传感器与自动检测技术(第二版)余成波主编第三章答案

1、传感器与自动检测技术作业电信 10-1 杨文军 1006110124第三章3.3金属电阻式应变片和半导体电阻应变片在工作原理上有何不同？答：金属电阻式应变片是利用金属材料的电阻定律，应变片的结构尺寸变化时， 电阻也会相应地变化，其电导率p并未发生变化。而半导体电阻应变片的工作原理基于材料的压阻效应。压阻效应又是指当半导体材料的某一轴向受外力作用是，其电导率p那么发生变化的现象。3.5某一直流电桥，供电电源电动势 E 3V , R3 R4 100 ，Ri和R2为相同型号的电阻应变片，其电阻均为100 ，灵敏度系数K2.0。两只应变片分别黏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

2、应变为5000廣,试求此时电桥输出端电压Uo。解：由题意知：分析得差动电桥因为：UOE(R1R1又R1R2, R1R2, R3所以UO1 l R1 E2 R1又有Ri :Ks x ；因此：Ri所以：此时电桥输出电压Ri R2 R2R3R4，1UO EKs2U0=0.015V。先1 6-3 2 5000 10 60.015V23.6哪些因素引起应变片的温度误差，写出相对的误差表达式，并说明电路补偿法的原理。答：第一，由于测量现场环境温度的改变而给测量带来的附加误差，称为应变片的温度误差。产生应变片温度误差的主要因素有：a、电阻温度系数的影响：敏感栅的电阻丝阻值随温度变化的关系可用下式表示：当温度

3、变化 t时，电阻丝电阻的变化值 为 Rt=Rt- R0= Ro a o A t ; b、试件材料和电阻丝材料的线膨胀系数的影响：当试件与电阻丝材料的线膨胀系数相同时，不管环境温度如何变化,电阻丝的变形仍和自由状态一样，不会产生附加变形。当试件和电阻丝线膨胀系数不同时，由于环境温度的变化,电阻丝会产生附加变形，从而产生附加电阻。有：A R /Ro= aA t o 根据电路分析，可知电桥输出电压Uo与桥臂参数的关系为：UO Ua UbR1R1 R2R3R3R4R1R4R2 R3(R1R2)(R3R4)Uo g(R1R4 R2R3)U(R1R2)( R3R4)即g是由桥臂电阻和电源电压决定的常数。由

4、此可知，当R3, R4为常数时，R1, R2对电桥输出电压UO的作用效果相反。利用这一关系即可对测量结果进行补偿。3.12电感式传感器有几大类？各有何特点？答：1电感式传感器分为自感式传感器、互感式传感器和涡流式传感器等三大类。2常用电感式传感器有变间隙型、变面积型和螺管插铁型。在实际应用中，这三种传感器 多制成差动式，以便提高线性度和减小电磁吸力所造成的附加误差。a、变间隙型电感传感器这种传感器的气隙3随被测量的变化而改变，从而改变磁阻。它的灵敏度和非线性都随气隙的增大而减小，因此常常要考虑两者兼顾。3般取在0.10.5毫米之间。b、变面积型电感传感器这种传感器的铁芯和衔铁之间的相对覆盖面积

5、即磁通截面随被测量的变化而改变,从而改变磁阻。它的灵敏度为常数，线性度也很好。c、螺管插铁型电感传感器 它由螺管线圈和与被测物体相连的柱型衔铁构成。其工作原理基于线圈磁力线泄漏路径上磁阻的变化。衔铁随被测物体移动时改变了线圈的电感量。这种传感器的量程大，灵敏度低，结构简单，便于制作。3.13什么叫零点剩余电压?答：如下列图：产生的原因是什么?器阻抗是一个复数阻抗，有感抗也有阻抗，为了到达电桥平衡，就要求两线圈的电阻R相等，两线圈的电感 L相等。实际上，这种情况是难以精确到达的，就是说不易到达电桥的 绝对平衡。假设画出衔铁位移 x与电桥输出电压 U0有效值的关系曲线， 那么如下列图，虚线为 理想

6、特性曲线，实线为实际特性曲线，在零点总有一个最小的输出电压。一般把这个最小的输出电压称为零点剩余压，并e0表示。第二问：零点剩余电压产生的主要原因有两个方面：1.由于两个二次测量线圈的等效参数不对称时输出地基波感应电动势的幅值和相位不同，调整磁芯位置时，也不能到达幅值和相位同时相同。2.由于铁芯的B-H特性非线性，产生高次谐波不同，不能互相抵消。3.17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？答：电涡流式传感器的灵敏度主要受导体的电导率、磁导率、几何形状，线圈的几何参数，鼓励电流的频率以及线圈到被测导体之间的距离等因素影响。电涡流式传感器具有结构更简单、体积小、灵敏度高、

