传感器复习答案(吴建平版)

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1、习题集及答案第 1 章 概述1.1 什么是传感器？按照国标定义， “传感器”应该如何说明含义？1.1 答：从广义的角度来说，感知信号检出器件和信号处理部分总称为传感器。我们对传感器定义是：一种能把特定的信息（物理、化学、生物）按一定规律转换成某种可用信号输出的器件和装置。从狭义角度对传感器定义是：能把外界非电信息转换成电信号输出的器件。我国国家标准（GB766587）对传感器（Sensor/transducer）的定义是：“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”。定义表明传感器有这样三层含义：它是由敏感元件和转换元件构成的一种检测装置；能按一定规律将被测量转换成电信

2、号输出；传感器的输出与输入之间存在确定的关系。按使用的场合不同传感器又称为变换器、换能器、探测器。1.2 传感器由哪几部分组成？试述它们的作用及相互关系。1.2 答：组成由敏感元件、转换元件、基本电路组成；关系，作用传感器处于研究对象与测试系统的接口位置，即检测与控制之首。传感器是感知、获取与检测信息的窗口，一切科学研究与自动化生产过程要获取的信息都要通过传感器获取并通过它转换成容易传输与处理的电信号，其作用与地位特别重要。1.5 传感器的图形符号如何表示？它们各部分代表什么含义？应注意哪些问题？1.5 答：图形符号（略） ，各部分含义如下：敏感元件：指传感器中直接感受被测量的部分。传感器：能

3、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或装置,通常由敏感元件和转换元件组成。信号调理器：对于输入和输出信号进行转换的 装置。变送器：能输出标准信号的传感器第 2 章 传感器的基本特性2.1 传感器的静态特性是什么？由哪些性能指标描述？它们一般可用哪些公式表示？2.1 答：静特性是当输入量为常数或变化极慢时，传感器的输入输出特性，其主要指标有线性度、迟滞、重复性、分辨力、稳定性、温度稳定性、各种抗干扰稳定性。传感器的静特性由静特性曲线反映出来，静特性曲线由实际测绘中获得。人们根据传感器的静特性来选择合适的传感器。2.2 传感器的线性度是如何确定的？确定拟合直线有哪些方法？传感器的

4、线性度表征了什么含义？为什么不能笼统的说传感器的线性度是多少。L2.2 答：1）实际传感器有非线性存在，线性度是将近似后的拟合直线与实际曲线进行比较，其中存在偏差，这个最大偏差称为传感器的非线性误差，即线性度，2）选取拟合的方法很多，主要有：理论线性度(理论拟合) ；端基线性度(端点连线拟合)；独立线性度(端点平移拟合)；最小二乘法线性度。3）线性度 是表征实际特性与拟合直线不吻合的参数。L4）传感器的非线性误差是以一条理想直线作基准，即使是同一传感器基准不同时得出的线性度也不同，所以不能笼统地提出线性度, 当提出线性度的非线性误差时，必须说明所依据的基准直线。2.3 传感器动态特性的主要技术

5、指标有哪些？它们的意义是什么？2.3 答：1）传感器动态特性主要有：时间常数 ；固有频率 ；阻尼系数 。n2）含义： 越小系统需要达到稳定的时间越少；固有频率 越高响应曲线上升越快；当 为常数时响应特性取决于阻尼比 ，阻尼系数 越大，过冲现象减弱， 时无过n 1冲，不存在振荡，阻尼比直接影响过冲量和振荡次数。2.5 有一温度传感器，微分方程为 ，其中 为输出电压30/0.15dytxy（mV) , 为输入温度（） 。试求该传感器的时间常数和静态灵敏度。x2.5 解：对微分方程两边进行拉氏变换，Y(s)(30s+3)=0.15X(s) 则该传感器系统的传递函数为：()0.15.3YsHXs该传感

6、器的时间常数 =10，灵敏度 k=0.05第 3 章 电阻应变式传感器3.1 何为电阻应变效应？怎样利用这种效应制成应变片？3.1 答：导体在受到拉力或压力的外界力作用时，会产生机械变形，同时机械变形会引起导体阻值的变化，这种导体材料因变形而使其电阻值发生变化的现象称为电阻应变效应。当外力作用时，导体的电阻率 、长度 、截面积 都会发生变化，从而引起电阻值 的lSR变化，通过测量电阻值的变化，检测出外界作用力的大小。3.5 一应变片的电阻 R=120，灵敏系数 k=2.05，用作应变为 的传感80/m元件。求： 和 ； 若电源电压 U=3V，初始平衡时电桥的输出电压R/U0。3.5 解： 2.

