传感器与机器视觉 习题及答案汇总 杨利 第1-6章

《传感器与机器视觉》（ISBN）杨利谢永超主编吴海波高赢杨述陈柳松副主编电子工业出版社思考与练习题1参考答案想一想手机中都有哪些传感器？它们的被测量和测量原理分别是什么？手机中有很多创奶器，如：影像传感器：摄像；亮度传感器：亮度检测；磁阻传感器：数字指南针；声波传感器：麦克风；加速度传感器：角加速度传感器：陀螺仪；温度传感器：过热保护等等。测量误差有几种表示方法？测量误差可用绝对误差、示值相对误差、引用相对误差及实际相对误差表示传感器的选用原则有哪些？通常的选择依据是根据测量条件目的和传感器使用环境，判断传感器性能是否满足要求，在满足指标参数要求的情况下，选择成本低廉、工作可靠且容易维修，性价比高的传感器。传感器的命名规则是什么？根据国家标准GB/T7666-2005，传感器的命名由主题词（传感器）和四级修饰语组成，第一级修饰语——被测量。第二级修饰语——转换原理，一般可后续以“式”字。第三级修饰语——特征描述：传感器结构、性能、材料特征等，一般可后续以“型”字。第四级修饰语——主要技术指标(量程、精确度、灵敏度等)。传感器静态标定的步骤？将传感器的测量范围分成若干个等间距的点；根据传感器测量范围分点情况，由小到大等间距递增方式输入相应的标准量，并记录与各输入值相对应的输出值。将输入值从大到小一点点地递减，同时记录与各输入值相对应的输出值。按照(2)和(3)步骤，对传感器进行正、反行程往复循环多次测试，将得到的输出/输入测试数据用表格列出或绘制成曲线。对测试数据进行必要的整理，根据处理结果就可以计算出传感器的线性度、灵敏度、滞后和重复性等静态特性指标了。通过查阅资料，说说传感器的发展趋势？传感器随着智能化、集成化、网络化、虚拟化、微型化等方向发展。通过查阅资料，将课本中图1.12“传感器特性参数表实例”表中未解释的特性参数，逐条解释说明。参照微课资源《5如何选择传感器》。有一温度计，它的检测范围为0~200℃，精度为0.5级，求：该表可能出现的最大绝对误差；当示值分别为20℃、100℃时的示值相对误差。最大绝对误差为：0.5%*200=1℃示值相对误差分别为：1/20*100%=5%;1/100*100%=1%;被测温度为400℃，现有量程为0~500℃、精度1.5级和量程0~1000℃、精度1.0级的温度仪表各一块，问选用哪一块仪表测量更好？请说明原因。解：1.5级温度计测量时可能出现的最大绝对误差、测量400℃可能出现的最大示值相对误差分别为℃1.0级温度计测量时可能出现的最大绝对误差、测量400℃时可能出现的最大示值相对误差为℃因此第1块表更好。某超声波传感器测距离实验中，测得如下表所示的实验数据，请先计算误差，再分析数据的好坏？实际距离（cm）102030405060708090100测量距离（cm）18.620.129.940.250.259.869.780.290.395实际相对误差86%0.5%-0.3%0.5%0.4%-0.3%-0.4%0.25%0.33%-5%示值相对误差46.2%0.49%-0.3%0.49%0.39%-0.3%-0.4%0.24%0.33%-5.2%可以看出，第一列数据误差极大，为坏值。有台体重计偏轻5斤，一个200斤的胖子称重时的测量误差和一个80斤的瘦子称重时的测量误差，谁的大？为什么？绝对误差均为-5，一样大。示值相对误差胖子比瘦子小。《传感器与机器视觉》（ISBN）杨利谢永超主编吴海波高赢杨述陈柳松副主编电子工业出版社思考与练习题2参考答案【课后习题2】热电偶的测温原理是什么？热电效应：将两种不同材质的导体或半导体（A和B）首尾相接组成闭合回路，当两个接点温度（T≠T0）不相同时，回路中就会产生一个电动势，称为热电动势，这种现象称为热电效应。热电偶的冷端补偿方法有哪些？常用的冷端补偿方法有冰浴法、补偿导线法、计算修正法、补偿电桥法、显示仪表机械零位调整法等。热电阻的连接方式有哪几种？分别用在什么场合？热电阻与测量电路的连接方式有二线制、三线制和四线制。