传感器原理及工程应用学习指南.docx

第三章应变式传感器1 .什么叫应变效应？利用应变效应解释金属电阻应变片的工作原理。答：在外力作用下，导体或半导体材料产生机械变形，从而引起材料电阻值发生相应变化的现象，称为应变效应。其表达式为9=Kw,式中K为材料的应变灵敏系R数，当应变材料为金属或合金时，在弹性极限内K为常数。金属电阻应变片的电阻相对变化量J与金属材料的轴向应变£成正比，因此，利用电阻应变片，可以将被测R物体的应变£转换成与之成正比关系的电阻相对变化量，这就是金属电阻应变片的工作原理。2 .试述应变片温度误差的概念，产生原因和补偿办法。答：由于测量现场环境温度偏离应变片标定温度而给测量带来的附加误差，称为应变片温度误差。产生应变片温度误差的主要原因有：由于电阻丝温度系数的存在，当温度改变时，应变片的标称电阻值发生变化。当试件与与电阻丝材料的线膨胀系数不同时，由于温度的变化而引起的附加变形，使应变片产生附加电阻。电阻应变片的温度补偿方法有线路补偿法和应变片自补偿法两大类。电桥补偿法是最常用且效果较好的线路补偿法，应变片自补偿法是采用温度自补偿应变片或双金属线栅应变片来代替一般应变片，使之兼顾温度补偿作用。3 .什么是直流电桥？若按桥臂工作方式不同，可分为哪几种？各自的输出电压如何计算？答：如题图3-3所示电路为电桥电路。若电桥电路的工作电源E为直流电源，则该题图3-3直流电桥电桥称为直流电桥。按应变所在电桥不同的工作桥臂，电桥可分为：单臂电桥，R1为电阻应变片，R2、R3、R4为电桥固定电阻。其输出压为U。=?篝差动半桥电路，RI、R2为两个所受应变方pAR向相反的应变片，R3.R4为电桥固定电阻。其输出电压为：UO=L2R1差动全桥电路，R、R2、Rs、Rl均为电阻应变片，且相邻两桥臂应变片所受应变方向相反。其输出电压为：UO=E丛4 .拟在等截面的悬臂梁上粘贴四个完全相同的电阻应变片组成差动全桥电路，试问：(1)四个应变片应怎样粘贴在悬臂梁上？(2)画出相应的电桥电路图。答：如题图3-4(a)所示等截面悬梁臂，在外力F作用下，悬梁臂产生变形，梁的上表面受到拉应变，而梁的下表面受压应变。当选用四个完全相同的电阻应变片组成差动全桥电路，则应变片如题图3-4(b)所示粘贴。题图3-4(a)等截面悬臂梁(b)应变片粘贴方式(c)测量电路电阻应变片所构成的差动全桥电路接线如图3-4(c)所示，R1、R4所受应变方向相同，R2.R3.所受应变方向相同，但与M、R4所受应变方向相反。5 .图示为一直流应变电桥。图中E=4V,Rl=R2=R3=R4=120,试求：(1) R1为金属应变片，其余为外接电阻。当M的增量为AR=1.2C时，电桥输出电压U。=?(2) R1,R2都是应变片，且批号相同，感应应变的极性和大小都相同，其余为外接电阻，电桥输出电压U。=?(3) 题(2)中，如果%与凡感受应变的极性相反，且=A/?2=12Q,电桥输出电压Uo=?答：如题3-5图所示由于R.R2均为应变片，且批号相同，所受应变大小和方向均相同，则Ri=R2=R=c2=?UJ&+&°I（Rl+ARj+（危+AR2）&+/R+耶=（/?+/?）R3+R"（2240J根据题意，设R=R+州R2=R-AR2u(R2-R2氏J01(i+i)+(-/?,)r3r4)则=2一4-R.R>Rq+R.1Z346.图示为等强度梁测力系统，R为电阻应变片，应变片灵敏系数K=2.05,未受应变时，R1=1200当试件受力F时，应变片承受平均应变£=800ym/m,求：（1）应变片电阻变化量R和电阻相对变化量AR1/R1o（2）将电阻应变片R置于单臂测量电桥，电桥电源电压为直流3V,求电桥输出电压及电桥非线性误差。（3）趟减N幽凝的翻斫帽施?用淅其电!獭出题图6 等强度梁 测力系统示意图及非线性误差大小。解：根据应变效应，有AgT已知 K = 2.05 , £ = 800R1 =120代入公式则ARl=KE.R=2.05×800×lO'6×120=0.200.20720= 0.17/若将电阻应变片置于单臂测量桥路中则Un=-l=-X0.0017=.25mV°4R4NR、2R非线性误差l=士-=0.085%1+组2R若要减小非线性误差，可采用半桥差动电路，且选择R1=R2=R3=R4=120C1=C2=0.20R1和R2所受应变大小相等，应变方向相反。