傳感器課后習(xí)題答案20(1)

1、第1章,1.1 某位移傳感器，在輸入量變化5 mm時，輸出電壓變化為300 mV,求其靈敏度。 解： 1.2 某測量系統(tǒng)由傳感器、放大器和記錄儀組成，各環(huán)節(jié)的靈敏度為：S1=0.2mV/、S2=2.0V/mV、S3=5.0mm/V，求系統(tǒng)的總的靈敏度。 解：,下頁,上頁,返回,圖庫,1.3 測得某檢測裝置的一組輸入輸出數(shù)據(jù)如下： a)試用最小二乘法擬合直線，求其線性度和靈敏度； b)用C語言編制程序在微機(jī)上實現(xiàn)。 解：,下頁,上頁,返回,圖庫,第1章,1.3 擬合直線靈敏度 0.68,線性度 7%,下頁,上頁,返回,圖庫,第1章,1.4 某溫度傳感器為時間常數(shù) T=3s 的一階系統(tǒng)，當(dāng)傳感器受

2、突變溫度作用后，試求傳感器指示出溫差的1/3和1/2所需的時間。 解：設(shè)溫差為R,測此溫度傳感器受幅度為R的階躍響應(yīng)為(動態(tài)方程不考慮初態(tài)),下頁,上頁,返回,圖庫,第1章,1.5 某傳感器為一階系統(tǒng)，當(dāng)受階躍函數(shù)作用時，在t=0時，輸出為10mV;t時，輸出為100mV;在t=5s時，輸出為50mV,試求該傳感器的時間常數(shù)。 解：此題與爐溫實驗的測飛升曲線類似:,下頁,上頁,返回,圖庫,第1章,1.8 什么是傳感器的靜特性？有哪些主要指標(biāo)？ 答：靜特性是當(dāng)輸入量為常數(shù)或變化極慢時，傳感器的輸入輸出特性，其主要指標(biāo)有線性度、遲滯、重復(fù)性、分辨力、穩(wěn)定性、溫度穩(wěn)定性、各種抗干擾穩(wěn)定性。,下頁,上

3、頁,返回,圖庫,第1章,1.11 試求下列一組數(shù)據(jù)的各種線性度： 1)理論（絕對）線性度，給定方程為y=2.0 x; 2)端點線性度； 3)最小二乘線性度。,下頁,上頁,返回,圖庫,第1章,1.11 解： 理論線性度： 端點線性度： 由兩端點做擬和直線 中間四點與擬合直線誤差：0.17 0.16 0.21 0.08 所以，,下頁,上頁,返回,圖庫,第1章,1.11 最小二乘線性度： 所以，,下頁,上頁,返回,圖庫,第1章,1.11,下頁,上頁,返回,圖庫,第2章,2.2 如圖F1-1所示電路是電阻應(yīng)變儀中所用的不平衡電橋的簡化電路，圖中R2=R3=R是固定電阻，R1與R4是電阻應(yīng)變片，工作時R

4、1受拉，R4受壓， R表示應(yīng)變片發(fā)生應(yīng)變后，電阻值的變化量。當(dāng)應(yīng)變片不受力，無應(yīng)變時R=0，橋路處于平衡狀態(tài)，當(dāng)應(yīng)變片受力發(fā)生應(yīng)變時，橋路失去了平衡，這時，就用橋路輸出電壓Ucd表示應(yīng)變片應(yīng)變后的電阻值的變化量。試證明: Ucd=-(E/2)(R/R),下頁,上頁,返回,圖庫,第2章,2.2 證： 略去 的第二項，即可得,下頁,上頁,返回,圖庫,第2章,2.3說明電阻應(yīng)變片的組成和種類。電阻應(yīng)變片有哪些主要特性參數(shù)？ 答：金屬電阻應(yīng)變片由四部分組成：敏感柵、基底、蓋層、粘結(jié)劑、引線。分為金屬絲式和箔式。 其主要特性參數(shù)：靈敏系數(shù)、橫向效應(yīng)、機(jī)械滯后、零漂及蠕變、溫度效應(yīng)、應(yīng)變極限、疲勞壽命、絕