当热电阻传感器与测量回路不太远的情况下，采用二线制连接方式。否则采用三线制或四线制连接方式，其中三线制是电压源供电，四线制是电流源供电。为什么三线制连接方法可以抵消掉导线电阻带来的测量误差？三线制连接方式是指从热电阻传感器两端引出三根导线并将其接入测量回路中，这三根导线粗细相同，长度相等，阻值都是Rw，连接电路如图2-16（a）所示。其中一根连接到电源上，另外两根分别连接到直流电桥（惠斯特电桥）的相邻两臂中，这样就把连接导线的电阻值加在相邻的两个桥臂中，导线电阻对测量的影响可以相互抵消。等效电路如图2-20（b）所示。试着从原理、测温范围、输出信号、材料等方面来分析热电偶和金属热电阻的区别。原理测温范围输出信号材料热电偶热电效应-270~1800℃mV两种不同合金，如镍铬-镍硅金属热电阻电阻值随温度变化而变化-260~850℃电阻金属，如铂、铜与模拟温度传感器相比，数字式温度传感器有哪些特点？连线少、价格便宜、信号传输距离远、易与可编程设备相连。用镍铬-镍硅热电偶测炉温，当冷端温度为20℃（恒定），测出热端温度为T时热电势为18.05mV，求炉子的真实温度。解：设炉子真实温度为T，已知冷端温度T0=20℃，且热电偶测得的热电势为E(T，T0)=E(T，20)=18.05mV查附录一K型热电偶分度表：E(20，0)=0.798mV根据中间温度定律：E(T，0)=E(T，20)+E(20，0)=18.05+0.798=18.848mV再查K型热电偶分度表可知18.848mV所对应的温度为458℃，因此炉子真实温度为T=458℃。在一个实际的K型热电偶测温系统中，配用K型热电偶温度显示仪表显示被测温度的大小。测温对象是炉膛温度为1000℃的加热炉，设热电偶冷端温度为50℃，显示仪表所在的控制室远离加热炉，室温为20℃。要求分别用普通铜导线和K型热电偶补偿导线将热电偶与显示仪表进行连接，测量结果分别是多少？所测温度数据是否能反映炉膛的真实温度？用普通铜导线连接时，测量结果是错误的，因为其没有延伸冷端的作用用补偿导线连接时，测量结果是正确的，炉膛真实温度为1000℃。DS18B20测温范围-55℃~+125℃，精度为±0.5℃，请问最少需要几位二进制表示温度值？（125-（-55））/0.5=360，因此最少9位，包含512个值，大于360.参照DS18B20图2.23电路图和2.24时序图，编写DS18B20初始化和读写代码。某控制电路需要过流保护，其工作电压为48V、电路正常工作电流为450mA、电路的环境温度为50℃。要求电路中电流为5A时2秒内应把电路中的电流降到500mA以下，请利用互联网找到合适的热敏电阻型号。答案不唯一。符合要求的均可以。分析下图中电路的工作原理，其中RT为热电阻温度传感器。图中运放构成一个差分放大电路，输出电压等于(U+-U-)*A。因此温度变化时，RT阻值不同，U+与U-的差不同,输出电压也不同。《传感器与机器视觉》（ISBN）杨利谢永超主编吴海波高赢杨述陈柳松副主编电子工业出版社思考与练习题3参考答案【课后习题3】电阻应变片和半导体应变片的工作原理有何区别？它们各有何特点？这是两种不同材料的应变片，工作原理都是应变效应。不同在于前者受力时应变常数会变化，而后者不会。因此前者灵敏度远大于后者，不过前者存在温度偏移。试着画出电阻应变式传感器的几种测量电路？分析各电路的测量灵敏度。即书中的单臂桥、双臂桥和全桥电路，灵敏度即输出电压公式。因环境温度改变而引起电阻变化的主要因素有哪些？环境温度改变会引起应变片应变常数的不温度。什么是压电效应？当外力消失后，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。如果在这些电介质的极化方向施加电场，这些电介质就在一定方向产生机械变形或机械应力。当外电场撒去时，这些变形或应力也随之消失，这种现象称之为逆压电效应，或称之为电致伸缩效应。常用的压电材料有哪些？目前压电材料可分为三大类：第一类是压电晶体(单晶)，它包括压电石英晶体和其他压电单晶；第二类是压电陶瓷(多晶半导瓷)；第三类是新型压电材料，又可分为压电半导体和有机高分子压电材料两种。