传感器填空题
第1章 绪论/作业题
1.测试技术包含测量和试验两方面，凡需要考察事物的状态、变化和特征等，并对它进行_______ 定量的描述时，都离不开测试工作。
2.测试工作是为了获取研究对象的状态、运动和特征等方面的信息。从物理学观点出发，它是物质所固有的，是其客观存在或运动状态的特征。传输它的载体称为信号。
3.信号中虽然携带信息，但是信号中既含有我们所需要的信息，也常常含有大量我们不感兴趣的其他信息，后者统称为干扰。相应地对信号也有“有用”信号和“干扰”信号的提法，但这是相对的。
4.传感器是测试系统的第一环节，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。
5.信号变换的具体内容很多，如用电桥将电路性参数（如电阻、电容、电感）转换为可供传输、处理、显示和记录的电压或电流信号；利用滤波电路抑制噪声和选出有用信号；对在传感器及后续环节中出现的一些误差作必要的补偿和校正；信号送入计算机以前需经模/数转换及在计算机处理后送出时需经数/模转换等。
6.根据传感器的工作机理，传感器可分为结构型与物性型两大类。结构型传感器依靠传感器的________ 变化而实现信号变换。物性型传感器中元件内部物理、化学性质变化实现传感功能。
7.电路参量式传感器包括电阻式、电感式、电容式三种基本形式。
8.传感器可按其输入量进行分类，例如用来测力的称力传感器，测量位移的称位移传感器。这种分类方法便于使用者选用传感器。
第二章 传感器的一般特性/作业题
1.传感器所能测量的最大被测量（即输入量的数值）称为测量上限，最小的被测量称为测量下限，用这两个数值表示的测量区间，称为测量范围。
2.静态误差是指传感器在全量程内任一点的输出值与其理论输出值的偏离程度。
3.绝对误差是指测量结果与被测参量真值之间所存在的差值的绝对值。
4.相对误差是指测量的绝对误差与被测量真值的比值，通常以百分数表示。
5. 引用误差是指测量的绝对误差与仪表的满量程之比，这一指标通常用来表征仪表本身的精度，而不是测量的精度。
6.传感器的动态数学模型是指传感器在受到随时间变化的输入量作用时，输出输入之间的关系，通常称为响应特性。
7.静态指标是指在静态标准条件下，对传感器的静态特性、静态灵敏度、非线性、滞后、重复性等指标的确定。
8.传感器的标定是指在明确传感器的输入与输出关系的前提下，利用某种标准器具对传感器进行标度。对新研制或生产的传感器进行全面的技术检定，称为标定；将传感器在使用中或储存后进行的性能复测，称为校准 。
9.标定的基本方法是利用标准仪器产生已知的非电量（如标准、压力、位移等），作为输入量，输入到待标定的传感器中，然后将传感器的 输出量和输入的标准量作比较，获得一系列校准数据或曲线。
10.传感器的动态标定主要是研究传感器的动态响应。与动态响应有关的参数，一阶传感器只有一个时间常数τ；对二阶传感器则有固有频率ωn和阻尼比ξ两个参数。
11.传感器常用的非线性校正（或称非线性补偿）方法有以下两种：开环式非线性补偿法和_________ 非线性反馈补偿法。
12.使传感器的技术指标及其性能不受温度影响，而采取的一系列具体的技术措施，称为温度补偿技术。
13.温度补偿灵敏度是指传感器输出变化量与引起该输出量变化的温度变化量之比。
14.常用的平均技术有误差平均效应和数据平均处理。
第三章：电阻式传感器/作业题
1.沿应变片轴向的应变ε，必然引起应变片电阻的相对变化，而垂直于应变片轴向的横向应变ε，也会引起其电阻的相对变化，这种现象称为横向效应。这种现象的产生和影响与应变片结构有关。为了减小由此产生的测量误差，现在一般多采用箔式应变片。
2.为了消除应变片的温度误差，可采用的温度补偿措施包括：单丝自补偿法、双丝自补偿法、桥路补偿法。
3.应变片的线性（灵敏度系数为常数）特性，只有在一定的应变限度范围内才能保持。当试件输入的真实应变超过某一限值时，应变片的输出特性将出现非线性。在恒温条件下，使非线性达到10%时的真实应变值，称为应变极限εlim。它是衡量应变片测量范围和过载能力的指标。
