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1、1.6 习 题 1什么是传感器？（传感器定义）传感器是接收信号或刺激并反应的器件，以测量为目的，以一定精度把被测量转换为与之有确定关系的、易于处理的电量信号输出的装置。2传感器由哪几个部分组成？分别起到什么作用？传感器一般由敏感元件、转换元件、转换电路三部分组成：1）敏感元件：直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的某一物理量的元件。2）转换元件：以敏感元件的输出为输入，把输入转换成电路参数。3）转换电路：上述电路参数接入转换电路，便可转换成电量输出。3.传感器特性在检测系统中起到什么作用？作为信息采集系统的前端单元，传感器的作用越来越重要。目前传感器已成为自动化系统和机器人技术中的关键部件
2、，作为系统中的一个结构组成，其重要性变得越来越明显。而传感器性能质量直接影响到检测系统的结果。4传感器的性能参数反映了传感器的什么关系？传感器的特性是指传感器的输入量和输出量之间的对应关系 5静态参数有哪些？各种参数代表什么意义？1)灵敏度 灵敏度是指仪表、传感器等装置或系统的输出量增量与输入量增量之比。2)分辨力 分辨力是指传感器能检出被测信号的最小变化量，是有量纲的数。3)线性度 人们总是希望传感器的输入与输出的关系成正比，即线性关系。4)迟滞 迟滞是指传感器正向特性和反向特性的不一致程度。5)稳定性 稳定性包含稳定度和环境影响量两个方面。稳定度指的是仪表在所有条件都恒定不变的情况下，在规
3、定的时间内能维持其示值不变的能力.环境影响量是指由于外界环境变化而引起的示值变化量。6动态参数有那些？应如何选择？动态特性是指传感器输出对随时间变化的输入量的响应特性，传感器的动态特性是传感器的输出值能够真实地再现变化着的输入量能力的反映。传感器的频率响应特性决定了被测量的频率范围，必须在允许频率范围内保持不失真的测量条件，实际上传感器的响应总有定延迟，希望延迟时间越短越好。一般来讲，利用光电效应，光电型传感器响应较快，工作频率范围宽。而结构型传感器，如电感传感器、电容传感器、磁电式传感器等，往往由于结构中的机械系统惯性的限制，其固有频率低，工作频率也较低。在动态测量中，传感器的响应特性对测试
4、结果有直接影响，在选用时，应充分考虑到被测物理量的变化特点（如稳态、瞬变、随机等）。2.6习 题 1什么是应变效应？金属导体在外力作用下发生机械变形时，其电阻值随着它所受机械变形(伸长或缩短)的变化而发生变化的现象，称为金属电阻的应变效应。2说明电阻应变片的组成和种类。电阻应变片由基底、敏感栅、盖层和引线组成。电阻应变片主要有金属和半导体两类，金属应变片有金属丝式、箔式、薄膜式之分。3在传感器测量电路中，直流电桥与交流电桥有什么不同，如何考虑应用场合？用电阻应变片组成的半桥、全桥电路与单桥相比有哪些改善？直流电桥和交流电桥首先电源的不同；其次直流电桥是由电阻组成的电桥。交流电桥桥臂为电容称电容
5、电桥或交流电桥桥臂为电感称电感电桥。由于应变电桥输出电压很小，一般都要加放大器，而直流放大器易于产生零漂，因此应变电桥多采用交流电桥。用电阻应变片组成的半桥、全桥电路比单桥相输出灵敏度高同时非线性误差小，因此在实际应用中多采用四臂全桥。4电感式传感器有哪些种类？它们的工作原理是什么？电感式传感器种类很多，常见的有自感式，互感式和涡流式三种。自感式传感器利用被测物理量变化引起传感器线圈自感量变换进行测量。把被测的非电量变化转换为线圈互感变化的传感器称为互感式传感器。电涡流式传感器是利用涡流效应，将非电量转换为阻抗的变化而进行测量的。5什么是电涡流效应？电涡流传感器可以进行哪些非电量参数测量？分别
6、利用哪些物理量进行检测，由哪个电参量转换进行电量输出的？金属导体放置于变化的磁场中时，就会在导体中产生感生电流，这种电流在导体中是自行闭合的，这就是所谓电涡流。电涡流的产生必然要消耗一部分能量，从而使产生磁场的线圈阻抗发生变化，这一物理现象称为涡流效应。6如图2-50 所示是一种测量血压的压力传感器在工作时的示意图。薄金属片P 固定有4个电阻侧面图R1、R2、R3、R4（如图2-51 所示），这四个电阻连接成电路如图2-52 所示，试回答下列问题：（1）开始时金属片中央O 点未加任何压力，欲使电压表无示数，则4 个电阻应满足怎样的关系？R1*R4=R2*R3（或R1/R2=R3/R4）（2）当
