傳感器原理及工程應用第三版答案

1、答：測量是以確定被測量的值或獲取測量結果為目的的一系列操作。 所以, 測量也就是將被測量與同種性質的標準量進行比較， 確定被測量對標準量的倍數。12：什么是測量值的絕對誤差、相對誤差、引用誤差？答：絕對誤差是測量結果與真值之差,即: 絕對誤差=測量值真值相對誤差是絕對誤差與被測量真值之比,常用絕對誤差與測量值之比,以百分數表示 ,即:相對誤差=絕對誤差/測量值 100%引用誤差是絕對誤差與量程之比,以百分數表示,即:引用誤差=絕對誤差/量程100%13什么是測量誤差？測量誤差有幾種表示方法？它們通常應用在什么場合？答： 測量誤差是測得值減去被測量的真值。測量誤差的表示方法：絕對誤差、 實際相對

2、誤差、引用誤差、基本誤差、附加誤差。當被測量大小相同時，常用絕對誤差來評定測量準確度；相對誤差常用來表示和比較測量結果的準確度；引用誤差是儀表中通用的一種誤差表示方法，基本誤差、附加誤差適用于傳感器或儀表中。21：什么是傳感器？它由哪幾部分組成？它的作用及相互關系如何？答：傳感器是能感受規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律轉換成可用輸出信號的器件或裝置。通常，傳感器由敏感元件和轉換元件組成。其中，敏感元件是指傳感器中能直接感受或響應被測量的部分； 轉換元件是指傳感器中能將敏感元件感受或響應的被測量轉換成適于傳輸或測量的電信號部分。22：什么是傳感器的靜態(tài)特性？它有哪些性能指標？分別說明這些性能指標的含

3、義？答：傳感器在被測量的各個值處于穩(wěn)定狀態(tài)時，輸出量和輸入量之間的關系稱為傳感器的靜態(tài)特性；其主要指標有線性度、靈敏度、精確度、最小檢測量和分辨力、遲滯、重復性、零點漂移、溫漂。靈敏度定義是輸出量增量y與引起輸出量增量y的相應輸入量增量x之比。傳感器的線性度是指傳感器的輸出與輸入之間數量關系的線性程度。輸出與輸入關系可分為線性特性和非線性特性。傳感器在輸入量由小到大（正行程）及輸入量由大到?。ǚ葱谐蹋┳兓陂g其輸入輸出特性曲線不重合的現象稱為遲滯。重復性是指傳感器在輸入量按同一方向作全量程連續(xù)多次變化時，所得特性曲線不一致的程度。傳感器的漂移是指在輸入量不變的情況下，傳感器輸出量隨著時間變化，

4、此現象稱為漂移。23：什么是傳感器的動態(tài)特性？它有哪幾種分析方法？它們各有哪些性能指標？答：（1）動態(tài)特性是指傳感器對隨時間變化的輸入量的響應特性；（2）分析方法：時域分析法 時間常數； 延遲時間td 上升時間tr;峰值時間tp 超調量衰減比d復頻域傳遞函數頻率域特性頻率通頻帶、工作頻帶、時間常數、 固有頻率、相位誤差、跟隨角。第三章應變式傳感器1什么叫應變效應？利用應變效應解釋金屬電阻應變片的工作原理。答：在外力作用下，導體或半導體材料產生機械變形，從而引起材料電阻值發(fā)生相應變化的現象，稱為應變效應。其表達式為dR/R=k，式中K為材料的應變靈敏系數，當應變材料為金屬或合金時，在彈性極限內K

5、 為常數。金屬電阻應變片的電阻相對變化量dR/R與金屬材料的軸向應變成正比，因此，利用電阻應變片，可以將被測物體的應變轉換成與之成正比關系的電阻相對變化量，這就是金屬電阻應變片的工作原理。2試述應變片溫度誤差的概念，產生原因和補償辦法。答：由于測量現場環(huán)境溫度偏離應變片標定溫度而給測量帶來的附加誤差，稱為應變片溫度誤差。產生應變片溫度誤差的主要原因有：由于電阻絲溫度系數的存在，當溫度改變時，應變片的標稱電阻值發(fā)生變化。當試件與與電阻絲材料的線膨脹系數不同時，由于溫度的變化而引起的附加變形，使應變片產生附加電阻。電阻應變片的溫度補償方法有線路補償法和應變片自補償法兩大類。電橋補償法是最常用且效果

