传感器课后答案.docx

1、传感器课后答案 第1章概述1.什么是传感器？传感器定义为能够感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件和装置，通常由敏感元件和转换元件组成。1.2传感器的共性是什么？传感器的共性就是利用物理规律或物质的物理、化学、生物特性，将非电量如位移、速度、加速度、力等输入转换成电量电压、电流、电容、电阻等输出。1.3传感器由哪几局部组成的？由敏感元件和转换元件组成根本组成局部，另外还有信号调理电路和辅助电源电路。1.4传感器如何进行分类？1按传感器的输入量分类，分为位移传感器、速度传感器、温度传感器、湿度传感器、压力传感器等。2按传感器的输出量进行分类，分为模拟式和数字式传感器两类。3按传感

2、器工作原理分类，可以分为电阻式传感器、电容式传感器、电感式传感器、压电式传感器、磁敏式传感器、热电式传感器、光电式传感器等。4按传感器的根本效应分类，可分为物理传感器、化学传感器、生物传感器。5按传感器的能量关系进行分类，分为能量变换型和能量控制型传感器。6按传感器所蕴含的技术特征进行分类，可分为普通型和新型传感器。1.5传感器技术的开展趋势有哪些？1开展根底理论研究2传感器的集成化3传感器的智能化4传感器的网络化 5传感器的微型化1.6改善传感器性能的技术途径有哪些？1差动技术2平均技术3补偿与修正技术(4)屏蔽、隔离与干扰抑制 (5)稳定性处理 第2章传感器的根本特性2.1什么是传感器的静

3、态特性？描述传感器静态特性的主要指标有哪些？答：传感器的静态特性是指在被测量的各个值处于稳定状态时，输出量和输入量之间的关系。主要的性能指标主要有线性度、灵敏度、迟滞、重复性、精度、分辨率、零点漂移、温度漂移。2.2传感器输入-输出特性的线性化有什么意义？如何实现其线性化？答：传感器的线性化有助于简化传感器的理论分析、数据处理、制作标定和测试。 常用的线性化方法是：切线或割线拟合，过零旋转拟合，端点平移来近似，多数情况下用最小二乘法来求出拟合直线。2.3利用压力传感器所得测试数据如下表所示，计算其非线性误差、迟滞和重复性误差。设压力为0MPa时输出为0mV,压力为0.12MPa时输出最大且为1

4、6.50mV.非线性误差略正反行程最大偏差Hmax=0.1mV，所以H=Hmax0.1100%=%=0.6%YFS16.50重复性最大偏差为Rmax=0.08，所以R=Rmax0.08=%=0.48%YFS16.52.4什么是传感器的动态特性？如何分析传感器的动态特性？传感器的动态特性是指传感器对动态鼓励输入的响应输出特性，即输出对随时间变化的输入量的响应特性。传感器的动态特性可以从时域和频域两个方面分别采用瞬态响应法和频率响应法来分析。瞬态响应常采用阶跃信号作为输入，频率响应常采用正弦函数作为输入。2.5描述传感器动态特性的主要指标有哪些？零阶系统常采用灵敏度K，一阶系统常采用时间常数、灵敏

5、度K，二阶系统常采用固有频率0、阻尼比、灵敏度K来描述。2.6试解释线性时不变系统的叠加性和频率保持特性的含义及其意义。当检测系统的输入信号是由多个信号叠加而成的复杂信号时，根据叠加性可以把复杂信号的作用看成假设干简单信号的单独作用之和，从而简化问题。如果线性系统的输入频率，根据频率保持特性，可确定该系统输出信号中只有与输入信号同频率的成分才可能是该输入信号引起的输出，其他频率成分都是噪声干扰，可以采用相应的滤波技术。2.7用某一阶传感器测量100Hz的正弦信号，如要求幅值误差限制在5%以内，时间常数应取多少？如果用该传感器测量50Hz的正弦信号，其幅值误差和相位误差各为多少？解：一阶传感器频