7、O 点加一个压力F后发生形变，这时4 个电阻也随之发生形变，形变后各电阻大小如何变化？R1 和 R4 拉伸阻值增大；R2 和 R3 缩短阻值减少。（3）电阻变化后，电阻的A、B 两点哪点电压高？它为什么能测量电压？A 点电势将高于B 点电势。这是直流电桥的四臂全桥测量转换电路，它把电阻变换转换成电压输出。3.5 习 题 1.什么是压电晶体的“压电效应”？叙述压电式传感器的工作原理。某些晶体(如石英等)在一定方向的外力作用下，不仅几何尺寸会发生变化，而且晶体内部会发生极化现象，晶体表面上有电荷出现，形成电场。当外力去除后，表面又恢复到不带电状态，这种现象被称为压电效应。压电式传感器是将被测量变化
8、转换成材料受机械力产生静电电荷或电压变化的传感器，是一种典型的、有源的、双向机电能量转换型传感器或自发电型传感器。压电元件是机电转换元件，它可以测量最终能变换为力的非电物理量，例如力、压力、加速度等。2.压电式传感器测量电路的作用什么？其核心是解决什么问题？与压电元件配套使用的测量电路，其前置放大器应有两个作用：一是把传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出；二是把传感器的微弱信号进行放大。其核心解决的问题是由于压电元件输出的电信号微弱，电缆的分布电容及噪声等干扰将严重影响输出特性；由于压电元件内阻抗很高，要求压电器件的负载电阻必须具有较高的值。3.什么是“霍尔效应”？一个霍尔元件在一定电流作用下，
9、其霍尔电势与哪些因素有关？置于磁场中的静止金属或半导体薄片，当有电流流过时，若该电流方向与磁场方向不一致，则在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势，这种物理现象称为霍尔效应。因为HHHIBURK IBd，式中HHKRd称为霍尔片的灵敏度。由该式可知，霍尔电势正比于激励电流及磁感应强度。一个霍尔元件在一定电流作用下，其霍尔电势与磁感应强度成正比，其灵敏度与霍尔常数成正比而与霍尔片厚度成反比。为了提高灵敏度，霍尔元件常制成薄片形状。4.霍尔传感器适用于哪些场合？霍尔元件常用材料有哪些？各有什么特点？霍尔传感器（霍尔元件和集成霍尔器件）具有结构简单、体积小、动态特性好和寿命长的优点，因此被广泛地应用
10、于测量、自动控制及信息处理等领域。目前常用的霍尔元件材料有：锗、硅、砷化铟、锑化铟等半导体材料，其中N 型锗容易加工制造，其霍尔系数、温度性能和线性度都较好，应用最为普遍。5.温度变化对霍尔元件输出电势有什么影响？如何补偿？半导体材料的电阻率、迁移率和载流子浓度等都随温度变化，对温度的变化很敏感，霍尔元件的性能参数如输入电阻、输出电阻、霍尔电势等都会随温度的变化而变化，这将给测量带来较大的误差，为了减少这一测量误差，除选用温度系数小的元件或采用恒温措施外，还可以采用适当的方法进行补偿。（1）采用恒流源供电和输入回路并联电阻；（2）采用温度补偿元件（如热敏电阻、电阻丝等）。6.下图是汽车霍尔点火
11、装置示意图，试说明工作原理。图 3-21 汽车霍尔点火装置示意图 当磁轮鼓不同磁极对应霍尔IC 面前时，SL3020 霍尔传感器的输出为高、低电平，当输出低电平时，晶体管功率开关处于导通状态，点火线圈低压侧有较大电流通过，并以磁场能量的形式储存在点火线圈的铁心中。当霍尔IC 输出跳变为高电平时，经反相变为低电平，达林顿管开关管截止，切断点火线圈的低压侧电流。由于没有续流元件，所以存储在点火线圈铁心中的磁场能量在高压侧感应出3050kV 的高电压。4.7 习题 1.热电阻传感器主要分为几种类型？它们应用在什么不同场合？答：热电阻根据感温元件的材料不同分成两种类型，一种是铂电阻，一种铜电阻。铂易于
