測(cè)試與傳感器作業(yè)答案.docx

1、第一章測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)1.用測(cè)量范圍為-50150kPa的壓力傳感器測(cè)量140kPa壓力時(shí)，傳感器測(cè)得示值為+142kPa,試求該示值的絕對(duì)誤差、相對(duì)誤差、標(biāo)稱相對(duì)誤差和引用誤差。解：絕對(duì)誤差p 142140 2kPa相對(duì)誤差標(biāo)稱相對(duì)誤差引用誤差P142 140100%1.43%PP0140P142140100%1.41%PP142PP-Pm14214015050100%1%2 某壓力傳感器靜態(tài)標(biāo)定的結(jié)果如下表所示。試求用端點(diǎn)連線擬合法擬合的該傳感器輸出壓力（Pa）輸出（mV）01020304050正行程039.779.2119.7159.8200.0反行程040.180.4120.1160.22

2、00.0平均值039.979.8119.9160.0200.0解：端點(diǎn)連線擬合法擬合的直線方程與輸入關(guān)系的直線方程，并試計(jì)算其非線性誤差、靈敏度和遲滯誤差。U 20050P 4p非線性誤差Lmax100% °2200100% 0.1%靈敏度4mWPa遲滯誤差1 H max2Yfs100% -212 100%0.3%200H maxYfs100% 竺200100% 0.6%3.玻璃水銀溫度計(jì)的熱量是通過玻璃溫包傳導(dǎo)給水銀的，其特性可用微分方程 3理 2y 1 10 3x表示（式中y為水銀柱高度，單位 m； x為輸入溫度，單位C）。t靜態(tài)靈敏度k和傳遞函數(shù)及其頻率響應(yīng)函數(shù)。dt試確定溫度

3、計(jì)的時(shí)間常數(shù)解:3罟2y 1 10 3x(3D32)y1 10 x1 31)y 10 3x2時(shí)間常數(shù)1.5s靜態(tài)靈敏度k0.5 10 3m/oC傳遞函數(shù)H(s)0.5 103頻率響應(yīng)函數(shù)H(j )0.5 10 31.5s 11.5j14.某熱電偶測(cè)溫系統(tǒng)可看作一階系統(tǒng)，已知其時(shí)間常數(shù)為0.5s，靜態(tài)靈敏度k 1。試計(jì)算解:其幅頻特性誤差不大于5%的最高工作頻率。(幅頻特性誤差為1 A)1 A 5%A 95%A()1 ( )295%0.5s0.330.66rad/s0.10Hz5.某測(cè)力傳感器可作為二階振蕩系統(tǒng)處理,其傳遞函數(shù)為H(s)-s22。已知2 os o其固有頻率為f。 1000Hz，阻

4、尼率0.7，試問用它測(cè)量頻率為600Hz的正弦交變力時(shí)，其輸出與輸入幅值比A(3和相位差¥ ( 3是多少？(注意系統(tǒng)解:0.7 k 12 f。o 1000Hz600Hz1()22402( )2012 2 2 21(0.6) 4 0.70.60.952 ()arctan1-()202 °7 °652.70arcta n21-0.6第二章 工程參數(shù)的檢測(cè)技術(shù)(略)1. 接觸式與非接觸式測(cè)溫裝置主要有哪些？試比較接觸式測(cè)溫與非接觸式測(cè)溫的優(yōu)缺點(diǎn)。2. 試簡(jiǎn)述光學(xué)高溫計(jì)的原理、電測(cè)系統(tǒng)圖和使用方法。3. 試說明真空區(qū)域的劃分和其物理特征。測(cè)量低真空與高真空的真空計(jì)主要有哪

5、些?第三章電阻式傳感器U。U-(；1R2)Rk x1.解：4R1R1Rxk x1 k對(duì)試件：yx對(duì)R1電阻：R1R2k x2k ykxR1對(duì)R2電阻:R1R1,U /R1R2、U 一R1U 0(2)(1)7.71mV4R1R14R12.解： 單臂時(shí)U0 4eR1R1相鄰橋臂時(shí)相對(duì)橋臂時(shí)3.解:Rl0.0614.解:(1)R1R1Ek0.0052.5mVU0U。Rl2U02U0R1R12.5mV5.0mVRi2.5mV5.0mVmx(1 x)20k1.5%0.5 m0.0610.061Rl12202.05 800101.64 10 3U01u國(guó)13 竺 1.25mV（2）4R14120L1k12

