2.《传感技术》各章习题

第1章传感器答案：3．答：传感器处于研究对象与测试系统的接口位置，即检测与控制之首。传感器是感知、获取与检测信息的窗口，一切科学研究与自动化生产过程要获取的信息都要通过传感器获取并通过它转换成容易传输与处理的电信号，其作用与地位特别重要。4．答：①敏感元件：指传感器中直接感受被测量的部分。②传感器：能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或装置,通常由敏感元件和转换元件组成。③信号调理器：对于输入和输出信号进行转换的装置。④变送器：能输出标准信号的传第二章1．传感器的性能参数反映了传感器的什么关系？静态参数有哪些？各种参数代表什么意义？动态参数有那些？应如何选择？静特性是当输入量为常数或变化极慢时，传感器的输入输出特性，其主要指标有线性度、迟滞、重复性、分辨力、稳定性、温度稳定性、各种抗干扰稳定性。传感器的静特性由静特性曲线反映出来，静特性曲线由实际测绘中获得。人们根据传感器的静特性来选择合适的传感器。5.某位移传感器，在输入量变化5mm时，输出电压变化为300mV,求其灵敏度解：6.某测量系统由传感器、放大器和记录仪组成，各环节的灵敏度为：S1=0.2mV/℃、S2=2.0V/mV、S3=5.0mm/V，求系统的总的灵敏度。解：7．测得某检测装置的一组输入输出数据如下：a)试用最小二乘法拟合直线，求其线性度和灵敏度；b)用C语言编制程序在微机上实现。7．解：带入数据拟合直线灵敏度0.68,线性度±7%。，，，，，，8．某温度传感器为时间常数T=3s的一阶系统，当传感器受突变温度作用后，试求传感器指示出温差的1/3和1/2所需的时间。设温差为R,测此温度传感器受幅度为R的阶跃响应为(动态方程不考虑初态)9．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;t→∞时，输出为100mV;在t=5s时，输出为50mV,试求该传感器的时间常数。此题与炉温实验的测试曲线类似:10．某一阶压力传感器的时间常数为0.5s,若阶跃压力从25MPa,试求二倍时间常数的压力和2s后的压力。11．某压力传感器属于二阶系统，其固有频率为1000Hz,阻尼比为临界值的50%,当500Hz的简谐压力输入后，试求其幅值误差和相位滞后。所求幅值误差为1.109,相位滞后33042,所求幅值误差为1.109,相位滞后33042,第3章应变式传感器答案7.在用直流电桥测量电阻的时候，若标准电阻Rn=10.0004Ω的电桥已经平衡（则被测电阻Rx=10.0004Ω），但是由于检流计指针偏转在±0.3mm以内时，人眼就很难观测出来，因此Rn的值也可能不是10.0004Ω,而是Rn=10.0004Ω±ΔRn。若已知电桥的相对灵敏度Sr=1mm/0.01%，求对应检流计指针偏转±0.3mm时，ΔRn？8.说明电阻应变片的组成和种类。电阻应变片有哪些主要特性参数？①金属电阻应变片由四部分组成：敏感栅、基底、盖层、粘结剂、引线。分为金属丝式和箔式。②其主要特性参数：灵敏系数、横向效应、机械滞后、零漂及蠕变、温度效应、应变极限、疲劳寿命、绝缘电阻、最大工作电流、动态响应特性。9.一个量程为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,在其表面粘贴八各应变片，四个沿周向粘贴，应变片的电阻值均为120Ω,灵敏度为2.0,波松比为0.3,材料弹性模量E=2.1×1011Pa。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。(1).全桥电路如右图所示(2).圆桶截面积应变片1、2、3、4感受纵向应变；应变片5、6、7、8感受纵向应变；满量程时：（3）10.应变片产生温度误差的原因及减小或补偿温度误差的方法是什么？敏感元件与弹性元件温度误差不同产生虚假误差，可采用自补偿和线路补偿。11.