傳感器與檢測(cè)技術(shù)復(fù)習(xí)總結(jié)

1、l.檢測(cè)系統(tǒng)由哪幾部分組成? 說(shuō)明各部分的作用。答：一個(gè)完整的檢測(cè)系統(tǒng)或檢測(cè)裝置通常是由傳感器、測(cè)量電路和顯示記錄裝置等幾部分組成，分別完成信息獲取、轉(zhuǎn)換、顯示和處理等功能。當(dāng)然其中還包括電源和傳輸通道等不可缺少的部分。傳感器與檢測(cè)技術(shù)是研究自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)中的信息提取，信息轉(zhuǎn)換和信息處理的理論和技術(shù)為主要內(nèi)容的一門應(yīng)用技術(shù)學(xué)科。2 什么是傳感器？它由哪幾個(gè)部分組成？分別起到什么作用？解 ： 傳感器是一種以一定的精確度把被測(cè)量轉(zhuǎn)換為與之有確定對(duì)應(yīng)關(guān)系的 、 便于應(yīng)用的某種物理量的測(cè)量裝置 ， 能完成檢測(cè)任務(wù) ； 傳感器由敏感元件 ， 轉(zhuǎn)換元件 ， 轉(zhuǎn)換電路組成 。 敏感元件是直接感受被測(cè)量 ， 并

2、輸出與被測(cè)量成確定關(guān)系的物理量 ； 轉(zhuǎn)換元件把敏感元件的輸出作為它的輸入，轉(zhuǎn)換成電路參量；上述電路參數(shù)接入基本轉(zhuǎn)換電路，便可轉(zhuǎn)換成電量輸出 。3 簡(jiǎn)述正、逆壓電效應(yīng)。解 ： 某些電介質(zhì)在沿一定的方向受到外力的作用變形時(shí)，由于內(nèi)部極化現(xiàn)象同時(shí)在兩個(gè)表面上產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷 ， 當(dāng)外力去掉后 ， 恢復(fù)到不帶電的狀態(tài) ； 而當(dāng)作用力方向改變時(shí) ，電荷的極性隨著改變 。 晶體受力所產(chǎn)生的電荷量與外力的大小成正比 。 這種現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng) 。 反之 ， 如對(duì)晶體施加一定變電場(chǎng) ， 晶體本身將產(chǎn)生機(jī)械變形 ， 外電場(chǎng)撤離 ， 變形也隨之消失，稱為逆壓電效應(yīng)。4簡(jiǎn)述電壓放大器和電荷放大器的優(yōu)缺點(diǎn)。解： 電

3、壓放大器的應(yīng)用具有一定的應(yīng)用限制， 壓電式傳感器在與電壓放大器配合使用時(shí) ， 連接電纜不能太長(zhǎng) 。 優(yōu)點(diǎn) ： 微型電壓放大電路可以和傳感器做成一體 ， 這樣這一問(wèn)題就可以得到克服，使它具有廣泛的應(yīng)用前景。缺點(diǎn)：電纜長(zhǎng)，電纜電容 C c 就大，電纜電容增大必然使傳感器的電壓靈敏度降低。電荷放大器的優(yōu)點(diǎn) ： 輸出電壓 U o 與電纜電容 C c 無(wú)關(guān) ， 且與 Q 成正比 ， 這是電荷放大器的最大特點(diǎn)。但電荷放大器的缺點(diǎn)：價(jià)格比電壓放大器高，電路較復(fù)雜，調(diào)整也較困難。要注意的是 ， 在實(shí)際應(yīng)用中 ， 電壓放大器和電荷放大器都應(yīng)加過(guò)載放大保護(hù)電路 ， 否則在傳感器過(guò)載時(shí)，會(huì)產(chǎn)生過(guò)高的輸出電壓。6為什

