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ag亚洲集团传感器与检测技术习题3

发布日期:2020-08-20 01:20

  答:传感器处于研究对象与测试系统的接口位置,即检测与控制之首。传感器是感知、获取与检测信息的窗口,一切科学研究与自动化生产过程要获取的信息都要通过传感器获取并通过它转换成容易传输与处理的电信号,其作用与地位特别重要。 0.2解释下列名词术语:

  1)敏感元件;2)传感器; 3)信号调理器;4)变送器 答:①敏感元件:指传感器中直接感受被测量的部分。

  ②传感器:能感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置,通常由敏感元件和转换元件组成。

  ③信号调理器:对于输入和输出信号进行转换的装置。 ④变送器:能输出标准信号的传感器。

  1.1某位移传感器,在输入量变化5 mm 时,输出电压变化为300 mV,求其灵敏度。 解:

  1.2某测量系统由传感器、放大器和记录仪组成,各环节的灵敏度为:S1=0.2mV/℃、

  a)试用最小二乘法拟合直线,求其线性度和灵敏度; b)用C 语言编制程序在微机上实现。 解:

  拟合直线什么是传感器的静特性?有哪些主要指标? 答:静特性是当输入量为常数或变化极慢时,传感器的输入输出特性,其主要指标有线性度、迟滞、重复性、分辨力、稳定性、温度稳定性、各种抗干扰稳定性。 1.9如何获得传感器的静特性?

  答:传感器的静特性由静特性曲线反映出来,静特性曲线传感器的静特性的用途是什么?

  答:人们根据传感器的静特性来选择合适的传感器。 1.11试求下列一组数据的各种线)端点线)最小二乘线性度。 解: ①理论线max ±=?-±=??±

  10MPa 的压力传感器进行标定时,传感器输出电压值与压力值之间的关系如下表所示,简述最小二乘法准则的几何意义,并讨论下列电压-压力曲线中哪条最符合最小二乘法准则?

  (5)y=5.00x+0.07 答:最小二乘法准则的几何意义在于拟和直线精密度高即误差小。将几组x 分别带入以上五式,与y 值相差最小的就是所求,(5)为所求。

  2.1在用直流电桥测量电阻的时候,若标准电阻Rn=10.0004Ω的电桥已经平衡(则被测电阻Rx=10.0004Ω ),但是由于检流计指针偏转在±0.3mm 以内时,人眼就很难观测出来,因此Rn 的值也可能不是10.0004 Ω,而是Rn=10.0004Ω±ΔRn 。若已知电桥的相对灵敏度Sr=1mm/0.01% ,求对应检流计指针偏转±0.3mm 时,ΔRn ?

  2.2如图F1-1所示电路是电阻应变仪中所用的不平衡电桥的简化电路,图中R2=R3=R 是固定电阻,R1与R4是电阻应变片,工作时R1受拉,R4受压, ΔR 表示应变片发生应变后,ag亚洲集团电阻值的变化量。当应变片不受力,无应变时ΔR=0,桥路处于平衡状态,当应变片受力发

  生应变时,桥路失去了平衡,这时,就用桥路输出电压Ucd 表示应变片应变后的电阻值的变化量。试证明:

  2.5一个量程为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20mm,内径18mm,在其表面粘贴八各应变片,四个沿周向粘贴,应变片的电阻值均为120Ω,灵敏度

  为2.0,波松比为0.3,材料弹性模量E=2.1×1011Pa 。要求: 1) 绘出弹性元件贴片位置及全桥电路; 2) 计算传感器在满量程时,各应变片电阻变化;

