传感器复习资料

传感器期末复习资料1.1什么是传感器？按照国标定义，“传感器”应该如何说明含义？1.2传感器由哪几部分组成？试述它们的作用及相互关系。1.1答：从广义的角度来说，感知信号检出器件和信号处理部分总称为传感器。我们对传感器定义是：一种能把特定的信息（物理、化学、生物）按一定规律转换成某种可用信号输出的器件和装置。从狭义角度对传感器定义是：能把外界非电信息转换成电信号输出的器件。我国国家标准（GB7665—87）对传感器（Sensor/transducer）的定义是：“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和装置”。定义表明传感器有这样三层含义：它是由敏感元件和转换元件构成的一种检测装置；能按一定规律将被测量转换成电信号输出；传感器的输出与输入之间存在确定的关系。按使用的场合不同传感器又称为变换器、换能器、探测器。1.2答：组成——由敏感元件、转换元件、基本电路组成；关系，作用——传感器处于研究对象与测试系统的接口位置，即检测与控制之首。传感器是感知、获取与检测信息的窗口，一切科学研究与自动化生产过程要获取的信息都要通过传感器获取并通过它转换成容易传输与处理的电信号，其作用与地位特别重要。2.1传感器的静态特性是什么？由哪些性能指标描述？它们一般可用哪些公式表示？2.2传感器的线性度是如何确定的？确定拟合直线有哪些方法？传感器的线性度L表征了什么含义？为什么不能笼统的说传感器的线性度是多少。2.3传感器动态特性的主要技术指标有哪些？它们的意义是什么？2.1答：静特性是当输入量为常数或变化极慢时，传感器的输入输出特性，其主要指标有线性度、迟滞、重复性、分辨力、稳定性、温度稳定性、各种抗干扰稳定性。传感器的静特性由静特性曲线反映出来，静特性曲线由实际测绘中获得。人们根据传感器的静特性来选择合适的传感器。2.2答：1）实际传感器有非线性存在，线性度是将近似后的拟合直线与实际曲线进行比较，其中存在偏差，这个最大偏差称为传感器的非线性误差，即线性度，2）选取拟合的方法很多，主要有：理论线性度(理论拟合)；端基线性度(端点连线拟合)；独立线性度(端点平移拟合)；最小二乘法线性度。3）线性度L是表征实际特性与拟合直线不吻合的参数。4）传感器的非线性误差是以一条理想直线作基准，即使是同一传感器基准不同时得出的线性度也不同，所以不能笼统地提出线性度,当提出线性度的非线性误差时，必须说明所依据的基准直线。2.3答：1）传感器动态特性主要有：时间常数τ；固有频率n；阻尼系数。2）含义：τ越小系统需要达到稳定的时间越少；固有频率n越高响应曲线上升越快；当n为常数时响应特性取决于阻尼比，阻尼系数越大，过冲现象减弱，1时无过冲，不存在振荡，阻尼比直接影响过冲量和振荡次数。3.1何为电阻应变效应？怎样利用这种效应制成应变片？3.2什么是应变片的灵敏系数？它与金属电阻丝的灵敏系数有何不同？为什么？3.4金属应变片与半导体应变片在工作原理上有何不同？半导体应变片灵敏系数范围是多少，金属应变片灵敏系数范围是多少？为什么有这种差别，说明其优缺点。举例说明金属丝电阻应变片与半导体应变片的相同点和不同点。3.7一测量吊车起吊重物的拉力传感器如图3-29a所示。R1、R2、R3、R4按要求贴在等截面轴上。已知:等截面轴的截面积为0.00196m2，弹性模量E=2×1011N/m2，泊松比0.3，且R1=R2=R3=R4=120Ω,所组成的全桥型电路如题图3-29b所示，供桥电压U=2V。现测得输出电压U0=2.6mV。求：①等截面轴的纵向应变及横向应变为多少？②力F为多少？3.8已知：有四个性能完全相同的金属丝应变片（应变灵敏系数2k）,将其粘贴在梁式测力弹性元件上，如图3-30所示。在距梁端0l处应变计算公式为026FlEhb设力100FN，0100lmm，5hmm，20bmm，52210/ENmm。