傳感器與檢測(cè)技術(shù)課后習(xí)題與答案

第一章什么是傳感器？它由哪幾個(gè)部分組成？分別起到什么作用？2．傳感器技術(shù)的發(fā)展動(dòng)向表現(xiàn)在哪幾個(gè)方面？開發(fā)新的敏感、傳感材料：在發(fā)現(xiàn)力、熱、光、磁、氣體等物理量都會(huì)使半導(dǎo)體硅原理、新效應(yīng)的敏感元件和傳感元件。開發(fā)研制新型傳感器及組成新型測(cè)試系統(tǒng)①M(fèi)EMS技術(shù)要求研制微型傳感器。如用于微型偵察機(jī)的CCD傳感器、用于管道爬壁機(jī)器人的力敏、視覺傳感器。②研制仿生傳感器③研制海洋探測(cè)用傳感器④研制成分分析用傳感器⑤研制微弱信號(hào)檢測(cè)傳感器表.它們的特點(diǎn)是傳感器與微型計(jì)算機(jī)有機(jī)結(jié)合，構(gòu)成智能傳感器。系統(tǒng)功能最大程度地用軟件實(shí)現(xiàn)。（4成化開辟了廣闊的前景。(5）多功能與多參數(shù)傳感器的研究：如同時(shí)檢測(cè)壓力、溫度和液位的傳感器已逐步走向市場(chǎng)。義？動(dòng)態(tài)參數(shù)有那些？應(yīng)如何選擇？被測(cè)非電量的變化并將其不失真地變換成相應(yīng)的電量,這取決于傳感器的基本特性，即輸出—輸入特性.衡量靜態(tài)特性的重要指標(biāo)是線性度、靈敏度，遲滯和重復(fù)性等。傳感器的線性度是指?jìng)鞲衅鞯妮敵雠c輸入之間數(shù)量關(guān)系的線性程度；傳感器的靈敏度S是指?jìng)鞲衅鞯妮敵隽吭隽喀與引起輸出量增量Δy的輸入量增量的比值;傳感器的遲滯是指?jìng)鞲衅髟谡ㄝ斎肓吭龃螅┓矗ㄝ斎肓繙p小）行程期間其輸-性曲線不重合的現(xiàn)象；線不一致的程度。5零點(diǎn)漂移和靈敏度漂移等。固有頻率和阻尼比等。信號(hào)的響應(yīng)稱瞬態(tài)響應(yīng)。常用激勵(lì)信號(hào)有階躍函數(shù)、斜坡函數(shù)、脈沖函數(shù)等。2）頻率響應(yīng)特性:傳感器對(duì)正弦輸入信號(hào)的響應(yīng)特性,稱為頻率響應(yīng)特性。頻率響應(yīng)法是從般是提高傳感器固有頻率。n5mm300解：其靈敏度kU

300103

60X 5103第二章1．什么是應(yīng)變效應(yīng)？什么是壓阻效應(yīng)？什么是橫向效應(yīng)？解：應(yīng)變效應(yīng)，是指在導(dǎo)體產(chǎn)生機(jī)械變形時(shí),它的電阻值相應(yīng)發(fā)生變化。壓阻效應(yīng),是指半導(dǎo)體材料在某一軸向受外力作用時(shí)，其電阻率ρ發(fā)生變化的現(xiàn)象。橫向效應(yīng)，是指將直的電阻絲繞成敏感柵后,雖然長(zhǎng)度不變,應(yīng)變狀態(tài)相同,但由于應(yīng)變片敏感柵的電阻變化較小，因而其靈敏系數(shù)k較電阻絲的靈敏系數(shù)k0