  12122 A 为圆桶的截面积,μ为泊桑比,E 为弹性模量,F 为外加负载力,K 为灵敏系数.

  ②方法:自补偿法 线今有一悬臂梁,在其中上部上、下两面各贴两片应变片,组成全桥,如图F1-5所示。

  该梁在其悬臂梁一端受一向下力F=0.5N,试求此时这四个应变片的电阻值。已知:应变片灵敏系数K=2.1;应变片空载电阻R0=120Ω。

  2.11图F1-6所示一受拉的10#优质碳素钢杆。试用允许通过的最大电流为30mA 的康铜丝应

  变片组成一单臂受感电桥。试求出此电桥空载时的最大可能的输出电压(应变片的电阻为

  3.1电感式传感器有哪些种类?它们的工作原理是什么? 答:①种类:自感式、涡流式、差动式、变压式、压磁式、感应同步器 ②原理:自感、互感、涡流、压磁

  答:相敏检测电路原理是通过鉴别相位来辨别位移的方向,即差分变压器输出的调幅波经相敏检波后,便能输出既反映位移大小,又反映位移极性的测量信号。经过相敏检波电路,正位移输出正电压,负位移输出负电压,电压值的大小表明位移的大小,电压的正负表明位移的方向。

  3.4分析电感传感器出现非线性的原因,并说明如何改善? 答:①原因是改变了空气隙长度

  ②改善方法是让初始空气隙距离尽量小,同时灵敏度的非线性也将增加,这样的话最好使用差动式传感器,

  其灵敏度增加非线所示一简单电感式传感器。尺寸已示于图中。磁路取为中心磁路,不记漏磁,

  设铁心及衔铁的相对磁导率为104,空气的相对磁导率为1,线,试计算气隙长度为零及为2mm 时的电感量。图中所注尺寸单位均为mm.

  3.6今有一种电涡流式位移传感器。其输出为频率。特性方程形式为∞++=f e f b

  试求该传感器的工作特性方程及符合度(利用曲线化直线的拟合方法,并用最小二乘法作直线拟合)。 解:设

  答:①压磁效应:某些铁磁物质在外界机械力的作用下,其内部产生机械应力,从而引起磁导率的改变的现象。只有在一定条件下压磁效应才有单位特性,但不是线性关系。

  ②应变效应:导体产生机械变形时,它的电阻值相应发生变化。在电阻丝拉伸比例极限内,电阻的相对变化与应变成正比。

  4.2根据电容传感器的工作原理说明它的分类,电容传感器能够测量哪些物理参量?

  答:原理:由物理学知,两个平行金属极板组成的电容器。如果不考虑其边缘效应,其电容为C=εS/D 式中ε为两个极板间介质的介电常数,S 为两个极板对有效面积,D 为两个极板间的距离。由此式知,改变电容C 的方法有三: 其一为改变介质的介电常数;其二为改变形成电容的有效面积;其三为改变各极板间的距离,而得到的电参数的输出为电容值的增量 这就组成了电容式传感器。

  电容传感器可用来测量直线位移、角位移、振动振幅。尤其适合测温、高频振动振幅、精密轴系回转精度、加速度等机械量。还可用来测量压力、差压力、液位、料面、粮食中的水分含量、非金属材料的涂层、油膜厚度、测量电介质的湿度、密度、厚度等

  4.4总结电容式传感器的优缺点,主要应用场合以及使用中应注意的问题。 答:①优点:a 温度稳定性好

  ②缺点:a 可以实现非接触测量,具有平均效应 b 输出阻抗高、负载能力差 c 寄生电容影响大

  电容传感器作为频响宽、应用广、非接触测量的一种传感器,在位移、压力、厚度、物位、湿度、振动、转速、流量及成分分析的测量等方面得到了广泛的应用。 使用时要注意保护绝缘材料的的绝缘性能;消除和减小边缘效应;消除和减小寄生电容的影响;防止和减小外界的干扰。

  4.7简述电容式传感器用差动脉冲调宽电路的工作原理及特点。 答:工作原理:假设传感器处于初始状态,即

  且A 点为高电平,即Ua=U; 而B 点为低电平,即Ub=0 差分脉冲调宽型电路的特点就在于它的线磁电式传感器与电感式传感器有哪些不同?磁电式传感器主要用于测量哪些物理参数?

  答:磁电式传感器是通过磁电作用将被测量转换为电信号的一种传感器。 电感式传感器是利用线圈自感或互感的变化来测量的一种装置。

  磁电式传感器具有频响宽、动态范围大的特点。而电感式传感器存在交流零位信号,不宜于高频动态信号检测;其响应速度较慢,也不宜做快速动态测量。

  5.2霍尔元件能够测量哪些物理参数?霍尔元件的不等位电势的概念是什么?温度补偿的方法有哪几种?

