傳感器原理與檢測技術

PAGE傳感器原理與檢測技術第1章檢測技術基礎知識1-1在檢測系統(tǒng)中常用的測量方法有哪些？答：從不同角度測量方法有不同的分類方法，按測量過程的特點分直接測量、間接測量和組合測量；按測量儀表的特點可分為接觸測量法和非接觸測量法；按測量對象的特點可分為靜態(tài)測量法和動態(tài)測量法。1-2什么是直接測量、間接測量和組合測量？答：直接測量法是指在使用儀表或傳感器進行測量時，不需要經過任何運算就能直接從儀表或傳感器上讀出測量結果的方法。間接測量法是指用直接測量法測得與被測量有確切函數(shù)關系的一些物理量，通過計算求得被測量的方法。組合測量法是指被測量必須經過求解聯(lián)立方程組，才能得到最后結果的方法。1-3什么是測量誤差？研究測量誤差的意義是什么？答：測量既是一個變換、選擇、放大、比較、顯示諸功能綜合作用的過程，又是一個對比、示差、平衡、讀數(shù)的比較過程。如果這些過程是在理想的環(huán)境、條件下進行，即假設一切影響因素都不存在，則測量將是十分精確的。但是，這種理想的環(huán)境和條件在實際中是不存在的。無論是測量設備還是測量對象、方法，都不同程度地受到本身和周圍各種因素的影響。當這些因素變化時，必然會影響到被測量、測量值的大小，使測量值與被測量的真值之間產生差異，這個差異就是測量誤差。1-4在實際測量中相對誤差有哪幾種表示形式？答：相對誤差的表示形式：1）實際相對誤差。實際相對誤差γA用絕對誤差與約定真值A0的百分比表示。2）標稱相對誤差。標稱相對誤差γx用絕對誤差與測量值Ax的百分比表示。3）滿度相對誤差。滿度相對誤差γm用絕對誤差與儀器滿量程Am的百分比表示。1-5被測電壓的實際值為10V，現(xiàn)有精度等級為0.5級，量程為150V和精度等級為2.5級，量程為15V的兩種電壓表，試問選擇哪種電壓表較好？解用精度等級為0.5級的儀表測量時，最大標稱相對誤差為用精度等級為2.5級的儀表測量時，最大標稱相對誤差為由此可得，顯然用精度等級為2.5級的儀表測量比用精度等級為0.5級的儀表測量更合適。因此，在選用傳感器時應同時兼顧精度等級和量程。1-6什么是系統(tǒng)誤差和隨機誤差？它們有何區(qū)別與聯(lián)系？答：系統(tǒng)誤差：在相同條件下，多次重復測量同一被測量時，其測量誤差的大小和符號保持不變，或在條件改變時，誤差按某一確定的規(guī)律變化，這種測量誤差稱為系統(tǒng)誤差。系統(tǒng)誤差表明了測量值偏離實際值的程度。系統(tǒng)誤差越小，測量值越準確，所以常常用精度來表示系統(tǒng)誤差的大小。隨機誤差：當多次重復測量同一被測量時，若測量誤差的大小和符號均以不可預知的方式變化，則該誤差稱為隨機誤差。隨機誤差是對測量值影響微小且又互不相關的大量因素所引起的綜合結果。隨機誤差就個體而言并無規(guī)律可循，但其總體卻服從統(tǒng)計規(guī)律。1-7何謂傳感器？一般傳感器由哪幾部分組成？答：傳感器是指能感受規(guī)定的被測量并按一定規(guī)律轉換成可用輸出信號的元件或裝置。也就是說，傳感器是一種按一定的精度把被測量轉換為與之有確定關系的、便于應用的某種物理量的測量元件或裝置，用于滿足系統(tǒng)信息的傳輸、存儲、顯示、記錄及控制等要求。傳感器組成：傳感器一般由敏感元件、轉換元件和測量轉換電路三部分組成。1-8傳感器的分類方法有哪些？答：傳感器按被測量可分為加速度傳感器、速度傳感器、位移傳感器、壓力傳感器、負荷傳感器、扭矩傳感器和溫度傳感器等。傳感器按工作原理可分為電阻應變式傳感器、電容式傳感器、電感式傳感器、壓電式傳感器、霍爾式傳感器、光電式傳感器和熱敏式傳感器等。傳感器按能量的傳遞方式可分為有源傳感器和無源傳感器。傳感器按輸出信號的性質可分為模擬傳感器與數(shù)字傳感器。1-9什么是傳感器的靜態(tài)特性？答：傳感器的靜態(tài)特性是指當被測量的值處于穩(wěn)定狀態(tài)時輸入量與輸出量的關系。只有傳感器處于穩(wěn)定狀態(tài)時，輸入量與輸出量之間的關系式中才不含有時間變量。衡量靜態(tài)特性的重要指標包括線性度、靈敏度、遲滯、重復性、分辨力、穩(wěn)定性、漂移和可靠性等。1-10衡量傳感器靜態(tài)特性的主要性能參數(shù)有哪些？答：衡量靜態(tài)特性的重要指標包括線性度、靈敏度、遲滯、重復性、分辨力、穩(wěn)定性、漂移和可靠性等。