传感器原理及其应用(李艳红、李海华主编) 部分课后习题

第一章 P10 1、2、5、61.传感器的定义答：传感器是一种以一定精确度把被测量（主要是非电量）转换为与之有确定关系、便于应用的某种物理量（主要是电量）的测量装置。2.传感器组成及作用答：(1)传感器一般由敏感元件、转换元件、测量电路三部分组成；(2)敏感元件：直接感受被测量，并输出与被测量有确定关系的物理量； 转换元件：将敏感元件输出的非电量转换为电量； 测量电路：将转换元件输出的电量变换成便于显示、记录、控制和处理的信号3.开环测量系统和闭环测量系统区别答：开环测量系统(1)信息只沿着一个方向传递(2)系统相对误差等于各环节相对误差之和(3)结构简单，但每个环节特性变化都会造成测量误差闭环测量系统(1)有正向通道和反馈通道(2)输入输出关系由反馈环节特性决定，测量处理等环节造成的误差较小4.测量不确定度及其评定方法答：(1)测量不确定度：表征合理赋予被测量值的分散性，与测量结果相联系的参数 即结果的可靠性和有效性的怀疑程度 (2)不确定度按其评定方法可分为A类评定和B类评定 A类评定是用统计方法进行评定。即对某被测量进行等精度的独立多次重复测量，得到一系列的测得值。B类评定用非统计分析法，它不是由一系列的测得确定，而是利用影响测得值分布变化的有关信息和资料进行分析，并对测量值进行概率分布估计和分布假设的科学评定B类评定的信息来源有以下6项：以前的观测数据；对有关技术资料和测量仪器特性的了解和经验；生产部门提供的技术说明文件；校准文件、检定证书或其他文件提供的数据、准确度的等级或级别，包括目前暂时在使用的极限误差等； 手册或某些资料给出的参考数据及其不确定度； 规定实验方法的国家标准或类似技术文件中给出的重复性限或复现性限。第二章 P24 1 什么是传感器的静态特性？它有哪些性能指标？如何用公式表征这些指标？答：(1)传感器的静态特性是指被测量的值处于稳定状态时，传感器的输出与输入的关系 (2)线性度、灵敏度、迟滞性、重复性、分辨率、漂移 (3) 线性度：灵敏度： 迟滞性：分辨率：第三章 P43 1、2、41.什么叫电阻式传感器？什么是金属材料的电阻应变效应？什么是半导体压阻效应？答：(1)电阻式传感器是利用一定的方式将被测量的变化转化为敏感元件电阻参数的变化，再通过电路转变成电压或电流信号的输出，从而实现非电量的测量。(2)金属在外力作用下产生机械形变，其电阻值也发生相应改变的现象。(3)半导体由于应力的作用而使材料电阻率发生变化的现象称为压阻效应。2.画出桥式测量电路，并推导直流电桥平衡条件，以及不对称电桥输出电压变化。答：(1)(2)直流电桥平衡条件上图 为负载电阻， 时，有：U0=0时，有 为电桥平衡条件(3) 把电桥平衡条件 代入上式化简，并忽略高阶无穷小量得：3.采用应变片进行测量时为什么要进行温度补偿？常用补偿方法有哪些？P34答：(1)应变片的阻值受环境（包括被测试件的温度）的影响很大。(2)线路补偿法、应变片自补偿法。第四章 P62 1、2、31.什么叫电容式传感器？有哪些类型？答：(1)电容式传感器：将被测量的变化转换成传感元件电容量的变化，再经过测量电路将电容量的变化转换成电信号输出。 (2) 变面积式；变间隙式；变介电常数式。2.简述变面积式(直线位移型) 和变间隙式电容传感器工作原理。答：对于平板状结构，两极板有效覆盖面积就发生变化，电容量也随之改变，其值为 其中 为初始电容 其中 为初始电容3.简述双T型电桥电路的工作原理答： 双T型电桥连接 正半周 负半周电源电压u处于正半周时，二极管VD1导通，VD2截止，C1被快速充电至U，电源U经R2以电流I1向负载RL供电。如果电容C2初始时已充电，则C2经R2和RL放电，放电电流为I2，即流经RL的电流IL为I1、I2代数和。电源电压u处于负半周时，二极管VD1截止，VD2导通，C2被快速充电至U，电源U经R2以电流I2向负载RL供电。而C1经R1和RL放电，放电电流为I1，即流经RL的电流IL为I1、I2代数和。第五章 P781.