今有一悬臂梁，如图所示，在其中上部上、下两面各贴两片应变片，组成全桥，该梁在其悬臂梁一端受一向下力F=0.5N,试求此时这四个应变片的电阻值。已知：应变片灵敏系数K=2.1;应变片空载电阻R0=120Ω。12.如图所示一受拉的10#优质碳素钢杆。试用允许通过的最大电流为30mA的康铜丝应变片组成一单臂受感电桥。试求出此电桥空载时的最大可能的输出电压（应变片的电阻为120Ω）。13．钢材上粘贴的应变片的电阻变化率为0.1%，钢材的应力为10kg/mm2。①求钢材的应变。②钢材的应变为300*10-6时，粘贴的应变片的电阻变化率为多少?①是ΔR/R=2（Δl/l）。因为电阻变化率是ΔR/R=0.001，所以Δl/l（应变）=0.0005=5*10-4。②因Δl/l=300*10-6，所以，ΔR/R=2*300*10-6=6*10-4。14．截面积为1mm2、长度为100m铜线的电阻为多少？具有和它相同电阻的100m铝线的截面积为多大？比较此时的铝线重量和铜线重量。R=ρ(l/S)中，ρ(镍)是（95～104）*10-8Ω·m，ρ（铜）是1.72*10-8Ω·m，所以R（镍）/R（铜）=ρ（镍）/ρ（铜）=（95～104）/1.72=55.2～60.5。15．试推导惠斯顿电桥输入输出之间的关系。15．答：假定输入输出端没有电流流过，流过阻抗Z4和Z1的电流为i4，流过阻抗Z3和Z2的电流为i3，由基尔霍夫电压定律得以下关系式：（Z4+Z1）i4=(Z3+Z2)i3=Vi(1)i4Z4=i3Z3+Vi(2)由（1）式得（3）（4）将（3）和（4）代入（2）求得V0为：V0=i4Z4-i3Z3=（）Vi=Vi16．参考有关书籍中的地震式加速度传感器的工作原理并推导出公式：6．答：由等效力学模型得，当有位移输入u(t)时，盛物器的相对位移x的运动方向为：（6）因此，如果物体以振动频率f（角频率ω=2πf）、振幅U0作正弦振动u(t)=U0sinωt则上述微分方程为：（7）其中因此，（7）的特解，求得如下：x（t）=X0sin(ωt+φ)(8)X0,φ用λ=ω/p表示，则有（9）（10）如果λ《1，则由（9）得(11)即p2X0=ω2U0,ω=2πf(12)17。给出力平衡测量系统得一个应用实例，并给出系统的信号流方框图。17．答：方框图如下：第4章电感式传感器第4章电感式传感器答7．电感式传感器有哪些种类？它们的工作原理是什么？①种类：自感式、涡流式、差动式、变压式、压磁式、感应同步器。②原理：自感、互感、涡流、压磁。8．试分析差动变压器相敏检测电路的工作原理。相敏检测电路原理是通过鉴别相位来辨别位移的方向，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，负位移输出负电压，电压值的大小表明位移的大小，电压的正负表明位移的方向。9．分析电感传感器出现非线性的原因，并说明如何改善？①原因是改变了空气隙长度②改善方法是让初始空气隙距离尽量小，同时灵敏度的非线性也将增加，最好使用差动式传感器，其灵敏度增加非线性减少。10．图所示一简单电感式传感器。尺寸已示于图中。磁路取为中心磁路，不记漏磁，设铁心及衔铁的相对磁导率为104，空气的相对磁导率为1，真空的磁导率为4π×10-7H﹒m-1,试计算气隙长度为零及为2mm时的电感量。图中所注尺寸单位均为mm.空气气隙为零时：空气气隙为2mm时：11．简述电涡流效应及构成电涡流传感器的可能的应用场合。应用场合有低频透射涡流测厚仪，探伤，描述转轴运动轨迹轨迹仪。12．问振幅是5V，频率是1000Hz的正弦波交流的有效值为多少？周期为多少？12．答：有效值（p.73）=≈3.54V。周期（p.71）=1/1000=10-3s=1ms。13。在膜厚传感器上，厚度l越大，线圈的自感系数是变大还是变小？13．答：变大。第5章电容式传感器答案9．推导差动式电容传感器的灵敏度，并与单极式电容传感器相比较。差动式电容传感器的灵敏度比单极式提高一倍，而且非线性也大为减小。