测试技术与传感器课后答案.docx
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测试技术与传感器课后答案
测试技术与传感器课后答案
【篇一：
《传感器与检测技术》习题答案--周杏鹏】
t>第一章
1.1
答：
随着我国工业化、信息化步伐加快，现代化建设中的各行各业高效生产对传感器也检测技术的依赖逐步加深。
比如：
先进的传感器技术助力现代化石油钻井平台建设。
为了能够可靠地采集钻井平台钴机塔架上运动部件的终点位置，使用了感应式传感器。
在整个新型钻井中共使用了60个这样的感应式传感器，方形的接近开关对钢质目标的感应距离增大到20mm,满足了近海海上勘探工作环境极为恶劣的所有要求。
1.2
答：
自动检测系统组成框图如下：
对于传感器，一般要求是：
①准确性：
输出信号必须反映其输入量，即被测量的变化。
因此，传感器的输出与输入关系必须是严格的单值函数关系，最好是线性关系。
②稳定性：
传感器的输入、输出的单值函数关系最好不随时间和温度二变化，受外界其他因素的干扰影响亦很小，重复性要好。
③灵敏度：
即被测参量较小的变化就可使传感器获得较大的输出信号。
④其他：
如耐腐蚀性、功耗、输出信号形式、体积、售价等。
1.3
答：
功能：
信号调理：
在检测系统中的作用是对传感器输出的微弱信号进行检波、转换、滤波、放大等，以方便检测系统后续处理或显示。
信号处理：
信号处理时自动检测仪表，检测系统进行数据处理和各种控制的中枢环节，其作用和人类的大脑相类似。
区别：
信号调理作用是把信号规格化，滤除干扰，信号处理则是提取信号中的信息，并对这些信息按照功能要求进行处理。
可以说，信号调理是进行信号处理的基础。
组成：
信号调理：
信号放大、信号滤波、a/d转换
信号处理：
主要是各种信号的嵌入式微控制器、专用高速数据处理器（dsp）等
1.4
答：
分类见表1-1（p8）
1.5
答：
按照被测参量分类，可以分成测量：
电工量、热工量、机械量、物性和成分量、光学量、状态量等。
1.6
答：
1.不断拓展测量范围，提高管检测精度和可靠性
2重视非接触式检测技术研究3检测系统智能化
第二章
2.1
答：
随机误差：
检测仪器或者测量过程中某些未知或无法控制的随机因素（如仪器某些原件器件性能不稳定、外界温度、湿度变化，空中电磁波扰动等）综合作用的结果。
随机误差的变化通常难以预测，因此也无法通过实验的方法确定、修正和消除。
但是通过足够多的测量比较可以发现随机误差服从某种统计规律。
从而进行消除。
系统误差：
产生原因大体有：
测量所用的工具本身性能不完善或者安装、布置、调整不当；在测量过程中的温度湿度、气压、电磁干扰等环境条件发生变化；测量方法不完善、或者测量所依据的理论本身不完善；操作人员视读方式不当等。
系统误差产生的原因和变化规律一般可以通过实验和分析查出，因此系统误差可以设法确定并消除。
粗大误差：
一般由外界重大干扰或者仪器故障或不正确的操作引起。
存在粗大误差的测量值一般容易发现，发现后应当立即剔除。
2.2
答：
工业检测仪器（系统）常以最大引用误差作为判断其准确度等级的尺度，仪表准确度习惯上称精度，准确度等级习惯称为精度等级。
人为规定，取最大引用误差百分数的分子作为检测仪器（系统）精度等级的标志，即用最大引用误差去掉正负号和百分比号后的数字来表
示精度等级。
2.3
答：
20*0.005=0.1（v）
150*0.001=0.15（v）
由计算结果知，表一不仅有更小的绝对误差，并且其量程对于测量5v的电压更合理。
所以选择表一。
2.4
答：
马利科夫准则x=
28.030028.010027.980027.940027.960028.020028.000027.930027.950027.9000
x?
27.972
?
i=
0.05800.03800.0080-0.0320-0.01200.04800.0280-0.0420-0.0220-0.0720d=0.12?
i
所系系统存在线性系统误差阿贝—赫梅特准则a=0.0047
?
2=0.00166
a=0.0047?
2
n?
1=0.0054
系统中不存在周期性系统误差
2.5
①要求|ri?
r0|?
2.8的概率，已知标准差?
=1.5经过标准正态分布变换，|ri?
r0|?
2.8,|?
|?
2.8,|经过查表可知
?
