电大第一次作业

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1、第一次作业1.答：传感器作为测试系统的第一环节，将被测量转化为人们所熟悉的各种信 号，通常传感器将被测量转换成电信号；信号变换部分是对传感器所送出的信 号进行加工，如信号的放大、滤波、补偿、校正、模数转换、数模转换等，经 过处理使传感器输出的信号便于传输、显示或记录；显示与记录部分将所测信 号变为便于人们理解的形式，以供人们观测和分析。2.答：1）灵敏度高，线性好。2）输出信号信噪比高，这要求其内噪声低，同 事不应引入外噪声。3）滞后、漂移小。4）特性的复现性好，具有互换性。5） 动态性能好。6）对测量对象的影响小，即“负荷效应”较低。3.答：1）时间常数 2）上升时间 3）稳定时间（或响应时

2、间） 4）超调量4.答：1）非线性校正 2）温度补偿 3）零位法、微差法 4）闭环技术 5）平均 技术 6）差动技术 7）集成化与智能化 8）采用屏蔽、隔离与抑制干扰措施5.答：电阻丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻值发生变化，这一现象就是电阻丝的应变效应。设有一段长为 ，截面为 ，电阻率为 的金属丝，则它的电阻为 （3-1）当它受到轴向力 F 而被拉伸(或压缩)时，其 、 、 均发生变化，如图 3-1所示，如取金属丝是半径为 的圆形截面 ，那么 若金属丝沿长度方向受力而伸长 ，通常将 称为纵向应变，标为 。因为它的数值在 通常的测量中甚小，故常用 10-6 作为单位来表示，称为微应变，标以

3、 。例 如 =0.001就可以表示为 ，称为具有 1000 微应变。金属丝沿其轴向拉长使其径向缩小，二者之间的关系为 所以 令 （3-4）称为金属丝的灵敏系数，它表示金属丝发生单位轴向应变时所引起的电阻值的相对变化。由式(3-4)可知，因应变导致金属电阻值的变化，由两项组成：第一项 表示由于几何尺寸改变引起的电阻变化；另一项 表示单位轴向 应变引起电阻率的变化。对于大多数金属电阻丝材料说则有 上式表明：加载后金属丝电阻相对变化量与轴向应变成正比。6 解： 1） R/R= K=2100010-6=0.002 R= KR=0.002120=0.24() 2）因为两金属应变片组成半桥双臂工作电桥，

4、所以 U0=1/2U(R/R)=0.005(V)7. 答 1)恒压源供电： 电桥的输出为： U0=U【R/(R+RT)】说明了，电桥输出与 U 成正比，这说明电桥的输出与电源的大小、精度都有关。同时电桥输出 U0与 RT有关，而且与温度的关系是非线性的，所以用恒压源供电时，不能消除温 度的影响。 2）恒流源供电 电阻的输出为：U0=IR 电桥的输出与电阻的变化量成正比，即与被测量成正 比，当然也与电源电流成正比，即输出与恒流源供给的电流大小、精度有关。 但是电桥的输出与温度无关，不受温度影响，这是恒流源供电的优点。恒流源 供电时，一个传感器最好配备一个恒流源，这在使用中有时是不方便的。8.答

5、电阻应便式 电阻应变式传感器所粘贴的金属电阻应变片主要有丝式应变片与箔式应变 片。 箔式应变片是以厚度为 0.0020.008mm 的金属箔片作为敏感栅材料，箔栅 宽度为 0.0030.008mm。丝式应变片是由一根具有高电阻系数的电阻丝(直 径 0015-005mm)，平行地排成栅形(一般 240 条)，电阻值 60200 ，通常为 120 ，牢贴在薄纸片上，电阻纸两端焊有引出线，表面覆一层薄 纸，即制成了纸基的电阻丝式应变片。测量时，用特制的胶水将金属电阻应变 片粘贴于待测的弹性敏感元件表面上，弹性敏感元件随着动态压力而产生变形 时，电阻片也跟随变形。如下图所示。B 为栅宽，L 为基长。材

6、料的电阻变化率由下式决定：（1）式中；由材料力学知识得；式中 K 对于确定购金属材料在一定的范围内为一常数，将微分 dR、dL 改写 成增量 R、L,可得由式(2)可知，当弹性敏感元件受到动态压力作用后随之产生相应的变形 ,而形应变值可由丝式应变片或箔式应变片测出，从而得到了 R 的变化，也 就得到了动态压力的变化，基于这种应变效应的原理实现了动态压力的测量。1 电阻应变式传感器的分类及特点测低压用的膜片式压力传感器常用的电阻应变式压力传感器包括测中压用的膜片应变筒式压力传感 器 测高压用的应变筒式压力传感器1.1 膜片应变筒式压力传感器的特点该传感器的特点是具有较高的强度和抗冲击稳定性，具有