6、較好的線路補償法，應變片自補償法是采用溫度自補償應變片或雙金屬線柵應變片來代替一般應變片，使之兼顧溫度補償作用。3什么是直流電橋？若按橋臂工作方式不同，可分為哪幾種？各自的輸出電壓如何計算？答：如題圖3-3 所示電路為電橋電路。若電橋電路的工作電源E 為直流電源，則該電橋稱為直流電橋。按應變所在電橋不同的工作橋臂，電橋可分為：1 單臂電橋，R 1為電阻應變片，R 2 、R 3、R 4為電橋固定電阻。其輸出電壓為。2 差動半橋電路，R 1、R 2為兩個所受應變方向相反的應變片，R 3 、R 4 為電橋固定電阻。其輸出電壓為：。差動全橋電路，R1、R2、R3、R4 均為電阻應變片，且相鄰兩橋臂應變

7、片所受應變方向相反。其輸出電壓為：。5. 圖示為一直流應變電橋。圖中E=4V，R1=R 2=R 3=R 4=120，試求：（1）R1為金屬應變片，其余為外接電阻。當R1的增量為R1時，電橋輸出電壓Uo=?（2）R1、R2都是應變片，且批號相同，感應應變的極性和大小都相同，其余為外接電阻，電橋輸出電壓Uo=?（3）題（2）中，如果R1與R2感受應變的極性相反，且R1= R2，電橋輸出電壓Uo=？第四章 電感式傳感器1.差動變壓器式傳感器的零點殘余電壓產生的原因是什么？怎樣減小和消除它的影響？答：原因：（1）由于兩電感線圈的電氣參數及導磁體幾何尺寸不完全對稱，在兩電感線圈上的電壓幅值和相位不同，從

8、而形成零點殘余電壓的基波分量。（2）由于傳感器導磁材料磁化曲線的非線性（如鐵磁飽和、磁滯損耗），使激勵電流與磁通波形不一致，從而形成零點殘余電壓的高次諧波分量。為減小電感式傳感器的零點殘余電壓，可采取以下措施：在設計和工藝上，力求做到磁路對稱，鐵芯材料均勻；要經過熱處理以除去機械應力和改善磁性；兩線圈繞制要均勻，力求幾何尺寸與電氣特性保持一致。在電路上進行補償。2.簡述相敏檢波電路的工作原理，保證其可靠工作的條件是什么?答：相敏檢波電路如圖4-18所示。圖中VD1、 VD2、VD3、VD4為四個性能相同的二極管，以同一方向串聯接成一個閉合回路， 形成環(huán)形電橋。輸入信號u2(差動變壓器式傳感器輸

9、出的調幅波電壓)通過變壓器T1加到環(huán)形電橋的一個對角線上。參考信號us通過變壓器T2加到環(huán)形電橋的另一個對角線上。 輸出信號uo從變壓器T1與T2的中心抽頭引出。圖中平衡電阻R起限流作用，以避免二極管導通時變壓器T2的次級電流過大。RL為負載電阻。us的幅值要遠大于輸入信號u2的幅值，以便有效控制四個二極管的導通狀態(tài)，且us和差動變壓器式傳感器激磁電壓u1由同一振蕩器供電， 保證二者同頻同相（或反相）。3.何謂渦流效應？怎樣利用渦流效應進行位移測量？答：電渦流效應是指金屬導體置于交變磁場中會產生電渦流，且該電渦流所產生磁場的方向與原磁場方向相反的一種物理現象。電渦流傳感器的敏感元件是線圈，當給

10、線圈通以交變電流并使它接近金屬導體時，線圈產生的磁場就會被導體電渦流產生的磁場部分抵消，使線圈的電感量、阻抗和品質因數發(fā)生變化。這種變化與導體的幾何尺寸、導電率、導磁率有關，也與線圈的幾何參量、電流的頻率和線圈到被測導體間的距離有關。至于進行位移測量，可根據實際的已知位移量來標定固定的線圈下的電感量，從而以此進行位移的測量。第五章 電容式傳感器1.根據工作原理可將電容式傳感器分為那幾種類型？每種類型各有什么特點？各適用于什么場合？答：根據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()型。變間隙型可測量位移，變面積型可測量直線

11、位移、角位移、尺寸，變介電常數型可測量液體液位、材料厚度。電容式傳感器具有以下特點：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；動態(tài)特性良好，具有較高的固有頻率和良好的動態(tài)響應特性；本身的發(fā)熱對傳感器的影響實際上可以不加考慮；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；可進行非接觸測量；結構簡單、易于制造；輸出阻抗較高，負載能力較差；寄生電容影響較大；輸出為非線性。2.如何改善單極式變極距型傳感器的非線性？答：采用差動式結構，可以使非線性誤差減小一個數量級。第六章 壓電式傳感

