傳感器原理與工程應(yīng)用第三版部分答案

1、1 1 ：測(cè)量的定義？答：測(cè)量是以確定被測(cè)量的值或獲取測(cè)量結(jié)果為目的的一系列操作。所以 , 測(cè)量也就是將被測(cè)量與同種性質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)量進(jìn)行比較，確定被測(cè)量對(duì)標(biāo)準(zhǔn)量的倍數(shù)。1 2 ：什么是測(cè)量值的絕對(duì)誤差、相對(duì)誤差、引用誤差？答：絕對(duì)誤差是測(cè)量結(jié)果與真值之差,即 : 絕對(duì)誤差= 測(cè)量值真值相對(duì)誤差是絕對(duì)誤差與被測(cè)量真值之比, 常用絕對(duì)誤差與測(cè)量值之比, 以百分?jǐn)?shù)表示,即：相對(duì)誤差=絕對(duì)誤差/測(cè)量值 X 100%引用誤差是絕對(duì)誤差與量程之比,以百分?jǐn)?shù)表示,即：引用誤差二絕對(duì)誤差/量程 X 100%1 3 什么是測(cè)量誤差？測(cè)量誤差有幾種表示方法？它們通常應(yīng)用在什么場(chǎng)合？答： 測(cè)量誤差是測(cè)得值減去被測(cè)量的真

2、值。測(cè)量誤差的表示方法：絕對(duì)誤差、實(shí)際相對(duì)誤差、引用誤差、基本誤差、附加誤差。當(dāng)被測(cè)量大小相同時(shí)，常用絕對(duì)誤差來(lái)評(píng)定測(cè)量準(zhǔn)確度；相對(duì)誤差常用來(lái)表示和比較測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)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。2 1 ：什么是傳感器？它由哪幾部分組成？它的作用及相互關(guān)系如何？答：傳感器是能感受規(guī)定的被測(cè)量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置。通常， 傳感器由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。其中， 敏感元件是指?jìng)鞲衅髦心苤苯痈惺芑蝽憫?yīng)被測(cè)量的部分；轉(zhuǎn)換元件是指?jìng)鞲衅髦心軐⒚舾性惺芑蝽憫?yīng)的被測(cè)量轉(zhuǎn)換成適于傳輸或測(cè)量的電信號(hào)部分。2 2：什么是傳感器的靜

3、態(tài)特性？它有哪些性能指標(biāo)？分別說(shuō)明這些性能指標(biāo)的含義？答： 傳感器在被測(cè)量的各個(gè)值處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，輸出量和輸入量之間的關(guān)系稱為傳感器的靜態(tài)特性；其主要指標(biāo)有線性度、靈敏度、精確度、最小檢測(cè)量和分辨力、遲滯、重復(fù)性、零點(diǎn)漂移、溫漂。靈敏度定義是輸出量增量四與引起輸出量增量Ay的相應(yīng)輸入量增量Ax之比。 傳感器的線性度是指?jìng)鞲衅鞯妮敵雠c輸入之間數(shù)量關(guān)系的線性程度。輸出與輸入關(guān)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?變化期間其輸入輸出特性曲線不重合的現(xiàn)象稱為遲滯。重復(fù)性是指?jìng)鞲衅髟谳斎肓堪赐环较蜃魅砍踢B續(xù)多次變化時(shí)，所得特性曲線不一致的程度。傳感

4、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(shí)間變化，此現(xiàn)象稱為漂移。3 3：什么是傳感器的動(dòng)態(tài)特性？它有哪幾種分析方法？它們各有哪些性能指標(biāo)？答： （ 1 ）動(dòng)態(tài)特性是指?jìng)鞲衅鲗?duì)隨時(shí)間變化的輸入量的響應(yīng)特性；（ 2 ）分析方法：時(shí)域分析法 時(shí)間常數(shù)； 延遲時(shí)間t d 上升時(shí)間tr;峰值時(shí)間tp超調(diào)量b衰減比d復(fù)頻域傳遞函數(shù)頻率域特性頻率通頻帶、工作頻帶、時(shí)間常數(shù)、 固有頻率、相位誤差、跟隨角。第三章應(yīng)變式傳感器1 什么叫應(yīng)變效應(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：在外力作用下，導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料產(chǎn)生機(jī)械變形，從而引起材料電阻值發(fā)生相應(yīng)變化的現(xiàn)象，稱為應(yīng)變效應(yīng)。其表達(dá)式為dR/

