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．画出测试系统组成框图，并说明各组成部分作用。答：测试系统地组成框图以下。传感器将被测系统或测试过程中需要观察信息转化为人们所熟悉各种信号，通常将被测物理量转换成以电量为主要形式电信号。信号转换部分是对传感器所送来信号进行加工，如将电阻抗变为电压或电流、对信号进行放大等。显示和统计部分将所测信号变为一个能为人们所了解形式，以供人们观察和分析。2．为满足测试需要，对传感器通常要求有哪些？答：对传感器通常要求：灵敏度高，线性度好；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；滞后、漂移小；特征复显性好，具备交换性；动态性能好；对测量对象影响小，即“负载效应”较低。3．传感器动态特征评价指标有哪些？答：动态特征是指传感器对随时间改变输入量响应特征。传感器动态特征评价指标有：时间常数τ上升时间tr稳定时间（或响应时间）tw超调量σ4．提升传感器性能方法有哪些？答：提升传感器性能方法非线性校正温度赔偿零位法、微差法闭环技术平均技术差动技术采取屏蔽、隔离与抑制干扰方法5．简述应变式电阻传感器工作原理。答：电阻丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻值发生改变，这一现象就是电阻丝应变效应。设有一段长为，截面为，电阻率为金属丝，则它电阻为（3-1）当它受到轴向力F而被拉伸(或压缩)时，其、、均发生改变，如图3-1所表示，如取金属丝是半径为圆形截面，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。因为它数值在

通常测量中甚小，故惯用10-6作为单位来表示，称为微应变，标以。比如ε=0.001

就能够表示为，称为具备1000微应变。金属丝沿其轴向拉长使其径向缩小，二者之间关系为所以令（3-4）称为金属丝灵敏系数，它表示金属丝发生单位轴向应变时所引发电阻值相对改变。

由式(3-4)可知，因应变造成金属电阻值改变，由两项组成：第一项表示因为几何尺寸改变引发电阻改变；另一项表示单位轴向应变引发电阻率改变。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改变量与轴向应变成正比。6．简述压阻式传感器电桥采取恒压源供电和恒流源供电各自特点。答：恒压源供电使电桥输出与U成正比，电桥输出与电源大小、精度都关于。同时电桥输出与关于，即与温度关于，而且与温度关系是非线性，所以用恒压源供电时，不能消除温度影响。恒流源供电使电桥输出与电阻改变量成正比，即与被测量成正比，输出与恒流源供给电流大小、精度关于。不过电桥输出与温度无关，不受温度影响。但需要配置一个恒流源，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网站各一个，打印（或统计）其结构简图、工作原理、特征、主要型号及技术参数等关于信息。答：1）2）3）

《传感器与测试技术》平时作业（2）1．电容式传感器工作原理和主要性能是什么？答：两平行极板组成电容器，假如不考虑边缘效应，其电容量为当被测量改变使式中、或任一参数发生改变时，电容量C也就随之

改变，这就是电容式传感器工作原理。主要性能是：(1)静态灵敏度，被测量改变迟缓状态下，电容改变量与引发其改变被测量之比。(2)非线性，电容量与极板间距不是线性关系。(3)动态特征，传感器对于随时间改变输入量响应特征为传感器动态特征。2．简述电容式传感器主要优缺点。答：(1)电容式传感器优点：①温度稳定性好。②结构简单，适应性强。③动态响应好。④能够实现非接触测量，具备平均效应。电极板间静电引力很小，所需输入力和输入能量极小，因而可测极低压力、力和很小加速度、位移等，能够做得很灵敏，分辨力高，能敏感0.01μm甚至更小位移；因为其空气等介质损耗小，采取差动结构并接成桥式电路，允许电路进行高倍率放大，使仪器具备很高灵敏度。(2)电容式传感器主要缺点是：①输出阻抗高，负载能力差。②寄生电容影响大。③输出特征非线性。3．电感式传感器测量电路主要形式是什么？答：电感式传感器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主要测量电路，自感线圈通常接成差动形式，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两个线圈作电桥工作臂，而紧耦合两个电感作为固定臂组成电桥电路。采取这种测量电路能够消除与电感臂并联分布电容对输出信号影响，使电桥平衡稳定，另外简化了接地和屏蔽问题。4．简述压磁式传感器工作原理。答：压磁式测力传感器压磁元件由具备正磁致伸缩特征硅钢片粘叠而成。以下列图所表示，硅钢片上冲有四个对称孔，孔1、2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经过一定交变电流时，铁心中就产生磁场H，方向如图(b)所表示。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。因为测量绕组无磁通经过，故不产生感应电势。

