传感器答案.doc

第1章 问题5、什么是传感器？传感器的组成及分类是怎样的？（1）传感器是能感受规定的被测量并按照一定的规律将其转换成可用输出信号的器件或装置。（2）传感器的组成 通常传感器由敏感元件和转换元件组成 传感器的分类 a.传感器按照其用途分类 压敏和力敏传感器 位置传感器 液面传感器 能耗传感器 速度传感器 加速度传感器 射线辐射传感器 热敏传感器 雷达传感器 b.传感器按照其原理分类 电阻、电容、电感传感器 湿敏、磁敏、气敏、光敏、热敏传感器 真空度、压电、流量传感器 生物传感器 c.传感器按照其输出信号为标准分类 模拟传感器将被测量的非电学量转换成模拟电信号。 数字传感器将被测量的非电学量转换成数字输出信号(包括直接和间 接转换)。 开关传感器当一个被测量的信号达到某个特定的阈值时，传感器相应 地输出一个设定的低电平或高电平信号。6、 什么是测量？测量是以确定量值为目的的一系列操作。 所以测量也就是将被测量与同种性质的标准量进行比较, 确定被测量对标准量的倍数。它可由以下公式表示： 或 式中 ： x被测量值; u标准量, 即测量单位; n比值（纯数）, 含有测量误差。 7、 什么是等精度测量？什么是不等精度测量？用相同仪表与测量方法对同一被测量进行多次重复测量, 称为等精度测量。 用不同精度的仪表或不同的测量方法, 或在环境条件相差很大时对同一被测量进行多次重复测量称为非等精度测量。8、 开环、闭环测量系统有什么区别？开环测量系统开环测量系统全部信息变换只沿着一个方向进行闭环测量系统-闭环测量系统有两个通道, 一为正向通道, 二为反馈通道9、测量误差的表示方法有几种？绝对误差是示值与被测量真值之间的差值 x=x-L 式中: 绝对误差; x测量值; L真实值。相对误差是由绝对误差与真值或实际值之比 = 100% 式中: 相对误差, 一般用百分数给出; 绝对误差; L真实值。 引用误差引用误差是仪表中通用的一种误差表示方法。 它是相对仪表满量程的一种误差, 一般也用百分数表示，即 = 式中: 引用误差; 绝对误差。 9、 测量数据中误差出现的规律有哪几种？各有什么特点？根据测量数据中的误差所呈现的规律, 将误差分为三种, 即系统误差、随机误差和粗大误差。这种分类方法便于测量数据处理。 （1） 系统误差对同一被测量进行多次重复测量时, 如果误差按照一定的规律出现, 则把这种误差称为系统误差。（2） 随机误差对同一被测量进行多次重复测量时, 绝对值和符号不可预知地随机变化, 但就误差的总体而言, 具有一定的统计规律性的误差称为随机误差。 （3）粗大误差明显偏离测量结果的误差称为粗大误差, 又称疏忽误差。这类误差是由于测量者疏忽大意或环境条件的突然变化而引起的。对于粗大误差, 首先应设法判断是否存在, 然后将其剔除。 11、 什么是“权”？在不等精度测量时, 对同一被测量进行m组测量, 得到m组测量列（进行多次测量的一组数据称为一测量列）的测量结果及其误差, 它们不能同等看待。 精度高的测量列具有较高的可靠性, 将这种可靠性的大小称为“权”。12、传感器输入-输出静态特性的衡量指标都有哪些？（1）线性度传感器的校准曲线与选定的拟合直线的偏离程度称为传感器的线性度，又称非线性误差。（2）灵敏度灵敏度是指传感器在稳态工作情况下输出改变量与引起此变化的输入改变量之比。常用Sn表示灵敏度，其表达式为（3）迟滞(迟环)在相同工作条件下做全量程范围校准时，正行程和反行程所得输出输入特性曲线不重合。