传感器与检测技术-1.doc

习 题 一 概论 p16
1. 测试系统一般是怎样构成的？
被测量
观测
传感器
显示、记录
信号变换

① 传感器将被测物理量转换成以电量为主要形式的电信号；
② 信号变换部分是对传感器所送出的信号进行加工；
③ 显示与记录部分将所测信号变为一种能为人们所理解的形式，以供人们观测和分析。

2. 什么是测量误差？测量误差有几种表示方法？
测量误差： 人们在进行各种实际测量时，尽管被测量在理论上存在真值，但由于客观实验条件的限制，被测量的真值实际上是测不到的，因而测量结果只能是真值的近似值，这就不可避免地存在着测量误差。
测量误差有： 绝对误差、相对误差、引用误差。

3. 测量误差按出现规律可分为几种？它们与准确度与精密度有什么关系？
① 按出现规律可分为： 系统误差、随机误差、粗大误差
② 准确度表示测量结果中系统误差的大小。系统误差越小，准确度越高，即真一民实际值符合的程度越高。
精密度表示测量结果中随机误差大小的程度。随机误差越小，测量值越集中，表示精密度越高。
精确度是测量结果系统误差与随机误差的综合。表示测量结果与真值的一致程度。精确度用来反映系统误差和随机误差的综合影响。精确度越高，表示正确度和精密度越高，意味着系统误差和随机误差都小。

4. 产生系统误差的常见原因有哪些？常用的减小系统误差的方法有哪些？
① 产生系统误差的主要原因：
l 仪器的制造、安装或使用方法不正确；
l 环境因素影响（温度、湿度、电源等）；
l 测量原理中使用近似计算公式；
l 测量人员不良读数习惯
② 减小系统误差的方法：
l 发现判断：实验对比、残余误差观察、准则检测
l 减少消除：修正、特殊测量法（替代、差值、误差补偿、对称观察）

5. 传感器有哪些几部分组成？
敏感元件、转换元件、转换电路

6. 按传感器的工作机理、能量转换方式、输入量及测量原理四种方法，传感器分别是如何分类的？
① 按工作机理分：
l 电参数式传感器（如电阻式、电感式和电容式）；
l 压电式传感器；
l 光电式传感器；
l 热电式传感器。
② 按能量转换方式分：
l 能量控制型传感器（如电阻、电感、电容式）
l 能量转换型传感器（如基于压电效应、热电效应传感器）
③ 按输入量分：
力传感器、位移传感器、温度传感器
④ 按测量原理分：
l 电路参量式传感器（包括电阻式、电感式、电容式）
l 电动势式传感器（包括磁电感应式、霍尔式、压电式）
l 光电式传感器（包括一般光电式、光栅式、激光式、光电码盘式、光导纤维式）
l 半导体式传感器
习 题 二 温度检测 p35
7. 温度检测主要有哪几种方法及它们是怎样分类的？
温度检测方法分为：接触测量法，非接触测量法。
接触式包括：热膨胀式（如水银、双金属、液体或气体压力）；
热电偶；
热电阻（铂电阻、铜电阻、半导体热敏电阻）。
非接触式包括：辐射式

8. 热电偶传感器的特点是什么？
热电偶是由热电功率差别较大的两种金属材料构成的，当红外辐射入射到这两种金属材料构成的闭合回路的接点上时，该接点温度升高。而另一个没有被红外辐射辐照的接点处于较低的温度，在闭合回路中将产生温差电流，同时回路中产生温差电势，温差电势的大小，反映了接点吸收红外辐射的强弱。

