【正文】 《傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)》習(xí)題解答第1章 傳感器的基本知識(shí)1. 簡(jiǎn)述傳感器的概念、作用及組成。答：傳感器的定義是：“能感受（或響應(yīng)）規(guī)定的被測(cè)量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置”。作用：將被測(cè)量轉(zhuǎn)換成與其有一定關(guān)系的易于處理的電量。組成：敏感元器件、轉(zhuǎn)換元器件、轉(zhuǎn)換電路及輔助電源。2. 傳感器的分類有哪幾種？各有什么優(yōu)缺點(diǎn)？答：傳感器常用的分類方法有兩種，一種是按被測(cè)輸入量來分，另一種是按傳感器的工作原理來分。按被測(cè)輸入量來分：這種分類方法的優(yōu)點(diǎn)是比較明確地表達(dá)了傳感器的用途，便于使用者根據(jù)其用途選用。其缺點(diǎn)是沒有區(qū)分每種傳感器在轉(zhuǎn)換機(jī)理上有何共性和差異，不便于使用者掌握其基本原理及分析方法。按傳感器的工作原理來分：這種分類的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)傳感器的工作原理表達(dá)的比較清楚，而且類別少，有利于傳感器專業(yè)工作者對(duì)傳感器進(jìn)行深入的研究分析。其缺點(diǎn)是不便于使用者根據(jù)用途選用。3. 傳感器是如何命名的？其代號(hào)包括哪幾部分？在各種文件中如何應(yīng)用？答：一種傳感器產(chǎn)品的名稱，應(yīng)由主題詞及4級(jí)修飾語(yǔ)構(gòu)成。（1） 主題詞——傳感器。（2）第1級(jí)修飾語(yǔ)——被測(cè)量，包括修飾被測(cè)量的定語(yǔ)。（3）第2級(jí)修飾語(yǔ)——轉(zhuǎn)換原理，一般可后續(xù)以“式”字。（4）第3級(jí)修飾語(yǔ)——特征描述，指必須強(qiáng)調(diào)的傳感器結(jié)構(gòu)、性能、材料特征、敏感元件及其他必須的性能特征，一般可后續(xù)以“型”字。（5）第4級(jí)修飾語(yǔ)——主要技術(shù)指標(biāo)（量程、精確度、靈敏度等）。本命名法在有關(guān)傳感器的統(tǒng)計(jì)表格、圖書索引、檢索以及計(jì)算機(jī)漢字處理等特殊場(chǎng)合使用。例1： 傳感器，絕對(duì)壓力，應(yīng)變式，放大型，1～3500kPa；例2： 傳感器，加速度，壓電式，177。20g。在技術(shù)文件、產(chǎn)品樣書、學(xué)術(shù)論文、教材及書刊的陳述句子中，作為產(chǎn)品名稱應(yīng)采用與上述相反的順序。例3： 1～3500kPa放大型應(yīng)變式絕對(duì)壓力傳感器；例4： 177。20g壓電式加速度傳感器。在側(cè)重傳感器科學(xué)研究的文獻(xiàn)、報(bào)告及有關(guān)教材中，為方便對(duì)傳感器進(jìn)行原理及其分類的研究，允許只采用第2級(jí)修飾語(yǔ)，省略其他各級(jí)修飾語(yǔ)。傳感器代號(hào)的標(biāo)記方法：一般規(guī)定用大寫漢字拼音字母和阿拉伯?dāng)?shù)字構(gòu)成傳感器完整代號(hào)。傳感器完整代號(hào)應(yīng)包括以下4個(gè)部分：（1）主稱（傳感器）；（2）被測(cè)量；（3）轉(zhuǎn)換原理；（4）序號(hào)。4部分代號(hào)格式為：在被測(cè)量、轉(zhuǎn)換原理、序號(hào)3部分代號(hào)之間有連字符“”連接。例5：應(yīng)變式位移傳感器，代號(hào)為：CWYYB10；例6：光纖壓力傳感器，代號(hào)為：CYGQ1；例7：溫度傳感器，代號(hào)為：CW01A；例8：電容式加速度傳感器，代號(hào)為：CADR2。