传感器与测试技术

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1、传感器与测试技术平时作业(1)1画出测试系统的组成框图，并说明各组成部分的作用。答：测试系统地组成框图如下。传感器将被测系统或测试过程中需要观测的信息转化为人们所熟悉的各种信号，通常将被测物理量转 换成以电量为主要形式的电信号。信号转换部分是对传感器所送来的信号进行加工，如将电阻抗变为电压或电流、对信号进行放大等。显示和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为满足测试需要，对传感器的一般要求有哪些？答：对传感器的一般要求：1) 灵敏度高，线性度好；2) 输出信号信躁比高，这要求其内噪声低，同时不应引入外噪声；3) 滞后、漂移小；4) 特性的复显性好，具有互换性；

2、5) 动态性能好；6) 对测量对象的影响小，即“负载效应”较低。3传感器的动态特性的评价指标有哪些？答：动态特性是指传感器对随时间变化的输入量的响应特性。传感器的动态特性的评价指标有1) 时间常数T2) 上升时间 tr3) 稳定时间(或响应时间) tw4) 超调量o4提高传感器性能的方法有哪些？答：提高传感器性能的方法1) 非线性校正2) 温度补偿3) 零位法、微差法4) 闭环技术5) 平均技术6) 差动技术7) 采用屏蔽、隔离与抑制干扰措施5简述应变式电阻传感器的工作原理。答：电阻丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻值发生变化，这一现象就是电阻丝的应变效应设有一段长为，截面为，电阻率为 卅的

3、金属丝，则它的电阻为R = pS (3-1)7 C J?当它受到轴向力F而被拉伸(或压缩)时，其、尸均发生变化，如图3-1所示，如取金属丝是半径为广的圆形截面曲，那么dl dr dp=di - -dr + 厶切 珂耐JET里若金属丝沿长度方向受力而伸长A/,通常将1称为纵向应变，标为。因为它的数值在岸通常的测量中甚小，故常用10-6作为单位来表示，称为微应变，标以片。例如8=0.001lOOOue就可以表示为，称为具有1000微应变。金属丝沿其轴向拉长使其径向缩小，二者之间的关系为所以3-4)令称为金属丝的灵敏系数，它表示金属丝发生单位轴向应变时所引起的电阻值的相对变化。由式(3-4)可知，因

4、应变导致金属电阻值的变化，由两项组成：第一项表示由于几何尺寸改dp! p变引起的电阻变化；另一项& 表示单位轴向应变引起电阻率的变化。对于大多数金属电阻丝材料说则有上式表明：加载后金属丝电阻相对变化量与轴向应变成正比。传感器与测试技术平时作业(2)1电容式传感器的工作原理和主要性能是什么？答：两平行极板组成的电容器，如果不考虑边缘效应，其电容量为V当被测量的变化使式中的、 或 任一参数发生变化时，电容量C也就随之 变化，这就是电容式传感器的工作原理。主要性能是：(1) 静态灵敏度，被测量变化缓慢的状态下，电容变化量与引起其变化的被测量之比。 (2)非线性 电容量C与极板间距占不是线性关系。(3

5、)动态特性，传感器对于随时间变化的输入量的响应特性为传感器的动态特性。2简述电容式传感器的主要优缺点。答：(1)电容式传感器的优点： 温度稳定性好。 结构简单，适应性强。 动态响应好。 可以实现非接触测量，具有平均效应。电极板间的静电引力很小，所需输入力和输入能量极小，因而可测极低的压力、力和很小的加速度、 位移等，可以做得很灵敏，分辨力高，能敏感0.01 “m甚至更小的位移；由于其空气等介质损耗小，采用 差动结构并接成桥式电路，允许电路进行高倍率放大，使仪器具有很高的灵敏度。(2) 电容式传感器的主要缺点是： 输出阻抗高，负载能力差。 寄生电容影响大。 输出特性非线性。3电感式传感器的测量电