9. 常见的红外温度传感器有哪几种？ 各有什么样特点？
常见的红外温度传感器有：热敏电阻型、热电偶型、高莱气动型、热释电型
热敏电阻型：热敏电阻是由锰、镍、钴等稀有金属氧化物混合后烧结而成的。热敏电阻一般制成薄片状，当红外辐射照射在热敏电阻上时，其温度升高，电阻值减小。测量热敏电阻值变化的大小，即可得知入射的红外辐射的强弱，以判断产生红外辐射物体的温度。
热电偶型：利用温差电热现象制成的红外传感器称为热电偶型红外传感器，其时间常数较大，响应时间较长，动态特性较差，调制频率应限制在10Hz以下。
高莱气动型：灵敏度高，性能稳定，但响应时间长，结构复杂，强度较差，只适合于实验室内使用。
热释电型：其电压响应率正比于入射辐射变化的速率。当恒定的红外辐射照射在热电传感器上时，传感器没有电信号输出。只有铁电体温度处于变化过程中，才有电信号输出。所以，必须对红外辐射进行调，使恒定的辐射变成交变辐射，不断地传感器的温度变化，才能导致热释电产生，并输出交变的信号。
10. 简述高莱气动型传感器的工作原理。
红外辐射通过窗口入射到吸收膜上，吸收膜将吸收的热能传给气体，使气体温度升高，气压增大，从而使柔镜移动。在室的另一边，一束可见光通过栅状光栏聚焦在柔镜上，经柔镜反射回来的栅状图像又经过栅状光栏投射到光电管上。当柔镜因压力变化而移动时，栅状图像与栅状光栏发生相对位移，使落到光电管上的光量发生改变，光电管的输出信号也发生改变，这个变化量就反映出入射红外辐射的强弱。

习 题 三 压力检测 p69
11. 什么是金属导体的应变效应？电阻应变片由哪几部分组成？各部分的作用是什么？
金属导体的应变效应：电阻丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻值发生的变化，叫电阻应变效应。
金属丝式电阻应变片包括：应变丝、基底、引线
箔式电阻应变片包括：金属膜引线、基底、引线
作用：

12. 用压电敏元件和电荷放大器组成的压力测量系统能否用于静态测量？对被测力信号的变化速度有何限制？这种限制由哪些因素组成？ ---P53
压电传感器不宜作静态测量。
制作压电传感器时，将两片或两片以上压电晶片粘贴在一起，可采用并联或串联两种方式连接。
并联连接法只适宜测量慢变化信号，串联法适宜于以电压输出的信号和测量电路输入阻抗很高的情况。

13. 什么叫压电效应？什么叫做顺压电效应？什么叫逆压电效应？ --P49
压电效应：当某些物质沿其某一方向施加压力或拉力时，会产生变形，此时这种材料的两个表面将产生符号相反的电荷。当去掉外力后，它又重新回到不带电状态，这种现象被称为压电效应。
顺压电效应：这种机械能转变为电能的现象，称为顺压电效应。
逆压电效应：在某些物质的极化方向上施加电场，它会产生机械变形，当去掉外加电场后，该物质的变形随之消失，这种电能转变为机械能的现象，称为逆压电效应。

14. 应变片是如何粘贴的？
首先选择所要粘贴的部位、力的方向，然后用砂纸对被测试件表面进行打磨（注意：金属丝式的不能打得太光滑；对箔式的要打磨得光滑，不能有杂质或异物），然后用无水酒精进行清洗，待酒精挥发干净后，用粘合剂（如502胶）进行粘贴，等待24小时后进行测量。
习 题 四 流量检测 p87
15. 简述流量的定义、瞬时流量和累计流量的概念、体积流量和质量流量的单位？
流量：是指单位时间内流过管道某截面流体的体积或质量。前者为体积流量，后者为质量流量。
瞬时流量：简称为流量。
累计流量：在一段时间内流过的流量量就是流体总量，即瞬时流量对时间的累积。
体积流量----qv， 质量流量---- qm

