..WordWord資料第一章 傳感器基l.檢測系統(tǒng)由哪幾部分組成?說明各部分的作用。答：一個完整的檢測系統(tǒng)或檢測裝置通常是由傳感器、測量電路和顯示記錄裝置等幾部分組成，分別完成信息獲取、轉換、顯示和處理等功能。當然其中還包括電源和傳輸通道等不可缺少的部分。下圖給出了檢測系統(tǒng)的組成框圖。指示儀指示儀被測量傳感器測量電路記錄儀電源數(shù)據(jù)處理儀器檢測系統(tǒng)的組成框圖環(huán)節(jié)無法添加新的檢測信息并且不易消除傳感器所引入的誤差。弱的，就需要由測量電路加以放大，以滿足顯示記錄裝置的要求。根據(jù)需要測量電路還能進行阻抗匹配、微分、積分、線性化補償?shù)刃盘柼幚砉ぷ?。顯示記錄裝置是檢測人員和檢測系統(tǒng)聯(lián)系的主要環(huán)節(jié)，主要作用是使人們了解被測量的大小或變化的過程。傳感器的型號有幾部分組成，各部分有何意義?依次為主稱（傳感器）被測量—轉換原理—序號主稱——傳感器，代號C；2；序號——ABC（其I、Q。例：應變式位移傳感器：CWY-YB-20；光纖壓力傳感器：CY-GQ-2。測量穩(wěn)壓電源輸出電壓隨負載變化的情況時，應當采用何種測量方法?如何進行?答：測定穩(wěn)壓電源輸出電壓隨負載電阻變化的情況時，最好采用微差式測量。此時輸出電壓認可表示為U，0U△U是負載電阻變化所引起的輸出電壓變化量，相對U來講為一小量。如果采用偏差法0測量，儀表必須有較大量程以滿足U，這個小量造成的U的變化就很難測準。測量原0 0理如下圖所示：E分別表示穩(wěn)壓電源的內阻和電動勢，凡表r示穩(wěn)壓電源的負載，E、RRR使電位差計工作電流I為標準值。1 1 w 1 1RRP的活動觸點，使毫伏表指示為零，這相當于事先用零位1UR的值，負載變動所引起的穩(wěn)壓電LU，即可由毫伏表指示出來。根據(jù)U0 0下的值都可以準確地測量出來。微差式測量法的優(yōu)點是反應速度快，測量精度高，特別適合于在線控制參數(shù)的測量。RRmRPRwRrR1RLEE1用微差式測量方法測量穩(wěn)壓電源輸出電壓隨負載的變化4.5mm5.0mm3.5V2.5V，求該儀器的靈敏度。解：該儀器的靈敏度為S2.53.55.04.5

mV/mm某測溫系統(tǒng)由以下四個環(huán)節(jié)組成，各自的靈敏度如下鉑電阻溫度傳感器： 0.45Ω/℃電橋： 0.02V/Ω放大器： 100(放大倍數(shù))筆式記錄儀： 求：(1)測溫系統(tǒng)的總靈敏度；(2)記錄儀筆尖位移4cm時，所對應的溫度變化值。（1）測溫系統(tǒng)的總靈敏度為S0.450.021000.20.18cm/℃（2）記錄儀筆尖位移4cm時，所對應的溫度變化值為t 4 22.220.18 ℃2.52.01.5500℃的溫度，2.550℃0℃時的相對誤差為406℃，5003.2％；1.5125002.4％。1.5什么是系統(tǒng)誤差和隨機誤差?正確度和精密度的含義是什么?它們各反映何種誤差?量結果的分散程度，它反映了隨機誤差的大小。服從正態(tài)分布規(guī)律的隨機誤差有哪些特性?答：服從正態(tài)分布規(guī)律的隨機誤差的特性有：對稱性隨機誤差可正可負，但絕對值相等的正、負誤差出現(xiàn)的機會相等。也就是說f(δ)-δ曲線對稱于縱軸。有界性在一定測量條件下，隨機誤差的絕對值不會超過一定的范圍，即絕對值很大的隨機誤差幾乎不出現(xiàn)。抵償性在相同條件下，當測量次數(shù)n→∞時，全體隨機誤差的代數(shù)和等于零，即

