传感器原理及工程应用第四版郁有文课后答案

传感器原理及工程应用第四版郁有文课后答案第一章绪论习题1.什么是传感器？它由哪几部分组成？各部分有什么作用？答案：传感器是能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。它通常由敏感元件、转换元件和基本转换电路组成。敏感元件是直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的某一物理量的元件；转换元件则将敏感元件输出的物理量转换成电信号；基本转换电路将转换元件输出的电信号进行进一步的处理和转换，以获得便于显示、记录、处理和控制的有用电信号。2.传感器的分类方法有哪些？试分别列举说明。答案：传感器的分类方法有多种。按被测量分类，可分为物理量传感器、化学量传感器和生物量传感器等，如温度传感器、压力传感器、气体传感器等；按工作原理分类，可分为电阻式传感器、电容式传感器、电感式传感器、压电式传感器等；按敏感元件与被测对象之间的能量关系分类，可分为能量转换型传感器和能量控制型传感器；按传感器的输出信号分类，可分为模拟传感器和数字传感器。3.传感器的性能指标有哪些？试简述其含义。答案：传感器的性能指标主要有：灵敏度，指传感器输出量与输入量的比值，反映传感器对被测量变化的敏感程度；线性度，指传感器输出与输入之间的线性程度；迟滞，指传感器正反行程输出特性不一致的程度；重复性，指传感器在输入量按同一方向作全量程连续多次变化时，所得特性曲线的不一致性；精度，指传感器测量结果与被测量真值的接近程度；分辨率，指传感器能检测到的最小被测量变化量；零点输出，指传感器在输入量为零时的输出值；满量程输出，指传感器在输入量为满量程时的输出值；响应特性，包括响应时间、上升时间、峰值时间等，反映传感器对输入信号变化的响应速度；过载能力，指传感器在不致引起规定性能指标永久改变的条件下，所能承受的最大被测量值。4.传感器技术在现代科学技术中有哪些作用？答案：传感器技术在现代科学技术中起着至关重要的作用。它是获取信息的首要环节，为各种自动化系统提供准确可靠的原始数据。在工业生产中，传感器用于监测生产过程中的各种参数，实现生产过程的自动化控制和质量监测，提高生产效率和产品质量；在航空航天领域，传感器用于测量飞行器的各种状态参数，保障飞行安全；在环境监测方面，传感器可实时监测空气质量、水质等环境指标，为环境保护提供依据；在医学领域，传感器用于医疗诊断、生命体征监测等，有助于提高医疗水平；在智能家居中，传感器能实现对家居环境的智能控制和监测，提升生活的便利性和舒适度。总之，传感器技术是现代信息技术的基础，推动着各个领域的不断发展和进步。

第二章电阻式传感器习题1.金属应变片与半导体应变片在工作原理上有何不同？答案：金属应变片的工作原理是基于金属的电阻应变效应，即金属丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻值会发生变化。当金属丝受拉时，长度增加，截面积减小，电阻增大；受压时，长度减小，截面积增大，电阻减小。半导体应变片则是基于压阻效应，半导体材料在受到应力作用时，其电阻率会发生显著变化，从而导致电阻值改变。半导体应变片的灵敏度比金属应变片高得多，但线性度相对较差。2.简述应变片温度误差的产生原因及补偿方法。答案：应变片温度误差产生的原因主要有两方面：一是应变片的电阻温度系数的影响，当温度变化时，应变片的电阻值会因温度系数的作用而改变；二是试件材料和应变片材料的线膨胀系数不同，温度变化时，两者的膨胀或收缩不一致，会产生附加应变，导致电阻变化。补偿方法有：电桥补偿法，利用电桥的平衡原理，通过在电桥中接入温度补偿片，使温度变化时电桥输出不变；应变片自补偿法，选用具有合适温度系数的应变片材料，使其在温度变化时电阻变化相互抵消；热敏电阻补偿法，利用热敏电阻的阻值随温度变化的特性，与应变片串联或并联，对温度误差进行补偿。3.用应变片测量时，为什么必须采用温度补偿措施？答案：应变片对温度变化非常敏感，温度的微小变化都会引起应变片电阻值的较大改变，从而导致测量误差。如果不采用温度补偿措施，在测量应变时，温度变化引起的电阻变化会与应变引起的电阻变化叠加在一起，使测量结果无法准确反映真实的应变情况。因此，为了准确测量应变，必须采用温度补偿措施来消除温度变化对测量结果的影响。4.说明电阻应变片的组成及各部分的作用。答案：电阻应变片主要由敏感栅、基底、覆盖层、引线和粘结剂等部分组成。敏感栅是应变片的核心部分，它直接感受被测量的应变，将应变转换为电阻变化；基底用于支撑敏感栅，使其能牢固地粘贴在试件表面，并起到绝缘作用；覆盖层保护敏感栅免受外界环境的侵蚀和机械损伤；引线用于将敏感栅的电阻变化引出，以便与测量电路连接；粘结剂则将敏感栅、基底等牢固地粘结在一起，并使应变片与试件表面紧密接触，保证应变传递准确。5.有一电阻应变片，其灵敏度$K=2$，电阻$R=120\Omega$，设工作时其应变为$1000\mu\varepsilon$，问$\DeltaR$和$\frac{\DeltaR}{R}$各为多少？答案：根据灵敏度公式$K=\frac{\DeltaR/R}{\varepsilon}$，可得$\DeltaR=K\cdotR\cdot\varepsilon$。已知$K=2$，$R=120\Omega$，$\varepsilon=1000\times10^{6}$，则$\DeltaR=2\times120\times1000\times10^{6}=0.24\Omega$，$\frac{\DeltaR}{R}=\frac{0.24}{120}=2\times10^{3}$。

