传感器原理课后答案(13页).doc

-第一章 传感与检测技术的理论基础1 什么是测量值的绝对误差、相对误差、引用误差？答：某量值的测得值和真值之差称为绝对误差。相对误差有实际相对误差和标称相对误差两种表示方法。实际相对误差是绝对误差与被测量的真值之比；标称相对误差是绝对误差与测得值之比。引用误差是仪表中通用的一种误差表示方法，也用相对误差表示，它是相对于仪表满量程的一种误差。引用误差是绝对误差（在仪表中指的是某一刻度点的示值误差）与仪表的量程之比。2 什么是测量误差？测量误差有几种表示方法？它们通常应用在什么场合？答：测量误差是测得值与被测量的真值之差。测量误差可用绝对误差和相对误差表示,引用误差也是相对误差的一种表示方法。在实际测量中，有时要用到修正值，而修正值是与绝对误差大小相等符号相反的值。在计算相对误差时也必须知道绝对误差的大小才能计算。采用绝对误差难以评定测量精度的高低，而采用相对误差比较客观地反映测量精度。引用误差是仪表中应用的一种相对误差，仪表的精度是用引用误差表示的。3 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 kPa实际相对误差 标称相对误差 引用误差 4 什么是随机误差？随机误差产生的原因是什么？如何减小随机误差对测量结果的影响？答：在同一测量条件下，多次测量同一被测量时，其绝对值和符号以不可预定方式变化着的误差称为随机误差。随机误差是由很多不便掌握或暂时未能掌握的微小因素（测量装置方面的因素、环境方面的因素、人员方面的因素），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。对于测量列中的某一个测得值来说，随机误差的出现具有随机性，即误差的大小和符号是不能预知的，但当测量次数增大，随机误差又具有统计的规律性，测量次数越多，这种规律性表现得越明显。所以一般可以通过增加测量次数估计随机误差可能出现的大小，从而减少随机误差对测量结果的影响。5 什么是系统误差？系统误差可分哪几类？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，多次测量同一量值时，绝对值和符号保持不变，或在条件改变时，按一定规律变化的误差称为系统误差。系统误差可分为恒值（定值）系统误差和变值系统误差。误差的绝对值和符号已确定的系统误差称为恒值（定值）系统误差；绝对值和符号变化的系统误差称为变值系统误差，变值系统误差又可分为线性系统误差、周期性系统误差和复杂规律系统误差等。在测量过程中形成系统误差的因素是复杂的，通常人们难于查明所有的系统误差，发现系统误差必须根据具体测量过程和测量仪器进行全面的仔细的分析，这是一件困难而又复杂的工作，目前还没有能够适用于发现各种系统误差的普遍方法，只是介绍一些发现系统误差的一般方法。如实验对比法、残余误差观察法，还有准则检查法如马利科夫判据和阿贝检验法等。由于系统误差的复杂性，所以必须进行分析比较，尽可能的找出产生系统误差的因素，从而减小和消除系统误差。1. 从产生误差根源上消除系统误差；2.用修正方法消除系统误差的影响；3. 在测量系统中采用补偿措施；4.可用实时反馈修正的办法，来消除复杂的变化系统误差。6 什么是粗大误差？如何判断测量数据中存在粗大误差？答：超出在规定条件下预期的误差称为粗大误差，粗大误差又称疏忽误差。此误差值较大，明显歪曲测量结果。在判别某个测得值是否含有粗大误差时，要特别慎重，应作充分的分析和研究，并根据判别准则予以确定。通常用来判断粗大误差的准则有：3准则（莱以特准则）；肖维勒准则；格拉布斯准则。第二章传感器概述2-1 什么叫传感器？它由哪几部分组成？它们的作用及相互关系如何？答：传感器是能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。通常传感器有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份；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份。由于传感器输出信号一般都很微弱，需要有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要有辅助的电源，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份。