《傳感器》習(xí)題答案解析

./第一章思考題與習(xí)題1、什么是傳感器的靜態(tài)特性？它有哪些性能指標？答：輸入量為常量或變化很慢情況下,輸出與輸入兩者之間的關(guān)系稱為傳感器的靜態(tài)特性。它的性能指標有：線性度、遲滯、重復(fù)性、靈敏度與靈敏度誤差、分辨率與閾值、穩(wěn)定性、溫度穩(wěn)定性、抗干擾穩(wěn)定性和靜態(tài)誤差〔靜態(tài)測量不確定性或精度。2、傳感器動特性取決于什么因素？答：傳感器動特性取決于傳感器的組成環(huán)節(jié)和輸入量,對于不同的組成環(huán)節(jié)〔接觸環(huán)節(jié)、模擬環(huán)節(jié)、數(shù)字環(huán)節(jié)等和不同形式的輸入量〔正弦、階躍、脈沖等其動特性和性能指標不同。3、某傳感器給定相對誤差為2%FS,滿度值輸出為50mV,求可能出現(xiàn)的最大誤差δ〔以mV計。當(dāng)傳感器使用在滿刻度的1/2和1/8時計算可能產(chǎn)生的百分誤差。并由此說明使用傳感器選擇適當(dāng)量程的重要性。已知：,；求：δm=？解：∵；∴若:則:若:則:由此說明,在測量時一般被測量接近量程<一般為量程的2/3以上>,測得的值誤差小一些。4、有一個傳感器,其微分方程為,其中y為輸出電壓〔mV,x為輸入溫度〔0C,試求該傳感器的時間常數(shù)τ和靜態(tài)靈敏度k。已知：；求：τ=？,k=?解：將化為標準方程式為：與一階傳感器的標準方程：比較有：5、已知某二階系統(tǒng)傳感器的自振頻率f0=20kHz,阻尼比ξ=0.1,若要求傳感器的輸出幅值誤差小于3%,試確定該傳感器的工作頻率范圍。已知：f0=20kHz,ξ=0.1。求：時的工作頻率范圍。解：二階傳感器頻率特性<p14-1—30式>∵∴式中：則有：由〔1式：由〔2式：即：?。簞t有：第二章思考題與習(xí)題1、何為金屬的電阻應(yīng)變效應(yīng)？怎樣利用這種效應(yīng)制成應(yīng)變片？答：〔1當(dāng)金屬絲在外力作用下發(fā)生機械變形時,其電阻值將發(fā)生變化,這種現(xiàn)象稱為金屬的電阻應(yīng)變效應(yīng)?！?應(yīng)變片是利用金屬的電阻應(yīng)變效應(yīng),將金屬絲繞成柵形,稱為敏感柵。并將其粘貼在絕緣基片上制成。把金屬絲繞成柵形相當(dāng)于多段金屬絲的串聯(lián)是為增大應(yīng)變片電阻,提高靈敏度,2、什么是應(yīng)變片的靈敏系數(shù)？它與電阻絲的靈敏系數(shù)有何不同？為什么？答：〔1應(yīng)變片的靈敏系數(shù)是指應(yīng)變片安裝于試件表面,在其軸線方向的單向應(yīng)力作用下,應(yīng)變片的阻值相對變化與試件表面上安裝應(yīng)變片區(qū)域的軸向應(yīng)變之比。〔2實驗表明,電阻應(yīng)變片的靈敏系數(shù)恒小于電阻絲的靈敏系數(shù)其原因除了粘貼層傳遞變形失真外,還存在有恒向效應(yīng)。3、對于箔式應(yīng)變片,為什么增加兩端各電阻條的截面積便能減小橫向靈敏度？答：對于箔式應(yīng)變片,增加兩端圓弧部分尺寸較柵絲尺寸大得多〔圓弧部分截面積大,其電阻值較小,因而電阻變化量也較小。所以其橫向靈敏度便減小。4、用應(yīng)變片測量時,為什么必須采用溫度補償措施？答：用應(yīng)變片測量時,由于環(huán)境溫度變化所引起的電阻變化與試件應(yīng)變所造成的電阻變化幾乎有相同的數(shù)量級,從而產(chǎn)生很大的測量誤差,所以必須采用溫度補償措施。