?
02.8
|?
=1.8667≈1.87?
?
?
?
x?
?
?
x
?
?
1
2
?
t2
dt2
在区间概率等p=0.9693*2-1=0.9386②
按照95%的置信区间概率查找标准正太分布表，得到p=0.975（x=1.96），由公式|
r0?
ri
?
|?
x?
1.96得到区间应该为[r0-1.96?
r0+1.96?
]=[505.2960,514.7040]
2.6
未剔除前x?
183，?
?
24.224当a=0.05，kg（n,a）?
2.18
|?
xk|=[23,12,60,9,30,3,20,6,12,5]
kg（n,a）*?
（x）=52.81
根据grubbs准则，将243剔除剔除以后，
x?
176.3，?
?
14.42.7
x?
909.8，?
?
4.045
查找标准正态分布表得到当置信区间p=0.98，x=2.33经过变换得到区间为[909.8-9.4,909.8+9.4]
2.8
答：
测量误差总是客观存在的，但是真值一般是无法准确得到的，因此也就不可能准确的知道测量误差的准确值，由此引出测量不确定度的概念。
2.9
答：
a类不确定度的评定时应用统计的方法，一般对同一被测参量进行n次等精度测量得到。
b类不确定度是在测量次数较少，不能用统计方法计算测量结果的不确定度时。
2.10
x?
18.18，?
?
0.42
ua?
?
（x）?
（x）=1/3*0.42=0.14（cm）uc?
选取置信率为p=0.95，k=1.65则u=k*uc=0.28（cm）该工件结果为
x=18.2?
0.3（cm）（p=0.95）
【篇二：
传感器与检测技术课后题答案】
什么是传感器？
传感器定义为能够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和装置，通常由敏感元件和转换元件组成。
1.2传感器的共性是什么？
传感器的共性就是利用物理规律或物质的物理、化学、生物特性，将非电量（如位移、速度、加速度、力等）输入转换成电量（电压、电流、电容、电阻等）输出。
1.3传感器由哪几部分组成的？
由敏感元件和转换元件组成基本组成部分，另外还有信号调理电路和辅助电源电路。
1.4传感器如何进行分类？
（1）按传感器的输入量分类，分为位移传感器、速度传感器、温度传感器、湿度传感器、压力传感器等。
（2）按传感器的输出量进行分类，分为模拟式和数字式传感器两类。
（3）按传感器工作原理分类，可以分为电阻式传感器、电容式传感器、电感式传感器、压电式传感器、磁敏式传感器、热电式传感器、光电式传感器等。
（4）按传感器的基本效应分类，可分为物理传感器、化学传感器、生物传感器。
（5）按传感器的能量关系进行分类，分为能量变换型和能量控制型传感器。
（6）按传感器所蕴含的技术特征进行分类，可分为普通型和新型传感器。
1.5传感器技术的发展趋势有哪些？
（1）开展基础理论研究
（2）传感器的集成化（3）传感器的智能化（4）传感器的网络化（5）传感器的微型化
1.6改善传感器性能的技术途径有哪些？
（1）差动技术
（2）平均技术（3）补偿与修正技术（4）屏蔽、隔离与干扰抑制（5）稳定性处理
第2章传感器的基本特性
2.1什么是传感器的静态特性？
描述传感器静态特性的主要指标有哪些？
答：
传感器的静态特性是指在被测量的各个值处于稳定状态时，输出量和输入量之间的关系。
主要的性能指标主要有线性度、灵敏度、迟滞、重复性、精度、分辨率、零点漂移、温度漂移。
2.2传感器输入-输出特性的线性化有什么意义？
如何实现其线性化？
答：
传感器的线性化有助于简化传感器的理论分析、数据处理、制作标定和测试。
常用的线性化方法是：
切线或割线拟合，过零旋转拟合，端点平移来近似，多数情况下用最小二乘法来求出拟合直线。
2.3利用压力传感器所得测试数据如下表所示，计算其非线性误差、迟滞和重复性误差。
设压力为0mpa时输出为0mv,压力为0.12mpa时输出最大且为16.50mv.非线性误差略
正反行程最大偏差?
hmax?
0.1mv，所以?
h?
?
?
hmaxyfs
?
?
100%?
?
0.116.50
%?
?
0.6%
重复性最大偏差为?
rmax?
0.08，所以?
r?
?
?
rmaxyfs
0.0816.5
100%?
?