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：传感器的静态特性是指被测量的值处于稳定状态(被测量是一个不随时间变化，或随时间变化缓慢的量)时的输出输入关系。传感器的静态特性可以用一组性能指标来描述，有灵敏度、迟滞、线性度、重复性和漂移等。灵敏度是指传感器输出量增量y 与引起输出量增量y的相应输入量增量x的之比。用S表示灵敏度，即S=y/x 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满量程输出值之比。线性度也称为非线性误差，用表示，即 。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。即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： 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，常用均方根误差计算，也可用正反行程中最大重复差值计算，即:2-3 什么是传感器的动态特性？有哪几种分析方法？它们各有哪些性能指标？答：传感器的动态特性是指输入量随时间变化时传感器的响应特性。主要的分析方法有：瞬态响应法（又称时域分析法），相应的性能指标有时间常数、延迟时间td、上升时间tr、超调量和衰减比d等；频率响应法，相应的性能指标有通频带0.707、工作频带0。95、时间常数、固有频率n、跟随角0。70等。 第三章 应变式传感器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：在外力作用下，导体或半导体材料产生机械变形，从而引起材料电阻值发生相应变化的现象，称为应变效应。其表达式为，式中K为材料的应变灵敏系数，当应变材料为金属或合金时，在弹性极限内K为常数。金属电阻应变片的电阻相对变化量与金属材料的轴向应变成正比，因此，利用电阻应变片，可以将被测物体的应变转换成与之成正比关系的电阻相对变化量，这就是金属电阻应变片的工作原理。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偏离应变片标定温度而给测量带来的附加误差，称为应变片温度误差。产生应变片温度误差的主要原因有：由于电阻丝温度系数的存在，当温度改变时，应变片的标称电阻值发生变化。当试件与与电阻丝材料的线膨胀系数不同时，由于温度的变化而引起的附加变形，使应变片产生附加电阻。电阻应变片的温度补偿方法有线路补偿法和应变片自补偿法两大类。电桥补偿法是最常用且效果较好的线路补偿法，应变片自补偿法是采用温度自补偿应变片或双金属线栅应变片来代替一般应变片，使之兼顾温度补偿作用。3 什么是直流电桥？若按桥臂工作方式不同，可分为哪几种？各自的输出电压如何计算？题图3-3 直流电桥答：如题图3-3所示电路为电桥电路。若电桥电路的工作电源E为直流电源，则该电桥称为直流电桥。按应变所在电桥不同的工作桥臂，电桥可分为：单臂电桥，R为电阻应变片，R、R、R为电桥固定电阻。其输出压为差动半桥电路，R、R为两个所受应变方向相反的应变片，R、R为电桥固定电阻。其输出电压为：差动全桥电路，R1、R2、R3、R4均为电阻应变片，且相邻两桥臂应变片所受应变方向相反。其输出电压为：4拟在等截面的悬臂梁上粘贴四个完全相同的电阻应变片组成差动全桥电路，试问：（1） 四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。应变片答：如题图3-4所示等截面悬梁臂，在外力作用下，悬梁臂产生变形，梁的上表面受到拉应变，而梁的下表面受压应变。当选用四个完全相同的电阻应变片组成差动全桥电路，则应变片如题图3-4所示粘贴。题图3-4（a）等截面悬臂梁 （b）应变片粘贴方式 （c）测量电路电阻应变片所构成的差动全桥电路接线如图3-4所示，、所受应变方向相同，、所受应变方向相同，但与、所受应变方向相反。5. 图示为一直流应变电桥。图中E=4V，=，试求：（1） 为金属应变片，其余为外接电阻。