傳感器與檢測技術課后習題與答案

第一章什么是傳感器？它由哪幾個部分組成？分別起到什么作用？2．傳感器技術的發(fā)展動向表現在哪幾個方面？開發(fā)新的敏感、傳感材料：在發(fā)現力、熱、光、磁、氣體等物理量都會使半導體硅原理、新效應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試系統(tǒng)①MEMS技術要求研制微型傳感器。如用于微型偵察機的CCD傳感器、用于管道爬壁機器人的力敏、視覺傳感器。②研制仿生傳感器③研制海洋探測用傳感器④研制成分分析用傳感器⑤研制微弱信號檢測傳感器表.它們的特點是傳感器與微型計算機有機結合，構成智能傳感器。系統(tǒng)功能最大程度地用軟件實現。（4成化開辟了廣闊的前景。(5）多功能與多參數傳感器的研究：如同時檢測壓力、溫度和液位的傳感器已逐步走向市場。義？動態(tài)參數有那些？應如何選擇？被測非電量的變化并將其不失真地變換成相應的電量,這取決于傳感器的基本特性，即輸出—輸入特性.衡量靜態(tài)特性的重要指標是線性度、靈敏度，遲滯和重復性等。傳感器的線性度是指傳感器的輸出與輸入之間數量關系的線性程度；傳感器的靈敏度S是指傳感器的輸出量增量Δy與引起輸出量增量Δy的輸入量增量的比值;傳感器的遲滯是指傳感器在正（輸入量增大）反（輸入量減?。┬谐唐陂g其輸-性曲線不重合的現象；線不一致的程度。5零點漂移和靈敏度漂移等。固有頻率和阻尼比等。信號的響應稱瞬態(tài)響應。常用激勵信號有階躍函數、斜坡函數、脈沖函數等。2）頻率響應特性:傳感器對正弦輸入信號的響應特性,稱為頻率響應特性。頻率響應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1．什么是應變效應？什么是壓阻效應？什么是橫向效應？解：應變效應，是指在導體產生機械變形時,它的電阻值相應發(fā)生變化。壓阻效應,是指半導體材料在某一軸向受外力作用時，其電阻率ρ發(fā)生變化的現象。橫向效應，是指將直的電阻絲繞成敏感柵后,雖然長度不變,應變狀態(tài)相同,但由于應變片敏感柵的電阻變化較小，因而其靈敏系數k較電阻絲的靈敏系數k0

小的現象。2、試說明金屬應變片與半導體應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，最后再加上保護層.它的優(yōu)點是應變靈敏度系數大，允許電半導體應變片是用半導體材料制成的，其工作原理是基于半導體材料的壓阻效應。半導體應變片的突出優(yōu)點是靈敏度高，比金屬絲式應變片高50~80倍,尺寸小,橫向效應小，動態(tài)響應好。但它有溫度系數大，應變時非線性比較嚴重等缺點。3、應變片產生溫度誤差的原因及減小或補償溫度誤差的方法是什么？解:電阻應變片產生溫度誤差的原因：當測量現場環(huán)境溫度變化時，由于敏感柵溫度系數及柵絲與試件膨脹系數之差異性而給測量帶來了附加誤差。電阻應變片的溫度補償方法：通常有線路補償法和應變片自補償兩大類。4、鋼材上粘貼的應變片的電阻變化率為0。1%，鋼材的應力為10kg/mm2.試求① ② 300×10-6時，粘貼的應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(應變）=0。0005=5104l②因l

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

為電阻應變片,應變片靈敏度系數k2.05，未受應變時R 120,當試件受力F時，應變片承受平均應變18104，求應變片電阻變化量R1

和電阻相對變化量R1

/R。1RF13VRF1（a） （b)習題圖1—1等強度梁測力系統(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呈線性關系，差動電橋無非線性誤差，而且電橋電壓靈敏度Ko 1 1 V作時提高一倍，同時還具有溫度補償作用。第三章1．為什么電感式傳感器一般都采用差動形式？界影響也有補償作用；作用在銜鐵上的電磁力,是兩個線圈磁力之差，所以對電磁力有一定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.被測體的平面不應小于傳感器線圈外D的2倍，厚度大于2倍貫穿度h時，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是能對位移、厚度、表面溫度、速度、應力、材料損傷等進行非接觸式連續(xù)測量,另外還具有體積小,靈敏度高，頻率響應寬等特點，應用極其廣泛.電渦流傳感器除了能測量位移外，還能測量哪些非電量？解：還可以對厚度、表面溫度、速度、應力、材料損傷等進行非接觸式連續(xù)測量。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）如果測量電路的靈敏度k 100(mV pF)，讀數儀表的靈敏度k 5（格／mV）在1 21(m)時，讀數儀表的變化量為多少？）根據公式C

Sdd

Sd

Sd

ddd

,其中S=r2k (2）根據公式 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用性能的關鍵之一；Rg

