傳感器與機器視覺 第1-6章 習題參考答案 全套.docx

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1、《傳感器與機器視覺》 楊利 電子工業(yè)出版社 思考與練習題1參考答案 1. 想一想手機中都有哪些傳感器？它們的被測量和測量原理分別是什么？ 手機中有很多創(chuàng)奶器，如：影像傳感器：攝像；亮度傳感器：亮度檢測； 磁阻傳感器：數字指南針；聲波傳感器：麥克風；加速度傳感器：角加速度傳感器：陀 螺儀；溫度傳感器：過熱保護等等。 2. 測量誤差有幾種表示方法？ 測量誤差可用絕對誤差、示值相對誤差、引用相對誤差及實際相對誤差表示 3. 傳感器的選用原則有哪些？ 通常的選擇依據是根據測量條件目的和傳感器使用環(huán)境，判斷傳感器性能是否滿足要求, 在滿足指標參數要求的情況下，選擇成本低廉、工作可靠且容

2、易維修，性價比高的傳感 器。 4. 傳感器的命名規(guī)則是什么？ 根據國家標準GB/T 7666-2005,傳感器的命名由主題詞(傳感器)和四級修飾語組成， 第一級修飾語一一被測量。第二級修飾語一一轉換原理，一般可后續(xù)以“式”字。第三級修 飾語一一特征描述：傳感器結構、性能、材料特征等，一般可后續(xù)以“型”字。第四級修 飾語一一主要技術指標(量程、精確度、靈敏度等)。 5. 傳感器靜態(tài)標定的步驟？ ① 將傳感器的測量范圍分成若干個等間距的點；根據傳感器測量范圍分點情況，由小到大等間距遞增方式輸入相應的標準量，并記 錄與各輸入值相對應的輸出值。 ② 將輸入值從大到小?點點地遞減，同時記錄與各

3、輸入值相對應的輸出值。 ③ 按照(2)和(3)步驟，對傳感器進行正、反行程往復循環(huán)多次測試，將得到的輸出/ 輸入測試數據用表格列出或繪制成曲線。 ④ 對測試數據進行必要的整理，根據處理結果就可以計算出傳感器的線性度、靈敏度、 滯后和重復性等靜態(tài)特性指標了。 6. 通過查閱資料，說說傳感器的發(fā)展趨勢？ 傳感器隨著智能化、集成化、網絡化、虛擬化、微型化等方向發(fā)展。 7. 通過查閱資料，將課本中圖1.12“傳感器特性參數表實例”表中未解釋的特性參數， 逐條解釋說明。 參照微課資源《5如何選擇傳感器》。 8. 有一溫度計，它的檢測范圍為0~200'C,精度為0.5級，求： 2、 如何選

4、擇合適的光源？ 光源有不同原理、結構和顏色，使用時應根據被測對象的不同選擇合適的光源。 3、 如何選擇合適的鏡頭？ 參照本章微課《3工業(yè)相機與鏡頭講解》4、 工業(yè)相機的主要參數有哪些？如何選擇合適的工業(yè)相機？ 參照本章微課《3工業(yè)相機與鏡頭講解》5、 主流的視覺處理軟件有哪些？ Visionpro, halcon、 ormon> matlablabvicw 等。 6、 機器視覺系統的作用有哪些？分別適應于什么應用場合？ 機器視覺系統在自動化生產中發(fā)揮著引導、識別、測量、檢測等越來越重要的作用。 機器視覺的引導主要用于將元件在二維或三維空間內的位置和方向報告給機器人或機器控 制器