12、提纯、复制性好，在氧化性介质中、甚至在高温下，其物理化学性质极其稳定。由于铂是贵重金属，因此在测量精度要求不高、测温范围较小的情况下，普遍采用铜电阻。铜电阻具有较大的电阻温度系数，材料容易提纯，铜电阻的阻值与温度之间接近线性关系，铜的价格比较便宜，所以铜电阻在工业上得到广泛应用。铜电阻的缺点是电阻率较小，机械强度差，稳定性也较差，容易氧化。2.半导体热敏电阻的主要优缺点是什么？在电路中是怎样克服的？答：热敏电阻是一种电阻值随温度变化的半导体传感器。它的温度系数很大，比温差电偶和线绕电阻测温元件的灵敏度高几十倍，适用于测量微小的温度变化。热敏电阻体积小、热容量小、响应速度快，能在空隙和狭缝中测量
13、。它的阻值高,测量结果受引线的影响小,可用于远距离测量。它的过载能力强，成本低廉。但热敏电阻的阻值与温度为非线性关系，所以它只能在较窄的范围内用于精确测量。热敏电阻在一些精度要求不高的测量和控制装置中得到广泛应用。为了克服热敏电阻的非线性，通常我们在电路里用温度系数很小的精密电阻与热敏电阻串联或并联构成电阻网络。3.热电偶冷端温度对热电偶的热电势有什么影响？为消除冷端温度影响可采用哪些措施？答：热电偶测量温度时要求其冷端（测量端为热端，通过引线与测量电路连接的端称为冷端）的温度保持不变，其热电势大小才与测量温度呈一定的比例关系。若测量时，冷端的（环境）温度变化，将严重影响测量的准确性。热电偶冷
14、端补偿方法有很多种，主要包括冰点法(0恒温法、冰浴法)、电桥法、二极管补偿法（半导体PN 结）、集成温度传感器补偿法、恒温迁移补偿法、热电势修正法（计算修正法）、软件补偿法（微机法）、最小二乘拟合法、铂电阻测量冷端温度法等方法。4.集成温度传感器的测温原理，有何特点？答：集成温度传感器的测温原理是基于晶体管的PN 结随温度变化而产生漂移现象研制的。众所周知，晶体管PN 结的这种温漂，会给电路的调整带来极大的麻烦。但是，利用PN结的温漂特性来测量温度，可研制成半导体温度传感元件。如前所述，晶体管的基极一发射极电压在恒定集电极电流条件下，可以认为与温度呈线性关系。但是，严格地说，这种线性关系是不完
15、全的，即关系式中存在非线性项。另一方面，这种关系也不直接与任何温标（绝对、摄氏、华氏或其它温标）相对应。实际上，随着温度升高，基极-发射极电压反而下降。此外，即使是同一型号同一批次的晶体管，其基极一发射极电压值也可能有100mV 的分散性。鉴于上述原因，集成化的温度传感器几乎无一例外地采用对管差分电路，这种电路给出直接正比于绝对温度的线性输出。5.如果需要测量1000和20温度时，分别宜采用哪种类型的温度传感器？答：测量1000宜用热电偶温度传感器，测量20宜用热敏电阻温度传感器。6.什么叫热电动势、接触电动势和温差电动势？说明热电偶测温原理及其工作定律的应用。分析热电偶测温的误差因素，并说明
16、减小误差的方法。答：当导体A 和 B 的两个接触点1 和 2 之间存在温差时，两者之间便产生电动势，这便是热电动势。两种不同材料的金属A、B 具有不同的自由电子密度，设在温度T 时的自由电子密度分别为AN和BN，且ABNN。当两种金属相接时，接触面会发生电子扩散现象。当扩散达到动态平衡时，在A、B 之间形成稳定的电位差，形成接触电势ABe。对于单一导体，如果两端温度分别为T、0T，且0TT。导体中的自由电子，在高温端具有较大的动能，因而向低温端扩散，在导体两端产生了电势，这个电势称为单一导体的温差电势。将两种不同材料的导体或半导体A 和 B 焊接起来，构成一个闭合回路，当导体A 和 B的两个接
17、触点1 和 2 之间存在温差时，两者之间便产生电动势，因而在回路中形成一定大小的电流，这种现象称为热电效应。热电偶就是利用这一效应来工作的，其中，直接用作测量介质温度的一端叫做工作端（也称为测量端），温度为参考温度的另一端叫做冷端（也称为参考端）；回路中所产生的电动势称为热电势，冷端与显示仪表或配套仪表连接，显示仪表会指出热电偶所产生的热电势。热电偶产生的热电势由两部分组成：一个是两种导体的接触电势，另一个是单一导体的温差电势。热电偶测量温度时要求其冷端（测量端为热端，通过引线与测量电路连接的端称为冷端）的温度保持不变，其热电势大小才与测量温度呈一定的比例关系。若测量时，冷端的（环境）温度变化