此时UO=2.5077V°2RlYl=07.在题6条件下，如果试件材质为合金钢，线膨胀系数Sg=IlXl(T6/,电阻应变片敏感栅材质为康铜，其电阻温度系数a=151(T6/°C,线膨涨系数凡=14.9x10-6/当传感器的环境温度从IOC变化到50C时，引起附加电阻相对变化量(冽/?),为多少？折合成附加应变?为多少？解：在题3-6的条件下，合金钢线膨胀系数为g=llX10VeCo则=0(1+)=o1+11×1O6×(5O-1O)应变片敏感栅材质为康铜。电阻温度系数为民=14.9x10-6/C。则G=6(1+四加)=2oh+14.9XIOFX(5010),当两者粘贴在一起时，电阻丝产生附加电阻变化AR。为:ARp=Koa(Pg一夕=2.05×120×(ll×106-14.9×106)×(50-10)=-0.03838当测量的环境温度从10变化到50时，金属电阻丝自身温度系数=15l(6/°C。则：ARa=Kr=120×15XIO-6×(50-10)=0.07200总附加电阻相对变化量为：空=温+/=0.072。-。.O3838=oo28O2%RoRo120折合附加应变为：与二绝R°0.00028022.05= 0.0001367 % = 136.7%第四章电感式传感器1 .说明差动变隙电压传感器的主要组成，工作原理和基本特性。答：差动变隙电压传感器结构如下图所示。主要由铁芯，衔I铁，线圈三部分组成。传感器由两个完全相同的电压线圈合用一个衔铁和相应磁路。工作时，衔铁与被测件相连，当被测体上下移动时，带动衔铁也以相同的位移上下移动，使两个磁回路中磁阻发生大小相等方向相反的变化。导致一个线圈的电感量增加，另一个线圈的电感量减小，形成差动形式。其输出特性为:L=L1+AZo=2L0若忽略上式中的高次项，可得LCAS=2Lo¾为了使输出特性能得到有效改善，构成差动的两个变隙式电感传感器在结构尺寸、材料、电气参数等方面均应完全一致。2 .变隙试电感传感器的输入特性与哪些因素有关？怎样改善其非线性？怎样提高其灵敏度？答：变隙试电压传感器的输出特性为：/、2/、3a,AbIAS(=Lfl1+-+其输出特性与初始电压量Lo,气隙厚度之,气隙变化量AS有关。当选定铁芯，衔铁材料及尺寸，确定线圈的匝数及电气特性，则AL=(A3)0从传感器的输出特性可以看出，与AS成非线性关系，为改善其非线性，通常采用差动变隙式电感传感器，如题图41所示，输出特性表达式为；a7MN1(Ab)L=2Lft-1+H品l¾JIs(J_将上式与单线圈变隙式传感器相比，若忽略非线性项，其灵敏度提高一倍，若保留一项非,而差动式空=2丝线性项，则单线圈式包由于竺«1,因此，差%动式的线性度得到明显改善。3 .差动变压器式传感器有几种结构形式？各有什么特点？答：差动变压器式传感器有变隙式差动变压器式和螺线管式差动变压器式传感器二种结构形式。变隙式差动变压器传感器的输出特性为-丝MK,输出电压与叱比值成正比，然而%I比值与变压器的体积与零点残余电压有关。应综合考虑；U0与分成反比关系，因此要求，越小越好，但较小的使测量范围受到约束，通常在0.5/加左右。螺线管式差动变压器式传感器的输出特性是激励电压U和激磁频率/的函数，理论上，灵敏度K与U、f成正比关系，而实际上由于传感器结构的不对称、铁根、磁漏等因素影响，K与f不成正比关系，一般在400HZIOKHZ范围内K有较大的稳定值，K与U不论在理论上和实际上都保持较好的线性关系。般差动变压器的功率控制在1瓦左右，因此U取值在38伏范围之内。为保证传感器有较好的线性度，其测量范围为线圈骨架长度的-到L。因此可以测量大位移范围。1044 .差动变压器式传感器的等效电路包括哪些元件和参数？各自的含义是什么？答：差动变压器式传感器在忽略铁损、导磁体磁阻和线圈分布电容的理想条件下，其等效电路如题图44所示。