4.应变片绝缘电阻是指已粘贴的应变片的引线和 被测试件 之间的电阻值。
5.应变片的选择包括：类型的选择、 材料的选择、阻值的选择、尺寸的选择。
6.应变式测力传感器弹性元件即为力敏元件，它将被测力的变化转换成应变量的变化。弹性元件的形式通常有柱式 、悬臂梁式、环式 等。
7利用半导体扩散技术，将P型杂质扩散到一片N型底层上，形成一层极薄的电导P型层，装上引线接点后，即形成扩散型半导体应变片。若在圆形硅膜上扩散出4个P型电阻构成惠斯通电桥的4个桥臂，这样的敏感器件称为固态压阻器件。
8.压阻器件本身受到温度影响后，要产生零点温度漂移和灵敏度温度漂移。因此，必须采用温度补偿措施。
9.压阻器件的零点温度漂移是由于4个扩散电阻值及它们的温度系数不一致而造成的，一般用 串、并联电阻法来补偿。
10.压阻器件的灵敏度温度漂移是由压阻系数随温度变化而引起的。补偿灵敏度温漂，可以采用在电源回路中串联二极管的方法。
11.利用导电材料的电阻率随本身温度而变化的温度电阻效应制成的传感器，称为热电阻式传感器。
12.电位计传感器也称变阻器式传感器，其工作原理是通过改变电位计触头位置，实现将位移变化转换为电阻的变化。
第四章 电容式传感器/作业题
1.在应用中电容式传感器有三种基本类型，即 变极距型 或称变间隙(δ)型、变面积(S)型和变介电常数(ε)型。
而它们的电极形状又有 平板 形、_ 圆柱 形和 球平面 形三种。
2.容栅传感器是在 变面积 型电容传感器的基础上发展的一种新型传感器，它分为 长容栅 和
圆容栅 两种。
3.电容式传感器是将被测量的变化转换成 电容量 变化的一种传感器。
4.变极距式电容传感器的电容变化量△C与极距的变化量△δ之间不是 线性 关系。但当△δ＜＜δ（即量程远小于极板间初始距离）时，可以认为△C与△δ之间是线性 的。
这种类型的传感器一般用来测量 微小变化 的量。
5.变介电常数型电容传感器大多用来测量电介质的 厚度 、 位移 、 液位 ，还可根据极间介质的 介电常数 随温度、湿度改变而改变来测量温度、湿度等。
6.为了改善变极距式电容传感器的非线性，可以采用 差动形式 ，并使输出为两电容之差。这种形式不仅可以改善非线性， 灵敏度 也提高了一倍。
7.变面积型和变介电常数型（测厚除外）电容传感器具有很好的线性，但它们的结论都是在忽略了 边缘效应 下得到的。
8.电容式传感器具有以下优点：① 温度稳定性好 ；②结构简单，适应性强；③ 动态响应好；④可以实现 非接触 测量，具有平均效应。
9.电容式传感器的主要缺点是：① 输出阻抗高 ，负载能力差；② 寄生电容 影响大；③
输出特性 非线性。
10.边缘效应不仅使电容传感器的 灵敏度 降低，而且产生 非线性 ，因此应尽量消除和减小边缘效应。
第五章 电感式传感器/作业题
1.当自感式传感器结构和材料确定后，电感L为气隙截面积S及空气隙长度δ的函数。S固定，可构成 变气隙型 传感器。δ固定，可构成 变面积型 传感器。
2.变气隙型电感传感器灵敏度 高 ，非线性 严重 ，量程 较小_ 。变面积型电感传感器的灵敏度 比空气隙型的低 ，线性性 好 ，量程 较大 。螺管型电感传感器的灵敏度 比变面积型的还低 ，量程 大 ，线性性 较好_ 。
3.差动电感传感器的结构要求是：两个磁导体的几何尺寸 完全相同 ，材料性能 完全相同 ，两个线圈的电气参数和几何尺寸 也完全相同 。
4.差动式的与单线圈的电感传感器相比，具有线性好、灵敏度提高一倍和测量精度高的优点。
5.交流电桥的平衡条件是_ Z1Z3=Z2Z4_ __ 。
6.零位误差是指输入为 零 时，输出 不为零 。减小零位误差的方法是减小电源中的谐波成分，还可以 采用补偿电路进行补偿 。
7.根据电磁场的理论，涡流的大小与导体的电阻率ρ、导磁率μ、导体厚度t 及 线圈与导体之间的距离x 、线圈的激磁频率ω__ 等参数有关。改变 线圈和导体之间的距离 ，可以做成测量位移、厚度、振动的传感器；改变导体的电阻率，可以做成测量表面温度、检测材质的传感器；改变导体的导磁率可以做成测量应力、硬度的传感器，同时改变 x,ρ和μ，可以对导体进行探伤。
