傳感器技術(shù)練習(xí)題與答案

1、傳感器技術(shù)習(xí)題答案13用測量范圍為50150kPa的壓力傳感器測量140kPa的壓力時，傳感器測得示值為142kPa，求該示值的絕對誤差、實際相對誤差、標稱相對誤差和引用誤差。解：已知：真值L140kPa測量值x142kPa測量上限150kPa測量下限50kPa絕對誤差x-L=142-140=2(kPa)實際相對誤差標稱相對誤差引用誤差110對某節(jié)流元件（孔板）開孔直徑d20的尺寸進行了15次測量，測量數(shù)據(jù)如下（單位：mm）：120.42120.43120.40120.42120.43120.39120.30120.40120.43120.41120.43120.42120.39120.391

2、20.40試用格拉布斯準則判斷上述數(shù)據(jù)是否含有粗大誤差，并寫出其測量結(jié)果。解：對測量數(shù)據(jù)列表如下：序號測量值殘余誤差殘余誤差1120.420.0160.0092120.430.0260.0193120.400.0040.0114120.420.0160.0095120.430.0260.0196120.390.0140.0217120.300.1048120.400.0040.0119120.430.0260.01910120.410.0060.00111120.430.0260.01912120.420.0160.00913120.390.0140.02114120.390.0140.021

3、15120.400.0040.011當n15時，若取置信概率P0.95，查表可得格拉布斯系數(shù)G2.41。則，所以為粗大誤差數(shù)據(jù)，應(yīng)當剔除。然后重新計算平均值和標準偏差。當n14時，若取置信概率P0.95，查表可得格拉布斯系數(shù)G2.37。則，所以其他14個測量值中沒有壞值。計算算術(shù)平均值的標準偏差所以，測量結(jié)果為：2-1 什么叫傳感器？它由哪幾部分組成？它們的作用及相互關(guān)系如何？【答】1、傳感器是能感受規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置。2、傳感器由：敏感元件、轉(zhuǎn)換元件、信號調(diào)理與轉(zhuǎn)換電路和輔助的電源組成。3、它們的作用是：（1）敏感元件：是指傳感器中能直接感受或響應(yīng)被測

4、量的部分；（2）轉(zhuǎn)換元件：是指傳感器中能將敏感元件感受或響應(yīng)的被測量轉(zhuǎn)換成適于傳輸或測量的電信號部分；（3）信號調(diào)理與轉(zhuǎn)換電路：由于傳感器輸出信號一般都很微弱，需要有信號調(diào)理與轉(zhuǎn)換電路，進行放大、運算調(diào)制等；（4）輔助的電源：此外信號調(diào)理轉(zhuǎn)換電路以及傳感器的工作必須有輔助的電源。4、最簡單的傳感器由一個敏感元件(兼轉(zhuǎn)換元件)組成，它感受被測量時直接輸出電量，如熱電偶。有些傳感器由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成，沒有轉(zhuǎn)換電路，如壓電式加速度傳感器，其中質(zhì)量塊m是敏感元件，壓電片（塊）是轉(zhuǎn)換元件。有些傳感器，轉(zhuǎn)換元件不只一個，要經(jīng)過若干次轉(zhuǎn)換。2-2 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

5、性能指標的含義。【答】1、傳感器的靜態(tài)特性是指被測量的值處于穩(wěn)定狀態(tài)時的輸出與輸入的關(guān)系。也即當輸入量為常量，或變化極慢時，這一關(guān)系就稱為靜態(tài)特性。2、靜態(tài)特性性能指標包括：線性度、靈敏度、遲滯、重復(fù)性和漂移等。3、性能指標：（1）靈敏度：輸出量增量y與引起輸出量增量y的相應(yīng)輸入量增量x之比。用S表示靈敏度，即（2）線性度：傳感器的線性度是指在全量程范圍內(nèi)實際特性曲線與擬合直線之間的最大偏差值Lmax與滿量程輸出值YFS之比。線性度也稱為非線性誤差，用L表示，即（3）遲滯：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(xiàn)象稱為遲滯。用H表示，遲滯誤

6、差又稱為回差或變差。即：（4）重復(fù)性：重復(fù)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。重復(fù)性誤差屬于隨機誤差，常用標準差計算，也可用正反行程中最大重復(fù)差值Rmax計算，即或（5）漂移：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，此現(xiàn)象稱為漂移。溫度漂移通常用傳感器工作環(huán)境溫度偏離標準環(huán)境溫度（一般為20）時的輸出值的變化量與溫度變化量之比()來表示，即2-3 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)特性指傳感器對隨時間變化的輸入量的響應(yīng)特性。2、研究動態(tài)特性的方法有兩種：時域法和頻域法。在時域內(nèi)研究

7、動態(tài)特性采用瞬態(tài)響應(yīng)法。輸入的時間函數(shù)為階躍函數(shù)、脈沖函數(shù)、斜坡函數(shù)，工程上常輸入標準信號為階躍函數(shù)；在頻域內(nèi)研究動態(tài)特性采用頻率響應(yīng)法，輸入的標準函數(shù)為正弦函數(shù)。3、性能指標是：（1）傳感器的時域動態(tài)性能指標² 時間常數(shù)：一階傳感器輸出上升到穩(wěn)態(tài)值的63.2%所需的時間，稱為時間常數(shù)；² 延遲時間td：傳感器輸出達到穩(wěn)態(tài)值的50%所需的時間；² 上升時間tr：傳感器輸出達到穩(wěn)態(tài)值的90%所需的時間；² 峰值時間tp：二階傳感器輸出響應(yīng)曲線達到第一個峰值所需的時間；² 超調(diào)量：二階傳感器輸出超過穩(wěn)態(tài)值的最大值；² 衰減比d：衰減振蕩的

