《传感器原理与传感器技术》课后答案.docx

1、传感器原理与传感器技术课后答案第1章 传感器与检测技术基础思考题答案I.检测系统由哪几部分组成？说明各部分的作用。答：一个完整的检测系统或检测装置通常是由传感器、 测量电路和显示记录装置等几部分组成，分别完成信息获取、转换、显示 和处理等功能。当然其中还包括电源和传输通道等不可缺少的部 分。下图给出了检测系统的组成框图。检测系统的组成框图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， 因为检测系统的其它环节无法添加新的检测信息并且不易消除传 感器所引入的误差。测量电路的作用

2、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。通常传感器输出信号是微弱的， 就需要由测量电 路加以放大，以满足显示记录装置的要求。 根据需要测量电路还 能进行阻抗匹配、微分、积分、线性化补偿等信号处理工作。显示记录装置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。2 什么是传感器？它由哪几个部分组成？分别起到什么作用？解：传感器是一种以一定的精确度把被测量转换为与之有确定对应关系的、 便于应用的某种物理量的测量装置，能完成检测任务；传感器由敏感元件，转换元件，转换电路组成。敏感 元件是直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的物理量； 转换元件把敏

3、感元件的输出作为它的输入，转换成电路参量；上述电路参数接入基本转换电路，便可转换成电量输出。3传感器技术的发展动向表现在哪几个方面？解：(1)开发新的敏感、传感材料：在发现力、热、光、磁、气体等物理量都会使半导体硅 材料的性能改变，从而制成力敏、热敏、光敏、磁敏和气敏等敏感元件后，寻找发现具有新 原理、新效应的敏感元件和传感元件。(2)开发研制新型传感器及组成新型测试系统1MEMS技术要求研制微型传感器。如用于微型侦察机的 CCD传感器、用于管道爬壁机器人的力敏、视觉传感器。2研制仿生传感器3研制海洋探测用传感器4研制成分分析用传感器5研制微弱信号检测传感器(3)研究新一代的智能化传感器及测试

4、系统：如电子血压计，智能水、电、煤气、热量表。它们的特点是传感器与微型计算机有机结合， 构成智能传感器。系统功能最大程度地用软件实现。(4) 传感器发展集成化： 固体功能材料的进一步开发和集成技术的不断发展， 为传感器 集成化开辟了广阔的前景。(5) 多功能与多参数传感器的研究： 如同时检测压力、温度和液位的传感器已逐步走向 市场。4 传感器的性能参数反映了传感器的什么关系？静态参数有哪些？解：在生产过程和科学实验中， 要对各种各样的参数进行检测和控制， 就要求传感器能感受被测非电量的变化并将其不失真地变换成相应的电量， 这取决于传感器的基本特性，即输出输入特性。衡量静态特性的重要指标是线性度

5、、 灵敏度，迟滞和重复性等。5.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。U 300 10“解：其灵敏度k = 60X 506.某线性位移测量仪，当被测位移由 4.5mm变到50mm时，位移测量仪的输出电压由3.5V减至2.5V，求该仪器的灵敏度。解：该仪器的灵敏度为s = 2.5 _3.5 = _2 mV/mm5.0 - 4.57.0.45 QC0.02W Q100（放大倍数）0.2cm/V某测温系统由以下四个环节组成，各自的灵敏度如下铂电阻温度传感器:电桥：放大器：笔式记录仪： 求：(1)测温系统的总灵敏度；(2)记录仪笔尖位移4cm时，所对应的温度

6、变化值。解：(1)测温系统的总灵敏度为S=0.45 0.02 100 0.2 =0.18 cm/ C(2)记录仪笔尖位移4cm时，所对应的温度变化值为t 4 22.22 C0.188.有三台测温仪表，量程均为0800C，精度等级分别为2.5级、2.0级和1.5级，现要测量500 C的温度，要求相对误差不超过2.5，选那台仪表合理 ?解：2.5级时的最大绝对误差值为 20C,测量500C时的相对误 差为4%; 2.0级时的最大绝对误差值为 16C,测量500C时的 相对误差为3.2%; 1.5级时的最大绝对误差值为12C,测量500 C时的相对误差为2.4%。因此，应该选用1.5级的测温仪器。9

7、.什么是系统误差和随机误差 ?正确度和精密度的含义是什么 ? 它们各反映何种误差 ? 答：系统误差是指在相同的条件下，多次重复测量同一量时，误 差的大小和符号保持不变， 或按照一定的规律变化的误差。 随机 误差则是指在相同条件下， 多次测量同一量时， 其误差的大小和 符号以不可预见的方式变化的误差。 正确度是指测量结果与理论 真值的一致程度， 它反映了系统误差的大小， 精密度是指测量结 果的分散程度，它反映了随机误差的大小。10.试分析电压输出型直流电桥的输入与输出关系。答：如图所示，电桥各臂的电阻分别为 R1、 R2、R3、R4。 U为电桥的直流电源电压。 当四臂电阻 R1=R2=R3=R4