0.48%
2.4什么是传感器的动态特性？
如何分析传感器的动态特性？
传感器的动态特性是指传感器对动态激励（输入）的响应（输出）特性，即输出对随时间变化的输入量的响应特性。
传感器的动态特性可以从时域和频域两个方面分别采用瞬态响应法和频率响应法来分析。
瞬态响应常采用阶跃信号作为输入，频率响应常采用正弦函数作为输入。
2.5描述传感器动态特性的主要指标有哪些？
零阶系统常采用灵敏度k，一阶系统常采用时间常数?
、灵敏度k，二阶系统常采用固有频率?
0、阻尼比?
、灵敏度k来描述。
2.6试解释线性时不变系统的叠加性和频率保持特性的含义及其意义。
当检测系统的输入信号是由多个信号叠加而成的复杂信号时，根据叠加性可以把复杂信号的作用看成若干简单信号的单独作用之和，从而简化问题。
如果已知线性系统的输入频率，根据频率保持特性，可确定该系统输出信号中只有与输入信号同频率的成分才可能是该输入信号引起的输出，其他频率成分都是噪声干扰，可以采用相应的滤波技术。
2.7用某一阶传感器测量100hz的正弦信号，如要求幅值误差限制在?
5%以内，时间常数应取多少？
如果用该传感器测量50hz的正弦信号，其幅值误差和相位误差各为多少？
解：
一阶传感器频率响应特性：
h（j?
）?
1
?
（j?
）?
1
1
，幅频特性：
a（?
）?
1?
（?
?
）
2
由题意有a（j?
）?
5%，即
2?
t
?
（?
?
）
?
5%
又?
?
?
2?
f?
200?
，所以0?
?
?
0.523ms，取?
?
0.523ms
幅值误差：
?
a（?
）?
（1/?
（?
?
））?
1
1
2
?
100%?
?
1.32%
相位误差：
?
?
（?
）?
?
arctan（?
?
）?
?
9.302.8某温度传感器为时间常数?
?
3s的一阶系统，当传感器受突变温度作用后，试求传感器温差的三分之一和二分之一所需的时间。
温差为二分之一时，t=2.08s
温差为三分之一时，t=1.22s
2.9玻璃水银温度计通过玻璃温包将热量传给水银，可用一阶微分方程来表示。
现已知某玻璃水银温度计特性的微分方程是2
dydt
?
2y?
2?
10
?
3
x，y代表水银柱高（m），x代表输入
温度（℃）。
求该温度计的时间常数及灵敏度。
?
=1s;k?
1?
10?
3
2.10某传感器为一阶系统，当受阶跃函数作用时，在t=0时，输出为10mv，在t=5s时，
输出为50mv；在t?
?
时，输出为100mv。
试求该传感器的时间常数。
?
=8.5s
2.11某一质量-弹簧-阻尼系统在阶跃输入激励下，出现的超调量大约是最终稳态值的40%。
如果从阶跃输入开始至超调量出现所需的时间为0.8s，试估算阻尼比和固有角频率的大小。
2.12在某二阶传感器的频率特性测试中发现，谐振发生在频率216hz处，并得到最大的幅
值比为1.4，试估算该传感器的阻尼比和固有角频率的大小。
解：
二阶系统a（?
）?
{[1?
（
?
?
n
）]?
4?
（
22
?
?
n
）}
2
?
12
当?
?
?
n时共振，则a（?
）max?
12?
?
1.4,?
?
0.36
所以：
?
?
?
n?
2?
f?
2?
?
216?
1357rad/s
2.13设一力传感器可简化为典型的质量-弹簧-阻尼二阶系统，已知该传感器的固有频率
f0?
1000hz，若其阻尼比为0.7，试问用它测量频率为600hz、400hz的正弦交变力时，
其输出与输入幅值比a（?
）和相位差?
（?
）各为多少？
第三章思考题和习题
3.1应变电阻式传感器的工作原理是什么？
电阻应变式传感器的工作原理是基于应变效应的。
当被测物理量作用在弹性元件上，弹性元件在力、力矩或压力等作用下发生形变，变换成相应的应变或位移，然后传递给与之相连的应变片，将引起应变敏感元件的电阻值发生变化，通过转换电路变成电量输出。
输出的电量大小反映了被测物理量的大小。
3.2电阻应变片的种类有哪些？
各有何特点？
按组成材料有金属和半导体之分，金属应变片受力时，主要是基于应变效应，是引起应变片的外形变化进而引起电阻值变化，而半导体应变片时基于压阻效应工作的，当受力时，引起应变片的电阻率变化进而引起电阻值变化。
按结构形式有丝式和箔式之分。
丝式是应变金属丝弯曲成栅式结构，工艺简单，价钱便宜。
箔式是采用光刻和腐蚀等工艺制成的，工艺复杂，精度高，价钱较贵。
3.3引起电阻应变片温度误差的原因是什么？
电阻应变片的温度补偿方法是什么？
一是电阻温度系数，二是线膨胀系数不同。
单丝自补偿应变片，双丝组合式自补偿应变片，补偿电路3.4试分析差动测量电路在应变式传感器中的好处。
灵敏度提高一倍，非线性得到改善。
3.5如果将100?
