傳感器原理及應(yīng)用課后習(xí)題答案(吳建平機(jī)械工業(yè)出版)

1、習(xí)題和答案第1章概述1.1什么是傳感器？根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)的定義，應(yīng)該如何解釋“傳感器”的含義？1.2傳感器由哪些部分組成？試著談?wù)撍鼈兊墓δ芎拖嗷リP(guān)系。1.3簡述傳感器的主要發(fā)展趨勢，并解釋現(xiàn)代檢測系統(tǒng)的特點(diǎn)。1.4如何對(duì)傳感器進(jìn)行分類？根據(jù)傳感器檢測的種類可以分為哪幾種？1.5如何表達(dá)傳感器的圖形符號(hào)？他們的角色是什么意思？我們應(yīng)該注意哪些問題？1.6用圖形符號(hào)表示電阻溫度傳感器。1.7請(qǐng)列舉您使用或看到的兩個(gè)傳感器，并解釋它們的功能。如果沒有傳感器會(huì)發(fā)生什么。1.8空調(diào)和冰箱中使用哪些傳感器？他們各自的角色是什么？回答1.1回答：從廣義上講，傳感信號(hào)檢測裝置和信號(hào)處理部分統(tǒng)稱為傳感器。我們對(duì)傳

2、感器的定義是：一種能夠根據(jù)某種規(guī)則將特定信息(物理、化學(xué)、生物)轉(zhuǎn)換成某種可用信號(hào)的裝置和裝置。從狹義上講，傳感器被定義為一種能夠?qū)⑼獠糠请娦畔⑥D(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出的設(shè)備。我們的國家標(biāo)準(zhǔn)(GB 7665-87)將傳感器/傳感器定義為“能夠感知特定測量數(shù)據(jù)并根據(jù)特定規(guī)則將其轉(zhuǎn)換為可用輸出信號(hào)的設(shè)備和裝置”。定義表明傳感器有三層含義：它是由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成的檢測裝置；它可以將測量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，并按照一定的規(guī)則輸出。傳感器的輸出和輸入之間有明確的關(guān)系。根據(jù)不同的場合，傳感器也被稱為傳感器、傳感器和探測器。1.2回答：成分由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件和基本電路組成。關(guān)系，傳感器處于研究對(duì)象和測試系統(tǒng)之間

3、的接口位置，這是檢測和控制的第一位。傳感器是感知、獲取和檢測信息的窗口。科學(xué)研究和自動(dòng)化生產(chǎn)過程中獲取的所有信息都必須通過傳感器獲取，并轉(zhuǎn)換成易于傳輸和處理的電信號(hào)。它的作用和地位尤其重要。1.3答案：(略)1.4回答：根據(jù)我國制定的傳感器分類體系表，傳感器分為三類，包括物理量傳感器、化學(xué)量傳感器和生物量傳感器，共12個(gè)子類別。根據(jù)傳感器的檢測對(duì)象，可分為機(jī)械量、熱量、流體量、光量、電量、磁量、聲量、化學(xué)量、生物量、機(jī)器人等。1.5回答：圖形符號(hào)(略)，各部分的含義如下：敏感元件：指直接感受測量的傳感器部分。傳感器：能夠感應(yīng)特定的測量信號(hào)并按照一定的規(guī)則將其轉(zhuǎn)換成可用的輸出信號(hào)的裝置或裝置，通

4、常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。信號(hào)調(diào)節(jié)器：轉(zhuǎn)換輸入和輸出信號(hào)的裝置。發(fā)射器：能夠輸出標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的傳感器1.6答案：(略)1.7答案：(略)1.8答案：(略)第二章傳感器的基本特性2.1傳感器的靜態(tài)特性是什么？哪些績效指標(biāo)描述了這一點(diǎn)？它們一般可以用什么公式來表達(dá)？2.2如何確定傳感器的線性度？有什么方法可以確定擬合線？傳感器的線性意味著什么？為什么我們不能籠統(tǒng)地說傳感器的線性度？2.3傳感器動(dòng)態(tài)特性的主要技術(shù)指標(biāo)是什么？它們的含義是什么？2.4傳遞函數(shù)、頻率響應(yīng)函數(shù)和脈沖響應(yīng)函數(shù)的定義是什么？他們之間有什么聯(lián)系和區(qū)別？2.5有一個(gè)溫度傳感器，微分方程為，其中是輸出電壓(mV)和輸入溫度()。嘗試找