第2章電阻式傳感器2-1什么叫應變效應?電阻應變片的類型結構有哪些？答：導體或半導體材料在外力作用下產生機械變形，其電阻發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為應變效應。電阻應變片的類型結構：根據(jù)所使用的材料不同，電阻應變片可分為金屬電阻應變片和半導體應變片。金屬電阻應變片又可分為金屬絲式應變片、金屬箔式應變片和金屬薄膜式應變片。半導體應變片是用半導體材料制成的，其工作原理是基于半導體材料的壓阻效應。2-2簡述電阻應變式傳感器的工作原理。答：電阻應變式傳感器的工作原理：金屬電阻應變片的工作原理是吸附在基體材料上應變電阻隨機械形變而產生阻值變化的現(xiàn)象，俗稱為電阻應變效應。金屬導體的電阻值可用下式表示：R=ρ*L/S當金屬絲受外力作用時，其長度和截面積都會發(fā)生變化，從上式中可很容易看出，其電阻值即會發(fā)生改變，假如金屬絲受外力作用而伸長時，其長度增加，而截面積減少，電阻值便會增大。當金屬絲受外力作用而壓縮時，長度減小而截面增加，電阻值則會減小。只要測出加在電阻的變化（通常是測量電阻兩端的電壓），即可獲得應變金屬絲的應變情況。2-3試述應變片溫度誤差的概念、產生原因及補償辦法。答：電阻應變片的敏感柵是由金屬或半導體材料制成的，在工作時能感受應變。又因為應變會引起電阻值變化；產生原因：其一是電阻應變片的電阻絲具有一定溫度系數(shù)；其二是電阻絲材料與被測物體的線膨脹系數(shù)不同。補償方法：采用線路補償法和電阻應變片的自補償法。2-4制造熱電阻的材料應具備哪些特點?常用的熱電阻材料有哪幾種?答：用于測溫的金屬熱電阻，其材料的電阻溫度系數(shù)應盡可能大且穩(wěn)定；電阻率高，有利于減小體積，減小熱慣性；在測溫范圍內，物理、化學性質穩(wěn)定；工藝性能好，易于提純、加工和復制。材料種類：根據(jù)對金屬熱電阻的要求及金屬材料的特性，目前使用最廣泛的金屬熱電阻材料是銅和鉑，另外，隨著低溫和超阻測量技術的發(fā)展，已開始采用鋼、錳和碳等作為金屬熱電阻材料。2-5熱電式傳感器有哪幾種？各有何特點?答：熱電阻式傳感器種類和特點：1）鉑熱電阻。鉑具有穩(wěn)定的物理、化學性能，是目前制造金屬熱電阻的最好材料。它通常用作標準溫度計，被廣泛應用于作溫度的基準、標準的傳遞。2）銅熱電阻。在測量精度不太高、測溫范圍不太大的情況下，可以用銅熱電阻來代替鉑熱電阻，這樣可以降低成本，同時也能達到精度的要求。用銅熱電阻的主要缺點是電阻率小，因此，銅熱電阻常用于介質溫度不高、腐蝕性不強、測溫元件體積不受限制的場合。2-6銅電阻Rt與溫度t的關系可用表示。已知銅電阻為50，求當溫度為100℃時的銅電阻值。解：100℃Rt=R0（1+αt）=50(1+4.28×10-3×100）=71.43Ω2-7氣敏電阻式傳感器有哪幾種類型?簡述每種類型的工作原理。答：氣敏電阻式傳感器按結構可分為燒結型氣敏電阻式傳感器、薄膜型氣敏電阻式傳感器和厚膜型氣敏電阻式傳感器；氣敏電阻式傳感器按加熱方式可分為直熱型氣敏電阻式傳感器和旁熱型氣敏電阻式傳感器。2-8為什么多數(shù)氣敏元件都附有加熱器?答：附加器作用是燒掉附著在探測部分的油霧和塵埃，同時加速氣體的氧化還原反應，從而提高氣敏電阻式傳感器的靈敏度和響應速度。2-9什么是濕敏電阻式傳感器?它有哪些類型？答：濕敏電阻式傳感器是由濕敏元件和轉換電路等組成，能感受外界濕度(通常將空氣或其他氣體中的水分含量稱為濕度)的變化，并通過濕敏電阻式傳感器的物理或化學性質的變化，將環(huán)境濕度變換為電信號的裝置。特點：工作范圍寬、響應速度快、環(huán)境適應能力強。2-10酒后駕車易出事故，但判定駕駛員是否喝酒過量帶有較大的主觀因素。請利用學過的知識，設計一臺交通警使用的便攜式酒后駕車測試儀。（1）便攜式酒后駕車測試儀外形如下圖所示（2）測量呼氣含量的傳感器簡圖（3）測量酒精蒸汽含量的傳感器。答：參考可燃性氣體傳感器的圖，畫一下。（4）測試儀的電氣原理框圖（5）簡要說明幾個環(huán)節(jié)之間的信號流程。答：當流量傳感器測量到的流量達到規(guī)定值以上時，可燃性氣體傳感器的輸出電壓與酒精蒸汽的濃度成一定比例關系。查表，就可得到酒精濃度值。（6）酒后駕車測試儀說明書。