傳感器課后答案

1、第1章概述1.什么是傳感器？傳感器定義為能夠感受規(guī)定的被測(cè)量并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件和裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。1.2傳感器的共性是什么？傳感器的共性就是利用物理規(guī)律或物質(zhì)的物理、化學(xué)、生物特性，將非電量（如位移、速度、加速度、 力等）輸入轉(zhuǎn)換成電量（電壓、電流、電容、電阻等）輸出。1.3傳感器由哪幾部分組成的？由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成基本組成部分，另外還有信號(hào)調(diào)理電路和輔助電源電路。1.4傳感器如何進(jìn)行分類(lèi)？（1 ）按傳感器的輸入量分類(lèi)，分為位移傳感器、速度傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器、壓力傳感器等。（2）按傳感器的輸出量進(jìn)行分類(lèi)，分為模擬式和數(shù)字式傳感器兩類(lèi)。（3

2、）按傳感器工作原理分類(lèi)，可以分為電阻式傳感器、電容式傳感器、電感式傳感器、壓電式傳感器、磁敏式傳感器、熱電式傳感器、光電式傳感器等。（4）按傳感器的基本效應(yīng)分類(lèi)，可分為物理傳感器、化學(xué)傳感器、生物傳感器。（5）按傳感器的能量關(guān)系進(jìn)行分類(lèi)，分為能量變換型和能量控制型傳感器。（6）按傳感器所蘊(yùn)含的技術(shù)特征進(jìn)行分類(lèi)，可分為普通型和新型傳感器。1.5傳感器技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)有哪些？（1）開(kāi)展基礎(chǔ)理論研究（2）傳感器的集成化（3）傳感器的智能化（4 ）傳感器的網(wǎng)絡(luò)化（5）傳感器的微型化1.6改善傳感器性能的技術(shù)途徑有哪些？（1）差動(dòng)技術(shù)（2）平均技術(shù)（3）補(bǔ)償與修正技術(shù)（4）屏蔽、隔離與干擾抑制 （5）穩(wěn)定

3、性處理第2章傳感器的基本特性2.1什么是傳感器的靜態(tài)特性？描述傳感器靜態(tài)特性的主要指標(biāo)有哪些？答：傳感器的靜態(tài)特性是指在被測(cè)量的各個(gè)值處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，輸出量和輸入量之間的關(guān)系。主要的性能指標(biāo)主要有線性度、靈敏度、遲滯、重復(fù)性、精度、分辨率、零點(diǎn)漂移、溫度漂移。2.2傳感器輸入-輸出特性的線性化有什么意義？如何實(shí)現(xiàn)其線性化？答：傳感器的線性化有助于簡(jiǎn)化傳感器的理論分析、數(shù)據(jù)處理、制作標(biāo)定和測(cè)試。常用的線性化方法是：切線或割線擬合，過(guò)零旋轉(zhuǎn)擬合，端點(diǎn)平移來(lái)近似，多數(shù)情況下用最小二乘法來(lái)求出擬合直線。2.3利用壓力傳感器所得測(cè)試數(shù)據(jù)如下表所示，計(jì)算其非線性誤差、遲滯和重復(fù)性誤差。設(shè)壓力為OMPa時(shí)輸

4、出為OmV壓力為0.12MPa時(shí)輸出最大且為 16.50mV.非線性誤差略正反行程最大偏差 ？Hmax=0.1mV 所以 y H=± ?HmaxO.11OO%=± %=± 0.6%YFS16.50重復(fù)性最大偏差為 ？Rmax=0.08,所以 丫 R=± ?Rmax0.08=± %± 0.48%YFS16.52.4什么是傳感器的動(dòng)態(tài)特性？如何分析傳感器的動(dòng)態(tài)特性？傳感器的動(dòng)態(tài)特性是指?jìng)鞲衅鲗?duì)動(dòng)態(tài)激勵(lì)（輸入）的響應(yīng)（輸出）特性，即輸出對(duì)隨時(shí)間變化的輸入 量的響應(yīng)特性。傳感器的動(dòng)態(tài)特性可以從時(shí)域和頻域兩個(gè)方面分別采用瞬態(tài)響應(yīng)法和頻率響應(yīng)法來(lái)

5、分析。瞬態(tài)響應(yīng)常 采用階躍信號(hào)作為輸入，頻率響應(yīng)常采用正弦函數(shù)作為輸入。2.5描述傳感器動(dòng)態(tài)特性的主要指標(biāo)有哪些？零階系統(tǒng)常采用靈敏度 K, 一階系統(tǒng)常采用時(shí)間常數(shù)t、靈敏度K,二階系統(tǒng)常采用固有頻率3 0、阻尼比Z、靈敏度K來(lái)描述。2.6試解釋線性時(shí)不變系統(tǒng)的疊加性和頻率保持特性的含義及其意義。當(dāng)檢測(cè)系統(tǒng)的輸入信號(hào)是由多個(gè)信號(hào)疊加而成的復(fù)雜信號(hào)時(shí)，根據(jù)疊加性可以把復(fù)雜信號(hào)的作用看成 若干簡(jiǎn)單信號(hào)的單獨(dú)作用之和，從而簡(jiǎn)化問(wèn)題。如果已知線性系統(tǒng)的輸入頻率，根據(jù)頻率保持特性，可確定該系統(tǒng)輸出信號(hào)中只有與輸入信號(hào)同頻率 的成分才可能是該輸入信號(hào)引起的輸出，其他頻率成分都是噪聲干擾，可以采用相應(yīng)的濾波