6、率响应特性：H(j)=11，幅频特性：A()=(j)+1+()215%+()，取=0.523ms由题意有A(j)5%，即又=2=2f=200T，所以00.523ms (1/+()2)1幅值误差：A()=100%=1.32%1相位误差：()=arctan()=9.302.8某温度传感器为时间常数=3s的一阶系统，当传感器受突变温度作用后，试求传感器温差的三分之一和二分之一所需的时间。温差为二分之一时，t=2.08s温差为三分之一时，t=1.22s2.9玻璃水银温度计通过玻璃温包将热量传给水银，可用一阶微分方程来表示。现某玻璃水银温度计特性的微分方程是2dy，x代表输入+2y=2103x，y代表水

7、银柱高mdt温度。求该温度计的时间常数及灵敏度。=1s;K=11032.10某传感器为一阶系统，当受阶跃函数作用时，在t=0时，输出为10mV，在t=5s时，输出为50mV；在t时，输出为100mV。试求该传感器的时间常数。=8.5s2.11某一质量-弹簧-阻尼系统在阶跃输入鼓励下，出现的超调量大约是最终稳态值的40%。如果从阶跃输入开始至超调量出现所需的时间为0.8s，试估算阻尼比和固有角频率的大小。2.12在某二阶传感器的频率特性测试中发现，谐振发生在频率216Hz处，并得到最大的幅值比为1.4，试估算该传感器的阻尼比和固有角频率的大小。12解：二阶系统A()=1()+42()22nn当=

8、n时共振，那么A()max=1=1.4,=0.362所以：=n=2f=2216=1357rad/s2.13设一力传感器可简化为典型的质量-弹簧-阻尼二阶系统，该传感器的固有频率f0=1000Hz，假设其阻尼比为0.7，试问用它测量频率为600Hz、400Hz的正弦交变力时，其输出与输入幅值比A()和相位差()各为多少？ 第三章电阻式传感器3.1应变电阻式传感器的工作原理是什么？电阻应变式传感器的工作原理是基于应变效应的。当被测物理量作用在弹性元件上，弹性元件在力、力矩或压力等作用下发生形变，变换成相应的应变或位移，然后传递给与之相连的应变片，将引起应变敏感元件的电阻值发生变化，通过转换电路变成

9、电量输出。输出的电量大小反映了被测物理量的大小。3.2电阻应变片的种类有哪些？各有何特点？按组成材料有金属和半导体之分，金属应变片受力时，主要是基于应变效应，是引起应变片的外形变化进而引起电阻值变化，而半导体应变片时基于压阻效应工作的，当受力时，引起应变片的电阻率变化进而引起电阻值变化。按结构形式有丝式和箔式之分。丝式是应变金属丝弯曲成栅式结构，工艺简单，价钱廉价。箔式是采用光刻和腐蚀等工艺制成的，工艺复杂，精度高，价钱较贵。3.3引起电阻应变片温度误差的原因是什么？电阻应变片的温度补偿方法是什么？一是电阻温度系数，二是线膨胀系数不同。单丝自补偿应变片，双丝组合式自补偿应变片，补偿电路3.4试

10、分析差动测量电路在应变式传感器中的好处。灵敏度提高一倍，非线性得到改善。3.5如果将100应变片粘贴在弹性元件上，试件截面积S=0.5104m2，弹性模量E=21011N/m2，假设5104N的拉力引起应变计电阻变化为1，求该应变片的灵敏度系数。解：K=RR1/，R=1，所以=RR100F50103292=N/m=110N/m，4A0.51011093由=E得=510，E21011所以K=R/R1/100=251033.6一个量程为10kN的应变式测力传感器，其弹性元件为薄壁圆筒轴向受力，外径20mm，内径18mm，在其外表粘贴八个应变片，四个沿轴向粘贴，四个沿周向粘贴，应变片的电阻值均为12