5、，讓執(zhí)行機構能夠定位元件，以便將元件對位。機器視覺的識別應用包括顏色識別、形 狀識別、條形碼識別、二維碼識別等。機器視覺的測量作用主要指尺寸測量。機器視覺的檢 測是機器視覺工業(yè)領域最主要的應用之一，兒乎所有產品都需要檢測，而人工檢測存在著較 多的弊端，人工檢測準確性低，長時間工作的話，準確性更是無法保證，而旦檢測速度慢, 容易影響整個生產過程的效率。因此，機器視覺在圖像檢測的應用方面也非常的廣泛。 ① 該表可能出現的最大絕對誤差； ② 當示值分別為20°C、100°C時的示值相對誤差。 最大絕對誤差為：0.5%*200=TC 示值相對誤差分別為：1/20*100%=5%;1/100*1

6、00%=1%; 9.被測溫度為400°C,現有量程為0~500°C、精度1.5級和量程0^1000°C.精度1.0級 的溫度儀表各一塊，問選用哪一塊儀表測量更好？請說明原因。 解：1.5級溫度計測量時可能出現的最大絕對誤差、測量400°C可能出現的最大示值相 對誤差分別為I = Ym\' = 1.5%x(500-0) = 7.5 °C =i^yxl00%=25 xl00%=1 875% d x 400 1.0級溫度計測量時可能出現的最大絕對誤差、測量400°C時可能出現的最大示值相對 誤差為 心云何? 4泥= 1.0%x(1000 - 0) = 10 C v =l^Mxl00%

7、= —X1OO% = 2.5% x2 x 400 因此第1塊表更好。 10.某超聲波傳感器測距離實驗中，測得如下表所示的實驗數據，請先計算誤差，再分 析數據的好壞？ 實際距離(cm) 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 測量距離(cm) 18.6 20.1 29.9 40.2 50.2 59.8 69.7 80.2 903 95 實際相對誤差 86% 0. 5% -0. 3% 0.5% 0. 4% -0. 3% -0. 4% 0. 25% 0. 33% -5% 示值相對誤差 46. 2% 0

8、. 49% -0. 3% 0. 49% 0. 39% -0. 3% -0. 4% 0. 24% 0. 33% -5.2% 可以看出，第一列數據誤差極大，為壞值。 11. 有臺體重計偏輕5斤，一個200斤的胖子稱重時的測量誤差和一個80斤的瘦子稱 重時的測量誤差，誰的大？為什么？ 絕對誤差均為-5, —樣大。 示值相對誤差胖子比瘦于小。 《傳感器與機器視覺》(ISBN) 楊利 電子工業(yè)出版社 思考與練習題2參考答案 【課后習題2】 1. 熱電偶的測溫原理是什么？ 熱電效應：將兩種不同材質的導體或半導體(A和B)首尾相接組成閉合回路，當兩個 接點溫度(THT

9、o)不相同時，回路中就會產生一個電動勢，稱為熱電動勢，這種現象稱為 熱電效應。 2. 熱電偶的冷端補償方法有哪些？ 常用的冷端補償方法有冰浴法、補償導線法、計算修正法、補償電橋法、顯示儀表機械 零位調整法等。 3. 熱電阻的連接方式有哪幾種？分別用在什么場合？ 熱電阻與測量電路的連接方式有二線制、三線制和四線制。當熱電阻傳感器與測量回路 不太遠的情況下，采用二線制連接方式。否則采用三線制或四線制連接方式，其中三線制是 電壓源供電，四線制是電流源供電。 4. 為什么三線制連接方法可以抵消掉導線電阻帶來的測量誤差？ 三線制連接方式是指從熱電阻傳感器兩端引出三根導線并將其接入測量I可路中

10、，這三根 導線粗細相同，長度相等，阻值都是Rw,連接電路如圖2-16 (a)所示。其中一根連接到電 源上，另外兩根分別連接到直流電橋(惠斯特電橋)的相鄰兩臂中，這樣就把連接導線的電 阻值加在相鄰的兩個橋臂中，導線電阻對測量的影響可以相互抵消。等效電路如圖2-20(b) 所示。 5. 試著從原理、測溫范圍、輸出信號、材料等方面來分析熱電偶和金屬熱電阻的區(qū)別。 原理 測溫范圍 輸出信號 材料 熱電偶 熱電效應 -270'1800"C mV 兩種不同合 金，如裸銘- 竦硅 金屬熱電阻 電阻值隨溫 度變化而變 化 -260'85(TC 電阻 金屬，如鋁、 銅 6