6、技術(shù)。2.7用某一階傳感器測(cè)量 100Hz的正弦信號(hào)，如要求幅值誤差限制在土5%以內(nèi)，時(shí)間常數(shù)應(yīng)取多少？如果用該傳感器測(cè)量50Hz的正弦信號(hào)，其幅值誤差和相位誤差各為多少？解：一階傳感器頻率響應(yīng)特性：H(j 3 )=11，幅頻特性：A( 3 )= T (j 3 ) + 1+( 3T )2K 5%+(3 T )，取 T =0.523ms 由題意有 A(j 3 ) < 5% 即又 3 =2n =2 n f=200 n T，所以 0? t ?0.523ms(1/+( 3 t )2) -1 幅值誤差：？A( 3 )= X 100%=1.32%1相位誤差：？(3 )= - arctan( 3 t

7、)= - 9.302.8某溫度傳感器為時(shí)間常數(shù)t =3s的一階系統(tǒng)，當(dāng)傳感器受突變溫度作用后，試求傳感器溫差的三分之一和二分之一所需的時(shí)間。溫差為二分之一時(shí)，t=2.08s溫差為三分之一時(shí)，t=1.22s2.9玻璃水銀溫度計(jì)通過(guò)玻璃溫包將熱量傳給水銀，可用一階微分方程來(lái)表示?，F(xiàn)已知某玻璃水銀溫度計(jì)特性的微分方程是 2dy，x代表輸入+2y=2X 10-3x，y代表水銀柱高(m) dt溫度C)。求該溫度計(jì) 的時(shí)間常數(shù)及靈敏度。t =1s;K=1 X 10-32.10某傳感器為一階系統(tǒng)，當(dāng)受階躍函數(shù)作用時(shí)，在t=0時(shí)，輸出為10mV在t=5s時(shí)，輸出為50mV在t is時(shí)，輸出為100mV試求該傳

8、感器的時(shí)間常數(shù)。t =8.5s2.11某一質(zhì)量-彈簧-阻尼系統(tǒng)在階躍輸入激勵(lì)下，出現(xiàn)的超調(diào)量大約是最終穩(wěn)態(tài)值的40%如果從階躍輸入開(kāi)始至超調(diào)量出現(xiàn)所需的時(shí)間為0.8s，試估算阻尼比和固有角頻率的大小。2.12在某二階傳感器的頻率特性測(cè)試中發(fā)現(xiàn)，諧振發(fā)生在頻率216Hz處，并得到最大的幅值比為 1.4，試估算該傳感器的阻尼比和固有角頻率的大小。13 2 3 解：二階系統(tǒng) A( 3 )=1 - ()+4 E 2()223 n 3 n當(dāng) 3 =3 n 時(shí)共振，則 A( 3 )max=1=1.4, E =0.362 E所以：3 =3 n=2n f=2 n X 216=1357rad/s2.13設(shè)一力傳

9、感器可簡(jiǎn)化為典型的質(zhì)量 -彈簧-阻尼二階系統(tǒng)，已知該傳感器的固有頻率 fO=1OOOHz , 若其阻尼比為0.7，試問(wèn)用它測(cè)量頻率為 600Hz、400Hz的正弦交變力時(shí)，其輸出與輸入幅值比 A（ 3 ）和相 位差（3 ）各為多少？第三章電阻式傳感器3.1應(yīng)變電阻式傳感器的工作原理是什么？電阻應(yīng)變式傳感器的工作原理是基于應(yīng)變效應(yīng)的。當(dāng)被測(cè)物理量作用在彈性元件上，彈性元件在力、力矩或壓力等作用下發(fā)生形變，變換成相應(yīng)的應(yīng)變 或位移，然后傳遞給與之相連的應(yīng)變片，將引起應(yīng)變敏感元件的電阻值發(fā)生變化，通過(guò)轉(zhuǎn)換電路變成電量 輸出。輸出的電量大小反映了被測(cè)物理量的大小。3.2電阻應(yīng)變片的種類(lèi)有哪些？各有何特

10、點(diǎn)？按組成材料有金屬和半導(dǎo)體之分，金屬應(yīng)變片受力時(shí)，主要是基于應(yīng)變效應(yīng)，是引起應(yīng)變片的外形變 化進(jìn)而引起電阻值變化，而半導(dǎo)體應(yīng)變片時(shí)基于壓阻效應(yīng)工作的，當(dāng)受力時(shí)，引起應(yīng)變片的電阻率變化進(jìn) 而引起電阻值變化。按結(jié)構(gòu)形式有絲式和箔式之分。絲式是應(yīng)變金屬絲彎曲成柵式結(jié)構(gòu)，工藝簡(jiǎn)單，價(jià)錢(qián)便宜。箔式是采 用光刻和腐蝕等工藝制成的，工藝復(fù)雜，精度高，價(jià)錢(qián)較貴。3.3引起電阻應(yīng)變片溫度誤差的原因是什么？電阻應(yīng)變片的溫度補(bǔ)償方法是什么？一是電阻溫度系數(shù)，二是線膨脹系數(shù)不同。單絲自補(bǔ)償應(yīng)變片，雙絲組合式自補(bǔ)償應(yīng)變片，補(bǔ)償電路3.4試分析差動(dòng)測(cè)量電路在應(yīng)變式傳感器中的好處。靈敏度提高一倍，非線性得到改善。3.5如

