氣性能或機(jī)械性能隨濕度而變化的原理制成的。它能把濕度的變化轉(zhuǎn)化成電阻的變化，它的傳感元件是濕敏電阻。濕敏電阻傳感器的應(yīng)用很廣，例如，大規(guī)模集成電路生產(chǎn)車間，當(dāng)其相對濕度低于30%RH時(shí)，容易產(chǎn)生靜電而影響生產(chǎn)；一些粉塵大的車間，當(dāng)濕度小而產(chǎn)生靜電時(shí)，容易產(chǎn)生爆炸；許多儲(chǔ)物倉庫(如存放煙草、茶葉和中藥材等)在濕度超過某一程度時(shí)，物品易發(fā)生變質(zhì)或霉變現(xiàn)象；居室的濕度希望適中；而紡織廠要求車間的濕度保持在60%RH75%RH；在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的溫室育苗、食用菌培養(yǎng)、水果保鮮等都需要對濕度進(jìn)行檢測和控制。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、次級間的互感隨銜鐵移動(dòng)而變，且兩個(gè)次級繞組按差動(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合用于什么場合？各有什么優(yōu)缺點(diǎn)？變氣隙式靈敏度較高，但測量范圍小，一般用于測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)長形有什么好處？欲擴(kuò)大其線性范圍可以采取哪些措施？ 答：好處：增加線圈的長度有利于擴(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)生零位電壓的原因和減小零位電壓的措施。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)保證磁路的對稱性，來減小零位電壓。3-9 造成自感式傳感器和差動(dòng)變壓器溫度誤差的原因及其減小措施。（1）環(huán)境溫度的變化會(huì)引起自感傳感器的零點(diǎn)溫度漂移、靈敏度溫度漂移以及線性度和相位的變化，造成溫度誤差。應(yīng)注意線膨脹系數(shù)的大小與匹配，采用弱磁不銹鋼等材料作線圈骨架，或采用脫胎線圈。（2）當(dāng)溫度變化時(shí)，差動(dòng)變壓器初級線圈的參數(shù)尤其銅阻的變化影響較大。應(yīng)提高初級線圈的品質(zhì)因數(shù)，或采用穩(wěn)定激勵(lì)電流的方法減小溫度誤差。3-10電感式傳感器的工作原理是什么？能夠測量哪些物理量？答：電感式傳感器是利用電磁感應(yīng)原理，將被測非電量的變化轉(zhuǎn)換成線圈的電感（或互感）變化的一種機(jī)電轉(zhuǎn)換裝置。利用電感式傳感器可以把連續(xù)變化的線位移或角位移轉(zhuǎn)換成線圈的自感或互感的連續(xù)變化，經(jīng)過一定的轉(zhuǎn)換電路再變成電壓或電流信號以供顯示。它除了可以對直線位移或角位移進(jìn)行直接測量外，還可以通過一定的感受機(jī)構(gòu)對一些能夠轉(zhuǎn)換成位移量的其他非電量，如振動(dòng)、壓力、應(yīng)變、流量等進(jìn)行檢測。3-11 變氣隙式傳感器主要由哪幾部分組成？有什么特點(diǎn)？答：變氣隙式自感式傳感器由鐵心線圈、銜鐵、測桿及彈簧等組成。變氣隙式傳感器的線性度差、示值范圍窄、自由行程小，但在小位移下靈敏度很高，常用于小位移的測量。3-12概述電渦流式傳感器的基本結(jié)構(gòu)與工作原理。答：成塊的金屬物體置于變化著的磁場中，或者在磁場中運(yùn)動(dòng)時(shí)，在金屬導(dǎo)體中會(huì)感應(yīng)出一圈圈自相閉合的電流，稱為電渦流。電渦流式傳感器是一個(gè)繞在骨架上的導(dǎo)線所構(gòu)成的空心繞組，它與正弦交流電源接通，通過繞組的電流會(huì)在繞組周圍空間產(chǎn)生交變磁場。當(dāng)導(dǎo)電的金屬靠近這個(gè)繞組時(shí)，金屬導(dǎo)體中便會(huì)產(chǎn)生電渦流。渦流的大小與金屬導(dǎo)體的電阻率、磁導(dǎo)率、厚度、繞組與金屬導(dǎo)體的距離，以及繞組勵(lì)磁電流的角頻率等參數(shù)有關(guān)。