课题一-传感器与检测技术的基础理论

课题一传感器与检测技术的基础理论1-1有一数字温度计，它的测量范围为-50～+150，精度为0.5级。求当示值分别为-20、+100时的绝对误差及示值相对误差。1-2欲测240V电压，要求测量示值相对误差不大于，问选用量程为250V电压表，其精度为哪级？若选用量程为300V和500V电压表，其精度又为哪级？1-3已知待测电压约为80V左右。现有两只电压表，一只为0.5级，测量范围为0～300V，另一只为1.0级，测量范围为0～100V。问选用哪一只电压表测量较好？为什么？1-4用一台三位数字电子温度计测量温度，数字面板上显示如图1－1所示的数值，求该仪表的分辨力、被测温度值、示值相对误差、满意相对误差。（提示：该三位数字表的量程上限为199.9）1-5有一台测量压力的仪表，测量范围为，压力p与仪表输出电压之间的关系为式中，，求：1）该仪表的输出特性方程。2）画出输出特性曲线示意图（x轴、y轴均要标出单位）。3）该仪表的灵敏度表达式。4）画出灵敏度曲线图。5）该仪表的线性度。1-6检测系统由哪几部分组成？说明各部分的作用。1-7非电量的电测法有哪些优点？1-8测量稳压电源输出电压随负载变化的情况时，应当采用何种测量方法？如何进行？1-9某线性位移测量仪，当被测位移由4.5mm变到5.0mm时，位移测量仪的输出电压由3.5V减至2.5V，求该仪器的灵敏度。1-10某测温系统由以下四个环节组成，各自的灵敏度如下：铂电阻温度传感器：电桥：放大器：100（放大倍数）笔式记录仪：求：（1）测温系统的总灵敏度；（2）纪录仪笔尖位移4cm时。所对应的温度变化值。1-11有三台测温仪表，量程均为0~600，精度等级分别为2.5级、2.0级和1.5级，现要测量500的温度，要求相对误差不超过2.5%，选哪台仪表合理？1-12什么是系统误差和随机误差？正确度和精密度的含义是什么？它们各反映何种误差？1-13服从正态分布规律的随机误差有哪些特征？1-14等精度测量某电阻10次，得到的测量值如下：（1）求10次测量的算术平均值，测量的标准误差和算术平均值的标准误差；（2）若置信概率取99.7%，写出被测电阻的真值和极限值。课题二电阻式传感器2-1弹性元件在传感器中起什么作用？2-2试列举金属丝电阻应变片与半导体应变片的相同点和不同点。2-3绘图说明如何利用电阻应变片测量未知的力。2-4热电阻传感器有哪几种？各有何特点及用途？2-5简要说明气敏、湿敏电阻传感器的工作原理并举例说明它们的用途。2-6电阻应变片阻值为，灵敏系数K＝2，沿纵向粘贴于直径为0.05m的圆形钢柱表面，钢材的，。求钢柱受10t拉力作用时，应变片的相对变化量。又若应变片沿钢柱圆周方向粘贴、受同样拉力作用时，应变片电阻的相对变化量为多少？2-7有一额定负荷为2t的圆筒荷重传感器，在不承载时，四片应变片阻值均为，传感器灵敏度为，应变片的K＝2，圆筒材料的，电桥电源电压，当承载为0.5t时（、沿轴向粘贴，、沿圆周方向粘贴），求：1）、的阻值；2）、的阻值；3）电桥输出电压；4）每片应变片功耗。2-8有一测量吊车起吊重物的拉力传感器如图3－1所示。、、、贴在等截面轴上。已知等截面轴的截面积为，弹性模量E为，泊松比为0.30。、、、标称阻值均为，灵敏度为2.0，他们组合桥如图b所示，桥路电压为2V，测得输出电压为2.6mV。求：1）等截面轴的纵向及横向应变。2）重物m有多少吨？2-9有一应变式等强度悬臂梁式力传感器，如图3－2所示。假设悬臂梁的热膨胀系数与应变片中的电阻热膨胀系数相等，，构成半桥双臂电路。1）求证：该传感器具有温度补偿功能；2）设悬臂梁的厚度，长度，固定端的宽度，材料的弹性模量，桥路的输入电压，输出电压为1.0mV，K＝2.0。求作用力F。2-10铜电阻的阻值与温度t的关系可用下式表示已知铜电阻的为，温度系数为，求当温度为时的铜电阻阻值。2-11直流测量电桥和交流测量电桥有什么区别？