傳感器與機(jī)器視覺楊利課后參考答案

思考與練習(xí)題1想一想手機(jī)中都有哪些傳感器？它們的被測量和測量原理分別是什么？手機(jī)中有很多創(chuàng)奶器，如：影像傳感器：攝像；亮度傳感器：亮度檢測；磁阻傳感器：數(shù)字指南針；聲波傳感器：麥克風(fēng)；加速度傳感器：角加速度傳感器：陀螺儀；溫度傳感器：過熱保護(hù)等等。測量誤差有幾種表示方法？測量誤差可用絕對誤差、示值相對誤差、引用相對誤差及實(shí)際相對誤差表示傳感器的選用原則有哪些？通常的選擇依據(jù)是根據(jù)測量條件目的和傳感器使用環(huán)境，判斷傳感器性能是否滿足要求，在滿足指標(biāo)參數(shù)要求的情況下，選擇成本低廉、工作可靠且容易維修，性價比高的傳感器。傳感器的命名規(guī)則是什么？根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T7666-2005，傳感器的命名由主題詞（傳感器）和四級修飾語組成，第一級修飾語——被測量。第二級修飾語——轉(zhuǎn)換原理，一般可后續(xù)以“式”字。第三級修飾語——特征描述：傳感器結(jié)構(gòu)、性能、材料特征等，一般可后續(xù)以“型”字。第四級修飾語——主要技術(shù)指標(biāo)(量程、精確度、靈敏度等)。傳感器靜態(tài)標(biāo)定的步驟？①將傳感器的測量范圍分成若干個等間距的點(diǎn)；②根據(jù)傳感器測量范圍分點(diǎn)情況，由小到大等間距遞增方式輸入相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)量，并記錄與各輸入值相對應(yīng)的輸出值。③將輸入值從大到小一點(diǎn)點(diǎn)地遞減，同時記錄與各輸入值相對應(yīng)的輸出值。④按照(2)和(3)步驟，對傳感器進(jìn)行正、反行程往復(fù)循環(huán)多次測試，將得到的輸出/輸入測試數(shù)據(jù)用表格列出或繪制成曲線。⑤對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的整理，根據(jù)處理結(jié)果就可以計(jì)算出傳感器的線性度、靈敏度、滯后和重復(fù)性等靜態(tài)特性指標(biāo)了。通過查閱資料，說說傳感器的發(fā)展趨勢？傳感器隨著智能化、集成化、網(wǎng)絡(luò)化、虛擬化、微型化等方向發(fā)展。通過查閱資料，將課本中圖1.12“傳感器特性參數(shù)表實(shí)例”表中未解釋的特性參數(shù)，逐條解釋說明。參照微課資源《5如何選擇傳感器》。有一溫度計(jì)，它的檢測范圍為0~200℃，精度為0.5級，求：該表可能出現(xiàn)的最大絕對誤差；當(dāng)示值分別為20℃、100℃時的示值相對誤差。最大絕對誤差為：0.5%*200=1℃示值相對誤差分別為：1/20*100%=5%;1/100*100%=1%;被測溫度為400℃，現(xiàn)有量程為0~500℃、精度1.5級和量程0~1000℃、精度1.0級的溫度儀表各一塊，問選用哪一塊儀表測量更好？請說明原因。解：1.5級溫度計(jì)測量時可能出現(xiàn)的最大絕對誤差、測量400℃可能出現(xiàn)的最大示值相對誤差分別為℃1.0級溫度計(jì)測量時可能出現(xiàn)的最大絕對誤差、測量400℃時可能出現(xiàn)的最大示值相對誤差為℃因此第1塊表更好。某超聲波傳感器測距離實(shí)驗(yàn)中，測得如下表所示的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，請先計(jì)算誤差，再分析數(shù)據(jù)的好壞？實(shí)際距離（cm）102030405060708090100測量距離（cm）18.620.129.940.250.259.869.780.290.395實(shí)際相對誤差86%0.5%-0.3%0.5%0.4%-0.3%-0.4%0.25%0.33%-5%示值相對誤差46.2%0.49%-0.3%0.49%0.39%-0.3%-0.4%0.24%0.33%-5.2%可以看出，第一列數(shù)據(jù)誤差極大，為壞值。