傳感器章節(jié)習(xí)題答案10

本文格式為Word版，下載可任意編輯——傳感器章節(jié)習(xí)題答案1010測(cè)控復(fù)習(xí)題

C1傳感器基礎(chǔ)

1什么是傳感器？傳感器的基本組成包括哪兩個(gè)部分？這兩個(gè)部分各起什么作用？

答：傳感器是一種能把特定被測(cè)量的信息按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成某種可用信號(hào)并輸出的器件或裝置。傳感器由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。敏感元件能直接感受或響應(yīng)被測(cè)量；轉(zhuǎn)換元件是將敏感元件感受或響應(yīng)的被測(cè)量轉(zhuǎn)換成適于傳輸或測(cè)量的電信號(hào)。2簡述傳感器在自動(dòng)控制系統(tǒng)中的作用。

答：自動(dòng)控制系統(tǒng)中傳感器的主要作用是將被測(cè)非電量轉(zhuǎn)換成與其成一定關(guān)系的電量，它是自動(dòng)控制系統(tǒng)的“感官〞、“觸角〞，自動(dòng)控制系統(tǒng)通過傳感器檢測(cè)到的信息實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的控制。因此，傳感器是自動(dòng)控制系統(tǒng)中得首要部件，是實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化測(cè)量和自動(dòng)控制（包括遙感、遙測(cè)、遙控）的主要環(huán)節(jié)，它對(duì)于決定自動(dòng)控制系統(tǒng)的性能起著重要作用。3傳感器有哪些基本特性？

答：傳感器的基本特性尋?？梢苑譃殪o態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性。靜態(tài)特性是指輸入的被測(cè)量不隨時(shí)間變化或隨時(shí)間緩慢變化時(shí)表現(xiàn)的特性。表征傳感器靜態(tài)特性的主要參數(shù)有線性度、靈敏度、分辯力和遲滯、重復(fù)性；動(dòng)態(tài)特性是指?jìng)鞲衅鞲欇斎胄盘?hào)變化的特性，表征傳感器動(dòng)態(tài)特性的主要參數(shù)有響應(yīng)速度、頻率響應(yīng)。4簡述傳感器的發(fā)展方向

答：1)．新材料的開發(fā)與應(yīng)用

在原有的半導(dǎo)體、陶瓷材料等基礎(chǔ)上，利用新的制造材料來提升傳感器性能，提高傳感器的產(chǎn)品質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本。

2)．新制造技術(shù)的應(yīng)用

采用縝密微弱加工技術(shù)、蒸鍍技術(shù)、擴(kuò)散技術(shù)、光刻技術(shù)、靜電封接技術(shù)、全固態(tài)封接技術(shù)，應(yīng)用使傳感器集成化、超小型化。

3)．新型傳感器的開發(fā)

利用新的物理效應(yīng)、化學(xué)效應(yīng)、生物效應(yīng)開發(fā)出相應(yīng)的新型傳感器，從而為提高傳感器的性能，拓展傳感器的應(yīng)用范圍提供了新的動(dòng)力。

4)．傳感器的集成化

利用集成技術(shù)，將敏感元件、測(cè)量電路、放大電路、補(bǔ)償電路、運(yùn)算電路等制作在同一芯片上，使傳感器體積小、質(zhì)量輕、生產(chǎn)自動(dòng)化程度高、制造成本低、穩(wěn)定性和可靠性高、電路設(shè)計(jì)簡單、安裝調(diào)試時(shí)間短。

5)．傳感器的智能化

開發(fā)具有自補(bǔ)償、自診斷、自校正及數(shù)據(jù)的自存儲(chǔ)和分析等功能的智能傳感器。6)．新一代航天傳感器的研究

采用新原理、新技術(shù)研制新型航天傳感器。7)．仿生傳感器的研究

開發(fā)模仿人的感覺器官的仿生傳感器，如視覺傳感器、聽覺傳感器、嗅覺傳感器、味覺傳感器、觸覺傳感器。

5.試舉出你在日常生活中所遇到的傳感器，并說明它的作用。

答：略

6.時(shí)間常數(shù)為0.001秒的一階裝置對(duì)正弦信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，要求振幅誤差在5%以內(nèi)，求該裝置能夠測(cè)量的正弦信號(hào)的最高頻率。

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10測(cè)控復(fù)習(xí)題

解:

