传感器作业习题教材.docx

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传感器作业习题教材

习题1

1-1衡量传感器静态特性的主要指标有哪些？

说说它们的含义。

答：

1、线性度：

表征传感器输出-输入校准曲线与所选定的拟合直线之间的吻合（或偏离）程度的指标。

2、灵敏度：

传感器输出量增量与被测输入量增量之比。

3、分辨力：

传感器在规定测量范围内所能检测出的被测输入量的最小变化量。

4、回差：

反应传感器在正（输入量增大）反（输入量减小）行程过程中。

。

。

输出-输入曲线的不重合程度指标。

5、重复性：

衡量传感器在同一工作条件下，输入量按同一方向作全程连续多次变动时，所得特性曲线间一致程度的指标。

6、阈值：

是能使传感器输出端产生可测变化量的最小被测输入量值，即零位附近的分辨力。

7、稳定性：

传感器在相当长时间内仍保持其性能的能力。

8、漂移：

指在一定时间间隔内，传感器输出量存在着与被测输人量无关的、不需要的变化。

9、静态误差（精度）：

指传感器在满量程内任一点输出值相对其理论值的可能偏离（逼近）程度。

它表示采用该传感器进行静态测量时所得数值的不确定度。

1-2计算传感器线性度的方法有哪几种？

差别何在？

1、理论直线法：

以传感器的理论特性线作为拟合直线，与实际测试值无关。

优点是简单、方便，但输出平均值与拟合直线间的最大偏差很大。

2、端点直线法：

以传感器校准曲线两端点间的连线作为拟合直线。

y=b+kxb截距k为斜率与理论直线发一样简便偏差很大

3、“最佳直线”法：

以“最佳直线”作为拟合直线，该直线能保证传感器正反行程校准曲线对它的正负偏差相等并且最小。

这种方法的拟合精度最高，但是只能用图解法和计算机结算来获得。

（断电平行法）

4、最小二乘法：

按最小二乘原理求取拟合直线，该直线能保证传感器校准数据的残差平方和最小。

最小二乘法的拟合程度很高，但是校准曲线相对拟合直线的最大偏差绝对值并不一定最小，最大正、负偏值差的绝对值也不一定相同。

1-4怎样评价传感器的综合静态特性和动态特性？

答：

（1）静态特性：

表示传感器在被测输入量各个值处于稳定状态时的输出-输入关系。

动态特性：

反映传感器对于随时间变化的输入量的响应特性。

（2）由于传感器可能用来检测静态量（即输入量是不随时间变化的常量）、准静态量或动态量（即输入量是随时间变化的变量），于是对应于输入信号的性质，所以传感器的特性分为静态特性和动态特性。