迟滞用来描述这种不重合的程度。（4）重复性重复性是指在相同工作条件下，输入量按同一方向作全量程多次测试时，所得特性曲线不一致性的程度。第2章 问题1、 水的三态点（三相点）的温度是如何表示的？1K定义为水的三相点热力学温度的1/273.16，水的三相点，即液体、固体、气体状态的水同时存在的温度，为273.16K。2、 摄氏温度和华氏温度的关系表达式？C=5/9(F-32)C-摄氏温度值F-华氏温度值3、 接触式测温和非接触式测温各有什么特点？接触式测温方法是使温度敏感元件和被测温度对象相接触, 当被测温度与感温元件达到热平衡时, 温度敏感元件与被测温度对象的温度相等。这类温度传感器具有结构简单， 工作可靠，精度高，稳定性好，价格低廉等优点。这类测温方法的温度传感器主要有: 基于物体受热体积膨胀性质的膨胀式温度传感器，基于导体或半导体电阻值随温度变化的电阻式温度传感器，基于热电效应的热电偶温度传感器。 非接触式测温方法是应用物体的热辐射能量随温度的变化而变化的原理。物体辐射能量的大小与温度有关, 并且以电磁波形式向四周辐射, 当选择合适的接收检测装置时, 便可测得被测对象发出的热辐射能量并且转换成可测量和显示的各种信号, 实现温度的测量。这类测温方法的温度传感器主要有光电高温传感器、红外辐射温度传感器、光纤高温传感器等。非接触式温度传感器理论上不存在热接触式温度传感器的测量滞后和在温度范围上的限制, 可测高温、 腐蚀、 有毒、 运动物体及固体、 液体表面的温度, 不干扰被测温度场, 但精度较低, 使用不太方便。 4、 双金属片用于控制温度的工作原理是什么样的？双金属温度计敏感元件如图所示，他们由两种热膨胀系数不同的金属片组合而成，将两片粘贴在一起，并将其一端固定，另一端设为自由端，自由端与指示系统相连接。当温度由T0变化到T1时，由于AB两者的热膨胀系数不一致而发生弯曲，即双金属片由T0时初始位置AB变化到T1时的相应位置AB，最后导致自由端产生一定的角位移，角位移的大小与温度成一定的函数关系，通过标定刻度，即可测量温度。5、 铂热电阻测温的特性是什么？铂热电阻的特点是精度高、稳定性好、性能可靠, 所以在温度传感器中得到了广泛应用。铂很容易提纯，复现性好，有良好的工艺性，可制成很细的铂丝(0.02mm或更细)或极薄的铂箔。与其它材料相比，铂有较高的电阻率，因此普遍认为是一种较好的热电阻材料。按IEC标准, 铂热电阻的使用温度范围为-200+850。铂热电阻的特性方程为 在-2000的温度范围内: Rt=R01+At+Bt2+C (t-100) t3 在0850的温度范围内: Rt = R0(1+At+Bt2) 6、 半导体热敏电阻分哪几类？各有什么特点？NTC型、PTC型、CTR型三类。PTC热敏电阻是一种典型具有温度敏感性的半导体电阻，超过一定的温度(居里温度)时，它的电阻值随着温度的升高呈阶跃性的增高。NTC热敏电阻是一种典型具有温度敏感性的半导体电阻，它的电阻值随着温度的升高呈阶跃性的减小。临界温度热敏电阻CTR（Critical Temperature Resistor）具有负电阻突变特性，在某一温度下，电阻值随温度的增加激剧减小，具有很大的负温度系数。7、 热敏电阻用于控制三极管的通断电路如何设计？P32(c)晶体管保护8、 什么是热电效应？将两种不同材料的导体A和B串接成一个闭合回路，当两个接点温度不同时，在回路中就会产生热电势，形成电流，此现象称为热电效应。