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传感器与检测技术 (胡向东 刘京诚 著) 机械工业出版社 课后答案


第 1 章 传感器特性习题答案: 5.答: 静特性是当输入量为常数或变化极慢时,传感器的输入输出特性,其主要指标有线性度、迟滞、重 复性、分辨力、稳定性、温度稳定性、各种抗干扰稳定性。传感器的静特性由静特性曲线反映出来,静特 性曲线由实际测绘中获得。人们根据传感器的静特性来选择合适的传感器。 9.解:

10. 解: 11.解:

带入数据



拟合直线灵敏度 0.68,线性度 ±7% 。 , , , , , ,

13.解: 此题与炉温实验的测试曲线类似:

14.解:

15.解: 所求幅值误差为 1.109,相位滞后 33042,

所求幅值误差为 1.109,相位滞后 33042, 16.答: dy/dx=1-0.00014x。微分值在 x<7143Pa 时为正,x>7143Pa 时为负,故不能使用。 17.答: ⑴ 20。C 时,0~100ppm 对应得电阻变化为 250~350 kΩ。V0 在 48.78~67.63mV 之间变化。

⑵ 如果 R2=10 MΩ,R3=250 kΩ,20。C 时,V0 在 0~18.85mV 之间变化。30。C 时 V0 在 46.46mV(0ppm) ~ 64.43mV(100ppm)之间变化。 ⑶ 20。C 时 ,V0 为 0~18.85mV,30。C 时 V0 为 0~17.79mV, 如果零点不随温度变化, 灵敏度约降低 4.9%。 但相对(2)得情况来说有很大的改善。 18.答: 感应电压=2πfCRSVN,以 f=50/60Hz, RS=1kΩ, VN=100 代入,并保证单位一致,得:

感应电压=2π*60*500*10-12*1000*100[V]=1.8*10-2V 第 3 章 应变式传感器概述习题答案 9. 答: (1).全桥电路如下图所示

(2).圆桶截面积

应变片 1、2、3、4 感受纵向应变;

应变片 5、6、7、8 感受纵向应变;

满量程时:

(3)

10.答: 敏感元件与弹性元件温度误差不同产生虚假误差,可采用自补偿和线路补偿。

11.解:

12.解:

13.解:

① ②

是ΔR / R = (Δl/l) 因为电阻变化率是ΔR/R=0.001, 以 Δl / ( 应 变 ) 2 。 所 l =0.0005=5*10-4。 因Δl/l=300*10-6,所以,ΔR/R=2*300*10-6=6*10-4。

14.答: R=ρ(l/S)中,ρ(镍)是(95~104)*10-8Ω·m,ρ(铜)是 1.72*10-8Ω·m, 所以 R(镍)/R(铜)=ρ(镍)/ρ(铜)=(95~104)/1.72=55.2~60.5。

15.答:假定输入输出端没有电流流过,流过阻抗 Z4 和 Z1 的电流为 i4,流过阻抗 Z3 和 Z2 的电流为 i3, 由基尔霍夫电压定律得以下关系式: (Z4+Z1)i4= ( Z3+Z2)i3=Vi(1) i4Z4= i3 Z3+Vi(2)

由(1)式得

(3)

(4) 将(3)和(4)代入(2)求得 V0 为: V0 = i4Z4 -i3 Z3

=(

)Vi=

Vi

16.答:由等效力学模型得,当有位移输入 u(t)时,盛物器的相对位移 x 的运动方向为: (6) 因此,如果物体以振动频率 f(角频率ω=2πf)、振幅 U0 作正弦振动 u(t)=U0sinωt 则上述微分方程为:

(7) 其中

因此,(7)的特解,求得如下:

x(t)=X0sin(ωt+φ)(8) X0,φ用λ=ω/p 表示,则有

(9)

(10) 如果λ《1,则由(9)得

(11)



p2X0=ω2U0, ω=2πf(12)

17.答:方框图如下:

第 4 章 电感式传感器答案 7.答: ①种类:自感式、涡流式、差动式、变压式、压磁式、感应同步器。 ②原理:自感、互感、涡流、压磁。 8.答: 相敏检测电路原理是通过鉴别相位来辨别位移的方向,即差分变压器输出的调幅波经相敏检波后,便能输 出既反映位移大小,又反映位移极性的测量信号。经过相敏检波电路,正位移输出正电压,负位移输出负 电压,电压值的大小表明位移的大小,电压的正负表明位移的方向。 9.答:

①原因是改变了空气隙长度 ②改善方法是让初始空气隙距离尽量小,同时灵敏度的非线性也将增加,最好使用差动式传感器,其灵敏 度增加非线性减少。 10.解:

空气气隙为零时:

空气气隙为 2mm 时: 11.答: 应用场合有低频透射涡流测厚仪,探伤,描述转轴运动轨迹轨迹仪。 12.答 :有效值(p.73)= ≈3.54V。周期(p.71)=1/1000=10-3s=1ms。