第三章电容式传感器习题1.简述电容式传感器的工作原理及其特点。答案：电容式传感器的工作原理是基于电容量的变化来检测被测量。当被测量作用于电容式传感器时，会引起电容的一个或几个参数（如电容极板间距离、面积、介质介电常数）发生变化，从而导致电容量改变，通过检测电容量的变化来测量被测量。其特点包括：灵敏度高，能检测到微小的变化；动态响应特性好，可用于测量快速变化的信号；结构简单，适应性强；抗干扰能力强；输出阻抗高，需要配套的测量电路。2.电容式传感器有哪些类型？各有什么特点？答案：电容式传感器主要有变极距型、变面积型和变介质型。变极距型电容式传感器灵敏度高，但非线性严重，测量范围较小；变面积型电容式传感器线性度好，量程较大，但灵敏度相对较低；变介质型电容式传感器常用于测量介质的厚度、液位等，可通过改变介质的介电常数来检测被测量，其灵敏度和线性度取决于具体的结构和工作方式。3.电容式传感器测量电路的作用是什么？常用的测量电路有哪些？答案：电容式传感器测量电路的作用是将电容式传感器输出的微小电容变化转换为电压、电流或频率等容易测量的电信号，并进行放大、处理和显示。常用的测量电路有：调频电路，将电容变化转换为频率变化进行测量，具有抗干扰能力强、灵敏度高等优点；运算放大器电路，通过运算放大器将电容变化转换为电压变化，电路简单，但灵敏度受运算放大器性能影响；脉冲宽度调制电路，将电容变化转换为脉冲宽度变化，便于后续处理和数字测量。4.一平板电容式传感器，极板面积为$A$，极板间距为$d$，中间充满介电常数为$\varepsilon$的介质，试推导其电容计算公式。答案：根据平板电容器电容公式$C=\frac{\varepsilonS}{d}$（其中$S$为极板面积，$d$为极板间距），对于本题中的平板电容式传感器，极板面积为$A$，极板间距为$d$，介电常数为$\varepsilon$，则其电容$C=\frac{\varepsilonA}{d}$。5.已知变极距型电容式传感器的极距变化量$\Deltad=1\mum$，两极板间距离$d=10mm$，极板面积$A=30cm^2$，介质为空气，其介电常数$\varepsilon_0=8.85\times10^{12}F/m$，求电容变化量$\DeltaC$。答案：首先将单位统一，$d=10\times10^{3}m$，$A=30\times10^{4}m^2$。根据变极距型电容式传感器电容变化量公式$\DeltaC=\frac{\varepsilon_0A}{d^2}\Deltad$，代入数据可得：$\DeltaC=\frac{8.85\times10^{12}\times30\times10^{4}}{(10\times10^{3})^2}\times1\times10^{6}=2.655\times10^{15}F$。

