傳感器原理及工程應用_第三版答案--郁有文、西安電子科技大學出版

1、2-1 什么叫傳感器？它由哪幾部分組成？它們的作用及相互關系如何？1、傳感器是能感受規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置。2、傳感器由：敏感元件、轉(zhuǎn)換元件、信號調(diào)理與轉(zhuǎn)換電路和輔助的電源組成。3、它們的作用是：（1）敏感元件：是指傳感器中能直接感受或響應被測量的部分；（2）轉(zhuǎn)換元件：是指傳感器中能將敏感元件感受或響應的被測量轉(zhuǎn)換成適于傳輸或測量的電信號部分；（3）信號調(diào)理與轉(zhuǎn)換電路：由于傳感器輸出信號一般都很微弱，需要有信號調(diào)理與轉(zhuǎn)換電路，進行放大、運算調(diào)制等；（4）輔助的電源：此外信號調(diào)理轉(zhuǎn)換電路以及傳感器的工作必須有輔助的電源。4、最簡單的傳感器由一個敏感元件(兼轉(zhuǎn)換

2、元件)組成，它感受被測量時直接輸出電量，如熱電偶。有些傳感器由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成，沒有轉(zhuǎn)換電路，如壓電式加速度傳感器，其中質(zhì)量塊m是敏感元件，壓電片（塊）是轉(zhuǎn)換元件。有些傳感器，轉(zhuǎn)換元件不只一個，要經(jīng)過若干次轉(zhuǎn)換。2-2 什么是傳感器的靜態(tài)特性？它有哪些性能指標？分別說明這些性能指標的含義。1、傳感器的靜態(tài)特性是指被測量的值處于穩(wěn)定狀態(tài)時的輸出與輸入的關系。也即當輸入量為常量，或變化極慢時，這一關系就稱為靜態(tài)特性。2、靜態(tài)特性性能指標包括：線性度、靈敏度、遲滯、重復性和漂移等。3、性能指標：（1）靈敏度：輸出量增量y與引起輸出量增量y的相應輸入量增量x之比。用S表示靈敏度，即（2）線性度：

3、傳感器的線性度是指在全量程范圍內(nèi)實際特性曲線與擬合直線之間的最大偏差值Lmax與滿量程輸出值YFS之比。線性度也稱為非線性誤差，用L表示，即 （3）遲滯：傳感器在輸入量由小到大（正行程）及輸入量由大到?。ǚ葱谐蹋┳兓陂g其輸入輸出特性曲線不重合的現(xiàn)象稱為遲滯。用H表示，遲滯誤差又稱為回差或變差。即 ：（4）重復性：重復性是指傳感器在輸入量按同一方向作全量程連續(xù)多次變化時，所得特性曲線不一致的程度。重復性誤差屬于隨機誤差，常用標準差計算，也可用正反行程中最大重復差值Rmax計算，即 或（5）漂移：傳感器的漂移是指在輸入量不變的情況下，傳感器輸出量隨著時間變化，此現(xiàn)象稱為漂移。溫度漂移通常用傳感器

4、工作環(huán)境溫度偏離標準環(huán)境溫度（一般為20）時的輸出值的變化量與溫度變化量之比()來表示， 即 2-3 什么是傳感器的動態(tài)特性？它有哪幾種分析方法？它們各有哪些性能指標？1、動態(tài)特性指傳感器對隨時間變化的輸入量的響應特性。2、研究動態(tài)特性的方法有兩種：時域法和頻域法。在時域內(nèi)研究動態(tài)特性采用瞬態(tài)響應法。輸入的時間函數(shù)為階躍函數(shù)、脈沖函數(shù)、斜坡函數(shù)，工程上常輸入標準信號為階躍函數(shù)；在頻域內(nèi)研究動態(tài)特性采用頻率響應法，輸入的標準函數(shù)為正弦函數(shù)。3、性能指標是：（1）傳感器的時域動態(tài)性能指標² 時間常數(shù)：一階傳感器輸出上升到穩(wěn)態(tài)值的63.2%所需的時間，稱為時間常數(shù)； ² 延遲時間

5、td：傳感器輸出達到穩(wěn)態(tài)值的50%所需的時間；² 上升時間tr：傳感器輸出達到穩(wěn)態(tài)值的90%所需的時間；² 峰值時間tp： 二階傳感器輸出響應曲線達到第一個峰值所需的時間；² 超調(diào)量： 二階傳感器輸出超過穩(wěn)態(tài)值的最大值；² 衰減比d：衰減振蕩的二階傳感器輸出響應曲線第一個峰值與第二個峰值之比。（2）頻率響應特性指標 ² 通頻帶0.707： 傳感器在對數(shù)幅頻特性曲線上幅值衰減3 dB 時所對應的頻率范圍；² 工作頻帶0.95（或0.90）：當傳感器的幅值誤差為±5%（或±10%）時其增益保持在一定值內(nèi)的頻率范圍；&#

6、178; 時間常數(shù)： 用時間常數(shù)來表征一階傳感器的動態(tài)特性。越小，頻帶越寬；² 固有頻率n： 二階傳感器的固有頻率n表征其動態(tài)特性；² 相位誤差：在工作頻帶范圍內(nèi)，傳感器的實際輸出與所希望的無失真輸出間的相位差值，即為相位誤差；² 跟隨角0.707: 當=0.707時，對應于相頻特性上的相角， 即為跟隨角。 2-4 某壓力傳感器測試數(shù)據(jù)如表2-1所示，計算非線性誤差（線性度）、遲滯、重復性誤差和總精度。表2-1 壓力傳感器校準數(shù)據(jù)輸入壓力/MPa輸出電壓/mV第一循環(huán)第二循環(huán)第三循環(huán)正行程反行程正行程反行程正行程反行程0-2.73-2.71-2.71-2.68-2

7、.68-2.690.020.560.660.610.680.640.690.043.964.063.994.094.034.110.067.407.497.437.537.457.520.0810.8810.9510.8910.9310.9410.990.1014.4214.4214.4714.4714.4614.461、端點平移法線性度（1）端點直線擬合求出各個校準點正、反程6個輸出電壓的算術平均值。由兩個端點的數(shù)據(jù)，可知端點直線的截距為b=-2.70mV，斜率為： 按照端點直線y =171.5x -2.7 （y=kx+b），求各個校準點輸出電壓的理論值yti ，如表2-2所示。根據(jù)表中的數(shù)

