传感器与检测技术第4版谢志萍习题答案

第2章传感器的基本知识2.1试述传感器的定义及其在检测中的作用。解：传感器是一种能感受规定的被测量，并按照一定的规律将被测量转换成可用输出信号的器件或装置。它是信息采集系统的首要部件，是实现现代化测量和自动控制（包括遥感、遥测、遥控）的主要环节。2.2什么是传感器的静态特性？它有哪些性能指标？如何用公式表征这些性能指标？解：传感器的静态特性是指被测量的值处于稳定状态时的输出-输入关系。衡量其静态特性的重要指标有线性度、灵敏度、迟滞、重复性、分辨率、稳定性和漂移等。线性度：；灵敏度：；迟滞（回差滞环）现象：；重复性：或。2.3什么是传感器的动态特性？其分析方法有哪几种?解：传感器对动态输入信号（激励）的响应特性，称为传感器的动态特性。瞬态响应法、频率响应法。2.4进行某次位移测量时，所采用的电容式位移传感器的灵敏度为，将它与增益（灵敏度）为的放大器相连，而放大器的输出接到一台笔式记录仪上，记录仪的灵敏度为20mm/V。试计算这个测量系统的灵敏度。当位移为3mm时，笔式记录仪在记录纸上的偏移量又是多少？略。2.5用压电式加速度传感器配电荷放大器测量加速度，已知传感器的灵敏度为50pc/(m·s2)，电荷放大器的灵敏度为150V/pc。当被测加速度为30m/s2时，试计算此时输出电压是多少？略。第2章传感器的基本知识1.1什么是被测量值的绝对误差、相对误差和引用误差？解：绝对误差：绝对误差是指测量值Ax与被测量真值A0之间的差值。相对误差：所谓相对误差是指绝对误差与被测量真值X0的百分比。引用误差：引用误差是绝对误差与仪表量程L的比值，通常以百分数表示。1.2用测量范围为0～150kPa的压力传感器测量140kPa压力时，传感器测得示值为142kPa，求该示值的绝对误差、相对误差和引用误差。略。1.3什么是随机误差？随机误差具有哪些特征？随机误差产生的原因是什么？解：随机误差：在相同条件下，多次测量同一量时，其误差的大小和符号以不可预见的方式变化，这种误差称为随机误差。特征：大小性、对称性、抵偿性、有界性。1.4略。1.5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%，选用哪台仪表合理？解答：2.5级测温仪表:2.5=(δm/L)100%=(δm/600)100%;δm=15℃r=δm/500=(15/500)100%=3%。2.0级测温仪表:2.0=(δm/L)100%=(δm/600)100%;δm=12℃r=δm/500=(12/500)100%=2.4%。1.5级测温仪表:1.5=(δm/L)100%=(δm/600)100%;δm=9℃r=δm/500=(9/500)100%=1.8%。选2.0级测温仪表合理。1.6有两台测温仪表，测量范围为−300～+300℃和0～700℃，已知两台仪表的绝对误差最大值都为6℃，试问哪台仪表的精度高？解：0～700℃精度高。1.7有一测压仪表，测量范围为0～800Pa，精度等级为0.5级。现用它测量400Pa的压强，求由仪表引起的绝对误差和相对误差分别是多少？解:由题意的引用误差γn=0.5%;量程Xm=800Pa绝对误差:∆x=γnX₀=0.5%Χ400Pa=2Pa相对误差:γ=∆x/x₀Χ100%=2/400Χ100%=0.5%1.8有一温度计，它的测量范围为0～200℃，精度等级为0.5级。（1）求该温度计可能出现的最大绝对误差。（2）求当示值分别为20℃、100℃时的示值相对误差。解：（1）200×0.005=1；（2）20×0.005=0.1，100×0.005=0.5。1.9有一台测压仪表，测量范围为0～1×105Pa，压力P与仪表输出电压U0的关系为。式中，a=1mV；b=5mV/(1×104Pa)；c=−0.3mV/(1×104Pa)2。（1）求该仪表的灵敏度表达式。（2）画出灵敏度曲线。（3）求该仪表的线性度。（4）画出输入-输出特性曲线示意图。略。1.10什么是系统误差和随机误差？精密度和准确度各反映何种误差？