16. 简述按流量原理划分流量计的种类？
差压式流量计，电磁流量计，涡轮式流量计，旋涡流量计，转子流量计。

17. 差压式流量计有几中取压方式，各有何特点？
。

18. 简述电磁流量计的原理？
电磁流量计的基本原理是法拉第电磁感应定律，即导体在磁场中切割磁力线运动时，在其两端产生感应电动势。导电性液体在垂直于磁场的非磁性测量管内流动，在与流动方向垂直的方向上产生与流量成比例的感应电势，其值为E=BDv。
设液体的体积流量为qv=πD2v/4，则v=4qv/πD2，代入上式得E4Bqv/πD=Kqv
由上式可知，在管道直径已确定、磁感应强度不变的条件下，体积流量与电磁感应电势有一一对应的线性关系，而与流体密度、粘度、温度、压力和电导率无关。

19. 简述涡轮流量计的原理？
涡轮流量计在管形壳体的内壁上装有导流器，一方面促使流体沿轴线方向平行流动，另一方面支承了涡轮的前后轴承。由于涡轮具有一定的铁磁性，当叶片在永久磁铁前扫过时，会引起磁通的变化，因而在线圈两端产生感尖电动热，此感应交流电信号的频率与被测流体的体积流量成正比。如将该频率信号送入脉冲计数器即可得到累积总流量。

20. 比较差压流量计、电磁流量计、涡累流量计的优缺点。
差压流量计：在使用差压流量计时，导压管安装不当会造成很大的误差。另外，如果在导压管内测量的是液体，则不允许出现气泡，如果测量的是气体，则不允许有凝结的液体，它们都会给测量带来误差。解决的办法是在导管处安装阀门，进行排气或排液的处理。
电磁流量计：其测量通道是一段无阻流检测件的光滑直管，因不易阻塞，适用于测量含有固体颗粒或纤维的液固二相流体；不产生因检测流量所压力损失；测得的体积流量不受流体密度、粘度、温度、压力和电导率只要在某一阈值以上）变化明显的影响；前置直管段要求较低；测量范围较大，通常为20:1~50:1；不能测量电导率很低的液体，如石油制品和有机溶剂等；不能测量气体、蒸汽和含有较多较大气泡的液体；通用型电磁流量计由于受衬里材料和电气绝缘材料限制，不能用于较高温度的液体。
涡轮流量计：具有精度高，可以达到0.5级以上；反应迅速，可测脉动流量；耐高压等特点，适用于清洁液体、气体的测量。

习 题 五 位移检测 p103
21. 测量位移有哪些方法？--88
线位移传感器 和 角位移传感器。
常用线位移传感器包括：电阻式位移传感器、电容式位移传感器、电感式位移传感器、光电式位移传感器、感应同步器、光栅以及磁栅、激光位移传感器等。
根据输出信号不同，位移传感器又可分为 模拟式 和 数字式 两种

22. 电感式位移传感器的工作原理是什么？--91
常用的电感式位移传感器有变气隙型、变面积型和螺管型三种。
对变气隙传感器，气隙的大小随被测量的改变而变化，使磁路中气隙的磁阻发生变化，引起线圈电感的变化。这种电感量的变化与气隙的大小（即位移量）相对应。因此，测出这种电感量的变化，就可测出位移的大小。
变面积型是气隙长度保持一定，而铁心与衔铁之间相对覆盖面积随被测位移量的变化而改变，导致线圈电感的变化。
螺管型传感器是线圈电感随着衔铁插入长度的变化而变化。电感相对变化量与衔铁位移相对变化量成正比。但由于线圈内磁场强度沿轴向分布不均匀，其输出有非线性。
习 题 六 光电传感器 补充章节
23. 光电效应有哪几种？与之对应的元器件各有哪些？
外光电效应（光电管，光电倍增管）；
内光电效应（光敏电阻）
光生伏特效应（光电池，光敏二极管，光敏三极管）

