傳感器原理及工程應(yīng)用第三版答案(共8頁)

1、 11：測量(cling)的定義？答：測量是以確定被測量的值或獲取測量結(jié)果(ji gu)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(zhì)(xngzh)的標(biāo)準(zhǔn)量進(jìn)行比較， 確定被測量對標(biāo)準(zhǔn)量的倍數(shù)。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(jié)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?jǐn)?shù)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?jǐn)?shù)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(yīng)用在什么場合？答： 測量誤差是

2、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(shí)際相對誤差、引用誤差、基本誤差、附加誤差。當(dāng)被測量大小相同時(shí)，常用絕對誤差來評定測量準(zhǔn)確度；相對誤差常用來表示和比較測量結(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。21：什么是傳感器？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。通常，傳感器由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。其中，敏感元件是指傳感器中能直接感受或響應(yīng)被測量的部分； 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。22：什

3、么是傳感器的靜態(tài)特性？它有哪些性能指標(biāo)？分別說明這些性能指標(biāo)的含義？答：傳感器在被測量的各個(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y與引起輸出量增量y的相應(yīng)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(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┳兓陂g其輸入輸出特性曲線不重合的現(xiàn)象稱為遲滯。重復(fù)性是指傳感器在輸入量按同一方向作全量程連續(xù)多次變化時(shí)，所得特性曲線不一致的程度。

4、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(shí)間變化，此現(xiàn)象稱為漂移。23：什么是傳感器的動(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)特性是指傳感器對隨時(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td 上升時(shí)間tr; 峰值時(shí)間tp 超調(diào)量 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(yngbin)式傳感器1 什么叫應(yīng)變效應(yīng)(xioyng)？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(cilio)產(chǎn)生機(jī)械變形，從而引起材料電阻值發(fā)生

5、相應(yīng)變化的現(xiàn)象，稱為應(yīng)變效應(yīng)。其表達(dá)式為dR/R=k，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，可以將被測物體的應(yīng)變 轉(zhuǎn)換成與之成正比關(guān)系的電阻相對變化量，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：由于測量現(xiàn)場環(huán)境溫度偏離應(yīng)變片標(biāo)定溫度而給測量帶來的附加誤差，稱為應(yīng)變片溫度誤差。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

6、化而引起的附加變形，使應(yīng)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、R 2為兩個(gè)所受應(yīng)變方向相反的應(yīng)變片，

7、R 3 、R 4 為電橋固定電阻。其輸出電壓為：。差動(dòng)全橋電路，R1、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：。5. 圖示為一直(yzh)流應(yīng)變電橋。圖中E=4V，R1= R 2= R 3= R 4= 120，試求：（1）R1為金屬(jnsh)應(yīng)變片，其余為外接電阻。當(dāng)R1的增量(zn lin)為R1 = 1.2時(shí)，電橋輸出電壓Uo=?（2） R1、R2 都是應(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，電橋輸出電壓Uo =?（3） 題（2）中，如果R1與R2感受應(yīng)變的極性相反，且R1= R2 = 1.2，電橋輸出電壓Uo=？第四章

8、 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(yunyn)是什么？怎樣減小和消除它的影響？答：原因(yunyn)：（1）由于兩電感線圈的電氣參數(shù)(cnsh)及導(dǎo)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，力求做到磁路對稱，鐵芯材料均勻；要經(jīng)過熱處理以除去機(jī)械應(yīng)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(jìn)行補(bǔ)償

9、。 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(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u2(差動(dòng)變壓器式傳感器輸出的調(diào)幅波電壓)通過變壓器T1加到環(huán)形電橋的一個(gè)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(gè)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(shí)變壓器T2的次級電流過大。RL為負(fù)載電阻。us的幅值要遠(yuǎn)大于輸入信號u2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

