传感器与检测技术 周杏鹏 课后答案

1‐2 自动检测系统通常由几个部分组成?其中对转感器的一般要求是什么? 首先先由各种传感器将非电被测物理或化学成分参量转化成电参量信号，然后经信号调理，数据采集，信号处理后，进行显示，输出，加上系统所需的交，直流稳压电源和必要的输入设备，便构成了一个完整的自动检测系统。 对传感器通常有如下要求:1，准确性 2,稳定性 3，灵敏度 4 其他:如耐腐蚀性，功耗，输出信号形式，体积，售价等。 1‐3 试述信号调理和信号处理的主要功能和区别，并说明信号调理单元和信号处理单元通常由哪些部分组成。 信号调理在检测系统中的作用是对传感器输出的微弱信号进行检波，转换，滤彼，放大等，以便检测系统后续处理或显示。 信号处理模块是自动检测仪表，检测系统进行数据处理和各种控制的中枢环节，其作用和大脑相类似。 信号调理电路通常包括滤波、放大、线性化等环节。 信号处理模块通常以各种型号的嵌入式微控制器、专用高速处理器(D5P)和大规模可编程集成电路，或直接采用工业控制计算机来构建。 2‐1 随机误差，系统误差，粗大误差产生的原因是什么?对测量结果的影响有什么不同?从提高测量准确度看，应如何处理这些误差? 随机误差主要是由于检测仪器或测量过程中某些未知或无法控制的随机因素综合作用的结果。 系统误差产生的原因大体上有:测量所用的仪器木身性能不完善或安装，布置，调整不当;在测量过程中温度，湿度，气压，电磁干扰等环境条件发生变化;测量方法不完善，或者测量所依据的理论本身不完善;操作人员视读方式不当等。 粗大误差一般由外界重大干扰或仪器故障或不正确的操作等引起的。 减小和消除系统误并的方法 1.针对产生系统误差的主要原因采取相应措施 2.采用修止方法减小恒差系统误差 3.采用交叉读书法减小线性系统误差 4.采用半周期法减小周期性系统误差 随机误差的处理 可以用数理统计的方法，对其分布范围做出估计，得到随机影响的不确定度。 粗大误差的处理 拉伊达准则和格拉布斯准则 2‐2 工业仪表常用的精度等级是如何定义的?精度等级与测量误差是什么关系? 人为规定:取最大引用误差百分数的分子作为检测仪器(系统)精度等级的标志，即用最大引 用 误 差 去 掉 正 负 号 的 数 字 来 表 示 精 度 等 级 。 精 度 等 级 常 用 符 号 G 表 示 。0.1,0.2,0.5,1.0,1.5,2.5,5.0 七个等级是我国工业检测仪器(系统)常用精度等级。 检测仪器(系统)的精度等级由生产商根据其最大引用误差的大小并以选大不选小的原则就近套用上述精度等级得到。 2‐3 已知被测电压范围为 0‐5V,现有(满量程)20V .0.5 级和 150V.0.1 级两只电压表，应选用哪只电表进行测量? 两者比较，通常选用 A 表进行测量所产生的测量误差较小。即选用 20V,0.5 级 3.2 什么是仪表的灵敏度和分辨力?两者间存在什么关系? 灵敏度是指测量系统在静态测量时，输出量和输入量的增量之比。 能引起输出量发生变化时输入量的最小变化量称为传感器或检测系统的分辨力。 灵敏度与分辨力关系:传感器的分辨力主要由敏感元件本身特性决定，提高灵敏度的措施，如提高放大倍数以及降低信噪比在一定程度有助于提高系统分辨力，但这种手段的作用在于充分发挥敏感元件的性能，因此其最大效果受限于敏感元件本身，若敏感元件本身分辨力有限，则灵敏度的提高也不会影响传感器的分辨力。(灵敏度大则分辨率小) 3.3 判断线性度的方法有哪几种？哪一种精度最高？那一种精度最低？ 最小二乘法、端基线法、理想线性度法。通常最小二乘法精度最高，理想线性度法精度最低。 3.7 传感器与检测系统静态校准的条件与步骤是什么? 静态标准条件是指没有加速度，振动，冲击(除非这些参数本身就是被测物理量)及环境温度一般为室派(20 士 5) ℃，相对湿度不大于 85%，大气压力为(101 士 7)KPa 的情况。 静态校准的步骤如下:1，根据标准的情况，将传感器或检测仪器全量程(测量范围)分成若干等间距点(一般至少均匀地选择五个以上的校准点，其中应包括起始点和终点); 2，然后由小到大逐一增加输入标准量值，并记录下被校准传感器或检测仪器与标准器相应的输出值; 3，将输入值由大到小逐一减小，同时记录下与各输入值相应的输出值; 4，按 2,3 所述过程，对传感器进行正，反行程往复循环多次测试，将得到的输出‐输入测试数据用表格列出或作出曲线; 5，对测试数据进行必要的处理，根据处理结果就可以确定被校准传感器或检测仪器的线性度，灵敏度，滞后和重复性等静态特性指标。 4.1 什么是金属电阻丝的应变效应和灵敏度系数? 金属材料的电阻相对变化与其线应变成正比。这就是金属材料的应变电阻效应。 Km=(1+2u)+C(1‐2u)为金属电阻丝的应变灵敏度系数，它由两部分组成:前半部分为受力后金属丝几何尺存变化所致，后半部分为因应变而发生的电阻率相对变化。 4.3 试述电阻应变片温度误差的慨念，产生的原因和补偿方法。 由温度变化引起应变计输出变化的现象，称为应变片的温度效应(也称温度误差)。 