传感器原理及课后答案答案_传感器原理课后答案

2020-02-27 其他范文下载本文

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1－1：答：传感器在被测量的各个值处于稳定状态时，输出量和输入量之间的关系称为传感器的静态特性；其主要指标有线性度、灵敏度、精确度、最小检测量和分辨力、迟滞、重复性、零点漂移、温漂。

1－2：答：（1）动态特性是指传感器对随时间变化的输入量的响应特性；

（2）描述动态特性的指标：对一阶传感器：时间常数

对二阶传感器：固有频率、阻尼比。

1－3：答：传感器的精度等级是允许的最大绝对误差相对于其测量范围的百分数，即 A＝ΔA/YFS＊100％

1－4；答：（1）：传感器标定曲线与拟合直线的最大偏差与满量程输出值的百分比叫传感器的线性度；（2）拟合直线的常用求法有：端基法和最小二5乘法。

1－5：答：由一阶传感器频率传递函数w(jw)=K/(1+jωτ),确定输出信号失真、测量结果在所要求精度的工作段，即由B/A=K/(1+(ωτ)),从而确定ω，进而求出f=ω/(2π).1－6：答：若某传感器的位移特性曲线方程为y1=a0+a1x+a2x2+a3x3+…….让另一传感器感受相反方向的位移，其特性曲线方程为y2=a0－a1x＋a2x2－a3x3＋……，则Δy=y1－y2=2(a1x+a3x3+ a5x5……),这种方法称为差动测量法。其特点输出信号中没有偶次项，从而使线性范围增大，减小了非线性误差，灵敏度也提高了一倍，也消除了零点误差。

2－1：答：（1）金属材料在受到外力作用时，产生机械变形，导致其阻值发生变化的现象叫金属材料的应变效应。

（2）半导体材料在受到应力作用后，其电阻率发生明显变化，这种现象称为压阻效应。2－2：答：相同点：它们都是在外界力作用下产生机械变形，从而导致材料的电阻发生变化所；不同点：金属材料的应变效应以机械形变为主，材料的电阻率相对变化为辅；而半21/2

导体材料则正好相反，其应变效应以机械形变导致的电阻率的相对变化为主，而机械形变为辅。

2－3：答：金属应变片单位应变引起的应变片电阻的相对变化叫金属应变片的灵敏度系数；它与金属丝应变灵敏度函数不同，应变片由于由金属丝弯折而成，具有横向效应，使其灵敏度小于金属丝的灵敏度。

2－4：答：因为（1）金属的电阻本身具有热效应，从而使其产生附加的热应变；

（2）基底材料、应变片、粘接剂、盖板等都存在随温度增加而长度应变的线膨胀效应，若它们各自的线膨胀系数不同，就会引起附加的由线膨胀引起的应变；常用的温度补偿法有单丝自补偿，双丝组合式自补偿和电路补偿法。

2－5：答：（1）固态压阻器件的特点是：属于物性型传感器，是利用硅的压阻效应和微电子技术制成的压阻式传感器，具有灵敏度高、动态响应好、精度高易于集成化、微型化等特点。（2）受温度影响，会产生零点温度漂移（主要是由个桥臂电阻及其温度系数不一致引起）和灵敏度温度漂移（主要灵敏度系数随温度漂移引起）。

（3）对零点温度漂移可以用在桥臂上串联电阻（起调零作用）、并联电阻（主要起补偿作用）；

对灵敏度漂移的补偿主要是在电源供电回路里串联负温度系数的二极管，以达到改变供电回路的桥路电压从而改变灵敏度的。

2－6：答；（1）直流电桥根据桥臂电阻的不同分成：等臂电桥、第一对称电桥和第二等臂电桥（2）等臂电桥在R＞＞ΔR的情况下，桥路输出电压与应变成线性关系；第一对称电桥（邻臂电阻相等）的输出电压等同于等臂电桥；第二对称电桥（对臂电阻相等）的输出电压的大小和灵敏度取决于邻臂电阻的比值，当k小于1时，输出电压、线性度均优于等臂电桥和第一对称电桥。

3-1 电容式传感器有哪些优点和缺点？

答：优点：①测量范围大。金属应变丝由于应变极限的限制，ΔR/R一般低于1％。而半导体应变片可达20％，电容传感器电容的相对变化量可大于100％；

②灵敏度高。如用比率变压器电桥可测出电容，其相对变化量可以大致107。－

③动态响应时间短。由于电容式传感器可动部分质量很小，因此其固有频率很高，适用于动态信号的测量。④机械损失小。电容式传感器电极间吸引力十分微小，又无摩擦存在，其自然热效应甚微，从而保证传感器具有较高的精度。⑤结构简单，适应性强。电容式传感器一般用金属作电极，以无机材料（如玻璃、石英、陶瓷等）作绝缘支承，因此电容式传感器能承受很大的温度变化和各种形式的强辐射作用，适合于恶劣环境中工作。电容式传感器有如下不足：①寄生电容影响较大。寄生电容主要指连接电容极板的导线电容和传感器本身的泄漏电容。寄生电容的存在不但降低了测量灵敏度，而且引起非线性输出，甚至使传感器处于不稳定的工作状态。②当电容式传感器用于变间隙原理进行测量时具有非线性输出特性。

