传感器课后答案

2-1 什么叫传感器？它由哪几部分组成？它们的作用及相互关系如何？ 【答】 1、传感器是能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。 2、传感器由：敏感元件、转换元件、信号调理与转换电路和辅助的电源组成。 3、它们的作用是： （1）敏感元件：是指传感器中能直接感受或响应被测量的部分； （2）转换元件：是指传感器中能将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于传输或测量的 电信号部分； （3）信号调理与转换电路：由于传感器输出信号一般都很微弱，需要有信号调理与转换电 路，进行放大、 运算调制等； （4）辅助的电源：此外信号调理转换电路以及传感器的工作必须有辅助的电源。 4、最简单的传感器由一个敏感元件(兼转换元件)组成，它感受被测量时直接输出电量，如 热电偶。有些 传感器由敏感元件和转换元件组成，没有转换电路，如压电式加速度传感器，其中质量块m 是敏感元件， 压电片（块）是转换元件。有些传感器，转换元件不只一个，要经过若干次转换。 2 试述温度误差的概念、产生的原因和补偿的办法。 【答】 1、由于测量现场环境温度的改变而给测量带来的附加误差， 称为应变片的温度误差。 2、产生的原因有两个：一是敏感栅的电阻丝阻值随温度变化带来的附加误差；二是当试件 与电阻丝材料 的线膨胀系数不同时，由于环境温度的变化，电阻丝会产生附加变形，从而产生附加电阻 变化。 3、电阻应变片的温度补偿方法通常有：线路补偿和应变片自补偿 。 3-4 拟在等截面的悬臂梁上粘贴四个完全相同的电阻应变片，并组成差动全桥测量电路， 试问： （1）四个电阻应变片怎样贴在悬臂梁上？ （2）画出相应的电桥电路。 【答】 1、在悬臂梁力传感器中，一般将应变片贴在距固定端较近的表面，且顺梁的方向上下各贴 两片，上面 两个应变片受压时，下面两个应变片受拉，并将四个应变片组成全桥差动电桥。这样既可 提高输出电压 灵敏度，又可减小非线性误差。 图3-1 等截面积悬臂梁 2、差动全桥测量电路 图 3-2 差动全桥测量电路 3-6 题3-4 图为等强度梁测力系统，R1 为电阻应变片，应变片灵敏度系数K=2.05，未受应 变时，R1=120 。当试件受力F 时，应变片承受平均应变=800m/m，试求： （1）应变片电阻变化量R 1 和电阻相对变化量R 1/R1。 10 （2）将电阻应变片R1 置于单臂测量电桥，电桥电源电压为直流3V ，求电桥输出电压及电 桥非线性误 差。 （3）若要减小非线性误差，应采取何种措施？分析其电桥输出电压及非线性误差大小。 3、减小非线性误差采取的措施 为了减小和克服非线性误差，常采用差动电桥。差动电桥无非线性误差，且半差动电桥电 压灵敏 度KU=E/2，是单臂工作时的 2 倍，全差动电桥电压灵敏度KU=E，是单臂工作时的4 倍。同 时还具 有温度补偿作用。 4-5 差动变压器式传感器的零点残余电压产生的原因是什么？怎样减小和消除它的影响？ 【答】 1、零点残余电压主要由基波分量和高次谐波分量组成。 （1）产生基波分量的主要原因是：传感器两线圈的电气参数和几何尺寸的不对称，以及构 成电桥另外两 臂的电气参数不一致。 （2）造成高次谐波分量的主要原因是： 磁性材料磁化曲线的非线性，同时由于磁滞损耗 和两线圈磁路 的不对称，造成两线圈中某些高次谐波成分不一样，不能对消，于是产生了零位电压的高 次谐波。此外， 激励信号中包含的高次谐波及外界电磁场的干扰，也会产生高次谐波。 2、减小电感式传感器的零点残余电压的措施 （1）从设计和工艺上保证结构对称性 为保证线圈和磁路的对称性，首先，要求提高加工精度，线圈选配成对，采用磁路可调节 结构；其 次，应选高磁导率、低矫顽力、低剩磁感应的导磁材料。并应经过热处理，消除残余应力， 以提高磁性能的均匀性和稳定性。由高次谐波产生的因素可知，磁路工作点应选在磁化曲 线的线性段；减少激励电流的谐波成分与利用外壳进行电磁屏蔽也能有效地减小高次谐波。 （2）选用合适的测量线路 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。 采用相敏检波电路不仅可鉴别衔铁移动方向， 而且把 衔铁在中间位置时，因高次谐波引起的零点残余电压消除 掉。如图，采用相敏检波后衔铁反行程时的特性曲线由1 变到2，从而消除了零点残余电压。 图 4-2 相敏检波后的输出特性 （3）采用补偿线路 采用平衡调节网络，这是一种既简单又行之有效的方法。 