傳感器原理與應(yīng)用作業(yè)參考答案

傳感器原理與應(yīng)用作業(yè)參考答案傳感器原理與應(yīng)用作業(yè)參考答案傳感器原理與應(yīng)用作業(yè)參考答案資料僅供參考文件編號：2022年4月傳感器原理與應(yīng)用作業(yè)參考答案版本號：A修改號：1頁次：1.0審核：批準(zhǔn):發(fā)布日期：《傳感器原理與應(yīng)用》作業(yè)參考答案作業(yè)一1.傳感器有哪些組成部分在檢測過程中各起什么作用答：傳感器通常由敏感元件、傳感元件及測量轉(zhuǎn)換電路三部分組成。各部分在檢測過程中所起作用是：敏感元件是在傳感器中直接感受被測量，并輸出與被測量成一定聯(lián)系的另一物理量的元件，如電阻式傳感器中的彈性敏感元件可將力轉(zhuǎn)換為位移。傳感元件是能將敏感元件的輸出量轉(zhuǎn)換為適于傳輸和測量的電參量的元件，如應(yīng)變片可將應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電阻量。測量轉(zhuǎn)換電路可將傳感元件輸出的電參量轉(zhuǎn)換成易于處理的電量信號。2.傳感器有哪些分類方法各有哪些傳感器答：按工作原理分有參量傳感器、發(fā)電傳感器、數(shù)字傳感器和特殊傳感器；按被測量性質(zhì)分有機械量傳感器、熱工量傳感器、成分量傳感器、狀態(tài)量傳感器、探傷傳感器等；按輸出量形類分有模擬式、數(shù)字式和開關(guān)式；按傳感器的結(jié)構(gòu)分有直接式傳感器、差分式傳感器和補償式傳感器。3.測量誤差是如何分類的？

答：按表示方法分有絕對誤差和相對誤差；按誤差出現(xiàn)的規(guī)律分有系統(tǒng)誤差、隨機誤差和粗大誤差按誤差來源分有工具誤差和方法誤差按被測量隨時間變化的速度分有靜態(tài)誤差和動態(tài)誤差按使用條件分有基本誤差和附加誤差按誤差與被測量的關(guān)系分有定值誤差和積累誤差。4.彈性敏感元件在傳感器中起什么作用？

答：彈性敏感元件在傳感器技術(shù)中占有很重要的地位，是檢測系統(tǒng)的基本元件，它能直接感受被測物理量（如力、位移、速度、壓力等）的變化，進而將其轉(zhuǎn)化為本身的應(yīng)變或位移，然后再由各種不同形式的傳感元件將這些量變換成電量。5.彈性敏感元件有哪幾種基本形式各有什么用途和特點答：彈性敏感元件形式上基本分成兩大類，即將力變換成應(yīng)變或位移的變換力的彈性敏感元件和將壓力變換成應(yīng)變或位移的變換壓力的彈性敏感元件。變換力的彈性敏感元件通常有等截面軸、環(huán)狀彈性敏感元件、懸臂梁和扭轉(zhuǎn)軸等。實心等截面軸在力的作用下其位移很小，因此常用它的應(yīng)變作為輸出量。它的主要優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、加工方便、測量范圍寬、可承受極大的載荷、缺點是靈敏度低?？招膱A柱體的靈敏度相對實心軸要高許多，在同樣的截面積下，軸的直徑可加大數(shù)倍，這樣可提高軸的抗彎能力，但其過載能力相對弱，載荷較大時會產(chǎn)生較明顯的桶形形變，使輸出應(yīng)變復(fù)雜而影響精度。環(huán)狀敏感元件一般為等截面圓環(huán)結(jié)構(gòu)，圓環(huán)受力后容易變形，所以它的靈敏度較高，多用于測量較小的力，缺點是圓環(huán)加工困難，環(huán)的各個部位的應(yīng)變及應(yīng)力都不相等。懸臂梁的特點是結(jié)構(gòu)簡單，易于加工，輸出位變換壓力的彈性敏感元件通常有彈簧管、波紋管、等截面薄板、波紋膜片和膜盒、薄壁圓筒和薄壁半球等。彈簧管可以把壓力變換成位移，且彈簧管的自由端的位移量、中心角的變化量與壓力p成正比，其剛度較大，靈敏度較小，但過載能力強，常用于測量較大壓力。波紋管的線性特性易被破壞，因此它主要用于測量較小壓力或壓差測量中。作業(yè)二1.