其中Ul为初级线圈L的激励电压，4为初级线圈直流电阻，L1为初级线圈交流电感，r2(l,r2b为两次级线圈直流电阻，J,L2h为两次级线圈的交流电感。初级线圈与两次级线圈的互感系数为M,V2，线圈W20的感应电势为E2u,线圈VV2z,的感应电势为E2b。5 .差动变压器式传感器的零点残余电压产生的原因是什么？怎样减小和消除它的影响？答：差动电压器在零位移时的输出电压称为零点残余电压。对零点残余电压进行频谱分析，发现其频谱主要由基波和三次谐波组成，基波产生的主要原因是传感器两个次级绕组的电气参数与几何尺寸不对称，三次谐波产生的原因主要是磁性材料磁化曲线的非线性（磁饱和，磁滞）所造成的。消除或减小零点残余电压的主要方法有：尽可能保证传感器几何尺寸，线圈电气参数和磁路的相互对称。传感器设置良好的磁屏蔽，必要时再设置静电屏蔽。将传感器磁回电路工作区域设计在铁芯曲线的线性段。采用外电路补偿。配用相敏检波测量电路。6 .简述相敏检波电路的工作原理，保证其可靠工作的条件是什么？答：相敏检波电路如题图4一6（a）所示。图中%,Vd2,Vd3,Vd4为四个性能相同的二极管。以同一方向串联接成一个闭合回路，组成环形电桥。输入信号U2（差动变压器式传感器输出的调谐波电压）通过变压器4加入环形电桥的一个对角线上，参考信号Us通过变压器72加到环形电桥的另一个对角线上，为保证相敏检波电路可靠工作，要求US的幅值要远大于输入信号的幅值，以便有效控制四个二极管的导通状态，且Us和差动变压器式传感器激励电压Ul由同一振荡器供电。保证二者同频同相（或反相）。当AX>0时，U2与US同频同相。Vdi,Vg截止，Vd2,右3导通，则可得题图46（b）所示等效电路。其输出电压表达式为4=.,在U2与US均为负半周时，2、匕）3截止，V切、匕M导通，则题图46（c）所示为等效电路，其输出电压表达式亦为%二.R）,这说明只要位移AX>0,不论U2与US是正半周还是负半周，负载电阻RL两端得到的电压始终为正。当AX<0时，采用上述相同方法可以得到输出电压UO的表达式为 O =-RL U2%(R + 2Rj(%为变压器4的变比)。故题图46(a)所示相敏检波电路输出电压O的变化规律充分反映了被测位移量的变化规律，即电压数值反映了x大小，而曲极性则反映了位移x的方向。7 .已知一差动整流电桥电路如题图4-7所示。电路由差动电感传感器Zl、Z2及平衡电阻RlsR2(Rl=R2)组成。桥路的一个对角接有交流电源U,另一个对角线为输出端Uo,试分析该电路的工作原理。解：题图47为差动整流电桥电路，Z1,Z2为差动电压传感器，Rl=A2为平衡电阻，Ui为交流电源，G、C2、R3、凡构成一左型滤波电路，输出电压为 当被测输入量为零时，传感器Zl与传感器Z2相等，此时若Ui为正半周，则Vdi.%3导通，匕2、Vg截止，电流L流经Zl，Vd3,R2,电流，2流经Z2,Vdi,Rl,如果四只二极管具有理想特性(导通时内阻为零，截止时内阻为无穷大)，则UK=小8，。&='为。且如题图47所示U周与U&方向相反，U0=UR-Ufi2=0O若Ui为负半周，则匕2、匕4导通，1,七3截止，电流/；流经Rl，Vd2,Z1,而电流流经K2，Vd4,Z2,此时utf=IRl,ur2=V2R2,且如图所示Ug与U&方向相反，U0=Uri-Ur2=O。 当被测输入量不等于零，且Zl>Z2,若Uj为正半周，此时有匕<Z2,URi=Z2/?,>Ur=I1R2,Uq=URi-Ur2>0o若Ui为负半周，此时A=-i内，0fi2=-I2R2,1<2则UO=以>0,即不论。为正半周还是负半周，Uo输出电压始终为正。 当被测输入量不等于零，且ZI<Z2时，采用相同的分析方法同理可得:UG=I)RiR2即不论Uj为正半周还是负半周，Uo输出电压始终为负。所以该测量电路输出电压幅值反映了被测量的大小，而UO的符号则反映了该被测量的变化方向。8.已知变气隙电感传感器的铁芯截面积S=1.5cm2,磁路长度L=20cm,相对磁导率从=5000,气隙=0.5cm,=±0.1mm,真空磁导率/o=4×1O7H/m,线圈匝数vv=3000,求单端式传感器的灵敏度ALAb。