图 4-3 补偿电路图 4-10 何谓涡流效应？怎样利用涡流效应进行位移测量？ 17 【答】 1、根据法拉第电磁感应定律，块状金属导体置于变化的磁场中或在磁场中作切割磁力线运 动时，导体内 将产生呈漩涡状的感应电流，此电流叫电涡流，以上现象称为电涡流效应。 2、有一通以交变电流的传感器线圈。由于电流的存在，线圈周围就产生一个交变磁场 H1。若被测导体 置于该磁场范围内，导体内便产生电涡流，也将产生一个新磁场H2，H 2 与H1 方向相反， 力图削弱原磁 场H1，从而导致线圈的电感、阻抗和品质因数发生变化。这些参数变化与导体的几何形状、 电导率、磁 导率、线圈的几何参数、电流的频率以及线圈到被测导体间的距离有关。如果控制上述参 数中的线圈到 被测导体间的距离参数改变，余者皆不变，就能构成测量位移的传感器。 5-1 根据工作原理可将电容式传感器分为哪几种类型？每种类型各有什么特点？各适用什 么场合？ 【答】 1、电容式传感器分为：变极距(变间隙)()型、变面积型(S)型、变介电常数 (r)型三种基本类型。 2、特点与应用 20 （1）变极距(变间隙)()型：只有在d/d0 很小时，才有C 与d 近似的线性关系，所以， 这种类型的 传感器一般用来测量微小变化量。 （2）变面积型(S)型：传感器的电容量C 与线位移及角位移呈线性关系。测量范围大，可 测较大的线位 移及角位移。 （3）变介电常数(r)型：传感器电容量C 与被测介质的移动量成线性关系。常用来检测 容器中的液位， 或片状结构材料的厚度等。 6-1 什么叫正压电效应和逆压电效应？什么叫纵压电效应和横压电效应？ 【答】 1、正压电效应和逆压电效应 （1）正压电效应（顺压电效应） 某些电介质，当沿着一定方向对其施力而使它变形时，内部就产生极化现象，同时在它的 一定表面 上产生电荷，当外力去掉后，又重新恢复不带电状态的现象。当作用力方向改变时，电荷 极性也随着改 变。这种现象称压电效应。 有时人们把这种机械能转换为电能的现象称为正压电效应（顺 压电效应）。 （2）逆压电效应（电致伸缩效应） 当在电介质的极化方向施加电场，这些电介质就在一定方向上产生机械变形或机械压力， 当外加电 场撤去时，这些变形或应力也随之消失的现象。 2、纵压电效应和横压电效应 （1）纵向压电效应 通常把沿电轴x 方向的力作用下产生电荷的压电效应称为“纵向压电效应”。 （2）横压电效应 把沿机械轴 y 方向的力作用下产生电荷的压电效应称为“横向压电效应”。 7-5 影响霍尔元件输出零点的因素有哪些？如何补偿？ 1、影响霍尔元件输出零点的因素 当霍尔元件的激励电流为I 时，若元件所处位置磁感应强度为零，则它的霍尔电势应该为 零，但实 际不为零。这时测得的空载霍尔电势称为不等位电势。产生这一现象的原因有： （1）霍尔电极安装位置不对称或不在同一等电位面上； （2）半导体材料不均匀造成了电阻率不均匀或是几何尺寸不均匀； （3）激励电极接触不良造成激励电流不均匀分布等。 2、不等位电势与霍尔电势具有相同的数量级，有时甚至超过霍尔电势，而实用中要消除不 等位电势是极 其困难的，因而必须采用补偿的方法。 可以把霍尔元件等效为一个电桥，用电桥平衡来补偿不等位电势。由于A、 B 电极不在同 一等位面 上，此四个电阻阻值不相等，电桥不平衡，不等位电势不等于零。此时可根据A、 B 两点 电位的高低， 25 判断应在某一桥臂上并联一定的电阻，使电桥达到平衡，从而使不等位电势为零。 7-8 试分析霍尔元件输出接有负载R L 时，利用恒压源和输入回路串联电阻R T 进行温度补 偿的条件。 补偿电路如图(a)所示，输入回路与输出回路的等效电路如图(b)、(c)所示。设RL 不随温度 改变，由 于霍尔元件输出电阻Rout 随温度变化，输出霍尔电势 UH 也随温度变化，使得负载电阻上 的输出电压 与温度有关。 温度为 T0 时，负载电阻上的输出电压为 8-1 光电效应有哪几种？相对应的光电器件各有哪些？ 【答】 1、光电效应分为外光电效应和内光电效应两大类。内光电效应又可分为光电导效应和光生 伏特效应。 2、光电器件 （1）基于外光电效应的光电元件有光电管、光电倍增管、光电摄像管等。 （2）基于光电导效应的光电器件有光敏电阻。 （3）基于光生伏特效应的光电器件有光电池、光敏二极管、三极管。 8-2 试述光敏电阻、光敏二极管、光敏晶体管和光电池的工作原理，在实际应用时各有什 么特点？ 【答】 1、光敏电阻的工作原理 其工作原理是基于光电导效应，其阻值随光照增强而减小。