  答:霍尔组件可测量磁场、电流、位移、压力、振动、转速等。 霍尔组件的不等位电势是霍尔组件在额定控制电流作用下,在无外加磁场时,两输出电极之间的空载电势,可用输出的电压表示。 温度补偿方法: a 分流电阻法:

  6.1什么是压电效应?压电效应有哪些种类?压电传感器的结构和应用特点是什么?能否用压电传感器测量静态压力? 答:某些电介质在沿一定的方向受到外力的作用变形时,由于内部电极化现象同时在两个表面上产生符号相反的电荷,当外力去掉后,恢复到不带电的状态;而当作用力方向改变时,电荷的极性随着改变。晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比。这种现象称为正压电效应。反之,如对晶体施加一定变电场,晶体本身将产生机械变形,外电场撤离,变形也随

  在压电式传感器中,为了提高灵敏度,往往采用多片压电芯片构成一个压电组件。其中最常用的是两片结构;根据两片压电芯片的连接关系,可分为串联和并联连接,常用的是并联连接,可以增大输出电荷,提高灵敏度。

  使用时,两片压电芯片上必须有一定的预紧力,以保证压电组件在工作中始终受到压力作用,同时可消除两片压电芯片因接触不良而引起的非线性误差,保证输出信号与输入作用力间的线性关系,因此需要测量电路具有无限大的输入阻抗。但实际上这是不可能的,所以压电传感器不宜作静态测量,只能在其上加交变力,电荷才能不断得到补充,并给测量电路一定的电流。故压电传感器只能作动态测量。

  答:如作用在压电组件上的力是静态力,则电荷会泄露,无法进行测量。所以压电传感器通常都用来测量动态或瞬态参量。

  答:石英晶体整个晶体是中性的,受外力作用而变形时,没有体积变形压电效应,但它具有良好的厚度变形和长度变形压电效应。压电陶瓷是一种多晶铁电体。原始的压电陶瓷材料并不具有压电性,必须在一定温度下做极化处理,才能使其呈现出压电性。所谓极化,就是以强电场使“电畴”规则排列,而电畴在极化电场除去后基本保持不变,留下了很强的剩余极化。

  当极化后的铁电体受到外力作用时,其剩余极化强度将随之发生变化,从而使一定表面分别产生正负电荷。

  在极化方向上压电效应最明显。铁电体的参数也会随时间发生变化—老化,铁电体老化将使压电效应减弱。

  答:基本考虑点是如何更好的改变传感器的频率特性,以使传感器能用于更广泛的领域。

  引入前置放大器作用:一是放大压电元件的微弱电信号;二是把高阻抗输入变换为低阻抗输出。

  答:当用光照射物体时,物体受到一连串具有能量的光子的轰击,于是物体材料中的电子吸收光子能量而发生相应的电效应(如电阻率变化、发射电子或产生电动势等)。这种现象称为光电效应。

  答:①吸收性损耗:吸收损耗与组成光纤的材料的中子受激和分子共振有关,当光的频率与分子的振动频率接近或相等时,会发生共振,并大量吸收光能量,引起能量损耗。

  ②散射性损耗:是由于材料密度的微观变化、成分起伏,以及在制造过程中产生的结构上的不均匀性或缺陷引起。一部分光就会散射到各个方向去,不能传输到终点,从而造成散

  7.3光导纤维为什么能够导光?光导纤维有哪些优点?光纤式传感器中光纤的主要优点有哪些?