若做成差动结构形式，其灵敏度将如何变化？解:= 169.6"71.5×104×4×107×300022×0.5×1021.oSoW2=4x10-7-15><10一4-300()2'22×(0.5±0.01)×102灵敏度:= 35%AL3.5x10-3?-0.1×103接成差动结构形式，则K2-=10h/6fn灵敏度提高一倍。1 .何谓涡流效应？怎样利用涡流效应进行位移测量？答：块状金属导体置于变化着的磁物中，或在磁场中作切割磁力线运动时，导体内将产生呈旋涡状的感应电流，此电流叫电涡流，所产生电涡流的现象称为电涡流效应。电涡流式传感器的测试系统由电涡流式传感器和被测金属两部分组成。当线圈中通以交变电流乙时，其周围产生交变磁物。I，置于此磁物中的导体将感应出交变电涡流2，2又产生新的交变磁物力2，白2的作用将反抗原磁物力|，导致线圈阻抗Z发生变化，Z的变化完全取决于导体中的电涡流效应，而电涡流效应既与导体的电阻率p,磁导率，几何尺寸有关，又与线圈的几何参数、线圈中的激磁电流频率/有关，还与线圈和导体间的距离X有关，因此，可得等效阻抗Z的函数差系式为Z=F（p、r、于x）式中广为线圈与被测体的尺寸因子。以上分析可知，若保持夕,r,/参数不变，而只改变X参数。则Z就仅仅是关于X单值函数。测量出等效阻抗Z,就可实现对位移量X的测量。2 .电涡流的形成范围包括哪些内容？它们的主要特点是什么？答：电涡流的形成范围包括电涡流的径向形成范围、电涡流强度与距离的关系和电涡流的轴向贯穿深度。电涡流的径向形成范围的特点为：金属导体上的电涡流分布在以线圈轴线为同心，以（1.82.5）G为半径的范围之内（公为线圈半径），且分布不均匀。在线圈轴线（即短路环的圆心处）内涡流密度为零。电涡流密度的最大值在r二%附近的一个狭窄区域内。电涡流强度与距离X呈非线性关系。且随着X的增加，电涡流强度迅速减小。当利用电涡流式传感器测量位移时，只有在%=0.050.15的范围内才具有较好的线性度和较富的灵敏度。电涡流的轴向贯穿深度按指数规律分布，即电涡流密度在被测体表面最大，随着深度的增加，按指数规律衰减。3 .电涡流传感器常用测量电路有几种？其测量原理如何？各有什么特点？答：电涡流传感器常用的测量电路有：调频式测量电路和调幅式测量电路二种。调频式测量电路如题图4-11（a）所示，传感器线圈接入LC振荡回路，当传感器与被测导体距离X改变时，在涡流影响下，传感器的电感变化，将导致振荡频率变化，该变化的频率是距离X的函数，即F=-J,该电路输出是频率量，固抗干扰性2%/L/C能较好，但/的表达式中有电容C参数存在，为避免传感器引线的分布电容影响。通常将LC封装在传感器内，此时电缆分布电容并联在大电容上，因而对振荡频率f的影响大大减小。调幅式测量电路如题图411(b)所示，石英晶体振荡器起恒流源作用，给谐振回路提供了一个激励频率(人)稳定的激励电流",由传感器线圈L、电容器C构成一个LC振荡电路，其输出电压UO=i0(z),当金属导体远离电涡流传感器或去掉时，LC并联谐振回路的谐振频率即为石英振荡频率/0,回路呈现的阻抗最大，谐振回路上的输出电压也最大；当金属导体靠近传感器线圈时，线圈的等效电感L发生变化，导致回路失谐而偏离了激励频率，从而使输出电压降低，L的数值随距离X的变化而变化，因此，输出电压也随X而变化。第五章电容式传感器1. 根据工作原理可将电容式传感器分为几种类型？每种类型各有什么特点？各适用于什么场合？答：电容式传感器按工作原理可分为：变极距型电容式传感器，变面积型电容式传感器和变介电常数型电容式传感器三种。C变极距型电容式传感器输出特性为C=，电容C与极间距离相对变l-Jt0化量呈非线性关系，若按台劳级数展开且忽略高次项，则Ag=孚，此时传感器的Codo灵敏度为K=%。,它说明单位输出位移引起输出电容相对变化量与d0呈反比关系，故提高灵敏度与增加测量范围是一对矛盾，所以，该种形式传感器通常用于微位移量测量。