5、緣電阻、最大工作電流、動態(tài)響應(yīng)特性。,下頁,上頁,返回,圖庫,第2章,2.5 一個量程為10kN的應(yīng)變式測力傳感器，其彈性元件為薄壁圓筒軸向受力，外徑20mm,內(nèi)徑18mm,在其表面粘貼八各應(yīng)變片，四個沿周向粘貼，應(yīng)變片的電阻值均為120,靈敏度為2.0,波松比為0.3,材料彈性模量E=2.11011Pa。要求： 繪出彈性元件貼片位置及全橋電路； 計算傳感器在滿量程時，各應(yīng)變片電阻變化； 當(dāng)橋路的供電電壓為10V時，計算傳感器的輸出電壓。,下頁,上頁,返回,圖庫,第2章,2.5 解：,下頁,上頁,返回,圖庫,第2章,2.5 解：,下頁,上頁,返回,圖庫,第2章,2.5,下頁,上頁,返回,圖庫,

6、第2章,2.5 滿量程時：,下頁,上頁,返回,圖庫,第2章,2.9 應(yīng)變片產(chǎn)生溫度誤差的原因及減小或補(bǔ)償溫度誤差的方法是什么？ 答：,下頁,上頁,返回,圖庫,第2章,2.10 今有一懸臂梁，在其中上部上、下兩面各貼兩片應(yīng)變片，組成全橋，如圖F1-5所示。該梁在其懸臂梁一端受一向下力F=0.5N,試求此時這四個應(yīng)變片的電阻值。已知：應(yīng)變片靈敏系數(shù)K=2.1;應(yīng)變片空載電阻R0=120。,下頁,上頁,返回,圖庫,2.10 解：,下頁,上頁,返回,圖庫,第3章,3.1 電感式傳感器有哪些種類？它們的工作原理是什么？ 答：種類：自感式、渦流式、差動式、變壓式、壓磁式、感應(yīng)同步器 原理：自感、互感、渦流

7、、壓磁,下頁,上頁,返回,圖庫,3.2 推導(dǎo)差動自感式傳感器的靈敏度，并與單極式相比較。 答： 差動式靈敏度：,下頁,上頁,返回,圖庫,單極式傳感器靈敏度： 比較后可見靈敏度提高一倍，非線性大大減少。,3.2 推導(dǎo)差動自感式傳感器的靈敏度，并與單極式相比較。 答：,下頁,上頁,返回,圖庫,銜鐵下移,對上式作線性處理，忽略高次項：,泰勒級數(shù)：,忽略高次項,靈敏度S為：,單極式傳感器靈敏度：,2、差動變間隙式自感傳感器,差動式原理： 差動變隙式由兩個相同的線圈和磁路組成。 當(dāng)被測量通過導(dǎo)桿使銜鐵上下位移時，兩個回路中磁阻發(fā)生大小相等、方向相反的變化，形成差動形式。,差動變間隙式自感傳感器,銜鐵下移

8、：,忽略高次項：,第3章,3.4 分析變間隙式電感傳感器出現(xiàn)非線性的原因，并說明如何改善？ 答： 從上式可知L與之間是非線性關(guān)系,銜鐵位移引起的氣隙變化,原因是改變了空氣隙長度 變間隙式電感傳感器的測量范圍L0與靈敏度S及線性度相矛盾, 為了減小非線性誤差, 實際測量中廣泛采用差動變隙式電感傳感器。改善方法是讓初始空氣隙距離盡量小，同時靈敏度的非線性也將增加，這樣的話最好使用差動式傳感器，其靈敏度增加非線性減少。,下頁,上頁,返回,圖庫,第3章,3.5 圖F1-7所示一簡單電感式傳感器。尺寸已示于圖中。磁路取為中心磁路，不記漏磁，設(shè)鐵心及銜鐵的相對磁導(dǎo)率為104，空氣的相對磁導(dǎo)率為1，真空的磁

9、導(dǎo)率為410-7Hm-1,試計算氣隙長度為零及為2mm時的電感量。圖中所注尺寸單位均為mm.,下頁,上頁,返回,圖庫,第3章,3.5 解：,下頁,上頁,返回,圖庫,第3章,3.5,下頁,上頁,返回,圖庫,第3章,3.7 簡述電渦流效應(yīng)及構(gòu)成電渦流傳感器的可能的應(yīng)用場合。 答：電渦流效應(yīng)P62，有高頻反射式、低頻透射式電渦流傳感器兩種，應(yīng)用場合：利用高頻反射測量金屬物體的位移、振動等參數(shù)的測量；有低頻透射渦流測厚儀，探傷，描述轉(zhuǎn)軸運(yùn)動軌跡軌跡儀。,下頁,上頁,返回,圖庫,第3章,3.8 簡述壓磁效應(yīng)，并與應(yīng)變效應(yīng)進(jìn)行比較。,下頁,上頁,返回,圖庫,答：壓磁效應(yīng)：某些鐵磁物質(zhì)在外界機(jī)械力的作用下，

