傳感器原理及工程應(yīng)用第三版答案

1、1 11:1:測量的定義？答：測量是以確定被測量的值或獲取測量結(jié)果為目的的一系列操作。所以，測量也就是將被測量與同種性質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)量進(jìn)行比較，確定被測量對標(biāo)準(zhǔn)量的倍數(shù)。1 12:2:什么是測量值的絕對誤差、相對誤差、引用誤差？答：絕對誤差是測量結(jié)果與真值之差，即：絕對誤差=測量值一真值相對誤差是絕對誤差與被測量真值之比，常用絕對誤差與測量值之比，以百分?jǐn)?shù)表示，即：相對誤差=絕對誤差/ /測量值 X100%X100%引用誤差是絕對誤差與量程之比，以百分?jǐn)?shù)表示，即：引用誤差=絕對誤差/量程 X100%X100%1 13 3 什么是測量誤差？測量誤差有幾種表示方法？它們通常應(yīng)用在什么場合？答： 測量誤差

2、是測得值減去被測量的真值。測量誤差的表示方法：絕對誤差、實際相對誤差、引用誤差、基本誤差、附加誤差。當(dāng)被測量大小相同時，常用絕對誤差來評定測量準(zhǔn)確度；相對誤差常用來表示和比較測量結(jié)果的準(zhǔn)確度；引用誤差是儀表中通用的一種誤差表示方法，基本誤差、附加誤差適用于傳感器或儀表中。2 21:1:什么是傳感器？它由哪幾部分組成？它的作用及相互關(guān)系如何？答：傳感器是能感受規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置。通常，傳感器由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。其中，敏感元件是指傳感器中能直接感受或響應(yīng)被測量的部分； 轉(zhuǎn)換元件是指傳感器中能將敏感元件感受或響應(yīng)的被測量轉(zhuǎn)換成適于傳輸或測量的電信號部分。

3、2 22:2:什么是傳感器的靜態(tài)特性？它有哪些性能指標(biāo)？分別說明這些性能指標(biāo)的含義？答：傳感器在被測量的各個值處于穩(wěn)定狀態(tài)時，輸出量和輸入量之間的關(guān)系稱為傳感器的靜態(tài)特性；其主要指標(biāo)有線性度、靈敏度、精確度、最小檢測量和分辨力、遲滯、重復(fù)性、零點漂移、溫漂。靈敏度定義是輸出量增量削與引起輸出量增量削的相應(yīng)輸入量增量 AxAx 之比。傳感器的線性度是指傳感器的輸出與輸入之間數(shù)量關(guān)系的線性程度。輸出與輸入關(guān)系可分為線性特性和非線性特性。傳感器在輸入量由小到大（正行程）及輸入量由大到?。ǚ葱谐蹋┳兓陂g其輸入輸出特性曲線不重合的現(xiàn)象稱為遲滯。重復(fù)性是指傳感器在輸入量按同一方向作全量程連續(xù)多次變化時，

4、所得特性曲線不一致的程度。傳感器的漂移是指在輸入量不變的情況下，傳感器輸出量隨著時間變化，此現(xiàn)象稱為漂移。2-2-3:3:什么是傳感器的動態(tài)特性？它有哪幾種分析方法？它們各有哪些性能指標(biāo)？答：（1 1）動態(tài)特性是指傳感器對隨時間變化的輸入量的響應(yīng)特性；（2 2）分析方法：時域分析法一一時間常數(shù)；延遲時間 tdtd上升時間 tr;tr;峰值時間 tptp超調(diào)量 b衰減比 d d 復(fù)頻域傳遞函數(shù)頻率域特性頻率一一通頻帶、工作頻帶、時間常數(shù)、固有頻率、相位誤差、跟隨角。第三章應(yīng)變式傳感器1 1 . .什么叫應(yīng)變效應(yīng)？利用應(yīng)變效應(yīng)解釋金屬電阻應(yīng)變片的工作原理。答：在外力作用下，導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料產(chǎn)生機(jī)械

