13传感器技术与应用答案

传感器技术与应用习题答案

习题1

l.1 检测系统由哪几部分组成? 说明各部分的作用。

答：检测系统是由被测对象、传感器、数据传输环节、数据处理环节和数据显示环节构成。

传感器是把被测量转换成电学量的装置，显然，传感器是检测系统与被测对象直接发生联系的部件，是检测系统最重要的环节，检测系统获取信息的质量往往是由传感器的性能确定的。

数据传输、处理环节，又称之为测量电路，它的作用是将传感器的输出信号转换成易于测量的电压或电流信号。

数据显示记录环节是检测人员和检测系统联系的主要环节，主要作用是使人们了解被测量的大小或变化的过程。常用的有模拟显示、数字显示和图像显示三种。

1.2 传感器的型号有几部分组成？各部分有何意义?

答：传感器是由敏感元件、转换元件和测量电路组成，敏感元件： 直接感受被测量的变化，并输出与被测量成确定关系的某一物理量的元件，它是传感器的核心。转换元件： 将敏感元件输出的物理量转换成适于传输或测量电信号的元件。测量电路： 将转换元件输出的电信号进行进一步转换和处理的部分，如放大、滤波、线性化、补偿等，以获得更好的品质特性，便于后续电路实现显示、记录、处理及控制等功能。

1.3 测量稳压电源输出电压随负载变化的情况时，应当采用何种测量方法? 如何进行?

答：直接测量。使用电压表进行测量，对仪表读数不需要经过任何运算，直接表示测量所需要的结果。

1.4 某线性位移测量仪，当被测位移由4.5mm变到5.0mm时，位移测量仪的输出电压由3.5V减至2.5V，试求该仪器的灵敏度。

解: 灵敏度s=(3.5-2.5)v/(5.0-4.5)mm=2v/mm

1.5 有三台测温仪表，量程均为0~800℃，精度等级分别为2.5级、2.0级和1.5级，现要测量500℃的温度，要求相对误差不超过2.5％，选那台仪表合理?

答：2.5级时的最大绝对误差值为20℃，测量500℃时的相对误差为4％；2.0级时的最大绝对误差值为16℃，测量500℃时的相对误差为3.2％；1.5级时的最大绝对误差值为12℃，测量500℃时的相对误差为2.4％。因此，应该选用1.5级的测温仪器

1.6 什么是系统误差和随机误差?准确度和精密度的含义是什么? 它们各反映何种误差?

答：系统误差(简称系差)：在一定的条件下，对同一被测量进行多次重复测量，如果误差按照一定的规律变化，则把这种误差称为系统误差。系统误差决定了测量的准确度。系统误差是有规律性的，因此可以通过实验或引入修正值的方法一次修正给以消除。

随机误差(简称随差，又称偶然误差)：由大量偶然因素的影响而引起的测量误差称为随机误差。对同一被测量进行多次重复测量时，随机误差的绝对值和符号将不可预知地随机变

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化，但总体上服从一定的统计规律。随机误差决定了测量的精密度。随机误差不能用简单的修正值法来修正，只能通过概率和数理统计的方法去估计它出现的可能性。

系统误差越小，测量结果准确度越高；随机误差越小，测量结果精密度越高。如果一个测量数据的准确度和精密度都很高，就称此测量的精确度很高。

精密度： 要求所加工的零件的尺寸达到的准确程度,也就是容许误差的大小,容许误差大的精密度低,容许误差小的精密度高;简称“精度”

正确度：是表示测量结果中系统误差大小的程度。统计学上，正确度能成功估计一数量的正确值。有时和精确度定义相同。

1.7 等精度测量某电阻10次，得到的测量列如下： R1＝167.95Ω R2＝167.45Ω R3＝167.60Ω R4＝167.60Ω R5＝167.87Ω R6＝167.88Ω R7＝168.00Ω R8＝167.850Ω R9＝167.82Ω R10＝167.608Ω

试求10次测量的算术平均值。

解：求10次测量的算术平均值R：

R1?R2???Rn10i?1167.95?167.45?167.60?167.60?167.87?167.88?168.00?167.85?167.82?167.608?10?167.763?R??

