传感器技术实验及实训QY-812G

1-1衡量传感器静态特性的主要指标。说明含义。
1、线性度——表征传感器输出-输入校准曲线与所选定的拟合直线之间的吻合（或偏离）程度的指标。
2、回差（滞后）—反应传感器在正（输入量增大）反（输入量减小）行程过程中输出-输入曲线的不重合程度。
3、重复性——衡量传感器在同一工作条件下，输入量按同一方向作全量程连续多次变动时，所得特性曲线间一致程度。各条特性曲线越靠近，重复性越好。
4、灵敏度——传感器输出量增量与被测输入量增量之比。
5、分辨力——传感器在规定测量范围内所能检测出的被测输入量的最小变化量。
6、阀值——使传感器输出端产生可测变化量的最小被测输入量值，即零位附近的分辨力。
7、稳定性——即传感器在相当长时间内仍保持其性能的能力。
8、漂移——在一定时间间隔内，传感器输出量存在着与被测输入量无关的、不需要的变化。
9、静态误差（精度）——传感器在满量程内任一点输出值相对理论值的可能偏离（逼近）程度。
1-2计算传感器线性度的方法，差别。
1、理论直线法：以传感器的理论特性线作为拟合直线，与实际测试值无关。
2、端点直线法：以传感器校准曲线两端点间的连线作为拟合直线。
3、“最佳直线”法：以“最佳直线”作为拟合直线，该直线能保证传感器正反行程校准曲线对它的正负偏差相等并且最小。这种方法的拟合精度最高。
4、最小二乘法：按最小二乘原理求取拟合直线，该直线能保证传感器校准数据的残差平方和最小。
1-3什么是传感器的静态特性和动态特性？为什么要分静和动？
（1）静态特性：表示传感器在被测输入量各个值处于稳定状态时的输出-输入关系。
动态特性：反映传感器对于随时间变化的输入量的响应特性。
（2）由于传感器可能用来检测静态量（即输入量是不随时间变化的常量）、准静态量或动态量（即输入量是随时间变化的变量），于是对应于输入信号的性质，所以传感器的特性分为静态特性和动态特性。
1—4 传感器有哪些组成部分？在检测过程中各起什么作用？
答：传感器通常由敏感元件、传感元件及测量转换电路三部分组成。
各部分在检测过程中所起作用是：敏感元件是在传感器中直接感受被测量，并输出与被测量成一定联系的另一物理量的元件，如电阻式传感器中的弹性敏感元件可将力转换为位移。传感元件是能将敏感元件的输出量转换为适于传输和测量的电参量的元件，如应变片可将应变转换为电阻量。测量转换电路可将传感元件输出的电参量转换成易于处理的电量信号。
1-5传感器有哪些分类方法？各有哪些传感器？
答：按工作原理分有参量传感器、发电传感器、数字传感器和特殊传感器；按被测量性质分有机械量传感器、热工量传感器、成分量传感器、状态量传感器、探伤传感器等；按输出量形类分有模拟式、数字式和开关式；按传感器的结构分有直接式传感器、差分式传感器和补偿式传感器。
1-6 测量误差是如何分类的？
答：按表示方法分有绝对误差和相对误差；按误差出现的规律分有系统误差、随机误差和粗大误差按误差来源分有工具误差和方法误差按被测量随时间变化的速度分有静态误差和动态误差按使用条件分有基本误差和附加误差按误差与被测量的关系分有定值误差和积累误差。
1-7 弹性敏感元件在传感器中起什么作用？
答：弹性敏感元件在传感器技术中占有很重要的地位，是检测系统的基本元件，它能直接感受被测物理量（如力、位移、速度、压力等）的变化，进而将其转化为本身的应变或位移，然后再由各种不同形式的传感元件将这些量变换成电量。
1-8. 弹性敏感元件有哪几种基本形式？各有什么用途和特点？
答：弹性敏感元件形式上基本分成两大类，即将力变换成应变或位移的变换力的弹性敏感元件和将压力变换成应变或位移的变换压力的弹性敏感元件。
变换力的弹性敏感元件通常有等截面轴、环状弹性敏感元件、悬臂梁和扭转轴等。实心等截面轴在力的作用下其位移很小，因此常用它的应变作为输出量。它的主要优点是结构简单、加工方便、测量范围宽、可承受极大的载荷、缺点是灵敏度低。空心圆柱体的灵敏度相对实心轴要高许多，在同样的截面积下，轴的直径可加大数倍，这样可提高轴的抗弯能力，但其过载能力相对弱，载荷较大时会产生较明显的桶形形变，使输出应变复杂而影响精度。环状敏感元件一般为等截面圆环结构，圆环受力后容易变形，所以它的灵敏度较高，多用于测量较小的力，缺点是圆环加工困难，环的各个部位的应变及应力都不相等。悬臂梁的特点是结构简单，易于加工，输出位移(或应变)大，灵敏度高，所以常用于较小力的测量。扭转轴式弹性敏感元件用于测量力矩和转矩。
