传感器原理与应用-复习思考题

-1-复习思考题一、填空题1、按能量角度分析，典型的传感器构成方法有三种，即自源型、带激励源型以及外源型，前两者属于能量转换型，后者是能量控制型。2、将温度转换为电势大小的热电式传感器是热电偶传感器，而将温度变化转换为电阻大小的热电式传感器是热电阻（金属材料）或热敏电阻（半导体材料）。3、电感式传感器也称为变磁阻式传感器，它是利用电磁感应原理将被测物理量转换成线圈自感系数和互感系数的变化，再由测量电路转换为电压或电流的变化，从而实现非电量到电量的转换。4、容栅传感器实际上是多个差动式变面积型电容传感器的并联，它具有误差平均效应，测量精度很高。5、热电偶传感器的工作基础是热电效应，其产生的热电势包括接触电势和温差电势两部分。热电偶的中间导体（连接导体）定律是工业上运用补偿导线法进行温度补偿的理论基础；中间温度定律为制定分度表奠定了理论基础；根据中间导体定律，可允许采用任意的焊接方式来焊接热电偶。6、用于制作压电传感器的常用压电材料是石英晶体和压电陶瓷。7、基于外光电效应的器件有光电管和光电倍增管；基于内光电效应的器件有光敏电阻、光电池、光敏二极管和光敏晶体管等。二、选择题:1.被测信号x(t)的最高频率为fm时，采样频率fc至少为___C____,才能恢复原始波形，否则，会引起信号失真。A0.5fmBfmC2fm2.某传感器的精度为2%FS，满量程输出为100mV，可能最大的误差为__A____。A2mVB1mVC4mVD6mV3.传感器在正、反行程中输入输出曲线不重合称为___B_____。A非线性误差B迟滞C重复性4.一弹性式压力传感器在加压过程和减压过程中，输入值相同，但传感器的输出却不一致，这种现象称为____C______。A弹性元件的非线性B弹性后效C弹性滞后D弹性元件的不稳定5.传感器的输出分辨率____D____输入分辨率。A大于B等于C小于D不相关6.传感器能检测到的最小输入增量为_____D______。A零点残余B迟滞C误差D分辨力7.金属应变片利用了金属材料的____A______。A电阻应变效应B压阻效应C压电效应8.半导体应变片利用了金属材料的____B______。A电阻应变效应B压阻效应C压电效应9.应变式传感器是一种_____C_______的测量装置。A只能测量应变B只能测量电阻的相对变化C可以测量能转化为应变的-2-被测量D可以测量所有的被测量10.采用箔式应变片是为了减小传感器的_____C_______。A原始阻值B最大工作电流C横向效应11.直流电桥的平衡条件可以概括为____A_____。A对臂阻抗之积相等B相邻臂阻抗之和相等C相邻臂阻抗之积相等D对臂阻抗之和相等12.电阻应变片测量时采用补偿片作温度补偿，对补偿片的要求是___C____。A与工作应变片处在相同的应变状态下B应该远离工作应变片C与工作应变片处在相同环境温度下13.应变片采用半桥差动测量线路时，电源电压为Usr，其输出电压Usc为__B__。AUsc=UsrBUsc=Usr*△R/(2*R)CUsc=Usr*△R/(4*R)DUsc=Usr*△R/R14.若差动电感传感器磁芯位移与输出电压有效值关系曲线在零点总有一个最小输出电压，称为____A____。A零点残余电压B参考电压C测量信号电压15.常见的数显游标卡尺用____C____作为基准器件。A感应同步器B光栅尺C容栅尺4.热电阻温度计采用三线制或四线制引线是为了?BA.在测量时提高灵敏度B.在测量时消除引线电阻的影响C.消除接触电动势的影响5.霍耳传感器的输出与沿_A__方向的距离成反比。A.磁场B.电流C.电压6.热电偶温度计采用冷端补偿的目的是为了_C__。A.节省热电偶的长度B.避免使用补偿导线C.可以直接使用分度表7.补偿导线的作用是为了__B__。A.补偿冷端不在0℃的影响B.将冷端延伸至远离热源且温度恒定的地方C.节约热电偶材料12.光电倍增管的工作原理是_B__。A.热电效应B.外光电效应C.内光电效应13.电机轴上安装一个10个齿的调制盘，当电机以30π的角速度转动时，光电二极管的输出信号频率是____D____。A300HzB180HzC450HzD150Hz14.电机轴上安装一个60个齿的调制盘，当电机以15π的角速度转动时，光电二极管的输出信号频率是____C____。A900HzB60HzC450HzD15Hz15.裂相光栅四个部分的透射光的相位依次相差____C_______。AπB2πC0.5πD0.25π三、简述题1、简述非线性误差的定义。答：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。-3-2、举例说明结构型传感器与物性型传感器的区别。3、简述压电陶瓷的压电机理。4、简述应变计横向效应的产生原因、横向效应系数的定义及减小横向效应的方法。5、给出热电偶传感器冷端电桥补偿法的结构，并说明其原理。四、如图所示的纯弯试件，如何利用全桥测量提高灵敏度并实现温度补偿，画出布片图和电桥连接图，推导输出公式。F五、压电式加速度传感器的结构如图所示，假设重块组件的质量为m，压电元件的压电系数为d，传感器壳体内的等效阻尼系数为c。要求：（1）分别给出输出电荷q及输出电压U与加速度a之间的关系；（2）画出此加速度传感器的等效模型；（3）推导传感器的微分方程，并说明它是几阶环节的传感器。六、热电阻传感器设计一个电热水器，当热水器内的水温低于90℃时，控制热水器的电源接通，给水加热，同时红色指示灯亮，表示正在给水加热；当热水器内的水温达到95℃时，控制电路自动切断热水器的电源，停止给水加热，处于保温状态，此时绿色指示灯亮，表示可饮用。（本题10分）实验仪器及材料：①热电阻传感器；②XMT-122数字指示调节仪；③电炉及水壶；④稳压电源（DH1718-4）；⑤继电器（控制电压为DC5V）；⑥电源线及导线。