傳感器技術(shù)(賈伯年)習(xí)題

1、僅供參考習(xí)題11-1衡量傳感器靜態(tài)特性的主要指標(biāo)有哪些？說說它們的含義。答：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、 靈敏度：傳感器輸出量增量與被測輸入量增量之比。3、 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。4、回差：反映傳感器在正（輸入量增大）反（輸入量減?。┬谐踢^程中對應(yīng)于同一輸入量，輸出量曲線的不重合程度指標(biāo)。5、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程連續(xù)多次變動時，所得特性曲線間一致程度的指標(biāo)。6、閾值：是能使傳感器輸出端產(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、

2、穩(wěn)定性：傳感器在相當(dāng)長時間內(nèi)仍保持其性能的能力。8、漂移：指在一定時間間隔內(nèi)，傳感器輸出量存在著與被測輸人量無關(guān)的、不需要的變化。9、靜態(tài)誤差(精度）：指傳感器在滿量程內(nèi)任一點(diǎn)輸出值相對其理 論值的可能偏離(逼近)程度。它表示采用該傳感器進(jìn)行靜態(tài)測量時所得數(shù)值的不確定度。1-2 計算傳感器線性度的方法有哪幾種？差別何在？ 答： 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。兩端誤差為零，中間大。 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

3、。這種方法的擬合精度最高，但只可用圖解法或計算法得。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 平方和最小但擬合出的直線與標(biāo)定曲線的最大偏差絕對值不一定最小，最大正負(fù)偏差的絕對值也不一定相等 。1-4怎樣評價傳感器的綜合靜態(tài)特性和動態(tài)特性？！答：傳感器的綜合靜態(tài)特性和動態(tài)特性的評價主要從它的線性度、回差、重復(fù)性、靈敏度、分辨力，頻率響應(yīng)特性和階躍響應(yīng)特性指標(biāo)進(jìn)行。1-5為什么要對傳感器進(jìn)行標(biāo)定和校準(zhǔn)？舉例說明傳感器靜態(tài)標(biāo)定和動態(tài)標(biāo)定的方法（能說出一般標(biāo)定的基本方法則更好！）。答：因?yàn)樾卵兄苹蛏a(chǎn)的傳感器需對其技術(shù)性能進(jìn)行全面的檢定;經(jīng)過一段時間儲存或使用的

4、傳感器也需對其性能進(jìn)行復(fù)測。靜態(tài)標(biāo)定：靜態(tài)標(biāo)定主要用于檢測、測試傳感器(或傳感器系統(tǒng))的靜態(tài)特性指標(biāo)，如靜態(tài)靈敏度、 非線性、回差、重復(fù)性等。進(jìn)行靜態(tài)標(biāo)定首先要建立靜態(tài)標(biāo)定系統(tǒng)?；痉椒ǎ豪脴?biāo)準(zhǔn)儀器產(chǎn)生已知非電量(如標(biāo)準(zhǔn)力、壓力、位移)作為輸入量，輸入到待標(biāo)定的傳感器中，然后將傳感器輸出量與輸入標(biāo)準(zhǔn)量比較，獲得一系列標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)或曲線。有時輸入的標(biāo)準(zhǔn)量是利用標(biāo)準(zhǔn)傳感器檢測得到，這時標(biāo)定實(shí)質(zhì)上是待標(biāo)定傳感器與標(biāo)準(zhǔn)傳感器之間的比較。標(biāo)定步驟(a)將傳感器全量程 (測量范圍) 分成若干等間距點(diǎn)；(b)根據(jù)傳感器量程分點(diǎn)情況，由小到大逐漸一點(diǎn)一點(diǎn)的輸入標(biāo)準(zhǔn)量值，并記錄各輸入值相對應(yīng)的輸出值；(c)將輸入