有少數(shù)代號(hào)用其英文的第一個(gè)字母表示，如加速度用“A”表示。4. 傳感器的靜態(tài)性能指標(biāo)有哪些？其含義是什么？答：傳感器的靜態(tài)特性主要由線性度、靈敏度、重復(fù)性、遲滯、分辨力和閾值、穩(wěn)定性、漂移及量程范圍等幾種性能指標(biāo)來描述。含義：線性度是傳感器輸出量與輸入量之間的實(shí)際關(guān)系曲線偏離理論擬合直線的程度，又稱非線性誤差。通常用相對(duì)誤差表示其大??；靈敏度是指?jìng)鞲衅髟诜€(wěn)態(tài)下，輸出增量與輸入增量的比值。對(duì)于線性傳感器，其靈敏度就是它的靜態(tài)特性曲線的斜率，對(duì)于非線性傳感器，其靈敏度是一個(gè)隨工作點(diǎn)而變的變量，它是特性曲線上某一點(diǎn)切線的斜率。重復(fù)性是傳感器在輸入量按同一方向作全量程多次測(cè)試時(shí)，所得特性曲線不一致性的程度。遲滯是傳感器在正向行程(輸入量增大)和反向行程(輸入量減小)期間，輸出—輸入特性曲線不一致的程度。傳感器的分辯力是在規(guī)定測(cè)量范圍內(nèi)所能檢測(cè)的輸入量的最小變化量。有時(shí)也用該值相對(duì)滿量程輸入值的百分?jǐn)?shù)表示，稱為分辨率。閾值通常又稱為死區(qū)、失靈區(qū)、靈敏限、靈敏閾、鈍感區(qū)，是輸入量由零變化到使輸出量開始發(fā)生可觀變化的輸入量的值。穩(wěn)定性有短期穩(wěn)定性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性之分。傳感器常用長(zhǎng)期穩(wěn)定性表示，它是指在室溫條件下,經(jīng)過相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間間隔，如一天、一月或一年，傳感器的輸出與起始標(biāo)定時(shí)的輸出之間的差異。通常又用其不穩(wěn)定度來表征其輸出的穩(wěn)定度。傳感器的漂移是指在外界的干擾下，輸出量發(fā)生與輸入量無關(guān)的不需要的變化。漂移包括零點(diǎn)漂移和靈敏度漂移。零點(diǎn)漂移和靈敏度漂移又可分為時(shí)間漂移和溫度漂移。時(shí)間漂移是指在規(guī)定的條件下，零點(diǎn)或靈敏度隨時(shí)間而緩慢變化的情況；溫度漂移為環(huán)境溫度變化而引起的零點(diǎn)或靈敏度的變化。傳感器所能測(cè)量的最大被測(cè)量（輸入量）的數(shù)值稱為測(cè)量上限，最小被測(cè)量稱為測(cè)量下限，上限與下限之間的區(qū)間，則稱為測(cè)量范圍。測(cè)量范圍可能是單向的（只有正向與負(fù)向）、也可能是雙向的、或雙向不對(duì)稱的和無零值的等。測(cè)量上限與下限的代數(shù)和稱為量程。5. 傳感器的動(dòng)態(tài)特性主要從哪兩方面來描述？采用什么樣的激勵(lì)信號(hào)？其含義是什么？答：傳感器的動(dòng)態(tài)特性主要從時(shí)域和頻域兩方面來描述，采用瞬態(tài)響應(yīng)法和頻率響應(yīng)法來分析。通常采用階躍信號(hào)和正弦信號(hào)作為激勵(lì)信號(hào)。以階躍信號(hào)作為系統(tǒng)的輸入，研究系統(tǒng)輸出波形的方法稱為瞬態(tài)響應(yīng)法（時(shí)域）；以正弦信號(hào)作為系統(tǒng)的輸入，研究系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)響應(yīng)的方法稱為頻率響應(yīng)法（頻域）。第2章 力、壓力傳感器1. 力傳感器的組成是什么？答：力傳感器主要由力敏感元件、轉(zhuǎn)換元件和測(cè)量電路組成。2. 彈性敏感元件的作用是什么？其分類有幾種？各有何特點(diǎn)？