傳感器原理與應用作業(yè)參考答案

1、傳感器原理與應用作業(yè)參考答案 作業(yè)一 1. 傳感器有哪些組成部分在檢測過程中各起什么作用 答：傳感器通常由敏感元件、傳感元件及測量轉(zhuǎn)換電路三部分組成。 各部分在檢測過程中所起作用是：敏感元件是在傳感器中直接感受被測量，并輸出與被測量 成一定聯(lián)系的另一物理量的元件，如電阻式傳感器中的彈性敏感元件可將力轉(zhuǎn)換為位移。傳感元 件是能將敏感元件的輸出量轉(zhuǎn)換為適于傳輸和測量的電參量的元件，如應變片可將應變轉(zhuǎn)換為電 阻量。測量轉(zhuǎn)換電路可將傳感元件輸出的電參量轉(zhuǎn)換成易于處理的電量信號。 2. 傳感器有哪些分類方法各有哪些傳感器 答：按工作原理分有參量傳感器、發(fā)電傳感器、數(shù)字傳感器和特殊傳感器；按被測量性質(zhì)分有

2、機械量 傳感器、熱工量傳感器、成分量傳感器、狀態(tài)量傳感器、探傷傳感器等；按輸出量形類分有模擬 式、數(shù)字式和開關(guān)式；按傳感器的結(jié)構(gòu)分有直接式傳感器、差分式傳感器和補償式傳感器。 3. 測量誤差是如何分類的 答：按表示方法分有絕對誤差和相對誤差；按誤差出現(xiàn)的規(guī)律分有系統(tǒng)誤差、隨機誤差和粗大誤差按 誤差來源分有工具誤差和方法誤差按被測量隨時間變化的速度分有靜態(tài)誤差和動態(tài)誤差按使用條 件分有基本誤差和附加誤差按誤差與被測量的關(guān)系分有定值誤差和積累誤差。 4. 彈性敏感元件在傳感器中起什么作用 答：彈性敏感元件在傳感器技術(shù)中占有很重要的地位，是檢測系統(tǒng)的基本元件，它能直接感受被測物 理量（如力、位移、速

3、度、壓力等）的變化，進而將其轉(zhuǎn)化為本身的應變或位移，然后再由各種 不同形式的傳感元件將這些量變換成電量。 5. 彈性敏感元件有哪幾種基本形式各有什么用途和特點 答：彈性敏感元件形式上基本分成兩大類，即將力變換成應變或位移的變換力的彈性敏感元件和將壓 力變換成應變或位移的變換壓力的彈性敏感元件。 變換力的彈性敏感元件通常有等截面軸、環(huán)狀彈性敏感元件、懸臂梁和扭轉(zhuǎn)軸等。實心等截 面軸在力的作用下其位移很小，因此常用它的應變作為輸出量。它的主要優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、加工 方便、測量范圍寬、可承受極大的載荷、缺點是靈敏度低?？招膱A柱體的靈敏度相對實心軸要高 許多，在同樣的截面積下，軸的直徑可加大數(shù)倍，這樣可

4、提高軸的抗彎能力，但其過載能力相對 弱，載荷較大時會產(chǎn)生較明顯的桶形形變，使輸出應變復雜而影響精度。環(huán)狀敏感元件一般為等 截面圓環(huán)結(jié)構(gòu)，圓環(huán)受力后容易變形，所以它的靈敏度較高，多用于測量較小的力，缺點是圓環(huán) 加工困難，環(huán)的各個部位的應變及應力都不相等。懸臂梁的特點是結(jié)構(gòu)簡單，易于加工，輸出位 移（或應變 ）大，靈敏度高，所以常用于較小力的測量。扭轉(zhuǎn)軸式彈性敏感元件用于測量力矩和轉(zhuǎn)矩。 變換壓力的彈性敏感元件通常有彈簧管、波紋管、等截面薄板、波紋膜片和膜盒、薄壁圓筒 和薄壁半球等。彈簧管可以把壓力變換成位移，且彈簧管的自由端的位移量、中心角的變化量與 壓力 p 成正比，其剛度較大，靈敏度較小，但