6、路主要形式是什么？答：电感式传感器的测量电路主要形式是1) 电阻平衡臂交流电桥，交流电桥是自感传感器的主要测量电路，自感线圈一般接成差动形式，如图3)紧耦合电感臂交流电桥，紧耦合电感臂交流电桥以差动电感传感器的两个线圈作电桥工作臂，而紧 耦合的两个电感作为固定臂组成电桥电路。采用这种测量电路可以消除与电感臂并联的分布电容对输出信 号的影响，使电桥平衡稳定，另外简化了接地和屏蔽的问题。4简述压磁式传感器的工作原理。答：压磁式测力传感器的压磁元件由具有正磁致伸缩特性的硅钢片粘叠而成。如下图所示，硅钢片上 冲有四个对称的孔，孔1、2的连线与孔3、4相互垂图(a)。孔1、2间绕有激磁绕组W12，孔3、

7、4间 绕有测量绕组W34，外力F与绕组W12、W34所在平面成45角。当激磁绕组W12通过一定的交变电流时， 铁心中就产生磁场H,方向如图(b)所示。设将孔间区域分成A、B、C、D四部分。在无外力作用时，A、B、 C、D四部分的磁导率相同，磁力线呈轴对称分布，合成磁场强度H平行于测量绕组W34的平面。在磁场作 用下，导磁体沿H方向磁化，磁通密度B与H取向相同。由于测量绕组无磁通通过，故不产生感应电势。(a)(b)(c)压磁式测力传感器的工作原理若对压磁元件施加压力F,如图（c）所示，A、B区域将产生很大的压应力O，而C、D区域基本上仍处 于自由状态。对于正磁致伸缩材料，压应力O使其磁化方向转向

8、垂直于压力的方向。因此，A、B区的磁导 率下降，磁阻增大，而与应力垂直方向的上升，磁阻减小。磁通密度B偏向水平方向，与测量绕组W34 交链，W34中将产生感应电势e。F值越大，W34交链的磁通越多，e值就越大。经变换处理后，即能用电 流或电压来表示被测力F的大小。5磁电式传感器可分为几类？各有什么性能特点？答：磁电式传感器分类。1变磁通式磁电传感器这种类型的传感器线圈和磁铁固定不同，利用铁磁性物质制成一个齿轮（或凸轮）与被测物体相连而 连动，在运动中齿轮（或凸轮）不断改变磁路的磁阻，从而改变了线圈的磁通，在线圈中感应出电动势。 这种类型的传感器在结构上有开磁路和闭磁路两种，一般都用来测量旋转物

9、体的角速度，产生感应电势的 频率作为输出，感应电动势的频率等于磁通变化的频率。闭磁路变磁通式传感器图闭磁路变磁通式隹感器隹感器的结构1线圈2永気磁铁X外齿轮4内齿轮于一转轴开磁路变磁通式传感器1 2 3El 6-2开磁路变磁通式传感器的结构1 一齿轮2感应线圈3软铁4一永気磁铁2) 恒定磁通式磁电传感器在图 6-4 中，线圈和壳体固定，永久磁铁用弹簧支承，当壳体随被测物体一起振动时，由于弹性元件较软而运动部件质量相对较大，因而有较大惯性，来不及跟随振动体一起振动，振动能量几乎全部被弹性元件吸收，永久磁铁与线圈之间产生相对运动，线圈切割磁力线，从而产生感应电动势6-4410 6-3动圈式恒定磁通

10、传感器1弹簧 2线圈3-# 4永気磁閣6-4定圈式恒定磁通怯感器1 一壳悴 2线圈3永久磁铁4一弹当传感器结构选定后，式6-4中占都是常数，线圈的感应电动势仅与相对运动速度”S=-=B有关，传感器的灵敏度为了得到较高的灵敏度，应采用磁能积较大的永久磁铁和尽量小的空气隙长度以提高磁感应强度，同时应使单线圈长度增加并提高有效匝数，但这些参数要受到传感器体积和重量等因素的制约。6请画出两种霍尔元件的驱动电路，并简述其优缺点答：霍尔元件的基本驱动电路如下图所示。对霍尔元件可采用恒流驱动或恒压驱动，如下图所示。恒压驱动电路简单，但性能较差。随着磁感应强度增加，线性变化坏，仅用于精度要求不太高的场合恒流驱

