传感器原理与应用-复习思考题.doc

复习思考题一、填空题1、按能量角度分析，典型的传感器构成方法有三种，即自源型、带激励源型以及外源型，前两者属于能量转换型，后者是能量控制型。2、将温度转换为电势大小的热电式传感器是热电偶传感器，而将温度变化转换为电阻大小的热电式传感器是热电阻（金属材料）或热敏电阻（半导体材料）。3、电感式传感器也称为变磁阻式传感器，它是利用电磁感应原理将被测物理量转换成线圈 自感系数和互感系数的变化，再由测量电路转换为电压或电流的变化，从而实现非电量到电量的转换。4、容栅传感器实际上是多个差动式变面积型电容传感器的并联，它具有误差平均效应，测量精度很高。5、热电偶传感器的工作基础是热电效应，其产生的热电势包括接触电势和温差电势两部分。热电偶的中间导体（连接导体）定律是工业上运用补偿导线法进行温度补偿的理论基础； 中间温度定律为制定分度表奠定了理论基础；根据中间导体定律，可允许采用任意的焊接方式来焊接热电偶。6、用于制作压电传感器的常用压电材料是石英晶体和压电陶瓷。7、基于外光电效应的器件有光电管和光电倍增管；基于内光电效应的器件有光敏电阻、光电池、光敏二极管和光敏晶体管等。二、选择题: 1. 被测信号x(t)的最高频率为fm时，采样频率fc至少为_C_,才能恢复原始波形，否则，会引起信号失真。 A 0.5fm B fm C 2fm2. 某传感器的精度为2%FS，满量程输出为100mV，可能最大的误差为_A_。 A 2 mV B 1 mV C 4 mV D 6 mV3. 传感器在正、反行程中输入输出曲线不重合称为_B_。 A 非线性误差 B 迟滞 C 重复性 4. 一弹性式压力传感器在加压过程和减压过程中，输入值相同，但传感器的输出却不一致，这种现象称为_C_。A 弹性元件的非线性 B 弹性后效 C 弹性滞后 D 弹性元件的不稳定 5. 传感器的输出分辨率_D_输入分辨率。 A 大于 B 等于 C 小于 D 不相关6. 传感器能检测到的最小输入增量为_D_。 A 零点残余 B 迟滞 C 误差 D 分辨力7. 金属应变片利用了金属材料的_A_。A 电阻应变效应 B 压阻效应 C 压电效应8. 半导体应变片利用了金属材料的_B_。A 电阻应变效应 B 压阻效应 C 压电效应9. 应变式传感器是一种_C_的测量装置。A 只能测量应变 B 只能测量电阻的相对变化 C 可以测量能转化为应变的被测量 D 可以测量所有的被测量10. 采用箔式应变片是为了减小传感器的_C_。A 原始阻值 B 最大工作电流 C 横向效应11. 直流电桥的平衡条件可以概括为_A_。A 对臂阻抗之积相等 B相邻臂阻抗之和相等 C 相邻臂阻抗之积相等 D对臂阻抗之和相等12. 电阻应变片测量时采用补偿片作温度补偿，对补偿片的要求是_C_。A 与工作应变片处在相同的应变状态下B 应该远离工作应变片C 与工作应变片处在相同环境温度下13. 应变片采用半桥差动测量线路时，电源电压为Usr，其输出电压Usc为_B_。A Usc=Usr B Usc=Usr*R/(2*R) C Usc=Usr*R/(4*R)D Usc=Usr*R/R14.若差动电感传感器磁芯位移与输出电压有效值关系曲线在零点总有一个最小输出电压，称为_A_。A 零点残余电压 B 参考电压 C 测量信号电压15. 常见的数显游标卡尺用_C_作为基准器件。A 感应同步器 B 光栅尺 C 容栅尺 4. 热电阻温度计采用三线制或四线制引线是为了? B A. 在测量时提高灵敏度 B. 在测量时消除引线电阻的影响 C. 消除接触电动势的影响5. 霍耳传感器的输出与沿_A_方向的距离成反比。 A. 磁场 B. 电流 C. 电压6. 热电偶温度计采用冷端补偿的目的是为了_C_ 。 A. 节省热电偶的长度 B. 避免使用补偿导线 C. 可以直接使用分度表7. 补偿导线的作用是为了_B_。 A. 补偿冷端不在0的影响 B. 将冷端延伸至远离热源且温度恒定的地方 C. 节约热电偶材料12. 光电倍增管的工作原理是_B_。 A. 热电效应 B. 外光电效应 C. 内光电效应13. 电机轴上安装一个10个齿的调制盘，当电机以30的角速度转动时，光电二极管的输出信号频率是_D_。 A 300Hz B 180 Hz C 450 Hz D 150 Hz14. 电机轴上安装一个60个齿的调制盘，当电机以15的角速度转动时，光电二极管的输出信号频率是_C_。 A 900Hz B 60 Hz C 450 Hz D 15 Hz15. 裂相光栅四个部分的透射光的相位依次相差_C_。A B 2 C 0.5 D 0.25三、简述题1、 简述非线性误差的定义。答：输出-输入校准曲线与所选定的拟合直线之间的吻合（或偏离）程度的指标。2、 举例说明结构型传感器与物性型传感器的区别。