11、. 與模擬溫度傳感器相比，數字式溫度傳感器有哪些特點？ 連線少、價格便宜、信號傳輸距離遠、易與可編程設備相連。 7. 用鐐銘-鐐硅熱電偶測爐溫，當冷端溫度為20C (恒定)，測出熱端溫度為T時熱電 勢為18.05mV,求爐子的真實溫度。 解：設爐子真實溫度為T,已知冷端溫度To=2O°C，且熱電偶測得的熱電勢為 E(T, To)=E(T, 20)= 18.05mV 查附錄一 K型熱電偶分度表：E(20, 0)= 0.798mV 根據中間溫度定律:E(T, 0)= E (T, 20)+E(20, 0)=18.05+0.798=18.848mV 再查K型熱電偶分度表可知18.848mV

12、所對應的溫度為458°C,因此爐子真實溫度為 T=458°CO 8. 在一個實際的K型熱電偶測溫系統中，配用K型熱電偶溫度顯示儀表顯示被測溫度 的大小。刪溫對象是爐膛溫度為1000°C的加熱爐，設熱電偶冷端溫度為50°C,顯示儀表所 在的控制室遠離加熱爐，室溫為20°C°要求分別用普通銅導線和K型熱電偶補償導線將熱 電偶與顯示儀表進行連接，測量結果分別是多少？所測溫度數據是否能反映爐膛的真實溫 度？ 用普通銅導線連接時，測量結果是錯誤的，因為其沒有延伸冷端的作用 用補償導線連接時，測量結果是正確的，爐膛真實溫度為1000°C。 9. DS18B20測溫范圍-55°C~+125°C,精

13、度為±0.5°C,請問最少需要幾位二進制表示溫 度值？ (125-(-55))/0.5=360,因此最少9位，包含512個值，大于360. 10.參照DS18B20圖2.23電路圖和2.24時序圖，編寫DS18B20初始化和讀寫代碼。 11. 某控制電路需要過流保護，其工作電壓為48V、電路正常工作電流為450mA、電路 的環(huán)境溫度為50°C。要求電路中電流為5A時2秒內應把電路中的電流降到500mA以下， 請利用互聯網找到合適的熱敏電阻型號。 答案不唯一。符合要求的均可以。 12. 分析下圖中電路的工作原理，其中RT為熱電阻溫度傳感器。 圖中運放構成一個差分放大電路，輸出電壓等于

14、 (U+-U-)*Ao因此溫度變化時，RT阻值不同,U+與U-的差不同，輸出電壓也不同。 《傳感器與機器視覺》(ISBN) 楊利 電子工業(yè)出版社 思考與練習題3參考答案 【課后習題3】 1、 電阻應變片和半導體應變片的工作原理有何區(qū)別？它們各有何特點？ 這是兩種不同材料的應變片，工作原理都是應變效應。不同在于前者受力時應變常數會變化, 而后者不會。因此前者靈敏度遠大于后者，不過前者存在溫度偏移。 2、 試著畫出電阻應變式傳感器的幾種測量電路？分析各電路的測量靈敏度。 即書中的單臂橋、雙臂橋和全橋電路，靈敏度即輸出電壓公式。 3、 因環(huán)境溫度改變而引起電阻變化的主要因素有哪些？

15、 環(huán)境溫度改變會引起應變片應變常數的不溫度。 4、 什么是壓電效應？ 當外力消失后，乂恢復不帶電原狀；當外力變向，電荷極性隨之而變。這種現象稱為正壓電 效應，或簡稱壓電效應。如果在這些電介質的極化方向施加電場，這些電介質就在-定方向 產生機械變形或機械應力。當外電場撒去時，這些變形或應力也隨之消失，這種現象稱之為 逆壓電效應，或稱之為電致伸縮效應。 5、 常用的壓電材料有哪些？ 目前壓電材料可分為三大類：第一類是壓電晶體（單晶），它包括壓電石英晶體和其他壓電單 晶；第二類是壓電陶瓷（多晶半導瓷）；第三類是新型壓電材料，乂可分為壓電半導體和有機 高分子壓電材料兩種。 6、 常見的電感