系统误差是指在相同的条件下，多次重复测量同一量时，误差的大小和符号保持不变，或按照一定的规律变化的误差。随机误差则是指在相同条件下，多次测量同一量时，其误差的大小和符号以不可预见的方式变化的误差。正确度是指测量结果与理论真值的一致程度，它反映了系统误差的大小，精密度是指测量结果的分散程度，它反映了随机误差的大小。1.11服从正态分布规律的随机误差有哪些特征？对称性：绝对误差相等的正误差和负误差出现的次数相等。单峰性：绝对值小的误差比绝对值大的误差出现的次数多。有界性：在一定的测量条件下，随机误差的绝对值不会超过一定界限。抵偿性：随着测量次数的增加，随机误差的算数平均值趋于零。第3章常用传感器的工作原理及应用一、单项选择题3.1A,C。3.2B。3.3B。3.4C。3.5C。3.6A。3.7B。3.8C，B，A。3.9C，A3.10A。二、问答及计算题3.11（1）12.5mA；（2）12.475mA；（3）0.2%；（4）这样微小的相对变化量是无法用一般指示仅表检测和辨读的，通常要采用电桥电路。3.12如图所示是一直线位移型电容式传感器的示意图。当动极板移动△x后，覆盖面积就发生变化，电容量也随之改变，其值为C=εb（a-△x）/d=C0-εb·△x/d电容因位移而产生的变化量为其灵敏度为可见增加b或减小d均可提高传感器的灵敏度。3.13uo=45sinw/V。3.14自感式传感器的灵敏度与哪些因素有关？要提高灵敏度可采取哪些措施？解：从提高灵敏度而言，可采取以下措施，同时带来后随的不利因素：1，采用差分结构，较之单电感式灵敏度可提高1倍。这导致传感器结构复杂。2，避免空心电感，采用铁芯电感，同样的被测量变化有更大电感变化。这导致线圈体积和重量增加，不利于小型化；同时，使用温度范围被限于磁芯材料的居里温度以下。3，自感型传感器本身的灵敏度（ΔL/Δ被测量）成反比函数，所以使被测量靠近0值的灵敏度最高。这样的限制使得量程减少。4，采用尽可能粗的线径，降低线圈直流电阻。这导致体积、成本增大，极少被采用。5，自感型传感器灵敏度提高后，外部杂散磁场干扰的影响也被加重，这需要增加磁屏蔽设计。这导致成本、使用范围受限。3.15压电式传感器的测量电路为什么常用电荷放大器？解：由于压电式传感器输出的电荷量很小，而且由于压电元件本身的内阻很大，这样就造成了输出信号(（电压或电流）很微弱，所以要先把输出信号输入到高输入阻抗的前置放大器，经过阻抗变换后，再进行其他处理。……但输出受到连接电缆对地电容的影响，故常采用电荷放大器。3.16解：=1V；Cf100pF。3.17什么是霍尔效应？其物理本质是什么？用霍尔元件可测量哪些物理量？试举例说明。解：答:霍尔效应:金属或半导体薄片置于磁场中,当有电流流过薄片时,则在垂直于电流和磁场方向的两侧面上将产生电位差,这种现象称为霍尔效应,产生的电位差称为霍尔电势。霍尔效应产生的物理本质:在磁场中运动的电荷受到磁场力作用,而向垂直于磁场和运动方向的方向移动,在两侧面产生正、负电荷积累。可用于测量的物理量:电流的测量,位移测量,磁感应强度测量,力测量;计数装置,转速测量,流量测量,位置检测与控制,电子点火器,制做霍尔电机—无刷电机等。3.18试列举丝式金属电阻应变片与半导体应变片的相同点和不同点。解：属应变片由敏感栅、基片、覆盖层和引线等部分组成。金属电阻应变片的敏感栅有丝式、箔式和薄膜式三种。箔式应变片是利用光刻、腐蚀等工艺制成的一种很薄的金属箔栅，其优点是散热条件好，允许通过的电流较大，便于批量生产，可制成各种所需的形状；缺点是电阻分散性大。薄膜式应变片是采用真空蒸发或真空沉淀等方法在薄的绝缘基片上形成0.1μm以下的金属电阻薄膜的敏感栅，最后再加上保护层。它的优点是应变灵敏度系数大，允许电流密度大，工作范围广。半导体应变片是用半导体材料制成的，其工作原理是基于半导体材料的压阻效应。半导体应变片的突出优点是灵敏度高，比金属丝式应变片高50～80倍，尺寸小，横向效应小，动态响应好。但它有温度系数大，应变时非线性比较严重等缺点。3.19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？