東南大學傳感器技術(shù)考綱

1、家庭作業(yè)解答家庭作業(yè)解答Answers to the 緒論緒論0-2 何謂結(jié)構(gòu)型傳感器?何謂物性型傳感器?試述兩者的應用特點。答：參考課本第2頁結(jié)構(gòu)型傳感器是利用物理學中場的定律構(gòu)成的，包括動力場的運動定律，電磁場的電磁定律等。物理學中的定律一般是以方程式給出的。對于傳感器來說，這些方程式也就是許多傳感器在工作時的數(shù)學模型。例如電容式傳感器，自感、互感、電渦流式傳感器，磁電式傳感器。此類傳感器的形狀、尺寸（結(jié)構(gòu)）決定了傳感器的量程、靈敏度等主要性能，故稱“結(jié)構(gòu)性傳感器”。物性型傳感器是利用物質(zhì)定律構(gòu)成的，如虎克定律、歐姆定律等。物質(zhì)定律是表示物質(zhì)某種客觀性質(zhì)的法則。這種法則，大多數(shù)是以物質(zhì)本身

2、的常數(shù)形式給出。這些常數(shù)的大小，決定了傳感器的主要性能。因此，物性型傳感器的性能隨材料的不同而異。例如，光電管就是物性型傳感器，它利用了物質(zhì)法則中的外光電效應。又如，所有半導體傳感器，以及所有利用各種環(huán)境變化而引起的金屬、半導體、陶瓷、合金等特性能變化的傳感器，都屬于物性型傳感器。0-4 就傳感器技術(shù)在未來的地位、作用及其發(fā)展方向綜述你的見解。答：請參考課本第5頁至第9頁，提取主要的提綱即可。第第1章章 傳感器技術(shù)基礎(chǔ)傳感器技術(shù)基礎(chǔ)1傳感器的靜態(tài)特性主要有那些？說明什么是線性度？答：參考課本第12頁至第15頁傳感器的靜態(tài)特性主要有：線性度、回差（滯后）、重復性、靈敏度、分辨率、閾值、穩(wěn)定性、漂

3、移、以及靜態(tài)誤差（精度）。線性度又稱非線性，是表征傳感器輸出-輸入校準曲線與所選定的擬合直線（作為工作直線）之間的吻合（或偏離）程度的指標。2什么是傳感器的靜態(tài)誤差？傳感器的靜態(tài)誤差是如何評定的？答：請參考課本第15頁。靜態(tài)誤差是評價傳感器靜態(tài)性能的綜合性指標，指傳感器在滿量程內(nèi)任一點輸出值相對其理論值的可能偏移（逼近）程度。它表示采用該傳感器進行靜態(tài)測量時所得數(shù)值的不確定度。靜態(tài)誤差的評定方法國內(nèi)外尚不統(tǒng)一，目前常用的有：（1）將非線性、回差、重復性誤差按幾何法或代數(shù)法綜合；（2）將全部標準數(shù)據(jù)相對擬合直線的殘差看成隨機分布，求出標準偏差，然后取2 或3 作為靜態(tài)誤差；（3）將系統(tǒng)誤差與隨機

4、誤差分開考慮。第第1章章 傳感器技術(shù)基礎(chǔ)傳感器技術(shù)基礎(chǔ)3.某測溫系統(tǒng)由以下四個環(huán)節(jié)組成，各自的靈敏度如下：鉑電阻溫度傳感器：0.45/; 電橋：0.02V/筆式記錄儀：0.2cm/V; 放大器：100(放大倍數(shù))求: (1)測溫系統(tǒng)的總靈敏度； (2)記錄儀筆尖位移4cm時，所對應的溫度變化值。答：(1)總靈敏度Soverall=(0.45/)x(0.02V/)x(0.2cm/V)x100=0.18 cm/ (2)記錄儀筆尖位移4cm時對應的溫度變化值T=4/0.18=224.有三臺測溫儀表，量程均為0800，精度等級分別為2.5級、2.0級和1.5級，現(xiàn)要測量500的溫度，要求相對誤差不超過

5、2.5，選那臺儀表合理? 答：先計算最大誤差 再計算引用誤差：C5 .12%5 . 2500max%56. 1%1008005 .12CC所以應該選用1.5級的測溫儀表。第第2章章 電阻式傳感器電阻式傳感器1.金屬電阻應變片與半導體材料的應變電阻效應有什么不同？答：金屬電阻的應變效應是以其幾何形狀和結(jié)構(gòu)尺寸的變化為主，金屬電阻應變片的靈敏度相對比較小（Km=1.84.8）；半導體材料的應變效應則主要取決于材料的電阻率隨應變所引起的變化產(chǎn)生的，也就是壓阻效應，半導體材料電阻應變片的靈敏度比較大，通常Ks100Km。2.直流測量電橋和交流測量電橋有什么區(qū)別？答：區(qū)別主要是直流電橋用直流電源，只適用