应变片粘贴在弹性元件上，试件截面积s?
0.5?
10
e?
2?
10
11
2
4
?
4
m，弹性模量
2
n/m，若5?
10n的拉力引起应变计电阻变化为1?
，求该应变片的灵敏度
系数。
解：
k?
fa
?
rr
/?
，已知?
r?
1?
，所以
3?
4
?
rr
2
?
1100
?
?
?
50?
100.5?
10
n/m
2
?
1?
10n/m，
9
由?
?
e?
得?
?
?
e
?
1?
102?
10
911
?
5?
10
?
3
，
所以k?
?
2?
3
?
5?
10
3.6一个量程为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，在其表面粘贴八个应变片，四个沿轴向粘贴，四个沿周向粘贴，应变片的电阻
?
?
r/r1/100
值均为120?
，灵敏度为2.0，泊松比为0.3，材料弹性模量为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。
（3）当桥路的供电电压为10v时，计算传感器的输出电压。
解：
（2）a?
?
（r2?
r2）?
59.7?
10?
6m2
?
r1?
?
r2?
?
r3?
?
r4?
k
fae
r?
0.191?
?
r5?
?
r6?
?
r7?
?
r8?
?
?
?
r1?
?
0.0573?
（3）u0?
1mv
3.7图3.5中，设负载电阻为无穷大（开路），图中，e=4v
解：
（1）u0?
e[
r1?
?
r1（r1?
?
r1）?
r2
r1?
?
r1
（r1?
?
r1）?
（r2?
?
r2）
?
r3r3?
r4
?
]?
4?
（
101201
?
12
）v?
0.01v
（2）u0?
e[
r3r3?
r4
]?
4?
（
101201
?
12
）v?
0v
（3）当r1受拉应变，r2受压应变时，
u0?
e[
r1?
?
r1
（r1?
?
r1）?
（r2?
?
r2）
?
r3r3?
r4
]?
4?
（
101200
?
12
）v?
0.02v
当r1受压应变，r2受拉应变时，u0?
e[
r1?
?
r1
（r1?
?
r1）?
（r2?
?
r2）
?
r3r3?
r4
]?
4?
（
99200
?
12
）v?
?
0.02v
3.8图3-11中，设电阻应变片r1的灵敏度系数k?
2.05，未受应变时，r1?
120?
。
当试件受力为f时，应变片承受平均应变?
?
800?
m/m，试求：
（1）应变片的电阻变化量?
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，求电桥输出电压及其非线性误差。
（3）如果要减小非线性误差，应采取何种措施？
分析其电桥输出电压及非线性误差的大小。
解：
（1）?
r1/r1?
k?
?
2.05?
800?
10?
6?
1.64?
10?
3
?
r1?
k?
?
r1?
1.64?
10
?
3
?
120?
0.197?
（2）u0?
e4
?
?
r1r1
?
?
34
?
1.64?
10
?
3
?
1.23mv
?
l?
?
r1/r12?
?
r1/r1
1.64?
10
?
3?
3
2?
1.64?
10
?
0.08%
（3）若要减小非线性误差，一是要提高桥臂比，二是要采用差动电桥。
第4章
4.1根据工作原理的不同，电感式传感器可分为哪些种类？
可分为变磁阻式（自感式）、变压器式和涡流式（互感式）
4.2试分析变气隙厚度变磁阻式电感式传感器的工作原理。
当被测位移变化时，衔铁移动，气隙厚度发生变化，引起磁路中磁阻变化，从而导致线圈的电感值变化。
通过测量电感量的变化就能确定衔铁位移量的大小和方向。
2
4.3已知变气隙厚度电感式传感器的铁芯截面积s?
1.5cm，磁路长度l?
20cm，相对磁
?
7
导率?
r?
5000，气隙?
0?
0.5cm，?
?
?
?
0.1mm，真空磁导率?
0?
4?
?