13.答:变大。 第 5 章电容式传感器答案 9.答: 差动式电容传感器的灵敏度比单极式提高一倍,而且非线性也大为减小。 10.答: 原理:

由物理学知,两个平行金属极板组成的电容器。如果不考虑其边缘效应,其电容为 C=εS/D 式中ε为两个 极板间介质的介电常数,S 为两个极板对有效面积,D 为两个极板间的距离。由此式知,改变电容 C 的方法 有三: 其一为改变介质的介电常数; 其二为改变形成电容的有效面积; 其三为改变各极板间的距离; 而得到的电参数的输出为电容值的增量这就组成了电容式传感器。 类型: 变极距型电容传感器、变面积型电容传感器、变介电常数型电容传感器。 电容传感器的应用: 可用来测量直线位移、角位移、振动振幅。尤其适合测温、高频振动振幅、精密轴系回转精度、加速度等 机械量。还可用来测量压力、差压力、液位、料面、粮食中的水分含量、非金属材料的涂层、油膜厚度、 测量电介质的湿度、密度、厚度等。 11.答: 可选用差分式电容压力传感器,通过测量筒内水的重力,来控制注水数量。或者选用应变片式液径传感器。 12.答: ①优点:a 温度稳定性好 b 结构简单、适应性强 c 动响应好 ②缺点:a 可以实现非接触测量,具有平均效应 b 输出阻抗高、负载能力差 c 寄生电容影响大 ③输出特性非线性: 电容传感器作为频响宽、应用广、非接触测量的一种传感器,在位移、压力、厚度、物位、湿度、振动、 转速、流量及成分分析的测量等方面得到了广泛的应用。 使用时要注意保护绝缘材料的的绝缘性能;消除和减小边缘效应;消除和减小寄生电容的影响;防止和减 小外界的干扰。 13.解:

15.答: 工作原理:假设传感器处于初始状态,即 Cx1 = Cx2 = C0,且 A 点为高电平,即 Ua=U; 而 B 点为低电平, 即 Ub=0 差分脉冲调宽型电路的特点就在于它的线性变换特性。 第 5 章 磁电式传感器答案 11.答: a.磁电式传感器是通过磁电作用将被测量转换为电信号的一种传感器。 电感式传感器是利用线圈自感或互感的变化来测量的一种装置。 b.磁电式传感器具有频响宽、动态范围大的特点。而电感式传感器存在交流零位信号,不宜于高频动态信 号检测;其响应速度较慢,也不宜做快速动态测量。 c. 磁电式传感器测量的物理参数有:磁场、电流、位移、压力、振动、转速。 12. 答: a.霍尔元件可测量磁场、电流、位移、压力、振动、转速等。 b.霍尔组件的不等位电势是霍尔组件在额定控制电流作用下,在无外加磁场时,两输出电极之间的空载电 势,可用输出的电压表示。 c.温度补偿方法:分流电阻法:适用于恒流源供给控制电流的情况。电桥补偿法 13.答: 一块长为 l、宽为 d 的半导体薄片置于磁感应强度为磁场(磁场方向垂直于薄片)中,当有电流 I 流过时, 在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势 Uh。这种现象称为霍尔效应。霍尔组件多用 N 型半导体材料, 且比较薄。霍尔式传感器转换效率较低,受温度影响大,但其结构简单、体积小、坚固、频率响应宽、动 态范围(输出电势变化)大、无触点,使用寿命长、可靠性高、易微型化和集成电路化,因此在测量技术、 自动控制、电磁测量、计算装置以及现代军事技术等领域中得到广泛应用。

14.答: 发电机供应给负载的电能是,为转动这个发电机所供应得机械能(火力或水力)变换而来的能量。磁铁持 有的能量未被消耗,所以磁铁不会变弱。 第6章 1.答: 某些电介质在沿一定的方向受到外力的作用变形时,由于内部电极化现象同时在两个表面上产生符号相反 的电荷,当外力去掉后,恢复到不带电的状态;而当作用力方向改变时,电荷的极性随着改变。晶体受力 所产生的电荷量与外力的大小成正比。这种现象称为正压电效应。反之,如对晶体施加一定变电场,晶体 本身将产生机械变形,外电场撤离,变形也随之消失,称为逆压电效应。 压电材料有:石英晶体、一系列单晶硅、多晶陶瓷、有机高分子聚合材料 结构和应用特点: 压电式传感器答案

