傳感器技術(shù)課后答案

1、讀書破萬卷下筆如有神1- 1衡量傳感器靜態(tài)特性的主要指標(biāo)。說明含義。1、 線性度一一表征傳感器輸出 -輸入校準(zhǔn)曲線與所選定的擬合直線之間的吻合（或偏離）程度的指標(biāo)。2、 回差（滯后）一反應(yīng)傳感器在正（輸入量增大）反（輸入量減?。┬谐踢^程中輸出-輸入曲線的不重合程度。3、重復(fù)性一一衡量傳感器在同一工作條件下，輸入量按同一方向作全量程連續(xù)多次變動時，所得特性曲線間一致 程度。各條特性曲線越靠近，重復(fù)性越好。4、靈敏度一一傳感器輸出量增量與被測輸入量增量之比。5、分辨力一一傳感器在規(guī)定測量范圍內(nèi)所能檢測出的被測輸入量的最小變化量。6、閥值一一使傳感器輸出端產(chǎn)生可測變化量的最小被測輸入量值，即零位附近

2、的分辨力。7、穩(wěn)定性一一即傳感器在相當(dāng)長時間內(nèi)仍保持其性能的能力。8 漂移一一在一定時間間隔內(nèi)，傳感器輸出量存在著與被測輸入量無關(guān)的、不需要的變化。9、靜態(tài)誤差（精度）一一傳感器在滿量程內(nèi)任一點輸出值相對理論值的可能偏離（逼近）程度。1- 2計算傳感器線性度的方法，差別 。1、理論直線法：以傳感器的理論特性線作為擬合直線，與實際測試值無關(guān)。2、端點直線法：以傳感器校準(zhǔn)曲線兩端點間的連線作為擬合直線。3、 “最佳直線”法：以“最佳直線”作為擬合直線，該直線能保證傳感器正反行程校準(zhǔn)曲線對它的正負偏差相等 并且最小。這種方法的擬合精度最高。4、最小二乘法：按最小二乘原理求取擬合直線，該直線能保證傳感

3、器校準(zhǔn)數(shù)據(jù)的殘差平方和最小。1- 3什么是傳感器的靜態(tài)特性和動態(tài)特性？為什么要分靜和動？（1） 靜態(tài)特性：表示傳感器在被測輸入量各個值處于穩(wěn)定狀態(tài)時的輸出-輸入關(guān)系。 動態(tài)特性：反映傳感器對于隨時間變化的輸入量的響應(yīng)特性。（2） 由于傳感器可能用來檢測靜態(tài)量（即輸入量是不隨時間變化的常量）、準(zhǔn)靜態(tài)量或動態(tài)量（即輸入量是隨時間變 化的變量），于是對應(yīng)于輸入信號的性質(zhì)，所以傳感器的特性分為靜態(tài)特性和動態(tài)特性。Z-1分析改善傳感器性能的技術(shù)途徑和措施。（1）結(jié)構(gòu)、材料與參數(shù)的合理選擇（2）差動技術(shù)（3）平均技術(shù)（4）穩(wěn)定性處理（5）屏蔽、隔離與干擾抑制 （6）零示法、微差法與閉環(huán)技術(shù)（7）補償、校正

4、與“有源化” （8）集成化、智能化與信息融合2- 1金屬應(yīng)變計與半導(dǎo)體工作機理的異同？比較應(yīng)變計各種靈敏系數(shù)概念的不同意義。（1）相同點：它們都是在外界力作用下產(chǎn)生機械變形，從而導(dǎo)致材料的電阻發(fā)生變化所；不同點：金屬材料的應(yīng)變效 應(yīng)以機械形變?yōu)橹?，材料的電阻率相對變化為輔；而半導(dǎo)體材料則正好相反，其應(yīng)變效應(yīng)以機械形變導(dǎo)致的電阻率的 相對變化為主，而機械形變?yōu)檩o。（2）對于金屬材料，靈敏系數(shù)Ko=Km=（1+2 ）+C（1-2卩）。前部分為受力后金屬幾何尺寸變化，一般卩 0.3，因此（1+2卩）=1.6 ;后部分為電阻率隨應(yīng)變而變的部分。金屬絲材的應(yīng)變電阻效應(yīng)以結(jié)構(gòu)尺寸變化為主。對于半導(dǎo)體材料，