11、果將100?應(yīng)變片粘貼在彈性元件上，試件截面積S=0.5 X 10-4m2,彈性模量E=2X 1011N/m2,若5X 104N的拉力引起應(yīng)變計(jì)電阻變化為1?,求該應(yīng)變片的靈敏度系數(shù)。解：K=?R?R1/ £，已知？R=1?，所以=RR100F50X 103292 b =N/m=1X 10N/m，-4A0.5 X 10b 1 X 109-3 由 b =Ee 得£ =5X 10，E2X 1011所以 K=?R/R1/100=2 £ 5 X 10-33.6 一個(gè)量程為10kN的應(yīng)變式測(cè)力傳感器，其彈性元件為薄壁圓筒軸向受力，外徑20mm內(nèi)徑18mm在其表面粘貼八個(gè)應(yīng)變

12、片，四個(gè)沿軸向粘貼，四個(gè)沿周向粘貼，應(yīng)變片的電阻值均為120?，靈敏度為2.0，泊松比為0.3，材料彈性模量為2.1 X 1011Pa，要求：（1）繪出彈性元件貼片位置及全橋電路。（2）計(jì)算傳感器在滿量程時(shí)，各應(yīng)變片電阻變化。（3）當(dāng)橋路的供電電壓為10V時(shí)，計(jì)算傳感器的輸出電壓。解：（2） A=n （R2-r2）=59.7 X 10-6m2?R1=?R2=?R3=?R4=kFR=0.191?AE?R5=?R6=?R7=?R8二廚R1二 0.0573 ?(3) U0=1mV3.7圖3.5中，設(shè)負(fù)載電阻為無(wú)窮大(開(kāi)路)，圖中， E=4V,解：(1) U0=ER1+?R1R3101t=4 X (-

13、)V0.01V(R1 + ?R1)+R2R3+R42012(2) U0=ER1+?R1R3101t=4 X (- )V=0V(R1+?R1)+(R2+?R2)R3+R42012(3) 當(dāng)R1受拉應(yīng)變，R2受壓應(yīng)變時(shí)，U0=ER1+?R1R3101t=4X (-)V=0.02V(R1+ ?R1)+(R2-? R2)R3+R42002當(dāng)R1受壓應(yīng)變，R2受拉應(yīng)變時(shí)，U0=ER1-?R1R3991=4X (- )V=-0.02V(R1 - ?R1)+(R2+?R2)R3+R420023.8圖3-11中，設(shè)電阻應(yīng)變片 R1的靈敏度系數(shù)K=2.05，未受應(yīng)變時(shí)，R仁120?。當(dāng)試件受力為 F時(shí)，應(yīng) 變片

14、承受平均應(yīng)變£ =800gm/m試求：(1)應(yīng)變片的電阻變化量 ？R1和電阻相對(duì)變化量？R1/R1。2)將電 阻應(yīng)變片R1置于單臂測(cè)量電橋，電橋電源電壓為直流3V,求電橋輸出電壓及其非線性誤差。(3 )如果要減小非線性誤差，應(yīng)采取何種措施？分析其電橋輸出電壓及非線性誤差的大小。解：(1) ?R1/R1=Ke =2.05 X 800X 10-6=1.64 X 10-3?R1=Ke X R1=1.64 X 10-3X 120=0.197 ?(2) U0=E?R13X =X 1.64 X 10-3=1.23mV4R14?R1/R11.64 X 10-3 y L=0.08%-32+?R1/R

15、12+1.64 X10(3) 若要減小非線性誤差，一是要提高橋臂比，二是要采用差動(dòng)電橋。第4章電感式傳感器4.1根據(jù)工作原理的不同，電感式傳感器可分為哪些種類(lèi)？可分為變磁阻式(自感式)、變壓器式和渦流式(互感式)4.2試分析變氣隙厚度變磁阻式電感式傳感器的工作原理。當(dāng)被測(cè)位移變化時(shí)，銜鐵移動(dòng)，氣隙厚度發(fā)生變化，引起磁路中磁阻變化，從而導(dǎo)致線圈的電感值變化。通過(guò)測(cè)量電感量的變化就能確定銜鐵位移量的大小和方向。4.3已知變氣隙厚度電感式傳感器的鐵芯截面積S=1.5cm2,磁路長(zhǎng)度L=20cm,相對(duì)磁導(dǎo)率 叮=5000，氣隙5 0=0.5cm，?5 =± 0.1mm 真空磁導(dǎo)率 卩0=n

16、X 10-7H/m,線圈匝數(shù) W=3000求單線圈式傳感器的靈敏度?L/?5。若將其做成差動(dòng)結(jié)構(gòu)，靈敏度如何變化？解: ?L=L0? 5 ?L,K= 5 0? 5W210A030002X 4n X 10-7X 1.5 X 10-4L0=H=54兀 X 10-3H-22 5 02 X 0.5 X 1054n X 10-3所以：K=10.8 n =34，0.5 X 10-2做成差動(dòng)結(jié)構(gòu)形式靈敏度將提高一倍。4.4差動(dòng)變磁阻式傳感器比單圈式變磁阻式傳感器在靈敏度和線性度方面有什么優(yōu)勢(shì)？為什么？靈敏度提高一倍。非線性得到改善。4.5試分析交流電橋測(cè)量電路的工作原理。電感式傳感器用交流電橋測(cè)量時(shí)，把傳感