18、，将严重影响测量的准确性。在冷端采取一定措施补偿由于冷端温度变化造成的影响称为热电偶的冷端补偿。5.7 习题 1.什么叫内光电效应、外光电效应、光生伏特效应？答：在光的作用下，物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象叫做外光电效应。当光照在物体上，使物体的电导率发生变化，或产生光生电动势的现象称为内光电效应，内光电效应分为光电导效应和光生伏特效应(光伏效应)。光生伏特效应是在光作用下能使物体产生一定方向电动势的现象。2.光电器件有哪几种类型？并说明它们的工作原理。答：半导体内的电子在吸收光子后，如能克服表面势垒逸出半导体表面，就会产生外光电效应。光电管、光电倍增管等就是基于外光电效应制成的光电器
19、件。半导体内的电子吸收光子后不能跃出半导体，则所产生的电学效应称为内光电效应。内光电效应按其工作原理可分为光电导效应和光生伏特效应。光电导效应是在光线作用下，电子吸收光子能量从键合状态过度到自由状态，而引起材料电导率的变化。当光照射到光电导体上时，若这个光电导体为本征半导体材料，且光辐射能量又足够强，光电材料价带上的电子将被激发到导带上去，使光导体的电导率变大。基于这种效应的光电器件有光敏电阻。光生伏特效应是在光作用下能使物体产生一定方向电动势的现象。基于该效应的器件有光电池和光敏二极管、三极管。3.试述光敏电阻简单结构，用哪些参数和特性来表示它的性能？答：1）光电流、亮电阻：光敏电阻器在一定
20、的外加电压下，当有光照射时，流过的电流称为光电流，外加电压与光电流之比称为亮电阻，常用“100LX”表示。2）暗电流、暗电阻：光敏电阻在一定的外加电压下，当没有光照射的时候，流过的电流称为暗电流。外加电压与暗电流之比称为暗电阻，常用“0LX”表示。3）灵敏度：灵敏度是指光敏电阻不受光照射时的电阻值（暗电阻）与受光照射时的电阻值（亮电阻）的相对变化值。4）光谱响应：光敏电阻对入射光的光谱具有选择作用，即光敏电阻对不同波长的入射光有不同的灵敏度。5）光照特性：光照特性指光敏电阻输出的电信号随光照度而变化的特性。6）伏安特性曲线：伏安特性曲线用来描述光敏电阻的外加电压与光电流的关系，对于光敏器件来说
21、，其光电流随外加电压的增大而增大。7）温度系数：光敏电阻的光电效应受温度影响较大，部分光敏电阻在低温下的光电灵敏较高，而在高温下的灵敏度则较低。8）额定功率：额定功率是指光敏电阻用于某种线路中所允许消耗的功率，当温度升高时，其消耗的功率就降低。4.试述用光敏电阻检测光的原理。答：光敏电阻的工作原理是基于内光电效应。在半导体光敏材料两端装上电极引线，将其封装在带有透明窗的管壳里就构成光敏电阻，为了增加灵敏度，两电极常做成梳状。用于制造光敏电阻的材料主要是金属的硫化物、硒化物和碲化物等半导体。通常采用涂敷、喷涂、烧结等方法在绝缘衬底上制作很薄的光敏电阻体及梳状欧姆电极，接出引线，封装在具有透光镜的
22、密封壳体内，以免受潮影响其灵敏度。在黑暗环境里，它的电阻值很高，当受到光照时，只要光子能量大于半导体材料的禁带宽度，则价带中的电子吸收一个光子的能量后可跃迁到导带，并在价带中产生一个带正电荷的空穴，这种由光照产生的电子-空穴对增加了半导体材料中载流子的数目，使其电阻率变小，从而造成光敏电阻阻值下降。光照愈强，阻值愈低。入射光消失后，由光子激发产生的电子-空穴对将复合，光敏电阻的阻值也就恢复原值。在光敏电阻两端的金属电极加上电压，其中便有电流通过，受到波长的光线照射时，电流就会随光强的而变大，从而实现光电转换。5.试述光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管和光电池的工作原理，如何正确选用这些器件？举例
23、说明。答：光敏电阻的工作原理是基于内光电效应。在半导体光敏材料两端装上电极引线，将其封装在带有透明窗的管壳里就构成光敏电阻，为了增加灵敏度，两电极常做成梳状。用于制造光敏电阻的材料主要是金属的硫化物、硒化物和碲化物等半导体。通常采用涂敷、喷涂、烧结等方法在绝缘衬底上制作很薄的光敏电阻体及梳状欧姆电极，接出引线，封装在具有透光镜的密封壳体内，以免受潮影响其灵敏度。在黑暗环境里，它的电阻值很高，当受到光照时，只要光子能量大于半导体材料的禁带宽度，则价带中的电子吸收一个光子的能量后可跃迁到导带，并在价带中产生一个带正电荷的空穴，这种由光照产生的电子-空穴对增加了半导体材料中载流子的数目，使其电阻率变
