傳感器技術(shù)課后題答案-賈伯年-第3版

傳感器技術(shù)課后題答案-賈伯年-第3版衡量傳感器靜態(tài)特性的主要指標(biāo)。說(shuō)明含義?；夭睿螅磻?yīng)傳感器在正（輸入量增大）反（輸入量減?。┬谐踢^(guò)程中輸出-輸入曲線的不重合程度。重復(fù)性——衡量傳感器在同一工作條件下，輸入量按同一方向作全量程連續(xù)多次變動(dòng)時(shí)，所得特性曲線間一致程度。各條特性曲線越靠近，重復(fù)性越好。靈敏度——傳感器輸出量增量與被測(cè)輸入量增量之比。分辨力——傳感器在規(guī)定測(cè)量范圍內(nèi)所能檢測(cè)出的被測(cè)輸入量的最小變化量。線性度——表征傳感器輸出-輸入校準(zhǔn)曲線與所選定的擬合直線之間的吻合（或偏離）程度的指標(biāo)。閥值——使傳感器輸出端產(chǎn)生可測(cè)變化量的最小被測(cè)輸入量值，即零位附近的分辨力。穩(wěn)定性——即傳感器在相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)仍保持其性能的能力。漂移——在一定時(shí)間間隔內(nèi)，傳感器輸出量存在著與被測(cè)輸入量無(wú)關(guān)的、不需要的變化。靜態(tài)誤差（精度）——傳感器在滿量程內(nèi)任一點(diǎn)輸出值相對(duì)理論值的可能偏離（逼近）程度。計(jì)算傳感器線性度的方法，差別。理論直線法：以傳感器的理論特性線作為擬合直線，與實(shí)際測(cè)試值無(wú)關(guān)。端點(diǎn)直線法：以傳感器校準(zhǔn)曲線兩端點(diǎn)間的連線作為擬合直線?！白罴阎本€”法：以“最佳直線”作為擬合直線，該直線能保證傳感器正反行程校準(zhǔn)曲線對(duì)它的正負(fù)偏差相等并且最小。這種方法的擬合精度最高。最小二乘法：按最小二乘原理求取擬合直線，該直線能保證傳感器校準(zhǔn)數(shù)據(jù)的殘差平方和最小。什么是傳感器的靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性？為什么要分靜和動(dòng)？（1）靜態(tài)特性：表示傳感器在被測(cè)輸入量各個(gè)值處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)的輸出-輸入關(guān)系。動(dòng)態(tài)特性：反映傳感器對(duì)于隨時(shí)間變化的輸入量的響應(yīng)特性。（2）由于傳感器可能用來(lái)檢測(cè)靜態(tài)量（即輸入量是不隨時(shí)間變化的常量）、準(zhǔn)靜態(tài)量或動(dòng)態(tài)量（即輸入量是隨時(shí)間變化的變量），于是對(duì)應(yīng)于輸入信號(hào)的性質(zhì)，所以傳感器的特性分為靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性。Z-1分析改善傳感器性能的技術(shù)途徑和措施。（1）結(jié)構(gòu)、材料與參數(shù)的合理選擇（2）差動(dòng)技術(shù)（3）平均技術(shù)（4）穩(wěn)定性處理（5）屏蔽、隔離與干擾抑制（6）零示法、微差法與閉環(huán)技術(shù)（7）補(bǔ)償、校正與“有源化”（8）集成化、智能化與信息融合2-1金屬應(yīng)變計(jì)與半導(dǎo)體工作機(jī)理的異同？比較應(yīng)變計(jì)各種靈敏系數(shù)概念的不同意義。（1）相同點(diǎn)：它們都是在外界力作用下產(chǎn)生機(jī)械變形，從而導(dǎo)致材料的電阻發(fā)生變化所；不同點(diǎn)：金屬材料的應(yīng)變效應(yīng)以機(jī)械形變?yōu)橹鳎牧系碾娮杪氏鄬?duì)變化為輔；而半導(dǎo)體材料則正好相反，其應(yīng)變效應(yīng)以機(jī)械形變導(dǎo)致的電阻率的相對(duì)變化為主，而機(jī)械形變?yōu)檩o。（2）對(duì)于金屬材料，靈敏系數(shù)Ko=Km=(1+2μ)+C(1-2μ)。