11、0，灵敏度为2.0，泊松比为0.3，材料弹性模量为2.11011Pa，要求：1绘出弹性元件贴片位置及全桥电路。2计算传感器在满量程时，各应变片电阻变化。3当桥路的供电电压为10V时，计算传感器的输出电压。解：2A=(R2r2)=59.7106m2R1=R2=R3=R4=kFR=0.191AER5=R6=R7=R8=R1=0.0573（3）U0=1mV3.7图3.5中，设负载电阻为无穷大开路，图中，E=4V,解：1U0=ER1+R1R31011=4()V0.01V(R1+R1)+R2R3+R420212U0=ER1+R1R31011=4()V=0V(R1+R1)+(R2+R2)R3+R42021

12、3当R1受拉应变，R2受压应变时，U0=ER1+R1R31011=4()V=0.02V(R1+R1)+(R2R2)R3+R42002当R1受压应变，R2受拉应变时，U0=ER1R1R3991=4()V=0.02V(R1R1)+(R2+R2)R3+R420023.8图3-11中，设电阻应变片R1的灵敏度系数K=2.05，未受应变时，R1=120。当试件受力为F时，应变片承受平均应变=800m/m，试求：1应变片的电阻变化量R1和电阻相对变化量R1/R1。2将电阻应变片R1置于单臂测量电桥，电桥电源电压为直流3V，求电桥输出电压及其非线性误差。3如果要减小非线性误差，应采取何种措施？分析其电桥输出

13、电压及非线性误差的大小。解：1R1/R1=K=2.05800106=1.64103R1=KR1=1.64103120=0.1972U0=ER13=1.64103=1.23mV4R14R1/R11.64103L=0.08%32+R1/R12+1.6410（3）假设要减小非线性误差，一是要提高桥臂比，二是要采用差动电桥。 第4章电感式传感器4.1根据工作原理的不同，电感式传感器可分为哪些种类？可分为变磁阻式自感式、变压器式和涡流式互感式4.2试分析变气隙厚度变磁阻式电感式传感器的工作原理。当被测位移变化时，衔铁移动，气隙厚度发生变化，引起磁路中磁阻变化，从而导致线圈的电感值变化。通过测量电感量的变

14、化就能确定衔铁位移量的大小和方向。4.3变气隙厚度电感式传感器的铁芯截面积S=1.5cm2，磁路长度L=20cm，相对磁导率r=5000，气隙0=0.5cm，=0.1mm，真空磁导率0=4107H/m，线圈匝数W=3000，求单线圈式传感器的灵敏度L/。假设将其做成差动结构，灵敏度如何变化？解：L=L0L,K=0W20A03000241071.5104L0=H=54103H22020.51054103所以：K=10.8=34，0.5102做成差动结构形式灵敏度将提高一倍。4.4差动变磁阻式传感器比单圈式变磁阻式传感器在灵敏度和线性度方面有什么优势？为什么？ 灵敏度提高一倍。 非线性得到改善。4

15、.5试分析交流电桥测量电路的工作原理。电感式传感器用交流电桥测量时，把传感器的两个线圈作为电桥的两个桥臂，另外两个相邻桥臂用纯电阻代替。当衔铁处于中间位置时，电桥无输出；0=当衔铁上移时，UU，电桥输出电压与气隙厚度的变化量成正比；20U当衔铁下移时，U0=20因输入是交流电压，所以可以根据输出电压判断衔铁位移大小，当可能区分方向。4.6试分析变压器式交流电桥测量电路的工作原理。变压器式交流电桥本质上与交流电桥的分析方法一样。电桥两臂Z1,Z2为传感器线圈阻抗，另外两个桥臂为交流变压器二次绕组阻抗的一半。当传感器的衔铁位于中间位置时，输出电压为0，电桥处于平衡状态。ZLUU当传感器衔铁上移时，