5、過載能力強，常用于測量較大壓力。波紋管的線性 特性易被破壞，因此它主要用于測量較小壓力或壓差測量中。 作業(yè)二 1. 何謂電阻式傳感器它主要分成哪幾種 答：電阻式傳感器是將被測量轉(zhuǎn)換成電阻值，再經(jīng)相應測量電路處理后，在顯示器記錄儀上顯示或記 錄被測量的變化狀態(tài)的一種傳感器。主要有電阻應變式、壓阻式、熱電阻、熱敏電阻、氣敏電阻 及濕敏電阻等電阻式傳感器。 2. 什么是電阻應變效應 答：導體或半導體材料在外力作用下產(chǎn)生機械變形（拉伸或壓縮）時，其電阻值也隨之發(fā)生相應的變 化，這種現(xiàn)象即為電阻應變效應。 3. 試比較金屬絲電阻應變片與半導體應變片的特點。 答：金屬絲式應變片的蠕變較大，金屬絲易脫膠，但

6、其價格便宜，多用于應變、應力的一次性試驗。 半導體應變片是用半導體材料作敏感柵而制成的。當它受力時，電阻率隨應力的變化而變化。 它的主要優(yōu)點是靈敏度高（靈敏度比絲式、箔式大幾十倍） ，橫向效應小。主要缺點是靈敏度的熱 穩(wěn)定性差、電阻與應變間非線性嚴重。在使用時，需采用溫度補償及非線性補償?shù)却胧?4. 熱電阻傳感器有哪幾種各有何特點及用途 答：熱電阻可分為金屬熱電阻和半導體熱電阻兩類。前者稱為熱電阻，后者稱為熱敏電阻。以熱電阻 或熱敏電阻為主要器件制成的傳感器稱為熱電阻傳感器或熱敏電阻傳感器。 熱電阻傳感器主要是利用電阻隨溫度變化而變化這一特性來測量溫度的。其主要優(yōu)點是：測 量精度高；有較大的

7、測量范圍，尤其在低溫方面；易于使用在自動測量和遠距離測量中。熱電阻 傳感器之所以有較高的測量精度，主要是一些材料的電阻溫度特性穩(wěn)定，復現(xiàn)性好。 熱敏電阻按其對溫度的不同反應可分為負溫度系數(shù)熱敏電阻（NTC）、正溫度系數(shù)熱敏電阻 （PTC和臨界溫度系數(shù)熱敏電阻（CTR三類，CTR一般也是負溫度系數(shù)，但與NTC不同的是， 在某一溫度范圍內(nèi)，電阻值會發(fā)生急劇變化。 這三類熱敏電阻的電阻率p與溫度 t之間的相互關(guān)系 均為非線性。NTC熱敏電阻主要用于溫度測量和補償，測溫范圍一般為-50350C,也可用于低溫 測量（-130C 0C）、中溫測量（150C 750C），甚至更高溫度，測量溫度范圍根據(jù)制造時

8、的材料 不同而不同。PTC熱敏電阻既可作為溫度敏感元件，又可在電子線路中起限流、保護作用。CTR熱 敏電阻主要用作溫度開關(guān)。 5. 簡要說明氣敏、濕敏電阻傳感器的工作原理，并舉例說明其用途。 答：氣敏傳感器，是利用半導體氣敏元件同被測氣體接觸后，造成半導體性質(zhì)的變化，以此來檢測待 定氣體的成分或濃度的傳感器的總稱。實際測量時，可用氣敏傳感器把各種氣體的成分或濃度等 參數(shù)轉(zhuǎn)換成電阻、電壓或電流的變化量，并通過相應測量電路在終端儀器上顯示。它的傳感元件 是氣敏電阻，這是一種用金屬氧化物（如氧化錫SnO2、氧化鋅ZnO或Fe2O3等）的粉末材料并添 加小量催化劑及添加劑，按一定配比燒結(jié)而成的半導體器