答：作用：彈性敏感元件把力或壓力轉(zhuǎn)換成了應(yīng)變或位移。分類：變換力的彈性敏感元件和變換壓力的彈性敏感元件。常用的變換力的彈性敏感元件有圓柱式、圓環(huán)式、懸臂梁、扭轉(zhuǎn)軸等。其特點(diǎn)：（1）圓柱式彈性敏感元件，根據(jù)截面形狀可分為實(shí)心圓柱及空心圓柱等。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可承受較大的載荷，便于加工，實(shí)心圓柱形可測(cè)量大于10kN的力，空心圓柱形可測(cè)量1～10kN的力，應(yīng)力變化均勻。（2） 圓環(huán)式彈性敏感元件比圓柱式輸出的位移量大，因而具有較高的靈敏度，適用于測(cè)量較小的力。但它的工藝性較差，加工時(shí)不易得到較高的精度。（3）懸臂梁式彈性敏感元件。它的一端固定，一端自由，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工方便，應(yīng)變和位移較大，適用于測(cè)量1～5kN的力。等截面懸臂梁，梁上各處的變形大小不同，不便于粘貼應(yīng)變片。變截面懸臂梁（也稱等強(qiáng)度懸臂梁），梁上各處的截面不等，但沿整個(gè)長(zhǎng)度方向上各處的應(yīng)變相等，便于粘貼應(yīng)變片。（4）扭轉(zhuǎn)軸彈性敏感元件主要用來制作扭矩傳感器，它利用扭轉(zhuǎn)軸彈性體把扭矩變換為角位移，再把角位移變換為電信號(hào)輸出。3. 電阻應(yīng)變式傳感器的工作原理是什么？它是如何測(cè)量試件的應(yīng)變的？答：電阻應(yīng)變片式傳感器是利用了金屬和半導(dǎo)體材料的“應(yīng)變效應(yīng)”的原理來工作的。即金屬和半導(dǎo)體材料的電阻值隨它承受的機(jī)械變形大小而發(fā)生變化的現(xiàn)象。測(cè)試時(shí)，將應(yīng)變片用粘接劑牢固的粘貼在被測(cè)試件的表面上，隨著試件受力變形，應(yīng)變片的敏感柵也獲得同樣的變形，從而使其電阻隨之發(fā)生變化，而此電阻的變化是與試件應(yīng)變成比例的，因此如果通過一定的測(cè)量線路將這種電阻的變化轉(zhuǎn)換為電壓或電流變化，然后再用顯示記錄儀表將其顯示記錄下來，就能知道被測(cè)試件應(yīng)變量的大小。其原理圖如圖27所示。圖27 電阻應(yīng)變片測(cè)試與原理圖4. 電阻應(yīng)變式傳感器的測(cè)量電路有哪些？各有何特點(diǎn)？答：電阻應(yīng)變片傳感器輸出電阻的變化較小，一般為～，要精確的測(cè)量出這些微小電阻的變化，常采用橋式測(cè)量電路。根據(jù)電橋電源的不同，電橋可分為直流電橋和交流電橋，可采用恒壓源或恒流源供電。由于直流電橋比較簡(jiǎn)單，交流電橋原理與它相似，所以我們只分析直流電橋的工作原理。其特點(diǎn)是，當(dāng)被測(cè)量無變化時(shí)，電橋平衡，輸出為零。當(dāng)被測(cè)量發(fā)生變化時(shí)，電橋平衡被打破，有電壓輸出，輸出的電壓與被測(cè)量的變化成比例。 根據(jù)電橋工作橋臂的不同，分為單臂電橋、差動(dòng)雙臂電橋（半橋）、差動(dòng)全橋三種類型。雙臂電橋輸出靈敏度是單臂電橋的兩倍，全橋輸出是雙臂電橋的兩倍。并且采用雙臂和全橋測(cè)量，可以補(bǔ)償由于溫度變化引起的測(cè)量誤差。5. 電阻應(yīng)變片為什么要進(jìn)行溫度補(bǔ)償？補(bǔ)償方法有哪些？答：電阻應(yīng)變片傳感器是靠電阻值來度量應(yīng)變的，所以希望它的電阻只隨應(yīng)變而變，不受任何其他因素影響。但實(shí)際上，雖然用作電阻絲材料的銅、康銅溫度系數(shù)很小(大約在a=(～)/℃)， 但與所測(cè)應(yīng)變電阻的變化比較，仍屬同一量級(jí)。如不補(bǔ)償，會(huì)引起很大測(cè)量誤差。