传感器与检测技术习题答案(六)

第1章 传感与检测技术基础第2章 电阻式传感器 第3章 电感式传感器1、电感式传感器有哪些种类？它们的工作原理分别是什么？2、说明3、变气隙长度自感式传感器的输出特性与哪些因素有关？怎样改善其非线性？怎样提高其灵敏度？答：根据变气隙自感式传感器的计算式：00022l S W L μ=，线圈自感的大小，即线圈自感的输出与线圈的匝数、等效截面积S 0和空气中的磁导率有关，还与磁路上空气隙的长度l 0有关；传感器的非线性误差：%100])([200⨯+∆+∆= l ll l r 。

由此可见，要改善非线性，必须使l l∆要小，一般控制在0.1~0.2。

（因要求传感器的灵敏度不能太小，即初始间隙l 0应尽量小，故l ∆不能过大。

）传感器的灵敏度：20022l S W dl dL l L K l ⨯-=≈∆∆≈μ，由此式可以看出，为提高灵敏度可增加线圈匝数W ，增大等效截面积S 0，但这样都会增加传感器的尺寸；同时也可以减小初始间隙l 0，效果最明显。

4、试推导 5、气隙型 6、简述 7、试分析 8、试推导 9、试分析 10、如何通过11、互感式12、零点残余电压产生的原因是什么？怎样减小和消除它的影响？答：在差动式自感传感器和差动变压器中，衔铁位于零点位置时，理论上电桥输出或差动变压器的两个次级线圈反向串接后电压输出为零。

但实际输出并不为零，这个电压就是零点残余电压。

残差产生原因：①由于差动式自感传感器的两个线圈结构上不对称，如几何尺寸不对称、电气参数不对称。

②存在寄生参数；③供电电源中有高次谐波，而电桥只能对基波较好地预平衡。

④供电电源很好，但磁路本身存在非线性。

⑤工频干扰。

差动变压器的零点残余电压可用以下几种方法减少或消除：①设计时，尽量使上、下磁路对称；并提高线圈的品质因素Q=ωL/R；②制造时，上、下磁性材料性能一致，线圈松紧、每层匝数一致等③采用试探法。

在桥臂上串/并电位器，或并联电容等进行调整，调试使零残最小后，再接入阻止相同的固定电阻和电容。

《传感器与检测技术》试题一、填空：（20分）1，测量系统的静态特性指标主要有线性度、迟滞、重复性、分辨力、稳定性、温度稳定性、各种抗干扰稳定性等。

（2分）2.霍尔元件灵敏度的物理意义是表示在单位磁感应强度相单位控制电流时的霍尔电势大小。

3、光电传感器的理论基础是光电效应。

通常把光线照射到物体表面后产生的光电效应分为三类。

第一类是利用在光线作用下光电子逸出物体表面的外光电效应,这类元件有光电管、光电倍增管；第二类是利用在光线作用下使材料内部电阻率改变的内光电 效应，这类元件有光敏电阻；第三类是利用在光线作用下使物体内部产生一定方向电动势的光生伏特效应，这类元件有光电池、光电仪表。

4.热电偶所产生的热电势是两种导体的接触电势和单一导体的温差电势组成的，其表达式为Eab （T ，To ）=T B A TT BA 0d )(N N ln )T T (e k 0σ-σ⎰+-。

在热电偶温度补偿中补偿导线法（即冷端延长线法）是在连接导线和热电偶之间，接入延长线，它的作用是将热电偶的参考端移至离热源较远并且环境温度较稳定的地方，以减小冷端温度变化的影响。

5.压磁式传感器的工作原理是：某些铁磁物质在外界机械力作用下，其内部产生机械压力，从而引起极化现象，这种现象称为正压电效应。

相反，某些铁磁物质在外界磁场的作用下会产生机械变形，这种现象称为负压电效应。

（2分）6. 变气隙式自感传感器，当街铁移动靠近铁芯时，铁芯上的线圈电感量（①增加②减小③不变）（2分）7. 仪表的精度等级是用仪表的（① 相对误差 ② 绝对误差 ③ 引用误差）来表示的（2分）8. 电容传感器的输入被测量与输出被测量间的关系，除（① 变面积型 ② 变极距型 ③ 变介电常数型）外是线性的。