6、于直流元件，如電阻應變片，交流電橋用交流電源，適用于所有電路元件，如電阻應變片、電容、電感。第第2章章 電阻式傳感器電阻式傳感器3. 簡述電阻應變式傳感器產(chǎn)生橫向誤差的原因答：粘貼在受單向拉伸力試件上的應變片 , 如下圖所示，其敏感柵是有多條直線和圓弧部分組成。這時各直線段上的金屬絲只感受沿軸向拉應變,電阻值將增加。但在圓弧段上，沿各微段軸向 (即微段圓弧的切向) 的應變與直線段不相等，因此與直線段上同樣長度的微段所產(chǎn)生的電阻變化就不相同，最明顯的在 處圓弧段上，按泊松關(guān)系，在垂直方向上產(chǎn)生負的壓應變 ，因此該段的電阻是最小的。而在圓弧的其它各段上，其軸向感受的應變由 變化到 。由此可見 ,

7、將直的電阻絲繞成敏感柵之后，雖然長度相同，但應變狀態(tài)不同，其靈敏系數(shù)降低了。這種現(xiàn)象稱橫向效應。應變片橫向效應表明 , 當實際使用應變片時，使用條件與標定靈敏系數(shù) k 時的標定規(guī)則不同時,實際 k 值要改變,由此可能產(chǎn)生較大測量誤差，當不能滿足測量精確度要求時，應進行必要的修正 。2/第第2章章 電阻式傳感器電阻式傳感器4. 采用阻值為120靈敏度系數(shù)K=2.0的金屬電阻應變片和阻值為120的固定電阻組成電橋，供橋電壓為4V，并假定負載電阻無窮大。當應變片上的應變分別為1和1000 時，試求單臂、雙臂和全橋工作時的輸出電壓，并比較三種情況下的靈敏度？答：單臂時，40UKU40UKUVU6601

8、0244)101 (0 . 2應變?yōu)?000時，VU36010244)101000(0 . 2應變?yōu)?時，雙臂時，20UKU應變?yōu)?時，VU66010424)101 (0 . 2應變?yōu)?000時，VU36010424)101000(0 . 第第2章章 電阻式傳感器電阻式傳感器40UKU全橋時，UKU0應變?yōu)?時，VU6601084)101 (0 . 2應變?yōu)?000時，VU3601084)101000(0 . 2從上面的計算可知：單臂時靈敏度最低，雙臂時為其兩倍，全橋時最高，為單臂的四倍。5. 差動電橋有哪些有優(yōu)點 ？答案：差動電橋比單臂電橋的靈敏度高，此外，還可以有效地改善溫度誤差、非線性誤

9、差。第第3章章 變磁阻式傳感器變磁阻式傳感器為什么電感式傳感器測量電路中常用相敏檢波器？說明相敏檢波器的原理？答：參考課本75至76頁，以及圖3-15。第第3章章 變磁阻式傳感器變磁阻式傳感器第第4章章 電容式傳感器電容式傳感器為什么說變間隙型電容傳感器特性是非線性的?采取什么措施可改善其非線性特征?答：參考WORD文檔及課本第99-100頁如下圖所示正方形平板電容器,極板長度a=4cm,極板間距離=0.2cm.若用此變面積型傳感器測量位移x,試計算該傳感器的靈敏度并畫出傳感器的特性曲線.極板間介質(zhì)為空氣,F/m1085. 812-0 xa答：參考WORD文檔第第5章章 磁電式傳感器磁電式傳感

10、器5-1）闡明磁電式振動速度傳感器的工作原理，并說明引起其輸出特性非線性的原因。答：根據(jù)電磁感應原理，當W匝線圈在磁場內(nèi)運動時，設穿過線圈的磁通量為，則線圈內(nèi)的感應電勢e與磁通變化率 有如下關(guān)系：dtd/根據(jù)這一原理，可以設計成變磁通式和恒磁通式兩種結(jié)構(gòu)形式，構(gòu)成測量線速度和角速度的磁電式振動速度傳感器。dtdWe引起輸出非線性的原因參考課本120頁(5.3.1)“非線性誤差”。5-4）對永久磁鐵為什么要進行交流穩(wěn)磁處理？說明其原因。答：永久磁鐵磁感應強度的穩(wěn)定性直接影響工作氣隙中磁感應強度的穩(wěn)定性，為了保證磁電式傳感器的精度和可靠性，必須進行穩(wěn)磁處理。進行交流穩(wěn)磁可以提高永久磁鐵的時間穩(wěn)定性

