《传感器与检测技术项目式教程》
思考与练习参***。
思考与练习1
1. 答：检测组成框图如下：
一个完整的检测系统或检测装置通常是由传感器、测量电路和显示记录装置等几部分组成。传感器是把被测量转换成电学量的装置，是检测系统与被测对象直接发生联系的部件，是检测系统最重要的环节。测量电路的作用是将传感器的输出信号转换成易于测量的电压或电流信号。
显示记录装置是检测人员和检测系统联系的主要环节，主要作用是使人们了解被测量的大小或变化的过程。
2. 解： 2.5级时的最大绝对误差值为，测量500℃时的相对误差为；
2.0级时的最大绝对误差值为，测量500℃时的相对误差为；
1.5级时的最大绝对误差值为，测量500℃时的相对误差为。
因此，应该选用1.5级的测温仪器。
3. 答：根据已有拟合直线，计算当取不同值时，对应的值及误差为：
当时， ，对应误差为-2.2
当时，， 对应误差为0.38
当时，， 对应误差为0.26
当时，， 对应误差为1.256
当时，， 对应误差为0.096
当时，， 对应误差为-2.084
所以，最大误差出现在当时，此时误差，线性误差为，故此拟合直线能满足线性误差小于5%的要求。
4. 答：（1）电阻应变片，电容等；（2）热电偶，热电阻等；（3）电感，电容等；（4）压电，霍尔等。
5. 答：选用量程为250v的电压表，其精度应选0．5级；选用量程为500v的电压表，其精度应选0．2级。
6. 答：选用1.0级，测量范围为0∽100n的测力仪表。
rx1=70*0.5/500*100℅=0.07℅
rx2=70*1.0/100*100℅=0.7℅
所以：用1.0级的仪表比较好，因为rx2 ＞ rx1
7. 答：依次为主称（传感器） 被测量—转换原理—序号。
主称——传感器，代号c；
被测量——用一个或两个汉语拼音的第一个大写字母标记。见附录表2；
转换原理——用一个或两个汉语拼音的第一个大写字母标记。见附录表3；
序号——用一个阿拉伯数字标记，厂家自定，用来表征产品设计特性、性能参数、产品系列等。若产品性能参数不变，仅在局部有改动或变动时，其序号可在原序号后面顺序地加注大写字母a、b、c等，（其中i、q不用）。
8. 解： mv/mm
9. 解：1）测温系统的总灵敏度为。
cm/℃2）记录仪笔尖位移4cm时，所对应的温度变化值为。
10. 解：(1)求10次测量的算术平均值：
（2）测量的方均根误差σ：
（3）算术平均值的标准差：
11. 答：当被测量无变化时，电桥平衡时输出为零。当被测量发生变化时，电桥平衡被打破，有电压输出。输出的电压与被测量的变化成比例。电桥的输出电压为：
当输出电压为零时，电桥平衡，因此为电桥平衡条件。
思考与练习2
1.答：应变效应，是指在导体产生机械变形时，它的电阻值相应发生变化。
压阻效应，是指半导体材料在某一轴向受外力作用时，其电阻率ρ发生变化的现象。
横向效应，是指将直的电阻丝绕成敏感栅后，虽然长度不变，应变状态相同，但由于应变片敏感栅的电阻变化较小，因而其灵敏系数k较电阻丝的灵敏系数ks小的现象。
2.答：相同之处在于：
都是将被测量的变化转换为电阻的变化，且，其中为材料的泊桑比，e为材料的弹性模量，(1+2)ε是由几何尺寸变化引起的阻值变化，是由电阻率的变化引起的阻值变化。
不同的是，电阻应变片是利用导体形变引起的阻值变化，所以，；而半导体应变片是利用半导体材料的压阻效应使电阻率发生变化引起电阻变化。所以，。
各自的优点分别为：电阻丝应变片具有相当高的适应性；半导体应变片的灵敏度高，一般为电阻丝应变片的50-70倍。
3.答：金属电阻丝应变片的工作原理是在力的作用下，主要由敏感丝栅的几何尺寸变化引起的电阻值的变化。
半导体应变片的工作原理是基于压阻效应，即在力的作用下主要由敏感丝栅的电阻率变化而引起的电阻值的变化。
4.答：电阻应变片产生温度误差的原因：当测量现场环境温度变化时，由于敏感栅温度系数及栅丝与试件膨胀系数之差异性而给测量带来了附加误差。