5、一應(yīng)變片的電阻R=120Ω,k=2.05。用作應(yīng)變?yōu)?00μm/m的傳感元件。①求△R和△R/R；②若電源電壓U=3V,求初始平衡時惠斯登電橋的輸出電壓U0。已知：R=120Ω,k=2.05,ε=800μm/m；求：①△R=？,△R/R=？②U=3V時,U0=？解①：∵∴解②：初始時電橋平衡〔等臂電橋∵∴6、在材料為鋼的實心圓柱形試件上,沿軸線和圓周方向各貼一片電阻為120Ω的金屬應(yīng)變片R1和R2,把這兩應(yīng)變片接入差動電橋〔參看圖2-9a。若鋼的泊松系數(shù)μ=0.285,應(yīng)變片的靈敏系數(shù)k=2,電橋電源電壓U=2V,當(dāng)試件受軸向拉伸時,測得應(yīng)變片R1的電阻變化值△R=0.48Ω,試求電橋的輸出電壓U0。圖2-9a差動電橋已知：R1=R2=120Ω,μ=0.285,k=2,U=2V,△R1=0.48Ω,△R1/R1=0.48/120=0.004求：U0=？解：∵∴又∵∴設(shè)：R1=R2=R3=R4=R,對電橋若四臂電阻都變其輸出為：∵則有：本題：7、金屬應(yīng)變片與半導(dǎo)體應(yīng)變片在工作原理上有何不同？答：金屬應(yīng)變片的工作原理是：金屬應(yīng)變片在外力的作用下,應(yīng)變片的幾何尺寸〔長度和截面積發(fā)生變化〔機械形變而引起應(yīng)變片的電阻改變,運用它們的對應(yīng)關(guān)系實現(xiàn)測量目的。其靈敏系數(shù)〔k≈1+2μ主要是材料幾何尺寸變化引起的。半導(dǎo)體應(yīng)變片的工作原理是：半導(dǎo)體應(yīng)變片受到作用力后,應(yīng)變片的電阻率ρ發(fā)生變化,而引起應(yīng)變片的電阻值改變。其靈敏系數(shù)〔k=△ρ/ρε主要是半導(dǎo)體材料的電阻率隨應(yīng)變變化引起的。第三章思考題與習(xí)題1、何謂電感式傳感器？它是基于什么原理進行檢測的？答：電感式傳感器是利用電磁感應(yīng)原理將被測量轉(zhuǎn)換成線圈自感量或互感量的變換,再由測量電路轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化量輸出的一種裝置。它是基于電磁感應(yīng)原理進行檢測的。2、減小零殘電壓的有效措施有哪些？答：〔1盡量使兩個線圈對稱設(shè)計時應(yīng)使上下磁路對稱,制造時應(yīng)使上下磁性材料特性一致,磁筒、磁蓋、磁芯要配套挑選,線圈排列要均勻,松緊要一致,最好每層的匝數(shù)都相等?！?減小磁化曲線的非線性由于磁化曲線的非線性產(chǎn)生零殘電壓的高次諧波成分,所以選用磁化曲線為線性的磁芯材料或調(diào)整工作點,使磁化過程在磁化曲線的線性區(qū)?！?使振蕩變壓器二次側(cè)對稱,兩個二次電壓的相位相同。在一次側(cè)線圈上并聯(lián)一個電容,并調(diào)整電容大小使兩個二次電壓的相位相同。3、渦流式傳感器有何特點?它有哪些應(yīng)用：答：渦流式傳感器的特點是結(jié)構(gòu)簡單,易于進行非接觸的連續(xù)測量,靈敏度較高,適應(yīng)性強。它的應(yīng)用有四個方面：〔1利用位移為變換量,可做成測量位移、厚度、振幅、振擺、轉(zhuǎn)速等傳感器,也可做成接近開關(guān)、計數(shù)器等；〔2利用材料的電阻率作為變換量,可做成測量溫度、材質(zhì)判別等傳感器；〔3利用磁導(dǎo)率作為變換量,可做成測量應(yīng)力、硬度等傳感器；〔4利用三個變換量的綜合影響,可做成探傷裝置。