17、器的兩個(gè)線圈作為電橋的兩個(gè)橋臂，另外兩個(gè)相橋臂用電阻代。當(dāng)銜鐵處于中間位置時(shí)，電橋無(wú)輸出；0=-當(dāng)銜鐵上移時(shí)，？S U,電橋輸出電壓與氣隙厚度的變化量？ S成正比；25 0? 5 當(dāng)銜鐵下移時(shí)，U0=25 0因輸入是交流電壓，所以可以根據(jù)輸出電壓判斷銜鐵位移大小，當(dāng)可能辨別方向。4.6試分析變壓器式交流電橋測(cè)量電路的工作原理。變壓器式交流電橋本質(zhì)上與交流電橋的分析方法一樣。電橋兩臂Z1,Z2為傳感器線圈阻抗，另外兩個(gè)橋臂為交流變壓器二次繞組阻抗的一半。當(dāng)傳感器的銜鐵位于中間位置時(shí)，輸出電壓為0，電橋處于平狀態(tài)。 ？ ？當(dāng)傳感器銜鐵上移時(shí)，U0=-=-2Z04L0?當(dāng)傳感器銜鐵下移時(shí)，U0=，可

18、得到與交流電橋完全一致的結(jié)果。=2Z04L04.7試分析差動(dòng)變壓器式傳感器工作原理。在A、B兩個(gè)鐵芯上繞有兩個(gè)一次繞組W1a,W1b=W1和兩個(gè)二次繞組 W2a,W2b=W2兩個(gè)一次繞組順向串接，兩個(gè)二次繞組反向串接。銜鐵處于 始位置時(shí)，差動(dòng)變壓器輸出電壓為零；0=-銜鐵上移時(shí)，U0=銜鐵下移時(shí)，U? 5 W2 U; 5 0W1i?5 W2 i 5 0W1變壓器輸出電壓可以表示銜鐵位移大小，但不能辨別方向。4.8引起零點(diǎn)殘余電壓的原因是什么？如何消除零點(diǎn)殘余電壓？原因有三：（1）傳感器的兩個(gè)次級(jí)繞組的電氣參數(shù)不同和幾何尺寸不對(duì)稱（2）磁性材料的磁化曲線的非線性（3）勵(lì)磁電壓本身含高次諧波。消除

19、方法：（1 ）盡可能保證傳感器的幾何尺寸、繞組線圈電氣參數(shù)和磁路的對(duì)稱；（2）采用適當(dāng)?shù)臏y(cè)量電路，如相敏整流電路。4.9在使用螺線管式傳感器時(shí)，如何根據(jù)輸出電壓來(lái)判斷銜鐵的位置？活動(dòng)銜鐵在中間時(shí)，輸出電壓 =0;活動(dòng)銜鐵位于中間位置以上時(shí)，輸出電壓與輸入電壓同頻同相；活動(dòng)銜鐵位于中間位置以下時(shí)，輸出電壓與輸入電壓同頻反相。需要采用專(zhuān)門(mén)的相敏檢波電路辨別位移的方向4.10如何通過(guò)相敏檢波電路實(shí)現(xiàn)對(duì)位移大小和方向的判定？相敏檢波電路的原理是通過(guò)鑒別相位來(lái)辨別位移的方向，即差分變壓器輸出的調(diào)幅波經(jīng)相敏檢波后， 便能輸出既反映位移大小，又反映位移極性的測(cè)量信號(hào)。經(jīng)過(guò)相敏檢波電路，正位移輸出正電壓，負(fù)位

20、移 輸出負(fù)電壓，電壓值的大小表明位移的大小，電壓的正負(fù)表明位移的方向。4.11電渦流式傳感器的線圈機(jī)械品質(zhì)因素會(huì)發(fā)生什么變化？為什么？產(chǎn)生電渦流效應(yīng)后，由于電渦流的影響，線圈復(fù)阻抗的實(shí)部（等效電阻）增大、虛部（等效電感）減小，因此，線圈的等效機(jī)械品質(zhì)因素下降。4.12為什么電渦流式傳感器被歸類(lèi)為電感式傳感器？它屬于自感式還是互感式？電渦流式傳感器的等效電氣參數(shù)都是互感系數(shù)M2的函數(shù)。通常總是利用其等效電感的變化組成測(cè)量電路，因此，電渦流式傳感器屬于（互感式）電感式傳感器。4.13舉例說(shuō)明變磁阻式傳感器、變壓器式傳感器、螺線管式傳感器和電渦流式傳感器的應(yīng)用，并分析工作原理。第五章電容式傳感器5.

21、1根據(jù)電容式傳感器的工作時(shí)變換參數(shù)的不同，可以將電容式傳感器分為哪幾種類(lèi)型？各有何特點(diǎn)？變面積式、變極距式、變介電常數(shù)5.2 一個(gè)以空氣為介質(zhì)的平板電容式傳感器結(jié)構(gòu)如圖5-3a所示，其中a=10mmb=16mm兩極板間距dO=1mm測(cè)量時(shí)，一塊極板在原始位置上向左平移了2mm求該傳感器的電容變化量、電容相對(duì)變化量和位移靈敏度K0（已知空氣的相對(duì)介電常數(shù)£ r=1，真空時(shí)的介電常數(shù) £ 0=8.854 X 10-12F/m）。解：（1）電容變化量£ 0 £ r?xb8.854 X 10-12X 1X 2 X 10-3 X16X 10-3-13?C=2.83

