测试与传感器作业答案.docx

第一章测试技术基础1.用测量范围为-50～150kPa的压力传感器测量140kPa压力时，传感器测得示值为+142kPa，试求该示值的绝对误差、相对误差、标称相对误差和引用误差。解：绝对误差2kPa140142p相对误差1.43%100%1401401420ppp标称相对误差1.41%100%142140142ppp引用误差1%100%50150140142mppp2．某压力传感器静态标定的结果如下表所示。试求用端点连线拟合法拟合的该传感器输出与输入关系的直线方程，并试计算其非线性误差、灵敏度和迟滞误差。压力(Pa)输出(mV)01020304050正行程039.779.2119.7159.8200.0反行程040.180.4120.1160.2200.0平均值039.979.8119.9160.0200.0解：端点连线拟合法拟合的直线方程ppU450200非线性误差0.1%100%2000.2100%FSYLmax灵敏度4mV/PapUS迟滞误差0.3%100%2001.221100%21FSHYHmax或0.6%100%2001.2100%maxFSHYH3.玻璃水银温度计的热量是通过玻璃温包传导给水银的，其特性可用微分方程xydtdy310123表示（式中y为水银柱高度，单位m；x为输入温度，单位℃）。试确定温度计的时间常数τ、静态灵敏度k和传递函数及其频率响应函数。解：xydtdy310123xyD3101)23(xyD31021)123(时间常数s51.静态灵敏度Cm/1050o3.k传递函数1511050(s)3sH..频率响应函数15.1105.0)(j3jH4.某热电偶测温系统可看作一阶系统，已知其时间常数为0.5s，静态灵敏度1k。试计算其幅频特性误差不大于5%的最高工作频率。(幅频特性误差为A1)解：5%1A95%A95%)(1)(2kA而1k0.5s0.330.66rad/s0.10Hz2πf5.某测力传感器可作为二阶振荡系统处理，其传递函数为2oo22o2)(sssH。已知其固有频率为Hz1000of，阻尼率7.0，试问用它测量频率为600Hz的正弦交变力时，其输出与输入幅值比A(ω)和相位差Ψ(ω)是多少？（注意系统1k）解：7.01k002fHz1000off2600Hzf202220)(4])([1)(kA0.950.60.74](0.6)[112222200)(-1)(2arctan)(0252.70.6-10.60.72arctan第二章工程参数的检测技术（略）1.接触式与非接触式测温装置主要有哪些？试比较接触式测温与非接触式测温的优缺点。2.试简述光学高温计的原理、电测系统图和使用方法。3.试说明真空区域的划分和其物理特征。测量低真空与高真空的真空计主要有哪些？第三章电阻式传感器1.解：)(412110RRRRUUxkRR对试件：xy对R1电阻：xxkkRR111对R2电阻：11212RRkkkRRxyxmVRRURRRRUU717)(14)(41112110.2.解：单臂时mVEkRREU5.2005.021414141110①相邻桥臂时mVmVRREUU0.55.222121100②相对桥臂时mVmVRREUU0.55.2221211003.解：%.51)1(111xmxL，50.x，0610.m0610.LRRm，kRL20，12200610LRR.4.解：（1）36111064110800052..kRR2012010641106413131...RR（2）mVRRUU2511202034141110..%..08201080005221216kL5.解：tkRRsgt)]([0-4-6-6-61020.940)]100.11109.41(05.2105.01[附加应变ktksgt)]([44905.21020.9-4第四章电感式传感器1.请画出差动变气隙厚度式电感传感器的结构简图，并简述差动变气隙厚度式电感传感器的工作原理，推导电感总变化量L与气隙变化量的关系式，并计算其非线性误差和相对灵敏度。解：结构简图，原理简述略当衔铁向上移动使L1气隙减小时])(1[200001LL])(1[200001LL当衔铁向上移动使L2气隙增大时])()1()(1[020000202nnLLLL传感器电感总变化量])()(1[240200021LLLL非线性误差20)(理理实LLLL相对灵敏度002/LLKL或灵敏度002LLKL2.紧耦合比例臂电桥有何优点？当负载0Z时，写出电压输出U0表达式，并画图标出式中各项阻抗位置。答：略3.已知差动变气隙厚度式电感传感器线圈绕组1200N匝，衔铁与铁芯气隙mm10，截面积20cm25.0A，气隙的磁导率H/m10π470。（1）试求电感线圈的电感L0。（2）若当气隙厚度变化mm1.0时，总电感变化量?L解：电感线圈的电感为HSNL23472000201026.210121025.010412002总电感变化量为HLL32001052.411.01026.2224.若已知变压器式交流电桥的工作臂为题3中的差动电感传感器的传感器线圈，而变压器副边的电压值V15sU。