9、件。氣敏傳感器可測量還原性氣體和測 量氧氣濃度的兩大類，例如石油蒸汽、酒精蒸汽、甲烷、乙烷、煤氣、天然氣、氫氣等。 濕敏電阻傳感器是利用材料的電氣性能或機械性能隨濕度而變化的原理制成的。它能把濕度 的變化轉(zhuǎn)化成電阻的變化，它的傳感元件是濕敏電阻。濕敏電阻傳感器的應用很廣，例如，大規(guī) 模集成電路生產(chǎn)車間，當其相對濕度低于30%RH時，容易產(chǎn)生靜電而影響生產(chǎn)；一些粉塵大的車 間，當濕度小而產(chǎn)生靜電時，容易產(chǎn)生爆炸；許多儲物倉庫（如存放煙草、茶葉和中藥材等 ）在濕度 超過某一程度時，物品易發(fā)生變質(zhì)或霉變現(xiàn)象；居室的濕度希望適中；而紡織廠要求車間的濕度 保持在60%RH75%RH在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的溫室育苗

10、、食用菌培養(yǎng)、水果保鮮等都需要對濕度進行檢 測和控制。 作業(yè)三 1. 電感式傳感器的工作原理是什么能夠測量哪些物理量 答：電感式傳感器是利用電磁感應原理，將被測非電量的變化轉(zhuǎn)換成線圈的電感（或互感）變化的一 種機電轉(zhuǎn)換裝置。利用電感式傳感器可以把連續(xù)變化的線位移或角位移轉(zhuǎn)換成線圈的自感或互感 的連續(xù)變化，經(jīng)過一定的轉(zhuǎn)換電路再變成電壓或電流信號以供顯示。它除了可以對直線位移或角 位移進行直接測量外，還可以通過一定的感受機構(gòu)對一些能夠轉(zhuǎn)換成位移量的其他非電量，如振 動、壓力、應變、流量等進行檢測。 2. 變氣隙式傳感器主要由哪幾部分組成有什么特點 答：變氣隙式自感式傳感器由鐵心線圈、銜鐵、測桿及彈

11、簧等組成。變氣隙式傳感器的線性度差、示 值范圍窄、自由行程小，但在小位移下靈敏度很高，常用于小位移的測量。 3. 概述電渦流式傳感器的基本結(jié)構(gòu)與工作原理。 答：成塊的金屬物體置于變化著的磁場中，或者在磁場中運動時，在金屬導體中會感應出一圈圈自相 閉合的電流，稱為電渦流。電渦流式傳感器是一個繞在骨架上的導線所構(gòu)成的空心繞組，它與正 弦交流電源接通，通過繞組的電流會在繞組周圍空間產(chǎn)生交變磁場。當導電的金屬靠近這個繞組 時，金屬導體中便會產(chǎn)生電渦流。渦流的大小與金屬導體的電阻率、磁導率、厚度、繞組與金屬 導體的距離，以及繞組勵磁電流的角頻率等參數(shù)有關(guān)。如果固定其中某些參數(shù)不變，就能由電渦 流的大小測

12、量出另外一些參數(shù)。由電渦流所造成的能量損耗將使繞組電阻有功分量增加，由電渦 流產(chǎn)生反磁場的去磁作用將使繞組電感量減小，從而引起繞組等效阻抗Z及等效品質(zhì)因數(shù) Q值的 變化。所以凡是能引起電渦流變化的非電量，例如金屬的電導率、磁導率、幾何形狀、繞組與導 體的距離等，均可通過測量繞組的等效電阻R、等效電感L、等效阻抗Z及等效品質(zhì)因數(shù) Q來測量。 這便是電渦流式傳感器的工作原理。電渦流式傳感器的結(jié)構(gòu)比較簡單，主要是一個繞制在框架上 的繞組，目前使用比較普遍的是矩形截面的扁平繞組。 作業(yè)四 1. 電容式傳感器有什么主要特點可用于哪些方面的檢測（P55） 答：電容式傳感器具有以下特點：功率小，阻抗高，由于

13、電容式傳感器中帶電極板之間的靜電引力很 小，因此，在信號檢測過程中，只需要施加較小的作用力，就可以獲得較大的電容變化量及高阻 抗的輸出；動態(tài)特性良好，具有較高的固有頻率和良好的動態(tài)響應特性；本身的發(fā)熱對傳感器的 影響實際上可以不加考慮；可獲取比較大的相對變化量；能在比較惡劣的環(huán)境條件下工作；可進 行非接觸測量；結(jié)構(gòu)簡單、易于制造；輸出阻抗較高，負載能力較差；寄生電容影響較大；輸出 為非線性。 電容式傳感器可用于直線位移、角位移、尺寸、液體液位、材料厚度的測量。 2. 根據(jù)工作原理可將電容式傳感器分為哪幾種類型各自用途是什么 答：根據(jù)電容式傳感器的工作原理，電容式傳感器有三種基本類型，即變極距（