5、變形，從而引起材料電阻值發(fā)生相應(yīng)變化的現(xiàn)象，稱為應(yīng)變效應(yīng)。其表達(dá)式為 dR/R=kedR/R=ke, ,式中 K K 為材料的應(yīng)變靈敏系數(shù)，當(dāng)應(yīng)變材料為金屬或合金時，在彈性極限內(nèi) K K 為常數(shù)。金屬電阻應(yīng)變片的電阻相對變化量 dR/RdR/R與金屬材料的軸向應(yīng)變 e e 成正比，因此，利用電阻應(yīng)變片，可以將被測物體的應(yīng)變轉(zhuǎn)換成與之成正比關(guān)系的電阻相對變化量，這就是金屬電阻應(yīng)變片的工作原理。2 2 . .試述應(yīng)變片溫度誤差的概念，產(chǎn)生原因和補償辦法。答：由于測量現(xiàn)場環(huán)境溫度偏離應(yīng)變片標(biāo)定溫度而給測量帶來的附加誤差，稱為應(yīng)變片溫度誤差。產(chǎn)生應(yīng)變片溫度誤差的主要原因有：由于電阻絲溫度系數(shù)的存在，當(dāng)

6、溫度改變時，應(yīng)變片的標(biāo)稱電阻值發(fā)生變化。當(dāng)試件與與電阻絲材料的線膨脹系數(shù)不同時，由于溫度的變化而引起的附加變形，使應(yīng)變片產(chǎn)生附加電阻。電阻應(yīng)變片的溫度補償方法有線路補償法和應(yīng)變片自補償法兩大類。電橋補償法是最常用且效果較好的線路補償法，應(yīng)變片自補償法是采用溫度自補償應(yīng)變片或雙金屬線柵應(yīng)變片來代替一般應(yīng)變片，使之兼顧溫度補償作用。3 3 . .什么是直流電橋？若按橋臂工作方式不同，可分為哪幾種？各自的輸出電壓如何計算？答：如題圖 3-33-3 所示電路為電橋電路。若電橋電路的工作電源 E E為直流電源，則該電橋稱為直流電橋。按應(yīng)變所在電橋不同的工作橋臂，電橋可分為：單臂電橋，R R1 1 為電阻

7、應(yīng)變片，R R2 2、R R3 3、R R4 4 為電rr,出橋固定電阻。其輸出電壓為4 4K K。差動半橋電路，R R1 1、R R2 2 為兩個所受應(yīng)變方向相反的應(yīng)變片，R R3 3、R R4 4 為電橋固定電阻。其輸出電壓為：E密& &L L差動全橋電路，R Ri、R R2、自、R4 均為電阻應(yīng)變片，且相鄰兩橋臂應(yīng)變片所受應(yīng)變方向相反。其輸出電壓為：5.5.圖示為一直流應(yīng)變電橋。圖中 E=4V,R1=RE=4V,R1=R2=2=R3=R4=120Q,R3=R4=120Q,試求：(DRi(DRi 為金屬應(yīng)變片，其余為外接電阻。當(dāng) R1R1 的增量為 AR1AR1= =1.2

8、Q1.2Q 時，電橋輸出電壓 Uo=?Uo=?(2)(2)R1R1、R2R2 都是應(yīng)變片，且批號相同，感應(yīng)應(yīng)變的極性和大小都相同，其余為外接電阻，電橋輸出電壓 UoUo=?=?(3)(3)題(2)(2)中，如果 R1R1 與 R2R2 感受應(yīng)變的極性相反，且 AR1=AR2AR1=AR2= =1.2,1.2,電橋輸出電壓 Uo=?Uo=?如熟3-5圖所小41.2QX4120Q=001工川J良一電均為隔殳片*”批號相同.所堂隔變大小和方向均相同.則&=/=次式=M題忘,設(shè)uoei=y008=5近二丫帙XNYM制的樣出，o*都科糅卜修（爸冬（tf黜膈/巾沿伸用喇巾生生K瞋VJr尸*1yf/

9、r巾如巾咖雪趕星8/zp看斗力V喜擊彈的耳沁瞋印,獸用品田由X中西（IIft呼皿N008一柄Mm屁生I序四喇，出i?k眼力則箏到2*W*1|O熏首扮芟珊飾父加革毅管擊施抬嚙印印第購艘-11.而=2.05x800 x10 xl20-0.20Q若將電阻應(yīng)變片置于單臂測量橋路中FR3則u=二x0.0017=L25w-4園4A/?】2元葉線性誤差/z=-0.085%1+22R若要減小非線性誤差,可采用半橋差動電路，且選擇R&=&=/=120QAJ?=0.20QQRk我和石所受應(yīng)變大小相等，應(yīng)變方向相反.第四章電感式傳感器i i.差動變壓器式傳感器的零點殘余電壓產(chǎn)生的原因是什么？怎樣減小