8、二階傳感器輸出響應(yīng)曲線第一個峰值與第二個峰值之比。（2）頻率響應(yīng)特性指標 ² 通頻帶0.707：傳感器在對數(shù)幅頻特性曲線上幅值衰減3 dB 時所對應(yīng)的頻率范圍；² 工作頻帶0.95（或0.90）：當傳感器的幅值誤差為±5%（或±10%）時其增益保持在一定值內(nèi)的頻率范圍；² 時間常數(shù)：用時間常數(shù)來表征一階傳感器的動態(tài)特性。越小，頻帶越寬；² 固有頻率n：二階傳感器的固有頻率n表征其動態(tài)特性；² 相位誤差：在工作頻帶范圍內(nèi)，傳感器的實際輸出與所希望的無失真輸出間的相位差值，即為相位誤差；² 跟隨角0.707:當=0.7

9、07時，對應(yīng)于相頻特性上的相角，即為跟隨角。2-4 某壓力傳感器測試數(shù)據(jù)如表2-1所示，計算非線性誤差（線性度）、遲滯、重復(fù)性誤差和總精度。表2-1 壓力傳感器校準數(shù)據(jù)輸入壓力/MPa輸出電壓/mV第一循環(huán)第二循環(huán)第三循環(huán)正行程反行程正行程反行程正行程反行程0-2.73-2.71-2.71-2.68-2.68-2.690.020.560.660.610.680.640.690.043.964.063.994.094.034.110.067.407.497.437.537.457.520.0810.8810.9510.8910.9310.9410.990.1014.4214.4214.4714.

10、4714.4614.46【解】1、端點平移法線性度（1）端點直線擬合求出各個校準點正、反程6個輸出電壓的算術(shù)平均值。由兩個端點的數(shù)據(jù)，可知端點直線的截距為b=-2.70mV，斜率為：按照端點直線y =171.5x -2.7 （y=kx+b），求各個校準點輸出電壓的理論值yti，如表2-2所示。根據(jù)表中的數(shù)據(jù)可知，考慮符號時，實際輸出電壓平均值與理論值的最小誤差：ymin=-0.12mV，最大誤差ymax=0mV。圖2-1端點直線擬合曲線（2）端點平移直線擬合端點平移直線擬合是將端點直線平移，讓平移后的最大正誤差與最大負誤差的絕對值相等，即讓截距改變?yōu)椋憾它c平移直線方程即為：y=kx+b/。按照

11、端點平移直線方程重新求實際輸出電壓平均值與理論值的誤差，有：b=b-b/ =0.06mV。結(jié)果填入表中。端點平移直線法線性度（非線性誤差）為圖2-2端點平移直線擬合曲線表2-2 求線性度數(shù)據(jù)輸入壓力xi/MPa0000.020.040.060.080.10輸出電壓平均值yi/mV（yi/6）-2.700.644.047.4710.9314.45端點直線法輸出電壓理論值yti/mV-2.700.734.167.5911.0214.45端點直線法誤差yi/mV0.00-0.09-0.12-0.12-0.090.00端點平移直線法誤差y/i/mV0.06-0.03-0.06-0.06-0.030.0

12、62、重復(fù)性對于每個校準點，可按貝塞爾公式求得3個正程數(shù)據(jù)的標準偏差及3個反程數(shù)據(jù)的標準偏差如表2-3所示?？芍猰ax=0.041mV。取置信系數(shù)=2（置信概率為95%），表2-3 求重復(fù)數(shù)據(jù)輸入壓力xi/MPa00.020.040.060.080.10正行程標準偏差Fi/mV0.0260.0410.0350.0260.0320.027反行程標準偏差Bi/mV0.0160.0160.0260.0210.0310.0273、遲滯性表2-4 求遲滯數(shù)據(jù)正行程輸出電壓平均值yFi/mV-2.710.603.997.4310.9014.45反行程輸出電壓平均值yBi/mV-2.690.684.097.

13、5110.9614.45（yBi - yFi）/mV0.020.080.100.080.060.00求出各校準點正行程和反行程輸出電壓平均值，在表2-3中給出。各校準點正行程和反行程輸出電壓平均值的差值也在表2-3中給出。可知最大差值為0.10mV。4、總精度按照均方根合成法計算總精度：2-5 當被測介質(zhì)溫度為t1，測溫傳感器示值溫度為t2時，有下列方程式成立：。當被測介質(zhì)溫度從25突然變化到300時，測溫傳感器的時間常數(shù)，試確定經(jīng)過350s后的動態(tài)誤差?！窘狻?把輸入看作從0275的階躍輸入信號，則：X(t)=0,t0X(t)=275,t0輸入信號的拉普拉斯變換為： 又因 ，即 所以 ,進行