τ=0.001

1?H(f)?1?1?5/100???..7

[1?(?2?f)2]12f=52.3???????????????.3

7.用時(shí)間常數(shù)為0.5的一階裝置進(jìn)行測(cè)量，若被測(cè)參數(shù)按正弦規(guī)律變化，若要求裝置指示值的幅值誤差小于2%，問被測(cè)參數(shù)變化的最高頻率是多少？假使被測(cè)參數(shù)的周期是2s和5s，問幅值誤差是多少？

解：一階裝置,有H(s)?H(?)?11??s1[1?(??)2]12

今??0.5，幅值誤差小于2%,應(yīng)H(?)?0.98求出f?0.08Hz對(duì)被測(cè)信號(hào)：

周期是2s,f1?0.5Hz,H(f1)?0.537，幅值誤差為46.3%周期是5s,f2?0.2Hz,H(f2)?0.847，幅值誤差為15.3%

8.設(shè)時(shí)間常數(shù)為5s的溫度計(jì)，從20?C的室溫條件下突然輸入80?C的水中，經(jīng)過15s之后，溫度計(jì)的指示值為多少度?(77℃)

C2應(yīng)變式電阻傳感器

1什么是電阻的應(yīng)變效應(yīng)？利用應(yīng)變效應(yīng)解釋金屬應(yīng)變式電阻傳感器的工作原理。

答：金屬導(dǎo)體在外力的作用下發(fā)活力械變形，其電阻值隨著機(jī)械變形（伸長或縮短）的變化而發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為金屬的應(yīng)變效應(yīng)。

現(xiàn)有一根長度為l，截面積為A，電阻率為ρ的金屬絲，如圖1所示。

圖1金屬應(yīng)變效應(yīng)

R??未受力時(shí)，電阻值為

lS當(dāng)金屬絲受到拉力F作用時(shí)，將引起電阻值發(fā)生變化，

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10測(cè)控復(fù)習(xí)題

電阻的相對(duì)變化量為

ΔRΔ?ΔlΔS，當(dāng)材料一定時(shí)，ρ不發(fā)生變化，電阻值的變化???R?lS僅與金屬絲長度和金屬絲截面積的變化有關(guān)。

2彈性元件在應(yīng)變式電阻傳感器中起什么作用？

答：彈性敏感元件是電阻式傳感器的敏感元件，能直接感受到被測(cè)的量的變化。3簡述應(yīng)變式電阻傳感器測(cè)量電路的功能。

答：由于彈性敏感元件和應(yīng)變片的應(yīng)變量一般都很小，電阻值的變化量也很小，不易被觀測(cè)、記錄和傳輸，需要通過電橋電路將該電阻值的變化量放大，并轉(zhuǎn)換成電壓或電流信號(hào)。4應(yīng)變式電阻稱重傳感器的工作原理是什么？

秤盤與懸臂梁相連接，秤盤上放要稱重的物料，物料越重，懸臂梁的變形量就越大，使黏在懸臂梁上下兩側(cè)的應(yīng)變片的變形量就越大，變形量轉(zhuǎn)換為電阻值的變化量也就越大，由電橋電路將4個(gè)應(yīng)變片的電阻值的變化量轉(zhuǎn)換為電壓輸出，電壓的大小則反映出物料的重量。

5試比較金屬應(yīng)變式傳感器和半導(dǎo)體壓電式傳感器的異同點(diǎn)。答：一致點(diǎn)：兩者都是將應(yīng)變力轉(zhuǎn)換為電阻的變化。

不同點(diǎn)：金屬應(yīng)變式傳感器是由于導(dǎo)體的長度和半徑發(fā)生改變而引起電阻值的變化，

而半導(dǎo)體應(yīng)變式傳感器是由于其載流子的遷移率發(fā)生變化而引起電阻值的變化。

6下圖2為應(yīng)變片式電阻傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中各編號(hào)名稱：①是應(yīng)變片，②是懸梁臂，③是質(zhì)量塊，④是固定端。試分析該傳感器的工作原理。