8、據(jù)可知，考慮符號時，實際輸出電壓平均值與理論值的最小誤差：ymin=-0.12mV，最大誤差ymax=0mV。圖2-1端點直線擬合曲線（2）端點平移直線擬合端點平移直線擬合是將端點直線平移，讓平移后的最大正誤差與最大負誤差的絕對值相等，即讓截距改變?yōu)椋憾它c平移直線方程即為：y=kx+b/ 。按照端點平移直線方程重新求實際輸出電壓平均值與理論值的誤差，有：b=b-b/ =0.06mV。結果填入表中。端點平移直線法線性度（非線性誤差）為 圖2-2端點平移直線擬合曲線表2-2 求線性度數(shù)據(jù)輸入壓力xi/MPa0000.020.040.060.080.10輸出電壓平均值yi/mV（yi/6）-2.70

9、0.644.047.4710.9314.45端點直線法輸出電壓理論值yti/mV-2.700.734.167.5911.0214.45端點直線法誤差yi/mV0.00-0.09-0.12-0.12-0.090.00端點平移直線法誤差y/i/mV0.06-0.03-0.06-0.06-0.030.062、重復性對于每個校準點，可按貝塞爾公式求得3個正程數(shù)據(jù)的標準偏差及3個反程數(shù)據(jù)的標準偏差如表2-3所示。可知max=0.041mV。取置信系數(shù)=2（置信概率為95%）， 表2-3 求重復數(shù)據(jù)輸入壓力xi/MPa00.020.040.060.080.10正行程標準偏差Fi/mV0.0260.0410

10、.0350.0260.0320.027反行程標準偏差Bi/mV0.0160.0160.0260.0210.0310.0273、遲滯性表2-4 求遲滯數(shù)據(jù)正行程輸出電壓平均值yFi/mV-2.710.603.997.4310.9014.45反行程輸出電壓平均值yBi/mV-2.690.684.097.5110.9614.45（yBi - yFi）/mV0.020.080.100.080.060.00求出各校準點正行程和反行程輸出電壓平均值，在表2-3中給出。各校準點正行程和反行程輸出電壓平均值的差值也在表2-3中給出?？芍畲蟛钪禐?.10mV。4、總精度按照均方根合成法計算總精度：2-5 當被

11、測介質(zhì)溫度為t1，測溫傳感器示值溫度為t2時，有下列方程式成立：。當被測介質(zhì)溫度從25突然變化到300時，測溫傳感器的時間常數(shù)，試確定經(jīng)過350s后的動態(tài)誤差。把輸入看作從0275的階躍輸入信號，則：X(t)=0,t0X(t)=275,t0輸入信號的拉普拉斯變換為： 又因 ，即 所以 ,進行拉普拉斯反變換后，有估算 的階躍響應值：其動態(tài)誤差為：圖2-3一階傳感器階躍響應253-1 什么是應變效應？什么是壓阻效應？利用應變效應解釋金屬電阻應變片的工作原理。1、所謂應變效應是指金屬導體在外界作用下產(chǎn)生機械變形（拉伸或壓縮）時，其電阻值相應發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為電阻應變效應。2、半導體材料的電阻率隨

12、作用應力的變化而發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為壓阻效應。3、應變式傳感器的基本工作原理：當被測物理量作用在彈性元件上，彈性元件在力、力矩或壓力等作用下發(fā)生形變，變換成相應的應變或位移，然后傳遞給與之相連的應變片，將引起應變敏感元件的阻值發(fā)生變化，通過轉(zhuǎn)換電路變成電量輸出。輸出的電量大小反映了被測物理量得大小。3-2 試述溫度誤差的概念、產(chǎn)生的原因和補償?shù)霓k法。1、由于測量現(xiàn)場環(huán)境溫度的改變而給測量帶來的附加誤差， 稱為應變片的溫度誤差。 2、產(chǎn)生的原因有兩個：一是敏感柵的電阻絲阻值隨溫度變化帶來的附加誤差；二是當試件與電阻絲材料的線膨脹系數(shù)不同時，由于環(huán)境溫度的變化，電阻絲會產(chǎn)生附加變形，從而產(chǎn)生附加電阻

13、變化。3、電阻應變片的溫度補償方法通常有：線路補償和應變片自補償 。3-3 電阻應變片的直流電橋測量電路，若按不同的橋臂工作方式可分為哪幾種？各自的輸出電壓如何計算？1、可分為：單臂電橋、半差動電橋和全差動電橋三種。2、單臂電橋輸出電壓為：半差動電橋輸出電壓為：全差動電橋輸出電壓為：3-4 擬在等截面的懸臂梁上粘貼四個完全相同的電阻應變片，并組成差動全橋測量電路，試問：（1）四個電阻應變片怎樣貼在懸臂梁上？（2）畫出相應的電橋電路。1、在懸臂梁力傳感器中，一般將應變片貼在距固定端較近的表面，且順梁的方向上下各貼兩片，上面兩個應變片受壓時，下面兩個應變片受拉，并將四個應變片組成全橋差動電橋。這樣

14、既可提高輸出電壓靈敏度，又可減小非線性誤差。 圖3-1等截面積懸臂梁2、差動全橋測量電路圖3-2差動全橋測量電路3-5 題3-3圖為一直流電橋，圖中E=4V，R1= R2= R3= R4=120，試求：（1）R1為金屬應變片，其余為外接電阻，當R1的增量為R1=1.2時，電橋輸出的電壓U0=?（2）R1 、R2都是金屬應變片，且批號相同，感應應變的極性和大小都相同，其余為外接電阻，電橋輸出的電壓U0=?（3）題（2）中，如果R2 與R1感受應變的極性相反，且R1=R2=1.2，電橋輸出的電壓U0=?圖3-3直流電橋測量電路1、電橋輸出電壓為 ：2、電橋輸出電壓為 ：3、當R1受拉應變，R2受壓