压磁式测力传感器工作原理若对压磁元件施加压力F，如图(c)所表示，A、B区域将产生很大压应力σ，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σ使其磁化方向转向垂直于压力方向。所以，A、B区磁导率μ下降，磁阻增大，而与应力垂直方向μ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传感器线圈和磁铁固定不一样，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）不停改变磁路磁阻，从而改变了线圈磁通，在线圈中感应出电动势。这种类型传感器在结构上有开磁路和闭磁路两种，通常都用来测量旋转物体角速度，产生感应电势频率作为输出，感应电动势频率等于磁通改变频率。①闭磁路变磁通式传感器②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，因为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，线圈感应电动势仅与相对运动速度关于，传感器灵敏度为了得到较高灵敏度，应采取磁能积较大永久磁铁和尽可能小空气隙长度以提升磁感应强度，同时应使单线圈长度增加并提升有效匝数，但这些参数要受到传感器体积和重量等原因制约。6．请画出两种霍尔元件驱动电路，并简述其优缺点。答：霍尔元件基本驱动电路以下列图所表示。对霍尔元件可采取恒流驱动或恒压驱动，以下列图所表示。恒压驱动电路简单，但性能较差。伴随磁感应强度增加，线性改变坏，仅用于精度要求不太高场所；恒流驱动线性度高，精度高，受温度影响小。7．磁栅式传感器误差是哪些原因引发？可应用于哪些场所？答：磁栅式传感器误差包含零位误差和细分误差。零位误差是由以下原因造成：磁栅节矩不均匀造成零位误差；磁栅安装与变形误差；磁栅剩磁改变所引发零点漂移；外界磁场干扰。细分误差是由以下原因造成：因为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；两个磁头在空间位置偏离正交较远；两个磁头参数不对称引发误差；磁场高次谐波分量和感应电势高次谐波分量影响。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网站各一个，打印（或统计）其结构简图、工作原理、特征、主要型号、技术参数和应用等关于信息。答：1）

2）

3）

《传感器与测试技术》平时作业（3）1.能否用压电传感器测量改变比较迟缓力信号？试说明其理由。答：不能，由下列图可知：当时，能够近似看作放大器输入电压与作用力频率无关。在时间常数一定条件下，被测物理量改变频率越高，则放大器输入电压越靠近理想情况。说明压电传感器具备良好高频响应特征。测量改变比较迟缓力信号时，被测物理量改变频率越低，则放大器输入电压不理想，测量不准确。2.比较各种压电材料优缺点。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（包含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温度稳定性好，常温下几乎不变，在20—200℃范围内其压电系数改变率仅为-0.016%；机械强度和品质因数高，允许应力高达6.8×107Pa～9.8×107Pa，刚度大，动态特征好；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，发展极为快速，应用广泛。传感技术中应用压电陶瓷材料主要有以下几个：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)压电半导体因为压电半导体现有压电特征又有半导体特征，所以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一些高分子聚合物经延展拉伸和电场极化后，具备压电性，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制成高分子压电陶瓷薄膜。3.为何压电式传感器要高阻抗输出？压电放大器与电荷放大器实质是什么？答：压电式传感器要高阻抗输出：因为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，会严重影响输出特征，必须在测量电路中加入前置放大器，将输入信号放大，这么传感器电荷才不会泄漏，才能正确测量传感器输出。电压放大器与电荷放大器实质。电压放大器功效是将压电传感器高输出阻抗变为较低阻抗，并将压电式传感器微弱电压信号放大。电荷放大器是一个输出电压与输入电荷量成正比前置放大器。压电传感器能够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备深度电容负反馈高增益运算放大器。4.光线在光纤中传输原理是什么？答：如图（a）所表示，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，这时在纤芯中传输光在微弯处有部分散射到包层中，如图（b）所表示。这是因为有些光束入射角小于临界角，不能发生全反射原因。这么输出光强就发生了改变，而且受力越大，光纤微弯程度也越大，泄漏光越多，依照光强改变就可确定所受压力大小。5.为何采取循环码码盘能够消除二进制码盘那种粗误差？答：为了消除粗误差，可用循环码代替二进制码。循环码是一个无权码，从任何数变到相邻数时，仅有一位数码发生改变。假如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，产生误差最多等于最低位一个比特。所以只要适当限制各码道制造误差和安装误差，都不会产生粗误差。因为这一原因使得循环码码盘取得了广泛应用。对n位循环码码盘，与二进制码一样，具备2n种不一样编码，最小分辨率α=360°/2n。6.迈克尔逊干涉仪原理是什么？答：迈克尔逊干涉仪原理是就是：如图所表示迈克尔逊双光束干涉系统。测量原理是来自光源S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，干涉条纹亮暗改变一次，所以测长度基本公式为