求：①说明是一种什么形式的梁。在梁式测力弹性元件距梁端0l处画出四个应变片粘贴位置，并画出相应的测量桥路原理图；②求出各应变片电阻相对变化量；③当桥路电源电压为6V时，负载电阻为无穷大，求桥路输出电压U0是多少？3.9图3-31为一直流电桥，负载电阻RL趋于无穷。图中E=4V，R1=R2=R3=R4=120Ω，试求：①R1为金属应变片，其余为外接电阻，当R1的增量为ΔR1=1.2Ω时，电桥输出电压U0=?②R1、R2为金属应变片，感应应变大小变化相同，其余为外接电阻，电桥输出电压U0=?③R1、R2为金属应变片，如果感应应变大小相反，且ΔR1=ΔR2=1.2Ω，电桥输出电压U0=?3.1答：导体在受到拉力或压力的外界力作用时，会产生机械变形，同时机械变形会引起导体阻值的变化，这种导体材料因变形而使其电阻值发生变化的现象称为电阻应变效应。当外力作用时，导体的电阻率、长度l、截面积S都会发生变化，从而引起电阻值R的变化，通过测量电阻值的变化，检测出外界作用力的大小。图3-29图3-303.2答：金属丝灵敏系数0k主要由材料的几何尺寸决定的。受力后材料的几何尺寸变化为(12)，电阻率的变化为//。而实际应变片的灵敏系数应包括基片、粘合剂以及敏感栅的横向效应。虽然长度相同，但应变状态不同，金属丝做成成品的应变片（粘贴到试件上）以后，灵敏系数降低了。3.4答：金属导体应变片的电阻变化是利用机械形变产生的应变效应，对于半导体而言，应变传感器主要是利用半导体材料的压阻效应。金属电阻丝的灵敏系数可近似写为012k，即01.52k～；半导体灵敏系数近似为0//kE≈50～100。3.7解：211212340120;0.3;0.00196;210/;2;2.6RRRRSmENmUVUmV050.156//0.0008125120.00048753.18510URRUlRRRRlkrlrlFSEN按全桥计算：轴向应变：横向应变：力：3.8解：①梁为一种等截面悬臂梁；应变片沿梁的方向上下平行各粘贴两个；②5202;100;100;5;2;210/kFNlmmhmmbmmENm02620.012FlRkREhb应变片相对变化量为：③060.072RVUVR桥路电压6时,输出电压为：3.9解:①100.0104ERRUVR因为只有为应变片,电桥输出按单臂电桥计算，②00UV因为两应变片变化大小相同，相互抵消无输出，③120,0.022ERRRUVR因为应变时大小变化相反,电桥输出按半桥计算，4.1如何改善单极式变极距型电容传感器的非线性？4.2为什么高频工作时的电容式传感器连接电缆的长度不能任意变化？4.7压差传感器结构如图4-30a所示，传感器接入二极管双T型电路，电路原理示意图如图4-30b所示。已知电源电压UE=10V，频率f=1MHz，R1=R2=40kΩ，压差电容C1=C2=10pF，RL=20kΩ。试分析，当压力传感器有压差PH＞PL使电容变化ΔC=1pF时，一个周期内负载电阻上产生的输出电压URL平均值的大小与方向。4.1答：非线性随相对位移0/的增加而增加，为保证线性度应限制相对位移的大小；起始极距0与灵敏度、线性度相矛盾，所以变极距式电容传感器只适合小位移测量；为提高传感器的灵敏度和改善非线性关系，变极距式电容传感器一般采用差动结构。4.3解：若初始容量1280CCpF，初始距离04mm，当动极板相对于定极板位移了0.75mm时，非线性误差为：2200.75()100%()100%3.5%4L改为单极平板电容，初始值不变，其非线性误差为：00.75100%100%18.75%4L4.7解：当HLPP时，12CC；212CCC4612122(2)4080()21010102100.36()6060LRLLELRRRURUfCCVRR由于12CC，电压UE的负半周占优势，故RLU的方向下正上负。