传感器章节习题答案10

10测控复习题

C1 传感器基础

1 什么是传感器？传感器的基本组成包括哪两个部分？这两个部分各起什么作用？

答：传感器是一种能把特定被测量的信息按一定规律转换成某种可用信号并输出的器件或装置。传感器由敏感元件和转换元件组成。敏感元件能直接感受或响应被测量；转换元件是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。 2 简述传感器在自动控制系统中的作用。

答：自动控制系统中传感器的主要作用是将被测非电量转换成与其成一定关系的电量，它是自动控制系统的“感官”、“触角”，自动控制系统通过传感器检测到的信息实现对系统的控制。因此，传感器是自动控制系统中得首要部件，是实现现代化测量和自动控制（包括遥感、遥测、遥控）的主要环节，它对于决定自动控制系统的性能起着重要作用。 3 传感器有哪些基本特性？

答：传感器的基本特性通常可以分为静态特性和动态特性。静态特性是指输入的被测量不随时间变化或随时间缓慢变化时表现的特性。表征传感器静态特性的主要参数有线性度、灵敏度、分辨力和迟滞、重复性；动态特性是指传感器跟踪输入信号变化的特性，表征传感器动态特性的主要参数有响应速度、频率响应。 4 简述传感器的发展方向

答：1)．新材料的开发与应用

在原有的半导体、陶瓷材料等基础上，利用新的制造材料来提升传感器性能，提高传感器的产品质量，降低生产成本。

2)．新制造技术的应用

采用精密细微加工技术、蒸镀技术、扩散技术、光刻技术、静电封接技术、全固态封接技术，应用使传感器集成化、超小型化。

3)．新型传感器的开发

利用新的物理效应、化学效应、生物效应开发出相应的新型传感器，从而为提高传感器的性能，拓展传感器的应用范围提供了新的动力。

4)．传感器的集成化

利用集成技术，将敏感元件、测量电路、放大电路、补偿电路、运算电路等制作在同一芯片上，使传感器体积小、质量轻、生产自动化程度高、制造成本低、稳定性和可靠性高、电路设计简单、安装调试时间短。

5)．传感器的智能化

开发具有自补偿、自诊断、自校正及数据的自存储和分析等功能的智能传感器。 6)．新一代航天传感器的研究

采用新原理、新技术研制新型航天传感器。 7)．仿生传感器的研究

开发模仿人的感觉器官的仿生传感器，如视觉传感器、听觉传感器、嗅觉传感器、味觉传感器、触觉传感器。

5.试举出你在日常生活中所遇到的传感器，并说明它的作用。

答：略

6.时间常数为0.001秒的一阶装置对正弦信号进行测量，要求振幅误差在5%以内，求该装置能够测量的正弦信号的最高频率。

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10测控复习题

解:

τ=0.001

1?H(f)?1?1?5/100 ???..7

[1?(?2?f)2]12f=52.3 ???????????????.3

7.用时间常数为0.5的一阶装置进行测量，若被测参数按正弦规律变化，若要求装置指示值的幅值误差小于2%，问被测参数变化的最高频率是多少？如果被测参数的周期是2s和5s，问幅值误差是多少？

解：一阶装置,有 H(s)? H(?)?1 1??s1[1?(??)2]12

今??0.5，幅值误差小于2% , 应H(?)?0.98求出f?0.08Hz 对被测信号：

周期是2s,f1?0.5Hz,H(f1)?0.537，幅值误差为46.3% 周期是5s, f2?0.2Hz,H(f2)?0.847，幅值误差为15.3%

8.设时间常数为5s的温度计，从20?C的室温条件下突然输入80?C的水中，经过15s之后，温度计的指示值为多少度?(77℃)

C2 应变式电阻传感器

1 什么是电阻的应变效应？利用应变效应解释金属应变式电阻传感器的工作原理。

答：金属导体在外力的作用下发生机械变形，其电阻值随着机械变形（伸长或缩短）的变化而发生变化，这种现象称为金属的应变效应。

现有一根长度为l，截面积为A，电阻率为ρ的金属丝，如图1所示。

图1 金属应变效应

R??未受力时，电阻值为

lS 当金属丝受到拉力F作用时，将引起电阻值发生变化，

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10测控复习题

电阻的相对变化量为

ΔRΔ?ΔlΔS，当材料一定时，ρ不发生变化，电阻值的变化???R?lS仅与金属丝长度和金属丝截面积的变化有关。

2弹性元件在应变式电阻传感器中起什么作用？

答：弹性敏感元件是电阻式传感器的敏感元件，能直接感受到被测的量的变化。 3 简述应变式电阻传感器测量电路的功能。

答：由于弹性敏感元件和应变片的应变量一般都很小，电阻值的变化量也很小，不易被观察、记录和传输，需要通过电桥电路将该电阻值的变化量放大，并转换成电压或电流信号。 4 应变式电阻称重传感器的工作原理是什么？