变换压力的弹性敏感元件通常有弹簧管、波纹管、等截面薄板、波纹膜片和膜盒、薄壁圆筒和薄壁半球等。弹簧管可以把压力变换成位移，且弹簧管的自由端的位移量、中心角的变化量与压力p成正比，其刚度较大，灵敏度较小，但过载能力强，常用于测量较大压力。波纹管的线性特性易被破坏，因此它主要用于测量较小压力或压差测量中。

Z-1 分析改善传感器性能的技术途径和措施。
（1）结构、材料与参数的合理选择（2）差动技术（3）平均技术（4）稳定性处理（5）屏蔽、隔离与干扰抑制
（6）零示法、微差法与闭环技术（7）补偿、校正与“有源化”（8）集成化、智能化与信息融合
2-1 金属应变计与半导体工作机理的异同？比较应变计各种灵敏系数概念的不同意义。
（1）相同点：它们都是在外界力作用下产生机械变形，从而导致材料的电阻发生变化所；不同点：金属材料的应变效应以机械形变为主，材料的电阻率相对变化为辅；而半导体材料则正好相反，其应变效应以机械形变导致的电阻率的相对变化为主，而机械形变为辅。
（2）对于金属材料，灵敏系数Ko=Km=(1+2μ)+C(1-2μ)。前部分为受力后金属几何尺寸变化，一般μ≈0.3，因此（1+2μ）=1.6；后部分为电阻率随应变而变的部分。金属丝材的应变电阻效应以结构尺寸变化为主。
对于半导体材料，灵敏系数Ko=Ks=(1+2μ)+ πE。前部分同样为尺寸变化，后部分为半导体材料的压阻效应所致，而πE 》(1+2μ)，因此Ko=Ks=πE。半导体材料的应变电阻效应主要基于压阻效应。
2-3 简述电阻应变计产生热输出（温度误差）的原因及其补偿办法。
电阻应变计的温度效应及其热输出由两部分组成：前部分为热阻效应所造成；后部分为敏感栅与试件热膨胀失配所引起。在工作温度变化较大时，会产生温度误差。
补偿办法：1、温度自补偿法（1）单丝自补偿应变计(2) 双丝自补偿应变计
2、桥路补偿法（1）双丝半桥式（2）补偿块法
2-4 试述应变电桥产生非线性的原因及消减非线性误差的措施。
原因：

上式分母中含ΔRi/Ri，是造成输出量的非线性因素。无论是输出电压还是电流，实际上都与ΔRi/Ri呈非线性关系。
措施：(1) 差动电桥补偿法
差动电桥呈现相对臂“和”，相邻臂“差”的特征，通过应变计合理布片达到补偿目的。常用的有半桥差动电路和全桥差动电路。
(2) 恒流源补偿法
误差主要由于应变电阻ΔRi的变化引起工作臂电流的变化所致。采用恒流源，可减小误差。
2-5 如何用电阻应变计构成应变式传感器？对其各组成部分有何要求？
一是作为敏感元件，直接用于被测试件的应变测量；另一是作为转换元件，通过弹性敏感元件构成传感器，用以对任何能转变成弹性元件应变的其他物理量作间接测量。
要求：非线性误差要小（<0.05%~0.1%F.S），力学性能参数受环境温度影响小，并与弹性元件匹配。
2-9 四臂平衡差动电桥。说明为什么采用。
全桥差动电路，R1,R3受拉，R2,R4受压，代入，得

由全等桥臂，得

可见输出电压Uo与ΔRi/Ri成严格的线性关系，没有非线性误差。即Uo=f(ΔR/R)。
因为四臂差动工作，不仅消除了飞线性误差，而且输出比单臂工作提高了4倍，故常采用此方法。
2-10 何谓电阻式传感器？它主要分成哪几种？
答：电阻式传感器是将被测量转换成电阻值，再经相应测量电路处理后，在显示器记录仪上显示或记录被测量的变化状态的一种传感器。主要有电阻应变式、压阻式、热电阻、热敏电阻、气敏电阻及湿敏电阻等电阻式传感器。
2-11 什么是电阻应变效应？
答：导体或半导体材料在外力作用下产生机械变形（拉伸或压缩）时，其电阻值也随之发生相应的变化，这种现象即为电阻应变效应。
2-12 试比较金属丝电阻应变片与半导体应变片的特点。
答：金属丝式应变片的蠕变较大，金属丝易脱胶，但其价格便宜，多用于应变、应力的一次性试验。
半导体应变片是用半导体材料作敏感栅而制成的。当它受力时，电阻率随应力的变化而变化。它的主要优点是灵敏度高（灵敏度比丝式、箔式大几十倍），横向效应小。主要缺点是灵敏度的热稳定性差、电阻与应变间非线性严重。在使用时，需采用温度补偿及非线性补偿等措施。
2-13. 热电阻传感器有哪几种？各有何特点及用途？
答：热电阻可分为金属热电阻和半导体热电阻两类。前者称为热电阻，后者称为热敏电阻。以热电阻或热敏电阻为主要器件制成的传感器称为热电阻传感器或热敏电阻传感器。