9、 什么是帕尔贴效应？什么是汤姆逊效应？由N、P型材料组成一对热电偶， 当热电偶通入直流电流后，因直流电通入的方向不同， 将在电偶结点处产生吸热和放热现象，称这种现象为珀尔帖效应。对单一金属导体，如果两端的温度不同，则两端的自由电子就具有不同的动能。温度高则动能大，动能大的自由电子就会向温度低的一段扩散。失去了电子的这一端就处于正电位，而低温端由于得到电子处于负电位。这样两端就形成了电位差，称为温差电动势（汤姆逊电动势）。10、热电动势由哪几部分构成？总的热电动势包括两个接触电动势和两个温差电动势。11、 热电偶回路总的热电动势的表达式的公式推导。12、 中间导体定律的内容、证明及应用各是什么？中间导体定律如图所示，将A、B构成的热电偶的T0端断开，接入第三种导体C，只要保持第三导体两端温度相同，接入导体C后对回路总电动势无影响。证明：P39应用：可以在热电偶的回路中引入各种仪表和连接导线等。13、 E、K、S、B型热电偶各有什么样的特点？S型：优点：准确度高，稳定性好，测温温区和使用寿命长，物理化学性能良好，在高温下抗氧化性能好，适用于氧化和惰性气氛中。缺点：热电率较小，灵敏度低，高温下机械强度下降，对污染敏感，贵金属材料昂贵，因此一次性投资较大。B型：优点：准确度高，稳定性好，测温温区宽，使用寿命长等，适用于氧化性和惰性气氛中，也可短期用于真空中，但不适用于还原性气氛或含有金属或非金属蒸汽中；参比端不需进行冷端补偿，因为在050范围内热电势小于3V。缺点：热电率较小，灵敏度低，高温下机械强度下降，抗污染能力差，贵金属材料昂贵。K型：优点：线性度好，热电势较大，灵敏度较高，稳定性和复现性均好，抗氧化性强，价格便宜。能用于氧化性和惰性气氛中。缺点：K型热电偶不能在高温下直接用于硫、还原性或还原、氧化交替的气氛中，也不能用于真空中。E型：该热电偶电动势之大，灵敏度之高属所有标准热电偶之最，宜制成热电偶堆来测量微小温度变化。E型热电偶可用于湿度较大的环境里，具有稳定性好，抗氧化性能高，价格便宜等优点。但不能在高温下用于硫、还原性气氛中。14、 补偿导线的作用？补偿导线的作用：用热电性质与热电偶相近的材料制成导线，用它将热电偶的参比端延长到需要的地方，而且不会对热电偶回路引入超出允许的附加测温误差。15、 掌握热电偶测温差电路、串联电路及并联电路的应用。热电偶测温差电路： 用热电偶测平均温度一般采用热电偶并联的方法：用热电偶测几点之间的测温路线的方法一般用热电偶的串联：16、掌握维恩定律及斯特藩玻尔兹曼定律的应用计算。第3章 问题1、 什么是金属应变效应？什么是半导体压阻效应？ 电阻丝在外力作用下发生机械形变时，其电阻值发生变化，称为电阻应变效应（金属应变效应）。某些电介质物体在某方向受压力或拉力作用产生形变时，表面会产生电荷。外力撤消后，又回到不带电状态。这种现象称为压电效应。2、 推导金属应变片灵敏度表达式。3、 应变片的温度误差是什么样的？如何补偿？1.温度误差 ：温度误差是指环境温度变化引起应变片电阻变化。原因有两方面：一方面是应变片电阻丝的温度系数，另一方面是电阻丝材料与试件材料的线膨胀系数不同。2.温度补偿 电桥补偿法如图4、 设计实现用四个应变片构成全桥电路测量悬臂梁所受应力。标明应变片在悬臂梁上的安装位置。画出全桥测量电路图。输出电压与应变片阻值变化的关系式？P（74）5、 什么是正压电效应？什么是逆压电效应？