前部分為受力后金屬幾何尺寸變化，一般μ≈0.3，因此（1+2μ）=1.6；后部分為電阻率隨應(yīng)變而變的部分。金屬絲材的應(yīng)變電阻效應(yīng)以結(jié)構(gòu)尺寸變化為主。對(duì)于半導(dǎo)體材料，靈敏系數(shù)Ko=Ks=(1+2μ)+πE。前部分同樣為尺寸變化，后部分為半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)所致，而πE》(1+2μ)，因此Ko=Ks=πE。半導(dǎo)體材料的應(yīng)變電阻效應(yīng)主要基于壓阻效應(yīng)。2-3簡(jiǎn)述電阻應(yīng)變計(jì)產(chǎn)生熱輸出（溫度誤差）的原因及其補(bǔ)償辦法。電阻應(yīng)變計(jì)的溫度效應(yīng)及其熱輸出由兩部分組成：前部分為熱阻效應(yīng)所造成；后部分為敏感柵與試件熱膨脹失配所引起。在工作溫度變化較大時(shí)，會(huì)產(chǎn)生溫度誤差。補(bǔ)償辦法：1、溫度自補(bǔ)償法（1）單絲自補(bǔ)償應(yīng)變計(jì)(2)雙絲自補(bǔ)償應(yīng)變計(jì)2、橋路補(bǔ)償法（1）雙絲半橋式（2）補(bǔ)償塊法2-4試述應(yīng)變電橋產(chǎn)生非線性的原因及消減非線性誤差的措施。原因：上式分母中含ΔRi/Ri，是造成輸出量的非線性因素。無(wú)論是輸出電壓還是電流，實(shí)際上都與ΔRi/Ri呈非線性關(guān)系。措施：(1)差動(dòng)電橋補(bǔ)償法差動(dòng)電橋呈現(xiàn)相對(duì)臂“和”，相鄰臂“差”的特征，通過(guò)應(yīng)變計(jì)合理布片達(dá)到補(bǔ)償目的。常用的有半橋差動(dòng)電路和全橋差動(dòng)電路。(2)恒流源補(bǔ)償法誤差主要由于應(yīng)變電阻ΔRi的變化引起工作臂電流的變化所致。采用恒流源，可減小誤差。2-5如何用電阻應(yīng)變計(jì)構(gòu)成應(yīng)變式傳感器？對(duì)其各組成部分有何要求？一是作為敏感元件，直接用于被測(cè)試件的應(yīng)變測(cè)量；另一是作為轉(zhuǎn)換元件，通過(guò)彈性敏感元件構(gòu)成傳感器，用以對(duì)任何能轉(zhuǎn)變成彈性元件應(yīng)變的其他物理量作間接測(cè)量。要求：非線性誤差要?。?lt;0.05%~0.1%F.S），力學(xué)性能參數(shù)受環(huán)境溫度影響小，并與彈性元件匹配。2-9四臂平衡差動(dòng)電橋。說(shuō)明為什么采用。全橋差動(dòng)電路，R1,R3受拉，R2,R4受壓，代入，得由全等橋臂，得可見(jiàn)輸出電壓Uo與ΔRi/Ri成嚴(yán)格的線性關(guān)系，沒(méi)有非線性誤差。即Uo=f(ΔR/R)。因?yàn)樗谋鄄顒?dòng)工作，不僅消除了飛線性誤差，而且輸出比單臂工作提高了4倍，故常采用此方法。3-1比較差動(dòng)式自感傳感器和差動(dòng)變壓器在結(jié)構(gòu)上及工作原理上的異同。絕大多數(shù)自感式傳感器都運(yùn)用與電阻差動(dòng)式類似的技術(shù)來(lái)改善性能，由兩單一式結(jié)構(gòu)對(duì)稱組合，構(gòu)成差動(dòng)式自感傳感器。采用差動(dòng)式結(jié)構(gòu)，除了可以改善非線性、提高靈敏度外，對(duì)電源電壓與頻率的波動(dòng)及溫度變化等外界影響也有補(bǔ)償作用，從而提高了傳感器的穩(wěn)定性?；ジ惺絺鞲衅魇且环N線圈互感隨銜鐵位移變化的變磁阻式傳感器，初、次級(jí)間的互感隨銜鐵移動(dòng)而變，且兩個(gè)次級(jí)繞組按差動(dòng)方式工作，因此又稱為差動(dòng)變壓器。3-4變間隙式、變截面式和螺旋式三種電感式傳感器各適合用于什么場(chǎng)合？各有什么優(yōu)缺點(diǎn)？變氣隙式靈敏度較高，但測(cè)量范圍小，一般用于測(cè)量幾微米到幾百微米的位移。