产生的原因:1,温度变化引起应变片敏感栅电阻变化而产生附加应变; 2,试件材料与敏感材料的线膨胀系数不同，使应变片产生附加应变; 温度补偿:应变片自补偿法;桥路补偿法;热敏电阻补偿法 4.7 拟在一个等截面的悬臂梁上粘贴四个完全相同的电阻应变片，并组成差动全桥电路，试问:四个应变片应如何粘贴?试画出相应的电桥电路图，试说明如何克服温度误差？ 在梁的固定端附近的上下表面顺着梁 L 的方向各粘贴两片应变片。 为了好理解，我解释一下: 就是说从上往下看〔顺着力的方向)，上面有两个并排的应变片，同样下面也有两个并排的应变片。这样，上而受拉时，下而受挤压，两者发生极性相反的等量变化，4 个应变电阻片就组成了全桥电路图在书本 p113 图 4‐65 4.9 电容式传感器的测量电路主要有哪几种?各自特点是什么?使用这些测量电路时应注意哪些问题? 调频电路;调频测量电路具有较高的灵敏度，可以测量 0.01μm 级位移变化量。 运算放大器式电路;运算放大器的输出电压与极板间距离 dx 成线性关系，从而克服了变间隙式电容传感器的非线性问题!运算放大器虽解决了单个变极距式电容传感器的非线性问题，但要求放大器具有足够大的放大倍数，而且输入阻抗很高。 双 T 二极管型电路 (1)电源、传感器电容、负载均可同时在一点接地; (2)二极管 D1,D2 工作于高电平下，因而非线性失真小; (3)其灵敏度与电源频率有关，因此电源频率需要稳定; (4)将 D1,D2,R1R2 安装在 C1,C2 附近能消除电缆寄生电容影响，线路简单; (5)输出电压较高; (6)输出阻抗与电容 C1 和 C2 无关，而仅与 R1,R2 及 RL 有关; (7)输出信号的上升沿时间取决于负载电阻 RL ，可用于动态测量; (8)传感器的频率响应取决于振荡器的频率。 差动脉冲调宽电路;差动脉冲调宽电路不需要载频和附加解调线路，无波形和相移失真，输出信号只需要通过低通滤波器引出，直流信号的极性取决于 C1 和 C2;对变极距和变面积的电容传感器均可获得线性输出。这种脉宽调制线路也便于与传感器做在一起，从而使传输误差和干扰大大减小 4.20 比较差动式自感传感器和差动变压器在结构及工作原哩上的异同之处。 1结构:都有完全对称的铁芯、衔铁和线圈结构。但差动式电感传感器至少只有一对自感线圈，没有原副线圈之分;而差动变压器则至少由一对原线圈和一对副线圈组成，原线圈端需采用激励电源，输出电压自副线圈引出。 2工作原理:相同点是都利用衔铁位置的改变实现差动检测。 不同点差动式电感传感器是通过改变衔铁的位置来改变两个差动线圈磁路的磁阻而使两个差动结构的线圈改变各自的自感系数实现被测量的检测，而差动变压式传感器 则是通过改变衔铁的位置改变两个原副线圈的自感系数来检测相关的物理量。 4.23 电涡流式传感器有何特点?画出应用于测板材厚度的原理框图。 从应用来讲，电涡流式传感器的最大特点是能相对位移，振动，厚度，转速，表而温度，硬度，材料损伤等进行非接触式连续测量，具有结构简单，体积小，灵敏度高，频响范围宽，不受油污等介质影响的特点。 5.1 什么是压阻效应?什么是压阻系数? π表示压阻系数。半导体电阻率随应变所引起的变化称为半导体的压阻效应。 5.2 什么是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？ 某些晶体或多晶陶瓷，当沿着一定方向受到外力作用时，内部就产生极化现象，同时在某两个表面上产生符号相反的电荷;当外力去掉后，又恢复到不带电状态:当作用力方问改变时，电荷的极性也随着改变；晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比。上述现象称为正压电效应。反之，如对晶体施加一定变电场，晶体本身将产生机械变形，外电场撤离，变形也随着消失，称为逆压电效应。 通常把沿电轴 x 方向的力作用下产生的压电效应称为“纵向压电效应”， 而把沿机械轴 Y 方向的力作用下产生的压电效应称为“横向压电效应” 5.3 简述石英体的结构特点，其 X,Y,Z 轴的名称是什么？每个轴分别具有什么特点? 石英晶体是一个正六角形的晶柱。 纵向轴 Z 称为光轴，也称为中性轴，当光线沿此轴通过石英晶体时，无折射; x 轴称为电轴，在垂直于此轴的面上压电效应最强; Y 轴称为机械轴，在电场的作用下，沿该轴方向的机械变形最明显 5.6 简述压电式加速度传感器的结构组成和工作原理 压电式加速度传感器主要由压电原件，质量块，预压弹簧，基座及外壳等组成。 工作原理一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，根据牛顿第二定律，此惯性力是加速度的函数，既 F=ma ，此惯性力与物体质量 m 及加速度 a 成正比，此时力 F 作用在压电元件上，因此而产生电荷 Q ，当传感器一旦确定，则电荷与加速度成正比。因此通过测量电路测得电荷的大小，即可知道加速度的大小。 5.7 什么是光电效应？光电效应有几种?并举例说出与光电效应相对的光电器件的名称。 囚为吸收了光能后转换为该物体中某些电子的能量而产生的电效应就称为光电效应。 光电效应可分为外光电效应，内光电效应和阻挡层光电效应三种类型。 基于外光电效应原理工作的光

