傳感器技術(shù)習(xí)題解答

1、傳感器技術(shù)習(xí)題解答作者：黃小勝 第一章 傳感器的一般特性 1.1答傳感器在被測(cè)量的各個(gè)值處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，輸出量和輸入量之間的關(guān)系稱為傳感器的靜態(tài)特性。其主要指標(biāo)有線性度、靈敏度、精確度、最小檢測(cè)量和分辨力、遲滯、重復(fù)性、零點(diǎn)漂移、溫漂。 1.2答：1動(dòng)態(tài)特性是指?jìng)鞲衅鲗?duì)隨時(shí)間變化的輸入量的響應(yīng)特性 2 描述動(dòng)態(tài)特性的指標(biāo)對(duì)一階傳感器：時(shí)間常數(shù) 對(duì)二階傳感器：固有頻率、阻尼比。1.3答傳感器的精度等級(jí)是允許的最大絕對(duì)誤差相對(duì)于其測(cè)量范圍的百分?jǐn)?shù)，即A=A/YFS*100% 1.4答：1）傳感器標(biāo)定曲線與擬合直線的最大偏差與滿量程輸出值的百分比叫傳感器的線性度。2）擬合直線的常用求法有：切線法、端

2、基法和最小二乘法。 1.5答由一階傳感器頻率傳遞函數(shù)w(jw)=K/(1+jt),確定輸出信號(hào)失真、測(cè)量結(jié)果在所要求精度的工作段,即由B/A=K/(1+()2)1/2,從而確定,進(jìn)而求出f=/(2). 1-6答：若某傳感器的位移特性曲線方程為y1=a0+a1x+a2x2+a3x3+. 讓另一傳感器感受相反方向的位移，其特性曲線方程為y2=a0+a1x+a2x2+a3x3則y=y1-y2=2(a1x+a3x3+ a5x5),這種方法稱為差動(dòng)測(cè)量法。其特點(diǎn)：輸出信號(hào)中沒有偶次項(xiàng)、 從而使線性范圍增大、 減小了非線性誤差、靈敏度也提高了一倍、也消除了零點(diǎn)誤差。 1-7解：YFS=200-0=200

3、由A=A/YFS*100%有 A=4/200*100%=2%；精度特級(jí)為2.5級(jí)。 1-8解根據(jù)精度定義表達(dá)式A=A/AyFS*100%,由題意可知A=1.5%YFS=100 所以 A=1.5 因?yàn)?1.4 R的情況下，橋路輸出電壓與應(yīng)變成線性關(guān)系；第一對(duì)稱電橋（鄰臂電阻相等）的輸出電壓等同于等臂電橋；第二對(duì)稱電橋（對(duì)臂電阻相等）的輸出電壓的大小和靈敏度取決于鄰臂電阻的比值，當(dāng)k小于1時(shí)，輸出電壓、線性度均優(yōu)于等臂電橋和第一對(duì)稱電橋。 2-17答：壓阻式傳感器電橋恒壓供電可以實(shí)現(xiàn)靈敏度溫度補(bǔ)償，而恒流供電可以實(shí)現(xiàn)零點(diǎn)溫度補(bǔ)償。2-7解已知R=120K=2.05 =800m/m 由*K=R/R=

4、800*2.05*10-6=1.64*10-3 R=1.64*10-3*120=0.1968U=EK/4=3*1.64*10-3/4=1.23*10-3 (v) 第3章 電容式傳感器習(xí)題 變面積型電容傳感器與變極距型傳感器相比，其靈敏度較低。變介質(zhì)型電容器傳感器可以測(cè)紙張、絕緣薄膜厚度也可以測(cè)非導(dǎo)電固體物質(zhì)的濕度。電容式傳感器的測(cè)量電路：1.變壓器電橋（用于變間隙式，使其輸出電壓與輸入有線性關(guān)系）；2.雙T二極管交流電橋電路（適用于各種電容式傳感器，非線性失真小，輸出電壓較高，線路簡(jiǎn)單）；3.差動(dòng)脈沖寬度調(diào)制電路（用于差動(dòng)變極距型、差動(dòng)變面積型，使其輸出電壓與輸入有線性關(guān)系）；4.運(yùn)算放大器電