12、器1.什么叫正壓電效應和逆壓電效應？什么叫縱向壓電效應和橫向壓電效應？答：某些電介質在沿一定的方向上受到外力的作用而變形時，內部會產生極化現象，同時在其表面上產生電荷，當外力去掉后，又重新回到不帶電的狀態(tài)，這種現象稱為壓電效應。這種機械能轉化成電能的現象，稱為“順壓電效應”。反之，在電介質的極化方向上施加交變電場或電壓，它會產生機械變形，當去掉外加電場時，電介質變形隨之消失，這種現象稱為“逆壓電效應”。在石英晶體中，通常把沿電軸x方向的力作用下產生電荷的壓電效應稱為“縱向壓電效應”， 而把沿機械軸y方向的力作用下產生電荷的壓電效應稱為“橫向壓電效應”。2.壓電式加速度傳感器的工作原理？答：其原

13、理利用壓電晶體的電荷輸出與所受的力成正比，而所受的力在敏感質量一定的情況下與加速度值成正比。在一定條件下，壓電晶體受力后產生的電荷量與所感受到的加速度值成正比。第七章 磁電式傳感器1.什么是霍爾效應？霍爾電勢與哪些因素有關？答：金屬或半導體薄片置于磁場中，當有電流通過時，在垂直于電流和磁場的方向上將產生電動勢，這種物理現象稱為霍爾效應?；魻栯妱觿莸拇笮≌扔诩铍娏髋c磁感應強度，且當或的方向改變時，霍爾電動勢的方向也隨著改變，但當和的方向同時改變時霍爾電動勢極性不變。第八章 光電式傳感器1. 光電效應有哪幾種類型？與之對應的光電元件各有哪些？答：光電效應根據產生結果的不同，通常可分為外光電效應

14、、內光電效應和光生伏特效應三種類型。光電管和光電流倍增管是屬于外光電效應的典型光電元件?；趦裙怆娦墓怆娫泄饷綦娮琛⒐饷舳O管、光敏三極管、光敏晶閘管。基于光生伏特效應的光電元件主要是光電池。2.試述光敏電阻、光敏二極管、光敏晶體管、光電池的工作原理，在實際應用各有什么特點？答：無光照時，光敏電阻值（暗電阻）很大，電路中電流（暗電流）很小。當光敏電阻受到一定波長范圍的光照時，它的阻值（亮電阻）急劇減小，電路中電流迅速增大。 一般希望暗電阻越大越好，亮電阻越小越好， 此時光敏電阻的靈敏度高。光敏電阻沒有極性，純粹是一個電阻器件，使用時既可加直流電壓，也可以加交流電壓。光敏二極管在電路中一

15、般是處于反向工作狀態(tài)，在沒有光照射時，反向電阻很大，反向電流很小，這反向電流稱為暗電流，當光照射在PN結上，光子打在PN結附近，使PN結附近產生光生電子和光生空穴對，它們在PN結處的內電場作用下作定向運動，形成光電流。光的照度越大，光電流越大。因此光敏二極管在不受光照射時處于截止狀態(tài)，受光照射時處于導通狀態(tài)。大多數光敏晶體管的基極無引出線，當集電極加上相對于發(fā)射極為正的電壓而不接基極時，集電結就是反向偏壓， 當光照射在集電結時，就會在結附近產生電子空穴對，光生電子被拉到集電極，基區(qū)留下空穴，使基極與發(fā)射極間的電壓升高，這樣便會有大量的電子流向集電極，形成輸出電流，且集電極電流為光電流的倍，所以

16、光敏晶體管有放大作用。光電池的工作原理是基于“光生伏特效應”。它實際上是一個大面積的PN結，當光照射到PN結的一個面，例如P型面時， 若光子能量大于半導體材料的禁帶寬度，那么P型區(qū)每吸收一個光子就產生一對自由電子和空穴， 電子-空穴對從表面向內迅速擴散， 在結電場的作用下，最后建立一個與光照強度有關的電動勢。3.光電耦合器分為那兩類？各有什么用途？答：光電耦合器可分為兩類:一類是光電隔離器，另一類是光電開關。光電隔離器有時可替代繼電器、變壓器、斬波器等，廣泛應用于電路隔離、電平轉換、噪聲抑制等場合。光電開關廣泛應用于工業(yè)控制、自動化包裝線及安全裝置中作為光控制和光探測裝置?？稍谧詣涌刂葡到y(tǒng)中用作物體檢測、產品計數、 料位檢測、尺寸控制、 安全報警及計算機輸入接口等。第十三章 數字式傳感器1. 光柵的莫爾條紋有哪幾個特性？莫爾條紋是怎么產生的？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)對應關系，兩塊光柵沿柵線垂直方向作相對移動時，莫爾條紋通過光柵外狹縫板S到固定點（光電元件安裝點）的數量正好和光柵所移動的柵線數量相等。光柵