传感器与测试技术_平时作业及讲评(电大四次平时作业)

传感器与测试技术平时作业（1） 1画出测试系统的组成框图，并说明各组成部分的作用。 答：测试系统地组成框图如下。 传感器将被测系统或测试过程中需要观测的信息转化为人们所熟悉的各种信号，通常 将被测物理量转换成以电量为主要形式的电信号。 信号转换部分是对传感器所送来的信号进行加工，如将电阻抗变为电压或电流、对信 号进行放大等。 显示和记录部分将所测信号变为一种能为人们所理解的形式，以供人们观测和分析。 2为满足测试需要，对传感器的一般要求有哪些？ 答：对传感器的一般要求： 1） 灵敏度高，线性度好； 2） 输出信号信躁比高，这要求其内噪声低，同时不应引入外噪声； 3） 滞后、漂移小； 4） 特性的复显性好，具有互换性； 5） 动态性能好； 6） 对测量对象的影响小，即“负载效应”较低。 3传感器的动态特性的评价指标有哪些？ 答：动态特性是指传感器对随时间变化的输入量的响应特性。传感器的动态特性的评 价指标有： 1） 时间常数 2） 上升时间 tr 3） 稳定时间（或响应时间） tw 4） 超调量 4提高传感器性能的方法有哪些？ 答：提高传感器性能的方法 1） 非线性校正 2） 温度补偿 3） 零位法、微差法 4） 闭环技术 5） 平均技术 6） 差动技术 7） 采用屏蔽、隔离与抑制干扰措施 5简述应变式电阻传感器的工作原理。 答：电阻丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻值发生变化，这一现象就是电阻丝 的应变效应。 设有一段长为 ，截面为 ，电阻率为 的金属丝，则它的电阻为 （3-1） 当它受到轴向力 F 而被拉伸(或压缩)时，其 、 、 均发生变化，如图 3-1 所示，如 取金属丝是半径为 的圆形截面 ，那么 若金属丝沿长度方向受力而伸长 ，通常将 称为纵向应变，标为 。因为它的数值 在 通常的测量中甚小，故常用 10-6 作为单位来表示，称为微应变，标以 。例如 =0.001 就可以表示为 ，称为具有 1000 微应变。金属丝沿其轴向拉长使其径向缩小，二 者之间的关系为 所以 令 （3-4） 称为金属丝的灵敏系数，它表示金属丝发生单位轴向应变时所引起的电阻值的相对变化。 由式(3-4)可知，因应变导致金属电阻值的变化，由两项组成：第一项 表示 由于几何尺寸改变引起的电阻变化；另一项 表示单位轴向应变引起电阻率的变化。 对于大多数金属电阻丝材料说 则有 上式表明：加载后金属丝电阻相对变化量与轴向应变成正比。 6简述压阻式传感器电桥采用恒压源供电和恒流源供电各自的特点。 答：恒压源供电使电桥输出与 U 成正比，电桥的输出与电源的大小、精度都有关。同 时电桥输出与 有关，即与温度有关，而且与温度的关系是非线性的，所以用恒压源 供电时，不能消除温度的影响。 恒流源供电使电桥的输出与电阻的变化量成正比，即与被测量成正比，输出与恒流源 供给的电流大小、精度有关。但是电桥的输出与温度无关，不受温度影响。但需要配备一 个恒流源，使用中不方便. 7在网络上查找出有介绍电阻应变式、压阻式和热阻式传感器产品的网站各一个，打 印（或记录）其结构简图、工作原理、特性、主要型号及技术参数等有关信息。 答：1）/view/c1fb56d280eb6294dd886cef.html 电阻应变式传感器 2） /view/4f10ea20bcd126fff7050ba4.html 压阻式传感器 3） /view/00ca813183c4bb4cf7ecd162.html 热阻式传感器 传感器与测试技术平时作业（2） 1电容式传感器的工作原理和主要性能是什么？ 