5、R=k e,式中K為材料的應(yīng)變靈敏系數(shù)，當(dāng)應(yīng)變材料為金屬或合金時(shí)，在彈性極限內(nèi)K 為常數(shù)。金屬電阻應(yīng)變片的電阻相對(duì)變化量dR/R與金屬材料的軸向應(yīng)變成正比，因此，利用電阻應(yīng)變片，可以將被測(cè)物體的應(yīng)變£轉(zhuǎn)換成與之成正比關(guān)系的電阻相對(duì)變化量，這就是金屬電阻應(yīng)變片的工作原理。2 .試述應(yīng)變片溫度誤差的概念，產(chǎn)生原因和補(bǔ)償辦法。答：由于測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境溫度偏離應(yīng)變片標(biāo)定溫度而給測(cè)量帶來(lái)的附加誤差，稱為應(yīng)變片溫度二國(guó)關(guān)慶O產(chǎn)生應(yīng)變片溫度誤差的主要原因有：由于電阻絲溫度系數(shù)的存在，當(dāng)溫度改變時(shí)，應(yīng)變片的標(biāo)稱電阻值發(fā)生變化。 當(dāng)試件與與電阻絲材料的線膨脹系數(shù)不同時(shí)，由于溫度的變化而引起的附加變形，使應(yīng)

6、變片產(chǎn)生附加電阻。電阻應(yīng)變片的溫度補(bǔ)償方法有線路補(bǔ)償法和應(yīng)變 片自補(bǔ)償法兩大類。電橋補(bǔ)償法是最常用且效果較好的線路補(bǔ)償法，應(yīng)變片自補(bǔ)償法是采用溫度自補(bǔ)償應(yīng)變片或雙金屬線柵應(yīng)變片來(lái)代替一般應(yīng)變片，使之兼顧溫度補(bǔ)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(jì)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(yīng)變所在電橋不同的工作橋臂，電橋可分為： 單臂電橋，R 1為電阻應(yīng)變片，R 2、R 3、R 4為 電橋固定電阻。其輸出電壓為。 差動(dòng)半橋電路，R 1、R2為兩個(gè)所受應(yīng)變方向相反 的應(yīng)變片，R 3、R 4為

7、電橋固定電阻。其輸出電 壓為：。差動(dòng)全橋電路， Ri、R2、R3、R4均為電阻應(yīng)變片， 且相鄰兩橋臂應(yīng)變片所受應(yīng)變方向相反。其輸出電壓為：O5 .圖示為一直流應(yīng)變電橋。 圖中E=4V ,R1= R 2= R 3= R 4= 120 Q ,試求：(1) Ri為金屬應(yīng)變片，其余為外接電阻。當(dāng) R1的增 量為A R1 = 1.2 時(shí)，電橋輸出電壓 Uo二？(2) R1、R2都是應(yīng)變片，且批號(hào)相同，感應(yīng)應(yīng)變的 極性和大小都相同，其余為外接電阻，電橋輸出電壓Uo =?E 41.2Q = - X 44 120Q=0.012 ill I品，取均為應(yīng)變汁，且批號(hào)相同.所受應(yīng)變?nèi)诵O方向均相同，則#1 = &a

8、mp; =左 火=用,=() + (Rf +) R3 + R鼻+ At?i 12(j?+Aj?)名十名 J <2120240£二0(3) 題(2)中，如果 R1與R2感受應(yīng)變的極f相反，且A R1= AR2 = 1.2 ,電橋 輸出電壓Uo= ?根據(jù)題通,展u。R(4 + Ai?i )+ (4 - A>?2 )火3 +心則=_混_工RR、舄 + /E 城 4 1.2 nA.2 R 2 120<6.圖示為等強(qiáng)度梁測(cè)力系統(tǒng)出炮阻應(yīng)變用應(yīng)變片靈敏系數(shù)K=2.05,米受應(yīng)變時(shí),RF1200。號(hào)試件受力F時(shí),應(yīng)f壓及非線性誤差大小。解:根據(jù)應(yīng)變效應(yīng),有，府變 "80

9、0um/nb 求:北量AR】和電阻相對(duì)變化量A應(yīng)變片R置于單臂測(cè)量電橋,電橋電加I流3V,求電橋輸出電壓及電橋非線性誤差。若要減小非線性誤塞應(yīng)顆何種措施?并分已知=2.05, £ = 800,4二120。郵6等鼬翻 力系統(tǒng)示意圖Ri/析其電橋輸出電x120 = 0.20QR 二 A " E，4 = 2.05x800x10-60.20= 0.17%若將中陽(yáng)應(yīng)變片置于單臂測(cè)量橋路"'p n3則 U = = -xO.OO17 = L25wr口 4 44?7?上線性誤差yz=0.085%1十出2月若要減小非線性濕差，可采用半橋差動(dòng)電路，口選擇R、- R R.- 1

