《傳感器復(fù)習(xí)提綱一》

應(yīng)變傳感器1、電氣式測力傳感器根據(jù)轉(zhuǎn)換方式不同可分為幾種類型？分別列出各類型的幾種典型傳感器。答:2、 簡述電阻應(yīng)變式測力傳感器的工作原理。答：電阻應(yīng)變式測力傳感器是將力作用在彈性元件上，使其發(fā)生應(yīng)變，貼在彈性元件上的應(yīng)變片將應(yīng)變轉(zhuǎn)換成電阻變化，利用電橋?qū)㈦娮枳兓D(zhuǎn)換成電壓變化，再送入測量放大電路測量。利用標(biāo)定的電壓和力之間的關(guān)系，測出力的大小。3、 彈性元件的形式有哪幾種？4、 應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)分為哪幾部分？答：敏感柵，底基，蓋層，電極引線。5、 對底基的要求？答：底基的作用是將試件的應(yīng)變準(zhǔn)確地傳遞給敏感柵，所以底基應(yīng)具有較低的彈性模量，較高的絕緣電阻，良好的抗?jié)駸嵝阅?。底基一般較薄，厚度在20?50um。常用的底基有紙基、膠基和玻璃纖維布基。6、 談?wù)剳?yīng)變片對分類，并說明其工作原理。應(yīng)變片電阻相對變化量為dR/R=（1+2卩）8+dp/p=（1+2卩）匕+?！?（1+2卩）匕+兀EeL L其中（1+2卩）8是電阻絲的幾何尺寸引起的，兀E8是壓阻效應(yīng)引起的。卩為泊松系數(shù)，兀為縱向壓阻系L L數(shù)，E為楊氏（彈性）模量，b為應(yīng)力。對于金屬，幾何尺寸變化引起電阻變化占主要，即dR/R沁（1+2卩）8靈敏度為K二1+2r，約在1.7?3.6之間。對于半導(dǎo)體，壓阻效應(yīng)占主要，即dR/Rq兀EeL靈敏度K=兀lE，為電阻應(yīng)變片的50?70倍。7、 箔式電阻應(yīng)變片與絲式電阻應(yīng)變片相比有哪些優(yōu)點(diǎn)？答：1）金屬箔很薄，感受到應(yīng)力更接近試件表面應(yīng)力；2） 面積大，散熱好，也許通過電流大，故靈敏度高，輸出信號功率大，為絲式的100?400倍;3） 尺寸可以做得很準(zhǔn)確，基長可以很短，并能制成任意形狀，從而可擴(kuò)大使用范圍；4） 便于批量生產(chǎn)。8、 絲式電阻應(yīng)變片的敏感柵的柵端可制成哪兩種形式？答：圓角形和直角形。9、 名詞解釋：壓阻效應(yīng)答：壓阻效應(yīng)是指固體受到應(yīng)力作用時，其電阻率發(fā)生變化，這種現(xiàn)象叫壓阻效應(yīng)。10、 應(yīng)變儀電橋工作方式和輸出電壓工作方式單臂雙臂四臂應(yīng)變片所在臂R1R,R12R,R,R,R12 3 4輸出電壓U0UKs/4iUKs/2iUKsi11、用一電阻應(yīng)變片測量一結(jié)構(gòu)上某點(diǎn)的應(yīng)力。應(yīng)變電阻值R二120。，靈敏度系數(shù)K二2，接入電橋的一臂，其余橋臂為標(biāo)準(zhǔn)電阻R=120。。若電橋由10V直流電源供電，測得輸出電壓為5mV。求該點(diǎn)沿0應(yīng)變片敏感方向的應(yīng)變和應(yīng)力。構(gòu)建材料的彈性模量為E二2x1010Pa。解：把數(shù)據(jù)帶入U(xiǎn)=UK/4，得到應(yīng)變0i&=10-3應(yīng)力為c=sE=10-3x2x1010=2x107Pa。12、今有一簡單拉伸試件，其上貼有兩應(yīng)變片，如圖所示。測量電路將其分別放于電橋相鄰兩臂上。已知試件材料的彈性模量為E=25x1010Pa。泊松系數(shù)R=0.2，應(yīng)變靈敏度K=2，電橋供電電壓6V，電橋輸出電壓5mV,試求軸向應(yīng)力。