4、么說(shuō)壓電式傳感器只適用于動(dòng)態(tài)測(cè)量而不能用于靜態(tài)測(cè)量?答：因?yàn)閴弘娛絺鞲衅魇菍⒈粶y(cè)量轉(zhuǎn)換成壓電晶體的電荷量，可等效成一定的電容，如被測(cè)量為靜態(tài)時(shí)，很難將電荷轉(zhuǎn)換成一定的電壓信號(hào)輸出，故只能用于動(dòng)態(tài)測(cè)量。7壓電式傳感器測(cè)量電路的作用是什么?其核心是解決什么問(wèn)題?答：壓電式傳感器測(cè)量電路的作用是將壓電晶體產(chǎn)生的電荷轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)輸出，其核心是要解決微弱信號(hào)的轉(zhuǎn)換與放大，得到足夠強(qiáng)的輸出信號(hào)。8說(shuō)明霍爾效應(yīng)的原理？解 ： 置于磁場(chǎng)中的靜止載流導(dǎo)體 ， 當(dāng)它的電流方向與磁場(chǎng)方向不一致時(shí) ， 載流導(dǎo)體上垂直于電流和磁場(chǎng)方向上的兩個(gè)面之間產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì) ， 這種現(xiàn)象稱霍爾效應(yīng)。9 磁電式傳感器與電感式傳感器有何

5、不同？解 ： 磁電式傳感器是通過(guò)磁電作用將被測(cè)量 （ 如振動(dòng) 、 位移 、 轉(zhuǎn)速等 ） 轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的一種傳感器 。 磁電感應(yīng)式傳感器也稱為電動(dòng)式傳感器或感應(yīng)式傳感器 。 磁電感應(yīng)式傳感器是利用導(dǎo)體和磁場(chǎng)發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生電動(dòng)式的 ， 它不需要輔助電源就能把被測(cè)對(duì)象的機(jī)械量轉(zhuǎn)換成易于測(cè)量的電信號(hào) ， 是有源傳感器。電感式傳感器是利用電磁感應(yīng)原理將被測(cè)非電量如位移 、 壓力 、 流量 、 、 重量 、 振動(dòng)等轉(zhuǎn)換成線圈自感量 L 或互感量 M 的變化，再由測(cè)量電路轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化量輸出的裝置，是無(wú)源傳感器。10 霍爾元件在一定電流的控制下，其霍爾電勢(shì)與哪些因素有關(guān)？解：根據(jù)下面這個(gè)公式U=K

6、IBf(L/B)可以得到 霍爾電勢(shì)還與磁感應(yīng)強(qiáng)度 B, K H 為霍爾片的靈敏度 , 霍爾元件的長(zhǎng)L 和寬度 b 有關(guān)。11什么是熱電勢(shì)、接觸電勢(shì)和溫差電勢(shì)？解： 兩種不同的金屬 A 和 B 構(gòu)成的閉合回路，如果將它們的兩個(gè)接點(diǎn)中的一個(gè)進(jìn)行加熱，使其溫度為 T ，而另一點(diǎn)置于室溫 T 0 中，則在回路中會(huì)產(chǎn)生的電勢(shì)就叫做熱電勢(shì)。 由于兩種不同導(dǎo)體的自由電子密度不同而在接觸處形成的電動(dòng)勢(shì)叫做接觸電勢(shì) 。 溫差電勢(shì) 是同一導(dǎo)體的兩端因其溫度不同而產(chǎn)生的一種熱電勢(shì)。12 說(shuō)明熱電偶測(cè)溫的原理及熱電偶的基本定律。解 ： 熱電偶是一種將溫度變化轉(zhuǎn)換為電量變化的裝置 ， 它利用傳感元件的電參數(shù)隨溫度變化的

7、特征來(lái)達(dá)到測(cè)量的目的 。 通常將被測(cè)溫度轉(zhuǎn)換為敏感元件的電阻 、 磁導(dǎo)或電勢(shì)等的變化 ，通過(guò)適當(dāng)?shù)臏y(cè)量電路，就可由電壓電流這些電參數(shù)的變化來(lái)表達(dá)所測(cè)溫度的變化13什么是金屬導(dǎo)體的熱電效應(yīng)?試說(shuō)明熱電偶的測(cè)溫原理。答：熱電效應(yīng)就是兩種不同的導(dǎo)體或半導(dǎo)體A和B組成一個(gè)回路，其兩端相互連接時(shí)，只要兩結(jié)點(diǎn)處的溫度不同，回路中就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電動(dòng)勢(shì)，該電動(dòng)勢(shì)的方向和大小與導(dǎo)體的材料及兩接點(diǎn)的溫度有關(guān)。熱電偶測(cè)溫就是利用這種熱電效應(yīng)進(jìn)行的，將熱電偶的熱端插入被測(cè)物，冷端接進(jìn)儀表，就能測(cè)量溫度。14試分析金屬導(dǎo)體產(chǎn)生接觸電動(dòng)勢(shì)和溫差電動(dòng)勢(shì)的原因。答：當(dāng)A和B兩種不同材料的導(dǎo)體接觸時(shí)，由于兩者內(nèi)部單位體積的自由電