6、.05 800 10 60.082%22Rtrk( gs) tL 5.解：15.010-62.05(14.9 10-6 11.0 10-6) 409.20 10-4R11.64R11.641200.210 310 3附加應(yīng)變k( gs) t9.20 10-42.05449第四章電感式傳感器1請(qǐng)畫出差動(dòng)變氣隙厚度式電感傳感器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖，并簡(jiǎn)述差動(dòng)變氣隙厚度式電感傳感器的工作原理，推導(dǎo)電感總變化量L與氣隙變化量的關(guān)系式，并計(jì)算其非線性誤差和相對(duì)靈敏度。解：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖，原理簡(jiǎn)述略當(dāng)銜鐵向上移動(dòng)使L1氣隙減小L1L0-10-()20 0L1 L。1當(dāng)銜鐵向上移動(dòng)使L2氣隙增大L2 L0 L2L0-10(

7、)20傳感器電感總變化量非線性誤差相對(duì)靈敏度L2 2L0()202.緊耦合比例臂電橋有何優(yōu)點(diǎn)？當(dāng)負(fù)載Z。式中各項(xiàng)阻抗位置。答：略3.已知差動(dòng)變氣隙厚度式電感傳感器線圈繞組2截面積A 0.25cm，氣隙的磁導(dǎo)率 0(1)試求電感線圈的電感解：電感線圈的電感為Hi-3豪越覺瓷電憐槽養(yǎng)()201)n()n0-10()20或靈敏度()40Kl2鳥0時(shí)，寫出電壓輸出 U0表達(dá)式，并畫圖標(biāo)出L0°( 2)若當(dāng)氣隙厚度變化.N2 0S0 12002L01200匝，銜鐵與鐵芯氣隙010 7H/mo0.1mm時(shí)，總電感變化量4 價(jià)嚴(yán) 10 4 2.262 1 10 31mm10 2h總電感變化量為L(zhǎng)

8、2L。一04.若已知變壓器式交流電橋的工作臂為題20 132 2.26 104.52 10 H13中的差動(dòng)電感傳感器的傳感器線圈，而變壓器副邊的電壓值15V o(1 )請(qǐng)畫出該傳感器與測(cè)量電路的工作原理圖;(2 )并試求當(dāng)氣隙厚度變化0.1mm時(shí)，該測(cè)量電橋的輸出電壓U oUo解：變壓器式交流電橋差動(dòng)變氣隙厚度式電感傳感器U。電橋輸出電壓的有效值：Us LT匚L 2L。0Us150.1小、,0.75V20 215試以差動(dòng)變氣隙式電感傳感器為例，說明差動(dòng)結(jié)構(gòu)的好處。L ()2L答：非線性誤差差動(dòng)式0簡(jiǎn)單式021Kl Kl相對(duì)靈敏度差動(dòng)式0簡(jiǎn)單式0可見：差動(dòng)式結(jié)構(gòu)可以改善線性、提高靈敏度，還對(duì)溫度

9、進(jìn)行補(bǔ)償，對(duì)于干擾、電磁吸力有一定的補(bǔ)償作用。6何謂渦流效應(yīng)？渦流的形成范圍和滲透深度與哪些因素有關(guān)？影響渦流傳感器靈敏度的因素有哪些？答：電渦流效應(yīng)：塊狀金屬導(dǎo)體置于變化的磁場(chǎng)中或在磁場(chǎng)中作切割磁場(chǎng)線運(yùn)動(dòng)時(shí)，導(dǎo)體內(nèi)將產(chǎn)生呈渦旋狀的感應(yīng)電流(電渦流)的現(xiàn)象。渦流的形成范圍即是線圈與導(dǎo)體間距離x的函數(shù)，又是線圈半徑方向r的函數(shù)。被測(cè)體電阻率愈大， 相對(duì)磁導(dǎo)率愈小，傳感器線圈的激磁電流頻率愈低，則電渦流貫穿深度h愈大。靈敏度的影響因素：薄線圈比厚線圈靈敏度高；外徑小時(shí)靈敏度高；減小線圈電阻，可提高線圈的品質(zhì)因數(shù)；非磁性材料，被測(cè)體的電導(dǎo)率越高，靈敏度越高；磁性材料則相反；被測(cè)導(dǎo)體的平面不應(yīng)小于傳感