5、路（能夠克服變間隙電容式傳感器的非線性而使其輸出電壓與輸入有線性關(guān)系）；5.調(diào)頻電路（優(yōu)點(diǎn)：靈敏度高、抗干擾能力強(qiáng)。缺點(diǎn)：受溫度影響大。）。3-1 電容式傳感器有哪些優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)?答優(yōu)點(diǎn)1測(cè)量范圍大。金屬應(yīng)變絲由于應(yīng)變極限的限制R/R一般低于1%。而半導(dǎo)體應(yīng)變片可達(dá)20%，電容傳感器電容的相對(duì)變化量可大于100%；2靈敏度高。如用比率變壓器電橋可測(cè)出電容其相對(duì)變化量可以大致10-7。 動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間短。由于電容式傳感器可動(dòng)部分質(zhì)量很小,因此其固有頻率很高,適用于動(dòng)態(tài)信號(hào)的測(cè)量。機(jī)械損失小。電容式傳感器電極間吸引力十分微小,又無摩擦存在,其自然熱效應(yīng)甚微,從而保證傳感器具有較高的精度。 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,適

6、應(yīng)性強(qiáng)。電容式傳感器一般用金屬作電極,以無機(jī)材料(如玻璃、石英、陶瓷等)作絕緣支承,因此電容式傳感器能承受很大的溫度變化和各種形式的強(qiáng)輻射作用,適合于惡劣環(huán)境中工作。 電容式傳感器有如下不足: 寄生電容影響較大。寄生電容主要指連接電容極板的導(dǎo)線電容和傳感器本身的泄漏電容。寄生電容的存在不但降低了測(cè)量靈敏度,而且引起非線性輸出,甚至使傳感器處于不穩(wěn)定的工作狀態(tài)。當(dāng)電容式傳感器用于變間隙原理進(jìn)行測(cè)量時(shí)具有非線性輸出特性。 3-2 分布和寄生電容的存在對(duì)電容傳感器有什么影響?一般采取哪些措施可以減小其影響?答1改變傳感器總的電容量,甚至有時(shí)遠(yuǎn)大于應(yīng)該傳遞的信號(hào)引起的電容的變化; 2使傳感器電容變的不

7、穩(wěn)定,易隨外界因素的變化而變化。 可以采取靜電屏蔽措施和電纜驅(qū)動(dòng)技術(shù)。 3-3 如何改善單極式變極距型電容傳感器的非線性? 答：采用可以差動(dòng)式結(jié)構(gòu),可以使非線性誤差減小一個(gè)數(shù)量級(jí)。3-4答驅(qū)動(dòng)電纜技術(shù)是指?jìng)鞲衅髋c后邊轉(zhuǎn)換輸出電路間引線采用雙層屏蔽電纜而且其內(nèi)屏蔽層與信號(hào)傳輸線(芯線)通過1:1放大器實(shí)現(xiàn)等電位由于屏蔽電纜線上有隨傳感器輸出信號(hào)變化而變化的信號(hào)電壓所以稱之為“電纜驅(qū)動(dòng)技術(shù)”。 第4章 電感式傳感器自感式傳感器的轉(zhuǎn)換電路：調(diào)幅、調(diào)頻、調(diào)相。4-1答：電感式傳感器是利用線圈自感和互感的變化實(shí)現(xiàn)非電量電測(cè)的一種裝置。根據(jù)轉(zhuǎn)換原理不同，可分為：自感式和互感式兩種；根據(jù)結(jié)構(gòu)型式不同，可分為

8、：氣隙型和螺管型兩種。氣隙式電感傳感器的主要特性是靈敏度和線性度高，行程小。螺管式電感傳感器靈敏度低，但線性范圍大、易受外部磁場(chǎng)干擾、線圈分布電容大。4-2答差動(dòng)式電感傳感器是利用改變線圈的自感系數(shù)來工作的；而差動(dòng)變壓器式則是利用改變?cè)€圈與兩個(gè)次級(jí)差動(dòng)式副線圈的互感系數(shù)來工作的。 4-3零點(diǎn)殘余電壓？答：由于差動(dòng)變壓器兩個(gè)次級(jí)組不可能完全一致。因此它的等效電路參數(shù)：互感M、自感L及損耗電阻R不可能相同，從而使兩個(gè)次級(jí)繞組的感應(yīng)電勢(shì)數(shù)值不等。又因初級(jí)線圈中銅損電阻及導(dǎo)磁材料的鐵損和材質(zhì)的不均勻，線圈匝間電容的存在等因素，使激勵(lì)電流與所產(chǎn)生的磁通相位不同。次諧波分量主要由導(dǎo)磁材料磁化曲線的非線性