3、 简述压电陶瓷的压电机理。4、 简述应变计横向效应的产生原因、横向效应系数的定义及减小横向效应的方法。5、 给出热电偶传感器冷端电桥补偿法的结构，并说明其原理。四、如图所示的纯弯试件，如何利用全桥测量提高灵敏度并实现温度补偿，画出布片图和电桥连接图，推导输出公式。 F 五、压电式加速度传感器的结构如图所示，假设重块组件的质量为m，压电元件的压电系数为d，传感器壳体内的等效阻尼系数为c。要求：（1）分别给出输出电荷q及输出电压U与加速度a之间的关系；（2）画出此加速度传感器的等效模型；（3）推导传感器的微分方程，并说明它是几阶环节的传感器。六、 热电阻传感器设计一个电热水器，当热水器内的水温低于90时，控制热水器的电源接通，给水加热，同时红色指示灯亮，表示正在给水加热；当热水器内的水温达到95时，控制电路自动切断热水器的电源，停止给水加热，处于保温状态，此时绿色指示灯亮，表示可饮用。（本题10分）实验仪器及材料：热电阻传感器；XMT-122数字指示调节仪；电炉及水壶；稳压电源（DH1718-4）；继电器（控制电压为DC5V）；电源线及导线。说明：（1）XMT-122数字指示调节仪的前面板如图，“H”键和“L”键分别用于调节“上限温度”和“下限温度”。（2）XMT-122数字指示调节仪的后面板中，A、B、C端子接热电阻传感器的输出，电源采用220V（50Hz）的交流电。上（下）限电接点1、2、3的状态说明： 当热电阻实测温度低于“上（下）限温度”时，上（下）限电接点端子1、2开路，处于“断”状态，而端子1、3短路，处于“通”状态。 当热电阻实测温度高于“上（下）限温度”时，上（下）限电接点端子1、2短路，处于“通”状态，而端子1、3开路，处于“断”状态。要求：（1）画出系统电路连接图，并说明其工作原理。（2）给出热电阻三线制测量电路及工作原理，说明它是如何减小引线电阻对测量的影响的？1-1. 衡量传感器静态特性的主要指标，说明含义。线性度表征传感器输出-输入校准曲线与所选定的拟合直线之间的吻合（或偏离）程度的指标。回差（滞后）反应传感器在正（输入量增大）反（输入量减小）行程过程中输出-输入曲线的不重合程度。重复性衡量传感器在同一工作条件下，输入量按同一方向作全量程连续多次变动时，所得特性曲线间一致程度。各条特性曲线越靠近，重复性越好。灵敏度传感器输出量增量与被测输入量增量之比。分辨力传感器在规定测量范围内所能检测出的被测输入量的最小变化量。阀值使传感器输出端产生可测变化量的最小被测输入量值，即零位附近的分辨力。稳定性即传感器在相当长时间内仍保持其性能的能力。漂移在一定时间间隔内，传感器输出量存在着与被测输入量无关的、不需要的变化。静态误差（精度）传感器在满量程内任一点输出值相对理论值的可能偏离（逼近）程度。1-2. .计算传感器线性度的方法，差别。理论直线法：以传感器的理论特性线作为拟合直线，与实际测试值无关。端点直线法：以传感器校准曲线两端点间的连线作为拟合直线。“最佳直线”法：以“最佳直线”作为拟合直线，该直线能保证传感器正反行程校准曲线对它的正负偏差相等并且最小。这种方法的拟合精度最高。最小二乘法：按最小二乘原理求取拟合直线，该直线能保证传感器校准数据的残差平方和最小。1-3. 什么是传感器的静态特性和动态特性？为什么要分静和动？（1）静态特性：表示传感器在被测输入量各个值处于稳定状态时的输出-输入关系。动态特性：反映传感器对于随时间变化的输入量的响应特性。（2）由于传感器可能用来检测静态量（即输入量是不随时间变化的常量）、准静态量或动态量（即输入量是随时间变化的变量），于是对应于输入信号的性质，所以传感器的特性分为静态特性和动态特性。1-4. 分析改善传感器性能的技术途径和措施。（1）结构、材料与参数的合理选择（2）差动技术（3）平均技术（4）稳定性处理（5）屏蔽、隔离与干扰抑制 (6）零示法、微差法与闭环技术（7）补偿、校正与“有源化”（8）集成化、智能化与信息融合2-1.金属应变计和半导体工作机理的异同？比较应变计各种灵敏系数概念的不同意义？（1）相同点：它们都是在外界力作用下产生机械变形，从而导致材料的电阻发生变化所；不同点：金属材料的应变效应以机械形变为主，材料的电阻率相对变化为辅；而半导体材料则正好相反，其应变效应以机械形变导致的电阻率的相对变化为主，而机械形变为辅。（2）对于金属材料，灵敏系数Ko=Km=(1+2)+C(1-2)。前部分为受力后金属几何尺寸变化，一般0.3，因此（1+2）=1.6；后部分为电阻率随应变而变的部分。金属丝材的应变电阻效应以结构尺寸变化为主。对于半导体材料，灵敏系数Ko=Ks=(1+2)+ E。前部分同样为尺寸变化，后部分为半导体材料的压阻效应所致，而E (1+2)，因此Ko=Ks=E。半导体材料的应变电阻效应主要基于压阻效应。2-4.