變面積式靈敏度較低，但線性范圍較大，除E型與四極型外，還常做成八極、十六極型，一般可分辨零點(diǎn)幾角秒以下的微小角位移，線性范圍達(dá)±10°.螺管式可測(cè)量幾納米到一米的位移，但靈敏度較前兩種低。3-5螺管式電感傳感器做成細(xì)長(zhǎng)形有什么好處？欲擴(kuò)大其線性范圍可以采取哪些措施？答：好處：增加線圈的長(zhǎng)度有利于擴(kuò)大線性范圍或提高線性度。措施：適當(dāng)增加線圈長(zhǎng)度、采用階梯形線圈。3-6差動(dòng)式電感傳感器為什么常采用相敏檢波電路？分析原理。原因：相敏檢波電路，它能有效地消除基波正交分量與偶次諧波分量，減小奇次諧波分量，使傳感器零位電壓減至極小。3-7電感傳感器產(chǎn)生零位電壓的原因和減小零位電壓的措施。差動(dòng)自感式傳感器當(dāng)銜鐵位于中間位置時(shí)，電橋輸出理論上應(yīng)為零，但實(shí)際上總存在零位不平衡電壓輸出(零位電壓)，造成零位誤差。措施：一種常用的方法是采用補(bǔ)償電路，其原理為：(1)串聯(lián)電阻消除基波零位電壓；2)并聯(lián)電阻消除高次諧波零位電壓；(3)加并聯(lián)電容消除基波正交分量或高次諧波分量。另一種有效的方法是采用外接測(cè)量電路來(lái)減小零位電壓。如前述的相敏檢波電路，它能有效地消除基波正交分量與偶次諧波分量，減小奇次諧波分量，使傳感器零位電壓減至極小。此外還可采用磁路調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)(如可調(diào)端蓋)保證磁路的對(duì)稱性，來(lái)減小零位電壓。3-9造成自感式傳感器和差動(dòng)變壓器溫度誤差的原因及其減小措施。（1）環(huán)境溫度的變化會(huì)引起自感傳感器的零點(diǎn)溫度漂移、靈敏度溫度漂移以及線性度和相位的變化，造成溫度誤差。應(yīng)注意線膨脹系數(shù)的大小與匹配，采用弱磁不銹鋼等材料作線圈骨架，或采用脫胎線圈。（2）當(dāng)溫度變化時(shí)，差動(dòng)變壓器初級(jí)線圈的參數(shù)尤其銅阻的變化影響較大。應(yīng)提高初級(jí)線圈的品質(zhì)因數(shù)，或采用穩(wěn)定激勵(lì)電流的方法減小溫度誤差。3-12電渦流式傳感器的原理及應(yīng)用。1.測(cè)位移電渦流式傳感器的主要用途之一是可用來(lái)測(cè)量金屬件的靜態(tài)或動(dòng)態(tài)位移，最大量程達(dá)數(shù)百毫米，分辨率為0.1%。2.測(cè)厚度金屬板材厚度的變化相當(dāng)于線圈與金屬表面間距離的改變，根據(jù)輸出電壓的變化即可知線圈與金屬表面間距離的變化，即板厚的變化。3.測(cè)溫度若保持電渦流式傳感器的機(jī)、電、磁各參數(shù)不變，使傳感器的輸出只隨被測(cè)導(dǎo)體電阻率而變，就可測(cè)得溫度的變化。3-14比較定頻調(diào)幅式、變頻調(diào)幅式和調(diào)頻式三種測(cè)量電路的優(yōu)缺點(diǎn)，并指出它們的應(yīng)用場(chǎng)合。（1）定頻調(diào)幅式：這種電路采用石英晶體振蕩器，能獲得高穩(wěn)定度頻率的高頻激勵(lì)信號(hào)，輸出穩(wěn)定，獲得廣泛應(yīng)用，但線路較復(fù)雜，裝調(diào)較困難，線性范圍也不夠?qū)?。?）變頻調(diào)幅式：這種電路除結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低外，還具有靈敏度高、線性范圍寬等優(yōu)點(diǎn)，因此監(jiān)控等場(chǎng)合常采用它。（3）調(diào)頻式：這種電路的關(guān)鍵是提高振蕩器的頻率穩(wěn)定度。通常可以從環(huán)境溫度變化、電纜電容變化及負(fù)載影響三方面考慮。4-1電容式傳感器可分為哪幾類？各自的主要用途是什么？（1）變極距型電容傳感器：在微位移檢測(cè)中應(yīng)用最廣。（2）變面積型電容傳感器：適合測(cè)量較大的直線位移和角位移。（3）變介質(zhì)型電容傳感器：可用于非導(dǎo)電散材物料的物位測(cè)量。