小的現(xiàn)象。2、試說明金屬應(yīng)變片與半導(dǎo)體應(yīng)變片的相同和不同之處。解:0.1μm以下的金屬電阻薄膜的敏感柵，最后再加上保護(hù)層.它的優(yōu)點(diǎn)是應(yīng)變靈敏度系數(shù)大，允許電半導(dǎo)體應(yīng)變片是用半導(dǎo)體材料制成的，其工作原理是基于半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)。半導(dǎo)體應(yīng)變片的突出優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高，比金屬絲式應(yīng)變片高50~80倍,尺寸小,橫向效應(yīng)小，動(dòng)態(tài)響應(yīng)好。但它有溫度系數(shù)大，應(yīng)變時(shí)非線性比較嚴(yán)重等缺點(diǎn)。3、應(yīng)變片產(chǎn)生溫度誤差的原因及減小或補(bǔ)償溫度誤差的方法是什么？解:電阻應(yīng)變片產(chǎn)生溫度誤差的原因：當(dāng)測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境溫度變化時(shí)，由于敏感柵溫度系數(shù)及柵絲與試件膨脹系數(shù)之差異性而給測(cè)量帶來了附加誤差。電阻應(yīng)變片的溫度補(bǔ)償方法：通常有線路補(bǔ)償法和應(yīng)變片自補(bǔ)償兩大類。4、鋼材上粘貼的應(yīng)變片的電阻變化率為0。1%，鋼材的應(yīng)力為10kg/mm2.試求① ② 300×10-6時(shí)，粘貼的應(yīng)變片的電阻變化率為多少？R l解：①

R

l 是ΔR/R=0.001,所以Δl/l(應(yīng)變）=0。0005=5104l②因l

300106所以RR230010661045、如系題圖1—1所示為等強(qiáng)度梁測(cè)力系統(tǒng)，R1

為電阻應(yīng)變片,應(yīng)變片靈敏度系數(shù)k2.05，未受應(yīng)變時(shí)R 120,當(dāng)試件受力F時(shí)，應(yīng)變片承受平均應(yīng)變18104，求應(yīng)變片電阻變化量R1

和電阻相對(duì)變化量R1

/R。1RF13VRF1（a） （b)習(xí)題圖1—1等強(qiáng)度梁測(cè)力系統(tǒng)R（）

1K2.058104 1.64103R1R

kR1

1.641031200.19681

113RR R113U E(o R1R1

R R2 1RR1

R)4E(R1R1

44)(R2

R)441R R41R RE R 3R1 R(1R1R2)(1R4)1 1 3設(shè)橋臂比n

R2，分母中R211

RR/R可忽略，并考慮到平衡條件 1R12

RR3，則上式可寫為：4U E

n R1o (1n)2 R13

n(1n)2

1.64103n4.92103

1n26、單臂電橋存在非線性誤差，試說明解決方法。U與/R呈線性關(guān)系，差動(dòng)電橋無非線性誤差，而且電橋電壓靈敏度Ko 1 1 V作時(shí)提高一倍，同時(shí)還具有溫度補(bǔ)償作用。第三章1．為什么電感式傳感器一般都采用差動(dòng)形式？界影響也有補(bǔ)償作用；作用在銜鐵上的電磁力,是兩個(gè)線圈磁力之差，所以對(duì)電磁力有一定2。交流電橋的平衡條件是什么？解:由交流電路分析可得 U

(ZZ1

ZZ)2 3

要滿足電橋平衡條件，即U

0，則有：o (Z1ZZ

Z)(Z2 Z

Z) o41 4 2 3響？解:1.8～25))

，定義在渦流密度最大值的jm/e處.被測(cè)體的平面不應(yīng)小于傳感器線圈外D的2倍，厚度大于2倍貫穿度h時(shí)，傳感器靈敏度幾乎不受影響。解:電渦流式傳感器最大的特點(diǎn)是能對(duì)位移、厚度、表面溫度、速度、應(yīng)力、材料損傷等進(jìn)行非接觸式連續(xù)測(cè)量,另外還具有體積小,靈敏度高，頻率響應(yīng)寬等特點(diǎn)，應(yīng)用極其廣泛.電渦流傳感器除了能測(cè)量位移外，還能測(cè)量哪些非電量？解：還可以對(duì)厚度、表面溫度、速度、應(yīng)力、材料損傷等進(jìn)行非接觸式連續(xù)測(cè)量。第四章某電容傳感器（平行極板電容器）的圓形極板半徑 r4(mm),工作初始極板間距離 0.3(mm，介質(zhì)為空氣。問：0（1)如果極板間距離變化量1(m)，電容的變化量C是多少？(2）如果測(cè)量電路的靈敏度k 100(mV pF)，讀數(shù)儀表的靈敏度k 5（格／mV）在1 21(m)時(shí)，讀數(shù)儀表的變化量為多少？）根據(jù)公式C