5、值由大到小逐步減少，同時記錄與各輸入值相對應(yīng)的輸出值；(d)按 (b)，(c) 所述過程，對傳感器進(jìn)行正、反行程往復(fù)多次測試，將得到的輸出輸入測試數(shù)據(jù)用表格列出或畫成曲線；(e)對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的處理，根據(jù)處理結(jié)果就可確定傳感器的線性度、靈敏度、滯后和重復(fù)性等靜態(tài)特性指標(biāo)。例如應(yīng)變式測力傳感器靜態(tài)標(biāo)定系統(tǒng)。測力機(jī)產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)力，高精度穩(wěn)壓電源經(jīng)精密電阻箱衰減后向傳感器提供穩(wěn)定的供 橋電壓，其值由數(shù)字電壓表讀取，傳感器的輸出電壓由另一數(shù)字電壓表指示。動態(tài)標(biāo)定：主要用于檢驗(yàn)、測試傳感器(或傳感器系統(tǒng)）的動態(tài)特性，如動態(tài)靈敏度、頻率 響應(yīng)和固有頻率等。對傳感器進(jìn)行動態(tài)標(biāo)定，需要對它輸入一標(biāo)準(zhǔn)激勵信號。

6、例如測振傳感器的動態(tài)標(biāo)定常采用振動臺（通常為電磁振動臺）產(chǎn)生簡諧振動作傳感器的輸人量。振動的振幅由讀數(shù)顯微鏡讀得，振動頻率由頻率計指示。若測得傳感器的輸出電量，即可通過計算得到位移傳感器、速度傳感器、加速度傳感器的動態(tài)靈敏度。若改變振動頻率，設(shè)法保持振幅、速度或加速度幅值不變，可相應(yīng)獲得上述各種傳感器的頻率響應(yīng)。1-8用公式計算習(xí)題22-1金屬應(yīng)變計與半導(dǎo)體應(yīng)變計在工作原理上有何異同？試比較應(yīng)變計各種靈敏系數(shù)（指材料的和應(yīng)變片的）概念的不同物理意義。答：相同點(diǎn)，兩者都由外力作用產(chǎn)生形變而使得電阻變化。不同點(diǎn)，金屬材料的應(yīng)變效應(yīng)以機(jī)械形變?yōu)橹?；而半?dǎo)體材料的應(yīng)變效應(yīng)以機(jī)械形變導(dǎo)致的電阻率的相對變

7、化為主。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。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。應(yīng)變片的靈敏系數(shù) K 表示安裝在被測試件上的應(yīng)變片在其軸向受單向應(yīng)力時，引起的電阻相對變化DR/R與其單向應(yīng)力引起的試件表面軸向應(yīng)變et之比。應(yīng)變片K值的準(zhǔn)確性直接關(guān)系應(yīng)變測量精度，其誤差大小是衡量質(zhì)量優(yōu)劣的重要標(biāo)志。2-3 簡述電阻應(yīng)變計產(chǎn)生熱輸出（溫度誤差）的原因及其補(bǔ)償辦法。答

8、：電阻應(yīng)變計的溫度效應(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，會產(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(2) 雙絲自補(bǔ)償應(yīng)變計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。答：因?yàn)殡姌虻妮敵鰺o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) 差動電橋補(bǔ)償法利用差動電橋呈現(xiàn)相對臂“和”，相鄰臂“差”的特征，通過應(yīng)變計合理布片達(dá)到補(bǔ)償目的。常用的有半橋差動電路和全橋差動電路。(2) 恒流源補(bǔ)償法誤差主要由于應(yīng)變電阻Ri的變化

9、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)變計構(gòu)成應(yīng)變式傳感器？對其各組成部分有何要求？答：（1）是作為傳感器的敏感元件（2）作為轉(zhuǎn)換元件，通過彈性敏感元件構(gòu)成傳感器。要求：作為傳感器的敏感元件時，測量范圍要廣，分辨力和靈敏度要高，非線性誤差要小，結(jié)構(gòu)輕小，對試件影響小。作為轉(zhuǎn)換元件，通過彈性敏感元件構(gòu)成傳感器時要注意彈性體型式的選擇與計算、應(yīng)變計的合理布片與橋接。2-9試推導(dǎo)圖2-16所示四等臂平衡差動電橋的輸出特性：Uo=f(R/R)。從導(dǎo)出的結(jié)果說明用電阻應(yīng)變計進(jìn)行非電量測量時為什么要采用差動電橋？答：全橋差動電路，R1,R3受拉，R2,R4受壓，代入，得由全