变面积型电容式传感器输出特性为AC=-包久空，电容变化量与水平位移aAr呈线性关系，因此它具有允许输入直线位移范围大和灵敏度K为常数的优点，通常用于测量线位移和角位移。变介电常数式电容式传感器结构形式较多，以圆筒电容传感器测量液位为例，经理论推导得到电容C的表达式为C=C0+2成,式中£为被测介质的介LnDd电常数，£为空气介质介电常数，为被测介质液位高度，其输入输出之间为线性关系，变介质型电容式传感器可以用来测量纸张，绝缘薄膜的厚度，也可用来测量粮食、纺织品、木材、煤等非导电固体介质的湿度。2. 如何改善单极式变极距型传感器的非线性？答：单极式变极距型电容传感器的灵敏度K=ld0,非线性误差0=±×100%o为了改善其输出性能，采用差动式结构，由两个定极板和一个do动极板构成两个差动式电容，动极板移动使得一个电容值增加而另一个电容值减少，且变化量的绝对值相等。此时，差动电容式传感器的灵敏度为K'=2/4,非线性误差%=×100%,这说明差动电容式传感器与单极式电容式传感器相比，灵敏d。度提高一倍，而且由于«1,所以，非线性误差也减少很多。3. 题图5-3所示为电容式液位计测量原理图。请为该测量装置设计匹配测量电路，要求输出电压UO与液位力之间呈线性关系。中a=8mm , b=12mm ,两极板间距离为Imm 一块极板在原始位置上平移了5mm后，求该传感器的位移灵敏度K （已知空气相对介电常数£ = 1 Fm,真空时的介电常数 =8.854 X 1（尸2尸/？）o答：己知变面积型平板电容传感器如题图54所示，其中 a = Smtn ， h = 12/7”，d = mm ,则认 _ 1x8.854x10" 8l2xlS 6 7 * * * *d IXlo-3=850.0PFd1 ×8.854× 1012 × 12×(8-5)x 106IXlo-3= 318.7PFC = C0-C, = 531.3PFAC 531.3 r 5= 10635、题图55为电容式传感器的双T电桥测量电路，已知Rl=R2=R=40k,Rl=20k,e=10V,f=1MHz，C0=10pF,C,=10Pf,C1=1pFO求UL的表达式及对应上述已知参数的UL值。解：题图55为电容式传感器的双T电桥测量电将已知数值带入，得路。管V=导若电容式传感器采用变截距型，则c=t'AC=C战代入上式ArA5UCUc°x7.简述差动式电容测厚传感器系统的工作原理。答：差动式电容测厚仪系统组成框图如题图57所示，在被测带材的上下两侧各放置一块面积相等，与被测带材距离相等的极板，这样极板与带材就构成了两个电容器G、C2,把两极板用导线连接起来成为一个极，而被测带材就是电容的另一个极，其总电容为G+c2，测量电路由交流电桥构成，音频信号发生器产生的音频信号，接入变压器7的原边线圈，变压器副边的两个线圈作为测量电桥的两臂，电桥的另外两桥臂由标准电容CO和带材与极板形成的被测电容Ct（C=G+。2）组成。电桥的输出电压经音频放大器放大后整流为直流，再经差动放大，即可由指示电表指示出带材的厚度变化。第六章电压式传感器什么叫正压电效应和逆压电效应？什么叫纵向压电效应和横向压电效应？题图62天然结构 的石英晶体外形1.答：某些电介质，当沿着一定方向对其施力而使它变形时，内部就产生极化现象。同时在它的两个表面上便产生符号相反的电荷，当外力去掉后，又重新恢复到不带电状态，这种现象称为压电效应。当作用力方向改变时，电荷的极性也随之改变，这种把机械能转换为电能的现象，称为“正压电效应”。相反，当在电介质极化方向施加电场，这些电介质也会产生几何变形，这种现象称为“逆压电效应”。石英晶体是一种典型的具有压电效应的电介质，其天然结构的晶体外形是一个正六面体，其中纵向轴Z称为光轴，经过六面体棱线并垂直于光轴的X称为电轴，与X和Z轴同时垂直的轴y称为机械轴，通常把沿电轴X方向的作用下产生电荷的压电效应称为“纵向压电效应”，而把沿机械轴y方向的力作用下产生电荷的压电效应称为“横向压电效应”。2.石英晶体X、y、z、轴的名称及其特点是什么？答：石英晶体化学式为S,。？