9、引起。由于磁滯損耗和鐵磁飽和的影響，使得激勵(lì)電流與磁通波形不一致，產(chǎn)生了非正弦（主要是三次諧波）磁通，從而在次級(jí)繞組感應(yīng)出非正弦磁通的產(chǎn)生過程。同樣可以分析，由于磁化曲線的非線性影響，使正弦磁通產(chǎn)生尖頂?shù)碾娏鞑ㄐ危ㄒ喟沃C波）。1、基波分量2、高次諧波 零點(diǎn)殘余電壓 消除方法：1、從設(shè)計(jì)和工藝上保證結(jié)構(gòu)對(duì)稱性；2、選用合適的測(cè)量線路； 3、采用補(bǔ)償線路。 4-4提高差動(dòng)變壓器的靈敏度的方法：答1、由4-62式可知增大匝數(shù)比可提高靈敏度；2、由4-61式可知增大初級(jí)線圈電壓可提高靈敏度；3、若在低頻率段可以增加頻率來提高靈敏度。 4-5: 答渦流式傳感器特點(diǎn)測(cè)量范圍大靈敏度高結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單抗干擾能

10、力強(qiáng)以及可以非接觸測(cè)量等特點(diǎn)。4-11考題：解 1、當(dāng)銜鐵位于中心位置時(shí)，V1=V2Uc=Ud,Ucd=0 當(dāng)銜鐵上移V1V2UD0當(dāng)銜鐵下移V1Uc,UcDV2UD0 第5章 壓電式傳感器5-1壓電效應(yīng)答:1、某些電介質(zhì)，當(dāng)沿著一定方向?qū)ζ涫┘恿Χ顾冃螘r(shí)，內(nèi)部就產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在它的兩個(gè)表面上產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷，當(dāng)外力去掉后，又重新恢復(fù)不帶電的狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。 2、正壓電效應(yīng)式能否測(cè)量靜態(tài)信號(hào)？不能。因?yàn)闃?gòu)成壓電材料的電介質(zhì)，盡管電阻很大但總有一定的電阻。外界測(cè)量電路的輸入電阻也不可能無窮大，它們都將將壓電材料產(chǎn)生的電荷泄漏掉所以正壓電效應(yīng)式不能測(cè)量靜態(tài)信號(hào)。 5-21、當(dāng)

11、沿電軸、機(jī)械軸的力的作用下石英晶體在垂直于電軸的平面都會(huì)產(chǎn)生壓電電荷沿光軸方向則不會(huì)產(chǎn)生壓電效應(yīng)。 2b圖在上表面為負(fù)電荷c圖上表面為負(fù)電荷d圖上表面為正電荷。3通常將沿電軸XX方向的作用力作用下產(chǎn)生的電荷的壓電效應(yīng)稱為“縱向電效應(yīng) 將沿機(jī)械軸YY方向的力作用下產(chǎn)生電荷的效應(yīng) 稱為“橫向壓電效應(yīng)” 5-3:1、壓電式傳感器前置放大器的作用：一是把壓電式傳感器的高輸出阻抗變換為低輸出阻抗輸出；二是放大壓電式傳感器的輸出弱信號(hào)。 2、 壓電式電壓放大器特點(diǎn)：是把壓電器件的高輸出阻抗變換為傳感器的低輸出阻抗 并保持輸出電壓與輸入電壓成正比。 而電荷放大器的特點(diǎn)是能把壓電器件的高內(nèi)阻的電荷源變換為傳感

12、器低內(nèi)阻的電壓源以實(shí)現(xiàn)阻抗匹配并使其輸出電壓與輸入電壓成正比且其靈敏度不受電纜變化的影響。 因?yàn)殡妷悍糯笃鞯撵`敏度Ce的大小有關(guān)見520式。 而由524式知當(dāng)A0足夠大時(shí)CE的影響可以不計(jì)。 5-4答1并聯(lián)：C=2C，q=2q,U=U,因?yàn)檩敵鲭娙荽?，輸出電荷大所以時(shí)間常數(shù)適合于測(cè)量緩變信號(hào)且以電荷作為輸出的場(chǎng)合。2串聯(lián): q=q,U=U,C=C/2, 特點(diǎn) 輸出電壓大，本身電容小，適合于以電壓作為輸出信號(hào)且測(cè)量電路輸出阻抗很高的場(chǎng)合。 第7章 熱電式傳感器7-2解：1）把兩種不同的導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料連接成閉合回路，將它們的兩個(gè)接點(diǎn)分別置于不同的熱源中，則在該回路就會(huì)產(chǎn)生熱電動(dòng)勢(shì)叫熱電效應(yīng)。2）