5、出傳感器的時(shí)間常數(shù)和靜態(tài)靈敏度。2.6有一個(gè)溫度傳感器。當(dāng)被測介質(zhì)的溫度為t1，溫度傳感器顯示的溫度為t2時(shí)，可以用以下公式表示。當(dāng)被測介質(zhì)溫度從25突然變化到300時(shí)，測溫傳感器的時(shí)間常數(shù) 0為120秒，350秒后計(jì)算傳感器的動(dòng)態(tài)誤差。2.7力傳感器是具有自然頻率的二階傳感器2.8眾所周知，二階傳感器系統(tǒng)的固有頻率為20千赫茲，阻尼比為0.1。如果傳感器的輸出幅度誤差不超過3%，嘗試確定傳感器的工作頻率范圍。2.9兩個(gè)力傳感器可用作二階系統(tǒng)，固有頻率為800赫茲和2.2千赫，阻尼比為0.4。頻率為400赫茲的正弦外力應(yīng)該用哪一個(gè)來測量？并計(jì)算振幅相對(duì)誤差和相位誤差?；卮?.1回答：靜態(tài)特性是

6、當(dāng)輸入量恒定或變化非常緩慢時(shí)傳感器的輸入和輸出特性。其主要指標(biāo)包括線性、滯后、重復(fù)性、分辨率、穩(wěn)定性、溫度穩(wěn)定性和各種抗干擾穩(wěn)定性。傳感器的靜態(tài)特性由靜態(tài)特性曲線反映，靜態(tài)特性曲線是從實(shí)際測繪中獲得的。人們根據(jù)靜態(tài)特性選擇合適的傳感器。2.2回答：1)實(shí)際傳感器具有非線性，線性是將近似擬合的直線與實(shí)際曲線進(jìn)行比較，實(shí)際曲線存在偏差，這種最大偏差稱為傳感器的非線性誤差，即線性。2)擬合方法很多，包括：理論線性(理論擬合)；結(jié)束基線線性(結(jié)束線擬合)；獨(dú)立線性(端點(diǎn)平移擬合)；最小二乘法的線性。3)線性度是一個(gè)指示實(shí)際特性與擬合直線不一致的參數(shù)。4)傳感器的非線性誤差基于理想直線，即使同一傳感器具

7、有不同的基準(zhǔn)，線性度也是不同的，因此不能籠統(tǒng)地提出線性度。當(dāng)提出線性的非線性誤差時(shí)，必須解釋基準(zhǔn)線。2.3回答：1)傳感器的動(dòng)態(tài)特性主要包括：時(shí)間常數(shù)；自然頻率；阻尼系數(shù)。2)含義：越小，系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定所需的時(shí)間越短；固有頻率越高，響應(yīng)曲線上升越快。當(dāng)它不變時(shí)，響應(yīng)特性取決于阻尼比。阻尼系數(shù)越大，超調(diào)現(xiàn)象越弱，并且沒有超調(diào)或振蕩。阻尼比直接影響過沖和振蕩時(shí)間。2.4答案：(略)2.5解決方案：微分方程的兩邊用拉普拉斯變換，Y(s)(30s 3)=0.15倍(s)那么傳感器系統(tǒng)的傳遞函數(shù)是：傳感器的時(shí)間常數(shù)為10，靈敏度K為k=0.052.6解決方案：動(dòng)態(tài)誤差包括穩(wěn)態(tài)誤差和瞬態(tài)誤差。首先找到穩(wěn)態(tài)誤

8、差：取方程兩邊的拉普拉斯變換，得到：那么傳遞函數(shù)是對(duì)于一階系統(tǒng)，階躍輸入下的穩(wěn)態(tài)誤差，然后是瞬態(tài)誤差：當(dāng)t=350s時(shí)，瞬態(tài)誤差為因此，動(dòng)態(tài)誤差為：2.7解決方案：幅度誤差為0.947，相位滯后為5270那么，600赫茲時(shí)的振幅是相對(duì)誤差為(1-0.947)100%=5.3%2.8解決方案：那么點(diǎn)菜吧將溶液代入上述公式得到那么點(diǎn)菜吧將溶液代入上述公式得到根據(jù)圖2-18中二階傳感器系統(tǒng)的幅頻特性曲線，傳感器的工作頻率范圍如下：或者2.9解決方案：=0.4 1。根據(jù)二階傳感器的頻率特性，自然頻率比測量的信號(hào)頻率越大越好。因此，應(yīng)選擇自然頻率為2.2千赫的頻率。相對(duì)誤差為(1-0.940)100%=