4、試比較渦流傳感器的幾種應(yīng)用電路的優(yōu)缺點？答：交流電橋電路：線性好、溫度穩(wěn)定性高,但存在零點殘余電壓問題及測量范圍較??；諧振電路：電路簡單,靈敏度高,但線性度差及范圍更??；正反饋電路：測量范圍較大,是電橋的2至3倍,但電路復(fù)雜。5、有一4極感應(yīng)感應(yīng)同步器,設(shè)h=5mm、θ=150、δ=0.15mm、r=6.5mm、N1=N2=900匝,勵磁電流I1=35mA、f=400Hz,試求：①輸出信號的靈敏度k〔mV/deg=?②勵磁電壓u=?解：第四章思考題與習(xí)題1、如何改善單組式變極距型電容傳感器的非線性？答：對于變極距單組式電容器由于存在著原理上的非線性,所以在實際應(yīng)用中必須要改善其非線性。改善其非線性可以采用兩種方法?！?使變極距電容傳感器工作在一個較小的范圍內(nèi)〔0.01μm至零點幾毫米,而且最大△δ應(yīng)小于極板間距δ的1/5—1/10?！?采用差動式,理論分析表明,差動式電容傳感器的非線性得到很大改善,靈敏度也提高一倍。單組式變面積型平板形線位移電容傳感器,兩極板相對覆蓋部分的寬度為4mm,兩極板的間隙為0.5mm,極板間介質(zhì)為空氣,試求其靜態(tài)靈敏度？若兩極板相對移動2mm,求其電容變化量?！泊鸢笧?.07pF/mm,0.142pF已知：b=4mm,δ=0.5mm,ε0=8.85×10－12F/m求：〔1k=?；<2>若△a=2mm時△C=?。解：如圖所示∵；；3、畫出并說明電容傳感器的等效電路及其高頻和低頻時的等效電路。答：電容傳感器的等效電路為：其中：r：串聯(lián)電阻〔引線、焊接點、板極等的等效電阻；L：分布電感〔引線、焊接點、板極結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的；CP：引線電容〔引線、焊接點、測量電路等形成的總寄生電容C0：傳感器本身電容；Rg：漏電阻〔極板間介質(zhì)漏電損耗極板與外界的漏電損耗電阻低頻時等效電路和高頻時等效電路分別為圖〔a和圖<b>：4、設(shè)計電容傳感器時主要應(yīng)考慮哪幾方面因素答：電容傳感器時主要應(yīng)考慮四個幾方面因素：<1>減小環(huán)境溫度濕度等變化所產(chǎn)生的影響,保證絕緣材料的絕緣性能；〔2消除和減小邊緣效應(yīng)；〔3減小和消除寄生電容的影響；〔4防止和減小外界干擾。5、何謂"電纜驅(qū)動技術(shù)"？采用它的目的是什么？答：電纜驅(qū)動技術(shù),即：傳感器與測量電路前置級間的引線為雙屏蔽層電纜,其內(nèi)屏蔽層與信號傳輸線〔即電纜芯線通過1：1放大器而為等電位,從而消除了芯線與內(nèi)屏蔽層之間的電容。由于屏蔽線上有隨傳感器輸出信號等大變化的電壓,因此稱為"驅(qū)動電纜"。采用"電纜驅(qū)動技術(shù)"的目的是減小或消除寄生電容的影響。6、畫出電容式加速度傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖,并說明其工作原理。答：電容式加速度傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖為：其中：1、5為兩個固定極板；2為殼體；3為支撐彈簧片；4質(zhì)量塊；A面和B面為固定在質(zhì)量塊上的電容器的極板。