10、其內(nèi)部產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力，從而引起磁導(dǎo)率的改變的現(xiàn)象。只有在一定條件下壓磁效應(yīng)才有單位特性，但不是線性關(guān)系。 應(yīng)變效應(yīng)：導(dǎo)體產(chǎn)生機(jī)械變形時，它的電阻值相應(yīng)發(fā)生變化。在電阻絲拉伸比例極限內(nèi)，電阻的相對變化與應(yīng)變成正比。,第4章,4.1 推導(dǎo)差動式電容傳感器的靈敏度，并與單極式電容傳感器相比較。,下頁,上頁,返回,圖庫,解：差動式電容傳感器的靈敏度: 單極式電容傳感器： 可見差動式電容傳感器的靈敏度比單極式提高一倍，而且非線性也大為減小。,第4章,4.2 根據(jù)電容傳感器的工作原理說明它的分類，電容傳感器能夠測量哪些物理參量？,下頁,上頁,返回,圖庫,答：原理：由物理學(xué)知，兩個平行金屬極板組成的電容器。如

11、果不考慮其邊緣效應(yīng)，其電容為C=S/d 式中為兩個極板間介質(zhì)的介電常數(shù)，S為兩個極板對有效面積，d為兩個極板間的距離。 由此式知，改變電容C的方法有三： 其一為改變介質(zhì)的介電常數(shù)；其二為改變形成電容的有效面積；其三為改變各極板間的距離，而得到的電參數(shù)的輸出為電容值的增量 這就組成了電容式傳感器。,第4章,4.2 類型：變極距型電容傳感器、變面積型電容傳感器、變介電常數(shù)型電容傳感器。 電容傳感器可用來測量直線位移、角位移、振動振幅。尤其適合測溫、高頻振動振幅、精密軸系回轉(zhuǎn)精度、加速度等機(jī)械量。還可用來測量壓力、差壓力、液位、料面、糧食中的水分含量、非金屬材料的涂層、油膜厚度、測量電介質(zhì)的濕度、密

12、度、厚度等,下頁,上頁,返回,圖庫,第4章,4.4 總結(jié)電容式傳感器的優(yōu)缺點，主要應(yīng)用場合以及使用中應(yīng)注意的問題。,下頁,上頁,返回,圖庫,4.4 答：優(yōu)點：a溫度穩(wěn)定性好 b結(jié)構(gòu)簡單、適應(yīng)性強(qiáng) c動響應(yīng)好 缺點：a可以實現(xiàn)非接觸測量，具有平均效應(yīng) b輸出阻抗高、負(fù)載能力差 c寄生電容影響大,第4章,4.4 輸出特性非線性： 電容傳感器作為頻響寬、應(yīng)用廣、非接觸測量的一種傳感器，在位移、壓力、厚度、物位、濕度、振動、轉(zhuǎn)速、流量及成分分析的測量等方面得到了廣泛的應(yīng)用。 使用時要注意保護(hù)絕緣材料的的絕緣性能；消除和減小邊緣效應(yīng)；消除和減小寄生電容的影響；防止和減小外界的干擾。,下頁,上頁,下頁,上

13、頁,返回,圖庫,4.5 試推導(dǎo)圖F1-8所示變電介質(zhì)電容式位移傳感器的特性方程C=f(x)。設(shè)真空的介電系數(shù)為0, 21 ，以及極板寬度為W。其他參數(shù)如圖F1-8所示。 解：（自己推到）,下頁,上頁,返回,圖庫,解：如圖（1）所示的變介電質(zhì)電容式傳感器的結(jié)構(gòu)可等效為圖（2）。 此變介電質(zhì)電容式傳感器的電容C可看作左半部分電容和右半部分電容并聯(lián)，而左半部分電容介電質(zhì)為，極板間距為，電容量記為C1，右半部分又可看作電介質(zhì)為，極板間距為的電容C2和介電質(zhì)為，極板間距為的電容C3相串聯(lián)。 所以有:,下頁,上頁,返回,圖庫,下頁,上頁,返回,圖庫,整理得,將C1、C2、C3代入：,第4章,4.7 簡述電

