传感器技术 习题及答案汇 第1-13章 侯劲

第1章思考题与习题参考答案（sensing（transducing组成。（流（DDZ-4～20mA1～5V的直（ane（（解：传感器无线化、微型化、集成化、网络化、智能化、虚拟化、安全化。第2章思考题与习题参考答案解：传感器的静态特性是指被测量的值处于稳定状态时的输出与输入的关系。主要指标：线性度、迟滞、重复性、灵敏度与灵敏度误差、分辨率与阈值、稳定性、温度稳定性、解：阶跃幅值是输入信号为阶跃输入时发生瞬间的幅值变化量，响应时间是系统响应在接近最终稳态值的2%或5%误差内所需的时间。2-1x100110120130140150160y138.50142.29146.06149.82153.58157.31161.04解：由表可知将测量范围分为了6等份，N=7，N为实际标准测试点，可得到x2和xy如下表所示：x210000121001440016900196002250025600xy1385015651.917527.219476.621501.223596.525766.4计算对应的x和y值：根据最小二乘法公式：可得：x100110120130140150160y138.50142.29146.06149.82153.58157.31161.04-0.02640.00760.02160.02560.02960.0036-0.0224最大非线性误差为：根据最小二乘法公式：最小二乘法拟合的相对非线性误差：仅限个人使用，擅自转发，属于侵权行为解：传感器的动态特性是指输入量随时间变化时传感器的响应特性。主要指标：时间常数，延迟时间，上升时间，峰值时间，超调量，衰减比。）8dd+3=6，x（。①求此温度传感器的时间常数与灵敏度。②将此传感器从冰水混合物中取出，开始测量26℃的室温，写出其输出y的阶跃响应表达式。解：①一阶传感器的标准微分方程为：② 3s20100①当开始测量0s时，温度指示是多少℃？②列出传感器输出解析式，计算当开始测量9s时的温度测量误差是多少？2s8s0s20℃。② ③试分计一传器的跃应动误和稳时。解： 150Hz3%100Hz 解：① ② 仅限个人使用，擅自转发，属于侵权行为y(t)x(t)第3章思考题与习题参考答案（部分）将200Ω电阻应变片贴在弹性试件上，试件截面积A=0.4×10⁻⁴m²，弹性模量5×10⁴N2Ω解： 一个量程为20kN的筒式力传感器，其弹性元件为薄壁圆筒，轴向受力，外径25mm，内径20mm，在其表面粘贴8个电阻应变片，4个沿轴向粘贴，4个沿周向（径向）粘贴，电阻应变片的电阻值均为200Ω，灵敏度为2.0，泊松比为0.3，材料弹性模量为2.5×1011N/m²。①绘出弹性元件贴片位置及全桥电路；②当桥路的供电电压为12V时，计算桥路的输出电压；③在满量程时，计算传感器各电阻应变片的阻值变化。解：轴向粘贴各电阻应变片：周向（径向）粘贴，电阻应变片：某测重力的等强度悬臂梁，受到重力（向下的拉力）1×105N，力的作用面积为−4m2，E=4×1011N/m2（灵敏系数K=4）U=10V①单臂电桥输出电压值（不需要考虑温度影响）是多少？是否存在非线性误差？②如果应变片贴装为差动半桥输出，输出电压、非线性误差又是多少？解：单臂电桥输出：

，存在非线性误差，不为0。差动半桥输出：