（1）请画出该传感器与测量电路的工作原理图；（2）并试求当气隙厚度变化mm1.0时，该测量电桥的输出电压?0U解：变压器式交流电桥004LLUUs差动变气隙厚度式电感传感器002LL电桥输出电压的有效值：VUUs75.011.02152005.试以差动变气隙式电感传感器为例，说明差动结构的好处。答：非线性误差差动式20)(L简单式0L相对灵敏度差动式02LK简单式01LK可见：差动式结构可以改善线性、提高灵敏度，还对温度进行补偿，对于干扰、电磁吸力有一定的补偿作用。6.何谓涡流效应？涡流的形成范围和渗透深度与哪些因素有关？影响涡流传感器灵敏度的因素有哪些？答：电涡流效应：块状金属导体置于变化的磁场中或在磁场中作切割磁场线运动时，导体内将产生呈涡旋状的感应电流（电涡流）的现象。涡流的形成范围即是线圈与导体间距离x的函数，又是线圈半径方向r的函数。被测体电阻率愈大，相对磁导率愈小，传感器线圈的激磁电流频率愈低，则电涡流贯穿深度h愈大。灵敏度的影响因素：薄线圈比厚线圈灵敏度高；外径小时灵敏度高；减小线圈电阻，可提高线圈的品质因数；非磁性材料，被测体的电导率越高，灵敏度越高；磁性材料则相反；被测导体的平面不应小于传感器线圈外经D的两倍，否则灵敏度下降；被测导体的厚度应在0.2mm以上，否则灵敏度下降；涡流强度随距离x的增大而迅速减小，为了获得较好的线性和较高的灵敏度，应使x/R1，一般取x/R=0.05～0.15。7.试说明电涡流式转速传感器的工作原理和使用特点。答：略第五章电容式传感器1.为什么电感式传感器和电容式传感器一般都采用差动形式？请画出差动变极距型电容传感器的结构简图，并简述其工作原理，推导电容总变化量C与极板间距变化量d的关系式，并计算其非线性误差和灵敏度。解：差动结构的好处：提高灵敏度、减小非线性误差、温度补偿及电磁吸引力补偿。图略、简述略、推导略。传感器电容总变化量])()(1[240200021ddddddCCCC非线性误差20)(ddCCCL理理实相对灵敏度002/ddCCKC，或灵敏度002dCdCKC2.如何改善单极式变极距型电容传感器的非线性？答：（1）由0dd知，增大d0且减小d；（2）采用差动结构；（3）采用运算放大器式测量电路。3.图1为电容式液面计传感器原理图。在被测介质放入两个同心园柱状电极，电极高度为h，内电极外半径为R1，外电极内半径为R2，当容器内液面高度发生变化时，两电极间的电容也会发生变化。要求：(1)推导出输出电容Cx与液面高度x的关系；(2)请为该测量装置设计匹配测量电路，要求输出U0与液面高度x之间呈线性关系。并简述此种电容式液面计的工作原理。解：（1）推导过程略BxAxRRRRhCx1201120ln)(2ln2或采用二极管双T交流电桥。（2）工作原理略注意：测量电路不能用单臂电桥电路，因为此输出不是线性，即CCCjCjZZU0000411141414.现有一个电容式位移传感器，其结构如图2所示。其中圆柱C为内电极，圆筒A、B为两个外电极，D为屏蔽套筒，已知mmL25，mmR61，mmR752.，mmr54.。CBC构成固定电容CF，CAC是随活动屏蔽套筒伸入位移量x而变化的可变电容Cx。该电容式位移传感器拟采用运算放大器式电路，则：(1)要求运放输出电压0U与输入位移x成线性关系，在运放线路中CF和Cx应如何连接？请画出其电路图。(2)活动导杆每伸入1mm所引起的电容变化量为多大？(3)推导输出电压0U与输入位移x的关系式。且当输入电压V6iU，当活动屏蔽套筒伸入位移量mm10x时，输出电压0U为多少？(4)固定电容CF的作用是什么解：（1）CAC为Cx，作耦合电容，CBC为CF，作反馈电容。)/ln(210rRLCF)/ln()(210rRxLCxFxxFxFiCCCjCjZZUU110iULxLU0（2）当mmx1pFrRxCx193.0)/ln(210（3）V6.362510250U图2屏蔽套筒（4）CF在电路中起反馈作用，同时由于CAC与CBC的结构尺寸及材料相同，它们又处于同样的环境条件中，因此，CF又起温度与湿度补偿作用。第六章电势式传感器1.压电系数NCd/1032012的锆钛酸铅压电陶瓷传感器接在放大倍数为1的阻抗变换器的输入端，整体电路满足()()RRCCCaiaic1，当Ca=200pf，Cc=20pf，Ci=10pf，变换器的输出电压U0=300mV。试求传感器受力的大小。解：iAUU0caimiCCCdFU已知A=1，则N2156.00dCCCUdCCCUFcaicaiim2.电式传感器为什么必须配用前置放大器？电荷放大器与电压放大器相比有哪些优点？答：前置放大器的作用：一是把它的高输出阻抗变换为低输出阻抗；二是放大传感器输出的微弱信号。电荷放大器的优点：高频特性好、低频特性好、增大回路电缆电容Cc不会使传感器电压灵敏度下降。3.为什么磁电式传感器要考虑温度误差？有什么办法可减小温度误差？答：常温时：0000dRREI，温度为t时：)1()1()1(20100tRtRtEIdt温度误差为：C10/%5.4000IIIt补偿方法：采用热磁分流器。热磁分流器由具有很大负温度系数的特殊磁性材料做成，它在正常工作温度下已将空气隙磁通分路掉一小部分，当温度升高时，热磁分流器的磁导率显著下降，经它分流掉