Sdd

Sd

Sd

ddd

,其中S=r2k (2）根據(jù)公式 1

，可得到

1001103k 1 =k

0.02k 2

1 k 52精度.試闡述消除和減小寄生電容影響的幾種方法和原理。因此對(duì)電纜的選擇、安裝、接法都有要求.若考慮電容傳感器在高溫、高濕及高頻激勵(lì)的條4-8L包括引線電纜電感和電容式傳感器本身的電感；C0

為傳感器本身的電容；Cp

為引線電纜、所接測(cè)量電路及極板與外界所形成的總寄生電容,克服其影響，是提高電容傳感器實(shí)用性能的關(guān)鍵之一；Rg

為低頻損耗并聯(lián)電阻，它包含極板間漏電和介質(zhì)損耗;Rs

為高濕、高溫、高頻激勵(lì)工作時(shí)的串聯(lián)損耗電組，它包含導(dǎo)線、極板間和金屬支座等損耗電阻.此時(shí)電容傳感器的等效靈敏度為Ck

C/(12LC)2 k 0 0 g

（4-28)e d d (12LC)20當(dāng)電容式傳感器的供電電源頻率較高時(shí)，傳感器的靈敏度由k變?yōu)閗

與傳感器的固g e e有電感（包括電纜電感)有關(guān)，且隨ω變化而變化。在這種情況下，每當(dāng)改變激勵(lì)頻率或者更換傳輸電纜時(shí)都必須對(duì)測(cè)量系統(tǒng)重新進(jìn)行標(biāo)定.簡(jiǎn)述電容式傳感器的優(yōu)缺點(diǎn)。（)溫度穩(wěn)定性好）)4）可以實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量，具有平均效應(yīng)（）負(fù)載能力差）4．電容式傳感器測(cè)量電路的作用是什么？解：電容式傳感器中電容值以及電容變化值都十分微小,這樣微小的電容量還不能直接被目微小電容增量，并將其轉(zhuǎn)換成與其成單值函數(shù)關(guān)系的電壓、電流或者頻率.電容轉(zhuǎn)換電路有調(diào)頻電路、運(yùn)算放大器式電路、二極管雙TCXAZU0距的關(guān)系，并分析其工作特點(diǎn)。題圖4—1I I1 2dU dUXc dtIc dtOX兩邊積分得到：cU cUI X OcUU O cX

cdU SI式中負(fù)號(hào)表示輸出電壓

0的相位與電源電壓反相。上式說明運(yùn)算放大器的輸出電壓與極板間距離d但要求Z及放大倍數(shù)Ki

i的幅值和固定電容C值穩(wěn)定。第五章簡(jiǎn)述正、逆壓電效應(yīng)。解:某些電介質(zhì)在沿一定的方向受到外力的作用變形時(shí),由于內(nèi)部電極化現(xiàn)象同時(shí)在兩個(gè)表面壓電材料的主要特性參數(shù)有哪些？（,2）彈性常數(shù)：壓電材料的彈性常數(shù)、剛度決定著壓電器件的固有頻率和動(dòng)態(tài)特性（3）（4)機(jī)械耦合系數(shù)：在壓電效應(yīng)中，其值等于轉(zhuǎn)換輸出能量（如電能)與輸入的能量（如機(jī)械能)之比的平方根；它是衡量壓電材料機(jī)電能量轉(zhuǎn)換效率的一個(gè)重要參數(shù)簡(jiǎn)述電壓放大器和電荷放大器的優(yōu)缺點(diǎn)。解：電壓放大器的應(yīng)用具有一定的應(yīng)用限制,壓電式傳感器在與電壓放大器配合使用時(shí)，連接電纜不能太長(zhǎng)。優(yōu)點(diǎn)：微型電壓放大電路可以和傳感器做成一體,這樣這一問題就可以得到克服，使它具有廣泛的應(yīng)用前景.缺點(diǎn)：電纜長(zhǎng),電纜電容Cc

