中山学院-传感器原理及工程应用期末复习资料

1-1什么是测量值的绝对误差、相对误差、引用误差？答：绝对误差是指测量值与真值的差，绝对误差是有正、负并有量纲的，即xL；相对误差分为：实际相对误差和标称相对误差：实际相对误差是指：绝对误差在真值中所占的百分比，即，由于真值L往往无法知道，相对误差常用标称相对误差。标称相对误差是指：绝对误差在实际测量值中所占的百分比，即。引用误差是指：绝对误差在仪表满量程中所占的百分比，即r=测量范围上限测量范围下限100%，Δ——绝对误差；x——测量值；L——真值。1-2用测量范围为-50~150kPa的压力传感器测量140kPa压力时，传感器测得示值为142kPa，求该示值的绝对误差、实际相对误差、标称相对误差和引用误差。解：绝对误差：xL1421402kPa；实际相对误差：=2140≈.43；标称相对误差：2142≈.4；引用误差：γ测量范围上限测量范围下限100%=2100。2-1什么叫传感器？它有哪几部分组成？它们的作用及相互关系如何？答：1、传感器是一种以一定的精确度把被测量转换为与之确定对应关系的、便于应用的某种物理量的测量装置。2、传感器由敏感元件、转换元件和辅助部件组成。3、敏感元件指传感器中能直接感受并检测出被测对象的待测信息的元件。转换元件指传感器中能将敏感元件所感受的信息直接转换成电信号的部分。辅助器件通常包括电源，如交流、直流供电系统以及必须的基本转换电路等。2-2什么是传感器的静态特性？它有哪些性能指标？分别说明这些性能指标的含义？答：1、传感器的静态特性是指被测量的值处于稳定状态时的输出与输入的关系。被测量是一个不随时间变化，或随时间变化缓慢的量，可以只考虑其静态特性，这时传感器的输入量与输出量之间在数值上一般具有一定的对应关系，关系式中不含有时间变量。2、传感器的静态特性可以用一组性能指标来描述，如灵敏度、迟滞、线性度、重复性和漂移等。3、灵敏度：是传感器静态特性的一个重要指标。其定义是输出量增量Δy与引起输出量增量的相应输入量之比。用S表示灵敏度，即S=，它表示单位输入量的变化所引起传感器输出量的变化，很显然，灵敏度S值越大，表示传感器越灵敏。迟滞：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称为迟滞。传感器在全量程范围内最大的迟滞差值Hmax与满量程输出值之比称为迟滞误差，用表示，即。线性度：是指输出与输入之间数量关系的线性程度。传感器的线性度是指在全量程范围内实际特性曲线与拟合直线之间的最大偏差值Lmax与满量程输出值FYS之比。线性度也称为非线性误差，用表示，即。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。重复性误差属于随机误差，常用标准差计算，也可用正反行程中最大重复差值计算，即=（），或者。传感器的漂移：是指在输入量不变的情况下，传感器输出量随着时间变化，此现象称为漂移。温度漂移通常用传感器工作环境温度偏离标准环境温度（一般为20℃）时的输出值的变化量与温度变化量和满量程乘积之比（）来表示，即。2-3.什么是传感器的动态特性？它有哪几种分析方法？它们各有哪些性能指标？答：传感器的动态特性：指输入量随时间变化时传感器的响应特性。分析方法:1）瞬态响应时间常数，延迟时间，上升时间，峰值时间，超调量，衰减比。2）频率响应幅频特性，相频特性3-1.什么叫做应变效应？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，这种效应称为应变效应。工作原理：当被测物理量作用在弹性元件上时，弹性元件的变形引起应变敏感元件的阻值变化通过转换电路转变成电量输出，电量变化的大小反映了被测物理量的大小。3-2.试述应变片温度误差的概念，产生原因和补偿方法。答：应变片温度误差：由于测量现场环境温度的改变而给测量带来的附加误差。产生原因：电阻温度系数的影响，试件材料和电阻丝材料的线膨胀系数的影响。补偿方法：线路补偿法，应变片的自补偿法。3-3.什么是直流电桥？若按不同的桥臂工作方式可分为哪几种？各自输出电压如何计算？答：直流电桥如图：可分为差动电桥（半桥），差动电桥（全桥）。输出电压：半桥，全桥。3-5.图示为一直流应变电桥。图中E=4V，R1=R2=R3=R4=120Ω，试求：（1）R1为金属应变片，其余为外接电阻。当R1的增量为∆R1=1.2Ω时，电桥输出电压U0=?（2）R1，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U0=?（3）题（2）中，如果R2与R1感受应变的极性相反，且∆R1=∆R2=1.2Ω，电桥输出电压0？