應(yīng)變片的溫度補(bǔ)償方法通常有兩種，即線路補(bǔ)償和應(yīng)變片自補(bǔ)償。6. 應(yīng)變片的粘貼、固化和檢查工藝有哪些？答：應(yīng)變片的粘貼工藝如下：（1）試件表面的處理 粘貼之前，應(yīng)先將試件表面清理干凈，用細(xì)砂紙將試件表面打磨平整，再用丙酮、四氯化碳或佛利昂徹底清洗試件表面的灰塵、油漬，清理面積約為應(yīng)變片的3～5倍。（2）確定貼片位置 根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求在試件上劃線，以確定貼片的位置。（3）粘貼 在清理的試件表面上均勻涂刷一薄層粘接劑作為底層，待其干燥固化后，再在此底層及應(yīng)變片基地的地面上均勻涂刷一薄層粘接劑，等粘接劑稍干，即將應(yīng)變片貼在畫線位置，用手指滾壓，把氣泡和多余的粘接劑擠出。注意，應(yīng)變片的底面也要清理。（4）固化 粘貼好的應(yīng)變片按規(guī)定壓力、升降溫度速率及保溫時(shí)間等進(jìn)行固化處理。（5）穩(wěn)定處理 粘接劑在固化過程中會(huì)膨脹和收縮，致使應(yīng)變片產(chǎn)生殘余應(yīng)力。為使應(yīng)變片的工作性能良好，還應(yīng)進(jìn)行一次穩(wěn)定處理，稱為后固化處理，即將應(yīng)變片加溫至比最高工作溫度高10～20℃，但不用加壓。（6）檢查 經(jīng)固化和穩(wěn)定處理后，測(cè)量應(yīng)變片的阻值，以檢查貼片過程中敏感柵和引線是否損壞。另外還應(yīng)測(cè)量引線和試件之間的絕緣電阻，一般情況下，絕緣電阻為50兆歐即可，對(duì)于高精度測(cè)量，則需在2000兆歐以上。7）引線的焊接與防護(hù) 應(yīng)變片引線最好采用中間連接片應(yīng)出，引線要適當(dāng)固定，為了保證應(yīng)變片工作的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，應(yīng)采取防潮、防水等措施，如在應(yīng)變片及其引線上涂以石蠟、石蠟松香混合劑、環(huán)氧樹脂、有機(jī)硅、清漆等保護(hù)層，或在試件上焊上金屬箔，將應(yīng)變片全部覆蓋。7. 圖288為一直流應(yīng)變電橋。，試求：（1） 為金屬應(yīng)變片，其余為外接電阻，當(dāng)變化量為時(shí)，電橋輸出電壓圖 288 直流應(yīng)變電橋（2）都是應(yīng)變片，且批號(hào)相同，感受應(yīng)變的極性和大小都相同，其余為外接電阻，電橋的輸出電壓（3） 題（2）中，如果感受應(yīng)變的極性相反，且，電橋的輸出電壓（4） 由題（1）～（3）能得出什么結(jié)論與推論？答：（1）當(dāng)為金屬應(yīng)變片，其余為外接電阻時(shí)，電橋?yàn)閱伪酃ぷ麟姌?，?dāng)變化量為時(shí)，電橋輸出電壓： （2）當(dāng)都是應(yīng)變片，且批號(hào)相同，感受應(yīng)變的極性和大小都相同，其余為外接電阻時(shí)，根據(jù)電橋的輸出總公式 可知，此時(shí)。電橋的輸出：（3） 題（2）中，如果感受應(yīng)變的極性相反，且，也就是，此時(shí)電橋?yàn)椴顒?dòng)雙臂電橋（半橋），電橋輸出電壓：此時(shí)電橋。（4） 由題（1）～（3）可知雙臂電橋輸出靈敏度是單臂電橋的兩倍，電橋的相鄰兩個(gè)橋臂為應(yīng)變片工作橋臂時(shí)，感受的應(yīng)變必須是一個(gè)受拉，一個(gè)受壓，電橋才有輸出。8. 壓電式傳感器的工作原理是什么？壓電材料有哪些？答：壓電式傳感器的工作原理是壓電效應(yīng)，即某些晶體受一定方向外力作用而發(fā)生機(jī)械變形時(shí)，相應(yīng)地在一定的晶體表面產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷，外力去掉后，電荷消失。