傳感器技術(shù)課后習(xí)題答案

1、1-1 衡量傳感器靜態(tài)特性的主要指標(biāo)。說(shuō)明含義 衡量傳感器靜態(tài)特性的主要指標(biāo)。說(shuō)明含義。 1、 線性度——表征傳感器輸出-輸入校準(zhǔn)曲線與所選定的擬合直線之間的吻合（或偏離）程度的指標(biāo)。 2、 回差（滯后）—反應(yīng)傳感器在正（輸入量增大）反（輸入量減?。┬谐踢^(guò)程中輸出-輸入曲線的不重合程度。 3、 重復(fù)性——衡量傳感器在同一工作條件下，輸入量按同一方向作全量程連續(xù)多次變動(dòng)時(shí)，所得特性曲線間一 致程度。各條特性曲線越靠近，重復(fù)性越好。4、 靈

2、敏度——傳感器輸出量增量與被測(cè)輸入量增量之比。 5、 分辨力——傳感器在規(guī)定測(cè)量范圍內(nèi)所能檢測(cè)出的被測(cè)輸入量的最小變化量。 6、 閥值——使傳感器輸出端產(chǎn)生可測(cè)變化量的最小被測(cè)輸入量值，即零位附近的分辨力。 7、 穩(wěn)定性——即傳感器在相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)仍保持其性能的能力。 8、 漂移——在一定時(shí)間間隔內(nèi)，傳感器輸出量存在著與被測(cè)輸入量無(wú)關(guān)的、不需要的變化。 9、 靜態(tài)誤差（精度）——傳感器在滿量程內(nèi)任一點(diǎn)輸出值相對(duì)理論值的可能偏離（逼近）程度

3、。1-2 計(jì)算傳感器線性度的方法，差別 計(jì)算傳感器線性度的方法，差別。 1、 理論直線法：以傳感器的理論特性線作為擬合直線，與實(shí)際測(cè)試值無(wú)關(guān)。 2、 端點(diǎn)直線法：以傳感器校準(zhǔn)曲線兩端點(diǎn)間的連線作為擬合直線。 3、 “最佳直線”法：以“最佳直線”作為擬合直線，該直線能保證傳感器正反行程校準(zhǔn)曲線對(duì)它的正負(fù)偏差相 等并且最小。這種方法的擬合精度最高。4、 最小二乘法：按最小二乘原理求取擬合直線，該直線能保證傳感器校準(zhǔn)數(shù)據(jù)的殘差平方和最小。1-

4、3 1-3 什么是傳感器的靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性？為什么要分靜和動(dòng) 什么是傳感器的靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性？為什么要分靜和動(dòng)？（1）靜態(tài)特性：表示傳感器在被測(cè)輸入量各個(gè)值處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)的輸出-輸入關(guān)系。動(dòng)態(tài)特性：反映傳感器對(duì)于隨時(shí)間變化的輸入量的響應(yīng)特性。（2）由于傳感器可能用來(lái)檢測(cè)靜態(tài)量（即輸入量是不隨時(shí)間變化的常量） 、準(zhǔn)靜態(tài)量或動(dòng)態(tài)量（即輸入量是隨時(shí)間變 化的變量） ，于是對(duì)應(yīng)于輸入信號(hào)的性質(zhì)，所以傳感器的特性分為靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性。Z-1

5、 Z-1 分析改善傳感器性能的技術(shù)途徑和措施。 分析改善傳感器性能的技術(shù)途徑和措施。（1）結(jié)構(gòu)、材料與參數(shù)的合理選擇（2）差動(dòng)技術(shù)（3）平均技術(shù)（4）穩(wěn)定性處理（5）屏蔽、隔離與干擾抑 制（6）零示法、微差法與閉環(huán)技術(shù)（7）補(bǔ)償、校正與“有源化” （8）集成化、智能化與信息融合2-1 金屬應(yīng)變計(jì)與半導(dǎo)體工作機(jī)理的異同？比較應(yīng)變計(jì)各種靈敏系數(shù)概念的不同意義 金屬應(yīng)變計(jì)與半導(dǎo)體工作機(jī)理的異同？比較應(yīng)變計(jì)各種靈敏系數(shù)概念的不同意義。（1）相同