热电阻传感器主要是利用电阻随温度变化而变化这一特性来测量温度的。其主要优点是：测量精度高；有较大的测量范围，尤其在低温方面；易于使用在自动测量和远距离测量中。热电阻传感器之所以有较高的测量精度，主要是一些材料的电阻温度特性稳定，复现性好。
热敏电阻按其对温度的不同反应可分为负温度系数热敏电阻（NTC）、正温度系数热敏电阻（PTC）和临界温度系数热敏电阻（CTR）三类，CTR一般也是负温度系数，但与NTC不同的是，在某一温度范围内，电阻值会发生急剧变化。这三类热敏电阻的电阻率ρ与温度t之间的相互关系均为非线性。 NTC热敏电阻主要用于温度测量和补偿，测温范围一般为-50_{350℃，也可用于低温测量（-130℃}0℃）、中温测量（150℃~750℃），甚至更高温度，测量温度范围根据制造时的材料不同而不同。PTC热敏电阻既可作为温度敏感元件，又可在电子线路中起限流、保护作用。CTR热敏电阻主要用作温度开关。
2-14 简要说明气敏、湿敏电阻传感器的工作原理，并举例说明其用途。
答：气敏传感器，是利用半导体气敏元件同被测气体接触后，造成半导体性质的变化，以此来检测待定气体的成分或浓度的传感器的总称。实际测量时，可用气敏传感器把各种气体的成分或浓度等参数转换成电阻、电压或电流的变化量，并通过相应测量电路在终端仪器上显示。它的传感元件是气敏电阻，这是一种用金属氧化物（如氧化锡SnO2、氧化锌ZnO或Fe2O3等）的粉末材料并添加小量催化剂及添加剂，按一定配比烧结而成的半导体器件。气敏传感器可测量还原性气体和测量氧气浓度的两大类，例如石油蒸汽、酒精蒸汽、甲烷、乙烷、煤气、天然气、氢气等。
湿敏电阻传感器是利用材料的电气性能或机械性能随湿度而变化的原理制成的。它能把湿度的变化转化成电阻的变化，它的传感元件是湿敏电阻。湿敏电阻传感器的应用很广，例如，大规模集成电路生产车间，当其相对湿度低于30%RH时，容易产生静电而影响生产；一些粉尘大的车间，当湿度小而产生静电时，容易产生爆炸；许多储物仓库(如存放烟草、茶叶和中药材等)在湿度超过某一程度时，物品易发生变质或霉变现象；居室的湿度希望适中；而纺织厂要求车间的湿度保持在60%RH~75%RH；在农业生产中的温室育苗、食用菌培养、水果保鲜等都需要对湿度进行检测和控制。
3-1 比较差动式自感传感器和差动变压器在结构上及工作原理上的异同。
绝大多数自感式传感器都运用与电阻差动式类似的技术来改善性能，由两单一式结构对称组合，构成差动式自感传感器。
采用差动式结构，除了可以改善非线性、提高灵敏度外，对电源电压与频率的波动及温度变化等外界影响也有补偿作用，从而提高了传感器的稳定性。
互感式传感器是一种线圈互感随衔铁位移变化的变磁阻式传感器，初、次级间的互感随衔铁移动而变，且两个次级绕组按差动方式工作，因此又称为差动变压器。
3-4 变间隙式、变截面式和螺旋式三种电感式传感器各适合用于什么场合？各有什么优缺点？
变气隙式灵敏度较高，但测量范围小，一般用于测量几微米到几百微米的位移。
变面积式灵敏度较低，但线性范围较大，除E型与四极型外，还常做成八极、十六极型，一般可分辨零点几角秒以下的微小角位移，线性范围达±10°.
螺管式可测量几纳米到一米的位移，但灵敏度较前两种低。
3-5螺管式电感传感器做成细长形有什么好处？欲扩大其线性范围可以采取哪些措施？
答：好处：增加线圈的长度有利于扩大线性范围或提高线性度。
措施：适当增加线圈长度、采用阶梯形线圈。
3-6 差动式电感传感器为什么常采用相敏检波电路？分析原理。
原因：相敏检波电路，它能有效地消除基波正交分量与偶次谐波分量，减小奇次谐波分量，使传感器零位电压减至极小。
3-7 电感传感器产生零位电压的原因和减小零位电压的措施。
差动自感式传感器当衔铁位于中间位置时，电桥输出理论上应为零，但实际上总存在零位不平衡电压输出(零位电压)，造成零位误差。
措施：一种常用的方法是采用补偿电路，其原理为：
(1)串联电阻消除基波零位电压；2)并联电阻消除高次谐波零位电压；(3)加并联电容消除基波正交分量或高次谐波分量。
另一种有效的方法是采用外接测量电路来减小零位电压。如前述的相敏检波电路，它能有效地消除基波正交分量与偶次谐波分量，减小奇次谐波分量，使传感器零位电压减至极小。此外还可采用磁路调节机构(如可调端盖)保证磁路的对称性，来减小零位电压。