在压电式传感器中,为了提高灵敏度,往往采用多片压电芯片构成一个压电组件。其中最常用的是两片结 构;根据两片压电芯片的连接关系,可分为串联和并联连接,常用的是并联连接,可以增大输出电荷,提 高灵敏度。 使用时,两片压电芯片上必须有一定的预紧力,以保证压电组件在工作中始终受到压力作用,同时可消除 两片压电芯片因接触不良而引起的非线性误差, 保证输出信号与输入作用力间的线性关系,因此需要测量电 路具有无限大的输入阻抗。但实际上这是不可能的,所以压电传感器不宜作静态测量,只能在其上加交变 力,电荷才能不断得到补充,并给测量电路一定的电流。故压电传感器只能作动态测量。 2. 答: 石英晶体整个晶体是中性的,受外力作用而变形时,没有体积变形压电效应,但它具有良好的厚度变形和 长度变形压电效应。压电陶瓷是一种多晶铁电体。原始的压电陶瓷材料并不具有压电性,必须在一定温度 下做极化处理,才能使其呈现出压电性。所谓极化,就是以强电场使“电畴”规则排列,而电畴在极化电 场除去后基本保持不变,留下了很强的剩余极化。 当极化后的铁电体受到外力作用时,其剩余极化强度将随之发生变化,从而使一定表面分别产生正负电荷。 在极化方向上压电效应最明显。铁电体的参数也会随时间发生变化—老化,铁电体老化将使压电效应减弱。 9. 答: 如作用在压电组件上的力是静态力,则电荷会泄露,无法进行测量。所以压电传感器通常都用来测量动态 或瞬态参量。 10. 答: 基本考虑点是如何更好的改变传感器的频率特性,以使传感器能用于更广泛的领域。 第 7 章 光电式传感器答案 4.答: 当用光照射物体时,物体受到一连串具有能量的光子的轰击,于是物体材料中的电子吸收光子能量而发生 相应的电效应(如电阻率变化、发射电子或产生电动势等)。这种现象称为光电效应。 5.答: CCD 是一种半导体器件,在 N 型或 P 型硅衬底上生长一层很薄的 SiO2,再在 SiO2 薄层上依次序沉积金属电 极,这种规则排列的 MOS 电容数组再加上两端的输入及输出二极管就构成了 CCD 芯片,CCD 可以把光信号转 换成电脉冲信号。每一个脉冲只反映一个光敏元的受光情况,脉冲幅度的高低反映该光敏元受光的强弱, 输出脉冲的顺序可以反映光敏元的位置,这就起到图像传感器的作用。 12.答: ①吸收性损耗:吸收损耗与组成光纤的材料的中子受激和分子共振有关,当光的频率与分子的振动频率接 近或相等时,会发生共振,并大量吸收光能量,引起能量损耗。 ②散射性损耗:是由于材料密度的微观变化、成 分起伏,以及在制造过程中产生的结构上的不均匀性或缺陷引起。一部分光就会散射到各个方向去,不能 传输到终点,从而造成散射性损耗。 ③辐射性损耗:当光纤受到具有一定曲率半径的弯曲时,就会产生辐射磁粒。 a 弯曲半径比光纤直径大很多的弯曲

b 微弯曲:当把光纤组合成光缆时,可能使光纤的轴线产生随机性的微曲。

13.答: 光导纤维工作的基础是光的全内反射,当射入的光线的入射角大于纤维包层间的临界角时,就会在光纤的 接口上产生全内反射,并在光纤内部以后的角度反复逐次反射,直至传递到另一端面。 优点: a 具有优良的传旋光性能,传导损耗小 b 频带宽,可进行超高速测量,灵敏度和线性度好 c 能在恶劣的环境下工作,能进行远距离信号的传送 功能型光纤传感器其光纤不仅作为光传播的波导,而且具有测量的功能。它可以利用外界物理因素改变光 纤中光的强度、相位、偏振态或波长,从而对外界因素进行测量和数据传输。 14.答: 有 InSb,Hg0.8Cd0.2Te 等材料。 15.答:

InSb 光电管虽然响应速度快,但必须使用液体氮冷却。 16.答: 光进入受光器输出电压为 0V,光不进入时,输出 6V, 所以右图为所示波形。 17.答: 在运输带两边分别设置发光器 A 和 B,受光器 A'和 B'。高度低的物体通过时,(下图(a)),受光器 A' 受光但 B'不受光(表 1 中分别用符号Ο和Ⅹ表示)。若是高低物体,则 A'和 B'都不受光(表 1 中分别用 Ⅹ和Ⅹ表示)。因此可得 b 图的体统组成图。受光时(符号Ο)输出是 0V(L 水平),不受光(符号Ⅹ) 时输出是 6V(H 水平)。因此,表 1 变成表 2 。结果,分别数一数输出 a,b 为 L,H 时(低的物体)或者 H,H 时(高的物体)即可。这是用逻辑电路和计数电路完成的。

18.答: 面型传感器由许多的单元构成二维平面,其中每一个小单元都是一个光电二极管,称为像素。用 面型传感器测量物体的形状所得的图像的分辨率最高只能是一个像素。如果所测得图像长为 l ,对应 N 个 像素,分辨率为 l/N。假设 N 为 200,则分辨率最高只能使 1/200。


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