试述应变电桥产生非线性的原因及消减非线性误差的措施。原因：上式分母中含Ri/Ri，是造成输出量的非线性因素。无论是输出电压还是电流，实际上都与Ri/Ri呈非线性关系。措施：(1) 差动电桥补偿法差动电桥呈现相对臂“和”，相邻臂“差”的特征，通过应变计合理布片达到补偿目的。常用的有半桥差动电路和全桥差动电路。 (2) 恒流源补偿法 误差主要由于应变电阻Ri的变化引起工作臂电流的变化所致。采用恒流源，可减小误差。2-9.四臂平衡差动电桥，说明为什么采用？全桥差动电路，R1,R3受拉，R2,R4受压，代入，得 由全等桥臂，得可见输出电压Uo与Ri/Ri成严格的线性关系，没有非线性误差。即Uo=f(R/R)。因为四臂差动工作，不仅消除了飞线性误差，而且输出比单臂工作提高了4倍，故常采用此方法。3-1.比较差动式自感传感器和差动变压器在结构上及工作原理上的异同？绝大多数自感式传感器都运用与电阻差动式类似的技术来改善性能，由两单一式结构对称组合，构成差动式自感传感器。采用差动式结构，除了可以改善非线性、提高灵敏度外，对电源电压与频率的波动及温度变化等外界影响也有补偿作用，从而提高了传感器的稳定性。互感式传感器是一种线圈互感随衔铁位移变化的变磁阻式传感器，初、次级间的互感随衔铁移动而变，且两个次级绕组按差动方式工作，因此又称为差动变压器。3-4. 变间隙式、变截面式和螺旋式三种电感式传感器各适用于什么场合？各有什么优缺点？变气隙式灵敏度较高，但测量范围小，一般用于测量几微米到几百微米的位移。变面积式灵敏度较低，但线性范围较大，除E型与四极型外，还常做成八极、十六极型，一般可分辨零点几角秒以下的微小角位移，线性范围达10. 螺管式可测量几纳米到一米的位移，但灵敏度较前两种低。3-5. 螺管式电感传感器做成细长形有什么好处？欲扩大其线性范围可以采用哪些措施？答：好处：增加线圈的长度有利于扩大线性范围或提高线性度。措施：适当增加线圈长度、采用阶梯形线圈。3-6. 差动式电感传感器为什么常采用相敏检波电路？分析原理。原因：相敏检波电路，它能有效地消除基波正交分量与偶次谐波分量，减小奇次谐波分量，使传感器零位电压减至极小。3-7. 电感传感器产生残余电压的原因和减小残余电压的措施。差动自感式传感器当衔铁位于中间位置时，电桥输出理论上应为零，但实际上总存在零位不平衡电压输出(零位电压)，造成零位误差。措施：一种常用的方法是采用补偿电路，其原理为： (1)串联电阻消除基波零位电压；2)并联电阻消除高次谐波零位电压；(3)加并联电容消除基波正交分量或高次谐波分量。另一种有效的方法是采用外接测量电路来减小零位电压。如前述的相敏检波电路，它能有效地消除基波正交分量与偶次谐波分量，减小奇次谐波分量，使传感器零位电压减至极小。此外还可采用磁路调节机构(如可调端盖)保证磁路的对称性，来减小零位电压。3-12. 电涡流式传感器的原理及应用。1.测位移电涡流式传感器的主要用途之一是可用来测量金属件的静态或动态位移，最大量程达数百毫米，分辨率为0.1%。2.测厚度 金属板材厚度的变化相当于线圈与金属表面间距离的改变，根据输出电压的变化即可知线圈与金属表面间距离的变化，即板厚的变化。3.测温度 若保持电涡流式传感器的机、电、磁各参数不变，使传感器的输出只随被测导体电阻率而变，就可测得温度的变化。3-14. 比较定频调幅式、变频调幅式和调频式三种测量电路的优缺点，并指出它们的应用场合。（1）定频调幅式：这种电路采用石英晶体振荡器，能获得高稳定度频率的高频激励信号，输出稳定，获得广泛应用，但线路较复杂，装调较困难，线性范围也不够宽。（2）变频调幅式：这种电路除结构简单、成本较低外，还具有灵敏度高、线性范围宽等优点，因此监控等场合常采用它。（3）调频式：这种电路的关键是提高振荡器的频率稳定度。通常可以从环境温度变化、电缆电容变化及负载影响三方面考虑。4-1. 电容式传感器可分为哪几类？各自的主要用途是什么？（1） 变极距型电容传感器：在微位移检测中应用最广。（2）变面积型电容传感器：适合测量较大的直线位移和角位移。（3）变介质型电容传感器：可用于非导电散材物料的物位测量。4-2. 变极距型电容传感器产生非线性误差的原因及如何减小？原因：灵敏度S与初始极距错误！不能通过编辑域代码创建对象。的平方成反比，用减少错误！不能通过编辑域代码创建对象。的办法来提高灵敏度，但错误！不能通过编辑域代码创建对象。的减小会导致非线性误差增大。采用差动式，可比单极式灵敏度提高一倍，且非线性误差大为减小。由于结构上的对称性，它还能有效地补偿温度变化所造成的误差。4-3. 为什么电容式传感器的绝缘、屏蔽和电缆问题特别重要？如何解决？电容式传感器由于受结构与尺寸的限制，其电容量都很小，属于小功率、高阻抗器，因此极易受外界干扰，尤其是受大于它几倍、几十倍的、且具有随机性的电缆寄生电容的干扰，它与传感器电容相并联，严重影响传感器的输出特性，甚至会淹没没有用信号而不能使用。