（2分）9. 电位器传器的（线性），假定电位器全长为Xmax, 其总电阻为Rmax ，它的滑臂间的阻值可以用Rx = （① Xmax/x Rmax,②x/Xmax Rmax ,③ Xmax/XRmax ④X/XmaxRmax ）来计算，其中电阻灵敏度Rr=（① 2p(b+h)/At , ② 2pAt/b+h, ③ 2A(b+b)/pt, ④ 2Atp(b+h)）1、变面积式自感传感器，当衔铁移动使磁路中空气缝隙的面积增大时，铁心上线圈的电感量（①增大，②减小，③不变）。

第1章传感器与检测技术基础思考题答案l.检测系统由哪几部分组成? 说明各部分的作用。

答：一个完整的检测系统或检测装置通常是由传感器、测量电路和显示记录装置等几部分组成，分别完成信息获取、转换、显示和处理等功能。

当然其中还包括电源和传输通道等不可缺少的部分。

下图给出了检测系统的组成框图。

检测系统的组成框图传感器是把被测量转换成电学量的装置，显然，传感器是检测系统与被测对象直接发生联系的部件，是检测系统最重要的环节，检测系统获取信息的质量往往是由传感器的性能确定的，因为检测系统的其它环节无法添加新的检测信息并且不易消除传感器所引入的误差。

测量电路的作用是将传感器的输出信号转换成易于测量的电压或电流信号。

通常传感器输出信号是微弱的，就需要由测量电路加以放大，以满足显示记录装置的要求。

根据需要测量电路还能进行阻抗匹配、微分、积分、线性化补偿等信号处理工作。

显示记录装置是检测人员和检测系统联系的主要环节，主要作用是使人们了解被测量的大小或变化的过程。

2.传感器的型号有几部分组成，各部分有何意义?依次为主称（传感器）被测量—转换原理—序号主称——传感器，代号C；被测量——用一个或两个汉语拼音的第一个大写字母标记。

见附录表2；转换原理——用一个或两个汉语拼音的第一个大写字母标记。

见附录表3；序号——用一个阿拉伯数字标记，厂家自定，用来表征产品设计特性、性能参数、产品系列等。

若产品性能参数不变，仅在局部有改动或变动时，其序号可在原序号后面顺序地加注大写字母A、B、C等，（其中I、Q不用）。

例：应变式位移传感器：C WY-YB-20；光纤压力传感器：C Y-GQ-2。

3.测量稳压电源输出电压随负载变化的情况时，应当采用何种测量方法? 如何进行?答：测定稳压电源输出电压随负载电阻变化的情况时，最好采用微差式测量。

此时输出电压认可表示为U0，U0=U+△U，其中△U是负载电阻变化所引起的输出电压变化量，相对U 来讲为一小量。

绪论1检测一个圆柱体的直径，请想出尽可能多的检测方法，并分析这些方法中的误差影响因素和大小。

答:a、使用游标卡尺测量，误差主要为人手安放直径相对位置的准确性；b、使用软绳沿直径轴向缠绕，多绕几圈求平均值，利用周长与直径的关系计算，误差主要是缠绕绳与轴线的垂直情况，与游标尺相比，减少了单个测量的误差；c，采用标准件，使用磁力表架进行测量，此种测量精度较高，一般在0.02mm。

2请举例说明动态特性和静态特性的区别。

答：动态特性的函数与时间相关，即时间不同，特征值不尽相同；而静态特性与时间无关。

如，温度传感器的线性度是通过一定时间稳定后才测量温度，而温度变化引起的温度传感器发生变化的滞后则属于动态特性。

3说明传感器与检测技术的发展趋势。

答：a、不断拓展检测范围，努力提高检测精度和可靠性；b、传感器逐渐向集成化、组合式、数字化方向发展；c、重视非接触式检测技术研究；d、检测系统智能化。

4说明频率域分析能解决的问题。

答: 频域描述反映信号的频率组成及幅值、相位关系。

为了解决不同的问题，往往需要掌握信号的不同方面的特征，因而可采用不同的信号描述方式。

例如，评定机器振动烈度，需要振动速度的均方根值作为判据，而在寻找振动源头时则需要掌握振动信号的频率分量，需要采用频域描述。

项目一1设想一个方案使用光电接近开关检测转速。

答：在转轴上粘接一个小面积的反光板，试验光电接近开关的敏感距离，安放光电接近开关，这样，转轴每转一圈，光电开关输出一个脉冲，利用计数器表头，或者人工计数，计量转动圈数的时间，利用转速公式获得转速。

