《检测与传感技术》思考题答案

第一章思考题和习题参考答案1—1什么叫传感器？它由哪几部分组成？它们的相互作用及相互关系如何？答：传感器是把被测量转换成电化学量的装置，传感器由敏感元件和转换元件组成，其中，敏感元件是指传感器中能直接感受或响应被测量的部分；转换元件是指传感器中能将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于传输或测量的电信号部分。由于传感器输出信号一般都很微弱，需要信号调理与转换电路进行放大、运算调制等，此外信号调理转换电路以及传感器的工作必须有辅助电源，因此信号调理转换电路以及所需的电源都应作为传感器组成的一部分。1—2什么是传感器的静态特性？它有那些性能指标？分别说明这些指标的含义？答：传感器的静态特性是指被测量的值处于稳定状态时的输入与输出的关系。灵敏度是输入量y与引起输入量增量y的相应输入量增量x之比。传感器的线性度是指传感器的输出与输入之间数量关系的线性程度。迟滞是指传感器在输入量由小到大（正行程）及输入量由大到小（反行程）变化期间其输入输出特性曲线不重合的现象。重复性是指传感器在输入量按同一方向作全量程连续多次变化时，所得特性曲线不一致的程度。漂移是指在输入量不变的情况下，传感器输出量随时间变化，此现象称为漂移。精度是评价系统的优良程度。1—3什么是测量值的绝对误差、相对误差、引用误差？答：绝对误差可定义为测量值与真值之差，实际相对误差的定义式为绝对误差与真值的百分比。引用误差是仪表中通用的一种误差表示方法。它是相对于仪表满量程的一种误差，又称满量程相对误差。1—4什么是测量误差？测量误差有几种表示方法？它们通常适用于什么场合？答：测量误差是测得值减去被测量的真值。有五种表示方法：绝对误差、相对误差、基本误差、引用误差、附加误差。对对工工程程技技术术及及科科学学研研究究中中，，对对被被测测量量进进行行测测量量时时，，测测量量的的可可靠靠性性至至关关重重要要，，不不同同的的场场合合对对测测量量结结果果的的可可靠靠性性要要求求也也不不同同。。例例如如：：在在量量值值传传递递、、经经济济核核算算、、产产品品检检验验场场合合应应保保证证测测量量结结果果有有足足够够的的准准确确度度。。1—5什么是随机误差？产生随机误差的原因是什么？如何减小随机误差对测量结果的影响？答：随机误差是指在同一测量条件下，多次测量被测量时，其绝对值和符号以不可预定方式变化着的误差。随机误差是由很多不便掌握或暂时未能掌握的微小因素，如电磁场的微变，零件的摩擦、间隙，热起伏，空气扰动，气压及湿度的变化，测量人员感觉器官的生理变化等，对测量值的综合影响所造成的。1—6什么是系统误差？系统误差可分为哪几类？系统误差有哪些检验方法？如何减小和消除系统误差？答：在同一测量条件下，多次测量被测量时，绝对值和符号保持不变，或在条件改变时，按一定规律（如线性、多项式、周期性等函数规律）变化的误差称为系统误差。前者为恒值系统误差，后者为变值系统误差。对于系统误差，首先要查找误差根源，并设法减小和消除，而对于无法消除的恒值系统误差，可以在测量结果中加以修正。1—7什么是粗大误差？如何判断测量数据中存在的粗大误差？答：超出在规定条件下预期的误差称为粗大误差，这类误差的发生是由于测量者疏忽大意，测错、读错或环境条件的突然变化等引起的。1—8什么是间接测量、直接测量和组合测量？答：用按已知标准标定好的测量仪器，对某一未知量直接进行测量，得出未知量的值，这类测量称为直接测量。对几个被测量有确切函数关系的物体物理量进行直接测量，然后通过已知函数关系的公式、曲线或表格，求出该未知量，这类测量称为间接测量。在测量中，使各个未知量以不同的组合形式出现（或改变测量条件来获得这种不同的组合），根据直接测量和间接测量所得到的数据，通过解一组联立方程而求出未知量的数值，这类测量称为组合测量。