10h/m，
线圈匝数w?
3000，求单线圈式传感器的灵敏度?
l/?
?
。
若将其做成差动结构，灵敏度如何变化？
解：
?
l?
l0
?
?
k?
?
l?
?
?
0
【篇三：
传感器与检测技术课后答案】
1．什么是传感器？
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。
2．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。
3．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？
各种参数代表什么意义？
动态参数有那些？
应如何选择？
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、灵敏度，迟滞和重复性等。
1）传感器的线性度是指传感器的输出与输入之间数量关系的线性程度；
3）传感器的迟滞是指传感器在正（输入量增大）反（输入量减小）行程期间其输出-输入特性曲线不重合的现象；
4）传感器的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。
5）传感器的漂移是指在外界的干扰下，输出量发生与输入量无关的、不需要的变化。
漂移包括零点漂移和灵敏度漂移等。
传感器的动态特性是指其输出对随时间变化的输入量的响应特性：
频率响应、时间常数、固有频率和阻尼比等。
4．某位移传感器，在输入量变化5mm时，输出电压变化为300mv，求其灵敏度。
?
u300?
10?
3
解：
其灵敏度k?
?
?
60?
x5?
10?
3
第三章习题答案
1．为什么电感式传感器一般都采用差动形式?
解：
差动式结构，除了可以改善非线性，提高灵敏度外，对电源电压、频率的波动及温度变化等外界影响也有补偿作用；作用在衔铁上的电磁力，是两个线圈磁力之差，所以对电磁力有一定的补偿作用，从而提高了测量的准确性。
2.交流电桥的平衡条件是什么？
解：
由交流电路分析可得?
u（z1z4?
z2z3）要满足电桥平衡条件，即uo?
0，则有：
uo?
（z1?
z2）（z3?
z4）?
?
z1z4?
z2z3
3．涡流的形成范围和渗透深度与哪些因素有关?
被测体对涡流传感器的灵敏度有何影响?
解：
电涡流的径向形成范围大约在传感器线圈外径的1.8～2.5倍范围内，且分布不均匀。
涡流贯穿深度h?
k?
/（?
f），定义在涡流密度最大值的jm/e处。
被测体的平面不应小于传感器线圈外d的2倍，厚度大于2倍贯穿度h时，传感器灵敏度几乎不受影响。
4．涡流式传感器的主要优点是什么?
解：
电涡流式传感器最大的特点是能对位移、厚度、表面温度、速度、应力、材料损伤等进行非接触式连续测量，另外还具有体积小，灵敏度高，频率响应宽等特点，应用极其广泛。
5．电涡流传感器除了能测量位移外，还能测量哪些非电量？
解：
还可以对厚度、表面温度、速度、应力、材料损伤等进行非接触式连续测量。
第四章习题答案
1．某电容传感器（平行极板电容器）的圆形极板半径r?
4（mm），工作初始极板间距离?
0?
0.3（mm），介质为空气。
问：
（1）如果极板间距离变化量?
?
?
?
1（?
m），电容的变化量?
c是多少？
（2）如果测量电路的灵敏度k1?
100（mvpf），读数仪表的灵敏度k2?
5（格／mv）在?
?
?
?
1（?
m）时，读数仪表的变化量为多少？
解：
（1）根据公式?
c?
?
s
d?
?
d?
?
s
d?
?
s?
d2，其中s=?
rdd?
?
d?
k?
?
1
（2）根据公式1?
k2?
?
k1?
?
?
10
0?
1?
10?
3?
0.02，可得到?
?
1?
=k25
2．寄生电容与电容传感器相关联影响传感器的灵敏度，它的变化为虚假信号影响传感器的精度。
试阐述消除和减小寄生电容影响的几种方法和原理。
解：
电容式传感器内极板与其周围导体构成的“寄生电容”却较大，不仅降低了传感器的灵敏度，而且这些电容（如电缆电容）常常是随机变化的，将使仪器工作很不稳定，影响测量精度。
因此对电缆的选择、安装、接法都有要求。
若考虑电容传感器在高温、高湿及高频激励的条件下工作而不可忽视其附加损耗和电效应影响时，其等效电路如图4-8所示。
图中l包括引线电缆电感和电容式传感器本身的电感；c0为传感器本身的电容；cp为引线电缆、所接测量电路及极板与外界所形成的总寄生电容，克服其影响，是提高电容传感器实用性能的关键之一；rg为低频损耗并联电阻，它包含极板间漏电和介质损耗；rs为高湿、高温
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