15、應變時，電橋輸出電壓為 ：當R1受壓應變，R2受拉應變時，電橋輸出電壓為 ：3-6 題3-4圖為等強度梁測力系統(tǒng)，R1為電阻應變片，應變片靈敏度系數(shù)K=2.05，未受應變時，R1=120。當試件受力F時，應變片承受平均應變=800m/m，試求：（1）應變片電阻變化量R1和電阻相對變化量R1/R1。（2）將電阻應變片R1置于單臂測量電橋，電橋電源電壓為直流3V，求電橋輸出電壓及電橋非線性誤差。（3）若要減小非線性誤差，應采取何種措施？分析其電橋輸出電壓及非線性誤差大小。圖3-4等強度懸臂梁1、應變電阻相對變化量R1/R1：應變片電阻變化量R1： 2、單臂電橋輸出電壓：非線性誤差：如果是四等臂電橋

16、，R1=R2=R3=R4，即n=1， 則電橋的非線性誤差：3、減小非線性誤差采取的措施為了減小和克服非線性誤差，常采用差動電橋。差動電橋無非線性誤差，且半差動電橋電壓靈敏度KU=E/2，是單臂工作時的2倍，全差動電橋電壓靈敏度KU=E，是單臂工作時的4倍。同時還具有溫度補償作用。 3-8 一個量程為10KN的測力傳感器，其彈性元件為薄壁圓筒軸向受力，外徑為20mm，內(nèi)徑為18mm，在其表面粘貼8個應變片，4個沿軸向粘貼，4個沿周向粘貼，應變片的電阻值為120，靈敏度為2.0，泊松比為0.3，材料彈性模量E=2.1×1011 Pa。要求：（1）繪出彈性元件貼片位置及全橋電路；（2）計算

17、傳感器在滿量程時，各應變片的電阻值；（3）當橋路的供電電壓為10V，計算電橋負載開路時的輸出電壓。1、彈性元件貼片位置及全橋電路如圖3-5所示。 圖3-5應變片粘貼位置及電路連接圖2、圓筒截面積：應變片1、2、3、4感受軸向應變：應變片5、6、7、8感受周向應變：滿量程時：3、全受拉力：4-1說明差動變間隙式電感傳感器的主要組成、工作原理和基本特性。1、差動變隙式電感傳感器由兩個完全相同的電感線圈合用一個銜鐵和相應磁路組成。圖4-1差動變隙式電感傳感器結構圖2、測量時，銜鐵與被測件相連，當被測件上下移動時，帶動銜鐵也以相同的位移上下移動，導致一個線圈的電感量增加，另一個線圈的電感量減小，形成差

18、動形式。（1）當銜鐵處于初始位置時：（2）當銜鐵上移時：使上氣隙 ，上線圈電感增加 ；使下氣隙 ，下線圈電感減小 。則：3、如果兩個線圈反接，則傳輸特性為：間隙的改變量/0與 L/L0有理想線性關系。測量電路的任務是將此式轉(zhuǎn)換為電壓或電流。4-3什么叫差動變壓器？差動變壓器式傳感器有哪幾種結構形式？各有什么特點？1、把被測的非電量轉(zhuǎn)化為線圈互感變化的傳感器稱為互感式傳感器，這種傳感器是根據(jù)變壓器的基本原理制成的，并且次級繞組用差動形式連接，故稱差動變壓器式傳感器。2、差動變壓器結構形式有：有變隙式、變面積式和螺線管式等，在非電量測量中，應用最多的是螺線管式差動變壓器。3、特點：（1）變氣隙式：

19、靈敏度較高，但隨氣隙的增大而減小，非線性誤差大，為了減小非線性誤差，量程必須限制在較小的范圍內(nèi)工作，一般為氣隙的1/5一下，用于測量幾幾百的位移。這種傳感器制作困難；（2）變面積式：靈敏度小于變氣隙式，但為常數(shù)，所以線性好、量程大，使用較廣泛；（3）螺線管式：靈敏度低，但量程大它可以測量1100mm 機械位移，并具有測量精度高、結構簡單、性能可靠、便于制作等優(yōu)點，使用廣泛。4-5 差動變壓器式傳感器的零點殘余電壓產(chǎn)生的原因是什么？怎樣減小和消除它的影響？1、零點殘余電壓主要由基波分量和高次諧波分量組成。（1）產(chǎn)生基波分量的主要原因是：傳感器兩線圈的電氣參數(shù)和幾何尺寸的不對稱，以及構成電橋另外兩

20、臂的電氣參數(shù)不一致。（2）造成高次諧波分量的主要原因是： 磁性材料磁化曲線的非線性，同時由于磁滯損耗和兩線圈磁路的不對稱，造成兩線圈中某些高次諧波成分不一樣，不能對消，于是產(chǎn)生了零位電壓的高次諧波。此外，激勵信號中包含的高次諧波及外界電磁場的干擾，也會產(chǎn)生高次諧波。2、減小電感式傳感器的零點殘余電壓的措施（1）從設計和工藝上保證結構對稱性 為保證線圈和磁路的對稱性，首先，要求提高加工精度，線圈選配成對，采用磁路可調(diào)節(jié)結構；其次，應選高磁導率、低矯頑力、低剩磁感應的導磁材料。并應經(jīng)過熱處理，消除殘余應力，以提高磁性能的均勻性和穩(wěn)定性。由高次諧波產(chǎn)生的因素可知，磁路工作點應選在磁化曲線的線性段；減

21、少激勵電流的諧波成分與利用外殼進行電磁屏蔽也能有效地減小高次諧波。（2）選用合適的測量線路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。采用相敏檢波電路不僅可鑒別銜鐵移動方向，而且把銜鐵在中間位置時，因高次諧波引起的零點殘余電壓消除掉。如圖，采用相敏檢波后銜鐵反行程時的特性曲線由1變到2，從而消除了零點殘余電壓。 圖4-2相敏檢波后的輸出特性（3）采用補償線路采用平衡調(diào)節(jié)網(wǎng)絡，這是一種既簡單又行之有效的方法。 圖4-3補償電路圖4-6 簡述相敏檢波電路的工作原理，保證其可靠工作的條件是什么

