感測器期末複習資料
1.1 什麼是感測器？按照國標定義，「感測器」應該如何說明含義？
1.2 感測器由哪幾部分組成？試述它們的作用及相互關係。
1.1答：
從廣義的角度來說，感知訊號檢出器件和訊號處理部分總稱為感測器。我們對感測器定義是：一種能把特定的資訊（物理、化學、生物）按一定規律轉換成某種可用訊號輸出的器件和裝置。
從狹義角度對感測器定義是：能把外界非電資訊轉換成電訊號輸出的器件。
我國國家標準（gb7665—87）對感測器（sensor/transducer）的定義是：「能夠感受規定的被測量並按照一定規律轉換成可用輸出訊號的器件和裝置」。定義表明感測器有這樣三層含義：
它是由敏感元件和轉換元件構成的一種檢測裝置；能按一定規律將被測量轉換成電訊號輸出；感測器的輸出與輸入之間存在確定的關係。按使用的場合不同感測器又稱為變換器、換能器、探測器。
1.2答：
組成——由敏感元件、轉換元件、基本電路組成；
關係，作用——感測器處於研究物件與測試系統的介面位置，即檢測與控制之首。感測器是感知、獲取與檢測資訊的視窗，一切科學研究與自動化生產過程要獲取的資訊都要通過感測器獲取並通過它轉換成容易傳輸與處理的電訊號，其作用與地位特別重要。
2.1感測器的靜態特性是什麼？由哪些效能指標描述？它們一般可用哪些公式表示？
2.2感測器的線性度是如何確定的？確定擬合直線有哪些方法？感測器的線性度表徵了什麼含義？為什麼不能籠統的說感測器的線性度是多少。
2.3感測器動態特性的主要技術指標有哪些？它們的意義是什麼？
2.1答：
靜特性是當輸入量為常數或變化極慢時，感測器的輸入輸出特性，其主要指標有線性度、遲滯、重複性、分辨力、穩定性、溫度穩定性、各種抗干擾穩定性。感測器的靜特性由靜特性曲線反映出來，靜特性曲線由實際測繪中獲得。人們根據感測器的靜特性來選擇合適的感測器。
2.2答：
1）實際感測器有非線性存在，線性度是將近似後的擬合直線與實際曲線進行比較，其中存在偏差，這個最大偏差稱為感測器的非線性誤差，即線性度，
2）選取擬合的方法很多，主要有：理論線性度(理論擬合)；端基線性度(端點連線擬合)；獨立線性度(端點平移擬合)；最小二乘法線性度。
3）線性度是表徵實際特性與擬合直線不吻合的引數。
4）感測器的非線性誤差是以一條理想直線作基準，即使是同一感測器基準不同時得出的線性度也不同，所以不能籠統地提出線性度, 當提出線性度的非線性誤差時，必須說明所依據的基準直線。
2.3答：
1）感測器動態特性主要有：時間常數τ；固有頻率；阻尼係數。
2）含義：τ越小系統需要達到穩定的時間越少；固有頻率越高響應曲線上公升越快；當為常數時響應特性取決於阻尼比，阻尼係數越大，過衝現象減弱，時無過衝，不存在振盪，阻尼比直接影響過衝量和振盪次數。
3.1 何為電阻應變效應？怎樣利用這種效應製成應變片？
3.2 什麼是應變片的靈敏係數？它與金屬電阻絲的靈敏係數有何不同？為什麼？
3.4 金屬應變片與半導體應變片在工作原理上有何不同？半導體應變片靈敏係數範圍是多少，金屬應變片靈敏係數範圍是多少？
為什麼有這種差別，說明其優缺點。舉例說明金屬絲電阻應變片與半導體應變片的相同點和不同點。
3.7 一測量吊車起吊重物的拉力感測器如圖3-29a所示。r1、r2、r3、r4按要求貼在等截面軸上。
已知:等截面軸的截面積為0.00196m2，彈性模量e=2×1011n/m2，泊松比，且r1=r2=r3=r4=120ω, 所組成的全橋型電路如題圖3-29b所示，供橋電壓u=2v。
現測得輸出電壓u0=2.6mv。求：
①等截面軸的縱向應變及橫向應變為多少？②力f為多少？
3.8 已知：有四個效能完全相同的金屬絲應變片（應變靈敏係數）, 將其貼上在梁式測力彈性元件上，如圖3-30所示。在距樑端處應變計算公式為設力，，，，。求：
①說明是一種什麼形式的梁。在梁式測力彈性元件距梁端處畫出四個應變片貼上位置，並畫出相應的測量橋路原理圖；②求出各應變片電阻相對變化量；③當橋路電源電壓為6v時，負載電阻為無窮大，求橋路輸出電壓u0是多少？
3.9 圖3-31為一直流電橋，負載電阻rl趨於無窮。圖中e=4v，r1=r2=r3=r4=120ω，試求：
① r1為金屬應變片，其餘為外接電阻，當r1的增量為δr1=1.2ω時，電橋輸出電壓u0=? ② r1、r2為金屬應變片，感應應變大小變化相同，其餘為外接電阻，電橋輸出電壓u0=?