答：两平行极板组成的电容器，如果不考虑边缘效应，其电容量为 当被测量的变化使式中的 、 或 任一参数发生变化时，电容量 C 也就随之 变化，这就是电容式传感器的工作原理。 主要性能是： (1)静态灵敏度，被测量变化缓慢的状态下，电容变化量与引起其变化的被测量之比。 (2)非线性，电容量 与极板间距 不是线性关系。 (3)动态特性，传感器对于随时间变化的输入量的响应特性为传感器的动态特性。 2简述电容式传感器的主要优缺点。 答：(1)电容式传感器的优点： 温度稳定性好。 结构简单，适应性强。 动态响应好。 可以实现非接触测量，具有平均效应。 电极板间的静电引力很小，所需输入力和输入能量极小，因而可测极低的压力、力和 很小的加速度、位移等，可以做得很灵敏，分辨力高，能敏感 0.01m 甚至更小的位移； 由于其空气等介质损耗小，采用差动结构并接成桥式电路，允许电路进行高倍率放大，使 仪器具有很高的灵敏度。 (2)电容式传感器的主要缺点是： 输出阻抗高，负载能力差。 寄生电容影响大。 输出特性非线性。 3电感式传感器的测量电路主要形式是什么？ 答：电感式传感器的测量电路主要形式是 1）电阻平衡臂交流电桥，交流电桥是自感传感器的主要测量电路，自感线圈一般接成 差动形式，如图 2）变压器式交流电桥 3）紧耦合电感臂交流电桥，紧耦合电感臂交流电桥以差动电感传感器的两个线圈作电 桥工作臂，而紧耦合的两个电感作为固定臂组成电桥电路。采用这种测量电路可以消除与 电感臂并联的分布电容对输出信号的影响，使电桥平衡稳定，另外简化了接地和屏蔽的问 题。 4简述压磁式传感器的工作原理。 答：压磁式测力传感器的压磁元件由具有正磁致伸缩特性的硅钢片粘叠而成。如下图 所示，硅钢片上冲有四个对称的孔，孔 1、2 的连线与孔 3、4 相互垂图(a) 。孔 1、2 间 绕有激磁绕组 W12，孔 3、4 间绕有测量绕组 W34，外力 F 与绕组 W12、W34 所在平面成 45角。当激磁绕组 W12 通过一定的交变电流时，铁心中就产生磁场 H，方向如图(b) 所 示。设将孔间区域分成 A、B、C、D 四部分。在无外力作用时，A、B、C、D 四部分的磁 导率相同，磁力线呈轴对称分布，合成磁场强度 H 平行于测量绕组 W34 的平面。在磁场 作用下，导磁体沿 H 方向磁化，磁通密度 B 与 H 取向相同。由于测量绕组无磁通通过， 故不产生感应电势。 压磁式测力传感器的工作原理 若对压磁元件施加压力 F，如图(c)所示，A、B 区域将产生很大的压应力 ，而 C、D 区域基本上仍处于自由状态。对于正磁致伸缩材料，压应力 使其磁化方向转向垂 直于压力的方向。因此，A、 B 区的磁导率 下降，磁阻增大，而与应力垂直方向的 上升，磁阻减小。磁通密度 B 偏向水平方向，与测量绕组 W34 交链，W34 中将产生感应 电势 e。F 值越大，W34 交链的磁通越多，e 值就越大。经变换处理后，即能用电流或电压 来表示被测力 F 的大小。 5磁电式传感器可分为几类？各有什么性能特点？ 答：磁电式传感器分类。 1变磁通式磁电传感器 这种类型的传感器线圈和磁铁固定不同，利用铁磁性物质制成一个齿轮（或凸轮）与 被测物体相连而连动，在运动中齿轮（或凸轮）不断改变磁路的磁阻，从而改变了线圈的 磁通，在线圈中感应出电动势。这种类型的传感器在结构上有开磁路和闭磁路两种，一般 都用来测量旋转物体的角速度，产生感应电势的频率作为输出，感应电动势的频率等于磁 通变化的频率。 