11、和在外磁場作用下的穩(wěn)定性。第第5章章 磁電式傳感器磁電式傳感器5-5）為什么磁電式傳感器要考慮溫度誤差？用什么方法可以減小溫度誤差？答：參考課本120頁（5.3.2溫度誤差）。5-6）已知某磁電式振動速度傳感器線圈組件（動圈）的尺寸如圖P5-1所示：D1=18mm，D2=22mm，L=39mm，工作氣隙寬Lg=10mm，線圈總匝數(shù)為15000匝。若氣隙磁感應強度B=0.5515T，求傳感器的靈敏度。答：每匝線圈的平均長度mDDla031416.01416.32022.0018.0221線圈的總長度mWlla24.47115000031416.0根據(jù)式5-4，傳感器靈敏度為：)(9 .25924

12、.4715515.0mTBlS第第5章章 磁電式傳感器磁電式傳感器5-12）何謂霍爾效應？利用霍爾效應可以進行哪些參數(shù)測量？答：霍爾效應是磁電效應的一種，這一現(xiàn)象是美國物理學家霍爾（A.H.Hall，18551938）于1879年在研究金屬的導電機構(gòu)時發(fā)現(xiàn)的。當電流垂直于外磁場方向通過導體時，在垂直于磁場和電流方向的導體的兩個端面之間出現(xiàn)電勢差的現(xiàn)象稱為霍爾效應，該電勢差稱為霍爾電勢差（霍爾電壓）。利用霍爾效應可以進行很多的參數(shù)測量，例如，電流、磁場、位移、速度、轉(zhuǎn)速、加速度、振動、壓力、流量、液位，等等。第第6章章 壓電式傳感器壓電式傳感器6-1）何謂壓電效應？何謂縱向壓電效應和橫向壓電效應

13、？答：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)與外應力張量T成正比：D = dT，（式中 d為壓電常數(shù)矩陣）。當外力消失，電介質(zhì)又恢復不帶電原狀；當外力變向，電荷極性隨之而變。這種現(xiàn)象稱為正壓電效應，或簡稱壓電效應。 沿X軸施加力FX，而在垂直于X軸晶面上產(chǎn)生電荷的現(xiàn)象，稱為“縱向縱向壓電效應壓電效應”(longitudinal piezoelectric effect)。沿Y軸施加力FY,而在垂直于X軸晶面上產(chǎn)生電荷的現(xiàn)象，稱為“橫向壓電效應橫向壓電效應” (transverse piezoelectric e

14、ffect)。6-3）試述石英晶片切型 的含意？答：參考課本140頁。首兩位字母yx表示晶片的原始方向，且首位y表示厚度t的方向，x表示長度l方向；以原始方向為基準，依次分別繞l、t棱邊逆時針方向相應旋轉(zhuǎn)50度和45度。)45/50(第第6章章 壓電式傳感器壓電式傳感器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靜態(tài)量，為什么？答：壓電傳感器的測量電路無論采用電壓放大器還是電荷放大器，在低頻段(1)都會有較大的動態(tài)誤差。但是由于電荷放大器的時間常數(shù)RfCf可以做得很大，因此在實用中，電荷放大器的低頻下限FL可以低達10-1至10-4赫茲（準靜態(tài)）?？梢婋姾?/p>

15、放大器較之電壓放大器的優(yōu)點是突出的。6-8）已知ZK-2型阻抗變換器的輸入阻抗為2000M，測量回路的總電容為1000pF。試求：當與壓電加速度計相配，用來測量1Hz的低頻振動時產(chǎn)生的幅值誤差。答：由式6-24（課本第146頁），相對電壓靈敏度%7 .99)101000()102000(21)101000()102000(2)(121261262*RCRCKKkumum所以幅值誤差為1-k=0.3%第第6章章 壓電式傳感器壓電式傳感器6-11）一只壓電式壓力傳感器靈敏度為9pC/bar，將它接入增益調(diào)到0.005V/pC的電荷放大器，放大器的輸出又接到靈敏度為20mm/V的紫外線記錄紙式記錄儀

16、上。（1）試畫出系統(tǒng)方框圖；（2）計算系統(tǒng)總的靈敏度；（3）當壓力變化35bar時，試計算記錄紙上的偏移量。答：（1）barmmVmmpCVbarpCS/9 .0)/20()/005.0()/9(（2）總靈敏度壓電式壓壓電式壓力傳感器力傳感器電荷電荷放大器放大器記錄儀記錄儀PCUx（3）當壓力變化35bar時，記錄紙上的偏移量mmPSx5 .31359 第第7章章 熱電式傳感器熱電式傳感器7-1）熱電式傳感器有哪幾類？它們各有什么特點？答：熱電式傳感器分為熱電阻傳感器和熱電偶傳感器。熱電阻傳感器可分為金屬熱電阻式和半導體熱電阻式（熱敏電阻）兩大類。熱電阻傳感器將溫度變化轉(zhuǎn)換為電阻變化，熱電偶傳