10、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)樗谋鄄顒庸ぷ?，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。2-12 何謂壓阻效應(yīng)？擴(kuò)散硅壓阻式傳感器與貼片型應(yīng)變式傳感器相比有何優(yōu)缺點(diǎn)？如何克服？答：壓阻效應(yīng)，半導(dǎo)體單晶硅、鍺等材料在外力的作用下電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象。優(yōu)點(diǎn)：尺寸、橫向效應(yīng)、機(jī)械滯后都很小，靈敏系數(shù)比金屬電阻應(yīng)變片大幾十倍，因而輸出也大，可以不需放大器直接與記錄儀連接，使得測量系統(tǒng)簡化。擴(kuò)散硅式適合做小量程傳感器，精度更高，電阻應(yīng)變片適合做大量程傳感器缺點(diǎn)：1)溫度穩(wěn)定性差(電阻值隨溫度變化)；2)靈敏度的

11、非線性較大，可造成±3%5%的測量誤差措施：在使用時需采用溫度補(bǔ)償和非線性補(bǔ)償?shù)却胧?。?xí)題33-1 比較差動式自感傳感器和差動變壓器在結(jié)構(gòu)上及工作原理上的異同。答：相同點(diǎn)：都應(yīng)用電磁感應(yīng)原理，都有差動過程。不同點(diǎn)：差動變氣隙式自感傳感器由兩個電氣參數(shù)和磁路完全相同的線圈組成銜鐵3上下移動時，一個線圈自感增加，另一個自感減少，形成差動。差動變壓器初級線圈作為差動變壓器的激勵，相當(dāng)于變壓器原邊，次級線圈由結(jié)構(gòu)尺寸和參數(shù)相同的兩個線圈反相串接而成，相當(dāng)于變壓器的副邊。3-3用變磁阻式傳感器進(jìn)行測量時，在什么情況下應(yīng)采用與校正時相同的電纜？為什么?答：當(dāng)傳感器工作在較高的激勵頻率下時應(yīng)采用校

12、正時相同的電纜。因?yàn)閭鞲衅鞔嬖诓⒙?lián)電容C,它會使得靈敏度提高，如果更換電纜，在較高的激勵頻率下總電容C會發(fā)生變化，從而對測量結(jié)果產(chǎn)生影響。3-4 變間隙式、變截面式和螺管式三種電感式傳感器各適用什么場合？優(yōu)缺點(diǎn)？答：變氣隙式靈敏度較高，但輸出非線性，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，線性范圍大，但靈敏度較前兩種低。3-6 差動式電感傳感器為什么常采用相敏檢波電路？分析原理。答：因?yàn)闇y量電路不具有

13、判別信號相位和頻率的能力，抗干擾能力弱。而相敏檢波電路可以起到判別作用。原理：使高頻調(diào)幅信號與高頻載波信號相乘，經(jīng)濾波后輸出低頻解調(diào)信號。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。答：差動自感式傳感器當(dāng)銜鐵位于中間位置時，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。 原因：零位電壓包含基波和高次諧波。產(chǎn)生基波分量的原因：傳感器兩線圈的電氣參數(shù)和幾何尺寸的不對稱，以及構(gòu)成電橋另外兩臂的電氣參數(shù)不一致；產(chǎn)生高次諧波分量的原因：磁性材料磁化曲線的非線性。措施：1、合理選擇磁性材料與激勵電流；2、一般常用方法是采用補(bǔ)償電路，其原理為： (1)串聯(lián)電

14、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。3、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。4、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。Ok！3-9 造成自感式傳感器和差動變壓器溫度誤差的原因及其減小措施。答：原因：(1)材料的線膨脹系數(shù)引起零件尺寸的變化 (2)材料的電阻率溫度系數(shù)引起線圈銅阻的變化 (3)磁性材料磁導(dǎo)率溫度系數(shù)、繞組絕緣材料的介質(zhì)溫度系數(shù)和線圈幾何尺寸變化引起線圈電感量及