22、？1、開關式全波相敏檢波電路如圖4-4所示：u0usuru3u2u1圖4-4 開關式全波相敏檢波電路原理圖相敏檢波器工作時要求參考信號和被測信號頻率相同。（1）與同相參考信號經(jīng)A1和D組成的整形電路后的輸出是與被測信號同頻、反相,占空比11的方波。此方波信號是控制電路電流流通的開關,為場效應管3DJ7J提供柵源偏置電壓,控制電子開關的動作,決定場效應管漏極信號。由場效應管工作原理知:當時，V截止： 當時，V導通： （1）差放A2對信號和進行合成，得到相敏檢波器輸出信號，其表達式為: （2）當場效應管截止時，運放A2工作在跟隨狀態(tài)；當場效應管導通時，A2工作在反相放大狀態(tài)。驗證測量時取 Rf =

23、 R4。把式(1)代入式(2)中，得:當時： 當時： （3）由式(3)知，從相敏檢波器輸出信號中得到了被測信號。對上述相敏檢波器電路進行性能測試，通過調(diào)整Rf可以改變運放A2對信號放大的幅度,測試波形如圖2所示。對應圖1，再對進行濾波，即可取其直流分量，從而得到被測信號幅值。圖4-5開關式全波相敏檢波電路波形圖（2）與反相分析原理同（1），若與反相時檢波輸出，如圖（b）所示。2、 參考信號和差動變壓器式傳感器激磁電壓由同一振蕩器供電， 保證二者同頻同相（或反相）。 4-10 何謂渦流效應？怎樣利用渦流效應進行位移測量？1、根據(jù)法拉第電磁感應定律，塊狀金屬導體置于變化的磁場中或在磁場中作切割磁力

24、線運動時，導體內(nèi)將產(chǎn)生呈漩渦狀的感應電流，此電流叫電渦流，以上現(xiàn)象稱為電渦流效應。2、有一通以交變電流的傳感器線圈。由于電流的存在，線圈周圍就產(chǎn)生一個交變磁場H1。若被測導體置于該磁場范圍內(nèi)，導體內(nèi)便產(chǎn)生電渦流，也將產(chǎn)生一個新磁場H2，H2與H1方向相反，力圖削弱原磁場H1，從而導致線圈的電感、阻抗和品質(zhì)因數(shù)發(fā)生變化。這些參數(shù)變化與導體的幾何形狀、電導率、磁導率、線圈的幾何參數(shù)、電流的頻率以及線圈到被測導體間的距離有關。如果控制上述參數(shù)中的線圈到被測導體間的距離參數(shù)改變，余者皆不變，就能構成測量位移的傳感器。4-12 電渦流傳感器常用的測量電路有哪幾種？其測量原理如何？各有什么特點？1、用于電

25、渦流傳感器的測量電路主要有：調(diào)頻式、調(diào)幅式電路兩種。 2、測量原理（1）調(diào)頻式測量原理傳感器線圈接入LC振蕩回路，當傳感器與被測導體距離x改變時，在渦流影響下，傳感器的電感變化，將導致振蕩頻率的變化，該變化的頻率是距離x的函數(shù)，即f=L(x), 該頻率可由數(shù)字頻率計直接測量，或者通過f-V變換，用數(shù)字電壓表測量對應的電壓。 圖4-6調(diào)頻式測量原理圖（2）調(diào)幅式測量原理由傳感器線圈L、電容器C和石英晶體組成的石英晶體振蕩電路。石英晶體振蕩器起恒流源的作用，給諧振回路提供一個頻率（f0）穩(wěn)定的激勵電流io。當金屬導體遠離或去掉時，LC并聯(lián)諧振回路諧振頻率即為石英振蕩頻率fo，回路呈現(xiàn)的阻抗最大，

26、諧振回路上的輸出電壓也最大；當金屬導體靠近傳感器線圈時，線圈的等效電感L發(fā)生變化，導致回路失諧，從而使輸出電壓降低，L的數(shù)值隨距離x的變化而變化。因此，輸出電壓也隨x而變化。輸出電壓經(jīng)放大、 檢波后， 由指示儀表直接顯示出x的大小。 圖4-7調(diào)幅式測量原理圖除此之外， 交流電橋也是常用的測量電路。 3、特點² 調(diào)頻式測量電路除結構簡單、成本較低外，還具有靈敏度高、線性范圍寬等優(yōu)點。² 調(diào)幅式測量電路線路較復雜，裝調(diào)較困難，線性范圍也不夠?qū)挕?-13 利用電渦流式傳感器測板材厚度，已知激勵電源頻率f =1MHz，被測材料相對磁導率r=1，電阻率=2.9×10-6 C

27、m，被測板材厚度為 =（1+0.2）mm。試求：（1）計算采用高頻反射法測量時，渦流透射深度h為多大？（2） 能否采用低頻透射法測板材厚度？若可以需采取什么措施？畫出檢測示意圖。1、為了克服帶材不夠平整或運行過程中上下波動的影響，在帶材的上、下兩側對稱地設置了兩個特性完全相同的渦流傳感器S1和S2。S1和S2與被測帶材表面之間的距離分別為x1和x2。若帶材厚度不變，則被測帶材上、下表面之間的距離總有x1+x2=常數(shù)的關系存在。兩傳感器的輸出電壓之和為2Uo，數(shù)值不變。如果被測帶材厚度改變量為，則兩傳感器與帶材之間的距離也改變一個，兩傳感器輸出電壓此時為2Uo±U。U經(jīng)放大器放大后，通

28、過指示儀表即可指示出帶材的厚度變化值。帶材厚度給定值與偏差指示值的代數(shù)和就是被測帶材的厚度。 計算高頻反射法測板材厚度時，渦流穿透深度：可見穿透深度很淺。圖4-8高頻反射法測量原理圖2、若采用低頻透射法測板材厚度，必須使渦流穿透深度大于板材厚度。由于、0、r都是常數(shù)，所以必須降低激勵電源頻率，使之滿足：由此解得穿透板材所需的最高頻率為：當滿足激勵電源頻率小于5.1KHz時，發(fā)射探頭的信號才能透過板材，被接收探頭接收。發(fā)射探頭在交變電壓e1的激勵下，產(chǎn)生交變磁場，透過被測板材后達到接收探頭，使之產(chǎn)生感應電動勢e2，它是板材厚度的函數(shù)，只要兩個探頭之間的距離x一定，測量e2的值即可測得板材厚度。圖