5、靈敏系數(shù)Ko=Ks=（1+2卩）+ n E。前部分同樣為尺寸變化，后部分為半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)所致，而n E（1+2卩），因此Ko=Ks=n E。半導(dǎo)體材料的應(yīng)變電阻效應(yīng)主要基于壓阻效應(yīng)。2- 3簡述電阻應(yīng)變計產(chǎn)生熱輸出（溫度誤差）的原因及其補償辦法。電阻應(yīng)變計的溫度效應(yīng)及其熱輸出由兩部分組成：前部分為熱阻效應(yīng)所造成；后部分為敏感柵與試件熱膨脹失配所引起。在工作溫度變化較大時，會產(chǎn)生溫度誤差。補償辦法：1、溫度自補償法 （1）單絲自補償應(yīng)變計（2）雙絲自補償應(yīng)變計2、橋路補償法（1）雙絲半橋式（2 ）補償塊法2- 4試述應(yīng)變電橋產(chǎn)生非線性的原因及消減非線性誤差的措施。原因：U0 -U旦昱衛(wèi)13

6、 .衛(wèi).與衛(wèi)一4遼R2 R3&丿 2遷 & & R4丿上式分母中含 Ri/Ri ,是造成輸出量的非線性因素。無論是輸出電壓還是電流，實際上都與 Ri/Ri呈非線性關(guān)系。措施：（1）差動電橋補償法差動電橋呈現(xiàn)相對臂“和”，相鄰臂“差”的特征，通過應(yīng)變計合理布片達到補償目的。常用的有半橋 差動電路和全橋差動電路。（2）恒流源補償法誤差主要由于應(yīng)變電阻 Ri的變化引起工作臂電流的變化所致。采用恒流源，可減小誤差。2-5如何用電阻應(yīng)變計構(gòu)成應(yīng)變式傳感器？對其各組成部分有何要求？一是作為敏感元件，直接用于被測試件的應(yīng)變測量；另一是作為轉(zhuǎn)換元件，通過彈性敏感元件構(gòu)成傳感器，用以 對

7、任何能轉(zhuǎn)變成彈性元件應(yīng)變的其他物理量作間接測量。要求：非線性誤差要小（0.05%0.1%F.S）,力學(xué)性能參數(shù)受環(huán)境溫度影響小，并與彈性元件匹配。 2-9四臂平衡差動電橋。說明為什么采用。全橋差動電路，R1,R3受拉，R2,R4受壓，代入，得，u0史旦一邑衛(wèi)一旦.1 丄衛(wèi)退衛(wèi)退 由全等橋臂.辿。斗石4 I R1F3'2 R1IR1 R2遲._.-區(qū)R2R3R4R R R41 :R1 . - : R2. . =R3.: R4R1 R2 R3 R4 丿U 4訊4 R1R1Uo=f（ R/R）。4倍，故常采用此方法。可見輸出電壓 Uo與厶Ri/Ri成嚴(yán)格的線性關(guān)系，沒有非線性誤差。即因為四臂

8、差動工作，不僅消除了飛線性誤差，而且輸出比單臂工作提高了3- 1比較差動式自感傳感器和差動變壓器在結(jié)構(gòu)上及工作原理上的異同。絕大多數(shù)自感式傳感器都運用與電阻差動式類似的技術(shù)來改善性能，由兩單一式結(jié)構(gòu)對稱組合，構(gòu)成差動式自感傳感器。采用差動式結(jié)構(gòu)，除了可以改善非線性、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?；ジ惺絺鞲衅魇且环N線圈互感隨銜鐵位移變化的變磁阻式傳感器，初、次級間的互感隨銜鐵移動而變，且兩個次級繞組按差動方式工作，因此又稱為差動變壓器。3- 4變間隙式、變截面式和螺旋式三種電感式傳感器各適合用于什么場合？各有什么優(yōu)缺點？ 變氣隙式