14、拉普拉斯反變換后，有估算 的階躍響應(yīng)值：其動態(tài)誤差為：圖2-3一階傳感器階躍響應(yīng)3-1 什么是應(yīng)變效應(yīng)？什么是壓阻效應(yīng)？利用應(yīng)變效應(yīng)解釋金屬電阻應(yīng)變片的工作原理。【答】1、所謂應(yīng)變效應(yīng)是指金屬導(dǎo)體在外界作用下產(chǎn)生機械變形（拉伸或壓縮）時，其電阻值相應(yīng)發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為電阻應(yīng)變效應(yīng)。2、半導(dǎo)體材料的電阻率隨作用應(yīng)力的變化而發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為壓阻效應(yīng)。3、應(yīng)變式傳感器的基本工作原理：當被測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)變敏感元件的阻值發(fā)生變化，通過轉(zhuǎn)換電路變成電量輸出。輸出的電量大小反映了被測物理量

15、得大小。3-2 試述溫度誤差的概念、產(chǎn)生的原因和補償?shù)霓k法?！敬稹?、由于測量現(xiàn)場環(huán)境溫度的改變而給測量帶來的附加誤差，稱為應(yīng)變片的溫度誤差。2、產(chǎn)生的原因有兩個：一是敏感柵的電阻絲阻值隨溫度變化帶來的附加誤差；二是當試件與電阻絲材料的線膨脹系數(shù)不同時，由于環(huán)境溫度的變化，電阻絲會產(chǎn)生附加變形，從而產(chǎn)生附加電阻變化。3、電阻應(yīng)變片的溫度補償方法通常有：線路補償和應(yīng)變片自補償。3-3 電阻應(yīng)變片的直流電橋測量電路，若按不同的橋臂工作方式可分為哪幾種？各自的輸出電壓如何計算？【答】1、可分為：單臂電橋、半差動電橋和全差動電橋三種。2、單臂電橋輸出電壓為：半差動電橋輸出電壓為：全差動電橋輸出電壓為：

16、3-4 擬在等截面的懸臂梁上粘貼四個完全相同的電阻應(yīng)變片，并組成差動全橋測量電路，試問：（1）四個電阻應(yīng)變片怎樣貼在懸臂梁上？（2）畫出相應(yīng)的電橋電路?！敬稹?、在懸臂梁力傳感器中，一般將應(yīng)變片貼在距固定端較近的表面，且順梁的方向上下各貼兩片，上面兩個應(yīng)變片受壓時，下面兩個應(yīng)變片受拉，并將四個應(yīng)變片組成全橋差動電橋。這樣既可提高輸出電壓靈敏度，又可減小非線性誤差。圖3-1等截面積懸臂梁2、差動全橋測量電路圖3-2差動全橋測量電路3-5 題3-3圖為一直流電橋，圖中E=4V，R1= R2= R3= R4=120，試求：（1）R1為金屬應(yīng)變片，其余為外接電阻，當R1的增量為R1=1.2時，電橋輸出

17、的電壓U0=?（2）R1 、R2都是金屬應(yīng)變片，且批號相同，感應(yīng)應(yīng)變的極性和大小都相同，其余為外接電阻，電橋輸出的電壓U0=?（3）題（2）中，如果R2 與R1感受應(yīng)變的極性相反，且R1=R2=1.2，電橋輸出的電壓U0=?圖3-3直流電橋測量電路【解】1、電橋輸出電壓為：2、電橋輸出電壓為：3、當R1受拉應(yīng)變，R2受壓應(yīng)變時，電橋輸出電壓為：當R1受壓應(yīng)變，R2受拉應(yīng)變時，電橋輸出電壓為：3-6 題3-4圖為等強度梁測力系統(tǒng)，R1為電阻應(yīng)變片，應(yīng)變片靈敏度系數(shù)K=2.05，未受應(yīng)變時，R1=120。當試件受力F時，應(yīng)變片承受平均應(yīng)變=800m/m，試求：（1）應(yīng)變片電阻變化量R1和電阻相對變

18、化量R1/R1。（2）將電阻應(yīng)變片R1置于單臂測量電橋，電橋電源電壓為直流3V，求電橋輸出電壓及電橋非線性誤差。（3）若要減小非線性誤差，應(yīng)采取何種措施？分析其電橋輸出電壓及非線性誤差大小。圖3-4等強度懸臂梁【解】1、應(yīng)變電阻相對變化量R1/R1：應(yīng)變片電阻變化量R1： 2、單臂電橋輸出電壓：非線性誤差：如果是四等臂電橋，R1=R2=R3=R4，即n=1，則電橋的非線性誤差：3、減小非線性誤差采取的措施為了減小和克服非線性誤差，常采用差動電橋。差動電橋無非線性誤差，且半差動電橋電壓靈敏度KU=E/2，是單臂工作時的2倍，全差動電橋電壓靈敏度KU=E，是單臂工作時的4倍。同時還具有溫度補償作用

19、。3-8 一個量程為10KN的測力傳感器，其彈性元件為薄壁圓筒軸向受力，外徑為20mm，內(nèi)徑為18mm，在其表面粘貼8個應(yīng)變片，4個沿軸向粘貼，4個沿周向粘貼，應(yīng)變片的電阻值為120，靈敏度為2.0，泊松比為0.3，材料彈性模量E=2.1×1011 Pa。要求：（1）繪出彈性元件貼片位置及全橋電路；（2）計算傳感器在滿量程時，各應(yīng)變片的電阻值；（3）當橋路的供電電壓為10V，計算電橋負載開路時的輸出電壓?！窘狻?、彈性元件貼片位置及全橋電路如圖3-5所示。圖3-5應(yīng)變片粘貼位置及電路連接圖2、圓筒截面積：應(yīng)變片1、2、3、4感受軸向應(yīng)變：應(yīng)變片5、6、7、8感受周向應(yīng)變：滿量程時：3

