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1、传感器作业57培训资料传感器作业(5-7)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？答：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。电感式传感器种类：自感式、差动式、互感式、涡流式。自感式结构简单、测量范围小、非线性误差大；互感式结构复杂、测量范围较大、有零点残余电压；涡流式可以进行非接触测量、但对象必须是金属材料。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。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，将铁芯处于中间位置时，最小不为零

2、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：串联电阻；并联电阻、电容，消除基波分量的相位差异，减小谐波分量；加反馈支路，初、次级间加入反馈，减小谐波分量；相敏检波电路对零点残余误差有很好的抑制作用。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？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

3、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、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。6.6 什么是霍尔效应？霍尔元件不等位电势产生的原因有哪些？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。霍尔电势不为零的原因是，霍尔引出电极安装不对称，不在同一等电位面上；激励电极接触不良，半导体材料不均匀造成电阻率不均匀等原因。6.7 某一霍尔元件尺寸为，,，沿方向通以电流，在垂直于和的方向加有均匀磁场，灵敏度为，试求输出霍尔电势及载流子浓度。解：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。答：霍尔元件具有

5、体积小、外围电路简单、动态特性好、灵敏度高、频带宽等许多优点，在霍尔元件确定后，可以通过测量电压、电流、磁场来检测非电量，如力、压力、应变、振动、加速度等等，所以霍尔元件应用有三种方式：激励电流不变，霍尔电势正比于磁场强度，可进行位移、加速度、转速测量。激励电流与磁场强度都为变量，传感器输出与两者乘积成正比，可测量乘法运算的物理量，如功率。磁场强度不变时，传感器输出正比于激励电流，可检测与电流有关的物理量，并可直接测量电流。磁敏电阻与霍尔元件属同一类，都是磁电转换元件，两者本质不同是磁敏电阻没有判断极性的能力，只有与辅助材料(磁钢)并用才具有识别磁极的能力。磁敏二极管可用来检测交直流磁场，特别

6、是弱磁场。可用作无触点开关、作箱位电流计、对高压线不断线测电流、小量程高斯计、漏磁仪、磁力探伤仪等设备装置。磁敏三极管具有较好的磁灵敏度，主要应用于磁场测量，特别适于10-6T以下的弱磁场测量，不仅可测量磁场的大小，还可测出磁场方向；电流测量。特别是大电流不断线地检测和保护；制作无触点开关和电位器，如计算机无触点电键、机床接近开关等；漏磁探伤及位移、转速、流量、压力、速度等各种工业控制中参数测量。7.2 石英晶体和压电陶瓷的压电效应有何不同之处？为什么说PZT压电陶瓷是优能的压电元件？比较几种常用压电材料的优缺点，说出各自适用于什么场合？答：1）石英晶体整个晶体是中性的，受外力作用而变形时没有

7、体积变形压电效应，但它具有良好的厚度变形和长度变形压电效应。压电陶瓷PZT是一种多晶铁电体，原始的压电陶瓷材料并不具有压电性，必须在一定温度下做极化处理后，留下了很强的剩余极化强度，才能使其呈现出压电特性。2）比较石英晶体、，压电陶瓷的纵向压电常数大的多，是它们的上百倍。所以压电陶瓷制作的传感器灵敏度高。常用的优能压电陶瓷是锆钛酸铅（PZT），它具有很高的介电常数，工作温度可达250。7.4 压电元件在使用时常采用多片串联或并联的结构形式。试述在不同接法下输出电压、电荷、电容的关系，它们分别适用于何种应用场合？答：1）在压电式传感器中，为了提高灵敏度，往往采用多片压电芯片构成一个压电组件。其中

8、最常用的是两片结构；根据两片压电片的连接关系，可分为串联和并联连接。2）如果按相同极性粘贴，相当两个压电片（电容）串联。输出总电容为单片电容的一半，输出电荷与单片电荷相等，输出电压是单片的两倍；适合测量变化较快且以电压输出的场合；若按不同极性粘贴，相当两个压电片（电容）并联，输出电容为单电容的两倍，极板上电荷量是单片的两倍，但输出电压与单片相等，适合测量变化较慢且以电荷输出的场合。7.6 己知电压前置放大器输人电阻及总电容分别为Ri=100M，Ci=100pF，求与压电加速度计相配，测100Hz振动时幅值误差是多少？解：实际输入电压幅值和理想输入电压幅值分别为： 相对误差为：=1.2%7.8