24. 什么是光电效应
当光照射物体时，物体受到一连串具有能量的光子轰击，使物体中的电子吸收入射光子的能量，而发生相应的效应。

25. 光敏二级管温度特性是什么？如何采取措施对温度特性进行改进？

措施：
① 材料选硅管，其暗电流比锗管小几个数量级；
② 电路中采取温度补偿措施；
③ 对光调制，用交流放大，利用隔直电容隔断暗电流

26. 光电路灯控制电路的工作原理 （给出电路图）
无光照时，光敏二极管反向截止，R1的压降 VA很小，晶体管 T1、T2截止，继电器J不动作，路灯亮。有光照时，光敏管产生光电流，R1的电压增加，VA上升，光强达到某一值时T1、T2导通，J断开，路灯熄灭。即白天灯灭，晚上灯亮，起到了自动控制作用。

27. 三极管脉冲编码器的原理
Vi为24V电源电压，Vo为输出电压，N为光栅转盘上总的光栅辐条数，R1和R2为限流电阻器，A和B分别是光敏二极管的发射端和光敏三极管的接收端。当转轴以某一转速转动时，光栅转盘也以同样速度转动。在转轴转动一圈的时间内，接收端将收到N个光信号而在输出端输出N个电脉冲。因此，脉冲编码器输出电信号的频率f由转轴的转速n确定的。即：f=nN

28. 光电式烟尘浓度计的原理

提供光源的灯泡，通过透镜分二路，一路到达光敏三极管7上，作被测烟尘浓度参比信号。另一路穿过被测烟尘到达光敏三极管6上，其中一部分光线被烟尘吸收或折射，烟尘浓度越高，到达光敏三极管6的光通量越小。两路光线转换成电压信号U1、U2，由运算器8计算出U1、U2的比值，并进一步算出被测烟尘的浓度。

29. 填空题：
亮电流与暗电流的差值称为 光电流

30. 请给出光电式带材跑偏检测装置的原理框图，并简述其工作原理

光源1发出的光经透镜2会聚成平行光束后，再经透镜3会聚入射到光敏电阻4(R1)上。透镜2、3分别安置在带材合适位置的上、下方，在平行光束到达透镜3的途中，将有部分光线受到被测带材的遮挡，而使光敏电阻受照的光通量减小。R1、R2是同型号的光敏电阻，R1作为测量元件安置在带料下方，R2作为温度补偿元件用遮光罩覆盖。Rl—R4组成一个电桥电路，当带材处于正确位置(中间位置)时，通过预调电桥平衡，使放大器输出电压0为零。如果带材在移动过程中左偏时，遮光面积减小，光敏电阻的光照增加，阻值变小，电桥失衡，放大器输出负压U0；若带材右偏，则遮光面积增大，光敏电阻的光照减弱，阻值变大，电桥失衡，放大器输出正压U0。输出电压U0的正负及大小，反映了带材走偏的方向及大小。输出电压U0一方面由显示器显示出来，另一方面被送到纠偏控制系统，作为驱动执行机构产生纠偏动作的控制信号。

习 题 七 物位传感器 p211
31. 机械人有哪些感觉能力（填空题）
触觉能力、接近觉、视觉、压觉、滑觉

32. 简述光电编码器的组成及其工作原理。（画出下图即可，文字可以不要）
光电编码器由发光元件、聚光镜、漏光盘、光栏板、光敏管等构成。
灯泡发出的光线经过聚焦后变成平行光束，当漏光盘上的条纹与光栏板上的条纹重合时，光敏管便接受一次光的信号并记数，由此可以测试旋转速度。

1-光源 2-聚光镜 3-漏光盘 4-光敏管 5-光拦板

33. 简述压觉传感器的工作原理。--- p190
压觉传感器是对小型线性调整器的改进。在调整器的轴上安装了线性弹簧。一个传感器有10mm的有效行程。在此范围内，将力的变化转换为遵从虎克定律的长度位移，以便进行检测。在一侧手指上，以每个6mm×10mm的面积分布一个传感器来计算，并排列了28个（四行七排）传感器。左右两侧总共有56个传感器输出。用四路A/D转换器，变速多路调制器对这些输出进行转换然后进入计算机。

习 题 八 物位传感器、光纤机械传感器 p135
34. 简述物位的概念 （见PPT）
物位是指各种容器中液体介质界面的高低，两种不溶液体介质的分界面高低和固体粉末状颗粒物料的堆积高度等的总称PPT
物位是液位、粒位和相界面的统称。-----p123

