傳感器與自動檢測技術(第二版)余成波主編第三章答案

1、傳感器與自動檢測技術作業(yè)電信 10-1 楊文軍 1006110124第三章3.3金屬電阻式應變片和半導體電阻應變片在工作原理上有何不同？答：金屬電阻式應變片是利用金屬材料的電阻定律，應變片的結構尺寸變化時， 電阻也會相應地變化，其電導率p并未發(fā)生變化。而半導體電阻應變片的工作原理基于材料的壓阻效應。壓阻效應又是指當半導體材料的某一軸向受外力作用是，其電導率p那么發(fā)生變化的現(xiàn)象。3.5某一直流電橋，供電電源電動勢 E 3V , R3 R4 100 ，Ri和R2為相同型號的電阻應變片，其電阻均為100 ，靈敏度系數(shù)K2.0。兩只應變片分別黏貼于等強度梁同一截面的正、反兩面。設等強度梁在受力后產生的

2、應變?yōu)?000廣,試求此時電橋輸出端電壓Uo。解：由題意知：分析得差動電橋因為：UOE(R1R1又R1R2, R1R2, R3所以UO1 l R1 E2 R1又有Ri :Ks x ；因此：Ri所以：此時電橋輸出電壓Ri R2 R2R3R4，1UO EKs2U0=0.015V。先1 6-3 2 5000 10 60.015V23.6哪些因素引起應變片的溫度誤差，寫出相對的誤差表達式，并說明電路補償法的原理。答：第一，由于測量現(xiàn)場環(huán)境溫度的改變而給測量帶來的附加誤差，稱為應變片的溫度誤差。產生應變片溫度誤差的主要因素有：a、電阻溫度系數(shù)的影響：敏感柵的電阻絲阻值隨溫度變化的關系可用下式表示：當溫度

3、變化 t時，電阻絲電阻的變化值 為 Rt=Rt- R0= Ro a o A t ; b、試件材料和電阻絲材料的線膨脹系數(shù)的影響：當試件與電阻絲材料的線膨脹系數(shù)相同時，不管環(huán)境溫度如何變化,電阻絲的變形仍和自由狀態(tài)一樣，不會產生附加變形。當試件和電阻絲線膨脹系數(shù)不同時，由于環(huán)境溫度的變化,電阻絲會產生附加變形，從而產生附加電阻。有：A R /Ro= aA t o 根據(jù)電路分析，可知電橋輸出電壓Uo與橋臂參數(shù)的關系為：UO Ua UbR1R1 R2R3R3R4R1R4R2 R3(R1R2)(R3R4)Uo g(R1R4 R2R3)U(R1R2)( R3R4)即g是由橋臂電阻和電源電壓決定的常數(shù)。由

4、此可知，當R3, R4為常數(shù)時，R1, R2對電橋輸出電壓UO的作用效果相反。利用這一關系即可對測量結果進行補償。3.12電感式傳感器有幾大類？各有何特點？答：1電感式傳感器分為自感式傳感器、互感式傳感器和渦流式傳感器等三大類。2常用電感式傳感器有變間隙型、變面積型和螺管插鐵型。在實際應用中，這三種傳感器 多制成差動式，以便提高線性度和減小電磁吸力所造成的附加誤差。a、變間隙型電感傳感器這種傳感器的氣隙3隨被測量的變化而改變，從而改變磁阻。它的靈敏度和非線性都隨氣隙的增大而減小，因此常常要考慮兩者兼顧。3般取在0.10.5毫米之間。b、變面積型電感傳感器這種傳感器的鐵芯和銜鐵之間的相對覆蓋面積