，非线性误差为0。R1K=2.0R1=150ΩFε=500μm/m。①求电阻应变片的电阻变化量ΔR1和电阻相对变化量ΔR1/R1；仅限个人使用，擅自转发，属于侵权行为②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，求电桥输出电压及其非线性误差；③如果要减小非线性误差，应采取何种措施？分析其电桥输出电压及非线性误差的大小。解：0.0015V0.003V0）3-7E=8V，R1=R2=R3=R4=120Ω析：R11.5R1−5m210N/m25NUo是多少？②假定此为4只规格型号相同且属于同一批次的应变片，用于等强度梁式传感器测力系统中，要求用2只电阻应变片来测量被测参数，另2只实现温度补偿但不产生应变，画出4只应变片在悬臂梁上的粘贴位置及测量电桥。解：第4章思考题与习题参考答案（部分）一个平板电容式传感器放置在相对介电常数εr=1.2的气体环境中，结构如图4-5（a）所示，其中a=12mm、b=18mm，两极板间距d=2mm。测量时，一块极板在原始位置上向左平移了3mm，求该传感器的电容变化量、电容相对变化量和位移灵敏度K。解： 有一个直径为2.5m、高6m的铁桶，往桶内连续注水，液面高度应留10%的余解：当未注入液体时的初始电容为：注液体后总电容量为：在这种情况下，采用圆筒形电容式传感器，实现测量。电阻应变片测量，见54页（3-64）方案4-31C=f(x)ε0ε2＞ε14-31所示。①推导变介电常数型电容式位移传感器的特性方程C=f(x)；证明被测介质在电容极板间位置产生上下平移，不影响C=f(x)的表达式。②设=3、d=1（50，ε11ε2=。在=～6m范C=f(x)Cx解：如图所示，C21、C22、C23串联为C2，然后与C1并联。带入数据即可，或采用例4-4计算方法。并采用MATLAB绘图。r=5mmd=0.4mm，问：①工作时，如果传感器与工件的间隙变化Δd=2μm时，电容变化量是多少？仅限个人使用，擅自转发，属于侵权行为②如果改进为差动结构，传感器与工件的间隙变化量Δd=±2μm时，电容变化量是多少？解：第5章思考题与习题参考答案（部分）S=1cm2L=16cm，相对磁导率r400δ0=06c，Δ=0104×107HmN2000ΔL/Δδ解：5-31U=10V，f=600Hz器线圈电阻与电感分别为R=60Ω，L=40mH，用两只匹配电阻设计成四臂等阻抗电桥以获①匹配电阻的值为多少时才能使输出电压灵敏度达到最大？②当 时，别成臂差动桥的出压。解：①② 变气隙电式器图5-32所，芯面为长5mm的正方，气厚度为0.6mm，衔铁大移=±0.03mm，激励匝数为3000，忽漏及铁，空气导率 。①线圈的电感值；②线圈电感的最大变化量。解：① ② 5-33相对理想位置的变化为x，则ΔL=kx，试计算液位为理想位置及液位上升下降时的传感器输ΔZ1=ΔZ2，ΔL1=ΔL2，ΔL=ΔL1+ΔL2仅限个人使用，擅自转发，属于侵权行为解： ①液面为理想位置，铁芯处于中间位置②液面上升，铁芯上移，③液面下降，铁芯下移，第6章思考题与习题参考答案（部分）解：由磁电感式传感器的传递函数及其幅频特性可知，当被测物振动频率低于传感器的固有频率时，由式（6-7）可知，传感器的灵敏度SU=U0/v,是随振动频率的升高而明显增加的。当振动频率远大于传感器固有频率时，传感器的灵敏度近似为一个常数，基本上不随频率变化，即在这一频率范围内，传感器的输出电压与振动速度成正比关系，这一频段就是传感器的理想工作频段。在振动频率更高（过大）的情况下，线圈阻抗增加，内阻显著增大，由式（6-6）可知，传感器的灵敏度会随着振动频率的增加下降。解：霍尔电动势为：UH=KHIB，在极性相反磁场强度相同的两个磁钢气隙中放入一片霍尔片，当霍尔片处于中间位置时，霍尔片同时收到大小相等，方向相反的磁通作用，则有=0位二者之间的联系是都运用了弹性元件，被测压力转换为弹性元件的位移或形变；区别在于霍尔式压力计通过上面原理测量弹簧管末端位移位移，应变式压力计工作原理是通过压力造成弹性元件的形变，在弹性元件表面粘贴应变片，测量应变而实现压力测量。