16、U0=2Z04L0ZULU当传感器衔铁下移时，U0=，可得到与交流电桥完全一致的结果。=2Z04L04.7试分析差动变压器式传感器工作原理。在A、B两个铁芯上绕有两个一次绕组W1a,W1b=W1，和两个二次绕组W2a,W2b=W2，两个一次绕组顺向串接，两个二次绕组反向串接。衔铁处于初始位置时，差动变压器输出电压为零；0=衔铁上移时，U0=衔铁下移时，UW2U；0W1iW2i0W1变压器输出电压可以表示衔铁位移大小，但不能区分方向。4.8引起零点剩余电压的原因是什么？如何消除零点剩余电压？原因有三：1传感器的两个次级绕组的电气参数不同和几何尺寸不对称2磁性材料的磁化曲线的非线性3励磁电压本身含

17、高次谐波。消除方法：1尽可能保证传感器的几何尺寸、绕组线圈电气参数和磁路的对称；2采用适当的测量电路，如相敏整流电路。4.9在使用螺线管式传感器时，如何根据输出电压来判断衔铁的位置？活动衔铁在中间时，输出电压=0；活动衔铁位于中间位置以上时，输出电压与输入电压同频同相；活动衔铁位于中间位置以下时，输出电压与输入电压同频反相。需要采用专门的相敏检波电路区分位移的方向4.10如何通过相敏检波电路实现对位移大小和方向的判定？相敏检波电路的原理是通过鉴别相位来区分位移的方向，即差分变压器输出的调幅波经相敏检波后，便能输出既反映位移大小，又反映位移极性的测量信号。经过相敏检波电路，正位移输出正电压，负位

18、移输出负电压，电压值的大小说明位移的大小，电压的正负说明位移的方向。4.11电涡流式传感器的线圈机械品质因素会发生什么变化？为什么？产生电涡流效应后，由于电涡流的影响，线圈复阻抗的实部等效电阻增大、虚部等效电感减小，因此，线圈的等效机械品质因素下降。4.12为什么电涡流式传感器被归类为电感式传感器？它属于自感式还是互感式？电涡流式传感器的等效电气参数都是互感系数M2的函数。通常总是利用其等效电感的变化组成测量电路，因此，电涡流式传感器属于互感式电感式传感器。4.13举例说明变磁阻式传感器、变压器式传感器、螺线管式传感器和电涡流式传感器的应用，并分析工作原理。第五章电容式传感器5.1根据电容式传

19、感器的工作时变换参数的不同，可以将电容式传感器分为哪几种类型？各有何特点？ 变面积式、变极距式、变介电常数5.2一个以空气为介质的平板电容式传感器结构如图5-3a所示，其中a=10mm、b=16mm，两极板间距d0=1mm。测量时，一块极板在原始位置上向左平移了2mm，求该传感器的电容变化量、电容相对变化量和位移灵敏度K0(空气的相对介电常数r=1，真空时的介电常数0=8.8541012F/m)。解：1电容变化量0rxb8.8541012121031610313C=2.8310d01103Cx2mm=0.2Ca10mmC2.83101310K=1.4110x21035.3试讨论变极距型电容式传

20、感器的非线性及其补偿方法。 差动结构L=d100%d05.4有一个直径为2m、高5m的铁桶，往桶内连续注水，当注水数量到达桶容量的80%时停止，试分析用应变片式传感器或电容式传感器来解决该问题的途径和方法。采用应变式传感器时，把应变片贴在圆筒的外壁上，电阻分别受纵向和横向应变，并把应变电阻组成差动结构的测量电路。变介电常数型电容传感器测液位差分式，通过测量水内的重力，来控制注水数量。5.5试分析电容式厚度传感器的工作原理。5.6试推导图5-19所示变介质型电容式位移传感器的特性方程C=f(x)。设真空的介电常数为0，图中21，极板宽度为W。其他参数如图5-19所示。5.7在题5-6中，设=d=