解决：驱动电缆法、整体屏蔽法、采用组合式与集成技术.5-12. 什么是霍尔效应？可进行哪些参量的测量？当电流垂直于外磁场通过导体时，在导体的垂直于磁场和电流方向的两个端面之间会出现电势差，这一现象便是霍尔效应。这个电势差也被叫做霍尔电势差。利用霍尔效应可测量大电流、微气隙磁场、微位移、转速、加速度、振动、压力、流量和液位等；用以制成磁读头、磁罗盘、无刷电机、接近开关和计算元件等等。磁敏电阻与磁敏二极管的特点？磁敏电阻：外加磁场使导体(半导体)电阻随磁场增加而增大的现象称磁阻效应。载流导体置于磁场中除了产生霍尔效应外,导体中载流子因受洛仑兹力作用要发生偏转,载流子运动方向偏转使电流路径变化,起到了加大电阻的作用,磁场越强增大电阻的作用越强。磁敏电阻主要运用于测位移。 磁敏二极管：输出电压随着磁场大小的方向而变化，特别是在弱磁场作用下，可获得较大输出电压变化，r区内外复合率差别越大，灵敏度越高。当磁敏二极管反向偏置时，只有很少电流通过，二极管两端电压也不会因受到磁场的作用而有任何改变。利用磁敏二极管可以检测弱磁场变化这一特性可以制成漏磁探伤仪。6-1. 什么是压电效应？正压电与逆压电？一些离子型晶体的电介质不仅在电场力作用下，而且在机械力作用下，都会产生极化现象。且其电位移D(在MKS单位制中即电荷密度)与外应力张量T成正比： D = dT 式中 d压电常数矩阵。 当外力消失，电介质又恢复不带电原状；当外力变向，电荷极性随之而变。这种现象称为正压电效应，或简称压电效应。 若对上述电介质施加电场作用时，同样会引起电介质内部正负电荷中心的相对位移而导致电介质产生变形，且其应变S与外电场强度E成正比： S=dtE 式中 dt逆压电常数矩阵。这种现象称为逆压电效应，或称电致伸缩。压电材料的主要特性参数有哪些？比较三类压电材料的应用特点。主要特性：压电常数、弹性常数、介电常数、机电耦合系数、电阻、居里点压电单晶：时间稳定性好，居里点高，在高温、强幅射条件下，仍具有良好的压电性，且机械性能，如机电耦合系数、介电常数、频率常数等均保持不变。此外，还在光电、微声和激光等器件方面都有重要应用。不足之处是质地脆、抗机械和热冲击性差。压电陶瓷：压电常数大，灵敏度高，制造工艺成熟，成形工艺性好，成本低廉，利于广泛应用，还具有热释电性。新型压电材料：既具有压电特性又具有半导体特性。因此既可用其压电性研制传感器，又可用其半导体特性制作电子器件；也可以两者合一，集元件与线路于一体，研制成新型集成压电传感器测试系统。 6-6. 原理上，压电式传感器不能用于静态测量，但实用中，压电式传感器可能用来测量准静态量，为什么？压电式测力传感器是利用压电元件直接实现力-电转换的传感器，在拉力、压力和力矩测量场合，通常较多采用双片或多片石英晶片作压电元件。由于它刚度大，动态特性好；测量范围广，可测范围大；线性及稳定性高；可测单、多向力。当采用大时间常数的电荷放大器时，就可测准静态力。7-1. 热电式传感器分类。各自特点。热电式传感器是一种将温度变化转换为电量变化的装置。它可分为两大类：热电阻传感器和热电偶传感器。热电阻传感器的特点：（1)高温度系数、高电阻率。(2)化学、物理性能稳定。(3)良好的输出特性。(4).良好的工艺性，以便于批量生产、降低成本。热电偶传感器的特点：（1）结构简单（2）制造方便（3）测温范围宽（4）热惯性小（5）准确度高（6）输出信号便于远传7-2. 常用的热电阻，适用范围。铂、铜为应用最广的热电阻材料。铂容易提纯，在高温和氧化性介质中化学、物理性能稳定，制成的铂电阻输出输入特性接近线性，测量精度高。铜在-50150范围内铜电阻化学、物理性能稳定，输出输入特性接近线性，价格低廉。当温度高于100时易被氧化，因此适用于温度较低和没有浸蚀性的介质中工作。7-4. 利用热电偶测温必须具备哪两个条件？（1）用两种不同材料作热电极（2）热电偶两端的温度不能相同7-5. 什么是中间导体定律和连接导体定律？它们在利用热电偶测温时有什么实际意义？中间导体定律：导体A、B组成的热电偶，当引入第三导体时，只要保持第三导体两端温度相同，则第三导体对回路总热电势无影响。利用这个定律可以将第三导体换成毫伏表，只要保证两个接点温度一致，就可以完成热电势的测量而不影响热电偶的输出。连接导体定律：回路的总电势等于热电偶电势EAB(T,To)与连接导线电势EAB(Tn,To)的代数和。连接导体定律是工业上运用补偿导线进行温度测量的理论基础。7-6. 什么是中间温度定律？有什么实际意义？EAB(T,Tn,To)=EAB(T,Tn)+EAB(Tn,To)这是中间温度定律表达式，即回路的总热电势等于EAB(T,Tn)与EAB(Tn,To)的代数和。