15、寄生電容的改變等造成。措施：其材料除滿足磁性能要求外，還應(yīng)注意線膨脹系數(shù)的大小與匹配。傳感器采用陶瓷、聚砜、夾布膠木、弱磁不銹鋼等材料作線圈骨架，或采用脫胎線圈。還可采取穩(wěn)定激勵電流的方法。Ok！3-10差動變壓器式傳感器采用恒流激磁有什么好處？答：差動變壓器初級線圈在低頻激勵時品質(zhì)因數(shù)低，溫度誤差大，采用恒流激磁可以提高線圈的品質(zhì)因數(shù)，減小溫度誤差。 3-11電源頻率波動對電感式傳感器的靈敏度有何影響？如何確定傳感器的電源頻率？答：電源頻率的波動會使線圈感抗發(fā)生變化，從而使得靈敏度發(fā)生變化，造成誤差。應(yīng)該按照傳感器的精度要求去確定電源的頻率。（應(yīng)該根據(jù)盡可能使靈敏度與頻率無關(guān)的原則）3-12

16、 試從電渦流式傳感器的原理簡要說明它的各種應(yīng)用。答：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。3-13用反射式電渦流傳感器測量位移或振幅時對被測體要考慮哪些因素？為什么？答：1、被測體的電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率對傳感器的靈敏度的影響。當(dāng)被測體為磁性時，靈敏度較非磁性低。2、被測物體表面有

17、鍍層，鍍層的性質(zhì)和厚度不均勻也會影響精度，當(dāng)測量轉(zhuǎn)動或移動的被測體時，這種不均勻?qū)⑿纬筛蓴_信號。3、大小和形狀，為了能夠充分利用電渦流效應(yīng)。4、當(dāng)被測體為圓柱體時，只有其直徑為線圈的3.5倍以上才不影響測量結(jié)果。5、厚度。習(xí)題44-1 電容式傳感器可分為哪幾類？各自的主要用途是什么？答：1、變極距型電容傳感器：差動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)上的對稱性，它還能有效地補(bǔ)償溫度變化所造成的誤差。由于變極距型的分辨力極高，可測小至0.01m的線位移，故在微位移檢測中應(yīng)用最廣。 2、變面積型電容傳感器：變面積型電容傳感器與變極距型相比，其靈敏度較低。這種傳感器的輸出特性呈線

18、性。因而其量程不受線性范圍的限制，適合于測量較大的直線位移和角位移。在實(shí)際應(yīng)用中，也采用差動式結(jié)構(gòu)，以提高靈敏度。 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?？梢杂脕頊y量紙張、絕緣薄膜等的厚度，也可用來測量糧食、紡織品、木材或煤等非導(dǎo)電固體物質(zhì)的濕度。Ok！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？答：原因：靈敏度與初始極距的平方成反比，用減少初始極距的辦法來提高靈敏度，但初始極距的減小會導(dǎo)致非線性誤差增大。 采用差動式，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。Ok！4-3 為什么電容式傳感器的絕緣

19、、屏蔽和電纜問題特別重要？如何解決？答：原因：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)動電纜法、整體屏蔽法、采用組合式與集成技術(shù)。Ok！4-5為什么高頻工作的電容式傳感器連接電纜的長度不能隨意變動？答：電纜在低頻狀態(tài)下的電阻極小，而在高頻狀態(tài)下，它自身的寄生參數(shù)比如寄生電容，寄生電感就不得不考慮，長度變化后，這些參數(shù)也會跟著變化，進(jìn)而影響高頻信號的質(zhì)量。Ok！習(xí)題55-12何謂霍爾效應(yīng)？利用

20、霍爾效應(yīng)可以進(jìn)行哪些參數(shù)的測量？答：（1）霍爾效應(yīng)指由導(dǎo)電材料（金屬導(dǎo)體或半導(dǎo)體）中電流與外磁場相互作用而產(chǎn)生電勢的物理現(xiàn)象。（2）利用霍爾效應(yīng)可以測量大電流、微氣隙磁場、微位移、轉(zhuǎn)速、加速度、震動、壓力、流量、和液位等可以與敏感元件轉(zhuǎn)換成位移關(guān)系的參數(shù)。5-13霍爾元件的不等位電勢和溫度影響是如何產(chǎn)生的？可采取哪些方式來減小之？答：（1）不等位電勢產(chǎn)生原因： 霍爾電極安裝位置不對稱或不在同一等電位面上； 半導(dǎo)體材料不均勻造成了電阻率不均勻或是幾何尺寸不均勻； 激勵電極接觸不良造成激勵電流不均勻分布等。 措施：控制電流為直流時，將霍爾元件看成電阻電橋，利用調(diào)節(jié)電橋平衡的外接電路來補(bǔ)償不等位電勢