如果固定其中某些參數(shù)不變，就能由電渦流的大小測量出另外一些參數(shù)。由電渦流所造成的能量損耗將使繞組電阻有功分量增加，由電渦流產(chǎn)生反磁場的去磁作用將使繞組電感量減小，從而引起繞組等效阻抗Z及等效品質(zhì)因數(shù)Q值的變化。所以凡是能引起電渦流變化的非電量，例如金屬的電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率、幾何形狀、繞組與導(dǎo)體的距離等，均可通過測量繞組的等效電阻R、等效電感L、等效阻抗Z及等效品質(zhì)因數(shù)Q來測量。這便是電渦流式傳感器的工作原理。電渦流式傳感器的結(jié)構(gòu)比較簡單，主要是一個(gè)繞制在框架上的繞組，目前使用比較普遍的是矩形截面的扁平繞組。3-13 電渦流式傳感器的原理及應(yīng)用。 1.測位移電渦流式傳感器的主要用途之一是可用來測量金屬件的靜態(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導(dǎo)體電阻率而變，就可測得溫度的變化。3-14 比較定頻調(diào)幅式、變頻調(diào)幅式和調(diào)頻式三種測量電路的優(yōu)缺點(diǎn)，并指出它們的應(yīng)用場合。（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，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：在微位移檢測中應(yīng)用最廣。 （2） 變面積型電容傳感器：適合測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小？原因：靈敏度S與初始極距的平方成反比，用減少的辦法來提高靈敏度，但的減小會(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).4-4 電容式傳感器有什么主要特點(diǎn)？可用于哪些方面的檢測？（P55）答：電容式傳感器具有以下特點(diǎn)：功率小，阻抗高，由于電容式傳感器中帶電極板之間的靜電引力很小，因此，在信號檢測過程中，只需要施加較小的作用力，就可以獲得較大的電容變化量及高阻抗的輸出；動(dòng)態(tài)特性良好，具有較高的固有頻率和良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性；本身的發(fā)熱對傳感器的影響實(shí)際上可以不加考慮；可獲取比較大的相對變化量；能在比較惡劣的環(huán)境條件下工作；可進(jìn)行非接觸測量；結(jié)構(gòu)簡單、易于制造；輸出阻抗較高，負(fù)載能力較差；寄生電容影響較大；輸出為非線性。電容式傳感器可用于直線位移、角位移、尺寸、液體液位、材料厚度的測量。4-5 根據(jù)工作原理可將電容式傳感器分為哪幾種類型？各自用途是什么？答：根據(jù)電容式傳感器的工作原理，電容式傳感器有三種基本類型，即變極距(d)型（又稱變間隙型）、變面積(A)型和變介電常數(shù)()型。變間隙型可測量位移，變面積型可測量直線位移、角位移、尺寸，變介電常數(shù)型可測量液體液位、材料厚度。5-1 什么叫順壓電效應(yīng)？什么叫逆壓電效應(yīng)？常用壓電材料有那幾種？（P66-67）答：某些電介質(zhì)在沿一定的方向上受到外力的作用而變形時(shí)，內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在其表面上產(chǎn)生電荷，當(dāng)外力去掉后，又重新回到不帶電的狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。這種機(jī)械能轉(zhuǎn)化成電能的現(xiàn)象，稱為“順壓電效應(yīng)”。反之，在電介質(zhì)的極化方向上施加交變電場或電壓，它會(huì)產(chǎn)生機(jī)械變形，當(dāng)去掉外加電場時(shí)，電介質(zhì)變形隨之消失，這種現(xiàn)象稱為“逆壓電效應(yīng)”。 