解：把數(shù)據(jù)帶入U(xiǎn)=UKs/2，得到0is=』x10-36軸向應(yīng)力為o=eE=x10-3x25x10io=20.83x10?Pa。613、 一個半導(dǎo)體應(yīng)變片的靈敏系數(shù)為180,半導(dǎo)體材料的彈性模量為1.8X105MPa，其中壓阻系數(shù)nL為 Pa-1。解：由K=nlE,得到nL=1X10-514、 已知：輸入應(yīng)變儀的應(yīng)變?yōu)?86p￡，應(yīng)變儀的靈敏度為31pA/p￡，記錄儀的靈敏度為5mm/mA，求記錄儀輸出的偏移量。(注：p￡代表一個應(yīng)變單位)解：簡單，類比壓電式傳感器第5題15、 簡述應(yīng)變片在彈性元件上的布置原則，及哪幾種電橋接法具有溫度補(bǔ)償作用。答：布置原則有：貼在應(yīng)變最敏感部位，使其靈敏度最佳；在復(fù)合載荷下測量，能消除相互干擾；考慮溫度補(bǔ)償作用；單臂電橋無溫度補(bǔ)償作用，差動和全橋方式具有溫度補(bǔ)償作用。壓電式傳感器1、 名詞解釋：正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)答：正壓電效應(yīng)當(dāng)某些晶體沿一定方向受外力作用而發(fā)生形變時，在其相應(yīng)的兩個相對表明產(chǎn)生極性相反、大小相等的電荷，電荷的多少與力的大小成正比，當(dāng)外力去掉后，又恢復(fù)為不帶電的情況。逆壓電效應(yīng)在某些晶體的極化方向上施加外電場，晶體將產(chǎn)生機(jī)械形變，當(dāng)外電場撤去后，形變消失，這種現(xiàn)象叫逆壓電效應(yīng)。2、 在壓電式傳感器中，壓電晶片既是敏感元件，也是轉(zhuǎn)換元件。它將力轉(zhuǎn)換為電荷或電壓輸出。3、 兩個壓電晶片串、并聯(lián)情況串聯(lián)：電容小，輸出電壓大，適合電壓輸出。并聯(lián)：電容大，輸出電荷大，適合緩變信號。4、 壓電傳感器的前置放大器的作用和類型。答：放大微弱信號，并把高阻抗變換為低阻抗輸出。有電壓放大器和電荷放大器兩種。電壓放大器：輸出電壓正比輸入電壓，輸入阻抗盡量高些(輸入阻抗小會影響低頻響應(yīng)能力)，更換電纜應(yīng)從新定標(biāo)。電荷放大器：輸出電壓和輸入電荷成正比。電纜電容影響小。5、 一壓電式力傳感器，其靈敏度k二15pC/MPa，將它與靈敏度為k二0.005V/pC的電荷放大器相12連，放大器輸出端接到一臺靈敏度為k=30mm/V的筆式記錄儀上，計(jì)算此系統(tǒng)的總靈敏度。又當(dāng)壓力3變化為Ap二20MPa時，記錄筆在紙上偏移量為多大？解：總靈敏度為k二kxkxk二15pC/MPax0.005V/pCx30mm/V1 2 3=2.25mm/MPa又當(dāng)壓力變化為Ap二20MPa時，記錄筆在紙上偏移量為Ax=Apxk=20MPax2.25mm/MPa=45mm6、 壓電式傳感器并聯(lián)的壓電晶片越多，靈敏度越高。7、 壓電式傳感器只適合測量動態(tài)量，不合適測量靜態(tài)量，因?yàn)殡姾蓵缓芸灬尫磐辍?/p>

8、簡述壓電式傳感器分別與電壓放大器和電荷放大器相連時各自的特點(diǎn)。答：傳感器與電壓放大器連接的電路,其輸出電壓與壓電元件的輸出電壓成正比但容易受電纜電容的影響。傳感器與電荷放大器連接的電路,其輸出電壓與壓電元件的輸出電荷成正比電纜電容的影響小。熱電偶1、 熱電偶式溫度傳感器屬于接觸式熱電動勢型傳感器。它的工作原理基于熱電效應(yīng)。2、 熱電效應(yīng)：當(dāng)兩種不同金屬導(dǎo)體兩端相互精密地連接在一起組成一個閉合電路時，由于兩個結(jié)點(diǎn)溫度不同，回路中將產(chǎn)生熱電動勢，并形成熱電流，這種把熱能轉(zhuǎn)換成電能的現(xiàn)象叫熱電效應(yīng)。3、 熱電偶整個回路的熱電動勢由哪兩部分電動勢組成？