limnini1

0。單峰性 絕對值小的隨機誤差比絕對值大的隨機誤差出010R＝167.95Ω R＝167.45Ω R＝167.60Ω R＝167.60Ω R＝167.87Ω R＝167.88Ω1 2 3 4 5 6R＝168.00Ω R＝167.850Ω R＝167.82Ω R＝167.61Ω7 8 9 1010Rσ和算術平均值的標準誤差s(299.7％，寫出被測電阻的真值和極限值。解：(1)求10次測量的算術平均值R，測量的標準誤差σ和算術平均值的標準誤差s。R

RR R2 n10i1167.95167.45167.60167.60167.87167.88168.00167.85167.82167.6110167.763n11 n(xn11 n(xx)2ii1n11 nvii11109vii1 1(0.18720.313220.16320.10720.10820.23720.08720.05720.1532)90.1824n10s 0.18240.0577n10099.7R0

167.7633s0.173)m極限值為：R 167.76330.547)m試分析電壓輸出型直流電橋的輸入與輸出關系。答：如圖所示，電橋各臂的電阻分別為R、R、R、R。U為電橋的直流電源電壓。當四臂電阻1 2 3 4RRRRR時稱為等臂電橋當RRRR(≠)時稱為輸對稱電橋當RRRR1 2 3 4

1 2 3 4

1 4 2 3=R’(R≠R’)時，稱為電源對稱電橋。AAR1R2DCU0R4R3BU直流電橋電路當電橋輸端接有放大器時，由于放大器的輸入阻抗很高，所以可以認為電橋的負載電阻為無窮大，這時電橋以電壓的形式輸。輸電壓即為電橋輸端的開路電壓，其表達式為RRU 1

RR2 4

U (1)o (R1

R)(R2

R)4111設電橋為單臂工作狀態(tài)，即R為應變片，其余橋臂均為固定電阻。當R感受被測量產(chǎn)生電阻增量ΔR111R R時，由初始平衡條件RR=RR得 1 4，代入式1，則電橋由于R產(chǎn)生不平衡引起的輸出電壓為13 24 R R 12 32U R2

RU

RR1 2

R1(2)0 (R1

R)2 12

(RR)2 R1 2 1對于輸出對稱電橋，此時R=R=R,R=R=R’，當R臂的電阻產(chǎn)生變化ΔR=ΔR，根據(jù)（2）可得到輸出電壓為

1 2 3 4 1 1RRU U

(R)U

(R)0 (RR)2 R 4 R

對于電源對稱電橋，R=R=R,R=R=R’。當R臂產(chǎn)生電阻增量ΔR=ΔR時，由式（2）得1 4 2 3

RR 1 R 1U U0

( )(4)(RR)2 R(4)對于等臂電橋R=R=R=R=R，當R的電阻增量ΔR=ΔR時，由式（2）可得輸出電壓為1 2 3 4

R R U RU U ( ) ( ) (5)0 (RR)2 R 4 R時，電橋的輸出電壓與應變成線性關系。還可以看出在橋臂電阻產(chǎn)生相同變化的情況下，等臂電橋以及輸出對稱電橋的輸出電壓要比電源對稱電橋的輸出電壓大，即它們的靈敏度要高。因此在使用中多采用等臂電橋或輸出對稱電橋。在實際使用中為了進一步提高靈敏度，常采用等臂電橋，四個被測信號接成兩個差動對稱的全橋工作R,R-RR-，將上述條件代入式)得1 2 3 4U 4URUR0 4R R

