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1传感器技术考试题型：填空：（PPT的红字部分）单选：（PPT的红字部分）简答：（作业和例题）计算：（作业和例题）天涯古巷出品2【传感器部分】第一章传感器的一般特性PartI填空、选择一、传感器的静态特性1、定义：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静态特性。2、传感器的七个静态特性①线性度②灵敏度③精确度④迟滞⑤重复性⑥零点漂移⑦温漂3、输出和输入量的关系1多项式：2分类①理想线性：②奇次阶项：（近似线性）③偶次阶项：④奇、偶次介项：4、相关概念1拟合直线：2静态校准曲线：用一定精度的校准设备，对传感器进行多次测试，即可得到一组（输出/输入）数据。将这些散点数据列成表格，再画出各被测量值（正行程和反行程）对应输出平均值的连线，即为传感器的静态校准曲线。二、线性度1、定义：校准曲线与拟合直线间最大偏差与满量程（F·S）输出值的百分比称为线性度。2、非线性误差是以一定的拟合直线或者理想直线为基准直线算出来的。3、拟合直线方法①端基法：以校准曲线的零点输出和满量程输出值连成直线。②最小二乘法：使为最小值Y=a1XY=a1X+a2X3+a3X5+……Y=a1X+a2X2+a3X4+……Y=a1X+a2X2+a3X3+a3X4+……Y=a1Xå=Dnii123三、灵敏度1、定义指到达稳定工作状态时，输出变化量与输入变化量之比。校准曲线的斜率就是静态灵敏度K2、非线性传感器的灵敏度：其数值等于所对应的最小二乘法拟合直线的斜率四、精确度1、精密度δ：描述测量结果的分散性。2、正确度ε：描述测量结果偏离真值大小的程度。3、精确度τ：精密度与正确度两者之和，即测量的综合优良程度。4、精确度等级A：传感器最大误差与测量范围的百分比，即五、迟滞1、定义：在相同工作条件下，对应同一输入量程往返测量，其正行程和反行程输出值间出现偏差。2、表示：用最大偏差与满量程百分比表示。3、迟滞现象反映了传感器机械结构和制造工艺上的缺陷。六、重复性1、定义在同一工作条件下，输入量按同一方向在全测量范围内连续变动多次所得特性曲线的不一致性。2、表示：用各测量值正、反量程标准偏差最大值的2倍或3倍与满量程的百分比表示。七、零点漂移指传感器无输入（或某一输入值不变）时，每隔一段时间进行读数，其输出偏离零值，即零点漂移。八、温漂温漂表示温度变化时，传感器输出值的偏离程度。%100´D=×SFYAA4PartII简答、计算1、⼀一台精度等级为0.5级、量量程范围为600～1200℃的温度测量量仪表，它允许的最⼤大绝对误差为多⼤大?检验时发现某点最⼤大绝对误差为4℃，问该仪表是否合格?【公式】精度：解：依题意，，由精度定义表达式得：最大绝对误差：∵检验时发现某点最⼤大绝对误差为4℃＞3℃∴该仪表不不合格%100´D=×SFYAA;FSAAY×DA=0.5%YFiS=(1200−600)!CΔA=AYFiS=0.5%×(1200−600)=3!C5第二章应变式传感器PartI填空、选择一、金属应变片式传感器1、核心元件金属应变片式传感器的核心元件是金属应变片，将试件的应变(形变)转化成电阻的变化。2、金属应变片式传感器的优缺点1优点①精度高，测量范围广②频率响应特性好③结构简单，尺寸小，质量轻。2缺点①大应变时存在明显非线性；②输出信号弱，抗干扰能力差；③测量仅局限于应变片部位，周围情况不能表达。二、金属丝和薄板应变片1、金属丝：将试件上的应变转化成电阻变化。电阻变化与轴向应变之间存在线性关系2、金属栅：1既受轴向应变影响，又受横向应变影响，称为横向效应。2对敏感栅材料的要求：①电阻温度系数小；②抗氧化，耐腐蚀；③较大应变灵敏系数，且为常数（稳定性好）；④高而稳定的电阻率，便于造小栅长应变片三、温度的影响：①应变片的电阻丝具有一定温度系数；②电阻线材料与试件材料线膨胀系数不同。