常见的电感传感器有哪些类型？根据转换原理，可将电感式传感器分为自感式、互感式和电涡流式三种。根据结构型式，可将电感式传感器分气隙型和螺管型两种。什么是零点残余电压？主要跟哪些因素相关？零点残余电压主要是由传感器的两次级绕组的电气参数与几何尺寸不对称，以及磁性材料的非线性等问题引起的。零点残余电压的波形十分复杂，主要由基波和高次谐波组成。基波产生的主要原因是：传感器的两次级绕组的电气参数和几何尺寸不对称，导致它们产生的感应电势的幅值不等、相位不同，因此不论怎样调整衔铁位置，两线圈中感应电势都不能完全抵消。高次谐波中起主要作用的是三次谐波，产生的原因是由于磁性材料磁化曲线的非线性(磁饱和、磁滞)。零点残余电压一般在几十毫伏以下，在实际使用时，应设法减小，否则将会影响传感器的测量结果。什么是涡电流效应？简述涡流式传感器的工作原理。涡流式传感器的原理是利用金属体在交变磁场中的涡电流效应。如图3-37所示，一块金属板置于一只线圈的附近。根据法拉第定律，当传感器线圈通以正弦交变电流时，线圈周围空间必然产生正弦交变磁场，使置于此磁场中的金属导体中感应涡电流，又产生新的交变磁场。根据楞次定律,的作用将反抗原磁场，导致传感器线圈的等效阻抗发生变化。某试件受力后，应变为，已知应变片的灵敏度为2，初始值120，若不计温度的影响，求电阻的变化量。下图为一直流应变电桥，假设图中=4V，，求（1）为金属应变片，其余均为外接电阻，当的增量为=1.2时，电桥的输出电压是多少？Uo=/(4R)*Ui=1.2/4/120*4=0.01V（2）和为金属应变片，且批号相同，感受应变的大小相同，极性相反，=1.2时，电桥的输出电压是多少？Uo=/(2R)*Ui=1.2/2/120*4=0.02V10、下图为用电涡流式传感器构成的液位监控系统。通过浮子1与杠杆带动涡流板2上下位移，由电涡流式传感器3发出信号控制电动泵的开启而使液位保持一定。请分析该液位监控系统的工作过程。1-浮子；2-涡流板；3-电涡流式传感器当液位升高时，浮子1上升，涡流板2下移，与电涡流式传感器3更近，传感器输出信号增大。《传感器与机器视觉》（ISBN）杨利谢永超主编吴海波高赢杨述陈柳松副主编电子工业出版社思考与练习题4参考答案什么是光电效应？光电传感器的原理是光电效应。用光照射某一物体，可以看作物体受到一连串能量为E的光子的轰击，组成这种物体的材料吸收光子能量而发生相应电效应的物理现象称为光电效应。通常把光线照射到物体表面后产生的光电效应分为三类：外光电效应、内光电效应和光生伏特现象。常见的光电器件有哪些？工作原理分别是？常见的光电器件有光电管、光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管、光电池等。光电管原理：当入射光线穿过光窗照到光电阴极上时，由于外光电效应，光电子就从极层内发射至真空。在电场的作用下，光电子在极间作加速运动，最后被高电位的阳极接收，在阳极电路内就可测出光电流，其大小取决于光照强度和光阴极的灵敏度等因素。光敏电阻：阻值随光照变化而变化，光照越强，电阻越小。光敏二极管：光敏二极管在不受光照射时处于截止状态；受光照射时处于导通状态。光敏三级管：光线通过透明窗口落在基区及集电结上，使PN结产生光生电子-空穴对，在内电场作用下做定向运动，形成光电流，因此PN结的反向电流大大增加。光电池是一种直接将光能转换为电能的光电器件。光电池在有光线作用时实质就是电源，电路中有了这种器件就不需要外加电源。说说霍尔电势产生的过程？霍尔电势的大小与哪些因素相关？置于磁场中的静止载流导体，当它的电流方向与磁场方向不一致时，载流导体上平行于电流和磁场方向上的两个面之间产生电动势，这种现象称霍尔效应，该电势称霍尔电势。霍尔电势正比于激励电流及磁感应强度，其灵敏度KH与霍尔系数RH成正比而与霍尔片厚度d成反比。为什么霍尔元件要进行温度补偿？主要有哪些补偿方法？补偿的原理是什么？