21、1mm，极板为正方形边长50mm。1=1,2=4。试针对x=050mm的范围内，绘出此位移传感器的特性曲线，并给以适当说明。5.8某电容测微仪，其传感器的圆形极板半径r=4mm，工作初始间隙d=0.3mm，问：1工作时，如果传感器与工件的间隙变化量d=2m时，电容变化量是多少？2如果测量电路的灵敏度S1=100mV/pF，读数仪表的灵敏度S2=5格/mV,在d=2m时，读数仪表的示值变化多少格？解：1C=0.9871014F 25格第六章 压电式传感器6.1什么是压电效应？什么是逆压电效应？某些电介质，沿一定方向施加外力使其变形时，其内部会产生极化现象而在外表出现正负电荷，外力去掉后，又恢复成

22、不带电的状态，这种现象称为压电效应。 当在压电材料上施加交流电压时，会使压电材料产生机械振动而变形，这种由电能转换成机械能的现象称为逆压电效应。6.2什么是压电式传感器？它有何特点？其主要用途是什么？利用压电效应制成的传感器称为压电式传感器，其特点是：结构简单、体积小、重量轻、工作频带宽、灵敏度高、信噪比高、工作可靠、测量范围广等。压力式传感器的用途：与力相关的动态参数测量，如动态力、机械冲击、振动等，它可以把加速度、压力、位移、温度等许多非电量转换为电量。6.3试分析石英晶体的压电效应机理。石英晶体内部为正立方体结构，从晶体上切下一块晶片，分析其压电效应：当沿x轴方向施加作用力，将在yz平面

23、上产生电荷，其大小为qx=d11fx当沿着y轴方向施加作用力，仍然在yz平面上产生电荷，但极性相反，其大小为qy=d12aafy=d11fybb当沿着z轴方向施加作用力，不会产生压电效应，没有电荷产生。6.4试分析压电陶瓷的压电效应机理。压电陶瓷是人工制造的多晶体压电材料。其内部晶粒有一定的极化方向，在无外电场作用下时，压电陶瓷呈电中性。当在陶瓷上施加外电场时，晶粒的极化方向发生转动，内部极化，此时去掉外电场，材料的整体极化方向不变，压电陶瓷具有压电特性。极化后当受到外力作用时，将导致在垂直于极化方向的平面上出现极化电荷，电荷量的大小与外力成正比关系。6.5压电材料的主要指标有哪些？其各自含义

24、是什么？压电系数 弹性系数 介电常数机械耦合系数 电阻 居里点6.6在进行压电式材料的选取时，一般考虑的因素是什么？转换性能 机械性能 电性能 温度、湿度稳定性好 时间稳定性6.7试分析压电式传感器的等效电路。压电式传感器等效为一个电容器，正负电荷聚集的两个外表相当于电容的两个极板。当压电元件受力作用时在其外表产生正负电荷，所以可以等效为一个电荷源和一个电容器并联，也可以等效为一个电压源和一个电容器串联。6.8试分析电荷放大器和电压放大器两种压电式传感器测量电路的输出特性。传感器与电压放大器连接的电路，其输出电压与压电元件的输出电压成正比，但容易受到电缆电容的影响。传感器与电荷放大器连接的电路

25、，其输出电压与压电元件的输出电荷成正比，电路电容的影响小。6.9压电元件在使用时常采用串联或并联的结构形式，试述在不同接法下输出电压、输出电荷、输出电容的关系，以及每种接法的适用场合。并联接法在外力作用下正负电极上的电荷量增加了1倍，电容量也增加了1倍，输出电压与单片时相同。适宜测量慢变信号且以电荷作为输出量的场合。串联接法上、下极板的电荷量与单片时相同，总电容量为单片时的一半，输出电压增大了1倍。适宜以电压作为输出信号且测量电路输入阻抗很高的场合。6.10压电元件的变形方式主要有哪些？厚度变形、长度变形、体积变形、厚度剪切变形。6.11何谓电压灵敏度、电荷灵敏度，两者有何关系？6.11试分析