何謂電阻式傳感器它主要分成哪幾種答：電阻式傳感器是將被測量轉(zhuǎn)換成電阻值，再經(jīng)相應(yīng)測量電路處理后，在顯示器記錄儀上顯示或記錄被測量的變化狀態(tài)的一種傳感器。主要有電阻應(yīng)變式、壓阻式、熱電阻、熱敏電阻、氣敏電阻及濕敏電阻等電阻式傳感器。2.什么是電阻應(yīng)變效應(yīng)？答：導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料在外力作用下產(chǎn)生機械變形（拉伸或壓縮）時，其電阻值也隨之發(fā)生相應(yīng)的變化，這種現(xiàn)象即為電阻應(yīng)變效應(yīng)。3.試比較金屬絲電阻應(yīng)變片與半導(dǎo)體應(yīng)變片的特點。答：金屬絲式應(yīng)變片的蠕變較大，金屬絲易脫膠，但其價格便宜，多用于應(yīng)變、應(yīng)力的一次性試驗。半導(dǎo)體應(yīng)變片是用半導(dǎo)體材料作敏感柵而制成的。當(dāng)它受力時，電阻率隨應(yīng)力的變化而變化。它的主要優(yōu)點是靈敏度高（靈敏度比絲式、箔式大幾十倍），橫向效應(yīng)小。主要缺點是靈敏度的熱穩(wěn)定性差、電阻與應(yīng)變間非線性嚴(yán)重。在使用時，需采用溫度補償及非線性補償?shù)却胧?.熱電阻傳感器有哪幾種各有何特點及用途答：熱電阻可分為金屬熱電阻和半導(dǎo)體熱電阻兩類。前者稱為熱電阻，后者稱為熱敏電阻。以熱電阻或熱敏電阻為主要器件制成的傳感器稱為熱電阻傳感器或熱敏電阻傳感器。熱電阻傳感器主要是利用電阻隨溫度變化而變化這一特性來測量溫度的。其主要優(yōu)點是：測量精度高；有較大的測量范圍，尤其在低溫方面；易于使用在自動測量和遠距離測量中。熱電阻傳感器之所以有較高的測量精度，主要是一些材料的電阻溫度特性穩(wěn)定，復(fù)現(xiàn)性好。熱敏電阻按其對溫度的不同反應(yīng)可分為負溫度系數(shù)熱敏電阻（NTC）、正溫度系數(shù)熱敏電阻（PTC）和臨界溫度系數(shù)熱敏電阻（CTR）三類，CTR一般也是負溫度系數(shù)，但與NTC不同的是，在某一溫度范圍內(nèi)，電阻值會發(fā)生急劇變化。這三類熱敏電阻的電阻率ρ與溫度t之間的相互關(guān)系均為非線性。NTC熱敏電阻主要用于溫度測量和補償，測溫范圍一般為-50~350℃，也可用于低溫測量（-130℃~0℃）、中溫測量（155.簡要說明氣敏、濕敏電阻傳感器的工作原理，并舉例說明其用途。答：氣敏傳感器，是利用半導(dǎo)體氣敏元件同被測氣體接觸后，造成半導(dǎo)體性質(zhì)的變化，以此來檢測待定氣體的成分或濃度的傳感器的總稱。實際測量時，可用氣敏傳感器把各種氣體的成分或濃度等參數(shù)轉(zhuǎn)換成電阻、電壓或電流的變化量，并通過相應(yīng)測量電路在終端儀器上顯示。它的傳感元件是氣敏電阻，這是一種用金屬氧化物（如氧化錫SnO2、氧化鋅ZnO或Fe2O3等）的粉末材料并添加小量催化劑及添加劑，按一定配比燒結(jié)而成的半導(dǎo)體器件。氣敏傳感器可測量還原性氣體和測量氧氣濃度的兩大類，例如石油蒸汽、酒精蒸汽、甲烷、乙烷、煤氣、天然氣、氫氣等。濕敏電阻傳感器是利用材料的電氣性能或機械性能隨濕度而變化的原理制成的。它能把濕度的變化轉(zhuǎn)化成電阻的變化，它的傳感元件是濕敏電阻。濕敏電阻傳感器的應(yīng)用很廣，例如，大規(guī)模集成電路生產(chǎn)車間，當(dāng)其相對濕度低于30%RH時，容易產(chǎn)生靜電而影響生產(chǎn)；一些粉塵大的車間，當(dāng)濕度小而產(chǎn)生靜電時，容易產(chǎn)生爆炸；許多儲物倉庫(如存放煙草、茶葉和中藥材等)在濕度超過某一程度時，物品易發(fā)生變質(zhì)或霉變現(xiàn)象；居室的濕度希望適中；而紡織廠要求車間的濕度保持在60%RH~75%RH；在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的溫室育苗、食用菌培養(yǎng)、水果保鮮等都需要對濕度進行檢測和控制。