7、测量线性范围大频率响应宽、抗干扰能力强、不受油污等介质影响，并且可以进行无接触测量等优点。3.18什么是压电效应？以石英晶体为例说明压电晶体是怎样产生压电效应的？答：压电效应就是当某些物质沿其一定方向施加压力或拉力时，会产生变形，此时这种材料的两个外表将产生符号相反的电荷。当去掉外力后，他又重新回到不带电状态。石英晶体属于单晶体，化学式为SiO2,外形结构呈六面体,沿各方向特征不同。从石英晶体上沿机械轴y方向切下一块晶体片，当在电轴 x轴方向受到力作用时，在与电轴x轴垂直的平面上将产生电荷 qx;假设在同一晶体片上， 当在机械轴y 轴方向受到力作用时，那么仍在与电轴x轴垂直的平面上将产生电荷

8、qy电荷qx和qy的 符号由受力是拉力还是压力决定的。qx的大小与晶体片形状尺寸无关，而qy与晶体片的几何尺寸有关。即沿 X方向电轴的力作用产生电荷的压电效应称纵向压电效应；沿Y方向的机械轴的力作用产生电荷的压电效应称横向压电效应；沿Z方向的光轴的力作用时不产生压电效应。3.19压电式传感器能否用于静态测量？为什么?答：不能，压电式传感器是将被测量变化转换成由于材料受机械力产生的 静电电荷或电压变化的传感器，它的原理就是利用压电效应这一特性， 需要先有 外力才能够工作，在静态或者准静态因为没有外力的作用，因此不能测量。3.20某压电式传感器的灵敏度为8 104pC/Pa，假设输入压力为3 10

9、5Pa时的输出电压为1V,试确定传感器总电容量。答：根据公式，q=dx F=U x C， S=q/F=8 x 10-4pC/PaC 总=8 x 10-4 x 3x 105X 10-12 x 10-10F3.21如下列图是用压电式传感器和电荷放大器测量某种机器的振动，传感器的灵敏度为100 pC/g，电荷放大器的反应电容 Cf 0.01 F ,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 ；(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Xmo。解：1因为 Uo | 所以：q UO?Cf 0.4 0.01 10

10、6 4 10 9(C)Cf由传感器的灵敏度可得机械振动的加速度最大值：9am q 4 10 1240g40 9.8392m/s2k 100 10(2) am2Xm0 即 Xm0am2am(2 f)2392(2 3.14 100)20.99mm即振动的速度为:3v(t)= xm0sin t =2 3.14 100 0.99 10 sin2 3.14 100t0.624si n628t(3)振动的幅度的最大值 Xm0为:Xm0am2am(2 f)2392(2 3.14 100)20.99mm3.22根据图中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。解:什么是霍尔效应？霍尔电压与

11、哪些因素有关？答：霍尔效应是电磁效应的一种，这一现象是美国物理学家霍尔A.H.Hall , 1855 1938丨于1879年在研究金属的导电机制时发现的。当电流垂直于外磁 场通过导体时，在导体的垂直于磁场和电流方向的两个端面之间会出现电势差， 这一现象就是霍尔效应。因素有关： 霍尔电压VH=RH*lx*Bz/d，其中RH是霍尔常数，与材料的 性质种类有关，lx是x方向的电流，Bz是z方向的磁场，d是材料的厚度。此 时将会产生丫方向的电压。什么是霍尔元件的温度特性？如何进行补偿？答：各种不同材料的霍尔输出电压随温度变化的程度不同，霍尔电压与 其工作温度之间的变化关系称为霍尔元件的温度特性。霍尔元

12、件的温度补偿常用并联补偿电阻法和温度敏感元件补偿法简述热电偶的几个重要定律，并分别说明他们的实用价值。答：1、中间导体定律一一假设在热电偶回路插入中间导体，无论插入导 体的温度分布如何，只要中间导体两端温度相同，那么对热电偶回路的总电动势无 影响。其实用价值在于，利用热电偶测温度时，可以将连接导线和显示仪表看 成是中间导体，只要保证中间导体两端温度相同，那么对热电偶的热电动势无影 响。2、中间温度定律一一热电偶在结点温度为 T、TO时的热电动势EABT， TO等于该热电偶在T，T0及Tn， T0时的热电动势 EAB T，T0与 EAB Tn ， T0之和。其中Tn称为中间温度。其实用价值在于，