9、靈敏度較高，但測量范圍小，一般用于測量幾微米到幾百微米的位移。變面積式靈敏度較低，但線性范圍較大，除E型與四極型外，還常做成八極、十六極型，一般可分辨零點幾角秒以下的微小角位移，線性范圍達土10° .螺管式可測量幾納米到一米的位移，但靈敏度較前兩種低。3- 5螺管式電感傳感器做成細長形有什么好處？欲擴大其線性范圍可以采取哪些措施？答：好處：增加線圈的長度有利于擴大線性范圍或提高線性度。措施：適當(dāng)增加線圈長度、采用階梯形線圈。3-6差動式電感傳感器為什么常采用相敏檢波電路？分析原理。原因：相敏檢波電路，它能有效地消除基波正交分量與偶次諧波分量，減小奇次諧波分量，使傳感器零位電壓減 至極

10、小。3-7電感傳感器產(chǎn)生零位電壓的原因和減小零位電壓的措施。差動自感式傳感器當(dāng)銜鐵位于中間位置時，電橋輸出理論上應(yīng)為零，但實際上總存在零位不平衡電壓輸出（零位電壓），造成零位誤差。措施：一種常用的方法是采用補償電路，其原理為：（1）串聯(lián)電阻消除基波零位電壓；2）并聯(lián)電阻消除高次諧波零位電壓；（3）加并聯(lián)電容消除基波正交分量或高次諧波分量。另一種有效的方法是采用外接測量電路來減小零位電壓。如前述的相敏檢波電路，它能有效地消除基波正交 分量與偶次諧波分量，減小奇次諧波分量，使傳感器零位電壓減至極小。此外還可采用磁路調(diào)節(jié)機構(gòu)（如可調(diào)端蓋）保證磁路的對稱性，來減小零位電壓。3-9造成自感式傳感器和差動

11、變壓器溫度誤差的原因及其減小措施。（1）環(huán)境溫度的變化會引起自感傳感器的零點溫度漂移、靈敏度溫度漂移以及線性度和相位的變化，造成溫度誤 差。應(yīng)注意線膨脹系數(shù)的大小與匹配，采用弱磁不銹鋼等材料作線圈骨架，或采用脫胎線圈。（2）當(dāng)溫度變化時，差動變壓器初級線圈的參數(shù)尤其銅阻的變化影響較大。應(yīng)提高初級線圈的品質(zhì)因數(shù)，或采用 穩(wěn)定激勵電流的方法減小溫度誤差。3-12電渦流式傳感器的原理及應(yīng)用 。1. 測位移 電渦流式傳感器的主要用途之一是可用來測量金屬件的靜態(tài)或動態(tài)位移，最大量程達數(shù)百毫米，分辨 率為0.1%。2. 測厚度 金屬板材厚度的變化相當(dāng)于線圈與金屬表面間距離的改變，根據(jù)輸出電壓的變化即可知線

12、圈與金屬表 面間距離的變化，即板厚的變化。3. 測溫度 若保持電渦流式傳感器的機、電、磁各參數(shù)不變，使傳感器的輸出只隨被測導(dǎo)體電阻率而變，就可測 得溫度的變化。3- 14比較定頻調(diào)幅式、變頻調(diào)幅式和調(diào)頻式三種測量電路的優(yōu)缺點，并指出它們的應(yīng)用場合。（1）定頻調(diào)幅式：這種電路采用石英晶體振蕩器，能獲得高穩(wěn)定度頻率的高頻激勵信號，輸出穩(wěn)定，獲得廣泛應(yīng)用， 但線路較復(fù)雜，裝調(diào)較困難，線性范圍也不夠?qū)?。?）變頻調(diào)幅式：這種電路除結(jié)構(gòu)簡單、成本較低外，還具有靈敏度高、線性范圍寬等優(yōu)點，因此監(jiān)控等場合常采用 它。（3）調(diào)頻式：這種電路的關(guān)鍵是提高振蕩器的頻率穩(wěn)定度。通常可以從環(huán)境溫度變化、電纜電容變化及