(6) 由式(6)看出，由于充分利用了雙差動作用，它的輸出電壓為單臂工作時的4倍，所以大大提高了測量的靈敏度。第二章 電阻式傳感1.金屬電阻應變片與半導體材料的電阻應變效應有什么不同?答：金屬電阻的應變效應主要是由于其幾何形狀的變化而產(chǎn)生的，半導體材料的應變效應則主要取決于材料的電阻率隨應變所引起的變化產(chǎn)生的。直流測量電橋和交流測量電橋有什么區(qū)別?答：它們的區(qū)別主要是直流電橋用直流電源，只適用于直流元件，交流電橋用交流電源，適用于所有電路元件。熱電阻測量時采用何種測量電路?為什么要采用這種測量電路?說明這種電路的工作原理。答：通常采用電橋電路作為測量電路。為了克服環(huán)境溫度的影響常采用下圖所示的三導線四分之一電橋電RtRt，則由于路。由于采用這種電路，熱電阻的兩根引線的電阻值被分配在兩個相鄰的橋臂中，如果1 2環(huán)境溫度變化引起的引線電阻值變化造成的誤差被相互抵消。RR1R2Rˊ1 R4R3Rˊ2熱電阻的測量電路120Ω120Ω4V，并假定負載電阻無窮大。當應變片上的應變分別為1和1000時，試求單臂、雙臂和全橋工作時的輸出電壓，并比較三種情況下的靈敏度。42106U 4 4 2106解：單臂時U0 4 ，所以應變?yōu)?時 /V，應變?yōu)?000042103 0時應為U0 4 0

4 2103

/V；雙臂時U

，所以應變?yōu)?1 時42106U 0 2

2 4106

/V ， 應 變 為 1000 時 應 為421030U 2 2 4103U0

K

，所以應變?yōu)?時U

8106/V，00應變?yōu)?000時應為U 8103/V。從上面的計算可知：單臂時靈敏度最低，雙臂時為其兩倍，全橋00時最高，為單臂的四倍。采用阻值靈敏度系數(shù)的金屬電阻應變片與阻值的固定電阻組成電橋，供橋電壓10V1000（設輸出阻抗為無窮大）？解：由于不知是何種工作方式，可設為n，故可得：U KU

210103 100 n n mV得n要小于2，故應采用全橋工作方式。=R和R為同型號的電阻應變片，其電阻3 4 1 2均為50Ω，靈敏度系數(shù)K=2.0。兩只應變片分別粘貼于等強度梁同一截面的正反兩面。設等強度梁在受力后產(chǎn)生的應變?yōu)?000，試求此時電橋輸出端電壓U。R4R4R3Ｕ０R1R2ＥRRＦ1R2RU KU

題6圖235103

15解：此電橋為輸出對稱電橋，故 0 2 2

/mV光敏電阻有哪些重要特性，在工業(yè)應用中是如何發(fā)揮這些特性的？答：光敏電阻是采用半導體材料制作，利用內光電效應工作的光電元件。它的重要特性是在無光照時阻值非常大，相當于斷路，有光照時阻值變得很小，相當于通路。在工業(yè)應用中主要就是通過光的變化來各種電路的控制。第三章 電容式傳感器意什么問題?答：如圖所示是一直線位移型電容式傳感器的示意圖。當動極板移動△x后，覆蓋面積就發(fā)生變化，電容量也隨之改變，其值為（1）電容因位移而產(chǎn)生的變化量為

CCC0

bxCd 0 aK

b其靈敏度為

x d可見增加b或減小d均可提高傳感器的靈敏度。ΔxΔxbxda直線位移型電容式傳感器為什么說變間隙型電容傳感器特性是非線性的?采取什么措施可改善其非線性特征?答：下圖為變間隙式電容傳感器的原理圖。圖中1為固定極板，2為與被測對象相連的活動極板。當活動極板因被測參數(shù)的改變而引起移動時，兩極板間的距離d發(fā)生變化，從而改變了兩極板之間的電容量C。11d2