20、、全受拉力：4-1說明差動變間隙式電感傳感器的主要組成、工作原理和基本特性。【答】1、差動變隙式電感傳感器由兩個完全相同的電感線圈合用一個銜鐵和相應(yīng)磁路組成。圖4-1差動變隙式電感傳感器結(jié)構(gòu)圖2、測量時，銜鐵與被測件相連，當被測件上下移動時，帶動銜鐵也以相同的位移上下移動，導(dǎo)致一個線圈的電感量增加，另一個線圈的電感量減小，形成差動形式。（1）當銜鐵處于初始位置時：（2）當銜鐵上移時：使上氣隙，上線圈電感增加；使下氣隙，下線圈電感減小。則：3、如果兩個線圈反接，則傳輸特性為：間隙的改變量/0與L/L0有理想線性關(guān)系。測量電路的任務(wù)是將此式轉(zhuǎn)換為電壓或電流。4-3什么叫差動變壓器？差動變壓器式傳感

21、器有哪幾種結(jié)構(gòu)形式？各有什么特點？【答】1、把被測的非電量轉(zhuǎn)化為線圈互感變化的傳感器稱為互感式傳感器，這種傳感器是根據(jù)變壓器的基本原理制成的，并且次級繞組用差動形式連接，故稱差動變壓器式傳感器。2、差動變壓器結(jié)構(gòu)形式有：有變隙式、變面積式和螺線管式等，在非電量測量中，應(yīng)用最多的是螺線管式差動變壓器。3、特點：（1）變氣隙式：靈敏度較高，但隨氣隙的增大而減小，非線性誤差大，為了減小非線性誤差，量程必須限制在較小的范圍內(nèi)工作，一般為氣隙的1/5一下，用于測量幾幾百的位移。這種傳感器制作困難；（2）變面積式：靈敏度小于變氣隙式，但為常數(shù)，所以線性好、量程大，使用較廣泛；（3）螺線管式：靈敏度低，但量

22、程大它可以測量1100mm 機械位移，并具有測量精度高、結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠、便于制作等優(yōu)點，使用廣泛。4-5 差動變壓器式傳感器的零點殘余電壓產(chǎn)生的原因是什么？怎樣減小和消除它的影響？【答】1、零點殘余電壓主要由基波分量和高次諧波分量組成。（1）產(chǎn)生基波分量的主要原因是：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。（2）造成高次諧波分量的主要原因是：磁性材料磁化曲線的非線性，同時由于磁滯損耗和兩線圈磁路的不對稱，造成兩線圈中某些高次諧波成分不一樣，不能對消，于是產(chǎn)生了零位電壓的高次諧波。此外，激勵信號中包含的高次諧波及外界電磁場的干擾，也會產(chǎn)生高次諧波。2、

23、減小電感式傳感器的零點殘余電壓的措施（1）從設(shè)計和工藝上保證結(jié)構(gòu)對稱性為保證線圈和磁路的對稱性，首先，要求提高加工精度，線圈選配成對，采用磁路可調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)；其次，應(yīng)選高磁導(dǎo)率、低矯頑力、低剩磁感應(yīng)的導(dǎo)磁材料。并應(yīng)經(jīng)過熱處理，消除殘余應(yīng)力，以提高磁性能的均勻性和穩(wěn)定性。由高次諧波產(chǎn)生的因素可知，磁路工作點應(yīng)選在磁化曲線的線性段；減少激勵電流的諧波成分與利用外殼進行電磁屏蔽也能有效地減小高次諧波。（2）選用合適的測量線路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。采用相敏檢波電路不僅可鑒別銜鐵

24、移動方向，而且把銜鐵在中間位置時，因高次諧波引起的零點殘余電壓消除掉。如圖，采用相敏檢波后銜鐵反行程時的特性曲線由1變到2，從而消除了零點殘余電壓。圖4-2相敏檢波后的輸出特性（3）采用補償線路采用平衡調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)，這是一種既簡單又行之有效的方法。圖4-3補償電路圖4-6 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】1、開關(guān)式全波相敏檢波電路如圖4-4所示：u0usuru3u2u1圖4-4 開關(guān)式全波相敏檢波電路原理圖圖中VD1、 VD2、VD3、VD4為四個性能相同的二極管，以同一方向串聯(lián)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出的調(diào)幅波電壓)通過變壓

25、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(dǎo)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(dǎo)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）。根據(jù)變壓器的工作原理，考慮到O、M分別為變壓器T1、 T2的中心抽頭，則式中，n1 , n2分別為變壓器T1、T2的變壓比。采用電路分析的基本方法，可求得圖（b）所示電路的輸出電壓uo的表達式同理當u2與us均為負半周時，

26、二極管VD2、VD3截止，VD1、VD4導(dǎo)通。其等效電路如圖（c）所示。輸出電壓uo表達式與上式相同。說明只要位移x>0，不論u2與us是正半周還是負半周，負載電阻RL兩端得到的電壓uo始終為正。當x<0時，u2與us為同頻反相。采用上述相同的分析方法不難得到當x<0時，不論u2與us是正半周還是負半周，負載電阻RL兩端得到的輸出電壓uo表達式總是為（a） 被測位移變化波形圖; （b） 差動變壓器激磁電壓波形; （c） 差動變壓器輸出電壓波形 (d) 相敏檢波解調(diào)電壓波形； (e) 相敏檢波輸出電壓波形 4-10 何謂渦流效應(yīng)？怎樣利用渦流效應(yīng)進行位移測量？【答】1、根據(jù)法拉