應(yīng)用于壓電式傳感器中的壓電材料通常有三類：一類是壓電晶體，它是單晶體，如石英晶體、酒石酸鉀鈉等；另一類是經(jīng)過極化處理的壓電陶瓷，它是人工合成的多晶體，如鈦酸鋇等；第三類是有機(jī)壓電材料，是新型的壓電材料，如聚偏二氟乙烯等。5-12 霍爾效應(yīng)是什么？可進(jìn)行哪些參數(shù)的測量？ 當(dāng)電流垂直于外磁場通過導(dǎo)體時(shí)，在導(dǎo)體的垂直于磁場和電流方向的兩個(gè)端面之間會(huì)出現(xiàn)電勢差，這一現(xiàn)象便是霍爾效應(yīng)。這個(gè)電勢差也被叫做霍爾電勢差。利用霍爾效應(yīng)可測量大電流、微氣隙磁場、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。5-13 試分析霍爾效應(yīng)產(chǎn)生的原因?；魻栯妱?dòng)勢的大小、方向與哪些因素有關(guān)？答：金屬或半導(dǎo)體薄片置于磁場中，當(dāng)有電流通過時(shí)，在垂直于電流和磁場的方向上將產(chǎn)生電動(dòng)勢，這種物理現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。如將N型半導(dǎo)體薄片,垂直置于磁場中。在薄片左右兩端通以電流，這時(shí)半導(dǎo)體中的載流子（電子）將沿著與電流相反的方向運(yùn)動(dòng)。由于外磁場的作用，電子將受到磁場力（洛侖茲力）的作用而發(fā)生偏轉(zhuǎn)，結(jié)果在半導(dǎo)體的后端面上積累了電子而帶負(fù)電，前端面則因缺少電子而帶正電，從而在前后端面間形成電場。該電場產(chǎn)生的電場力也將作用于半導(dǎo)體中的載流子，電場力方向和磁場力方向正好相反，當(dāng)與大小相等時(shí)，電子積累達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。這時(shí)，在半導(dǎo)體前后兩端面之間建立的電動(dòng)勢就稱為霍爾電動(dòng)勢。霍爾電動(dòng)勢的大小正比于激勵(lì)電流與磁感應(yīng)強(qiáng)度，且當(dāng)或的方向改變時(shí)，霍爾電動(dòng)勢的方向也隨著改變，但當(dāng)和的方向同時(shí)改變時(shí)霍爾電動(dòng)勢極性不變。5-14 磁敏電阻與磁敏二極管的特點(diǎn)？磁敏電阻：外加磁場使導(dǎo)體(半導(dǎo)體)電阻隨磁場增加而增大的現(xiàn)象稱磁阻效應(yīng)。載流導(dǎo)體置于磁場中除了產(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,磁場越強(qiáng)增大電阻的作用越強(qiáng)。磁敏電阻主要運(yùn)用于測位移。 磁敏二極管：輸出電壓隨著磁場大小的方向而變化，特別是在弱磁場作用下，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)因受到磁場的作用而有任何改變。利用磁敏二極管可以檢測弱磁場變化這一特性可以制成漏磁探傷儀。6-1 何謂壓電效應(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)，或簡稱壓電效應(yīng)。 若對上述電介質(zhì)施加電場作用時(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。6-2 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試系統(tǒng)。 6-6原理上，壓電式傳感器不能用于靜態(tài)測量，但實(shí)用中，壓電式傳感器可能用來測量準(zhǔn)靜態(tài)量，為什么？壓電式測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、壓力和力矩測量場合，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；測量范圍廣，可測范圍大；線性及穩(wěn)定性高；可測單、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)簡單（2）制造方便（3）測溫范圍寬（4）熱慣性?。?）