讓被懷疑酒后駕車的駕駛員對準探頭(內部裝有多種傳感器)呼三口氣，用一排發(fā)光二極管指示呼氣量的大小(呼氣量越大，點亮的LED越多)。當呼氣量達到允許值之后，LED亮，酒精蒸汽含量數(shù)碼管指示出三次呼氣的酒精蒸汽含量的平均百分比。如果呼氣量不夠，則提示重新呼氣。當酒精含量超標時，LED閃亮，蜂鳴器發(fā)出“嘀……嘀……”聲。第3章電感式傳感器3-1電感式傳感器的工作原理是什么？能夠測量哪些物理量？答：電感式傳感器建立在電磁感應的基礎上，把輸入物理量，如位移、振幅、壓力、流量、比重、力矩、應變等參數(shù)，轉換為線圈的電感量和互感量的變化，再由測量轉換電路轉換為電流或電壓的變化。3-2電感式傳感器有哪些類型？答：電感式傳感器包含自感式傳感器、差動變壓器式傳感器和電渦流式傳感器。其中自感式傳感器又包含：變隙式自感傳感器、變截面式自感傳感器和螺線管式自感傳感器。3-3簡述變隙式自感傳感器的組成與工作原理。答：變隙式自感傳感器主要由線圈、鐵芯、銜鐵及測桿等組成。當自感式傳感器的線圈匝數(shù)及鐵芯和銜鐵的材料及形狀確定后，線圈電感量就是氣隙厚度和氣隙的截面積的函數(shù)；如果氣隙的截面積保持不變，線圈電感量則為氣隙厚度的單值函數(shù)，從而構成了變隙式自感傳感器。3-4簡述差動式自感傳感器的工作原理及特性。答：兩個完全相同、單個線圈的自感式傳感器共用一個活動銜鐵就構成了差動式自感傳感器。當銜鐵隨被測物體移動而偏離中間位置時，兩個線圈的電感量一個增加，一個減小，形成差動形式。差動式自感傳感器的線性度較好，輸出曲線較陡。采用差動形式除了可以改善非線性度、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。3-5自感式傳感器的測量轉換電路有幾種？各有何特點？答：自感式傳感器的測量轉換電路包含變壓器電橋電路和交流電橋電路。變壓器電橋電路的特點是元件少，輸出阻抗小，開路時電路呈線性；交流電橋電路特點結構不完全對稱，初態(tài)時電橋不完全平衡，容易產生靜態(tài)零偏壓。3-6比較差動式自感傳感器和差動變壓器式傳感器在結構上及工作原理上的異同。答：差動式自感傳感器的結構應滿足以下要求：（1）兩個自感式傳感器導磁體的幾何尺寸完全相同。（2）兩個自感式傳感器的材料和性能完全相同。（3）兩個自感式傳感器線圈的電氣參數(shù)和幾何尺寸完全相同。在差動式自感傳感器中，當銜鐵隨被測物體移動而偏離中間位置時，兩個線圈的電感量一個增加，一個減小，形成差動形式。差動變壓器式傳感器主要由一個線圈絕緣框架和一個銜鐵組成。在線圈絕緣框架上繞有一組初級線圈作為輸入線路(或稱為一次繞組)，在同一線圈絕緣框架上另外繞有兩組次級線圈作為輸出線圈(或稱為二次繞組)。它們反相串聯(lián)，組成差動形式。3-7什么是電渦流效應？簡述電渦流式傳感器的工作原理。答：根據(jù)法拉第電磁感應定律，金屬導體置于變化的磁場中時，導體表面就會有感應電流產生。電流的流線在金屬體內自行閉合，這種由電磁感應原理產生的旋渦狀感應電流稱為電渦流。電渦流的產生必然要消耗一部分能量，從而使產生磁場的線圈阻抗發(fā)生變化，這一物理現(xiàn)象稱為電渦流效應。電渦流傳感器工作原理：當通有一定交變電流I（頻率為ω）的電感線圈L靠近金屬導體時，在金屬表面將產生電渦流I，而該電渦流將形成一個方向相反的磁場，造成交變磁場能量的損失，并力圖改變線圈的電感量的大小由于其反作用，使頭部線圈高頻電流的幅度和相位得到改變（線圈的有效阻抗），這一變化與金屬體磁導率、電導率、線圈的幾何形狀、幾何尺寸、電流頻率以及頭部線圈到金屬導體表面的距離等參數(shù)有關。3-8電渦流式傳感器常用的測量轉換電路有幾種？其測量原理如何？各有什么特點？答：電渦流式傳感器的測量轉換電路有兩大類分別為：電渦流式傳感器的電橋電路和電渦流式傳感器的諧振電路。電橋電路的測量原理是將傳感器線圈的阻抗變化轉化為電壓或電流的變化。傳感器線圈的阻抗作為電橋的橋臂，起始狀態(tài)，使電橋平衡。在進行測量時，由于傳感器線圈的阻抗發(fā)生變化，使電橋失去平衡，將電橋不平衡造成的輸出信號進行放大并檢波，就可得到與被測量成正比的輸出。電橋法主要用于兩個電渦流線圈組成的差動式傳感器。諧振電路是將傳感器線圈的等效電感的變化轉換為電壓或電流的變化。

