傳感器與測(cè)量技術(shù)復(fù)習(xí)題zhhy

1、傳感器與測(cè)量技術(shù)復(fù)習(xí)題1. 傳感器一般由三部分組成:敏感元件,轉(zhuǎn)換元件,轉(zhuǎn)換電路。其功能是以一定精確度吧被測(cè)量量(主要 是非電量轉(zhuǎn)換為與之有確切關(guān)系,便于應(yīng)用的某種物理量。3. 電阻應(yīng)變式傳感器有三部分組成:彈性元件,電阻應(yīng)變片,測(cè)量電路。其中應(yīng)變片是電阻應(yīng)變式傳感器的核 心。4. 電阻式溫度傳感器是利用導(dǎo)體或半導(dǎo)體電阻率隨溫度變化的特性制成的傳感器,按采用的電阻材料可分為金 屬和半導(dǎo)體兩大類。5. 電容式傳感器的工作原理是電容隨面積 S 兩平行板距離 d 及介電常數(shù)的變化而變化。典型的電容傳感器中 的電容通常做成平板和圓通。按測(cè)量所改變的電容量的參數(shù)分為變介電常數(shù)型。按被測(cè)位移可分為線位移和

2、 角位移;按結(jié)構(gòu)可分為單一和差動(dòng)。7.自感式傳感器的工作原理是把被測(cè)量變化轉(zhuǎn)換成自感上的變化通過(guò)一定的轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成電壓或電流輸出。 這類型的傳感器有變氣隙式自感,變面積式自感,螺線管式自感傳感器等。8.電渦流式傳感器是利用電渦流效應(yīng)工作的傳感器,有高頻反射式渦流傳感器和低頻透射式渦流傳感器兩種。 其主要優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量范圍大靈敏度高結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單干干擾能力強(qiáng)。9. 互感式傳感器即差動(dòng)變壓器由初級(jí)線圈,次級(jí)線圈,鐵心三部分組成,工作時(shí),初級(jí)線圈接入激勵(lì)電壓,次 級(jí)線圈產(chǎn)生感生電壓。這種傳感器的次級(jí)線圈有兩個(gè),且按同名端反向串聯(lián)方式連接。10. 壓電式傳感器是利用壓電效應(yīng)工作的傳感器。壓電元件的兩電極間為絕

3、緣體,因此構(gòu)成了一個(gè)電容器。當(dāng) 壓電元件受到外力作用時(shí),可以等效為一個(gè)電荷源和電容的并聯(lián),或者等效為一個(gè)電源 u=Q/Ca和一個(gè)電容 Ca 的串聯(lián)。11. 壓電傳感器輸出的能量非常微弱,在其后接入一高輸入阻抗的電壓放大器或電荷放大器,其中電壓放大器 可以測(cè)量準(zhǔn)靜態(tài)物理量。但他們都不能測(cè)量靜態(tài)物理量。 (填能或者不能 。12. 熱電偶傳感器,簡(jiǎn)稱熱電偶,是基于將溫度轉(zhuǎn)化為電勢(shì)變化原理工作的。13. 熱電偶的基本定律有勻質(zhì)導(dǎo)體定律, 中間導(dǎo)體定律, 連接導(dǎo)體定律。 熱電偶冷端處理的方法有 . 補(bǔ)償導(dǎo)線 法; . 熱電偶冷端恒溫法,計(jì)算修正法,冷端補(bǔ)償電橋法。14. 光電式傳感器是依據(jù)光電效應(yīng)工作的

4、傳感器,它具有響應(yīng)快,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,可靠性高等優(yōu)點(diǎn),因而在檢測(cè)和 控制領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用,其主要由光源,彈性元件,敏感元件,轉(zhuǎn)換元件。15.半導(dǎo)體傳感器主要有:熱電阻式傳感器,壓阻式,光電,熱電偶,壓電傳感器等。16.壓電元件可能存在的壓電效應(yīng)有 :逆壓電效應(yīng),正壓電效應(yīng)。17.光電效應(yīng)可分為:外光電效應(yīng),內(nèi)光電效應(yīng),阻擋層光電效應(yīng) 。其中光敏電阻是用具有內(nèi)光電效應(yīng)的半導(dǎo) 體材料制成的電阻器件,光電池是基于阻擋層光電效應(yīng)工作的。18編碼器屬于數(shù)字式傳感器,通常分為兩種 :角度枚寫編碼器(碼盤 ,直線位移編碼器(碼尺 。19. 你所知電阻式傳感器種類有:電阻應(yīng)變式,壓阻式,熱電阻式,磁阻式磁電傳感性等