21、。控制電流為交流時，要同時進(jìn)行幅值和相位的補(bǔ)償。（2）溫度誤差原因：霍爾元件的霍爾系數(shù)、電阻率、和載流子遷移率、UH、輸入電阻、輸出電阻都是溫度的函數(shù)，所以溫度變化會引起誤差。減小措施：使用溫度系數(shù)小的元件，并根據(jù)精度要求進(jìn)行補(bǔ)償。補(bǔ)償時采用橋路補(bǔ)償器法。還有電流控制方法5-14磁敏傳感器有哪幾種？它們各有什么特點(diǎn)？可用來測哪些參數(shù)？答：（1）霍爾傳感器特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單、工藝成熟、體積小、工作可靠、壽命長、線性好、頻帶寬?？捎脕頊y量：大電流、微氣隙磁場、微位移、轉(zhuǎn)速、加速度、震動、壓力、流量、和液位等參數(shù)。（2）磁敏電阻器特點(diǎn)：磁檢測靈敏度高；輸出信號幅值大；抗電磁干擾能力強(qiáng)；分辨力高。磁敏電阻

22、器主要用來檢測磁場強(qiáng)度及其分布，測位移。（3）磁敏二極管特點(diǎn)：體積小, 靈敏度高。磁敏二極管主要用于測量磁場的變化，比較適合應(yīng)用在精度要求不高，能獲得較大電壓輸出的場合；可用于電鍵、轉(zhuǎn)速計、無刷電機(jī)、無觸點(diǎn)開關(guān)和簡易高斯計、磁探傷等。習(xí)題66-1 何謂壓電效應(yīng)？何謂縱向壓電效應(yīng)和橫向壓電效應(yīng)？答：某些電介質(zhì)，當(dāng)沿一定方向?qū)ζ涫┝Χ顾冃螘r，其內(nèi)部產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時在兩個相應(yīng)表面上產(chǎn)生極性相反的電荷，當(dāng)外力拆除后，又重新恢復(fù)到不帶電狀態(tài)的現(xiàn)象。且作用力方向改變時，電荷極性也隨著改變。這種現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)，或簡稱壓電效應(yīng)。 當(dāng)在電介質(zhì)的極化方向施加電場時，這些電介質(zhì)就在相應(yīng)方向上產(chǎn)生機(jī)械變形或

23、機(jī)械壓力，當(dāng)外加電場撤去時，這些變形或應(yīng)力也隨之消失的現(xiàn)象。這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)，或稱電致伸縮。石英晶體沿電軸X-X方向的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)稱為“縱向壓電效應(yīng)”；把沿機(jī)械軸Y-Y方向的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)稱為“橫向壓電效應(yīng)”。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)。答：主要特性參數(shù)：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

24、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)。 6-4為了提高壓電式傳感器的靈敏度，設(shè)計中常采用雙晶片和多晶片組合，試說明其組合的方式和適用的場合。答：（1）并聯(lián)：特點(diǎn)是輸出電容大，輸出電荷大，所以時間常數(shù)，適合于測量緩變信號，且以電荷作為輸出的場合。 （2）串聯(lián): 特點(diǎn)是輸出電壓大，本身電容小，適合于以電壓作為輸出信號，且測量電路輸出阻抗很高的場合。

25、Ok！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？答：由于外力作用在壓電元件上產(chǎn)生的電荷只有在無泄漏的情況下才能保存，即需要測量回路具有無限大的輸入阻抗，這實(shí)際上是不可能的，而且壓電元件易受電纜和接地回路噪聲影響，故不適合靜態(tài)測量。在實(shí)際應(yīng)用中可采取措施（如極高阻抗負(fù)載等）防止電荷經(jīng)測量電路的漏失或使之減小到最低程度這樣可以用來測量準(zhǔn)靜態(tài)量。6-7簡述壓電式傳感器前置放大器的作用，兩種形式各自的優(yōu)缺點(diǎn)及其如何合理選擇回路參數(shù)。答：電壓放大器作用：把壓電期間的高輸出阻抗變換為傳感器的低輸出阻抗，并保持輸出電壓與輸入電壓成正比；優(yōu)點(diǎn)：電路簡單、成

