1-4传感器作业

第一章 传感器概论

思考题与习题

1-1 简述检测系统和自动控制系统的组成及其各部分的功能。

答：（1）一个完整的检测系统由激励装置、测量装置、数据处理装置和显示、记录装置四大部分。

激励装置 被测 对象 传感器 测量电路 数据处理 显示记录

图1-1 检测系统组成框图

激励装置是激励被测量对象产生表征其特征信号的一种装置。激励装置的核心部分是信号发生器，由它产生各种信号激励被测对象。测量装置是把被测对象产生的信号转换成易于处理和记录的信号的一种装置。数据处理装置对从测量装置输出的信号进行处理、运算、分析，以提取有用的信息，使人们对客观事物的动态过程有更深入的认识。显示、记录装置是把测量的信号变为人们感觉所能理解的形式，以提供人们观察和分析的装置。 （2）典型的自动控制系统组成框图如图1-2所示。

控制器 反馈器 执行器 被控对象 检测装置

图1-2 自动控制系统组成框图

系统通过检测装置获取变化的被控参数信息，并经过反馈环节把它引回到系统的输入端，与给定值比较后成为误差信号，控制器按误差信号的大小产生一相应的控制信号，自动调整系统的输出，使其误差趋向于零。

1-2 简述传感器的组成及其各部分的功能。

答：传感器一般由敏感元件和转换元件两部分组成，有时也将转换电路及辅助电源作为传感器的组成部分，其组成框图如图1-3所示。

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被测量 敏感器 非电量 转换元件 电参量 转换电路 电量 辅 助 电 源 图1-3 传感器组成框图

敏感元件直接感受被测量（一般为非电量），并输出与被测量成确定关系的其他量（其中也包括电量）的元件。转换元件也称传感元件，通常它不直接感受被测量，而是将敏感元件的输出量转换为电参量再输出。转换电路将转换元件输出的电参量转换成电压、电流或频率量。若转换元件输出的已经是上述电量，则就不需要基本转换电路了。

1-3 对某传感器进行特性测定所得到的一组输入—输出数据如下： 输入xi: 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 输出yi: 2.2 4.8 7.6 9.9 12.6 15.2 17.8 20.1 22.1 试计算该传感器的非线性度和灵敏度。

答：

1．端点法方程y=24.555x 非线性误差（线性度）Ef?灵敏度K=24.56

x y yfit Δ=y-25.2x+0.1222 Δ=y-24.55x 0.1 2.2 2.3978 -0.1978

-0.255

-0.11 0.235 0.08 0.47 0.46

0.2 4.8 4.9178 -0.1178 0.3 7.6 7.4378 0.1622 0.4 9.9 9.9578 -0.0578 0.5 12.6 12.4778 0.6 15.2 14.9978 0.7 17.8 17.5178 0.8 20.1 20.0378 0.9 22.1 22.5578

0.1222 0.2022 0.2822 0.0622

?ym0.605?100%??2.8% YFS22.1 0.325 0.615

-0.4578 0.005

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B252015Data: Data4_BModel: wulilineWeighting: yNo weighting Chi^2/DoF= 0.06165R^2= 0.99887 a25.2±0.32055b-0.12222±0.18038Y10500.00.20.40.60.81.0X

2．最小二乘法

Data: Data4_B

Chi^2/DoF = 0.06165 R^2 = 0.99887 a 25.2 0.32055 b -0.12222 0.18038 y=25.2x-0.12222

非线性误差（线性度）Ef??ym0.4578?100%??2.1% YFS22.1灵敏度K=25.2

x y y=ax+b y-ax-b y-22.1x/0.9 0.1 2.2 2.3978 -0.1978 -0.255 0.2 4.8 4.9178 -0.1178 -0.11 0.3 7.6 7.4378 0.1622 0.235 0.4 9.9 9.9578 -0.0578 0.08 0.5 12.6 12.4778 0.1222 0.325 0.6 15.2 14.9978 0.2022 0.47 0.7 17.8 17.5178 0.2822 0.615 0.8 20.1 20.0378 0.0622 0.46 0.9 22.1 22.5578 -0.4578 0.005

灵敏度 S?K??y19.7?7.3??24.8 ?x0.8?0.3于是，此传感器的特性方程为y?24.8x 线性度计算如下：

当x=0.8时，y=19.84，所以?y?19.84?20.1?0.26； 当x=0.7时，y=17.36，所以?y=0.44； 当x=0.6时，y=14.88，所以?y=0.32； 当x=0.5时，y=12.4，所以?y=0.2；?? 所以?ymax=0.44 则线性度Ef??ymax0.44??2.0% YFS22.11-4 传感器的动态特性常用什么方法进行描述？你认为这种描述方法能否充分反映传感器

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的动态特性，为什么？ 答：（1）在实际工作中，传感器的动态特性常用它对某些标准输入信号的相应来表示。最常用的标准输入信号有阶跃信号和正弦信号两种，所以传感器的动态特性也常用阶跃响应和频率响应来表示。

（2）整个相应过程分为动态和稳态两个过程。动态过程又称为过度过程，是指传感器从初始状态到接近最终状态的响应过程。稳态过程是指时间t??时传感器的输出状态。阶跃响应主要通过分析动态过程来研究传感器的动态特性，而频率响应则是通过研究稳态过程来分析传感器的动态特性。