22、 X 10d01 X 10-3?C?x2mm=0.2Ca10mm?C2.83 X 10-13-10K=1.41 X 10?x2 X 10-35.3試討論變極距型電容式傳感器的非線性及其補(bǔ)償方法。差動(dòng)結(jié)構(gòu)5 L=?dX 100%d05.4有一個(gè)直徑為2m高5m的鐵桶，往桶內(nèi)連續(xù)注水，當(dāng)注水?dāng)?shù)量達(dá)到桶容量的80%寸停止，試分析用應(yīng)變片式傳感器或電容式傳感器來(lái)解決該問(wèn)題的途徑和方法。采用應(yīng)變式傳感器時(shí)，把應(yīng)變片貼在圓筒的外壁上，電阻分別受縱向和橫向應(yīng)變，并把應(yīng)變電阻組成差動(dòng)結(jié)構(gòu)的測(cè)量電路。變介電常數(shù)型電容傳感器測(cè)液位（差分式），通過(guò)測(cè)量水內(nèi)的重力，來(lái)控制注水?dāng)?shù)量。5.5試分析電容式厚度傳感器的工作原

23、理。5.6試推導(dǎo)圖5-19所示變介質(zhì)型電容式位移傳感器的特性方程C=f（x）。設(shè)真空的介電常數(shù)為 £ 0，圖中£2?£ 1，極板寬度為 W其他參數(shù)如圖5-19所示。5.7在題5-6中，設(shè)5 =d=1mm極板為正方形（邊長(zhǎng) 50mr） 。 £仁1, £ 2=4。試針對(duì)x=050mml的范圍內(nèi)， 繪出此位移傳感器的特性曲線，并給以適當(dāng)說(shuō)明。5.8某電容測(cè)微儀，其傳感器的圓形極板半徑r=4mm工作始間隙 d=0.3mm,問(wèn)：（1）工作時(shí)，如果傳感器與工件的間隙變化量 ？d=2m時(shí)，電容變化量是多少？（ 2）如果測(cè)量電路的靈敏度 S1=100mV/pF

24、,讀 數(shù)儀表的靈敏度S2=5格/mV,在?d=2gm時(shí)，讀數(shù)儀表的示值變化多少格？解：（1） ?C=0.987 X 10-14F（2） 5 格第六章壓電式傳感器6.1什么是壓電效應(yīng)？什么是逆壓電效應(yīng)？某些電介質(zhì)，沿一定方向施加外力使其變形時(shí)，其內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生極化現(xiàn)象而在表面出現(xiàn)正負(fù)電荷，外力 去掉后，又恢復(fù)成不帶電的狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。當(dāng)在壓電材料上施加交流電壓時(shí)，會(huì)使壓電材料產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)而變形，這種由電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)。6.2什么是壓電式傳感器？它有何特點(diǎn)？其主要用途是什么？利用壓電效應(yīng)制成的傳感器稱為壓電式傳感器，其特點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕、工作頻帶寬、靈敏度

25、高、信噪比高、工作可靠、測(cè)量范圍廣等。壓力式傳感器的用途：與力相關(guān)的動(dòng)態(tài)參數(shù)測(cè)量，如動(dòng)態(tài)力、機(jī)械沖擊、振動(dòng)等，它可以把加速度、壓力、位移、溫度等許多非電量轉(zhuǎn)換為電量。6.3試分析石英晶體的壓電效應(yīng)機(jī)理。石英晶體內(nèi)部為正立方體結(jié)構(gòu)，從晶體上切下一塊晶片，分析其壓電效應(yīng)：當(dāng)沿x軸方向施加作用力， 將在yz平面上產(chǎn)生電荷，其大小為 qx=d11fx當(dāng)沿著y軸方向施加作用力，仍然在yz平面上產(chǎn)生電荷，但極性相反，其大小為qy=d12aafy=-dllfybb 當(dāng)沿著z軸方向施加作用力，不會(huì)產(chǎn)生壓電效應(yīng)，沒(méi)有電荷產(chǎn)生。6.4試分析壓電陶瓷的壓電效應(yīng)機(jī)理。壓電陶瓷是人工制造的多晶體壓電材料。其內(nèi)部晶粒有一

26、定的極化方向，在無(wú)外電場(chǎng)作用下時(shí)，壓電 陶瓷呈電中性。當(dāng)在陶瓷上施加外電場(chǎng)時(shí)，晶粒的極化方向發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，內(nèi)部極化，此時(shí)去掉外電場(chǎng)，材料的整體極化 方向不變，壓電陶瓷具有壓電特性。極化后當(dāng)受到外力作用時(shí)，將導(dǎo)致在垂直于極化方向的平面上出現(xiàn)極化電荷，電荷量的大小與外力成 正比關(guān)系。6.5壓電材料的主要指標(biāo)有哪些？其各自含義是什么？壓電系數(shù)彈性系數(shù)介電常數(shù)機(jī)械耦合系數(shù)電阻居里點(diǎn)6.6在進(jìn)行壓電式材料的選取時(shí)，一般考慮的因素是什么？轉(zhuǎn)換性能機(jī)械性能電性能溫度、濕度穩(wěn)定性好時(shí)間穩(wěn)定性6.7試分析壓電式傳感器的等效電路。壓電式傳感器等效為一個(gè)電容器，正負(fù)電荷聚集的兩個(gè)表面相當(dāng)于電容的兩個(gè)極板。當(dāng)壓電元件受力