作業(yè)三1.電感式傳感器的工作原理是什么能夠測量哪些物理量答：電感式傳感器是利用電磁感應(yīng)原理，將被測非電量的變化轉(zhuǎn)換成線圈的電感（或互感）變化的一種機電轉(zhuǎn)換裝置。利用電感式傳感器可以把連續(xù)變化的線位移或角位移轉(zhuǎn)換成線圈的自感或互感的連續(xù)變化，經(jīng)過一定的轉(zhuǎn)換電路再變成電壓或電流信號以供顯示。它除了可以對直線位移或角位移進行直接測量外，還可以通過一定的感受機構(gòu)對一些能夠轉(zhuǎn)換成位移量的其他非電量，如振動、壓力、應(yīng)變、流量等進行檢測。2.變氣隙式傳感器主要由哪幾部分組成有什么特點答：變氣隙式自感式傳感器由鐵心線圈、銜鐵、測桿及彈簧等組成。變氣隙式傳感器的線性度差、示值范圍窄、自由行程小，但在小位移下靈敏度很高，常用于小位移的測量。3.概述電渦流式傳感器的基本結(jié)構(gòu)與工作原理。答：成塊的金屬物體置于變化著的磁場中，或者在磁場中運動時，在金屬導(dǎo)體中會感應(yīng)出一圈圈自相閉合的電流，稱為電渦流。電渦流式傳感器是一個繞在骨架上的導(dǎo)線所構(gòu)成的空心繞組，它與正弦交流電源接通，通過繞組的電流會在繞組周圍空間產(chǎn)生交變磁場。當(dāng)導(dǎo)電的金屬靠近這個繞組時，金屬導(dǎo)體中便會產(chǎn)生電渦流。渦流的大小與金屬導(dǎo)體的電阻率、磁導(dǎo)率、厚度、繞組與金屬導(dǎo)體的距離，以及繞組勵磁電流的角頻率等參數(shù)有關(guān)。如果固定其中某些參數(shù)不變，就能由電渦流的大小測量出另外一些參數(shù)。由電渦流所造成的能量損耗將使繞組電阻有功分量增加，由電渦流產(chǎn)生反磁場的去磁作用將使繞組電感量減小，從而引起繞組等效阻抗Z及等效品質(zhì)因數(shù)Q值的變化。所以凡是能引起電渦流變化的非電量，例如金屬的電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率、幾何形狀、繞組與導(dǎo)體的距離等，均可通過測量繞組的等效電阻R、等效電感L、等效阻抗Z及等效品質(zhì)因數(shù)Q來測量。這便是電渦流式傳感器的工作原理。電渦流式傳感器的結(jié)構(gòu)比較簡單，主要是一個繞制在框架上的繞組，目前使用比較普遍的是矩形截面的扁平繞組。作業(yè)四1.電容式傳感器有什么主要特點可用于哪些方面的檢測（P55）答：電容式傳感器具有以下特點：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；動態(tài)特性良好，具有較高的固有頻率和良好的動態(tài)響應(yīng)特性；本身的發(fā)熱對傳感器的影響實際上可以不加考慮；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；可進行非接觸測量；結(jié)構(gòu)簡單、易于制造；輸出阻抗較高，負載能力較差；寄生電容影響較大；輸出為非線性。電容式傳感器可用于直線位移、角位移、尺寸、液體液位、材料厚度的測量。2.根根據(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)(ε)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。作業(yè)五1.什么叫順壓電效應(yīng)什么叫逆壓電效應(yīng)常用壓電材料有那幾種（P66-67）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，內(nèi)部會產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時在其表面上產(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)。