5、即磁通截面隨被測量的變化而改變,從而改變磁阻。它的靈敏度為常數(shù)，線性度也很好。c、螺管插鐵型電感傳感器 它由螺管線圈和與被測物體相連的柱型銜鐵構成。其工作原理基于線圈磁力線泄漏路徑上磁阻的變化。銜鐵隨被測物體移動時改變了線圈的電感量。這種傳感器的量程大，靈敏度低，結構簡單，便于制作。3.13什么叫零點剩余電壓?答：如下列圖：產生的原因是什么?器阻抗是一個復數(shù)阻抗，有感抗也有阻抗，為了到達電橋平衡，就要求兩線圈的電阻R相等，兩線圈的電感 L相等。實際上，這種情況是難以精確到達的，就是說不易到達電橋的 絕對平衡。假設畫出銜鐵位移 x與電橋輸出電壓 U0有效值的關系曲線， 那么如下列圖，虛線為 理想

6、特性曲線，實線為實際特性曲線，在零點總有一個最小的輸出電壓。一般把這個最小的輸出電壓稱為零點剩余壓，并e0表示。第二問：零點剩余電壓產生的主要原因有兩個方面：1.由于兩個二次測量線圈的等效參數(shù)不對稱時輸出地基波感應電動勢的幅值和相位不同，調整磁芯位置時，也不能到達幅值和相位同時相同。2.由于鐵芯的B-H特性非線性，產生高次諧波不同，不能互相抵消。3.17電渦流式傳感器的靈敏度主要受哪些因素影響？它的主要優(yōu)點是什么？答：電渦流式傳感器的靈敏度主要受導體的電導率、磁導率、幾何形狀，線圈的幾何參數(shù)，鼓勵電流的頻率以及線圈到被測導體之間的距離等因素影響。電渦流式傳感器具有結構更簡單、體積小、靈敏度高、

7、測量線性范圍大頻率響應寬、抗干擾能力強、不受油污等介質影響，并且可以進行無接觸測量等優(yōu)點。3.18什么是壓電效應？以石英晶體為例說明壓電晶體是怎樣產生壓電效應的？答：壓電效應就是當某些物質沿其一定方向施加壓力或拉力時，會產生變形，此時這種材料的兩個外表將產生符號相反的電荷。當去掉外力后，他又重新回到不帶電狀態(tài)。石英晶體屬于單晶體，化學式為SiO2,外形結構呈六面體,沿各方向特征不同。從石英晶體上沿機械軸y方向切下一塊晶體片，當在電軸 x軸方向受到力作用時，在與電軸x軸垂直的平面上將產生電荷 qx;假設在同一晶體片上， 當在機械軸y 軸方向受到力作用時，那么仍在與電軸x軸垂直的平面上將產生電荷

8、qy電荷qx和qy的 符號由受力是拉力還是壓力決定的。qx的大小與晶體片形狀尺寸無關，而qy與晶體片的幾何尺寸有關。即沿 X方向電軸的力作用產生電荷的壓電效應稱縱向壓電效應；沿Y方向的機械軸的力作用產生電荷的壓電效應稱橫向壓電效應；沿Z方向的光軸的力作用時不產生壓電效應。3.19壓電式傳感器能否用于靜態(tài)測量？為什么?答：不能，壓電式傳感器是將被測量變化轉換成由于材料受機械力產生的 靜電電荷或電壓變化的傳感器，它的原理就是利用壓電效應這一特性， 需要先有 外力才能夠工作，在靜態(tài)或者準靜態(tài)因為沒有外力的作用，因此不能測量。3.20某壓電式傳感器的靈敏度為8 104pC/Pa，假設輸入壓力為3 10

9、5Pa時的輸出電壓為1V,試確定傳感器總電容量。答：根據(jù)公式，q=dx F=U x C， S=q/F=8 x 10-4pC/PaC 總=8 x 10-4 x 3x 105X 10-12 x 10-10F3.21如下列圖是用壓電式傳感器和電荷放大器測量某種機器的振動，傳感器的靈敏度為100 pC/g，電荷放大器的反應電容 Cf 0.01 F ,測得輸出電壓峰值為 Uom=0.4V，振動頻 率為100Hz。(1) 求機器振動的加速度最大值am ；(2) 假定振動為正弦波，求振動的速度 v(t);(3) 求出振動的幅度的最大值Xmo。解：1因為 Uo | 所以：q UO?Cf 0.4 0.01 10