7、5;80/km/.164; 0.2RR 应 变 引 起 的 电 阻 变 化0331.24RUVUmV当 电 源 电 压 时 ， 电 桥 输 出 电 压 3.8 已知：有四个性能完全相同的金属丝应变片（应变灵敏系数 ）, 将其k粘贴在梁式测力弹性元件上，如图 3-30 所示。在距梁端 处应变计算公式0l为 026FlEhb设力 ， ， ， ， 。10FN0lm5m5221/ENm求：说明是一种什么形式的梁。在梁式测力弹性元件距梁端 处画出四个应0l变片粘贴位置，并画出相应的测量桥路原理图；求出各应变片电阻相对变化量；当桥路电源电压为 6V 时，负载电阻为无穷大，求桥路输出电压 U0 是多少？3.

8、8 解：梁为一种等截面悬臂梁；应变片沿梁的方向上下平行各粘贴两个； 5202;1;5;2;10/kFNlmhbmEN06.FlRk应 变 片 相 对 变 化 量 为 ： 07VUV桥 路 电 压 6时 ,输 出 电 压 为 ：3.9 图 3-31 为一直流电桥，负载电阻 RL 趋于无穷。图中E=4V，R 1=R2=R3=R4=120，试求： R 1 为金属应变片，其余为外接电阻，当 R1 的增量为 R 1=1.2 时，电桥输出电压 U0=? R1、R 2 为金属应变片，感应应变大小变化相同，其余为外接电阻，电桥输出电压 U0=? R1、R 2 为金属应变片，如果感应应变大小相反，且 R 1=R

9、 2 =1.2，电桥输出电压 U0=?3.9 解: 1 0.04EV因 为 只 有 为 应 变 片 ,电 桥 输 出 按 单 臂 电 桥 计 算 ， U因 为 两 应 变 片 变 化 大 小 相 同 ， 相 互 抵 消 无 输 出 ， 12 0, .2RR 因 为 应 变 时 大 小 变 化 相 反 ,电 桥 输 出 按 半 桥 计 算 ，图 3-30第 4 章 电容式传感器4.1 如何改善单极式变极距型电容传感器的非线性？4.1 答：非线性随相对位移 的增加而增加，为保证线性度应限制相对位移的大小；起始0/极距 与灵敏度、线性度相矛盾，所以变极距式电容传感器只适合小位移测量；为提高传0感器的

10、灵敏度和改善非线性关系，变极距式电容传感器一般采用差动结构。4.3 差动式变极距型电容传感器，若初始容量 ，初始距离1280CpF，当动极板相对于定极板位移了 时，试计算其非线04m .75m性误差。若改为单极平板电容，初始值不变，其非线性误差有多大？4.3 解：若初始容量 ，初始距离 ，当动极板相对于定极板位移1280CpF04了 时，非线性误差为：.75220.75()%()13.5%4L改为单极平板电容，初始值不变，其非线性误差为： 0.108.7L4.7 压差传感器结构如图 4-30a 所示，传感器接入二极管双 T 型电路，电路原理示意图如图 4-30b 所示。已知电源电压 UE =1

11、0V，频率 f = 1MHz， R1=R2=40k ，压差电容C1=C2=10pF， RL=20k 。试分析，当压力传感器有压差 PH PL 使电容变化 C=1pF时，一个周期内负载电阻上产生的输出电压 URL 平均值的大小与方向。 4.7 解：当 时， ；HP12C1Ca) b)图 4-304612122()408()2100.366LRLEUUfC V由于 ，电压 UE 的负半周占优势，故 的方向下正上负。12CRLU第 5 章 电感式传感器5.1 何谓电感式传感器？电感式传感器分为哪几类？各有何特点？5.1 答：电感式传感器是一种机-电转换装置，电感式传感器是利用线圈自感和互感的变化实现