16、傳感器有哪些類型？ 根據轉換原理，可將電感式傳感器分為自感式、互感式和電渦流式三種。根據結構型式，可 將電感式傳感器分氣隙型和螺管型兩種。 7、 什么是零點殘余電壓？主要跟哪些因素相關？ 零點殘余電壓主要是由傳感器的兩次級繞組的電氣參數與兒何尺寸不對稱，以及磁性材料的 非線性等問題引起的。零點殘余電壓的波形十分復雜，主要由基波和高次諧波組成?；óa 生的主要原因是：傳感器的兩次級繞組的電氣參數和幾何尺寸不對稱，導致它們產生的感應 電勢的幅值不等、相位不同，因此不論怎樣調整銜鐵位置，兩線圈中感應電勢都不能完全抵 消。高次諧波中起主要作用的是三次諧波，產生的原因是由于磁性材料磁化曲線的非線性

17、（磁 飽和、磁滯）。零點殘余電壓一般在幾十亳伏以下，在實際使用時，應設法減小"、，否則將 會影響傳感器的測量結果。 8、 什么是渦電流效應？簡述渦流式傳感器的工作原理。 渦流式傳感器的原理是利用金屬體在交變磁場中的渦電流效應。如圖3-37所示，一塊金屬板置于一只線圈的附近。根據法拉第定律，當傳感器線圈通以正弦交變電流L時，線圈周 ? ? ?圍空間必然產生正弦交變磁場凡，使置于此磁場中的金屬導體中感應渦電流右，‘2又產 ? ? ?生新的交變磁場％。根據楞次定律，％的作用將反抗原磁場以，導致傳感器線圈的等效阻 抗發(fā)生變化。 9、 某試件受力后，應變?yōu)?x10-3,己知應變片的靈敏度為2,

18、初始值120。，若不計溫 度的影響，求電阻的變化量。下圖為一直流應變電橋，假設圖中Uj=4V, R、= R? = R3 = R\ = 120。，求 （l）怡為金屬應變片，其余均為外接電阻，當卅的增量為宜=1.2。時，電橋的輸出電壓％ 是多少? Uo= A/?/(4R)*Ui=1.2/4/120*4=0.01V (2) /和％為金屬應變片，且批號相同，感受應變的大小相同，極性相反, △R、= = A/? =1.2 0時，電橋的輸出電壓％是多少？ Uo= AT?/(2R)*Ui=1.2/2/120*4=0.02V 10、下圖為用電渦流式傳感器構成的液位監(jiān)控系統。通過浮子1與杠桿帶動渦流板

19、2上下位 移，由電渦流式傳感器3發(fā)出信號控制電動泵的開啟而使液位保持?定。請分析該液位監(jiān)控 系統的工作過程。 1-浮子；2-渦流板；3-電渦流式傳感器 當液位升高時，浮子1上升，渦流板2下移，與電渦流式傳感器3更近，傳感器輸出信號增 大。 《傳感器與機器視覺》(ISBN) 楊利電子工業(yè)出版社 思考與練習題4參考答案 1、 什么是光電效應？ 光電傳感器的原理是光電效應。用光照射某一物體，可以看作物體受到一連串能吊:為E的光 子的轟擊，組成這種物體的材料吸收光子能量而發(fā)生相應電效應的物理現象稱為光電效應。 通常把光線照射到物體表面后產生的光電效應分為三類：外光電效應、內光電效應和