2-12热电阻测温时采用何种测量电路？为什么要采用这种测量电路？说明这种电路的工作原理。2-13采用阻值为120Ω、灵敏度系数K=2.0的金属电阻应变片和阻值为120Ω的固定电阻组成电桥，供桥电压为4V，并假定负载电阻无穷大。当应变片上的应变分别为1和1000时，试求单臂工作电桥、双臂工作电桥以及全桥工作时的输出电压，并比较三种情况下的灵敏度。2-14采用阻值，灵敏度系数K=2.0的金属电阻应变片与阻值的固定电阻组成电桥，供桥电压为10V，当应变片应变为1000时，若要使输出电压大于10mV，则可采用何种接桥方式（设输出阻抗为无穷大）？2-15下图所示为一直流电桥，供电电源电动势V，，和为相同型号的电阻应变片，其电阻均为，灵敏度系数K=2.0。两只应变片分别粘贴于等强度梁同一截面的正反两面。设等强度梁在受力后产生的应变为5000，试求此时电桥输出端电压。课题三电容式传感器3-1电容式传感器有什么特点？试举出你所知道的电容传感器的实例。3-2图5-18所示为差动筒形电容传感器及转换电路。求证：当测杆上升H时，3-3粮食部门在收购、存储粮食时，需测定粮食的干燥程度，以防霉变。请你根据已学过的知识设计一个粮食水份含量测试仪（画出原理图、传感器简图，并简要说明它的工作原理及优缺点）。3-4试分析变面积式电容传感器和变间隙式电容传感器的灵敏度？为了提高传感器的灵敏度可采取什么措施并应注意什么问题？3-5为什么说变间隙型电容传感器特性是非线性的？采取什么措施可改善其非线性特征？3-6有一平面直线位移型差动电容传感器其测量电路采用变压器交流电桥，结构组成如图所示。电筒传感器起始时，，极距，极间介质为空气，测量电路中V，且。试求动极板上输入一位移量时的电桥输出电压。3-7变间隙电容传感器的测量电路为运算放大器电路，如图所示。传感器的起始电容量，定动极板距离，，运算放大器为理想放大器（即），极大，输入电压V。求当电容传感器动极板上输入一位移量使减小时，电路输出电压为多少？3-8如图所示正方形平板电容器，极板长度，极板间距离。若用此变面积型传感器测量位移，试计算该传感器的灵敏度并画出传感器的特性曲线。极板间介质为空气，。课题四电感式传感器4-1电感式传感器有几大类？各有何特点？4-2什么叫零点残余电压？产生的原因是什么？4-3图4-24所示是一种差动整流的电桥电路，电路由差动电感传感器、以及平衡电阻、（）组成。桥的一个对角线接有交流电源，另一个对角线为输出端。试分析该电路的工作原理。4-4差动变压器式差压变送器见图4-16，其差压与膜盒挠度的关系、差动变压器衔铁的位移与输出电压的关系如图所示。求：当输出电压50mV时，差压P1-P2为多少帕斯卡？4-5用一电涡流式测振仪测量某种机器主轴的轴向振动，已知传感器的灵敏度为20mV/mm。最大线性范围为5mm。现将传感器安装在主轴的右侧，如图4-26b所示。问：1）传感器与被测金属的安装距离l为多少毫米时可得到良好的测量效果？2）轴向振幅的最大值是多少？3）主轴振动的基频f是多少？4-6影响差动变压器输出线性度和灵敏度的主要因素是什么？4-7电涡流式传感器的灵敏度主要受哪些因素影响？它的主要优点是什么？4-8试说明图所示的差动相敏检波电路的工作原理。4-9如图所示的差动电感式传感器的桥式测量电路，、为传感器的两差动电感线圈的电感，其初始值均为。、为标准电阻，为电源电压。试写出输出电压与传感器电感变化量间的关系。4-10如图所示为一差动整流电路，试分析电路的工作原理。课题五压电式传感器5-1什么是压电效应？以石英晶体为例说明压电晶体是怎样产生压电效应的？5-2常用的压电材料有哪些？各有哪些特点？5-3压电式传感器能否用于静态测量？为什么？5-4某压电式压力传感器的灵敏度为，假设输入压力为时的输出电压式1V，试确定传感器总电容量。5-5用压电式加速度计及电荷放大器测量振动，若传感器灵敏度为（g为重力加速度），电荷放大器灵敏度为，试确定输入3g加速度时系统的输出电压。