8、子數(shù)目不同(即電子密度不同)，因此，電子在兩個(gè)方向上擴(kuò)散的速率就不一樣?，F(xiàn)假設(shè)導(dǎo)體A的自由電子密度大于導(dǎo)體B的自由電子密度，則導(dǎo)體A擴(kuò)散到導(dǎo)體B的電子數(shù)要比導(dǎo)體B擴(kuò)散到導(dǎo)體A的電子數(shù)大。所以導(dǎo)體A失去電子帶正電荷，導(dǎo)體B得到電子帶負(fù)電荷，于是，在A、B兩導(dǎo)體的接觸界面上便形成一個(gè)由A到B的電場(chǎng)。該電場(chǎng)的方向與擴(kuò)散進(jìn)行的方向相反，它將引起反方向的電子轉(zhuǎn)移，阻礙擴(kuò)散作用的繼續(xù)進(jìn)行。當(dāng)擴(kuò)散作用與阻礙擴(kuò)散作用相等時(shí)，即自導(dǎo)體A擴(kuò)散到導(dǎo)體B的自由電子數(shù)與在電場(chǎng)作用下自導(dǎo)體B到導(dǎo)體A的自由電子數(shù)相等時(shí)，便處于一種動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)。在這種狀態(tài)下，A與B兩導(dǎo)體的接觸處就產(chǎn)生了電位差，稱為接觸電動(dòng)勢(shì)。對(duì)于導(dǎo)體A或B

9、，將其兩端分別置于不同的溫度場(chǎng)t、t0中(t t0)。在導(dǎo)體內(nèi)部，熱端的自由電子具有較大的動(dòng)能，向冷端移動(dòng)，從而使熱端失去電子帶正電荷，冷端得到電子帶負(fù)電荷。這樣，導(dǎo)體兩端便產(chǎn)生了一個(gè)由熱端指向冷端的靜電場(chǎng)。該電場(chǎng)阻止電子從熱端繼續(xù)跑到冷端并使電子反方向移動(dòng)，最后也達(dá)到了動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)。這樣，導(dǎo)體兩端便產(chǎn)生了電位差，我們將該電位差稱為溫差電動(dòng)勢(shì)。15 試比較 熱電阻與熱敏電阻的異同。解：熱電阻將溫度轉(zhuǎn)換為電阻值大小的熱電式傳感器 , 熱電阻傳感器是利用導(dǎo)體的電阻值隨溫度變化而變化的原理進(jìn)行測(cè)溫的 。 熱電阻傳感器的 測(cè)量精度高 ； 有較大的測(cè)量范圍 ， 它可測(cè)量 200 5 00 的溫度 ； 易

10、于使用在自動(dòng)測(cè)量和遠(yuǎn)距離測(cè)量中 。 熱電阻由電阻體 、 保護(hù)套和接線盒等部件組成。其結(jié)構(gòu)形式可根據(jù)實(shí)際使用制作成各種形狀。熱敏電阻是由一些金屬氧化物 ， 如鈷 、 錳 、 鎳等的氧化物 ， 采用不同比例的配方 ， 經(jīng)高溫?zé)Y(jié)而成 ， 然后采用不同的封裝形式制成珠狀 、 片狀 、 桿狀 、 墊圈狀等各種形狀 。 熱敏電阻具有以下優(yōu)點(diǎn)： 電阻溫度系數(shù)大，靈敏度高； 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單； 電阻率高，熱慣性小 ； 但它阻值與溫度變化呈非線性，且穩(wěn)定性和互換性較差。熱敏電阻分為直熱式和旁熱式，旁熱式熱敏電阻除半導(dǎo)體外還有金屬絲繞制的加熱器，兩者緊緊耦合在一起，互相絕緣，密封于高真空的玻璃殼內(nèi)。直熱式熱敏電阻多由金