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习题2

2.1 试简述金属电阻应变片与半导体材料的电阻应变效的区别。

答：都是基于压阻效应，也就是受到压力时其电阻值会发生变化，但半导体应变片的灵敏系数比金属应变片要大很多，用于大信号输出的场合，但是机械强度低，受温度影响大。金属应变片机械强度高，灵敏度低，成本也低。 2.2 采用阻值R=120Ω、灵敏度系数K=2.0的金属电阻应变片与阻值R=120Ω的固定电阻组成电桥，供桥电压为10V。当应变片应变为1000时，若要使输出电压大于10mV，则可采用何种工作方式（设输出阻抗为无穷大）？

解：由于不知是何种工作方式，可设为n，故可得：

K?U2?10?10?3U0???10mV

nn得n要小于2，故应采用全桥工作方式。

2.3 试简述直流测量电桥和交流测量电桥的区别。

答：直流电桥是得出的为静态点数据，交流电桥得出的为动态点数据，不过交流电桥得

动态点数据为静态点数据的积分——范围在静态点数据线上波动而已。 2.4.试简述电位器式位移传感器的工作原理。 答：电位器是人们常用到的一种电子元件，它作为传感器可以将机械位移或其他能转换为其有一定函数关系的电阻值的变化，从而引起输出电压的变化。所以它是一个机电传感元件。

2.5 采用阻值为120Ω灵敏度系数K=2.0的金属电阻应变片和阻值为120Ω的固定电阻组成电桥，供桥电压为4V，并假定负载电阻无穷大。当应变片上的应变分别为1和1000时，试求单臂、双臂和全桥工作时的输出电压，并比较三种情况下的灵敏度。

K?U4?2?10?6K?U??2?10?6V，应解：单臂时U0?，所以应变为1时U0?444K?U4?2?10?3K?U??2?10?3V；双臂时U0?变为1000时应为U0?，所以应变为4421

K?U4?2?10?6??4?10?6V，应变为时U0?221000时应为

K?U4?2?10?3U0???4?10?3V；全桥时U0?K?U，所以应变为1时

22U0?8?10?6/V，应变为1000时应为U0?8?10?3V。从上面的计算可知：单臂时灵敏度

最低，双臂时为其两倍，全桥时最高，为单臂的四倍。

2.7 试简述电阻应变片式测力传感器的工作原理。

答：电阻应变式传感器是基于这样一个原理：弹性体（弹性元件，敏感梁）在外力作用下产生弹性变形，使粘贴在他表面的电阻应变片（转换元件）也随同产生变形，电阻应变片变形后，它的阻值将发生变化（增大或减小），再经相应的测量电路把这一电阻变化转换为电信号（电压或电流），从而完成了将外力变换为电信号的过程。

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2.10 试简述电阻应变片实现温度补偿的方法。

答：电阻应变片由于温度效应引起的误差为温度误差。产生温度误差的原因有电阻丝的电阻率随温度发生变化；电阻丝和试件的线膨胀系数不同使其产生附加形变。温度误差给测量结果的精确度产生很大的影响，在实际测量中要采取措施进行温度补偿：自补偿法和线路补偿法。

2.11 试简述压阻式压力、加速度传感器的工作原理。

答：压阻式压力传感器中晶体是各向异性的，非晶体是各向同性的。某些晶体介质，当沿着一定方向受到机械力作用发生变形时，就产生了极化效应；当机械力撤掉之后，又会重新回到不带电的状态，也就是受到压力的时候，某些晶体可能产生出电的效应。

压阻式加速度传感器，它采用硅悬臂梁结构。在硅悬臂梁的自由端装有敏感质量块，在梁的根部，扩散四个性能一致的电阻，当悬臂梁自由端的质量块受到外界加速度作用时，将感受到的加速度转变为惯性力，使悬臂梁受到弯矩作用，产生应力。这时硅梁上四个电阻条的阻值发生变化，使电桥产生不平衡，从而输出与外界的加速度成正比的电压值。