9、一压电加速度计，供它专用电缆的长度为，电缆电容为，压电片本身电容为。出厂标定电压灵敏度为，若使用中改用另一根长电缆，其电容量为，问其电压灵敏度如何改变？解：因Ci很小，忽略前置放大电路的输入电容，可得压电加速度计电压灵敏度为当电缆由为换成后，电压灵敏度将变为可见电缆加长后电压灵敏度下降。8.1 什么是内光电效应？什么是外光电效应？说明其工作原理并指出相应的典型光电器件。答：当用光照射物体时，物体受到一连串具有能量的光子的轰击，于是物体材料中的电子吸收光子能量而发生相应的电效应（如电阻率变化、发射电子或产生电动势等）。这种现象称为光电效应。1）当光线照在物体上,使物体的电导率发生变化，或产生光生

10、电动势的现象叫做内光电效应，内光电效应又分为光电导效应和光生伏特效应。入射光强改变物质导电率的物理现象称光电导效应，典型的光电器件有光敏电阻；光照时物体中能产生一定方向电动势的现象叫光生伏特效应，光电池、光敏晶体管。2）在光线作用下，物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象称为外光电效应，典型的光电器件有光电管、光电倍增管。8.4 什么是光敏电阻的亮电阻和暗电阻？暗电阻电阻值通常在什么范围？答：暗电阻，光敏电阻无光照时的电阻为暗电阻，暗电阻电阻值范围一般为0.5200M；亮电阻、光敏电阻受光照时的电阻称亮电阻，亮电阻的阻值一般为0.520K。8.8 何为光电池的开路电压及短路电流？为什么作为检测

11、元件时要采用短路电流输出形式，作为电压源使用时采用开路电压输出形式？答：1）开路电压是指光电池外接负载非常大接近于开路时的电压，短路电流是指外接负载电阻相对于光电池内阻很小时的光电流值。2）短路电流曲线在很大范围内与光照度成线性关系，因此光电池作为检测元件使用时，一般不作电压源使用，而作为电流源的形式应用。而开路电压与光照度关系在照度为2000lx以上趋于饱和呈非线性关系，因此适于作电压源使用。8.9 光电池的结构特征是什么？它如何工作的？答：1）光电池的结构是一个大面积的P-N结，上电极为栅状受光电极，栅状电极下涂有抗反射膜，用以增加透光减小反射，下电极是一层铝衬底。2）当光照射在P-N结上

12、时，若光子能量大于半导体材料的禁带宽度，则产生电子-空穴对，光生的电子-空穴对迅速扩散，在P-N结电场作用下，空穴移向P区，电子移向N区，形成一个与光照强度有关的电动势8.10采用波长为0.80.9的红外光源时，宜采用哪种材料的光电器件做检测元件？为什么？答：1）采用波长为0.80.9的红外光源时，宜采硅光电池或硅光敏管，其光谱响应峰值在0.8附近，波长范围在0.41.2。2）其中硅光电池适于接受红外光，可以在较宽的波长范围内应用。8.15光电传感器控制电路如图8-53所示，试分析电路工作原理： GP-IS01是什么器件，内部由哪两种器件组成？ 当用物体遮挡光路时，发光二极管LED有什么变化？

13、 R1是什么电阻，在电路中起到什么作用？如果VD二极管的最大额定电流为60mA， R1应该如何选择？ 如果GP-IS01中的VD二极管反向连接，电路状态如何？晶体管VT 、LED如何变化？答：1）GP-IS01是光电开关器件，内部由发光二极管和光敏晶体管组成；2）当用物体遮挡光路时，Vg无光电流，VT截止，发光二极管LED不发光；3）R1是限流电阻，在电路中可起到保护发光二极管VD的作用；如果VD二极管的最大额定电流为60mA，由于RI =（12V-0.7）/0.06 = 188，RI可选择大于或等于200电阻。4）如果GP-IS01中的VD二极管反向连接，VD将不发光，Vg无光电流，VT截止

14、，发光二极管LED不发光；物体遮挡，电路无状态变化。8.16 光栅传感器的基本原理是什么？莫尔条纹是如何形成的？有何特点？分析光栅传感器具有较高测量精度的原因。答：光栅传感器是根据莫尔条纹制成的一种计量光栅，它由光源、透镜、光栅副和光电接收元件组成。当标尺光栅相对于指示光栅移动时，形成亮暗交替变化的莫尔条纹，利用光电元件将莫尔条纹亮暗变化的光信号，转换成电脉冲信号，并用数字显示，从而测量出标尺光栅的移动距离。把光栅常数相等的主光栅和指示光栅相对重合在一起，并使两者栅线之间保持很小的夹角，于是在近于垂直栅线的方向上出现明暗相间的条纹，即形成莫尔条纹。莫尔条纹的特点：莫尔条纹间距对光栅栅距具有放大

