傳感器技術(shù)課后題答案賈伯年第3版

1、衡量傳感器靜態(tài)特性的主要指標。說明含義?；夭睿螅┮环磻?yīng)傳感器在正（輸入量增大）反（輸入量減?。┬谐踢^程中輸出-輸入曲線的不重合程度。重復(fù)性一一衡量傳感器在同一工作條件下，輸入量按同一方向作全量程連續(xù)多次變動時，所得特性曲線間一致程度。各條特性曲線越靠近，重復(fù)性越好。靈敏度一一傳感器輸出量增量與被測輸入量增量之比。分辨力一一傳感器在規(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。線性度一一表征傳感器輸出-輸入校準曲線與所選定的擬合直線之間的吻合（或偏離）程度的指標。閥值一一使傳感器輸出端產(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。穩(wěn)定性一一即傳感器在相當長時間內(nèi)仍保持其性能的能力

2、。漂移一一在一定時間間隔內(nèi)，傳感器輸出量存在著與被測輸入量無關(guān)的、不需要的變化。靜態(tài)誤差（精度）一一傳感器在滿量程內(nèi)任一點輸出值相對理論值的可能偏離（逼近）程度。計算傳感器線性度的方法，差別。理論直線法：以傳感器的理論特性線作為擬合直線，與實際測試值無關(guān)。端點直線法：以傳感器校準曲線兩端點間的連線作為擬合直線。“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曲線對它的正負偏差相等并且最小。這種方法的擬合精度最高。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數(shù)據(jù)的殘差平方和最小。什么是傳感器的靜態(tài)特性和動態(tài)特性？為什么要分靜和動？（1）靜態(tài)特性：表示傳

3、感器在被測輸入量各個值處于穩(wěn)定狀態(tài)時的輸出-輸入關(guān)系。動態(tài)特性：反映傳感器對于隨時間變化的輸入量的響應(yīng)特性。（2）由于傳感器可能用來檢測靜態(tài)量（即輸入量是不隨時間變化的常量）、準靜態(tài)量或動態(tài)量（即輸入量是隨時間變化的變量），于是對應(yīng)于輸入信號的性質(zhì)，所以傳感器的特性分為靜態(tài)特性和動態(tài)特性。Z-1分析改善傳感器性能的技術(shù)途徑和措施。（1）結(jié)構(gòu)、材料與參數(shù)的合理選擇（2）差動技術(shù)（3）平均技術(shù)（4）穩(wěn)定性處理（5）屏蔽、隔離與干擾抑制（6）零示法、微差法與閉環(huán)技術(shù)（7）補償、校正與“有源化”（8）集成化、智能化與信息融合2-1金屬應(yīng)變計與半導體工作機理的異同？比較應(yīng)變計各種靈敏系數(shù)概念的不同意義。

4、（1）相同點：它們都是在外界力作用下產(chǎn)生機械變形，從而導致材料的電阻發(fā)生變化所；不同點：金屬材料的應(yīng)變效應(yīng)以機械形變?yōu)橹鳎牧系碾娮杪氏鄬ψ兓癁檩o；而半導體材料則正好相反，其應(yīng)變效應(yīng)以機械形變導致的電阻率的相對變化為主，而機械形變?yōu)檩o。（2）對于金屬材料，靈敏系數(shù)Ko=Km=（1+2W）+C（1-2科）。前部分為受力后金屬幾何尺寸變化，一般科=0.3,因此（1+2科）=1.6;后部分為電阻率隨應(yīng)變而變的部分。金屬絲材的應(yīng)變電阻效應(yīng)以結(jié)構(gòu)尺寸變化為主。對于半導體材料，靈敏系數(shù)Ko=Ks=（1+2W）+兀E。前部分同樣為尺寸變化，后部分為半導體材料的壓阻效應(yīng)所致，而兀E（1+2科），因此Ko=Ks