26、图6-11所示压电式力传感器工作原理。第七章磁敏式传感器7.1简述变磁通式和恒磁通式磁电感应式传感器的工作原理。恒磁通式传感器是指在测量过程中使导体线圈位置相对于恒定磁通变化而实现测量的一类磁电感应式传感器。变磁通式磁电传感器主要是靠改变磁路的磁通大小来进行测量的，即通过改变测量磁路中气隙的大小，从而改变磁路的磁阻来实现测量的。7.2为什么磁电感应式传感器的灵敏度在工作频率很高时，将随频率增加而下降。7.3试解释霍尔式位移传感器的输出电压与位移成正比关系。7.4影响霍尔元件输出零点的因素有哪些？如何补偿？不等位电势、温度误差7.5什么是霍尔效应？霍尔电动势与哪些因素有关？当载流导体中通电电流方

27、向与磁场方向垂直时，在导体的两个端面上就有电势产生，这种现象叫做霍尔效应。与载流子浓度、鼓励电流大小、磁场强度、电子迁移率、载流导体的厚度有关。7.6某霍尔元件尺寸l、b、d为1.0cm*0.35cm*0.1cm，沿着l方向通以电流I=1.0mA，在垂直lb面加有均匀磁场B=0.3T，传感器的灵敏度系数为22V/AT，求其输出霍尔电动势和载流子浓度。解：UH=KHIB=221.01030.3mV=6.6mVUH=vBb,vb=I=nevbd,n=UH6.6mV=2.2104V/TB0.3TI=2.841020/m3Evbd第八章热电式传感器8.1什么是热电效应、接触电动势、温差电动势？两种不同

28、导体组成闭合回路，如果两接点温度不同，那么在闭合回路中就有热电势产生，这种现象称为热电效应。 在热电效应中因为导体电子密度不同，因接触而产生的热电势称为接触电动势单一导体内部，因为两端的温度不同产生的热电势称为温差电势。8.2热电偶的工作原理是什么？ 热电偶是基于热电效应工作的温度传感器。8.3什么是中间导体定律、中间温度定律、标准电极定律、均质导体定律？中间导体定律：在热电偶测温回路内接入第三种导体，只要其两端温度相同，那么回路的总热电动势不变。 中间温度定律：热电偶AB在接点温度为t,t0时的热电动势EAB(t,t0)等于它在接点温度t,tc和tc,t0时的热电动势EAB(t,tc)和EA

29、B(tc,t0)的代数和。 标准电极定律：如果两种导体A、B分别与第三种导体C组成的热电偶所产生的热电动势，那么由这两个导体A、B组成的热电偶所产生的热电动势可由下式来确定： EAB(t,t0)=EAC(t,t0)-EBC(t,t0) 均质导体定律：如果组成热电偶的两个热电极的材料相同，无论两接点的温度是否相同，热电偶回路中的总热电势均为0.8.4试说明热电偶的类型与特点。 结构上分为普通热电偶和特殊热电偶。8.5热电偶的冷端温度补偿有哪些方法？各自的原理是什么？补偿导线法、冷端温度恒温法、冷端温度计算校正法、电桥法。8.6试设计测温电路，实现对某一点的温度、某两点的温度差、某三点的平均温度进

30、行测量。8.7用两只K型热电偶测量两点温度差，其连接电路如图8-30所示。t1=4200C，t0=300C，测得两点的温差电势为15.24mV，问两点的温差是多少？如果测量t1温度的那只热电偶错用的是E型热电偶，其他都正确，那么两点的实际温度是多少？8.8将一支镍铬-镍硅热电偶与电压表相连，电压表接线端是50，假设电位计上读数是6.0mV，问热电偶热端温度是多少？197度 8.9铂电阻温度计在100时的电阻值是139，当它与热的气体接触时，电阻值增至281，试确定该气体的温度？设0时的电阻值为100. 8.10镍铬-镍硅热电偶的灵敏度为0.04mV/,把它放在温度为1200处，假设以指示表作为冷端，此处温度为50，试求热电动势的大小。46mV 8.11将一灵敏度为0.08mV/的热电偶与电压表连接，电压表接线端是50，假设电位计上读数60mV，求热电偶的热端温度。 8008.12使用K型热电