5-6图6-9所示是用压电式传感器和电荷放大器测量某种机器的振动，已知传感器的灵敏度为100pG/g，电荷放大器的反馈电容Cf=0.01uF,测得输出电压峰值为Uom=0.4V,振动频率为100Hz。1）求机器振动的加速度最大值am(m/s2);2)假定振动为正弦波，求振动的速度v(t)；3）求出振动的幅度的最大值xm0提示：5-7根据图6-10所示石英晶体切片上的受力方向，标出晶体切片上产生电荷的符号。5-8压电式传感器测量电路的作用是什么？其核心是解决什么问题？5-9一压电式传感器的灵敏度，连接灵敏度的电荷放大器，所用的笔式记录仪的灵敏度，当压力变化时，纪录笔在记录纸上的偏移为多少？5-10某加速度计的校准振动台，它能作50HZ和1g的振动，今有压电式加速度计出厂时标出灵敏度，由于测试要求需加长导线，因此要重新标定加速度计灵敏度，假定所用的阻抗变换器放大倍数为1，电压放大器放大倍数为100，标定时晶体管毫伏表上指示为9.13Ｖ试画出标定系统的框图，并计算加速度计的电压灵敏度。课题六磁电式传感器6-1说明磁电式传感器的基本工作原理6-2试通过转速测量系统的实例说明磁电式转速传感器的应用。6-3磁电式振动传感器与磁电式转速传感器在工作原理上有什么区别？6-4采用SZMB-3型磁电式传感器测量转速，当传感器输出频率为1KhZ的正弦波信号时，被测轴的转速是多少？6-5磁电式传感器能否检测表面粗糙度？试绘出其原理图。6-6请写出你认为可以用霍尔传感器来检测的物理量。6-7图8-11是霍尔式钳型电流表结构图，请你分析它的工作原理。6-8图8-12是霍尔式加速度计示意图，请你分析其工作原理。6-9请你设计一种霍尔式液位控制器，要求：1）画出磁路系统示意图；2）画出电路原理简图；3）简要说明其工作原理。6-10请你在分析了图8-6至8-12以后，说出在这几个霍尔传感器应用的实例中，哪几个采用的是线性霍尔集成电路？哪几个采用的是开关型霍尔集成电路？6-11什么是霍尔效应？6-12为什么导体材料和绝缘体材料均不宜做成霍尔元件？6-13为什么霍尔元件一般采用N型半导体材料？6-14霍尔灵敏度与霍尔元件厚度之间有什么关系？6-15什么是霍尔元件的温度特性？如何进行补偿？6-16集成霍尔传感器有什么特点？6-17写出你认为可以用霍尔传感器来检测的物理量。6-18设计一个采用霍尔传感器的液位控制系统。要求画出磁路系统示意图和电路原理简图，并简要说明其工作原理。6-19下图是一个采用霍尔传感器的钳型电流表结构图，试分析它的工作原理。6-20通过一个实例说明开关型集成霍尔传感器的应用。课题七热电偶传感器7-1什么是金属导体的热电效应？试说明热电偶的测量原理。7-2试分析金属导体产生接触电动势的原因。7-3补偿导线的作用是什么？使用补偿导线的原则是什么？7-4简述热电偶的几个重要定律，并分别说明它们的实用价值。7-5试证明图9-17所示热电偶回路中，加入第三种材料C，第四种材料D（无论插入何处），只要插入材料两端温度相同，则回路总电动势不变（nanB,tt0）。7-6用镍铬-镍硅（K）热电偶测温度，已知冷端温度为40℃，用高精度毫伏表测得这时的热电动势为29.188mV，求被测点温度。7-7图9-18所示镍铬-镍硅热电偶，A'、B'为补偿导线，Cu为铜导线，已知接线盒1的温度t1=40.0℃，冰水温度t2=0.0℃，接线盒2的温度t3=20.0℃。1）当U3=39.310mV时，计算被测点温度t。2）如果A'、B'换成铜导线，此时U3=37.699mV，再求t.7-8图9-19所示热电偶测温线路，A、B为热电极，A'、B'是两种廉价金属，它们的电子浓度之比相等，即nA/nA'=nB/nB'。1）求证：A'、B'与A、B连接后总的Uo仅取决于A、B及T、To，而与Ta及A'、B'无关。2）A'、B'在测量中起什么作用？7-9试述热电偶冷端温度补偿的几种主要方法和补偿原理。7-10已知铂铑10-铂（S）热电偶的冷端温度，现测得热电动