諧振法主要有調幅式電路和調頻式電路兩種基本形式。調幅式由于采用了石英晶體振蕩器，因此穩(wěn)定性較高，而調頻式結構簡單，便于遙測和數(shù)字顯示。3-9如何利用電渦式傳感器測量金屬板厚度？答：電渦流式傳感器可以無接觸地測量金屬板厚度和非金屬板的鍍層厚度。當被測金屬板1的厚度變化時，將使電渦流式傳感器的探頭2與被測金屬板1間的距離改變，從而引起輸出電壓的變化。由于在工作過程中被測金屬板1會上下波動，這將影響測量精度，因此，用電渦流式傳感器進行厚度測量時常用如圖3-29（b）所示的方法，在被測金屬板l的上下方各裝一個電渦流式傳感器的探頭2，兩個電渦流式傳感器之間的距離為D，且與被測金屬板1的上下表面分別相距x1和x2，這樣被測金屬板的厚度為t＝D－（x1＋x2），當兩個傳感器在工作時分別測得x1和x2，轉換成電壓值后相加，相加后的電壓值與兩傳感器間距離D對應的設定電壓相減，就得到與板厚相對應的電壓值。3-10怎樣利用電渦流式傳感器進行轉速測量？答：如圖3-30所示，在旋轉體上開一條或數(shù)條槽（或做成齒狀），旁邊安裝一個電渦流式傳感器，當轉軸轉動時，電渦流式傳感器周期地改變著與轉軸之間的距離，因此，電渦流式傳感器的輸出也周期性地發(fā)生變化。此輸出信號經放大、變換后，可以用頻率計測出其變化頻率，從而測出轉軸的轉速。若轉軸上開Z個槽，頻率計讀數(shù)為f，則轉軸的轉速n的表達式為。第4章電容式傳感器4-1簡述電容式傳感器的工作原理及分類。答：由兩個金屬平行板組成的電容為，當被測量變化使得式中的、A或d發(fā)生變化時，電容C也隨之變化。如果保持其中兩個參數(shù)不變，而僅改變其中一個參數(shù)，就可把該參數(shù)的變化轉換為電容C的變化，通過測量轉換電路就可轉換為電量輸出，這就是電容式傳感器的基本工作原理。電容式傳感器可分為變面積式電容傳感器、變極距式電容傳感器和變介電常數(shù)式電容傳感器。它們的電極形狀又可分為平板形、圓柱形和球平面型。4-2已知變面積式電容傳感器電容兩極板間的距離為10mm，ε＝50pF／m，電容兩極板的幾何尺寸均為30mm×20mm×5mm，在外力作用下，動極板在原位置上向外移動了10mm，試求△C。解：由及可得，代人數(shù)值可得△C=1pF4-3為什么電容式傳感器常常做成差動式的結構？答：為了提高靈敏度和減小非線性，以及克服某些外界條件，如電源電壓、環(huán)境溫度變化的影響，常采用差動式電容傳感器。4-4電容式傳感器的測量轉換電路中采用運算放大器時，其輸出特性是否為線性的？為什么?答：采用運算放大器后其輸出特性為線性。采用運算放大器后，放大倍數(shù)A非常大，而且輸出阻抗Z很高，可以使輸出電壓與位移的關系轉換為線性關系。由運算放大器電路的工作原理可得，對于平行板電容器可得。由式可知輸出電壓與動極板的板間距離成正比。4-5由電容式傳感器組成的二極管雙T形電橋電路如圖題4-5所示。已知R1＝R2=R＝40kΩ，RL=20kΩ，U=45V(頻率為1MHz的方波)，C0=10pF，C1=10pF，△C1=1pF。求Uo的表達式和對應上述參數(shù)的Uo的值。解：由得K=160/9kΩ由得Uo=0.8V4-6簡述電容式傳感器的應用。答：電容式傳感器廣泛地應用在厚度、位移、壓力、速度、濃度、液位等物理量的測量中。例如電容測厚儀、電容式壓力傳感器等。4-7簡述電容測厚儀的工作原理。答：電容測厚儀可以用來測量金屬帶材在軋制過程中的厚度，其工作原理：在被測金屬帶材的上下兩側各放置一塊面積相等且與帶材距離相等的定極板，這樣定極板與被測金屬帶材之間就形成了兩個電容C1和C2。把兩塊定極板用導線連接起來，就相當于C1與C2并聯(lián)，總電容為C1+C2。如果被測金屬帶材1的厚度發(fā)生變化，則會引起電容的變化，用測量轉換電路將電容的變化測出來，經過放大即可由電表指示測量結果。4-8試設計電容式壓差測量方案，并簡述其工作原理答：電容式壓差設計時采用電容式差壓傳感器，當被測介質的兩種壓力通入高、低兩壓力室，作用在敏感元件的兩側隔離膜片上，通過隔離片和元件內的填充液傳送到測量膜片兩側。測量膜片與兩側絕緣片上的電極各組成一個電容器。當兩側壓力不一致時，致使測量膜片產生位移，其位移量和壓力差成正比，故兩側電容量就不等，通過振蕩和解調環(huán)節(jié)，轉換成與壓力成正比的信號。接著進行信號調制得到調制電流，A/D轉換器將解調器的電流轉換成數(shù)字信號，其值被微處理器用來判定輸入壓力值。4-9油料液位監(jiān)測系統(tǒng)的電路設計如下圖所示：整個電路可以分成兩部分①測量與轉換電路。