四、温度补偿方法：①单丝自补偿应变片②双丝组合式自补偿应变片③电路补偿法：用两个相同的应变片，一个工作片，一个补偿片6PartII简答、计算1、将100Ω电阻应变片贴在弹性试件上，若试件受力横截面积S=0.5×10-4m2，弹性模量正E=2×1011N／m2，若有F=5×104N的拉力引起应变电阻变化为1Ω。试求该应变片的灵敏度系数?【公式】电阻相对变化量：（为应变片灵敏度系数）应变：应力：解：由题意得应变片电阻相对变化量根据材料力学理论可知：应变(σ为试件所受应力，)故应变：应变片灵敏度系数：2、根据下图推导公式：解：设流过、、、的电流分别为：、、、由基尔霍夫定律得：①②③④⑤由①③得，即：⑥由②④得，即：⑦将⑥⑦带入⑤并且移项得：ΔRR=KSεKSε=σEσ=FS1001=DRRε=σEσ=FS005.0·==ESFe2/=D=eRRKR1R2R3R4I1I2I3I4Ig=I2−I1Ig=I3−I4E=I1R1+I2R2E=I3R3+I4R4IgRg=I4R4−I2R2E=(I2−Ig)R1+I2R2I2=E+IgR1R1+R2E=(I4+Ig)R3+I4R4I4=E+IgR3R3+R47第三章电容式传感器PartI填空、选择一、电容式传感器1、定义：电容式传感器是将被测量转换成电容量的装置。2、电容式传感器的优缺点1优点①测量范围大，相对变化量可达100%。②动态响应时间短。③灵敏度高。④机械损失小，结构简单，适应性强。2缺点①寄生电容②变间隙原理进行测量时，具有非线性输出特性。3、类型1变面积型（S）：测量角位移、直线位移2变介电常数型（ε）：测量液面高度，介电常数，湿度3变极板间距型（d）：仅适用于测量微小位移，非线性误差大4、非线性误差较大，该用差动结构差动结构优点：①灵敏度提高一倍；②非线性误差减小一个数量级二、计算公式1、灵敏度：2、电容定义：3、1ddD!时，线性度表达式：0()100%LdddD=´K=dCxdx0rSSCddeee==8PartII简答、计算1、变间距（d）型平板电容传感器，当时，若要求测量线性度为0.1%。求：允许间距测量最大变化量是多少？解：当变间距平板型电容传感器的1ddD!时，其线性度表达式为0()100%LdddD=´由题意，故得0.1%()100%1dD=´，即测量允许变化量0.001dD=mm2、如何改善单极式变极距型电容传感器的非线性？答：可以采用差动式结构，可以使非线性误差减小一个数量级。3、如图所示平板式电容位移传感器。已知：极板尺寸，间隙，极板间介质为空气。求该传感器静态灵敏度；若极板沿x方向移动2mm，求此时电容量。解：依题意：00000(),rrxbaxabCCddeeee-==由公式得：静态灵敏度此时的电容量123001(10)1(410)(42)()3.60.1420.5rxbaxCpFdeep--´´´´´--===d0=1mmK=dCxdxK=dCxdx=−ε0εrbd0=13.6π×10−12×1×4×10−30.5F/mm=0.07pF/mmd0=0.5mma=b=4mm×10−39第四章电感式传感器PartI填空、选择一、电感式传感器1、原理：利用线圈自感和互感的变化，实现非电量测量。2、分类：可分为自感式和互感式两种。3、优缺点1优点①结构简单、可靠，测量力小。②分辨力高。③重复性好，线性度优良。2缺点频率响应低，不易快速动态测量。二、自感式传感器1、气隙型电感传感器原理：面积S，长度l→磁阻Rm→电感L→电压U四、差动变压器1、螺管型差动变压器原理：初、次级线圈间的互感随被测位移的改变而变化。五、电涡流式传感器1、电涡流当导体置于交变磁场中时，就会在导体中产生感生自行闭合的电流。2、涡流效应从能量角度看，电涡流的产生必然要消耗一部分能量，从而使产生磁场的激励线圈的电参数发生变化。3、优点：非接触测量。4、测量：位移、振动、厚度、转速、应力、硬度、无损探伤。