10．根据电容传感器的工作原理说明它的分类，电容传感器能够测量哪些物理参量？原理：由物理学知，两个平行金属极板组成的电容器。如果不考虑其边缘效应，其电容为C=εS/D式中ε为两个极板间介质的介电常数，S为两个极板对有效面积，D为两个极板间的距离。由此式知，改变电容C的方法有三：其一为改变介质的介电常数；其二为改变形成电容的有效面积；其三为改变各极板间的距离；而得到的电参数的输出为电容值的增量这就组成了电容式传感器。类型：变极距型电容传感器、变面积型电容传感器、变介电常数型电容传感器。电容传感器的应用：可用来测量直线位移、角位移、振动振幅。尤其适合测温、高频振动振幅、精密轴系回转精度、加速度等机械量。还可用来测量压力、差压力、液位、料面、粮食中的水分含量、非金属材料的涂层、油膜厚度、测量电介质的湿度、密度、厚度等。11．有一个直径为2m、高5m的铁桶，往桶内连续注水，当注水数量达到桶容量的80%时就应当停止，试分析用应变片式或电容式传感器系统来解决该问题的途径和方法。可选用差分式电容压力传感器，通过测量筒内水的重力，来控制注水数量。或者选用应变片式液径传感器。12．总结电容式传感器的优缺点，主要应用场合以及使用中应注意的问题。①优点：a温度稳定性好b结构简单、适应性强c动响应好②缺点：a可以实现非接触测量，具有平均效应b输出阻抗高、负载能力差c寄生电容影响大③输出特性非线性：电容传感器作为频响宽、应用广、非接触测量的一种传感器，在位移、压力、厚度、物位、湿度、振动、转速、流量及成分分析的测量等方面得到了广泛的应用。使用时要注意保护绝缘材料的的绝缘性能；消除和减小边缘效应；消除和减小寄生电容的影响；防止和减小外界的干扰。13．试推导图F1-8所示变电介质电容式位移传感器的特性方程C=f(x)。设真空的介电系数为ε0,ε2＞ε1，以及极板宽度为W。其他参数如图F1-8所示。15.简述电容式传感器用差动脉冲调宽电路的工作原理及特点。工作原理：假设传感器处于初始状态，即Cx1=Cx2=C0,且A点为高电平，即Ua=U;而B点为低电平，即Ub=0差分脉冲调宽型电路的特点就在于它的线性变换特性。第6章电压式传感器答案2.石英晶体X、Y、Z轴的名称是什么？有哪些特征？石英晶体整个晶体是中性的，受外力作用而变形时，没有体积变形压电效应，但它具有良好的厚度变形和长度变形压电效应。压电陶瓷是一种多晶铁电体。原始的压电陶瓷材料并不具有压电性，必须在一定温度下做极化处理，才能使其呈现出压电性。所谓极化，就是以强电场使“电畴”规则排列，而电畴在极化电场除去后基本保持不变，留下了很强的剩余极化。当极化后的铁电体受到外力作用时，其剩余极化强度将随之发生变化，从而使一定表面分别产生正负电荷。在极化方向上压电效应最明显。铁电体的参数也会随时间发生变化—老化，铁电体老化将使压电效应减弱。9.为什么压电传感器通常都用来测量动态或瞬态参量？如作用在压电组件上的力是静态力，则电荷会泄露，无法进行测量。所以压电传感器通常都用来测量动态或瞬态参量。10.设计压电式传感器检测电路的基本考虑点是什么？为什么？基本考虑点是如何更好的改变传感器的频率特性，以使传感器能用于更广泛的领域。第7章磁电式传感器答案11．磁电式传感器与电感式传感器有哪些不同？磁电式传感器主要用于测量哪些物理参数？a.磁电式传感器是通过磁电作用将被测量转换为电信号的一种传感器。电感式传感器是利用线圈自感或互感的变化来测量的一种装置。b.磁电式传感器具有频响宽、动态范围大的特点。而电感式传感器存在交流零位信号，不宜于高频动态信号检测；其响应速度较慢，也不宜做快速动态测量。c.磁电式传感器测量的物理参数有：磁场、电流、位移、压力、振动、转速。12.霍尔元件能够测量哪些物理参数？霍尔元件的不等位电势的概念是什么？温度补偿的方法有哪几种？a.霍尔元件可测量磁场、电流、位移、压力、振动、转速等。b.霍尔组件的不等位电势是霍尔组件在额定控制电流作用下，在无外加磁场时，两输出电极之