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1、 传感技术及应用 作业与习题 一 绪论 作业习题 1 什么是传感器 传感器定义 传感器由哪几个部分组成 分别起到什么作用 2 解释下列名词术语 敏感元件 2 传感器 3 信号调理器 4 变送器 讨论习题 1 什么是传感器 常用的分类方法有哪两种 思考题 1 传感器特性在检测系统中起到什么作用 二 传感器的一般特性 作业习题 判断以下各题正确与否 1 传感器是一种测量器件或装置 它将被测量按一定规律转换成可用输出 一般系统有输入和输出 所以 均可看作传感器 2 传感器的静态特性曲线表示法一般有方程表示法 曲线表示法 列表表示法三种 但是它们严格意义上 是等效的 3 迟滞误差 非线性误差和重复性误
2、差都会给测量结果带来误差 但它们都可用统计平均的办法减少 4 传感器的阈值 实际上就是传感器在零点附近的分辨力 5 某位移传感器的测量量程为1mm 分辨力为0 001 mm 这说明传感器的灵敏度很高 其灵敏度为0 1 6 传感器 A采用最小二乘法拟合算得线性度为土0 6 传感器 B采用端点直线法算得线性度为 0 8 则 可以肯定传感器A 的线性度优于传感器B 7 无论何种传感器 若要提高灵敏度必然会增加非线性误差 8 幅频特性优良的传感器 其动态围大 故可以用于高精度测量 讨论习题 1 传感器的性能参数反映了传感器的什么关系 2 静态参数有哪些 各种参数代表什么意义 3 动态参数有那些 应如何
3、选择 思考题 1 对于一阶传感器而言 传感器的时间常数越小 工作频域越宽 动态响应越好 2 对于二阶传感器而言 可以通过减小传感器运动部分质量和增加弹性敏感元件的刚度来提高传感器的固 有频率 三 电阻式传感器 作业习题 1 什么是应变效应 什么是压阻效应 什么是横向效应 2 说明电阻应变片的组成和种类 电阻应变片有哪些主要特性参数 3 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 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120 灵敏度为2 0 波松比为 0 3 材料弹性模量 E 2 1 1011Pa 要求 绘出弹性元件贴片
4、位置及全桥电路 计算传感器在满量程时 各应变片电阻变化 当桥路的供电电压为10V 时 计算传感器的输出电压 4 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 5 某次测定金属丝电阻 温度关系的实验数据如下表 t 17 8 20 9 37 7 48 2 58 8 Rt 3 554 3 687 3 827 3 969 4 105 试正确绘制 R t 关系并求出0 时的电阻阻值 6 有一测量吊车起吊物质量的拉力传感器如图 a 所示 电阻应变片R1 R2 R3 R4 贴在等轴截面上 已 知等截面轴的截面积为0 00196m 2 弹性模量211 102mNE 泊松比为 0 3 R1 R2 R
5、3 R4标称 值均为 120 灵敏度为2 0 它们组成全桥如图 b 所示 桥路输入电压为2V 输出电压为1 0mV 求 等截面袖的纵向应变及横向应变 重物m有多少吨 7 半桥测量时两片不同受力状态的电阻应变片介入电桥时 应放在邻边 8 桥路 差动电桥 测量存在非线性误差 是因为 9 应变式传感器可用于温度测量吗 10 一阻值 120的应变式电阻传感器灵敏系数0 2K 将该应变片用阻值为12的导线连接到测量 系统 求应变片灵敏系数 K 1 82 11 设计一只测量线位移的精密线绕电位器 测量围0 10mm 分辨力为50 m 灵敏度为2 7V mm 电阻丝 材料选用铂铱金丝 其电阻率 3 15 1