20、光生伏 特現象。 2、 常見的光電器件有哪些？工作原理分別是？ 常見的光電器件有光電管、光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管、光電池等。 光電管原理：當入射光線穿過光窗照到光電陰極上時，由于外光電效應，光電子就從極層內 發(fā)射至真空。在電場的作用下，光電子在極間作加速運動，最后被高電位的陽極接收，在陽 極電路內就可測出光電流，其大小取決于光照強度和光陰極的靈敏度等因素。 光敏電阻：阻值隨光照變化而變化，光照越強，電阻越小。 光敏二極管：光敏二極管在不受光照射時處于截止狀態(tài)；受光照射時處于導通狀態(tài)。 光敏三級管：光線通過透明窗口落在基區(qū)及集電結上，使PN結產生光生電子-空穴對，在內 電場作

21、用下做定向運動，形成光電流，因此PN結的反向電流大大增加。 光電池是一種直接將光能轉換為電能的光電器件。光電池在有光線作用時實質就是電源，電 路中有了這種器件就不需要外加電源。 3、說說霍爾電勢產生的過程？霍爾電勢的大小與哪些因素相關？ 置于磁場中的靜止載流導體，當它的電流方向與磁場方向不一致時，載流導體上平行于電流 和破場方向上的兩個面之間產生電動勢，這種現象稱霍爾效應，該電勢稱霍爾電勢。 Uh=Kh1BcosO 霍爾電勢正比于激勵電流及磁感應強度，其靈敏度Kh與霍爾系數Rh成正比而與霍爾片厚 度d成反比。 4、為什么霍爾元件要進行溫度補償？主要有哪些補償方法？補償的原理是什么？

22、 霍爾元件是采用半導體材料制成的，因此它們的許多參數都具有較大的溫度系數。當溫度變 化時，霍爾元件的載流子濃度、遷移率、電阻率.及霍爾系數都將發(fā)生變化，從而使霍爾元件 產生溫度誤差。 為了減小霍爾元件的溫度誤差，除選用溫度系數小的元件或采用恒溫措施外。 5、圖1為霍爾式轉速測量裝置的結構原理圖。調制盤上有100對永久磁極，N、S極交替放 置，調制盤由轉軸帶動旋轉，在磁極上方固定一個霍爾元件，每通過一對磁極霍爾元件產生 一個方脈沖送到計數器。假定t=5min采樣時間內，計數器收到N=15萬個脈沖，求轉速為每 分鐘多少轉？ 圖1霍爾式轉速測量裝置原理圖 n=60f/N=60*1500

23、00/5/100=18000r/min6、目前在我國越來越多的商品外包裝上都印有條形碼符號。條形碼是由黑白相間、粗細不 同的線條組成的，它上面帶有國家、廠家、商品型號、規(guī)格等許多信息。對這些信息的檢測 是通過光電掃描筆來實現數據讀入的。請根據圖2分析其工作原理。 條形碼 圖(a)條形碼掃描筆筆頭結構 光電掃描筆 …， 掃碼方向 際沖列 圖(b)掃描筆輸出的脈沖列 圖2商品條形光電掃描筆碼掃碼原理 黑色的條碼具有反射光的特點，因此當掃描黑色條碼時，光電傳感器輸出高電平；條碼越寬, 電平脈沖越寬。反之白色空隙不反光，光電傳感器輸出低電平。 7、如圖所示，是某公司型號為LC0101

24、的壓電式加速度傳感器，其主要參數為: 圖3 LC0101壓電式加速度傳感器\|7 \|7 1 2 /<\ \|7 \|7 1 2 /<\ 3) 4 5 /\ \U7 \|/ 6 7 靈敏度：100mV/g :加速度變化lg,輸出變化100mV量程：5Og :測量范圍 頻率范圍：0.5-8000HZ (±10%):加速度變化頻率分辨率：0.0002g :能分辨的最小加速度 線性：W1% :線性誤差橫向靈敏度：《5%典型值：W3% : 溫度范圍：-40~+120°C :使用溫度范圍用途：模態(tài)試驗：用途 試解釋各特性參數的含義。 《傳感器與機器視覺》(ISBN)