8.低频透射式涡流传感器的测量原理是：当发射线圈和接收线圈之间放入金属板后，引起接收线圈感应电势E2的变化，金属板的厚度δ越大，E2就越小。通常，测薄导体时，激励频率较高，测厚导体时激励频率应 较低 。测
较小的材料时，应选 较低 的频率，而测较大的材料（黄铜、铝）时，则选用 较高 的频率。
9.涡流传感器最大的特点是可以实现非接触式测量，应用非常广泛，可以检测 位移和尺寸 、
厚度 、 转速 、 温度 和 涡流探伤 。
10.感应同步器的激磁方式有两种：一种是以 滑尺（或定子） 激磁，由 定尺（或转子）取出感应信号；另一类是以 定尺 激磁，由 滑尺 取出感应电势信号。感应同步器的检测系统分成 鉴相型 和 鉴幅型 。
11.零位误差是指零电势距离起始零位的 实际位移量 与 理论位移量 的误差，点的细分误差是指每个细分点的 实际细分值 与 理论细分值 之差，细分误差为各点细分误差中的正最大值和负最大值的绝对值之和的一半，并冠以“±”号来表示。
第六章 磁电式传感器/作业题
1.导体在磁场中运动切割磁力线，导体两端会出现感应电动势E，闭合导体回路中感应电动势e=-N
；当线圈垂直于磁场方向切割磁力线时，感应电动势e=-NBlv；若线圈以角速度ω转动，、则感应电动势e=-NBSω。
2.只要线圈磁通量发生变化，就有感应电动势产生，其实现的主要方法有 线圈与磁场发生相对运动；磁路中磁阻变化 ； 恒定磁场中线圈面积变化 。当传感器结构参数确定后，感应电动势e与线圈相对磁场的运动速度v或ω成正比。所以，可用磁电式传感器测量 线速度 和 角速度 ，对测得的速度进行积分或微分就可求出 位移 和 加速度 。
3.磁电式传感器直接从被测物体吸收机械能并转换成电信号输出，且输出功率大 ，性能稳定 ，它的工作不需要 电源 ，调理电路 非常简单 ，由于磁电式传感器通常具有较高的 灵敏度 ，所以一般不需要 高增益放大器 ，适用于 振动、转速、扭矩的测量。
4.电磁流量传感器的结构如图6-8所示，传感器安装在工艺管道中，当导电流体沿测量管在磁场中与磁力线成垂直方向运动时，导电流体切割磁力线而产生感应电动势E= B
D ，其中B是磁感应强度 ，是平均流速，D是距离，常与 测量管内径 相等。流经测量管流体的瞬时流量Q与流速的关系为Q=а=
。
5.在如图6-9所示的金属或半导体薄片两端通以控制电流I ，在与薄片垂直方向上施加磁感应强度为B的磁场，则在垂直于电流和 磁场 方向的薄片的另两侧会产生U
，其大小正比于控制电流I和 磁感应强度B 的现象，这一现象称为霍尔效应，利用霍尔效应制成的传感元件称 霍尔传感器。在薄片两侧之间建立的电场E
，称为霍尔电场，相应的电势U称为 霍尔电势 。霍尔效应的产生是由于 运动电荷受磁场中洛仑磁力作用的结果 。
6.霍尔电势U=
=KHIB，其中R是 霍尔系数（m3/c）、I是控制电流（A）、B是磁感应强度（T）、d是半导体薄片厚度（M）、KH是灵敏度系数，R=
，其中为 载流体的电阻率 ，
为 载流子的迁移率 ，半导体材料（尤其是N型半导体）电阻率较大，载流子迁移率很高，因而可以获得很大的霍尔系数 ，适于制造霍尔传感器。
7.霍尔电势的大小正比于控制电流I和 磁感应强度B ，灵敏度k
表示 在单位磁感应强度和单位控制电流时输出霍尔电势的大小 ，一般要求 越大越好，元件的厚度d越 薄 ，k越大，所以霍尔元件的厚度都很 薄 。当载流材料和几何尺寸确定后，霍尔电势的大小只和 I 和 B 有关，因此霍尔传感器可用来探测 磁场 和 电流 ，由此可测量压力、振动等。
8.霍尔元件的输出与灵敏度有关，灵敏度系数k越大，输出U 越大_ 。灵敏度系数的大小，取决于 元件的材料 和几何尺寸 ，材料的和越大，霍尔系数R越大，输出的U越大，为了提高霍尔灵敏度，要求材料的R尽可能的大。元件的厚度d越小，k越大，U也越大，所以霍尔元件的厚度要小，但太小会使元件的 输入 、输出电阻增加 。