,是单品结构。题图62（a）表示了天然结构的石英晶体外形，它是一个正六面体。纵向轴Z称为光轴，沿光轴方向的力作用时不产生压电效应。经过六面体棱线并垂直与光轴的X轴称为电轴，与X和Z轴同时垂直的轴y称为机械轴。若石英晶体受到沿X轴方向的作用力时，将会在电轴X的正负方向出现电极性相反的电荷，而在光轴z,机械轴y上不出现电荷。若石英体受到沿y轴方向的作用力时，也将会在电轴X的正负方向上出现极性相反的电荷，而在y轴和Z轴上仍不出现电荷。3.简述压电陶瓷的结构及其特性。答：压电陶瓷是人工制造的多晶体，具有电畴结构。电畴是分子自发形成的区域。有一定的极化方向。经过极化处理的压电陶瓷内部仍存有很强的剩余极化，沿着压电陶瓷极化方向加力时，其极化强度发生变化。引起垂直于极化方向的平面上电荷的变化，这种变化的大小与压电陶瓷的压电系数和作用力大小成正比。4 .画出压电元件的两种等效电路。解：压电元件的等效电路有两种形式。题图64(a)为电压源型等效电路，题图64(b)为电荷源型等效电路。5 .电荷放大器所要解决的核心问题是什么？试推导其输入输出关系。答：电荷放大器所要解决的核心问题是输出电压Uo只取决于输入电荷与反馈电容Cf,与电缆电容CC无关，且与4成正比。其等效电路如题图65所示，图中A为运算放大器开环增益，其输出电压为U=ALC+Cc÷C,.+(l+A)Cz式中C,为压电元件等效电容，ce为连接电缆等效电容，ci为输入等效电容，通常=104-IO8,因此当满足(l+A)C/C,+Cc+C时，上式可写成U0-&Cf由此可见，输出电压UO仅与输入电荷与反馈电容C/有关，而与连接电缆的等效电容无关。6 .简述压电式加速度传感器的工作原理。答：压电式加速度传感器主要由压电元件，质量块，预压弹簧，基座及外壳等组成，整个部件装在外壳内，并由螺栓加以固定。当加速度传感器和被测物一起受到冲击振动时，压电元件受质量块惯性力的作用，即/二加4,此时惯性力作用在压电元件上，因而产生电荷4,当选定传感器后，质量块7为常数，而传感器输出电荷为g=4=4"7以即与加速度。成正比。因此，测得加速度传感器输出电荷4便可知加速度的大小。7 .请利用压电式传感器设计一个测量轴承支座受力情况的装置。略第七章磁电式传感器1. 简述变磁通式和恒磁通式磁电传感器的工作原理。答：变磁通式通常是将齿轮的齿（槽）作为永久磁铁磁路中的一部分。当齿轮转动时，时而齿对齿时而齿对槽形成磁阻的变化，从而引起磁路中磁通的变化，由线圈感应输出电动势，该信号的频率和幅值与齿轮转速成正比。恒磁通式通常是工作线圈（动圈）置于永久磁路的空气隙中，当线圈相对气隙磁场有切割磁力线的运动时，产生感应电动势信号的大小与线圈的直线运动速度成正比。2. 磁电式传感器的误差及其补偿方法是什么？答：磁电式传感器误差主要有非线性误差和温度误差。非线性误差产生的原因是：由于传感器线圈内有电流/流过时，将产生一个附加交变磁场，此交变磁场迭加在永久磁铁所产生的工作磁场上，当线圈运动速度增加时，附加磁场方向与原工作磁场方向相反，减弱了工作磁场的作用，使传感器灵敏度随着被测速度的增大而降低。反之，则产生的附加磁场与工作磁场同向，从而增大了传感器的灵敏度。即线圈运动速度，方向不同时传感器的灵敏度具有不同数值。补偿方法是在传感器中引入补偿线圈，补偿线圈中通以经过放大K倍的电流，适当选择补偿线圈参数，可使其产生的交变磁通与传感器线圈本身所产生的附加交变磁通互相抵消，从而达到补偿的目的。温度误差是由于：当传感器工作温度发生变化时，工作线圈在磁场中长度、电阻值都会随之变化，同时永久磁铁的磁场强度也是温度的函数。补偿方法通常采用热磁分流器，热磁分流器用具有很大负温度系数的特殊磁性材料制成，它在正常工作温度下已将空气隙磁通分路掉一小部分，当温度升高时，热磁分流器的磁导率显著下降，经它分流掉的磁通占总磁通的比例较正常工作温度下显著降低，从而保持空气隙的工作磁通不随温度变化，维持传感器灵敏度为常数。3. 磁电式传感器测量扭矩的工作原理是什么？答：磁电式扭矩传感器工作原理图如题图73所示。在驱动源和负载之间的扭轴两侧安装有齿形圆盘。