电阻应变片的温度补偿方法：通常有线路补偿法和应变片自补偿两大类。
1）电桥补偿是最常用的且效果较好的线路补偿法。电桥补偿法简单易行，而且能在较大的温度范围内补偿，但上面的四个条件不一满足，尤其是两个应变片很难处于同一温度场。
2）应变片的自补偿法是利用自身具有温度补偿作用的应变片。
5.答：①环境温度变化时，由于敏感栅材料的电阻温度系数的存在，引起应变片电阻相对变化；
环境温度变化时，敏感栅材料和试件材料的膨胀系数不同，应变片产生附加的拉长(或压缩)，引起电阻的相对变化。
6．答：并联接法在外力作用下正负电极上的电荷量增加了1倍，电容量也增加了1倍，输出电压与单片时相同。适宜测量慢变信号且以电荷作为输出量的场合。
串联接法上、下极板的电荷量与单片时相同，总电容量为单片时的一半，输出电压增大。
了1倍。适宜以电压作输出信号且测量电路输入阻抗很高的场合。
7．答：压电材料的主要特性参数有：（1）压电常数：
压电常数是衡量材料压电效应强弱的参数，它直接关系到压电输出的灵敏度。（2）弹性常数：压电材料的弹性常数、 刚度决定着压电器件的固有频率和动态特性。
（3）介电常数：对于一定形状、尺寸的压电元件，其固有电容与介电常数有关；而固有电容又影响着压电传感器的频率下限。（4） 机械耦合系数：
在压电效应中，其值等于转换输出能量（如电能）与输入的能量（如机械能）之比的平方根； 它是衡量压电材料机电能量转换效率的一个重要参数。（5）电阻压电材料的绝缘电阻：将减少电荷泄漏，从而改善压电传感器的低频特性。
（6）居里点：压电材料开始丧失压电特性的温度称为居里点。
8．答：(1)作用是放大压电元件输出的微弱信号，并把高阻抗变换为低阻抗输出。
(2)电压放大器电路简单、成本低廉，但其灵敏度易受电缆分布电容的影响。电荷放大器灵敏度受电缆分布电容的影响很小，可忽略不计，但**较高，电路较复杂，调整较困难。
答：压电式传感器的工作原理是压电效应。
9．答：(1)作用是放大压电元件输出的微弱信号，并把高阻抗变换为低阻抗输出。
(2)电压放大器电路简单、成本低廉，但其灵敏度易受电缆分布电容的影响。电荷放大器灵敏度受电缆分布电容的影响很小，可忽略不计，但**较高，电路较复杂，调整较困难。
思考与练习3
1.答：差动式结构，除了可以改善非线性，提高灵敏度外，对电源电压、频率的波动及温度变化等外界影响也有补偿作用；作用在衔铁上的电磁力，是两个线圈磁力之差，所以对电磁力有一定的补偿作用，从而提高了测量的准确性。
2答：由交流电路分析可得。
要满足电桥平衡条件，即，则有：。
3.答：这是简单的电压输出型，动铁芯移动时引起上下两个全波整流电路输出差动电压，中间可调整零位，输出电压与铁芯位移成正比。
这种电路由二极管的非线性影响以及二极管正向饱和压降和反向漏电流的不利影响较大。
4.答：涡流—成块的金属置于变化着的磁场中或者在磁场中作切割磁力线运动时，金属体内都要产生感应电动势形成电流，这种电流在金属体内是自己闭合的，此电流称为电涡流。
以上现象称为电涡流效应。
5.答：装置如图4-43所示。在被测物上设定有等矩标记(如凸齿)，当被测物转动时，传感器线圈阻抗变化，产生脉冲信号，测得单位时间内的脉冲个数即可求得转速和角速度。
其中n-被测转速，f-传感器输出周期信号的频率，z-齿轮齿数。
6.答：（1）涡流传感器。
2）（a）测转速，（b）测材料的厚度，（c）计数。
3）结构简单，使用方便，非接触测量等优点。
7.答：还可以对厚度、表面温度、速度、 应力、材料损伤等进行非接触式连续测量。
8.答：优点：能实现非接触测量，结构简单，不怕油等介质污染。
涡流传感器不能测量大位移量，只有当测量范围较小时，才能保证一定的线性度。
9.答：光栅式传感器主要由光源、透镜、光栅副（主光栅和指示光栅）和光电接收元件等组成。在用光栅测量位移时，实际测量是利用光栅的莫尔条纹现象进行的。