8、=R 时，称为等 臂电桥；当R = R2=R,R3=R4=R ( RM R)时，称为输出对称电桥； 当R1 = R4=R , R2 = R3 =R(RMR)时，称为电源对称电桥。直流电桥电路当电桥输出端接有放大器时，由于放大器的输入阻抗很高，所以可以认为电桥的负载电阻为无穷大， 这时电桥以电压的形式输出。输出电压即为电桥输出端的开路电压，其表达式为R1 R3 _ R2 R4 3Uo 3 U(Ri + R2XR3 + R4)(1)设电桥为单臂工作状态，即 Ri为应变片，其余桥臂均为固定 电阻。当Ri感受被测量产生电阻增量 ARi时，由初始平衡条件RiR3=R2R4得乞=电，代入式(i),则电桥由

9、于 ARi产生不平衡&引起的输出电压为R2R2 RiUR-i R2U 0 2(R +R2)2对于输出对称电桥，此时 Ri = R2=R,R3=R4=R ,当Ri臂的电阻 产生变化ARi = AR,根据(2)可得到输出电压为(3)(Ri R2)2( Ri)Uo 二U (当(空)(R R) R 4 R对于电源对称电桥，Ri=R4= R,R2= R3= R量ARi = AR时，由式(2)得Uoi- (塑)(R + R)2 R当Ri臂产生电阻增对于等臂电桥Ri=R2=R3=R4=R,当Ri的电阻增量 ARi = AR时， 由式(2)可得输出电压为RR AR U 也 RUo 二U =U()(R R) R

10、 4 R(5)由上面三种结果可以看出，当桥臂应变片的电阻发生变化时， 电桥的输出电压也随着变化。当 ARvvR时，电桥的输出电压与应变成线性关系。还可以看出在桥臂电阻产生相同变化的情况 下，等臂电桥以及输出对称电桥的输出电压要比电源对称电桥的输出电压大，即它们的灵敏度要高。因此在使用中多采用等臂电 桥或输出对称电桥。在实际使用中为了进一步提高灵敏度，常采用等臂电桥，四 个被测信号接成两个差动对称的全桥工作形式， Ri=R + AR,R2=R- AR,R3=R+AR,R4=R- ar,将上述条件代入式 得 迥 （6）0 4 I R丿I R丿 ）由式看出，由于充分利用了双差动作用，它的输出电压为

11、单臂工作时的4倍，所以大大提高了测量的灵敏度。11. 用测量范围为-50150KPa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： 厶=X -L =142-140=2A 2相对误差、，一 100% = 100% =1.4285%L 140标称相对误差即 二二100%=-? 100% =1.4084%x 142引用误差测量范围上限-测量范围下限2 2100% = 100% =1%150-(-50) 200第2章 电阻式传感器思考题答案1.金属电阻应变片与半导体材料的电阻应变效应有什么不同 答：金属电阻的

12、应变效应主要是由于其几何形状的变化而产生 的，半导体材料的应变效应则主要取决于材料的电阻率随应变所 引起的变化产生的。2.直流测量电桥和交流测量电桥有什么区别 ？答：它们的区别主要是直流电桥用直流电源， 只适用于直流元件，交流电桥用交流电源，适用于所有电路元件。3.热电阻测量时采用何种测量电路 ？为什么要采用这种测量电路 ？ 说明这种电路的工作原理。答：通常采用电桥电路作为测量电路。 为了克服环境温度的影响常采用下图所示的三导线四分之一电桥电路。由于采用这种电路，热电阻的两根引线的电阻值被分配在两个相邻的桥臂中， 女口果R；二R；，则由于环境温度变化引起的引线电阻值变化造成的误 差被相互抵消。

13、4.采用阻值为120Q灵敏度系数K=2.0的金属电阻应变片和阻值为120Q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1 000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。Uo所以应变为Uo =壮=4 2忻=2 10/V , 应变为 1000 时应为4 4U0=K =4 2 10 =2 10/V ；双臂时U。=上匕，所以应变为 14 4 2时u0二住二4 2倍=4 10/V , 应变为 1000时应为2 2U。二耳=4 2 10 =4 10/V ；全桥时U。=KU，所以应变为 12 2时U。=8 10/V，应变为1000时应为

14、u=8 10/V。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。5.采用阻值R=120Q灵敏度系数K=2.0的金属电阻应变片与阻值R=120Q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：得n要小于2,故应采用全桥工作方式。6.如图所示为一直流电桥，供电电源电动势 E =3V , Rs=R4=100Q , R1和R2为同型号的电阻应变片，其电阻均为 50Q，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

15、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解：此电桥为输出对称电桥，故号二匕旳讪 7.光敏电阻有哪些重要特性，在工业应用中是如何发挥这些特性的？答：光敏电阻是采用半导体材料制作， 利用内光电效应工作的光电元件。它的重要特性是在无光照时阻值非常大，相当于断路， 有光照时阻值变得很小， 相当于通路。在工业应用中主要就是通 过光的变化来各种电路的控制。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？解：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

16、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.如系题图1-1所示为等强度梁测力系统，Ri为电阻应变片，应变片灵敏度系 数k =2.05，未受应变时Ri =120, |，当试件受力F时，应变片承受平均应变3V，求电桥(1)应变片电阻变化量 R1和电阻相对变化量.迟/R。(2)将电阻应变片置于单臂测量电桥，电桥电源电压为直流输出电压是多少。E R1R4(R R1 R2HR