4-2變極距型電容傳感器產(chǎn)生非線性誤差的原因及如何減小？原因：靈敏度S與初始極距的平方成反比，用減少的辦法來(lái)提高靈敏度，但的減小會(huì)導(dǎo)致非線性誤差增大。采用差動(dòng)式，可比單極式靈敏度提高一倍，且非線性誤差大為減小。由于結(jié)構(gòu)上的對(duì)稱性，它還能有效地補(bǔ)償溫度變化所造成的誤差。4-3為什么電容式傳感器的絕緣、屏蔽和電纜問(wèn)題特別重要？如何解決？電容式傳感器由于受結(jié)構(gòu)與尺寸的限制，其電容量都很小，屬于小功率、高阻抗器，因此極易受外界干擾，尤其是受大于它幾倍、幾十倍的、且具有隨機(jī)性的電纜寄生電容的干擾，它與傳感器電容相并聯(lián)，嚴(yán)重影響傳感器的輸出特性，甚至?xí)蜎](méi)沒(méi)有用信號(hào)而不能使用。解決：驅(qū)動(dòng)電纜法、整體屏蔽法、采用組合式與集成技術(shù).5-12霍爾效應(yīng)是什么？可進(jìn)行哪些參數(shù)的測(cè)量？當(dāng)電流垂直于外磁場(chǎng)通過(guò)導(dǎo)體時(shí)，在導(dǎo)體的垂直于磁場(chǎng)和電流方向的兩個(gè)端面之間會(huì)出現(xiàn)電勢(shì)差，這一現(xiàn)象便是霍爾效應(yīng)。這個(gè)電勢(shì)差也被叫做霍爾電勢(shì)差。利用霍爾效應(yīng)可測(cè)量大電流、微氣隙磁場(chǎng)、微位移、轉(zhuǎn)速、加速度、振動(dòng)、壓力、流量和液位等；用以制成磁讀頭、磁羅盤、無(wú)刷電機(jī)、接近開(kāi)關(guān)和計(jì)算元件等等。磁敏電阻與磁敏二極管的特點(diǎn)？磁敏電阻：外加磁場(chǎng)使導(dǎo)體(半導(dǎo)體)電阻隨磁場(chǎng)增加而增大的現(xiàn)象稱磁阻效應(yīng)。載流導(dǎo)體置于磁場(chǎng)中除了產(chǎn)生霍爾效應(yīng)外,導(dǎo)體中載流子因受洛侖茲力作用要發(fā)生偏轉(zhuǎn),載流子運(yùn)動(dòng)方向偏轉(zhuǎn)使電流路徑變化,起到了加大電阻的作用,磁場(chǎng)越強(qiáng)增大電阻的作用越強(qiáng)。磁敏電阻主要運(yùn)用于測(cè)位移。磁敏二極管：輸出電壓隨著磁場(chǎng)大小的方向而變化，特別是在弱磁場(chǎng)作用下，可獲得較大輸出電壓變化，r區(qū)內(nèi)外復(fù)合率差別越大，靈敏度越高。當(dāng)磁敏二極管反向偏置時(shí)，只有很少電流通過(guò)，二極管兩端電壓也不會(huì)因受到磁場(chǎng)的作用而有任何改變。利用磁敏二極管可以檢測(cè)弱磁場(chǎng)變化這一特性可以制成漏磁探傷儀。6-1何謂壓電效應(yīng)？正壓電與逆壓電？一些離子型晶體的電介質(zhì)不僅在電場(chǎng)力作用下，而且在機(jī)械力作用下，都會(huì)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σ)與外應(yīng)力張量T成正比：D=dT式中d——壓電常數(shù)矩陣。當(dāng)外力消失，電介質(zhì)又恢復(fù)不帶電原狀；當(dāng)外力變向，電荷極性隨之而變。這種現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)，或簡(jiǎn)稱壓電效應(yīng)。若對(duì)上述電介質(zhì)施加電場(chǎng)作用時(shí)，同樣會(huì)引起電介質(zhì)內(nèi)部正負(fù)電荷中心的相對(duì)位移而導(dǎo)致電介質(zhì)產(chǎn)生變形，且其應(yīng)變S與外電場(chǎng)強(qiáng)度E成正比：S=dtE式中dt——逆壓電常數(shù)矩陣。這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)，或稱電致伸縮。壓電材料的主要特性參數(shù)有哪些？比較三類壓電材料的應(yīng)用特點(diǎn)。