(第十一章综合)传感器原理及应用_第三版_(王化祥_张淑英_)_天津大学_课后答案

第一篇：(第十一章综合)传感器原理及应用_第三版_(王化祥_张淑英_)_天津大学_课后答案

1.1 传感器静态特性指标主要有线性度，灵敏度，精确度，最小检测量和分辨力等；而动态特性指标主要有传递函数和频率特性两部分。

1.2 传感器的精度A含义是在规定条件下，其允许的最大绝对误差值相对于其测量范围的百分数。根据精度等级概念若测得某传感器A=0.48%，则传感器应定为0.5级精度。

1.3 传感器的线性度含义是：在规定条件下，传感器校准曲线和拟合曲线间的最大偏差与满量程输出值的百分比。拟合刻度直线的方法有端基法，最小二乘法，切线法三种。

1.4 某电容式位移传感器，当被测位移变化是，相对电容变化输出量为，其平均灵敏度为0.5pF/um;用切线法求得线性度为1%。若用差动式电容结构，其灵敏度为1pF/um。用切线法求得线性度为0.01%。

1.5 传感器的最小检测量是指传感器确切反映被测量的最低级限量而言。最小检测量愈小，则表示传感器的检测微量能力愈高。2.1金属应变片工作原理是应变效应。半导体应变片的工作原理是压阻效应。二者应变灵敏度系数主要区别是前者是受到一维应力时测得，后者是在多向应力作用下测得的；前者主要受胶层传递变形失真和横向效应影响万恶后者则受扩散电阻的表面杂质浓度和温度影响；前者为放应电阻相对变化以应变ᶓ的线性关系，后者为电阻率变化与ơ的线性关系。

2.2为提高应变片的动态测量精度，当被测应变片波长一定时，现有基长分别为15mm和20mm两种应变片，则应选用基长为15mm的应

变片，方可减少动态误差。2.3 应变式产生温度误差的原因是应变片电阻丝具有一定的温度系数和电阻丝材料和测试材料的线膨胀系数不同。通常采用的温度补偿法单丝自补法，双丝组合式自补法，电路补偿法。2.4应变片传感器灵敏度系数K的测试条件是在试件受到一组应力作用时，应变片的轴向与主应力方向一致且试件材料是泊松比为0.285的钢材。测得长值的大小比应变丝的应变灵敏度K小，其原因是胶层传递变形失真和横向效应。

3.1 电容式传感器分布电容的存在对点测量的危害性是：显著降低灵敏度，使传感器特性不稳定。通常采用的消除和减小分布电容方法有采用静电屏蔽措施，采用驱动电缆技术。

3.2平行板式电容传感器，变面积型可用于检测微小位移，而变介质型可用于检测容器中液面高度（测片状材料厚度，介质常数）等。

3.4运算法测量电容传感器电路具有的特点是：输出电压U与动极片的位移d成线性关系，从原理上解决了使用单个变间隙型电容传感器输出特性的非线性问题。4.1差动电感及差动变压器的位移-电压特性均为正比(交流)特性，因而测位移存在只能反映大小不能反映方向的问题，解决此问题的方法是采用差动整流电路和相敏检波电路。

4.2提高差动变压器输出信号电压哦措施是：增加匝数比N2/N1，增加初级线圈电压e1，增加激励电压频率。

4.3 差动变压器零点残余电压产生的原因是：基波分量，高次谐波，电路干扰等。消除和减小的方法

有：从设计和工艺上保证结构对称性，选用合适测量电路，采用补偿线路等。

4.4电涡流检测线圈结构特点是采用扁平圆形线圈，当被测导体材料靠近它时，利用线圈Q值，等效阻抗Z，电感L，度化进行测量。4.5 电涡流传感器的应用方式可分为两大类，即按激励频率不同可分为高频反射式和低频透射式，它主要用于检测位移，振幅，厚度等。

5.1压电元件的原理是压电效应，它的主要特点是响应频率宽，信噪比大，结构简单。目前常用的压电材料有石英晶体，压电陶瓷，锆钛酸铅等。

5.2 压电传感器对测量静态信号无响应，其被测信号上限反馈电路的参数和，频率下限取决输入电阻。

5.3 压电元件测量电路采用前置放大器的目的是:把压电式传感器的高输出阻抗换成低阻抗输出，放大压电式传感器输出的弱信号。目前经常应用前置放大器有电压放大器和电荷放大器两种。5.4 若单片压电片等效电容为C，输出电压为U，存将相同的两片串接后，其参数C’为1/2C，q’为q，u’为2u；若改为两片并接后，总参数C’为2C，q’为2q，u’为u。