10、和消除它的影響？答：原因：（1 1）由于兩電感線圈的電氣參數(shù)及導(dǎo)磁體幾何尺寸不完全對稱，在兩電感線圈上的電壓幅值和相位不同，從而形成零點殘余電壓的基波分量。（2 2）由于傳感器導(dǎo)磁材料磁化曲線的非線性（如鐵磁飽和、磁滯損耗），使激勵電流與磁通波形不一致，從而形成零點殘余電壓的高次諧波分量。為減小電感式傳感器的零點殘余電壓，可采取以下措施：在設(shè)計和工藝上，力求做到磁路對稱，鐵芯材料均勻；要經(jīng)過熱處理以除去機(jī)在電路上進(jìn)行補償。2 2 .簡述相敏檢波電路的工作原理，保證其可靠工作的條件是什么？答：相敏檢波電路如圖 4-184-18 所示。圖中 VDI、VD2、VD3、VD4為四個性能相同的二極管，以

11、同一方向串聯(lián)接成一個閉合回路，形成環(huán)形電橋。輸入信號 U U2（差動變壓器式傳感器輸出的調(diào)幅波電壓）通過變壓器 T Ti加到環(huán)形電橋的一個對角線上。參考信號 U Us通過變壓器 T T2加到環(huán)形電橋的另一個對角線上。輸出彳t號 U Uo從變壓器 T Ti與 T T2的中心抽頭引出。圖中平衡電阻 R R 起限流作用，以避免二極管導(dǎo)通時變壓器 T T2的次級電流過020TxT二07Z大。RL為負(fù)載電阻。U Us的幅值要遠(yuǎn)大于輸入信號 U U2的幅值，以便有效控制四個二極管的導(dǎo)通狀態(tài)，且 U Us和差動變壓器式傳感器激磁電壓 U Ui由同一振蕩器供電，保證二者同頻同相（或反相）。3 3 .何謂渦流效

12、應(yīng)？怎樣利用渦流效應(yīng)進(jìn)行位移測量？答：電渦流效應(yīng)是指金屬導(dǎo)體置于交變磁場中會產(chǎn)生電渦流，且該電渦流所產(chǎn)生磁場的方向與原磁場方向相反的一種物理現(xiàn)象。電渦流傳感器的敏感元件是線圈，當(dāng)給線圈通以交變電流并使它接近金屬導(dǎo)體時，線圈產(chǎn)生的磁場就會被導(dǎo)體電渦流產(chǎn)生的磁場部分抵消，使線圈的電感量、阻抗和品質(zhì)因數(shù)發(fā)生變化。這種變化與導(dǎo)體的幾何尺寸、導(dǎo)電率、導(dǎo)磁率有關(guān)，也與線圈的幾何參量、電流的頻率和線圈到被測導(dǎo)體間的距離有關(guān)。至于進(jìn)行位移測量， 可根據(jù)實際的已知位移量來標(biāo)定固定的線圈下的電感量，從而以此進(jìn)行位移的測量。第五章電容式傳感器1 1 .根據(jù)工作原理可將電容式傳感器分為那幾種類型？每種類型各有什么特點

13、？各適用于什么場合？答： 根據(jù)電容式傳感器的工作原理， 電容式彳感器有三種基本類型， 即變極距 （d d） 型 （又稱變間隙型） 、變面積（A A）型和變介電常數(shù)（e e）型。變間隙型可測量位移，變面積型可測量直線位移、角位移、尺寸，變介電常數(shù)型可測量液體液位、材料厚度。電容式傳感器具有以下特點：功率小，阻抗高，由于電容式傳感器中帶電極板之間的靜電引力很小，因此，在信號檢測過程中，只需要施加較小的作用力，就可以獲得較大的電容變化量及高阻抗的輸出；動態(tài)特性良好，具有較高的固有頻率和良好的動態(tài)響應(yīng)特性；本身的發(fā)熱對傳感器的影響實際上可以不加考慮；可獲取比較大的相對變化量；能在比較惡劣的環(huán)境條件下工

14、作；可進(jìn)行非接觸測量；結(jié)構(gòu)簡單、易于制造；輸出阻抗較高，負(fù)載能力較差；寄生電容影響較大；輸出為非線性。2 2 . .如何改善單極式變極距型傳感器的非線性？答：采用差動式結(jié)構(gòu)，可以使非線性誤差減小一個數(shù)量級。第六章壓電式傳感器1 1 .什么叫正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)？什么叫縱向壓電效應(yīng)和橫向壓電效應(yīng)？答：某些電介質(zhì)在沿一定的方向上受到外力的作用而變形時，內(nèi)部會產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時在其表面上產(chǎn)生電荷，當(dāng)外力去掉后，又重新回到不帶電的狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。這種機(jī)械能轉(zhuǎn)化成電能的現(xiàn)象，稱為“順壓電效應(yīng)”。反之，在電介質(zhì)的極化方向上施加交變電場或電壓，它會產(chǎn)生機(jī)械變形，當(dāng)去掉外加電場時，電介質(zhì)變形隨之