11、动线性度高，精度高，受温度影响小。7磁栅式传感器的误差是哪些因素引起的？可应用于哪些场合？答：磁栅式传感器的误差包括零位误差和细分误差。零位误差是由以下因素造成的：1) 磁栅的节矩不均匀造成的零位误差；2) 磁栅的安装与变形误差；3) 磁栅剩磁变化所引起的零点漂移；4) 外界磁场干扰。细分误差是由以下因素造成的：1) 由于磁膜不均匀或录制过程不完善造成磁栅上信号幅度不相等；2) 两个磁头在空间位置偏离正交较远；3) 两个磁头参数不对称引起的误差；4) 磁场高次谐波分量和感应电势高次谐波分量的影响。8在网络上查找出有介绍电容式、电感式和磁电式传感器产品的网站各一个，打印(或记录)其结构 简图、工

12、作原理、特性、主要型号、技术参数和应用等有关信息。答：1) 电容式传感器2) 电感式传感器3) 磁电式传感器传感器与测试技术平时作业（3）1. 能否用压电传感器测量变化比较缓慢的力信号？试说明其理由。当 -3时，可以近似看作放大器的输入电压与作用力的频率无关。在时间常数77 定的条件下,被测物理量的变化频率越高，则放大器的输入电压越接近理想情况。说明压电传感器具有良好的高频响应 特性。测量变化比较缓慢的力信号时，被测物理量的变化频率越低，则放大器的输入电压不理想，测量不准确。2. 比较各种压电材料的优缺点。 答：压电材料可分为三大类：压电晶体（单晶）、压电陶瓷（多晶半导瓷）和新型压电材料（包括

13、压电 半导体和高分子压电材料）。（1）压电晶体石英晶体压电系数和介电系数的温度稳定性好，常温下几乎不变，在20200C范围内其压电系数变 化率仅为-0.016%；机械强度和品质因数高，允许应力高达6.8X107 Pa9.8X107 Pa,刚度大，动态特 性好；居里点573C，无热释电性，绝缘性好，重复性好。（2）压电陶瓷 制作工艺简单、耐湿、耐高温，发展极为迅速，应用广泛。传感技术中应用的压电陶瓷材料主要有以下几种：钛酸钡BaTi03，锆钛酸铅，铌酸盐系压电陶瓷，铌镁酸铅压电陶瓷PMN。（3）压电半导体 由于压电半导体既有压电特性又有半导体特性，因此既可用其压电性研制传感器，又可用其半导体性制

14、作电子器件。硫化锌（ZnS）、碲化镉（CdTe）、氧化锌（ZnO）、硫化镉（CdS）、碲化锌（ZnTe）和砷化镓（GaAs）等。（4）高分子压电材料 一类是某些高分子聚合物经延展拉伸和电场极化后，具有压电性，称为高分子压电薄膜。另一类是在高分子化合物中加入压电陶瓷粉末如PZT或BaTiO3制成的高分子压电陶瓷薄膜。3. 为什么压电式传感器要高阻抗输出？压电放大器与电荷放大器的实质是什么？ 答：压电式传感器要高阻抗输出：由于压电式传感器输出功率小，再加上电缆分布电容和干扰问题， 会严重影响输出特性，必须在测量电路中加入前置放大器，将输入信号放大，这样传感器的电荷才不会泄 漏，才能正确测量传感器的