10、6 4 10 9(C)Cf由傳感器的靈敏度可得機械振動的加速度最大值：9am q 4 10 1240g40 9.8392m/s2k 100 10(2) am2Xm0 即 Xm0am2am(2 f)2392(2 3.14 100)20.99mm即振動的速度為:3v(t)= xm0sin t =2 3.14 100 0.99 10 sin2 3.14 100t0.624si n628t(3)振動的幅度的最大值 Xm0為:Xm0am2am(2 f)2392(2 3.14 100)20.99mm3.22根據(jù)圖中所示石英晶體切片上的受力方向，標出晶體切片上產生電荷的符 號。解:什么是霍爾效應？霍爾電壓與

11、哪些因素有關？答：霍爾效應是電磁效應的一種，這一現(xiàn)象是美國物理學家霍爾A.H.Hall , 1855 1938丨于1879年在研究金屬的導電機制時發(fā)現(xiàn)的。當電流垂直于外磁 場通過導體時，在導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)象就是霍爾效應。因素有關： 霍爾電壓VH=RH*lx*Bz/d，其中RH是霍爾常數(shù)，與材料的 性質種類有關，lx是x方向的電流，Bz是z方向的磁場，d是材料的厚度。此 時將會產生丫方向的電壓。什么是霍爾元件的溫度特性？如何進行補償？答：各種不同材料的霍爾輸出電壓隨溫度變化的程度不同，霍爾電壓與 其工作溫度之間的變化關系稱為霍爾元件的溫度特性?；魻栐?/p>

12、件的溫度補償常用并聯(lián)補償電阻法和溫度敏感元件補償法簡述熱電偶的幾個重要定律，并分別說明他們的實用價值。答：1、中間導體定律一一假設在熱電偶回路插入中間導體，無論插入導 體的溫度分布如何，只要中間導體兩端溫度相同，那么對熱電偶回路的總電動勢無 影響。其實用價值在于，利用熱電偶測溫度時，可以將連接導線和顯示儀表看 成是中間導體，只要保證中間導體兩端溫度相同，那么對熱電偶的熱電動勢無影 響。2、中間溫度定律一一熱電偶在結點溫度為 T、TO時的熱電動勢EABT， TO等于該熱電偶在T，T0及Tn， T0時的熱電動勢 EAB T，T0與 EAB Tn ， T0之和。其中Tn稱為中間溫度。其實用價值在于，

13、當自由端溫度不為 0°C時，可利用該 定律及分度表求的工作端T，另外熱電偶中補償導線的使用也是依據(jù)以上定律。 3、參考電極定律也稱組成定律熱電極 A、B 與參考電極 C 組成的熱 電偶在結點溫度為T，T0時的熱電動勢分別為EACT，T0與EBCT， T0，那么相同溫度下，由A、B兩種熱電極配對后的熱電動勢 EABT，T0可 按公式計算 EABT， T0 =EACT， T0 -EBCT， T0。其實用價值在于，大大簡化了熱電偶選配電極的工作，只要獲得有關熱電極 與參考電極配對的熱電動勢， 那么任何兩種熱電極配對時的電動勢均可利用該定 律計算，而不需逐個進行測定。4、均值導體定律由同一種