闭磁路变磁通式传感器 开磁路变磁通式传感器 2) 恒定磁通式磁电传感器 在图 6-4 中，线圈和壳体固定，永久磁铁用弹簧支承，当壳体随被测物体一起振动时， 由于弹性元件较软而运动部件质量相对较大，因而有较大惯性，来不及跟随振动体一起振 动，振动能量几乎全部被弹性元件吸收，永久磁铁与线圈之间产生相对运动，线圈切割磁 力线，从而产生感应电动势 6-4 当传感器结构选定后，式 6-4 中 、 、 都是常数，线圈的感应电动势仅与 相对运动速度 有关，传感器的灵敏度 为了得到较高的灵敏度，应采用磁能积 较大的永久磁铁和尽量小的空气隙长度以提高磁感应强度，同时应使单线圈长度增加并提 高有效匝数 ，但这些参数要受到传感器体积和重量等因素的制约。 6请画出两种霍尔元件的驱动电路，并简述其优缺点。 答：霍尔元件的基本驱动电路如下图所示。 对霍尔元件可采用恒流驱动或恒压驱动，如下图所示。 恒压驱动电路简单，但性能较差。随着磁感应强度增加，线性变化坏，仅用于精度要 求不太高的场合；恒流驱动线性度高，精度高，受温度影响小。 7磁栅式传感器的误差是哪些因素引起的？可应用于哪些场合？ 答：磁栅式传感器的误差包括零位误差和细分误差。 零位误差是由以下因素造成的： 1） 磁栅的节矩不均匀造成的零位误差； 2） 磁栅的安装与变形误差； 3） 磁栅剩磁变化所引起的零点漂移； 4） 外界磁场干扰。 细分误差是由以下因素造成的： 1） 由于磁膜不均匀或录制过程不完善造成磁栅上信号幅度不相等； 2） 两个磁头在空间位置偏离正交较远； 3） 两个磁头参数不对称引起的误差； 4） 磁场高次谐波分量和感应电势高次谐波分量的影响。 8在网络上查找出有介绍电容式、电感式和磁电式传感器产品的网站各一个，打印 （或记录）其结构简图、工作原理、特性、主要型号、技术参数和应用等有关信息。 答：1）/p-286581736.html 电容式传感器 2） /view/e8885d1514791711cc79179b.html 电感式传感器 3） /view/13a3bc3567ec102de3bd8905.html 磁电式传感器 传感器与测试技术平时作业（3） 1. 能否用压电传感器测量变化比较缓慢的力信号？试说明其理由。 答：不能，由下图可知： 当 时，可以近似看作放大器的输入电压与作用力的频率无关。在时间常数 一定的条件下，被测物理量的变化频率越高，则放大器的输入电压越接近理想情况。说 明压电传感器具有良好的高频响应特性。 测量变化比较缓慢的力信号时，被测物理量的变化频率越低，则放大器的输入电压不 理想，测量不准确。 2. 比较各种压电材料的优缺点。 答：压电材料可分为三大类：压电晶体（单晶） 、压电陶瓷（多晶半导瓷）和新型压电 材料（包括压电半导体和高分子压电材料） 。 (1)压电晶体 石英晶体压电系数和介电系数的温度稳定性好，常温下几乎不变，在 20200范围 内其压电系数变化率仅为-0.016%；机械强度和品质因数高，允许应力高达 6.8107 Pa9.8107 Pa，刚度大，动态特性好；居里点 573，无热释电性，绝缘性好，重复性 好。 (2)压电陶瓷 制作工艺简单、耐湿、耐高温，发展极为迅速，应用广泛。传感技术中应用的压电陶 瓷材料主要有以下几种：钛酸钡 BaTiO3 ，锆钛酸铅，铌酸盐系压电陶瓷，铌镁酸铅压电 陶瓷 PMN。 (3)压电半导体 由于压电半导体既有压电特性又有半导体特性，因此既可用其压电性研制传感器，又 可用其半导体性制作电子器件。 硫化锌（ZnS） 、碲化镉（CdTe） 、氧化锌（ZnO） 、硫化镉（CdS） 、碲化锌（ZnTe）和砷 化镓（GaAs）等。 (4)高分子压电材料 一类是某些高分子聚合物经延展拉伸和电场极化后，具有压电性，称为高分子压电薄 膜。 