当的增量为时，电桥输出电压 （2） ，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（3） 题（2）中，如果与感受应变的极性相反，且，电桥输出电压题图3-5 直流电桥答：如题3-5图所示由于R1，R2均为应变片，且批号相同，所受应变大小和方向均相同，则根据题意，设 则 题图6 等强度梁测力系统示意图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=120。当试件受力F时，应变片承受平均应变=800m/m，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。解：根据应变效应，有已知 ，代入公式则若将电阻应变片置于单臂测量桥路中则 非线性误差 %若要减小非线性误差，可采用半桥差动电路，且选择 和所受应变大小相等，应变方向相反。此时7.在题6条件下，如果试件材质为合金钢，线膨胀系数，电阻应变片敏感栅材质为康铜，其电阻温度系数，线膨涨系数。当传感器的环境温度从10变化到50时，引起附加电阻相对变化量为多少？折合成附加应变为多少？解：在题3-6的条件下，合金钢线膨胀系数为g=11×10-6/。则应变片敏感栅材质为康铜。电阻温度系数为/。则，当两者粘贴在一起时，电阻丝产生附加电阻变化为：= -当测量的环境温度从10变化到50时，金属电阻丝自身温度系数/。则：总附加电阻相对变化量为：%折合附加应变为：38 一个量程为10kN的应变式测力传感器，其弹性元件为薄壁圆筒轴向受力，外径为20mm，内径为18mm，在其表面粘贴八个应变片，四个沿轴向粘贴，四个沿周向粘贴，应变片的电阻值均为120，灵敏度为2.0，泊松比为0.3，材料弹性模量。要求： 绘出弹性元件贴片位置及全桥电路； 计算传感器在满量程时各应变片的电阻； 当桥路的供电电压为10V时，计算电桥负载开路时的输出。解：已知：F10kN，外径，内径，R120，K2.0，Ui10V。圆筒的横截面积为弹性元件贴片位置及全桥电路如图所示。应变片1、2、3、4感受轴向应变：应变片5、6、7、8感受周向应变：满量程时，电桥的输出为：第四章电感式传感器1. 说明差动变隙电压传感器的主要组成，工作原理和基本特性。题图4-1差动变隙电压传感器答：差动变隙电压传感器结构如下图所示。主要由铁芯，衔铁，线圈三部分组成。传感器由两个完全相同的电压线圈合用一个衔铁和相应磁路。工作时，衔铁与被测件相连，当被测体上下移动时，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。其输出特性为：若忽略上式中的高次项，可得为了使输出特性能得到有效改善，构成差动的两个变隙式电感传感器在结构尺寸、材料、电气参数等方面均应完全一致。2. 变隙试电感传感器的输入特性与哪些因素有关？怎样改善其非线性？怎样提高其灵敏度？答：变隙试电压传感器的输出特性为：其输出特性与初始电压量，气隙厚度，气隙变化量有关。当选定铁芯，衔铁材料及尺寸，确定线圈的匝数及电气特性，则。从传感器的输出特性可以看出，与成非线性关系，为改善其非线性，通常采用差动变隙式电感传感器，如题图41所示，输出特性表达式为；将上式与单线圈变隙式传感器相比，若忽略非线性项，其灵敏度提高一倍，若保留一项非线性项，则单线圈式，而差动式由于<<1，因此，差动式的线性度得到明显改善。3. 差动变压器式传感器有几种结构形式？各有什么特点？答：差动变压器式传感器有变隙式差动变压器式和螺线管式差动变压器式传感器二种结构形式。变隙式差动变压器传感器的输出特性为，输出电压与比值成正比，然而比值与变压器的体积与零点残余电压有关。应综合考虑；与成反比关系，因此要求越小越好，但较小的使测量范围受到约束，通常在左右。螺线管式差动变压器式传感器的输出特性是激励电压和激磁频率的函数，理论上，灵敏度与、成正比关系，而实际上由于传感器结构的不对称、铁损、磁漏等因素影响，与不成正比关系，一般在400Hz10KHz范围内有较大的稳定值，与不论在理论上和实际上都保持较好的线性关系。一般差动变压器的功率控制在1瓦左右，因此取值在38伏范围之内。为保证传感器有较好的线性度，其测量范围为线圈骨架长度的到。因此可以测量大位移范围。4. 差动变压器式传感器的等效电路包括哪些元件和参数？各自的含义是什么？