②控制電路、監(jiān)測系統(tǒng)和振鈴。4-10糧食部門在收購、存儲谷物、菜籽等時，需測定這些糧食、種子的干燥程度，以防霉變。請根據(jù)已學過的知識，設計一臺糧食含水量測試儀，要求：（1）能顯示在標準質量(100g)條件下糧食的含水量(一般在10％～20％之間)。（2）能進行糧食品種的選擇(能輸入不同的糾正系數(shù))。（3）糧食易于倒入及倒出(內柱應為圓錐頂)。（4）畫出電容式傳感器的結構簡圖，并說明其工作原理及優(yōu)缺點。答：電容式傳感器的結構簡圖如下圖所示：糧食的水分不同，其導電率也不同，本測量儀的傳感器是由兩根金屬探頭組成的，將探頭插入糧食內，測量兩探頭間糧食的電阻。由于糧食是高阻物質，因此，兩探頭不能相距太遠，以相距2mm左右為宜。要保證相距2mm，又不能相碰，要用絕緣材料相隔離。因此，探頭要安裝在一起，用截面2x2mm的不銹鋼即可。長度在300~500mm為宜。探頭要安裝絕緣手柄，插入糧食的深度在200~400mm左右。由于電容量C為放入介質介電常數(shù)的函數(shù)，而介電常數(shù)又隨介質的水分含量而變化，因此只要能測出傳感器輸出電容的變化，也就可以得到介質的水分合量。為保證水分測量的精度，在將被測介質放入傳感器內時應注意裝料的一致性，為此，介質要從專門的整流器內以自由落體的方式，有規(guī)律的流入傳感器內。第5章壓電式傳感器5-1什么是正壓電效應？什么是逆壓電效應？答：正壓電效應又稱為順壓電效應，是指某些電介質，當沿著一定方向對其施加壓力而使其變形時，它的內部就會產生極化的現(xiàn)象，同時在它的兩個表面上會產生極性相反的電荷。當施加的壓力去掉后，它又重新恢復不帶電的狀態(tài)；當壓力的作用方向改變時，它內部的極性也隨著改變。逆壓電效應又稱為電致伸縮效應，是指當在電介質的極化方向施加電場，這些電介質就會在一定方向上產生機械變形或機械壓力，當施加的電場撤去時，這些機械變形或機械壓力也隨之消失的現(xiàn)象。5-2壓電材料分哪幾類？答：壓電材料就是具有壓電效應的晶體材料。它可分為壓電晶體(單晶體)材料、壓電陶瓷(多晶半導體)和高分子壓電材料。5-3將機械振動波轉換成電信號是利用壓電材料的什么效應？答：將機械振動波轉換成電信號是利用壓電材料的壓電效應。5-4為了增大輸出電荷量，兩片壓電元件多采用什么接法？為了增大輸出電壓量，多片壓電元件應采用什么接法？答：為了增大輸出電荷量，兩片壓電元件多采用并聯(lián)連接；為了增大輸出電壓量，多片壓電元件應采用串聯(lián)連接。5-5壓電元件的串聯(lián)和并聯(lián)有什么區(qū)別？答：當壓電元件采用串聯(lián)形式連接時，其輸出電壓大，本生電容小，適于用在需要大電壓輸出的場合；當壓電元件采用并聯(lián)形式連接時，其輸出電荷量大，本生電容大，適于用在需要大電荷輸出的場合。5-6壓電式傳感器有哪幾種常用的測量轉換電路？答：測量轉換電路有兩種形式：一是用電阻反饋的電壓放大器，其輸出電壓與輸入電壓(即傳感器的輸出)成正比；另一種是用帶電容板反饋的電荷放大器，其輸出電壓與輸入電荷成正比。由于電荷放大器電路的電纜長度變化的影響不大，幾乎可以忽略不計，故而電荷放大器應用日益廣泛。5-7電荷放大器和電壓放大器相比有什么優(yōu)缺點？答：電壓放大器與電荷放大器相比，具有電路簡單、元件少、價格便宜、工作可靠等優(yōu)點，但是電壓放大器的靈敏度受電纜長度的影響較大，所以在一定程度上限制了壓電式傳感器在某些場合的應用。5-8在某電荷前置放大電路中，已知Q=100PC,Ca=100pF，Ra無窮大，Cf=10pF，不考慮Cc的影響，當A=1000時，輸出電壓是多少？解：由于5-9用壓電式傳感器測量一個按正弦變化的力，壓電元件用兩片壓電陶瓷并聯(lián)，壓電系數(shù)d=200×C/N，電荷放大器的反饋電容Cf=2000pF，輸出電壓uo=5sinωtV。求用在壓電式傳感器上的正弦力為多少？解：由及可得，代人數(shù)值可得F=50sinωt（N）5-10使用壓電式傳感器制作的壓電式測力傳感器可測量動態(tài)力還是靜態(tài)力？答：可用于測試動態(tài)力。第6章霍爾傳感器6-1什么是霍爾效應？答：在半導體上通以電流并把它放在磁場中，如果磁場與電流的方向相垂直，則在磁場的作用下，載流子（電子或空穴）的運動方向發(fā)生偏轉。