电容量的数学表达式说明电容的极板距离和电容量之间存在非线性；电容传感器的结构造成一些传感器工作是极板形状会发生改变，如由平面变成球面。改进变间隙型电容传感器非线性的常用手段：采用差动工作方式；减小极板位移量，当极板位移量/极板初始距离<<1时，极板位移量和电容量的关系趋于线性；用后续电路的非线性进行补偿；用数字运算对非线性进行纠正。3.20什么是压电效应？以石英晶体为例说明压电晶体是怎样产生压电效应的？解：（1）某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷。当外力去掉后，它又会恢复到不带电的状态，这种现象称为正压电效应。（2）石英晶体属于又重新回到不带电状态。这种现象叫做压电效应。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；若在同一晶体片上，当在机械轴（y轴）方向受到力作用时，则仍在与电轴（x轴）垂直的平面上将产生电荷qy电荷qx和qy的符qx号由受力是拉力还是压力决定的。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。3.21写出你认为可以用霍尔传感器来检测的物理量。解：力、力矩、压力、应力、位置、位移、速度、加速度、角度、转速、磁场量等等。3.22试用霍尔元件设计一个测量转速的装置，并说明其工作原理。解：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,这一现象便是霍尔效应。这个电势差也被叫做霍尔电势差。利用霍尔效应可测量大电流、微气隙磁场、微位移、转速、加速度、振动、压力、流量和液位等;用以制成磁读头、磁罗盘、无刷电机、接近开关和计算元件等等。3.23为什么说压电式传感器只适用于动态测量而不适用于静态测量？解：压电式传感器的工作原理决定其只适于动态量测量。力作用在压电传感器上，其会产生电荷。电荷量很微弱，会由自身泄漏掉。若动态力作用，则电荷可以不断补充，不至于完全泄漏掉。3.24试利用霍尔式接近开关设计一个洗衣机自动取水装置。略。3.25热电偶冷端补偿有哪些方法？其补偿原理分别是什么？补偿导线法、冷端温度恒温法、冷端温度计算校正法、电桥法。3.261.6mV。3.27略。3.28略。3.29（1）1383.2度；（2）1306.2度。3.30解:(1)四个热电偶分别接电子开关,再接同一台测量仪表,通过选通电子开关的办法,实现分别测量T1、T2、T3和T4的温度。(电子开关可以采用DG801/802超导通电阻(最大导通电阻为Ω)电子开关,S端输入,D端输出,C端高电平时选通。)(2)四个热电偶并联再接测量仪表,可以实现共用一台仪表测量T1、T2、T3和T4的平均温度。图略。3.31略。3.32略。3.33（1）略；（2）略；（3）液位控制系统原理如图所示,霍尔元件固定不动,磁铁与探测杆固定在一起,连接到装液体的容器旁边,通过管道与内部连接。当液位达到控制位置时霍尔元件输出控制信号通过处理电路和电磁阀来控制液压阀门的开启和关闭,如液位低于控制位置时开启阀门超过控制位置时则关闭阀门。第4章数字式传感器一、选择题4.1C。4.2A。4.3C。二、问答及计算题4.4莫尔条纹是怎样产生的？它具有哪些特性？解：若将两块光栅（主光栅、指示光栅）叠合在一起，并且使它们的刻线成角度θ，由于光栅的刻线相交处形成亮带，而在一块光栅的刻线与另一块光栅的缝隙相交处形成暗带，在与光栅刻线垂直的方向，将出现明暗相间的条纹，这些条纹就成为摩尔条纹。特性：1）运动对应关系②位移放大作用。B=W/2/sin(θ/2)当两块光栅沿着垂直于刻线方向相对移动时，莫尔条纹将沿着刻线方向移动，光栅移动一个节距W，莫尔条纹也移动一个间距B，从式可知，θ越小，B越大，使得BW,即莫尔现象有使栅距放大的作用，因此独处莫尔条纹的数目比读光栅刻线要方便的多。2）误差平均效用。4.510mm。4.6试述光栅传感器的细分原理。解：光栅式传感器是利用光栅的莫尔条纹进行测量测。光栅式传感器一般由光源、标尺光栅、指示光栅和光电器件组成。