1-5为什么要对传感器进行标定和校准？

举例说明传感器静态标定和动态标定的方法。

答：

因为新研制或生产的传感器需对其技术性能进行全面的检定;经过一段时间储存或使用的传感器也需对其性能进行复测。

通常，在明确输入-输出变换对应关系的前提下，利用某种标准量或标准器具对传感器的量值进行标度称之为标定。

静态标定：

静态标定主要用于检测、测试传感器（或传感器系统）的静态特性指标，如静态灵敏度、非线性、回差、重复性等。

进行静态标定首先要建立静态标定系统。

如应变式测力传感器静态标定系统。

测力机产生标准力，高精度稳压电源经精密电阻箱衰减后向传感器提供稳定的供桥电压，其值由数字电压表读取，传感器的输出电压由另一数字电压表指示。

动态标定：

主要用于检验、测试传感器（或传感器系统）的动态特性，如动态灵敏度、频率响应和固有频率等。

对传感器进行动态标定，需要对它输入一标准激励信号。

例如测振传感器的动态标定常采用振动台（通常为电磁振动台）产生简谐振动作传感器的输人量。

振动的振幅由读数显微镜读得，振动频率由频率计指示。

若测得传感器的输出电量，即可通过计算得到位移传感器、速度传感器、加速度传感器的动态灵敏度。

若改变振动频率，设法保持振幅、速度或加速度幅值不变，可相应获得上述各种传感器的频率响应。

标定的基本方法：

P29最下面

习题2

2-1金属应变计与半导体应变计在工作原理上有何异同？

试比较应变计各种灵敏系数（指材料的和应变片的）概念的不同物理意义。

答：

相同点，两者都由外力作用产生形变而使得电阻变化。

不同点，金属材料的应变效应以机械形变为主；而半导体材料的应变效应以机械形变导致的电阻率的相对变化为主。

对于金属材料，灵敏系数Ko=Km=（1+2μ）+C（1-2μ）。

前部分为受力后金属几何尺寸变化，一般μ≈0.3，因此（1+2μ）=1.6；后部分为电阻率随应变而变的部分。

对于半导体材料，灵敏系数Ko=Ks=（1+2μ）+πE。

前部分同样为尺寸变化，后部分为半导体材料的压阻效应所致，而πE》（1+2μ），因此Ko=Ks=πE。

2-3简述电阻应变计产生热输出（温度误差）的原因及其补偿办法。

答：

电阻应变计的温度效应及其热输出由两部分组成：

前部分为热阻效应所造成；后部分为敏感栅与试件热膨胀失配所引起。

在工作温度变化较大时，会产生温度误差。

补偿办法：

1、温度自补偿法

（1）单丝自补偿应变计

P43原理优点

（2）双丝自补偿应变计

P43原理优点

2、桥路补偿法

（1）双丝半桥式

P43原理优点

（2）补偿块法

P44原理优点

2-4试述应变电桥产生非线性的原因及消减非线性误差的措施。

答：

因为电桥的输出无论是输出电压还是电流，实际上都与ΔRi/Ri呈非线性关系。

措施：

（1）差动电桥补偿法

利用差动电桥呈现相对臂“和”，相邻臂“差”的特征，通过应变计合理布片达到补偿目的。

常用的有半桥差动电路和全桥差动电路。

（2）恒流源补偿法

误差主要由于应变电阻ΔRi的变化引起工作臂电流的变化所致。

采用恒流源，可减小误差。

2-5如何用电阻应变计构成应变式传感器？

对其各组成部分有何要求？

答：

一是作为敏感元件，直接用于被测试件的应变测量；另一是作为转换元件，通过弹性敏感元件构成传感器，用以对任何能转变成弹性元件应变的其他物理量作间接测量。

同时应变式传感器应有一下特点：

应用和测量范围广分辨力和灵敏度高结构轻小对试件影响小商品化选用和使用方便。

要求：

非线性误差要小（<0.05%~0.1%F.S），力学性能参数受环境温度影响小，并与弹性元件匹配。

2-9试推导图2-16所示四等臂平衡差动电桥的输出特性：

Uo=f（△R/R）。

从导出的结果说明用电阻应变计进行非电量测量时为什么要采用差动电桥？

答：

全桥差动电路，R1,R3受拉，R2,R4受压，代入，得

由全等桥臂，得

可见输出电压Uo与ΔRi/Ri成严格的线性关系，没有非线性误差。

即Uo=f（ΔR/R）。

因为四臂差动工作，不仅消除了飞线性误差，而且输出比单臂工作提高了4倍，故常采用此方法。

应加上电路图和贴片图来回答！

2-12何谓压阻效应？

扩散硅压阻式传感器与贴片型应变式传感器相比有何优缺点？

如何克服？

答：

压阻效应，半导体单晶硅、锗等材料在外力的作用下电阻率发生变化的现象。

优点是尺寸、横向效应、机械滞后都很小，灵敏系数极大，因而输出也大，可以不需放大器直接与记录仪连接，使得测量系统简化。

缺点是电阻值和灵敏系数随温度稳定性差，测量较大应变时非线性严重；灵敏系数随受拉或压而变，且分散度大，一般在（3-5）%，所以测量结果有±（3-5）%的误差。

压阻式传感器广泛采用全等臂差动桥路来提高输出灵敏度，又可以部分消除阻值随温度变化的影响。

习题3

3-1比较差动式自感传感器和差动变压器在结构上及工作原理上的异同。

答：

自感式传感器实质上是一个带气隙的铁芯线圈，由两单一式对称组成。

铁芯气隙，磁路磁阻随衔铁变化而变化，引起线圈电感量的变化。

互感式传感器是一种线圈互感随衔铁位移变化的变磁阻式传感器。

类似于变压器。

互感式传感器为闭合磁场，初次级间的互感为常数；互感式传感器为开磁路，初、次级间的互感随衔铁移动而变，且两个次级绕组按差动方式工作。

结构上1）、前者有三组线圈，而后者只有两组；2）、前者是利用变压器原理工作的互感传感器，而后者仅是共用一个铁心的两个电感。

工作原理：

（1）电感电路，交流电桥电路，电感线圈为相邻两桥臂，

（2）类似变压器，两次级线圈反相串接，电压输出。

3-3用变磁阻式传感器进行测量时，在什么情况下应采用与校正时相同的电缆？

为什么?