9.当霍尔元件的控制电流采用交流时，由于 建立霍尔电势所需时间很短（均10-12—10-14 S），因此交流电频率可高达几千兆赫，且 信噪比 较大。当磁场为交变，电流为直流时，由于 交变磁场在导体内产生涡流而输出附加霍尔电势 ，所以霍尔元件不能在交变频率为几千赫的磁场中工作。
10.对霍尔元件可采用 恒流 驱动或 恒压 驱动； 恒压 驱动电路简单，但性能较差，随着磁感应强度增加，线性变坏，仅用于 精度要求不太高 的场合； 恒流 驱动线性度高，精度高，受温度影响小。
11.霍尔元件对 温度 的变化很敏感，霍尔元件的 输入电阻 、 输出电阻 、 霍尔电势 等都会随温度变化，这将给测量带来较大的误差。为了减小由于温度影响带来的测量误差，除选用_________ 温度系数小的元件或采取 恒温 措施外，还可以采用 恒流源 、 利用输入回路串、并电阻 、_________ 利用输出回路的负载、利用热敏电阻 等方法进行补偿。
12.以霍尔元件做探头的特斯拉计（或高斯计、磁强计）可用来测量磁场，锗和砷化镓器件的霍尔电势 温度系数 小， 线性范围 大，适用于做测量磁场的探头，把探头放在待测磁场中，探头的磁敏感面与 磁场方向 垂直， 控制电流 恒定，则 霍尔输出电势UH 正比于磁场B，故可以利用它来测量磁场。进行测量时，采用高导磁的磁性材料（如坡莫合金）集中磁通来增强磁场的集束器 可降低器件噪声、提高信噪比。
13.磁栅传感器由 磁栅 、 磁头 和 检测电路 组成。 磁栅 是检测位置的基准尺，尺身的磁性薄膜上预先录有相同间距的栅状磁信号， 磁头 读取磁信号。当 磁栅 与 磁头 的相对位置发生变化时，磁头的输出发生相应变化，将位移量转换为电信号，然后通过检测电路转换成脉冲，并以数字形式显示出来。磁栅传感器有 长磁栅式 和 圆磁栅式 两种，分别用来测量线位移 和 角位移 。
14.磁头的功能是 读取磁栅上记录信号 ，可分为 静态磁头 和 动态磁头 。 动态磁头 仅有输出绕组，只有与磁栅相对运动才有信号输出，输出信号的幅值随 相对运动速度 而变化，_______ 动态磁头在使用上有一定的局限性，不适合长度测量。为了保证一定幅值的输出，通常规定磁头以一定速度运动。
15.磁栅传感器的误差包括零位误差和细分误差。零位误差是由 磁栅的节距不均匀 、 磁栅的安装与变形 、磁栅剩磁变化所引起的零点漂移、外界磁场干扰等因素造成的；细分误差是由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、两个磁头在空间位置偏离正交较远、两个磁头参数不对称、磁场高次谐波分量和感应电势高次谐波的分量的影响等因素造成的。
第七章 压电式传感器/作业题
1.压电效应是当某些晶体沿着一定方向受到外力作用时，内部会产生 极化 现象，同时在某两个表面上产生大小相等符号 相反 的电荷；当外力去掉后，又恢复到 不带电 状态；当作用力方向改变时，电荷的极性也随着改变 ；晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比 。
2.对压电晶体施加电场，晶体将在一定方向上产生 机械变形 ；当外加电场撤去后，该________ 也随之消失。这种现象称为逆压电效应，也称作 电致伸缩效应 。
3.石英晶体的x轴称为 电轴 ，垂直于x轴的平面上 压电效应 最强；y轴称为 机械轴 ，沿y轴的 机械变形 最明显；z轴称为 光轴或中性轴 ，z轴方向上没有压电效应。
4.压电式传感器既可等效为电荷源，又可等效为 电容器 ，其等效电路可认为是二者的并联，也可认为是一个 电压源 和一个 电容器 的串联。
5.压电式传感器中常用两片以上压电晶片组合在一起使用，两片压电晶体构成的传感器有_________ 串联和并联两种接法。
6.压电材料可分为三大类：压电晶体、压电陶瓷和新型压电材料。
7.原始的压电陶瓷不具有压电效应，只有经过极化处理后，才具有压电性，即在一定温度下，以强电场使其电畴趋向外加电场规则排列，从而呈现出压电性，当极化电场撤去后，电畴基本保持基本不变，形成很强的剩余极化，从而呈现压电性。