测量时取两块光栅常数相同的光栅，其中一块用作标尺光栅，它可以移动（或固定不动），另一块用作指示光栅，它固定不动（或可以移动），两者刻线面相对，中间留有很小的间隙相叠合，组成光栅副。将其置于光源和透镜形成的平行光束的光路中，若两光栅栅线之间有很小的夹角，则在近似垂直于栅线方向上显现出比栅距宽很多的明暗相间的莫尔条纹，当标尺光栅沿垂直于栅线方向每移过一个栅距时，莫尔条纹近似沿栅线方向移过一个条纹间距。用光电器件接收莫尔条纹信号，经电路处理后用计数器计数，可得到标尺光栅移过的距离，实现测量位移的目的。4.7码盘式编码器主要有哪几种？各有什么特点？解：光电码盘式传感器，也称为光电码盘式编码器，可以直接将机械转动转换为以数字代码表示的电信号。4.8略。4.9略。第5章新型传感器5.1什么是仿生传感器？仿生传感器主要有哪些？解：传感器是指各种代替、补充、延伸人的感觉器官功能的电子元件;常见的传感器有压力传感器、光敏电阻传感器、热敏电阻传感器、双金属温度传感器、磁敏传感器等。5.2试设计一种智能位移传感器。略。5.3试描述新型传感器的发展前景。解：随着集成微光、机、电系统技术的迅速发展，以及光导、光纤、超导、纳米、智能材料等新技术的应用，将会出现大量的新型传感器。这些传感器通过进一步的信息采集与传输、处理集成化、智能化和网络化，将具有自检自校、量程转换、定标和数据处理等功能，传感器的功能必将得到进一步增强和完善，性能必将进一步提高。第6章传感器与检测系统的信号处理技术6.1什么是仿生传感器？仿生传感器主要有哪些？略。6.2（1）=0.01V；（2）=0V；（3）=0.02V。6.3输出与输入的关系是：uo=2πf（L若电感增量无穷小，且两个电阻均为R，则，uo=4πf6.4在检测系统中为什么要用隔离放大器？试说明隔离放大器的工作原理。使用隔离放大器的一个常见原因是，为了断开接地环路。电气装置可以在两个远程节点，接地1和接地2之间产生较大的接地电位差。这两个接地之间的直接连接会最终形成一个接地环路。电机一类的设备可以向地面注入较大的噪声电流，从而产生在信号路径中出现的接地环路电流。隔离放大器可消除来自接地环路的信号路径噪声，保护系统免受接地环路电位差的影响。隔离放大器的工作原理是通过隔离元件(如变压器或光耦合器)将输入和输出电路完全隔离开来。输入信号被隔离元件转换为另一种形式，例如电流信号转换为光信号或通过电磁感应转换为另一个电压信号。然后，隔离放大器将隔离后的信号进行放大，并通过隔离元件将放大后的信号转换回原始信号形式。6.5为什么要对一些传感器的输出信号进行转换？转换的目的是什么？为了加强通用性和灵活性，某些传感器的输出可以靠相应的转换器把非标准信号转换成标准信号，使之与带有标准信号输入电路或接口的显示仪表配套。不同的标准信号也可借助相应的转换器相互转换，如4～20mA与0～10mA、0～5V与0～10mA等的相互转换。常用的信号转换主要有电压与电流的相互转换、电压与频率的相互转换。6.6试设计一种电容式测力传感器，要求其电压输出范围为0～10V。略。第7章传感器与检测系统的干扰抑制技术7.1论述检测系统的干扰来源。1.内部噪声源内部噪声源是由检测系统内部和各种元器件引起的，主要包括以下几种。(1)电路元器件产生的固有噪声。(2)感性负载切换时产生的噪声干扰。2．外部噪声源外部噪声源主要来自自然界及检测系统周围的电气设备，是由使用条件和外界环境决定的，与系统本身的结构无关，主要有以下几种。（1）天体和天电干扰。（2）放电干扰。（3）射频干扰。（4）工频干扰。7.2接地方式有哪几种？各适用于什么情况？1.信号地。在测试系统中，原始信号是用传感器从被测对象获取的，信号(源)地是指传感器本身的零电位基准线。2.模拟地。模拟地是模拟信号的参考点，所有组件或电路的模拟地最终都归结到供给模拟电路电流的直流电源的参考点上。3.数字地。数字地是数字信号的参考点，所有组件或电路的数字地最终都与供给数字电路电流的直流电源的参考点相连。4.负载地。负载地是指大功率负载或感生负载的地线。当这类负载被切换时，它的地电流中会