當(dāng)測量垂直方向上直線加速度時,傳感器的殼體2固定在被測振動體上,振動體的振動使殼體相對質(zhì)量塊運動,因而與殼體固定在一起的兩固定極板1、5相對質(zhì)量塊4運動,致使上固定極板5與質(zhì)量塊4的A面組成的電容器Cx1以及下固定極板與質(zhì)量塊4的B面組成的電容器Cx2隨之改變,一個增大,一個減小,它們的差值正比于被測加速度,而實現(xiàn)測量加速度的目的。7、什么是電容式集成傳感器？它有何特點？答：運用集成電路工藝把電容敏感元件與測量電路制作在一起構(gòu)成電容式集成傳感器。她的核心部件是一個對被測量敏感的集成電容器。集成電容傳感器的特點是：體積小、輸出阻抗小、可批量生產(chǎn)、重復(fù)性好、靈敏度高、工作溫度范圍寬、功耗低、寄生電容小等特點。第五章思考題與習(xí)題1、簡述磁電感應(yīng)式傳感器的工作原理。磁電感應(yīng)式傳感器有哪幾種類型？答：磁電感應(yīng)式傳感器是以電磁感應(yīng)原理為基礎(chǔ)的,根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律可知,N匝線圈在磁場中運動切割磁力線或線圈所在磁場的磁通量變化時,線圈中所產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢e的大小取決于穿過線圈的磁通φ的變化率,即：根據(jù)這個原理,可將磁電感應(yīng)式傳感器分為恒定磁通式和變磁通式兩類。2、某些磁電式速度傳感器中線圈骨架為什么采用鋁骨架？答：某些磁電式速度傳感器中線圈采用鋁骨架是因為線圈在磁路系統(tǒng)氣隙中運動時,鋁骨架中感應(yīng)產(chǎn)生渦流,形成系統(tǒng)的電磁阻尼力,此阻尼起到衰減固有振動和擴展頻率響應(yīng)范圍的作用。3、何謂磁電式速度傳感器的線圈磁場效應(yīng),如何補償？答：線圈磁場效應(yīng)是指磁電式速度傳感器的線圈中感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁場對恒定磁場作用,而使其變化。如公式知,由于B的變化而產(chǎn)生測量誤差。補償方法通常是采用補償線圈與工作線圈串接,來抵消線圈中感應(yīng)電流磁場對恒定磁場的影響。4、為什么磁電感應(yīng)式傳感器在工作頻率較高時的靈敏度,會隨頻率增加而下降？答：由理論推到可得傳感器靈敏度與頻率關(guān)系是：當(dāng)振動頻率低于傳感器固有頻率時,這種傳感器的靈敏度是隨振動頻率變化；當(dāng)振動頻率遠大于固有頻率時,傳感器的靈敏度基本上不隨振動頻率而變化,而近似為常數(shù)；當(dāng)振動頻率更高時,線圈阻抗增大,傳感器靈敏度隨振動頻率增加而下降。5、變磁通式傳感器有哪些優(yōu)缺點？答：變磁通式傳感器的優(yōu)點是對環(huán)境條件要求不高,能在－150—+900C的溫度條件下工作,而不影響測量精度,也能在油、水霧、灰塵等條件下工作。缺點主要是它的工作頻率下限較高,約為50Hz,上限可達100kHz,所以它只適用于動態(tài)量測量,不能測靜態(tài)量。6、什么是霍爾效應(yīng)？霍爾式傳感器有哪些特點？答：金屬或半導(dǎo)體薄片置于磁場中,當(dāng)有電流流過時。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)?；魻杺鞲衅鞯奶攸c是結(jié)構(gòu)簡單、體積小、堅固、頻率響應(yīng)寬〔從直流到微波、動態(tài)范圍〔輸出電動勢的變化范圍大、無觸點、使用壽命長、可靠性高、易于微型化和集成化。但它的轉(zhuǎn)換率較低,溫度影響大,在要求轉(zhuǎn)換精度較高時必須進行溫度補償。