傳感器技術課后習題答案
1-1 衡量傳感器靜態特性的主要指標。說明含義。
1、 線性度——表征傳感器輸出-輸入校準曲線與所選定的擬合直線之間的吻合（或偏離）程度的指標。
2、 回差（滯后）—反應傳感器在正（輸入量增大）反（輸入量減�。┬谐踢^程中輸出-輸入曲線的不重合程度。
3、 重復性——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多次變動時，所得特性曲線間一致
程度。各條特性曲線越靠近，重復性越好。
4、 靈敏度——傳感器輸出量增量與被測輸入量增量之比。
5、 分辨力——傳感器在規定測量范圍內所能檢測出的被測輸入量的最小變化量。
6、 閥值——使傳感器輸出端產生可測變化量的最小被測輸入量值，即零位附近的分辨力。
7、 穩定性——即傳感器在相當長時間內仍保持其性能的能力。
8、 漂移——在一定時間間隔內，傳感器輸出量存在著與被測輸入量無關的、不需要的變化。
9、 靜態誤差（精度）——傳感器在滿量程內任一點輸出值相對理論值的可能偏離（逼近）程度。
1-2 計算傳感器線性度的方法，差別。
1、 理論直線法：以傳感器的理論特性線作為擬合直線，與實際測試值無關。
2、 端點直線法：以傳感器校準曲線兩端點間的連線作為擬合直線。
3、 “最佳直線”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曲線對它的正負偏差相等
并且最小。這種方法的擬合精度最高。
4、 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數據的殘差平方和最小。
1-3 什么是傳感器的靜態特性和動態特性？為什么要分靜和動？
（1）靜態特性：表示傳感器在被測輸入量各個值處于穩定狀態時的輸出-輸入關系。
動態特性：反映傳感器對于隨時間變化的輸入量的響應特性。
（2）由于傳感器可能用來檢測靜態量（即輸入量是不隨時間變化的常量）、準靜態量或動態量（即輸入量是隨時間變化的變量），于是對應于輸入信號的性質，所以傳感器的特性分為靜態特性和動態特性。
Z-1 分析改善傳感器性能的技術途徑和措施。
（1）結構、材料與參數的合理選擇（2）差動技術（3）平均技術（4）穩定性處理（5）屏蔽、隔離與干擾抑制
（6）零示法、微差法與閉環技術（7）補償、校正與“有源化”（8）集成化、智能化與信息融合
2-1 金屬應變計與半導體工作機理的異同？比較應變計各種靈敏系數概念的不同意義。
（1）相同點：它們都是在外界力作用下產生機械變形，從而導致材料的電阻發生變化所；不同點：金屬材料的應變效應以機械形變為主，材料的電阻率相對變化為輔；而半導體材料則正好相反，其應變效應以機械形變導致的電阻率的相對變化為主，而機械形變為輔。
（2）對于金屬材料，靈敏系數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變而變的部分。金屬絲材的應變電阻效應以結構尺寸變化為主。
對于半導體材料，靈敏系數Ko=Ks=(1+2μ)+ πE。前部分同樣為尺寸變化，后部分為半導體材料的壓阻效應所致，而πE 》(1+2μ)，因此Ko=Ks=πE。半導體材料的應變電阻效應主要基于壓阻效應。
2-3 簡述電阻應變計產生熱輸出（溫度誤差）的原因及其補償辦法。
電阻應變計的溫度效應及其熱輸出由兩部分組成：前部分為熱阻效應所造成；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，會產生溫度誤差。
補償辦法：1、溫度自補償法 （1）單絲自補償應變計(2) 雙絲自補償應變計
2、橋路補償法 （1）雙絲半橋式（2）補償塊法
2-4 試述應變電橋產生非線性的原因及消減非線性誤差的措施。
原因： U??R?R?R?R?1??R?R?R?R4??U0??1?2?3?4?1??1?2?3?4?R1R2R3R4?2?R1R2R3R4?