6、點(diǎn)：它們都是在外界力作用下產(chǎn)生機(jī)械變形，從而導(dǎo)致材料的電阻發(fā)生變化所；不同點(diǎn)：金屬材料的應(yīng)變效應(yīng)以機(jī)械形變?yōu)橹?，材料的電阻率相?duì)變化為輔；而半導(dǎo)體材料則正好相反，其應(yīng)變效應(yīng)以機(jī)械形變導(dǎo)致的電阻率的相對(duì)變化為主，而機(jī)械形變?yōu)檩o。 （2）對(duì)于金屬材料，靈敏系數(shù) Ko=Km=(1+2μ)+C(1-2μ)。前部分為受力后金屬幾何尺寸變化，一般μ≈0.3，因此 （1+2μ）=1.6；后部分為電阻率隨應(yīng)變而變的部分。金屬絲材的應(yīng)變電阻效應(yīng)以結(jié)構(gòu)尺寸

7、變化為主。對(duì)于半導(dǎo)體材料，靈敏系數(shù) Ko=Ks=(1+2μ)+ πE。前部分同樣為尺寸變化，后部分為半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)所 致，而πE 》(1+2μ)，因此 Ko=Ks=πE。半導(dǎo)體材料的應(yīng)變電阻效應(yīng)主要基于壓阻效應(yīng)。 2-3 2-3 簡(jiǎn)述電阻應(yīng)變計(jì)產(chǎn)生熱輸出（溫度誤差）的原因及其補(bǔ)償辦法。 簡(jiǎn)述電阻應(yīng)變計(jì)產(chǎn)生熱輸出（溫度誤差）的原因及其補(bǔ)償辦法。 電阻應(yīng)變計(jì)的溫度效應(yīng)及其熱輸出由兩部分組成：前部分為熱阻效應(yīng)所造成；后部分為敏感柵與試

8、件熱膨脹失配 所引起。在工作溫度變化較大時(shí)，會(huì)產(chǎn)生溫度誤差。補(bǔ)償辦法：1、溫度自補(bǔ)償法 （1）單絲自補(bǔ)償應(yīng)變計(jì)(2) 雙絲自補(bǔ)償應(yīng)變計(jì)2、橋路補(bǔ)償法 （1）雙絲半橋式（2）補(bǔ)償塊法 2-4 2-4 試述應(yīng)變電橋產(chǎn)生非線性的原因及消減非線性誤差的措施。 試述應(yīng)變電橋產(chǎn)生非線性的原因及消減非線性誤差的措施。原因：上式分母中含ΔRi/Ri，是造成輸出量的非線性因素。無(wú)論是輸出電壓還是電流，實(shí)際上都與ΔRi/Ri 呈非線性關(guān) 系。措施：(1)

9、差動(dòng)電橋補(bǔ)償法差動(dòng)電橋呈現(xiàn)相對(duì)臂“和” ，相鄰臂“差”的特征，通過(guò)應(yīng)變計(jì)合理布片達(dá)到補(bǔ)償目的。常用的有半橋 差動(dòng)電路和全橋差動(dòng)電路。(2) 恒流源補(bǔ)償法誤差主要由于應(yīng)變電阻ΔRi 的變化引起工作臂電流的變化所致。采用恒流源，可減小誤差。 2-5 2-5 如何用電阻應(yīng)變計(jì)構(gòu)成應(yīng)變式傳感器？對(duì)其各組成部分有何要求？ 如何用電阻應(yīng)變計(jì)構(gòu)成應(yīng)變式傳感器？對(duì)其各組成部分有何要求？ 一是作為敏感元件，直接用于被測(cè)試件的應(yīng)變測(cè)量；另一是作為轉(zhuǎn)換元件，