5、。常用的彈性敏感元件有 金屬應(yīng)變片,半導(dǎo)體應(yīng)變片等 。20. 電感傳感器可分為:自感傳感器,互感式傳感器,磁電式傳感器等。21互感式傳感器即差動(dòng)變壓器由初級(jí)線圈,次級(jí)線圈,鐵心三部分組成,工作時(shí),初級(jí)線圈接入激勵(lì)電壓電壓, 次級(jí)線圈產(chǎn)生感生電壓。這種傳感器的次級(jí)線圈有兩個(gè),且按同名端反向串聯(lián)方式連接。22. 常用的光電器件有 : 光電管,光電倍增管,光敏電阻,光電池,光敏晶體。23. 直接編碼器中的碼盤常采用的碼制有二進(jìn)制碼,循環(huán)碼等。24. 要增加光柵傳感器得分辨力可采用細(xì)分技術(shù)。 用 4個(gè)光電二極管可實(shí)現(xiàn)的最小分辨力為:1 W (W 為柵距 。 用于辨向的兩個(gè)光電二極管的間距為 BH/4。

6、30. 常用的壓電材料有石英,鈦酸鋇。它們存在多種壓電效應(yīng)。多數(shù)壓電傳感器是利用其縱向電效應(yīng)制成的。 31. 數(shù)字傳感器與模擬傳感器相比, 它的優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量精度和分辨率高, 抗干擾能力強(qiáng), 能避免子啊度標(biāo)尺和曲線圖 時(shí)產(chǎn)生的人為視覺(jué)誤差,便于計(jì)算。32. 利用直接編碼器時(shí)碼盤選用循環(huán)碼比二進(jìn)制碼的優(yōu)越之處是在測(cè)量過(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)粗大誤差。36. 材料是傳感器重要基礎(chǔ),新材料的研制是重要的研究課題。長(zhǎng)期以來(lái)金屬和半導(dǎo)體是較為常用的傳感材料, 如今出現(xiàn)了很多性能優(yōu)越的新型材料如陶瓷材料,磁性材料,智能材料等。37. 電容傳感器能測(cè)量的物理量有壓力,差壓,液壓,振動(dòng)等。1 238.成塊的金屬臵于交變磁場(chǎng)

7、中,金屬體內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電流,電流的流線呈閉合曲線,類似水渦,故稱之為渦流。 39.對(duì)某些物質(zhì)(電介質(zhì)沿其一定的方向施加壓力或拉力而使它形變時(shí),內(nèi)部產(chǎn)生內(nèi)部原子重新排列現(xiàn)象, 同時(shí)在其某兩個(gè)相對(duì)的表面產(chǎn)生符號(hào)相反等量的電荷,當(dāng)外力去掉形變消失后,又重新回到不帶電的狀態(tài);這種 現(xiàn)象稱為正逆壓電效應(yīng)。41. 光譜特性是選擇光電器件的重要依據(jù),下圖為兩種材料制造 的光敏三極管的光 譜特性,哪種管適合測(cè)量可見(jiàn)光?硅42. 傳感器的動(dòng)態(tài)特性主要用瞬態(tài)響應(yīng),頻率響應(yīng)特性來(lái)描述。電容傳感器按被測(cè)量所改變的電容器的參數(shù)分為 變極距型,變面積型,變介電常數(shù)。43.通常傳感器可以制成單一結(jié)構(gòu)或差動(dòng)結(jié)構(gòu),差動(dòng)結(jié)構(gòu)較單一

8、結(jié)構(gòu)有如下優(yōu)點(diǎn):靈敏度高,線性度穩(wěn)。44.由兩種金屬構(gòu)成的閉合回路,對(duì)兩個(gè)接頭的中一個(gè)加熱,在回路中可產(chǎn)生電流,說(shuō)明回路中存在溫差電勢(shì), 這種現(xiàn)象稱為塞貝 克效應(yīng),這種裝臵為熱電偶。 46.絕對(duì)濕度是單 位空間中所含水蒸氣的絕對(duì)含量(質(zhì)量 。相對(duì)濕度是指被測(cè)氣體中的 水蒸氣壓和該氣體 在相同溫度下飽和水蒸氣壓的百分比。一般用絕對(duì)溫度表示大氣的潮 濕程度。47.光譜特性是選 擇光電器件的重要依據(jù),上圖為兩種材料制造的光電池的光譜特性, 哪種適合測(cè)量可見(jiàn) 光? 硅51.霍爾傳感器是由霍爾元件,溫度補(bǔ)償電路,磁路系統(tǒng),彈簧管四部分組成的。簡(jiǎn)答題1. 用 應(yīng)變片測(cè)量時(shí),為什么采取溫度補(bǔ)償措施?怎樣補(bǔ)償