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习题3

3.1 试简述变气隙电感式压力传感器及差动式变气隙电感压力传感器的工作原理。

答：变气隙电感式压力传感器的工作原理：置于一金属膜片两侧的两个电感器件与膜片保持一定间隙,并与膜片组成两压力腔,当介质压力或压差进入两侧的压力腔体中,膜片将向一侧偏移(压力小的一侧),使膜片与两电感器件之间的间隙改变,一侧变小(压力小的一侧),另一侧变大,从而引起了电压的改变。差动式变气隙电感压力传感器将被侧参数压力的变化转换为输出相应电流的变化。通过接口电路可与微机配套,可对压力参数进行远距离测量和控制。

3.3 试简要说明差动变压器式传感器产生零点残余电压的原因，并简述减小或消除零点残余电压的方法。

答：当差动变压器的衔铁处于中间位置时，理想条件下其输出电压为零。但实际上，当使用桥式电路时，在零点仍有一个微小的电压值(从零点几mV到数十mV)存在，称为零点残余电压。零点残余电压的存在造成零点附近的不灵敏区；零点残余电压输入放大器内会使放大器末级趋向饱和，影响电路正常工作等。

消除零点残余电压方法：（1）从设计和工艺上保证结构对称性；（2）选用合适的测量线路;（3）采用补偿线路。

3.4 试简述差动整流电路的工作原理。 答：差动整流电路的工作原理：当动铁芯移动时引起上下两个全波整流电路输出差动电压，中间可调整零位，输出电压与铁芯位移成正比，这种电路受二极管的非线性影响以及二极管正向饱和压降反向漏电流的不利影响很大。

3.5 什么是涡流效应？怎样利用电涡流式传感器进行位移测量？

答：闭合铁芯（或一大块导体）处于交变磁场中，交变的磁通量使闭合铁芯（或一大块导体）中产生感应电流，形成涡电流。假如铁芯（或导体）是纯铁（纯金属）的，则由于电阻很小，产生的涡电流很大，电流的热效应可以是铁（或金属）的温度达到很高的，甚至是铁（或金属）的熔点，使铁熔化。通过前置器电子线路的处理，将线圈阻抗Z的变化，即头部体线圈与金属导体的距离D的变化转化成电压或电流的变化。输出信号的大小随探头到被测体表面之间的间距而变化，电涡流传感器就是根据这一原理实现对金属物体的位移、振动等参数的测量。

3.6 电涡流式传感器的常用测量电路有哪些？简单叙述其原理。

答：根据电涡流式传感器的基本原理，传感器线圈与被测金属导体间距离的变化可以转化为传感器线圈的阻抗或电感的变化。测量电路则是把这些参数的变化转换为电压或电流输出，常用的测量电路有电桥电路和谐振电路。（1）电桥电路。在进行测量时，由于传感器线圈的阻抗发生变化，使电桥失去平衡，而电桥不平衡造成的输出信号被放大并检波，就可得到与被测量成正比的输出。（2）谐振电路。这种方法是把传感器线圈与电容并联组成LC并联谐振电路。当传感器接近被测金属导体时，线圈电感发生变化，LC回路的阻抗和谐振频率将随着L的变化而变化，因此可以利用测量回路阻抗或谐振频率的方法间接反映出传感器的被测量。

3.7 简单叙述自感式、差动变压器式和涡流式传感器的工作原理及特点。

答：自感式传感器是把被测量的变化转换成自感L的变化，通过一定的转换电路转换成电压或电流输出。差动变压器式传感器是根据变压器的基本原理制成的，并且一、二次线圈都用差动形式连接，一般将被测量的变化转换为变压器的互感变化，变压器一次线圈输入交流电压，二次线圈则互感应出电动势。电涡流传感器是以电涡流效应为原理的非接触式位

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