传感器原理及工程应用_第三版__课後答案_(郁有文_常健_程继红_著)_西安电子科技大学出版社.pdf
第二章 2-1什么叫传感器?它有哪几部分组成?它们的作用及相互关系如何? 1、传感器是一种以┅定的精确度把被测量转换为与之确定对应关系的、便于应用的某种物理 量的测量装置 2、传感器由敏感元件、转換元件和辅助部件组成 3、敏感元件指传感器中能直接感受并检测岀被测对象的待测信息的元件。 转换元件指传感器中能将敏感元件所感受的信息直接转换成电信號的部分 辅助器件通常包括电源,如交流、直流供电系统以及必须的基本转换电路等。 被测量「敏感元件 转换元件 信号调理转换电蕗 辅助電源 2-2什么是传感器的静态特性?它有哪些性能指标?分别说明这些性能指标的含义? 1、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與输入的关系 被测量是一个不随时间变化,或随时间变化缓慢的量,可以只考虑其静态特性,这时传 感器的输入量与输出量之间在数值上一般具有一定的对应关系,关系式中不含有时间变量。 2、传感器的静态特性可以用一组性能指标来描述,如灵敏度、迟滞、线性度、重复性和漂 移等 3、灵敏度:是传感器静态特性的一个重要指标。其定义是输出量增量Δy与引起输出量增量 △y的相应输入量增量Ax之比用S表示灵敏度,即Ax’咜表示单位输入量的变化所 引起传感器输出量的变化,很显然,灵敏度S值越大,表示传感器越灵敏。 迟滞:传感器在输入量山小到大(正行程)及输入量由大到小(反行程)变化期间其输 入输出特性曲线不重合的现象称为迟滞传感器在全量程范围内最大的迟滞差值△Hmx与满 量程输出值F之比称為迟滞误差,用γ表示,即Y=xHm 线性度:是指输出与输入之间数量关系的线性程度。传感器的线性度是指在全量程范围 内实际性曲线与拟合直线之间嘚最大偏差值Δm与满量程输出值F之比线性度也称为 非线性误差,用n表示,即x~L100%。 重复性:是指传感器在输入量按同一方向作全量程连续多次变化時,所得特性曲线不一 致的程度重复性误差属于随机误差,常用标准差σ计算,也可用正反行程中最大重复差值 △Rmx计算,即y8=± ×100%,或者,=士4Rm×100% (2~3) 传感器嘚漂移:是指在输入量不变的情况下,传感器输出量随着时间变化,此现象称为 漂移。温度漂移通常用传感器工作环境温度偏离标准环境温度(一般为20℃)时的输岀值的 变化量与温度变化量和满量程乘积之比(§)来表示,即 2-4某压力传感器测试数据如表21所示,计算非线性误差、迟滞、重复性误差 答:拟合曲线的两个端点取两个最远点:(0.00,-2.71)与(0.10,1445) 3-4拟在等截面的悬臂梁上粘贴四个完全相同的电阻应变片,并组成差动全桥电路,试问: (1)四个应变片应怎样粘贴在悬臂梁上? (2)画出相应的电桥的灵敏度由什么决定电路图。 答: ①如题图3-4(a)所示等截面悬梁臂,在外力F作用下,悬梁臂产生变形,梁的上表面受 到拉应变,而梁的下表面受压应变当选用四个完全相同的电阻应变片组成差动全桥电路, 则应变片如题图3-4(b)所示粘贴。 图3-4(a) (1)R为金属应变片,其余為外接电阻当R1的增量为ΔR1=1.2旦时,电桥的灵敏度由什么决定输出电压U=? (2)R1,R2都是应变片,且批号相同,感应应变的极性和大小都相同,其余为外接电阻, 电橋的灵敏度由什么决定输出电压Uo=? (3)题(2)中,如果R与R1感受应变的极性相反,且AR1=AR2=1.2Ω,电桥的灵敏度由什么决定输出电压 答:①如题3-5图所示 R 图 E△R141.2 0.01V 4R4120 、1,ΔR,41.2 V=0.02V(符号根据應变片的极性决定 R1+R2R3+R1 R.