27、第電磁感應(yīng)定律，塊狀金屬導(dǎo)體置于變化的磁場中或在磁場中作切割磁力線運動時，導(dǎo)體內(nèi)將產(chǎn)生呈漩渦狀的感應(yīng)電流，此電流叫電渦流，以上現(xiàn)象稱為電渦流效應(yīng)。2、有一通以交變電流的傳感器線圈。由于電流的存在，線圈周圍就產(chǎn)生一個交變磁場H1。若被測導(dǎo)體置于該磁場范圍內(nèi)，導(dǎo)體內(nèi)便產(chǎn)生電渦流，也將產(chǎn)生一個新磁場H2，H2與H1方向相反，力圖削弱原磁場H1，從而導(dǎo)致線圈的電感、阻抗和品質(zhì)因數(shù)發(fā)生變化。這些參數(shù)變化與導(dǎo)體的幾何形狀、電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率、線圈的幾何參數(shù)、電流的頻率以及線圈到被測導(dǎo)體間的距離有關(guān)。如果控制上述參數(shù)中的線圈到被測導(dǎo)體間的距離參數(shù)改變，余者皆不變，就能構(gòu)成測量位移的傳感器。4-12 電渦流傳感器

28、常用的測量電路有哪幾種？各有什么特點？1、用于電渦流傳感器的測量電路主要有：調(diào)頻式、調(diào)幅式電路兩種。2、特點² 調(diào)頻式測量電路除結(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。² 調(diào)幅式測量電路線路較復(fù)雜，裝調(diào)較困難，線性范圍也不夠?qū)挕?-13 利用電渦流式傳感器測板材厚度，已知激勵電源頻率f=1MHz，被測材料相對磁導(dǎo)率r=1，電阻率=2.9×10-6Cm，被測板材厚度為 =（1+0.2）mm。試求：（1）計算采用高頻反射法測量時，渦流透射深度h為多大？（2） 能否采用低頻透射法測板材厚度？若可以需采取什么措施？畫出檢測示意圖?！窘狻?、為了克服帶材不夠

29、平整或運行過程中上下波動的影響，在帶材的上、下兩側(cè)對稱地設(shè)置了兩個特性完全相同的渦流傳感器S1和S2。S1和S2與被測帶材表面之間的距離分別為x1和x2。若帶材厚度不變，則被測帶材上、下表面之間的距離總有x1+x2=常數(shù)的關(guān)系存在。兩傳感器的輸出電壓之和為2Uo，數(shù)值不變。如果被測帶材厚度改變量為，則兩傳感器與帶材之間的距離也改變一個，兩傳感器輸出電壓此時為2Uo±U。U經(jīng)放大器放大后，通過指示儀表即可指示出帶材的厚度變化值。帶材厚度給定值與偏差指示值的代數(shù)和就是被測帶材的厚度。計算高頻反射法測板材厚度時，渦流穿透深度：可見穿透深度很淺。圖4-8高頻反射法測量原理圖2、若采用低頻透射

30、法測板材厚度，必須使渦流穿透深度大于板材厚度。由于、0、r都是常數(shù)，所以必須降低激勵電源頻率，使之滿足：由此解得穿透板材所需的最高頻率為：當滿足激勵電源頻率小于5.1KHz時，發(fā)射探頭的信號才能透過板材，被接收探頭接收。發(fā)射探頭在交變電壓e1的激勵下，產(chǎn)生交變磁場，透過被測板材后達到接收探頭，使之產(chǎn)生感應(yīng)電動勢e2，它是板材厚度的函數(shù)，只要兩個探頭之間的距離x一定，測量e2的值即可測得板材厚度。圖4-9低頻透射法測量原理圖5-1 根據(jù)工作原理可將電容式傳感器分為哪幾種類型？每種類型各有什么特點？各適用什么場合？【答】1、電容式傳感器分為：變極距(變間隙)()型、變面積型(S)型、變介電常數(shù)(r

31、)型三種基本類型。2、特點與應(yīng)用（1）變極距(變間隙)()型：只有在d/d0很小時，才有C與d 近似的線性關(guān)系，所以，這種類型的傳感器一般用來測量微小變化量。（2）變面積型(S)型：傳感器的電容量C與線位移及角位移呈線性關(guān)系。測量范圍大，可測較大的線位移及角位移。（3）變介電常數(shù)(r)型：傳感器電容量C與被測介質(zhì)的移動量成線性關(guān)系。常用來檢測容器中的液位，或片狀結(jié)構(gòu)材料的厚度等。5-2 如何改善單極式變極距型傳感器的非線性？【答】5-3 圖5-7為電容式液位計測量原理圖。請為該測量裝置設(shè)計匹配的測量電路，要求輸出電壓U0與液位h之間成線性關(guān)系。圖5-7 電容式液位變換器結(jié)構(gòu)原理圖【答】電容式液