旁边装有相应的两个磁电传感器。磁电传感器永久磁铁产生的磁力线与齿形圆盘交链，当齿形圆盘旋转时，圆盘齿凸凹引起磁路气隙的变化，于是磁通量也发生变化，在线圈中感应出交流电压，若两传感器采用同一激励源，此时当扭矩作用在扭转轴上时，两磁路传感器输出的感应电压将存在相位差，这个相位差与扭转轴的扭转角成正比，即把扭矩引起的扭转角转换成两磁电式传感器输出电压相位差的电信号。4. 什么是霍尔效应？霍尔电势与哪些因素有关？答：所谓霍尔效应是指置于磁物中的静止截流导体，当它的电流方向与磁场方向不一致时，截流导体上平行与电流和磁场方向上的两个面之间产生电动势的现象。霍尔电势的表达式为U”=K加，即霍尔电势正比于激励电流和磁感应强度，以及霍尔片的灵敏度。霍尔片的灵敏度为,d为霍尔片厚度，由于KH与d成反比关系，通常霍尔片制成薄片状。Rli=p称为霍尔常数，是霍尔材料的电子迁移率与电阻率乘积。5. 影响霍尔元件输出零点的因素有哪些？怎样补偿？答：影响霍尔元件输出零点的因素有：霍尔元件电极安装位置不对称或不在同一等电位面上；半导体材料不均匀造成了电阻率不均匀，或是几何尺寸不均匀；激励电极接触不良造成激励电流不均匀分布。补偿的方法，按线如题图75所示。图中(a),(b),(c)适用于直流激励源供电，(d)用于交流供电情况。6. 温度变化对霍尔元件输出电势有什么影响？如何补偿？答：霍尔元件是采用半导体材料制成的。因此它们的许多参数都具有较大的温度系数。当温度变化时，霍尔元件的载流子浓度，迁移率，电阻率及霍尔系数都将发生变化，从而使霍尔元件产生温度误差。为了减少霍尔元件的温度误差，除选用温度系数题图76恒流温度补偿电路小的元件和采用恒温措施外，从=K”出表达式可看出：由于KH是温度的函数，但如能保证Kh1乘积保持不变。也就抵消了灵敏系数K”随温度变化的影响，从而使霍尔电势保持不变，题图76为补偿电路，电路中人为恒流源，分流电阻与霍尔元件的激励电极相并联。当霍尔元件的输入电阻随温度升高而增加时，旁路分流电阻R1,自动地增大分流，使霍尔元件的激励电流减小，从而达到补偿的目的。7. 试证明霍尔式位移传感器的输出与位移X成正比关系。证明：霍尔式位移传感器中霍尔元件的输出电压为Uh=KHIft测量中保证激励电流/为恒流源，K为常数，且使霍尔元件工作在一个均匀梯度的磁场中，3="Ar则UH=KAx即霍尔传感器输出电压与位移Ar成正比关系。8. 试分析霍尔元件输出接有负载R2时，利用恒压源和输入回路串联电阻R进行温度补偿的条件。解：利用恒压源和输入回路串联电阻R进行温度补偿，且霍尔元件输出端接有电阻Rl时的电路如题图78所示。设传感器工作初始温度为TO,霍尔元件的输入电阻为Ro,串联电阻为RP°,灵敏系数为K,JI11="J"UjoR+RUH=MKgB虽然温度变化了7 O为使霍尔电势保持不变，补偿电路必须满足温升前、后的霍尔电势不变，即U/=Uh,则Kh°Ihqb=Kh3bU.5 = K/ +必 T）*0*0W （1 +您 T）+（1 +必 T）化简得通常电阻R7,的温度系数0远比小，且。/，则上式可写成Rp=2.&p°a'o根据上式选择输入回路串联电阻，可使温度误差减到极小而不影响霍尔元件的其他性能，从而达到温度补偿的目的。实际上，霍尔元件的输出电阻RO也是温度函数，即凡=%(1+必TjRofl温度K）时的输出电阻值。Ro温度T时的输出电阻值。当霍尔元件接有负载电阻RL时，在RL上的电压为u=勺U”（l+必丁）“一4+%（1+必Tj为使负载R1.上的电压不随温度变化，应使"U%7=0即得Rl=R9. 要进行两个电压U、U2乘法运算，若采用霍尔元件作为运算器，请提出设计方案，画出测量系统的原理图。解：测量系统原理图如题图79所示。选择一霍尔灵敏度为K”的霍尔元件，该霍尔元件工作在有线圈人产生的磁场中，则，UH=IlKhBRZ1=B.U1=KlU1Ri+Rp,'线圈4中通以电流（二*，则产生与电流，2成正比的磁感应强度3,该磁感应强度8也与成正比，即8=K2U2则：Uh=KxK2UcU2霍尔元件输出电压是两个电压Ui,U2的乘积，从而达到运算的目的。