3-9 造成自感式传感器和差动变压器温度误差的原因及其减小措施。
（1）环境温度的变化会引起自感传感器的零点温度漂移、灵敏度温度漂移以及线性度和相位的变化，造成温度误差。应注意线膨胀系数的大小与匹配，采用弱磁不锈钢等材料作线圈骨架，或采用脱胎线圈。
（2）当温度变化时，差动变压器初级线圈的参数尤其铜阻的变化影响较大。应提高初级线圈的品质因数，或采用稳定激励电流的方法减小温度误差。
3-10电感式传感器的工作原理是什么？能够测量哪些物理量？
答：电感式传感器是利用电磁感应原理，将被测非电量的变化转换成线圈的电感（或互感）变化的一种机电转换装置。利用电感式传感器可以把连续变化的线位移或角位移转换成线圈的自感或互感的连续变化，经过一定的转换电路再变成电压或电流信号以供显示。它除了可以对直线位移或角位移进行直接测量外，还可以通过一定的感受机构对一些能够转换成位移量的其他非电量，如振动、压力、应变、流量等进行检测。
3-11 变气隙式传感器主要由哪几部分组成？有什么特点？
答：变气隙式自感式传感器由铁心线圈、衔铁、测杆及弹簧等组成。变气隙式传感器的线性度差、示值范围窄、自由行程小，但在小位移下灵敏度很高，常用于小位移的测量。
3-12概述电涡流式传感器的基本结构与工作原理。
答：成块的金属物体置于变化着的磁场中，或者在磁场中运动时，在金属导体中会感应出一圈圈自相闭合的电流，称为电涡流。电涡流式传感器是一个绕在骨架上的导线所构成的空心绕组，它与正弦交流电源接通，通过绕组的电流会在绕组周围空间产生交变磁场。当导电的金属靠近这个绕组时，金属导体中便会产生电涡流。涡流的大小与金属导体的电阻率、磁导率、厚度、绕组与金属导体的距离，以及绕组励磁电流的角频率等参数有关。如果固定其中某些参数不变，就能由电涡流的大小测量出另外一些参数。由电涡流所造成的能量损耗将使绕组电阻有功分量增加，由电涡流产生反磁场的去磁作用将使绕组电感量减小，从而引起绕组等效阻抗Z及等效品质因数Q值的变化。所以凡是能引起电涡流变化的非电量，例如金属的电导率、磁导率、几何形状、绕组与导体的距离等，均可通过测量绕组的等效电阻R、等效电感L、等效阻抗Z及等效品质因数Q来测量。这便是电涡流式传感器的工作原理。电涡流式传感器的结构比较简单，主要是一个绕制在框架上的绕组，目前使用比较普遍的是矩形截面的扁平绕组。
3-13 电涡流式传感器的原理及应用。
1.测位移电涡流式传感器的主要用途之一是可用来测量金属件的静态或动态位移，最大量程达数百毫米，分辨率为0.1%。
2.测厚度金属板材厚度的变化相当于线圈与金属表面间距离的改变，根据输出电压的变化即可知线圈与金属表面间距离的变化，即板厚的变化。
3.测温度若保持电涡流式传感器的机、电、磁各参数不变，使传感器的输出只随被测导体电阻率而变，就可测得温度的变化。
3-14 比较定频调幅式、变频调幅式和调频式三种测量电路的优缺点，并指出它们的应用场合。
（1）定频调幅式：这种电路采用石英晶体振荡器，能获得高稳定度频率的高频激励信号，输出稳定，获得广泛应用，
但线路较复杂，装调较困难，线性范围也不够宽。
（2）变频调幅式：这种电路除结构简单、成本较低外，还具有灵敏度高、线性范围宽等优点，因此监控等场合常采用它。
（3）调频式：这种电路的关键是提高振荡器的频率稳定度。通常可以从环境温度变化、电缆电容变化及负载影响三方面考虑。
4-1 电容式传感器可分为哪几类？各自的主要用途是什么？
（1）变极距型电容传感器：在微位移检测中应用最广。（2）变面积型电容传感器：适合测量较大的直线位移和角位移。
（3）变介质型电容传感器：可用于非导电散材物料的物位测量。
4-2 变极距型电容传感器产生非线性误差的原因及如何减小？

原因：灵敏度S与初始极距的平方成反比，用减少的办法来提高灵敏度，但的减小会导致非线性误差增大。
采用差动式，可比单极式灵敏度提高一倍，且非线性误差大为减小。由于结构上的对称性，它还能有效地补偿温度变化所造成的误差。
4-3 为什么电容式传感器的绝缘、屏蔽和电缆问题特别重要？如何解决？
电容式传感器由于受结构与尺寸的限制，其电容量都很小，属于小功率、高阻抗器，因此极易受外界干扰，尤其是受大于它几倍、几十倍的、且具有随机性的电缆寄生电容的干扰，它与传感器电容相并联，严重影响传感器的输出特性，甚至会淹没没有用信号而不能使用。
解决：驱动电缆法、整体屏蔽法、采用组合式与集成技术.