上式分母中含ΔRi/RiΔRi/Ri呈非線性關系。
措施：(1) 差動電橋補償法
差動電橋呈現相對臂“和”，相鄰臂“差”的特征，通過應變計合理布片達到補償目的。常用的有半橋
差動電路和全橋差動電路。
(2) 恒流源補償法
誤差主要由于應變電阻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 如何用電阻應變計構成應變式傳感器？對其各組成部分有何要求？
一是作為敏感元件，直接用于被測試件的應變測量；另一是作為轉換元件，通過彈性敏感元件構成傳感器，用以對任何能轉變成彈性元件應變的其他物理量作間接測量。
要求：非線性誤差要�。�
2-9 四臂平衡差動電橋。說明為什么采用。
全橋差動電路，R1,R3受拉，R2,R4受壓，代入，得
U??R?R?R?R?1??R?R?R?R??U0??1?2?3?4?1??1?2?3?4? 4?R1R2R3R4?2?R1R2R3R4?由全等橋臂，得
U??R1??R2?R3??R4?1??R1??R2?R3??R4??U0?????????1???4?R1R2R3R4?2?R1R2R3R4?
U4?R1?R1??U 4R1R1可見輸出電壓Uo與ΔRi/Ri成嚴格的線性關系，沒有非線性誤差。即Uo=f(ΔR/R)。
因為四臂差動工作，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 比較差動式自感傳感器和差動變壓器在結構上及工作原理上的異同。
絕大多數自感式傳感器都運用與電阻差動式類似的技術來改善性能，由兩單一式結構對稱組合，構成差動式自感傳感器。
采用差動式結構，除了可以改善非線性、提高靈敏度外，對電源電壓與頻率的波動及溫度變化等外界影響也有補償作用，從而提高了傳感器的穩定性。
互感式傳感器是一種線圈互感隨銜鐵位移變化的變磁阻式傳感器，初、次級間的互感隨銜鐵移動而變，且兩個次級繞組按差動方式工作，因此又稱為差動變壓器。
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合？各有什么優缺點？
變氣隙式靈敏度較高，但測量范圍小，一般用于測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，一般可分辨零點幾角秒以下的微小角位移，線性范圍達±10°.
螺管式可測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長形有什么好處？欲擴大其線性范圍可以采取哪些措施？
答：好處：增加線圈的長度有利于擴大線性范圍或提高線性度。
措施：適當增加線圈長度、采用階梯形線圈。
3-6 差動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 電感傳感器產生零位電壓的原因和減小零位電壓的措施。
差動自感式傳感器當銜鐵位于中間位置時，電橋輸出理論上應為零，但實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償電路，其原理為：
(1)串聯電阻消除基波零位電壓；2)并聯電阻消除高次諧波零位電壓；(3)加并聯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量電路來減小零位電壓。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節機構(如可調端蓋)保證磁路的對稱性，來減小零位電壓。
3-9 造成自感式傳感器和差動變壓器溫度誤差的原因及其減小措施。
（1）環境溫度的變化會引起自感傳感器的零點溫度漂移、靈敏度溫度漂移以及線性度和相位的變化，造成溫度誤差。應注意線膨脹系數的大小與匹配，采用弱磁不銹鋼等材料作線圈骨架，或采用脫胎線圈。
（2）當溫度變化時，差動變壓器初級線圈的參數尤其銅阻的變化影響較大。應提高初級線圈的品質因數，或采用穩定激勵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用。
1.測位移?電渦流式傳感器的主要用途之一是可用來測量金屬件的靜態或動態位移，最大量程達數百毫米，分辨率為0.1%。