答：熱電勢由接觸勢和溫差電勢組成。4、 中間導(dǎo)體定律：導(dǎo)體a、b組成的熱電偶，當(dāng)引入第三個導(dǎo)體時，只要保持其兩端溫度相同，則對總熱電動勢無影響，這一結(jié)論叫中間導(dǎo)體定律。5、 說明熱電偶溫度傳感器中間導(dǎo)體定律的實(shí)際應(yīng)用意義。答：利用中間導(dǎo)體定律，可將毫伏表接入熱電偶回路中，只要保證兩個結(jié)點(diǎn)溫度一致，就能正確測出熱電動勢而不影響熱電偶的輸出。6、 熱電偶分類：普通熱電偶、鎧裝熱電偶、薄膜熱電偶、并聯(lián)熱電偶（測平均溫度）和串聯(lián)熱電偶（測溫差）。7、 為什么要對熱電偶進(jìn)行溫度補(bǔ)償？答：熱電偶的輸出電動勢僅反映出兩個結(jié)點(diǎn)之間的溫度差，為了使輸出電動勢能正確反映被測溫度的真實(shí)值，要求參考端溫度恒為0?，但實(shí)際熱電偶使用的環(huán)境不能保證參考端溫度為0?，因此必須對其進(jìn)行溫度補(bǔ)償。8、 說明薄膜熱電偶的特點(diǎn)答：熱容量小、時間常數(shù)小、反應(yīng)速度快。金屬熱電阻1、圖示為一種測溫范圍為0?~100?的測溫電路，其中R10（10.02）k為感溫?zé)犭娮?，R0、R均t 0 s為常值電阻，n為正整數(shù)，E為工作電壓，M與N兩點(diǎn)的電位差為輸出電壓。問：1） 如果t0?時輸出電壓為零，R應(yīng)取多少？s2） 給出該測溫電路的輸出特性方程。解：1）根據(jù)電路結(jié)構(gòu)形式，電橋輸出電壓為UMNRnREt 0-RRRnRts UMNRnREt 0-RRRnRts 0 010(10.02)Rst0?時輸出電壓為零，則有10(10.02)10(10.02)R10=10(kG)nn-丄=0nR10+R1+ns2)該電路的輸出特性方程為'10(1+0.02t)10(1+0.02t)+10/n1+n丿U二EMNJn(1+0.02t) n]E — n(1+0.02t)+10 1+n丿0.02ntE )[n(1+0.02t)+1](1+n)(2、下圖給出了一種測溫電路，其中R=2R（1+0.01t）（kG）為感溫?zé)犭娮?，R為可調(diào)電阻，U為工作電t 0 B壓。（G為檢流計(jì)）1）基于該測溫電路的工作原理，請給出調(diào)節(jié)電阻R隨溫度變化的關(guān)系。B1、 熱敏電阻式溫度傳感器測溫機(jī)理：在低溫時，電子-空穴濃度很低，故電阻率很大，隨著溫度升高，電子-空穴濃度按指數(shù)規(guī)律增加，電阻率迅速減小。2、 按照不同的物理特性，熱敏電阻可分為正溫度系數(shù)熱敏電阻（電阻隨溫度升高而增加）臨界溫度系數(shù)熱敏電阻（在臨界溫度附近電阻急劇變化）和負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻（電阻隨溫度升高而降低）。3、 由于熱敏電阻與溫度的關(guān)系呈較強(qiáng)的非線性，使得它的測溫范圍和精度受到一定限制。為了解決這兩方面問題，常利用溫度系數(shù)很小的金屬電阻與熱敏電阻串聯(lián)或并列。4、 熱敏電阻的特性為B（丄-丄）R二Re（TT0）（絕對溫度，K）T05、 一熱敏電阻在0°C和100°C時，電阻值分另I」為200kQ和10kQ。試計(jì)算該熱敏電阻在20°C時的電阻值。B（丄―丄）解：把已知條件代入公式R二ReTT,T0非接觸式溫度傳感器1、 非接觸式溫度傳感器工作原理：答：當(dāng)物體受熱后，電子運(yùn)動的動能增加，有一部分熱能轉(zhuǎn)變?yōu)檩椛淠?，輻射能量的多少與物體的溫度有關(guān)。2、 非接觸式溫度傳感器分類答：全輻射式、亮度式、比色式全輻射式：利用物體在全光譜范圍內(nèi)總輻射能量與溫度的關(guān)系測量溫度。測得到溫度低于物體的真實(shí)溫度。