29、4-9低頻透射法測量原理圖5-1 根據(jù)工作原理可將電容式傳感器分為哪幾種類型？每種類型各有什么特點？各適用什么場合？1、電容式傳感器分為：變極距(變間隙)()型、變面積型(S)型、變介電常數(shù)(r)型三種基本類型。2、特點與應用（1）變極距(變間隙)()型：只有在d/d0很小時，才有C與d 近似的線性關系，所以，這種類型的傳感器一般用來測量微小變化量。（2）變面積型(S)型：傳感器的電容量C與線位移及角位移呈線性關系。測量范圍大，可測較大的線位移及角位移。（3）變介電常數(shù)(r)型：傳感器電容量C與被測介質(zhì)的移動量成線性關系。常用來檢測容器中的液位，或片狀結構材料的厚度等。5-2 如何改善單極式變

30、極距型傳感器的非線性？為了提高靈敏度，減小非線性誤差，大都采用差動式結構。5-3 圖5-7為電容式液位計測量原理圖。請為該測量裝置設計匹配的測量電路，要求輸出電壓U0與液位h之間成線性關系。用環(huán)形二極管充放電法測量電容的基本原理是以一高頻方波為信號源，通過一環(huán)形二極管電橋，對被測電容進行充放電， 環(huán)形二極管電橋輸出一個與被測電容成正比的微安級電流。原理線路如圖所示，輸入方波加在電橋的A點和地之間，Cx為被測電容，Cd為平衡電容傳感器初始電容的調(diào)零電容，C4為濾波電容，1、電容式液位變換器結構設被測介質(zhì)的介電常數(shù)為1，液面高度為h, 變換器總高度為H，內(nèi)筒外徑為d，外筒內(nèi)徑為D，此時變換器電容值

31、為式中：空氣介電常數(shù)； C0由變換器的基本尺寸決定的初始電容值。 可見，此變換器的電容增量正比于被測液位高度h。 2、環(huán)形二極管充放電法測量電路（1）當輸入的方波由E1躍變到E2時 電容Cx和Cd兩端的電壓皆由E1充電到E2。對電容Cx充電的電流如圖中i1所示的方向，對Cd充電的電流如i3所示方向。在充電過程中(T1這段時間)，VD2、 VD4一直處于截止狀態(tài)。在T1這段時間內(nèi)由A點向C點流動的電荷量為（2）當輸入的方波由E2返回到E1時 Cx、Cd放電，它們兩端的電壓由E2下降到E1，放電電流所經(jīng)過的路徑分別為i2、 i4所示的方向。在放電過程中(T2時間內(nèi))，VD1、VD3截止。在T2這段

32、時間內(nèi)由C點向A點流過的電荷量為設方波的頻率f=1/T0(即每秒鐘要發(fā)生的充放電過程的次數(shù))， 則：由C點流向A點的平均電流為： I2=Cx f (E2-E1) 由A點流向C點的平均電流為： I3=Cd f (E2-E1) 流過此支路的瞬時電流的平均值為 式中, E為方波的幅值，E=E2-E1。 令Cx的初始值為C0，Cx為Cx的增量，則Cx=C0+Cx, 調(diào)節(jié)Cd=C0則 當液面在電容器零位，即h=0 時，調(diào)整調(diào)零電容，Cd=C0 ，從而使輸出電流為零，當h0 時，輸出電流的平均值為：由式可以看出，此電路中若輸入高頻脈沖方波的頻率f及其幅值差E=E2-E1 為定值，則輸出電流平均值I與待測液

33、位h成正比。利用Rp實現(xiàn)電流信號到電壓信號的變化，并利用放大器對其放大，實現(xiàn)輸出電壓U0與液位h之間成線性關系6-1 什么叫正壓電效應和逆壓電效應？什么叫縱壓電效應和橫壓電效應？1、正壓電效應和逆壓電效應（1）正壓電效應（順壓電效應） 某些電介質(zhì)，當沿著一定方向?qū)ζ涫┝Χ顾冃螘r，內(nèi)部就產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時在它的一定表面上產(chǎn)生電荷，當外力去掉后，又重新恢復不帶電狀態(tài)的現(xiàn)象。當作用力方向改變時，電荷極性也隨著改變。這種現(xiàn)象稱壓電效應。 有時人們把這種機械能轉(zhuǎn)換為電能的現(xiàn)象稱為正壓電效應（順壓電效應）。（2）逆壓電效應（電致伸縮效應）當在電介質(zhì)的極化方向施加電場，這些電介質(zhì)就在一定方向上產(chǎn)生機械變

34、形或機械壓力，當外加電場撤去時，這些變形或應力也隨之消失的現(xiàn)象。 2、縱壓電效應和橫壓電效應（1）縱向壓電效應通常把沿電軸x方向的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應稱為“縱向壓電效應”。（2）橫壓電效應把沿機械軸y方向的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應稱為“橫向壓電效應”。 6-4 畫出壓電元件的兩種等效電路。1、電壓源等效電路2、電流源等效電路6-5 電荷放大器所要解決的核心問題是什么？試推導其輸入與輸出的關系。1、傳感器的靈敏度與電纜電容無關，更換電纜或使用較長的電纜時，不用重新校正傳感器的靈敏度。改進了電壓放大器的缺點。2、輸入與輸出的關系電荷放大器常作為壓電傳感器的輸入電路，由一個反饋電容Cf和高增

35、益運算放大器構成。由運算放大器基本特性，可求出電荷放大器的輸出電壓：通常A =104108，因此,當滿足(1+A)Cf>>Ca+Cc+Ci時，上式可表示為 6-8 用石英晶體加速度計測量機械的振動，已知加速度計的靈敏度為2.5pC/g（g=9.8m/s2），電荷放大器靈敏度為80mV/pC，當機器達到最大加速度時，相應的輸出幅值為4V。試計算機器的振動加速度。系統(tǒng)靈敏度Sn等于傳感器靈敏度與電荷放大器靈敏度的乘積，即Sn = 2.5×80=200mV/g系統(tǒng)靈敏度Sn、輸出電壓幅值U0及被測加速度幅值a的關系為：所以該機器的振動加速度幅值為：7-4 什么是霍爾效應？霍爾電