7、某霍爾元件l、b、d尺寸分別為1.0cm×0.35cm×0.1cm,沿l方向通以電流I=1.0mA,在垂直于lb面方向加有均勻磁場B=0.3T,傳感器的靈敏度系數(shù)為22V/A·T,試求其輸出霍爾電動勢及載流子濃度。已知：l×b×d=1.0cm×0.35cm×0.1cm；I=1.0mA；B=0.3T；kH=22V/A·T；求：UH=?；n=？解：如圖∵∴而：∴n=8、試分析霍爾元件輸出接有負載RL時,利用恒壓源和輸入回路串聯(lián)電阻R進行溫度補償?shù)臈l件。如圖,設(shè)：t0時,靈敏系數(shù)kH0；輸入電阻Ri0；輸出電阻RO0。t時,靈敏系數(shù)kHt；輸入電阻Ri0；輸出電阻ROt。兩者關(guān)系為：因為：；而：所以：；則：VL不隨溫度t變化的條件是：而：即有：若忽略Ro的影響,即RO0=0,則有：9、試說明霍爾式位移傳感器的輸出UH與位移x成正比關(guān)系。答：因為霍爾電壓為：,若I一定,而使霍爾元件在一個沿空間均勻梯度的磁場中運動即：。則有：,所以霍爾式位移傳感器的輸出UH與位移x成正比關(guān)系。10、霍爾式速度傳感器和磁電感應(yīng)式速度傳感器相比,各有哪些特點。答：霍爾式速度傳感器能測量慢速運動物體的速度。另外它的信號處理電路通常也集成在一起封裝的,無需外加信號處理電路,提高了抗干擾能力,并且,大多數(shù)霍爾式速度傳感器輸出的是數(shù)字信號,所以它與數(shù)字邏輯、微機及PLC兼容。而磁電感應(yīng)式速度傳感器不適合于測量低速運動的物體。其輸出為模擬信號,若要輸出數(shù)字信號需要附加處理電路,另外,磁電感應(yīng)式速度傳感器可以應(yīng)用于較高溫度的環(huán)境,工作溫度超過300度,而前者工作溫度范圍較小。第六章思考題與習(xí)題1、什么是壓電效應(yīng)？答：沿著一定方向?qū)δ承╇娊橘|(zhì)加力而使其變形時,在一定表面上產(chǎn)生電荷,當(dāng)外力取消,又重新回到不帶電狀態(tài),這一現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)。當(dāng)在某些電介質(zhì)的極化方向上施加電場,這些電介質(zhì)在一定方向上產(chǎn)生機械變形或機械壓力,當(dāng)外加電場散去,這些變形和應(yīng)力也隨之消失,此即稱為逆壓電效應(yīng)。2、為什么壓電傳感器不能測量靜態(tài)物理量？答：壓電元件送入放大器的輸入電壓由上式可知,用·當(dāng)作用在壓電元件上的力是靜壓力〔ω=0時,前置放大器輸入電壓等于零。因為電荷就會通過放大器的輸入電阻和傳感器本身的泄漏電阻漏掉。所以壓電傳感器不能測量靜態(tài)物理量。3、壓電式傳感器中采用電荷放大器有何優(yōu)點？為什么電壓靈敏度與電纜長度有關(guān)？而電荷靈敏度與電纜長度無關(guān)？答：p115第七章思考題與習(xí)題1、光電式傳感器常用光源有哪幾種,哪些光源可用作紅外光源？答：光電式傳感器常用光源有自然光源和人造光源,人造光源包括熱輻射光源、氣體放電光源、電致發(fā)光光源和激光光源?？勺鳛榧t外光源的有白熾燈、Nd：YAG固體激光器、氦氖激光器、半導(dǎo)體激光器和染料激光器等。2、光電式傳感器常用接收器件有哪幾種,各基于什么原理各有什么特點？答：光電式傳感器常用接收器件按原理可分為熱探測器和光子探測器兩類。熱探測器是基于光輻射與物質(zhì)相互作用的熱效應(yīng)。它其特點是：對波長沒有選擇性〔具有寬廣和平坦的光譜響應(yīng),只與接收到的總能量有關(guān),適應(yīng)于紅外探測。