Tn为中间温度。中间温度定律为制定分度表奠定了理论基础。8-2. 什么是外光电效应、内光电效应和光生伏特效应？外光电效应：在光线的作用下，物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象。光电导效应：在光线作用下，电子吸收光子能量从键合状态过渡到自由状态，而引起材料电导率的变化的现象。光生伏特效应：在光线作用下能够使物体产生一定方向的电动势的现象。一、填空题1、传感器的输入输出特性指标可分为静态和动态指标两大类，线性度和灵敏度是传感器的 静态指标，而频率响应特性是传感器的动态指标。2、 导电丝材的截面尺寸发生变化后其电阻会发生变化，用这一原理可制成的传感器称为电阻应变式传感器，利用有料具有磁致伸缩效应可制成的压磁式传感器也可用以测量力，而压电式传感器则利用了一些具有离子型晶体电介质的压电效应，它敏感的最基本的物理量也是力。3、热电式传感器中，能将温度变化转换为电阻变化的一类称为热电阻，而能将温度变化转换为电势的称为热电偶，其中热电偶式传感器在应用时需要做温度补偿(冷端补偿)。4、旋转式编码器用以测量转轴的角位移，其中绝对式编码在任意位置都有固定的数字编码与位置对应，线数为360线的增量式编码器分辨力为 1 （角）度。5、光电效应分为内光电效应和外光电效应两大类。1传感器可分为物性型和结构型传感器，热电阻是物性型传感器， 电容式加速度传感器是结构型传感器。 2热电式传感器中，能将温度变化转换为电阻变化的一类称为热电阻。有一种热电阻的型号为Pt100，它在0时的电阻值为100，利用不同种材料的接触电势和温差电势将温度变化转换为电势的一类热电式传感器称为热电偶传感器。3旋转式编码器可分为增量式编码器和绝对式编码器，用以测量转轴的角位移，其中绝对式在任意位置都有固定的数字编码与位置对应，所以这种编码器能直接反映转轴位置；用一个线数为200线的编码器分辨力为_（角）度。4目前压电式传感器的常用的材料有石英晶体、压电陶瓷和高分子电致伸缩材料等三类。压电材料的逆压电效应还可以用来产生超声波。5在电感式传感器中，线圈之间的没有耦合的是自感式传感器，被测对象也是磁路一部分的是电涡流式传感器。6电容式传感器按结构特点可分为变极距型、变介质型和变面积型等三种。电容式传感器存在边缘效应，会造成测量误差，常用保护环来消除，保护环是电容式传感器特有的结构。7传感器的输入输出特性指标可分为静态和动态指标两大类，线性度和灵敏度是传感器的静态指标。8光敏电阻的原理是基于内（填内、外）光电效应的。二、简答题： 1. 简要说明电容式传感器的原理。答：电容式传感能将被测量转换为传感器电容变化。传感器有动静两个板板，板板间的电容为：错误！不能通过编辑域代码创建对象。 ，式中： 0 真空介电常数:(8.8541012 F/m r 介质的相对介电常数 两极板间的距离有关 A 极板的有效面积当动板板运动或极板间的介质变化就会引起传感器电容值的变化，从而构成变极距式、变面积式和变介质型的电容式传感器。2. 简要说明光栅尺的原理。3. 什么是外光电效应？什么是内光电效应？1什么是传感器？以加速度传感为例，画图说明传感器的敏感元件和转换元件的定义和作用。2简述莫尔条纹在光栅中的应用原理。3试说明压电式传感器中，压电片并联和串联后对测量的影响。4设三种制造热电偶的材料A、B、C，两两配对后的热电热分别为：EAB（T，T0）、EBC（T，T0）、EAC（T，T0）。试证明：EAB（T，T0）EAC（T，T0）EBC（T，T0）。并说明这一公式的实践意义。三、综合分析题：1、图为用电阻应变式传感器测量金属材料的弯曲变形的原理图，简支梁在力F的作用下发性弯曲，在梁的上下表面各贴一片应变片，试说明这个测量系统的其原理。要求：1画出测试电路的原理图，并给出计算公式（10分）FR1R2 2图中用两个应变片有什么好处？ （10分）分析：这是一个用应变计测量金属梁变形的一个示意图，上下两个应变片都应当按图示方向粘贴，并按图中的方法组桥，其输出为：。这种布局方式构成了差动式测量，可以有效地降低非线性误差、消除温度误差，还能提高测量的灵敏度。答题要求：1。写出输出公式，（5分、图5分） 2说出差动测量的优点（4分）给出相应的说明或证明（各2分） 2. 在图示的机械系统中，电机输出转速经减速器减速后驱动丝杆螺母构成一个直线运动机构，已知电机转速为3000转/分，减速器减速比为100，丝杆的导程为12mm，今欲测量螺母的位移，并要求测量精度为1mm，暂时不考虑机械系统传动误差，请选择传感器并设计测量方案。 （15分）答题要求：本题可有多种答案，合理的答案均可给分。可以选用直接测量直线位移的传感器如光栅等，也可以选用编码器测量丝杆轴等。