9、? P34答:應(yīng)變片由于溫度階變化引起的電阻變化與試件應(yīng)變化所造成的電阻變化幾乎有相同的數(shù)量級(jí),如不采取 必要的措施克服溫度造成的的影響,測(cè)量精度將無(wú)法保證 1電橋補(bǔ)償 2應(yīng)變片的自補(bǔ)償 3熱敏電阻補(bǔ) 償3. 簡(jiǎn)述莫爾條紋的主要特性。 P132答: 1.起放大作用 2.莫爾條紋的移動(dòng)與柵距成比例 3.起平均誤差作用 5.熱電偶的冷端處理方法。 P175答:1, 補(bǔ)償導(dǎo)線法 2熱電偶冷端溫度恒溫法 3. 熱電勢(shì)計(jì)算修正法 4冷端補(bǔ)償電橋法 6. 熱電偶三定律的意義。 P173 7. 傳感器的發(fā)展方向。 P2答:1不斷提高傳感器的性可靠性擴(kuò)大應(yīng)用范圍 2開(kāi)發(fā)新型傳感器 3開(kāi)發(fā)傳感器的新型敏感元件材

10、料和采用新的 加工工藝9.壓電元件對(duì)測(cè)量電路的要求。10. 用壓電式傳感器能測(cè)量靜態(tài)嗎?為什么?哪種放大器能測(cè)變化緩慢的信號(hào)? P154答:不能。當(dāng)作用在壓電元件的力是靜態(tài)時(shí),則前置放大器的輸入電壓等于 0, 。因?yàn)殡姾蓵?huì)通過(guò)放大器的輸入電 阻和傳感器本身的泄漏電阻漏掉。這就從原理上決定了壓電式傳感器不能測(cè)量靜態(tài)物理量。 11.說(shuō)明霍爾元件的應(yīng)用。 P1483在電磁測(cè)量中,用它測(cè)量恒定的或交變的磁感應(yīng)強(qiáng)度,有功功率,無(wú)功功率,相位,電能等參數(shù);在自動(dòng)檢測(cè)系 統(tǒng)中,多用于位移,壓力的測(cè)量12.絕對(duì)編碼器中的碼盤有兩種編碼:二進(jìn)制碼和循環(huán)碼,談?wù)剝煞N碼盤的優(yōu)缺點(diǎn)。 P111答:二進(jìn)制碼盤只要有一個(gè)

11、碼道提前或延后,就可能造成輸出的粗大誤差 循環(huán)碼盤轉(zhuǎn)到相鄰區(qū)域編碼中只有 一位發(fā)生變化,不會(huì)產(chǎn)生誤差14.用應(yīng)變片測(cè)量時(shí)為什么必須采取溫度補(bǔ)償?并請(qǐng)列出至少三種補(bǔ)償方法。 P33應(yīng)變片由于溫度變化引起的電阻變化與試件(彈性元件應(yīng)變所造成的電阻變化幾乎有相同的數(shù)量級(jí),如果不采 取必要的措施克服溫度的影響,測(cè)量精度將無(wú)法保證補(bǔ)償方法:1. 電橋補(bǔ)償法 2. 應(yīng)變片的自補(bǔ)償法 3. 熱敏電阻補(bǔ)償法 15.請(qǐng)描述自感式傳感器測(cè)量較小位移的工作原理。 P52答:自感式電感傳感器屬于電感式 傳感器的一種。它是利用線圈自感 量的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)量的, 鐵芯和銜鐵由導(dǎo)磁材料如硅鋼片或坡莫合金制成, 在鐵 傳感器的

12、運(yùn)動(dòng)部分與銜鐵相連。 當(dāng)被測(cè)量變化時(shí), 使銜鐵 引起磁路中磁阻變化, 從而導(dǎo)致電感線圈的電感量變化, 因此只要能證明題1請(qǐng)利用下列圖示證明全橋差動(dòng)電路的靈敏度是半橋差動(dòng)靈敏度的兩倍,并說(shuō)明若圖 a 中相鄰兩臂的 R 變化方向相同時(shí)電橋是否能繼續(xù)測(cè)量?已知 12341234,R R R R R R R R R R= 證明: 104R 2 R 4R 1 R 3 m半橋: u R RR Ruk R R u R R u k R R u RR R u R R RR R R R R uR R R R R R R R R R u R R R R R R R R u R R R R R R u u 212,