1-5 传感器实现不失真测量的条件是什么？在实际工作中如何具体运用？ 答：传感器实现不失真测量，测量装置的频率响应特性应同时满足两个条件：（1）装置对输入的被测信号中所包含的各种频率成分的幅值放大倍数都一样，即幅频特性应满足（B/A）=K=常数；（2）输入的测量信号中的各种频率成分通过装置后，它的输出滞后与输入的时间?d都要一样，即装置的相频特性应满足?（?）= ??d ? 。

在具体测量时，首先要选好测量装置，并掌握所用测量装置的动态特性，使其在要求的工作频率范围内的幅频和相频特性比较接近不失真测量的条件。其次，应对输入的被测信号进行必要的前置处理，及时滤掉非信号频带内的噪声，以免某些噪声因其频带进入测量装置的谐振区而使信噪比变坏。此外，在选择测量装置时，还应根据不同的测量目的和要求，有针对性的满足测量要求。

1-6 为什么要对传感器要进行校检，其实质是什么？

答：当传感器的工作环境、使用条件不同于说明书中的规定，或使用时间较长且已经过修理时，为判断它是否可用或者性能参数是否发生变化，往往需对传感器重新进行标定或校检。实际上都是对传感器的特性进行测试，所以校检也分静态和动态两个方面。

第二章 传感器测量电路

思考题与习题

2-1 传感器输出信号有哪些特点？

答：（1）传感器输出的电信号有电压、电流、电阻、电容、电感、频率的变化等；（2）传感器输出的电信号通常都比较弱，如电压信号为级，电流信号为级；（3）由于传感器内部噪声的存在，使输出的信号与噪声混合在一起。当噪声比较大，而输出信号又较弱时，常使信号被淹没在噪声之中；（4）大部分传感器的输出、输入关系曲线呈线性或接近线性关系，但仍有少部分传感器的输出、输入关系曲线是非线性的；（5）传感器的输出信号易受外界环境（如温度、电场或磁场）的干扰。

2-2 传感器电子测量电路有哪几种类型，其主要功能是什么？

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答：（1）开关型测量电路 传感器的输出信号为开关信号（如电触点或光线的通断信号）时的测量电路称为开关型测量电路。俄中测量电路实质是一个功率放大器。

（2）模拟电路 如果传感器的输出是一些电参数的变化，则需要通过基本转换电路首先将其转换成电量。常用的基本转换电路有分压电路、运算电路、电桥电路、调频电路、脉冲调宽电路等。

（3）绝对码型测量电路 绝对式编码传感器输出的数字编码与被测量的绝对位置值一一对应。每一码道的状态由相应的光电元件读出，经光电转换与放大整形后，得到与被测量相对应的编码。采用循环码的传感器，由于其输出的编码为循环码，所以先要转换为二进制码后再译码输出。

（4）增量码数字式测量电路 光栅、慈栅、感应同步器等数字式传感器输出的是增量码信号。传感器的输出经放大、整形后成为数字脉冲信号。

（5）传感器与微机的接口 输入到微型机的信号必须是它能处理的数字量信息。根据传感器输出信号的不同，有相应的三种基本接口方式：模拟量接口方式、开关量接口方式和数字量接口方式。

2-3 测量装置中常见的噪声干扰有几种？可采取哪些措施予以防止？ 答：（1）按照噪声产生的来源，一般可分为外部干扰噪声和内部干扰噪声两大类。常见的外部干扰噪声有：①由各种电气设备、高压电网、雷电、放电管等的火花放电、弧光放电、电晕放电、辉光放电所产生的放电噪声；②由工频、高频和射频等大功率设备、电子开关、脉冲发生器等的干扰所产生的电磁噪声；③由环境温度、湿度、光照、振动等生成的环境噪声等。

常见的内部干扰噪声有：①由电阻中自由电子的不规则热运动所引起的电阻热噪声；②由半导体内带电粒子的不规则和不连续运动引起的半导体散粒噪声；③由两种材料之间的不完全接触所引起的接触噪声等。

（2）目前常用的抗干扰措施有如下：屏蔽、接地、浮置、滤波、对称电路、光电耦合和脉冲电路中的噪声抑制。

2-4 屏蔽有哪几种型式？各起什么作用？

答：根据干扰场的性质，屏蔽可分为静电屏蔽、电磁屏蔽和低频磁屏蔽等。

（1）静电屏蔽使屏蔽体内的电力线不外传，同时不也使外部的电力线影响其内部，以达到消除或削弱两个回路之间由于分布电容的耦合而产生的干扰。

（2）电磁屏敝主要用于防止高频电磁场的影响。它有两个作用：①通过低电阻金属材料制成的屏蔽体表面对磁场产生反射而削弱其影响；②由于电磁场在屏蔽体内产生涡流，再利用反方向的涡流磁场抵消高频电磁场的干扰。③低频磁屏蔽 对于低频磁场干扰，用上述电磁屏蔽方法往往难以奏效。此时常采用强磁材料作屏蔽体，因其磁阻极小，为干扰源产生的磁通提供了一个低磁阻通路，并使其限制在强磁屏蔽体内。

2-5 接地有哪几种型式？各起什么作用？ 答接地的几种方式和特点见下表： 接地方式 串联一点接地 主要特点 各接地点电位不同，并受其他电路工作电流影响。引线较少，布线简单。当各电路的电平相差不大时，常常采用 - 5 -

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