準(zhǔn)確度高（6）輸出信號便于遠(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？它們在利用熱電偶測溫時(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)體對回路總熱電勢無影響。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，就可以完成熱電勢的測量而不影響熱電偶的輸出。連接導(dǎo)體定律：回路的總電勢等于熱電偶電勢EAB(T,To)與連接導(dǎo)線電勢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)。7-7 鎳絡(luò)-鎳硅介質(zhì)溫度800C，參考端溫度為25C，求介質(zhì)實(shí)際溫度？t=介質(zhì)溫度+k*參考溫度（800+1*25=825）7-8 什么是金屬導(dǎo)體的熱電效應(yīng)？試說明熱電偶的測溫原理。答：將兩種不同的導(dǎo)體連成閉合回路，當(dāng)兩個(gè)接點(diǎn)處的溫度不同時(shí)，回路中將產(chǎn)生熱電勢，這種現(xiàn)象為熱電效應(yīng)。兩種不同材料構(gòu)成的熱電變換元件稱為熱電偶，導(dǎo)體稱為熱電極，通常把兩熱電極的一個(gè)端點(diǎn)固定焊接，用于對被測介質(zhì)進(jìn)行溫度測量，這一接點(diǎn)稱為測量端或工作端，俗稱熱端；兩熱電極另一接點(diǎn)處通常保持為某一恒定溫度或室溫，稱冷端。熱電偶閉合回路中產(chǎn)生的熱電勢由溫差電勢和接觸電勢兩種電勢組成。熱電偶接觸電勢是指兩熱電極由于材料不同而具有不同的自由電子密度，在熱電極接點(diǎn)接觸面處產(chǎn)生自由電子的擴(kuò)散現(xiàn)象；擴(kuò)散的結(jié)果，接觸面上逐漸形成靜電場。該靜電場具有阻礙原擴(kuò)散繼續(xù)進(jìn)行的作用，當(dāng)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，在熱電極接點(diǎn)處便產(chǎn)生一個(gè)穩(wěn)定電勢差，稱為接觸電勢。其數(shù)值取決于熱電偶兩熱電極的材料和接觸點(diǎn)的溫度，接點(diǎn)溫度越高，接觸電勢越大。8-1 光電效應(yīng)有哪幾種類型？與之對應(yīng)的光電元件各有哪些？簡述各光電元件的優(yōu)缺點(diǎn)。答：光電效應(yīng)根據(jù)產(chǎn)生結(jié)果的不同，通?？煞譃橥夤怆娦?yīng)、內(nèi)光電效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)三種類型。光電管和光電流倍增管是屬于外光電效應(yīng)的典型光電元件。光電倍增管的優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高，比光電管高出幾萬倍以上，輸出線性度好，頻率特性好；缺點(diǎn)是體積大、易破碎，工作電壓高達(dá)上千伏，使用不方便。因此它一般用于微光測量和要求反應(yīng)速度很快的場合?；趦?nèi)光電效應(yīng)的光電元件有光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管、光敏晶閘管。光敏電阻具有很高的靈敏度，光譜響應(yīng)的范圍可以從紫外線區(qū)域到紅外線區(qū)域，而且體積小，性能穩(wěn)定，價(jià)格較低，所以被廣泛應(yīng)用在自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)中。在使用光敏電阻時(shí)，光電流并不是隨光強(qiáng)改變而立刻做出相應(yīng)的變化，而是具有一定的滯后，這也是光敏電阻的缺點(diǎn)之一。光敏三極管的靈敏度比二極管高，但頻率特性較差，暗電流較大。光敏晶閘管輸出功率比它們都大，主要用于光控開關(guān)電路及光耦合器中?