有臺體重計(jì)偏輕5斤，一個200斤的胖子稱重時的測量誤差和一個80斤的瘦子稱重時的測量誤差，誰的大？為什么？絕對誤差均為-5，一樣大。示值相對誤差胖子比瘦子小。思考與練習(xí)題2熱電偶的測溫原理是什么？熱電效應(yīng)：將兩種不同材質(zhì)的導(dǎo)體或半導(dǎo)體（A和B）首尾相接組成閉合回路，當(dāng)兩個接點(diǎn)溫度（T≠T0）不相同時，回路中就會產(chǎn)生一個電動勢，稱為熱電動勢，這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)。熱電偶的冷端補(bǔ)償方法有哪些？常用的冷端補(bǔ)償方法有冰浴法、補(bǔ)償導(dǎo)線法、計(jì)算修正法、補(bǔ)償電橋法、顯示儀表機(jī)械零位調(diào)整法等。熱電阻的連接方式有哪幾種？分別用在什么場合？熱電阻與測量電路的連接方式有二線制、三線制和四線制。當(dāng)熱電阻傳感器與測量回路不太遠(yuǎn)的情況下，采用二線制連接方式。否則采用三線制或四線制連接方式，其中三線制是電壓源供電，四線制是電流源供電。為什么三線制連接方法可以抵消掉導(dǎo)線電阻帶來的測量誤差？三線制連接方式是指從熱電阻傳感器兩端引出三根導(dǎo)線并將其接入測量回路中，這三根導(dǎo)線粗細(xì)相同，長度相等，阻值都是Rw，連接電路如圖2-16（a）所示。其中一根連接到電源上，另外兩根分別連接到直流電橋（惠斯特電橋）的相鄰兩臂中，這樣就把連接導(dǎo)線的電阻值加在相鄰的兩個橋臂中，導(dǎo)線電阻對測量的影響可以相互抵消。等效電路如圖2-20（b）所示。試著從原理、測溫范圍、輸出信號、材料等方面來分析熱電偶和金屬熱電阻的區(qū)別。原理測溫范圍輸出信號材料熱電偶熱電效應(yīng)-270~1800℃mV兩種不同合金，如鎳鉻-鎳硅金屬熱電阻電阻值隨溫度變化而變化-260~850℃電阻金屬，如鉑、銅與模擬溫度傳感器相比，數(shù)字式溫度傳感器有哪些特點(diǎn)？連線少、價格便宜、信號傳輸距離遠(yuǎn)、易與可編程設(shè)備相連。用鎳鉻-鎳硅熱電偶測爐溫，當(dāng)冷端溫度為20℃（恒定），測出熱端溫度為T時熱電勢為18.05mV，求爐子的真實(shí)溫度。解：設(shè)爐子真實(shí)溫度為T，已知冷端溫度T0=20℃，且熱電偶測得的熱電勢為E(T，T0)=E(T，20)=18.05mV查附錄一K型熱電偶分度表：E(20，0)=0.798mV根據(jù)中間溫度定律：E(T，0)=E(T，20)+E(20，0)=18.05+0.798=18.848mV再查K型熱電偶分度表可知18.848mV所對應(yīng)的溫度為458℃，因此爐子真實(shí)溫度為T=458℃。在一個實(shí)際的K型熱電偶測溫系統(tǒng)中，配用K型熱電偶溫度顯示儀表顯示被測溫度的大小。測溫對象是爐膛溫度為1000℃的加熱爐，設(shè)熱電偶冷端溫度為50℃，顯示儀表所在的控制室遠(yuǎn)離加熱爐，室溫為20℃。要求分別用普通銅導(dǎo)線和K型熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線將熱電偶與顯示儀表進(jìn)行連接，測量結(jié)果分別是多少？所測溫度數(shù)據(jù)是否能反映爐膛的真實(shí)溫度？用普通銅導(dǎo)線連接時，測量結(jié)果是錯誤的，因?yàn)槠錄]有延伸冷端的作用用補(bǔ)償導(dǎo)線連接時，測量結(jié)果是正確的，爐膛真實(shí)溫度為1000℃。DS18B20測溫范圍-55℃~+125℃，精度為±0.5℃，請問最少需要幾位二進(jìn)制表示溫度值？（125-（-55））/0.5=360，因此最少9位，包含512個值，大于360.