這樣，在垂直于電流和磁場的方向上就會形成電荷積累，出現(xiàn)電勢差。這一現(xiàn)象稱為霍耳效應。6-2當磁場方向垂直于霍爾元件，磁感應強度為B時，霍爾電動勢將如何變化？答：流入霍爾元件激勵電流端的輸入電流I越大，作用在霍爾元件上的磁感應強度B就越強，霍爾電動勢EH也就越高。6-3霍爾材料選擇什么最合適？答：ρ和μ都大的材料才適合于制作霍爾元件，才能獲得較大的霍爾常數(shù)和霍爾電動勢，半導體最適合制作霍爾元件。6-4什么是霍爾元件的輸入電阻和輸出電阻？答：輸入電阻Ri是指霍爾元件兩個激勵電流端的電阻。輸出電阻Ro是兩個霍爾電動勢輸出端之間的電阻。6-5線性型霍爾傳感器和開關型霍爾傳感器有什么區(qū)別？答：線性型霍爾傳感器的集成電路的內部電路是將霍爾元件、恒流源、線性差動放大器制作在同一個芯片上，輸出電壓的單位為V，比直接使用霍爾元件要方便很多。開關型霍爾傳感器的集成電路的內部電路是將霍爾元件、穩(wěn)壓電路、放大器、施密特觸發(fā)器、OC門電路等制作在同一個芯片上。6-6公式EH=kHIBcosθ中的角θ表示什么含義？答：磁感應強度B與其法線成的一角度。6-7什么是不等位電動勢？如何消除不等位電動勢？答：不等位電動勢是指當霍爾元件在額定激勵電流下，當外加磁場為零時，霍爾元件輸出端之間的開路電壓，用符號UM表示。消除方法見教材P98-6.2.3。6-8產生溫度誤差的原因有哪些？答：溫度誤差產生的原因主要包括以下兩種：（1）由于霍爾元件是由半導體材料組成的，因此，它對溫度的變化非常敏感。其中，載流子的濃度、遷移率、電阻率等參數(shù)都是溫度的函數(shù)。（2）當溫度發(fā)生變化時，霍爾元件的一些特性參數(shù)，如霍爾電動勢、輸入電阻和輸出電阻等都會發(fā)生變化，從而使霍爾傳感器產生溫度誤差。6-9克服溫度誤差有什么方法？答：可以采用恒溫措施補償和恒流源溫度補償?shù)姆椒▉頊p小霍爾元件的溫度誤差。6-10為什么霍爾元件要采用恒流源溫度補償？答：霍爾元件的靈敏度也是與溫度有關的函數(shù)，它會隨溫度的變化而引起霍爾電動勢的變化。因此采用恒流源溫度補償。第7章熱電偶傳感器7-1什么是熱電效應？答：兩種不同的金屬導體組成閉合回路，用酒精燈加熱其中的一個接觸點（稱為結點），發(fā)現(xiàn)放在回路中的指南針發(fā)生了偏轉。如果用兩個酒精燈對兩個結點同時進行加熱，指南針偏轉的角度反而減小，由此可知閉合回路中存在電動勢并且有電流產生。電流的強弱與兩個結點的溫差有關，這種現(xiàn)象稱為熱電效應。7-2熱電勢主要由哪兩部分組成？答：熱電勢主要由溫差電勢和接觸電勢組成。7-3熱電偶的基本定律包括哪幾種？答：熱電偶的基本定律包含均質導體定律、中間導體定律、中間溫度定律和標準電極定律。7-4熱電偶常見的種類有哪幾個？答：熱電偶的種類有裝配式熱電偶、鎧裝式熱電偶和快速反應薄膜熱電偶。7-5熱電偶冷端補償?shù)姆椒ㄓ心膸追N？答：冷端補償方法有：補償導線法、冷端恒溫法、計算修正法和電橋補償法。7-6在熱電偶測溫回路中經常使用補償導線的最主要目的是什么？答：主要目的：延長熱電偶的冷端，使之遠離高溫區(qū)。7-7熱電偶冷端恒溫法可在哪三種情況下使用？答：冷端恒溫法常用在以下三種情況中：1、將熱電偶的冷端置于放有冰水混合物的冰瓶中，使冷端溫度保持0℃不變的方法稱為冰浴法。采用這種方法可以消除冷端溫度t0不等于0℃而引起的誤差。由于冰融化比較快，因而一般只適合在實驗室中2、將熱電偶的冷端置于電熱恒溫器中，恒溫器的溫度要略高于環(huán)境溫度的上限。3、將熱電偶的冷端置于恒溫的空調房間中，使冷端溫度保持恒定。7-8在煉鋼廠中，有時直接將廉價的熱電極（如鎳鉻-鎳硅熱電極，時間稍長即熔化）插入鋼水中測量鋼水溫度，如圖題7-8所示。試說明：（1）為什么不必將熱端焊在一起？（2）要滿足哪些條件才不影響測量精度？采用上述方法是利用了熱電偶的什么定律？（3）如果被測物體不是鋼水，而是熔化的塑料行嗎？為什么？答：1、鋼水是導體。2、鋼水溫度均勻；中間導體定律。3、不行，塑料不導電。7-9如圖題7-9所示為鎳鉻-鎳硅熱電偶測溫電路的示意圖，熱電極A、B直接焊接在鋼板上（采用V形焊接），A'、B'為補償導線，Cu為銅導線，已知t1=40℃，冰水溫度t2=0℃，t3=20℃，試求當Ux=39.314mV時，熱端溫度解：EAB（TX，0）=39.314,反查表7-3，得到TX=950℃7-10用鎳鉻-鎳硅熱電偶測溫度，已知冷端溫度t0=50℃，用高精度的測溫毫伏表測得這時的熱電勢為29.186mV，求熱端溫度解：查表7-3得EAB（50℃，0℃）=2.023mV。