24、小，从而造成光敏电阻阻值下降。光照愈强，阻值愈低。入射光消失后，由光子激发产生的电子-空穴对将复合，光敏电阻的阻值也就恢复原值。在光敏电阻两端的金属电极加上电压，其中便有电流通过，受到波长的光线照射时，电流就会随光强的而变大，从而实现光电转换。光敏二极管的管芯是一个具有光敏特征的PN 结，具有单向导电性，因此工作时需加上反向电压。无光照时，有很小的饱和反向漏电流，即暗电流，此时光敏二极管截止。当受到光照时，饱和反向漏电流大大增加，形成光电流，它随入射光强度的变化而变化。当光线照射 PN 结时，可以使PN 结中产生电子-空穴对，使少数载流子的密度增加。这些载流子在反向电压下漂移，使反向电流增加。
25、因此可以利用光照强弱来改变电路中的电流。光敏三极管具有两个PN 结，其发射极一边做得很大，以扩大光的照射面积。光敏三极管和普通三极管相似，也有电流放大作用，只是它的集电极电流不只是受基极电路和电流控制，同时也受光辐射的控制。当具有光敏特性的PN 结受到光辐射时，形成光电流，由此产生的光生电流由基极进入发射极，从而在集电极回路中得到一个放大了相当于 倍的信号电流。不同材料制成的光敏三极管具有不同的光谱特性，与光敏二极管相比，具有很大的光电流放大作用，即很高的灵敏度。光电池的工作原理是基于“光生伏特效应”。它实质上是一个大面积的PN 结，当光照射到PN 结的一个面，例如P 型面时，若光子能量大于半
26、导体的禁带宽度，那么P 型区每吸收一个光子就产生一对自由电子和空穴，电子-空穴对从表面向内迅速扩散，在结电场的作用下，最后建立一个与光照强度有关的电动势。6.红外线传感器有哪些类型？并说明它们的工作原理。答：红外传感系统是用红外线为介质的测量系统，按照功能能够分成五类：1）辐射计，用于辐射和光谱测量；2）搜索和跟踪系统，用于搜索和跟踪红外目标，确定其空间位置并对它的运动进行跟踪；3）热成像系统，可产生整个目标红外辐射的分布图像；4）红外测距和通信系统；5）混合系统，是指以上各类系统中的两个或者多个的组合。7.光纤传感器由哪几部分组成？各有什么作用？答：光纤传感器是一种把被测量的状态转变为可测的
27、光信号的装置。由光发送器、敏感元件（光纤或非光纤的）、光接收器、信号处理系统以及光纤构成。由光发送器发出的光经光源光纤引导至敏感元件。这时，光的某一性质受到被测量的调制，已调光经接收光纤耦合到光接收器，使光信号变为电信号，最后经信号处理得到所期待的被测量。8.光纤位移传感器测量位移时对被测体的表面有些什么要求？答：光纤传感器位移/输出电压(信号)曲线的形状取决于光纤探头的结构特性，但是输出信号的绝对值却是被测表面反射率的函数，为了使传感器的位移灵敏度与被测表面反射率无关，可采取归一化过程，即将光纤探头调整到位移/输出曲线的波峰位置上，调整输人光使输出信号达到满量程，这样就可对被测量表面的颜色、
28、灰度进行补偿。9.如何利用光纤位移传感器测量被测物体的振动频率？答：反射式光纤采用型结构，两束光纤一端合并在一起组成光纤探头，另一端分为两支，分别作为光源光纤和接收光纤。光从光源耦合到光源光纤，通过光纤传输，射向反射片，再被反射到接收光纤，最后由光电转换器接收，转换器接受到的光源与反射体表面性质、反射体到光纤探头距离有关。当反射表面位置确定后，接收到的反射光光强随光纤探头到反射体的距离的变化而变化。显然，当光纤探头紧贴反射片时，接收器接收到的光强为零。随着光纤探头离反射面距离的增加，接收到的光强逐渐增加，到达最大值点后又随两者的距离增加而减小。使光纤探头与反射板保持适当距离（取线性区中间位置）
29、。接通低频振荡器，使振动台保持适当振幅（不要碰到光纤探头），将输出信号接入示波器，测出振动台振动的振幅与频率。6.5 习题 1.简述半导体气敏传感器的分类？答：半导体气敏传感器分成电阻式和非电阻式两类，电阻式气敏传感器按其结构可分为烧结型，薄膜型和厚膜型三种；非电阻式气敏传感器分为二极管气敏传感器、MOS二极管气敏器件和Pd-MOSFET 气敏器件等几类。2.电阻型气敏器件为什么都附有加热器？答：在实际应用时，加热器能使附着在控测部分上的油雾，尘埃等烧掉，同时加速气体的吸附，从而提高了器件的灵敏度和响应速度，一般加热到200 400，具体温度视所掺杂质不同而异。3.简述红外式气敏传感器的测量原