8.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作电子器件，也可将二者结合，研制集转换元件和电子线路于一体的新型压电传感器测试系统。
9.压电传感器的变换电路具有电荷等效电路和电压等效电路两种形式。
10.电荷放大器是一种输出电压 与输入 电荷 成正比的前置放大器。电荷放大器的输出电压仅与输入电荷和反馈电容有关，传感器的灵敏度与电缆电容无关。
11.高分子压电材料大体上可以分为高分子压电薄膜和高分子压电陶瓷薄膜两类。
12.PVDF是一种新型的高分子物性型压电材料，它的主要优点是：压电系数 高 ；柔性和加工性能 好 ，适于做 大面积 的传感阵列器件；声阻抗与水及人体肌肉的声阻抗 很接近，可用作水听器和医用仪器的敏感元件。
第八章 光电式传感器/作业题
1.在光线作用下，物体内的电子逸出物体表面，向外发射的现象叫外光电效应；在光线作用下，电子吸收光子能量从键合状态过渡到自由状态，引起物体电阻率的变化，这种现象称为光电导效应，也称为内光电效应；在光线作用下，能够使物体产生一定方向的电动势的现象叫 光生伏特效应。
2.光敏元件的两端加一定偏置电压后，在某种光源的特定照度下产生或增加的电流称为光电流。光敏元件在无光照时，两端加电压后产生的电流称为暗电流。
3.常用的光电器件光源有发光二极管、钨丝灯泡、电弧灯和石英灯和激光。
4.光纤的分类方法有很多，按折射率分布情况可分为阶跃型和渐变型 ；光纤按传输模式多少分为单模和多模光纤。根据光纤在传感器中的作用，光传感器可以分为传感型和传光型。
5.码盘的分辨力与位数有关，为了提高精度，就要增加位数。二进制码盘很简单，但实际应用中对码盘的制作要求十分严格，否则就会出错。解决这个问题的方法之一是采用循环码。
6.光电式编码器由光源、光学系统、码盘、光电接收元件、 处理电路等组成。
7.将栅距相同的两块光栅的刻线面相对重叠在一起，并且使二者栅线有很小的交角θ。这样就可以看到在近似垂直栅线方向上出现明暗相间的条纹，称为莫尔条纹。
8.当光栅移动一个栅距时，莫尔条纹就移动一个条纹间隔B；当光栅改变运动方向时，莫尔条纹也随之改变运动方向。莫尔条纹具有放大和平均误差的作用。
9.光栅传感器是由光源、透镜、主光栅、指示光栅和光电接收元件组成。
10.激光具有方向性强、亮度高、单色性强和相干性好等优点。
11.根据工作物质不同，激光器可以分为固体激光器、气体激光器、液体激光器和半导体激光器等。
第九章 超声波传感器/作业题
1.超声波的特征是频率高（可达109Hz），因而波长短、绕射现象小，方向性好能够成为射线而定向传播。超声波可穿透几十米的长度，碰到杂质或分界面就会有显著的反射。
2.振动在弹性介质内的传播过程就称为机械波。声波作为机械波的一种，能够在气体、液体、固体中传播，声波亦可分为次声波、声波、超声波及特超声波。超声波波长λ、频率f与速度c的关系为 λ=c/f。
3.超声波的波型依据超生场中质点的振动与声能量传播方向之间的关系来分有纵波、横波、表面波（亦称瑞利波）和兰姆波。纵波是指质点的振动方向和波的传播方向相同的波；横波是指质点的振动方向垂直于传播方向的波；表面波是指质点的振动与波的方向介于纵波和横波之间，而沿着物体表面传输；兰姆波是指两表面质点的振动是纵波和横波成分之和，运动轨迹为椭圆，沿着板的两表面及中部传输。
4.声波在介质中向前传播的速度称为声速。对于不同波型的超声波，其传播速度不同，声速取决于介质的性质。同时有几个声波在同一种介质中传播时，在相遇处各质点的位移将符合波的叠加原理。由不同波源发出的频率相同、振动方向相同、相位相同或相位差恒定的两个波在空间相遇时，某些点振动始终加强，某些点振动始终减弱或消失，这种现象称为干涉现象。
5.两个振幅相同的相干波在同一直线上沿相反方向彼此相向传播时叠加而成的波称为驻波。驻波的特点是：每相距λ/2的这些点上，介质保持静止状态，这些点便称为节点，节点之间_______ 对应介质位移的点便称为波腹。驻波速度振幅的节点和腹点的位置与驻波本身的节点和腹点的_______ 位置相同。