6、0 4 mm 当电位器的负载电阻 Rf 10k 求电位器的最大负载 误差 12 下图是热敏电阻温度传感器的线性化电路 设TL TH TM分别为测温的下限 上限和测温围的中点 其 对应的热敏电阻值已知为RL RH RM 为保证热敏电阻输出的线性 请推导串联在热敏电阻中的R的最佳值 是多少 讨论习题 1 试说明金属应变片与半导体应变片的相同和不同之处 思考题 1 在传感器测量电路中 直流电桥与交流电桥有什么不同 如何考虑应用场合 用电阻应变片组成的半桥 全桥电路与单桥相比有哪些改善 四 电感式传感器 作业习题 1 叙述变磁阻式传感器的工作原理 2 说明差动变压器 螺线管式 传感器的结构形式与输出特
7、性 3 什么是零点残余电压 有哪些方法可以进行残余电压补偿 4 用差动变压器进行位移测量时采用那种电路形式可以直接由输出电压区别位移的大小和方向 5 什么是电涡流效应 电涡流传感器可以进行哪些非电量参数测量 分别利用哪些物理量进行检测 由哪 个电参量转换进行电量输出的 6 电感式传感器有哪些种类 它们的工作原理是什么 7 如图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 真空的磁导率为4 10 7H m 1 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 8 问振幅是5V 频率是 1000Hz的
8、正弦波交流的有效值为多少 周期为多少 9 在膜厚传感器上 厚度l 越大 线圈的自感系数是变大还是变小 10 将非电量的变化转换成线圈 或 变化 这种测量装置叫做电感式传感器 该传感器按转 换原理不同可分为 式或 式两大类 11 判断题 对变间隙的电容式传感器而言即使采用差动结构也不能完全消除非线性误差 差动电感传感器不能完全消除非线性误差 电感式传感器和涡流式传感器都是通过电感量的变化检测信号的 所以它们结构和工作原理没有 任何不同 自感式电感传感器改变空气隙等效截面积类型变换器转换关系为非线形的 改变空气隙长度类型 的为线形的 变压器式电感传感器多采用差动结构 并用线圈间互感M的大小确定被测
9、非电量的数值 讨论习题 1 请简述电涡流传感器的工作原理 并举出两种传感器的测量电路 说明电路的测量原理 调频式电感传感器转换电路由于输出信号是脉冲信号 因此抗干扰能力强 易于数字化和远距离传输信号 2 分析电感传感器出现非线性的原因 并说明如何改善 思考题 1 差动电感结构有什么优点 采用什么电路可有线形输出 2 简述电涡流效应及构成电涡流传感器的可能的应用场合 五 电容式传感器 作业习题 1 电容传感器有哪些类型 2 叙述电容传感器的工作原理 输出特性 3 电容传感器的测量电路有哪些 叙述二极管双T 型交流电桥工作原理 4 差动式电容测厚传感器系统的工作原理 5 推导差动式电容传感器的灵敏
10、度 并与单极式电容传感器相比较 6 试推导变电介质电容式位移传感器的特性方程C f x 设真空的介电系数为 0 2 1 以及极 板宽度为 W 7 在上题中 设 d 1mm 极板为正方形 边长50mm 1 1 2 4 试在 x 0 到 50mm 围 输出磁位移 传感器的特性曲线 并给以适当说明 8 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 9 电容传感器有哪三种类型 试从输入输出关系的角度说明各自的特点 对于非线性类型采用什么方法来 改善 10 由于电容传感器的初始电容 因此 该传感器的关键问题是 的影响极其严重 这不 仅会造成传输效率 灵敏度 而且会产生很大的 11 变面积电容式传感
11、器如图 a 所示 BC形成恒定电容CF 绝缘导杆D 伸入圆柱极板A 中使得 AC电容 CX 变化 25 5 4 7 5 6 321 mmlmmrmmrmmr运算放大器如图 b 所示 求 导杆D 每伸 入 1mm 引起的电容变化量 Ui 6V时 求 Uo 1 1085 8 12 0r mF A B C U i Uo CX CF a b 12 电容传感器外圆半径R 8mm 圆柱外半径 r 7 25mm 外圆筒与圆筒覆盖部分长度l 16mm 计算电容传感器 电容量 0 C 当移动 0 5mm时的电容变化量 13 对变间隙的电容式传感器而言即使采用差动结构也不能完全消除非线性误差吗 14 电容传感器有