10、20。A/?. = bJl、= 0.20Q C1Z51Z4和冬所受應(yīng)變大小相等，應(yīng)變方向相反b 第四章 電感式傳感器1 .差動(dòng)變壓器式傳感器的零點(diǎn)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：原因：（1）由于兩電感線圈的電氣參數(shù)及導(dǎo)磁體幾何尺寸不完全對(duì)稱，在兩電感線圈上的電壓幅值和相位不同，從而形成零點(diǎn)殘余電壓的基波分量。（2）由于傳感器導(dǎo)磁材料磁化曲線的非線性 （如鐵磁飽和、磁滯損耗），使激勵(lì)電流與磁通波形不一致， 從而形成零點(diǎn)殘余電壓的高次諧波分量。為減小電感式傳感器的零點(diǎn)殘余電壓，可采取以下措施：在設(shè)計(jì)和工藝上， 力求做到磁路對(duì)稱， 鐵芯材料均勻；要經(jīng)過(guò)熱處理以除去機(jī)械 應(yīng)力和

11、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(jìn)行補(bǔ)償。2 .簡(jiǎn)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Vdi、Vd2、Vd3、Vd4為四個(gè)性能相同的二極 管，以同一方向串聯(lián)接成一個(gè)閉合回路，形成環(huán)形電橋。輸入信號(hào) U2（差動(dòng)變壓器式傳感器輸出的調(diào)幅波電壓）通過(guò)變壓器 T1加到環(huán)形電橋的一個(gè)對(duì)角線上。參考信號(hào)us通過(guò)變壓器T2加到環(huán)形電橋的另一個(gè)對(duì)角線上。輸出信號(hào)Uo從變壓器Ti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(shí)變壓器T2的次級(jí)電流過(guò)大。Rl為負(fù)載電阻。Us的幅值要遠(yuǎn)大于輸入信號(hào) U2

12、的幅值，以便有效控制四個(gè)二極管的導(dǎo)通狀態(tài)，且 Us和差動(dòng)變壓器式傳感器激磁電壓U1由同一振蕩器供電，保證者同頻同相（或反相）。-UHn3 .何謂渦流效應(yīng)？怎樣利用渦流效應(yīng)進(jìn)行位移測(cè)量？答：電渦流效應(yīng)是指金屬導(dǎo)體置于交變磁場(chǎng)中會(huì)產(chǎn)生電渦流，且該電渦流所產(chǎn)生磁場(chǎng)的方向與原磁場(chǎng)方向相反的一種物理現(xiàn)象。電渦流傳感器的敏感元件是線圈，當(dāng)給線圈通以交變電流并使它接近金屬導(dǎo)體時(shí)，線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)就會(huì)被導(dǎo)體電渦流產(chǎn)生的磁場(chǎng)部分抵消，使線圈的電感量、阻抗和品質(zhì)因數(shù)發(fā)生變化。這種變化與導(dǎo)體的幾何尺寸、導(dǎo)電率、導(dǎo)磁率有關(guān)，也與線圈的幾何參量、電流的頻率和線圈到被測(cè)導(dǎo)體間的距離有關(guān)。至于進(jìn)行位移測(cè)量，可根據(jù)實(shí)際的已知位

13、移量來(lái)標(biāo)定固定的線 圈下的電感量，從而以此進(jìn)行位移的測(cè)量。第五章電容式傳感器1 .根據(jù)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(diǎn)？各適用于什 么場(chǎng)合？答：根據(jù)電容式傳感器的工作原理，電容式彳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(shù)（9型。變間隙型可測(cè)量位移，變面積型可測(cè)量直線位 移、角位移、尺寸，變介電常數(shù)型可測(cè)量液體液位、材料厚度。電容式傳感器具有以下特點(diǎn)：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(hào)檢測(cè)過(guò)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(dòng)態(tài)特性良好，具有較高的固