压电效应：某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷。当外力去掉后，它又会恢复到不带电的状态，这种现象称为正压电效应。当作用力的方向改变时，电荷的极性也随之改变。相反，当在电介质的极化方向上施加电场，这些电介质也会发生变形，电场去掉后，电介质的变形随之消失，这种现象称为逆压电效应，或称为电致伸缩现象。6、 以石英晶体为例，阐述压电效应的微观机制。若从晶体上沿 y 方向切下一块如图 6 - 2（c）所示晶片, 当在电轴方向施加作用力时, 在与电轴 x 垂直的平面上将产生电荷, 其大小为 qx = d11 fx (6 - 1) 式中: d11x方向受力的压电系数; Fx 作用力。若在同一切片上, 沿机械轴y方向施加作用力fy, 则仍在与x轴垂直的平面上产生电荷qy, 其大小为 qy=d12 fy （6 - 2）式中: d12y轴方向受力的压电系数, d12=-d11; a、 b晶体切片长度和厚度。电荷qx和qy 的符号由所受力的性质决定。 石英晶体的上述特性与其内部分子结构有关。图6 - 3是一个单元组体中构成石英晶体的硅离子和氧离子, 在垂直于z轴的xy平面上的投影, 等效为一个正六边形排列。图中“”代表Si4+离子, “”代表氧离子O2-。 当石英晶体未受外力作用时, 正、负离子正好分布在正六边形的顶角上, 形成三个互成120夹角的电偶极矩P1、 P2、P3。 如图 6 - 3（a）所示。因为P=qL, q为电荷量, L为正负电荷之间距离。 此时正负电荷重心重合, 电偶极矩的矢量和等于零, 即P1+P2+P3 = 0, 所以晶体表面不产生电荷, 即呈中性。 当石英晶体受到沿x轴方向的压力作用时, 晶体沿x方向将产生压缩变形, 正负离子的相对位置也随之变动。如图 6 - 3（b）所示, 此时正负电荷重心不再重合, 电偶极矩在x方向上的分量由于P1的减小和P2、P3的增加而不等于零, 即（P1+P2+P3）x 0 。 在x轴的正方向出现正电荷, 电偶极矩在y方向上的分量仍为零, 不出现电荷。 当晶体受到沿y轴方向的压力作用时, 晶体的变形如图6 - 3（c）所示, 与图6 - 3（b）情况相似, P1增大, P2、P3 减小。 在x轴上出现电荷, 它的极性为x轴正向为负电荷。 在y轴方向上不出现电荷。 如果沿z轴方向施加作用力, 因为晶体在x方向和y方向所产生的形变完全相同, 所以正负电荷重心保持重合, 电偶极矩矢量和等于零。这表明沿z轴方向施加作用力, 晶体不会产生压电效应。 当作用力fx、fy的方向相反时, 电荷的极性也随之改变7、 说明压电陶瓷的正压电效应的工作机理。 压电陶瓷是人工制造的多晶体压电材料。 材料内部的晶粒有许多自发极化的电畴, 它有一定的极化方向, 从而存在电场。 在无外电场作用时, 电畴在晶体中杂乱分布, 它们的极化效应被相互抵消, 压电陶瓷内极化强度为零。因此原始的压电陶瓷呈中性, 不具有压电性质。如图 6 - 4（a）所示。 在陶瓷上施加外电场时, 电畴的极化方向发生转动, 趋向于按外电场方向的排列, 从而使材料得到极化。外电场愈强, 就有更多的电畴更完全地转向外电场方向。 让外电场强度大到使材料的极化达到饱和的程度, 即所有电畴极化方向都整齐地与外电场方向一致时, 外电场去掉后, 电畴的极化方向基本不变, 即剩余极化强度很大, 这时的材料才具有压电特性。 