12、哪三种类型 试从输入输出关系的角度说明各自的特点 对于非线性类型采用什么方法来 改善 讨论习题 1 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 2 如果电容传感器的电缆丢失了 更换另一根电缆后 可以不必对测量系统重新进行标定 也可直接使用 思考题 1 为什么电感式和电容式传感器的结构多采用差动形式 差动结构形式的特点是什么 2 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 六 磁电式传感器 作业习题 1 为什么说磁电感应式传感器是一种有源传感器 2 变磁阻式传感器有哪几种结构形式 可以检测哪些非电量 3 什么是霍尔效应 霍尔电势的大小与方向和哪些因素有
13、关 影响霍尔电势的因素有哪些 4 集成霍尔器件有哪几种类型 试画出其输出特性曲线 5 有一测量转速装置 调制盘上有100 对永久磁极 N S 极交替放置 调制盘由转轴带动旋转 在磁极上方 固定一个霍尔元件 每通过一对磁极霍尔元件产生一个方脉冲送到计数器 假定 t 5min 采样时间 计数器收 到 N 15万个脉冲 求转速n 转 分 6 磁敏元件有哪些 磁敏电阻 磁敏二极管 磁敏晶体管 什么是磁阻效应 简述磁敏二极管 晶体管工作 原理 7 磁敏电阻与磁敏晶体管有哪些不同 与霍尔元件在本质上的区别是什么 8 试证明霍尔式位移传感器的输出与位移成正比 9 磁电式传感器通常用于测量速度 这是由于它的质
14、量块的位移与速度成正比 10 简答 写出霍尔电压的表达式 并给出消除不等位电势的方法 11 当控制磁感应强度为零 控制电流为额定值时 霍尔电极间的空载电势称为不等位电势 或零位电势 12 如何采用恒流源和输入并联电阻对霍尔元件进行温度补偿 求出并联电阻 p R 设温度 0 t时 霍尔元 件 的 灵 敏 度 系 数 为 0H k 输 入 电 阻 为 0i R 温 度 上 升 到t时 它 们 分 别 为 Ht k it R 1 00 ttkk HHt 1 00 ttRR iit 其中为霍尔元件灵敏度系数 为元件的输 入电阻温度系数 假设 p R不随温度变化 霍尔片采用恒流源供电 为补偿温度误差 采
15、用在输入回路 并联电阻 如下图示 若已知霍尔元件灵敏度温度系数为 霍尔元件输入电阻温度系数为 温度t0时 的输入电阻为Ri0 请推导并联的电阻RP的大小 IH IP I RP VH 13 霍尔元件用于测量磁场 它通常不用金属而由磁性半导体材料如锗 砷化铟等制成 14 不管霍尔效应还是磁阻效应都是洛伦磁力作用的结果 15 简述霍尔传感器测量磁场的原理 16 霍尔片采用恒压源供电 为补偿温度误差 采用在输入回路串联电阻RP 如下图示 若已知霍尔元件灵 敏度温度系数为 霍尔元件输入电阻温度系数为 温度 t0时的输入电阻为Ri0 请推导并联的电阻RP 的大小 讨论习题 1 霍尔元件能够测量哪些物理参数
16、 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 2 磁电式传感器与电感式传感器有哪些不同 3 简述霍尔效应及构成以及霍尔传感器可能的应用场合 思考题 1 磁电式传感器是速度传感器 它如何通过测量电路获得相对应的位移和加速度信号 2 发电机是利用导线在永久磁铁的磁场中作旋转运动而发电的 无论负载怎样消耗这个电能 永久磁铁不会变 弱 这是什么道理 七 压电式传感器 作业习题 1 判断题 1 沿机械轴 Y Y 方向施加作用力时 产生的电荷量与压电晶片的几何尺寸有关 IH RP V VH 2 压电式传感器如果使用电荷放大器作为前置放大器 在一定条件下 传感器的灵敏度与电缆长度无关 3 电荷放大器是将传感器输出的电荷进行放大的前置放大器 由于它可以使用较长的电缆 因而得到广泛 应用 4 石英晶体和压电瓷均呈压电现象 压电机理也一样 但后者的压电常数要大的多 5 在压电式传感器的测量线路中 电荷放大器的低频特性要比电压放大器的好的多 6 压电晶体有三个互相垂直的轴 分别为X轴 电轴 Y轴 力轴 Z轴 光轴 当沿某一轴的方向施 加外作用力时 会在另外两个轴的表面出现电荷 2 什么是正压电