4-4 电容式传感器有什么主要特点？可用于哪些方面的检测？（P55）
答：电容式传感器具有以下特点：功率小，阻抗高，由于电容式传感器中带电极板之间的静电引力很小，因此，在信号检测过程中，只需要施加较小的作用力，就可以获得较大的电容变化量及高阻抗的输出；动态特性良好，具有较高的固有频率和良好的动态响应特性；本身的发热对传感器的影响实际上可以不加考虑；可获取比较大的相对变化量；能在比较恶劣的环境条件下工作；可进行非接触测量；结构简单、易于制造；输出阻抗较高，负载能力较差；寄生电容影响较大；输出为非线性。
电容式传感器可用于直线位移、角位移、尺寸、液体液位、材料厚度的测量。
4-5 根据工作原理可将电容式传感器分为哪几种类型？各自用途是什么？
答：根据电容式传感器的工作原理，电容式传感器有三种基本类型，即变极距(d)型（又称变间隙型）、变面积(A)型和变介电常数(ε)型。变间隙型可测量位移，变面积型可测量直线位移、角位移、尺寸，变介电常数型可测量液体液位、材料厚度。

5-1 什么叫顺压电效应？什么叫逆压电效应？常用压电材料有那几种？（P66-67）
答：某些电介质在沿一定的方向上受到外力的作用而变形时，内部会产生极化现象，同时在其表面上产生电荷，当外力去掉后，又重新回到不带电的状态，这种现象称为压电效应。这种机械能转化成电能的现象，称为“顺压电效应”。反之，在电介质的极化方向上施加交变电场或电压，它会产生机械变形，当去掉外加电场时，电介质变形随之消失，这种现象称为“逆压电效应”。应用于压电式传感器中的压电材料通常有三类：一类是压电晶体，它是单晶体，如石英晶体、酒石酸钾钠等；另一类是经过极化处理的压电陶瓷，它是人工合成的多晶体，如钛酸钡等；第三类是有机压电材料，是新型的压电材料，如聚偏二氟乙烯等。

5-12 霍尔效应是什么？可进行哪些参数的测量？
当电流垂直于外磁场通过导体时，在导体的垂直于磁场和电流方向的两个端面之间会出现电势差，这一现象便是霍尔效应。这个电势差也被叫做霍尔电势差。
利用霍尔效应可测量大电流、微气隙磁场、微位移、转速、加速度、振动、压力、流量和液位等；用以制成磁读头、磁罗盘、无刷电机、接近开关和计算元件等等。
5-13 试分析霍尔效应产生的原因。霍尔电动势的大小、方向与哪些因素有关？
答：金属或半导体薄片置于磁场中，当有电流通过时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势，这种物理现象称为霍尔效应。如将N型半导体薄片,垂直置于磁场中。在薄片左右两端通以电流，这时半导体中的载流子（电子）将沿着与电流相反的方向运动。由于外磁场的作用，电子将受到磁场力（洛仑兹力）的作用而发生偏转，结果在半导体的后端面上积累了电子而带负电，前端面则因缺少电子而带正电，从而在前后端面间形成电场。该电场产生的电场力也将作用于半导体中的载流子，电场力方向和磁场力方向正好相反，当与大小相等时，电子积累达到动态平衡。这时，在半导体前后两端面之间建立的电动势就称为霍尔电动势。
霍尔电动势的大小正比于激励电流与磁感应强度，且当或的方向改变时，霍尔电动势的方向也随着改变，但当和的方向同时改变时霍尔电动势极性不变。

5-14磁敏电阻与磁敏二极管的特点？
磁敏电阻：外加磁场使导体(半导体)电阻随磁场增加而增大的现象称磁阻效应。载流导体置于磁场中除了产生霍尔效应外,导体中载流子因受洛仑兹力作用要发生偏转,载流子运动方向偏转使电流路径变化,起到了加大电阻的作用,磁场越强增大电阻的作用越强。磁敏电阻主要运用于测位移。
磁敏二极管：输出电压随着磁场大小的方向而变化，特别是在弱磁场作用下，可获得较大输出电压变化，r区内外复合率差别越大，灵敏度越高。当磁敏二极管反向偏置时，只有很少电流通过，二极管两端电压也不会因受到磁场的作用而有任何改变。利用磁敏二极管可以检测弱磁场变化这一特性可以制成漏磁探伤仪。

6-1 何谓压电效应？正压电与逆压电？
一些离子型晶体的电介质不仅在电场力作用下，而且在机械力作用下，都会产生极化现象。且其电位移D(在MKS单位制中即电荷密度σ)与外应力张量T成正比： D = dT 式中 d——压电常数矩阵。
当外力消失，电介质又恢复不带电原状；当外力变向，电荷极性随之而变。这种现象称为正压电效应，或简称压电效应。
若对上述电介质施加电场作用时，同样会引起电介质内部正负电荷中心的相对位移而导致电介质产生变形，且其应变S与外电场强度E成正比： S=dtE
式中 dt——逆压电常数矩阵。这种现象称为逆压电效应，或称电致伸缩。
6-2压电材料的主要特性参数有哪些？比较三类压电材料的应用特点。
主要特性：压电常数、弹性常数、介电常数、机电耦合系数、电阻、居里点
压电单晶：时间稳定性好，居里点高，在高温、强幅射条件下，仍具有良好的压电性，且机械性能，如机电耦合系数、介电常数、频率常数等均保持不变。此外，还在光电、微声和激光等器件方面都有重要应用。不足之处是质地脆、抗机械和热冲击性差。
压电陶瓷：压电常数大，灵敏度高，制造工艺成熟，成形工艺性好，成本低廉，利于广泛应用，还具有热释电性。
新型压电材料：既具有压电特性又具有半导体特性。因此既可用其压电性研制传感器，又可用其半导体特性制作电子器件；也可以两者合一，集元件与线路于一体，研制成新型集成压电传感器测试系统。