圖2傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖

答：當(dāng)質(zhì)量塊上下移動(dòng)時(shí)，將帶動(dòng)懸梁臂自由端上下移動(dòng)，使懸梁臂產(chǎn)生彈性變形，從而貼在懸梁臂上的應(yīng)變片也將發(fā)生變形，使應(yīng)變片的電阻值發(fā)生變化，通過應(yīng)變片組成的橋式電路，將電阻的變化轉(zhuǎn)換為電壓輸出，通過測(cè)量電壓的大小便可知質(zhì)量塊的加速度的大小。7用于測(cè)量起吊重量的拉力傳感器如圖3所示。應(yīng)變片R1、R2、R3、R4貼在等截面軸上，它們組合的電橋電路如圖3（b）所示。試由圖簡述拉力傳感器的工作原理。

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10測(cè)控復(fù)習(xí)題

圖3測(cè)量起吊重量的拉力傳感器示意圖

答：在等截面軸上貼有四個(gè)應(yīng)變片，當(dāng)沒有起吊鉤上起吊物時(shí)，由R1、R2、R3、R4組成的橋式電路平衡，輸出電壓為零；當(dāng)起吊鉤上掛上起吊物時(shí)，等截面軸將被上下拉伸，使得貼在等截面軸上的軸向應(yīng)變片（R1和R2）也隨之拉伸，這兩個(gè)電阻的阻值變大，而徑向應(yīng)變片（R3和R4）被壓縮，R3和R4的阻值變大，橋式電路失去平衡，輸出電壓不為零，并且隨著起吊物重量的增大，輸出電壓也線性增大，通過測(cè)量橋式電路輸出電壓的大小，便可知起吊物的重量。

8應(yīng)變片產(chǎn)生溫度誤差的原因及減小或補(bǔ)償溫度誤差的方法是什么？

答：電阻應(yīng)變片產(chǎn)生溫度誤差的原因：當(dāng)測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境溫度變化時(shí)，由于敏感柵溫度系數(shù)及柵絲與試件膨脹系數(shù)之差異性而給測(cè)量帶來了附加誤差。

電阻應(yīng)變片的溫度補(bǔ)償方法：尋常有線路補(bǔ)償法和應(yīng)變片自補(bǔ)償兩大類。

1）電橋補(bǔ)償是最常用的且效果較好的線路補(bǔ)償法。電橋補(bǔ)償法簡單易行，而且能在較大的溫度范圍內(nèi)補(bǔ)償，但上面的四個(gè)條件不一滿足，特別是兩個(gè)應(yīng)變片很難處于同一溫度場(chǎng)。2）應(yīng)變片的自補(bǔ)償法是利用自身具有溫度補(bǔ)償作用的應(yīng)變片。

9圖4所示為等強(qiáng)度梁測(cè)力系統(tǒng)，R1為電阻應(yīng)變片，應(yīng)變片靈敏度系數(shù)k?2.05，未受應(yīng)變時(shí)R1?120?，當(dāng)試件受力F時(shí)，應(yīng)變片承受平均應(yīng)變??8?10?4，求

（1）應(yīng)變片電阻變化量?R1和電阻相對(duì)變化量?R1/R1。

（2）將電阻應(yīng)變片置于單臂測(cè)量電橋，電橋電源電壓為直流3V，求電橋

輸出電壓是多少。

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R1F10測(cè)控復(fù)習(xí)題

（a）

（b）

圖4等強(qiáng)度梁測(cè)力系統(tǒng)

解：（1）?R1?K??2.05?8?10?4?1.64?10?3，?R1?k??R1?1.64?10?3?120?0.1968?R1解：（2）

10采用阻值R=120Ω靈敏度系數(shù)K=2.0的金屬電阻應(yīng)變片與阻值R=120Ω的固定電阻組成電橋，供橋電壓為10V。當(dāng)應(yīng)變片應(yīng)變?yōu)?000時(shí)，若要使輸出電壓大于10mV，則可采用何種工作方式（設(shè)輸出阻抗為無窮大）？

解：由于不知是何種工作方式，可設(shè)為n，故可得：

K?U2?10?10?3U0???10mV

nn得n要小于2，故應(yīng)采用全橋工作方式。

11.如圖5所示為一直流電橋，供電電源電動(dòng)勢(shì)E=3V，R3=R4=100Ω，R1和R2為同型號(hào)的電

阻應(yīng)變片，其電阻均為50Ω，靈敏度系數(shù)K=2.0。兩只應(yīng)變片分別粘貼于等強(qiáng)度梁同一截面的正反兩面。設(shè)等強(qiáng)度梁在受力后產(chǎn)生的應(yīng)變?yōu)?000，試求此時(shí)電橋輸出端電壓U0。

R4