14、均質材料導體或半導體兩端焊接組成閉合回路， 無論導體截面如何以及溫度如何分布， 將不產生接觸電勢，溫差電勢相抵消，回路中總電勢為零。其實用價值在于，如果熱電偶回路中的兩個熱電極材料相同，無論兩接點的 溫度如何， 熱電動勢為零。 根據(jù)這個定律， 可以檢驗兩個熱電極材料成分是否相 同，也可以檢查熱電極材料的均勻性。用鎳鉻-鎳硅k型熱電偶測溫度，冷端溫度為40°C，用高精度毫伏表測 得這時的熱電動勢為29.188mV，求被測點溫度。解：Eab T，To = E AB T，Tn+ E AB T n，ToEAb T，Tn，Eab Tn，T。，先求 Eab T，T。再查分度表得出爐溫。1查鎳鉻鎳

15、硅熱電偶 K 分度表：EAB T n， 0C = E AB40 C， 0C2E AB T ， 0C = E AB T ， Tn+ E AB T n， 0C= EAB T ， 40C+ E AB 30 C,0 Cmv3再查分度表得：EABT ， 0C =30.799mv 的溫度值為 740C試述熱電偶冷端溫度補償?shù)膸追N重要方法和補償原理。答：1、冷端恒溫法將熱電偶的冷端置于冰水混合物的恒溫容器中，使冷端的溫度保持0C不變2、計算修正法利用中間溫度定律計算修正。3、儀表機械零點調整法當熱電偶與動圈式儀表配套使用時，假 設熱電偶的冷端溫度比擬恒定， 對測量精度要求又不太高時， 可將動圈式儀表的 機械

16、零點調至熱電偶冷端所處的溫度 T0處，這相當于在輸入熱電偶的熱電動勢 前就給儀表輸入一個熱電動勢ET，0C。 4、電橋補償法利用電橋平衡原理，適當?shù)倪x擇橋臂電阻和電流 的數(shù)值，可以使Uab正好補償熱電偶冷端溫度升高所降低的熱電動勢值。請說明熱電偶的參考端在實際應用中的意義和處理方法。 答：由熱電偶的測溫原理可知，熱電偶產生的熱電動勢大小與兩端溫度有 關，熱電偶的輸出電動勢只有在參考端溫度不變的條件下， 才與工作端溫度成單 值函數(shù)。熱電偶的在實際應用中選用應根據(jù)被測溫度、壓力、介質性質、測溫時 間長短來選擇熱電偶和保護管，其安裝位置要有代表性，安裝方法要正確。光電效應有哪幾種？與之對應的光電器件

17、各是哪些？請簡述其特點。 答：光電效應有外光電效應和內光電效應，其中內光電效應又可以分為光 電導效應和光生伏特效應。基于為光電效應工作原理制成的光電器件，一般都是真空的或充氣的 光電器件，如光電管和光電倍增管?；诠怆妼ぷ髟碇瞥傻墓怆娖骷楣饷綦娮琛?基于光生伏特效應工作原理制成的光電器件有光電二極管、光電三極 管和光電池。比擬微波傳感器與超聲波傳感器有何異同。答：兩者都是傳感器， 微波傳感器取得是微波電磁波能量； 超聲波傳感器取得是 超聲波的波能量。 兩者的相同點是都可以發(fā)射和接受相應的波信號， 并轉換成相 應的電信號。不同點是超聲波傳感器對應的波信號是振動頻率為 20KHz以上的機 械波，而微波傳感器對應的波信號為波長為 1mm1m的電磁波。什么是智能傳感器？傳感器的智能化主要包括什么內容？ 答：1智能傳感器是基于人工智能、信息處理技術實現(xiàn)的具有分析、判斷、量 程自動轉換、漂移、非線性和頻率響應等自動補償，對環(huán)境影響量自適應，自學 習以及超限報警、 故障診斷等功能的傳感器。2有：自補償、自診斷、 自學習、 數(shù)據(jù)自處理、 存儲記憶雙向通信、 數(shù)字輸出等功能， 通過軟件技術可實現(xiàn)高精度 的信息采集，而且本錢低；具有一定的編程自動化能力；功能多樣化。微傳感器的特點是什么？有什么應用？答：特點：(1)體積小、重量輕功耗低性能好易于批