27、 作用時(shí)在其表面產(chǎn)生正負(fù)電荷，所以可以等效為一個(gè)電荷源和一個(gè)電容器并聯(lián)，也可以等效為一個(gè)電壓源 和一個(gè)電容器串聯(lián)。6.8試分析電荷放大器和電壓放大器兩種壓電式傳感器測(cè)量電路的輸出特性。傳感器與電壓放大器連接的電路，其輸出電壓與壓電元件的輸出電壓成正比，但容易受到電纜電容的 影響。傳感器與電荷放大器連接的電路，其輸出電壓與壓電元件的輸出電荷成正比，電路電容的影響小。6.9壓電元件在使用時(shí)常采用串聯(lián)或并聯(lián)的結(jié)構(gòu)形式，試述在不同接法下輸出電壓、輸出電荷、輸出 電容的關(guān)系，以及每種接法的適用場(chǎng)合。并聯(lián)接法在外力作用下正負(fù)電極上的電荷量增加了1倍，電容量也增加了 1倍，輸出電壓與單片時(shí)相同。適宜測(cè)量慢變

28、信號(hào)且以電荷作為輸出量的場(chǎng)合。1倍。適宜串聯(lián)接法上、下極板的電荷量與單片時(shí)相同，總電容量為單片時(shí)的一半，輸出電壓增大了 以電壓作為輸出信號(hào)且測(cè)量電路輸入阻抗很高的場(chǎng)合。6.10壓電元件的變形方式主要有哪些？厚度變形、長(zhǎng)度變形、體積變形、厚度剪切變形6.11何謂電壓靈敏度、電荷靈敏度，兩者有何關(guān)系？6.11試分析圖6-11所示壓電式力傳感器工作原理。第七章磁敏式傳感器7.1簡(jiǎn)述變磁通式和恒磁通式磁電感應(yīng)式傳感器的工作原理。恒磁通式傳感器是指在測(cè)量過(guò)程中使導(dǎo)體(線圈)位置相對(duì)于恒定磁通變化而實(shí)現(xiàn)測(cè)量的一類(lèi)磁電感 應(yīng)式傳感器。變磁通式磁電傳感器主要是靠改變磁路的磁通大小來(lái)進(jìn)行測(cè)量的，即通過(guò)改變測(cè)量磁

29、路中氣隙的大小，從而改變磁路的磁阻來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)量的。7.2為什么磁電感應(yīng)式傳感器的靈敏度在工作頻率很高時(shí)，將隨頻率增加而下降。7.3試解釋霍爾式位移傳感器的輸出電壓與位移成正比關(guān)系。7.4影響霍爾元件輸出零點(diǎn)的因素有哪些？如何補(bǔ)償？不等位電勢(shì)、溫度誤差7.5什么是霍爾效應(yīng)？霍爾電動(dòng)勢(shì)與哪些因素有關(guān)？當(dāng)載流導(dǎo)體中通電電流方向與磁場(chǎng)方向垂直時(shí)，在導(dǎo)體的兩個(gè)端面上就有電勢(shì)產(chǎn)生，這種現(xiàn)象叫做霍爾效應(yīng)。與載流子濃度、激勵(lì)電流大小、磁場(chǎng)強(qiáng)度、電子遷移率、載流導(dǎo)體的厚度有關(guān)。7.6某霍爾元件尺寸(I、b、d)為1.0cm*0.35cm*0.1cm，沿著I方向通以電流l=1.0mA，在垂直lb 面加有均勻磁場(chǎng)B=

30、0.3T，傳感器的靈敏度系數(shù)為22V/A?T，求其輸出霍爾電動(dòng)勢(shì)和載流子濃度。解：UH=KHIB=22K 1.0 X 10-3 X 0.3mV=6.6mVUH=vBb,vb=l=nevbd,n=UH6.6mV=2.2 X 10-4V/TB0.3TI=2.84 X 1020/m3Evbd第八章熱電式傳感器8.1什么是熱電效應(yīng)、接觸電動(dòng)勢(shì)、溫差電動(dòng)勢(shì)？?jī)煞N不同導(dǎo)體組成閉合回路，如果兩接點(diǎn)溫度不同，則在閉合回路中就有熱電勢(shì)產(chǎn)生，這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)。在熱電效應(yīng)中因?yàn)閷?dǎo)體電子密度不同，因接觸而產(chǎn)生的熱電勢(shì)稱為接觸電動(dòng)勢(shì)單一導(dǎo)體內(nèi)部，因?yàn)閮啥说臏囟炔煌a(chǎn)生的熱電勢(shì)稱為溫差電勢(shì)。8.2熱電偶的工作原理是什

31、么？熱電偶是基于熱電效應(yīng)工作的溫度傳感器。8.3什么是中間導(dǎo)體定律、中間溫度定律、標(biāo)準(zhǔn)電極定律、均質(zhì)導(dǎo)體定律？中間導(dǎo)體定律：在熱電偶測(cè)溫回路內(nèi)接入第三種導(dǎo)體，只要其兩端溫度相同，則回路的總熱電動(dòng)勢(shì)不變。中間溫度定律：熱電偶AB在接點(diǎn)溫度為t,t0時(shí)的熱電動(dòng)勢(shì)EAB(t,t0)等于它在接點(diǎn)溫度t,tc 和tc,t0時(shí) 的熱電動(dòng)勢(shì)EAB(t,tc)和EAB(tc,t0)的代數(shù)和。 標(biāo)準(zhǔn)電極定律：如果兩種導(dǎo)體 A B分別與第三種導(dǎo)體 C組成的熱電偶所產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢(shì)已知，則由這兩個(gè)導(dǎo)體A、B組成的熱電偶所產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢(shì)可由下式來(lái)確定：EAB(t,tO)=EAC(t,tO)-EBC(t,tO)均質(zhì)導(dǎo)體定