第四章电感式传感器习题1.简述自感式传感器和互感式传感器的工作原理。答案：自感式传感器是利用电磁感应原理，将被测量的变化转换为自感系数的变化，从而引起电路中电感量的变化，通过检测电感量的变化来测量被测量。常见的有气隙型、螺线管型和差动变压器型等。互感式传感器也叫差动变压器，它利用互感原理，将被测量的变化转换为互感系数的变化，从而使二次绕组感应电动势发生变化，通过检测感应电动势来测量被测量。2.说明差动变压器式传感器的工作原理及零点残余电压产生的原因和消除方法。答案：差动变压器式传感器由初级线圈、两个次级线圈和铁芯组成。当铁芯在初级线圈中通以交变电流时，会在两个次级线圈中产生感应电动势。当铁芯处于中间位置时，两个次级线圈的感应电动势大小相等、相位相反，输出电压为零；当铁芯向上或向下移动时，两个次级线圈的感应电动势不再平衡，输出电压发生变化。零点残余电压产生的原因主要有：传感器的两个次级线圈的电气参数和几何尺寸不完全对称；铁芯的BH特性存在非线性；外界杂散磁场的影响等。消除方法有：采用补偿电路，如串联电阻、并联电容等；精心设计传感器结构，使两个次级线圈尽量对称；采用磁屏蔽措施，减少外界磁场干扰。3.自感式传感器有哪些类型？各有什么特点？答案：自感式传感器主要有气隙型自感传感器、螺线管型自感传感器等。气隙型自感传感器结构简单，灵敏度较高，但线性度较差，量程较小。螺线管型自感传感器线性度较好，量程较大，但灵敏度相对较低。4.已知一空心线圈的电感$L=10mH$，当线圈中插入一铁芯后，电感变为$100mH$，求铁芯的相对磁导率$\mu_r$。（真空磁导率$\mu_0=4\pi\times10^{7}H/m$）答案：根据电感与磁导率的关系$L=\frac{\muN^2S}{l}$（其中$\mu$为磁导率，$N$为线圈匝数，$S$为线圈截面积，$l$为线圈长度），插入铁芯前后其他参数不变，设铁芯相对磁导率为$\mu_r$，则有$\frac{L_2}{L_1}=\frac{\mu_0\mu_rN^2S/l}{\mu_0N^2S/l}=\mu_r$。已知$L_1=10mH$，$L_2=100mH$，所以$\mu_r=\frac{100}{10}=10$。5.有一差动变压器，其初级线圈两端加正弦电压$u=U_m\sin\omegat$，当次级线圈开路时，输出电压$u_2=0$。现次级线圈接一负载电阻$R_L$，已知初级线圈电感$L_1=2H$，次级线圈电感$L_2=1.8H$，互感系数$M=1.5H$，求次级线圈的输出电压$u_2$。答案：根据互感电动势公式$e_2=M\frac{di_1}{dt}$，初级线圈电流$i_1=\frac{u}{L_1}=\frac{U_m\sin\omegat}{L_1}$，则$\frac{di_1}{dt}=\frac{\omegaU_m\cos\omegat}{L_1}$。所以次级线圈的互感电动势$e_2=M\frac{\omegaU_m\cos\omegat}{L_1}$。由于次级线圈接负载电阻$R_L$，根据全电路欧姆定律，次级线圈输出电压$u_2=e_2\frac{R_L}{R_L+j\omegaL_2}$。将$L_1=2H$，$L_2=1.8H$，$M=1.5H$代入可得：$u_2=M\frac{\omegaU_m\cos\omegat}{L_1}\frac{R_L}{R_L+j\omegaL_2}$，进一步化简可得到具体的表达式（这里假设$\omega=1$进行简化计算）：$u_2=1.5\times\frac{U_m\cos\omegat}{2}\frac{R_L}{R_L+j1.8}$，通过复数运算可得到$u_2$的幅值和相位等具体参数。

第五章压电式传感器习题1.简述压电式传感器的工作原理及其应用场合。答案：压电式传感器是基于压电效应工作的，某些电介质在沿一定方向上受到外力作用时，内部会产生极化现象，同时在其表面会产生电荷，当外力去掉后，又重新回到不带电状态，这种现象称为压电效应。其应用场合主要有：在力测量方面，可用于测量各种力、压力、加速度等；在声学领域，可用于声发射检测、超声探伤等；在振动测量中，用于测量振动的加速度、速度和位移等；在冲击测量中，可检测冲击的强度和能量等。2.压电材料有哪些类型？各有什么特点？答案：压电材料主要有石英晶体、压电陶瓷等。石英晶体是一种天然的压电材料，具有良好的压电性能、稳定性和机械强度，其压电系数较小，但线性度好，常用于高精度的测量和标准传感器。压电陶瓷是人工制造的压电材料，压电系数比石英晶体大得多，灵敏度高，但居里点较低，温度稳定性相对较差，常用于一般的测量和控制领域。3.压电式传感器测量电路的作用是什么？常用的测量电路有哪些？答案：压电式传感器测量电路的作用是将压电式传感器输出的微弱电荷信号转换为电压或电流信号，并进行放大、处理，以满足后续测量、记录和控制的要求。常用的测量电路有电压放大器和电荷放大器。电压放大器将电荷转换为电压输出，其输出电压与输入电荷成正比，但容易受电缆电容等因素影响；电荷放大器能直接将电荷转换为与电荷量成正比的输出电压，且输出几乎不受电缆电容的影响，测量精度高。4.用石英晶体加速度计及电荷放大器测量加速度，已知加速度计灵敏度为$2pC/g$，电荷放大器灵敏度