30、理？答：光强在气体介质中随浓度C及厚度L按指数规律衰减。吸收系数取决于气体特性，各种气体的吸收系数互不相同。对同一气体，则随入射波长而变。红外式传感器产生红外光，穿过充有样气的气室，然后被各种气体的专用接收器接收。是利用不同元素对某个特定波长的吸收原理。4.什么是绝对湿度和相对湿度？答：所谓湿度，是指大气中所含的水蒸气量。它有两种最常用的表示方法，即绝对湿度和相对湿度。绝对湿度是指一定大小空间中水蒸汽的绝对含量，相对湿度是指一定大小空间中水蒸汽的相对含量。5.简述几种湿敏传感器的组成、工作原理及特性。答：氯化锂湿敏电阻是利用吸湿性盐类潮解，离子导电率发生变化而制成的测湿元件。典型的氯化锂湿度传
31、感器有登莫(Dunmore)式和浸渍式两种。登莫式传感器是在聚苯乙烯圆管上做出两条相互平行的钯引线做电极，在该聚苯乙烯管上涂覆一层经过碱化处理的聚乙烯醋酸盐和氯化锂水溶液的混合液，以形成均匀薄膜。7.7 习 题 1光栅式传感器的基本原理是什么?莫尔条纹是如何形成的?把两块栅距相等的光栅（光栅1、光栅2）叠合在一起，中间留有很小的间隙，并使两者的栅线之间形成一个很小的夹角，这样就可以看到在近于垂直栅线方向上出现明暗相间的条纹，这些条纹叫莫尔条纹。采用光栅莫尔条纹原理测量位移的传感器称为光栅传感器。标尺光栅相对于指示光栅移动时，两块光栅的遮光和透光效应形成大致按正弦规律分布的明暗相间的莫尔条纹。2
32、.光栅传感器的工作原理是什么？莫尔条纹以光栅的相对运动速度移动，并直接照射到光电元件上，在它们的输出端得到一串电脉冲，通过放大、整形、辨向和计数系统产生数字信号输出，直接显示被测的位移量。3说明光栅传感器实现辨向的基本条件和细分的意义。光栅数显表是实现细分、辨向和显示功能的电子系统。细分的意义是为了提高分辨率和测量比栅距更小的位移量。4莫尔条纹特点有哪些？由光栅形成的莫尔条纹具有光学放大作用和误差平均效应，因而能提高测量精度。根据莫尔条纹移动方向就可以对光栅运动进行辨向。5.简单说明光电式编码器的粗误差产生原因,以及消除粗误差的方法。在实际应用中采用二进制编码器时，对码盘的刻度要求十分严格，任
33、何微小的制作误差，都可能造成读数的粗误差。为了消除这种粗误差，可采用二进制循环码盘（格雷码盘）。6.磁栅传感器由哪几部分组成？磁栅式传感器由磁栅、磁头和检测电路组成。7动态磁头和静态磁头的主要区别是什么？动态磁头有一个输出绕组，只有在磁头和磁栅产生相对运动时才能有信号输出，故不适用于速度不均匀，时走时停的机床。静态磁头有激磁和输出两个绕组，它与磁栅相对静止时也能有信号输出。8直线感应同步器主要由哪几部分组成？直线式感应同步器的结构由定尺和滑尺两部分组成，长尺为定尺，短尺为滑尺。感应同步器的定尺被安装在固定部件上（如机床的台座），而滑尺则与运动部件或被定位装置（如机床刀架）一起沿定尺移动。定尺和
34、滑尺的材料、结构和制造工艺相同，都是由基板、绝缘粘合剂、平面绕组和屏蔽层等部分组成。8.5习题 1.超声波传感器的基本原理是什么？超声波探头有哪几种结构形式？利用超声波在超声场中的物理特性和各种效应研制的装置可称为超声波传感器，也称作超声波探头或超声波换能器。超声波传感器根据其工作原理，主要有压电式、磁滞伸缩式等类型，在检测技术中主要采用的是压电式传感器。2.试分析压电式超声波传感器结构中阻尼块的作用。阻尼块的作用是降低晶片的机械品质，吸收声能量。如果没有阻尼块，当激励的电脉冲信号停止时，晶片将会继续振荡，加长超声波的脉冲宽度，使分辨率变差。3.超声波物位测量有几种方式？各有什么特点？将存于各
35、种容器内的液体表面高度及所在的位置称为液位；固体颗粒、粉料、块料的高度或表面所在的位置称为料位。二者统称为物位。超声波测物位，由于非接触连续测量、安装方便、不受被测介质影响，因而具有可在较高温度下测量、精度高、功能强等特点，在物位仪表中越来越受到重视。4.智能传感器的定义是什么？智能传感器是利用微计算机技术使传感器智能化。它是将一个或多个敏感元件与信息处理电路集成在同一硅片或GaAs 片上，英文名字为Intelligent Sensor，美国俗称为Smart Sensor，含有聪明、伶俐、精明能干的意思。5.简述智能传感器的基本组成及特点。智能传感器是由传感器、微处理器、存储器和输入/输出接口
