傳感器檢測(cè)技術(shù)考試練習(xí)題一、引言傳感器檢測(cè)技術(shù)作為現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化、智能制造、物聯(lián)網(wǎng)以及各類(lèi)精密測(cè)量領(lǐng)域的關(guān)鍵基礎(chǔ)技術(shù)，其重要性不言而喻。本文旨在通過(guò)一系列練習(xí)題，幫助讀者鞏固傳感器檢測(cè)技術(shù)的核心概念、基本原理、典型應(yīng)用及關(guān)鍵性能指標(biāo)等知識(shí)，檢驗(yàn)學(xué)習(xí)成果，并為相關(guān)考試提供針對(duì)性的復(fù)習(xí)參考。題目設(shè)計(jì)注重理論與實(shí)踐的結(jié)合，力求覆蓋該領(lǐng)域的重點(diǎn)與常見(jiàn)考點(diǎn)。二、練習(xí)題（一）簡(jiǎn)答題1.請(qǐng)簡(jiǎn)述傳感器的定義，并說(shuō)明其組成的基本環(huán)節(jié)及其各自的作用。2.傳感器的靜態(tài)特性有哪些主要指標(biāo)？請(qǐng)分別解釋其含義。3.什么是傳感器的靈敏度？它與分辨率有何區(qū)別與聯(lián)系？4.試比較金屬電阻應(yīng)變片與半導(dǎo)體應(yīng)變片在工作原理上的異同點(diǎn)。5.簡(jiǎn)述電容式傳感器的工作原理，并列舉至少兩種電容式傳感器的典型應(yīng)用。6.什么是壓電效應(yīng)？基于壓電效應(yīng)工作的傳感器有哪些特點(diǎn)？7.光電傳感器主要有哪些類(lèi)型？請(qǐng)舉例說(shuō)明其中一種類(lèi)型的工作原理及應(yīng)用場(chǎng)景。8.在實(shí)際應(yīng)用中，為何常常需要對(duì)傳感器輸出信號(hào)進(jìn)行調(diào)理？常見(jiàn)的信號(hào)調(diào)理電路有哪些？（二）分析與應(yīng)用題9.某溫度測(cè)量系統(tǒng)采用了PT100鉑電阻溫度傳感器。已知該傳感器在0℃時(shí)的電阻值為100Ω，溫度系數(shù)為0.____Ω/°C（假設(shè)為線性）。若測(cè)得某時(shí)刻傳感器的電阻值為119.25Ω，試計(jì)算此時(shí)對(duì)應(yīng)的溫度值。在該測(cè)量系統(tǒng)中，電橋電路常被用來(lái)將電阻變化轉(zhuǎn)換為電壓變化，請(qǐng)簡(jiǎn)述其基本原理。10.在自動(dòng)化生產(chǎn)線上，常需要對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行計(jì)數(shù)。請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)一種基于光電傳感器的計(jì)數(shù)方案，說(shuō)明所選用的傳感器類(lèi)型、基本組成以及工作過(guò)程。為提高計(jì)數(shù)準(zhǔn)確性，應(yīng)注意哪些問(wèn)題？三、參考答案與要點(diǎn)提示（一）簡(jiǎn)答題參考答案要點(diǎn)1.傳感器定義：能感受規(guī)定的被測(cè)量并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置?；窘M成環(huán)節(jié)：敏感元件（直接感受被測(cè)量并輸出與被測(cè)量有確定關(guān)系的某一物理量）、轉(zhuǎn)換元件（將敏感元件輸出的非電量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)）、轉(zhuǎn)換電路（對(duì)轉(zhuǎn)換元件輸出的電信號(hào)進(jìn)行放大、調(diào)制、濾波等處理，以適應(yīng)后續(xù)測(cè)量或控制需求）。