说明：（1）XMT-122数字指示调节仪的前面板如图，“H”键和“L”键分别用于调节“上限温度”和“下限温度”。（2）XMT-122数字指示调节仪的后面板中，A、B、C端子接热电阻传感器的输出，电源采用220V（50Hz）CHL弹簧片插头压电元件壳体重块组件导电片基座-4-的交流电。上（下）限电接点1、2、3的状态说明：①当热电阻实测温度低于“上（下）限温度”时，上（下）限电接点端子1、2开路，处于“断”状态，而端子1、3短路，处于“通”状态。②当热电阻实测温度高于“上（下）限温度”时，上（下）限电接点端子1、2短路，处于“通”状态，而端子1、3开路，处于“断”状态。要求：（1）画出系统电路连接图，并说明其工作原理。（2）给出热电阻三线制测量电路及工作原理，说明它是如何减小引线电阻对测量的影响的？1-1.衡量传感器静态特性的主要指标，说明含义。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。回差（滞后）—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。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量程连续多次变动时，所得特性曲线间一致程度。各条特性曲线越靠近，重复性越好。灵敏度——传感器输出量增量与被测输入量增量之比。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。阀值——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。稳定性——即传感器在相当长时间内仍保持其性能的能力。漂移——在一定时间间隔内，传感器输出量存在着与被测输入量无关的、不需要的变化。静态误差（精度）——传感器在满量程内任一点输出值相对理论值的可能偏离（逼近）程度。1-2..计算传感器线性度的方法，差别。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。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。“最佳直线”法：以“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。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。1-3.什么是传感器的静态特性和动态特性？为什么要分静和动？（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。1-4.分析改善传感器性能的技术途径和措施。（1）结构、材料与参数的合理选择（2）差动技术（3）平均技术（4）稳定性处理（5）屏蔽、隔离与干扰抑制(6）零示法、微差法与闭环技术（7）补偿、校正与“有源化”（8）集成化、智能化与信息融合输入上限电接点AB123中Hz50V220C下限电接点123-5-2-1.金属应变计和半导体工作机理的异同？比较应变计各种灵敏系数概念的不同意义？（1）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）对于金属材料，灵敏系数Ko=Km=(1+2μ)+C(1-2μ)。前部分为受力后金属几何尺寸变化，一般μ≈0.3，因此（1+2μ）=1.6；后部分为电阻率随应变而变的部分。金属丝材的应变电阻效应以结构尺寸变化为主。对于半导体材料，灵敏系数Ko=Ks=(1+2μ)+πE。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πE》(1+2μ)，因此Ko=Ks=πE。半导体材料的应变电阻效应主要基于压阻效应。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。原因：112341234104212341234URRRRRRRRURRRRRRRR上式分母中含ΔRi/Ri，是造成输出量的非线性因素。无论是输出电压还是电流，实际上都与ΔRi/Ri呈非线性关系。措施：(1)差动电桥补偿法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ΔRi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。2-9.四臂平衡差动电桥，说明为什么采用？全桥差动电路，R1,R3受拉，R2,R4受压，代入，得由全等桥臂，得可见输出电压Uo与ΔRi/Ri成严格的线性关系，没有非线性误差。即Uo=f(ΔR/R)。因为四臂差动工作，不仅消除了飞线性误差，而且输出比单臂工作提高了4倍，故常采用此方法。3-1.比较差动式自感传感器和差动变压器在结构上及工作原理上的异同？绝大多数自感式传感器都运用与电阻差动式类似的技术来改善性能，由两单一式结构对称组合，构成差动式自感传感器。采用差动式结构，除了可以改善非线性、提高灵敏度外，对电源电压与频率的波动及温度变化等外界影响也有补偿作用，从而提高了传感器的稳定性。互感式传感器是一种线圈互感随衔铁位移变化的变磁阻式传感器，初、次级间的互感随衔铁移动而变，且两个次级绕组按差动方式工作，因此又称为差动变压器。3-4.变间隙式、变截面式和螺旋式三种电感式传感器各适用于什么场合？各有什么优缺331241240123412341142RRRRRRRRUURRRRRRRR33124124012341234111111424U4RRRRRRRRUURRRRRRRRRRURR-6-点？变气隙式灵敏度较高，但测量范围小，一般用于测量几微米到几百微米的位移。变面积式灵敏度较低，但线性范围较大，除E型与四极型外，还常做成八极、十六极型，一般可分辨零点几角秒以