1–固定極板 2--活動極板C Ad，當活動極板移動x后，其電容量為xC A

1d

(1)當x<<d時

dx

0 x21d2則 1x21 CC(1x)則 0d2 d由式（1）可以看出電容量C與x不是線性關系，只有當時，才可認為是最近似線形關系。同時還d過小時。但當d過小時，又容易引起擊穿，同時加工精度要為了提高靈敏度，減小非線性，可采用差動式結構。有一平面直線位移差動傳感器特性其測量電路采用變壓器交流電橋，結構組成如圖所示。電容傳感器起始時b=b=b=200mm，a=a=20mm極距d=2mm，極間介質為空氣，測量電路u=3sinωtV，且u=u。1 2 1 2 1 0試求當動極板上輸入一位移量△x=5mm時,電橋輸出電壓u。0ΔxdC1ΔxdC1C2b1b2a1a2iuC1uC2u0題3圖解：根據(jù)測量電路可得uu0

CuC 0

xua

520

3sint750sint

/mV4CC=20pF,0 x0定動極板距離d=1.5mm,運算放大器為理想放大器(即K→∞,Z→∞),R極大,輸入電壓u=5sinωtV。求當電0 i f 1容傳感動極板上輸入一位移量△x=0.15mm使d減小時,電路輸出電壓u為多少?0 0RfRfＣx+Ｎ-u00ui解：由測量電路可得iC C 200iu 0u 00 C i C d

u 201.5 5sint45sin/Vx x0 0d x0

1.50.152若用此變面積型傳感器測量位00

8.8510-12F/m。aax解：這是個變面積型電容傳感器，共有4個小電容并聯(lián)組成。/pF0C a24161048.85101228.32/pF00C x

0a(a0

21030C kx28.3270.8x (x0CC Cx

0

ax)00x0KC Cx0

a48.851012410270.8/pF0x 2103/pF0403020100 1 2

4 xcm第四章 電感式傳感1.影響差動變壓器輸出線性度和靈敏度的主要因素是什么？答：影響差動變壓器輸出線性度和靈敏度的主要因素是：傳感器幾何尺寸、線圈電氣參數(shù)的對稱性、磁性材料的殘余應力、測量電路零點殘余電動勢等。2.電渦流式傳感器的靈敏度主要受哪些因素影響？它的主要優(yōu)點是什么？答：電渦流式傳感器的靈敏度主要受導體的電導率、磁導率、幾何形狀，線圈的幾何參數(shù)，激勵電流頻率4.12答：如圖所示，設差動電感傳感器的線圈阻抗分別為Z和Z。當銜鐵處于中間位置時，Z=Z=Z，電橋處1 2 1 2于平衡狀態(tài)，C點電位等于D點地位，電表指示為零。當銜鐵上移，上部線圈阻抗增大，Z=Z+△Z，則下部線圈阻抗減少，Z=Z-△Z。如果輸入交流電壓1 2為正半周，則A點電位為正，B點電位為負，二極管V、V導通，V、V截止。在A-E-C-B支路中，C點1 4 2 3電位由于Z增大而比平衡時的C點電位降低；而在A-F-D-B支中中，D點電位由于Z的降低而比平衡時1 2D點的電位增高，所以D點電位高于C點電位，直流電壓表正向偏轉。如果輸入交流電壓為負半周，A點電位為負，B點電位為正，二極管V、V導通，V、V截止，則在2 3 1 4A-F-C-B支中中，C點電位由于Z減少而比平衡時降低（平衡時，輸入電壓若為負半周，即B點電位為正，2AC點相對于BZCBD2于Z的增加而比平衡時的電位增高，所以仍然是D點電位高于C點電位，電壓表正向偏轉。1～移相器～移相器L為傳感器的兩差動電感線圈的電感，其初始值均為1 2L。R、R為標準電阻，u為電源電壓。試寫出輸出電壓u