根據(jù)式（7-4EAB（t，0℃）=EAB（t，50℃）+EAB（50℃=（29.186+2.023）mV=31.209mV反查表7-3，得到t=750℃第8章光電式傳感器8-1什么是外光電效應?常用的基于外光電效應的光電元件有哪些？答：外光電效應是指在光線的作用下使電子逸出物體表面的光電效應。常見的基于外光電效應的光電元件有光電管、光電倍增管和光電攝像管等。8-2什么是內光電效應?常用的基于內光電效應光電元件有哪些？答：內光電效應是指在光線的作用下使物體的電阻率發(fā)生改變的光電效應。常見的基于內光電效應的光電元件有光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管和光敏晶閘管等。8-3曬太陽取暖利用了什么效應？人造衛(wèi)星的光電池板利用了什么效應？植物的生長利用了什么效應？答：曬太陽取暖利用了光熱效應；人造衛(wèi)星的光電池板利用了光電效應；植物的生長利用了光化學效應。8-4光電管分為哪兩類？答：光電管可分為真空光電管和充氣光電管。8-5光電倍增管與光電管相比有什么優(yōu)點？答：光電倍增管具有很高的靈敏度。8-6簡述光敏電阻的工作原理。答：當光敏電阻沒有受到光照時，它的暗電阻很大，暗電流很??；當光敏電阻受到一定波長范圍內的光照時，它的亮電阻會急劇減小，亮電流將迅速增大。8-7溫度上升，光敏電阻的暗電流發(fā)生什么變化？答：由于溫度對光敏電阻的影響較大，溫度升高，暗電阻減小，暗電流增加。8-8簡述光敏二極管的工作原理。答：光敏二極管的工作原理是當光照射在PN結上時，PN結附近將會產生光生電子和光生空穴對，從而使P區(qū)和N區(qū)的少數(shù)載流子的濃度增加，因此，在外加反向的電壓和內電場的作用下，P區(qū)的少數(shù)載流子渡過阻擋層進入N區(qū)，N區(qū)的少數(shù)載流子渡過阻擋層進入P區(qū)，使通過PN結的反向電流大大增加，從而形成光電流。這時光敏二極管處于導通的狀態(tài)，光的照射強度越大，光電流也就越大。8-9簡述光敏三極管的工作原理。答：光敏三極管的工作原理是當基極開路時，集電極與發(fā)射極之間加正電壓。當光照射在集電結上時，就會在集電結附近產生電子—空穴對,電子在結電場的作用下，將會由P區(qū)向N區(qū)運動，從而形成基極電流，經放大β倍后形成集電極電流（光電流）。8-10簡述光電池的工作原理在一塊N形硅片表面，用擴散的方法摻入一些P型雜質，形成PN結，光這就是一塊硅光電池。當照射在PN上時，如光子能量hv大于硅的禁帶寬度E時，則價帶中的電子躍遷到導帶，產生電子空穴對。因為PN結阻擋層的電場方向指向P區(qū)，所以，任阻擋層電場的作用下，被光激發(fā)的電子移向N區(qū)外側，被光激發(fā)的空穴移向P區(qū)外側，從而在硅光電池與PN結平行的兩外表而形成電勢差，P區(qū)帶正電，為光電池的正極，N區(qū)帶負電，為光電池的負極。照在PN結上的光強增加，就有更多的空穴流向P區(qū)，更多的電子流向N區(qū)，從而硅光電池兩外側的電勢差增加。8-11光敏二極管在測光電路中應處于什么狀態(tài)？光敏三極管在測光電路中應處于什么狀態(tài)？答：光敏二極管在測光電路中應處于反向偏置狀態(tài)；光敏三極管在測光電路中應處于零偏置狀態(tài)。第9章新型傳感器9-1簡述光纖傳感器的特點、結構及分類。答:光纖傳感器具有靈敏度高、電絕緣性能好、抗電磁干擾、頻帶寬、動態(tài)范圍大、結構簡單、體積小、質量輕以及耗能少等優(yōu)點。光纖主要由玻璃纖維芯（纖芯）和玻璃包皮（包層）兩個同心圓柱組成雙層結構，且最外有護套作保護層。根據(jù)光纖在傳感器中的作用，將光纖傳感器分為功能型光纖傳感器、非功能型光纖傳感器和拾光型光纖傳感器。根據(jù)光受被測對象的調制形式，將光纖傳感器分為強度調制型光纖傳感器、偏振調制型光纖傳感器、頻率調制型光纖傳感器和相位調制型光纖傳感器。9-2說明如圖題9-2所示的各種光纖傳感器各種應用的原理。