5、=兀E。半導體材料的應(yīng)變電阻效應(yīng)主要基于壓阻效應(yīng)。2-3簡述電阻應(yīng)變計產(chǎn)生熱輸出（溫度誤差）的原因及其補償辦法。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。補償辦法：1、溫度自補償法（1）單絲自補償應(yīng)變計（2）雙絲自補償應(yīng)變計2、橋路補償法（1）雙絲半橋式（2）補償塊法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。原因：UU-R1-R2-R3_R411_R1_R23_5404RTRT-RT-RT2-RT-RT瓦瓦上式分母中含ARi/Ri,是造成輸出量的非線性因素。無論是輸出電壓還是電

6、流，實際上都與ARi/Ri呈非線性關(guān)系。措施：（1）差動電橋補償法差動電橋呈現(xiàn)相對臂和”，相鄰臂差”的特征，通過應(yīng)變計合理布片達到補償目的。常用的有半橋差動電路和全橋差動電路。（2）恒流源補償法誤差主要由于應(yīng)變電阻ARi的變化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？一是作為敏感元件，直接用于被測試件的應(yīng)變測量；另一是作為轉(zhuǎn)換元件，通過彈性敏感元件構(gòu)成傳感器，用以對任何能轉(zhuǎn)變成彈性元件應(yīng)變的其他物理量作間接測量。要求：非線性誤差要小(0.05%0.1%F.S),力學性能參數(shù)受環(huán)境溫度影響小，并與彈性元件匹配。2-9四臂平衡

7、差動電橋。說明為什么采用。因為四臂差動工作，不僅消除了飛線性誤差，而且輸出比單臂工作提高了3-1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。絕大多數(shù)自感式傳感器都運用與電阻差動式類似的技術(shù)來改善性能，由兩單一式結(jié)構(gòu)對稱組合，構(gòu)成差動式自感傳感器。采用差動式結(jié)構(gòu)，除了可以改善非線性、提高靈敏度外，對電源電壓與頻率的波動及溫度變化等外界影響也有補償作用，從而提高了傳感器的穩(wěn)定性?；ジ惺絺鞲衅魇且环N線圈互感隨銜鐵位移變化的變磁阻式傳感器，初、次級間的互感隨銜鐵移動而變，且兩個次級繞組按差動方式工作，因此又稱為差動變壓器。3-4變間隙式、變截面式和螺旋式三種電感式傳感器各適合用于什么場

8、合？各有什么優(yōu)缺點？變氣隙式靈敏度較高，但測量范圍小，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，一般可分辨零點幾角秒以下的微小角位移，線性范圍達土10。.螺管式可測量幾納米到一米的位移，但靈敏度較前兩種低。3-5螺管式電感傳感器做成細長形有什么好處？欲擴大其線性范圍可以采取哪些措施?答：好處：增加線圈的長度有利于擴大線性范圍或提高線性度。措施：適當增加線圈長度、采用階梯形線圈。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。原因：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

9、位電壓減至極小。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。差動自感式傳感器當銜鐵位于中間位置時，電橋輸出理論上應(yīng)為零，但實際上總存在零位不平衡電壓輸出(零位電壓),造成零位誤差。措施：一種常用的方法是采用補償電路，其原理為：(1)串聯(lián)電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。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。此外還可采用磁路調(diào)節(jié)機構(gòu)(如可調(diào)端蓋)保證磁路的對稱性，來減小零位電壓。3-9造成自感式傳

10、感器和差動變壓器溫度誤差的原因及其減小措施。(1)環(huán)境溫度的變化會引起自感傳感器的零點溫度漂移、靈敏度溫度漂移以及線性度和相位的變化，造成溫度誤差。應(yīng)注意線膨脹系數(shù)的大小與匹配，采用弱磁不銹鋼等材料作線圈骨架，或采用脫胎線圈。(2)當溫度變化時，差動變壓器初級線圈的參數(shù)尤其銅阻的變化影響較大。應(yīng)提高初級線圈的品質(zhì)因數(shù)，或采用穩(wěn)定激勵電流的方法減小溫度誤差。3-12電渦流式傳感器的原理及應(yīng)用。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