為低頻損耗并聯(lián)電阻，它包含極板間漏電和介質損耗;Rs

為高濕、高溫、高頻激勵工作時的串聯(lián)損耗電組，它包含導線、極板間和金屬支座等損耗電阻.此時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當電容式傳感器的供電電源頻率較高時，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，且隨ω變化而變化。在這種情況下，每當改變激勵頻率或者更換傳輸電纜時都必須對測量系統(tǒng)重新進行標定.簡述電容式傳感器的優(yōu)缺點。（)溫度穩(wěn)定性好）)4）可以實現非接觸測量，具有平均效應（）負載能力差）4．電容式傳感器測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，并將其轉換成與其成單值函數關系的電壓、電流或者頻率.電容轉換電路有調頻電路、運算放大器式電路、二極管雙TCXAZU0距的關系，并分析其工作特點。題圖4—1I I1 2dU dUXc dtIc dtOX兩邊積分得到：cU cUI X OcUU O cX

cdU SI式中負號表示輸出電壓

0的相位與電源電壓反相。上式說明運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Ki

i的幅值和固定電容C值穩(wěn)定。第五章簡述正、逆壓電效應。解:某些電介質在沿一定的方向受到外力的作用變形時,由于內部電極化現象同時在兩個表面壓電材料的主要特性參數有哪些？（,2）彈性常數：壓電材料的彈性常數、剛度決定著壓電器件的固有頻率和動態(tài)特性（3）（4)機械耦合系數：在壓電效應中，其值等于轉換輸出能量（如電能)與輸入的能量（如機械能)之比的平方根；它是衡量壓電材料機電能量轉換效率的一個重要參數簡述電壓放大器和電荷放大器的優(yōu)缺點。解：電壓放大器的應用具有一定的應用限制,壓電式傳感器在與電壓放大器配合使用時，連接電纜不能太長。優(yōu)點：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，使它具有廣泛的應用前景.缺點：電纜長,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：輸出電壓Uo

與電纜電容Cc

無關，且與Q成正比，這是電荷放大器的最大特點.但電荷放大器的缺點：價格比電壓放大器高，電路較復雜，調整也較困難。要注意的是，在實際應用中,電壓放大器和電荷放大器都應加過載放大保護電路，否則在傳感器過載時，會產生過高的輸出電壓.能否用壓電傳感器測量靜態(tài)壓力？為什么？解：不可以，壓電傳感器本身的內阻抗很高，而輸出能量較小,為了保證壓電傳感器的測量態(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A=104時C 0

要求輸出信號衰減小于1％，求使用90PF/m的電纜，其最大允許長度為多少？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，式(6—4)0可表示為

C CCa c

(1K)C f ifU Qo Cf第六章解：置于磁場中的靜止載流導體,當它的電流方向與磁場方向不一致時，載流導體上平行于電流和磁場方向上的兩個面之間產生電動勢,這種現象稱霍爾效應。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為/T，試求其輸出霍爾電勢及載流子濃度。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為U

2211030.36.6103,因為U

，式中令R=H H ned H—1/(ne），稱之為霍爾常數,其大小取決于導體載流子密度,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量(如振動、位移、轉速等）轉換成電信號的一種傳感器.磁電感應式傳感器也稱為電動式傳感器或感應式傳感器.磁電感應式傳感器是利用導體和磁場發(fā)生相對運動產生電動式的,它不需要輔助電源就能把被測對象的機械量轉換成易于測量的電信號，是有源傳感器。L或互感量M解：根據下面這個公式可以得到U KH

LIBf( )b

，霍爾電勢還與磁感應強度B,KH

為霍爾片的靈敏度，霍爾元件的長度L和寬度b有關。第七章什么是熱電勢、接觸電勢和溫差電勢？解：兩種不同的金屬A和B構成的閉合回路，如果將它們的兩個接點中的一個進行加熱,使其溫度為T,而另一點置于室溫T0

中，則在回路中會產生的電勢就叫做熱電勢.由于兩種不同導體的自由電子密度不同而在接觸處形成的電動勢叫做接觸電勢.溫差電勢（又稱湯姆森電勢）是同一導體的兩端因其溫度不同而產生的一種熱電勢.解：熱電偶是一種將溫度變化轉換為電量變化的裝置,它利用傳感元件的電磁參數隨溫度變化的特征來達到測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:如果導體C熱電勢，那么在相同結點溫度下，任意兩導體AB組成的熱電偶,其電勢可由下式求得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，兩接點溫度為0

時的熱電勢，等于該熱電偶在接點T、Ta

和T、Ta

時的熱電勢之和，即E

,T0

)EAB

,Ta

)E AB

T)0AB已知在其特定條件下材料A與鉑配對的熱電勢AB

，材料Bo的熱電勢E

BPt

o

)8.345mV，試求出此條件下材料A與材料B配對后的熱電勢.解：根據熱電偶基本定律中的參考電極定律可知，當結點溫度為T，T0

時，用導體A，B組成的熱電偶的熱電動勢等于AC熱電偶和CB熱電偶的熱電動勢的代數和,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量儀表之間連接導線的電阻因環(huán)境溫度變化所引起的測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：熱電阻將溫度轉換為電阻值大小的熱電式傳感器,熱電阻傳感器是利用導體的電阻值隨測量－200~500接線盒等部件組成。其結構形式可根據實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，經高溫燒結而成，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：①電阻溫度系數大，靈敏度高；②結構簡單；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:光電效應首先把被測量的變化轉換成光信號的變化，然后通過光電轉換元件變換成電信號,光電效應分為外光電效應和內光電效應兩大類:1受光照的物體導電率R

發(fā)生變化，或產生光生電動勢的效應叫內光電效應。分別列舉屬于內光電效應和外光電效應的光電器件。解：外光電效應，如光電管、光電倍增管等。內光電效應,如光敏電阻、光電池和光敏晶體管等。3．簡述CCD的工作原理。解：CCD的工作原理如下：首先構成CCD的基本單元是MOS電容器,如果MOS電容器中的半導體是P型硅,當在金屬電極上施加一個正電壓時，在其電極下形成所謂耗盡層，由于電子在那里勢能較低,形成了電子的勢阱，成為蓄積電荷的場所。CCD的最基本結構是一系列彼此非?？拷腗OS電容器，這些電容器用同一半導體襯底制成，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的基本功能是存儲與轉移信息電荷,為了實現信號電荷的轉換：必須使MOS電容陣列的排列足夠緊密，以致相