與傳感器電感變化量△L間的關系。0 1 2 0解：輸出與輸入的關系是 (LL) (LL) (LL)]2(LL)]2R2001(LL)]2R20020 若電感增量無窮小，且兩個電阻均為R，則：4fL(2fL)2(2fL)2R200LR11uLR11uL2R2uU0V題4圖 題5圖如圖所示為一差動整流電路，試分析電路的工作原理。答：這是簡單的電壓輸出型，動鐵芯移動時引起上下兩個全波整流電路輸出差動電壓，中間可調整零位，輸出電壓與鐵芯位移成正比。這種電路由二極管的非線性影響以及二極管正向飽和壓降和反向漏電流的不利影響較大。第五章 熱電偶傳感1．什么是金屬導體的熱電效應?試說明熱電偶的測溫原理。答：熱電效應就是兩種不同的導體或半導體AB度不同，回路中就會產(chǎn)生一個電動勢，該電動勢的方向和大小與導體的材料及兩接點的溫度有關。熱電偶測溫就是利用這種熱電效應進行的，將熱電偶的熱端插入被測物，冷端接進儀表，就能測量溫度。2．試分析金屬導體產(chǎn)生接觸電動勢和溫差電動勢的原因。答：當ABABAB的電子數(shù)要比導體BAABA、BABA擴散到導體B的自由電子數(shù)與在電場作用下自導體BABAtt中(tt0 0動能，向冷端移動，從而使熱端失去電子帶正電荷，冷端得到電子帶負電荷。這樣，導體兩端便產(chǎn)生了一態(tài)平衡狀態(tài)。這樣，導體兩端便產(chǎn)生了電位差，我們將該電位差稱為溫差電動勢。3．簡述熱電偶的幾個重要定律，并分別說明它們的實用價值。答：一是勻質導體定律：如果熱電偶回路中的兩個熱電極材料相同，無論兩接點的溫度如何，熱電動勢為零。根據(jù)這個定律，可以檢驗兩個熱電極材料成分是否相同，也可以檢查熱電極材料的均勻性。二是中間導體定律：在熱電偶回路中接入第三種導體，只要第三種導體的兩接點溫度相同，則回路中總的熱電動勢不變。它使我們可以方便地在回路中直接接入各種類型的顯示儀表或調節(jié)器，也可以將熱電偶的兩端不焊接而直接插入液態(tài)金屬中或直接焊在金屬表面進行溫度測量。三是標準電極定律：如果兩種導體分別與第三種導體組成的熱電偶所產(chǎn)生的熱電動勢已知，則由這兩種導體組成的熱電偶所產(chǎn)生的熱電動勢也就已知。只要測得各種金屬與純鉑組成的熱電偶的熱電動勢，則各種金屬之間相互組合而成的熱電偶的熱電動勢可直接計算出來。四是中間溫度定律：熱電偶在兩接點溫度t、t時的熱電動勢等于該熱電偶在接點溫度為t、t和t、t0 n n 0時的相應熱電動勢的代數(shù)和。中間溫度定律為補償導線的使用提供了理論依據(jù)。試述熱電偶冷端溫度補償?shù)膸追N主要方法和補償原理。相當于將熱電極延長。根據(jù)中間溫度定律，只要熱電偶和補償導線的二個接點溫度一致，是不會影響熱電E(t,t)E(t,t)E(t,t)；四是電橋補償法。AB 0 AB 1 AB 1 0利用不平衡電橋產(chǎn)生的電動勢補償熱電偶因冷端波動引起的熱電動勢的變化，工作原理如下圖所示。+e+eR1R2UR3I1I2R4IRCMR5-+圖中，e為熱電偶產(chǎn)生的熱電動勢，U為回路的輸出電壓?；芈分写恿艘粋€補償電橋。R~R及R1 5 CM均為橋臂電阻。R 是用漆包銅絲繞制成的，它和熱電偶的冷端感受同一溫度R~R均用錳銅絲繞成，阻CM 1 5值穩(wěn)定。在橋路設計時，使R=R，并且R、R的阻值要比橋路中其他電阻大得多。這樣，即使電橋中其1 2 1 2他電阻的阻值發(fā)生變化，左右兩橋臂中的電流卻差不多保持不變，從而認為其具有恒流特性。線路設計使得I=I=I/2=0.5mA。1 2回路輸出電壓U為熱電偶的熱電動勢e、橋臂電阻R 的壓降U 及另一橋臂電阻R的壓降U三者CM RCM 5 R5的代數(shù)和：UeU