15、作用；莫尔条纹对光栅栅距局部误差具有误差平均效应，莫尔条纹的大栅线对光栅的刻线误差有平均作用。由于莫尔条纹能把一个微小的位移量的测量转变成一个较大位移量的测量，并且刻线的局部误差和周期误差对测量精度没有直接的影响，另外，莫尔条纹的光强变化近似正弦变化，便于进一步细分，从而得到比光栅本身的刻线精度高的测量精度。12.1 什么是热电效应？热电偶测温回路的热电动势由哪两部分组成？由同一种导体组成的闭合回路能产生热电势吗？答：1）两种不同类型的金属导体两端分别接在一起构成闭合回路，当两个结点有温差时，导体回路里有电流流动会产生热电势，这种现象称为热电效应。2）热电偶测温回路中热电势主要是由接触电势和温

16、差电势两部分组成。3）热电偶两个电极材料相同时，无论两端点温度如何变化无热电势产生。12.2 为什么热电偶的参比端在实际应用中很重要？对参比端温度处理有哪些方法？答：1）因为热电偶的参比端的温度不同热电势就不同，并且热电偶的分度表均是以参考端T0 =0为标准的，而实际应用的热电偶参考端往往T00，一般为高于零度的某个数值，要想获得被测的真实温度，就必须对检测的热电势值进行修正，由此可见，热电偶的参比端在实际应用中是很重要的。2）参比端的温度处理方法主要有：恒温法，可通过补偿导线将参比端延长，然后置于0的冰点槽内；补偿电桥法，利用热电阻构成的直流不平衡电桥产生的电势来补偿热电偶参比端温度变化而引

17、起的热电势的变化；计算修正法，当参比端温度不为0是，根据中间温度定律，通过计算修正得到相当于参比端为0的真正电势。12.3 什么是中间导体定律?答：中间导体定律是指当热电偶回路接入第三种导体C时，只要C导体与热电极的两个结点处于同一温度，则中间导体C对回路的总电势没有影响。 12.4 试比较热电偶、热电阻、热敏电阻三种热电式传感器的特点。答：热电偶、热电阻、热敏电阻三种热电式传感器特点如下：热电偶测温范围宽，可以测量上千度高温，并且精度高、性能好，但其热电势较低。热电阻结构很简单，金属热电阻材料多为纯铂金属丝，也有铜、镍金属。金属热电阻精度高，稳定性较好，测温范围较宽，但阻值较小。热敏电阻由半

18、导体材料制成，外形大小与电阻的功率有关，差别较大。热敏电阻灵敏度高，但测温范围较窄，线性较差。12.6 某热电偶的热电势在E(600,0)时，输出E=5.257 mV，若冷端温度为0时，测某炉温输出热电势E=5.267 mV。试求该加热炉实际温度是多少？解：热电偶灵敏度为：K = 5.257 /600 = 0.008762 mV/该加热炉实际温度是：T= E/K = 5.267 /0.008762 = 601.1412.8 用分度号为K型镍铬-镍硅热电偶测温度，在未采用冷端温度补偿的情况下，仪表显示500，此时冷端为60。试问实际测量温度为多少度？若热端温度不变，设法使冷端温度保持在20，此时

19、显示仪表指示多少度？解：(1) 由K型热电偶分度表可得：EAB(500，0)=20.64mV, EAB(60，0)=2.436mV则由中间温度定律可求得: EAB(500，60)= EAB(500，0)- EAB(60，0)=20.64-2.436 =18.204mV 由于EAB(440，0)=18.088mV, EAB(450，0)=18.513mV于是可得实际温度应为 (2)如果热端温度不变,冷端保持20,由于EAB(20，0)=0.798mV，则EAB(T，20)= EAB(T，20)+ EAB(20，0)=18.204+0.798 =19.002mV 查表可知EAB(460，0)=18

20、.938mV, EAB(470，0)=19.363mV则仪表显示温度为 12.9 什么是集成温度传感器？P-N结为什么可以用来作为温敏元件？答：1）集成温度传感器是将温敏晶体管及其辅助电路集成在同一芯片的集成化温度传感器。2）由于P-N结正向电压与绝对温度有关，当温度升高时，P-N结正向电压下降，当电流恒定时，它们之间呈显很好的线性关系，因此，P-N结可以用来作为温敏元件。12.12 DS18B20智能型温度传感器与集成温度传感器AD590的工作原理和输出信号有什么不同？如何用DS18B20实现多点测温的？答：1）DS18B20智能型温度传感器是将温度系数通过振荡器转换为频率信号，相当于T/f（温度 频率）转换器，将被测温度T转换成频率信号f，输出为数字信号；AD590是利用P-N结电压随温度的变化进行测温，输出为模拟电流信号。2）DS18B20支持多点组网功能，多个DS18B20可并联在同一条总线上实现多点测温；使用中不需要任何外围器件，测量结果以9位数字量方式串行传送。