36、等组成。其特点是1）精度高，成本低；2）可靠性高，具有一定的可编程自动化能力；3）功能多，具有多种形式的输出；4）性能价格比高，尤其采用较便宜的单片机时更为明显。6.举例说明智能传感器的工作过程。如 ST-3000 系列智能压力传感器是美国霍尼韦尔公司20 世纪80 年代研制的产品，是世界上最早实现商品化的智能传感器。它可以同时测量静压、压差和温度三个参数。书中图8-10 给出原理图。图中包括检测和变送两部分，被测的力或压力通过隔离的膜片作用于扩散电阻上，引起阻值的变化。扩散电阻接在惠斯通电桥中，电桥的输出代表被测压力的大小。在硅片上制成两个辅助传感器分别检测静压力和温度。在同一芯片上检测出的
37、压差、静压和温度三个信号，经多路开关分时地送接到A/D 转换器中进行模数转换，变成数字信号送到变送部分。由微处理器负责处理这些数字。存储在ROM 中的主程序控制传感器工作的全过程。PROM 负责进行温度补偿和静压校准。RAM 中存储设定的数据，EEPROM 作为ROM 的后备存储器。现场通信器发出的通信脉冲叠加在传感器输出的电流信号上。I/O 一方面将来自现场通信器的脉冲从信号中分离出来，送到CPU 中；另一方面将设定的传感器数据、自诊断结果、测量结果送到现场通信器中显示。SF-3000 系列智能压力传感器可通过现场通信器来设定检查工作状态。9.5 习题 1.传感器接口电路的作用是什么？传感器
38、接口电路的作用是将传感器产生的信号转换成为可供分析、计算、显示及后处理的各种电信号。2.传感器接口电路一般结构有哪些，举例说明。1）通常采用高输入阻抗的阻抗匹配器作为前置电路。常见的阻抗匹配器有射极输出器、场效应管阻抗匹配器及运算放大器阻抗匹配器。2）传感器的输出信号一般都比较小，需要经过放大后才能利用，作为传感器接口电路的放大器，可以用晶体三极管组成放大电路，也可以用运算放大器组成放大电路。3）电荷放大器是一个带电容负反馈的高输入阻抗高增益的运算放大器，被广泛用于电场型传感器的输入接口。4）电桥电路是传感器接口电路中常见的电路，具有结构紧凑、灵敏度高等特点，主要用于把传感器的阻抗变化转化为电
39、压或电流信号。根据电桥供电电源的不同，电桥可分为直流电桥和交流电桥两种 5）线性化电路的作用是把传感器的输入输出特性由非线性转换成线性。如热敏电阻的电阻-温度特性是非线性的，如果不加处理，就会在实际使用时很不方便。最常用的方法是将热敏电阻与温度系数可忽略的固定电阻串（并）联组成线性网络。3.模数转换电路的作用、类型及一般结构。模数转换电路的作用是将由传感器模拟接口电路调理过的模拟信号转换成适合计算机处理的数字量，并送入计算机数据通道中。有集成A/D 转换器（简称ADC），A/D 转换器是集成在一个芯片上能完成模拟输入信号向数字信号转换的电路单元。以其为核心，根据需要再附加多路模拟开关和采样保持
40、器等，可构成完整的模数转换电路。还有电压-频率转换器（简称为VFC）是将电压或电流转换成脉冲序列，该脉冲序列的瞬时周期精确地与输入模拟量成正比。VFC 的转换电路的形式较多，但以积分式VFC 应用最为广泛。包括（1）积分复原型；（2）定电荷复原型。4.数模转换电路的作用及基本工作原理。数模转换是一种将数字量转换为与其相对应的模拟量的方法，具有此功能的器件称为数模转换器，简称为D/A 或 DAC。它主要用于数据输出系统电路，以便驱动显示器、记录仪等或用于自动化设备的控制。因此D/A 和 A/D 均为数据转换系统中的重要功能部件。常用的D/A 转换器由电阻网络、开关及基准电源等部分组成，目前基本上