15、输出。电压放大器与电荷放大器的实质。电压放大器的功能是将压电传感器的高输出阻抗变为较低阻抗，并将压电式传感器的微弱电压信号放 大。电荷放大器是一种输出电压与输入电荷量成正比的前置放大器。压电传感器可以等效为一个电容器和一个电荷源，而电荷放大器实际上是一个具有深度电容负反馈的高增益运算放大器。4. 光线在光纤中传播的原理是什么？答：如图（a）所示，光纤被夹在一对锯齿板中间，当光纤不受力时，光线从光纤中穿过，没有能量损 失。当锯齿板受外力作用而产生位移时，光纤则发生许多微弯，这时在纤芯中传输的光在微弯处有部分散 射到包层中，如图（b）所示。这是由于有些光束的入射角小于临界角，不能发生全反射的原因。

16、这样输出 的光强就发生了变化，而且受力越大，光纤微弯的程度也越大，泄漏的光越多，根据光强的变化就可确定 所受压力的大小。5. 为什么采用循环码码盘可以消除二进制码盘的那种粗误差？答：为了消除粗误差，可用循环码代替二进制码。循环码是一种无权码，从任何数变到相邻数时，仅有一位数码发生变化。如果任一码道刻划有误差，只要误差不太大，且只可能有一个码道出现读数误差， 产生的误差最多等于最低位的一个比特。所以只要适当限制各码道的制造误差和安装误差，都不会产生粗 误差。 由于这一原因使得循环码码盘获得了广泛的应用。对 n 位循环码码盘，与二进制码一样，具有 2n 种不同编码，最小分辨率a =360 /2n。

17、6. 迈克尔逊干涉仪的原理是什么？ 答：迈克尔逊干涉仪原理是就是：如图所示的迈克尔逊双光束干涉系统。测量原理是来自光源 S 的光 经半反半透分光镜B后分成两路，一路由固定反射镜Ml反射，另一路经可动反射镜M2和B反射，在观察屏P处相遇产生干涉。当M2每移动半个光波波长时，干涉条纹亮暗变化一次，因此测长度的基本公式为式中，x被测长度；N干涉条纹亮暗变化次数;血真空中光波波长；n空气折射率。7. 简述PSD光学三角法测距原理。答：PSD(Position Sensitive Detector)传感器是一种对入射光位置敏感的光电器件。即当入射光 照在器件感光面的不同位置时， PSD 将输出不同的电信

18、号。通过对此输出电信号的处理，即可确定入射光 点在 PSD 器件感光面上的位置。应用PSD进行距离的测量是利用了光学三角测距的原理。如下图所示，光源发出的光经透镜L1聚焦后 投向待测体的表面。反射光由透镜L2聚焦到一维PSD上，形成一个光点。若透镜L1与L2间的中心距离为 b，透镜L2到PSD表面之间的距离(即透镜L2的焦距)为f，聚焦在PSD表面的光点距离透镜L2中心的距 离为x,则根据相似三角形的性质，可得出待测距离D为：D = bf/x因此，只要测出 PSD 的光点位置坐标 x 的值，即可测出待测体的距离。传感器与测试技术平时作业（4）1超声波在界面上发生波型转换后会产生哪些波型？这些波

19、型要遵循什么规律？答：当声波传播至两介质的分界面，一部分能重返回原介质，称为反射波；另一部分能量透过介质面 到另一介质内继续传播，称为折射波。波型要遵循规律 反射定律； 折射定律； 反射率； 反射系数； 透过率； 透过系数。2常用的超声波探伤方法有哪些？各有什么特点？答：超声波探伤法是利用超声波在物体中传播的一些物理特性来发现物体内部的不连续性，即缺陷或 伤的一种方法，是无损检验一种重要手段。常用的超声波探伤法有共振法、穿透法、脉冲反射法等。共振法是根据声波（频率可调的连续波）在工件中呈共振状态来测量工件厚度或判断有无缺陷的方法 这种方法主要用于表面较光滑的工件的厚度检测，也可用于探测复合材料