主要特性：壓電常數(shù)、彈性常數(shù)、介電常數(shù)、機(jī)電耦合系數(shù)、電阻、居里點(diǎn)壓電單晶：時(shí)間穩(wěn)定性好，居里點(diǎn)高，在高溫、強(qiáng)幅射條件下，仍具有良好的壓電性，且機(jī)械性能，如機(jī)電耦合系數(shù)、介電常數(shù)、頻率常數(shù)等均保持不變。此外，還在光電、微聲和激光等器件方面都有重要應(yīng)用。不足之處是質(zhì)地脆、抗機(jī)械和熱沖擊性差。壓電陶瓷：壓電常數(shù)大，靈敏度高，制造工藝成熟，成形工藝性好，成本低廉，利于廣泛應(yīng)用，還具有熱釋電性。新型壓電材料：既具有壓電特性又具有半導(dǎo)體特性。因此既可用其壓電性研制傳感器，又可用其半導(dǎo)體特性制作電子器件；也可以兩者合一，集元件與線路于一體，研制成新型集成壓電傳感器測(cè)試系統(tǒng)。6-6原理上，壓電式傳感器不能用于靜態(tài)測(cè)量，但實(shí)用中，壓電式傳感器可能用來(lái)測(cè)量準(zhǔn)靜態(tài)量，為什么？壓電式測(cè)力傳感器是利用壓電元件直接實(shí)現(xiàn)力-電轉(zhuǎn)換的傳感器，在拉力、壓力和力矩測(cè)量場(chǎng)合，通常較多采用雙片或多片石英晶片作壓電元件。由于它剛度大，動(dòng)態(tài)特性好；測(cè)量范圍廣，可測(cè)范圍大；線性及穩(wěn)定性高；可測(cè)單、多向力。當(dāng)采用大時(shí)間常數(shù)的電荷放大器時(shí)，就可測(cè)準(zhǔn)靜態(tài)力。7-1熱電式傳感器分類。各自特點(diǎn)。熱電式傳感器是一種將溫度變化轉(zhuǎn)換為電量變化的裝置。它可分為兩大類：熱電阻傳感器和熱電偶傳感器。熱電阻傳感器的特點(diǎn)：（1)高溫度系數(shù)、高電阻率。(2)化學(xué)、物理性能穩(wěn)定。(3)良好的輸出特性。(4).良好的工藝性，以便于批量生產(chǎn)、降低成本。熱電偶傳感器的特點(diǎn)：（1）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單（2）制造方便（3）測(cè)溫范圍寬（4）熱慣性?。?）準(zhǔn)確度高（6）輸出信號(hào)便于遠(yuǎn)傳7-2常用的熱電阻。適用范圍。鉑、銅為應(yīng)用最廣的熱電阻材料。鉑容易提純，在高溫和氧化性介質(zhì)中化學(xué)、物理性能穩(wěn)定，制成的鉑電阻輸出－輸入特性接近線性，測(cè)量精度高。銅在-50～150℃范圍內(nèi)銅電阻化學(xué)、物理性能穩(wěn)定，輸出－輸入特性接近線性，價(jià)格低廉。當(dāng)溫度高于100℃時(shí)易被氧化，因此適用于溫度較低和沒(méi)有浸蝕性的介質(zhì)中工作。7-4利用熱電偶測(cè)溫必須具備哪兩個(gè)條件？（1）用兩種不同材料作熱電極（2）熱電偶兩端的溫度不能相同7-5什么是中間導(dǎo)體定律和連接導(dǎo)體定律？它們?cè)诶脽犭娕紲y(cè)溫時(shí)有什么實(shí)際意義？中間導(dǎo)體定律：導(dǎo)體A、B組成的熱電偶，當(dāng)引入第三導(dǎo)體時(shí)，只要保持第三導(dǎo)體兩端溫度相同，則第三導(dǎo)體對(duì)回路總熱電勢(shì)無(wú)影響。利用這個(gè)定律可以將第三導(dǎo)體換成毫伏表，只要保證兩個(gè)接點(diǎn)溫度一致，就可以完成熱電勢(shì)的測(cè)量而不影響熱電偶的輸出。連接導(dǎo)體定律：回路的總電勢(shì)等于熱電偶電勢(shì)EAB(T,To)與連接導(dǎo)線電勢(shì)EA’B’(Tn,To)的代數(shù)和。連接導(dǎo)體定律是工業(yè)上運(yùn)用補(bǔ)償導(dǎo)線進(jìn)行溫度測(cè)量的理論基礎(chǔ)。7-6什么是中間溫度定律？有什么實(shí)際意義？EAB(T,Tn,To)=EAB(T,Tn)+EAB(Tn,To)這是中間溫度定律表達(dá)式，即回路的總熱電勢(shì)等于E