13、当自由端温度不为 0°C时，可利用该 定律及分度表求的工作端T，另外热电偶中补偿导线的使用也是依据以上定律。 3、参考电极定律也称组成定律热电极 A、B 与参考电极 C 组成的热 电偶在结点温度为T，T0时的热电动势分别为EACT，T0与EBCT， T0，那么相同温度下，由A、B两种热电极配对后的热电动势 EABT，T0可 按公式计算 EABT， T0 =EACT， T0 -EBCT， T0。其实用价值在于，大大简化了热电偶选配电极的工作，只要获得有关热电极 与参考电极配对的热电动势， 那么任何两种热电极配对时的电动势均可利用该定 律计算，而不需逐个进行测定。4、均值导体定律由同一种

14、均质材料导体或半导体两端焊接组成闭合回路， 无论导体截面如何以及温度如何分布， 将不产生接触电势，温差电势相抵消，回路中总电势为零。其实用价值在于，如果热电偶回路中的两个热电极材料相同，无论两接点的 温度如何， 热电动势为零。 根据这个定律， 可以检验两个热电极材料成分是否相 同，也可以检查热电极材料的均匀性。用镍铬-镍硅k型热电偶测温度，冷端温度为40°C，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。解：Eab T，To = E AB T，Tn+ E AB T n，ToEAb T，Tn，Eab Tn，T。，先求 Eab T，T。再查分度表得出炉温。1查镍铬镍

15、硅热电偶 K 分度表：EAB T n， 0C = E AB40 C， 0C2E AB T ， 0C = E AB T ， Tn+ E AB T n， 0C= EAB T ， 40C+ E AB 30 C,0 Cmv3再查分度表得：EABT ， 0C =30.799mv 的温度值为 740C试述热电偶冷端温度补偿的几种重要方法和补偿原理。答：1、冷端恒温法将热电偶的冷端置于冰水混合物的恒温容器中，使冷端的温度保持0C不变2、计算修正法利用中间温度定律计算修正。3、仪表机械零点调整法当热电偶与动圈式仪表配套使用时，假 设热电偶的冷端温度比拟恒定， 对测量精度要求又不太高时， 可将动圈式仪表的 机械

16、零点调至热电偶冷端所处的温度 T0处，这相当于在输入热电偶的热电动势 前就给仪表输入一个热电动势ET，0C。 4、电桥补偿法利用电桥平衡原理，适当的选择桥臂电阻和电流 的数值，可以使Uab正好补偿热电偶冷端温度升高所降低的热电动势值。请说明热电偶的参考端在实际应用中的意义和处理方法。 答：由热电偶的测温原理可知，热电偶产生的热电动势大小与两端温度有 关，热电偶的输出电动势只有在参考端温度不变的条件下， 才与工作端温度成单 值函数。热电偶的在实际应用中选用应根据被测温度、压力、介质性质、测温时 间长短来选择热电偶和保护管，其安装位置要有代表性，安装方法要正确。光电效应有哪几种？与之对应的光电器件

17、各是哪些？请简述其特点。 答：光电效应有外光电效应和内光电效应，其中内光电效应又可以分为光 电导效应和光生伏特效应。基于为光电效应工作原理制成的光电器件，一般都是真空的或充气的 光电器件，如光电管和光电倍增管。基于光电导效应工作原理制成的光电器件为光敏电阻。 基于光生伏特效应工作原理制成的光电器件有光电二极管、光电三极 管和光电池。比拟微波传感器与超声波传感器有何异同。答：两者都是传感器， 微波传感器取得是微波电磁波能量； 超声波传感器取得是 超声波的波能量。 两者的相同点是都可以发射和接受相应的波信号， 并转换成相 应的电信号。不同点是超声波传感器对应的波信号是振动频率为 20KHz以上的机 械波，而微波传感器对应的波信号为波长为 1mm1m的电磁波。什么是智能传感器？传感器的智能化主要包括什么内容？ 答：1智能传感器是基于人工智能、信息处理技术实现的具有分析、判断、量 程自动转换、漂移、非线性和频率响应等自动补偿，对环境影响量自适应，自学 习以及超限报警、 故障诊断等功能的传感器。2有：自补偿、自诊断、 自学习、 数据自处理、 存储记忆双向通信、 数字输出等功能， 通过软件技术可实现高精度 的信息采集，而且本钱低；具有一定的编程自动化能力；功能多样化。微传感器的特点是什么？有什么应用？答：特点：(1)体积小、重量轻功耗低性能好易于批