13、/, 24222 ( ( ( ( ( (*半 000243214231432142314342110=-+=+-+=+-= +-+=全橋:同理 22222442233110444 ( (4( (u R R R u R R R R R u R R R R R R R R R u =-+=-+=半 0全 2/k u RR RR u R R u k =所以 a 中能,相鄰應(yīng)變極性一致,輸出電壓為兩者之差。2證明差動(dòng)式變極距電容傳感器的靈敏度2/d d C C K =。 (0d 為動(dòng)極板位于中間位臵時(shí)與上下定 極板之間的距離證明 :c=s/d,=0r,s 為兩平行板所覆蓋的面積。當(dāng)動(dòng)極板位于中間位置時(shí)

14、 c 0=s/d0 若動(dòng)極板上移d, 與上極板距離為 d 1與下極板的距離為 d 2 -= -+-= -=-=+=-=dd d c d d d d d s d d d s d sd d s c c c c c d d s c 00000000000/1/111/11020000000002100000200000111 /(1/2/11/11/11/11下板:x 1板:d d d d d d d d c c d d c d d c c c c c d d c d d d s d d s c d d c d d dc c c c xx << -=-+-=-=+= +=+= -+=+=

15、 00210201101010102012/2同理:, 則 , 1/當(dāng) /1/1, d d cc k d d c c c c d d c c d dc c d d d d ddc d d c d d s c c c dd d d d d =+=<<-=-+=+-計(jì)算題1. 一測(cè)量吊車起吊重物的拉力傳感器如圖所示 R 1 、 R 2、 R 3、 R 4貼在等截面軸上。已知,等截面軸的截面積為 0.00196m 2, 彈性模量 E=2×1011 N/m2, 泊松比= 0.3。 且 R 1 = R2= R3= R 4 =120, K= 2,組成全 橋,供橋電壓 U= 6V。測(cè)得

16、輸出電壓 U o = 7.8mV。求:等截面軸的 縱向及橫向應(yīng)變?yōu)槎嗌?重物 m = ?5解:全橋差動(dòng)電路(3004231432101028. 763. 0124 -=+=-=-+-=x x kx yx k mv u u u u u kuu 即 4103-=-=x y kgN SE F SEFX x 45103.92m mg1092. 3 =2. 某霍爾元件的長(zhǎng)為 10mm, 寬×高為 0.3×0.1cm 2, 激勵(lì)電流為 1.0mA, 外磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為 0.2T ,傳感器的靈敏系數(shù) 20V/A T,試計(jì)算其霍爾電勢(shì)的大小。解:mv BI k u H H 41012.

17、0203=-3. 已知長(zhǎng)光柵的柵距為 25m ,標(biāo)尺光柵與指示光柵的夾角為 0.02度,試計(jì)算莫爾條紋的寬度以及當(dāng)光柵移動(dòng) 200m 時(shí)莫爾條紋移動(dòng)的距離。 (提示:sin , 0解:H H B WB 8,移動(dòng)距離 10256=-4. 已知電阻應(yīng)變片靈敏度系數(shù)為 2.0,沿縱向粘貼于直徑為 0.05米的圓形鋼柱表面,鋼材的彈性模量E=211N/m2,泊松比 =0.3,求鋼柱受到 3210109.8/N m 拉力時(shí),應(yīng)變片的相對(duì)變化量。若應(yīng)變片沿圓 柱的圓周方向粘貼,受同樣的拉力時(shí),應(yīng)變片電阻的相對(duì)變化又是多少? 解:3444411241066. 1103. 82103. 8105105. 2102205. 08. 910-=-= =x yx y x Xk RRx k RRSE F 5. 某霍爾元件的長(zhǎng)為 10mm, 寬×高為 0.3×0.1cm 2, 激勵(lì)電流為 1.0mA, 外磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為 0.2T ,傳感器的靈敏系數(shù) 20V/A T, (1 ,標(biāo)出霍爾元件上產(chǎn)生霍爾電勢(shì)的極性。 (2 ,試計(jì)算其霍爾電勢(shì)的大小。 (3 ,若霍爾元件的輸出內(nèi)阻 r=2(溫度變化前的阻值 , 輸出內(nèi)阻的溫度系數(shù) b=2/C 0,霍爾電勢(shì)的溫度系數(shù) a=0.004/C 0, 當(dāng) L R 取何值時(shí),