26、本低、工作穩(wěn)定可靠；缺點(diǎn)：低頻特性差電荷放大器作用：把壓電器件高內(nèi)阻的電荷源變換為傳感器低內(nèi)阻的電壓源，以實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，并使其輸出電壓與輸入電荷成正比；優(yōu)點(diǎn)：電路線性較好，無接長和變動電纜的后顧之憂；缺點(diǎn)：有零漂現(xiàn)象。習(xí)題77-1熱電式傳感器有哪幾類？它們各有什么特點(diǎn)？答：熱電式傳感器可分為兩大類：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。缺點(diǎn):測量

27、準(zhǔn)確度難以超過0.2， 必須有參考端，并且溫度要保持恒定。·在高溫或長期使用時，因受被測介質(zhì)影響或氣氛腐蝕作用（如氧化、還原）等而發(fā)生劣化7-2常用的熱電阻有哪幾種，適用范圍如何？答：常用的熱電阻有鉑熱電阻和銅電阻。鉑熱電阻適用范圍：0660°C和-1900°C。銅熱電阻適用范圍：-50+150°C。7-3熱敏電阻與熱電阻相比較有什么優(yōu)缺點(diǎn)？用熱敏電阻進(jìn)行線性溫度測量時必須注意什么問題？答：優(yōu)點(diǎn)：（1）電阻溫度系數(shù)大，靈敏度高，約為熱電阻的10倍；（2）結(jié)構(gòu)簡單，體積小，可以測量點(diǎn)溫度；（3）電阻率高，熱慣性小，適宜動態(tài)測量；（4）易于維護(hù)和進(jìn)行遠(yuǎn)距離控

28、制（5）制造簡單，使用壽命長。阻值大，可以不考慮引線電阻影響。缺點(diǎn)：互換性差，非線性嚴(yán)重。穩(wěn)定性差進(jìn)行線性溫度測量時應(yīng)注意：流過熱敏電阻的溫度不能太大，應(yīng)在其額定范圍內(nèi)?；蛘咭冗M(jìn)行非線性校正。7-4利用熱電偶測溫度必須具備哪兩個條件？答：（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度時有什么實(shí)際意義？答：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，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。 意義：利用這個定律可以將第三導(dǎo)體換成毫伏表，只要保證兩個接點(diǎn)溫度一致，就可以完成熱電勢的測量而不影

29、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。意義：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)。Ö7-6什么是中間溫度定律和參考電極定律？它們各有什么實(shí)際意義？答：中間溫度定律：回路的總熱電勢等于熱電偶電勢與連接導(dǎo)線電勢的代數(shù)和。意義：為定制分度表奠定了理論基礎(chǔ)。參考電極定律: 參考電極與各種電極配對時的總熱電勢為兩電極配對后的電勢之差。 意義：利用參考電極定律可以大大簡化熱電偶選配工作。7-7用鎳鉻-鎳硅熱電偶測得介質(zhì)溫度為800°C，若參考端溫度為25°C，問介質(zhì)的實(shí)際溫度為

30、多少？答：t=介質(zhì)溫度+k*參考溫度，800+1*25=825°C Ö7-8熱電式傳感器除了用來測量溫度外是否還能用來測量其他量？舉例。答：測量管道流量，測氣體成分，鑒別金屬材質(zhì)。7-9實(shí)驗(yàn)室備有鉑銠鉑熱電偶、鉑電阻器和半導(dǎo)體熱敏電阻器，今欲測量某設(shè)備外殼的溫度。已知其溫度約為300400°C，要求精度達(dá)到±2°C，問應(yīng)選哪種？為什么？答：鉑電阻 ，溫度范圍 0 660°C， 測量精度高。鉑銠鉑熱電偶，溫度范圍 0 1600°C，主要測非固體。半導(dǎo)體熱敏電阻，溫度范圍 -100 +300°C，高溫非線性嚴(yán)重。綜合上