光敏电阻没有极性，纯粹是一 个电阻器 件，使用时既可加直流电压，也可以加交流电压。 无光照时，光敏电阻值（暗电阻）很大，电路中电流（暗电流）很小。当光敏电阻受到一 定波长范 围的光照时，它的阻值（亮电阻）急剧减小，电路中电流迅速增大。一般希望暗电阻越大 越好，亮电阻 越小越好， 此时光敏电阻的灵敏度高。实际光敏电阻的暗电阻值一般在兆欧量级， 亮电 阻值在几千欧 以下。 2、光敏二极管的工作原理 在无光照时，处于反偏的光敏二极管工作在截止状态，其反向电阻很大，反向电流很小， 这种反向 电流称为暗电流。 当有光照射到光敏二极管的PN 结时，PN 结附近受光子轰击，吸收其能量而产生电子-空 穴对，它 们在反向电压和内电场的作用下，漂移越过PN 结，形成比无光照时大得多的反向电流， 该反向电流称 为光电流，此时，光敏二极管的反向电阻下降。 若入射光的强度增强，产生的电子-空穴 对数量也随之 增加，光电流也响应增大，即光电流与光照度成正比。 如果外电路接上负载，便可获得随光照强弱变化的信号。光敏二极管的光电流 I 与照度之 间呈线性 关系。光敏二极管的光照特性是线性的，所以适合检测等方面的应用。 3、光敏晶体管的工作原理 大多数光敏晶体管的基极无引出线，当集电极加上相对于发射极为正的电压而不接基极时， 集电结 就是反向偏压。 当光照射在集电结时，就会在结附近产生电子空穴对，光生电子被拉到集电极，基区留 下空穴， 使基极与发射极间的电压升高，这样便会有大量的电子流向集电极，形成输出电流，且集 电极电流为光 电流的倍，所以光敏晶体管有放大作用。 4、光电池的工作原理 硅光电池是在一块N 型硅片上用扩散的办法掺入一些 P 型杂质(如硼) 形成PN 结。当光照 到PN 结区 28 时，如果光子能量足够大，将在结区附近激发出电子-空穴对，在N 区聚积负电荷，P 区聚 积正电荷，这 样N 区和P 区之间出现电位差。 若将PN 结两端用导线连起来，电路中有电流流过，电流的方向由P 区流经外电路至N 区。 若将外 电路断开，就可测出光生电动势。_ 8-7 光纤数值孔径NA 的物理意义是什么？对NA 取值大小有什么意义？ 【答】 1、数值孔径是表征光纤集光本领的一个重要参数，即反映光纤接收光量的多少。无论光源 发射功率有多 大，只有入射角处于2c 的光椎角内，光纤才能导光。如入射角过大，光线便从包层逸出 而产生漏光。 2、光纤的NA 越大，表明它的集光能力越强，一般希望有大的数值孔径，这有利于提高耦 合效率； 但 数值孔径过大，会造成光信号畸变。所以要适当选择数值孔径的数值，如石英光纤数值孔 径一般为0.20.4 9-1 简述气敏传元件的工作原理。 【答】 半导体气敏传感器的敏感部分是金属氧化物半导体微结晶粒子烧结体，当它的表面吸附被 测气体 时，半导体微结晶粒子接触表面的导电电子比例就会发生变化，从而使气敏元件的电阻值 随被测气体的 浓度而改变。这种反应是可逆的，因而是可重复使用的。 当氧化型气体吸附到N 型半导体上，还原型气体吸附到 P 型半导体上时，将使半导体载流 子减少， 而使半导体电阻值增大。 当还原型气体吸附到N 型半导体上，氧化型气体吸附到 P 型半导体上时，则半导体载流子 增多， 使半导体电阻值下降。 9-2 为什么多数气敏元件都附有加热器？ 【答】 加热器的作用是将附着在敏感元件表面上的尘埃、油雾等烧掉，加速气体的吸附，从而提 高器件的 灵敏度和响应速度。加热器的温度一般控制在200400左右。 10-1 超声波在介质中传播具有哪些特性？ 【答】 （1）超声波的波型：声源在介质中施力方向与波在介质中传播方向的不同，声波的波型也 不同。通常有： 纵波、横波和表面波。 （2）超声波的传播速度：在固体中，纵波、横波及其表面波三者的声速有一定的关系， 通常可认为横 波声速为纵波的一半，表面波声速为横波声速的90%；气体中纵波声速为344 m/s。；液体 中纵波声速在 9001900m/s。 （3）超声波的反射和折射：声波从一种介质传播到另一种介质，在两个介质的分界面上一 部分声波被反 射, 另一部分透射过界面，在另一种介质内部继续传播。这样的两种情况称之为声波的反 射和折射。 33 （4）超声波的衰减，声波在介质中传播时，随着传播距离的增加，能量逐渐衰减，其衰减 的程度与声波 的扩散、散射及吸收等因素有关。 11-1 简述微波传感器的测量机理。 【答】 由发射天线发出微波，此波遇到被测物体时将被吸收或反射，使微波功率发生变化。若利 用接收