14传感器作业

《14传感器作业》由会员分享，可在线阅读，更多相关《14传感器作业（11页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、第一章 传感器概论思考题与习题1-1 简述检测系统和自动控制系统的构成及其各部分的功能。答：（1）一种完整的检测系统由鼓励装置、测量装置、数据解决装置和显示、记录装置四大部分。鼓励装置被测对象传感器测量电路数据解决显示记录图1-1 检测系统构成框图鼓励装置是鼓励被测量对象产生表征其特性信号的一种装置。鼓励装置的核心部分是信号发生器，由它产生多种信号鼓励被测对象。测量装置是把被测对象产生的信号转换成易于解决和记录的信号的一种装置。数据解决装置对从测量装置输出的信号进行解决、运算、分析，以提取有用的信息，使人们对客观事物的动态过程有更进一步的结识。显示、记录装置是把测量的信号变为人们感觉所能理解的

2、形式，以提供人们观测和分析的装置。（2）典型的自动控制系统构成框图如图1-2所示。控制器执行器被控对象检测装置反馈器图1-2 自动控制系统构成框图系统通过检测装置获取变化的被控参数信息，并通过反馈环节把它引回到系统的输入端，与给定值比较后成为误差信号，控制器按误差信号的大小产生一相应的控制信号，自动调节系统的输出，使其误差趋向于零。 1-2 简述传感器的构成及其各部分的功能。 答：传感器一般由敏感元件和转换元件两部分构成，有时也将转换电路及辅助电源作为传感器的构成部分，其构成框图如图1-3所示。电参量被测量敏感器转换元件转换电路辅 助 电 源非电量电量图1-3 传感器构成框图敏感元件直接感受被

3、测量（一般为非电量），并输出与被测量成拟定关系的其她量（其中也涉及电量）的元件。转换元件也称传感元件，一般它不直接感受被测量，而是将敏感元件的输出量转换为电参量再输出。转换电路将转换元件输出的电参量转换成电压、电流或频率量。若转换元件输出的已经是上述电量，则就不需要基本转换电路了。1-3 对某传感器进行特性测定所得到的一组输入输出数据如下： 输入xi: 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 输出yi: 2.2 4.8 7.6 9.9 12.6 15.2 17.8 20.1 22.1 试计算该传感器的非线性度和敏捷度。答： 1端点法方程y=24.555x非线性误

4、差（线性度）敏捷度K=24.56x y yfit =y-25.2x+0.1222 =y-24.55x0.1 2.2 2.3978 -0.1978 -0.2550.2 4.8 4.9178 -0.1178 -0.110.3 7.6 7.4378 0.1622 0.2350.4 9.9 9.9578 -0.0578 0.080.5 12.6 12.4778 0.1222 0.3250.6 15.2 14.9978 0.2022 0.470.7 17.8 17.5178 0.2822 0.6150.8 20.1 20.0378 0.0622 0.460.9 22.1 22.5578 -0.4578

5、0.0052最小二乘法Data: Data4_BChi2/DoF= 0.06165 R2= 0.99887a25.20.32055 b-0.122220.18038y=25.2x-0.12222非线性误差（线性度）敏捷度K=25.2x y y=ax+b y-ax-b y-22.1x/0.90.12.22.3978-0.1978-0.2550.24.84.9178-0.1178-0.110.37.67.43780.16220.2350.49.99.9578-0.05780.080.512.612.47780.12220.3250.615.214.99780.20220.470.717.817.5

6、1780.28220.6150.820.120.03780.06220.460.922.122.5578-0.45780.005敏捷度 于是，此传感器的特性方程为线性度计算如下：当x=0.8时，y=19.84，因此；当x=0.7时，y=17.36，因此Dy=0.44；当x=0.6时，y=14.88，因此Dy=0.32；当x=0.5时，y=12.4，因此Dy=0.2；因此Dymax=0.44则线性度1-4 传感器的动态特性常用什么措施进行描述？你觉得这种描述措施能否充足反映传感器的动态特性，为什么？答：（1）在实际工作中，传感器的动态特性常用它对某些原则输入信号的相应来表达。最常用的原则输入信号