32、位計的電容值為：，其中?？梢奀與液面高度h呈線性關(guān)系?？梢钥闯觯摻Y(jié)構(gòu)不宜做成差動形式，所以不宜采用二極管雙T形交流電橋，也不宜采用脈沖寬度調(diào)制電路。另外要求輸出電壓與液位h之間呈線性關(guān)系，所以不宜采用調(diào)頻電路和運算放大器式電路。V環(huán)形二極管電容測量電路原理圖R C V 可以采用環(huán)形二極管充放電法，具體電路如圖所示。可將直流電流表改為直流電壓表與負載電阻R的并聯(lián)，R上的電壓為，則有：其中，Cx為電容式液位計的電容值，f為方波的頻率，E=E2-E1為方波的幅值，Cd為平衡電容傳感器初始電容的調(diào)零電容。當h=0時調(diào)節(jié)，則輸出電壓與液位h之間呈線性關(guān)系。C0UL55 題55圖為電容式傳感器的雙T電橋

33、測量電路，已知，。求的表達式及對于上述已知參數(shù)的值。解：6-1 什么叫正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)？什么叫縱壓電效應(yīng)和橫壓電效應(yīng)？【答】1、正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)（1）正壓電效應(yīng)（順壓電效應(yīng)） 某些電介質(zhì)，當沿著一定方向?qū)ζ涫┝Χ顾冃螘r，內(nèi)部就產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時在它的一定表面上產(chǎn)生電荷，當外力去掉后，又重新恢復(fù)不帶電狀態(tài)的現(xiàn)象。當作用力方向改變時，電荷極性也隨著改變。這種現(xiàn)象稱壓電效應(yīng)。有時人們把這種機械能轉(zhuǎn)換為電能的現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)（順壓電效應(yīng)）。（2）逆壓電效應(yīng)（電致伸縮效應(yīng)）當在電介質(zhì)的極化方向施加電場，這些電介質(zhì)就在一定方向上產(chǎn)生機械變形或機械壓力，當外加電場撤去時，這些變形或應(yīng)力也隨

34、之消失的現(xiàn)象。2、縱壓電效應(yīng)和橫壓電效應(yīng)（1）縱向壓電效應(yīng)通常把沿電軸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)”。（2）橫壓電效應(yīng)把沿機械軸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)”。6-4 畫出壓電元件的兩種等效電路。1、電壓源等效電路2、電流源等效電路6-5 電荷放大器所要解決的核心問題是什么？試推導(dǎo)其輸入與輸出的關(guān)系?！敬稹?、傳感器的靈敏度與電纜電容無關(guān)，更換電纜或使用較長的電纜時，不用重新校正傳感器的靈敏度。改進了電壓放大器的缺點。2、輸入與輸出的關(guān)系電荷放大器常作為壓電傳感器的輸入電路，由一個反饋電容Cf和高增益運算放大器構(gòu)成。由運算放大器基本特性，可求出電

35、荷放大器的輸出電壓：通常A=104108，因此,當滿足(1+A)Cf>>Ca+Cc+Ci時，上式可表示為6-8 用石英晶體加速度計測量機械的振動，已知加速度計的靈敏度為2.5pC/g（g=9.8m/s2），電荷放大器靈敏度為80mV/pC，當機器達到最大加速度時，相應(yīng)的輸出幅值為4V。試計算機器的振動加速度?！窘狻肯到y(tǒng)靈敏度Sn等于傳感器靈敏度與電荷放大器靈敏度的乘積，即Sn = 2.5×80=200mV/g系統(tǒng)靈敏度Sn、輸出電壓幅值U0及被測加速度幅值a的關(guān)系為：所以該機器的振動加速度幅值為：6-9 一只x切型的石英晶體壓電元件，其，相對介電常數(shù)，橫截面積，厚度。求：

36、（1）縱向受的壓力作用時壓電片兩電極間輸出電壓值為多大？（2）若此元件與高輸入阻抗運放連接時連接電纜的電容為，該壓電元件的輸出電壓值為多大？解：（1）所謂縱向受力，是指作用力沿石英晶體的電軸方向（即x軸方向）。對于x切型的石英晶體壓電元件，縱向受力時，在x方向產(chǎn)生的電荷量為：壓電元件的電容量為：所以兩電極間的輸出電壓值為（2）此元件與高輸入阻抗運放連接時，連接電纜的電容與壓電元件本身的電容相并聯(lián)，輸出電壓將改變?yōu)椋?-4 什么是霍爾效應(yīng)？霍爾電勢與哪些因素有關(guān)？【答】1、通電的導(dǎo)體或半導(dǎo)體，在垂直于電流和磁場的方向上將產(chǎn)生電動勢，這種現(xiàn)象稱霍爾效應(yīng)。該電勢稱霍爾電勢。2、霍爾電勢正比于激勵電流

37、及磁感應(yīng)強度，其靈敏度與霍爾系數(shù)RH成正比而與霍爾片厚度d成反比。為了提高靈敏度，霍爾元件常制成薄片形狀。7-5 影響霍爾元件輸出零點的因素有哪些？如何補償？1、影響霍爾元件輸出零點的因素當霍爾元件的激勵電流為I時，若元件所處位置磁感應(yīng)強度為零，則它的霍爾電勢應(yīng)該為零，但實際不為零。這時測得的空載霍爾電勢稱為不等位電勢。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因有：（1）霍爾電極安裝位置不對稱或不在同一等電位面上；（2）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；（3）激勵電極接觸不良造成激勵電流不均勻分布等。2、不等位電勢與霍爾電勢具有相同的數(shù)量級，有時甚至超過霍爾電勢，而實用中要消除不等位電勢是極其困難