③ r1、r2為金屬應變片，如果感應應變大小相反，且δr1=δr2 =1.2ω，電橋輸出電壓u0=?
3.1 答：
導體在受到拉力或壓力的外界力作用時，會產生機械變形，同時機械變形會引起導體阻值的變化，這種導體材料因變形而使其電阻值發生變化的現象稱為電阻應變效應。
當外力作用時，導體的電阻率、長度、截面積都會發生變化，從而引起電阻值的變化，通過測量電阻值的變化，檢測出外界作用力的大小。
3.2答：
金屬絲靈敏係數主要由材料的幾何尺寸決定的。受力後材料的幾何尺寸變化為，電阻率的變化為。而實際應變片的靈敏係數應包括基片、粘合劑以及敏感柵的橫向效應。
雖然長度相同，但應變狀態不同，金屬絲做成成品的應變片（貼上到試件上）以後，靈敏係數降低了。
3.4答：
金屬導體應變片的電阻變化是利用機械形變產生的應變效應，對於半導體而言，應變感測器主要是利用半導體材料的壓阻效應。金屬電阻絲的靈敏係數可近似寫為，即；半導體靈敏係數近似為≈50～100。
3.7解：
3.8解：
①梁為一種等截面懸臂梁；應變片沿梁的方向上下平行各貼上兩個；②③
3.9解:①②
③4.1 如何改善單極式變極距型電容感測器的非線性？
4.2 為什麼高頻工作時的電容式感測器連線電纜的長度不能任意變化？
4.3 差動式變極距型電容感測器，若初始容量，初始距離，當動極板相對於定極板位移了時，試計算其非線性誤差。若改為單極平板電容，初始值不變，其非線性誤差有多大？
4.7 壓差感測器結構如圖4-30a所示，感測器接入二極體雙t型電路，電路原理示意圖如圖4-30b所示。已知電源電壓ue =10v，頻率f = 1mhz，r1=r2=40kω，壓差電容c1=c2=10pf，rl=20kω。
試分析，當壓力感測器有壓差ph＞pl使電容變化δc=1pf時，乙個週期內負載電阻上產生的輸出電壓url平均值的大小與方向。
4.1答：
非線性隨相對位移的增加而增加，為保證線性度應限制相對位移的大小；起始極距與靈敏度、線性度相矛盾，所以變極距式電容感測器只適合小位移測量；為提高感測器的靈敏度和改善非線性關係，變極距式電容感測器一般採用差動結構。
4.2答：
低頻時容抗較大，傳輸線的等效電感和電阻可忽略。而高頻時容抗減小，等效電感和電阻不可忽略，這時接在感測器輸出端相當於乙個串聯諧振，有乙個諧振頻率存在，當工作頻率諧振頻率時，串聯諧振阻抗最小，電流最大，諧振對感測器的輸出起破壞作用，使電路不能正常工作。通常工作頻率10mhz以上就要考慮電纜線等效電感的影響。
4.3解：若初始容量，初始距離，當動極板相對於定極板位移了時，非線性誤差為：
改為單極平板電容，初始值不變，其非線性誤差為：
4.7解：當時，；
由於，電壓ue的負半周佔優勢，故的方向下正上負。
5.1 何謂電感式感測器？電感式感測器分為哪幾類？各有何特點？
5.2 提高電感式感測器線性度有哪些有效的方法。
5.4 說明產生差動電感式感測器零位殘餘電壓的原因及減小此電壓的有效措施。
5.7 概述變間隙式差動變壓器的結構、工作原理和輸出特性，