就大,電纜電容增大必然使傳感器的電壓靈敏度降低。不過由于固態(tài)電子器件和集成電路的迅速發(fā)展，電荷放大器的優(yōu)點(diǎn)：輸出電壓Uo

與電纜電容Cc

無關(guān)，且與Q成正比，這是電荷放大器的最大特點(diǎn).但電荷放大器的缺點(diǎn)：價(jià)格比電壓放大器高，電路較復(fù)雜，調(diào)整也較困難。要注意的是，在實(shí)際應(yīng)用中,電壓放大器和電荷放大器都應(yīng)加過載放大保護(hù)電路，否則在傳感器過載時(shí)，會(huì)產(chǎn)生過高的輸出電壓.能否用壓電傳感器測(cè)量靜態(tài)壓力？為什么？解：不可以，壓電傳感器本身的內(nèi)阻抗很高，而輸出能量較小,為了保證壓電傳感器的測(cè)量態(tài)壓力。fi題圖1所示電荷放大器中0R=∞R=C0。若考慮引線電fi，容C影響，當(dāng)A=104時(shí)C 0

要求輸出信號(hào)衰減小于1％，求使用90PF/m的電纜，其最大允許長(zhǎng)度為多少？CfRf4 -A0 8q Ca Ra Cc Ci Ri U0題圖5—1C Ca c解：U KQ 因此若滿足KC Ca c

C時(shí)，式(6—4)0可表示為

C CCa c

(1K)C f ifU Qo Cf第六章解：置于磁場(chǎng)中的靜止載流導(dǎo)體,當(dāng)它的電流方向與磁場(chǎng)方向不一致時(shí)，載流導(dǎo)體上平行于電流和磁場(chǎng)方向上的兩個(gè)面之間產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì),這種現(xiàn)象稱霍爾效應(yīng)。某霍爾元件lbd為1.00.350.1cm3沿lI1.0mAlb面方B,傳感器的靈敏度系數(shù)為/T，試求其輸出霍爾電勢(shì)及載流子濃度。解：U

R IBK

IB，式中K

=R/d稱為霍爾片的靈敏度

（q1.6021019C）H H d H H HIB所以輸出的霍爾電勢(shì)為U

2211030.36.6103,因?yàn)閁

，式中令R=H H ned H—1/(ne），稱之為霍爾常數(shù),其大小取決于導(dǎo)體載流子密度,所以濃度IB =

11030.3U dq 6.61030.11.6021019H磁電式傳感器與電感式傳感器有何不同？解：磁敏式傳感器是通過磁電作用將被測(cè)量(如振動(dòng)、位移、轉(zhuǎn)速等）轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的一種傳感器.磁電感應(yīng)式傳感器也稱為電動(dòng)式傳感器或感應(yīng)式傳感器.磁電感應(yīng)式傳感器是利用導(dǎo)體和磁場(chǎng)發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生電動(dòng)式的,它不需要輔助電源就能把被測(cè)對(duì)象的機(jī)械量轉(zhuǎn)換成易于測(cè)量的電信號(hào)，是有源傳感器。L或互感量M解：根據(jù)下面這個(gè)公式可以得到U KH

LIBf( )b

，霍爾電勢(shì)還與磁感應(yīng)強(qiáng)度B,KH

為霍爾片的靈敏度，霍爾元件的長(zhǎng)度L和寬度b有關(guān)。第七章什么是熱電勢(shì)、接觸電勢(shì)和溫差電勢(shì)？解：兩種不同的金屬A和B構(gòu)成的閉合回路，如果將它們的兩個(gè)接點(diǎn)中的一個(gè)進(jìn)行加熱,使其溫度為T,而另一點(diǎn)置于室溫T0

中，則在回路中會(huì)產(chǎn)生的電勢(shì)就叫做熱電勢(shì).由于兩種不同導(dǎo)體的自由電子密度不同而在接觸處形成的電動(dòng)勢(shì)叫做接觸電勢(shì).溫差電勢(shì)（又稱湯姆森電勢(shì)）是同一導(dǎo)體的兩端因其溫度不同而產(chǎn)生的一種熱電勢(shì).解：熱電偶是一種將溫度變化轉(zhuǎn)換為電量變化的裝置,它利用傳感元件的電磁參數(shù)隨溫度變化的特征來達(dá)到測(cè)量的目的熱電偶的基本定律包括以下三種定律:參考電極定律:如果導(dǎo)體C熱電勢(shì)，那么在相同結(jié)點(diǎn)溫度下，任意兩導(dǎo)體AB組成的熱電偶,其電勢(shì)可由下式求得E求得AB