11、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、電、磁各參數(shù)不變，使傳感器的輸出只隨被測導體電阻率而變，就可測得溫度的變化。全橋差動電路,R1,R3受拉,R2,R4受壓，代入，得U。U上色色4R旦R由全等橋臂，得URR,Uo_1:4R1R2U4RIu色4RiRi可見輸出電壓Uo與ARi115RTR3R411RT-R2成嚴格的線性關(guān)系,RRiR2R3-RT-R-RT-沒有非線性誤差。即R4Uo=f(AR/R)。4倍，故常采用此方法。3-14比較定頻調(diào)幅式、變頻調(diào)幅式和調(diào)頻式三種測量電路的優(yōu)缺點，并指出它們的應(yīng)用場合。(1)定頻調(diào)幅式：這種電路采用石英晶體振蕩器，能獲得高穩(wěn)定

12、度頻率的高頻激勵信號，輸出穩(wěn)定，獲得廣泛應(yīng)用，但線路較復(fù)雜，裝調(diào)較困難，線性范圍也不夠?qū)挕?2)變頻調(diào)幅式：這種電路除結(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，因此監(jiān)控等場合常采用它。(3)調(diào)頻式：這種電路的關(guān)鍵是提高振蕩器的頻率穩(wěn)定度。通常可以從環(huán)境溫度變化、電纜電容變化及負載影響三方面考慮。4-1電容式傳感器可分為哪幾類？各自的主要用途是什么？(1)變極距型電容傳感器：在微位移檢測中應(yīng)用最廣。(2)變面積型電容傳感器：適合測量較大的直線位移和角位移。(3)變介質(zhì)型電容傳感器：可用于非導電散材物料的物位測量。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？原因：靈敏度S

13、與初始極距0。的平方成反比，用減少00的辦法來提高靈敏度，但00的減小會導致非線性誤差增大。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，它還能有效地補償溫度變化所造成的誤差。4-3為什么電容式傳感器的絕緣、屏蔽和電纜問題特別重要？如何解決？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、且具有隨機性的電纜寄生電容的干擾，它與傳感器電容相并聯(lián)，嚴重影響傳感器的輸出特性，甚至會淹沒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)5-12霍爾效應(yīng)是什么？可進行哪些參

14、數(shù)的測量？當電流垂直于外磁場通過導體時，在導體的垂直于磁場和電流方向的兩個端面之間會出現(xiàn)電勢差，這一現(xiàn)象便是霍爾效應(yīng)。這個電勢差也被叫做霍爾電勢差。利用霍爾效應(yīng)可測量大電流、微氣隙磁場、微位移、轉(zhuǎn)速、加速度、振動、壓力、流量和液位等；用以制成磁讀頭、磁羅盤、無刷電機、接近開關(guān)和計算元件等等。磁敏電阻與磁敏二極管的特點？磁敏電阻：外加磁場使導體(半導體)電阻隨磁場增加而增大的現(xiàn)象稱磁阻效應(yīng)。載流導體置于磁場中除了產(chǎn)生霍爾效應(yīng)外，導體中載流子因受洛侖茲力作用要發(fā)生偏轉(zhuǎn)，載流子運動方向偏轉(zhuǎn)使電流路徑變化，起到了加大電阻的作用，磁場越強增大電阻的作用越強。磁敏電阻主要運用于測位移。磁敏二極管：輸出電壓