（5分）但要求说明传感器的原理（5分），画出结构安装示意图（5分）较好的答案如下：螺母每走1mm对应丝杆的转角为：112360=30度，相对应的电机的转角为：30100=3000度，可见，只要精确电机的转数就足以按要求测量出螺母的位移。可使用接近式传感器，安装方法如图：在电机轴上装一个圆盘，盘四周装一个突出盘表需的元件，无件的个数可以只有一个，也可以有多个，根据选用传感器类型元件的材料有一定要求，如选用霍尔式传感器就要求是磁性体，电感式或涡流式就要求铁磁性物质，电容式要求元件材料相对介电常尽量大。设元件的个数为N，则测量的分辨力为： 。圆盘上突起元件的安装精度及传感器的灵敏度、稳定性有关，如果误差为5度，测量误差为：510036012=0。0017mm。1a试列出三种能测量直线位移的传感器，并详述其原理。1b试列出三种能对流水线上的工件进行计数的方法，并说明各自的应用范围。2 以任意一种传感器为例，说明差动测量的优点。答：差动传感器的三个优点：灵敏度提高一倍，非线性误差降低一级，补偿温度误差。 评分标准：画图正确（3分），每一种优点的说4分，其中：说出优点2分，证明或能说明优点的道理2分1.何谓结构型传感器?何谓物性型传感器?试述两者的应用特点。答：结构型传感器是利用物理学中场的定律构成的，包括动力场的运动定律，电磁场的电磁定律等。物理学中的定律一般是以方程式给出的。对于传感器来说，这些方程式也就是许多传感器在工作时的数学模型。这类传感器的特点是传感器的工作原理是以传感器中元件相对位置变化引起场的变化为基础，而不是以材料特性变化为基础。物理型传感器是利用物质定律构成的，如虎克定律、欧姆定律等。物质定律是表示物质某种客观性质的法则。这种法则，大多数是以物质本身的常数形式给出。这些常数的大小，决定了传感器的主要性能。因此，物理型传感器的性能随材料的不同而异。例如，光电管就是物理型传感器，它利用了物质法则中的外光电效应。显然，其特性与涂覆在电极上的材料有着密切的关系。又如，所有半导体传感器，以及所有利用各种环境变化而引起的金属、半导体、陶瓷、合金等特性能变化的传感器，都属于物理型传感器。2图1所示为一种膜合式压力传感器。试用这个例子说明传感器的组成原理。答：传感器一般由敏感元件、转换元件、转换电路组成，它是一种典型的结构型传感器。敏感元件是直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的某一物理量的元件。图1中，膜盒2的下半部分与壳体1固接，上半部分通过连杆与磁芯4相连，磁芯4置于两个电感线圈3中，后者接入转换电路5。这里的膜盒就是敏感元件，其外部与大气压力相通，内部感受被测压力。当变化时，引起膜盒上半部分移动，即输出相应的位移量。图1 气体压力传感器转换元件：敏感元件的输出就是它的输入，它把输入转换成电路参量。在图0-2中，转换元件是可变电感线圈3，它把输入的位移量转换成电感的变化。基本转换电路：上述电路参数接入基本转换电路（简称转换电路），便可转换成电量输出。传感器只完成被测参数至电量的基本转换，然后输入到测控电路，进行放大、运算、处理等进一步转换，以获得被测值或进行过程控制。1传感器的静态特性主要有那些？说明什么是线性度？答：传感器的特性主要是指传感器的输入（被测量）与输出（电量）的关系。静态特性表示传感器在被测量各个值处于稳定状态时的输入输出关系。也即当输入量为常量，或变化极慢时，这一关系就称为静态特性。传感器的静态特性主要有：线性度、迟滞性、灵敏度、稳定性、重复性、阈值等。传感器的静特性曲线可实际测试获得，用下列多项式程表示为：式中y为输出量、x为输入量、 为零点输出、为理论灵敏度、为非线性项系数。在获得特性趋向之后，可以说问题已经得到解决。但是为了标定和数据处理的方便，希望得到线性关系。这时可采用各种方法，其中也包括硬件或软件补偿，进行显性化处理。一般来说，这些办法都比较复杂。所以在非线性误差不太大的情况下，总是采用直线拟合的方法来线性化。 在采用直线拟合线性化时，输出输入的校正曲线之间的最大偏差，就称为非线性误差，也就是线性度：%由此可见，非线性偏差的大小是以一定的拟合直线为基准直线而得来的。拟合直线不同，非线性误差也不同。所以，选择拟合直线的主要出发点，应是获得最小的非线性误差。另外，还应考虑使用是否方便，计算是否简便。2什么是传感器的静态误差？传感器的静态误差是如何评定的？答：静态误差是指传感器在其全量程内任一点的输出值与其理论值的偏离程度。静态误差的求取方法如下：把全部输出数据与拟合直线上对应值的残差，看成是随即分布，求出其标准偏差，即式中 各测试点的残差；n测试点数。取2和3值即为传感器的静态误差。静态误差也可用相对误差来表示，即 （1-15）静态误差也是一向综合指标，他基本上包括了前面叙述的非线性误差、迟滞误差、重复性误差、灵敏度误差等，若者几项误差是随机的、独立的、正态分布的，也可以把这几个单项误差综合而得，即：3.