  答:光导纤维工作的基础是光的全内反射,当射入的光线的入射角大于纤维包层间的临界角时,就会在光纤的接口上产生全内反射,并在光纤内部以后的角度反复逐次反射,直至传递到另一端面。

  功能型光纤传感器其光纤不仅作为光传播的波导,而且具有测量的功能。它可以利用外界物理因素改变光纤中光的强度、相位、偏振态或波长,从而对外界因素进行测量和数据传输。

  答:CCD是一种半导体器件,在N型或P型硅衬底上生长一层很薄的SiO2,再在SiO2薄层上依次序沉积金属电极,这种规则排列的MOS电容数组再加上两端的输入及输出二极管就构成了CCD芯片

  CCD可以把光信号转换成电脉冲信号。每一个脉冲只反映一个光敏元的受光情况,脉冲幅度的高低反映该光敏元受光的强弱,输出脉冲的顺序可以反映光敏元的位置,这就起到图像传感器的作用。

  ①铂电阻传感器:特点是精度高、稳定性好、性能可靠。主要作为标准电阻温度计使用,也常被用在工业测量中。此外,还被广泛地应用于温度的基准、标准的传递,是目前测温复现性最好的一种。

  ②铜电阻传感器:价钱较铂金属便宜。在测温范围比较小的情况下,有很好的稳定性。温度系数比较大,电阻值与温度之间接近线性关系。材料容易提纯,价格便宜。不足之处是测量精度较铂电阻稍低、电阻率小。

  ③铁电阻和镍电阻:铁和镍两种金属的电阻温度系数较高、电阻率较大,故可作成体积小、灵敏度高的电阻温度计,其缺点是容易氧化,化学稳定性差,不易提纯,复制性差,而且电阻值与温度的线性关系差。目前应用不多

  8.2什么叫热电动势、接触电动势和温差电动势?说明热电偶测温原理及其工作定律的应用。分析热电偶测温的误差因素,并说明减小误差的方法。

  答:①热电动势:两种不同材料的导体(或半导体)A、B串接成一个闭合回路,并使两个结点处于不同的温度下,那么回路中就会存在热电势。有电流产生相应的热电势称为温差电势或塞贝克电势,通称热电势。

  ②接触电动势:接触电势是由两种不同导体的自由电子,其密度不同而在接触处形成的

  热电势。它的大小取决于两导体的性质及接触点的温度,而与导体的形状和尺寸无关。 ③温差电动势:是在同一根导体中,由于两端温度不同而产生的一种电势。

  ④热电偶测温原理:热电偶的测温原理基于物理的热电效应。所谓热电效应,就是当不同材料的导体组成一个闭合回路时,若两个结点的温度不同,那么在回路中将会产生电动势的现象。

  两点间的温差越大,产生的电动势就越大。引入适当的测量电路测量电动势的大小,就可测得温度的大小。 ⑤热电偶三定律: a 中间导体定律:

  热电偶测温时,若在回路中插入中间导体,只要中间导体两端的温度相同,则对热电偶回路总的热电势不产生影响。在用热电偶测温时,连接导线及显示一起等均可看成中间导体。 b 中间温度定律:

  任何两种均匀材料组成的热电偶,热端为T ,冷端为T 时的热电势等于该热电偶热端为T 冷端为Tn 时的热电势与同一热电偶热端为Tn ,冷端为T0 时热电势的代数和。

  应用:对热电偶冷端不为0度时,可用中间温度定律加以修正。热电偶的长度不够时,可根据中间温度定律选用适当的补偿线路。 c 参考电极定律:

  如果A 、B 两种导体(热电极)分别与第三种导体C (参考电极)组成的热电偶在结点温度为(T ,T0 )时分别为 )

  )()()000,,,T T E T T E T T E BC AC AB -= 实用价值:可大大简化热电偶的选配工作。在实际工作中,只要获得有关热电极与标准铂电极配对的热电势,那么由这两种热电极配对组成热电偶的热电势便可由上式求得,而不需逐个进行测定。

  ⑥误差因素:参考端温度受周围环境的影响 减小误差的措施有: a 0oC 恒温法 b 计算修正法(冷端温度修正法) c 仪表机械零点调整法 d 热电偶补偿法 e 电桥补偿法 f 冷端延长线试比较电阻温度计与热电偶温度计的异同点 答:电阻温度计利用电阻随温度变化的特性来测量温度。热电偶温度计是根据热电效应原理设计而成的。前者将温度转换为电阻值的大小,后者将温度转换为电势大小。 相同点:都是测温传感器,精度及性能都与传感器材料特性有关。