10、通過(guò)彈性敏感元件構(gòu)成傳感器，用以 對(duì)任何能轉(zhuǎn)變成彈性元件應(yīng)變的其他物理量作間接測(cè)量。要求：非線性誤差要?。?lt;0.05%~0.1%F.S） ，力學(xué)性能參數(shù)受環(huán)境溫度影響小，并與彈性元件匹配。2-9 2-9 四臂平衡差動(dòng)電橋。說(shuō)明為什么采用。 四臂平衡差動(dòng)電橋。說(shuō)明為什么采用。全橋差動(dòng)電路，R1,R3 受拉，R2,R4 受壓，代入，得由全等橋臂，得可見輸出電壓 Uo 與ΔRi/Ri 成嚴(yán)格的線性關(guān)系，沒有非線性誤差。即 Uo=f(ΔR

11、/R)。 因?yàn)樗谋鄄顒?dòng)工作，不僅消除了飛線性誤差，而且輸出比單臂工作提高了 4 倍，故常采用此方法。3 3 1 2 4 1 2 401 2 3 4 1 2 3 41 1 4 2R R R R R R R R U U R R R R R R R R? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?? ? ? ?3 3 1 2 4 1 2 401 2 3 4 1 2 3 41 14 2R R R

12、R R R R R U UR R R R R R R R? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?? ? ? ?3 3 1 2 4 1 2 401 2 3 4 1 2 3 41 11 11 1 4 24 U 4R R R R R R R R U U R R R R R R R RR R UR R? ? ? ? ? ? ? ?? ?? ? ?? ?? ? ? ? ? ? ? ? ?

13、? ? ? ? ? ? ? ? ?? ? ? ?解決：驅(qū)動(dòng)電纜法、整體屏蔽法、采用組合式與集成技術(shù).5-12 5-12 霍爾效應(yīng)是什么？可進(jìn)行哪些參數(shù)的測(cè)量？ 霍爾效應(yīng)是什么？可進(jìn)行哪些參數(shù)的測(cè)量？當(dāng)電流垂直于外磁場(chǎng)通過(guò)導(dǎo)體時(shí)，在導(dǎo)體的垂直于磁場(chǎng)和電流方向的兩個(gè)端面之間會(huì)出現(xiàn)電勢(shì)差，這一 現(xiàn)象便是霍爾效應(yīng)。這個(gè)電勢(shì)差也被叫做霍爾電勢(shì)差。利用霍爾效應(yīng)可測(cè)量大電流、微氣隙磁場(chǎng)、微位移、轉(zhuǎn)速、加速度、振動(dòng)、壓力、流量和液位等；用以 制成磁讀頭

14、、磁羅盤、無(wú)刷電機(jī)、接近開關(guān)和計(jì)算元件等等。 5-14 5-14 磁敏電阻與磁敏二極管的特點(diǎn)？ 磁敏電阻與磁敏二極管的特點(diǎn)？磁敏電阻：外加磁場(chǎng)使導(dǎo)體(半導(dǎo)體)電阻隨磁場(chǎng)增加而增大的現(xiàn)象稱磁阻效應(yīng)。載流導(dǎo)體置于磁場(chǎng)中除了產(chǎn)生霍 爾效應(yīng)外,導(dǎo)體中載流子因受洛侖茲力作用要發(fā)生偏轉(zhuǎn),載流子運(yùn)動(dòng)方向偏轉(zhuǎn)使電流路徑變化,起到了加大電阻的作用, 磁場(chǎng)越強(qiáng)增大電阻的作用越強(qiáng)。磁敏電阻主要運(yùn)用于測(cè)位移。 磁敏二極管：輸出電壓隨著磁場(chǎng)大小的方向而變化，特別

