(2025年)《传感器技术》习题答案完整

(2025年)《传感器技术》习题答案完整一、填空题1.传感器通常由敏感元件、转换元件和测量电路三部分组成。敏感元件是直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的其他量的元件；转换元件则将敏感元件输出的非电物理量转换成电信号；测量电路的作用是将转换元件输出的电信号进行处理和转换，以便于后续的显示、记录或控制等。2.传感器静态特性的主要指标有线性度、灵敏度、迟滞和重复性等。线性度是指传感器输出与输入之间的线性程度；灵敏度是输出量的增量与引起该增量的输入量增量之比；迟滞是指传感器在正（输入量增大）反（输入量减小）行程中输出输入曲线不重合的现象；重复性是指传感器在同一工作条件下，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。3.应变片的灵敏系数是指应变片的电阻相对变化率与应变片轴向所受应变之比。它反映了应变片对被测量应变的敏感程度，其大小与应变片的材料、结构等因素有关。4.压电式传感器是基于压电效应工作的，压电效应可分为正压电效应和逆压电效应。正压电效应是指某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个表面上产生符号相反的电荷；逆压电效应则是在电介质的极化方向上施加交变电场，电介质会产生机械变形。5.热电偶的基本定律包括均质导体定律、中间导体定律和中间温度定律。均质导体定律指出，由一种均质导体组成的闭合回路，不论导体的截面积如何以及各处的温度分布如何，都不会产生热电势；中间导体定律说明在热电偶回路中接入中间导体，只要中间导体两端温度相同，对热电偶回路的总热电势没有影响；中间温度定律是指热电偶在两接点温度为T、时的热电势等于该热电偶在接点温度为T、和、时的热电势之和。二、选择题1.下列属于传感器动态特性指标的是（D）A.线性度B.灵敏度C.迟滞D.固有频率解析：线性度、灵敏度和迟滞都属于传感器的静态特性指标，而固有频率是反映传感器动态响应特性的重要指标，它与传感器的动态性能密切相关，如响应速度、稳定性等。2.应变片的电阻变化率ΔR/RA.ΔB.ΔC.ΔD.Δ解析：根据应变片灵敏系数的定义，应变片的电阻相对变化率ΔR/R与应变ε成正比，比例系数为灵敏系数K3.压电式传感器不能用于测量（A）A.静态力B.动态力C.振动D.加速度解析：压电式传感器是基于压电效应工作的，由于压电材料产生的电荷会通过测量电路的输入电阻和传感器本身的泄漏电阻放电，所以它不适合测量静态力，而对于动态力、振动和加速度等动态信号的测量具有良好的性能。4.热电偶冷端温度补偿方法不包括（C）A.冷端恒温法B.补偿导线法C.电桥平衡法D.计算修正法解析：冷端恒温法是将热电偶的冷端置于恒温环境中；补偿导线法是利用补偿导线将热电偶的冷端延伸到温度恒定的地方；计算修正法是根据热电偶的热电势与温度的关系，对冷端温度不为C时的热电势进行修正。而电桥平衡法一般用于其他测量电路的平衡调节，不是热电偶冷端温度补偿的方法。5.下列哪种传感器不属于数字式传感器（B）A.编码器B.热电偶C.光栅传感器D.磁栅传感器解析：编码器、光栅传感器和磁栅传感器都可以直接输出数字信号，属于数字式传感器；而热电偶输出的是模拟电信号，需要经过模数转换才能得到数字信号，不属于数字式传感器。三、简答题1.简述传感器的定义和作用。传感器是能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。其作用主要体现在以下几个方面：信息获取：传感器是获取自然和生产领域中信息的主要途径与手段，它能够将各种非电物理量（如温度、压力、位移、速度等）转换为电信号，为后续的信息处理和控制提供基础。自动化控制：在自动化系统中，传感器相当于系统的“感官”，它将检测到的物理量反馈给控制系统，控制系统根据这些信息进行分析和决策，从而实现对生产过程或设备的自动控制。监测与诊断：在工业、医疗、环境等领域，传感器可以实时监测各种参数的变化，及时发现异常情况，为设备的故障诊断和维护提供依据，保障系统的安全可靠运行。科学研究：传感器为科学研究提供了重要的测量工具，帮助科学家获取各种实验数据，推动科学技术的发展。2.说明应变片测量电路中采用桥路补偿法的原理。桥路补偿法是利用电桥的特性来补偿应变片因温度变化等因素引起的测量误差。