2使用数显表配合接近开关，设计一个方案，检测传送带上的输运物料的个数。

答：在传送带边上设计一个接近开关，并测试其对物料的敏感距离，然后将其信号线按照实训任务中的方法连接，即可在数显表上显示来料个数。

3上网查找一个接近开关的生产厂家，并介绍其生产接近开关的型号和应用场合。

答：/products.asp?id=65，上海巨马。

传感器与检测技术习题答案第一章1.1答：随着我国工业化、信息化步伐加快，现代化建设中的各行各业高效生产对传感器也检测技术的依赖逐步加深。

比如：先进的传感器技术助力现代化石油钻井平台建设。

为了能够可靠地采集钻井平台钴机塔架上运动部件的终点位置，使用了感应式传感器。

在整个新型钻井中共使用了60个这样的感应式传感器，方形的接近开关对钢质目标的感应距离增大到20mm, 满足了近海海上勘探工作环境极为恶劣的所有要求。

1.2答：自动检测系统组成框图如下：对于传感器，一般要求是：①准确性：输出信号必须反映其输入量，即被测量的变化。

因此，传感器的输出与输入关系必须是严格的单值函数关系，最好是线性关系。

②稳定性：传感器的输入、输出的单值函数关系最好不随时间和温度二变化，受外界其他因素的干扰影响亦很小，重复性要好。

③灵敏度：即被测参量较小的变化就可使传感器获得较大的输出信号。

④其他：如耐腐蚀性、功耗、输出信号形式、体积、售价等。

1.3答：功能：信号调理：在检测系统中的作用是对传感器输出的微弱信号进行检波、转换、滤波、放大等，以方便检测系统后续处理或显示。

信号处理：信号处理时自动检测仪表，检测系统进行数据处理和各种控制的中枢环节，其作用和人类的大脑相类似。

区别：被测对象传感器 信号调理数据采集 信号处理 输入设备 信号存储 信号输出 信号显示 稳压电源信号调理作用是把信号规格化，滤除干扰，信号处理则是提取信号中的信息，并对这些信息按照功能要求进行处理。

可以说，信号调理是进行信号处理的基础。

组成：信号调理：信号放大、信号滤波、A/D转换信号处理：主要是各种信号的嵌入式微控制器、专用高速数据处理器（DSP）等1.4答：分类见表1-1(P8)1.5答：按照被测参量分类，可以分成测量：电工量、热工量、机械量、物性和成分量、光学量、状态量等。

1.6答：1.不断拓展测量范围，提高管检测精度和可靠性2重视非接触式检测技术研究3检测系统智能化第二章2.1答：随机误差：检测仪器或者测量过程中某些未知或无法控制的随机因素（如仪器某些原件器件性能不稳定、外界温度、湿度变化，空中电磁波扰动等）综合作用的结果。

一、1.1什么是传感器？传感器特性在检测技术系统中起什么作用？答：（1）能感受（或响应）规定的被测量，并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。

（2）传感器是检测系统的第一个环节，其主要作用是将感知的被测非电量按一定的规律转化为某一种量值输出，通常是电信号。

1.2画出传感器系统的组成框图，说明各环节的作用。

答：（1）被测信息→敏感元件→转换元件→信号调理电路→输出信息其中转换元件、信号调理电路都需要再接辅助电源电路；（2）敏感元件：感受被测量并输出与被测量成确定关系的其他量的元件；转换元件：可以直接感受被测量而输出与被测量成确定关系的电量；信号调理电路与转换电路：能把传感元件输出的电信号转换为便于显示、记录和控制的有用电路。

1.3什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？答：（1）指检测系统的输入、输出信号不随时间变化或变化缓慢时系统所表现出得响应特性。

（2）性能指标有：测量范围、灵敏度、非线性度、回程误差、稳定度和漂移、重复性、分辨率和精确度。

（3）灵敏度：s=&y/&x；非线性度=B/A*100%；回程误差=Hmax/A*100%；不重复性Ex=+-&max/Yfs*100%；精度：A=&A/ Yfs*100%；1.4什么是传感器的灵敏度？灵敏度误差如何表示？答：（1）指传感器在稳定工作情况下输出量变化&y对输入量变化&x的比值；（2）灵敏度越高，测量精度就越大，但灵敏度越高测量范围就越小，稳定性往往就越差。

1.5什么是传感器的线性度？常用的拟合方法有哪几种？答：(1)通常情况下，传感器的实际静态特性输出是条曲线而非直线，在实际工作中，为使仪器（仪表）具有均匀刻度的读数，常用一条拟合直线近似地代表实际的特性曲线，线性度就是这个近似程度的一个性能指标。