6.当超声波在一种介质中传播到界面或遇到另一种介质，其方向不垂直于界面时，将产生声波的反射、折射及波型转换现象。反射声强Ir与入射声强Ii之比称反射系数。当声波垂直入射时，在从液体或固体到空气或相反的情况下，反射接近100%。透过声压Pt与入射声压Pi之比为透过率，透过声强It与入射声强Ii之比为透过系数T。
7.当声波以某一角度入射到第二介质（固体）的界面上时，除有纵波的反射、折射以外，还发生横波的反射与折射，在一定情况下还能产生表面波。在用横波探测时，不希望有纵波存在，以免发生波形判断的困难。由于纵波折射角（或波速）大于横波折射角（波速），故可选择适当的入射角，使纵波全反射。
8.声波的衰减的原因有声波扩散、散射、介质吸收。声波的衰减以衰减系数α来表示。在平面波的情况下，声压和声强的衰减公式为P=Poe-ax、I=Ioe-2ax。在一般的探测频率上，材料的衰减系数在一到几百之间。
9.在自动化探伤中，当声源和工件之间有相对运动时，由缺陷反射回来的超声波的频率将与声源发射超声波的频率有所不同，这种现象即为多普勒效应，由此效应引起的频率变化称为多普勒频移。
10.设在S有一声源，发出一频率fs为的超声波，在介质中的传播速度为C，波长为λ。那么当接收点O与发射点S和介质都处于静止状态时，接收点所收到的频率将与发射频率完全相同；如果接收点以速度V
与声波传播方向同向运动，此时声波相对于运动着的接收点的速度为
，接收点所收到的频率为
。若接收点不动，而声源以速度
运动，接收点感觉到频率
将为
。发射声源和接收点同时对介质作相对运动时，接收点所收到的频率将为
，其中多普勒频移为
。
11.超声波换能器是实现电能和声能相互转换的一种器件。在超声波检测技术中，超声波换能器的功能是把超声波发射出去再接收回来变换成电信号。用于检测的超声波换能器有压电型、磁致伸缩型、电磁型、有振板型、弹性表面波型等。在检测技术中，主要采用的是压电型换能器，发射超声波利用压电材料的逆压电效应，而接收信号则用其正压电效应。
12.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，作为无损检验一种重要手段，超声波探伤法一般有共振法、穿透法、脉冲反射法、直接接触法、液浸法等。
13.共振法是根据声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厚度的检测，也可用于探测复合材料的粘合质量和钢板内的夹层缺陷等检测。声波在工件内传播时，如入射波与反射波同相位，则引起共振。当时，共振法测厚的公式为
。
14.穿透法是将两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，在该界面处于另一个探头来接收。根据超声波穿透工件后的能量变化情况，来判断工件内部质量。工件内无缺陷时，接收的超声波能量较强；一旦有缺陷，声波受缺陷阻挡，则将在缺陷后形成声影，这样就可根据接收到的超声波能量的大小来判定缺陷的大小。声影的缩小则是由于声波在缺陷边缘绕射造成的。缺陷距离接收探头愈远，所形成的声影愈小，缺陷就不易被发现。为不使远离接收探头的缺陷漏检，常将发射探头和接收探头互换位置后重测一次。
15.脉冲反射法的工作原理是当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。根据入射声波型不同可分为纵波探伤法、横波探伤法、表面波探伤法、兰姆波探伤法几种。
16.为使探头有效地向工件发射超声波和有效地接收超声波，必须使探头和工件探测面之间有良好的声耦合。良好的声耦合可以通过填充耦合介质来实现，以避免空气的存在，因为空气层的存在将使声能几乎完全被反射。探头和工件的耦合方式可分直接接触法和液浸法。