14、容式傳感器用差動脈沖調(diào)寬電路的工作原理及特點。并繪制C、D及低通濾波器的輸出電壓波形 。 （P90）,下頁,上頁,返回,圖庫,下頁,上頁,返回,圖庫,答：工作原理：假設(shè)傳感器處于初始狀態(tài)，即Cx1=Cx2=C0且A點為高電平，即UA=U,UB=0。 此時UA經(jīng)過Rl對Cx1充電，使電容兩極板間的電壓按指數(shù)規(guī)律上升，當(dāng)UcE時，比較器A1翻轉(zhuǎn)，輸出端呈負(fù)電平，觸發(fā)器也跟著翻轉(zhuǎn)，Q端(即A點)由高電平降為低電平，同時B點電壓(即)由低電平升為高電平；此時，Cx1上充有電荷將經(jīng)二極管D1迅速放電。由于放電時間常數(shù)極小，Uc迅速降為零，這又導(dǎo)致比較器A1再翻轉(zhuǎn)成輸出為正。 從觸發(fā)器輸出端升為高電平開始

15、，UB即經(jīng)過R2按指數(shù)規(guī)律對Cx2充電，D點電位開始上升，當(dāng)UDE時，比較器A1翻轉(zhuǎn)，其輸出端由正變?yōu)樨?fù)，使觸發(fā)器FF又一次翻轉(zhuǎn)，使端為低電平，Q端為高電平于是充在Cx2上的電荷經(jīng)D2放電， D點電壓迅速降為零，A2復(fù)原，同時A點的高電位開始經(jīng)Dl對Cx1充電，又重復(fù)上述過程。,波形如右圖所示：,第5章,5.1 答：磁電式傳感器是通過磁電作用將被測量轉(zhuǎn)換為電信號的一種傳感器。 電感式傳感器是利用線圈自感或互感的變化來測量的一種裝置。 磁電式傳感器具有頻響寬、動態(tài)范圍大的特點。而電感式傳感器存在交流零位信號，不宜于高頻動態(tài)信號檢測；其響應(yīng)速度較慢，也不宜做快速動態(tài)測量。 磁電式傳感器測量的物理參

16、數(shù)有：磁場、電流、位移、壓力、振動、轉(zhuǎn)速。,下頁,上頁,返回,圖庫,5.1 磁電式傳感器與電感式傳感器有哪些不同？磁電式傳感器主要用于測量哪些物理參數(shù)？,5.2 答：霍爾組件可測量磁場、電流、位移、壓力、振動、轉(zhuǎn)速等。 霍爾組件的不等位電勢是霍爾組件在額定控制電流作用下，在無外加磁場時，兩輸出電極之間的空載電勢，可用輸出的電壓表示。 溫度補(bǔ)償方法： a分流電阻法： 適用于恒流源供給控制電流的情況。 b電橋補(bǔ)償法,下頁,上頁,返回,圖庫,5.2 霍爾元件能夠測量哪些物理參數(shù)？霍爾元件的不等位電勢的概念是什么？溫度補(bǔ)償?shù)姆椒ㄓ心膸追N？,5.3 答：一塊長為l、寬為d的半導(dǎo)體薄片置于磁感應(yīng)強(qiáng)度為磁場

17、（磁場方向垂直于薄片）中，當(dāng)有電流I流過時，在垂直于電流和磁場的方向上將產(chǎn)生電動勢Uh。這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)?；魻柦M件多用N型半導(dǎo)體材料，且比較薄。 霍爾式傳感器轉(zhuǎn)換效率較低，受溫度影響大，但其結(jié)構(gòu)簡單、體積小、堅固、頻率響應(yīng)寬、動態(tài)范圍（輸出電勢變化）大、無觸點，使用壽命長、可靠性高、易微型化和集成電路化，因此在測量技術(shù)、自動控制、電磁測量、計算裝置以及現(xiàn)代軍事技術(shù)等領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。,下頁,上頁,返回,圖庫,5.3 簡述霍爾效應(yīng)及構(gòu)成以及霍爾傳感器可能的應(yīng)用場合。,6.1 答：某些電介質(zhì)在沿一定的方向受到外力的作用變形時，由于內(nèi)部電極化現(xiàn)象同時在兩個表面上產(chǎn)生符號相反的電荷，當(dāng)外力去掉后