9、6.0%因此，相位滯后為833。第三章電阻應(yīng)變傳感器3.1什么是電阻應(yīng)變效應(yīng)？如何利用這種效應(yīng)制作應(yīng)變儀。3.2應(yīng)變儀的靈敏度系數(shù)是多少？它和金屬電阻絲的靈敏度系數(shù)有什么區(qū)別？為什么？3.3為什么可以通過增加應(yīng)變儀兩端電阻條的橫截面積來減小橫向效應(yīng)？3.4金屬應(yīng)變儀和半導(dǎo)體應(yīng)變儀的工作原理有什么不同？半導(dǎo)體應(yīng)變儀和金屬應(yīng)變儀的靈敏度系數(shù)范圍是多少？為什么會(huì)有這樣的區(qū)別，解釋它的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。舉例說明了線電阻應(yīng)變儀和半導(dǎo)體應(yīng)變儀的異同。3.5應(yīng)變儀的電阻R=120，靈敏度系數(shù)k=2.05，用作應(yīng)變傳感元件。尋求：和；如果電源電壓U=3V，則輸入期間電橋的輸出電壓U03.6將電阻為120的R1和R2

10、金屬應(yīng)變儀沿軸和圓周方向連接到鋼制實(shí)心圓柱樣品上(如圖3-28a所示)，并將這兩個(gè)應(yīng)變儀連接到電橋上(如圖3-28b所示)。如果鋼的泊松比、應(yīng)變片的靈敏度系數(shù)k=2、電橋的電源電壓U=2V，當(dāng)試樣軸向拉伸時(shí)，測量應(yīng)變片R1的電阻變化值。試著問：軸向應(yīng)變；電橋輸出電壓。圖3-293.7用于測量由起重機(jī)提升的重物的張力傳感器如圖3-29a所示。R1、R2、R3、R4按照要求連接到橫截面相等的軸上。已知等截面：軸的橫截面積為0.00196m2，彈性模量E=21011N/m2，泊松比，R1=R2=R3=R4=120。組成的全橋電路如圖3-29b所示，電源橋電壓為U=2V。測量的輸出電壓u0為2.6毫伏

11、.問：(1)等截面軸的縱向應(yīng)變和橫向應(yīng)變是多少？力是什么？圖3-283.8已知有四個(gè)性能相同的線應(yīng)變儀(應(yīng)變靈敏度系數(shù))，粘貼在梁式測力彈性元件上，如圖3-30所示。距梁端距離處的應(yīng)變計(jì)算公式為設(shè)定力度。請(qǐng)：圖3-30(1)解釋它是什么樣的光束。從梁式測力彈性元件到梁端畫出應(yīng)變片的四個(gè)粘貼位置，并畫出相應(yīng)的測量橋路示意圖；2)計(jì)算各應(yīng)變片電阻相對(duì)變化；當(dāng)橋電源電壓為6V時(shí)，負(fù)載電阻為無窮大。電橋的輸出電壓U0是多少？3.9圖3-31顯示了負(fù)載電阻R1趨于無窮大的DC電橋。圖中，E=4V，R1=R2=R3=R4=120。試著問： R1是一個(gè)金屬應(yīng)變儀，其余是外部電阻。當(dāng)R1增量為 R1=1.2時(shí)

12、，電橋U0的輸出電壓=？ R1和R2是金屬應(yīng)變儀，感應(yīng)應(yīng)變變化相同，其余為外部電阻，電橋的輸出電壓U0=？ R1和R2是金屬應(yīng)變儀。如果感應(yīng)應(yīng)變大小相反，且 R1= R2=1.2，則電橋U0的輸出電壓=？回答3.1回答：當(dāng)導(dǎo)體受到張力或壓力的外力時(shí)，會(huì)產(chǎn)生機(jī)械變形，同時(shí)，機(jī)械變形會(huì)引起導(dǎo)體電阻值的變化。導(dǎo)體材料的電阻值因變形而變化的現(xiàn)象稱為電阻應(yīng)變效應(yīng)。當(dāng)外力作用時(shí)，導(dǎo)體的電阻率、長度和截面積會(huì)發(fā)生變化，從而引起電阻值的變化。通過測量電阻值的變化，可以檢測出外力的大小。3.2回答：金屬絲的靈敏度系數(shù)主要由材料的幾何尺寸決定。受力后，材料的幾何尺寸變化如下，電阻率變化如下。實(shí)際應(yīng)變儀的靈敏度系數(shù)