10.答：把光栅常数相等的主光栅和指示光栅相对叠合（片间留有很小的间隔），并使两者栅线（光栅刻线）之间保持很小夹角θ，在两光栅的刻线重合处，光从缝隙透过，形成亮带，在两光栅刻线的错开处，由于相互挡光作用而形成暗带，于是在近似于垂直栅线的方向上出现明暗相间的条纹，这种明暗相间的条纹称为莫尔条纹。
莫尔条纹的特性有：位移放大作用；减小误差作用；方向对应与同步性。
思考与练习4
1.答：在置于磁场的导体或半导体中通入电流，若电流与磁场垂直，则在与磁场和电流都垂直的方向上会出现一个电势差，这种现象就是霍尔效应，是由科学家爱德文·霍尔在2023年发现的。
产生的电势差称为霍尔电压。
2.答：因为导体材料的μ虽然很大，但ρ很小，故不宜做成元件，而绝缘材料的ρ虽然很大，但μ很小，故也不宜做成元件。
而n型半导体材料中，电子的迁移率比空穴的大，且μn>μp，所以霍尔元件一般采用n型半导体材料。
3.答：霍尔元件的温度特性是指元件的内阻及输出与温度之间的关系。
与一般半导体一样，由于电阻率、迁移率以及载流子浓度随温度变化，所以霍尔元件的内阻、输出电压等参数也将随温度而变化。霍尔元件温度补偿的方法主要有利用输入回路的串联电阻进行补偿和利用输出回路的负载进行补偿两种。
4.答：集成霍尔传感器的特点主要是取消了传感器和测量电路之间的界限，实现了材料、元件、电路三位一体。
集成霍尔传感器与分立相比，由于减少了焊点，因此显著地提高了可靠性。此外，它具有体积小、重量轻、功耗低等优点。
5. 答：液位控制系统原理如图所示，霍尔元件固定不动，磁铁与探测杆固定在一起，连接到装液体的容器旁边，通过管道与内部连接。
当液位达到控制位置时霍尔元件输出控制信号，通过处理电路和电磁阀来控制液压阀门的开启和关闭，如液位低于控制位置时开启阀门，超过控制位置时则关闭阀门。
习题5原理图。
6. 答：数控机床是一种装有程序控制系统的自动化机床，能够根据已编好的程序，使机床动作并加工零件。
它综合了机械、自动化、计算机、测量、微电子等最新技术，使用了多种传感器。由于高精度、高速度、高效率及安全可靠的特点，在制造业技术设备更新中，数控机床正迅速地在企业得到普及 。在数控机床中，光电脉冲编码器作为速度和位置检测的元件，故障发生率较高，外在表现多种多样。
光电脉冲编码器可分为增量式和绝对式。所谓增量式即编码器转过角度就发出脉冲，查不出轴处于什么位置，只能记录得电后的脉冲数。机床失电后，不能记忆轴的位置。
绝对式则能够记忆轴转过的角度和空间位置。这依赖于一组或一个备用电池的支持，使机床失电后仍能保持记忆。当然编码器依据安装位置不同又可分为内装式和外装式，内装式和伺服电动机同轴安装，外装式则安装在传动链末端。
编码器输出信号通常有两组相位差90度的方波信号用于辨向，一个零标志位（又称一转信号）用校正。
传感器答案
第一章。现代信息产业的三大支柱？ans 传感技术 通信技术和计算机技术。2 为什么要将各种非电量转换成电信号 传感器的物理含义？ans 这是因为电信号是最适合于处理 传输 转换和定量运算。3 医用传感器的定义和主要用途？1 ans 把人体的生理信息转换成为与之有确定函数关系的电信息的变换装置。2 1...
传感器答案
1 传感器定义？传感器的静态特性有？能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成 静态特性是指检测系统的输入为不随时间变化的恒定信号时，系统的输出与输入之间的关系。主要包括线性度 灵敏度 迟滞 重复性 漂移等。2 传感器的分类？按能量关系分类可分为，按信...
传感器答案
1 传感器的定义 能够感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。2 大多数传感器是将各种自然信息转换成电器量，如电压 电流和电阻。3 传感器的新型敏感材料包括半导体 无机材料 金属材料 金属化合物 有机高分子材料 生化酶 复合材料等七种。4 传感器的静态性能指标包括量程与测量范围...