2.測厚度 金屬板材厚度的變化相當于線圈與金屬表面間距離的改變，根據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.測溫度 若保持電渦流式傳感器的機、電、磁各參數不變，使傳感器的輸出只隨被測導體電阻率而變，就可測得溫度的變化。
3-14 比較定頻調幅式、變頻調幅式和調頻式三種測量電路的優缺點，并指出它們的應用場合。
（1）定頻調幅式：這種電路采用石英晶體振蕩器，能獲得高穩定度頻率的高頻激勵信號，輸出穩定，獲得廣泛應用，
但線路較復雜，裝調較困難，線性范圍也不夠寬。
（2）變頻調幅式：這種電路除結構簡單、成本較低外，還具有靈敏度高、線性范圍寬等優點，因此監控等場合常采用它。
（3）調頻式：這種電路的關鍵是提高振蕩器的頻率穩定度。通常可以從環境溫度變化、電纜電容變化及負載影響三方面考慮。
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：在微位移檢測中應用最廣。 （2） 變面積型電容傳感器：適合測量較大的直線位移和角位移。
（3）變介質型電容傳感器：可用于非導電散材物料的物位測量。
4-2 變極距型電容傳感器產生非線性誤差的原因及如何減��？
000原因：靈敏度S與初始極距0的平方成反比，用減少0的辦法來提高靈敏度，但0的減小會導致非線性誤差增大。 采用差動式，可比單極式靈敏度提高一倍，且非線性誤差大為減小。由于結構上的對稱性，它還能有效地補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、屏蔽和電纜問題特別重要？如何解決？
電容式傳感器由于受結構與尺寸的限制，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、且具有隨機性的電纜寄生電容的干擾，它與傳感器電容相并聯，嚴重影響傳感器的輸出特性，甚至會淹沒沒有用信號而不能使用。
解決：驅動電纜法、整體屏蔽法、采用組合式與集成技術.
5-12 霍爾效應是什么？可進行哪些參數的測量？
當電流垂直于外磁場通過導體時，在導體的垂直于磁場和電流方向的兩個端面之間會出現電勢差，這一現象便是霍爾效應。這個電勢差也被叫做霍爾電勢差。
利用霍爾效應可測量大電流、微氣隙磁場、微位移、轉速、加速度、振動、壓力、流量和液位等；用以制成磁讀頭、磁羅盤、無刷電機、接近開關和計算元件等等。
5-14 磁敏電阻與磁敏二極管的特點？
磁敏電阻：外加磁場使導體(半導體)電阻隨磁場增加而增大的現象稱磁阻效應。載流導體置于磁場中除了產生霍爾效應外,導體中載流子因受洛侖茲力作用要發生偏轉,載流子運動方向偏轉使電流路徑變化,起到了加大電阻的作用,磁場越強增大電阻的作用越強。磁敏電阻主要運用于測位移。
磁敏二極管：輸出電壓隨著磁場大小的方向而變化，特別是在弱磁場作用下，可獲得較大輸出電壓變化，r區內外復合率差別越大，靈敏度越高。當磁敏二極管反向偏置時，只有很少電流通過，二極管兩端電壓也不會因受到磁場的作用而有任何改變。利用磁敏二極管可以檢測弱磁場變化這一特性可以制成漏磁探傷儀。
6-1 何謂壓電效應？正壓電與逆壓電？
一些離子型晶體的電介質不僅在電場力作用下，而且在機械力作用下，都會產生極化現象。且其電位移D(在MKS單位制中即電荷密度σ)與外應力張量T成正比： D = dT 式中 d——壓電常數矩陣。
當外力消失，電介質又恢復不帶電原狀；當外力變向，電荷極性隨之而變。這種現象稱為正壓電效應，或簡稱壓電效應。
若對上述電介質施加電場作用時，同樣會引起電介質內部正負電荷中心的相對位移而導致電介質產生變形，且其應變S與外電場強度E成正比： S=dtE
式中 dt——逆壓電常數矩陣。這種現象稱為逆壓電效應，或稱電致伸縮。
6-2 壓電材料的`主要特性參數有哪些？比較三類壓電材料的應用特點。
主要特性：壓電常數、彈性常數、介電常數、機電耦合系數、電阻、居里點
壓電單晶：時間穩定性好，居里點高，在高溫、強幅射條件下，仍具有良好的壓電性，且機械性能，如機電耦合系數、介電常數、頻率常數等均保持不變。此外，還在光電、微聲和激光等器件方面都有重要應用。不足之處是質地脆、抗機械和熱沖擊性差。