某测温系统由以下四个环节组成，各自的灵敏度如下： 铂电阻温度传感器：0.45/电桥： 0.02V/ 放大器： 100(放大倍数) 笔式记录仪： 0.2cm/V求：(1)测温系统的总灵敏度；(2)记录仪笔尖位移4cm时，所对应的温度变化值。 解：（1）测温系统的总灵敏度为 cm/（2）记录仪笔尖位移4cm时，所对应的温度变化值为:4.有三台测温仪表，量程均为0800，精度等级分别为2.5级、2.0级和1.5级，现要测量500的温度，要求相对误差不超过2.5，选那台仪表合理?解：2.5级时的最大绝对误差值为20，测量500时的相对误差为4；2.0级时的最大绝对误差值为16，测量500时的相对误差为3.2；1.5级时的最大绝对误差值为12，测量500时的相对误差为2.4。因此，应该选用1.5级的测温仪器。1金属电阻应变片与半导体材料的电阻应变效应有什么不同?答：金属电阻的应变效应主要是由于其几何形状的变化而产生的，半导体材料的应变效应则主要取决于材料的电阻率随应变所引起的变化产生的。2.直流测量电桥和交流测量电桥有什么区别?答：它们的区别主要是直流电桥用直流电源，只适用于直流元件，如电阻应变片，交流电桥用交流电源，适用于所有电路元件，如电阻应变片、电容。3简述电阻应变式传感器产生横向误差的原因。答：粘贴在受单向拉伸力试件上的应变片，如图2-3所示，其敏感栅是有多条直线和圆弧部分组成。这时，各直线段上的金属丝只感受沿轴向拉应变,电阻值将增加。但在圆弧段上，沿各微段轴向 (即微段圆弧的切向) 的应变与直线段不相等，因此与直线段上同样长度的微段所产生的电阻变化就不相同，最明显的在处圆弧段上，按泊松关系，在垂直方向上产生负的压应变，因此该段的电阻是最小的。而在圆弧的其它各段上，其轴向感受的应变由 变化到。由此可见 , 将直的电阻丝绕成敏感栅之后，虽然长度相同，但应变状态不同，其灵敏系数降低了。这种现象称横向效应。图23 横向效应应变片横向效应表明 , 当实际使用应变片时，使用条件与标定灵敏系数 k 时的标定规则不同时,实际 k 值要改变,由此可能产生较大测量误差，当不能满足测量精确度要求时，应进行必要的修正。4采用阻值为120灵敏度系数K=2.0的金属电阻应变片和阻值为120的固定电阻组成电桥，供桥电压为4V，并假定负载电阻无穷大。当应变片上的应变分别为1和1000时，试求单臂、双臂和全桥工作时的输出电压，并比较三种情况下的灵敏度。解：单臂时，所以:应变为1时/V;应变为1000时应为/V；双臂时，所以:应变为1时/V;应变为1000时应为/V；全桥时，所以:应变为1时/V;应变为1000时应为/V。从上面的计算可知：单臂时灵敏度最低，双臂时为其两倍，全桥时最高，为单臂的四倍。5差动电桥有哪些有优点？答：差动电桥比单臂电桥的灵敏度高，此外，还可以有效地改善电桥的温度误差、非线性误差。图1变间隙式电容传感器1为什么说变间隙型电容传感器特性是非线性的?采取什么措施可改善其非线性特征?答：下图为变间隙式电容传感器的原理图。图中1为固定极板，2为与被测对象相连的活动极板。当活动极板因被测参数的改变而引起移动时，两极板间的距离d发生变化，从而改变了两极板之间的电容量C。设极板面积为A，其静态电容量为，当活动极板移动x后，其电容量为 (1)当xd时 则 (2) 由式（1）可以看出电容量C与x不是线性关系，只有当 xd时，才可认为是最近似线形关系。同时还可以看出，要提高灵敏度，应减小起始间隙d。但当d过小时，又容易引起击穿，同时加工精度要求也高了。为此,一般是在极板间放置云母、塑料膜等介电常数高的物质来改善这种情况，如下图2。在实际应用中，为了提高灵敏度，减小非线性，还常采用差动式结构:图2板间放置高介电常数材料图3差动式传感器图中所示为差动结构，动极板置于两定极板之间。初始位置时，120，两边初始电容相等。当动极板向上有位移时，两边极距为10，20；两组电容一增一减。同差动式自感传感器式（341）的同样分析方法，由式（44）和式（45）可得电容总的相对变化量为 （411）略去高次项，可得近似的线性关系 （412）相对非线性误差为 （413） 上式与式（46）及式（49）相比可知，差动式比单极式灵敏度提高一倍，且非线性误差大为减小。由于结构上的对称性，它还能有效地补偿温度变化所造成的误差。2.如图3-22所示正方形平板电容器,极板长度a=4cm,极板间距离=0.2mm.若用此变面积型传感器测量位移x,试计算该传感器的灵敏度并画出传感器的特性曲线.极板间介质为空气,。1为什么电感式传感器测量电路中常用相敏检波器？说明相敏检波器的原理。答：电感式传感器常用的交流电桥有以下几种。图14-1输出端对称电桥（a）一般形式;(b)变压器电桥图(a)为输出端对称电桥的一般形式。