霍尔元件l、b、d尺寸分别为2.0mm、5.0mm、0.2mm，沿l方向通以电流=1.0Ab=042V·T解：由可得 解：可以实现。传统的的开关，采用机械接触式，在使用时间久后，容易产生抖动或接触不良、强度或弹性下降、金属表面氧化或堆积污垢，系统的可靠性不高。所采用的霍尔式无触点开关，其构造是在按键部分设置永久磁铁，键被按下时，磁铁的磁场作用在开关型集成霍尔传感器上，霍尔元件导通，相当于电路被接通，形成开关动作。开关型集成霍尔元件的工作十分可靠，功耗低，动作过程中传感器与机械部件之间没有机械接触，使用寿命很长。解：霍尔钳形电流表的工作原理主要是基于霍尔效应和安培定律。霍尔钳形电流表的探头使用环形铁芯作为集束器，霍尔器件放置在空隙中间。当电流通过导线时，会在其周围产生磁场，这个磁场的强度与电流成正比。霍尔元件在这个磁场中会产生霍尔电势，其大小与磁场的强度成正比。通过对这个霍尔电势的测量，可以间接测得电流的大小。霍尔钳形电流表通过内置的放大器放大电压信号，使得电流值可以直接读数，而无需接触式测量。非接触式测量方法使得在不断开电路的情况下就能测量电流。第7章思考题与习题参考答案（部分）解：压电效应是指某些材料在受到机械压力（如拉伸或压缩）时，会产生电荷或电压的现象。这种效应源于材料内部的晶体结构在外力作用下发生变形，从而导致内部电荷的分布发生变化。压电效应可分为两种：正压电效应和逆压电效应。正压电效应是指在某些压电材料（如石英、陶瓷等）受到外力作用时，材料内部会产生电荷，表现为表面电压的产生。逆压电效应是指在某些压电材料施加电场时，材料会发生形状或尺寸的变化。解：石英的晶体结构由硅原子和氧原子通过共价键结合而成，形成了一个三维的网络3:XYZ轴。Z轴又称电轴，它通过六面体相对的两个棱线并垂直于光轴：Y轴又称为机械轴，它XYZ解：压电陶瓷具有较宽的工作频率范围，能够在高频和超声波应用中工作。其频率响应能力使其成为超声波发生器、传感器和声学设备的理想选择。在温度和湿度变化下具有良好的稳定性。它们能够在广泛的温度范围内保持压电性能的稳定，并且湿度的影响对其较小，使其适用于各种环境条件下的应用。压电陶瓷具有较高的机械强度和硬度，能够承受较大的压力和应力而不易破裂。这种机械稳定性使得它们在高压力和恶劣环境下具有出色的性能。解：电压放大器处理的是电压信号，通常在压电传感器中，经过压电材料产生的电压信号。在某些情况下，如果压电传感器输出的电压信号较强且稳定，可以直接使用电压放大器进行放大。电荷放大器专门处理电荷信号，适用于从压电传感器中提取的微小电荷信号。（解：不能，因为压电传感器是基于压电效应工作的，能够将机械应力转化为电信号。（解：压电式传感器是一种基于压电效应工作的传感器，用于检测和测量压力、力、加速度、位移、声波等物理量。它们利用压电材料（如压电陶瓷、单晶材料等）的特性，将施加在其上的机械应力转化为电信号。压电式传感器的工作原理是基于电介质材料的压电效应，当对材料的表面施加力时，其表面会产生电荷，电荷经电荷放大器和测量电路放大变换后，成为与外力成正比的电输出，由此再进行测量。解：串联连接：适用于需要高电压输出的场合，并要求测量电路有高的输入阻抗。尤其是在动态测量中效果明显。并联连接：适用于需要高灵敏度和大电荷输出的场合，适用于测量缓变信号和以电荷为输出的场合。第8章思考题与习题参考答案（部分）用S解：①图略，详见书中电路图。②按测温电路测量两点间的温差及三点平均温度，测量误差主要由热电偶的热电势与对应温度的非线性引发。例：测量T1和T2温。设T1和T2的度别是800℃和900℃，则：温差电势 而， ，根据插值公式计算得：，∴测量绝对误差 ，据此电路测量的温差大于际差。