5.5 石英压电元件的纵向压电效应是沿电轴x-x方向的作用力，在垂直于x轴电极面上产生电荷；而横向压电效应是沿机器轴Y-Y方向的作用力在垂直于x轴电极面上产生电荷。

6.2 光栅传感器是根据莫尔条纹原理制成的，是由照明系统，光栅副，光电接收器件组成的。主要用于控制线位移，角位移，速度等参数。

6.3 莫尔条纹的宽度Bh由光栅常数和光栅夹角ɵ决定，一般调整莫尔条纹的宽度主要采用的方法是调节夹角ɵ。

7.1 热电偶的工作原理是热电效应，热电势包括接触电势和温差电势两种，能产生热电势的必要条件是：热电偶必须用两种不同材料作为热电极，热电偶两端存在温差。

7.2 热电偶的补偿导线的作用是使热电偶的冷端温度保持恒定，对选择补偿导线的要求是：在0~100℃范围内和所接触的热电偶具有相同热电性能且为廉价金属。

7.3热电阻测温的原理是绝大部分金属具有正的电阻温度系数温度越高电阻越大，一般目前采用的热电阻有铂电阻，铜电阻等。7.4热敏电阻按温度系数分为负温度系数热敏电阻，正温度系数热敏电阻，非热敏电阻三种。热敏电阻本身温度取决于环境温度，电流生热两个因素。

7.5热敏电阻用于测温元件时，其工作电流要求为很小，应该工作在伏安曲线的线性工作区域，原因是当电流很小时，元件的功耗小，电流不足以引起热敏电阻发热，元件的温度基本上就是环境温度T。

8.1霍尔效应由于采用了半导体材料，元件才有实用价值，它是一个四端元件。一般可用于控制磁场强度，位移，压力等参数。8.2霍尔元件的不等位误差是指当控制电流I流过元件时即使磁感应强度为零，在霍尔电极上仍有电势存在而言，其产生原因为霍尔效应电极偏离等位面，桥臂电阻不等等，减小不等位电势的方法有机械修磨，化学腐蚀等。8.3光电效应分为三类：即外光电

效应，相应的器件有光电管（光电倍增管）；光电导效应，相应的器件有光敏电阻；光生伏特效应，相应的器件有光电池（光敏晶体管）。

8.4光电池的原理是光生伏特效应，从光照特性可以看出其开路电压与照度非线性关系，而短路电流与照度成线性效应，所以光电池作为检测元件时应去短路电流输出形式。

9.1光钎传光的原理是:利用光在光纤纤芯和包层之间的全反射来传光。光钎由光纤和光纤放大器组成，其传光的必要条件是入射角小于临界角，即数值孔径的反正弦。

9.2 光钎传感器可分为功能型、非功能型和拾光型三类。其检测原理是----。

9.3 光钎的数字孔径NA是衡量光钎聚光能力的参数，对于光钎传感器而言一般要求NA值在0.2-0.4范围。

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第10章综合练习题

[填空练习题]

10-1（1）传感器静态特性指标主要有--------------、------------、、----------------、-------------等.而其动态特性指标主要有----------------和----------------两部分.(2)传感器的精度A含义是-----------------,根据精度等级概念,若测得某传感器A=0.48%,则该传感器应定为----------------级精度.*100%(3)传感器线度A含义是-------,拟合刻度直线方法有最小二乘法三种。

(4)某电容式位移传感器,当被测位移变化量△X=50m,相应输出电容变化量△C=25PF,其maxLFS平均灵敏度为-------------;用切线法求得线性度为1%.若现采用差动式电容结构,其灵敏度应为-------------,用切线法求得线性度应为-------------..(5)传感器的最小检测量是指--------而言,最小检测量愈小则表示传感器-------------愈高.10-2(1)金属应变片工作原理是-------------,半导体应变片工作原理是-------------.二者应变灵敏度系数主要区别是-----------..(2)为提高应变片动态测量精度,当被测应变片波长一定时同岁有基长一定时,现有基长分别为10mm和20mm两种应变片,则应选用基长为------------------mm的应变片,方可减小动态误差,(3)应变式传感器产生温度误差的原因为------------------和------------------.通常采用的温度补偿方法有-----------------------等.(4)应变片灵敏度系数K的测试条件是-----.测得的K值大小比应变丝的应变灵敏度系数KS------------------,其原因是-----.(5)为减小温度误差,压阻器件一般采用------------------源供电.而器件本身受温度影响要产生------------------漂移和------------------漂移.因此要采用温度补偿措施,方法有-----等.10-3(1)电容式传感器分布电容的存在对测量的危害性是:-----.通常采用消除和减小颁布电容的方法有-----------------------等.(2)平等板式电容传感器,变面积型可用于检测------------------,变间距型可用于检测------------------,而变介质型可用于检测------------------等参数.C1-C2E的形式时(E为电源电压,C1和C2为差C1+C2

