傳感器與自動檢測技術(shù)課后答案

傳感器與自動檢測技術(shù)課后答案第6章6.1答：某些電介質(zhì)在沿一定的方向受到外力的作用變形時，由于內(nèi)部電極化現(xiàn)象同時在兩個表面上產(chǎn)生符號相反的電荷，當(dāng)外力去掉后，恢復(fù)到不帶電的狀態(tài)；而當(dāng)作用力方向改變時，電荷的極性隨著改變。晶體受力所產(chǎn)生的電荷量與外力的大小成正比。這種現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)。反之，如對晶體施加一定變電場，晶體本身將產(chǎn)生機(jī)械變形，外電場撤離，變形也隨之消失，稱為逆壓電效應(yīng)。壓電材料有：石英晶體、一系列單晶硅、多晶陶瓷、有機(jī)高分子聚合材料下頁上頁返回圖庫2021/1/42第6章6.1結(jié)構(gòu)和應(yīng)用特點：在壓電式傳感器中，為了提高靈敏度，往往采用多片壓電芯片構(gòu)成一個壓電組件。其中最常用的是兩片結(jié)構(gòu)；根據(jù)兩片壓電芯片的連接關(guān)系，可分為串聯(lián)和并聯(lián)連接，常用的是并聯(lián)連接，可以增大輸出電荷，提高靈敏度。使用時，兩片壓電芯片上必須有一定的預(yù)緊力，以保證壓電組件在工作中始終受到壓力作用，同時可消除兩片壓電芯片因接觸不良而引起的非線性誤差，保證輸出信號與輸入作用力間的線性關(guān)系下頁上頁返回圖庫2021/1/43第6章6.1因此需要測量電路具有無限大的輸入阻抗。但實際上這是不可能的，所以壓電傳感器不宜作靜態(tài)測量，只能在其上加交變力，電荷才能不斷得到補充，并給測量電路一定的電流。故壓電傳感器只能作動態(tài)測量。6.2答：如作用在壓電組件上的力是靜態(tài)力，則電荷會泄露，無法進(jìn)行測量。所以壓電傳感器通常都用來測量動態(tài)或瞬態(tài)參量。下頁上頁返回圖庫2021/1/44第6章6.3答：石英晶體整個晶體是中性的，受外力作用而變形時，沒有體積變形壓電效應(yīng)，但它具有良好的厚度變形和長度變形壓電效應(yīng)。壓電陶瓷是一種多晶鐵電體。原始的壓電陶瓷材料并不具有壓電性，必須在一定溫度下做極化處理，才能使其呈現(xiàn)出壓電性。所謂極化，就是以強電場使“電疇”規(guī)則排列，而電疇在極化電場除去后基本保持不變，留下了很強的剩余極化。當(dāng)極化后的鐵電體受到外力作用時，其剩余極化強度將隨之發(fā)生變化，從而使一定表面分別產(chǎn)生正負(fù)電荷。下頁上頁返回圖庫2021/1/45第6章6.3在極化方向上壓電效應(yīng)最明顯。鐵電體的參數(shù)也會隨時間發(fā)生變化—老化，鐵電體老化將使壓電效應(yīng)減弱。6.4答：基本考慮點是如何更好的改變傳感器的頻率特性，以使傳感器能用于更廣泛的領(lǐng)域。6.5略下頁上頁返回圖庫2021/1/46第7章7.1答：當(dāng)用光照射物體時，物體受到一連串具有能量的光子的轟擊，于是物體材料中的電子吸收光子能量而發(fā)生相應(yīng)的電效應(yīng)（如電阻率變化、發(fā)射電子或產(chǎn)生電動勢等）。這種現(xiàn)象稱為光電效應(yīng)。7.2答：①吸收性損耗：吸收損耗與組成光纖的材料的中子受激和分子共振有關(guān)，當(dāng)光的頻率與分子的振動頻率接近或相等時，會發(fā)生共振，并大量吸收光能量，引起能量損耗。