41、都集成于一块芯片上。为了便于接口，有些D/A 芯片内还含有锁存器。D/A 转换器的组成原理有多种，采用最多的是R-2R 梯形网络D/A 转换器 5.简述干扰噪声的种类及来源。外部噪声是系统外部由于人为或自然干扰造成的。主要是电磁辐射噪声，例如电机、开关、电焊机及其它电子设备产生的电磁辐射，雷电、大气电离以及其它自然现象产生的电磁波干扰。6.控制噪声的方法有哪些？简述控制原理。噪声的控制方法主要由四种：屏蔽、接地、隔离和滤波 屏蔽是用低电阻材料或磁性材料把元件、电路、组合件或传输线等包围起来，以隔离内外电磁的或静电的互相干扰。电路及传感器中的地是指一个等电位点或等电位面。它是电路的基准电位点，与
42、基准电位点相连就是接地。电路接地除了安全以外（例如仪器外壳、底盘等要接到大地而称为保护接地），就是对信号电压有一个基准电位。把接地与屏蔽正确地结合起来使用，能够抑制大部分噪声。当信号电路在两端接地时，很容易形成地环路电流，引起噪声干扰。这时，常采用隔离的方法，这种方法同时可以起抑制漂移和安全保护作用。隔离的方法主要采用变压器隔离和光电耦合。尽管采用了不同的抗干扰措施，但仍会有不可忽视的噪声存在于有用信号之中，因此在传感器接口电路中，应设置滤波器，对由各种外界干扰引入的噪声及干扰信号均加以滤除。10.4 习题 1。全自动洗衣机主要包括那些传感器，简述这些传感器的作用。目前，全自动洗衣机已实现了利
43、用传感器和微处理器对洗涤过程进行监控，使用的传感器有水位传感器、重量传感器、光电传感器和温度传感器等，使洗衣机能够自动进水、控制洗涤时间、判断洗净度和脱水时间，并将洗涤控制于最佳状态。洗衣机中的水位传感器用来检测水位的等级。通常是利用压力测量原理实现的，其功能也只是作为单纯的限位器；重量传感器用来检测洗涤物的重量，是通过电动机负荷的电流变化来检测洗涤物的；光电传感器由发光二极管和光敏三极管组成，安装在排水口上部。根据排水口上部的光透射率检测洗涤净度，判断排水、漂净度及脱水情况；洗衣机中的温度传感器采用NTC 传感器，NTC 的模拟信号更易于被电子系统处理。2。电冰箱常用的温度传感器有哪些？简述
44、其作用。电冰箱常用的温度传感器有压力式温度传感器、热敏电阻式温控电路、热敏电阻除霜温度控制、双金属除霜温度传感器、双金属热保护器。压力式温度传感器有波纹管式和膜盒式两种形式，如图10-3 所示，传感器由波纹管（或膜盒）与感温管连成一体，内部填充感温剂。感温管紧贴在电冰箱的蒸发器上，感温剂的体积将随蒸发器的温度而变化，引起腔内压力变化，由波纹管（或膜盒）变换成位移变化。这一位移变化通过温度控制器中的机械传动机构推动微动开关机构切断或接通电源。用热敏电阻R1与电阻R3、R4、R5组成电桥，经IC1组成触发器、驱动管V、继电器K控制压缩机启停。用热敏电阻组成的除霜温控电路，使除霜以手动开始，自动结束
45、，实现了半自动除霜。双金属除霜温度传感器的结构如图10-6 所示。它由双金属热敏元件、推杆及微动开关组成，平时微动开关处于常闭状态。接通除霜开关，除霜加热器经双金属热敏元件构成回路，除霜开始。除霜后，电冰箱蒸发器温度升高，双金属热敏元件产生变形，经推杆使微动开关的触点断开，停止除霜。双金属热保护器是一个封装起来的固定双金属热敏元件。它埋设在压缩机内的电动机绕组中，对电动机绕组的温度进行控制。当电动机绕组过热时，保护器内的双金属片产生变形，切断压缩机的电源。3。机器人触觉可分为哪几种？常用的传感器典型结构有哪些？机器人触觉可分为接触觉、压觉、力觉、滑觉等几种。常用的传感器典型结构如图。图 10-
46、8a 为金属圆顶式高密度的接触觉传感器；图 10-8b 为能进行高敏度封装的接触觉传感器；图10-8c 为采用斯坦福研究所研制的导电橡胶制成的接触觉传感器；图10-8d 所示的接触觉传感器的结构采用的使用导电橡胶制作的细丝，像人的头发一样从传感器的表面凸出来，一旦物体与凸起接触，它就变形，夹住绝缘体的上下金属成为导通的状态，实现接触觉传感器的功能。4。机器人接近觉传感器有哪些形式？通过一种传感器形式说明基本工作原理。常见的接近觉传感器有电磁式、光电式、电容式、气动式、超声式、红外线、微波式等多种形式。电涡流式接近觉传感器基本原理是：当金属块置于交变的磁场中时（或者在固定磁场中运动时），金属体内就产生感应电流，这种感应电流的流线在金属体内是闭合的，称之为涡流。涡流的大小与金属对象物的几何形状、电导率、磁导率、激励线圈与对象物表面的距离等有关，当对象物几何形状及内部电参数不变时，涡流的大小只随激励线圈与对象物表面距离的变化而变化。