传感器原理及应用习题答案(完整版)

1、传感器原理和应用练习问题的答案练习题12练习题23练习题36练习题47练习题58练习题69练习题711练习题813练习题915练习题1016练习题1117练习题1218练习题1320练习题11-1传感器是由什么部分构成的？ 谈各部的作用及其相互关系。a :传感器是一种能感受到规定的测量，并能根据一定的规则转换成可输出的信号的设备或装置。通常，传感器由传感器和转换元件组成。所谓感应元件，是指在传感器中能直接感觉到或反应测量的物体的部分，所谓转换元件，是指将传感器中感应元件感觉到的物体或反应的物体转换成适合传输或测量的电信号的部分。由于传感器的输出信号一般很微弱，所以信号调整和转换电路需要进行放大

2、、运算调制等。 随着半导体器件和集成技术被应用于传感器，传感器的信号调整和转换电路可以被集成在传感器的壳体中，或与传感器元件一起集成在同一芯片上。 另外，信号调节转换电路和传感器的动作需要辅助电源，所以信号调节转换电路和必要的电源作为传感器结构的一部分。简述1-2传感器的作用、地位和传感器技术的发展方向。答：传感器位于信息采集系统的开头，是一个探测、获取和检测信息的窗口，为系统提供处理和决策所需的原始信息。 没有传感技术，整个信息技术的发展就空谈了。 科学技术越发达，自动化程度越高，信息控制技术对传感器的依赖性越大。发展方向：开发新材料，采用微加工技术，研究多功能集成传感器、智能传感器、宇宙传

3、感器、生物传感器等。1-3传感器的静态特性是什么？ 衡量性能的指标主要是什么？a :传感器的静态特性是指测量值处于稳定状态时的输出-输入关系。 与时间无关。主要性能指标有线性、灵敏度、滞后、再现性等。1-4传感器的动态特性是什么？ 常用的分析方法有几种？a :传感器的动态特性是指其输出和随时间变化的输入量之间的响应特性。一般的分析方法有域分析和频域分析。 时域分析以阶跃信号为输入，频域分析以正弦信号为输入。说明1-5传感器没有变形的测试条件。a :对于任何传感器(或测试装置)，最好是总是具有良好的响应特性、精度高、灵敏度高、输出波形无失真的再现输入波形等。 为了实现上述要求，必须满足一定的条件

4、，该条件称为传感器无失真的测试条件。1-6传感器的标定有几种？为什么要标定传感器？a :传感器的标定分为静态标定和动态标定两种。静态标定的目的是确定传感器的静态特性指标，例如直线度、灵敏度、滞后、再现性等。动态指标标定的目的是确定传感器的动态特性参数，例如频率响应、时间常数、固有频率和衰减比等。练习题2简单地叙述2-1电阻应变片产生热输出(温度误差)的原因及其补偿方法。a :应变仪的温度效应及其热输出由两部分组成：前部分由热电阻效应引起的后部起因于敏感栅和样品的热膨胀错误。 如果工作温度的变化很大，必须补偿这种热输出噪声。热输出补偿是指消除对测量失真的干扰。 经常采用温度自补偿法和桥补偿法。2

5、-2尝试降低应变桥非线性的原因和非线性误差的措施。答：应变桥产生非线性的原因：应变计时器内部产生的内部应力和工作中产生的剪应力，导致线栅、基座，特别是橡胶层之间产生的“滑动”。减少非线性误差的措施：选择弹性模量大的粘合剂和基材，适当地使橡胶层和基材变薄，充分硬化，有助于改善非线性误差。2-3如何用电阻应变片构成应变传感器？ 那个各构成要素有什么样的要求？a :一个是作为敏感元件，直接用于被测试片的应变测量，另一个是作为转换元件，由弹性元件构成传感器，间接地测量能转换为弹性元件应变的其他物理量。 作为传感器的应变计，需要更高的要求，特别是非线性误差小(0.05%0.1%F.S.)，力学性能参数对

6、环境温度的影响小，与弹性因素匹配。2-4，现在的电网长度为3mm和5mm两种丝式应变计，横向效应系数分别为5%和3%，想测量泊松比=0.33的铝合金构件在单向应力状态下的应力分布(其应力分布梯度大)。 问题：为什么我应该选哪个应变片？a :请选择网格长度为5mm的应变片。 式和智能应力的大小是通过测量应变计电阻的变化率来实现的。 电阻的变化率主要是受力后导线的几何尺寸的变化引起的部分(相对较大)和电阻率随应变变化的部分(相对较小)。 因为是一般的金属0.3，(1 2)1.6； 后部分为电阻率随应变而变化的部分。 以康铜为例，因为c1，C(1-2)0.4，所以此时K0=Km2.0。 显然，线材的