31、述條件可知應(yīng)選鉑電阻。習(xí)題88-1簡述光電式傳感器的特點(diǎn)和應(yīng)用場合，用框圖表示光電式傳感器的組成。答：特點(diǎn)：非接觸、響應(yīng)快、性能可靠。應(yīng)用場合：非接觸測量領(lǐng)域，既可以測直接引起光量變化的量，也可測轉(zhuǎn)換為光量變化的量，在國民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域和科學(xué)技術(shù)各個領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。組成框圖：（課本截圖）8-2何謂外光電效應(yīng)，光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)？答：外光電效應(yīng)：在光照條件下電子從物體表面逸出而產(chǎn)生光電子發(fā)射的現(xiàn)象。光電導(dǎo)效應(yīng)：半導(dǎo)體受到光照時產(chǎn)生光生電子空穴對，進(jìn)而使電阻率變化，使導(dǎo)電性能增強(qiáng)的現(xiàn)象。光生伏特效應(yīng)：光照引起PN結(jié)兩端產(chǎn)生電動勢的效應(yīng)。Ok！8-3試比較光電池、光敏晶體管、光敏電阻及光電倍增管在

32、使用性能上的差別。答：光電池：與外電路連接有短路電流輸出和開路電壓輸出兩種形式。兩種方式輸出不同，使用時應(yīng)該根據(jù)需要選用工作狀態(tài)。硅光電池簡單輕便，不產(chǎn)生氣體或熱污染，轉(zhuǎn)換效率較低，適宜工作在可見光波段。靈敏度高，適合作開關(guān)元件。光敏晶體管：光敏二極管靈敏度和線性度均好，可用作線性轉(zhuǎn)換元件和開關(guān)。光敏三極管和三極管在使用時要注意保持光源與光敏管的合適位置。光敏電阻：光照特性呈非線性，需外部電源，有電流時會發(fā)熱，不適合做線性檢測元件，但可作開關(guān)元件。光電倍增管：光電流大，靈敏度高，可用來檢測和放大微弱光信號。8-4通常用哪些主要特性來表征光電器件的性能？它們對正確選用器件有什么作用？答：光照特性

33、：表征光電器件的靈敏度。作用：可根據(jù)不同的精度要求來選擇相應(yīng)光照特性的光電器件。光譜特性：指相對靈敏度與入射光波長的關(guān)系。作用：包含光源與光電器件的傳感器應(yīng)根據(jù)光電器件的光譜特性來選擇匹配的光源和光電器件；對于被檢測體可作光源的傳感器則根據(jù)被檢測體輻射的光波長選擇光電器件。響應(yīng)時間/頻率特性：反映光電器件的動態(tài)特性。作用：為實(shí)際應(yīng)用時對光電器件的動態(tài)性能要求提供參考依據(jù)。峰值探測率：對噪聲的衡量。作用：峰值探測率大則噪聲等功率小，衡量光電器件的性能。溫度特性，作用：根據(jù)光電器件的溫度特性可以知道在實(shí)際應(yīng)用時應(yīng)該根據(jù)環(huán)境溫度選用合適的光電器件，或者可以知道是否該進(jìn)行溫度補(bǔ)償。伏安特性，作用：選用

34、時要根據(jù)實(shí)際選擇合適電壓和電流參數(shù)的光電器件。8-5怎樣根據(jù)光照特性和光譜特性來選擇光敏元件？試舉例說明。答：光照特性，例如光敏晶體管的光照特性是靈敏度和線性度都很好，在需要線性度好的應(yīng)用中就可以選擇光敏晶體管。 光譜特性，例如由光譜特性可知鍺在入射光波長較大的時候相對靈敏度要比硅的相對靈敏度要高，實(shí)際應(yīng)用時要根據(jù)被測光的波長來選擇光敏元件的材料，從而在相同的輻射功率下達(dá)到較高的靈敏度要求。8-9試指出光電轉(zhuǎn)換電路中減小溫度、光源亮度及背景光等因素變動引起輸出信號漂移采用的措施。答：溫度影響：恒溫控制或進(jìn)行溫度補(bǔ)償。光源亮度影響：在調(diào)制時選擇特定的光進(jìn)行放大。背景光影響：電橋補(bǔ)償法，調(diào)制法8-