13、 熱電勢(shì)由接觸電勢(shì)與溫差電勢(shì)兩種組成。3） 能產(chǎn)生熱電勢(shì)的必要條件是：A：組成熱電極的必須是不同材料；B：兩個(gè)接點(diǎn)必處于不同的溫度場(chǎng)中。7-3解：1）因?yàn)闊犭娕嫉臒犭妱?shì)只有當(dāng)冷端的溫度恒定時(shí)才是溫度的單值函數(shù)，而熱電偶的標(biāo)定時(shí)是在冷端溫度特定的溫度下進(jìn)行的，為了使熱電勢(shì)能反映所測(cè)量的真實(shí)溫度，所以要進(jìn)行冷端補(bǔ)償。2）A：補(bǔ)償導(dǎo)線法 B：冷端溫度計(jì)算校正法 C：冰浴法 D：補(bǔ)償電橋法。 7-5補(bǔ)償導(dǎo)線1）A鉑銠-鉑熱電偶。 補(bǔ)償導(dǎo)線用銅、康銅；B鎳鉻、鎳硅熱電偶。補(bǔ)償導(dǎo)線用銅、康銅；C鎳鉻、考銅熱電偶。補(bǔ)償導(dǎo)線用其本身；D鉑銠30、鉑銠6熱電偶。補(bǔ)償導(dǎo)線用銅、康銅；E銅、康銅熱電偶。補(bǔ)償導(dǎo)線用。

14、 2） 選擇補(bǔ)償導(dǎo)線的要求是一是熱電性能相近，二是價(jià)格便宜。 7-6熱電阻：答電阻溫度系數(shù)大。 熱容量小 電阻率大尺寸小 在工作范圍內(nèi)，物理和化學(xué)性能穩(wěn)定 材料的復(fù)制性能好價(jià)格便宜。 2）鉑電阻和銅電阻兩種。 第八章 磁電式傳感器8-1答1、在垂直于電流方向加上磁場(chǎng)由于載流子受洛侖茲力的作用則在平行于電流和磁場(chǎng)的兩端平面內(nèi)分別出現(xiàn)正負(fù)電荷的堆積從而使這兩個(gè)端面出現(xiàn)電勢(shì)差這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。 2、 應(yīng)該選用半導(dǎo)體材料。因?yàn)榘雽?dǎo)體材料能使載流子的遷移率與電阻率的乘積最大而使兩個(gè)端面出現(xiàn)電勢(shì)差最大。 3、 應(yīng)該根據(jù)元件的輸入電阻、輸出電阻、靈敏度等合理地選擇元件的尺寸。 8-2答1、不等位電勢(shì)的重

15、要起因是不能將霍爾電極焊接在同一等位面上，可以通過機(jī)械修磨或用化學(xué)腐蝕的方法或用網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)償法校正。2、 在兩個(gè)控制電極間并聯(lián)一個(gè)電阻使其滿足26式也可以用熱敏電阻按圖816進(jìn)行補(bǔ)償。 8-3設(shè)計(jì)題：霍爾元件測(cè)壓力：由于彈簧管一端固定，另一端安裝霍爾元件，當(dāng)輸入彈簧管的壓力增加時(shí)，彈簧管伸長(zhǎng)，使處于恒定磁場(chǎng)中的霍爾元件發(fā)生相應(yīng)位移，霍爾元件輸出電勢(shì)的大小就反映了被測(cè)壓力的大小。 8-4解由8-10式有 UHKHIB 1.2*5*0.6 3.6mV 由8-9式知 n=1/edKH=1/(1.6*10-19*0.2*10-3*1.2)=2.6*1016(個(gè)/M3) 8-7答1、分為外光電效應(yīng)和內(nèi)光電效應(yīng)兩類 2、 外