以单臂电桥为例，设工作应变片粘贴在被测构件上，感受应变ε和温度变化；补偿应变片粘贴在与被测构件材料相同、不受外力作用但与被测构件处于相同温度环境的补偿块上。电桥的输出电压为：=（为电桥的输入电压）。当温度变化时，工作应变片和补偿应变片的电阻都会发生变化，由于它们处于相同的温度环境且材料相同，电阻的温度变化量Δ和Δ相等。在工作时，工作应变片除了因温度变化产生电阻变化Δ外，还因应变ε产生电阻变化Δ。而补偿应变片只有温度引起的电阻变化Δ。此时电桥输出电压为=。由于Δ=Δ，在一定条件下可以通过合理选择电桥参数，使温度变化引起的电阻变化相互抵消，从而消除温度对测量结果的影响，电桥输出只反映应变ε引起的电阻变化。3.阐述压电式传感器的工作原理和应用场合。压电式传感器的工作原理基于压电效应。某些电介质（如石英晶体、压电陶瓷等）在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个表面上产生符号相反的电荷；当外力去掉后，又恢复到不带电的状态。这种将机械能转换为电能的现象称为正压电效应。相反，在电介质的极化方向上施加交变电场，电介质会产生机械变形，这称为逆压电效应。压电式传感器的应用场合主要有：力和压力测量：由于压电材料对力的响应非常灵敏，压电式传感器常用于测量动态力、冲击力和压力等。例如，在工业生产中用于测量机械零件的受力情况，在航空航天领域用于测量飞行器机翼的压力分布。振动和加速度测量：利用压电式传感器可以测量物体的振动和加速度。例如，在汽车的安全气囊系统中，压电式加速度传感器用于检测汽车的碰撞加速度，当加速度超过设定值时，触发安全气囊打开。超声波检测：基于逆压电效应，压电式传感器可以作为超声波发生器，产生超声波；同时，利用正压电效应，它又可以作为超声波接收器，接收超声波信号。在无损检测、医学超声诊断等领域有广泛应用。4.解释热电偶的热电效应。热电偶的热电效应是指两种不同材料的导体（或半导体）组成一个闭合回路，当两个接点处的温度不同时，回路中会产生热电势，并有电流通过。其产生的原因可以从以下两个方面解释：接触电势：当两种不同的导体A和B接触时，由于它们的电子密度不同，电子会从电子密度大的导体向电子密度小的导体扩散。扩散的结果是在接触处形成一个电场，该电场会阻止电子的进一步扩散，当扩散力和电场力达到平衡时，在接触处就会形成一个稳定的电位差，称为接触电势。接触电势的大小与两种导体的材料和接触处的温度有关。温差电势：对于一种导体，当两端温度不同时，高温端的电子具有较大的动能，会向低温端扩散，从而在导体两端形成一个电位差，称为温差电势。温差电势的大小与导体的材料和两端的温度差有关。在热电偶回路中，总的热电势是由两个接触电势和两个温差电势共同作用的结果。当热电偶的两个接点温度不同时，就会产生一个与温度差有关的热电势，通过测量这个热电势就可以确定两个接点的温度差，进而根据已知的冷端温度求出热端温度。四、计算题1.已知一应变片的灵敏系数K=2，初始电阻R=120Ω根据应变片电阻相对变化率与应变的关系ΔRΔ将K=2，ε=Δ2.有一热电偶，其热电势E(T,)在T=C，=C时为4.095mV；在T=C根据中间温度定律E(先查出=C，=C时的热电势E(设热端温度为T，则E(T,通过热电偶分度表进行线性插值（假设热电势与温度近似线性关系），设温度在C到C之间，E(100,设T满足==TT五、设计题设计一个基于应变片的电子秤系统，要求说明系统的组成、工作原理和主要部件的选择。系统组成该电子秤系统主要由应变式传感器、测量电路、信号处理电路、显示电路和电源等部分组成。工作原理当物体放在电子秤的秤台上时，秤台会受到物体重力的作用而产生微小的变形，粘贴在秤台弹性元件上的应变片会随着弹性元件的变形而产生应变，其电阻值发生变化。测量电路（通常采用电桥电路）将应变片电阻的变化转换为电压信号的变化，该电压信号经过信号处理电路（如放大、滤波、模数转换等）处理后，转换为数字信号，最后由显示电路将物体的重量显示出来。主要部件的选择应变式传感器：选择合适量程和精度的应变式传感器，根据电子秤的最大称量范围来确定传感器的量程。例如，对于家用电子秤，量程可以选择为010kg测量电路：采用惠斯通电桥作为测量电路，它具有灵敏度高、线性度好等优点。为了提高测量的精度和稳定性，可以采用全桥或半桥电路。信号处理电路：放大器可以选择运算放大器，如OP07等，它具有高增益、低噪声等特点；滤波器可以选择低通滤波器，用于滤除高频噪声干扰；模数转换器可以选择合适分辨率的芯片，如A