另一类是在高分子化合物中加入压电陶瓷粉末如 PZT 或 BaTiO3 制成的高分子压电陶瓷 薄膜。 3. 为什么压电式传感器要高阻抗输出？压电放大器与电荷放大器的实质是什么？ 答：压电式传感器要高阻抗输出：由于压电式传感器输出功率小，再加上电缆分布电 容和干扰问题，会严重影响输出特性，必须在测量电路中加入前置放大器，将输入信号放 大，这样传感器的电荷才不会泄漏，才能正确测量传感器的输出。 电压放大器与电荷放大器的实质。 电压放大器的功能是将压电传感器的高输出阻抗变为较低阻抗，并将压电式传感器的 微弱电压信号放大。 电荷放大器是一种输出电压与输入电荷量成正比的前置放大器。 压电传感器可以等效为一个电容器 和一个电荷源，而电荷放大器实际上是一个具 有深度电容负反馈的高增益运算放大器。 4. 光线在光纤中传播的原理是什么？ 答：如图（a）所示，光纤被夹在一对锯齿板中间，当光纤不受力时，光线从光纤中穿 过，没有能量损失。当锯齿板受外力作用而产生位移时，光纤则发生许多微弯，这时在纤 芯中传输的光在微弯处有部分散射到包层中，如图（b）所示。这是由于有些光束的入射角 小于临界角，不能发生全反射的原因。这样输出的光强就发生了变化，而且受力越大，光 纤微弯的程度也越大，泄漏的光越多，根据光强的变化就可确定所受压力的大小。 5. 为什么采用循环码码盘可以消除二进制码盘的那种粗误差？ 答：为了消除粗误差，可用循环码代替二进制码。循环码是一种无权码，从任何数变 到相邻数时，仅有一位数码发生变化。如果任一码道刻划有误差，只要误差不太大，且只 可能有一个码道出现读数误差，产生的误差最多等于最低位的一个比特。所以只要适当限 制各码道的制造误差和安装误差，都不会产生粗误差。 由于这一原因使得循环码码盘获得 了广泛的应用。对 n 位循环码码盘，与二进制码一样，具有 2n 种不同编码，最小分辨率 =360/2n。 6. 迈克尔逊干涉仪的原理是什么？ 答：迈克尔逊干涉仪原理是就是：如图所示的迈克尔逊双光束干涉系统。测量原理是 来自光源 S 的光经半反半透分光镜 B 后分成两路，一路由固定反射镜 M1 反射，另一路经 可动反射镜 M2 和 B 反射，在观察屏 P 处相遇产生干涉。当 M2 每移动半个光波波长时， 干涉条纹亮暗变化一次，因此测长度的基本公 式为 式中，x被测长度； N干涉条纹亮暗变化次数； 真空中光波波长； n空气折射率。 7. 简述 PSD 光学三角法测距原理。 答：PSD(Position Sensitive Detector)传感器是一种对入射光位置敏感的光电器 件。即当入射光照在器件感光面的不同位置时，PSD 将输出不同的电信号。通过对此输出 电信号的处理，即可确定入射光点在 PSD 器件感光面上的位置。 应用 PSD 进行距离的测量是利用了光学三角测距的原理。如下图所示，光源发出的光 经透镜 L1 聚焦后投向待测体的表面。反射光由透镜 L2 聚焦到一维 PSD 上,形成一个光点。 若透镜 L1 与 L2 间的中心距离为 b，透镜 L2 到 PSD 表面之间的距离(即透镜 L2 的焦距)为 f，聚焦在 PSD 表面的光点距离透镜 L2 中心的距离为 x，则根据相似三角形的性质，可得 出待测距离 D 为： Dbf/x 因此，只要测出 PSD 的光点位置坐标 x 的值，即可测出待测体的距离。 传感器与测试技术平时作业（4） 1超声波在界面上发生波型转换后会产生哪些波型？这些波型要遵循什么规律？ 答：当声波传播至两介质的分界面，一部分能重返回原介质，称为反射波；另一部分 能量透过介质面，到另一介质内继续传播，称为折射波。 