检测与传感技术思考题答案

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1、第一章 思考题和习题参考答案11 什么叫传感器？它由哪几部分组成？它们的相互作用及相互关系如何？答：传感器是把被测量转换成电化学量的装置，传感器由敏感元件和转换元件组成，其中，敏感元件是指传感器中能直接感受或响应被测量的部分；转换元件是指传感器中能将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于传输或测量的电信号部分。由于传感器输出信号一般都很微弱，需要信号调理与转换电路进行放大、运算调制等，此外信号调理转换电路以及传感器的工作必须有辅助电源，因此信号调理转换电路以及所需的电源都应作为传感器组成的一部分。12 什么是传感器的静态特性？它有那些性能指标？分别说明这些指标的含义？答：传感器的静态特性是指被测

2、量的值处于稳定状态时的输入与输出的关系。灵敏度是输入量 y 与引起输入量增量 y 的相应输入量增量 x 之比。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。迟滞是指传感器在输入量由小到大（正行程）及输入量由大到小（反行程）变化期间其输入输出特性曲线不重合的现象。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。漂移是指在输入量不变的情况下，传感器输出量随时间变化，此现象称为漂移。精度是评价系统的优良程度。13 什么是测量值的绝对误差、相对误差、引用误差？答：绝对误差可定义为测量值与真值之差，实际相对误差的定义式为绝对误差与真值的百分比。引用误差是

3、仪表中通用的一种误差表示方法。它是相对于仪表满量程的一种误差，又称满量程相对误差。14 什么是测量误差？测量误差有几种表示方法？它们通常适用于什么场合？答：测量误差是测得值减去被测量的真值。有五种表示方法：绝对误差、相对误差、基本误差、引用误差、附加误差。 对工程技术及科学研究中，对被对工程技术及科学研究中，对被测量进行测量时，测量的可靠性至关重要，不同的场合对测量结果的可靠性要测量进行测量时，测量的可靠性至关重要，不同的场合对测量结果的可靠性要求也不同。例如：在量值传递、经济核算、产品检验场合应保证测量结果有足求也不同。例如：在量值传递、经济核算、产品检验场合应保证测量结果有足够的准确度。够

4、的准确度。15 什么是随机误差？产生随机误差的原因是什么？如何减小随机误差对测量结果的影响？答：随机误差是指在同一测量条件下，多次测量被测量时，其绝对值和符号以不可预定方式变化着的误差。随机误差是由很多不便掌握或暂时未能掌握的微小因素，如电磁场的微变，零件的摩擦、间隙，热起伏，空气扰动，气压及湿度的变化，测量人员感觉器官的生理变化等，对测量值的综合影响所造成的。16 什么是系统误差？系统误差可分为哪几类？系统误差有哪些检验方法？如何减小和消除系统误差？答：在同一测量条件下，多次测量被测量时，绝对值和符号保持不变，或在条件改变时，按一定规律（如线性、多项式、周期性等函数规律）变化的误差称为系统误

5、差。前者为恒值系统误差，后者为变值系统误差。对于系统误差，首先要查找误差根源，并设法减小和消除，而对于无法消除的恒值系统误差，可以在测量结果中加以修正。17 什么是粗大误差？如何判断测量数据中存在的粗大误差？答：超出在规定条件下预期的误差称为粗大误差，这类误差的发生是由于测量者疏忽大意，测错、读错或环境条件的突然变化等引起的。18 什么是间接测量、直接测量和组合测量？答：用按已知标准标定好的测量仪器，对某一未知量直接进行测量，得出未知量的值，这类测量称为直接测量。对几个被测量有确切函数关系的物体物理量进行直接测量，然后通过已知函数关系的公式、曲线或表格，求出该未知量，这类测量称为间接测量。在测