用E630℃，20T，K30.383mV接线端是30解：设热电偶热端温度为T① ②查度得：30.383mV对应730℃， ∴该分度号热电偶的热电势与温度成非线性关系。热端为1000℃时，镍铬和考铜组成的热电偶输出热电动势为6.95mV。已知此温度条件下考铜与纯铂组成的热电偶的热电动势为−4.0mV，则镍铬与纯铂组成的热电偶的热电动势为多少？解：第9章思考题与习题参考答案（部分）?（当用光照射物体时，物体受到一连串具有能量的光子的轰击，于是物体材料中的电子（外光电效应是指在光线作用下，能使电子逸出物体表面的现象，如光电管（光电二极光子能量等于逸出功时的频率为红限频率。当光线频率小于红限频率，即使再多的光子照射材料表面也不会产生光电子逸出；当光线频率大于红限频率，即使很微弱的光解：首先，光具有波粒二象性，光又是由具有一定能量、动量和质量的粒子所组成，这种粒子称为光子。光是以光速运动的光子流，每个光子都有一定的能量，其大小与频率成正比，即，不同频率的光具有不同的能量，光的频率越高（即波长越短，光子的能量就越大。光照射物体，可以看成一连串具有一定能量的光子轰击物体，物体中电子吸收的入射A0A0总之，根本原因，在于光的频率决定了光子的能量。光电管的工作原理是什么?其主要特性是什么？光电倍增管是如何工作的?其主要解：光电管是根据外光电效应原理制成的。即当光照射到金属或金属氧化物的光电材料上时，光子的能量传给光电材料表面的电子，如果入射到表面的光能使电子获得足够的能量，电子会克服正离子对它的吸引力，脱离材料表面进入外界空间。倍增电极的点位依次升高，阳极点位最低。由于相邻两个倍增电极之间有电位差，因此，存在加速电场，对电子加速。从阴极发出的光电子，在电场的加速下，打到第一个倍增电极上引起二次电子发射。每个电子能从这个倍增电极上打出次级电子，次级电子经电场加速打到第二个倍增电极上，如此不断倍增，阳极最后收到的电子数将是阴极的105~108倍。主要参数：倍增系数、光电阴极灵敏度和光电倍增管总灵敏度、暗电流、光电倍增管的光谱特性。画出光敏电阻的结构。光敏电阻的主要参数有哪些？设计一个通过光敏电阻控制仅限个人使用，擅自转发，属于侵权行为解：如下图所示根据光敏二极管、光敏晶体管的讲解，对比电学中的二极管、三极管，从工作机PNPN型区移动，从而使通过PN结的方向电流大为增加，这样就形成了光电流，处于导通状态。当入射光的强度发生变化时，光生载流子的多少响应发生变化，通过光敏二极管的电流也随之变化，这样把光信号变成了电信号。光敏晶体管主要特性：光谱特性、伏安特性、光照特性、频率特性。光敏二极管主要特性：光电流，响应时间，输出特性NPPNPNPNPNNPPNPNPNPNPN9-9查阅资料，分析红外测温仪（额温枪为例）的工作原理。解：任何温度高于绝对零度（-273）的物体都会向外辐射红外线，其辐射的能量与物体的温度成正比。人体温度在36~37时，放射出的红外波长为9~13μm。额温枪通过红外传感器接收红外线，将其转化为电信号，再通过信号处理电路将电信号转化为温度数据进行显示与报警。第10章思考题与习题参考答案（部分）?检测气体种类：可燃气体传感器、有毒气体传感器、有害气体传感器、氧气传感器使用方法分类：便携式、固定式从获得气体样品分类：扩散式、吸入式从分析气体组成上：单一式、复合式工作原理：气体接触到加热的金属氧化物会导致电阻值增大或减小Cl−（VOCs）注：其他化学传感器在生活中的应用，言之有理即可。功能：DNA仅限个人使用，擅自转发，属于侵权行为检测的难度和成本。②观察：将生物材料感受到的持续、有规律的信息转换为人们可以理解的信息。生物传感器敏感膜的固化方法有哪些?