10、器線圈外經(jīng) D的兩倍，否則靈敏度下降；被測(cè)導(dǎo)體的厚度應(yīng)在0.2mm以上,否則靈敏度下降；渦流強(qiáng)度隨距離x的增大而迅速減小，為了獲得較好的線性和較高的靈敏度，應(yīng)使 x/R<<1，一般取 x/R=0.050.15。7試說明電渦流式轉(zhuǎn)速傳感器的工作原理和使用特點(diǎn)。答：略第五章電容式傳感器1. 為什么電感式傳感器和電容式傳感器一般都采用差動(dòng)形式？請(qǐng)畫出差動(dòng)變極距型電容傳感器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖，并簡(jiǎn)述其工作原理，推導(dǎo)電容總變化量C與極板間距變化量d的關(guān)系式，并計(jì)算其非線性誤差和靈敏度。解：差動(dòng)結(jié)構(gòu)的好處：提高靈敏度、減小非線性誤差、溫度補(bǔ)償及電磁吸引力補(bǔ)償。 圖略、簡(jiǎn)述略、推導(dǎo)略。C Cl C2 2

11、C°J1 (J)2 (J)4傳感器電容總變化量非線性誤差相對(duì)靈敏度ddo或靈敏度Kc 11Cododododo2. 如何改善單極式變極距型電容傳感器的非線性?_d答：（1 ）由do知，增大do且減小 d ；（ 2）采用差動(dòng)結(jié)構(gòu)；（3 ）采用運(yùn)算放大器式測(cè)量電路。3. 圖1為電容式液面計(jì)傳感器原理圖。 在被測(cè)介質(zhì)放入兩個(gè)同心園柱狀電極，電極高度為h,內(nèi)電極外半徑為 Ri，外電極內(nèi)半徑為 R2，當(dāng)容器內(nèi)液面高度發(fā)生變化時(shí)，兩電極間的電容也會(huì)發(fā)生變化。要求:（1）推導(dǎo)出輸出電容 Cx與液面高度x的關(guān)系;（2）請(qǐng)為該測(cè)量裝置設(shè)計(jì)匹配測(cè)量電路，要求輸出Uo與液面高度x之間呈線性關(guān)系。并簡(jiǎn)2 o

12、h2 o)x A BxR1Rx或采用二極管雙 T交流電橋。述此種電容式液面計(jì)的工作原理。解：（1）推導(dǎo)過程略（2）工作原理略注意：測(cè)量電路不能用單臂電橋電路，因?yàn)榇溯敵霾皇蔷€性，即1Uo1 Z4Z；1 j C41j Co124 04. 現(xiàn)有一個(gè)電容式位移傳感器，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中圓柱 C為內(nèi)電極，圓筒 A、B為兩個(gè)外電極，D為屏蔽套筒，已知L 25mm，尺 6mm，R2 5.7mm, r 4.5mm。Cbc構(gòu)成固定電容 Cf, Cac是隨活動(dòng)屏蔽套筒伸入位移量 x而變化的可變電容 Cx。該電 容式位移傳感器擬采用運(yùn)算放大器式電路，則：(1) 要求運(yùn)放輸出電壓U 0與輸入位移X成線性關(guān)系，在