15、是在弱磁場(chǎng)作用下，可獲得較大輸出電壓變化，r 區(qū)內(nèi) 外復(fù)合率差別越大，靈敏度越高。當(dāng)磁敏二極管反向偏置時(shí)，只有很少電流通過(guò)，二極管兩端電壓也不會(huì)因受到磁場(chǎng) 的作用而有任何改變。利用磁敏二極管可以檢測(cè)弱磁場(chǎng)變化這一特性可以制成漏磁探傷儀。6-1 6-1 何謂壓電效應(yīng)？正壓電與逆壓電？ 何謂壓電效應(yīng)？正壓電與逆壓電？一些離子型晶體的電介質(zhì)不僅在電場(chǎng)力作用下，而且在機(jī)械力作用下，都會(huì)產(chǎn)生極化現(xiàn)象。且其電位移 D(在 MKS 單位制中即電荷密度

16、σ)與外應(yīng)力張量 T 成正比： D = dT 式中 d——壓電常數(shù)矩陣。當(dāng)外力消失，電介質(zhì)又恢復(fù)不帶電原狀；當(dāng)外力變向，電荷極性隨之而變。這種現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)，或簡(jiǎn)稱壓 電效應(yīng)。若對(duì)上述電介質(zhì)施加電場(chǎng)作用時(shí)，同樣會(huì)引起電介質(zhì)內(nèi)部正負(fù)電荷中心的相對(duì)位移而導(dǎo)致電介質(zhì)產(chǎn)生變形，且其 應(yīng)變 S 與外電場(chǎng)強(qiáng)度 E 成正比： S=dtE 式中 dt——逆壓電常數(shù)矩陣。這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)，或稱電致伸縮。 6

17、-2 6-2 壓電材料的主要特性參數(shù)有哪些？比較三類壓電材料的應(yīng)用特點(diǎn)。 壓電材料的主要特性參數(shù)有哪些？比較三類壓電材料的應(yīng)用特點(diǎn)。 主要特性：壓電常數(shù)、彈性常數(shù)、介電常數(shù)、機(jī)電耦合系數(shù)、電阻、居里點(diǎn) 壓電單晶：時(shí)間穩(wěn)定性好，居里點(diǎn)高，在高溫、強(qiáng)幅射條件下，仍具有良好的壓電性，且機(jī)械性能，如機(jī)電耦合 系數(shù)、介電常數(shù)、頻率常數(shù)等均保持不變。此外，還在光電、微聲和激光等器件方面都有重要應(yīng)用。不足之處是質(zhì)地 脆、抗機(jī)械和熱沖擊性差。壓電陶瓷：

18、壓電常數(shù)大，靈敏度高，制造工藝成熟，成形工藝性好，成本低廉，利于廣泛應(yīng)用，還具有熱釋電 性。新型壓電材料：既具有壓電特性又具有半導(dǎo)體特性。因此既可用其壓電性研制傳感器，又可用其半導(dǎo)體特性制作 電子器件；也可以兩者合一，集元件與線路于一體，研制成新型集成壓電傳感器測(cè)試系統(tǒng)。 6-6 6-6 原理上，壓電式傳感器不能用于靜態(tài)測(cè)量，但實(shí)用中，壓電式傳感器可能用來(lái)測(cè)量準(zhǔn)靜態(tài)量，為什么？ 原理上，壓電式傳感器不能用于靜態(tài)測(cè)量，但實(shí)用中，壓電式傳感

19、器可能用來(lái)測(cè)量準(zhǔn)靜態(tài)量，為什么？壓電式測(cè)力傳感器是利用壓電元件直接實(shí)現(xiàn)力-電轉(zhuǎn)換的傳感器，在拉力、壓力和力矩測(cè)量場(chǎng)合，通常較多采用雙片 或多片石英晶片作壓電元件。由于它剛度大，動(dòng)態(tài)特性好；測(cè)量范圍廣，可測(cè)范圍大；線性及穩(wěn)定性高；可測(cè)單、多 向力。當(dāng)采用大時(shí)間常數(shù)的電荷放大器時(shí)，就可測(cè)準(zhǔn)靜態(tài)力。 7-1 熱電式傳感器分類。各自特點(diǎn)。 熱電式傳感器分類。各自特點(diǎn)。熱電式傳感器是一種將溫度變化轉(zhuǎn)換為電量變化的裝置。它可分為兩大類：熱電阻傳感器