电器件有光电和光电倍增管; 基于内光电效应原理工作的光电器件仃光敏电阻和反向偏置工作的光敏二极管和光敏三极管;

基于阻挡层光电效应原理工作的光电器件有光电池

5.10 简述光敏电阻，光敏二极管，光敏晶体管和光电池的工作原理。

光敏电阻——光敏电阻又称为光电管，没有极性，纯粹是一个电阻器件，阻值随光照增加而减小，无光照时，光敏电阻阻值（暗电阻）很大，电路中电流灯（暗电流）很小;当受到一定波长范围的光照时，它的阻值（亮电阻）急剧减小，电路中的电流迅速增大。一般希望暗电阻越大越好，亮电阻越小越好，此时光敏电阻具有高的灵敏度。

光敏二极管——在电路中光敏二极管一般是处于反向工作状态，处于反向偏置的PN 结，在无光照时具有高阻特性，反向暗电流很小。在有光照时，在结电场作用下，电子向N 区运动，空穴向P 区运动，形成光电流，方向与反向电流一致。光的照度愈大，光电流愈大。由于无光照时的反偏电流很小，因此光照时的反向电流基本上与光强成正比。

光电池——光电池是基于光生伏特效应制成的，是自发电式有源器件。它有较大面积的PN结，当光照射在PN 结上时，在结的两端出现电动势。硅和硒是光电池的最常用的材料，在一块N 型硅片上用扩散方法渗入一些P 型杂质，从而形成一个面积PN 结，P 层极薄能使光线穿透到PN 结上。光电池与外电路的连接方式有两种，一种是开路电压输出，开路电压与光照度之间呈非线性关系;另一种是把PN 结的两端通过外导线短接，形成流过外电路的电流，也称为光电池的短路输出电流，其大小与光强成正比;光照度大于1000lx 时呈现饱和特性。