13、負載影響三方 面考慮。4- 1電容式傳感器可分為哪幾類？各自的主要用途是什么？（1）變極距型電容傳感器：在微位移檢測中應(yīng)用最廣。（2）變面積型電容傳感器：適合測量較大的直線位移和角位移。（3）變介質(zhì)型電容傳感器：可用于非導(dǎo)電散材物料的物位測量。4- 2變極距型電容傳感器產(chǎn)生非線性誤差的原因及如何減?。吭颍红`敏度s與初始極距Oo的平方成反比，用減少 °的辦法來提高靈敏度，但 Oo的減小會導(dǎo)致非線性誤差增大。 采用差動式，可比單極式靈敏度提高一倍，且非線性誤差大為減小。由于結(jié)構(gòu)上的對稱性，它還能有效地補償溫度變 化所造成的誤差。4- 3為什么電容式傳感器的絕緣、屏蔽和電纜問題特別重要？

14、如何解決？電容式傳感器由于受結(jié)構(gòu)與尺寸的限制，其電容量都很小，屬于小功率、高阻抗器，因此極易受外界干擾，尤其 是受大于它幾倍、幾十倍的、且具有隨機性的電纜寄生電容的干擾，它與傳感器電容相并聯(lián)，嚴(yán)重影響傳感器的輸出 特性，甚至?xí)蜎]沒有用信號而不能使用。解決：驅(qū)動電纜法、整體屏蔽法、采用組合式與集成技術(shù)5- 12霍爾效應(yīng)是什么？可進行哪些參數(shù)的測量？當(dāng)電流垂直于外磁場通過導(dǎo)體時，在導(dǎo)體的垂直于磁場和電流方向的兩個端面之間會出現(xiàn)電勢差，這一 現(xiàn)象便是霍爾效應(yīng)。這個電勢差也被叫做霍爾電勢差。利用霍爾效應(yīng)可測量大電流、微氣隙磁場、微位移、轉(zhuǎn)速、加速度、振動、壓力、流量和液位等；用以制 成磁讀頭、磁羅盤

15、、無刷電機、接近開關(guān)和計算元件等等。5- 14磁敏電阻與磁敏二極管的特點？磁敏電阻：外加磁場使導(dǎo)體 （半導(dǎo)體）電阻隨磁場增加而增大的現(xiàn)象稱磁阻效應(yīng)。載流導(dǎo)體置于磁場中除了產(chǎn)生霍 爾效應(yīng)外，導(dǎo)體中載流子因受洛侖茲力作用要發(fā)生偏轉(zhuǎn)，載流子運動方向偏轉(zhuǎn)使電流路徑變化，起到了加大電阻的作用，磁場越強增大電阻的作用越強。磁敏電阻主要運用于測位移。磁敏二極管：輸出電壓隨著磁場大小的方向而變化，特別是在弱磁場作用下，可獲得較大輸出電壓變化，r區(qū)內(nèi)外復(fù)合率差別越大，靈敏度越高。當(dāng)磁敏二極管反向偏置時，只有很少電流通過，二極管兩端電壓也不會因受到磁場的 作用而有任何改變。利用磁敏二極管可以檢測弱磁場變化這一特性

16、可以制成漏磁探傷儀。6- 1何謂壓電效應(yīng)？正壓電與逆壓電？一些離子型晶體的電介質(zhì)不僅在電場力作用下，而且在機械力作用下，都會產(chǎn)生極化現(xiàn)象。且其電位移D（在MKS單位制中即電荷密度 d ）與外應(yīng)力張量T成正比：D = dT 式中d 壓電常數(shù)矩陣。當(dāng)外力消失，電介質(zhì)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)。若對上述電介質(zhì)施加電場作用時，同樣會引起電介質(zhì)內(nèi)部正負電荷中心的相對位移而導(dǎo)致電介質(zhì)產(chǎn)生變形，且其 應(yīng)變S與外電場強度 E成正比：S=dtE式中dt 逆壓電常數(shù)矩陣。這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)，或稱電致伸縮。6- 2壓電材料的主要特性參數(shù)有哪些？比較三