10PartII简答、计算1、如图气隙型电感传感器，衔铁断面积S=4×4mm2，气隙总长度lδ=0.8mm，衔铁最大位移△lδ=0.08mm，激励线圈匝数N=2500匝，导线直径d=0.06mm，电阻率ρ=1.75×10-6Ω·cm。当激励电源频率f=4000Hz时，忽略漏磁及铁损。求计算：(1)线圈电感值；(2)电感的最大变化量；(3)当线圈外断面积为11X11mm2时求其直流电阻值；(4)线圈的品质因数（1）（2）当衔铁最大位移Δlδ=±0.08mm时，分别计算：Δlδ=+0.08mm时电感L1为Δlδ=－0.08mm时电感L2为所以当衔铁最大位移变化±0.08mm时相应的电感变化量ΔL=L2－L1=65mH（3）线圈直流电阻式中lCP为线圈的平均每匝长度。根据铁心截面积4×4mm2及线圈外断面11×11mm2计算每匝总长度lCP=4×7.5=30mm（4）线圈品质因数mHlSNL157108.0104410425003672020=´´´´´´==---pµdmHllSNL1311008.028.01044104250023672021=´´+´´´´´=D+=---pµddmHllSNL1961008.028.01044104250023672022=´´´´´´´=D=---pµddW=´´´´´´==-464)1006.0(325001075.1442162pprdNlRCPe5.8464101574000223=´´´===-ppweeRfLRLQ11第五章压电式传感器PartI填空、选择一、压电式传感器1、特点：有源传感器（发电）2、原理压电效应：在外力作用下，电介质表面产生电荷。3、优点：体积小、重量轻、频带宽、灵敏度高二、压电效应1、定义某些晶体，在一定方向受到外力作用时，内部产生极化现象，在两个表面产生符号相反的电荷。2、石英晶体沿X和Y轴有压电效应，在X轴垂直平面产生电荷，压力与电压呈线性关系。Z轴无压电效应。三、逆压电效应对晶体X方向施加电场𝐸，引起机械变形Δt的现象。四、压电材料1类型①石英晶体②压电陶瓷2压电材料应具备的特性①转换性能②机械性能③电性能④环境适应性⑤时间稳定性3特点：适合动态测量，不适宜静态测量，产生电荷难以保持。4压电陶瓷锆钛酸铅的介电常数比石英晶体大，温度稳定性不如石英晶体。5应用：压电式加速度传感器q=d33F=d33ma电荷与加速度成正比，可以用串联或者并联的方法提高灵敏度。12PartII简答、计算1、有一压电晶体，其面积S=3cm2，厚度t=0.3mm，在零度x切型纵向石英晶体压电系数d11=2.31×10-12C/N。求受到压力p=10MPa作用时产生的电荷q及输出电压U0【公式】电荷：（为压电系数）压力：电容：解：受力F作用后，石英晶体产生电荷量为q=d11×F=d11×p×S代入数据得q=2.31×10-12×10×106×3×10-4=6.93×10-9C晶体的电容量C=ε0εrS/t式中ε0真空介电常数，ε0=8.85×10-12F／m；εr石英晶体相对介电常数εr=4.5，故则输出电压2、某压电式压力传感器为两片石英晶片并联，每片厚度t=0.2mm,圆片半径r=1cm,=4.5，x切型d11=2.31x10-12C/N。当0.1MPa压力垂直作用于px平面时，求传感器输出电荷q和电极间电压Ua的值。解：当两片石英晶片并联，输出电荷q′为单片的2倍，所以得到故：电极间电压q=d11iFd11F=piSC=qUFC1134121098.3103.01035.41085.8----´=´´´´´=VCqU1741098.31093.6119=´´==--ε2xx11x11x122212q2q2dF2drp22.311010.110145x10C145pC--¢==.=.p.=´´´p´´´==1210018.8510F/m=10F/m3.6--e=´´p2022221/3.64.510.02125pFrrCCteep¢==´p´´p´==/vaUqC=C¢¢=145/125=1.16