3-2 分布和寄生电容的存在对电容传感器有什么影响？一般采取哪些措施可以减小其影响。

答：改变传感器总的电容量，甚至有时远大于应该传递的信号引起的电容的变化；使传感器电容变的不稳定，易随外界因素的变化而变化。

可以采取静电屏蔽措施和电缆驱动技术。

3-3 如何改善单极式变极距型电容传感器的非线性？

答：采用可以差动式结构，可以使非线性误差减小一个数量级。

3－4：答：驱动电缆技术是指传感器与后边转换输出电路间引线采用双层屏蔽电缆，而且其内屏蔽层与信号传输线（芯线）通过1：1放大器实现等电位，由于屏蔽电缆线上有随

传感器输出信号变化而变化的信号电压，所以称之为“电缆驱动技术”。3-7 为什么高频工作时的电容式传感器其连接电缆不能任意变化？

答：因为连接电缆的变化会导致传感器的分布电容、等效电感都会发生变化，会使等效电容等参数会发生改变，最终导致了传感器的使用条件与标定条件发生了改变，从而改变了传感器的输入输出特性。

4－1：答：差动式电感传感器是通过改变衔铁的位置来改变两个差动线圈磁路的磁阻而使两个差动结构的线圈改变各自的自感系数实现被测量的检测，而差动变压器式传感器则是通过改变衔铁的位置改变两个原副线圈的互感系数来检测相关物理量的。

5－1答:（1）某些电介质，当沿着一定方向对其施加力而使它形迹时，内部产生极低化现象，同时在它的两个表面上产生符号相反的电荷；当外力去掉后，又重新恢复不带电的状态，这种现象称为压电效应。（2）不能，因为构成压电材料的电介质，尽管电阻很大，但总有一定的电阻，外界测量电路的输入电阻也不可能无穷大，它们都将将压电材料产生的电荷泄漏掉，所以正压电式不能测量静止电荷。

5-3:答：（1）压电式传感器前置放大器的作用：一是把压电式传感器的高输出阻抗变换为低输出阻抗输出，二是放大压电式传感器的输出弱信号。

(2)压电式电压放大器特点是把压电器件的高输出阻抗变换为传感器的低输出阻抗，并保持输出电压与输入电压成正比。

而电荷放大器的特点是能把压电器件的高内阻的电荷源变换为传感器低内阻的电压源，以实现阻抗匹配，并使其输出电压与输入电压成正比，且其灵敏度不受电缆变化的影响。

因为电压放大器的灵敏度Ce的大小有关，见（5－20式）。

6-3．光栅式传感器的基本原理是什么？莫尔条纹是如何形成的?特点？

当标尺光栅相对于指示光栅移动时，形成的莫尔条纹产生亮暗交替的变化，利用光电接收原件将莫尔条纹亮暗变化的光信号转换成电脉冲信号，并用数字显示，从而测出标尺光栅的移动距离（2）1.虽然光栅常数w很小，但只要调整角度seta，即可得到很大的莫尔条纹宽度Bh，起到了放大作用2.莫尔条纹的光强度变化近似于正弦变化便于将电信号进一步细分3.光电元件接收的并不只是固定一点的条纹，而是一定范围内的所有刻线产生的条纹4.莫尔条纹技术还可用径向光栅进行角度测量

6-4光栅传感器有高精度的原因

1.调整角度seta获得很大的莫尔条纹宽度起到放大作用，提高了测量精度

2.通过细分技术提高测量精度

3.光电元件接受一定长度范围内的所有刻线产生的条纹，对光栅刻线的误差起到了平均作用，可能得到比光栅本身的刻线精度高的测量精度

8－1：答：（1）在垂直于电流方向加上磁场，由于载流子受洛仑兹力的作用，则在平行于电流和磁场的两端平面内分别出现正负电荷的堆积，从而使这两个端面出现电势差，这种现象称为霍尔效应。

（2）应该选用半导体材料，因为半导体材料能使截流子的迁移率与电阻率的乘积最大，而使两个端面出现电势差最大。

（3）应该根据元件的输入电阻、输出电阻、灵敏度等合理地选择元件的尺寸。

8－2：答：（1）不等位电势的重要起因是不能将霍尔电极焊接在同一等位面上，可以通过机械修磨或用化学腐蚀的方法或用网络补偿法校正。

8－7答：（1）分为外光电效应和内光电效应两类；

（2）：外光电效应，利用物质吸收光的能量大于物质的逸出功，使电子跑出物体表面，向外界发射的外光电效应。如光电管与光电倍增管。

内光电效应：利用物质吸收光的能量大于物质的禁带宽度，使物质中的电子从健合态过度到自由状态，而使物质的电阻率减小的光电效应。如光敏电阻。

8－8答：（1）光电池的开路电压是指外电路开路时光电池的电动势；短路电流是指外接负载相对于光电池内阻而言是很小的情况下，光电池的输出电流。