17.超声波测厚仪从原理上分主要有共振法和脉冲反射式。共振法测厚的精度可达0.1%-1%，测厚范围1-100mm，最薄可测0.1mm，对于一定的被测材料来说，厚度测量范围不但与振荡器工作频率有关，还与采用基波共振或谐波共振的指示方式等因素有关。通常检测金属厚度的频率范围为0.7-3MHz，对于声波衰减较大的材料，由于共振不明显，测量精度也低。
18.超声测量液位时，根据传声介质的不同，可分为液介式、气介式、固定式三种；根据换能器的工作方式又可分为自发自收单换能器方式和发、收双换能器方式。
第十章 传感器与测试技术在机电系统中的典型应用
_________________ ─作业题
1.选择传感器首先要研究所测试的信号，确定测试方案，并初步确定传感器的类型；其次要分析测试环境和干扰因素，选择抗干扰性能不同的传感器；然后根据测试范围，确定选用什么样的传感器；再确定测试方式，在测试过程中是接触测量还是非接触测量；最后考虑传感器的被测位置的体积是否能安下，传感器的来源、价格等因素。选择合适传感器还应考虑灵敏度、频率响应特性、稳定性、精度。
2.选用信噪比高的传感器，才能保证传感器灵敏度在测量范围内及线性范围内保持不变。传感器的灵敏度是有方向性的，当被测量是单向量时，就选用横向灵敏度小的传感器；若被测量是多维的，则要求传感器的交叉灵敏度愈小愈好。
3.传感器的频响特性必须覆盖被测信号的带宽，传感器的响应时间越短越好。通常利用光纤式、光电式、压电式、压阻式等响应时间短、力测量范围宽，而电感式、电容式、磁电式、电位器式等传感器由于受结构特性的影响，机械系统惯性大，自然频率低，测量范围窄。
4.设计测试系统必须考虑灵敏度、精确度、响应特性、线性范围、稳定性、测量方式等因素。
5.测试系统在不同的环境下工作时不可避免地受到一些外界因素和内在因素的干扰，从而产生测量误差，影响测量结果的精确度。在测试系统的电路中出现的无用信号称为噪声，由噪声造成的不良效应称为干扰，噪声的存在是绝对的，一般情况下只能降低，难以完全消除；而干扰的存在是相对的，可以消除。在测量系统内部产生的干扰可以通过系统的正确设计和结构的合理布局予以减弱甚至消除。
6.测试系统在通常情况下受到的干扰有机械干扰、光干扰、温度干扰、湿度干扰、电磁干扰等。可采用减振措施、屏蔽措施、温度补偿、防潮措施等方法消除或削弱这些干扰。
7.测试系统中噪声的形式必须具备噪声源、耦合通道、对噪声敏感的接受电路三个基本因素。噪声源有放电噪声源、电气噪声源、固有噪声源。放电噪声源是产生干扰的一种主要噪声源，按照放电的形式分为电晕放电噪声源、火花放电噪声源、放电管噪声源。噪声耦合有公共阻抗耦合、电容性耦合、电感性耦合三种方式。
8.要使测试工作正常进行，必须采用抗干扰技术抑制噪声。常见的方法有屏蔽、接地、滤波等。屏蔽既可成为屏蔽干扰源，也可作为屏蔽接收体。屏蔽设施可以选用铜、铝等低电阻材料或磁性材料制成容器，将干扰源或接收体分别包容起来以制止电或磁的互相感应，根据场的性质不同，屏蔽一般可分为电场屏蔽、磁场屏蔽和电磁屏蔽。
9.磁场屏蔽用的屏蔽体用强磁材料制成，由于磁阻极小，因而干扰源所产生的磁通大部分被限制在强磁屏蔽体内。屏蔽体的磁阻越小，厚度越大，则效果越好。若采用相互具有一定间隔的两个以上的同心屏蔽体则效果更佳。磁屏蔽体接地可同时起到屏蔽电场和磁场的作用。
10.电磁屏蔽主要用于防止高频电磁场的影响，电磁屏蔽体采用导电性能良好的金属材料制作，由于屏蔽体的波阻抗和周围介质（如空气等）的波阻抗不同，这就引起了屏蔽体表面对的反射，从而达到抗干扰的目的。
11.接地包括接实地和接虚地，接实地是指设备与大地作良好的连接，各种电子仪器及设备的机壳接地皆属于这种接地；接虚地是指测试装置的信号参考点与直流地相连接以建立信号的基准电位。根据频率的高低在地线接法上有单点接地和双点接地。多点接地一般适用于10MHz以上的频率，而频率低于1 MHz时应采用单点接地。通常的测试系统工作频率都较低，对它起作用的干扰频率往往在1 MHz以下，因此采用单点接地较为普遍。