-URCM R5當熱電偶的熱端溫度一定，冷端溫度升高時，熱電動勢將會減小。與此同時，銅電阻R 的阻值將增CM大，從而使U 增大，由此達到了補償?shù)哪康摹CM自動補償?shù)臈l件應為eIR t1 CM用鎳鉻-鎳硅(K)熱電偶測量溫度，已知冷端溫度為 40℃，用高精度毫伏表測得這時的熱電動勢為29.188mV，求被測點的溫度。解：由鎳鉻-鎳硅熱電偶分度表查出E(40，0)=1.638mV，根據(jù)式(5-2-1)計算出E(t,0)(29.1881.638)mV30.826mV再通過分度表查出其對應的實際溫度為t700

(30.826-29.129)100740.933.27529.129 ℃已知鉑銠 -鉑(S)熱電偶的冷端溫度t＝25℃，現(xiàn)測得熱電動勢E(t，t)＝11.712mV，求熱端溫度是多10 0 0少度?解：由鉑銠 -鉑熱電偶分度表查出E(25，0)=0.161mV，根據(jù)(5-2-1)計算出10E(t,0)(11.7120.161)mV11.873mV再通過分度表查出其對應的實際溫度為t1200(11.873-11.851)1001216.813.15911.851 ℃已知鎳鉻-鎳硅(Kt＝800t＝25E(t，to0解：由鎳鉻-鎳硅熱電偶分度表可查得E(800，0)=33.275mV，E(25，0)=1.024mV，故可得E(800，5)=33.275-1.024=32.251mV(E00℃)指示值為400430解：不對，因為儀表的機械零位在0℃，正確值為400℃。5.14所示之測溫回路，熱電偶的分度號為K，毫伏表的示值應為多少度?答：毫伏表的示值應為(t-t-60)℃。1 20(K5.15所示，已知：冷端溫度固定在＝30℃，210和B，相互接錯了，問：爐溫的實際t0解：實際溫度應為270℃，因為接反后不但沒有補償?shù)?，還抵消了30℃，故應該加上60℃。AˊtAˊt0℃mV0BˊBmVCC60℃AˊBˊAˊA+BBA++t t1 2圖5.14 圖5.15第六章 電壓傳感器1．為什么說壓電式傳感器只適用于動態(tài)測量而不能用于靜態(tài)測量答：因為壓電式傳感器是將被子測量轉換成壓電晶體的電荷量，可等效成一定的電容，如被測量為靜態(tài)時，很難將電荷轉換成一定的電壓信號輸出，故只能用于動態(tài)測量。壓電式傳感器測量電路的作用是什么?其核心是解決什么問題?答：壓電式傳感器測量電路的作用是將壓電晶體產(chǎn)生的電荷轉換為電壓信號輸出，其核心是要解決微弱信號的轉換與放大，得到足夠強的輸出信號。一壓電式傳感器的靈敏度K＝10pC／MPa，連接靈敏度K=0.008V／pC1 2錄儀的靈敏度K=25mm／V，當壓力變化Δp=8MPa時，記錄筆在記錄紙上的偏移為多少?3解：記錄筆在記錄紙上的偏移為S=10×0.008×25×8=16/mm50Hz和1gK＝100mV／g電壓放大器放大倍數(shù)為100，標定時晶體管毫伏表上指示為9.13V，試畫出標定系統(tǒng)的框圖，并計算加速度計的電壓靈敏度。解：此加速度計的靈敏度為K913091.3100加速度計加