6、量中，使各个未知量以不同的组合形式出现（或改变测量条件来获得这种不同的组合） ，根据直接测量和间接测量所得到的数据，通过解一组联立方程而求出未知量的数值，这类测量称为组合测量。第二章 思考题和习题参考答案2-1 什么叫应变效应?利用应变效应解释金属电阻应变片的工作原理。答：导体或半导体材料在外界力的作用下产生机械变形时，其电阻值相应发生变化，这种现象称为“应变效应” 。应变式传感器主要用来测量物体的受力，由测量电路求出电阻的变化量，再求出应变，从而求出物体所受的力。2-2 试述应变片温度误差的概念、产生原因和补偿办法。答：由于测量现场环境温度的改变而给测量带来的附加误差，称为应变片的温度误差。

7、产生应变片温度误差的主要因素有下述两个方面。（1）电阻温度系数的影响。 （2）试 件 材 料 和 电 阻 丝 材 料 的 线 膨 胀 系 数 的 影 响 。补 偿 方 法 ： （1）线路补偿法。 （2）应变片的自补偿法。这种温度补偿法是利用自身具有温度补偿作用的应变片（称之为温度自补偿应变片）来补偿的。2-3 什么是直流电桥？若按不同的桥臂工作方式分类，可分为哪几种？各自的输出电压如何计算？答：直流电桥是测量小电阻的一种电路，分为单臂电桥、半桥和全桥。半桥输出电压为单臂电桥的 2 倍，全桥输出电压为半桥的 2 倍。2-4 拟 在 等 截 面 的 悬 臂 梁 上 粘 贴 4 个 完 全 相 同

8、的 电 阻 应 变 片 ， 并 组 成 差 动 全桥 电 路 ， 试 问 ： 4 个应变片应怎样粘贴在悬臂梁上？ 画出相应的电桥电路图。答：相对桥臂的一对电阻粘贴在悬臂梁的同一表面，而另一对电阻粘贴在悬臂梁的另一表面相对的位置。2-5 图 2-5 为一直流应变电桥。图中 E = 4V， R1 = R2 = R3 = R4 = 120，试求： R1为金属应变片，其余为外接电阻，当 R1的增量为 R1 = 1.2时，电桥输出电压 Uo为多少？ R1、 R2都是应变片，且批号相同，感应应变的极性和大小都相同，其余为外接电阻，电桥输出电压 Uo为多少？ 题中，如果 R2与 R1感受应变的极性相反，且

9、R1 = R2 = 1.2，电桥输出电压 Uo为多少？解： = V14EA0.2 U 0=0V = V1o2REA02.2-6 图 2-14 为等强度梁测力系统， R1为电阻应变片，应变片灵敏系数 K = 2.05，未受应变时， R1 = 120。当试件受力 F 时，应变片承受平均应变 = 800m/m，试求： 应变片电阻变化量 R1及电阻相对变化量 R1/R1。 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，求电桥输出电压及电桥非线性误差。 若要减小非线性误差，应采取何种措施?分析其电桥输出电压及非线性误差大小。解： 0164.8.0521 KR图 2-14 题 2-6 图

10、= V 1o4REUA3102.064.3=1L12R%8.可以采用全桥的方式，输出电压为单臂电桥的 4 倍，即 4.9210-3V2-7 在题 2-6 条件下，如果试件材质为合金钢，线膨胀系数g = 11 106/，电阻应变片敏感栅材质为康铜，其电阻温度系数 = 15 106/ ，线膨涨系数 s = 14.9 106/。当传感器的环境温度从 10变化到 50时，所引起的附加电阻相对变化量( R/R )t为多少?折合成附加应变 t为多少 ?解： t0 000gs() RRtKt t00gs() Kt=1510 -6+2（1110 -614.910 -6）40=2.8810 -666104.21