霍尔元件是采用半导体材料制成的，因此它们的许多参数都具有较大的温度系数。当温度变化时，霍尔元件的载流子浓度、迁移率、电阻率及霍尔系数都将发生变化，从而使霍尔元件产生温度误差。为了减小霍尔元件的温度误差，除选用温度系数小的元件或采用恒温措施外。图1为霍尔式转速测量装置的结构原理图。调制盘上有100对永久磁极，N、S极交替放置，调制盘由转轴带动旋转，在磁极上方固定一个霍尔元件，每通过一对磁极霍尔元件产生一个方脉冲送到计数器。假定t=5min采样时间内，计数器收到N=15万个脉冲，求转速为每分钟多少转？图1霍尔式转速测量装置原理图n=60f/N=60*150000/5/100=18000r/min6、目前在我国越来越多的商品外包装上都印有条形码符号。条形码是由黑白相间、粗细不同的线条组成的，它上面带有国家、厂家、商品型号、规格等许多信息。对这些信息的检测是通过光电扫描笔来实现数据读入的。请根据图2分析其工作原理。图（a）条形码扫描笔笔头结构图（b）扫描笔输出的脉冲列图2商品条形光电扫描笔码扫码原理黑色的条码具有反射光的特点，因此当扫描黑色条码时，光电传感器输出高电平；条码越宽，电平脉冲越宽。反之白色空隙不反光，光电传感器输出低电平。如图所示，是某公司型号为LC0101的压电式加速度传感器，其主要参数为：图3LC0101压电式加速度传感器灵敏度：100mV/g:加速度变化1g，输出变化100mV量程：50g:测量范围频率范围：0.5-8000Hz（±10%)：加速度变化频率分辨率：0.0002g：能分辨的最小加速度线性：≤1%：线性误差横向灵敏度：≤5%典型值：≤3%：温度范围：-40~+120℃：使用温度范围用途：模态试验：用途试解释各特性参数的含义。《传感器与机器视觉》（ISBN）杨利谢永超主编吴海波高赢杨述陈柳松副主编电子工业出版社思考与练习题5参考答案什么是超声波，它由什么特性？机械振动在弹性介质内的传播称为波动，简称为波。人能听见声音的频率为20Hz～20kHz，即为声波，超出此频率范围的声音，即20Hz以下的声音称为次声波，20kHz以上的声音称为超声波，超声波具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点.什么叫超声波传感器？常用超声波传感器的工作原理有哪几种？利用超声波在超声场中的物理特性和各种效应而研制的装置可称为超声波换能器、探测器或传感器，习惯上也称为超声波探头。超声波传感器按其作用原理可分为压电式、磁致伸缩式和电磁式等数种。简述超声波测量厚度的原理。超声波传感器是使用声波来检测物体，测量的基本原理类似，即：当传播速度和测量时间固定时，可以推算出距离，这是超声波测距、测厚度、测位移的原理莫尔条纹是如何产生的，它由什么特性？把两块光栅距相等的光栅平行安装，并且使光栅刻痕相对保持一个较小的夹角θ时，由于人眼的视觉干扰效果，透过光栅组可以看到一组明暗相间的条纹，即为莫尔条纹。莫尔条纹具有放大性、同步性及准确性的特性。简述光栅传感器测量位移的原理。长光栅传感器中有两块光栅，主光栅和指示光栅，合起来叫光栅副。测量时，主光栅和指示光栅相对运动。光源发出的光，经过透镜变成平行光后，照射到主光栅和指示光栅组成的光栅副上，在后面形成莫尔条纹，光电元件感受莫尔条纹的变化，输出如图5-20（b）所示的电信号。在a处，两光栅刻线重叠，透过的光强最大，光电元件输出的电信号也最大；c处由于光被遮去一半，光强减小；d处光全被遮去而成全黑，光强为零。随着光栅的移动，光强的变化由亮->半亮半暗->全暗->半暗半亮->全亮，光栅移动一个栅距，莫尔条纹也经历了一个周期，移动了一个条纹间距。光强的变化需要通过光电转换电路转换为输出电压的变化，输出电压的变化曲线近似为正弦曲线。通过后续的整形转换电路和逻辑电压转换电路，就变成了一个脉冲信号。被测物体的位移就等于栅距乘以脉冲数。在精密车床上使用刻线为5400条/周的圆光栅作长度检测时，检测精度为0.01mm，问该车床丝杠的螺距为多少？5400*0.01=54mm《传感器与机器视觉》（ISBN）杨利谢