17、類壓電材料的應(yīng)用特點。 主要特性：壓電常數(shù)、彈性常數(shù)、介電常數(shù)、機電耦合系數(shù)、電阻、居里點 壓電單晶：時間穩(wěn)定性好，居里點高，在高溫、強幅射條件下，仍具有良好的壓電性，且機械性能，如機電耦合 系數(shù)、介電常數(shù)、頻率常數(shù)等均保持不變。此外，還在光電、微聲和激光等器件方面都有重要應(yīng)用。不足之處是質(zhì)地 脆、抗機械和熱沖擊性差。壓電陶瓷：壓電常數(shù)大，靈敏度高，制造工藝成熟，成形工藝性好，成本低廉，利于廣泛應(yīng)用，還具有熱釋電性。 新型壓電材料：既具有壓電特性又具有半導(dǎo)體特性。因此既可用其壓電性研制傳感器，又可用其半導(dǎo)體特性制作 電子器件；也可以兩者合一，集元件與線路于一體，研制成新型集成壓電傳感器測試系統(tǒng)

18、。6- 6原理上，壓電式傳感器不能用于靜態(tài)測量，但實用中，壓電式傳感器可能用來測量準(zhǔn)靜態(tài)量，為什么？壓電式測力傳感器是利用壓電元件直接實現(xiàn)力-電轉(zhuǎn)換的傳感器，在拉力、壓力和力矩測量場合，通常較多采用雙片或多片石英晶片作壓電元件。由于它剛度大，動態(tài)特性好；測量范圍廣，可測范圍大；線性及穩(wěn)定性高；可測單、多向 力。當(dāng)采用大時間常數(shù)的電荷放大器時，就可測準(zhǔn)靜態(tài)力。7- 1熱電式傳感器分類。各自特點。熱電式傳感器是一種將溫度變化轉(zhuǎn)換為電量變化的裝置。它可分為兩大類：熱電阻傳感器和熱電偶傳感器。熱電阻傳感器的特點：（1）高溫度系數(shù)、高電阻率。 化學(xué)、物理性能穩(wěn)定。（3）良好的輸出特性。（4）.良好的工藝

19、性， 以便于批量生產(chǎn)、降低成本。熱電偶傳感器的特點：（1）結(jié)構(gòu)簡單（2）制造方便（3）測溫范圍寬（4）熱慣性小（5）準(zhǔn)確度高（6）輸出信號便于 遠傳7- 2常用的熱電阻。適用范圍。鉑、銅為應(yīng)用最廣的熱電阻材料。鉑容易提純，在高溫和氧化性介質(zhì)中化學(xué)、物理性能穩(wěn)定，制成的鉑電阻輸出 輸入特性接近線性，測量精度高。銅在-50150C范圍內(nèi)銅電阻化學(xué)、物理性能穩(wěn)定，輸出輸入特性接近線性，價格低廉。當(dāng)溫度高于 100C時易被氧化，因此適用于溫度較低和沒有浸蝕性的介質(zhì)中工作。7- 4利用熱電偶測溫必須具備哪兩個條件？1）用兩種不同材料作熱電極（2）熱電偶兩端的溫度不能相同7-5什么是中間導(dǎo)體定律和連接導(dǎo)體

20、定律？它們在利用熱電偶測溫時有什么實際意義？中間導(dǎo)體定律：導(dǎo)體 A、B組成的熱電偶，當(dāng)引入第三導(dǎo)體時，只要保持第三導(dǎo)體兩端溫度相同，則第三導(dǎo)體對回 路總熱電勢無影響。利用這個定律可以將第三導(dǎo)體換成毫伏表，只要保證兩個接點溫度一致，就可以完成熱電勢的測 量而不影響熱電偶的輸出。連接導(dǎo)體定律：回路的總電勢等于熱電偶電勢EAB（T,To）與連接導(dǎo)線電勢 EA B' （Tn,To）的代數(shù)和。連接導(dǎo)體定律是工業(yè)上運用補償導(dǎo)線進行溫度測量的理論基礎(chǔ)。7-6什么是中間溫度定律？有什么實際意義？EAB（T,T n, To）=EAB（T,T n）+EAB（T n. To）這是中間溫度定律表達式，即回路的總熱電勢等于E