图中Z1、Z2为传感器，如果两线圈阻抗，Z1=r1+jL1，Z2=r2+jL2，r10=r20=r0，L10=L20=L0,R1、R2为外接电阻，通常Rl=R2=R。设工作时Z1=Z+Z，Z2=Z-z，电源电势为E，于是由上式可知，这种测量电路的输出极性与电源有关，输出并不能判断出铁芯的移动方向，图(b)是图(a)的变型，称为变压器电桥。它以变压器两个次级作为电桥平衡臂。显然，其输出特性同(a)。差动变压器式传感器也存在同样的问题。相敏检波电路是常用的判别电路。图142 相敏检波电路图14-2为电路原理,Z1、Z2为传感器两线圈的阻抗，Z3Z4构成另两个桥臂，U为供桥电压，U。为输出。当衔铁处于中间位置时，Zl=Z2Z，电桥平衡，Uo0。若衔铁上移，Z1增大, Z2减小。如供桥电压为正半周，即A点电位高于B点，二极管D1、D4导通，D2、D3截止。在AECB支路中C点电位由于Z1增大而降低；在AFDB支路中，D点电位由于Z2减小而增高。因此D点电位高于C点，输出信号为正。如供桥电压为负半周，B点电位高于A点，二极管D2、D3导通，D1、D4截止。在BCFA支路中，点电位由于Z2减小而比平衡时降低；在BDEA支路中，D点电位则因Z1增大而比平衡时增高。因此D点电位仍高于C点，输出信号仍为正。同理可以证明，衔铁下移时输出信号总为负。于是，输出信号的正负代表了衔铁位移的方向。1. 简述热电偶的几个重要定律，并分别说明它们的实用价值。答：一是匀质导体定律：如果热电偶回路中的两个热电极材料相同，无论两接点的温度如何，热电动势为零。根据这个定律，可以检验两个热电极材料成分是否相同，也可以检查热电极材料的均匀性。二是中间导体定律：在热电偶回路中接入第三种导体，只要第三种导体的两接点温度相同，则回路中总的热电动势不变。它使我们可以方便地在回路中直接接入各种类型的显示仪表或调节器，也可以将热电偶的两端不焊接而直接插入液态金属中或直接焊在金属表面进行温度测量。三是标准电极定律：如果两种导体分别与第三种导体组成的热电偶所产生的热电动势已知，则由这两种导体组成的热电偶所产生的热电动势也就已知。只要测得各种金属与纯铂组成的热电偶的热电动势，则各种金属之间相互组合而成的热电偶的热电动势可直接计算出来。四是中间温度定律：热电偶在两接点温度t、t0时的热电动势等于该热电偶在接点温度为t、tn和tn、t0时的相应热电动势的代数和。中间温度定律为补偿导线的使用提供了理论依据。16用镍铬-镍硅(K)热电偶测量温度，已知冷端温度为40，用高精度毫伏表测得这时的热电动势为29.188mV，求被测点的温度。解：由镍铬-镍硅热电偶分度表查出E(40，0)=1.638mV，可算出再通过分度表查出其对应的实际温度为1光电效应有哪几种?与之对应的光电元件各有哪些?答：光电效应有外光电效应、内光电效应和光生伏特效应三种。基于外光电效应的光电元件有光电管、光电倍增管等；基于内光电效应的光电元件有光敏电阻、光敏晶体管等；基于光生伏特效应的光电元件有光电池等。1. 在电阻应变式传感器中，电阻应变片与电阻丝相比较，哪一个的灵敏系数要大？为什么？2. 在电阻应变式传感器中，温度误差的来源有哪些？一、选择题（共10分，每小题2分） 1、非线性度是表示校准曲线( B )的程度。 A.接近真值 B.偏离拟合直线 C.正反行程不重合 D.重复性 2、半导体应变片具有( A )等优点。 A.灵敏度高 B.温度稳定性好 C.可靠性高 D.接口电路复杂3、用相邻双臂桥检测的应变式传感器，为使其灵敏度高、非线性误差小（ C ） A两个桥臂都应当用大电阻值工作应变片 B两个桥臂都应当用两个工作应变片串联 C两个桥臂应当分别用应变量变化相反的工作应变片 D两个桥臂应当分别用应变量变化相同的工作应变片 4、将电阻应变片贴在( C )上，就可以分别做成测力、位移、加速度等参数的传感器。 A.质量块 B.导体 C.弹性元件 D.机器组件 5、压电式传感器可等效为（AC） A电荷源 B、电流源 C、电压源 D、电阻1、在以下几种传感器当中（C）属于自发电型传感器。 A、电容式 B、电阻式 C、压电式 D、电感式2、（ C ）的数值越大,热电偶的输出热电势就越大。 A、热端直径 B、热端和冷端的温度 C、热端和冷端的温差 D、热电极的电导率3、将超声波（机械振动波）转换成电信号是利用压电材料的（C ）。 A、应变效应 B、电涡流效应 C、压电效应 D、逆压电效应 4、在电容传感器中，若采用调频法测量转换电路，则电路中（B ）。 A、电容和电感均为变量 B、电容是变量，电感保持不变 C、电感是变量，电容保持不变 D、电容和电感均保持不变 5、在两片间隙为1mm的两块平行极板的间隙中插入（D ） ，可测得最大的容量。 A、塑料薄膜 B、干