7、应变阻力效应以结构尺寸的变化为主。 从结构尺寸来看，栅格长度为5mm的线规，与栅格长度为3mm的线规相同的力，电阻变化大。2-5、现在使用线栅长度10mm的应变计，弹性模量E=21011N/m2、密度=7.8g/cm3的钢部件受到共振力引起的应变，要求测定精度在0.5%以上。 尝试组件的最大失真频率限制。a :机械应变波以与声波相同的形状和速度在材料中传播。 依次通过一定厚度的底层、橡胶层(两者都薄，可以忽略)和栅极长度来响应应变计的话，会有时间的延迟。 如果应变片的此响应慢，测量动态(高频)失真，特别会产生误差。 式中的声波在钢构件中传播的速度声波在该钢构件中的传播速度灬灬可以计算。2-6、

8、为什么使用等强度悬臂梁作为应变传感器的力觉元件？ 现用一等强度梁：有效长度=150mm，固枝部的宽度b=18mm，厚度h=5mm，弹性模量E=2105N/mm2，贴上4片等电阻值，K=2的电阻应变计，连接四等臂差动桥构成负载传感器。 提问：1 )悬臂有什么样的布？如何连接桥？ 为什么？2 )输入电压为3V、输出电压为2mV时的称量是多少？a :当力f作用于弹性臂梁的自由端时，悬臂梁变形，在梁的上下表面对称位置应变的大小相当，极性相反，分别贴上应变片R1、R4和R2、R3，连接差动桥时，桥输出电压Uo与力f成比例。 等强度悬臂梁的应变不会随应变片的粘贴位置而变化。1 )、悬臂梁的布片如图2-20

9、a所示。 桥接方法如图2-20b所示。 这样对梁施加力时，R1、R4受到拉力，电阻值增大，R2、R3受到压力，电阻值减少，差动输出电压倍增。 可以提高灵敏度。2 )、输入电压为3V、输出电压为2mV时的称量按如下方式计算公式：代入各参数F=33.3N；1牛顿=0.102公斤，所以F=3.4Kg公斤。 这里注意： F=m*g； 即力=质量*重力加速度1N=1Kg*9.8m/s2 .力的单位为牛顿(n )，质量的单位为Kg，据说重量为3.4Kg。灬2-7、什么是压阻效应？ 扩散硅压阻式传感器与贴片式电阻应变式传感器相比有什么优点，有什么缺点？如何克服？a :“压阻效应”是指半导体材料(锗和硅)的电

10、阻率根据作用应力的变化而变化的现象。尺寸、横向效应、机械的延迟小，灵敏度系数大，所以输出也大，不需要放大器就可以直接连接到记录设备，简化了测量系统。缺点是电阻值和灵敏度系数的温度稳定性差，测定大的应变时非线性严重，灵敏度系数随拉伸和压力而变化，分散度大，一般在(3-5)%之间，因此测定结果中有(3-5)%的误差。压阻式传感器为了提高输出灵敏度，广泛采用全臂差动桥，部分去除了电阻值随温度变化的影响。2-8、应变片的电阻R=120、k=2.05作为应变片为800m/m的传感器元件使用。求出a.r/r和rb .电源电压U=3V时，惠斯顿桥初始平衡，求出输出电压U0。a :这里=800m/m； 所以灬

11、连接全桥电路时，输出电压可以用下式计算式中的n=R2/R1是桥比，在此4个电阻相等，因此计算为设n=1的U0=4.92mV。2-9、在材料为钢的实心圆柱形的试验片上，沿轴线和圆周方向各贴上一张电阻为120的应变片R1和R2，将这两张应变片连接在差动桥上(图2-19 )，钢的泊松系数=0.285，应变片的灵敏度系数k=2，桥电源电压图2-12a半桥电路a :由轴向应变引起电阻变化求出的轴向应变系数总应变系数又来了或者，也可以根据分压定律进行。 得到U0=2.567mV。练习题3比较了3-1磁阻变化式自感传感器、差动变压器式互感传感器和涡流传感器的工作原理和灵敏度。a:1 )、磁阻变化式传感器由线

12、圈、铁心、电枢三部分构成。 铁心和电枢是由硅钢板和坡莫合金等磁导率材料制成的，铁心和电枢之间有空隙，空隙的厚度为，传感器的运动部分与电枢相连。 当电枢移动时，气隙的厚度发生变化，磁路的磁阻发生变化，感应线圈的电感值发生变化，因此如果能检测出该电感量的变化，就能决定电枢的位移量的大小和方向。可变间隙式感应传感器的测量范围与灵敏度和线性度矛盾，因此可变间隙式感应传感器在测量微小位移时比较准确。 为了减小非线性误差，在实际测量中广泛采用差动间隙式电感传感器。2 )、差动变压器式互感传感器：将测量的非电量的变化转换为线圈互感量的变化的传感器称为互感式传感器。 这个传感器是根据变压器的基本原理制作的，次