參照DS18B20圖2.23電路圖和2.24時序圖，編寫DS18B20初始化和讀寫代碼。某控制電路需要過流保護(hù)，其工作電壓為48V、電路正常工作電流為450mA、電路的環(huán)境溫度為50℃。要求電路中電流為5A時2秒內(nèi)應(yīng)把電路中的電流降到500mA以下，請利用互聯(lián)網(wǎng)找到合適的熱敏電阻型號。答案不唯一。符合要求的均可以。分析下圖中電路的工作原理，其中RT為熱電阻溫度傳感器。圖中運(yùn)放構(gòu)成一個差分放大電路，輸出電壓等于(U+-U-)*A。因此溫度變化時，RT阻值不同，U+與U-的差不同,輸出電壓也不同。思考與練習(xí)題3電阻應(yīng)變片和半導(dǎo)體應(yīng)變片的工作原理有何區(qū)別？它們各有何特點(diǎn)？這是兩種不同材料的應(yīng)變片，工作原理都是應(yīng)變效應(yīng)。不同在于前者受力時應(yīng)變常數(shù)會變化，而后者不會。因此前者靈敏度遠(yuǎn)大于后者，不過前者存在溫度偏移。試著畫出電阻應(yīng)變式傳感器的幾種測量電路？分析各電路的測量靈敏度。即書中的單臂橋、雙臂橋和全橋電路，靈敏度即輸出電壓公式。因環(huán)境溫度改變而引起電阻變化的主要因素有哪些？環(huán)境溫度改變會引起應(yīng)變片應(yīng)變常數(shù)的不溫度。什么是壓電效應(yīng)？當(dāng)外力消失后，又恢復(fù)不帶電原狀；當(dāng)外力變向，電荷極性隨之而變。這種現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)，或簡稱壓電效應(yīng)。如果在這些電介質(zhì)的極化方向施加電場，這些電介質(zhì)就在一定方向產(chǎn)生機(jī)械變形或機(jī)械應(yīng)力。當(dāng)外電場撒去時，這些變形或應(yīng)力也隨之消失，這種現(xiàn)象稱之為逆壓電效應(yīng)，或稱之為電致伸縮效應(yīng)。常用的壓電材料有哪些？目前壓電材料可分為三大類：第一類是壓電晶體(單晶)，它包括壓電石英晶體和其他壓電單晶；第二類是壓電陶瓷(多晶半導(dǎo)瓷)；第三類是新型壓電材料，又可分為壓電半導(dǎo)體和有機(jī)高分子壓電材料兩種。常見的電感傳感器有哪些類型？根據(jù)轉(zhuǎn)換原理，可將電感式傳感器分為自感式、互感式和電渦流式三種。根據(jù)結(jié)構(gòu)型式，可將電感式傳感器分氣隙型和螺管型兩種。什么是零點(diǎn)殘余電壓？主要跟哪些因素相關(guān)？零點(diǎn)殘余電壓主要是由傳感器的兩次級繞組的電氣參數(shù)與幾何尺寸不對稱，以及磁性材料的非線性等問題引起的。零點(diǎn)殘余電壓的波形十分復(fù)雜，主要由基波和高次諧波組成。基波產(chǎn)生的主要原因是：傳感器的兩次級繞組的電氣參數(shù)和幾何尺寸不對稱，導(dǎo)致它們產(chǎn)生的感應(yīng)電勢的幅值不等、相位不同，因此不論怎樣調(diào)整銜鐵位置，兩線圈中感應(yīng)電勢都不能完全抵消。高次諧波中起主要作用的是三次諧波，產(chǎn)生的原因是由于磁性材料磁化曲線的非線性(磁飽和、磁滯)。零點(diǎn)殘余電壓一般在幾十毫伏以下，在實(shí)際使用時，應(yīng)設(shè)法減小，否則將會影響傳感器的測量結(jié)果。什么是渦電流效應(yīng)？簡述渦流式傳感器的工作原理。渦流式傳感器的原理是利用金屬體在交變磁場中的渦電流效應(yīng)。如圖3-37所示，一塊金屬板置于一只線圈的附近。根據(jù)法拉第定律，當(dāng)傳感器線圈通以正弦交變電流時，線圈周圍空間必然產(chǎn)生正弦交變磁場，使置于此磁場中的金屬導(dǎo)體中感應(yīng)渦電流，又產(chǎn)生新的交變磁場。根據(jù)楞次定律,的作用將反抗原磁場，導(dǎo)致傳感器線圈的等效阻抗發(fā)生變化。某試件受力后，應(yīng)變?yōu)?