7、优良的静态特性、 动态特性和较高的自震频率，可达 30khz 以上，测量的上限压力可达到 9.6mpa。适于测量高频脉动压力，又加上强制水冷却。也适于高温下的动态压 力测量，如火箭发动机的压力测量，内燃机、压气机等的压力测量。1.2 膜片式应变压力传咸器的特点A 这种膜片式应变压力传感器不宜测量较大的压力，当变形大时，非线性较大。但小压力测量中由于变形很小，非线性误差可小于 0.5，同时又有较 高的灵敏度，因此在冲击波的测量中，国内外都用过这种膜片式压力传感器。B 这种传感器与膜片应变筒式压力传感器相比，自振频率较低，因此在 低压高频测量中，应严防冲击压力频率与膜片自顿频率相接近，否则台带来严

8、 重的波形与压力值的失真与偏低。 压阻式 1、工作原理压阻式压力传感器利用单晶硅的压阻效应而构成。采用单晶硅片为弹性元件，在单晶硅膜片上利用集成电路的工艺，在单晶 硅的特定方向扩散一组等值电阻，并将电阻接成桥路，单晶硅片置于传感器腔 内。当压力发生变化时，单晶硅产生应变，使直接扩散在上面的应变电阻产生 与被测压力成比例的变化，再由桥式电路获得相应的电压输出信号。2、特点精度高、工作可靠、频率响应高、迟滞小、尺寸小、重量轻、结构简单；便于实现显示数字化；可以测量压力，稍加改变，还可以测量差压、高度、速度、加速度等参数热电阻式1、热电阻效应 导体或半导体材料的电阻值随温度的变化而变化的现象 热电阻

9、温度传感器是利用导体或半导体的电阻率随温度的变化而变化的原 理制成的，实现了将温度的变化转化为元件电阻的变化。 2、热电阻分类： 热电阻：感温元件制成的金属热电阻：绝大多数金属具有正的电阻温度系 数，温度越高，电阻越大，简称热电阻。 热敏电阻：半导体材料制成的感温元件：利用某种半导体材料的电阻率随 温度变化而变化的性质制成，简称热敏电阻。 3）.测温范围 低温：15K；高温：10001300 2 、测温热电阻材料必须满足： 1）电阻温度系数大 电阻系数：温度变化 1 0C 时电阻值的相对变化量 2）在测温范围内物理及化学性质稳定。 3）有较大的电阻率。（电阻体积小）。 4）线性度好。 5）复现

10、性好， 6）价格便宜。 7）、热电阻测温的优点是信号灵敏度高、易于连续测量、可以远传、无需 参比温度；金属热电阻稳定性高、互换性好、准确度高，可以用作基准仪表。 热电阻主要缺点是需要电源激励、有（会影响测量精度）自热现象以及测量温 度不能太高 3、热电阻的结构:热电阻主要由电阻体、绝缘套管和接线盒等组成。电阻 体由电阻丝、引出线、骨架等组成。 第二次作业1 答：两平行极板组成的电容器，如果不考虑边缘效应，其电容量为当被测量的变化使式中的、或 任一参数发生变化时，电容量 C 也就随之变化，这就是电容式传感器的工作原理。 主要性能是：(1)静态灵敏度，被测量变化缓慢的状态下，电容变化量与引起其变化

11、的被测量之比。 (2)非线性，电容量 与极板间距 不是线性关系。(3)动态特性，传感器对于随时间变化的输入量的响应特性为传感器的动态特性。2 答：(1)电容式传感器的优点：温度稳定性好。结构简单，适应性强。动态响应好。可以实现非接触测量，具有平均效应。电极板间的静电引力很小，所需输入力和输入能量极小，因而可测极低的压力、力和很小的加速度、位移等，可以做得很灵敏，分辨力高，能敏感 0.01m 甚至更小的位移；由于其空气等介质损耗小，采用差动结构并接成桥式电路，允许电路进行高倍率放大，使仪器具有很高的灵敏度。(2)电容式传感器的主要缺点是：输出阻抗高，负载能力差。寄生电容影响大。输出特性非线性3