  答:在不平衡电桥中,检流计改称为电流计,其作用而不是检查有无电流而是测量电流的大小。可见,不平衡电桥和平衡电桥的测量原理有原则上的 区别。利用电桥除可精确测量电阻外,还可测量一些非电学量。例如,为了测量温度变化,只需用一种热敏组件把它

  转化为电阻的变化,然后用电桥测量。不平衡电桥往往用于测量非电学量,此外还可用于自动控制和远距离联动机构中。

  答:伏安特性表征热敏电阻在恒温介质下流过的电流I与其上电压降U之间的关系。当电流很小时不足以引起自身发热,阻值保持恒定,电压降与电流间符合欧姆定律。当电流I>

  Is 时,随着电流增加,功耗增大,产生自热,阻值随电流增加而减小,电压降增加速度逐渐减慢,因而出现非线性的正阻区ab。电流增大到Is时,电压降达到最大值Um。此后,电流继续增大时,自热更为强烈,由于热敏电阻的电阻温度系数大,阻值随电流增加而减小的速度大于电压降增加的速度,于是就出现负阻区bc段。

  研究伏安特性,有助于正确选择热敏电阻的工作状态。对于测温、控温和温度补偿,应工作于伏安特性的线性区,这样就可以忽略自热的影响,使电阻值仅取决于被测温度。对于利用热敏电阻的耗散

  原理工作的场合,例如测量风速、流量、真空等,则应工作于伏安特性的负阻区。

  8.7 使用K型热电偶,基准接点为0℃、测量接点为30℃和900℃时,温差电动势分别为1.203mV和37.326mV。当基准接点为30℃,测温接点为900℃时的温差电动势为多少?

  R1=100Ω,R2=200Ω,R3=300Ω时桥路达到平衡。此时温度为多少?假设铂金电阻的温度系数为0.003851℃-1,电阻与温度成线性关系,另外导线的电阻可忽略不计。

  8.9 将一灵敏度为0.08mV/℃的热电偶与电压表相连接,电压表接线mV ,热电偶的热端温度是什么? 解:

  8.10 0℃时的电阻为100Ω的铂热电阻。300℃时的阻值按下面两种方法计算,其结果之差换算成温度差是多少?

  电阻用温度的一次方程表示,RT=R0(1+At+Bt2)式中B=0,A=0.003851℃-1;B=-0.0000059。(此时100℃时的电阻值为138.51Ω)电阻值与温度为二次函数关系。用一次方程近似时,温度误差为多少? 答:

  8.11 某热敏电阻0℃时电阻为30k Ω,若用来测量100℃物体的温度,其电阻为多少?设热敏电阻的系数B 为3450K 。 答:

  答:智能传感器集信息采集,信息的记忆、辨别、存储、处理于一体,是一种将普通传感器与微处理器一体化,兼有检测和信息处理功能的新型传感器,具有一定的自适应能力。

  10.2 SMART 传感器应有哪些主要功能?有哪些优点? 答:①功能分为:

  a 精度高,可通过软件来修正非线性,补偿温度等系统误差,还可补偿随机误差,从而使精度大为提高。

  c 功能广。智能传感器可以有多种形式输出,通过串口、并口、面板数字控制数或CRT 显示,并配打印机保存资料。

  d 功能价格比大。在相同精度条件下,多功能智能传感器比单功能普通传感器性能价格比大。

  ②资料转换:把信息转换成适用于微处理器使用的方式 ③资料分组:按有关信息进行有效的分组

  ④资料组织:整理资料或用其它方法安排资料,以便进行处理和误差修正 ⑤资料计算:进行各种算术和逻辑运算,以便得到进一步的信息 ⑥资料存储:保存原始资料和计算结果,供以后使用

  ②除了中央处理器CPU外,还必须引入输入输出的各种功能要求。故它又可看成一个微处理器小系统,广泛采用键盘、LED显示器、打印、串并口输出等,一起构成了人机对线 传感器静态校准的条件是什么?