题图4-4差动变压器式传感器等效电路答：差动变压器式传感器在忽略铁损、导磁体磁阻和线圈分布电容的理想条件下，其等效电路如题图44所示。其中为初级线圈的激励电压，为初级线圈直流电阻，为初级线圈交流电感，为两次级线圈直流电阻，为两次级线圈的交流电感。初级线圈与两次级线圈的互感系数为，线圈的感应电势为，线圈的感应电势为。5. 差动变压器式传感器的零点残余电压产生的原因是什么？怎样减小和消除它的影响？答：差动电压器在零位移时的输出电压称为零点残余电压。对零点残余电压进行频谱分析，发现其频谱主要由基波和三次谐波组成，基波产生的主要原因是传感器两个次级绕组的电气参数与几何尺寸不对称，三次谐波产生的原因主要是磁性材料磁化曲线的非线性（磁饱和，磁滞）所造成的。消除或减小零点残余电压的主要方法有：尽可能保证传感器几何尺寸，线圈电气参数和磁路的相互对称。传感器设置良好的磁屏蔽，必要时再设置静电屏蔽。将传感器磁回电路工作区域设计在铁芯曲线的线性段。采用外电路补偿。配用相敏检波测量电路。题图46 相敏检波电路6. 简述相敏检波电路的工作原理，保证其可靠工作的条件是什么？答：相敏检波电路如题图46所示。图中，为四个性能相同的二极管。以同一方向串联接成一个闭合回路，组成环形电桥。输入信号（差动变压器式传感器输出的调谐波电压）通过变压器加入环形电桥的一个对角线上，参考信号通过变压器加到环形电桥的另一个对角线上，为保证相敏检波电路可靠工作，要求的幅值要远大于输入信号的幅值，以便有效控制四个二极管的导通状态，且和差动变压器式传感器激励电压由同一振荡器供电。保证二者同频同相（或反相）。当>0时，与同频同相。，截止，导通，则可得题图46所示等效电路。其输出电压表达式为，在与均为负半周时，、截止，、导通，则题图46所示为等效电路，其输出电压表达式亦为，这说明只要位移>0，不论与是正半周还是负半周，负载电阻两端得到的电压始终为正。当<0时，采用上述相同方法可以得到输出电压的表达式为。（为变压器的变比）。故题图46所示相敏检波电路输出电压的变化规律充分反映了被测位移量的变化规律，即电压数值反映了大小，而极性则反映了位移的方向。题图4-7 差动整流电桥电路7. 已知一差动整流电桥电路如题图4-7所示。电路由差动电感传感器、及平衡电阻、（）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，试分析该电路的工作原理。解：题图47为差动整流电桥电路，为差动电压传感器，为平衡电阻，为交流电源，、构成一型滤波电路，输出电压为。 当被测输入量为零时，传感器与传感器相等，此时若为正半周，则、导通，、截止，电流流经，电流流经，如果四只二极管具有理想特性（导通时内阻为零，截止时内阻为无穷大），则，。且如题图47所示与方向相反，。若为负半周，则、导通，、截止，电流流经，而电流流经，此时，且如图所示与方向相反，。 当被测输入量不等于零，且>，若为正半周，此时有<，>，>0。若为负半周，此时，<则>0，即不论为正半周还是负半周，输出电压始终为正。 当被测输入量不等于零，且<时，采用相同的分析方法同理可得：<0，即不论为正半周还是负半周，输出电压始终为负。所以该测量电路输出电压幅值反映了被测量的大小，而的符号则反映了该被测量的变化方向。8. 已知变气隙电感传感器的铁芯截面积cm2，磁路长度cm，相对磁导率，气隙cm，mm，真空磁导率H/m，线圈匝数，求单端式传感器的灵敏度。若做成差动结构形式，其灵敏度将如何变化？解：灵敏度：接成差动结构形式，则 灵敏度提高一倍。7 何谓涡流效应？怎样利用涡流效应进行位移测量？答：块状金属导体置于变化着的磁物中，或在磁场中作切割磁力线运动时，导体内将产生呈旋涡状的感应电流，此电流叫电涡流，所产生电涡流的现象称为电涡流效应。 电涡流式传感器的测试系统由电涡流式传感器和被测金属两部分组成。当线圈中通以交变电流时，其周围产生交变磁物，置于此磁物中的导体将感应出交变电涡流，又产生新的交变磁物，的作用将反抗原磁物，导致线圈阻抗发生变化，的变化完全取决于导体中的电涡流效应，而电涡流效应既与导体的电阻率，磁导率，几何尺寸有关，又与线圈的几何参数、线圈中的激磁电流频率有关，还与线圈和导体间的距离有关，因此，可得等效阻抗的函数差系式为（、）式中为线圈与被测体的尺寸因子。 