32、律：如果組成熱電偶的兩個(gè)熱電極的材料相同,無(wú)論兩接點(diǎn)的溫度是否相同，熱電偶回路中的總熱電勢(shì)均為0.8.4試說(shuō)明熱電偶的類(lèi)型與特點(diǎn)。結(jié)構(gòu)上分為普通熱電偶和特殊熱電偶。8.5熱電偶的冷端溫度補(bǔ)償有哪些方法？各自的原理是什么？補(bǔ)償導(dǎo)線法、冷端溫度恒溫法、冷端溫度計(jì)算校正法、電橋法。8.6試設(shè)計(jì)測(cè)溫電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)某一點(diǎn)的溫度、某兩點(diǎn)的溫度差、某三點(diǎn)的平均溫度進(jìn)行測(cè)量。8.7用兩只K型熱電偶測(cè)量?jī)牲c(diǎn)溫度差，其連接電路如圖8-30所示。已知t仁4200C，t0=300C，測(cè)得兩點(diǎn)的溫差電勢(shì)為15.24mV，問(wèn)兩點(diǎn)的溫差是多少？如果測(cè)量 t1溫度的那只熱電偶錯(cuò)用的是 E型熱電偶， 其他都正確，則兩點(diǎn)的實(shí)際溫度

33、是多少？8.8將一支鎳鉻-鎳硅熱電偶與電壓表相連，電壓表接線端是50 C，若電位計(jì)上讀數(shù)是 6.0mV，問(wèn)熱電偶熱端溫度是多少？197度8.9 鉑電阻溫度計(jì)在100C時(shí)的電阻值是139?，當(dāng)它與熱的氣體接觸時(shí)，電阻值增至281?，試確定該氣體的溫度？(設(shè) 0°c時(shí)的電阻值為100?).8.10 鎳鉻-鎳硅熱電偶的靈敏度為 0.04mV/C ,把它放在溫度為1200 C處，若以指示表作為冷端，此處 溫度為50C，試求熱電動(dòng)勢(shì)的大小。46mV8.11 將一靈敏度為0.08mV/ C的熱電偶與電壓表連接，電壓表接線端是50 C，若電位計(jì)上讀數(shù) 60mV求熱電偶的熱端溫度。8008.12使用

34、K型熱電偶，參考端溫度為0C,測(cè)量熱端溫度為30C和900C時(shí)，溫差電勢(shì)分別為1.203mV 和37.326mV。當(dāng)參考端溫度為 30C，測(cè)量點(diǎn)溫度為 900 C時(shí)的溫差電勢(shì)為多少？36.123mV8.13 如果將圖8-12中得兩支相同類(lèi)型的熱電偶順向串聯(lián)，是否可以測(cè)量?jī)牲c(diǎn)間的平均溫度，為什么？ 可以測(cè)量總溫度8.14熱電阻有什么特點(diǎn)？ ( 1 )熱電阻測(cè)量電路優(yōu)點(diǎn)：精度高，性能穩(wěn)定，適于測(cè)低溫。(2)熱慣性大，需輔助電源。8.15試分析三線制和四線制接法在熱電阻測(cè)量中的原理及其不同特點(diǎn)。三線制：熱電阻引出 3根導(dǎo)線，其中兩根分別與電橋的相 兩臂串聯(lián)，另外一根與電橋電源相串聯(lián)， 它對(duì)電橋的平

35、沒(méi)有影響。廣泛用于工業(yè)測(cè)溫。四線制：熱電阻引出 4根導(dǎo)線，分別接在電流和電壓的回路，4根導(dǎo)線的電阻對(duì)測(cè)量都沒(méi)有影響。8.16對(duì)熱敏電阻進(jìn)行分類(lèi)，并敘述其各自不同的特點(diǎn)。正溫度系數(shù)、正溫度系數(shù)、臨界溫度系數(shù)熱敏電阻。8.17某熱敏電阻，其 B值為2900K，若冰點(diǎn)電阻為500k?,求該熱敏電阻在100C時(shí)的阻抗。 29k ?第九章 光電式傳感器？9.1什么是光電式傳感器？光電式傳感器的基本工作原理是什么？利用光電器件把光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)（電壓、電流、電阻等）的裝置。光電式傳感器的基本工作原理是基于光電效應(yīng)的，即因光照引起物體的電學(xué)特性而改變的現(xiàn)象。9.2光電式傳感器按照工作原理可分為哪四大類(lèi)？反

36、射式、透射式、9.3光電式傳感器的基本形式有哪些？9.4什么是光電效應(yīng)？?jī)?nèi)光電效應(yīng)？外光電效應(yīng)？光電效應(yīng)、內(nèi)光電效應(yīng)、外光電效應(yīng)9.5典型的光電器件有哪些？光電管、光敏電阻、光敏晶體管、光敏二極管、光電耦合器9.6光電管是如何工作的？其主要特性是什么？光照在光電管的陰極上，陰極電子吸收光子，克服表面功，向外發(fā)生電子，電子在外加電場(chǎng)的作用下,被光電管的陽(yáng)極收集并形成光電流。9.7簡(jiǎn)述光電倍增管得工作原理。光電倍增管的主要參數(shù)有哪些？倍增系數(shù)；光電陰極靈敏度和光電管總靈敏度；暗電流；光譜特性。9.8試畫(huà)出光敏電阻的結(jié)構(gòu)；光敏電阻的主要參數(shù)有哪些？暗電阻，亮電阻，暗電流，亮電流，光電流。9.9試區(qū)分