13、级线圈是差动连接的。 使用最多的是螺线管式差动变压器，能测量1-100mm的机械位移量，灵敏度高。3 )、涡流传感器的工作原理根据法拉第的电磁感应原理，在变化的磁场中放置块状的金属导体，或在磁场中进行切断磁力线的运动时，在导体内产生涡流状的感应电流，将该电流称为涡流效果。 由涡流效应产生的传感器称为涡流式传感器。 灵敏度高。设计了测量3-2空气压缩机主轴径向振动的传感器和测量系统，绘制原理框图，简要叙述工作过程。a :采用间隙传感器，连接电枢和主轴端面，或者直接把主轴端面做成电枢。 根据主轴轴向振动的振幅，设置铁心和线圈。 主轴像这样沿轴向振动的话，气隙的大小会发生变化，线圈中流过的电流也会发

14、生变化。 可以从电流波形的振幅测量振动的振幅和频率值。已知如果3-3某线性差动变压器式传感器的激励电源的工作频率为200Hz，峰值-峰值为6V，电枢的运动频率为20Hz的正弦波，则其位移幅度为2mm，传感器的灵敏度为2V/mm，试制了激励电压、输入位移和输出电压波形，并进行了适当的测定电路a :见p 17页的图3-15和图3-16。 使用相敏感检波电路，检测位移的变化值。什么是3-4涡电流？ 涡流传感器为什么是电感传感器呢？ (提示：从其等效电路的阻抗计算开始说明。 (请参见。)根据法拉第的电磁感应原理，如果在变化的磁场中放置块状的金属导体，或者在磁场中进行切断磁力线的运动，就在导体内产生螺旋

15、状的感应电流，把这个电流称为涡电流。涡流传感器的传感器元件是线圈，当在线圈中流过交变电流靠近金属导体时，线圈产生的磁场被导体产生涡流的磁场部分抵消，线圈的电感量、阻抗、品质系数发生变化。 所以是感应传感器。练习题4已知4-1有可变极间电容传感器元件，两极板的重叠有效面积为810-4m2，两极板间的距离为1mm，空气的相对介电常数为1.0006，我们对该传感器的位移灵敏度进行了计算。a :根据变极距离型静电电容传感器的知识，其位移灵敏度是从已知的条件可知，代入数据可以如下求出。简要叙述4-2静电电容式传感器的工作原理。a :物体间的静电电容、静电电容式传感器的基本原理是基于物体间的静电电容和其构

16、造参数的关系来实现的，这是物理上的知识。 即，当被测定参数变化而产生上式的s或变化时，容量c也变化。 如果不改变其中的两个参数而仅改变一个参数，就可以将该参数的变化转换为电容的变化，从而配置电容传感器。4-3静电电容式传感器的测量电路是什么？a :电容传感器的测量转换电路主要有频率调制式电路、运算放大器式电路、二极管双t型交流桥电路、脉冲宽度调制电路等。简要叙述4-4静电电容式传感器的优点。a :电容式传感器的优点如下1 )构造简单，体积小，分辨率高2 )能够进行非接触测量3 )动态响应好4 )温度稳定性好，自身的发热极小5 )能够在高温放射和强振动等恶劣环境下工作。采用运算放大器作为4-5电

17、容传感器的测量电路，其输出特性是线性的吗？ 为什么？a :作为电容传感器的测量电路采用运算放大器时，其输出/输入特性关系如下。可知运算放大器的输出电压与极板间距离呈线性关系。 因此，运算放大器式电路解决了单个可变极板间距离式电容器的非线性问题。 但是，输入阻抗Zi及放大倍率要求足够大。 同时，为了保证设备的精度，还要求电源电压的幅度和固定电容c的值是稳定的。练习题55-1为什么压电传感器不能用于静态测量，只能用于动态测量？ 频率越高越好吗？a :压电传感器的测量是基于压电效应的，在测量时要保证压电元件产生压电效应的过程中没有电荷泄漏。 在进行静态测量的情况下，实际上不可能完全保存在外力作用于压电元件时产生的电荷，所以压电式传感器不适合静态测量。 为了实现测量时没有电荷泄漏的条件，只需在压电元件上作用交变力，就能通过压电效应来补充电荷，给测量电路提供一定的电流，所以据说压电传感器只能用于动态测量。 另外，频率越高，补充电荷的时间就越短，可以保证测量时无电荷泄漏的效果越高。5-2简单说明水晶结晶和压电陶瓷的工作原理吗？a :水晶结晶是压电结晶，工作原理是压电效应，如果对其施加力，就会产生纵向压电效应和横向压电效应等。压电陶瓷是经过极化处理的人工多晶铁电体。 其工作原理也是压电效应，为了