12、非电量电测的一种装置，传感器利用电磁感应定律将被测非电量转换为电感或互感的变化。它可以用来测量位移、振动、压力、应变、流量、密度等参数。电感式传感器种类：自感式、涡流式、差动式、变压式、压磁式、感应同步器。工作原理：自感、互感、涡流、压磁。5.2 提高电感式传感器线性度有哪些有效的方法。5.2 答：电感传感器采用差动形式，转换电路采用相敏检波电路可有效改善线性度。5.4 说明产生差动电感式传感器零位残余电压的原因及减小此电压的有效措施。5.4 答：差动变压器式传感器的铁芯处于中间位置时，在零点附近总有一个最小的输出电压，将铁芯处于中间位置时，最小不为零的电压称为零点残余电压。产生零点残余电压0

13、U的主要原因是由于两个次级线圈绕组电气系数（互感 M 、电感 L、内阻 R）不完全相同，几何尺寸也不完全相同，工艺上很难保证完全一致。为减小零点残余电压的影响，除工业上采取措施外，一般要用电路进行补偿：串联电阻； 并联电阻、电容，消除基波分量的相位差异，减小谐波分量；加反馈支路，初、次级间加入反馈，减小谐波分量；相敏检波电路对零点残余误差有很好的抑制作用。5.10 什么叫电涡流效应？说明电涡流式传感器的基本结构与工作原理。电涡流式传感器的基本特性有哪些？它是基于何种模型得到的？5.10 答：1）块状金属导体置于变化的磁场中或在磁场中作用切割磁力线运动时，导体内部会产生一圈圈闭和的电流，这种电流

14、叫电涡流，这种现象叫做电涡流效应。2）形成涡流必须具备两个条件：第一存在交变磁场；第二导电体处于交变磁场中。电涡流式传感器通电后线圈周围产生交变磁场，金属导体置于线圈附近。当金属导体靠近交变磁场中时，导体内部就会产生涡流，这个涡流同样产生交变磁场。由于磁场的反作用使线圈的等效电感和等效阻抗发生变化，使流过线圈的电流大小、相位都发生变化。通过检测与阻抗有关的参数进行非电量检测。3）因为金属存在趋肤效应，电涡流只存在于金属导体的表面薄层内，实际上涡流的分布是不均匀的。涡流区内各处的涡流密度不同，存在径向分布和轴向分布。所以电涡流传感器的检测范围与传感器的尺寸（线圈直径）有关。4）回路方程的建立是把

15、金属上涡流所在范围近似看成一个单匝短路线圈作为等效模型。第 6 章 磁电式传感器6.4 什么是霍尔效应？ 6.4 答：通电的导体（半导体）放在磁场中，电流与磁场垂直，在导体另外两侧会产生感应电动势，这种现象称霍尔效应。6.6 霍尔元件不等位电势产生的原因有哪些？6.6 答：霍尔电势不为零的原因是，霍尔引出电极安装不对称，不在同一等电位面上；激励电极接触不良，半导体材料不均匀造成电阻率 不均匀等原因。6.7 某一霍尔元件尺寸为 ， , ，沿 方向通以电10Lm3.5b1.0dmL流 ，在垂直于 和 的方向加有均匀磁场 ，灵敏度为1.0ImA .3BT，试求输出霍尔电势及载流子浓度。2/()VT6

16、.7 解： 191919/,1.0,.36.10,35,.600.328.4.6HHKIBTUBVLmbdemIne输 出 霍 尔 电 势 ： ，载 流 子 浓 度 为 ： 6.9 霍尔元件灵敏度 ，控制电流 ，将它置于 4/()KVAT3.0ImA410线性变化的磁场中，它输出的霍尔电势范围有多大？4510T6.9 解： 44/(),3.0,1526HHImBTUKVI输 出 霍 尔 电 势 范 围 是 ： 低 端 ：高 端 ：第 7 章 压电式传感器7.1 什么是压电效应？什么是正压电效应和逆压电效应？7.1 答：某些电介质在沿一定的方向受到外力的作用变形时，由于内部电极化现象同时在两个表面上产生符