5.10 什麼叫電渦流效應？說明電渦流式感測器的基本結構與工作原理。電渦流式感測器的基本特性有哪些？它是基於何種模型得到的？
5.11 電渦流式感測器可以進行哪些物理量的檢測？能否可以測量非金屬物體，為什麼？
5.1答：
電感式感測器是一種機-電轉換裝置，電感式感測器是利用線圈自感和互感的變化實現非電量電測的一種裝置，感測器利用電磁感應定律將被測非電量轉換為電感或互感的變化。它可以用來測量位移、振動、壓力、應變、流量、密度等引數。
電感式感測器種類：自感式、渦流式、差動式、變壓式、壓磁式、感應同步器。
工作原理：自感、互感、渦流、壓磁。
5.2答：
電感感測器採用差動形式，轉換電路採用相敏檢波電路可有效改善線性度。
5.4答：
差動變壓器式感測器的鐵芯處於中間位置時，在零點附近總有乙個最小的輸出電壓，將鐵芯處於中間位置時，最小不為零的電壓稱為零點殘餘電壓。產生零點殘餘電壓的主要原因是由於兩個次級線圈繞組電氣係數（互感 m 、電感l、內阻r）不完全相同，幾何尺寸也不完全相同，工藝上很難保證完全一致。
為減小零點殘餘電壓的影響，除工業上採取措施外，一般要用電路進行補償：①串聯電阻；②併聯電阻、電容，消除基波分量的相位差異，減小諧波分量；③加反饋支路，初、次級間加入反饋，減小諧波分量；④相敏檢波電路對零點殘餘誤差有很好的抑制作用。
5.10答：
1）塊狀金屬導體置於變化的磁場中或在磁場中作用切割磁力線運動時，導體內部會產生一圈圈閉和的電流，這種電流叫電渦流，這種現象叫做電渦流效應。
2）形成渦流必須具備兩個條件：第一存在交變磁場；第二導電體處於交變磁場中。電渦流式感測器通電後線圈周圍產生交變磁場，金屬導體置於線圈附近。
當金屬導體靠近交變磁場中時，導體內部就會產生渦流，這個渦流同樣產生交變磁場。由於磁場的反作用使線圈的等效電感和等效阻抗發生變化，使流過線圈的電流大小、相位都發生變化。通過檢測與阻抗有關的引數進行非電量檢測。
3）因為金屬存在趨膚效應，電渦流只存在於金屬導體的表面薄層內，實際上渦流的分布是不均勻的。渦流區內各處的渦流密度不同，存在徑向分布和軸向分布。所以電渦流感測器的檢測範圍與感測器的尺寸（線圈直徑）有關。
4）迴路方程的建立是把金屬上渦流所在範圍近似看成乙個單匝短路線圈作為等效模型。
5.11答：
1）凡是能引起變化的物理量，均可以引起感測器線圈的變化，可以進行非電量檢測；如被測體（金屬）的電阻率，導磁率，厚度，線圈與被測體之間的距離，激勵線圈的角頻率等都可通過渦流效應和磁效應與線圈阻抗發生關係，使變化；若控制某些引數不變，只改變其中乙個引數，便可使阻抗成為這個引數的單值函式。
2）電渦流感測器不可以直接測量非金屬物體，這是由於感測器本身特性決定的。
6.4 什麼是霍爾效應？
6.5 霍爾元件常用材料有哪些？為什麼不用金屬做霍爾元件材料？
6.6 霍爾元件不等位電勢產生的原因有哪些？
6.7 某一霍爾元件尺寸為，,，沿方向通以電流，在垂直於和的方向加有均勻磁場，靈敏度為，試求輸出霍爾電勢及載流子濃度。
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