11、屬氧化物粉料按一定的比例擠壓成形，也有用小珠成型工藝、印刷工藝等制成的珠狀、薄膜、厚膜、線狀、塑料薄膜，經(jīng)達(dá)1273K-1773K高溫?zé)Y(jié)而成，其引出極一般為銀電極。16 什么是光電效應(yīng)，依其表現(xiàn)形式如何分類，并予以解釋。解 ： 光電效應(yīng) 首先把被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)換成光信號(hào)的變化 ， 然后通過(guò)光電轉(zhuǎn)換元件變換成電信號(hào) , 光電效應(yīng) 分為外光電效應(yīng)和內(nèi)光電效應(yīng)兩大類：a) 在光線作用下 ， 能使電子逸出物體表面的現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng) ;b) 受光照的物體導(dǎo)電率 1/R發(fā)生變化，或產(chǎn)生光生電動(dòng)勢(shì)的效應(yīng)叫內(nèi)光電效應(yīng)。17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

12、生伏特效應(yīng)三種?；谕夤怆娦?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。18什么是光電元件的光譜特性?答：光電元件的光譜特性是指入射光照度一定時(shí)，光電元件的相對(duì)靈敏度隨光波波長(zhǎng)的變化而變化，一種光電元件只對(duì)一定波長(zhǎng)范圍的人射光敏感，這就是光電元件的光譜特性。19. 光電傳感器由哪些部分組成?答：光電傳感器通常由光源、光學(xué)通路和光電元件三部分組成20什么是粗大誤差？如何判斷測(cè)量系統(tǒng)中含有粗大誤差？解 ： 明顯偏離測(cè)量結(jié)果的誤差稱為粗大誤差 ， 又稱疏忽誤差 。 這類誤差是由于測(cè)量者疏忽大意或環(huán)境條件的突然變化而引起的

13、 。 對(duì)于粗大誤差 ， 首先應(yīng)設(shè)法判斷是否存在 ， 然后將其剔除。21.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(wú)窮大。當(dāng)應(yīng)變片上的應(yīng)變分別為1和1 000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。22.采用阻值R=120靈敏度系數(shù)K=2.0的金屬電阻應(yīng)

14、變片與阻值R=120的固定電阻組成電橋，供橋電壓為10V。當(dāng)應(yīng)變片應(yīng)變?yōu)?000時(shí)，若要使輸出電壓大于10mV，則可采用何種工作方式（設(shè)輸出阻抗為無(wú)窮大）？解：由于不知是何種工作方式，可設(shè)為n，故可得：mV得n要小于2，故應(yīng)采用全橋工作方式。23.試分析電壓輸出型直流電橋的輸入與輸出關(guān)系。答：如圖所示，電橋各臂的電阻分別為R1、 R2、R3、R4。U為電橋的直流電源電壓。當(dāng)四臂電阻R1=R2=R3=R4=R時(shí)，稱為等臂電橋；當(dāng)R1=R2=R,R3=R4=R(RR)時(shí)，稱為輸出對(duì)稱電橋；當(dāng)R1=R4=R，R2=R3 =R(RR)時(shí)，稱為電源對(duì)稱電橋。直流電橋電路 當(dāng)電橋輸出端接有放大器時(shí)，由于放

15、大器的輸入阻抗很高，所以可以認(rèn)為電橋的負(fù)載電阻為無(wú)窮大，這時(shí)電橋以電壓的形式輸出。輸出電壓即為電橋輸出端的開路電壓，其表達(dá)式為 (1)設(shè)電橋?yàn)閱伪酃ぷ鳡顟B(tài)，即R1為應(yīng)變片，其余橋臂均為固定電阻。當(dāng)R1感受被測(cè)量產(chǎn)生電阻增量R1時(shí)，由初始平衡條件R1R3=R2R4得，代入式（1），則電橋由于R1產(chǎn)生不平衡引起的輸出電壓為 (2)對(duì)于輸出對(duì)稱電橋，此時(shí)R1=R2=R,R3=R4=R，當(dāng)R1臂的電阻產(chǎn)生變化R1=R，根據(jù)（2）可得到輸出電壓為 (3)對(duì)于電源對(duì)稱電橋，R1=R4=R,R2=R3=R。當(dāng)R1臂產(chǎn)生電阻增量R1=R時(shí)，由式（2）得 (4)對(duì)于等臂電橋R1=R2=R3=R4=R，當(dāng)R1的電