35. 请写出几种物位检测的方式
浮力式、静压式、电容式、超声波、光纤液位传感器
或：
按工作原理分：直读式物位仪表、浮子式物位仪表、差压式物位仪表、电学式物位仪表、声学式、核辐射式等

36. 填空题
1) 敞开式或常压容选择： 静压式液位传感器
2) 密封式容器选择： 差压式液位传感器
3) 超声波检测的原理： 利用声波会被液体吸收而产生衰减
（或）通过测量声波从发射至接收到被物位界面所反射的回波的时间间隔来确定物位的高低
4) 物位检测仪表量程的选择：
一般要求正常液位为最大刻度的50％左右，最高液位或上限报警点为最大刻度的90％左右，最低液位或下限报警点为最大刻度的10％左右。
5) 光纤机械量传感器可分为 传光型（非功能型）和 传感器（功能型） 两类。
6) 光纤机械量传感器调制方式：光强调制 、 相位调制 、 偏振调制 、 频率调制。

37. 对于压差式液位器的正迁移和负迁移如何调整其测量范围？
正迁移时，在正压室多了一项固定压差h1ρg；
负迁移时，在负压室多了一项固定压差（h2-h1）ρg。
只要分别调节正负迁移弹簧，使变送器的测点从起点迁移到某一数值
38. 如图所示，用差压变送器检测液位。已知ρ1 =1200kg/m3，ρ2=950kg/ m3， h1=1.0m， h2=5.0m, 液位变化的范围是0～3.0m，已知当地重力加速度为9.8m/ s2，求差压变送器的量程和迁移量。 (注意：此题与上一题分布在二套不同的卷子中)

负迁移测量安装图

解： 当液位在0～3m变化时，差压的变化量为：hmaxρ1g = 3.0×1200×9.8＝35280Pa
根据差压变送器的量程系列，可选择差变的量程为40KPa.当H=0时，有

所以差变要进行负迁移，迁移量为37.24KPa，迁移后该差变的测量范围为－37.24～2.76KPa

39. 根据工艺介质性质的不同，物位检测仪表的选择不同，为什么？
（注：此综合题难度最大，通常出在C卷中，补考时用）
超声波物位传感器测量物位的缺点：不能测量有气泡和有悬浮物的液位；当被测量液面有很大波浪时，在测量上会引起声波反射混乱，产生测量误差。单探头式不适于检测小于盲区的距离。超声波物位传感器的检测范围为10-2m~104m，精度为0.1%。
光纤液面传感器不宜用于检测粘附在敏感元件玻璃表面的物质。但它耐化学腐蚀，可用于检测大型蓄电池的电解液液位。
压力计式液压计要求液体密度ρ必须为常数，否则会引起误差。
吹气式液位计最适合于腐蚀性、高粘度、含有悬浮颗粒的液体，但是对于闭口容器根本不能使用。
高频电感电容电桥结构简单，调整方便，但精度不高，线性差。
因此，根据工艺介质的性质不同选择，首先选差压式、浮筒式和浮子式仪表，当不满足要求时，可选电容式、电阻式、声波式或辐射式仪表。
动手练习，不作要求
1. 气体压力传感器测量血压与心率的设计性实验-------查相关资料，自己设计电路，
掌握其原理及基本测量方法，学习放大器的特点，组装数字式气体压力仪，用标准指针式压力表进行标定。
主要元器件：数字示波器、计算机对所测数字进行计算或标定。

2. 检测震动传感器
功能：加速度传感器，如手提电脑的硬盘抗摔保护，数码相机和摄像机中用来调焦或聚焦，汽车安全气囊--------通过加速度测量振动。
采用压电式传感器、电阻应变式传感器、电容传感器实现加速度的测量将非电量转化为电量输出。

3. 基于单片机控制的水温控制系统的设计

14