這種機械能轉(zhuǎn)化成電能的現(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或電壓，它會產(chǎn)生機械變形，當(dāng)去掉外加電場時，電介質(zhì)變形隨之消失，這種現(xiàn)象稱為“逆壓電效應(yīng)”。應(yīng)用于壓電式傳感器中的壓電材料通常有三類：一類是壓電晶體，它是單晶體，如石英晶體、酒石酸鉀鈉等；另一類是經(jīng)過極化處理的壓電陶瓷，它是人工合成的多晶體，如鈦酸鋇等；第三類是有機壓電材料，是新型的壓電材料，如聚偏二氟乙烯等。作業(yè)六1.試分析霍爾效應(yīng)產(chǎn)生的原因?；魻栯妱觿莸拇笮　⒎较蚺c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，在垂直于電流和磁場的方向上將產(chǎn)生電動勢，這種物理現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。如將N型半導(dǎo)體薄片,垂直置于磁場中。在薄片左右兩端通以電流，這時半導(dǎo)體中的載流子（電子）將沿著與電流相反的方向運動。由于外磁場的作用，電子將受到磁場力（洛侖茲力）的作用而發(fā)生偏轉(zhuǎn)，結(jié)果在半導(dǎo)體的后端面上積累了電子而帶負電，前端面則因缺少電子而帶正電，從而在前后端面間形成電場。該電場產(chǎn)生的電場力也將作用于半導(dǎo)體中的載流子，電場力方向和磁場力方向正好相反，當(dāng)與大小相等時，電子積累達到動態(tài)平衡。這時，在半導(dǎo)體前后兩端面之間建立的電動勢就稱為霍爾電動勢?；魻栯妱觿莸拇笮≌扔诩铍娏髋c磁感應(yīng)強度，且當(dāng)或的方向改變時，霍爾電動勢的方向也隨著改變，但當(dāng)和的方向同時改變時霍爾電動勢極性不變。作業(yè)七1.什么是金屬導(dǎo)體的熱電效應(yīng)？試說明熱電偶的測溫原理。

答：將兩種不同的導(dǎo)體連成閉合回路，當(dāng)兩個接點處的溫度不同時，回路中將產(chǎn)生熱電勢，這種現(xiàn)象為熱電效應(yīng)。兩種不同材料構(gòu)成的熱電變換元件稱為熱電偶，導(dǎo)體稱為熱電極，通常把兩熱電極的一個端點固定焊接，用于對被測介質(zhì)進行溫度測量，這一接點稱為測量端或工作端，俗稱熱端；兩熱電極另一接點處通常保持為某一恒定溫度或室溫，稱冷端。熱電偶閉合回路中產(chǎn)生的熱電勢由溫差電勢和接觸電勢兩種電勢組成。熱電偶接觸電勢是指兩熱電極由于材料不同而具有不同的自由電子密度，在熱電極接點接觸面處產(chǎn)生自由電子的擴散現(xiàn)象；擴散的結(jié)果，接觸面上逐漸形成靜電場。該靜電場具有阻礙原擴散繼續(xù)進行的作用，當(dāng)達到動態(tài)平衡時，在熱電極接點處便產(chǎn)生一個穩(wěn)定電勢差，稱為接觸電勢。其數(shù)值取決于熱電偶兩熱電極的材料和接觸點的溫度，接點溫度越高，接觸電勢越大。作業(yè)八1.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簡述各光電元件的優(yōu)缺點。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。光電倍增管的優(yōu)點是靈敏度高，比光電管高出幾萬倍以上，輸出線性度好，頻率特性好；缺點是體積大、易破碎，工作電壓高達上千伏，使用不方便。因此它一般用于微光測量和要求反應(yīng)速度很快的場合?；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。光敏電阻具有很高的靈敏度，光譜響應(yīng)的范圍可以從紫外線區(qū)域到紅外線區(qū)域，而且體積小，性能穩(wěn)定，價格較低，所以被廣泛應(yīng)用在自動監(jiān)測系統(tǒng)中。在使用光敏電阻時，光電流并不是隨光強改變而立刻做出相應(yīng)的變化，而是具有一定的滯后，這也是光敏電阻的缺點之一。光敏三極管的靈敏度比二極管高，但頻率特性較差，暗電流較大。光敏晶閘管輸出功率比它們都大，主要用于光控開關(guān)電路及光耦合器中?；诠馍匦?yīng)的光電元件主要是光電池。應(yīng)用最廣泛的是硅光電池，它具有性能穩(wěn)定，光譜范圍寬，頻率特性好，傳遞效率高、能耐高溫輻射等優(yōu)點。2.光電傳感器有哪幾種類型？