极化处理后陶瓷材料内部仍存在有很强的剩余极化, 当陶瓷材料受到外力作用时, 电畴的界限发生移动, 电畴发生偏转, 从而引起剩余极化强度的变化, 因而在垂直于极化方向的平面上将出现极化电荷的变化。这种因受力而产生的由机械效应转变为电效应, 将机械能转变为电能的现象, 就是压电陶瓷的正压电效应。电荷量的大小与外力成正比关系: q = d33 F (6- 3)式中: d33 压电陶瓷的压电系数; F作用力。8、 压电传感器测量电路中的前置放大器的作用及形式各是什么？压电传感器本身的内阻抗很高, 而输出能量较小, 因此它的测量电路通常需要接入一个高输入阻抗的前置放大器，其作用为: 一是把它的高输出阻抗变换为低输出阻抗; 二是放大传感器输出的微弱信号。压电传感器的输出可以是电压信号, 也可以是电荷信号, 因此前置放大器也有两种形式: 电压放大器和电荷放大器。9、 压电传感器能不能对静态力信号进行测量？为什么？不能（1）电荷量太小(2)电荷泄露，游离的电荷将传感器上的电荷中和使得电荷减少(3)电荷得不到补充（自己补充！）10、压电传感器能不能对缓慢变化的力信号进行测量？如何实现？能。采用并联方式测量。（1）电荷量Q增加一倍（2）电荷泄露时间延长（3）电荷可以补充（自己补充！）11、 两片压电元件连接在一起，有哪两种连接方式？其特点各是什么？串联和并联串联后，C=0.5C U=2U Q=Q并联后，C=2C U=U Q=2Q12、 以改变极板间距为例，推导电容传感器灵敏度的公式表达式。13、 掌握电容测量电路中的桥式电路及脉冲调宽电路的分析方法。桥式电路空载电压：差动脉冲调宽电路 差动脉冲调宽电路属脉冲调制电路。它利用对 传感器电容充放电使输出脉冲的宽度随电容量的变 化而变化，再经低通滤波器可得对应被测量变化的 直流信号。输出的直流电压与传感器两电容差值成正比。第4章 问题1、 推导在电容物位计中的电容和物位的关系表达式。2、 超声波在典型介质（钢、水、空气）中的速度、声音阻抗、波长（频率40kHz）之间的计算关系。介质的声阻抗Z等于介质的密度和声速c的乘积，即Z=c 超声波的波长与频率f 乘积恒等于声速c，即 f =c 3、 超声波的反射系数与声音阻抗的关系表达式。P(131)4.4.4式和4.4.5式4、 超声波传感器在测距、探伤等方面的应用。 5、 什么是涡流？涡流产生的必要条件？根据法拉第电磁感应原理，块状金属导体置于变化的磁场中或在磁场中作切割磁感线的运动时，导体内部将产生呈涡旋状的感应电流，磁电流叫电涡流，这种现象就称为涡流效应。形成涡流必须具备下列两个条件： 1. 块状金属导体 2. 变化的磁场 6、 分析高频反射式涡流传感器、低频透射式涡流传感器的工作原理。低频透射式涡流传感器 1、 低频透射式涡流传感器测厚原理（详见P122！） 1.两线圈之间不 存在被测材料M 2.两线圈之间存 在被测材料M 2、 高频透射式涡流传感器测厚原理（详见P118！）7、 涡流传感器能不能对金属内部进行探伤？第6章 问题1、 推导变磁阻式电感传感器的灵敏度公式。2、 差动变压器中的零位电压是什么？其产生原因、危害、解决办法分别是什么？详见（P178最后一段）3、 分析在全波差动电压整流电路中，如何实现对铁芯位移大小及方向的判断。4、 光效效应分哪几类？各是什么？其典型元件各是什么？在光线作用下, 物体的电导性能改变的现象称为内光电效应, 如光敏电阻等就属于这类光电器件。在光线作用下, 能使电子逸出物体表面的现象称为外光电效应, 如光电管、光电倍增管就属于这类光电