有時(shí)還包括輔助電源等。2.靜態(tài)特性指標(biāo)：包括線性度（輸入輸出關(guān)系與理想直線的偏離程度）、靈敏度（輸出變化量與引起該變化的輸入變化量之比）、遲滯（正、反行程輸入輸出特性曲線不重合的程度）、重復(fù)性（在相同條件下，多次輸入同一量值時(shí)，輸出的一致程度）、漂移（在輸入不變的情況下，輸出隨時(shí)間或環(huán)境條件變化的趨勢(shì)，如零點(diǎn)漂移、靈敏度漂移）、測(cè)量范圍與量程等。3.靈敏度：傳感器輸出變化量Δy與引起此變化的輸入變化量Δx之比，即S=Δy/Δx。它反映了傳感器對(duì)被測(cè)量變化的敏感程度。分辨率：傳感器能檢測(cè)到的被測(cè)量的最小變化量。兩者都與傳感器的感知能力有關(guān)，但靈敏度側(cè)重于輸出與輸入的比例關(guān)系，分辨率側(cè)重于最小可檢測(cè)量。高靈敏度不一定意味著高分辨率，還與噪聲等因素有關(guān)。4.相同點(diǎn)：兩者都是基于應(yīng)變效應(yīng)，即材料在外力作用下產(chǎn)生機(jī)械變形時(shí)，其電阻值發(fā)生變化。不同點(diǎn)：金屬電阻應(yīng)變片主要利用金屬材料幾何尺寸變化（應(yīng)變）導(dǎo)致的電阻變化（主要是幾何效應(yīng)）；半導(dǎo)體應(yīng)變片主要利用半導(dǎo)體材料在應(yīng)力作用下電阻率發(fā)生顯著變化的壓阻效應(yīng)（主要是物理效應(yīng)）。半導(dǎo)體應(yīng)變片靈敏度遠(yuǎn)高于金屬應(yīng)變片，但溫度穩(wěn)定性較差，非線性較明顯。5.電容式傳感器工作原理：基于電容器的電容值C與極板面積A、極板間距d及極板間介質(zhì)的介電常數(shù)ε有關(guān)（C=εA/d），通過(guò)將被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)換為A、d或ε的變化，從而引起電容C的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)量。典型應(yīng)用：電容式位移傳感器（變d或變A）、電容式物位傳感器（變?chǔ)呕蜃傾）、電容式壓力傳感器（變d）、電容式濕度傳感器（變?chǔ)牛┑取?.壓電效應(yīng)：某些電介質(zhì)材料（如石英晶體、壓電陶瓷）在沿一定方向受到外力作用而發(fā)生機(jī)械變形時(shí)，其內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在其表面出現(xiàn)正負(fù)束縛電荷；當(dāng)外力去掉后，又重新恢復(fù)到不帶電狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱(chēng)為正壓電效應(yīng)。反之，在這些材料的極化方向上施加電場(chǎng)，材料會(huì)產(chǎn)生機(jī)械變形，稱(chēng)為逆壓電效應(yīng)。傳感器特點(diǎn)：輸出電荷信號(hào)（或通過(guò)轉(zhuǎn)換電路輸出電壓信號(hào)），靈敏度高，響應(yīng)速度快，線性范圍較寬，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，重量輕。但輸出信號(hào)微弱，易受干擾，有零漂，通常需要高輸入阻抗的前置放大器，且一般用于動(dòng)態(tài)測(cè)量（因靜態(tài)力作用下電荷會(huì)泄漏）。7.光電傳感器類(lèi)型：可分為光電效應(yīng)型（如光電管、光電倍增管、光敏電阻、光電二極管、光電三極管、光電池）和非光電效應(yīng)型（如光柵、編碼器等，利用光的傳播特性）。