什么是电感式传感器？有哪些类型？答：(1)利用电磁感应原理将被测非电量转换成线圈自感系数L或互感系数M的变化，再由测量电路转换为电压或电流的变化量输出(2)自感式、差动变压式、电涡流三种类型2.变气隙式传感器工作原理答： 改变则L改变，其对应转化的电或电流改变。3.相敏检波电桥电路工作原理答：当差动式自感电感传感器处于中间位置时，Z1=Z2=Z，输出电压U0为零。当衔铁移动使Z1增加，则Z2减小，当电源U上正下负时，电阻R2上的压降大于R1上的压降。4.涡流式传感器工作原理答：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，导体内将产生呈涡旋状的感应电流，称之为电涡流或涡流，这种现象称为涡流效应。电涡流传感器是利用电涡流效应，将位移、温度等非电量转换为阻抗的变化或电感的变化从而进行非电量电测的第六章 P921.什么是压电效应？答：(1)正压电效应：某些电介质物质，在沿着一定方向上受到外力的作用而变形时，内部产生极化现象，同时在它的相应表面上会产生极性相反的电荷；当外力撤消后，又重新回到不带电的状态；当作用力改变方向时，电荷的极性也随之改变，机械能转化为电能；(2)逆压电效应：在电介质物质的极化方向上施加电场，它会产生机械变形，当外加电场撤消时，电介质的变形也随之消失，电能转化为机械能2.压电式传感器工作原理答：以某些电介质的压电效应为基础，在外力作用下，电介质的表面就会产生电荷，有电压输出，从而实现力电信号转换，再通过检测电荷量（或输出电压）的大小，即可测出作用力的大小。3.压电式传感器等效电路有哪两种？答：电荷等效、电压等效两种4.前置放大器作用答：(1)放大压电式传感器输出的微弱电信号(2)把压电式传感器的高输出阻抗变为低阻抗输出第七章 P931.什么是霍尔效应？答：霍尔效应：半导体薄片置于磁场中，当它的电流方向与磁场方向不一致时，半导体薄片上平行于电流和磁场方向的两个面之间产生电动势。2.霍尔元件的基本测量电路及其工作原理答：3.霍尔传感器的不等位电势产生原因及其补偿方法答：(1)霍尔元件对温度的变化很敏感 (2)恒流源供电、采用热敏元件、不等位电势的补偿 （详见P9697） 第八章 P135 2、3、41.光电效应、光电导效应、光伏特效应答：光电效应：物体由于吸收光子能量后产生相应电效应的物理现象(1)外光电效应：在光线作用下能使电子逸出物体表面的现象(2)内光电效应：光线照射在半导体材料上，材料中处于价带的电子吸收光子能量，通过禁带跃入导带，使导带内电子浓度和价带内空穴增多，但这些被释放的电子并不能逸出物体表面，而是停留在物体内部，使其导电能力发生变化，或产生光生电动势光电导效应：在光线作用下，电子-空穴对增多，电导率变化 光伏特效应：在光线作用下，物体两端产生一定方向的电动势2.光电管工作原理答：光电管是装有光阴极和阳极的真空玻璃管。光阴极由内壁上阴极材料构成，阳极为光电管中心环形金属板或柱面中心金属柱。正常工作时，阳极电位高于阴极。入射光频率大于红限时，阴极表面发射电子，电子被阳极吸引形成电流。若串上电阻，则产生压降，压降与光强有函数关系，从而实现光电转换。3.光敏电阻工作原理答：当光线照射光敏电阻时，材料中的电子-空穴对增加，其电导率变大，电阻值会急剧减小，电路中电流增加；当光照消失时，电阻会恢复原值。根据电路中电流值的变换即可推算出光照强度的大小。第九章 P164 1、6、91.什么是金属导体热电效应？简述热电偶工作原理答：当两种不同的金属导体两端分别接在一起构成闭合回路，当两个结点温度不等（TT0）时，回路中会产生热电势，形成电流，这种现象称为热电效应。两种不同金属的组合称为热电偶，通过热电效应被测温度信号转变为热电势信号2.冷端补偿的必要性，补偿方法，补偿原理答：(1)冷热端温差决定热电势大小，冷端温度变化会引起测量误差(2)补偿导线法、冷端温度恒温法、冷端温度校正法、冷端温度电桥补偿法 (3)补偿导线法：将热电偶做得很长，使冷端远离工作时，并连同测量仪表一起放置在恒温或温度波动比较