以上分析可知，若保持，参数不变，而只改变参数。则就仅仅是关于单值函数。测量出等效阻抗，就可实现对位移量的测量。8 电涡流的形成范围包括哪些内容？它们的主要特点是什么？答：电涡流的形成范围包括电涡流的径向形成范围、电涡流强度与距离的关系和电涡流的轴向贯穿深度。 电涡流的径向形成范围的特点为：金属导体上的电涡流分布在以线圈轴线为同心，以（1.82.5）为半径的范围之内（为线圈半径），且分布不均匀。在线圈轴线（即短路环的圆心处）内涡流密度为零。电涡流密度的最大值在附近的一个狭窄区域内。电涡流强度与距离呈非线性关系。且随着的增加，电涡流强度迅速减小。当利用电涡流式传感器测量位移时，只有在=0.050.15的范围内才具有较好的线性度和较高的灵敏度。电涡流的轴向贯穿深度按指数规律分布，即电涡流密度在被测体表面最大，随着深度的增加，按指数规律衰减。9 电涡流传感器常用测量电路有几种？其测量原理如何？各有什么特点？答：电涡流传感器常用的测量电路有：调频式测量电路和调幅式测量电路二种。第五章1.根据工作原理可将电容式传感器分为那几种类型？每种类型各有什么特点？各适用于什么场合？答：根据电容式传感器的工作原理，电容式传感器有三种基本类型，即变极距(d)型（又称变间隙型）、变面积(A)型和变介电常数()型。变间隙型可测量位移，变面积型可测量直线位移、角位移、尺寸，变介电常数型可测量液体液位、材料厚度。电容式传感器具有以下特点：功率小，阻抗高，由于电容式传感器中带电极板之间的静电引力很小，因此，在信号检测过程中，只需要施加较小的作用力，就可以获得较大的电容变化量及高阻抗的输出；动态特性良好，具有较高的固有频率和良好的动态响应特性；本身的发热对传感器的影响实际上可以不加考虑；可获取比较大的相对变化量；能在比较恶劣的环境条件下工作；可进行非接触测量；结构简单、易于制造；输出阻抗较高，负载能力较差；寄生电容影响较大；输出为非线性。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，可以使非线性误差减小一个数量级。53 图57为电容式液位计测量原理图。请为该测量装置设计匹配的测量电路，要求输出电压与液位h之间呈线性关系。图5-7 电容式液位变换器结构原理图解：电容式液位计的电容值为：，其中。可见C与液面高度h呈线性关系。可以看出，该结构不宜做成差动形式，所以不宜采用二极管双T形交流电桥，也不宜采用脉冲宽度调制电路。另外要求输出电压与液位h之间呈线性关系，所以不宜采用调频电路和运算放大器式电路。V环形二极管电容测量电路原理图R C V 可以采用环形二极管充放电法，具体电路如图所示。可将直流电流表改为直流电压表与负载电阻R的并联，R上的电压为，则有：其中，Cx为电容式液位计的电容值，f为方波的频率，E=E2-E1为方波的幅值，Cd为平衡电容传感器初始电容的调零电容。当h=0时调节，则输出电压与液位h之间呈线性关系。第六章 压电式传感器1.什么叫正压电效应和逆压电效应？什么叫纵向压电效应和横向压电效应？答：某些电介质在沿一定的方向上受到外力的作用而变形时，内部会产生极化现象，同时在其表面上产生电荷，当外力去掉后，又重新回到不带电的状态，这种现象称为压电效应。这种机械能转化成电能的现象，称为“顺压电效应”。反之，在电介质的极化方向上施加交变电场或电压，它会产生机械变形，当去掉外加电场时，电介质变形随之消失，这种现象称为“逆压电效应”。在石英晶体中，通常把沿电轴x方向的力作用下产生电荷的压电效应称为“纵向压电效应”， 而把沿机械轴y方向的力作用下产生电荷的压电效应称为“横向压电效应”。2.压电式加速度传感器的工作原理？答：其原理利用压电晶体的电荷输出与所受的力成正比，而所受的力在敏感质量一定的情况下与加速度值成正比。在一定条件下，压电晶体受力后产生的电荷量与所感受到的加速度值成正比。第七章 磁电式传感器1.什么是霍尔效应？霍尔电势与哪些因素有关？答：金属或半导体薄片置于磁场中，当有电流通过时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势，这种物理现象称为霍尔效应。霍尔电动势的大小正比于激励电流与磁感应强度，且当或的方向改变时，霍尔电动势的方向也随着改变，但当和的方向同时改变时霍尔电动势极性不变。-第 13 页13