38、的，因而必須采用補償?shù)姆椒ā？梢园鸦魻栐刃橐粋€電橋，用電橋平衡來補償不等位電勢。由于A、 B電極不在同一等位面上，此四個電阻阻值不相等，電橋不平衡，不等位電勢不等于零。此時可根據(jù)A、 B兩點電位的高低，判斷應(yīng)在某一橋臂上并聯(lián)一定的電阻，使電橋達到平衡，從而使不等位電勢為零。7-8 試分析霍爾元件輸出接有負載RL 時，利用恒壓源和輸入回路串聯(lián)電阻RT 進行溫度補償?shù)臈l件。補償電路如圖(a)所示，輸入回路與輸出回路的等效電路如圖(b)、(c)所示。設(shè)RL不隨溫度改變，由于霍爾元件輸出電阻Rout隨溫度變化，輸出霍爾電勢UH也隨溫度變化，使得負載電阻上的輸出電壓與溫度有關(guān)。RLRT(a) 霍爾

39、元件接有負載 (b) 輸入回路等效電路 (c) 輸出回路等效電路溫度為T0 時，負載電阻上的輸出電壓為 設(shè)RT 的溫度系數(shù)，霍爾元件內(nèi)阻溫度系數(shù)為，靈敏度溫度系數(shù)為，則溫度升高后，負載電阻上的電壓為要實現(xiàn)溫度補償，應(yīng)使，即消去二階小量（即含或的項），解得為了獲得最大的輸出功率，可使，則7-10（補充題） 試對利用霍爾式傳感器實現(xiàn)轉(zhuǎn)速測量進行解釋。【答】轉(zhuǎn)盤的輸入軸與被測轉(zhuǎn)軸相連，當被測轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動時，轉(zhuǎn)盤隨之轉(zhuǎn)動，固定在轉(zhuǎn)盤附近的霍爾傳感器便可在每一個小磁鐵通過時產(chǎn)生一個相應(yīng)的脈沖，檢測出單位時間的脈沖數(shù)，便可知被測轉(zhuǎn)速。根據(jù)磁性轉(zhuǎn)盤上小磁鐵數(shù)目多少就可確定傳感器測量轉(zhuǎn)速的分辨率。N-轉(zhuǎn)速；f-信

40、號頻率；n-槽數(shù)。8-1 光電效應(yīng)有哪幾種？相對應(yīng)的光電器件各有哪些？【答】1、光電效應(yīng)分為外光電效應(yīng)和內(nèi)光電效應(yīng)兩大類。內(nèi)光電效應(yīng)又可分為光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)。2、光電器件（1）基于外光電效應(yīng)的光電元件有光電管、光電倍增管、光電攝像管等。（2）基于光電導(dǎo)效應(yīng)的光電器件有光敏電阻。（3）基于光生伏特效應(yīng)的光電器件有光電池、光敏二極管、三極管。8-2 試述光敏電阻、光敏二極管、光敏晶體管和光電池的工作原理，在實際應(yīng)用時各有什么特點？【答】1、光敏電阻的工作原理其工作原理是基于光電導(dǎo)效應(yīng)，其阻值隨光照增強而減小。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。無光

41、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。實際光敏電阻的暗電阻值一般在兆歐量級，亮電阻值在幾千歐以下。2、光敏二極管的工作原理在無光照時，處于反偏的光敏二極管工作在截止狀態(tài)，其反向電阻很大，反向電流很小，這種反向電流稱為暗電流。當有光照射到光敏二極管的PN結(jié)時，PN結(jié)附近受光子轟擊，吸收其能量而產(chǎn)生電子-空穴對，它們在反向電壓和內(nèi)電場的作用下，漂移越過PN結(jié)，形成比無光照時大得多的反向電流，該反向電流稱為光電流，此時，光敏二極管的反

42、向電阻下降。若入射光的強度增強，產(chǎn)生的電子-空穴對數(shù)量也隨之增加，光電流也響應(yīng)增大，即光電流與光照度成正比。如果外電路接上負載，便可獲得隨光照強弱變化的信號。光敏二極管的光電流I 與照度之間呈線性關(guān)系。光敏二極管的光照特性是線性的，所以適合檢測等方面的應(yīng)用。3、光敏晶體管的工作原理大多數(shù)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(jié)就是反向偏壓。當光照射在集電結(jié)時，就會在結(jié)附近產(chǎn)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，所以光敏晶體管有放大作用。4、光電

43、池的工作原理硅光電池是在一塊N型硅片上用擴散的辦法摻入一些P型雜質(zhì)(如硼)形成PN結(jié)。當光照到PN結(jié)區(qū)時，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。若將PN結(jié)兩端用導(dǎo)線連起來，電路中有電流流過，電流的方向由P區(qū)流經(jīng)外電路至N區(qū)。若將外電路斷開，就可測出光生電動勢。8-3 光電耦合器件分為哪兩類？各有什么用途？【答】 光電耦合器件分為兩類：一類是用于實現(xiàn)電隔離的光電耦合器（又稱光電耦合器），另一類是用于檢測物體位置或檢測有無物體的光電開關(guān)（又稱光電斷續(xù)器）。8-5 如何理解電荷耦合器件有“電子自掃描”作用？【答】面陣CCD