13、運(yùn)放線路中Cf和Cx應(yīng)如何連接？請(qǐng) 畫出其電路圖。(2) 活動(dòng)導(dǎo)桿每伸入1mm所引起的電容變化量為多大？(3) 推導(dǎo)輸出電壓U 0與輸入位移x的關(guān)系式。且當(dāng)輸入電壓 Ui 6V，當(dāng)活動(dòng)屏蔽套筒伸入位移量x 10mm時(shí)，輸出電壓U。為多少？固定電容Cf的作用是什么解：(1) cac為Cx,作耦合電容，Cbc為Cf ,作反饋電容。Cf20LIn (R/r)20(L x)ln (R1/r)U。ZfUi乙CxCfCfUo (2)當(dāng) x 1mm20 XIn( R/r)0.193pF25(3)125(3)1U03.6V25(3)(4) Cf在電路中起反饋?zhàn)饔?，同時(shí)由于Cac與Cbc的結(jié)構(gòu)尺寸及材料相同，它

14、們又處于同樣的環(huán)境條件中，因此，Cf又起溫度與濕度補(bǔ)償作用。圖2第六章電勢(shì)式傳感器121.壓電系數(shù)d 320 10 C/N的鋯鈦酸鉛壓電陶瓷傳感器接在放大倍數(shù)為1的阻抗變換器的輸入端，整體電路滿足(Ra|R)(Ca Ci Cc)1，當(dāng) ca=200pf, Cc=20pf,Ci=10pf,變換器的輸出電壓U0=300mV。試求傳感器受力的大小。解：Uo AUiUi Ci Ca CcFmUi CiCaCcU。Ci CaCc0.2156N已知A=1，則2. 電式傳感器為什么必須配用前置放大器？電荷放大器與電壓放大器相比有哪些優(yōu)點(diǎn)？答：前置放大器的作用： 一是把它的高輸出阻抗變換為低輸出阻抗；二是放大

15、傳感器輸出的微弱信號(hào)。電荷放大器的優(yōu)點(diǎn)：高頻特性好、低頻特性好、增大回路電纜電容Cc不會(huì)使傳感器電壓靈敏度下降。3. 為什么磁電式傳感器要考慮溫度誤差？有什么辦法可減小溫度誤差？IE0IE°(1t)答：常溫時(shí)：I 0R0 Rd0，溫度為t時(shí)：ItR0(11t)Rd0(12t)h104 5% / 100C4.5%o/1U C溫度誤差為：I 0補(bǔ)償方法：采用熱磁分流器。熱磁分流器由具有很大負(fù)溫度系數(shù)的特殊磁性材料做成，它在正常工作溫度下已將空氣隙磁通分路掉一小部分，當(dāng)溫度升高時(shí)，熱磁分流器的磁導(dǎo)率顯著下降，經(jīng)它分流掉的磁通占總磁通的比例較正常工作溫度下顯著降低，從而保持空氣隙的工作磁通不

16、隨溫度變化，維持傳感器靈敏度為常數(shù)。4請(qǐng)畫出電磁流量計(jì)的結(jié)構(gòu)圖，簡(jiǎn)述并推導(dǎo)其原理公式。答：略，見筆記。5請(qǐng)畫出霍爾式微位移傳感器的結(jié)構(gòu)圖，并證明霍爾式位移傳感器的輸出Uh與位移x成正比。dUH k I dB證：圖略。 Uh KhIBdxdxdB k只要使dx，即形成均勻的梯度磁場(chǎng)，貝yKUh Kxdx6.某霍爾壓力計(jì)，彈簧管最大位移為土 1.5mm，控制電流1 10mA時(shí)，要求變送器輸出電動(dòng)勢(shì)變動(dòng)為土 20mV，選用HZ-4型霍爾元件時(shí)(HZ-4型霍爾靈敏度K 4mV/(mA T),問所要求線性磁場(chǎng)梯度至少要多大？dUH20mV40 x/mV/mm解：由題意知： dx1.5mm3dB dU&#

17、177; 丄 dx dx Kh I4013 4 10T/mm3dUH,dB而dxKh 1dx，則第七章熱電式傳感器1. 用測(cè)量加熱爐的溫度。測(cè)量時(shí)熱電偶自由端溫度為50C時(shí)，從毫伏表讀出的熱電勢(shì)值為39.17mV，試求加熱爐的溫度。(請(qǐng)查表計(jì)算)解：查鎳鉻-鎳硅熱電偶分度表：E(50,0) 2.°22mVE(t,0)E(t,50)E(50,0)39.172.02241.192mVk溫度靈敏度41.269 40.897100.0372mV/0Ct 990 t 990 990 41*192 40897 990 7.9 997.9=加熱爐的溫度0.03722. 將一支鎳鉻-考銅熱電偶與電壓

