湖北汽车工业学院 传感器 考试资料.docx
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湖北汽车工业学院传感器考试资料
1.何谓结构型传感器?
何谓物性型传感器?
试述两者的应用特点。
结构型传感器是利用物理学中场的定律构成的,包括动力场的运动定律,电磁场的电磁定律等。
物理学中的定律一般是以方程式给出的。
对于传感器来说,这些方程式也就是许多传感器在工作时的数学模型。
这类传感器的特点是传感器的工作原理是以传感器中元件相对位置变化引起场的变化为基础,而不是以材料特性变化为基础。
物理型传感器是利用物质定律构成的,如虎克定律、欧姆定律等。
物质定律是表示物质某种客观性质的法则。
这种法则,大多数是以物质本身的常数形式给出。
这些常数的大小,决定了传感器的主要性能。
因此,物理型传感器的性能随材料的不同而异。
例如,光电管就是物理型传感器,它利用了物质法则中的外光电效应。
显然,其特性与涂覆在电极上的材料有着密切的关系。
又如,所有半导体传感器,以及所有利用各种环境变化而引起的金属、半导体、陶瓷、合金等特性能变化的传感器,都属于物理型传感器。
2.图1所示为一种膜合式压力传感器。
试用这个例子说明传感器的组成原理。
答:
传感器一般由敏感元件、转换元件、转换电路组成,它是一种典型的结构型传感器。
敏感元件是直接感受被测量,并输出与被测量成确定关系的某一物理量的元件。
图1中,膜盒2的下半部分与壳体1固接,上半部分通过连杆与磁芯4相连,磁芯4置于两个电感线圈3中,后者接入转化电路5。
这里的膜盒就是敏感元件,其外部与大气压力
相通,内部感受被测压力
。
当
变化时,引起膜盒上半部分移动,即输出相应的位移量。
图1气体压力传感器
转换元件:
敏感元件的输出就是它的输入,它把输入转换成电路参量。
在图0-2中,转换元件是可变电感线圈3,它把输入的位移量转换成电感的变化。
基本转换电路:
上述电路参数接入基本转换电路(简称转换电路),便可转换成电量输出。
传感器只完成被测参数至电量的基本转换,然后输入到测控电路,进行放大、运算、处理等进一步转换,以获得被测值或进行过程控制。
变磁阻传感器
1.为什么电感式传感器测量电路中常用相敏检波器?
说明相敏检波器的原理。
电感式传感器常用的交流电桥有以下几种。
图14-1输出端对称电桥
(a)一般形式;(b)变压器电桥
图(a)为输出端对称电桥的一般形式。
图中Z1、Z2为传感器,如果两线圈阻抗,Z1=r1+jωL1,Z2=r2+jωL2,r10=r20=r0,L10=L20=L0,R1、R2为外接电阻,通常Rl=R2=R。
设工作时Z1=Z+ΔZ,Z2=Z-Δz,电源电势为E,于是
由上式可知,这种测量电路的输出极性与电源有关,输出并不能判断出铁芯的移动方向,图(b)是图(a)的变型,称为变压器电桥。
它以变压器两个次级作为电桥平衡臂。
显然,其输出特性同(a)。
差动变压器式传感器也存在同样的问题。
相敏检波电路是常用的判别电路。
图14-2为电路原理,Z1、Z2为传感器两线圈的阻抗,Z3=Z4构成另两个桥臂,U为供桥电压,U。
为输出。
当衔铁处于中间位置时,Zl=Z2=Z,电桥平衡,Uo=0。
若衔铁上移,Z1增大,Z2减小。
如供桥电压为正半周,即A点电位高于B点,二极管D1、D4导通,D2、D3截止。
在A—E—C—B支路中C点电位由于Z1增大而降低;在A—F—D—B支路中,D点电位由于Z2减小而增高。
因此D点电位高于C点,输出信号为正。
如供桥电压为负
图14-2相敏检波电路
半周,B点电位高于A点,二极管D2、D3导通,D1、D4截止。
在B—C—F-A支路中,点电位由于Z2减小而比平衡时降低;在B—D—E—A支路中,D点电位则因Z1增大而比平衡时增高。
因此D点电位仍高于C点,输出信号仍为正。
同理可以证明,衔铁下移时输出信号总为负。
于是,输出信号的正负代表了衔铁位移的方向。
1.传感器的静态特性主要有那些?
说明什么是线性度?