，已知?yīng)變片的靈敏度為2，初始值120，若不計(jì)溫度的影響，求電阻的變化量。下圖為一直流應(yīng)變電橋，假設(shè)圖中=4V，，求（1）為金屬應(yīng)變片，其余均為外接電阻，當(dāng)?shù)脑隽繛?1.2時，電橋的輸出電壓是多少？Uo=/(4R)*Ui=1.2/4/120*4=0.01V（2）和為金屬應(yīng)變片，且批號相同，感受應(yīng)變的大小相同，極性相反，=1.2時，電橋的輸出電壓是多少？Uo=/(2R)*Ui=1.2/2/120*4=0.02V10、下圖為用電渦流式傳感器構(gòu)成的液位監(jiān)控系統(tǒng)。通過浮子1與杠桿帶動渦流板2上下位移，由電渦流式傳感器3發(fā)出信號控制電動泵的開啟而使液位保持一定。請分析該液位監(jiān)控系統(tǒng)的工作過程。1-浮子；2-渦流板；3-電渦流式傳感器當(dāng)液位升高時，浮子1上升，渦流板2下移，與電渦流式傳感器3更近，傳感器輸出信號增大。思考與練習(xí)題4什么是光電效應(yīng)？光電傳感器的原理是光電效應(yīng)。用光照射某一物體，可以看作物體受到一連串能量為E的光子的轟擊，組成這種物體的材料吸收光子能量而發(fā)生相應(yīng)電效應(yīng)的物理現(xiàn)象稱為光電效應(yīng)。通常把光線照射到物體表面后產(chǎn)生的光電效應(yīng)分為三類：外光電效應(yīng)、內(nèi)光電效應(yīng)和光生伏特現(xiàn)象。常見的光電器件有哪些？工作原理分別是？常見的光電器件有光電管、光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管、光電池等。光電管原理：當(dāng)入射光線穿過光窗照到光電陰極上時，由于外光電效應(yīng)，光電子就從極層內(nèi)發(fā)射至真空。在電場的作用下，光電子在極間作加速運(yùn)動，最后被高電位的陽極接收，在陽極電路內(nèi)就可測出光電流，其大小取決于光照強(qiáng)度和光陰極的靈敏度等因素。光敏電阻：阻值隨光照變化而變化，光照越強(qiáng)，電阻越小。光敏二極管：光敏二極管在不受光照射時處于截止?fàn)顟B(tài)；受光照射時處于導(dǎo)通狀態(tài)。光敏三級管：光線通過透明窗口落在基區(qū)及集電結(jié)上，使PN結(jié)產(chǎn)生光生電子-空穴對，在內(nèi)電場作用下做定向運(yùn)動，形成光電流，因此PN結(jié)的反向電流大大增加。光電池是一種直接將光能轉(zhuǎn)換為電能的光電器件。光電池在有光線作用時實(shí)質(zhì)就是電源，電路中有了這種器件就不需要外加電源。說說霍爾電勢產(chǎn)生的過程？霍爾電勢的大小與哪些因素相關(guān)？置于磁場中的靜止載流導(dǎo)體，當(dāng)它的電流方向與磁場方向不一致時，載流導(dǎo)體上平行于電流和磁場方向上的兩個面之間產(chǎn)生電動勢，這種現(xiàn)象稱霍爾效應(yīng)，該電勢稱霍爾電勢?；魻栯妱菡扔诩铍娏骷按鸥袘?yīng)強(qiáng)度，其靈敏度KH與霍爾系數(shù)RH成正比而與霍爾片厚度d成反比。為什么霍爾元件要進(jìn)行溫度補(bǔ)償？主要有哪些補(bǔ)償方法？補(bǔ)償?shù)脑硎鞘裁?？霍爾元件是采用半?dǎo)體材料制成的，因此它們的許多參數(shù)都具有較大的溫度系數(shù)。當(dāng)溫度變化時，霍爾元件的載流子濃度、遷移率、電阻率及霍爾系數(shù)都將發(fā)生變化，從而使霍爾元件產(chǎn)生溫度誤差。為了減小霍爾元件的溫度誤差，除選用溫度系數(shù)小的元件或采用恒溫措施外。圖1為霍爾式轉(zhuǎn)速測量裝置的結(jié)構(gòu)原理圖。調(diào)制盤上有100對永久磁極，N、S極交替放置，調(diào)制盤由轉(zhuǎn)軸帶動旋轉(zhuǎn)，在磁極上方固定一個霍爾元件，每通過一對磁極霍爾元件產(chǎn)生一個方脈沖送到計(jì)數(shù)器。