题36图示为等强度梁测力系统,R1为电阻应变片,应变片灵敏系数K=205,未受应 变时,R1=1209。当试件受力F时,应变片承受平均应变8=800m/m,求 (1)应变片电阻變化量ΔR1和电阻相对变化量△R1/R1 (2)将电阻应变片R1置于单臂测量电桥的灵敏度由什么决定,电桥的灵敏度由什么决定电源电压为直流3V,求电桥的灵敏喥由什么决定输出电压及电桥的灵敏度由什么决定 非线性误差 (3)若要减小非线性误差,应采取何种措施?并分析其电桥的灵敏度由什么决定输絀电压及非线性误差大小。 答:①根据应变效应,有 △R K R 已知K=2.05,ε=800umm,R1=120g 代入公式,则△R=K·E·R=2,05×800×106×120=0.196892 △R R1 0 (全桥电路答案正硝) 第四章 47已知一差动整流电桥的灵敏喥由什么决定电路如题47图所示电路由差动电感传感器Z1、Z2及平衡电阻R、R2 R1=R2)组成。桥路的一个对角接有交流电源U,丹一个对角线为输出端U’试汾析该电路的 工作原理 R m Z1、Z2、R1、R2组成桥路,VD1、VD2、VD3、VD4组成整流桥。 山式4-14可知,对于单端传感器的灵敏度 A6带入已知的参数可得 A169.56mH =339.12mH/cm。 △6 0.5cm 对于差动式结构,甴式423可知,差动变隙式电感传感器的灵敏度是单线圈式的两倍, 所以采用差动式结构,其灵敏度提高为2×339.12mHcm=678.24 mice 49分析题49图,已知空气隙的长度为x和x2,空气 隙嘚面积为A,磁导率为M,线圈匝数W不变求当自 感传感器的动铁心左右移动(x1、x2发生变化)时白感 L的变化情况。 x1 I 答: 由自感式电动传感器的原理可得: 平Wφ L ⅠW R R A A HoA HoA 其中,—铁芯材料的导磁率:2动铁芯材料的导磁率:l磁通通过铁芯的长 度;A—铁芯的截面积;A—空气的导磁率 由于气隙磁阻远大于铁芯和动铁芯嘚磁阻,所以上式可简化为: R=X1tX2 A 所以最终的自感L计算公式为: YW力W 2 wLnA L ⅠIR r 第五章 5-2如何改善单极式变极距型传感器的非线性? 答:传感器的相对非线性误差为 (△d/d) ×100%==×100% ∧d/d 为提高灵敏度,减小非线性误差,采用差动式结构 2 如上图所示,在差动平板式电容器中,当差动板上移△d时,C1的间隔变为d-△d,C2 的间隔变为d+△d,则 +△d 输出电压Uo与液位h之间早线性关系,满足要求。 也可使用运算放大电路(证明略) 5-4有一个以空气为介质的变面积型平板电容式传感器。其中a-8mm,b-12mm,俩極板间 距离为1mm一块极板在原始位置上平移了5mm后,求该传感器的位移灵敏度K(已 压电元件的等效电路。(a)电压源(b)电荷源 6-5电荷放大器所要解决的核惢问题是什么?试推导其输入输出关系 答:解决的核心问题:电缆连接时对电荷放大器的影响可忽略不计 电荷放大器作为压电传感器的输入电蕗,由反馈电容和高增益运算放大器构成。 由运算放大器的特性得 Aq +C+C7+(+A)C A-10-10°,当(1+AC1 +C时 6-6简述压电式加速度传感器的工作原理 答:当加速度传感器和被测物┅起受到冲击振动时,压电元件受质量块惯性力的作用根据牛 顿第二定律,力为加速度的函数 f=ma 一质量块产生的惯性力