18、，恢復(fù)到不帶電的狀態(tài)；而當(dāng)作用力方向改變時，電荷的極性隨著改變。晶體受力所產(chǎn)生的電荷量與外力的大小成正比。這種現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)。反之，如對晶體施加一定變電場，晶體本身將產(chǎn)生機(jī)械變形，外電場撤離，變形也隨之消失，稱為逆壓電效應(yīng)。 壓電材料有：石英晶體、一系列單晶硅、多晶陶瓷、有機(jī)高分子聚合材料,下頁,上頁,返回,圖庫,6.1 什么是壓電效應(yīng)？壓電效應(yīng)有哪些種類？壓電傳感器的結(jié)構(gòu)和應(yīng)用特點是什么？能否用壓電傳感器測量靜態(tài)壓力？,第6章,6.1 結(jié)構(gòu)和應(yīng)用特點： 在壓電式傳感器中，為了提高靈敏度，往往采用多片壓電芯片構(gòu)成一個壓電組件。其中最常用的是兩片結(jié)構(gòu)；根據(jù)兩片壓電芯片的連接關(guān)系，可分為串聯(lián)和

19、并聯(lián)連接，常用的是并聯(lián)連接，可以增大輸出電荷，提高靈敏度。 使用時，兩片壓電芯片上必須有一定的預(yù)緊力，以保證壓電組件在工作中始終受到壓力作用，同時可消除兩片壓電芯片因接觸不良而引起的非線性誤差，保證輸出信號與輸入作用力間的線性關(guān)系,下頁,上頁,返回,圖庫,第6章,6.1 因此需要測量電路具有無限大的輸入阻抗。但實際上這是不可能的，所以壓電傳感器不宜作靜態(tài)測量，只能在其上加交變力，電荷才能不斷得到補(bǔ)充，并給測量電路一定的電流。故壓電傳感器只能作動態(tài)測量。,下頁,上頁,返回,圖庫,第6章,6.2 為什么壓電傳感器通常都用來測量動態(tài)或瞬態(tài)參量？ 6.2 答：如作用在壓電組件上的力是靜態(tài)力，則電荷會泄

20、露，無法進(jìn)行測量。所以壓電傳感器通常都用來測量動態(tài)或瞬態(tài)參量。,下頁,上頁,返回,圖庫,第7章,7.1 答：當(dāng)用光照射物體時，物體受到一連串具有能量的光子的轟擊，于是物體材料中的電子吸收光子能量而發(fā)生相應(yīng)的電效應(yīng)（如電阻率變化、發(fā)射電子或產(chǎn)生電動勢等）。這種現(xiàn)象稱為光電效應(yīng)。,下頁,上頁,返回,圖庫,7.1 什么是光電效應(yīng)？,第8章,8.1答：熱電阻傳感器分為以下幾種類型： 鉑電阻傳感器：特點是精度高、穩(wěn)定性好、性能可靠。主要作為標(biāo)準(zhǔn)電阻溫度計使用，也常被用在工業(yè)測量中。此外，還被廣泛地應(yīng)用于溫度的基準(zhǔn)、標(biāo)準(zhǔn)的傳遞，是目前測溫復(fù)現(xiàn)性最好的一種。 銅電阻傳感器：價錢較鉑金屬便宜。在測溫范圍比較小

21、的情況下，有很好的穩(wěn)定性。溫度系數(shù)比較大，電阻值與溫度之間接近線性關(guān)系。材料容易提純，價格便宜。不足之處是測量精度較鉑電阻稍低、電阻率小。,下頁,上頁,返回,圖庫,8.1 熱電阻傳感器主要分為幾種類型？它們應(yīng)用在什么不同場合？,第8章,8.1 鐵電阻和鎳電阻：鐵和鎳兩種金屬的電阻溫度系數(shù)較高、電阻率較大，故可作成體積小、靈敏度高的電阻溫度計，其缺點是容易氧化，化學(xué)穩(wěn)定性差，不易提純，復(fù)制性差，而且電阻值與溫度的線性關(guān)系差。目前應(yīng)用不多,下頁,上頁,返回,圖庫,8.2 答：熱電動勢：兩種不同材料的導(dǎo)體（或半導(dǎo)體）A、B串接成一個閉合回路，并使兩個結(jié)點處于不同的溫度下，那么回路中就會存在熱電勢。有電流產(chǎn)生相應(yīng)的熱電勢稱為溫差電勢或塞貝克電勢，通稱熱電勢。 接觸電動勢：接觸電勢是由兩種不同導(dǎo)體的自由電子，其密度不同而在接觸處形成的熱電勢。它的大小取決于兩導(dǎo)體的性質(zhì)及接觸點的溫度，而與導(dǎo)體的形狀和尺寸無關(guān)。 溫差電動勢：是在同一根導(dǎo)體中，由于兩端溫度不同而產(chǎn)生的一種電勢。,下頁,上頁,返回,圖庫,8.2 什么叫熱電動勢、接觸電動勢和溫差電動勢？說明熱電偶