7、有阶跃信号和正弦信号两种，因此传感器的动态特性也常用阶跃响应和频率响应来表达。（2）整个相应过程分为动态和稳态两个过程。动态过程又称为过度过程，是指传感器从初始状态到接近最后状态的响应过程。稳态过程是指时间t时传感器的输出状态。阶跃响应重要通过度析动态过程来研究传感器的动态特性，而频率响应则是通过研究稳态过程来分析传感器的动态特性。1-5 传感器实现不失真测量的条件是什么？在实际工作中如何具体运用？答：传感器实现不失真测量，测量装置的频率响应特性应同步满足两个条件：（1）装置对输入的被测信号中所涉及的多种频率成分的幅值放大倍数都同样，即幅频特性应满足（B/A）=K=常数；（2）输入的测量信号中

8、的多种频率成分通过装置后，它的输出滞后与输入的时间td都要同样，即装置的相频特性应满足f（w）= -td w 。在具体测量时，一方面要选好测量装置，并掌握所用测量装置的动态特性，使其在规定的工作频率范畴内的幅频和相频特性比较接近不失真测量的条件。另一方面，应对输入的被测信号进行必要的前置解决，及时滤掉非信号频带内的噪声，以免某些噪声因其频带进入测量装置的谐振区而使信噪比变坏。此外，在选择测量装置时，还应根据不同的测量目的和规定，有针对性的满足测量规定。1-6 为什么要对传感器要进行校检，其实质是什么？ 答：当传感器的工作环境、使用条件不同于阐明书中的规定，或使用时间较长且已通过修理时，为判断它

9、与否可用或者性能参数与否发生变化，往往需对传感器重新进行标定或校检。事实上都是对传感器的特性进行测试，因此校检也分静态和动态两个方面。第二章 传感器测量电路思考题与习题2-1 传感器输出信号有哪些特点？答：（1）传感器输出的电信号有电压、电流、电阻、电容、电感、频率的变化等；（2）传感器输出的电信号一般都比较弱，如电压信号为级，电流信号为级；（3）由于传感器内部噪声的存在，使输出的信号与噪声混合在一起。当噪声比较大，而输出信号又较弱时，常使信号被沉没在噪声之中；（4）大部分传感器的输出、输入关系曲线呈线性或接近线性关系，但仍有少部分传感器的输出、输入关系曲线是非线性的；（5）传感器的输出信号易

10、受外界环境（如温度、电场或磁场）的干扰。2-2 传感器电子测量电路有哪几种类型，其重要功能是什么？答：（1）开关型测量电路 传感器的输出信号为开关信号（如电触点或光线的通断信号）时的测量电路称为开关型测量电路。俄中测量电路实质是一种功率放大器。（2）模拟电路 如果传感器的输出是某些电参数的变化，则需要通过基本转换电路一方面将其转换成电量。常用的基本转换电路有分压电路、运算电路、电桥电路、调频电路、脉冲调宽电路等。（3）绝对码型测量电路 绝对式编码传感器输出的数字编码与被测量的绝对位置值一一相应。每一码道的状态由相应的光电元件读出，经光电转换与放大整形后，得到与被测量相相应的编码。采用循环码的传

11、感器，由于其输出的编码为循环码，因此先要转换为二进制码后再译码输出。（4）增量码数字式测量电路 光栅、慈栅、感应同步器等数字式传感器输出的是增量码信号。传感器的输出经放大、整形后成为数字脉冲信号。（5）传感器与微机的接口 输入到微型机的信号必须是它能解决的数字量信息。根据传感器输出信号的不同，有相应的三种基本接口方式：模拟量接口方式、开关量接口方式和数字量接口方式。2-3 测量装置中常用的噪声干扰有几种？可采用哪些措施予以避免？答：（1）按照噪声产生的来源，一般可分为外部干扰噪声和内部干扰噪声两大类。常用的外部干扰噪声有：由多种电气设备、高压电网、雷电、放电管等的火花放电、弧光放电、电晕放电、

12、辉光放电所产生的放电噪声；由工频、高频和射频等大功率设备、电子开关、脉冲发生器等的干扰所产生的电磁噪声；由环境温度、湿度、光照、振动等生成的环境噪声等。 常用的内部干扰噪声有：由电阻中自由电子的不规则热运动所引起的电阻热噪声；由半导体内带电粒子的不规则和不持续运动引起的半导体散粒噪声；由两种材料之间的不完全接触所引起的接触噪声等。（2）目前常用的抗干扰措施有如下：屏蔽、接地、浮置、滤波、对称电路、光电耦合和脉冲电路中的噪声克制。2-4 屏蔽有哪几种型式？各起什么作用？答：根据干扰场的性质，屏蔽可分为静电屏蔽、电磁屏蔽和低频磁屏蔽等。（1）静电屏蔽使屏蔽体内的电力线不外传，同步不也使外部的电力线