15、隨著磁場大小的方向而變化，特別是在弱磁場作用下，可獲得較大輸出電壓變化，r區(qū)內(nèi)外復(fù)合率差別越大，靈敏度越高。當磁敏二極管反向偏置時，只有很少電流通過，二極管兩端電壓也不會因受到磁場的作用而有任何改變。利用磁敏二極管可以檢測弱磁場變化這一特性可以制成漏磁探傷儀。6-1何謂壓電效應(yīng)？正壓電與逆壓電？一些離子型晶體的電介質(zhì)不僅在電場力作用下，而且在機械力作用下，都會產(chǎn)生極化現(xiàn)象。且其電位移D(在MKS單位制中即電荷密度 b)與外應(yīng)力張量T成正比：D=dT式中d壓電常數(shù)矩陣。當外力消失，電介質(zhì)又恢復(fù)不帶電原狀；當外力變向，電荷極性隨之而變。這種現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)，或簡稱壓電效應(yīng)。若對上述電介質(zhì)施加電場

16、作用時，同樣會引起電介質(zhì)內(nèi)部正負電荷中心的相對位移而導致電介質(zhì)產(chǎn)生變形，且其應(yīng)變S與外電場強度E成正比：S=dtE式中dt逆壓電常數(shù)矩陣。這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)，或稱電致伸縮。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。主要特性：壓電常數(shù)、彈性常數(shù)、介電常數(shù)、機電耦合系數(shù)、電阻、居里點壓電單晶：時間穩(wěn)定性好，居里點高，在高溫、強幅射條件下，仍具有良好的壓電性，且機械性能，如機電耦合系數(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、抗機械和熱沖擊性差。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

17、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體特性。因此既可用其壓電性研制傳感器，又可用其半導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)。6-6原理上，壓電式傳感器不能用于靜態(tài)測量，但實用中，壓電式傳感器可能用來測量準靜態(tài)量，為什么？壓電式測力傳感器是利用壓電元件直接實現(xiàn)力-電轉(zhuǎn)換的傳感器，在拉力、壓力和力矩測量場合，通常較多采用雙片或多片石英晶片作壓電元件。由于它剛度大，動態(tài)特性好；測量范圍廣，可測范圍大；線性及穩(wěn)定性高；可測單、多向力。當采用大時間常數(shù)的電荷放大器時，就可測準靜態(tài)力。7-1熱電式傳感器分類。各自特點。熱電式傳感

18、器是一種將溫度變化轉(zhuǎn)換為電量變化的裝置。它可分為兩大類：熱電阻傳感器和熱電偶傳感器。熱電阻傳感器的特點：（1）高溫度系數(shù)、高電阻率。（2）化學、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：（1）結(jié)構(gòu)簡單（2）制造方便（3）測溫范圍寬（4）熱慣性小（5）準確度高（6）輸出信號便于遠傳7-2常用的熱電阻。適用范圍。鉗、銅為應(yīng)用最廣的熱電阻材料。鉗容易提純，在高溫和氧化性介質(zhì)中化學、物理性能穩(wěn)定，制成的鉗電阻輸出一輸入特性接近線性，測量精度高。銅在-50150c范圍內(nèi)銅電阻化學、物理性能穩(wěn)定，輸出輸入特性接近線性，價格低廉。當溫度高于100

19、c時易被氧化，因此適用于溫度較低和沒有浸蝕性的介質(zhì)中工作。7-4利用熱電偶測溫必須具備哪兩個條件？（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7-5什么是中間導體定律和連接導體定律？它們在利用熱電偶測溫時有什么實際意義？中間導體定律：導體A、B組成的熱電偶，當引入第三導體時，只要保持第三導體兩端溫度相同，則第三導體對回路總熱電勢無影響。利用這個定律可以將第三導體換成毫伏表，只要保證兩個接點溫度一致，就可以完成熱電勢的測量而不影響熱電偶的輸出。連接導體定律：回路的總電勢等于熱電偶電勢EAB（T,To）與連接導線電勢EAB（Tn,To）的代數(shù)和。連接導體定律是工業(yè)上運用補償導線進行溫度測量的理論基礎(chǔ)。7-6什么是中間溫度定律？有什么實際意義？EAB（T,Tn,To）=EAB（T,Tn）+EAB（Tn,To）這是中間溫度定律表達式，即回路的總熱電