第二章思考题和习题参考答案2-1什么叫应变效应?利用应变效应解释金属电阻应变片的工作原理。答：导体或半导体材料在外界力的作用下产生机械变形时，其电阻值相应发生变化，这种现象称为“应变效应”。应变式传感器主要用来测量物体的受力，由测量电路求出电阻的变化量，再求出应变，从而求出物体所受的力。2-2试述应变片温度误差的概念、产生原因和补偿办法。答：由于测量现场环境温度的改变而给测量带来的附加误差，称为应变片的温度误差。产生应变片温度误差的主要因素有下述两个方面。（1）电阻温度系数的影响。（2）试件材料和电阻丝材料的线膨胀系数的影响。补偿方法：（1）线路补偿法。（2）应变片的自补偿法。这种温度补偿法是利用自身具有温度补偿作用的应变片（称之为温度自补偿应变片）来补偿的。2-3什么是直流电桥？若按不同的桥臂工作方式分类，可分为哪几种？各自的输出电压如何计算？答：直流电桥是测量小电阻的一种电路，分为单臂电桥、半桥和全桥。半桥输出电压为单臂电桥的2倍，全桥输出电压为半桥的2倍。2-4拟在等截面的悬臂梁上粘贴4个完全相同的电阻应变片，并组成差动全桥电路，试问：①4个应变片应怎样粘贴在悬臂梁上？②画出相应的电桥电路图。答：①相对桥臂的一对电阻粘贴在悬臂梁的同一表面，而另一对电阻粘贴在悬臂梁的另一表面相对的位置。②2-5图2-5为一直流应变电桥。图中E=4V，R1=R2=R3=R4=120，试求：①R1为金属应变片，其余为外接电阻，当R1的增量为R1=1.2时，电桥输出电压Uo为多少？②R1、R2都是应变片，且批号相同，感应应变的极性和大小都相同，其余为外接电阻，电桥输出电压Uo为多少？③题②中，如果R2与R1感受应变的极性相反，且R1=R2=1.2，电桥输出电压Uo为多少？解：①1o14REUR=001.01202.144V②U0=0V③1o12REUR=002.01202.124V2-6图2-14为等强度梁测力系统，R1为电阻应变片，应变片灵敏系数K=2.05，未受应变时，R1=120。当试件受力F时，应变片承受平均应变=800m/m，试求：①应变片电阻变化量R1及电阻相对变化量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，求电桥输出电压及电桥非线性误差。③若要减小非线性误差，应采取何种措施?分析其电桥输出电压及非线性误差大小。解：①00164.008.005.211KRR②1o14REUR=31023.100164.043V11L11212RRRR=%08.000164.0100164.0③可以采用全桥的方式，输出电压为单臂电桥的4倍，即4.92×10-3V2-7在题2-6条件下，如果试件材质为合金钢，线膨胀系数g=1110−6/℃，电阻应变片敏感栅材质为康铜，其电阻温度系数=1510−6/℃，线图2-14题2-6图膨涨系数s=14.910−6/℃。当传感器的环境温度从10℃变化到50℃时，所引起的附加电阻相对变化量(R/R)t为多少?折合成附加应变t为多少?解：t0000gs00gs()[()]RRRRRtKtKtt0000gs00gs()[()]RRRRRtKtKt=［15×10-6+2（11×10-6－14.9×10-6）×40］=2.88×10-6661044.121088.2KRRt第三章思考题和习题参考答案3-1根据工作原理可将电容式传感器分为哪几种类型？每种类型各有什么特点？各适用于什么场合？答：①变极距型电容传感器,一般变极板间距离电容式传感器的起始电容在20～100pF之间，极板间距离在25～200m的范围内。最大位移应小于间距的1/10，故在微位移测量中应用最广。②变面积型电容式传感器,能够进行力、位移和转角的测量。