传感器作业习题分解讲解学习

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1、习题 11- 1 衡量传感器静态特性的主要指标有哪些？说说它们的含义。答：1、线性度： 表征传感器输出 - 输入校准曲线与所选定的拟合直线之间的吻合 （或 偏离）程度的指标。2、灵敏度：传感器输出量增量与被测输入量增量之比。3、分辨力：传感器在规定测量范围内所能检测出的被测输入量的最小变化量。4、回差：反应传感器在正（输入量增大）反（输入量减小）行程过程中。输出-输入曲线的不重合程度指标。5、重复性：衡量传感器在同一工作条件下，输入量按同一方向作全程连续多次 变动时，所得特性曲线间一致程度的指标。6、阈值：是能使传感器输出端产生可测变化量的最小被测输入量值，即零位附 近的分辨力。7、稳定性：传

2、感器在相当长时间内仍保持其性能的能力。8、漂移：指在一定时间间隔内，传感器输出量存在着与被测输人量无关的、不 需要的变化。9、静态误差 （精度）：指传感器在满量程内任一点输出值相对其理 论值的可能偏 离（逼近） 程度。它表示采用该传感器进行静态测量时所得数值的不确定度。1- 2 计算传感器线性度的方法有哪几种？差别何在？1、理论直线法：以传感器的理论特性线作为拟合直线，与实际测试值无关。优点是简单、方便，但输出平均值与拟合直线间的最大偏差很大。2、端点直线法：以传感器校准曲线两端点间的连线作为拟合直线。y=b+kx b 截距 k 为斜率 与理论直线发一样 简便 偏差很大3、“最佳直线”法：以“

3、最佳直线”作为拟合直线，该直线能保证传感器正反 行程校 准曲线对它的正负偏差相等并且最小。这种方法的拟合精度最高，但是 只能用图解法和计算机结算来获得。 （断电平行法）4、最小二乘法： 按最小二乘原理求取拟合直线， 该直线能保证传感器校准数据 的残差 平方和最小。最小二乘法的拟合程度很高，但是校准曲线相对拟合直线的最大偏差绝对值并不一定最小，最大正、负偏值差的绝对值也不一定相同。1- 4怎样评价传感器的综合静态特性和动态特性？答：（1） 静态特性：表示传感器在被测输入量各个值处于稳定状态时的输出-输入关 系。动态特性：反映传感器对于随时间变化的输入量的响应特性。（2）由于传感器可能用来检测静态

4、量 （即输入量是不随时间变化的常量）、准静 态量或动态量（即输入量是随时间变化的变量），于是对应于输入信号的性质， 所以传感器的特性分为静态特性和动态特性。1- 5为什么要对传感器进行标定和校准？举例说明传感器静态标定和动态标定 的方法。答：因为新研制或生产的传感器需对其技术性能进行全面的检定；经过一段时间 储存或使用的传感器也需对其性能进行复测。通常，在明确输入 -输出变换对应 关系的前提下，利用某种标准量或标准器具对传感器的量值进行标度称之为标定。静态标定：静态标定主要用于检测、测试传感器（或传感器系统）的静态特性 指标，如静态灵敏度、 非线性、回差、重复性等。进行静态标定首先要建立静 态

5、标定系统。如应变式测力传感器静态标定系统。测力机产生标准力，高精度稳 压电源经精密电阻箱衰减后向传感器提供稳定的供桥电压，其值由数字电压表读取，传感器的输出电压由另一数字电压表指示。动态标定：主要用于检验、测试传感器（或传感器系统）的动态特性，如动 态灵敏度、频率 响应和固有频率等。对传感器进行动态标定，需要对它输入一 标准激励信号。例如测振传感器的动态标定常采用振动台（通常为电磁振动台） 产生简谐振动作传感器的输人量。 振动的振幅由读数显微镜读得，振动频率由频 率计指示。若测得传感器的输出电量，即可通过计算得到位移传感器、速度传感 器、加速度传感器的动态灵敏度。若改变振动频率，设法保持振幅、

6、速度或加速 度幅值不变，可相应获得上述各种传感器的频率响应。标定的基本方法：P29最下面习题 22- 1 金属应变计与半导体应变计在工作原理上有何异同？试比较应变计各种灵 敏系数（指材料的和应变片的）概念的不同物理意义。答：相同点，两者都由外力作用产生形变而使得电阻变化。不同点，金属材料的 应变效应以机械形变为主； 而半导体材料的应变效应以机械形变导致的电阻率的 相对变化为主。对于金属材料，灵敏系数 Ko=Km=（1+& ）+C（1-2卩）。前部分为受力后金属 几何尺寸变化，一般卩0.3，因此（1+2卩）=1.6 ;后部分为电阻率随应变而变 的部分。对于半导体材料，灵敏系数 Ko=Ks=（1+

7、2卩）+ n E。前部分同样为尺寸 变化，后部分为半导体材料的压阻效应所致，而n E（1+2卩），因此Ko=Ks= E。2- 3 简述电阻应变计产生热输出（温度误差）的原因及其补偿办法。 答：电阻应变计的温度效应及其热输出由两部分组成： 前部分为热阻效应所造成; 后部分为敏感栅与试件热膨胀失配所引起。 在工作温度变化较大时， 会产生温度 误差。补偿办法：1 、温度自补偿法（1）单丝自补偿应变计P43 原理 优点（2）双丝自补偿应变计P43 原理 优点2、桥路补偿法（ 1 ）双丝半桥式P43 原理 优点（ 2）补偿块法P44 原理 优点2- 4 试述应变电桥产生非线性的原因及消减非线性误差的措施