20、和熱電偶傳感器。熱電阻傳感器的特點(diǎn)：（1)高溫度系數(shù)、高電阻率。(2)化學(xué)、物理性能穩(wěn)定。(3)良好的輸出特性。(4).良好的工藝性，以便于批量生產(chǎn)、降低成本。熱電偶傳感器的特點(diǎn)：（1）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單（2）制造方便（3）測(cè)溫范圍寬（4）熱慣性小（5）準(zhǔn)確度高（6）輸出信號(hào)便于遠(yuǎn)傳 7-2 常用的熱電阻。適用范圍 常用的熱電阻。適用范圍。 鉑、銅為應(yīng)用最廣的熱電阻材料。鉑容易提純，在高溫和氧化性介質(zhì)中化學(xué)、物理性能穩(wěn)定，制成的鉑電阻輸出 －輸入

21、特性接近線性，測(cè)量精度高。銅在-50～150℃范圍內(nèi)銅電阻化學(xué)、物理性能穩(wěn)定，輸出－輸入特性接近線性， 價(jià)格低廉。當(dāng)溫度高于 100℃時(shí)易被氧化，因此適用于溫度較低和沒有浸蝕性的介質(zhì)中工作。 7-4 7-4 利用熱電偶測(cè)溫必須具備哪兩個(gè)條件？ 利用熱電偶測(cè)溫必須具備哪兩個(gè)條件？（1）用兩種不同材料作熱電極（2）熱電偶兩端的溫度不能相同 7-5 7-5 什么是中間導(dǎo)體定律和連接導(dǎo)體定律？它們?cè)诶脽犭娕紲y(cè)溫時(shí)有什么實(shí)際意義？ 什么是中間導(dǎo)

22、體定律和連接導(dǎo)體定律？它們?cè)诶脽犭娕紲y(cè)溫時(shí)有什么實(shí)際意義？ 中間導(dǎo)體定律：導(dǎo)體 A、B 組成的熱電偶，當(dāng)引入第三導(dǎo)體時(shí)，只要保持第三導(dǎo)體兩端溫度相同，則第三導(dǎo)體對(duì) 回路總熱電勢(shì)無(wú)影響。利用這個(gè)定律可以將第三導(dǎo)體換成毫伏表，只要保證兩個(gè)接點(diǎn)溫度一致，就可以完成熱電勢(shì)的 測(cè)量而不影響熱電偶的輸出。連接導(dǎo)體定律：回路的總電勢(shì)等于熱電偶電勢(shì) EAB(T,To)與連接導(dǎo)線電勢(shì) EA’B’(Tn,To)的代數(shù)和。連接導(dǎo)體定 律是工業(yè)上運(yùn)用補(bǔ)償導(dǎo)線

23、進(jìn)行溫度測(cè)量的理論基礎(chǔ)。 7-6 7-6 什么是中間溫度定律？有什么實(shí)際意義？ 什么是中間溫度定律？有什么實(shí)際意義？ EAB(T,Tn,To)=EAB(T,Tn)+EAB(Tn,To) 這是中間溫度定律表達(dá)式，即回路的總熱電勢(shì)等于 EAB(T,Tn)與 EAB(Tn,To)的代數(shù)和。Tn 為中間溫度。中間溫度 定律為制定分度表奠定了理論基礎(chǔ)。 7-7 7-7 鎳絡(luò) 鎳絡(luò)-鎳硅介質(zhì)溫度 鎳硅介質(zhì)溫度 800 800°C，參考端溫