而光子探測器是基于一些物質(zhì)的光電效應(yīng),即利用光子本身能量激發(fā)載流子。其特點是：具有一定的截止波長,只能探測短于這一波長的光線,但它們的響應(yīng)速度快,靈敏度高,使用廣泛。3、電荷藕合器件有哪幾種,各有那幾部分組成？答：電荷藕合器件有線陣電荷耦合器件和面陣電荷耦合器件。它由MOS光敏單元和讀出移位寄存器組成。4、電荷藕合器件中的信號電荷是如何傳輸?shù)?？答：以典型的三相CCD為例說明CCD電荷轉(zhuǎn)移的基本原理。三相CCD是由每三個柵為一組的間隔緊密的MOS結(jié)構(gòu)組成的陣列。每相隔兩個柵的柵電極連接到同一驅(qū)動信號上,亦稱時鐘脈沖。三相時鐘脈沖的波形如下圖所示。在t1時刻,φ1高電位,φ2、φ3低電位。此時φ1電極下的表面勢最大,勢阱最深。假設(shè)此時已有信號電荷〔電子注入,則電荷就被存儲在φ1電極下的勢阱中。t2時刻,φ1、φ2為高電位,φ3為低電位,則φ1、φ2下的兩個勢阱的空阱深度相同,但因φ1下面存儲有電荷,則φ1勢阱的實際深度比φ2電極下面的勢阱淺,φ1下面的電荷將向φ2下轉(zhuǎn)移,直到兩個勢阱中具有同樣多的電荷。t3時刻,φ2仍為高電位,φ3仍為低電位,而φ1由高到低轉(zhuǎn)變。此時φ1下的勢阱逐漸變淺,使φ1下的剩余電荷繼續(xù)向φ2下的勢阱中轉(zhuǎn)移。t4時刻,φ2為高電位,φ1、φ3為低電位,φ2下面的勢阱最深,信號電荷都被轉(zhuǎn)移到φ2下面的勢阱中,這與t1時刻的情況相似,但電荷包向右移動了一個電極的位置。當(dāng)經(jīng)過一個時鐘周期T后,電荷包將向右轉(zhuǎn)移三個電極位置,即一個柵周期〔也稱一位。因此,時鐘的周期變化,就可使CCD中的電荷包在電極下被轉(zhuǎn)移到輸出端,其工作過程從效果上看類似于數(shù)字電路中的移位寄存器。5、簡述利用CCD進行工件尺寸測量的原理及測量系統(tǒng)的組成。答：利用CCD進行工件尺寸測量的原理是根據(jù)工件成像輪廓覆蓋的光敏單元的數(shù)量來計算工件尺寸數(shù)據(jù)。如果在光學(xué)系統(tǒng)放大率為1/M的裝置中,有：式中：L—工件尺寸；N—覆蓋的光敏單元數(shù)；d—相鄰光敏單元中心距離〔±2d為圖像末端兩個光敏單元之間可能的最大誤差。CCD測量系統(tǒng)由光學(xué)系統(tǒng)、圖像傳感器和微處理機等組成。6、試述用一維PSD進行距離測量的原理。答：一維PSD結(jié)構(gòu)圖如下：由于橫向光電效應(yīng),當(dāng)PSD工作在反向偏壓狀態(tài)時〔公用極3正電壓,流經(jīng)電極1、2的電流I1和I2與入射光的強度和入射光點的位置有關(guān)。如下式：由上兩式得：式中：XA為入射光點位置；L為PSD的長度。顯然,通過I1與I2可確定入射光點位置XA。7、利用由斯乃爾定律推導(dǎo)出的臨界角θc表達式,計算水〔n=1.33與空氣〔n≈1分界面的θc的值。已知：n0=1；n1=1.33。求：θc=？解：∵而：θ/=900,θ=θc∴8、求n1=1.46,n2=1.45的光纖的NA值；若外部的n0=1,求最大入射角θc=?已知：n1=1.46；n2=1.45；n0=1求：NA=?；θm=？解①：解②：∵∴9、光纖傳感器有哪幾種調(diào)制方式?答：光纖傳感器有3種調(diào)制方法,即：光強度調(diào)制型、光相位調(diào)制型和光偏振態(tài)調(diào)制型。10、利用光纖傳感器進行位移測量的方法有哪些？簡述其工作原