8、。答：因为电桥的输出无论是输出电压还是电流，实际上都与Ri/Ri呈非线性关 系。措施：(1)差动电桥补偿法利用差动电桥呈现相对臂“和”，相邻臂“差”的特征，通过应变计合理布 片达到补偿目的。常用的有半桥差动电路和全桥差动电路。(2)恒流源补偿法误差主要由于应变电阻厶Ri的变化引起工作臂电流的变化所致。采用恒流 源，可减小误差。2- 5如何用电阻应变计构成应变式传感器？对其各组成部分有何要求?答：一是作为敏感元件，直接用于被测试件的应变测量；另一是作为转换元件， 通过弹性敏感元件构成传感器，用以对任何能转变成弹性元件应变的其他物理量 作间接测量。同时应变式传感器应有一下特点：应用和测量范围广分辨

9、力和灵 敏度高 结构轻小 对试件影响小 商品化选用和使用方便。要求：非线性误差要小(硅，实际应用时要根据被测光的波 长来选择光敏元件的材料，从而在相同的辐射功率下达到较高的灵敏度要求。8-9试指出光电转换电路中减小温度、 光源亮度及背景光等因素变动引起输出信 号漂移采用的措施。（这部分书上好像不够详细）答：温度影响：进行温度补偿。光源亮度影响：根据不同的亮度范围采用不同的负载电阻。 背景光影响：桥 路补偿法，调制法8-10简述光电传感器的主要形式及应用。答：按输出量的性质，可分为模拟式和开关式。模拟式中还可分透射式、反射式、 遮光式、辐射式。应用：光电式数字转速表，光电式物位传感器，视觉传感器

10、，细丝类物件的在线检测。8-11举出你熟悉的光电传感器应用实例，画出原理结构图并简单说明原理。 答：实例，手机上的光照度传感器，用来辅助调节屏幕的亮度以及接听电话时 测距以便防止脸部误触，放口袋中时防止误触等。光照 投光器受光器光电器件测量电路-111 I 1电信号出光电感应器是由两个组件即投光器及受光器所组成，利用投光器将光线由透镜 将之聚焦，经传输而至受光器之透镜，再至接收感应器，感应器将收到之光线 讯号转变成电器信号，此电信讯号更可进一步作各种不同的开关及控制动作， 其基本原理即对投光器受光器间之光线做遮蔽之动作所获得的信号（描述不准确！）加以运用以完成各种自动化控制。8-12试说明图8

11、-33 （b）所示光电式数字测速仪的工作原理。（1）若采用红外发光器件为光源，虽看不见灯亮但电路却能正常工作，为什么？（2）当改用小白炽灯作光源后，却不能正常工作，分析原因。答：图（b）工作原理：调制盘上有均匀的六个缺口，当电机转动时，透光与不 透光交替出现，光电元件间断地接收到光信号，输出电脉冲。经放大整形电路转 换成方波信号，由数字频率计可测得电机的转速。（1）因为红外发光器件发出的光看不见，可以接收所以电路可以正常工作。（2）小白炽灯的光太散，可以射向四面八方，不容易被遮挡，所以会存在 光电器件一直接收到光信号的情况，这样计数就无法进行，导致电路不正常工作。X8-14手头有三种光电元件：

12、硫化铊光敏电阻、硫化铅光敏电阻、硅光敏三极管， 用可见光为光源，请按下列条件选用光电元件。（1）制作光电开关，开关频率约为10赫兹；（2）制作光电开关，开关频率约10000赫兹；（3）作线性测量元件，响应时间0.1S。答：根据光电器件的响应时间特性可知（1）硫化铊（2）硫化铅（3）硅光敏三极管习题 99- 1 试用折线分析方法，阐明阶跃光纤的导光原理，并解释光纤数值孔径的物理 意义。答：阶跃光纤的导光原理： 根据光的折射原理， 光由光密介质射到光疏介质时会 产生折射现象，当入射角大于临界角是则会发生全反射。 光纤的纤芯为光密介质， 包层为光疏介质， 由于光的入射角大于这两者界面的临界角， 所以

13、光可以在纤芯 内连续发生全反射，直到由终端输出。数值孔径：光线从折射率为 1 的空气射入到纤芯时实现全反射的临界角的正弦值NA,它是衡量光纤光性能的主要参数，NA越大，光纤的集光性能越强。9-2有一阶跃光纤，已知n1=1.46, n2=1.45外部介质为空气n0=1。试求光纤的数 值孔径值和最大入射角。答：NA=Vn 1A2-n2T=0.17Si nB =NA=0.17 ,9 =9.78数值孔径值为 0.17，最大入射角为 9.78。9- 4 如图 9-6 所示，反射式光强调制器的输出信号（如电压）与光源的稳定性和 被检测表面的反射率有关。试问能否设计一种结构可消除这两种不利影响？答：习题 1

14、111-5 如何改善电阻型半导体气体传感器的选择性？ 答：参杂，即在基体材料中加入不同的贵金属或金属氧化物催化剂， 设置合适的 工作温度，利用过滤设备或透气膜外过滤敏感气体。11-7 什么是绝对湿度，什么是相对湿度？答：绝对湿度：每立方米空气中所含的水汽的质量。相对湿度 :大气中水汽的饱和度。11-8 电阻型湿敏器件是如何敏感湿度的？答：有两种机理：（1）离子导电机理，靠离子导电的湿度敏感材料对水汽的吸附 量增加时材料内部的离子数增多，电阻减小。 （2）材料吸湿膨胀机理，感湿材料 中含有导电性粉末，吸收水分后材料膨胀，导电粉末间距变化，电阻增大。根据 阻值大小可以测出湿度大小。11-9 电容型湿敏器件有什么特点？ 答：响应快，温度系数小，但是高温易漂移，抗污染性差。