17、感器將溫度變化轉(zhuǎn)換為熱電勢變化。熱電偶傳感器在應用時需要做溫度補償（冷端補償）。7-3）熱敏電阻與熱電阻相比較有什么優(yōu)缺點？用熱敏電阻進行線性溫度測量時必須注意什么問題？答：與熱電阻相比熱敏電阻的優(yōu)點有：(1)電阻溫度系數(shù)大，靈敏度高，約為熱電阻的10倍；(2)結(jié)構(gòu)簡單，體積小，可以測量點溫度；(3)電阻率高，熱慣性小，適宜動態(tài)測量；(4)易于維護和進行遠距離控制；(5)制造簡單，使用壽命長。缺點是：互換性(interchangeability)差，非線性嚴重。用熱敏電阻進行線性溫度測量時其嚴重的非線性是擴大測量范圍和提高精度必須解決的關(guān)鍵問題。第第7章章 熱電式傳感器熱電式傳感器7-5）什么

18、是中間導體定律和連接導體定律？它們在利用熱電偶測溫時有什么實際意義？答：導體A、B組成的熱電偶，當引入第三導體時，只要保持其兩端溫度相同，則對回路總熱電勢無影響，這就是中間導體定律。利用這個定律可以將第三導體換成毫伏表，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。（參考課本168頁及式7-14）(7-14),()()(),(000TTETETETTEABABABABC 如課本168頁圖7-10所示，在熱電偶回路中，若導體A、B分別與連接導線A、B相接，接點的溫度分別為T、Tn、T0，則回路的總熱電勢等于熱電偶電勢 與連接導線電勢 的代數(shù)和（見式7-18）。),(),()

19、,(00TTETTETTTEnBAnABnAABB),(nABTTE),(0TTEnBA(7-18)連接導體定律是工業(yè)上運用補償導線進行溫度測量的理論基礎(chǔ)。第第7章章 熱電式傳感器熱電式傳感器7-6）什么是中間溫度定律和參考電極定律？它們各有什么實際意義？答：根據(jù)式(7-18)，當導體A與A、B與B的材料分別相同時，可得： 式(7-19)為中間溫度定律的數(shù)學表達式，即回路的總熱電勢等于 與 的代數(shù)和。中間溫度定律為制定分度表奠定了理論基礎(chǔ)，只要求得參考端溫度為0時的“熱電勢-溫度”關(guān)系，就可以根據(jù)式(7-19)求出參考溫度不等于0時的熱電勢。),(),(),(00TTETTETTTEnABnA

20、BnAB),(nABTTE),(0TTEnAB(7-19)如課本169頁圖7-11所示的參考電極定律示意圖，C為參考電極，接在熱電偶A、B之間，形成三個熱電偶組成的回路。),(),(),(000TTETTETTEABBCAC(7-23)式(7-23)為參考電極定律的數(shù)學表達式。表明兩電極A、B配對后的熱電勢為它們分別與參考電極C配對時的熱電勢之差。利用該定律可大大簡化熱電偶選配工作，只要已知有關(guān)電極與標準電極配對的熱電勢，即可求出任何兩種熱電極配對的熱電勢而不需要測定。第第7章章 熱電式傳感器熱電式傳感器7-7）用鎳鉻-鎳硅熱電偶測得介質(zhì)溫度為800，若參考端溫度為25，問介質(zhì)的實際溫度為多少

21、？答：根據(jù)課本171頁“熱電偶的溫度補償”和式(7-24)，nkttt1由表7-5查的鎳鉻-鎳硅熱電偶在800時的溫度補正系數(shù)k為1.00。(7-24) 介質(zhì)的實際溫度：Cktttn8252500. 第第8章章 光電式傳感器光電式傳感器8-1）簡述光電式傳感器的特點和應用場合，用方框圖表示光電式傳感器的組成。答：光電式傳感器是以光為測量媒介、以光電器件為轉(zhuǎn)換元件的傳感器，它具有非接觸、相應快、性能可靠等卓越特性。光電傳感器的使用范圍非常廣泛，它既可以測量直接引起光量變化的量，如光強、光照度、輻射測量、氣體成分分析等，也可以測量能夠轉(zhuǎn)換為光量變化的被測量，如零件尺寸、表面粗糙度、應力、應變、位移、速度、加速度等。 光電式傳感器的組成框圖：光源光源光通路光通路光電元件光電元件被測量1光光電測量電路測量電路電被測量2輸出量第第