波型要遵循规律： 反射定律； 折射定律； 反射率； 反射系数； 透过率； 透过系数。 2常用的超声波探伤方法有哪些？各有什么特点？ 答：超声波探伤法是利用超声波在物体中传播的一些物理特性来发现物体内部的不连 续性，即缺陷或伤的一种方法，是无损检验一种重要手段。常用的超声波探伤法有共振法、 穿透法、脉冲反射法等。 共振法是根据声波（频率可调的连续波）在工件中呈共振状态来测量工件厚度或判断 有无缺陷的方法。这种方法主要用于表面较光滑的工件的厚度检测，也可用于探测复合材 料的粘合质量和钢板内的夹层缺陷检测。振法的特点是 1可精确的测厚，特别适宜测量薄板及薄壁管； 2工件表面光洁度要求高，否则不能进行测量。 穿透法又称透射法，穿透法是将二个探头分别置于工件相对的两面，一个发射超声波， 使超声波从工件的一个界面透射到另一个界面，在该界面处用另一个探头来接收。 穿透法具有以下特点： （1）探测灵敏度较低，不易发现小缺陷； （2）根据能量的变化即可判断有无缺陷，但不能定位； （3）适宜探测超声波衰减大的材料； （4）可避免盲区，适宜探测薄板； （5）指示简单，便于自动探伤； （6）对两探头的相对距离和位置要求较高。 脉冲反射法是将脉冲超声波入射至被测工作后，传播到有声阻抗差异的界面上（如缺 陷与工件的界面）时，产生反射声波，波在工件的反射状况就会显示在荧光屏上，根据反 射的时间及形状来判断工件内部缺陷及材料性质的方法。 脉冲反射法的特点是： （1）探测灵敏度高； （2）能准确地确定缺陷的位置和深度； （3）可用不同波型探测，应用范围广。 3探头和工件的耦合方式有哪些？简述其工作原理及特点。 答：探头和工件的耦合方式可分直接接触法和液浸法二种。 （1）直接接触法 直接接触法就是在探头和工件之间填一层很薄的耦合济。由于声耦合的好坏直接影响 到探伤灵敏度及探伤的准确性，应此必须使探头和工件侧面之间具有良好的声学接触。 （2）液浸法 将探头和工件浸于液体中以液体作耦合剂进行探伤的方法，称为液浸法。耦合剂可以 是油，也可以是水。液浸法适用于表面粗糙的试件，探头也不易磨损，耦合稳定，探测结 果重复性好，便于实现自动化探伤。液浸法分为全浸没式和局部浸没式。 液浸法与接触法的特点 接触法比液浸法简单、灵活，但接触法的波形不稳定（因受手工操作时压力的影响） ， 而液浸法波形稳定； 液浸法不必将探头与工件直接接触，便于实现自动化探伤； 液浸法适宜探测表面粗糙的工件，不磨损探头晶片； 液浸法的声束方向可连续改变，易探测倾斜的缺陷； 液浸法可控制波束，可以用聚焦探头提高灵敏度； 液浸法要求用清洁的液体，否则会降低探测灵敏度。 4影响测试系统正常工作的干扰有哪些？如何防护？ 答：影响测试系统正常工作的干扰有及防护： 1） 机械干扰，应采取减振措施，一般可设置减振弹簧或减振橡胶； 2） 光干扰，可封闭半导体元件在不透光的壳体内，对于光敏感件更应注意对光的屏 蔽； 3） 温度干扰，高精度测试，安排在恒室温内进行； 4） 湿度干扰，采用环境去湿或在测试装置时采取防潮措施。 电磁干扰，应尽量提高信嘈比 5速度测量方法有哪几种？分别介绍其工作原理。 答：详见 p259 1）通过对位移信号进行电气微分来测量速度。 2）通过所测的x 和t 来测量平均速度。 3）闪光测速法。 4）采用磁电式传感器测速。 5）利用多普勒效应的原理。 6机器人视觉是如何实现的？ 答：机器视觉技术用计算机来分析一个图像，并根据分析得出结论。现今机器视觉有 两种应用。机器视觉系统可以探测部件，在此光学器件允许处理器更精确的观察目标并对 哪些部件可以通过哪些需要废弃做出有效的决定；机器视觉也可以用来创造一个部件，即 运用复杂光学器件和软件相结合直接指导制造过程。 