6-6原理上，压电式传感器不能用于静态测量，但实用中，压电式传感器可能用来测量准静态量，为什么？
压电式测力传感器是利用压电元件直接实现力-电转换的传感器，在拉力、压力和力矩测量场合，通常较多采用双片或多片石英晶片作压电元件。由于它刚度大，动态特性好；测量范围广，可测范围大；线性及稳定性高；可测单、多向力。当采用大时间常数的电荷放大器时，就可测准静态力。
7-1 热电式传感器分类。各自特点。
热电式传感器是一种将温度变化转换为电量变化的装置。它可分为两大类：热电阻传感器和热电偶传感器。
热电阻传感器的特点：（1)高温度系数、高电阻率。(2)化学、物理性能稳定。(3)良好的输出特性。(4).良好的工艺性，以便于批量生产、降低成本。
热电偶传感器的特点：（1）结构简单（2）制造方便（3）测温范围宽（4）热惯性小（5）准确度高（6）输出信号便于远传
7-2 常用的热电阻。适用范围。
铂、铜为应用最广的热电阻材料。铂容易提纯，在高温和氧化性介质中化学、物理性能稳定，制成的铂电阻输出－输入特性接近线性，测量精度高。铜在-50～150℃范围内铜电阻化学、物理性能稳定，输出－输入特性接近线性，价格低廉。当温度高于100℃时易被氧化，因此适用于温度较低和没有浸蚀性的介质中工作。
7-4 利用热电偶测温必须具备哪两个条件？
（1）用两种不同材料作热电极（2）热电偶两端的温度不能相同
7-5 什么是中间导体定律和连接导体定律？它们在利用热电偶测温时有什么实际意义？
中间导体定律：导体A、B组成的热电偶，当引入第三导体时，只要保持第三导体两端温度相同，则第三导体对回路总热电势无影响。利用这个定律可以将第三导体换成毫伏表，只要保证两个接点温度一致，就可以完成热电势的测量而不影响热电偶的输出。
连接导体定律：回路的总电势等于热电偶电势EAB(T,To)与连接导线电势EA’B’(Tn,To)的代数和。连接导体定律是工业上运用补偿导线进行温度测量的理论基础。
7-6 什么是中间温度定律？有什么实际意义？
EAB(T,Tn,To)=EAB(T,Tn)+EAB(Tn,To)
这是中间温度定律表达式，即回路的总热电势等于EAB(T,Tn)与EAB(Tn,To)的代数和。Tn为中间温度。中间温度定律为制定分度表奠定了理论基础。
7-7 镍络-镍硅介质温度800°C，参考端温度为25°C，求介质实际温度？
t=介质温度+k参考温度（800+125=825）
7-8什么是金属导体的热电效应？试说明热电偶的测温原理。
答：将两种不同的导体连成闭合回路，当两个接点处的温度不同时，回路中将产生热电势，这种现象为热电效应。
两种不同材料构成的热电变换元件称为热电偶，导体称为热电极，通常把两热电极的一个端点固定焊接，用于对被测介质进行温度测量，这一接点称为测量端或工作端，俗称热端；两热电极另一接点处通常保持为某一恒定温度或室温，称冷端。热电偶闭合回路中产生的热电势由温差电势和接触电势两种电势组成。热电偶接触电势是指两热电极由于材料不同而具有不同的自由电子密度，在热电极接点接触面处产生自由电子的扩散现象；扩散的结果，接触面上逐渐形成静电场。该静电场具有阻碍原扩散继续进行的作用，当达到动态平衡时，在热电极接点处便产生一个稳定电势差，称为接触电势。其数值取决于热电偶两热电极的材料和接触点的温度，接点温度越高，接触电势越大。
8-1 光电效应有哪几种类型？与之对应的光电元件各有哪些？简述各光电元件的优缺点。
答：光电效应根据产生结果的不同，通常可分为外光电效应、内光电效应和光生伏特效应三种类型。
光电管和光电流倍增管是属于外光电效应的典型光电元件。光电倍增管的优点是灵敏度高，比光电管高出几万倍以上，输出线性度好，频率特性好；缺点是体积大、易破碎，工作电压高达上千伏，使用不方便。因此它一般用于微光测量和要求反应速度很快的场合。
基于内光电效应的光电元件有光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管、光敏晶闸管。光敏电阻具有很高的灵敏度，光谱响应的范围可以从紫外线区域到红外线区域，而且体积小，性能稳定，价格较低，所以被广泛应用在自动监测系统中。在使用光敏电阻时，光电流并不是随光强改变而立刻做出相应的变化，而是具有一定的滞后，这也是光敏电阻的缺点之一。光敏三极管的灵敏度比二极管高，但频率特性较差，暗电流较大。光敏晶闸管输出功率比它们都大，主要用于光控开关电路及光耦合器中。
基于光生伏特效应的光电元件主要是光电池。应用最广泛的是硅光电池，它具有性能稳定，光谱范围宽，频率特性好，传递效率高、能耐高温辐射等优点。
8-2 光电传感器有哪几种类型？
答：因光源对光电元件作用方式不同而确定的光学装置是多种多样的，按其输出量信号可分为开关型和模拟型。模拟型光电式传感器被测物、光源、光电元件三者的关系，可以分为四种类型。(1) 光源本身是被测物，被测物发出的光投射到光电元件上，光电元件的输出反映了光源的某些物理参数。(2) 恒光源发射的光通量穿过被测物，部分被吸收后到达光电元件上，吸收量决定于被测物的某些参数。(3) 恒光源发出的光通量投射到被测物上，然后被反射到光电元件上，光电元件的输出反映了被测物的某些参数。(4) 恒光源发出的光通量在到达光电元件的途中遇到被测物，被遮挡了一部分，光电元件的输出反映了被测物的尺寸。开关型光电式传感器把被测量转换成断续变化的光电流，而输出为开关量或数字的电信号。这一类型主要用于转速测量、模拟开关、位置开关等。