44、包括x、y兩個方向用于攝取平面圖像，它能存儲由光產(chǎn)生的信號電荷。當對它施加特定時序的脈沖時，其存儲的信號電荷便可在CCD內(nèi)作定向傳輸而實現(xiàn)自掃描。8-6 光在光纖中是怎樣傳輸?shù)?？對光纖及入射光的入射角有什么要求？【答】1、光在光纖內(nèi)的全內(nèi)反射進行傳輸?shù)?，實際工作時需要光纖彎曲，但只要滿足全反射條件，光線仍然繼續(xù)前進。可見這里的光線“轉(zhuǎn)彎”實際上是由光的全反射所形成的。2、為滿足光在光纖內(nèi)的全內(nèi)反射，光入射到光纖端面的入射角i應(yīng)滿足一般光纖所處環(huán)境為空氣，則n0=1，這樣上式可表示為8-7 光纖數(shù)值孔徑NA的物理意義是什么？對NA取值大小有什么意義？【答】1、數(shù)值孔徑是表征光纖集光本領(lǐng)的一個重要

45、參數(shù)，即反映光纖接收光量的多少。無論光源發(fā)射功率有多大，只有入射角處于2c的光椎角內(nèi)，光纖才能導(dǎo)光。如入射角過大，光線便從包層逸出而產(chǎn)生漏光。2、光纖的NA越大，表明它的集光能力越強，一般希望有大的數(shù)值孔徑，這有利于提高耦合效率；但數(shù)值孔徑過大，會造成光信號畸變。所以要適當選擇數(shù)值孔徑的數(shù)值，如石英光纖數(shù)值孔徑一般為0.20.4。8-8 當光纖的n1=1.46，n2=1.45，如光纖外部介質(zhì)的n0=1，求光在光纖內(nèi)產(chǎn)生全內(nèi)反射時入射光的最大入射角的值？【解】根據(jù)光纖數(shù)值孔徑NA的定義入射臨界角為故，得該種光纖最大入射角為9.80 ，即入射光線必須在與該光纖軸線夾角小于9.80時才能傳播。9-9

46、 根據(jù)圖8-43和8-44，說明半導(dǎo)體光吸收型光纖溫度傳感器的工作原理?！敬稹堪雽?dǎo)體吸收式光纖傳感器測溫系統(tǒng)原理圖(a)所示：(a)半導(dǎo)體吸收式光纖傳感器測溫系統(tǒng)原理圖輸入光纖和輸出光纖兩端面間夾一片厚度約零點幾毫米的半導(dǎo)體光吸收片，并用不銹鋼管加以固定,使半導(dǎo)體與光纖成為一體。它的關(guān)鍵部件是半導(dǎo)體光吸收片。由半導(dǎo)體物理知道，半導(dǎo)體的禁帶寬度Eg 隨溫度 T 增加近似線性地減小，如圖(b)所示。(b)半導(dǎo)體的禁帶寬度與溫度的關(guān)系 (c)半導(dǎo)體的透射光強與溫度的關(guān)系由圖(c)可以看出：半導(dǎo)體的本征吸收限（或吸收邊）波長隨溫度增加而向長波長的方向位移。在 T 一定時的情況下，半導(dǎo)體引起的光吸收隨著

47、吸收邊波長g的變短而急劇增加，也即透過率急劇下降，直至光幾乎不能穿透半導(dǎo)體。反之，隨著吸收邊波長g的變長，半導(dǎo)體的透光率增大。在光源一定的情況下，通過半導(dǎo)體的透射光強隨溫度 T 的增加而減小。14-1 什么是智能傳感器？它包含哪幾種主要形式？ 【答】1、所謂智能式傳感器，就是一種帶有微處理器的，兼有信息檢測、信號處理、信息記憶、邏輯思維與判斷功能的傳感器。即“電五官”+“電腦”。2、智能傳感器主要形式（1） 一是采用微處理機或微型計算機系統(tǒng)以強化和提高傳統(tǒng)傳感器的功能，即傳感器與微處理機可分為兩個獨立部分，傳感器的輸出信號經(jīng)處理和轉(zhuǎn)化后由接口送到微處理機部分進行運算處理。這就是我們指的一般意義

48、上的智能傳感器, 又稱傳感器的智能化。（2）二是借助于半導(dǎo)體技術(shù)把傳感器部分與信號預(yù)處理電路、輸入輸出接口、微處理器等制作在同一塊芯片上，即成為大規(guī)模集成電路智能傳感器，簡稱集成智能傳感器。15-2 試證明熱電偶的中間導(dǎo)體定律，說明該定律在熱電偶實際測溫中的意義?！敬稹?、中間導(dǎo)體定律（1）如圖(a)所示的回路中，由于溫差電勢可忽略不計，則回路中的總熱電勢等于各接點的接觸電勢之和，即EABC(t,t0)=EAB(t)+EBC(t0)+ECA(t0)EBC(t0)+ECA(t0)= - EAB(t0) 其中將上兩式聯(lián)立得EABC(t,t0) =EAB(t)-EAB(t0)=EAB(t,t0) 上式表明，接入第三種導(dǎo)體后，并不影響熱電偶回路的總熱電勢。(a)具有三種導(dǎo)體的熱電偶回路（2）如圖(b)所示的回路中，由于溫差電勢可忽略不計，則回路中的總熱電勢等于各接點的接觸電勢之和，即(b)