6.2 什么是霍尔效应，霍尔电势与哪些因索有关？一块长为l 宽为b、厚为d 的半导体薄片置于磁感应强度为B 的磁场(磁场方向垂直于薄片)中，当有电流I 流过时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势Un。这种现象称为霍尔效应霍尔电势与霍尔元件的灵敏度KH,控制电流I 和磁感应强度B

6.4 什么是霍尔元件的不等位电势和不等位电阻？分析不等位电势和不等位电阴的关系。

不等位电势——当霍尔元件通以额定激励电流Ib，时，如果所处磁感应强度为零，它的霍尔电势应该为零，但实际不为岑。这时测得的空载电势Uo 称为不等位电势，或者叫零位电势不等位电阻r=Uo/Ih

6.10 简述湿度的定义和表示方法。

湿度是表示大气中水汽含量的物理量，它有两种最常用的表示方法，既绝对湿度和相对涅度。绝对湿度:指单位体积大气中水汽的质最，可用

表达式V=MV/V 表示，单

位为，绝对湿度也可称为水汽

浓度或水汽密度。绝对湿度也

可用水的蒸汽压来表示。待测

空气可视为一种由水蒸汽和

干燥空气组成的二元理想混

合气体，根据道尔顿分压定律

和理想气体状态方程，空气的

水汽密度ρV 表示为:

相对湿度:指某一被测气体的

绝对湿度ρV 与在同一温度

T 下水蒸汽已达到饱和的气

体的绝对湿度ρw 之比，常

用“%RH”表示，这是一个

无量纲的值。

6.12 气敏元件的工作原理

是什么?

半导体气敏传感器是利用待

测气体与半导体〔主要是金属

氧化物)表面接触时产生的电

导率等物性的变化来检测气

体。

6.13 气敏元件用的元件的

加热器的作用是什么?

加热器用以将附着在敏感元

件表面上的尘埃，油雾等烧

掉，加速气体的吸附，从而提

高器件的灵敏度和响应速度。

8.3 弹簧管压力计的测压原

埋是什么?试述弹簧管压力计

的主要组成及测压过程。

1—弹簧管;2—扇形齿轮;3—拉

杆:4—底座;5—中心齿轮:6—

游丝;7—表盘;8—指针;9—接

头;10—弹簧管横截面;11—调节

开口槽

被测压力由接口引入，迫使弹

簧管1 的自山端B 产生弹

性变形，拉杆3 带动扇形齿

轮2逆时针偏转并使与其啮

合的中心齿轮5顺时针偏转，

与中心齿轮5同轴的抬针8

将同步偏转，在表盘7 的刻

度标尺上指出被测压力p

的数值，弹簧管压力计的刻度

标尺是线性的。

扇形齿轮2 的一端有调节

开口槽11,通过调整螺钉可

以改变拉杆 3 与扇形齿轮

2 的结合点位置，从而可.以

改变传动机构的传动比，调整

仪表的量程。游丝6 一端与

中心轮5 连接，另一端固定

在底座4 上，用以消除扇形

齿轮与中心齿轮之间的啮合

间隙，减小测最误差。直接改

变指针8 套在转动轴上的

角度，可以调整弹簧压力计的

示值零点。

8.4 提高弹簧管压力计灵敏

度有哪些途径？为提高测压

灵敏度，可以采用多圈弹簧管

8.7 简述测压仪表的选择原

则。

1、类型选择

要考虑被测介质的物理、化学

性质(如温度高低、粘度大小、

腐蚀性、易燃易爆性能等)，

以选择相应的仪表。要根据生

产工艺对压力仪表的要求和

用途，选择压力仪表。要考虑

压力仪表使用现场环境条件。

还要考虑被测压力的种类(压

力、负压、绝对压力、差压等)、

变化快慢等情况，选择压力仪

表。

2、量程选择

压力仪表的量程要根据被测

压力的大小及在测量过程中

被测压力变化的情况等条件

来选取，为保证测压仪表安全

可靠地工作，选择量程时必须

留有足够的余地。测量稳定压

力时，正常操作压力应小于满

量程的2/3；测量脉动压力

时，正常操作压力应小于满量.