传感器的特性主要是指传感器的输入(被测量)与输出(电量)的关系。
静态特性表示传感器在被测量各个值处于稳定状态时的输入输出关系。
也即当输入量为常量,或变化极慢时,这一关系就称为静态特性。
传感器的静态特性主要有:
线性度、迟滞性、灵敏度、稳定性、重复性、阈值等。
传感器的静特性曲线可实际测试获得,用下列多项式程表示为:
式中y为输出量、x为输入量、
为零点输出、
为理论灵敏度、
为非线性项系数。
在获得特性趋向之后,可以说问题已经得到解决。
但是为了标定和数据处理的方便,希望得到线性关系。
这时可采用各种方法,其中也包括硬件或软件补偿,进行显性化处理。
一般来说,这些办法都比较复杂。
所以在非线性误差不太大的情况下,总是采用直线拟合的方法来线性化。
在采用直线拟合线性化时,输出输入的校正曲线之间的最大偏差,就称为非线性误差,也就是线性度:
%
由此可见,非线性偏差的大小是以一定的拟合直线为基准直线而得来的。
拟合直线不同,非线性误差也不同。
所以,选择拟合直线的主要出发点,应是获得最小的非线性误差。
另外,还应考虑使用是否方便,计算是否简便。
2.什么是传感器的静态误差?
传感器的静态误差是如何评定的?
静态误差是指传感器在其全量程内任一点的输出值与其理论值的偏离程度。
静态误差的求取方法如下:
把全部输出数据与拟合直线上对应值的残差,看成是随即分布,求出其标准偏差
,即
式中
—各测试点的残差;n—测试点数。
取2
和3
值即为传感器的静态误差。
静态误差也可用相对误差来表示,即
(1-15)
静态误差也是一向综合指标,他基本上包括了前面叙述的非线性误差、迟滞误差、重复性误差、灵敏度误差等,若者几项误差是随机的、独立的、正态分布的,也可以把这几个单项误差综合而得,即:
3.某测温系统由以下四个环节组成,各自的灵敏度如下:
铂电阻温度传感器:
0.45Ω/℃
电桥:
0.02V/Ω
放大器:
100(放大倍数)
笔式记录仪:
0.2cm/V
求:
(1)测温系统的总灵敏度;
(2)记录仪笔尖位移4cm时,所对应的温度变化值。
解:
(1)测温系统的总灵敏度为
cm/℃
(2)记录仪笔尖位移4cm时,所对应的温度变化值为:
℃
4.有三台测温仪表,量程均为0~800℃,精度等级分别为2.5级、2.0级和1.5级,现要测量500℃的温度,要求相对误差不超过2.5%,选那台仪表合理?
解:
2.5级时的最大绝对误差值为20℃,测量500℃时的相对误差为4%;2.0级时的最大绝对误差值为16℃,测量500℃时的相对误差为3.2%;1.5级时的最大绝对误差值为12℃,测量500℃时的相对误差为2.4%。
因此,应该选用1.5级的测温仪器。
电容传感器
1.为什么说变间隙型电容传感器特性是非线性的?
采取什么措施可改善其非线性特征?
答:
下图为变间隙式电容传感器的原理图。
图中1为固定极板,2为与被测对象相连的活动极板。
当活动极板因被测参数的改变而引起移动时,两极板间的距离d发生变化,从而改变了两极板之间的电容量C。
设极板面积为A,其静态电容量为
,当活动极板移动x后,其电容量为
(1)
当x< 则 (2) 由式 (1)可以看出电容量C与x不是线性关系,只有当x< 同时还可以看出,要提高灵敏度,应减小起始间隙d过小时。 但当d过小时,又容易引起击穿,同时加工精度要求也高了。 为此,一般是在极板间放置云母、塑料膜等介电常数高的物质来改善这种情况,如下图2。 在实际应用中,为了提高灵敏度,减小非线性,还常采用差动式结构 图中所示为差动结构,动极板置于两定极板之间。 初始位置时,δ1=δ2=δ0,两边初始电容相等。 当动极板向上有位移Δδ时,两边极距为δ1=δ0-Δδ,δ2=δ0+Δδ;两组电容一增一减。 同差动式自感传感器式(3-41)的同样分析方法,由式(4-4)和式(4-5)可得电容总的相对变化量为 (4-11) 略去高次项,可得近似的线性关系 (4-12) 相对非线性误差 为 (4-13) 上式与式(4-6)及式(4-9)相比可知,差动式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。 2.如图3-22所示正方形平板电容器,极板长度a=4cm,极板间距离δ=0.2mm.若用此变面积型传感器测量位移x,试计算该传感器的灵敏度并画出传感器的特性曲线.极板间介质为空气, 。 解: 这是个变面积型电容传感器,共有4个小电容并联组成。 /pF (x的单位为米) /pF 电阻式 1.金属电阻应变片与半导体材料的电阻应变效应有什么不同? 答: 金属电阻的应变效应主要是由于其几何形状的变化而产生的,半导体材料的应变效应则主要取决于材料的电阻率随应变所引起的变化产生的。 2.直流测量电桥和交流测量电桥有什么区别? 答: 它们的区别主要是直流电桥用直流电源,只适用于直流元件,如电阻应变片,交流电桥用交流电源,适用于所有电路元件,如电阻应变片、电容。 3.简述电阻应变式传感器产生横向误差的原因。 粘贴在受单向拉伸力试件上的应变片,如图2-3所示,其敏感栅是有多条直线和圆弧部分组成。 这时,各直线段上的金属丝只感受沿轴向拉应变 电阻值将增加。 但在圆弧段上,沿各微段轴向(即微段圆弧的切向)的应变与直线段不相等,因此与直线段上同样长度的微段所产生的电阻变化就不相同,最明显的在 处圆弧段上,按泊松关系,在垂直方向上产生负的压应变 ,因此该段的电阻是最小的。 而在圆弧的其它各段上,其轴向感受的应变由+ 变化到- 。 由此可见,将直的电阻丝绕成敏感栅之后,虽然长度相同,但应变状态不同,其灵敏系数降低了。 这种现象称横向效应。 应变片横向效应表明,当实际使用应变片时,使用条件与标定灵敏系数k时的标定规则不同时,实际k值要改变,由此可能产生较大测量误差,当不能满足测量精确度要求时,应进行必要的修正。 4.采用阻值为120Ω灵敏度系数K=2.0的金属电阻应变片和阻值为120Ω的固定电阻组成电桥,供桥电压为4V,并假定负载电阻无穷大。 当应变片上的应变分别为1和1000时,试求单臂、双臂和全桥工作时的输出电压,并比较三种情况下的灵敏度。 解: 单臂时 ,所以应变为1时 /V,应变为1000时应为 /V; 双臂时 ,所以应变为1时 /V,应变为1000时应为 /V; 全桥时 ,所以应变为1时 /V,应变为1000时应为 /V。 从上面的计算可知: 单臂时灵敏度最低,双臂时为其两倍,全桥时最高,为单臂的四倍。 5.差动电桥有哪些有优点? 答: 差动电桥比单臂电桥的灵敏度高,此外,还可以有效地改善电桥的温度误差、非线性误差。 光电 1.光电效应有哪几种? 与之对应的光电元件各有哪些? 答: 光电效应有外光电效应、内光电效应和光生伏特效应三种。 基于外光电效应的光电元件有光电管、光电倍增管等;基于内光电效应的光电元件有光敏电阻、光敏晶体管等;基于光生伏特效应的光电元件有光电池等。 18.根据光折射和反射的斯涅尔(Snell)定律,证明光线由折射率为n0的外界介质(空气n0=1)射入纤芯时实现全反射的临界角(始端最大入射角)为: 并说明上式的物理意义。 答: 根据光折射和反射的斯涅尔(Snell)定律,有 对应于θ2=90°时的入射角θ1称为临界角θc 则: 要实现全反射,必须满足: 所以: 即: ) 上式的物理意义: 无论光源发射功率多大,只有2θc0张角内的光,才能被光纤接收、传播(全反射); 1.简述热电偶的几个重要定律,并分别说明它们的实用价值。 答: 一是匀质导体定律: 如果热电偶回路中的两个热电极材料相同,无论两接点的温度如何,热电动势为零。 根据这个定律,可以检验两个热电极材料成分是否相同,也可以检查热电极材料的均匀性。 二是中间导体定律: 在热电偶回路中接入第三种导体,只要第三种导体的两接点温度相同,则回路中总的热电动势不变。 它使我们可以方便地在回路中直接接入各种类型的显示仪表或调节器,也可以将热电偶的两端不焊接而直接插入液态金属中或直接焊在金属表面进行温度测量。 三是标准电极定律: 如果两种导体分别与第三种导体组成的热电偶所产生的热电动势已知,则由这两种导体组成的热电偶所产生的热电动势也就已知。 只要测得各种金属与纯铂组成的热电偶的热电动势,则各种金属之间相互组合而成的热电偶的热电动势可直接计算出来。 四是中间温度定律: 热电偶在两接点温度t、t0时的热电动势等于该热电偶在接点温度为t、tn和tn、t0时的相应热电动势的代数和。 中间温度定律为补偿导线的使用提供了理论依据。 16.用镍铬-镍硅(K)热电偶测量温度,已知冷端温度为40℃,用高精度毫伏表测得这时的热电动势为29.188mV,求被测点的温度。 解: 由镍铬-镍硅热电偶分度表查出E(40,0)=1.638mV,可算出 再通过分度表查出其对应的实际温度为 ℃
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