25、楊利 電子工業(yè)出版社 思考與練習題5參考答案 1、什么是超聲波，它由什么特性？ 機械振動在彈性介質內的傳播稱為波動，簡稱為波。人能聽見聲音的頻率為20Hz? 20kHz,即為聲波，超出此頻率范圍的聲音，即20Hz以下的聲音稱為次聲波，20kHz以 上的聲音稱為超聲波，超聲波具有頻率高、波長短、繞射現象小，特別是方向性好、 能夠成為射線而定向傳播等特點. 2、什么叫超聲波傳感器？常用超聲波傳感器的工作原理有哪幾種？ 利用超聲波在超聲場中的物理特性和各種效應而研制的裝置可稱為超聲波換能器、探 測器或傳感器，習慣上也稱為超聲波探頭。 超聲波傳感器按其作用原理可分為壓電式、磁致伸縮式和電

26、磁式等數種。 3、 簡述超聲波測量厚度的原理。 超聲波傳感器是使用聲波來檢測物體，測量的基本原理類似，即： v = s/t 當傳播速度V和測量時間［固定時，可以推算出距離S,這是超聲波測距、測厚度、測 位移的原理4、 莫爾條紋是如何產生的，它由什么特性？ 把兩塊光柵距相等的光柵平行安裝，并且使光柵刻痕相對保持一個較小的夾角。時，由 于人眼的視覺干擾效果，透過光柵組可以看到?組明暗相間的條紋，即為莫爾條紋。 莫爾條紋具有放大性、同步性及準確性的特性。 5、 簡述光柵傳感器測量位移的原理。 長光柵傳感器中有兩塊光柵，主光柵和指示光柵，合起來叫光柵副。測量時，主光柵和 指示光柵相對運

27、動。光源發(fā)出的光，經過透鏡變成平行光后，照射到主光柵和指示光柵組成 的光柵副上，在后面形成莫爾條紋，光電元件感受莫爾條紋的變化，輸出如圖5-20 (b)所 示的電信號。在a處，兩光柵刻線重疊，透過的光強最大，光電元件輸出的電信號也最大; c處由于光被遮去一半，光強減?。籨處光全被遮去而成全黑，光強為零。隨著光柵的移動， 光強的變化由亮-＞半亮半暗-＞全暗-＞半暗半亮-＞全亮，光柵移動一個柵距，莫爾條紋也經歷 了一個周期，移動了一個條紋間距。光強的變化需要通過光電轉換電路轉換為輸出電壓的變 化，輸出電壓的變化曲線近似為正弦曲線。通過后續(xù)的整形轉換電路和邏輯電壓轉換電路, 就變成了一個脈沖信號。被

28、測物體的位移就等于柵距乘以脈沖數。 6、 在精密車床上使用刻線為5400條/周的圓光柵作長度檢測時，檢測精度為0.01mm, 問該車床絲杠的螺距為多少？ 5400*0.01=54mm《傳感器與機器視覺》(ISBN) 楊利電子工業(yè)出版社 思考與練習題6參考答案1、機器視覺系統主要由哪些部分組成？ 機器視覺系統的構成包括： (1) 圖像攝取裝置：由光源、鏡頭和傳感器等組成。光源用于對待檢測的元件進行照明，讓 元件的關鍵特征能夠凸顯出來，確保相機能夠清楚地看到這些特征;鏡頭用于采集圖像, 并將圖像以光線的形式呈現給傳感器;傳感器一般指工業(yè)相機，將光線轉化成數字圖像。 (2) 圖像處理系統：指圖像處理軟件，負責接收傳感器的數字圖像信號進行分析，提取出關 鍵的圖像信息。一般安裝在PC機或專門的視覺處理器上；處理器：指機器視覺系統中的主控，如PLC： (3) 執(zhí)行機構：如氣泵、工業(yè)機器人；顯示系統：如觸摸屏、顯示屏；