18、表相連，電壓表接線端溫度是60mV，試問熱電偶熱端溫度是多少？已知該熱電偶的靈敏度為算）50 C,若電位計(jì)上讀數(shù)是0.08mV/C。（不查表計(jì)解：溫度靈敏度kEt0.08mV/0C冷端溫度t050 CE(t,50)E60mVE60t750oCk0.08熱端溫度tt°t75050 800oC圖1或:E(t,0)E(t,50)E(50,0)60 50 0.08 64mVt 旦凹旦 800oCk 0.083. 熱電偶溫度傳感器的輸入電路如圖1所示，已知鉑銠-鉑熱電偶當(dāng)溫度在 0100 C之間變化時(shí)，其平均熱電勢(shì)波動(dòng)為 6V°C ,橋路中電源電壓 E的電壓值Ue 4V ,三個(gè)錳銅電

19、阻的阻值均為1，銅電阻的電阻溫度系數(shù)為0.004/°C，已知當(dāng)溫度為 0C時(shí)電橋平衡。為了使熱電偶的冷端溫度在 阻值R。50C時(shí)，其熱電勢(shì)得到完全補(bǔ)償，試求可調(diào)電阻的633.9Ux 40006.63993.4mV解：U050 6 口VC0.3mVRtR°(1t) 1.211 、0 2、u。(-)Us)Us21.2 12.2 2Us22U0 220.3mV6.6mv供橋電壓UxUsD(Rt1) (1 1)224 rc又RxRsRs,而Rt1 1 1211 .05牛Rsx4. 說明熱電偶冷端溫度恒定的重要性及其工程上常用的冷端溫度恒定與補(bǔ)償?shù)姆椒?。?從熱電偶測(cè)溫基本公式可以看

20、出，對(duì)某一種熱電偶來說熱電偶產(chǎn)生的熱電勢(shì)只與工作端溫度T和自由端溫度T。有關(guān)，即自由端溫度T0必須穩(wěn)定。另外，熱電偶分度表是以t0=00C 作為基準(zhǔn)進(jìn)行分度的，而在實(shí)際使用過程中，參考端溫度往往不會(huì)為00C。補(bǔ)償?shù)姆椒ǎ海?）補(bǔ)償導(dǎo)線法；（2）冷端恒溫法；（3）冷端溫度修正法；（4）參考端溫度自動(dòng)補(bǔ)償法（補(bǔ)償電橋法）5試述熱電阻測(cè)溫電橋三線制接法的原因。答：三線制可以減小熱電阻與測(cè)量?jī)x表之間連接導(dǎo)線的電阻因環(huán)境溫度變化所引起的測(cè)量誤差。第八章光電式傳感器1.簡(jiǎn)述光電管和光電倍增管的工作原理。答：都是基于外光電效應(yīng)的光電器件，即在光線作用下， 光電管中的光電陰極中的電子逸出物體表面，被陽極吸收產(chǎn)生光電流；而光電倍增管是光電陰極和二次電子發(fā)射體的組合 體。2什么是光電元件的光譜特性，為什么在選用光電元件時(shí)要考慮其光譜特性？當(dāng)采用波長(zhǎng)為800 900nm的紅外光源時(shí)宜采用哪幾種光電元件做測(cè)量元件，為什么？答：光譜特性是指光強(qiáng)靈敏度與入射波長(zhǎng)的關(guān)系。不同的光電元件對(duì)同一種波長(zhǎng)的光具有不同的靈敏度；同一種光電元件對(duì)不同波長(zhǎng)的光又具有不同的靈敏度。采用銀氧銫陰極真空光電管或光電倍增管、硅光敏二極管或三極管做測(cè)量元件可檢測(cè)800 900nm的紅外光源，因?yàn)檫@幾種光電元件的光譜特性的峰值波長(zhǎng)在900nm附近。c和該光纖的數(shù)3.光纖n11.46，n21.45，若光