14、d）型（又稱變間隙型）、 變面積（A）型和變介電常數(shù)（滑尺上的繞組分兩組，在空間差90相角（即1 /4節(jié)距），分別稱 正弦和余弦繞組，兩組節(jié)距相等，W1為1.5mm。定尺一般安裝在設(shè)備的固定部件上（如機床床身）， 滑尺則安裝在移動部件上。 作業(yè)十 1 .分析超聲波汽車倒車防撞裝置的工作原理。 答：把約 40kHz 的超聲波脈沖從汽車后面發(fā)射出去，根據(jù)超聲波碰到障礙物后的返回時間換算成距離， 便可檢測障礙物的位置，通過指示燈或蜂鳴器告知駕駛員。 作業(yè)十一 1. 抑制干擾有哪些基本措施 答：第一，消除或抑制干擾源。消除干擾源是積極主動的措施，繼電器、接觸器和斷路器等的電觸點， 在通斷電時的電火花是

15、較強的干擾源，可以采取觸點消弧電容等。接插件接觸不良，電路接頭松 脫、虛焊等也是造成干擾的原因，對于這類可以消除的干擾源要盡可能消除。對難于消除或不能 消除的干擾源，例如，某些自然現(xiàn)象的干擾、鄰近工廠的用電設(shè)備的干擾等，就必須采取防護措 施來抑制干擾源。 第二，破壞干擾途徑。 （1）對于以“路”的形式侵入的干擾，可以采取提高絕緣性能的辦法來抑制漏電流干擾； 采用隔離變壓器、光電耦合器等切斷地環(huán)路干擾途徑，引用濾波器、扼流圈等技術(shù)， 將干擾信號除去；改變接地形式以消除共阻抗耦合干擾等；對于數(shù)字信號可采用整 形、限幅等信號處理方法切斷干擾途徑。 （2）對于以“場”的形式侵入的干擾，一般采取各種屏蔽

16、措施。 第三，削弱接收電路對干擾信號的敏感性。從前面分析知，高輸入阻抗電路比低輸入阻抗電路易 受干擾；布局松散的電子裝置比結(jié)構(gòu)緊湊的電子裝置更易受外來干擾；模擬電路比數(shù)字電 路的抗 干擾能力差。由此可見，電路設(shè)計、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)等都與干擾的形成有著密切關(guān)系。 因此，系統(tǒng)布局應合理，且設(shè)計電路時應采用對干擾信號敏感性差的電路。 作業(yè)十二 1.什么叫可靠性什么叫可靠度提高可靠性有哪些措施 答：可靠性是體現(xiàn)產(chǎn)品耐用和可靠程度的一種性能?？煽啃杂酶怕时硎緯r稱為可靠度。它的定義是： 產(chǎn)品在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時間內(nèi)，完成規(guī)定功能的概率。 提高可靠性的措施有：利用元件本身產(chǎn)生故障的規(guī)律來提高可靠性，采用重復備用系統(tǒng)來提 高可靠性，還可通過采用可靠性更高的元器件代替原系統(tǒng)中故障率較大的元器件，提高工藝質(zhì)量， 如加工質(zhì)量、焊點質(zhì)量，提高文明生產(chǎn)水平和清潔度等，來提高可靠性。 2.傳感器的選擇應注意哪些問題一般原則是什么 答：選擇傳感器時應注意： （1）與測量條件有關(guān)的因素，與測量條件有關(guān)的因素有測量的目的、被測量的選擇、測量范圍、 輸入信號的幅值、頻帶寬度、精度要求以及測量所需要的時間。 （2）與傳感器有關(guān)的技術(shù)指標，與傳感器有關(guān)的技術(shù)指標有精度、穩(wěn)定度、響應特性、模擬量與 數(shù)字量、輸出幅值、 對被測物體產(chǎn)生的負載效應、 校正周期以及超標準過大的輸入信號保護。 （3）與使用環(huán)境條件有關(guān)的因素