(T,T0

)EAC

(T,T0

)ECB

(T,T)0中間溫度定律：在熱電偶回路中，兩接點(diǎn)溫度為0

時(shí)的熱電勢(shì)，等于該熱電偶在接點(diǎn)T、Ta

和T、Ta

時(shí)的熱電勢(shì)之和，即E

,T0

)EAB

,Ta

)E AB

T)0AB已知在其特定條件下材料A與鉑配對(duì)的熱電勢(shì)AB

，材料Bo的熱電勢(shì)E

BPt

o

)8.345mV，試求出此條件下材料A與材料B配對(duì)后的熱電勢(shì).解：根據(jù)熱電偶基本定律中的參考電極定律可知，當(dāng)結(jié)點(diǎn)溫度為T，T0

時(shí)，用導(dǎo)體A，B組成的熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)等于AC熱電偶和CB熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)的代數(shù)和,即：E ,TAB

)E ,TAC

)E ,T)CB 0E T,TAC

E ,TBC

)13.9768.345Pt100和Cu50分別代表什么傳感器?分析熱電阻傳感器測(cè)量電橋之三線、四線連接法的主要作用。解：Pt100代表鉑熱電阻傳感器,Cu50代表銅熱電阻傳感器。三線制可以減小熱電阻與測(cè)量?jī)x表之間連接導(dǎo)線的電阻因環(huán)境溫度變化所引起的測(cè)量誤差將一只靈敏度為0.08mv/℃的熱電偶與毫伏表相連，已知接線端溫度為50℃,毫伏表的60mv,求熱電偶熱端的溫度為多少?C解：T60750C0.08試比較熱電阻與熱敏電阻的異同。解：熱電阻將溫度轉(zhuǎn)換為電阻值大小的熱電式傳感器,熱電阻傳感器是利用導(dǎo)體的電阻值隨測(cè)量－200~500接線盒等部件組成。其結(jié)構(gòu)形式可根據(jù)實(shí)際使用制作成各種形狀。熱敏電阻是由一些金屬氧化物，如鈷、錳、鎳等的氧化物，采用不同比例的配方，經(jīng)高溫?zé)Y(jié)而成，然后采用不同的封裝形式制成珠狀、片狀、桿狀、墊圈狀等各種形狀.熱敏電阻具有以下優(yōu)點(diǎn)：①電阻溫度系數(shù)大，靈敏度高；②結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；③電阻率高,熱慣性?。坏柚蹬c溫度變化呈非線性，且穩(wěn)定性和互換性較差。第八章解:光電效應(yīng)首先把被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)換成光信號(hào)的變化，然后通過光電轉(zhuǎn)換元件變換成電信號(hào),光電效應(yīng)分為外光電效應(yīng)和內(nèi)光電效應(yīng)兩大類:1受光照的物體導(dǎo)電率R

發(fā)生變化，或產(chǎn)生光生電動(dòng)勢(shì)的效應(yīng)叫內(nèi)光電效應(yīng)。分別列舉屬于內(nèi)光電效應(yīng)和外光電效應(yīng)的光電器件。解：外光電效應(yīng)，如光電管、光電倍增管等。內(nèi)光電效應(yīng),如光敏電阻、光電池和光敏晶體管等。3．簡(jiǎn)述CCD的工作原理。解：CCD的工作原理如下：首先構(gòu)成CCD的基本單元是MOS電容器,如果MOS電容器中的半導(dǎo)體是P型硅,當(dāng)在金屬電極上施加一個(gè)正電壓時(shí)，在其電極下形成所謂耗盡層，由于電子在那里勢(shì)能較低,形成了電子的勢(shì)阱，成為蓄積電荷的場(chǎng)所。CCD的最基本結(jié)構(gòu)是一系列彼此非?？拷腗OS電容器，這些電容器用同一半導(dǎo)體襯底制成，襯底上面覆蓋一層氧化層，并在其上制作許多金屬電極,各電極按三相（也有二相和四相）配線方式連接。CCD的基本功能是存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)移信息電荷,為了實(shí)現(xiàn)信號(hào)電荷的轉(zhuǎn)換：必須使MOS電容陣列的排列足夠緊密，以致相