16、阻增量R1=R時(shí)，由式（2）可得輸出電壓為 (5)由上面三種結(jié)果可以看出，當(dāng)橋臂應(yīng)變片的電阻發(fā)生變化時(shí)，電橋的輸出電壓也隨著變化。當(dāng)RR時(shí)，電橋的輸出電壓與應(yīng)變成線性關(guān)系。還可以看出在橋臂電阻產(chǎn)生相同變化的情況下，等臂電橋以及輸出對(duì)稱電橋的輸出電壓要比電源對(duì)稱電橋的輸出電壓大，即它們的靈敏度要高。因此在使用中多采用等臂電橋或輸出對(duì)稱電橋。在實(shí)際使用中為了進(jìn)一步提高靈敏度，常采用等臂電橋，四個(gè)被測(cè)信號(hào)接成兩個(gè)差動(dòng)對(duì)稱的全橋工作形式，R1=R+R,R2=R-R,R3=R+R,R4=R-R，將上述條件代入式(1)得 (6)由式(6)看出，由于充分利用了雙差動(dòng)作用，它的輸出電壓為單臂工作時(shí)的4倍，所以

17、大大提高了測(cè)量的靈敏度。24.光敏電阻有哪些重要特性，在工業(yè)應(yīng)用中是如何發(fā)揮這些特性的？答：光敏電阻是采用半導(dǎo)體材料制作，利用內(nèi)光電效應(yīng)工作的光電元件。它的重要特性是在無(wú)光照時(shí)阻值非常大，相當(dāng)于斷路，有光照時(shí)阻值變得很小，相當(dāng)于通路。在工業(yè)應(yīng)用中主要就是通過(guò)光的變化來(lái)各種電路的控制。25.試說(shuō)明圖4.12所示的差動(dòng)相敏檢波電路的工作原理。答：如圖所示，設(shè)差動(dòng)電感傳感器的線圈阻抗分別為Z1和Z2。當(dāng)銜鐵處于中間位置時(shí)，Z1=Z2=Z，電橋處于平衡狀態(tài)，C點(diǎn)電位等于D點(diǎn)地位，電表指示為零。當(dāng)銜鐵上移，上部線圈阻抗增大，Z1=Z+Z，則下部線圈阻抗減少，Z2=Z-Z。如果輸入交流電壓為正半周，則A點(diǎn)

18、電位為正，B點(diǎn)電位為負(fù)，二極管V1、V4導(dǎo)通，V2、V3截止。在A-E-C-B支路中，C點(diǎn)電位由于Z1增大而比平衡時(shí)的C點(diǎn)電位降低；而在A-F-D-B支中中，D點(diǎn)電位由于Z2的降低而比平衡時(shí)D點(diǎn)的電位增高，所以D點(diǎn)電位高于C點(diǎn)電位，直流電壓表正向偏轉(zhuǎn)。如果輸入交流電壓為負(fù)半周，A點(diǎn)電位為負(fù)，B點(diǎn)電位為正，二極管V2、V3導(dǎo)通，V1、V4截止，則在A-F-C-B支中中，C點(diǎn)電位由于Z2減少而比平衡時(shí)降低（平衡時(shí)，輸入電壓若為負(fù)半周，即B點(diǎn)電位為正，A點(diǎn)電位為負(fù)，C點(diǎn)相對(duì)于B點(diǎn)為負(fù)電位，Z2減少時(shí)，C點(diǎn)電位更負(fù)）；而在A-E-D-B支路中，D點(diǎn)電位由于Z1的增加而比平衡時(shí)的電位增高，所以仍然是D點(diǎn)電位高于C點(diǎn)電位，電壓表正向偏轉(zhuǎn)。同樣可以得出結(jié)果：當(dāng)銜鐵下移時(shí)，電壓表總是反向偏轉(zhuǎn)，輸出為負(fù)。26.為什么說(shuō)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