13、應(yīng)包括基底、粘合劑和敏感網(wǎng)格的橫向效應(yīng)。雖然長度相同，但應(yīng)變狀態(tài)不同，在將導(dǎo)線制成成品應(yīng)變儀(附在試件上)后，靈敏度系數(shù)降低。3.3回答：敏感網(wǎng)格越窄，基底長度越長，橫向效應(yīng)越小，因?yàn)閮啥穗娮钘l橫截面積大的應(yīng)變儀的橫向效應(yīng)越小。3.4回答：金屬導(dǎo)體應(yīng)變儀的電阻變化是機(jī)械變形產(chǎn)生的應(yīng)變效應(yīng)。對(duì)于半導(dǎo)體，應(yīng)變傳感器主要利用半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)。金屬電阻絲的靈敏度系數(shù)可近似寫成：半導(dǎo)體的靈敏度系數(shù)約為 50 100。3.5解決方案：3.6解決方案1:1)軸向應(yīng)變?yōu)椋?)電橋的輸出電壓為：解決方案2:3.7解決方案：3.8解決方案：(1)梁為等截面懸臂梁；兩個(gè)應(yīng)變儀沿梁方向上下平行粘貼；3.9解決方案

14、：第4章電容式傳感器4.1如何改善單極變極距電容傳感器的非線性？4.2為什么在高頻工作時(shí)電容傳感器的連接電纜長度不能任意改變？4.3對(duì)于差動(dòng)變極距電容式傳感器，如果初始電容和初始距離不同，當(dāng)移動(dòng)板移動(dòng)時(shí)4.5平板電容式位移傳感器如圖4-5所示。眾所周知，印版尺寸、印版間隙和印版之間的介質(zhì)都是空氣。計(jì)算傳感器靜態(tài)靈敏度；如果極板朝這個(gè)方向移動(dòng)，計(jì)算此時(shí)的電容。4.6已知：盤形電容器極板的直徑和間距，以及厚云母片()和空氣()放置在電極之間。問：(1)云母片和云母片的電容值是多少？當(dāng)距離改變時(shí)，電容的相對(duì)變化是什么？4.7差壓傳感器的結(jié)構(gòu)如圖4-30a所示。傳感器與二極管雙T形電路相連，電路原理圖

15、如圖4-30b所示。假設(shè)電源電壓UE=10V，頻率f=1MHz，R1=R2=40k，差分電容C1=C2=10pF，RL=20k。當(dāng)壓力傳感器的壓力差大于1且電容變化 C=1 pf時(shí)，嘗試分析一個(gè)周期內(nèi)負(fù)載電阻上產(chǎn)生的輸出電壓的平均值的大小和方向。a) b)圖4-30回答4.1回答：非線性隨著相對(duì)位移的增加而增加，應(yīng)限制相對(duì)位移以確保線性。初始極距與靈敏度和線性度相沖突，因此變極距電容式傳感器僅適用于小位移測量；為了提高傳感器的靈敏度和非線性關(guān)系，變極距電容式傳感器一般采用差動(dòng)結(jié)構(gòu)。4.2回答：低頻時(shí)容抗較大，傳輸線的等效電感和等效電阻可以忽略不計(jì)。然而，在高頻時(shí)，容抗降低，等效電感和電阻不可忽

16、略。此時(shí)，連接到傳感器的輸出端相當(dāng)于串聯(lián)諧振，并且存在諧振頻率。當(dāng)工作頻率諧振時(shí)，串聯(lián)諧振阻抗最小，電流最大，諧振破壞了傳感器的輸出，使電路無法正常工作。一般情況下，當(dāng)工作頻率高于10兆赫時(shí)，應(yīng)考慮電纜等效電感的影響。4.3解決方法：如果初始容量和初始距離，當(dāng)移動(dòng)板相對(duì)于固定板移動(dòng)時(shí)，非線性誤差為：代替單極性平板電容器，初始值不變，其非線性誤差為：4.4(略)4.5解決方案：對(duì)于平板變面積電容傳感器，其靜態(tài)靈敏度為：極板沿X方向相對(duì)移動(dòng)2mm后的電容為：4.6解決方案：1)2)訂單，然后4.7解決方案：當(dāng)時(shí)；因?yàn)殡妷篣E的負(fù)半周期是主導(dǎo)的，所以它在的方向上是正的和負(fù)的。第五章感應(yīng)傳感器5.1什么是感應(yīng)傳感器？感應(yīng)傳感器有哪些類型？他們的特點(diǎn)是什么？5.2提高電感傳感器線性度的有效方法是什么？5.3解釋單線圈和差動(dòng)可變間隙感應(yīng)傳感器的結(jié)構(gòu)、工作原理和基本特性。5.4解釋差動(dòng)電感傳感器剩余電壓為零的原因以及降低該電壓的有效措施。5.5為什么螺線管電傳感器比可