  答:条件:没有加速度、振动、冲击(除非这些参数本身就是被测物理量)及环境温度一般为室温(20±5℃)相对湿度不大于85%,大气压力为107Kpa的情况。

  答:对传感器进行标定,是根据试验资料确定传感器的各项性能指针,实际上也是确定传感器的测量精度,所以在标定传感器时,所用的测量仪器的精度至少要比被标定传感器的精度高一个等级。

  答:标定方法:首先是创造一个静态标准条件,其次是选择与被标定传感器的精度要求相适应的一定等级的标定用仪器设备。然后开始对传感器进行静态特性标定。

  当测量误差超过一定限度时,测量工作和测量结果就失去意义,甚至会给工作带来危害。

  答:在一定条件下,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。

  区别与联系:系统误差可通过修正给以消除,随机误差不可消除但总体上服从一定的统计规律

  答:标准误差反映随机误差的分布范围。其数值越大,测量数据的分散范围也越大,所以标准误差ζ可描述测量数据和测量结果的精度,是评价随机误差的重要指标。

  答:当我们对同一物理量进行多次重复测量时,如果误差按照一定的规律性出现,则把这种误差称为系统误差。

  ①工具误差:指由于测量仪表或仪表组成组件本身不完善所引起的误差。 ②方法误差:指由于对测量方法研究不够而引起的误差。 ③定义误差:是由于对被测量的定义不够明确而形成的误差。

  ④理论误差:是由于测量理论本身不够完善而只能进行近似的测量所引起的误差。

  ⑤环境误差:是由于测量仪表工作的环境(温度、气压、湿度等)不是仪表校验时的标准状态,而是随时间在变化,从而引起的误差。

  ⑦个人误差:是指由于测量者本人不良习惯或操作不熟练所引起的误差。 减小系统误差的方法:

  ①引入更正值法:若通过对测量仪表的校准,知道了仪表的更正值,则将测量结果的指示值加上更正值,就可得到被测量的实际值。

  ②替换法:是用可调的标准量具代替被测量接入测量仪表,然后调整标准量具,使测量仪表的指针与被测量接入时相同,则此时的标准量具的数值即等于被测量。 ③差值法:是将标准量与被测量相减,然后测量二者的差值。 ④正负误差相消法:是当测量仪表内部存在着固定方向的误差因素时,可以改变被测量的极性,作两次测量,然后取二者的平均值以消除固定方向的误差因素。 ⑤选择最佳测量方案:是指总误差为最小的测量方案,而多数情况下是指选择合适的函数形式及在函数形式确定之后,选择合适的测量点。

  13.7 检定一只精度为1.0级100mA 的电流表,发现最大误差在50mA 处为1.4mA ,试问这只表是否合格?

  解:检测仪表示值绝对误差δ与仪表量程L 之比值,称之为仪表示值的引用误差,最大引用误差去掉百分号即为仪表精度。显然此仪表的最大引用误差为:

  13.8 被测电压的实际值为10V ,现有150V,0.5级和15V,2.5级两只电压表,选择哪一只表误差较小? 解:

  13.9 用晶体管毫伏表30V 挡,分别测量6V 和20V 电压,已知该挡的满量程误差为±2%,求示值的相对误差。

  13.10 有一测量范围为0至1000kPa 的压力计,由制造厂进行校准时,发现±15kPa 的绝对

  误差,试计算:a)该压力计的引用误差;b)在测量压力中读数为200kPa 时,可能产生的示值相对误差。 解:引用误差:

  13.11 用MF-30型普通万用表的DC.5V 挡及25V 挡分别测量高内阻等效电路(25k Ω与5V 电压源串联)的输出电压。已知DC.V.挡的电压灵敏度20k Ω /V,精度为2.5级,试计算:a)由于仪表本身精度造成的相对误差;b)由于仪表内阻对被测电路的影响引起的相对误差;c)综合最大相对误差;d)分析误差因素的影响。 解:①仪表本身精度造成的相对误差: 5V 档: 5.2%10055%5.2=??V V