（2）方法有：将零输入和满量程输出点相连的理论直线作为一条拟合直线；将与特性曲线上个点偏差的平方和为最小理论直线作为拟合直线，此拟合直线称为最小二乘法拟合直线。

《传感器与检测技术》试卷习题及答案一. 选择题(每题1分，共计8分)1．压电石英晶体表面上产生的电荷密度与（B ）A．晶体面积成正比 B．作用在晶体上的压力成正比C．晶体厚度成反比 D．剩余极化强度成正比2.差动变压器式传感器的结构形式很多，其中应用最多的是（C ）A．变间隙式 B．变面积式 C．螺丝管式3.变间隙式电容传感器的非线性误差与极板间初始距离d之间是（B ）A.正比关系 B．反比关系 C.无关系４、产生应变片温度误差的主要原因有（A ）A．电阻丝有温度系数B．试件与电阻丝的线膨胀系数相同C．电阻丝随应力方向不同5．电阻应变片的初始电阻有多种，其中用的最多的是（B ）A．60Ω B．120Ω C．200Ω D．240Ω6、通常用热电阻测量（C ）A．电阻 B．扭矩 C．温度 D．压力7、x1、x2。

…………xn为测量值，指出下列哪个式子表示残差（B ）A、vi =xi-真值 B、vi=xi-算数平均值 C、vi=xi-指示值8. 压电传感器的信号处理有电荷放大器、电压放大器，二者在应用方面最主要区别是（ B ）A．阻抗变换能力 B．电缆线长度变化影响计入与否C．输出电压与输入电压 D．前三种讲法都不对二、填空(10分)1.检测仪表中常用测试方法有直接比较测量法、微差法和零位法2.电容式传感器的三种工作方式是变间隙式、变面积式、和变介电常数式3.空气介质变间隙式电容传感器中，提高其灵敏度和减少非线性误差是矛盾的，为此实际中大都采用差动 式电容传感器。

4.把被测非电量的变化转换成线圈互感变化的互感式传感器是根据 变压器 的基本原理制成的，其次级绕组都用 差动 形式连接，所以又叫差动变压器式传感器。

5．电容式传感器中，变间隙式一般用来测量微小 的位移。

三、简答题（22）1．现对一个量程为60MPa ，压力表进行校准，测得数据如下。

试将各校准点的绝对误差和修正值填入上表中，并确定该压力表的精度等级（7分） 解: 最大绝对误差为0.4Mpa %670%1006040⋅-=⨯⋅-该压力表精度等级为1级 2.简述电涡流传感器工作原理及其主要用途 （5分）解: 利用金属置于变化的磁场或在磁场中运动，金属表面会产生电涡流，从而检测被测参数变化.主要用途——可测位移、振幅、厚度、转速、金属探伤等3、 图示为四种电容式传感器结构示意图，a ，b 动片上下移动，c ，d 动片旋转移动，（10）试分别写出其名称：a bc da 变间隙式、b 差动变间隙式、c 变面积式、d 差动变面积式四.计算题（60）1．被测对象温度为150℃左右，现有以下几种规格的温度计，试从提高测量精度的角度出发，应选哪一种温度计，为什么？ （5分）A 表 量程0～300℃ 精度等级1.5级B 表 量程0～400℃ 精度等级1.5级C 表 量程0～500℃ 精度等级1.0级 解：A 表 △A=300×±1.5%=±4.5℃ △B=400×±1.5%=±6℃ △C=500×±1.0% =±5℃2．电容测微仪的电容器极板面积A=28cm 2，间隙d=1.1mm ，相对介电常数εr =1，εr =8.84×10-12F/m求：（1）电容器电容量 （5分）（2）若间隙减少0.12mm ，电容量又为多少？ （5分）解：（1）()()()341200101.1/10281084.81/---⨯⨯⨯⨯⨯==d A C r εε=F 12105.22-⨯（2）()()d d A C r x ∆-=/0εε =()()34121012.01.1/10281084.81---⨯-⨯⨯⨯⨯ =25.26×10-12F3．下图为等截面梁和电阻应变片构成的测力传感器，若选用特性相同的四片电阻应变片，R1～R4，它们不受力时阻值为120Ω，灵敏度K=2，在Q 点作用力F（1）在测量电路图2中，标出应变片及其符号（应变片受拉用+，受压用-） （2）当作用力F=2Kg 时，应变片ε=5.2×10-5，若作用力F=8Kg 时，ε为多少？电阻应变片△R1、△R2、△R3、△R4为何值。