13、影响其内部，以达到消除或削弱两个回路之间由于分布电容的耦合而产生的干扰。（2）电磁屏敝重要用于避免高频电磁场的影响。它有两个作用：通过低电阻金属材料制成的屏蔽体表面对磁场产生反射而削弱其影响；由于电磁场在屏蔽体内产生涡流，再运用反方向的涡流磁场抵消高频电磁场的干扰。低频磁屏蔽 对于低频磁场干扰，用上述电磁屏蔽措施往往难以奏效。此时常采用强磁材料作屏蔽体，因其磁阻极小，为干扰源产生的磁通提供了一种低磁阻通路，并使其限制在强磁屏蔽体内。2-5 接地有哪几种型式？各起什么作用？答接地的几种方式和特点见下表：接地方式重要特点串联一点接地各接地点电位不同，并受其她电路工作电流影响。引线较少，布线简朴。当

14、各电路的电平相差不大时，常常采用并联一点接地各电路的地电位仅与本电路的地电流和地电阻有关，低频时采用此方式较为实用串、并联一点接地兼有串联接地地布线简朴和并联接地线不存在共阻抗噪声干扰的长处，合用于低频测量系统多点接地高频时，为减少接地引线阻抗，各接地点分别就近接于接地汇流排或底座、外壳等金属构件上第三章 电阻式传感器及其应用思考题与习题3-1 何谓电阻式传感器？它重要提成哪几种?它们在输出的电信号上有何不同？答：（1）电阻式传感器是指能将被测量转换成电阻值，再通过相应测量电路解决后，在显示屏记录仪上显示或记录下被测量的变化状态的器件。（2）电阻式传感器重要可以分为如下几种：电阻应变式、压阻式

15、、热电阻、热敏电阻、气敏电阻及湿敏电阻等电阻式传感器。它们分别是将位移、形变、力、力矩、加速度、温度和湿度等物理量转换为电信号。3-2 什么是电阻应变效应？什么是压阻效应？答：（1）电阻应变效应是指引体或半导体材料在外力作用下产生机械变形（拉伸或压缩）时，其电阻值也要随之发生相应的变化。电阻应变片就是基于电阻应变效应制成的。（2）压阻效应是指指当半导体受到应力作用时，由于载流子迁移率的变化，使其电阻率发生变化的现象。电阻式传感器就是基于压阻效应制成的。3-3 试比较金属丝电阻应变片与半导体应变片的相似点和不同点。答：(1)金属丝电阻应变片的特点是制作简朴、性能稳定、价格低廉、易于粘贴。它有纸基

16、型和胶基型两种，是使用最早、最早的电阻应变片。（2）半导体应变片是用半导体材料作为敏感栅制成的，因其敏捷度高（一般比丝式、箔式要高几十倍）、横向效应小而受到好评。3-4 何谓直流电桥？若按桥臂工作方式不同，可分为哪几种？各自的输出电压及电桥敏捷度如何计算？答：（1）为了能将电阻变化转换成电压或电流变化输出，需要采用转换电路。在电路应变式传感器中最常用的转换测量电路是桥式电路。按供桥电源的性质不同，电桥可分为交流电桥和直流电桥两类。（2）根据电阻变化值输入电桥的措施不同，直流电桥分为半桥单臂、半桥双臂和全桥三种。它们的敏捷度是不一R2R1RUR4+-UR3R1R1 RRRRURR+-URRR2R

17、2 1RR UR4+-UR3图3-1 直流电桥的联接方式（a）半桥单臂 ； （b）半桥双臂 ；（c）全桥 ；半桥单臂 如图3-1（a）所示，把由传感器输出的电阻变化量R接入一种桥臂中，工作时只有一种桥臂的阻值随被测物理量而变化（R+R），其他三臂为固定电阻R（R2=R3=R4=0），此时的输出电压为：电桥的敏捷度为半桥双臂 如图3-1（b）所示，把由传感器输出的数值相等而变化相反的电阻变化量R分别接入电桥的相邻两臂中（即图中的R1和R2），此时的输出电压为电桥的敏捷度为 全桥 如图3-1（c）所示，在相对的双臂中接入大小相等、方向相反的电阻变化量，在相对的两臂中接入大小相等、方向相似的电阻变化