②散射性損耗：是由于材料密度的微觀變化、成下頁上頁返回圖庫2021/1/47第7章7.2分起伏，以及在制造過程中產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)上的不均勻性或缺陷引起。一部分光就會散射到各個方向去，不能傳輸?shù)浇K點，從而造成散射性損耗。③輻射性損耗：當(dāng)光纖受到具有一定曲率半徑的彎曲時，就會產(chǎn)生輻射磁粒。a彎曲半徑比光纖直徑大很多的彎曲b微彎曲：當(dāng)把光纖組合成光纜時，可能使光纖的軸線產(chǎn)生隨機(jī)性的微曲。下頁上頁返回圖庫2021/1/48第7章7.3答：光導(dǎo)纖維工作的基礎(chǔ)是光的全內(nèi)反射，當(dāng)射入的光線的入射角大于纖維包層間的臨界角時，就會在光纖的接口上產(chǎn)生全內(nèi)反射，并在光纖內(nèi)部以后的角度反復(fù)逐次反射，直至傳遞到另一端面。優(yōu)點：a具有優(yōu)良的傳旋光性能，傳導(dǎo)損耗小b頻帶寬，可進(jìn)行超高速測量，靈敏度和線性度好c能在惡劣的環(huán)境下工作，能進(jìn)行遠(yuǎn)距離信號的傳送下頁上頁返回圖庫2021/1/49第7章7.3功能型光纖傳感器其光纖不僅作為光傳播的波導(dǎo)，而且具有測量的功能。它可以利用外界物理因素改變光纖中光的強度、相位、偏振態(tài)或波長，從而對外界因素進(jìn)行測量和數(shù)據(jù)傳輸。下頁上頁返回圖庫2021/1/410第7章7.4答：是一種半導(dǎo)體器件，在N型或P型硅襯底上生長一層很薄的2，再在2薄層上依次序沉積金屬電極，這種規(guī)則排列的電容數(shù)組再加上兩端的輸入及輸出二極管就構(gòu)成了芯片可以把光信號轉(zhuǎn)換成電脈沖信號。每一個脈沖只反映一個光敏元的受光情況，脈沖幅度的高低反映該光敏元受光的強弱，輸出脈沖的順序可以反映光敏元的位置，這就起到圖像傳感器的作用。下頁上頁返回圖庫2021/1/411第8章8.1答：熱電阻傳感器分為以下幾種類型：①鉑電阻傳感器：特點是精度高、穩(wěn)定性好、性能可靠。主要作為標(biāo)準(zhǔn)電阻溫度計使用，也常被用在工業(yè)測量中。此外，還被廣泛地應(yīng)用于溫度的基準(zhǔn)、標(biāo)準(zhǔn)的傳遞，是目前測溫復(fù)現(xiàn)性最好的一種。②銅電阻傳感器：價錢較鉑金屬便宜。在測溫范圍比較小的情況下，有很好的穩(wěn)定性。溫度系數(shù)比較大，電阻值與溫度之間接近線性關(guān)系。材料容易提純，價格便宜。不足之處是測量精度較鉑電阻稍低、電阻率小。下頁上頁返回圖庫2021/1/412第8章8.1③鐵電阻和鎳電阻：鐵和鎳兩種金屬的電阻溫度系數(shù)較高、電阻率較大，故可作成體積小、靈敏度高的電阻溫度計，其缺點是容易氧化，化學(xué)穩(wěn)定性差，不易提純，復(fù)制性差，而且電阻值與溫度的線性關(guān)系差。目前應(yīng)用不多下頁上頁返回圖庫2021/1/413第8章8.2答：①熱電動勢：兩種不同材料的導(dǎo)體（或半導(dǎo)體）A、B串接成一個閉合回路，并使兩個結(jié)點處于不同的溫度下，那么回路中就會存在熱電勢。有電流產(chǎn)生相應(yīng)的熱電勢稱為溫差電勢或塞貝克電勢，通稱熱電勢。②接觸電動勢：接觸電勢是由兩種不同導(dǎo)體的自由電子，其密度不同而在接觸處形成的熱電勢。它的大小取決于兩導(dǎo)體的性質(zhì)及接觸點的溫度，而與導(dǎo)體的形狀和尺寸無關(guān)。③溫差電動勢：是在同一根導(dǎo)體中，由于兩端溫度不同而產(chǎn)生的一種電勢。