15、消失，這種現(xiàn)象稱為“逆壓電效應(yīng)”。在石英晶體中，通常把沿電軸 x x 方向的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)稱為“縱向壓電效應(yīng)”，而把沿機(jī)械軸y方向的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)稱為“橫向壓電效應(yīng)”。2 2 . .壓電式加速度傳感器的工作原理？答：其原理利用壓電晶體的電荷輸出與所受的力成正比，而所受的力在敏感質(zhì)量一定的情況下與加速度值成正比。在一定條件下，壓電晶體受力后產(chǎn)生的電荷量與所感受到的加速度值成正比。第七章磁電式傳感器1 1.什么是霍爾效應(yīng)？霍爾電勢與哪些因素有關(guān)？答：金屬或半導(dǎo)體薄片置于磁場中，當(dāng)有電流通過時，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)?；魻栯妱觿莸拇笮?/p>

16、正比于激勵電流I與磁感應(yīng)強(qiáng)度B,且當(dāng)I或B的方向改變時，霍爾電動勢的方向也隨著改變，但當(dāng)I和B的方向同時改變時霍爾電動勢極性不變。第八章光電式傳感器1 1 . .光電效應(yīng)有哪幾種類型？與之對應(yīng)的光電元件各有哪些？答：光電效應(yīng)根據(jù)產(chǎn)生結(jié)果的不同，通?？煞譃橥夤怆娦?yīng)、內(nèi)光電效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)三種類型。光電管和光電流倍增管是屬于外光電效應(yīng)的典型光電元件?；趦?nèi)光電效應(yīng)的光電元件有光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管、光敏晶閘管?；诠馍匦?yīng)的光電元件主要是光電池。2 2 .試述光敏電阻、光敏二極管、光敏晶體管、光電池的工作原理，在實際應(yīng)用各有什么特點？答：無光照時，光敏電阻值（暗電阻）很大，電路中

17、電流（暗電流）很小。當(dāng)光敏電阻受到一定波長范圍的光照時，它的阻值（亮電阻）急劇減小，電路中電流迅速增大。一般希望暗電阻越大越好，亮電阻越小越好，此時光敏電阻的靈敏度高。光敏電阻沒有極性，純粹是一個電阻器件，使用時既可加直流電壓，也可以加交流電壓。光敏二極管在電路中一般是處于反向工作狀態(tài)，在沒有光照射時，反向電阻很大，反向電流很小，這反向電流稱為暗電流，當(dāng)光照射在 PNPN 結(jié)上，光子打在 PNPN 結(jié)附近，使 PNPN 結(jié)附近產(chǎn)生光生電子和光生空穴對，它們在 PNPN 結(jié)處的內(nèi)電場作用下作定向運動，形成光電流。光的照度越大，光電流越大。因此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)

18、通狀態(tài)。大多數(shù)光敏晶體管的基極無引出線，當(dāng)集電極加上相對于發(fā)射極為正的電壓而不接基極時，集電結(jié)就是反向偏壓，當(dāng)光照射在集電結(jié)時，就會在結(jié)附近產(chǎn)生電子一空穴對，光生電子被拉到集電極，基區(qū)留下空穴，使基極與發(fā)射極間的電壓升高，這樣便會有大量的電子流向集電極，形成輸出電流，且集電極電流為光電流的 3 3 倍，所以光敏晶體管有放大作用。光電池的工作原理是基于“光生伏特效應(yīng)”。它實際上是一個大面積的 PNPN 結(jié)，當(dāng)光照射到 PNPN 結(jié)的一個面，例如 P P 型面時，若光子能量大于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度，那么 P P 型區(qū)每吸收一個光子就產(chǎn)生一對自由電子和空穴，電子-空穴對從表面向內(nèi)迅速擴(kuò)散，在結(jié)電場的作用下，最后建立一個與光照強(qiáng)度有關(guān)的電動勢。 3 3.光電耦合器分為那兩類？各有什么用途？答：光電耦合器可分為