答：

当传感器工作在较高的激励频率下时应采用校正时相同的电缆。

因为传感器存在并联电容C,它会使得灵敏度提高，如果更换电缆，在较高的激励频率下总电容C会发生变化，从而对测量结果产生影响。

3-4变间隙式、变截面式和螺管式三种电感式传感器各适用什么场合？

优缺点？

答：

变气隙式灵敏度较高，但测量范围小，一般用于测量几微米到几百微米的位移。

变面积式灵敏度较低，但线性范围较大，除E型与四极型外，还常做成八极、十六极型，一般可分辨零点几角秒以下的微小角位移，线性范围达±10°.

螺管式可测量几纳米到一米的位移，但灵敏度较前两种低。

3-6差动式电感传感器为什么常采用相敏检波电路？

分析原理。

答：

相敏检波电路，它能有效地消除基波正交分量与偶次谐波分量，减小奇次谐波分量，使传感器零位电压减至极小。

如果传感器的信号太小，可以先经过交流放大。

原理：

使高频调幅信号与高频载波信号相乘，经滤波后输出低频解调信号。

3-7电感传感器产生零位电压的原因和减小零位电压的措施。

答：

差动自感式传感器当衔铁位于中间位置时，电桥输出理论上应为零，但实际上总存在零位不平衡电压输出（零位电压），造成零位误差。

原因：

零位电压包含基波和高次谐波。

产生基波分量的原因：

传感器两线圈的电气参数和几何尺寸的不对称，以及构成电桥另外两臂的电气参数不一致；

产生高次谐波分量的原因：

磁性材料磁化曲线的非线性。

措施：

1、合理选择磁性材料与激励电流；2、一般常用方法是采用补偿电路，其原理为：

（1）串联电阻消除基波零位电压；

（2）并联电阻消除高次谐波零位电压；（3）加并联电容消除基波正交分量或高次谐波分量。

3、另一种有效的方法是采用外接测量电路来减小零位电压。

如前述的相敏检波电路，它能有效地消除基波正交分量与偶次谐波分量，减小奇次谐波分量，使传感器零位电压减至极小。

4、此外还可采用磁路调节机构（如可调端盖）保证磁路的对称性，来减小零位电压。

3-9造成自感式传感器和差动变压器温度误差的原因及其减小措施。

答：

原因：

（1）材料的线膨胀系数引起零件尺寸的变化

（2）材料的电阻率温度系数引起线圈铜阻的变化（3）磁性材料磁导率温度系数、绕组绝缘材料的介质温度系数和线圈几何尺寸变化引起线圈电感量及寄生电容的改变等造成。

措施：

其材料除满足磁性能要求外，还应注意线膨胀系数的大小与匹配。

传感器采用陶瓷、聚砜、夹布胶木、弱磁不锈钢等材料作线圈骨架，或采用脱胎线圈。

还可采取稳定激励电流的方法。

3-10差动变压器式传感器采用恒流激磁有什么好处？

答：

差动变压器初级线圈在低频激励时品质因数低，温度误差大，采用恒流激磁可以提高线圈的品质因数，减小温度误差。

3-11电源频率波动对电感式传感器的灵敏度有何影响？

如何确定传感器的电源频率？

答：

电源频率的波动会使线圈感抗发生变化，从而使得灵敏度发生变化，造成误差。

应该按照传感器的精度要求去确定电源的频率。

3-12试从电涡流式传感器的原理简要说明它的各种应用。

答：

1.测位移电涡流式传感器的主要用途之一是可用来测量金属件的静态或动态位移，最大量程达数百毫米，分辨率为0.1%。

2.测厚度金属板材厚度的变化相当于线圈与金属表面间距离的改变，根据输出电压的变化即可知线圈与金属表面间距离的变化，即板厚的变化。

3.测温度若保持电涡流式传感器的机、电、磁各参数不变，使传感器的输出只随被测导体电阻率而变，就可测得温度的变化。

3-13用反射式电涡流传感器测量位移或振幅时对被测体要考虑哪些因素？

答：

1、被测体的电导率、磁导率对传感器的灵敏度的影响。

当被测体为磁性时，灵敏度较非磁性低。

2、被测物体表面有镀层，镀层的性质和厚度不均匀也会影响精度，当测量转动