8-3 外光电效应、光电导效应、光生伏特效应。
外光电效应：在光线的作用下，物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象。
光电导效应：在光线作用下，电子吸收光子能量从键合状态过渡到自由状态，而引起材料电导率的变化的现象。
光生伏特效应：在光线作用下能够使物体产生一定方向的电动势的现象。
8-4 比较光电池、光敏晶体管、光敏电阻及光电倍增管使用性能上的差别。
光电池：光电池是利用光生伏特效应把光直接转变成电能的器件。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。当光照到PN结区时，如果光子能量足够大，将在结区附近激发出电子-空穴对，在N区聚积负电荷，P区聚积正电荷，这样N区和P区之间出现电位差。
8-5.怎样根据光照特性和光谱特性来选择光敏元件？
不同类型光敏电阻光照特性不同，但光照特性曲线均呈非线性。因此它不宜作定量检测元件，一般在自动控制系统中用作光电开关。
光谱特性与光敏电阻的材料有关，在选用光敏电阻时，应把光敏电阻的材料和光源的种类结合起来考虑，才能获得满意的效果。
8-6.简述光电传感器的主要形式及其应用。
模拟式（透射式、反射式、遮光式、辐射式）、开关式
应用：光电式数字转速表、光电式物位传感器、视觉传感器、细丝类物件的在线检测
8-7 光栅的莫尔条纹有哪几个特性？莫尔条纹是怎么产生的？
答：莫尔条纹具有以下特性：(1) 放大作用，莫尔条纹的间距是放大了的光栅栅距，光栅栅距很小，肉眼看不清楚，而莫尔条纹却清晰可见。(2) 对应关系，两块光栅沿栅线垂直方向作相对移动时，莫尔条纹通过光栅外狭缝板S到固定点（光电元件安装点）的数量正好和光栅所移动的栅线数量相等。光栅作反向移动时，莫尔条纹移动方向也随之改变。(3) 平均效应，通过莫尔条纹所获得的精度可以比光栅本身刻线的刻划精度还要高。
把两块栅距相同的光栅刻线面相对重合在一起，中间留有很小的间隙，并使两者的栅线之间形成一
很小的夹角，然后将这对光栅放置在光路中，在两块光栅的栅线重合处，因有光从缝隙透过形成亮带，在两光栅栅线彼此错开处，由于光线被遮挡而形成暗带，这种比光栅栅距宽得多的由亮带和暗带形成的明、暗相间的条纹称为莫尔条纹。
8-8．感应同步器有哪几种？直线感应同步器主要由哪几部分组成？
答：感应同步器按其用途不同，可分为测量直线位移的直线感应同步器和测量角位移的圆感应同步器两大类。直线感应同步器由定尺与滑尺组成。在定尺和滑尺上制作有印刷电路绕组，定尺上是连续绕组，节距(周期)W为2mm；滑尺上的绕组分两组，在空间差90°相角(即1／4节距)，分别称正弦和余弦绕组，两组节距相等，W1为1.5mm。定尺一般安装在设备的固定部件上(如机床床身)，滑尺则安装在移动部件上。
8-9分析超声波汽车倒车防撞装置的工作原理。
答：把约40kHz的超声波脉冲从汽车后面发射出去，根据超声波碰到障碍物后的返回时间换算成距离，便可检测障碍物的位置，通过指示灯或蜂鸣器告知驾驶员。
8-10 制干扰有哪些基本措施？
答：第一，消除或抑制干扰源。消除干扰源是积极主动的措施，继电器、接触器和断路器等的电触点，在通断电时的电火花是较强的干扰源，可以采取触点消弧电容等。接插件接触不良，电路接头松脱、虚焊等也是造成干扰的原因，对于这类可以消除的干扰源要尽可能消除。对难于消除或不能消除的干扰源，例如，某些自然现象的干扰、邻近工厂的用电设备的干扰等，就必须采取防护措施来抑制干扰源。
第二，破坏干扰途径。(1) 对于以“路”的形式侵入的干扰，可以采取提高绝缘性能的办法来抑制漏电流干扰；采用隔离变压器、光电耦合器等切断地环路干扰途径，引用滤波器、扼流圈等技术，将干扰信号除去；改变接地形式以消除共阻抗耦合干扰等；对于数字信号可采用整形、限幅等信号处理方法切断干扰途径。(2) 对于以“场”的形式侵入的干扰，一般采取各种屏蔽措施。
第三，削弱接收电路对干扰信号的敏感性。从前面分析知，高输入阻抗电路比低输入阻抗电路易受干扰；布局松散的电子装置比结构紧凑的电子装置更易受外来干扰；模拟电路比数字电路的抗干扰能力差。由此可见，电路设计、系统结构等都与干扰的形成有着密切关系。因此，系统布局应合理，且设计电路时应采用对干扰信号敏感性差的电路。
8-11 什么叫可靠性?什么叫可靠度？提高可靠性有哪些措施？
答：可靠性是体现产品耐用和可靠程度的一种性能。可靠性用概率表示时称为可靠度。它的定义是：产品在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的概率。
提高可靠性的措施有：利用元件本身产生故障的规律来提高可靠性，采用重复备用系统来提高可靠性，还可通过采用可靠性更高的元器件代替原系统中故障率较大的元器件，提高工艺质量，如加工质量、焊点质量，提高文明生产水平和清洁度等，来提高可靠性。
8-12 传感器的选择应注意哪些问题？一般原则是什么？