；诠馍匦?yīng)的光電元件主要是光電池。應(yīng)用最廣泛的是硅光電池，它具有性能穩(wěn)定，光譜范圍寬，頻率特性好，傳遞效率高、能耐高溫輻射等優(yōu)點(diǎn)。8-2 光電傳感器有哪幾種類型？答：因光源對光電元件作用方式不同而確定的光學(xué)裝置是多種多樣的，按其輸出量信號可分為開關(guān)型和模擬型。模擬型光電式傳感器被測物、光源、光電元件三者的關(guān)系，可以分為四種類型。(1) 光源本身是被測物，被測物發(fā)出的光投射到光電元件上，光電元件的輸出反映了光源的某些物理參數(shù)。(2) 恒光源發(fā)射的光通量穿過被測物，部分被吸收后到達(dá)光電元件上，吸收量決定于被測物的某些參數(shù)。(3) 恒光源發(fā)出的光通量投射到被測物上，然后被反射到光電元件上，光電元件的輸出反映了被測物的某些參數(shù)。(4) 恒光源發(fā)出的光通量在到達(dá)光電元件的途中遇到被測物，被遮擋了一部分，光電元件的輸出反映了被測物的尺寸。開關(guān)型光電式傳感器把被測量轉(zhuǎn)換成斷續(xù)變化的光電流，而輸出為開關(guān)量或數(shù)字的電信號。這一類型主要用于轉(zhuǎn)速測量、模擬開關(guān)、位置開關(guān)等。8-3 外光電效應(yīng)、光電導(dǎo)效應(yīng)、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)勢的現(xiàn)象。8-4 比較光電池、光敏晶體管、光敏電阻及光電倍增管使用性能上的差別。 光電池：光電池是利用光生伏特效應(yīng)把光直接轉(zhuǎn)變成電能的器件。它有較大面積的PN結(jié)，當(dāng)光照射在PN結(jié)上時(shí)，在結(jié)的兩端出現(xiàn)電動(dòng)勢。當(dāng)光照到PN結(jié)區(qū)時(shí)，如果光子能量足夠大，將在結(jié)區(qū)附近激發(fā)出電子-空穴對，在N區(qū)聚積負(fù)電荷，P區(qū)聚積正電荷，這樣N區(qū)和P區(qū)之間出現(xiàn)電位差。8-5.怎樣根據(jù)光照特性和光譜特性來選擇光敏元件？ 不同類型光敏電阻光照特性不同，但光照特性曲線均呈非線性。因此它不宜作定量檢測元件，一般在自動(dòng)控制系統(tǒng)中用作光電開關(guān)。光譜特性與光敏電阻的材料有關(guān)，在選用光敏電阻時(shí)，應(yīng)把光敏電阻的材料和光源的種類結(jié)合起來考慮，才能獲得滿意的效果。 8-6.簡述光電傳感器的主要形式及其應(yīng)用。模擬式（透射式、反射式、遮光式、輻射式）、開關(guān)式應(yīng)用：光電式數(shù)字轉(zhuǎn)速表、光電式物位傳感器、視覺傳感器、細(xì)絲類物件的在線檢測8-7 光柵的莫爾條紋有哪幾個(gè)特性？莫爾條紋是怎么產(chǎn)生的？答：莫爾條紋具有以下特性：(1) 放大作用，莫爾條紋的間距是放大了的光柵柵距，光柵柵距很小，肉眼看不清楚，而莫爾條紋卻清晰可見。(2) 對應(yīng)關(guān)系，兩塊光柵沿柵線垂直方向作相對移動(dòng)時(shí)，莫爾條紋通過光柵外狹縫板S到固定點(diǎn)（光電元件安裝點(diǎn)）的數(shù)量正好和光柵所移動(dòng)的柵線數(shù)量相等。光柵作反向移動(dòng)時(shí)，莫爾條紋移動(dòng)方向也隨之改變。(3) 平均效應(yīng)，通過莫爾條紋所獲得的精度可以比光柵本身刻線的刻劃精度還要高。把兩塊柵距相同的光柵刻線面相對重合在一起，中間留有很小的間隙，并使兩者的柵線之間形成一很小的夾角，然后將這對光柵放置在光路中，在兩塊光柵的柵線重合處，因有光從縫隙透過形成亮帶，在兩光柵柵線彼此錯(cuò)開處，由于光線被遮擋而形成暗帶，這種比光柵柵距寬得多的由亮帶和暗帶形成的明、暗相間的條紋稱為莫爾條紋。8-8感應(yīng)同步器有哪幾種？直線感應(yīng)同步器主要由哪幾部分組成？答：感應(yīng)同步器按其用途不同，可分為測量直線位移的直線感應(yīng)同步器和測量角位移的圓感應(yīng)同步器兩大類。直線感應(yīng)同步器由定尺與滑尺組成。在定尺和滑尺上制作有印刷電路繞組，定