36、勢與哪些因素有關？1、通電的導體或半導體，在垂直于電流和磁場的方向上將產(chǎn)生電動勢，這種現(xiàn)象稱霍爾效應。該電勢稱霍爾電勢。2、霍爾電勢正比于激勵電流及磁感應強度，其靈敏度與霍爾系數(shù)RH成正比而與霍爾片厚度d成反比。為了提高靈敏度，霍爾元件常制成薄片形狀。 7-5 影響霍爾元件輸出零點的因素有哪些？如何補償？1、影響霍爾元件輸出零點的因素當霍爾元件的激勵電流為I時，若元件所處位置磁感應強度為零，則它的霍爾電勢應該為零，但實際不為零。這時測得的空載霍爾電勢稱為不等位電勢。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因有： （1）霍爾電極安裝位置不對稱或不在同一等電位面上； （2）半導體材料不均勻造成了電阻率不均勻或是幾何尺寸不

37、均勻； （3）激勵電極接觸不良造成激勵電流不均勻分布等。 2、不等位電勢與霍爾電勢具有相同的數(shù)量級，有時甚至超過霍爾電勢，而實用中要消除不等位電勢是極其困難的，因而必須采用補償?shù)姆椒ā？梢园鸦魻栐刃橐粋€電橋，用電橋平衡來補償不等位電勢。由于A、 B電極不在同一等位面上，此四個電阻阻值不相等，電橋不平衡，不等位電勢不等于零。此時可根據(jù)A、 B兩點電位的高低，判斷應在某一橋臂上并聯(lián)一定的電阻，使電橋達到平衡，從而使不等位電勢為零。7-8 試分析霍爾元件輸出接有負載RL 時，利用恒壓源和輸入回路串聯(lián)電阻RT 進行溫度補償?shù)臈l件。補償電路如圖(a)所示，輸入回路與輸出回路的等效電路如圖(b)、(

38、c)所示。設RL不隨溫度改變，由于霍爾元件輸出電阻Rout隨溫度變化，輸出霍爾電勢UH也隨溫度變化，使得負載電阻上的輸出電壓與溫度有關。RLRT(a) 霍爾元件接有負載 (b) 輸入回路等效電路 (c) 輸出回路等效電路溫度為T0 時，負載電阻上的輸出電壓為 設RT 的溫度系數(shù)，霍爾元件內(nèi)阻溫度系數(shù)為，靈敏度溫度系數(shù)為，則溫度升高后，負載電阻上的電壓為要實現(xiàn)溫度補償，應使，即消去二階小量（即含或的項），解得為了獲得最大的輸出功率，可使，則7-10（補充題） 試對利用霍爾式傳感器實現(xiàn)轉(zhuǎn)速測量進行解釋。轉(zhuǎn)盤的輸入軸與被測轉(zhuǎn)軸相連，當被測轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動時，轉(zhuǎn)盤隨之轉(zhuǎn)動，固定在轉(zhuǎn)盤附近的霍爾傳感器便可在每一

39、個小磁鐵通過時產(chǎn)生一個相應的脈沖，檢測出單位時間的脈沖數(shù)，便可知被測轉(zhuǎn)速。根據(jù)磁性轉(zhuǎn)盤上小磁鐵數(shù)目多少就可確定傳感器測量轉(zhuǎn)速的分辨率。 N-轉(zhuǎn)速；f-信號頻率；n-槽數(shù)。8-1 光電效應有哪幾種？相對應的光電器件各有哪些？1、光電效應分為外光電效應和內(nèi)光電效應兩大類。內(nèi)光電效應又可分為光電導效應和光生伏特效應。2、光電器件（1）基于外光電效應的光電元件有光電管、光電倍增管、光電攝像管等。（2）基于光電導效應的光電器件有光敏電阻。 （3）基于光生伏特效應的光電器件有光電池、光敏二極管、三極管。 8-2 試述光敏電阻、光敏二極管、光敏晶體管和光電池的工作原理，在實際應用時各有什么特點？1、光敏電阻

40、的工作原理其工作原理是基于光電導效應，其阻值隨光照增強而減小。光敏電阻沒有極性，純粹是一個電阻器件，使用時既可加直流電壓，也可以加交流電壓。無光照時，光敏電阻值（暗電阻）很大，電路中電流（暗電流）很小。當光敏電阻受到一定波長范圍的光照時，它的阻值（亮電阻）急劇減小，電路中電流迅速增大。一般希望暗電阻越大越好，亮電阻越小越好， 此時光敏電阻的靈敏度高。實際光敏電阻的暗電阻值一般在兆歐量級， 亮電阻值在幾千歐以下。 2、光敏二極管的工作原理在無光照時，處于反偏的光敏二極管工作在截止狀態(tài)，其反向電阻很大，反向電流很小，這種反向電流稱為暗電流。當有光照射到光敏二極管的PN結時，PN結附近受光子轟擊，吸

41、收其能量而產(chǎn)生電子-空穴對，它們在反向電壓和內(nèi)電場的作用下，漂移越過PN結，形成比無光照時大得多的反向電流，該反向電流稱為光電流，此時，光敏二極管的反向電阻下降。 若入射光的強度增強，產(chǎn)生的電子-空穴對數(shù)量也隨之增加，光電流也響應增大，即光電流與光照度成正比。如果外電路接上負載，便可獲得隨光照強弱變化的信號。光敏二極管的光電流 I 與照度之間呈線性關系。光敏二極管的光照特性是線性的，所以適合檢測等方面的應用。3、光敏晶體管的工作原理大多數(shù)光敏晶體管的基極無引出線，當集電極加上相對于發(fā)射極為正的電壓而不接基極時，集電結就是反向偏壓。 當光照射在集電結時，就會在結附近產(chǎn)生電子空穴對，光生電子被拉到