35、10簡述光電傳感器的主要形式及應(yīng)用。答：按輸出量的性質(zhì)，可分為模擬式和開關(guān)式。模擬式中還可分透射式、反射式、遮光式、輻射式。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。8-11舉出你熟悉的光電傳感器應(yīng)用實(shí)例，畫出原理結(jié)構(gòu)圖并簡單說明原理。答：光電轉(zhuǎn)速傳感器 P195在待測轉(zhuǎn)速軸上固定一帶孔的轉(zhuǎn)速調(diào)制盤，在調(diào)制盤一邊由白熾燈產(chǎn)生恒定光，透過盤上小孔到達(dá)光敏二極管組成的光電轉(zhuǎn)換器上，轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電脈沖信號，經(jīng)過放大整形電路輸出整齊的脈沖信號，轉(zhuǎn)速由該脈沖頻率決定。8-12試說明圖8-33（b）所示光電式數(shù)字測速儀的工作原理。（1）若采用紅外發(fā)光器件為光源，雖看不見燈

36、亮但電路卻能正常工作，為什么？（2）當(dāng)改用小白熾燈作光源后，卻不能正常工作，分析原因。答：圖（b）工作原理：調(diào)制盤上有均勻的六個缺口，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動時，透光與不透光交替出現(xiàn)，光電元件間斷地接收到光信號，輸出電脈沖。經(jīng)放大整形電路轉(zhuǎn)換成方波信號，由數(shù)字頻率計可測得電機(jī)的轉(zhuǎn)速。（1）因?yàn)榧t外發(fā)光器件發(fā)出的光（依然可以是方向性好，光束小的光，雖然）看不見，但是光電器件的波長限大，可以接收波長較長的紅外線，所以電路可以正常工作。（2）是波長不匹配的原因。8-14手頭有三種光電元件：硫化鉈光敏電阻、硫化鉛光敏電阻、硅光敏三極管，用可見光為光源，請按下列條件選用光電元件。（1） 制作光電開關(guān)，開關(guān)頻率約為10

37、赫茲；（2） 制作光電開關(guān)，開關(guān)頻率約10000赫茲；（3） 作線性測量元件，響應(yīng)時間0.1S。答：根據(jù)光電器件的響應(yīng)時間特性可知（1）應(yīng)為硫化鉈（2）選硫化鉛（3）硅光敏三極管 Ö習(xí)題99-1試用折線分析方法，闡明階躍光纖的導(dǎo)光原理，并解釋光纖數(shù)值孔徑的物理意義。答：階躍光纖的導(dǎo)光原理：根據(jù)光的折射原理，光由光密介質(zhì)射到光疏介質(zhì)時會產(chǎn)生折射現(xiàn)象，當(dāng)入射角大于臨界角是則會發(fā)生全反射。光纖的纖芯為光密介質(zhì)，包層為光疏介質(zhì)，由于光的入射角大于這兩者界面的臨界角，所以光可以在纖芯內(nèi)連續(xù)發(fā)生全反射，直到由終端輸出。數(shù)值孔徑：光線從折射率為1的空氣射入到纖芯時實(shí)現(xiàn)全反射的臨界角的正弦值NA，它

38、是衡量光纖集光性能的主要參數(shù)，NA越大，光纖的集光性能越強(qiáng)。9-2有一階躍光纖，已知n1=1.46, n2=1.45,外部介質(zhì)為空氣n0=1。試求光纖的數(shù)值孔徑值和最大入射角。答：NA=n12-n22=0.17 Sin=NA=0.17 ， =9.78°數(shù)值孔徑值為0.17，最大入射角為9.78°。9-4如圖9-6所示，反射式光強(qiáng)調(diào)制器的輸出信號（如電壓）與光源的穩(wěn)定性和被檢測表面的反射率有關(guān)。試問能否設(shè)計一種結(jié)構(gòu)可消除這兩種不利影響？答：將發(fā)射光纖束的發(fā)射端和接收光纖束的接收端集合在在一起，構(gòu)成Y型光纖探頭。習(xí)題1111-5如何改善電阻型半導(dǎo)體氣體傳感器的選擇性？靈敏度？答：參雜，即在基體材料中加入不同的貴金屬或金屬氧化物催化劑，設(shè)置合適的工作溫度，利用過濾設(shè)備或透氣膜外過濾敏感氣體。Ö11-7什么是絕對濕度，什么是相對濕度？答：絕對濕度：每立方米空氣中所含的水