第八章电光式传感器1 .光电效应有哪几种？相对应的光电器件各有哪些？2 .试述光敏电阻、光敏二极管、光敏晶体管和光电池的工作原理。在实际应用时各有什么特点？3 .光电耦合器分为哪两类？各有什么用途？4 .试述光电开关的工作原理。试拟定光电开关用于自动装配流水线上工件的计数装置检测系统。5 .如何理解电荷耦合器件有“电子自扫描”作用。6 .光在光纤中是怎样传输的？对光纤及入射光的入射角有什么要求？7 .光纤数值孔径NA的物理意义是什么？NA取值大小有什么要求？8 .当光纤的小二1.46,山二1.45,如光纤外部介质的11尸1,求光在光纤内产生全内反射时入射光的最大入射角c的值。4.据图8-37和图8-38,说明半导体光吸收型光纤温度传感器的工作原理。第九章半导体传感器1 .简述气敏元件的工作原理。答：气敏传感器是用来检测气体类别、浓度和成分的，是利用待测气体与半导体气敏传感器表面接触，产生电导率等物理性质变化来检测气体的。2 .为什么多数气敏元件都附有加热器？答：气敏传感器是暴露在各种成分的气体中使用的，由于检测现场存在大量粉尘和油雾，它们会附着在敏感元件表面，使传感器的性能变差。使用加热器可以烧掉附着在表面的尘埃、油雾等，加速气体的吸附，从而提高器件的灵敏度和响应速度，加热器的温度一般控制在200400Co3 .什么叫湿敏电阻？湿敏电阻有哪些类型？各有什么特点？答：湿敏电阻是指传感器感受外界湿度变化，并将其转换成材料离子电导率发生变化的测湿元件。湿敏电阻主要有：1.氯化锂湿敏电阻，其特点是滞后小，不受测试环境风速影响，检测精度可达±5%,但其耐热性差，不能用于露点以下测量，器件性能重复性不理想，使用寿命短。2.半导体陶瓷湿敏电阻，其特点是湿度特性不受环境温度的影响，测湿范围广，在湿度较大的环境中可以长期使用。4 .根据半导体色敏传感器的结构和等效电路，试述其工作原理。答：半导体色敏传感器结构和等效电路如题图94所示。由两只结构不同的光电二极管组合而成，其一是浅结的二极管PN结，另一是深结的光电二极管P+N结，当有入射光照射时，P*、N、P三个区域及其间的势垒区中都有光子吸收，但效果不同，紫外光部分吸收系数大，经过很短距禽已基本吸收完毕。因此，浅结的光电二极管对紫外光的灵敏度较高，而红外部分吸收系数较小，这类波长的光子则主要在深结区被吸收，因此，深结的那只光电二极管对红外光的灵敏度较高。这就是说，在半导体中不同区域对不同波长分别具有不同的灵敏度，将两只结深不同的光电二极管组合，就构成可以测定波长的半导体色敏传感器5 .何谓短路电流比？它与波长的关系如何？答：两只光电二极管短路电流人”/An的值称为短路电流比，是浅结二极管的短路电流，它在短波区较大，Isd2是深结二极管的短路电流，它在长波区较大。6 .根据图9-25,说明用色敏传感器测量光波长（即颜色）的工作原理。答：题图9-6为检测光波长（即颜色）处理电路，它由色敏半导体传感器，两路对数放大器和运算放大器组成。要识别色彩，必须获得两只光电二极管的短路电流比，由于加在二极管两端的电压和流过的电流之间存在着近似对数关系，故选用OPl、OP2与二极管构成对数放大器，此时OPI与OP2的输出电压分别为小右以与归ISm，OPi的输出电压为Uo=C(QnISD2-SSm)=C削产ISDlC为比例常数，从式中可以看出，输出电压Uo正比与八m/八必的对数，经处理后VFUlX/1XI即可得出与输出电压相对应的波长（即颜色）。第十章超声波传感器超声波在介质中传播具有哪些特性？1 .答：超声波是指频率高于2xl()4"Z的机械波。超声波在介质中传播的特性有：超声波的波形：由于声源在介质中施力方向与波在介质中传播方向不同，声波的波形有纵波、横波和表面波；超声波的折射和反射；超声波的衰减。2 .图103中，超声波传感器的吸收块作用是什么？答：题图102中晶体背后的吸收块是起阻尼作用，以降低晶片的机械品质、吸收声能量。当激励电脉冲作用在晶片上，晶片将高频电振动转换为高频机械振动，从而发射超声波，若没有阻尼块，当激励电脉冲信号停止时，