力的方向改變時(shí)，電荷的符號(hào)也隨之改變，這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。用于傳感器的壓電材料或元件可分三類：一類是單晶壓電晶體；另一類是極化的多晶壓電陶瓷；第三類是高分子壓電材料。9. 試用石英晶體為例說明壓電效應(yīng)產(chǎn)生的過程。答：石英晶體是一種應(yīng)用廣泛的壓電晶體。它是二氧化硅單晶體，圖224是天然石英晶體的外形圖，它為規(guī)則的正六角棱柱體。在正常情況下，石英晶體的每一個(gè)晶體單元中，有三個(gè)硅離子和六個(gè)氧離子，正負(fù)離子分布在正六邊形的頂角上，當(dāng)無外力作用時(shí)，正、負(fù)電荷中心重合，對(duì)外不顯電性。當(dāng)在X軸向施加壓力時(shí)，如圖225(a)所示，各晶格上的帶電粒子均產(chǎn)生相對(duì)位移，氧離子擠入兩個(gè)硅離子之間，而硅離子也擠入兩個(gè)氧離子之間，正電荷中心向B面移動(dòng)，負(fù)電荷中心向A面移動(dòng)，因而B面呈現(xiàn)正電荷，A面呈現(xiàn)負(fù)電荷。當(dāng)在X軸向施加拉力時(shí)，如圖225(b)所示，各晶格上的帶電粒子均沿X軸向外產(chǎn)生位移，因而A面呈現(xiàn)正電荷， B面呈現(xiàn)負(fù)電荷。在Y方向施加壓力時(shí)，如圖225（c）所示，晶格沿y軸被向內(nèi)壓縮，A面呈現(xiàn)正電荷， B面呈現(xiàn)負(fù)電荷。在Y方向施加拉力時(shí)，如圖225（d）所示，晶格在y向被拉長(zhǎng)，X向縮短，B面呈現(xiàn)正電荷，A面呈現(xiàn)負(fù)電荷。若沿Z軸方向施加力的作用時(shí)，由于硅離子和氧離子是對(duì)稱的平移，故在表面沒有電荷出現(xiàn)，因而不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。這就是石英晶體壓電效應(yīng)產(chǎn)生的過程。 10. 壓電陶瓷有何特點(diǎn)？答：壓電陶瓷是人工制造的一種多晶壓電體，它有無數(shù)的單晶組成，各單晶的自發(fā)極化方向是任意排列的。因此，雖然每個(gè)單晶具有強(qiáng)的壓電性質(zhì)，但組成多晶后，各單晶的壓電效應(yīng)卻互相抵消了，所以，原始的壓電陶瓷是一個(gè)非壓電體，不具有壓電效應(yīng)。為了使壓電陶瓷具有壓電效應(yīng)，就必須進(jìn)行極化理。即在一定的溫度條件下，對(duì)壓電陶瓷施加強(qiáng)電場(chǎng)，使極性軸轉(zhuǎn)動(dòng)到接近電場(chǎng)方向，規(guī)則排列，這時(shí)壓電陶瓷就具有了壓電性，在極化電場(chǎng)去除后，留下了很強(qiáng)的剩余極化強(qiáng)度。當(dāng)壓電陶瓷受到力的作用時(shí)，極化強(qiáng)度就發(fā)生變化，在垂直于極化方向上的平面上就會(huì)出現(xiàn)電荷。壓電陶瓷的縱向壓電系數(shù)比石英晶體的壓電系數(shù)大得多，所以采用壓電陶瓷制作的壓電式傳感器靈敏度較高。11. 壓電傳感器的測(cè)量電路是什么？各有何特點(diǎn)？為什么壓電傳感器不能測(cè)量靜態(tài)的力？答：根據(jù)壓電傳感器的工作原理和等效電路，壓電傳感器的輸出可以是電壓信號(hào)，這時(shí)可以把傳感器看作電壓發(fā)生器；也可以是電荷信號(hào)，這時(shí)可以把傳感器看作電荷發(fā)生器。因此前置放大器也有兩種形式：電電壓放大器壓放大器和電荷放大器。特點(diǎn)：由電壓放大器的輸出可以看出，放大器輸入電壓與電纜的電容Cc有關(guān)系，當(dāng)改變連接傳感器與前置放大器的電纜長(zhǎng)度時(shí)，Cc將改變，從而引起放大器的