下頁上頁返回圖庫2021/1/414第8章8.2④熱電偶測溫原理：熱電偶的測溫原理基于物理的"熱電效應(yīng)"。所謂熱電效應(yīng)，就是當(dāng)不同材料的導(dǎo)體組成一個閉合回路時，若兩個結(jié)點的溫度不同，那么在回路中將會產(chǎn)生電動勢的現(xiàn)象。兩點間的溫差越大，產(chǎn)生的電動勢就越大。引入適當(dāng)?shù)臏y量電路測量電動勢的大小，就可測得溫度的大小。⑤熱電偶三定律：a中間導(dǎo)體定律：熱電偶測溫時，若在回路中插入中間導(dǎo)體，只要中間導(dǎo)體兩端的溫度相同，則對熱電偶回路總的熱電勢不產(chǎn)生影響。在用熱電偶測溫時，連接導(dǎo)線及顯示一起等均可看成中間導(dǎo)體。下頁上頁返回圖庫2021/1/415第8章8.2b中間溫度定律：任何兩種均勻材料組成的熱電偶，熱端為T，冷端為T時的熱電勢等于該熱電偶熱端為T冷端為時的熱電勢與同一熱電偶熱端為，冷端為T0時熱電勢的代數(shù)和。應(yīng)用：對熱電偶冷端不為0度時，可用中間溫度定律加以修正。熱電偶的長度不夠時，可根據(jù)中間溫度定律選用適當(dāng)?shù)难a償線路。c參考電極定律：如果A、B兩種導(dǎo)體（熱電極）分別與第三種導(dǎo)體C下頁上頁返回圖庫2021/1/416第8章8.2（參考電極）組成的熱電偶在結(jié)點溫度為（T，T0）時分別為和，那么受相同溫度下，又A、B兩熱電極配對后的熱電勢為實用價值：可大大簡化熱電偶的選配工作。在實際工作中，只要獲得有關(guān)熱電極與標(biāo)準(zhǔn)鉑電極配對的熱電勢，那么由這兩種熱電極配對組成熱電偶的熱電勢便可由上式求得，而不需逐個進(jìn)行測定。⑥誤差因素：參考端溫度受周圍環(huán)境的影響

下頁上頁返回圖庫2021/1/417第8章8.2減小誤差的措施有：a0恒溫法b計算修正法（冷端溫度修正法）c儀表機(jī)械零點調(diào)整法d熱電偶補償法e電橋補償法f冷端延長線法8.3見8.2下頁上頁返回圖庫2021/1/418第8章8.4答：電阻溫度計利用電阻隨溫度變化的特性來測量溫度。熱電偶溫度計是根據(jù)熱電效應(yīng)原理設(shè)計而成的。前者將溫度轉(zhuǎn)換為電阻值的大小，后者將溫度轉(zhuǎn)換為電勢大小。相同點：都是測溫傳感器，精度及性能都與傳感器材料特性有關(guān)。下頁上頁返回圖庫2021/1/419第8章8.5答：在不平衡電橋中，"檢流計"改稱為"電流計"，其作用而不是檢查有無電流而是測量電流的大小。可見，不平衡電橋和平衡電橋的測量原理有原則上的區(qū)別。利用電橋除可精確測量電阻外，還可測量一些非電學(xué)量。例如，為了測量溫度變化，只需用一種"熱敏組件"把它轉(zhuǎn)化為電阻的變化，然后用電橋測量。不平衡電橋往往用于測量非電學(xué)量，此外還可用于自動控制和遠(yuǎn)距離聯(lián)動機(jī)構(gòu)中。下頁上頁返回圖庫2021/1/420第8章8.6答：伏安特性表征熱敏電阻在恒溫介質(zhì)下流過的電流I與其上電壓降U之間的關(guān)系。當(dāng)電流很小時不足以引起自身發(fā)熱，阻值保持恒定，電壓降與電流間符合歐姆定律。當(dāng)電流I>時，隨著電流增加，功耗增大，產(chǎn)生自熱，阻值隨電流增加而減小，電壓降增加速度逐漸減慢，因而出現(xiàn)非線性的正阻區(qū)。電流增大到時，電壓降達(dá)到最大值。此后，電流繼續(xù)增大時，自熱更為強烈，由于熱敏電阻的電阻溫度系數(shù)大，阻值隨電流增加而減小的速度大于電壓降增加的速度，于是就出現(xiàn)負(fù)阻區(qū)段。