答：因光源對光電元件作用方式不同而確定的光學(xué)裝置是多種多樣的，按其輸出量信號可分為開關(guān)型和模擬型。模擬型光電式傳感器被測物、光源、光電元件三者的關(guān)系，可以分為四種類型。（1）光源本身是被測物，被測物發(fā)出的光投射到光電元件上，光電元件的輸出反映了光源的某些物理參數(shù)。（2）恒光源發(fā)射的光通量穿過被測物，部分被吸收后到達光電元件上，吸收量決定于被測物的某些參數(shù)。（3）恒光源發(fā)出的光通量投射到被測物上，然后被反射到光電元件上，光電元件的輸出反映了被測物的某些參數(shù)。（4）恒光源發(fā)出的光通量在到達光電元件的途中遇到被測物，被遮擋了一部分，光電元件的輸出反映了被測物的尺寸。開關(guān)型光電式傳感器把被測量轉(zhuǎn)換成斷續(xù)變化的光電流，而輸出為開關(guān)量或數(shù)字的電信號。這一類型主要用于轉(zhuǎn)速測量、模擬開關(guān)、位置開關(guān)等。作業(yè)九1.光柵的莫爾條紋有哪幾個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時，莫爾條紋通過光柵外狹縫板S到固定點（光電元件安裝點）的數(shù)量正好和光柵所移動的柵線數(shù)量相等。光柵作反向移動時，莫爾條紋移動方向也隨之改變。（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，在兩光柵柵線彼此錯開處，由于光線被遮擋而形成暗帶，這種比光柵柵距寬得多的由亮帶和暗帶形成的明、暗相間的條紋稱為莫爾條紋。2.感應(yīng)同步器有哪幾種直線感應(yīng)同步器主要由哪幾部分組成答：感應(yīng)同步器按其用途不同，可分為測量直線位移的直線感應(yīng)同步器和測量角位移的圓感應(yīng)同步器兩大類。直線感應(yīng)同步器由定尺與滑尺組成。在定尺和滑尺上制作有印刷電路繞組，定尺上是連續(xù)繞組，節(jié)距(周期)W為2mm；滑尺上的繞組分兩組，在空間差90°相角(即1／4節(jié)距)，分別稱正弦和余弦繞組，兩組節(jié)距相等，W1為。定尺一般安裝在設(shè)備的固定部件上(如機床床身)，滑尺則安裝在移動部件上。作業(yè)十1.答：把約40kHz的超聲波脈沖從汽車后面發(fā)射出去，根據(jù)超聲波碰到障礙物后的返回時間換算成距離，便可檢測障礙物的位置，通過指示燈或蜂鳴器告知駕駛員。作業(yè)十一1.抑制干擾有哪些基本措施？

答：第一，消除或抑制干擾源。消除干擾源是積極主動的措施，繼電器、接觸器和斷路器等的電觸點，在通斷電時的電火花是較強的干擾源，可以采取觸點消弧電容等。接插件接觸不良，電路接頭松脫、虛焊等也是造成干擾的原因，對于這類可以消除的干擾源要盡可能消除。對難于消除或不能消除的干擾源，例如，某些自然現(xiàn)象的干擾、鄰近工廠的用電設(shè)備的干擾等，就必須采取防護措施來抑制干擾源。第二，破壞干擾途徑。（1）對于以“路”的形式侵入的干擾，可以采取提高絕緣性能的辦法來抑制漏電流干擾；采用隔離變壓器、光電耦合器等切斷地環(huán)路干擾途徑，引用濾波器、扼流圈等技術(shù)，將干擾信號除去；改變接地形式以消除共阻抗耦合干擾等；對于數(shù)字信號可采用整形、限幅等信號處理方法切斷干擾途徑。（2）對于以“場”的形式侵入的干擾，一般采取各種屏蔽措施。第三，削弱接收電路對干擾信號的敏感性。從前面分析知，高輸入阻抗電路比低輸入阻抗電路易受干擾；布局松散的電子裝置比結(jié)構(gòu)緊湊的