假定t=5min采樣時間內(nèi)，計(jì)數(shù)器收到N=15萬個脈沖，求轉(zhuǎn)速為每分鐘多少轉(zhuǎn)？圖1霍爾式轉(zhuǎn)速測量裝置原理圖n=60f/N=60*150000/5/100=18000r/min6、目前在我國越來越多的商品外包裝上都印有條形碼符號。條形碼是由黑白相間、粗細(xì)不同的線條組成的，它上面帶有國家、廠家、商品型號、規(guī)格等許多信息。對這些信息的檢測是通過光電掃描筆來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)讀入的。請根據(jù)圖2分析其工作原理。圖（a）條形碼掃描筆筆頭結(jié)構(gòu)圖（b）掃描筆輸出的脈沖列圖2商品條形光電掃描筆碼掃碼原理黑色的條碼具有反射光的特點(diǎn)，因此當(dāng)掃描黑色條碼時，光電傳感器輸出高電平；條碼越寬，電平脈沖越寬。反之白色空隙不反光，光電傳感器輸出低電平。如圖所示，是某公司型號為LC0101的壓電式加速度傳感器，其主要參數(shù)為：圖3LC0101壓電式加速度傳感器靈敏度：100mV/g:加速度變化1g，輸出變化100mV量程：50g:測量范圍頻率范圍：0.5-8000Hz（±10%)：加速度變化頻率分辨率：0.0002g：能分辨的最小加速度線性：≤1%：線性誤差橫向靈敏度：≤5%典型值：≤3%：溫度范圍：-40~+120℃：使用溫度范圍用途：模態(tài)試驗(yàn)：用途試解釋各特性參數(shù)的含義。思考與練習(xí)題5什么是超聲波，它由什么特性？機(jī)械振動在彈性介質(zhì)內(nèi)的傳播稱為波動，簡稱為波。人能聽見聲音的頻率為20Hz～20kHz，即為聲波，超出此頻率范圍的聲音，即20Hz以下的聲音稱為次聲波，20kHz以上的聲音稱為超聲波，超聲波具有頻率高、波長短、繞射現(xiàn)象小，特別是方向性好、能夠成為射線而定向傳播等特點(diǎn).什么叫超聲波傳感器？常用超聲波傳感器的工作原理有哪幾種？利用超聲波在超聲場中的物理特性和各種效應(yīng)而研制的裝置可稱為超聲波換能器、探測器或傳感器，習(xí)慣上也稱為超聲波探頭。超聲波傳感器按其作用原理可分為壓電式、磁致伸縮式和電磁式等數(shù)種。簡述超聲波測量厚度的原理。超聲波傳感器是使用聲波來檢測物體，測量的基本原理類似，即：當(dāng)傳播速度和測量時間固定時，可以推算出距離，這是超聲波測距、測厚度、測位移的原理莫爾條紋是如何產(chǎn)生的，它由什么特性？把兩塊光柵距相等的光柵平行安裝，并且使光柵刻痕相對保持一個較小的夾角θ時，由于人眼的視覺干擾效果，透過光柵組可以看到一組明暗相間的條紋，即為莫爾條紋。莫爾條紋具有放大性、同步性及準(zhǔn)確性的特性。簡述光柵傳感器測量位移的原理。長光柵傳感器中有兩塊光柵，主光柵和指示光柵，合起來叫光柵副。測量時，主光柵和指示光柵相對運(yùn)動。光源發(fā)出的光，經(jīng)過透鏡變成平行光后，照射到主光柵和指示光柵組成的光柵副上，在后面形成莫爾條紋，光電元件感受莫爾條紋的變化，輸出如圖5-20（b）所示的電信號。在a處，兩光柵刻線重疊，透過的光強(qiáng)最大，光電元件輸出的電信號也最大；c處由于光被遮去一半，光強(qiáng)減??；d處光全被遮去而成全黑，光強(qiáng)為零。隨著光柵的移動，光強(qiáng)的變化由亮->半亮半暗->全暗->半暗半亮->全亮，光柵移動一個柵距，莫爾條紋也經(jīng)歷了一個周期，移動了一個條紋間距。光強(qiáng)的變化需要通過光電轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為輸出電壓的變化，輸出電壓的變化曲線近似為正弦曲線。通過后續(xù)的整形轉(zhuǎn)換電路和邏輯電壓轉(zhuǎn)換電路，就變成了一個脈沖信號。被測物體的位移就等于柵距乘以脈沖數(shù)。在精密車床上使用刻線為5400條/周的圓光柵作長度檢測時，檢測精度為0.01mm，問該車床絲杠的螺距為多少？5400*0.01=54