③变介质型电容式传感器，变介质型电容传感器有较多的结构形式，可以用来测量纸张、绝缘薄膜等的厚度，也可用来测量粮食、纺织品、木材或煤等非导电固体介质的湿度。3-2如何改善单极式变极距型传感器的非线性？答：采用差动式结构即可大大降低非线性误差。3-3如图3-7所示为电容式液位计测量原理图。请为该测量装置设计匹配测量电路，要求输出电压Uo与液位h之间呈线性关系。答：022()2()2)2InInInInInhhhhHCCDDDDDddddd，C与h成线性关系，采用调频式、运算放大器式和环形二极管充放电法皆可。3-4有一个以空气为介质的变面积型平板电容传感器，如图3-5所示，其中a=8mm，b=12mm，两极板间距离为1mm。一块板在原始位置上平移了5mm后，求该传感器的位移灵敏度K（已知空气相对介电常数=1F/m，真空时的介电常数0=8.854×10-12F/m）。解：811K0axCC3-5图3-11为电容式传感器的双T电桥测量电路，已知R1=R2=R=40k，RL=20k。e=10V，f=1MHz，C1=10pF，C2=10pF，ΔC1=1pF。求UL的表达式及对应上述已知参数的UL值。解：M=9160204020240402RR22LLRRRUL=UfM(C1−C2)=10×1×106×2×10-12×36.09160V3-6差动电容式传感器接入变压器交流电桥，当变压器二次侧两绕组电压有效值均为U时，试推导电桥空载输出电压Uo与Cx1、Cx2的关系式。若采用变极距型电容传感器，设初始截距均为0，改变Δ后，求空载输出电压Uo与Δ的关系式。解：00000211221214321324102112112ZZδδδδδδδδδδωωωω－UAAAAUCCCCUCCZZCZCUZZZZZZUxxxxxxxx3-7简述差动式电容测厚传感器系统的工作原理。答：电容测厚传感器是用来对金属带材在轧制过程中厚度的检测，其工作原理是在被测带材的上下两侧各置放一块面积相等，与带材距离相等的极板，这样极板与带材就构成了两个电容器C1、C2。把两块极板用导线连接起来成为一个极，而带材就是电容的另一个极，其总电容为C1+C2，如果带材的厚度发生变化，将引起电容量的变化，用交流电桥将电容的变化测出来，经过放大即可由电表指示测量结果。第4章思考题及习题参考答案4.1说明差动变磁阻式电感传感器的主要组成、工作原理和基本特性。答：差动变隙式电感传感器由两个相同的电感线圈和磁路组成,测量时,衔铁通过导杆与被测位移量相连,当被测体上下移动时,导杆带动衔铁也以相同的位移上下移动,使两个磁回路中磁阻发生大小相等,方向相反的变化,导致一个线圈的电感量增加,另一个线圈的电感量减小,形成差动形式。差动式电感传感器的结构要求两个导磁体的几何尺寸和材料完全相同、两个线圈的电气参数和几何尺寸等方面均应完全一致。差动式结构除了可以改善线性、提高灵敏度外，对温度变化、电源频率变化等影响也可以进行补偿，从而减少了外界影响造成的误差。4.2已知变气隙电感传感器的铁芯截面积S=1.5cm2，磁路长度L=20cm，相对磁导率μ1=5000，气隙δ0=0.5cm，Δδ=±0.1mm，真空磁导率μ0=4π×10-7H/m，线圈匝数W=3000，求单端式传感器的灵敏度ΔL/Δδ。若将其做成差动结构形式，灵敏度将如何变化？解：方法1：当衔铁上移Δδ时，传感器气隙减小Δδ，即δ=δ0－Δδ，则此时输出电感为20022SWRWLm00000201)(2LSWLLL当Δδ/δ01时（台劳级数）：可求得电感增量ΔL和相对增量ΔL/L0的表达式，即对上式作线性处理，即忽略高次项后，可得单端式传感器的灵敏度：差动结构形式的灵敏度是单端式传感器的灵敏度的2倍。方法2：单端式传感器的灵敏度ΔL/Δδ=169.564472105.02105.11043000