37、硅光電池和硒光電池的結(jié)構(gòu)與工作原理。9.10試解釋光敏管的工作原理。介紹光敏二極管和光敏晶體管的主要特性。光譜特性、伏安特性、光照特性、頻率特性。9.11試介紹MOSt敏單元的工作原理。一個(gè)MOS電容器是一個(gè)光敏元，可以感受一個(gè)像素點(diǎn)，CCD的基本功能是信號(hào)電荷的產(chǎn)生、存儲(chǔ)、傳輸和輸出。9.12CCD的電荷轉(zhuǎn)移原理是什么？CCD器件基本結(jié)構(gòu)式一系列彼此非?？拷腗OS光敏元，這些光敏元使用同一半導(dǎo)體襯底：氧化層均勻、連續(xù)；相 金屬電極間隔極小。任何可移動(dòng)的電荷都將力圖向表面勢(shì)大的位置移動(dòng)。為了保證信號(hào)電 荷按確定的方向和路線移動(dòng)，在MOS光敏元陣列上所加的各路電壓脈沖要求嚴(yán)格滿足相位要求。9.

38、13試對(duì)面陣型CCDS像傳感器進(jìn)行分類(lèi)，并介紹它們各自有何特點(diǎn)？9.14為什么要求CCD器件的電荷轉(zhuǎn)移效率要很高？9.15舉例說(shuō)明CCDS像傳感器的應(yīng)用。9.16什么是全反射？光纖的數(shù)值孔徑有何意義？數(shù)值孔徑是光纖的一個(gè)重要參數(shù)，它能反映光纖的集光能力，光纖的數(shù)值孔徑越大，集光能力就越強(qiáng)9.17試區(qū)分功能型和非功能型光纖傳感器。功能型是傳感型，非功能型是傳光型。9.18試解釋波長(zhǎng)調(diào)制型光纖傳感器的工作原理。9.19舉例說(shuō)明利用光纖傳感器實(shí)現(xiàn)溫度的測(cè)量方法。9.20試分析二進(jìn)制碼盤(pán)和循環(huán)碼盤(pán)的特點(diǎn)。二進(jìn)制碼盤(pán)最大的問(wèn)題是任何微小的制作誤差，都可能造成讀數(shù)的粗誤差。循環(huán)碼是無(wú)權(quán)碼，任何相的兩個(gè)數(shù)碼

39、間只有一位是變化的。9.21試區(qū)別接觸式碼盤(pán)和非接觸式碼盤(pán)的優(yōu)缺點(diǎn)。9.22試解釋光電編碼器的工作原理。9.23 一個(gè)8位光電碼盤(pán)的最小分辨率是多少？如果要求每個(gè)最小分辨率對(duì)應(yīng)的碼盤(pán)圓弧長(zhǎng)度至少為0.01mm,則碼盤(pán)半徑應(yīng)有多大？1.40625 度，0.0245 弧度，0.0408mm9.24利用某循環(huán)碼盤(pán)測(cè)得結(jié)果為“0110 ”，其實(shí)際轉(zhuǎn)過(guò)的角度是多少？二進(jìn)制碼為0100, 90度9.25試分析脈沖盤(pán)式編碼器的辨向原理。9.26計(jì)量光柵是如何實(shí)現(xiàn)測(cè)量位移的？主光柵與運(yùn)動(dòng)部件連在一起，當(dāng)被測(cè)物體運(yùn)動(dòng)時(shí)，在主光柵、指示光柵后面形成黑白相間的莫爾條紋，條紋寬度和運(yùn)動(dòng)部件的位移成正比。9.27計(jì)量光

40、柵中為何要引入細(xì)分技術(shù)？細(xì)分的基本原理是什么？光柵測(cè)量原理是以移過(guò)的莫爾條紋數(shù)量來(lái)確定位移量，其分辨率為光柵柵距?，F(xiàn)代測(cè)量不斷提出高精度的要求，為了提高分辨率，測(cè)量比光柵柵距更小的位移量，可以采用細(xì)分技術(shù)。細(xì)分就是為了得到比柵距更小的分度值，即在莫爾條紋信號(hào)變化的一個(gè)周期內(nèi)，發(fā)出若干個(gè)計(jì)數(shù)脈沖，以減少每個(gè)脈沖相當(dāng)?shù)奈?移，相應(yīng)地提高測(cè)量精度。第十章輻射與波式傳感器10.1紅外探測(cè)器有哪些類(lèi)型？并說(shuō)明它們的工作原理。（1）熱探測(cè)器：有熱敏電阻型、熱電阻型、高萊氣動(dòng)型和熱釋電型（2）光子探測(cè)器10.2什么是熱釋電效應(yīng)？熱釋電效應(yīng)與哪些因素有關(guān)？在居里點(diǎn)以下時(shí)，由于溫度的變化引起鐵電體的極化強(qiáng)度改變的現(xiàn)象稱為熱釋電效應(yīng)。熱釋電效應(yīng)與 鐵電體材料、敏感面、厚度均有關(guān)（等效電容）10.3什么被稱為“大氣窗口”，它對(duì)紅外線的傳播有什么影響？通常把太陽(yáng)光通過(guò)大