17、 R4)-E旦二區，则上式可写为:R2 R4设桥臂比n=R_，分母中卞/R可忽略，并考虑到平衡条件Uo 一(1 .门)2 R1=3 、1.64 10“(1 n)2o n= 4.92 10 -10.单臂电桥存在非线性误差，试说明解决方法。解：为了减小和克服非线性误差， 常采用差动电桥在试件上安装两个工作应变片， 一个受拉应变，一个受压应变，接入电桥相邻桥臂， 称为半桥差动电路， 由教材中的式（2-42）可知, Uo与厶Ri/Ri呈线性关系，差动电桥无非线性误差，而且电桥电压灵敏度 Kv=E/2，比单臂工作时提高一倍，同时还具有温度补偿作用。第3章 电容式传感器思考题答案1.试分析变面积式电容传感

18、器和变间隙式电容的灵敏度 ？为了提高传感器的灵敏度可采取什么措施并应注意什么问题 ？答：如图所示是一直线位移型电容式传感器的示意图。当动极板移动 x后，覆盖面积就发生变化，电容量也随之改 变，其值为(1)C= b (a- x) /d=Co- b x/d电容因位移而产生的变化量为C = C Co b x=Co立d a其灵敏度为可见增加b或减小d均可提高传感器的灵敏度。直线位移型电容式传感器2.为什么说变间隙型电容传感器特性是非线性的 ？采取什么措施可改善其非线性特征？答：下图为变间隙式电容传感器的原理图。图中 1为固定极板，2为与被测对象相连的活动极板。当活动极板因被测参数的改变而引起移动时，两

19、极板间的距离d发生变化，从而改变了两极板 之间的电容量Co. I+ Xv1 -固定极板 2- 活动极板设极板面积为A,其静态电容量为c=A，当活动极板移动xd后，其电容量为1 + x C=dCo d2dJ(1)当x t。）。在导体 内部，热端的自由电子具有较大的动能，向冷端移动，从而使热 端失去电子带正电荷，冷端得到电子带负电荷。这样，导体两端 便产生了一个由热端指向冷端的静电场。 该电场阻止电子从热端 继续跑到冷端并使电子反方向移动，最后也达到了动态平衡状 态。这样，导体两端便产生了电位差，我们将该电位差称为温差 电动势。3简述热电偶的几个重要定律，并分别说明它们的实用价值。 答：一是匀质导

20、体定律： 如果热电偶回路中的两个热电极材料相 同，无论两接点的温度如何，热电动势为零。根据这个定律，可 以检验两个热电极材料成分是否相同， 也可以检查热电极材料的 均匀性。二是中间导体定律： 在热电偶回路中接入第三种导体， 只要 第三种导体的两接点温度相同， 则回路中总的热电动势不变。 它 使我们可以方便地在回路中直接接入各种类型的显示仪表或调 节器，也可以将热电偶的两端不焊接而直接插入液态金属中或直 接焊在金属表面进行温度测量。三是标准电极定律： 如果两种导体分别与第三种导体组成的 热电偶所产生的热电动势已知， 则由这两种导体组成的热电偶所 产生的热电动势也就已知。 只要测得各种金属与纯铂组

21、成的热电 偶的热电动势， 则各种金属之间相互组合而成的热电偶的热电动 势可直接计算出来。四是中间温度定律：热电偶在两接点温度 t、 t0 时的热电动势等于该热电偶在接点温度为 t、tn和如、to时的相应热电动势的 代数和。中间温度定律为补偿导线的使用提供了理论依据。4试述热电偶冷端温度补偿的几种主要方法和补偿原理。 答：热电偶冷端温度补偿的方法主要有：一是冷端恒温法。这种 方法将热电偶的冷端放在恒温场合，有 0 C恒温器和其他恒温器两种；二是补偿导线法。将热电偶的冷端延伸到温度恒定的场所(如仪表室)，其实质是相当于将热电极延长。 根据中间温度定律，只要热电偶和补偿导线的二个接点温度一致， 是不

22、会影响热电动势输出的；三是计算修正法。修正公式为： EAB(t, to) = EAB(t,ti) Eab (tl,to)；四是电桥补偿法。利用不平衡电桥产 生的电动势补偿热电偶因冷端波动引起的热电动势的变化。5. 用镍铬-镍硅(K)热电偶测量温度，已知冷端温度为 40C，用 高精度毫伏表测得这时的热电动势为 29.188mV，求被测点的温 度。解：由镍铬-镍硅热电偶分度表查出 E(40, 0)=1.638mV，根据式(5-2-1)计算出E(t,O) =(29.188 1.638)mV = 30.826mV再通过分度表查出其对应的实际温度为二 7oo+(30.826-29.129)。00 = 740.9 C33.275-29.1296. 已知铂铑io-铂(S)热电偶的冷端温度to= 25C,现测得热电动 势E(t, to)= 11.712mV，求热端温度是多少度?解：由铂铑10-铂热电偶分度表查出 E(25, 0)=