尽管机器视觉应用各异，但都包括以下几个过程； 图像采集 光学系统采集图像，图像转换成模拟格式并传入计算机存储器。 图像处理 处理器运用不同的算法来提高对结论有重要影响的图像要素。 特性提取 处理器识别并量化图像的关键特性，例如印刷电路板上洞的位置或者连接器上引脚的 个数。然后这些数据传送到控制程序。 判决和控制 处理器的控制程序根据收到的数据做出结论。例如：这些数据包括印刷电路板上的洞 是否在要求规格以内或者一个自动机器如何必须移动去拾取某一部件。 7试介绍汽车上需使用传感器的场合及其所采用的传感器。 答：汽车传感器作为汽车电子控制系统的信息源，是汽车电子控制系统的关键部件， 也是汽车电子技术领域研究的核心内容之一。汽车传感器对温度、压力、位置、转速、加 速度和振动等各种信息进行实时、准确的测量和控制。衡量现代高级轿车控制系统水平的 关键就在于其传感器的数量和水平。当前，一辆国内普通家用轿车上大约安装了近百个传 感器，而豪华轿车上的传感器数量多达 200 只。 近年来从半导体集成电路技术发展而来的微电子机械系统（MEMS）技术日渐成熟，利 用这一技术可以制作各种能敏感和检测力学量、磁学量、热学量、化学量和生物量的微型 传感器，这些传感器的体积和能耗小，可实现许多全新的功能，便于大批量和高精度生产， 单件成本低，易构成大规模和多功能阵列，非常适合在汽车上应用。 微型传感器的大规模应用将不仅限于发动机燃烧控制和安全气囊，在未来 57 年内， 包括发动机运行管理、废气与空气质量控制、ABS、车辆动力的控制、自适应导航、车辆行 驶安全系统在内的应用，将为 MEMS 技术提供广阔的市场。 汽车上的主要传感器： 1）发动机控制传感器 发动机管理系统（简称 EMS）其采用各种传感器，是整个汽车传感器的核心，种类很 多，包括温度传感器、压力传感器、位置和转速传感器、流量传感器、气体浓度传感器和 爆震传感器等。这些传感器将发动机吸入空气量、冷却水温度、发动机转速与加减速等状 况转换成电信号送入控制器，控制器将这些信息与储存信息比较、精确计算后输出控制信 号。EMS 不仅可以精确控制燃油供给量，以取代传统的化油器，而且可以控制点火提前角 和怠速空气流量等，极大地提高了发动机的性能。 通过喷油和点火的精确控制，可以降低污染物排放 50%；如果采用氧传感器和三元催 化转化器，在 =1 的一个狭小范围内可以降低排放达 90%以上。在怠速调节范围内，由于 采用了怠速调节器，怠速转速降低约 l00r/min 到 150r/min，使油耗下降 3%4%。如果采 用爆震控制，在满负荷范围内可提高发动机功率 3%5%，并可适应不同品质的燃油。 2）胎压监测传感器 胎压监测系统是在每一个轮框内安装微型压力传感器来测量轮胎的气压，并通过无线 发射器将信息传到驾驶前方的监视器上。轮胎压力太低时，系统会自动发出警报，提醒驾 驶员及时处理。这样不但可以确保汽车在行驶中的安全，还能保护胎面，延长轮胎使用寿 命并达到省油的目的。 上海世申信息技术有限责任公司推出的“灵泰”轮胎智能监测系统的特色在于每个轮 胎上均装有车压传感器及无线发射系统，它们能够精确地测量轮胎的气压和温度并将这些 信息通过无线信号传输到安装在车内的接收器上。该系统让您领略轮胎智能监测的卓越品 质。本系统的微机电胎压压力传感器采用压电原理，并在传感器的控制上采用加密技术， 从而也可提高汽车的安全附加值。 根据美国汽车工程师学会统计，美国每年约有 26 万起交通事故是由于轮胎气压偏低或 漏气造成的；而每年 75%的轮