12.使用串联单点接地必须注意缩短接地点之间的距离，使各电路接地点之间的电位差减小；设置地线时，在条件允许的情况下应尽量加粗导线，同时支线、干线也应根据电流的大小相应加粗；电平较低的电路应距地最近，以减少电位差的影响。串联单点接地的优点是引线较少，布线简单，当各电路的电平相差不大时常常采用。并联单点接地各电路的地电位只与本电路的_______ 电流和地线阻抗有关，不存在公共阻抗耦合这一噪声传播途径，各电路之间没有公共接地线阻抗噪声的干扰，但实现起来比较麻烦；另外，由于若干接地线彼此接近，容易造成各接地线之间的电场耦合或磁场耦合，所以一般用于较简单的测试系统。串、并联单点接地适用于低频测试系统，可以解决大部分接地问题，它兼有串联接地布线简单和并联接地能抑制共接地线公共阻抗噪声干扰的优点。
13.切削力是机械加工中的一个重要参数，性能良好的切削测力仪或动态测力仪应具备灵敏度高、直线性好、稳定性好、静刚度高、交叉干扰度小、具有良好的动态响应特性、结构简单、体积小、重量轻、密封与屏蔽良好等性能要求。切削测力仪按原理分压电式和电阻应变式两类。
14.扭矩是工作机械传动轴的基本载荷形式，常用扭矩测量方法有电阻应变式扭矩仪、压磁式扭矩传感器、轴变型扭角扭矩测量仪。应变式扭矩传感器使用集流环将转动轴体上的电信号与固定测量电路装置相联系，集流环按工作原理分有电刷—滑环式、水银式和感应式几种，集流环的转动部分和固定部分的接触电阻应当变化很小，否则这种变化会作为较大的噪声信号被记录下来，产生测量误差。
15.物体运动速度的测量方法有通过对位移信号进行电气微分来测量速度、通过所测的和来测量平均速度、闪光测速法、采用磁电式传感器测速、利用多普勒效应的原理。
16.接近开关有涡流式、电容式、霍尔式、光电式、热释电式，以及利用多普勒效应制成的超声波、微波接近开关。
17.温度传感器在机械工程制造业使用应满足（1）温度特性曲线应满足所要求的测温精度、（2）输出信号易于处理、（3）漂移和时效变化要小，并具有互换性、（4）对于温度以外的物理量不敏感、（5）尺寸小、便于安装、（6）具有较好的机械、化学、热抗辐射等性能、（7）安全、无毒。（8）可批量生产、价格低廉、容易购买等。对温度有依存关系的物理参数有热膨胀、电阻、电动势、磁性、电容、光学弹性及热噪声等，由此构成具有不同测温范围的温度传感器。
18.测温方法可分接触法与非接触法。接触法是基于热平衡原理，测温敏感元件必须与被测介质接触，使两者处于同一热平衡状态，具有同一温度。非接触式测温法是利用物质的热辐射原理测温，敏感元件不需与被测介质接触。接触式测温仪有热膨胀式温度计、热电偶温度计、热电阻温度计等，非接触式测温仪有辐射温度计、红外测温计等。
19.汽车传感器大致有两类，即一类是使司机了解汽车各部分状态的传感器、另一类是用于控制汽车运行状态的传感器。设计和选用汽车传感器应考虑1）有较好的环境适应性、2）批量生产性、3）可靠性、4）尽可能体积小、重量轻、便于安装、5）符合有关法规的要求以及量程、灵敏度、分辨力、误差、重复性、线性度、过载、可靠度、响应速度的选择等。
20.设计和选用汽车发动机控制用传感器要考虑发动机产生的热、震动、汽油蒸汽、轮胎产生的污泥和飞溅的水花等恶劣的环境因素。
21.汽车发动机用传感器有（1）温度传感器，有绕线电阻式、热敏电阻式和热电偶式等；（2）压力传感器，有差动变压器式、电容式、半导体压敏电阻式、表面弹性波式等；（3）曲轴位置、转速传感器，发电式磁电式、霍尔效应式、磁敏晶体管式、磁涡流式、光电式等；（4）流量传感器，有卡尔曼漩涡式、涡轮式、离子偏流式、风门式、超声波式等；（5）氧传感器，氧化锆固体电解质式、二氧化钛式；（6）爆燃传感器，爆燃的检测法有汽缸压力、发动机机体振动和______ 燃烧噪音等。
22.汽车用压力传感器就其信号产生原理可分为半导体压敏电阻式、电容式、膜盒传动的差动变压器式和表面弹性波式等，其中电容式和半导体压敏电阻式进气压力传感器在发动机电子控制系统中应用较为广泛。
23.汽车用液位传感器有浮子舌簧开关式、可变电阻式、热敏电阻式、电极式等。
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