下頁上頁返回圖庫2021/1/421第8章8.6研究伏安特性，有助于正確選擇熱敏電阻的工作狀態(tài)。對于測溫、控溫和溫度補償，應(yīng)工作于伏安特性的線性區(qū)，這樣就可以忽略自熱的影響，使電阻值僅取決于被測溫度。對于利用熱敏電阻的耗散原理工作的場合，例如測量風(fēng)速、流量、真空等，則應(yīng)工作于伏安特性的負(fù)阻區(qū)。8.7略8.8略下頁上頁返回圖庫2021/1/422第9章9.1答：核輻射傳感器是基于射線通過物質(zhì)時產(chǎn)生的電離作用，或利用射線能使某些物質(zhì)產(chǎn)生熒光，再配以光電組件，將光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柕膫鞲衅鳌?.2答：核輻射傳感器可以實現(xiàn)氣體成分、材料厚度、物質(zhì)密度、物位、材料內(nèi)傷等的測量。但是要注意放射性輻射的防護(hù)。9.3答：可用來檢測厚度、液位、物位、轉(zhuǎn)速、材料密度、重量、氣體壓力、流速、溫度及濕度等參數(shù)。下頁上頁返回圖庫2021/1/423第9章9.4答：盡量減小輻射強度，也要考慮輻射類型和性質(zhì)。在實際工作中要采取多種方式來減少射線的照射強度和照射時間，如采用屏蔽層，利用輔助工具，或是增加與輻射源的距離等各種措施。下頁上頁返回圖庫2021/1/424第10章10.1答：智能傳感器集信息采集，信息的記憶、辨別、存儲、處理于一體，是一種將普通傳感器與微處理器一體化，兼有檢測和信息處理功能的新型傳感器，具有一定的自適應(yīng)能力。10.2答：①功能分為：a自補償功能：如非線性、溫度誤差響應(yīng)時間等的補償b自診斷功能：如在接通電源時自檢下頁上頁返回圖庫2021/1/425第10章10.2c微處理器和基本傳感器之間具有雙向通信功能，構(gòu)成一死循環(huán)工作系統(tǒng)d信息存儲和記憶功能e數(shù)字量輸出和顯示②優(yōu)點有：a精度高，可通過軟件來修正非線性，補償溫度等系統(tǒng)誤差，還可補償隨機(jī)誤差，從而使精度大為提高。b有一定的可編程自動化能力。包括指令和數(shù)據(jù)存儲、自動調(diào)零、自檢等。下頁上頁返回圖庫2021/1/426第10章10.2c功能廣。智能傳感器可以有多種形式輸出，通過串口、并口、面板數(shù)字控制數(shù)或顯示，并配打印機(jī)保存資料。d功能價格比大。在相同精度條件下，多功能智能傳感器比單功能普通傳感器性能價格比大。10.3答：三條途徑：非集成化實現(xiàn)、集成化實現(xiàn)和混合實現(xiàn)。下頁上頁返回圖庫2021/1/427第10章10.4答：包括以下內(nèi)容：①資料收集：匯集所需要的信息②資料轉(zhuǎn)換：把信息轉(zhuǎn)換成適用于微處理器使用的方式③資料分組：按有關(guān)信息進(jìn)行有效的分組④資料組織：整理資料或用其它方法安排資料，以便進(jìn)行處理和誤差修正⑤資料計算：進(jìn)行各種算術(shù)和邏輯運算，以便得到進(jìn)一步的信息下頁上頁返回圖庫2021/1/428第10章10.4⑥資料存儲：保存原始資料和計算結(jié)果，供以后使用⑦資料搜索：按要求提供有用格式的信息，然后將結(jié)果按用戶要求輸出。