式中，x——被测长度；N——干涉条纹亮暗改变次数；——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(PositionSensitiveDetector)传感器是一个对入射光位置敏感光电器件。即当入射光照在器件感光面不一样位置时，PSD将输出不一样电信号。经过对此输出电信号处理，即可确定入射光点在PSD器件感光面上位置。应用PSD进行距离测量是利用了光学三角测距原理。以下列图所表示，光源发出光经透镜L1聚焦后投向待测体表面。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间中心距离为b，透镜L2到PSD表面之间距离(即透镜L2焦距)为f，聚焦在PSD表面光点距离透镜L2中心距离为x，则依摄影同三角形性质，可得出待测距离D为：D＝bf/x所以，只要测出PSD光点位置坐标x值，即可测出待测体距离。

《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？这些波型要遵照什么规律？答：当声波传输至两介质分界面，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输，称为折射波。波型要遵照规律：①反射定律；②折射定律；③反射率；④反射系数；⑤透过率；⑥透过系数。2．惯用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输一些物理特征来发觉物体内部不连续性，即缺点或伤一个方法，是无损检验一个主要伎俩。惯用超声波探伤法有共振法、穿透法、脉冲反射法等。共振法是依照声波（频率可调连续波）在工件中呈共振状态来测量工件厚度或判断有没有缺点方法。这种方法主要用于表面较光滑工件厚度检测，也可用于探测复合材料粘合质量和钢板内夹层缺点检测。振法特点是〔1〕可精准测厚，尤其适宜测量薄板及薄壁管；〔2〕工件表面光洁度要求高，不然不能进行测量。穿透法又称透射法，穿透法是将二个探头分别置于工件相正确两面，一个发射超声波，使超声波从工件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。穿透法具备以下特点：（1）探测灵敏度较低，不易发觉小缺点；（2）依照能量改变即可判断有没有缺点，但不能定位；（3）适宜探测超声波衰减大材料；（4）可防止盲区，适宜探测薄板；（5）指示简单，便于自动探伤；（6）对两探头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，传输到有声阻抗差异界面上（如缺点与工件界面）时，产生反射声波，波在工件反射情况就会显示在荧光屏上，依照反射时间及形状来判断工件内部缺点及材料性质方法。脉冲反射法特点是：（1）探测灵敏度高；（2）能准确地确定缺点位置和深度；（3）可用不一样波型探测，应用范围广。3．探头和工件耦合方式有哪些？简述其工作原理及特点。答：探头和工件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耦合济。因为声耦合好坏直接影响到探伤灵敏度及探伤准确性，应此必须使探头和工件侧面之间具备良好声学接触。（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方法，称为液浸法。耦合剂能够是油，也能够是水。液浸法适适用于表面粗糙试件，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。液浸法与接触法特点