10、同一振蕩器供電， 保證二者同頻同相（或反相）。3.何謂(hwi)渦流效應(yīng)？怎樣利用渦流效應(yīng)進(jìn)行位移測量？答：電渦流效應(yīng)是指金屬(jnsh)導(dǎo)體置于交變磁場中會(huì)產(chǎn)生電渦流，且該電渦流所產(chǎn)生磁場的方向與原磁場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(xinqun)，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)生的磁場就會(huì)被導(dǎo)體電渦流產(chǎn)生的磁場部分抵消，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導(dǎo)體間的距離有關(guān)。至于進(jìn)行位移測量，可根據(jù)實(shí)際的已知位移量來標(biāo)定固定的線圈下的電感量，從而以此進(jìn)行位移的測

11、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)？各適用于什么場合？答：根據(jù)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(shù)()型。變間隙型可測量位移，變面積型可測量直線位移、角位移、尺寸，變介電常數(shù)型可測量液體液位、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(dòng)態(tài)特性良好，具有較高的固有頻率和良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性；本身的發(fā)熱對傳感器的影響實(shí)際上可

12、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(jìn)行非接觸測量；結(jié)構(gòu)簡單、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(gishn)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(wch)減小一個(gè)數(shù)量級。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(zn xin)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)化成電能的現(xiàn)象，稱為“順壓電效應(yīng)”。反之，

13、在電介質(zhì)的極化方向上施加交變電場或電壓，它會(huì)產(chǎn)生機(jī)械變形，當(dāng)去掉外加電場時(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)？霍爾電勢與哪些因素有關(guān)？答：金屬或半導(dǎo)體薄片置于磁場中，當(dāng)有電流通過時(shí)，在垂直于電

14、流和磁場的方向上將產(chǎn)生電動(dòng)勢，這種物理現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。霍爾電動(dòng)勢的大小正比于激勵(lì)電流與磁感應(yīng)強(qiáng)度，且當(dāng)或的方向改變時(shí)，霍爾電動(dòng)勢的方向也隨著改變，但當(dāng)和的方向同時(shí)改變時(shí)霍爾電動(dòng)勢極性不變。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、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)

15、？答：無光照時(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，它們在PN結(jié)處的內(nèi)電場作用下作定向運(yùn)動(dòng)，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(shí)處于截止?fàn)?/p>

16、態(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引出線，當(dāng)集電極加上相對于發(fā)射(fsh)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)生電子空穴對，光生電子被拉到集電極，基區(qū)留下空穴，使基極(j j)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倍，所以光敏晶體管有放大(fngd)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)生一對自由電子和空穴， 電子-空穴對從表面向內(nèi)迅速

17、擴(kuò)散， 在結(jié)電場的作用下，最后建立一個(gè)與光照強(qiáng)度有關(guān)的電動(dòng)勢。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(guān)。光電隔離器有時(shí)可替代繼電器、變壓器、斬波器等，廣泛應(yīng)用于電路隔離、電平轉(zhuǎn)換、噪聲抑制等場合。光電開關(guān)廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、自動(dòng)化包裝線及安全裝置中作為光控制和光探測裝置?？稍谧詣?dòng)控制系統(tǒng)中用作物體檢測、產(chǎn)品計(jì)數(shù)、 料位檢測、尺寸控制、 安全報(bào)警及計(jì)算機(jī)輸入接口等。第十三章 數(shù)字式傳感器1. 光柵的莫爾條紋有哪幾個(gè)特性？莫爾條紋是怎么產(chǎn)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(yīng)關(guān)系，兩塊光柵沿柵線垂直方向作相對移動(dòng)時(shí)，莫爾條紋通過光柵外狹縫板S到固定點(diǎn)（光電元件安裝點(diǎn)）的數(shù)量正好和光柵所移動(dòng)的柵線數(shù)量相等。光柵作反向移動(dòng)時(shí)，莫爾條紋移動(dòng)方向也隨之改變。(3) 平均效應(yīng)，通過莫爾條紋所獲得的精度可以比光柵本身刻線的刻劃精度還要高。把兩塊柵距相同的光柵刻線面相對重合在一起，中間留有很小的間隙，并使兩者的柵線之間形成一個(gè)很小的夾角，然后將這對光柵放置在光路中，在兩塊光柵的柵線重合處，因有光從縫隙透過形成亮帶，在兩光柵柵