壓電陶瓷：壓電常數大，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體特性。因此既可用其壓電性研制傳感器，又可用其半導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試系統。
6-6原理上，壓電式傳感器不能用于靜態測量，但實用中，壓電式傳感器可能用來測量準靜態量，為什么？
壓電式測力傳感器是利用壓電元件直接實現力-電轉換的傳感器，在拉力、壓力和力矩測量場合，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，動態特性好；測量范圍廣，可測范圍大；線性及穩定性高；可測單、多向力。當采用大時間常數的電荷放大器時，就可測準靜態力。
7-1 熱電式傳感器分類。各自特點。
熱電式傳感器是一種將溫度變化轉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：（1)高溫度系數、高電阻率。(2)化學、物理性能穩定。(3)良好的輸出特性。(4).良好的工藝性，以便于批量生產、降低成本。
熱電偶傳感器的特點：（1）結構簡單（2）制造方便（3）測溫范圍寬（4）熱慣性�。�5）準確度高（6）輸出信號便于遠傳
7-2 常用的熱電阻。適用范圍。
鉑、銅為應用最廣的熱電阻材料。鉑容易提純，在高溫和氧化性介質中化學、物理性能穩定，制成的鉑電阻輸出－輸入特性接近線性，測量精度高。銅在-50～150℃范圍內銅電阻化學、物理性能穩定，輸出－輸入特性接近線性，價格低廉。當溫度高于100℃時易被氧化，因此適用于溫度較低和沒有浸蝕性的介質中工作。
7-4 利用熱電偶測溫必須具備哪兩個條件？
（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 什么是中間導體定律和連接導體定律？它們在利用熱電偶測溫時有什么實際意義？
中間導體定律：導體A、B組成的熱電偶，當引入第三導體時，只要保持第三導體兩端溫度相同，則第三導體對回路總熱電勢無影響。利用這個定律可以將第三導體換成毫伏表，只要保證兩個接點溫度一致，就可以完成熱電勢的測量而不影響熱電偶的輸出。
連接導體定律：回路的總電勢等于熱電偶電勢EAB(T,To)與連接導線電勢EA’B’(Tn,To)的代數和。連接導體定律是工業上運用補償導線進行溫度測量的理論基礎。
7-6 什么是中間溫度定律？有什么實際意義？
EAB(T,Tn,To)=EAB(T,Tn)+EAB(Tn,To)
這是中間溫度定律表達式，即回路的總熱電勢等于EAB(T,Tn)與EAB(Tn,To)的代數和。Tn為中間溫度。中間溫度定律為制定分度表奠定了理論基礎。
7-7 鎳絡-鎳硅介質溫度800°C，參考端溫度為25°C，求介質實際溫度？
t=介質溫度+k*參考溫度（800+1*25=825）
8-2 外光電效應、光電導效應、光生伏特效應。
外光電效應：在光線的作用下，物體內的電子逸出物體表面向外發射的現象。
光電導效應：在光線作用下，電子吸收光子能量從鍵合狀態過渡到自由狀態，而引起材料電導率的變化的現象。 光生伏特效應：在光線作用下能夠使物體產生一定方向的電動勢的現象。
8-3 比較光電池、光敏晶體管、光敏電阻及光電倍增管使用性能上的差別。
光電池：光電池是利用光生伏特效應把光直接轉變成電能的器件。它有較大面積的PN結，當光照射在PN結上時，
在結的兩端出現電動勢。當光照到PN結區時，如果光子能量足夠大，將在結區附近激發出電子-空穴對，在N區聚積負電荷，P區聚積正電荷，這樣N區和P區之間出現電位差。
8-5.怎樣根據光照特性和光譜特性來選擇光敏元件？
不同類型光敏電阻光照特性不同，但光照特性曲線均呈非線性。因此它不宜作定量檢測元件，一般在自動控制系
統中用作光電開關。
光譜特性與光敏電阻的材料有關，在選用光敏電阻時，應把光敏電阻的材料和光源的種類結合起來考慮，才能獲得
滿意的效果。
8-10.簡述光電傳感器的主要形式及其應用。
模擬式（透射式、反射式、遮光式、輻射式）、開關式
應用：光電式數字轉速表、光電式物位傳感器、視覺傳感器、細絲類物件的在線檢測
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