酶膜、抗体和微生物的固化方法有哪些异同?（（包（）。异同点：酶膜抗体微生物酶膜：用方包理吸、价合交。o 抗体：常用学或吸技。o 微生物：见固技有包法固化。酶膜抗体微生物相同点：三者都追求提高稳定性和反应性，确保在各种条件下的有效性第11章思考题与习题参考答案（部分）① 解：温度传感器在电路中的作用是用来检测系统的温度变化，并将温度信号转换为相应的电信号。这些电信号可以用于系统的温度补偿或校正，以确保测量的精确性。② 解：透镜：透镜的作用是将红外辐射聚焦到检测器上。通过聚焦，可以增加信号的强度，提高测量的灵敏度和准确性。滤光片：滤光片用于选择特定波长的红外辐射，过滤掉不需要的波长，从而提高系统的选择性和测量精度。这种选择性能够让传感器更准确地探测目标辐射，减少干扰。③ 解：热释电效应是指某些材料在温度变化时，会在其表面产生电荷的现象，利用这种效应，可以将温度变化转换为电信号，从而实现温度的测量；热释电效应将热能转化为电信号，产生电流或电压信号，整个过程能量是“光—热—电”的变化。解：热释电效应是指某些材料在温度变化时，会在其表面产生电荷的现象。X解：1.材料的厚度：X射线在穿透材料时会逐渐衰减，材料越厚，X射线的衰减就越显著。2.X射线与这些原子的相互作用就越强烈，导致辐射强度衰减更快。3.物质的质量吸收系数𝜇𝑚:质量系数越解：1.Geiger-Müller计数器：正常情况下，金属丝正极与金属壁负极之间有略低于惰性气体的击穿电压，因此管内气体不放电。当核辐射粒子以高速状态进入管中，它们与气体相互作用，引发气体电离，产生电子-离子对。这些电子-离子对受到电场的影响，产生电流，形成电脉冲，每个脉冲代表一次核辐射事件，可以被计数器记录，从而确定辐射水平。2第12章思考题与习题参考答案（部分）(IoT)技术数据融合：利用归一化，特征提取等技术，将预处理后的数据转换为便于合并的形式，并进行整合与分析，以获得比单个传感器更准确、更全面的信息。（SupervisedLearning）：无监督学习（UnsupervisedLearning）：半监督学习（Semi-supervisedLearning）：强化学习（ReinforcementLearning）：仅限个人使用，擅自转发，属于侵权行为深度学习的基本结构为输入层、隐藏层和输出层，每层由一个或多个神经元节点组成。微处理器：智能传感器的核心，负责数据处理和数据分析等核心工作。信号处理模块：将传感单元采集到的电信号进行模数（A/D）转换，并将转换后的数据传输到微处理器中。通信模块：通过蓝牙、WIFI等技术，或直接通过接口，将传感器与外界的设备或网络建立通信，实现数据传输和交换。原理：激光波在传播过程中的相位会随着时间而变化。设发射波的相位为ϕ1，反射波的相位为ϕ2，则相位差Δϕ为：Δϕ=ϕ2−ϕ1。光波在传播过程中，每传播一个波长λ，相位变化2π。因此，相位差Δϕ与距离d的关系为：其中，λ是激光的波长。由于激光波需要往返于发射器和目标之间，实际计算的距离是往返距离的一半。因此，最终的距离D为：脉冲编码测距法：是一种利用脉冲的时间延迟来测量距离的技术，通常用于雷达和声纳系统。原理：发射器发出一个独特的脉冲编码，这个编码可以是一系列脉冲，每个脉冲具有特定的时间间隔和持续时间，发射的脉冲遇到目标物体后反射回来，接收器捕捉到反射回来的脉冲，利用脉冲的时间延迟来测量距离。距离d可以通过以下公式计算：其中，c是脉冲传播介质中的速度(例如，光速或声速)，Δt是脉冲往返的时间延迟。第13章思考题与习题参考答案（部分）解：由不确定因素（如环境电磁波干扰、动力源不稳定、传感器元器件性能不稳定等）引发而随机产生的误差叫做随机误差。随机误差的大小与正负符号出现无规律变化