动电容),则其具有的特点是具有温度补偿功能、灵敏度高、非线性误差小。

(4)运算法测量电容传感器电路具有的特点是:------------------。(3)当差动式电容测量电路输出电压为U=

(5)电容式差压变送器的敏感电容结构是------------------,其主要特点是-----------------------。

10-4(1)差动电感及差动变压器的位移—电压特性均为关于原点对称线性输出特性,因而测位移存在移动方向判断问题,解决此问题的方法是采用相敏检波电路.(2)提高差动变压器输出信号电压的措施有:-----------------------等。

(3)差动变压器零点残余电压产生的原因是:-----------------------等,消除和减小的方法有:-----------------------等.(4)电涡流检测线圈结构特点是采用------------------线圈,当被测------------------材料靠近它时,利用线圈变化------------------进行测量.(5)电涡流传感器应用方式可分为两大类:即按------------------不同可分为------------------和------------------,它主要用于检测-----------------------等参数.10-5(1)压电元件的原理是------------------效应,它的主要特点是-----------------------.目前常使用的压电材料有-----------------------等.(2)压电式传感器对测量------------------信号无响应,其被测信号频带上限取决于------------------,频带下限取决于------------------.(3)压电元件测量电路采用前置放大器的目的是:-----.目前经常应用的前置放大器有------------------和------------------两种.(4)若单片压电片等效电容为C,输出电荷为q,输出电压为U.则将相同两片串接后其总参数C′为c/2,q′为q,U′为2U;若改为两片并接后,其总参数C′为2C,q′为2q,U′为U.(5)石英压电元件的纵向压电效应是X方向的作用力,在垂直于x轴的 电极面上产生电荷;而横向压电效应是y方向的作用力在垂直于x轴的电极面上产生电荷.10-6(1)编码器按组成原理可分为-------------------式、-------------------式、-------------------式等。编码器按用途不同可分------------------和------------------，分别用于检测------------------和------------------参数。

（2）光栅传感器是根据------------------原理制成的。是由-----------------------组成的，主要用于-----------------------检测等参数。

（3）莫尔条纹的宽度BH由------------------和------------------决定。一般调节莫尔条纹宽度主要采用的方法是------------------。

（4）振弦式传感器采用------------------系统，其输出为------------------信号。主要用于检测--------------------

---等参数。

（5）振弦传感器的固有频率f0与弦线的-----等参数有关。为改善其输出f-T特性的非线性，可采用-----等方法。

10-7（1）热电偶的工作原理是------------------效应，热电势包括------------------和------------------两种，能产生热电势的必要条件是------------------。

（2）热电偶补偿导线的作用是------------------，对选择补偿导线的要求是-----。

（3）热电阻测温的原理是＿＿，一般目前常用的热电阻有＿＿、＿＿、＿＿等。

（4）热敏电阻按温度系数分为＿＿、＿＿、＿＿三种，热敏电阻本身温度取决于＿＿、＿＿两个因素。

（5）热敏电阻用于测温元件时，其工作电流要求为＿＿，应该工作在伏——安曲线的＿＿区域，原因是＿＿＿＿。

10-8（1）霍尔元件由于采用了可用于检测磁场；电流或电压；功率等参数。

（2）霍尔元件的不等位误差是指＿＿＿＿而言。其产生的原因为＿＿、＿＿等，减小不等位电势的方法有＿＿、＿＿等。

（3）光电效应分为三类即：＿＿效应，相应的器件有＿＿；＿＿效应，相应的器件有＿＿；＿＿＿效应，相应的器件有＿＿＿。

（4）光电池的原理是利用光生伏特效应。从光照特性可以看出其开路电压与照度为非线性关系，而短路电流与照度成线性效应，所以光电池作为检测元件时应取短路电流的输出形式。

（5）湿敏元件工作电源要求采用＿＿信号源，其原因是＿＿＿＿。此外其测量电路还要采

取＿＿和＿＿等措施。

10-9（1）光纤传光的原理是。光纤由纤芯和包层组成，其传光的必要条件是入射光线的入射角的正弦值必须小于光纤的数值孔径，即sinθi

（2）光纤传感器可分为＿＿、＿＿和＿＿三类。其检测原理是＿＿＿＿。

（3）光纤的数值孔径NA是＿＿参数，对于光纤传感器而言一般要求NA值在＿＿范围。