舉例：光敏電阻是基于內(nèi)光電效應(yīng)（光電導(dǎo)效應(yīng)）。工作原理：當(dāng)光照射到光敏電阻上時(shí)，其材料吸收光子能量，使載流子濃度增加，導(dǎo)致電阻值降低（或電導(dǎo)增大），光強(qiáng)越大，電阻越小。應(yīng)用場(chǎng)景：路燈自動(dòng)控制、光控開(kāi)關(guān)、照度計(jì)、相機(jī)曝光控制等。8.信號(hào)調(diào)理的原因：傳感器輸出信號(hào)通常很微弱，可能含有噪聲，阻抗不匹配，或信號(hào)形式（如電荷、電阻變化）不便于直接后續(xù)處理（如A/D轉(zhuǎn)換、顯示、控制）。常見(jiàn)信號(hào)調(diào)理電路：放大電路（如運(yùn)算放大器組成的電壓放大、電荷放大、電流放大）、濾波電路（去除噪聲和干擾）、調(diào)制與解調(diào)電路（用于交流信號(hào)的傳輸與處理）、電橋電路（將電阻、電容、電感等參數(shù)變化轉(zhuǎn)換為電壓或電流變化）、線性化電路（改善傳感器的非線性特性）、溫度補(bǔ)償電路等。（二）分析與應(yīng)用題參考答案要點(diǎn)9.溫度計(jì)算：根據(jù)公式Rt=R0(1+αt)，其中Rt=119.25Ω，R0=100Ω，α=0.____/°C。則t=(Rt/R0-1)/α=(119.25/100-1)/0.____=(0.1925)/0.____=50°C。電橋電路原理：將PT100作為電橋的一個(gè)橋臂。當(dāng)溫度變化導(dǎo)致PT100電阻變化時(shí)，電橋失去平衡，橋路輸出端產(chǎn)生與電阻變化（即溫度變化）相對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)。通過(guò)測(cè)量該不平衡電壓，即可得知溫度的變化。常用的有單臂電橋、半橋和全橋接法，以提高靈敏度和改善線性。10.光電計(jì)數(shù)方案：*選用傳感器類(lèi)型：可選用對(duì)射式光電傳感器或反射式光電傳感器（根據(jù)產(chǎn)品是否反光、安裝空間等選擇，對(duì)射式抗干擾能力通常更強(qiáng)）。*基本組成：光源（如紅外發(fā)光二極管）、光接收器（如光電三極管、光電二極管）、信號(hào)處理電路（放大、整形、比較、計(jì)數(shù)電路或連接到微控制器）。*工作過(guò)程：以對(duì)射式為例，光源和接收器分別置于生產(chǎn)線兩側(cè)。無(wú)產(chǎn)品通過(guò)時(shí)，接收器接收到光信號(hào)，輸出高電平（或低電平）；當(dāng)產(chǎn)品通過(guò)時(shí)，遮擋光路，接收器接收不到光信號(hào)，輸出電平發(fā)生跳變（低電平或高電平）。此跳變信號(hào)作為計(jì)數(shù)脈沖，送入計(jì)數(shù)器或微控制器進(jìn)行計(jì)數(shù)。*提高準(zhǔn)確性注意事項(xiàng)：*確保傳感器安裝牢固，對(duì)準(zhǔn)精確，避免機(jī)械振動(dòng)引起誤觸發(fā)。*選擇合適的光源波長(zhǎng)和功率，避免環(huán)境光（如日光、車(chē)間照明）的干擾，可采用調(diào)制光和濾波技術(shù)。*信號(hào)處理電路需進(jìn)行有效的放大和整形，確保脈沖邊沿清晰，避免毛刺。*考慮產(chǎn)品的大小、形狀和通過(guò)速度，設(shè)置合適的計(jì)數(shù)門(mén)檻和響應(yīng)時(shí)間，防止漏計(jì)數(shù)或多計(jì)數(shù)（如快速通過(guò)時(shí)的抖動(dòng)）。*對(duì)于透明或半透明產(chǎn)品，需選用特定波長(zhǎng)的傳感器或采用反射式并調(diào)整