秤盘与悬臂梁相连接，秤盘上放要称重的物料，物料越重，悬臂梁的变形量就越大，使黏在悬臂梁上下两侧的应变片的变形量就越大，变形量转换为电阻值的变化量也就越大，由电桥电路将4个应变片的电阻值的变化量转换为电压输出，电压的大小则反映出物料的重量。

5 试比较金属应变式传感器和半导体压电式传感器的异同点。 答：相同点：两者都是将应变力转换为电阻的变化。

不同点：金属应变式传感器是由于导体的长度和半径发生改变而引起电阻值的变化，

而半导体应变式传感器是由于其载流子的迁移率发生变化而引起电阻值的变化。

6 下图2为 应变片 式 电阻 传感器的结构示意图。图中各编号名称：①是应变片，②是悬梁臂，③是质量块，④是固定端。试分析该传感器的工作原理。

图2 传感器的结构示意图

答：当质量块上下移动时，将带动悬梁臂自由端上下移动，使悬梁臂产生弹性变形，从而贴在悬梁臂上的应变片也将发生变形，使应变片的电阻值发生变化，通过应变片组成的桥式电路，将电阻的变化转换为电压输出，通过测量电压的大小便可知质量块的加速度的大小。 7 用于测量起吊重量的拉力传感器如图3所示。应变片R1、R2、R3、R4贴在等截面轴上，它们组合的电桥电路如图3（b）所示。试由图简述拉力传感器的工作原理。

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10测控复习题

图3 测量起吊重量的拉力传感器示意图

答：在等截面轴上贴有四个应变片，当没有起吊钩上起吊物时，由R1、R2、R3、R4组成的桥式电路平衡，输出电压为零；当起吊钩上挂上起吊物时，等截面轴将被上下拉伸，使得贴在等截面轴上的轴向应变片（R1和R2）也随之拉伸，这两个电阻的阻值变大，而径向应变片（R3和R4）被压缩，R3和R4的阻值变大，桥式电路失去平衡，输出电压不为零，并且随着起吊物重量的增大，输出电压也线性增大，通过测量桥式电路输出电压的大小，便可知起吊物的重量。

8 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？

答：电阻应变片产生温度误差的原因：当测量现场环境温度变化时，由于敏感栅温度系数及栅丝与试件膨胀系数之差异性而给测量带来了附加误差。

电阻应变片的温度补偿方法：通常有线路补偿法和应变片自补偿两大类。

1）电桥补偿是最常用的且效果较好的线路补偿法。电桥补偿法简单易行，而且能在较大的温度范围内补偿，但上面的四个条件不一满足，尤其是两个应变片很难处于同一温度场。 2）应变片的自补偿法是利用自身具有温度补偿作用的应变片。

9 图4所示为等强度梁测力系统，R1为电阻应变片，应变片灵敏度系数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??8?10?4，求

（1）应变片电阻变化量?R1和电阻相对变化量?R1/R1。

（2）将电阻应变片置于单臂测量电桥，电桥电源电压为直流3V，求电桥

输出电压是多少。

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R1F10测控复习题

（a）

（b）

图4 等强度梁测力系统

解： （1）?R1?K??2.05?8?10?4?1.64?10?3，?R1?k??R1?1.64?10?3?120?0.1968? R1解：（2）

10 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。

11.如图5所示为一直流电桥，供电电源电动势E=3V，R3=R4=100Ω，R1和R2为同型号的电

阻应变片，其电阻均为50Ω，灵敏度系数K=2.0。两只应变片分别粘贴于等强度梁同一截面的正反两面。设等强度梁在受力后产生的应变为5 000，试求此时电桥输出端电压U0。

R4R3Ｕ０R1ＦR1R2R2Ｅ题5图

K?U2?3?5?10?3??15/mV 解：此电桥为输出对称电桥，故U0?2212 应变片称重传感器，其弹性体为圆柱体，直径D=10cm，材料弹性模量E=205×109N/m2，

用它称50吨重物体，若用电阻丝式应变片，应变片的灵敏度系数S=2，R=120Ω，问电阻变化多少？ 解： 因为：???E??F A5 of 23

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