答：（a）圖為反射式光纖位移傳感器，（b）圖為遮光式光纖位移傳感器，（c）圖為吸收式光纖位移傳感器，（d）圖為微彎式光纖位移傳感器，（e）圖為接受光輻射式光纖位移傳感器，（f）圖為熒光激勵式光纖位移傳感器。9-3遠距離防爆場所的環(huán)境溫度檢測常用什么傳感器？答：光纖溫度傳感器特別適合于遠距離防爆場所的環(huán)境溫度檢測。9-4簡述超聲波傳感器的特點。答：超聲波具有指向性好、能量集中、穿透本領大等特點，在遇到兩種介質的分界面（如鋼板與空氣的交界面）時，能產生明顯的反射和折射現(xiàn)象。9-5超聲波的傳播波形主要可分為哪幾種？答：超聲波的傳播波型主要可分為縱波、橫波和表面波。9-6如圖題9-6所示，某一物體的材料為銅，測得超聲波探頭發(fā)射到接收信號的時間為3s，試計算該銅制品的厚度。解：將c=4.7km/S代入式，可得銅的厚度為7.05KM。9-7超聲波無損探傷可分為幾種類型？答：超聲波無損探傷分為（1）A型超聲波無損探傷。（2）B型超聲波無損探傷。（3）C型超聲波無損探傷。9-8對處于鋼板深部的缺陷宜采用什么探傷？簡述鋼板表面缺陷探傷的方法。答：宜采用A型超聲波無損探傷。第10章檢測裝置的信號處理10-1簡述傳感器接口電路的組成。答：由圖10-1（a）圖可知，傳感器接口電路主要有信號調理、多路轉換開關、放大器、采樣保持電路、模數(shù)轉換電路等組成。10-2什么是信號的調制和解調？答：為了實現(xiàn)信號的傳輸，尤其是遠距離傳輸，須把傳感器輸出的緩變信號先變成具有較高頻率的交流信號，然后進行直流放大，再把信號傳送出去，最后通過檢波技術，再提取出原來頻率的信號，這個過程稱為信號的調制和解調。10-3什么是信號的幅值調制和幅值解調？答：幅值調制簡稱為調幅，是指將一個載波信號（簡諧信號）與調制信號（測試信號）相乘，使載波信號隨調制信號的變化而變化。從已調信號中檢出調制信號的過程稱為幅值解調或檢波。10-4什么是信號的頻率調制和頻率解調？答：調頻就是用調制信號去控制高頻載波信號的頻率。常用的調頻方法是線性調頻，即讓調頻信號的頻率隨調制信號按線性規(guī)律變化。頻率解調又稱為鑒頻，是指從調頻信號中檢測出反映被測參數(shù)變化的調制信號。10-5什么是信號的放大？答：將傳感器的微弱信號精確地放大到所需要的統(tǒng)一標準信號(直流1～5V或4～20mA)，并達到所需要的技術指標，稱為信號的放大。10-6簡述測量放大電路的特點。答：測量放大電路具有很大的共模抑制比、極高的輸入電阻、放大倍數(shù)能在大范圍內可調、誤差小、穩(wěn)定性好。10-7簡述A/D轉換器的工作原理。答：在A/D轉換中由于模擬量在時間和數(shù)值上是連續(xù)的，而數(shù)字量在時間和數(shù)值上是離散的，因而進行轉換時必須在一系列選定的瞬間（即時間坐標軸上的一些規(guī)定點上）對輸入的模擬信號進行采樣，在保持信號屬性不變的情況下進行信號放大，然后再把這些采樣值轉換為輸出的數(shù)字量，在數(shù)值上離散化（量化），并對離散化的數(shù)字量進行二進制編碼，變成CPU能識別的信號。因此，一般的A/D轉換過程是通過采樣、保持、量化和編碼這四個步驟完成的。10-8簡述D/A轉換器的工作原理。答：D／A轉換器的基本功能，是將數(shù)字量轉換成對應的模擬量輸出。為了將數(shù)字量轉換為模擬量，需要將每位代碼按照其“權”值轉換為相應的模擬量(僅指模擬電壓)，然后再把對應于各位代碼的模擬量加起來，所得模擬量的總和，就是與被轉換數(shù)字量相對應的模擬量。.10-9簡述模擬量的非線性校正原理。答：如圖10-46所示為一種提升模擬量校正特性的校正電路。從圖10-46可知，該電路主要由反相放大器構成，當VD1、VD2不導通時，閉環(huán)放大器A是一個負反饋放大器，隨著ui增大，輸出電壓uo的反饋增大，使得VD1導通，電路引入正反饋，最終結果使放大倍數(shù)提高。當VD2導通時，正反饋作用加強，放大倍數(shù)進一步提高。如圖10-47所示為該電路的提升折線逼近特性曲線。10-10簡述數(shù)字量的非線性校正原理。答：隨著計算機技術的廣泛應用，尤其是微型計算機的迅速發(fā)展，充分利用計算機處理數(shù)據(jù)的能力大大提高。用軟件進行傳感器特性的非線性補償，使輸出的數(shù)字量與被測量之間呈線性關系。采用軟件實現(xiàn)數(shù)據(jù)線性化，一般可分為計算法、查表法和插值法。第11章檢測裝置的干擾抑制技術