5.1何谓电感式传感器？电感式传感器分为哪几类？各有何特点？5.2提高电感式传感器线性度有哪些有效的方法。5.4说明产生差动电感式传感器零位残余电压的原因及减小此电压的有效措施。5.7概述变间隙式差动变压器的结构、工作原理和输出特性，5.10什么叫电涡流效应？说明电涡流式传感器的基本结构与工作原理。电涡流式传感器的基本特性有哪些？它是基于何种模型得到的？5.11电涡流式传感器可以进行哪些物理量的检测？能否可以测量非金属物体，为什么？5.1答：电感式传感器是一种机-电转换装置，电感式传感器是利用线圈自感和互感的变化实现非电量电测的一种装置，传感器利用电磁感应定律将被测非电量转换为电感或互感的变化。它可以用来测量位移、振动、压力、应变、流量、密度等参数。电感式传感器种类：自感式、涡流式、差动式、变压式、压磁式、感应同步器。工作原理：自感、互感、涡流、压磁。5.2答：电感传感器采用差动形式，转换电路采用相敏检波电路可有效改善线性度。5.4答：差动变压器式传感器的铁芯处于中间位置时，在零点附近总有一个最小的输出电压0U，将铁芯处于中间位置时，最小不为零的电压称为零点残余电压。产生零点残余电压的主要原因是由于两个次级线圈绕组电气系数（互感M、电感L、内阻R）不完全相同，几何尺寸也不完全相同，工艺上很难保证完全一致。为减小零点残余电压的影响，除工业上采取措施外，一般要用电路进行补偿：①串联电阻；②并联电阻、电容，消除基波分量的相位差异，减小谐波分量；③加反馈支路，初、次级间加入反馈，减小谐波分量；④相敏检波电路对零点残余误差有很好的抑制作用。5.10答：1）块状金属导体置于变化的磁场中或在磁场中作用切割磁力线运动时，导体内部会产生一圈圈闭和的电流，这种电流叫电涡流，这种现象叫做电涡流效应。2）形成涡流必须具备两个条件：第一存在交变磁场；第二导电体处于交变磁场中。电涡流式传感器通电后线圈周围产生交变磁场，金属导体置于线圈附近。当金属导体靠近交变磁场中时，导体内部就会产生涡流，这个涡流同样产生交变磁场。由于磁场的反作用使线圈的等效电感和等效阻抗发生变化，使流过线圈的电流大小、相位都发生变化。通过检测与阻抗有关的参数进行非电量检测。3）因为金属存在趋肤效应，电涡流只存在于金属导体的表面薄层内，实际上涡流的分布是不均匀的。涡流区内各处的涡流密度不同，存在径向分布和轴向分布。所以电涡流传感器的检测范围与传感器的尺寸（线圈直径）有关。4）回路方程的建立是把金属上涡流所在范围近似看成一个单匝短路线圈作为等效模型。5.11答：1）凡是能引起22RLM、、变化的物理量，均可以引起传感器线圈11RL、的变化，可以进行非电量检测；如被测体（金属）的电阻率，导磁率，厚度d，线圈与被测体之间的距离x，激励线圈的角频率等都可通过涡流效应和磁效应与线圈阻抗Z发生关系，使11RL、变化；若控制某些参数不变，只改变其中一个参数，便可使阻抗Z成为这个参数的单值函数。2）电涡流传感器不可以直接测量非金属物体，这是由于传感器本身特性决定的。6.4什么是霍尔效应？6.5霍尔元件常用材料有哪些？为什么不用金属做霍尔元件材料？6.6霍尔元件不等位电势产生的原因有哪些？6.7某一霍尔元件尺寸为10Lmm，3.5bmm,1.0dmm，沿L方向通以电流1.0ImA，在垂直于L和b的方向加有均匀磁场0.3BT，灵敏度为22/()VAT，试求输出霍尔电势及载流子浓度。6.12比较霍尔元件、磁敏电阻、磁敏晶体管，它们有哪些相同之处和不同之处？简述其各自的特点。6.4答：通电的导体（半导体）放在磁场中，电流与磁场垂直，在导体另外两侧会产生感应电动势，这种现象称霍尔效应。6.5答：1）任何材料在一定条件下都能产生霍尔电势，但不是都可以制造霍尔元件。只有半导体材料适于制作霍尔元件。又因一般电子迁移率大于空穴的