20、的粘合质量和钢板内的夹层缺陷 检测。振法的特点是1可精确的测厚，特别适宜测量薄板及薄壁管；2工件表面光洁度要求高，否则不能进行测量。 穿透法又称透射法，穿透法是将二个探头分别置于工件相对的两面，一个发射超声波，使超声波从工 件的一个界面透射到另一个界面，在该界面处用另一个探头来接收。穿透法具有以下特点：（1）探测灵敏度较低，不易发现小缺陷；（2）根据能量的变化即可判断有无缺陷，但不能定位；（3）适宜探测超声波衰减大的材料；（4）可避免盲区，适宜探测薄板；（5）指示简单，便于自动探伤；（6）对两探头的相对距离和位置要求较高。 脉冲反射法是将脉冲超声波入射至被测工作后，传播到有声阻抗差异的界面上（

21、如缺陷与工件的界面） 时，产生反射声波，波在工件的反射状况就会显示在荧光屏上，根据反射的时间及形状来判断工件内部缺 陷及材料性质的方法。脉冲反射法的特点是：（1）探测灵敏度高；（2）能准确地确定缺陷的位置和深度；（3）可用不同波型探测，应用范围广.3探头和工件的耦合方式有哪些？简述其工作原理及特点。答：探头和工件的耦合方式可分直接接触法和液浸法二种。（1）直接接触法 直接接触法就是在探头和工件之间填一层很薄的耦合济。由于声耦合的好坏直接影响到探伤灵敏度及 探伤的准确性，应此必须使探头和工件侧面之间具有良好的声学接触。（2）液浸法 将探头和工件浸于液体中以液体作耦合剂进行探伤的方法，称为液浸法。

22、耦合剂可以是油，也可以是 水。液浸法适用于表面粗糙的试件，探头也不易磨损，耦合稳定，探测结果重复性好，便于实现自动化探 伤。液浸法分为全浸没式和局部浸没式。液浸法与接触法的特点 接触法比液浸法简单、灵活，但接触法的波形不稳定（因受手工操作时压力的影响）而液浸法波形 稳定； 液浸法不必将探头与工件直接接触，便于实现自动化探伤； 液浸法适宜探测表面粗糙的工件，不磨损探头晶片； 液浸法的声束方向可连续改变，易探测倾斜的缺陷； 液浸法可控制波束，可以用聚焦探头提高灵敏度； 液浸法要求用清洁的液体，否则会降低探测灵敏度4影响测试系统正常工作的干扰有哪些？如何防护？答：影响测试系统正常工作的干扰有及防护：

23、1）机械干扰，应采取减振措施，一般可设置减振弹簧或减振橡胶；2）光干扰，可封闭半导体元件在不透光的壳体内，对于光敏感件更应注意对光的屏蔽；3）温度干扰，高精度测试，安排在恒室温内进行；4）湿度干扰，采用环境去湿或在测试装置时采取防潮措施。电磁干扰，应尽量提高信嘈比 5速度测量方法有哪几种？分别介绍其工作原理。答：详见 p2591）通过对位移信号进行电气微分来测量速度。2）通过所测的Ax和At来测量平均速度。3）闪光测速法。4）采用磁电式传感器测速。5）利用多普勒效应的原理。6简述压阻式传感器电桥采用恒压源供电和恒流源供电各自的特点。答:恒压源供电使电桥输出与u成正比，电桥的输出与电源的大小、精度都有关。同时电桥输出与有关，即与温度有关，而且与温度的关系是非线性的，所以用恒压源供电时，不能消除温度的影响。恒流源供电使电桥的输出与电阻的变化量成正比，即与被测量成正比，输出与恒流源供给的电流大小、 精度有关。但是电桥的输出与温度无关，不受温度影响。但需要配备一个恒流源，使用中不方便.7在网络上查找出有介绍电阻应变式、压阻式和热阻式传感器产品的网站各一个，打印（或记录）其 结构简图、工作原理、特性、主要型号及技术参数等有关信息。