18、量，工作时四个桥臂都随被测物理量而变化。此时的输出电压是电桥的敏捷度为3-5 热敏电阻传感器有哪几种？各有何特点及用途？ 热敏电阻按其对温度的不同反映可分为负温度系数热敏电阻(NTC)、正温度系数热敏电阻(PTC）和临界温度系数热敏电阻(CTR)三类。这三类热敏电阻的电阻率与温度t之间的互相关系均为非线性。热敏电阻的特点及应用：热敏电阻具有敏捷度高、体积小、响应速度快、构造简朴等长处，最大的局限性是复现性及互换性较差。(1)用于温度测量(2)用于温度补偿(3)用于温控制。3-6 简要阐明气敏、湿敏电阻传感器的工作原理，并举例阐明其用途。答：（1）气敏传感器是运用半导体气敏元件同被测气体接触后，

19、导致半导体性质的变化，以此来检测待定气体的成分或浓度的传感器的总称。以半导体气敏传感器为例，简要简介下其工作原理。 半导体气敏电阻器可按表面型和体型分类。SnO2和ZnO等较难还原的金属氧化物半导体接触气体时，在较低温度时即产生吸附效应，从而变化半导体的表面电位、功函数及电导率等。由于半导体和气体之间的互相作用仅限于半导体器件的表面，故称为表面型半导体气敏传感器。当rFe2O3等较难还原的氧化物半导体接触到，较低温度下的气体时，半导体材料内的晶格缺陷浓度将发生变化，从而使半导体的电导率发生变化。这种半导体性能变化的气敏传感器称为体型半导体传感器。可制成家用气体泄漏警报器及自动通风电路。QN型气

20、敏半导体器件可以对可燃易爆气体，如汽油、酒精、甲烷、乙烷等均有较好的反映。此外P型气敏半导体器件敏捷度比较高，可以对多种气体的检漏、浓度测量及超限报警等。目前广泛应用于石油、化工、电子、电信等部门。（2）湿敏电阻传感器是一种检测空气湿度的传感器件。它是运用材料的电气性能或机械性能随湿度而变化的原理制成的。它能把湿度的变化转化成电阻的变化，它的传感器件是湿敏电阻。 其工作原理是在电绝缘物中浸渍吸湿性物质，或者通过蒸发、涂覆等工艺，在表面上制备一层金属、半导体、高分子薄膜和粉状颗粒，形成湿敏电阻器件。在吸湿元件的吸湿和脱湿过程中，水分子分解出的离子H+传到状态发生变化，从而使湿敏电阻值发生变化。湿

21、敏传感器就是运用这一电阻器件的电阻值随湿气的吸附与脱附而变化的现象制成的，也就是运用电阻值与所吸附的水作为媒介的离子传导有关的现象制成的。书P49 习题37 已知电阻应变片阻值为100，敏捷系数为2，沿纵向粘贴于直径为0.05m的圆形钢柱表面钢材的E21011Nm2,=0.3，求钢柱在受到10t拉力时应变片电阻的相对变化量。若应变片沿圆周方向粘贴受到同样拉力时应变片电阻的相对变化量为多少？解：沿纵向：应变片沿圆周方向粘贴38 一圆筒荷载传感器，额定负荷为2t，已知不承载时，四片应变片的阻值为120，敏捷度为0.82mV/VK2. 材料=0.3，电桥电源电压Ui=2V。当承载为0.5t时，R1、

22、R3沿轴向粘贴，R2、R4沿园周方向粘贴。求：Rl、R3的阻值为多少?R2、R4的阻值为多少?电桥输出电压U0为多少?每片应变片的功耗Pw为多少？ 解： 当承载为0.5t时电桥输出电压每片应变片的功耗39有一测量吊车起吊重物的拉力传感器如题图3-9(a)所示，R1、R2、R3、R4按规定贴在等截面轴上。已知等截面轴的截面积为0.00196m2，弹性模量E= ，泊松比为=0.30。R1=R2=R3=R4=120，K=2.0.所构成的全桥型式如题图3-9(b)所示，供桥电压为U=2V，现测得输出电压U0=2.6mV。求等截面轴的纵向应变及横向应变为多少？重物m=?解3-10由于是半桥差动电桥，应有