答：选择传感器时应注意：(1) 与测量条件有关的因素，与测量条件有关的因素有测量的目的、被测量的选择、测量范围、输入信号的幅值、频带宽度、精度要求以及测量所需要的时间。(2) 与传感器有关的技术指标，与传感器有关的技术指标有精度、稳定度、响应特性、模拟量与数字量、输出幅值、对被测物体产生的负载效应、校正周期以及超标准过大的输入信号保护。(3) 与使用环境条件有关的因素，与使用环境条件有关的因素有：安装现场条件及情况、环境条件(湿度、温度、振动等)、信号传输距离以及所需现场提供的功率容量。(4) 与购买和维修有关的因素，与购买和维修有关的因素有：价格、零配件的储备、服务与维修制度、保修时间以及交货日期。
传感器选择的一般原则：借助于传感器分类表按被测量的性质，从典型应用中可以初步确定几种可供选用的传感器类别；借助于几种常用传感器比较，按被检测量的检测范围，精度要求，环境要求等确定传感器的结构形式和传感器的最后类别；借助于传感器的产品目录选型样本，最后查出传感器的规格型号和性能、尺寸。

传感器检测与转换技术实训装置（32种传感器）是适合高等职业学校、中等职业学校的机电设备安装与维修、机电技术应用、电气运行与控制、电气技术应用、电子电器应用与维修、机械和机电一体化等专业的必修课程模块《自动控制技术》和非机电类专业的选修课程《工业自动化》模块的教学和实训。
传感器种类及技术指标
传感器配备清单
1 电阻式霍尔式传感器转换电路块 1
2 电容式传感器转换电路块 1
3 电感式传感器转换电路块 1
4 光电式传感器转换电路块 1
5 涡流式传感器转换电路块 1
6 温度式传感器转换电路块 1
7 压电加速度式传感器转换电路块 1
8 光纤式传感器转换电路块 1
9 压力传感器转换电路块 1
10 超声波传感器转换电路块 1
11 湿敏传感器转换电路块 1
12 热电偶热电阻传感器转换电路块 1
13 移相器、相敏检波器模块块 1
14 热释电红外传感器转换电路块 1
15 硅光电池传感器模块块 1
16 集成温度LM35传感器模块块 1
17 PN结、正与负温热敏电阻传感器模块块 1
18 光敏二极管、光敏三极管与光敏电阻传感器模块块 1
19 电阻式传感器个 1
20 电容式传感器个 1
21 霍尔式传感器个 1
22 电感式传感器个 1
23 光电式传感器个 1
24 涡流式传感器个 1
25 涡流测速传感器个 1
26 温度式传感器个 1
27 磁电式传感器个 1
28 磁电测速传感器个 1
29 压电加速度式传感器个 1
30 光纤式传感器个 1
31 压力传感器个 1
32 超声波发射传感器个
33 超声波接收传感器个
34 气敏传感器个 1
七、实验项目（带※号为思考实验）
实验一电阻式传感器的单臂电桥性能实验
实验二电阻式传感器的半桥性能实验
实验三电阻式传感器的全桥性能实验
实验四电阻式传感器的单臂、半桥和全桥的比较实验
实验五电阻式传感器的振动实验*
实验六电阻式传感器的电子秤实验*
实验七变面积式电容传感器特性实验
实验八差动式电容传感器特性实验
实验九电容传感器的振动实验*
实验十电容传感器的电子秤实验*
实验十一差动变压器的特性实验
实验十二自感式差动变压器的特性实验
实验十三差动变压器的性能实验
实验十四激励频率对差动变压器特性的影响
实验十五差动变压器的振动实验*
实验十六差动变压器的电子秤实验*
实验十七光电式传感器的转速测量实验
实验十八光电式传感器的旋转方向测量实验
实验十九接近式霍尔传感器实验
实验二十霍尔传感器的转速测量实验
实验二十一霍尔传感器的振动测量实验
实验二十二涡流传感器的位移特性实验
实验二十三被测体材质对涡流传感器特性的影响实验
实验二十四涡流式传感器的振动实验*
实验二十五涡流式传感器的转速测量实验
实验二十六温度传感器及温度控制实验（AD590）
实验二十七 K型热电偶的温度控制实验
实验二十八热电偶冷端温度补偿实验*
实验二十九 E型热电偶的温度控制实验
实验三十 Pt100铂电阻的温度控制实验
实验三十一 Cu50铜电阻的温度控制实验
实验三十二磁电式传感器的特性实验
实验三十三磁电式传感器的转速测量实验
实验三十四磁电式传感器的应用实验*
实验三十五压电加速度式传感器的特性实验
实验三十六光纤传感器的位移特性实验
实验三十七光纤传感器的振动实验
实验三十八光纤传感器的转速测量实验
实验三十九压阻式压力传感器的特性实验
实验四十压阻式压力传感器的差压测量实验*
实验四十一超声波传感器的位移特性实验
实验四十二超声波传感器的应用实验
实验四十三气敏传感器的原理实验
实验四十四湿度式传感器原理实验
实验四十五气体流量的测定*
实验四十六移相器实验
实验四十七相敏检波器实验
实验四十八低通滤波器实验
实验四十九热释电红外传感器实验
实验五十硅光电池光电特性实验
实验五十一集成温度传感器LM35温度特性实验
实验五十二集成温度传感器LM35测温实验
实验五十三 PN结温度传感器测温控制实验
实验五十四正温热敏电阻温度特性实验
实验五十五负温热敏电阻温度特性实验
实验五十六光敏二极管特性实验
实验五十七光敏三极管特性实验
实验五十八光敏电阻特性实验
实验五十九光敏电阻应用实验

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