12、答：电感式传感器的测量电路主要形式是1）电阻平衡臂交流电桥，交流电桥是自感传感器的主要测量电路，自感线圈一般接成差动形式，如图2）变压器式交流电桥3）紧耦合电感臂交流电桥，紧耦合电感臂交流电桥以差动电感传感器的两个线圈作电桥工作臂，而紧耦合的两个电感作为固定臂组成电桥电路。采用这种测量电路可以消除与电感臂并联的分布电容对输出信号的影响，使电桥平衡稳定，另外简化了接地和屏蔽的问题。4 答：压磁式测力传感器的压磁元件由具有正磁致伸缩特性的硅钢片粘叠而成。如下图所示，硅钢片上冲有四个对称的孔，孔 1、2 的连线与孔 3、4 相互垂图(a)。孔1、2 间绕有激磁绕组 W12，孔 3、4 间绕有测量绕组

13、 W34，外力 F 与绕组 W12、W34 所在平面成 45角。当激磁绕组 W12 通过一定的交变电流时，铁心中就产生磁场 H，方向如图(b)所示。设将孔间区域分成 A、B、C、D 四部分。在无外力作用时，A、B、C、D 四部分的磁导率相同，磁力线呈轴对称分布，合成磁场强度 H 平行于测量绕组 W34 的平面。在磁场作用下，导磁体沿 H 方向磁化，磁通密度 B 与 H 取向相同。由于测量绕组无磁通通过，故不产生感应电势。压磁式测力传感器的工作原理若对压磁元件施加压力 F，如图(c)所示，A、B 区域将产生很大的压应力 ，而C、D 区域基本上仍处于自由状态。对于正磁致伸缩材料，压应力 使其磁化方

14、向转向垂直于压力的方向。因此，A、B 区的磁导率 下降，磁阻增大，而与应力垂直方向的 上升，磁阻减小。磁通密度 B 偏向水平方向，与测量绕组 W34 交链，W34 中将产生感应电势 e。F 值越大，W34 交链的磁通越多，e 值就越大。经变换处理后，即能用电流或电压来表示被测力 F 的大小。5 答：磁电式传感器分类。1变磁通式磁电传感器这种类型的传感器线圈和磁铁固定不同，利用铁磁性物质制成一个齿轮（或凸轮）与被测物体相连而连动，在运动中齿轮（或凸轮）不断改变磁路的磁阻，从而改变了线圈的磁通，在线圈中感应出电动势。这种类型的传感器在结构上有开磁路和闭磁路两种，一般都用来测量旋转物体的角速度，产生

15、感应电势的频率作为输出，感应电动势的频率等于磁通变化的频率。闭磁路变磁通式传感器 开磁路变磁通式传感器 2) 恒定磁通式磁电传感器在图 6-4 中，线圈和壳体固定，永久磁铁用弹簧支承，当壳体随被测物体一起振动时，由于弹性元件较软而运动部件质量相对较大，因而有较大惯性，来不及跟随振动体一起振动，振动能量几乎全部被弹性元件吸收，永久磁铁与线圈之间产生相对运动，线圈切割磁力线，从而产生感应电动势6-4当传感器结构选定后，式 6-4 中 、 、 都是常数，线圈的感应电动势仅与相对运动速度 有关，传感器的灵敏度为了得到较高的灵敏度，应采用磁能积较大的永久磁铁和尽量小的空气隙长度以提高磁感应强度，同时应使

16、单线圈长度增加并提高有效匝数 ，但这些参数要受到传感器体积和重量等因素的制约。6 答：霍尔元件的基本驱动电路如下图所示。 对霍尔元件可采用恒流驱动或恒压驱动，如下图所示。恒压驱动电路简单，但性能较差。随着磁感应强度增加，线性变化坏，仅用于精度要求不太高的场合；恒流驱动线性度高，精度高，受温度影响小。 7 答：磁栅式传感器的误差包括零位误差和细分误差。零位误差是由以下因素造成的：1） 磁栅的节矩不均匀造成的零位误差；2） 磁栅的安装与变形误差；3） 磁栅剩磁变化所引起的零点漂移；4） 外界磁场干扰。细分误差是由以下因素造成的：1） 由于磁膜不均匀或录制过程不完善造成磁栅上信号幅度不相等；2） 两个磁头在空间位置偏离正交较远；3） 两个磁头参数不对称引起的误差；4） 磁场高次谐波分量和感应电势高次谐波分量的影响。第三次作业1 答：不