11、08. KRt第三章 思考题和习题参考答案3-1 根 据 工 作 原 理 可 将 电 容 式 传 感 器 分 为 哪 几 种 类 型 ？ 每 种 类 型 各 有 什 么 特 点 ？各 适 用 于 什 么 场 合 ？答： 变极距型电容传感器, 一般变极板间距离电容式传感器的起始电容在 20100pF 之间，极板间距离在 25200m 的范围内。最大位移应小于间距的 1/10，故在微位移测量中应用最广。 变面积型电容式传感器, 能够进行力、位移和转角的测量。变介质型电容式传感器，变介质型电容传感器有较多的结构形式，可以用来测量纸张、绝缘薄膜等的厚度，也可用来测量粮食、纺织品、木材或煤等非导电固体介

12、质的湿度。3-2 如何改善单极式变极距型传感器的非线性？ 答：采用差动式结构即可大大降低非线性误差。3-3 如图 3-7 所示为电容式液位计测量原理图。请为该测量装置设计匹配测量电路，要求输出电压 Uo与液位 h 之间呈线性关系。答：，C02 2()2()InInInInInhhhHC CDDDddddd 与 h 成线性关系，采用调频式、运算放大器式和环形二极管充放电法皆可。3-4 有 一 个 以 空 气 为 介 质 的 变 面 积 型 平 板 电 容 传 感 器 ， 如 图 3-5 所 示 ， 其 中a = 8mm， b = 12mm， 两 极 板 间 距 离 为 1mm。 一 块 板 在

13、原 始 位 置 上 平 移 了 5mm后 ， 求 该 传 感 器 的 位 移 灵 敏 度 K（ 已 知 空 气 相 对 介 电 常 数 =1F/m， 真 空 时 的介 电 常 数 0 = 8.85410-12F/m） 。 解： K0axC3-5 图 3-11 为 电 容 式 传 感 器 的 双 T 电 桥 测 量 电 路 ， 已 知 R1=R2=R=40 k， RL=20 k。 e=10V， f=1MHz， C1=10pF， C2=10pF， C1=1pF。 求 UL的 表 达 式 及 对 应 上 述已 知 参 数 的 UL值 。解：M=9160204R2 LUL=U f M(C1C2)=10

14、1106210-12 V3.9163-6 差动电容式传感器接入变压器交流电桥，当变压器二次侧两绕组电压有效值均为 U 时，试推导电桥空载输出电压 Uo与 Cx1、 Cx2的关系式。若采用变极距型电容传感器，设初始截距均为 0，改变 后，求空载输出电压 Uo与 的关系式。解：000002112 2121432140 2Z UAUC UCZZZxx xxxx3-7 简述差动式电容测厚传感器系统的工作原理。 答：电容测厚传感器是用来对金属带材在轧制过程中厚度的检测，其工作原理是在被测带材的上下两侧各置放一块面积相等，与带材距离相等的极板，这样极板与带材就构成了两个电容器 C1、 C2。把两块极板用导

15、线连接起来成为一个极，而带材就是电容的另一个极，其总电容为 C1+C2，如果带材的厚度发生变化，将引起电容量的变化，用交流电桥将电容的变化测出来，经过放大即可由电表指示测量结果。第 4 章 思考题及习题参考答案4.1 说明差动变磁阻式电感传感器的主要组成、工作原理和基本特性。答：差动变隙式电感传感器由两个相同的电感线圈和磁路组成, 测量时, 衔铁通过导杆与被测位移量相连, 当被测体上下移动时, 导杆带动衔铁也以相同的位移上下移动, 使两个磁回路中磁阻发生大小相等 , 方向相反的变化, 导致一个线圈的电感量增加, 另一个线圈的电感量减小, 形成差动形式。差动式电感传感器的结构要求两个导磁体的几何尺寸和材料完全相同、两个线圈的电气参数和几何尺寸等方面均应完全一致。差动式结构除了可以改善线性、提高灵敏度外，对温度变化、电源频率变化等影响也可以进行补偿，从而减少了外界影响造成的误差。 4.2 已知变气隙电感传感器的铁芯截面积 S=1.5cm2，磁路长度 L=20cm，相对磁导率 1=5000，气隙 0=0.5cm， =0.1mm，真空磁导率 0=410 -7