下頁上頁返回圖庫2021/1/429第10章10.5答：①線性參數(shù)的標(biāo)度變換，其變換公式為：②非線性參數(shù)的標(biāo)度變換，公式為：③多項式變換法下頁上頁返回圖庫2021/1/430第10章10.6答：線性溫度特性補償方法：①溫度特性曲線擬合法②溫度特性查表法非線性溫度特性補償方法：一般采用分段線性插值法（列表法）下頁上頁返回圖庫2021/1/431第10章10.7答：硬件設(shè)計：①正確選擇微處理器：常用單片機(jī)作為智能傳感器的中央處理器。②除了中央處理器外，還必須引入輸入輸出的各種功能要求。故它又可看成一個微處理器小系統(tǒng)，廣泛采用鍵盤、顯示器、打印、串并口輸出等，一起構(gòu)成了人機(jī)對話的工具。下頁上頁返回圖庫2021/1/432第11章11.1答：條件：沒有加速度、振動、沖擊（除非這些參數(shù)本身就是被測物理量）及環(huán)境溫度一般為室溫(20±5℃)相對濕度不大于85%，大氣壓力為7的情況。11.2答：對傳感器進(jìn)行標(biāo)定，是根據(jù)試驗資料確定傳感器的各項性能指針，實際上也是確定傳感器的測量精度，所以在標(biāo)定傳感器時，所用的測量儀器的精度至少要比被標(biāo)定傳感器的精度高一個等級。下頁上頁返回圖庫2021/1/433第11章11.3答：標(biāo)定方法：首先是創(chuàng)造一個靜態(tài)標(biāo)準(zhǔn)條件，其次是選擇與被標(biāo)定傳感器的精度要求相適應(yīng)的一定等級的標(biāo)定用儀器設(shè)備。然后開始對傳感器進(jìn)行靜態(tài)特性標(biāo)定。11.4答：傳感器的動態(tài)標(biāo)定主要是研究傳感器的動態(tài)響應(yīng)，而與動態(tài)響應(yīng)有關(guān)的參數(shù)，一階傳感器為時間常數(shù)二階傳感器為固有頻率和阻尼比兩個參數(shù)。下頁上頁返回圖庫2021/1/434第11章11.5答：絕對標(biāo)定法：振動計量基準(zhǔn)是采用激光光波長度作為振幅量值的絕對基準(zhǔn)。比較標(biāo)定法：將被標(biāo)的傳感器和標(biāo)準(zhǔn)傳感器相比較。是一種最常用的方法。

下頁上頁返回圖庫2021/1/435第12章12.1答：傳感器的可靠性是指傳感器在規(guī)定條件、規(guī)定時間，完成規(guī)定功能的能力。12.2答：失效分析的方法：①失效模式、效應(yīng)及危害度分析②工藝過程及質(zhì)量反饋分析③失效樹分析方法下頁上頁返回圖庫2021/1/436第12章12.3答：可靠性設(shè)計程序：①建立系統(tǒng)可靠性模型②可靠性分配③可靠性分析④可靠性預(yù)測⑤可靠性設(shè)計評審⑥試制品的可靠性試驗⑦最終的改進(jìn)設(shè)計下頁上頁返回圖庫2021/1/437第12章12.3可靠性設(shè)計原則：①盡量簡單、組件少、結(jié)構(gòu)簡單②工藝簡單③使用簡單④維修簡單⑤技術(shù)上成熟⑥選用合乎標(biāo)準(zhǔn)的原材料和組件⑦采用保守的設(shè)計方案下頁上頁返回圖庫2021/1/438第12章12.4答：產(chǎn)品喪失完成規(guī)定功能能力所有狀態(tài)及事件的總和叫失效。