亮度式：利用物體的單色輻射亮度隨溫度變化的原理，并以被測物體光譜的一個狹窄區(qū)域內(nèi)的亮度與標(biāo)準(zhǔn)輻射的亮度進(jìn)行比較來測量溫度。比色式：以測量兩個波長的輻射亮度之比為基礎(chǔ)測溫。半導(dǎo)體溫度傳感器1、簡述半導(dǎo)體溫度傳感器的工作原理。答：半導(dǎo)體溫度傳感器以半導(dǎo)體PN結(jié)的溫度特性為理論依據(jù)。因?yàn)楫?dāng)PN結(jié)的正向壓降或反向壓降保持不變時，正向電流和反向電流都隨溫度的改變而改變，當(dāng)正向電流保持不變時，PN結(jié)的正向壓降隨溫度的變化近似于線性變化，大約以-2mV/°C的斜率隨溫度變化。因此，利用PN結(jié)的這一特性，可以對溫度進(jìn)行測量。半導(dǎo)體溫度傳感器利用晶體二極管和晶體三極管作為感溫元件。視覺、觸覺傳感器1、 視覺傳感器在機(jī)電一體化系統(tǒng)中的作用有以下三種：1） 進(jìn)行位置檢測2） 進(jìn)行圖像識別3） 進(jìn)行物體形狀、尺寸缺陷的檢測2、 視覺傳感器一般由以下四部分構(gòu)成：1）照明部（光源）2） 接收部3） 光電轉(zhuǎn)換部4） 掃描部3、 攝像機(jī)分為：1） 光導(dǎo)攝像管攝像機(jī)。光導(dǎo)攝像管是一種兼有光電轉(zhuǎn)換功能和掃描功能的真空管。2） 固體半導(dǎo)體攝像機(jī)。固體半導(dǎo)體攝像機(jī)所使用的固體攝像元件為CCD。4、 固體半導(dǎo)體攝像機(jī)組成答：由攝像元件（CCD）、信號處理電路、驅(qū)動電路和電源組成。CCD攝像元件是一種MOS型晶體管開關(guān)集成電路。5、 熱電型紅外光導(dǎo)攝像管原理答：光電攝像管的靶面為熱電材料，由于熱電效應(yīng)，經(jīng)透鏡成像在光導(dǎo)攝像管上的紅外圖像所產(chǎn)生的溫度分布在靶面上感應(yīng)出相應(yīng)的電壓分布的圖像，該電壓分布被電子束拾取作為時序信號讀出。6、 由于發(fā)射紅外線的被測物體的溫度隨時間變化，故必須使用截光器，以便產(chǎn)生靜止圖像。由于靶面熱擴(kuò)散導(dǎo)致溫度分布圖像模糊，故在靶面上開槽，防止該現(xiàn)象發(fā)生。信號的均值、方差、均方值1、信號的均值1

卩二limJTx（t）dtXTT8T0均值是信號在整個時間坐標(biāo)的積分平均，它表示信號中常值分量或直流分量。2、信號的方差Q2=lim丄JT[x(t)一卩]2dtXTT8T0 X方差是描述信號的波動范圍，其正平方根方差是描述信號的波動范圍，其正平方根◎=x叫信號的標(biāo)準(zhǔn)差。3、信號的均方值屮2二lim—JTX2(t)dt=◎2+卩2X TT8T0 XX均方值描述信號的強(qiáng)度，表示信號的平均功率。相關(guān)1、信號的自相關(guān)函數(shù)定義R(t)=limJTx(t)x(t+t)dt

x TT8T02、自相關(guān)函數(shù)性質(zhì)：當(dāng)延時T=0時，信號的自相關(guān)函數(shù)就是信號的均方值R(0)=limJTx2(t)dt二屮2x T*T0 x1)2)R(0)>R(t)，即在t二0處取峰值。x x3)R(T)二R(-T)x x周期信號的自相關(guān)函數(shù)必呈周期性R(T土nT)=R(T)x x自相關(guān)函數(shù)意義：描述了信號現(xiàn)在值與未來值之間依賴關(guān)系，

同時也反映了信號變化的劇烈程度，是信號的基本統(tǒng)計(jì)特征之一。互相關(guān)函數(shù)定義4)3、4、5、R(t)=lim1JTx(t)y(t+t)dtxy TT8T0R(t)=lim—JTy(t)x(t+t)dtyx TT8T0互