答：①如题图所示04=-441.2120.②由于R1，R2均为应变片，且批号相同，所受应变大小和方向均相同，则R1=R2=R，∆R1=∆R2=∆R。0[()()]=[2()]=[12120240]=0③根据题意，设R1=R+∆R1，R2=R-∆R20[()()]则0[]=12=421.2120V0.02V（符号根据应变片的极性决定）3-6.题3-6图示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=120Ω。当试件受力F时，应变片承受平均应变ε=800μm/m，求：（1）应变片电阻变化量ΔR1和电阻相对变化量ΔR1/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？并分析其电桥输出电压及非线性误差大小。答：①根据应变效应，有，已知K=2.05，ε=800µm/m，R1=120Ω代入公式，则R1KR12.058001200.1968，2.05800②若将电阻应变片置于单臂测量桥路中，则0440。1120.3，非线性误差2⁄1（2⁄）≈.3③若要减小非线性误差，可采用半桥差动电路，且选择R1=R2=R3=R4=120Ω，∆R1=∆R2=0.1968Ω，R1和R2所受应变大小相等，应变方向相反。此时04.44-7.已知一差动整流电桥电路如题4-7图所示。电路由差动电感传感器1、2及平衡电阻1、2(12)组成。桥路的一个对角接有交流电源，另一个对角线为输出端0，试分析该电路的工作原理。答：Z1、Z2、R1、R2组成桥路，VD1、VD2、VD3、VD4组成整流桥。4-8已知变隙式电感传感器的铁芯截面积A1.52，磁路长度l20cm，相对磁导率15000，气隙00.5cm，0.1mm，真空磁导率o4H/m，线圈匝数W3000,求单端式传感器的灵敏度L/。若将其做成差动式结构形式，灵敏度将如何变化？答：02=169.56mH，对于单端传感器的灵敏度。带入已知的参数可得：1.0.339.12mH/cm。对于差动式结构，差动变隙式电感传感器的灵敏度是单线圈式的两倍，所以采用差动式结构，其灵敏度提高为2339.12mH/cm=678.24mH/cm4-9分析题4-9图，已知空气隙的长度为x1和x2，空气隙的面积为A，磁导率为u，线圈匝数W不变。求当自感传感器的动铁芯左右移动（x1、x2发生变化）时自L的变化情况。答：由自感式电动传感器的原理可得：=，，，其中，1—铁芯材料的导磁率；2—动铁芯材料的导磁率；l1—磁通通过铁芯的长度；A1—铁芯的截面积；0—空气的导磁率。由于气隙磁阻远大于铁芯和动铁芯的磁阻，所以上式可简化为：，所以最终的自感L计算公式为：==。6-4.画出压电元件的两种等效电路。答：a:电压源;b:电荷源（如上图）5-2.如何改善单极式变极距型传感器的非线性？答：传感器的相对非线性误差为(dd)|dd|dd;为提高灵敏度，减小非线性误差，采用差动式结构。如下图所示，在差动平板式电容器中，当差动板上移d时，C1的间隔变为d0-d，C2的间隔变为d0+d，则C1=C0ddd；C2=C0ddd；电容式传感器的相对非线性误差近似为=2|dd|2|dd|(dd)2;与第1式比较可见，电容式传感器做成差动式之后，非线性误差大大降低了。6-6.简述压电式加速度传感器的工作原理:答,当加速度传感器和被测物一起受到冲击振动时,压电元件受质量块惯性力的作用根据牛顿第二定律,力为加速度的函数F=ma;F-质量块产生的惯性力;m-质量块的质量;a-加速度;此时惯性力作用于压电元件上,因而产生电荷q,当传感器选定后,m为常数则传感器输出电荷为q=d11F=d11ma与加速度a成正比.因此测的加速度传感器输出的电荷便可知加速度的大小.5-3.如图为电容式液位计测量原理图。设计匹配的测量电路：答，由公式C=C+2πh(εε)nD/dC0=2πεnD/d；可知，此变换器的电容增量正比于被测液位高度h。因此，选用二极管双T型交流电桥作为测量电路。如图：取R1=R2=R,C2=C0,C1=C,U为电源电压，U0=ILRL=(2L)(L)RLUf(C-C0)=UfM2πh(εε)nD/d;M=(2L)(L)RL(常数)；输出电压U0与液位h之间呈线性关系，满足要求。5-4.有一个以空气为介质的变面积型平板电容式传感器.a=8mm,b=12mm,……，求传感器的位移灵敏度K：答，电容变化量CCC0εεrbd；传感器的位移灵敏度（经典定义）K=C=εεrbd；代入数据得：K=1.06210-10F/m；书上定义：K=CC⁄=1a；代入数据得：K=125/m