失效的分類：①按失效發(fā)生場合分：試驗失效、現(xiàn)場失效②按失效的程度分：完全失效、局部失效③按失效前功能或參數(shù)變化的性質(zhì)分：突然失效、退化失效④按失效排除的性質(zhì)分：穩(wěn)定性失效、間歇失效⑤按失效的外部表現(xiàn)分：明顯失效、隱蔽失效下頁上頁返回圖庫2021/1/439第12章12.4⑥按失效發(fā)生的原因分：設(shè)計上的失效、工藝上的失效、使用上的失效⑦按失效的起源分：自然失效、人為失效⑧按與其它失效的關(guān)系分：獨立失效、從屬失效⑨按失效浴盆曲線上不同階段分：早期失效、偶然失效、耗損失效等下頁上頁返回圖庫2021/1/440第13章13.1答：測量原理是指用什么樣的原理去測量被測量。測量方法：①按測量手段分類：直接測量、間接測量和聯(lián)立測量②按測量方式分類：偏差式測量、零位式測量和微差式測量。下頁上頁返回圖庫2021/1/441第13章13.2答：當(dāng)我們對同一物理量進(jìn)行多次重復(fù)測量時，如果誤差按照一定的規(guī)律性出現(xiàn)，則把這種誤差稱為系統(tǒng)誤差。系統(tǒng)誤差出現(xiàn)的原因有：①工具誤差：指由于測量儀表或儀表組成組件本身不完善所引起的誤差。②方法誤差：指由于對測量方法研究不夠而引起的誤差。③定義誤差：是由于對被測量的定義不夠明確而形成的誤差。④理論誤差：是由于測量理論本身不夠完善而只能進(jìn)行近似的測量所引起的誤差。下頁上頁返回圖庫2021/1/442第13章13.2⑤環(huán)境誤差：是由于測量儀表工作的環(huán)境（溫度、氣壓、濕度等）不是儀表校驗時的標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)，而是隨時間在變化，從而引起的誤差。⑥安裝誤差：是由于測量儀表的安裝或放置不正確所引起的誤差。⑦個人誤差：是指由于測量者本人不良習(xí)慣或操作不熟練所引起的誤差。減小系統(tǒng)誤差的方法：①引入更正值法：若通過對測量儀表的校準(zhǔn)，知道了儀表的更正值，則將測量結(jié)果的指示值加上更下頁上頁返回圖庫2021/1/443第13章13.2正值，就可得到被測量的實際值。②替換法：是用可調(diào)的標(biāo)準(zhǔn)量具代替被測量接入測量儀表，然后調(diào)整標(biāo)準(zhǔn)量具，使測量儀表的指針與被測量接入時相同，則此時的標(biāo)準(zhǔn)量具的數(shù)值即等于被測量。

③差值法：是將標(biāo)準(zhǔn)量與被測量相減，然后測量二者的差值。④正負(fù)誤差相消法：是當(dāng)測量儀表內(nèi)部存在著固定方向的誤差因素時，可以改變被測量的極性，作兩次測量，然后取二者的平均值以消除固定方向的下頁上頁返回圖庫2021/1/444第13章13.2誤差因素。⑤選擇最佳測量方案：是指總誤差為最小的測量方案，而多數(shù)情況下是指選擇合適的函數(shù)形式及在函數(shù)形式確定之后，選擇合適的測量點。13.3略13.4解：檢測儀表示值絕對誤差δ與儀表量程L之比值，稱之為儀表示值的引用誤差，最大引用誤差去掉百分號即為儀表精度。顯然此儀表的最大引用誤差為：故不合格下頁上頁返回圖庫2021/1/445第13章13.5解：150V表的最大誤差為：15V表的最大誤差為：故選擇15V表誤差較小下頁上頁返回圖庫2021/1/446第13章13.6解：毫伏表示值的絕對誤差為測6V電壓時示值的相對誤差為：測20V電壓時示值的相對誤差為：下頁上頁返回圖庫2021/1/447第13章13.7解：引用誤差：可能產(chǎn)生的示值相對誤差：下頁上頁返回圖庫2021/1/448第13章13.8解：①儀表本身精度造成的相對誤差：5V檔：25V檔：②由于儀表內(nèi)阻對被測電路的影響引起的相對誤差：5V檔：25V檔：下