23、第四章 电感式传感器及其应用思考题与习题4-1 何为电感式传感器？简述电感式传感器的变换过程。答：（1）电感式传感器是建立在电磁感应基本上，运用线圈自感或互感的变化来实现非电量电测的一种装置。电感式传感器能对位移、压力、振动、应变、流量等参数进行检测。（2）电感式传感器的变换过程如下：当被测物体某些量发生变化时引起电感的变化，而传感器线圈接入测量系统后，电感的变化就被转化成电压、电流或频率的变化，从而完毕非物理量向电量的转变。4-2 电感式传感器分为哪几类？各有何特点？ 答：电感式传感器重要可以分为自感式、互感式和电涡流式三类。自感式电感传感器有变气隙型、变面积型和螺管型。变气隙型电感传感器敏

24、捷度高，但位移量测量的范畴比较小；变面积型电感传感器敏捷度为一常数：；螺管型电感传感器构造简朴，制作容易，但是敏捷度低。互感式电感传感器又叫差动变压器式传感器，其特点是体积小，线性好。电涡流式电感传感器的特点是构造简朴、体积小、敏捷度高、频率响应宽、抗干扰能力强。4-3 差动变压器传感器有哪些用途？答：运用差动变压器传感器构成差动相敏检波电路和差动整流电路。4-4 什么叫零点残存电压？产生的因素是什么？ 答：（1）变压器电桥电路的输出电压随位移方向的不同而反向180o ，然而 由于桥路电源是交流电，接在输出端上的直流电压表无法鉴别位移的方向。在使用交流电压表时，其实际的输出曲线中存在零点残存电

25、压，用Eo表达，其大小约为零点几种毫伏，特殊状况下可达几十毫伏。但是无论如何调节衔铁的位置，这种零点残存电压始终存在，无法彻底消除它。（2）零点残存电压产生的重要因素是：两个电感线圈的电气参数、几何尺寸或磁路参数不也许做到完全对称；存在寄生参数（如线圈间的寄生电容及线圈、引线与外壳之间的分布电容等）；电源电压中具有高次谐波;磁路的磁化曲线存在非线性。4-9 简述差动整流电路的工作过程。答：差动整流电路时差动变压器常用的测量电路，把差动变压器两个输出线圈的侧电压分别整流后，以它们的差作为输出，这样侧电压上的零点残存电压就不会影响测量成果。4-10 简述电涡流式传感器的工作原理及重要特点。 答：（

26、1）电涡流式传感器的核心是一种固定在骨架上的扁平圆线圈，线圈是用多股漆包线或银线绕制而成的，一般放置在传感器的端部。当把一种扁平线圈1置于金属导体2附近，并在线圈中通以正弦交变电流i1时，线圈的周边空间就会产生正弦交变磁场H1，处在此交变磁场中的金属导体内就会产生涡流i2，此涡流也必将产生交变磁场H2，H2的方向和H1相反。由于H2的作用，涡流要消耗一部分能量，从而使产生磁场的线圈阻抗发生变化。线圈的阻抗的变化与金属导体的几何形状、电导率、磁导率有关，还与线圈的几何参数、鼓励电流的频率以及线圈到被测金属导体的距离等参数有关。当被测物参数发生变化时，就会引起线圈阻抗Z的变化，并引起线圈电感L和线

27、圈品质因素Q值的变化。因此，电涡流式传感器所用的转换电路只要选用Z、L、Q中的任何一种参数，并将其转换成电参量，即可达到检测的目的。（2）电涡流式传感器具有构造简朴、体积小、敏捷度高、频率响应宽、抗干扰能力强等特点，特别是它具有非接触测量的长处，因此被广泛用于测量位移、厚度、振动、转速、硬度等参数，还可进行无损探伤，因而在传感器检测技术中是一种很有前程的传感器件。4-11 与电涡流式传感器配套使用的转换电路重要有哪几种？各自的转换的目的是什么？答：与电涡流式传感器配套使用的转换电路重要有电桥电路、谐振调幅电路和调频电路。电桥电路：桥路将线圈阻抗的变化，转换为电压幅值的变化；谐振调幅电路：将线圈阻抗的变化，转换为输出电压幅值的变化，减少传感器对振荡器工作的影响，又可作为恒流源的内阻，其大小将直接影响转换电路的敏捷度；调频电路：将线圈阻抗的变化，转换为输出电压频率的变化。当传感器位置发生变化时，电感量将发生变化，从而变化了振荡器的振荡频率。