42、集電極，基區(qū)留下空穴，使基極與發(fā)射極間的電壓升高，這樣便會有大量的電子流向集電極，形成輸出電流，且集電極電流為光電流的倍，所以光敏晶體管有放大作用。4、光電池的工作原理硅光電池是在一塊N型硅片上用擴散的辦法摻入一些P型雜質(zhì)(如硼)形成PN結。當光照到PN結區(qū)時，如果光子能量足夠大，將在結區(qū)附近激發(fā)出電子-空穴對，在N區(qū)聚積負電荷，P區(qū)聚積正電荷，這樣N區(qū)和P區(qū)之間出現(xiàn)電位差。 若將PN結兩端用導線連起來，電路中有電流流過，電流的方向由P區(qū)流經(jīng)外電路至N區(qū)。若將外電路斷開，就可測出光生電動勢。8-3 光電耦合器件分為哪兩類？各有什么用途？ 光電耦合器件分為兩類：一類是用于實現(xiàn)電隔離的光電耦合器（

43、又稱光電耦合器），另一類是用于檢測物體位置或檢測有無物體的光電開關（又稱光電斷續(xù)器）。8-5 如何理解電荷耦合器件有“電子自掃描”作用？面陣CCD包括x、y兩個方向用于攝取平面圖像，它能存儲由光產(chǎn)生的信號電荷。當對它施加特定時序的脈沖時，其存儲的信號電荷便可在CCD內(nèi)作定向傳輸而實現(xiàn)自掃描。8-6 光在光纖中是怎樣傳輸?shù)?？對光纖及入射光的入射角有什么要求？1、光在光纖內(nèi)的全內(nèi)反射進行傳輸?shù)?，實際工作時需要光纖彎曲，但只要滿足全反射條件，光線仍然繼續(xù)前進?？梢娺@里的光線“轉(zhuǎn)彎”實際上是由光的全反射所形成的。2、為滿足光在光纖內(nèi)的全內(nèi)反射， 光入射到光纖端面的入射角i應滿足 一般光纖所處環(huán)境為空氣

44、，則n0=1，這樣上式可表示為 8-7 光纖數(shù)值孔徑NA的物理意義是什么？對NA取值大小有什么意義？1、數(shù)值孔徑是表征光纖集光本領的一個重要參數(shù)，即反映光纖接收光量的多少。無論光源發(fā)射功率有多大，只有入射角處于2c的光椎角內(nèi)，光纖才能導光。如入射角過大，光線便從包層逸出而產(chǎn)生漏光。2、光纖的NA越大，表明它的集光能力越強，一般希望有大的數(shù)值孔徑，這有利于提高耦合效率； 但數(shù)值孔徑過大，會造成光信號畸變。所以要適當選擇數(shù)值孔徑的數(shù)值，如石英光纖數(shù)值孔徑一般為0.20.4。 8-8 當光纖的n1=1.46，n2=1.45，如光纖外部介質(zhì)的n0=1，求光在光纖內(nèi)產(chǎn)生全內(nèi)反射時入射光的最大入射角的值？

45、根據(jù)光纖數(shù)值孔徑NA的定義入射臨界角為故，得該種光纖最大入射角為9.80 ，即入射光線必須在與該光纖軸線夾角小于9.80 時才能傳播。9-9 根據(jù)圖8-43和8-44，說明半導體光吸收型光纖溫度傳感器的工作原理。半導體吸收式光纖傳感器測溫系統(tǒng)原理圖(a)所示：(a) 半導體吸收式光纖傳感器測溫系統(tǒng)原理圖 輸入光纖和輸出光纖兩端面間夾一片厚度約零點幾毫米的半導體光吸收片，并用不銹鋼管加以固定,使半導體與光纖成為一體。它的關鍵部件是半導體光吸收片。由半導體物理知道，半導體的禁帶寬度 Eg 隨溫度 T 增加近似線性地減小，如圖(b)所示。 (b) 半導體的禁帶寬度與溫度的關系 (c) 半導體的透射光

46、強與溫度的關系由圖(c)可以看出：半導體的本征吸收限（或吸收邊）波長隨溫度增加而向長波長的方向位移。 在 T 一定時的情況下，半導體引起的光吸收隨著吸收邊波長g的變短而急劇增加，也即透過率急劇下降，直至光幾乎不能穿透半導體。反之，隨著吸收邊波長g的變長，半導體的透光率增大。在光源一定的情況下，通過半導體的透射光強隨溫度 T 的增加而減小。9-1 簡述氣敏傳元件的工作原理。半導體氣敏傳感器的敏感部分是金屬氧化物半導體微結晶粒子燒結體，當它的表面吸附被測氣體時，半導體微結晶粒子接觸表面的導電電子比例就會發(fā)生變化，從而使氣敏元件的電阻值隨被測氣體的濃度而改變。這種反應是可逆的，因而是可重復使用的。當

47、氧化型氣體吸附到N型半導體上，還原型氣體吸附到P型半導體上時，將使半導體載流子減少，而使半導體電阻值增大。 當還原型氣體吸附到N型半導體上，氧化型氣體吸附到P型半導體上時，則半導體載流子增多，使半導體電阻值下降。9-2 為什么多數(shù)氣敏元件都附有加熱器？加熱器的作用是將附著在敏感元件表面上的塵埃、油霧等燒掉，加速氣體的吸附，從而提高器件的靈敏度和響應速度。加熱器的溫度一般控制在200400左右。 9-3 什么叫濕敏電阻？濕敏電阻有哪些類型？ 1、濕敏電阻是利用濕敏材料吸收空氣中的水分而導致本身電阻值發(fā)生變化這一原理而制成的。2、工業(yè)上流行的濕敏電阻主要有：半導體陶瓷濕敏元件、氯化鋰濕敏電阻和有機

48、高分子膜濕敏電阻。9-6 根據(jù)圖9-23，說明用色敏傳感器測量光波波長（即顏色）的工作原理。圖9-25所示為檢測光波長（即顏色）處理電路。它由色敏半導體傳感器、兩路對數(shù)放大器電路及運算放大器OP3構成。 要識別色彩，必須獲得兩只光電二極管的短路電流比。故采用對數(shù)放大器電路，根據(jù)“虛斷”概念得在電流較小的時候，二極管兩端加上的電壓和流過電流之間存在近似對數(shù)關系：OP3的輸入電壓為, 。OP3取出它們的差，輸出為其正比于短路電流比ISD2/ISD1的對數(shù)。其中C為比例常數(shù)。將電路輸出電壓經(jīng)A/D變換、 處理后即可判斷出與電平相對應的波長（即顏色）。 9-7 圖9-23為酒精測試電路，A是顯示驅(qū)動器