①接触法比液浸法简单、灵活，但接触法波形不稳定（因受手工操作时压力影响），而液浸法波形稳定；

②液浸法无须将探头与工件直接接触，便于实现自动化探伤；

③液浸法适宜探测表面粗糙工件，不磨损探头晶片；

④液浸法声束方向可连续改变，易探测倾斜缺点；

⑤液浸法可控制波束，能够用聚焦探头提升灵敏度；

⑥液浸法要求用清洁液体，不然会降低探测灵敏度。4．影响测试系统正常工作干扰有哪些？怎样防护？答：影响测试系统正常工作干扰有及防护：机械干扰，应采取减振方法，通常可设置减振弹簧或减振橡胶；光干扰，可封闭半导体元件在不透光壳体内，对于光敏感件更应注意对光屏蔽；温度干扰，高精度测试，安排在恒室温内进行；湿度干扰，采取环境去湿或在测试装置时采取防潮方法。电磁干扰，应尽可能提升信嘈比5．速度测量方法有哪几个？分别介绍其工作原理。答：详见p2591）经过对位移信号进行电气微分来测量速度。2）经过所测△x和△t来测量平均速度。3）闪光测速法。4）采取磁电式传感器测速。5）利用多普勒效应原理。6．机器人视觉是怎样实现？答：机器视觉技术用计算机来分析一个图像，并依照分析得出结论。现今机器视觉有两种应用。机器视觉系统能够探测部件，在此光学器件允许处理器更精准观察目标并对哪些部件能够经过哪些需要废弃做出有效决定；机器视觉也能够用来创造一个部件，即利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，但都包含以下几个过程；■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放器。■图像处理处理器利用不一样算法来提升对结论有主要影响图像要素。■特征提取处理器识别并量化图像关键特征，比如印刷电路板上洞位置或者连接器上引脚个数。然后这些数据传送到控制程序。■判决和控制处理器控制程序依照收到数据做出结论。比如：这些数据包含印刷电路板上洞是否在要求规格以内或者一个自动机器怎样须须移动去拾取某一部件。7．试介绍汽车上需使用传感器场所及其所采取传感器。答：汽车传感器作为汽车电子控制系统信息源，是汽车电子控制系统关键部件，也是汽车电子技术领域研究关键内容之一。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、准确测量和控制。衡量当代高级轿车控制系统水平关键就在于其传感器数量和水平。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微电子机械系统（MEMS）技术日渐成熟，利用这一技术能够制作各种能敏感和检测力学量、磁学量、热学量、化学量和生物量微型传感器，这些传感器体积和能耗小，可实现许多全新功效，便于大批量和高精度生产，单件成本低，易组成大规模和多功效阵列，非常适合在汽车上应用。微型传感器大规模应用将不但限于发动机燃烧控制和安全气囊，在未来5～7年内，包含发动机运行管理、废气与空气质量控制、ABS、车辆动力控制、自适应导航、车辆行驶安全系统在内应用，将为MEMS技术提供宽广市场。汽车上主要传感器：1）发动机控制传感器发动机管理系统（简称EMS）其采取各种传感器，是整个汽车传感器关键，种类很多，包含温度传感器、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情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、精准计算后输出控制信号。EMS不但能够精准控制燃油供给量，以取代传统化油器，而且能够控制点火提前角和怠速空气流量等，极大地提升了发动机性能。经过喷油和点火精准控制，能够降低污染物排放50%；假如采取氧传感器和三元催化转化器，在λ=1一个狭小范围内能够降低排放达90%以上。在怠速调整范围内，因为采取了怠速调整器，怠速转速降低约l00r/min到150r/min，使油耗下降3%～4%。假如采取爆震控制，在满负荷范围内可提升发动机功率3%～5%，并可适应不一样品质燃油。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气压，并经过无线发射器将信息传到驾驶前方监视器上。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。这么不但能够确保汽车在行驶中安全，还能保护胎面，延长轮胎使用寿命并达成省油目标。上海世申信息技术有限责任企业推出“灵泰”轮胎智能监测系统特色在于每个轮胎上均装有车压传感器及无线发射系统，它们能够精准地测量轮胎气压和温度并将这些信息经过无线信号传输到安装在车内接收器上。该系统让您领会轮胎智能监测卓越品质。本系统微机电胎压压力传感器采取压电原理，并在传感器控制上采取加密技术，从而也可提升汽车安全附加值。依照美国汽车工程师学会统计，美国每年约有26万起交通事故是因为轮胎气压偏低或漏气造成；而每年75%轮胎故障