14、有頻率和良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性；本身的發(fā)熱對(duì)傳感器的影響實(shí)際上可以不加考慮；可獲取比較大的相對(duì)變化量；能在比較惡劣的環(huán)境條件下工作；可進(jìn)行非接觸測(cè)量；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于制造；輸出阻抗較高，負(fù)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(dòng)式結(jié)構(gòu)，可以使非線性誤差減小一個(gè)數(shù)量級(jí)。 第六章壓電式傳感器1 .什么叫正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)？什么叫縱向壓電效應(yīng)和橫向壓電效應(yīng)？答：某些電介質(zhì)在沿一定的方向上受到外力的作用而變形時(shí)，內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生極化現(xiàn)象， 同時(shí)在其表面上產(chǎn)生電荷， 當(dāng)外力去掉后，又重新回到不帶電的狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。這 種機(jī)械能轉(zhuǎn)化成電能的

15、現(xiàn)象，稱為“順壓電效應(yīng)”。反之，在電介質(zhì)的極化方向上施加交變電場(chǎng)或電壓，它會(huì)產(chǎn)生機(jī)械變形，當(dāng)去掉外加電場(chǎng)時(shí)，電介質(zhì)變形隨之消失，這種現(xiàn)象稱為“逆壓電效應(yīng)”。在石英晶體中，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)”，而把沿機(jī)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)”。2 .壓電式加速度傳感器的工作原理？答：其原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(zhì)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(chǎn)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(yīng)？霍爾電勢(shì)與哪些因素有關(guān)？答：金屬或半導(dǎo)體薄片

16、置于磁場(chǎng)中，當(dāng)有電流通過(guò)時(shí)，在垂直于電流和磁場(chǎng)的方向上將產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，這種物理現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)?；魻栯妱?dòng)勢(shì)的大小正比于激勵(lì)電流I與磁感應(yīng)強(qiáng)度B ,且當(dāng)I或B的方向改變時(shí)，霍爾電動(dòng)勢(shì)的方向也隨著改變，但當(dāng)I和B的方向同時(shí)改變時(shí)霍爾電動(dòng)勢(shì)極性不變。 第八章光電式傳感器1 .光電效應(yīng)有哪幾種類型？與之對(duì)應(yīng)的光電元件各有哪些？答：光電效應(yīng)根據(jù)產(chǎn)生結(jié)果的不同，通?？煞譃橥夤怆娦?yīng)、內(nèi)光電效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)三種類型。光電管和光電流倍增管是屬于外光電效應(yīng)的典型光電元件?；趦?nèi)光電效應(yīng)的光電元件有光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管、光敏晶閘管?；诠馍匦?yīng)的光電元件主要是光電池。2 .試述光敏電阻、光敏二極管

17、、光敏晶體管、光電池的工作原理，在實(shí)際應(yīng)用各有什么特點(diǎn)？ 答：無(wú)光照時(shí)，光敏電阻值（暗電阻）很大，電路中電流（暗電流）很小。當(dāng)光敏電阻受到 一定波長(zhǎng)范圍的光照時(shí)，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(shí)光敏電阻的靈敏度高。光敏電阻沒(méi)有極性，純粹是一個(gè)電阻器件，使用時(shí)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般是處于反向工作狀態(tài)，在沒(méi)有光照射時(shí)，反向電阻很大，反向電流很小，這反向電流稱為暗電流，當(dāng)光照射在PN結(jié)上，光子打在 PN結(jié)附近，使PN結(jié)附近產(chǎn)生光生電子和光生空穴對(duì)，它們?cè)赑N結(jié)處的內(nèi)電場(chǎng)作用下作定向運(yùn)動(dòng)，形成光電流。光的照度

18、越大，光電流越大。因此光敏二極管在不受光照射時(shí)處于截止?fàn)顟B(tài)，受光照射時(shí)處于導(dǎo)通狀態(tài)。大多數(shù)光敏晶體管的基極無(wú)引出線，當(dāng)集電極加上相對(duì)于發(fā)射極為正的電壓而不接基極 時(shí)，集電結(jié)就是反向偏壓，當(dāng)光照射在集電結(jié)時(shí)，就會(huì)在結(jié)附近產(chǎn)生電子一空穴對(duì)，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(huì)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B倍，所以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(yīng)”。它實(shí)際上是一個(gè)大面積的 PN結(jié)，當(dāng)光照射到PN結(jié)的一個(gè)面，例如 P型面時(shí)， 若光子能量大于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度，那么 P 型區(qū)每吸收一個(gè)光子就產(chǎn)生一對(duì)自由電子和空穴，電子-空穴對(duì)從表面向內(nèi)迅速擴(kuò)散， 在結(jié)電場(chǎng)的作用下，最后建立一個(gè)與光照強(qiáng)度有關(guān)的電動(dòng)勢(shì)。3 .光電耦合器分為那兩類？各有什么