49、。問：（1）TGS812是什么傳感器？（2）2、5腳是傳感器哪個部分？有什么作用？（3）分析電路工作原理，調(diào)節(jié)RP有什么意義？1、TGS812是氣敏傳感器。2、2、5腳是氣敏傳感器加熱電極。加熱電極，可以加速還原反應，提高氣敏傳感器的靈敏度。燒掉金屬網(wǎng)上的灰塵和油漬，提高響應速度。3、電路工作原理（1）當氣體傳感器探測不到酒精時，加在A的第5腳電平為低電平；當氣體傳感器探測到酒精時，其內(nèi)阻變低，從而使A的第5腳電平變高。A為顯示推動器，它共有10個輸出端，每個輸出端可以驅(qū)動一個發(fā)光二極管，顯示推動器A根據(jù)第5腳電壓高低來確定依次點亮發(fā)光二極管的級數(shù)，酒精含量越高則點亮二極管的級數(shù)越大。上面5個

50、發(fā)光二極管為紅色，表示超過安全水平。 下面5個發(fā)光二極管為綠色，代表安全水平，酒精含量不超過0.05%。 （2）調(diào)節(jié)RP 使測試儀適應在不同氣體、不同濃度的條件下工作。10-1 超聲波在介質(zhì)中傳播具有哪些特性？（1）超聲波的波型：聲源在介質(zhì)中施力方向與波在介質(zhì)中傳播方向的不同，聲波的波型也不同。通常有：縱波、橫波和表面波。（2）超聲波的傳播速度：在固體中，縱波、橫波及其表面波三者的聲速有一定的關系， 通?？烧J為橫波聲速為縱波的一半，表面波聲速為橫波聲速的90%；氣體中縱波聲速為344 m/s。；液體中縱波聲速在9001900m/s。（3）超聲波的反射和折射：聲波從一種介質(zhì)傳播到另一種介質(zhì)，在兩

51、個介質(zhì)的分界面上一部分聲波被反射, 另一部分透射過界面，在另一種介質(zhì)內(nèi)部繼續(xù)傳播。這樣的兩種情況稱之為聲波的反射和折射。（4）超聲波的衰減，聲波在介質(zhì)中傳播時，隨著傳播距離的增加，能量逐漸衰減，其衰減的程度與聲波的擴散、散射及吸收等因素有關。10-4 簡述超聲波測量流量的工作原理，并推導出數(shù)學表達式。 采用時差法測流速。為液體的平均速度，為超聲波的液體中傳播速度。 設超聲波探頭1為發(fā)射探頭，超聲波探頭2為接收探頭，超聲波傳播的速度為，則順流傳播時間為：再以超聲波探頭2為發(fā)射探頭，超聲波探頭1為接收探頭，超聲波傳播的速度為，則逆流傳播時間為：時差為由于，可以近似有：則液體的平均速度為這種測量方法

52、的精度取決于的測量精度，同時應注意并非常數(shù)，而是溫度的函數(shù)。10-5 已知超聲波探頭垂直安裝在被測介質(zhì)底部，超聲波在被測介質(zhì)中的傳播速度為1460m/s，測得時間為28s，試求物位高度。對于單探頭來說，超聲波從發(fā)射器到液面，又從液面反射到探頭的時間為則物位高度為11-1 簡述微波傳感器的測量機理。由發(fā)射天線發(fā)出微波，此波遇到被測物體時將被吸收或反射，使微波功率發(fā)生變化。若利用接收天線，接收到通過被測物體或由被測物體反射回來的微波，并將它轉(zhuǎn)換為電信號，再經(jīng)過信號調(diào)理電路，即可以顯示出被測量，實現(xiàn)了微波檢測。11-2 微波傳感器有哪些特點？微波傳感器如何分類？1、微波傳感器作為一種新型的非接觸傳感

53、器具有如下特點：（1）有極寬的頻譜（波長=1.0mm1.0m）可供選用，可根據(jù)被測對象的特點選擇不同的測量頻率；（2）在煙霧、粉塵、水汽、化學氣氛以及高、低溫環(huán)境中對檢測信號的傳播影響極小，因此可以在惡劣環(huán)境下工作；（3）介質(zhì)對微波的吸收與介質(zhì)的介電常數(shù)成比例，水對微波的吸收作用最強；（4）時間常數(shù)小，反應速度快，可以進行動態(tài)檢測與實時處理，便于自動控制； （5）測量信號本身就是電信號，無須進行非電量的轉(zhuǎn)換，從而簡化了傳感器與微處理器間的接口，便于實現(xiàn)遙測和遙控；（6） 微波無顯著輻射公害。微波傳感器存在的主要問題是零點漂移和標定尚未得到很好的解決。其次，使用時外界環(huán)境因素影響較多，如溫度、氣

54、壓、取樣位置等。 2、根據(jù)微波傳感器的原理，微波傳感器可以分為反射式和遮斷式兩類。（1）反射式微波傳感器反射式微波傳感器是通過檢測被測物反射回來的微波功率或經(jīng)過的時間間隔來測量被測量的。通常它可以測量物體的位置、位移、厚度等參數(shù)。（2）遮斷式微波傳感器遮斷式微波傳感器是通過檢測接收天線收到的微波功率大小來判斷發(fā)射天線與接收天線之間有無被測物體或被測物體的厚度、含水量等參數(shù)的。 12-1 紅外探測器有哪些類型？ 紅外探測器是利用紅外輻射與物質(zhì)相互作用所呈現(xiàn)的物理效應來探測紅外輻射的。紅外探測器的種類很多，按探測機理的物理效應可分為兩大類：（1）一類是器件的某些性能參數(shù)隨入射的輻射通量作用引起的溫度變化的熱探測器；（2）另一類是利用各種光子效應的光子探測器，即入射到探測器上的紅外輻射能以光子的形式與光電探測器材料的束縛電子相互作用，從而釋放出自由電子和自由空穴參與導電的器件。光子探測器的響應正比于吸收的光子