程的1/2;测量高压时，下常操

作压力应小于满一最程的

3/5。被测压力的最小值，不

应低于满量程的1/3。量程系

列:(1、1,6、 2.5、

4.6)*10^nMPa 其中n 为

正或负整数。

3.精度等级选择

压力检测仪表的精度等级应

根据生产过程对压力测量所

允许的最大误差。

选择时应坚持经济的原则，在

能满足生产要求的条件下，不

应追求使用过高精度的仪表:

8.8 如果被测压力变化范围

为0.5~1.4MPa，要求被测

误差不大于压力示值的±5%，

可供选择的压力变化表量程

规格为0~1.6、0~2.5、

0~4MPa，精度等级有1.0、

1.5、

2.5 三种。试选择合适

的量程和精度仪表。

解:由题意知，被测对象的压力

比较稳定，设弹簧管压力表的

量程为A，则根据最大工作压

力有:A>1.4÷2/3=2.1MPa

根据最小工作压力有: A<0.5

÷1/3=1.5MPa

故根据仪表的量程系列，可选

用量程范围为0~1。0MPa

的弹簧管压力表。

由题意，被测压力允许的最大

绝对误差为:

△max=0.4×5%=0.02MPa

仪表精度等级的选取应使得

其最大引用误差不超过允许

测量误差。对于测量范围

0~1.0MPa的压力表，其最大

引用误差为:γ=±0.02MPa×

100%/1.0MPa.=±2%

故应选取1.6 级的压力表

8.11 要实现准确的压力测量

需要注意那些环节?

要保证压力测量准确，只是压

力仪表本身准确是不够的，系

统安装的正确与否也有很大

的影响。应根据被测介质，管

路和环境条件，选择适当的取

压点，正确安装引压管和测最

仪表。

9.4 温度的测量方法有哪两

大类？各自有什么特点？

根据传感器的测温方式，温度

基本测量方法通常可分成接

触式和非接触式两大类。接触

式温度测量的特点是感温元

件直接与被测对象相接触。两

者进行充分的热交换，最后达

到热平衡，此时感温元件的温

度与被测对象的温度必然相

等，温度计就可根据此测出被

测对象的温度。非接触式温度

测量特点是感温元件不与被

测对象直接接触。而是通过接

受被测物体的热辐射能来实

现热交换，据此测出被测对象

的温度。

9.6 试述双金属流度计工作

原理和适用场合。

基于固体受热膨胀原理，测量

温度通常是把两片线膨胀系

数差异相对很大的金属片叠

焊在一起，构成双金属片感温

元件(俗称双金属温度计)。当

温度变化时，因双金属片的两

种不同材料线膨胀系数差异

相对很大而产生不同的膨胀

和收缩，导致双金属片产生弯

曲变形。双金属温度计原理图

如图所示

适用的场合:

双金属温度计的感温双金属

元件的形状有平面螺旋型和

直线螺旋型两大类，其测量范

围大致为‐80℃——600℃,精

度等级通常为1.5 级左右

9.8 热电阻在应用的过程中有

哪些典型的引线方式?试对各种

引线方式做比较。热电阻的外引

线有两线制、三线制及四线制三

种，如图9‐4 所示。比较——

两线制热电阻配线简单，安装费

用低，但要带进引线电阻的附加

误差。因此，不适用于A 级。

并且在适用时引线及导线都不

宜过长。三线制的测量电桥，可

以消除内引线电阻的影响，测量

精度高于两线制。目前三线制在

工业检测中应用最广，而且，在

测温范围窄或导线长或导线途

中温度易发生变化的场合必须.

考虑采用三线制。在高精度测量

时，通常采用四线制热电欧姆表

测最法。

9.9 用R 型热电偶测某高炉

温度时，测得参比端温度

t1=25℃,测得测量端和参比端

间的热电动势E(t，

25℃)=11.304mv,试求实际炉

温?

解：由K 型分度表查得

E(25,0)=1.0002mV，由式（6‐

11）可得到:E(t,0)=E(t，

t1)+E(t1,0)=11.304+1.0002

=12.3042mV再查K 型分度

表，由12.3042mV 查得到实

际沪温303℃。