传感器技术 第2章 测试技术基础

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。

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《传感器技术》实验报告专业：机械工程姓名：陈顶柱年级： 2020级班级：测控系学号： 202003701099武汉科技大学机械自动化学院2020年 9月 10日实验一测试装置与数据采集设备一、实验目的学会应力应变测试装置构建及数据采集设备使用。

二、实验内容（1）应力、应变、压力测试装置组成；（2）学习NI-MyDAQ数据采集设备基本功能及使用方法；（3）学习NI-LabView基本操作方法（搭建数据采集程序、学习滤波组态使用方法）。

实验二电阻应变片的粘贴一、实验目的学习金属电阻应变片的粘贴方法。

二、实验内容（1）熟悉金属电阻应变片的结构，基本参数；（2）熟悉等强度梁标定设备结构；（3）实践金属电阻应变片的粘贴方法、步骤；三、实验步骤（1）仪器设备电阻应变片、模拟试件、万用表、502胶水、砂纸、医用酒精、镊子、剪刀、导线、电烙铁、焊锡膏、焊锡丝等。

（2）粘贴程序应变片的粘贴工序主要包括：应变片的检查与筛选，试件表面处理，应变片的粘贴、固化，导线的焊接与固定，防潮处理和质量检查等。

1）应变片的检查与筛选：应变片的选择根据应力测试和传感器精度要求对照应变片系列表选择相应的应变计。

2）试件表面处理：用细砂纸（布）对构件或弹性体粘贴面进行交叉打磨，使试件表面呈细密，均匀粗糙毛面，其面积要大于应变片的面积。

打磨后的表面采用纯度较高的无水乙醇，丙醇，三氯乙烯等有机溶剂反复清洗，确保贴片部位清洁干洁，无尘。

3）应变片的粘贴、固化：一般采用502胶水粘贴应变片，注意粘贴应变片的方向尽量与主应力方向一致。

贴片、固化粘贴位置确定后，取适量胶液均匀涂刷在被粘处表面，将应变计表面用无水乙醇棉球擦洗干净，晾干后涂一薄层胶液，待胶液变稠后，将应变片准确粘贴在试件表面，其上盖一层聚四氟乙烯薄膜用手指顺着应变片的轴向挤出多余胶液并排出胶层中的气泡。

测试技术与传感器课后答案【篇一：《传感器与检测技术》习题答案--周杏鹏】t>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：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。

章节测试题第一章 信号及其描述（一）填空题1、 测试的基本任务是获取有用的信息，而信息总是蕴涵在某些物理量之中，并依靠它们来传输的。

这些物理量就是 ，其中目前应用最广泛的是电信号。

2、 信号的时域描述，以 为独立变量；而信号的频域描述，以 为独立变量。

3、 周期信号的频谱具有三个特点： ， ， 。

4、 非周期信号包括 信号和 信号。

5、 描述随机信号的时域特征参数有 、 、 。

6、 对信号的双边谱而言，实频谱（幅频谱）总是 对称，虚频谱（相频谱）总是 对称。

（二）判断对错题（用√或×表示）1、 各态历经随机过程一定是平稳随机过程。

（ ）2、 信号的时域描述与频域描述包含相同的信息量。

（ ）3、 非周期信号的频谱一定是连续的。

（ ）4、 非周期信号幅频谱与周期信号幅值谱的量纲一样。

（ ）5、 随机信号的频域描述为功率谱。

（ ） （三）简答和计算题1、 求正弦信号t x t x ωsin )(0=的绝对均值μ|x|和均方根值x rms 。

2、 求正弦信号)sin()(0ϕω+=t x t x 的均值x μ，均方值2xψ，和概率密度函数p(x)。

3、 求指数函数)0,0()(≥>=-t a Ae t x at 的频谱。

4、 求被截断的余弦函数⎩⎨⎧≥<=Tt T t t t x ||0||cos )(0ω的傅立叶变换。

5、 求指数衰减振荡信号)0,0(sin )(0≥>=-t a t e t x atω的频谱。

第二章 测试装置的基本特性（一）填空题1、 某一阶系统的频率响应函数为121)(+=ωωj j H ，输入信号2sin)(t t x =，则输出信号)(t y 的频率为=ω ，幅值=y ，相位=φ 。

2、 试求传递函数分别为5.05.35.1+s 和2224.141nn ns s ωωω++的两个环节串联后组成的系统的总灵敏度。

3、 为了获得测试信号的频谱，常用的信号分析方法有 、和 。

第一章 测试技术基础1.用测量范围为-50～150kPa 的压力传感器测量140kPa 压力时，传感器测得示值为+142kPa ，试求该示值的绝对误差、相对误差、标称相对误差和引用误差。

解：绝对误差2kPa140142=-=∆p相对误差 1.43%100%1401401420=⨯-=∆=p p p δ标称相对误差1.41%100%142140142=⨯-=∆='p p p δ引用误差 1%100%50150140142m =⨯+-=∆=p p p γ2．某压力传感器静态标定的结果如下表所示。

试求用端点连线拟合法拟合的该传感器输出与输入关系的直线方程，并试计算其非线性误差、灵敏度和迟滞误差。

解： 端点连线拟合法拟合的直线方程 p p U 450200==非线性误差0.1%100%2000.2100%=⨯=⨯∆=FS Y L max γ灵敏度 4mV/Pa =∆∆=pUS 迟滞误差0.3%100%2001.221100%21=⨯⨯=⨯∆=FS H Y H max γ或0.6%100%2001.2100%max =⨯=⨯∆=FS H Y H γ3.玻璃水银温度计的热量是通过玻璃温包传导给水银的，其特性可用微分方程表示（式中y 为水银柱高度，单位m ；x 为输入温度，单位℃）。

x y dtdy310123-⨯=+试确定温度计的时间常数τ、静态灵敏度k 和传递函数及其频率响应函数。

解：x y dtdy310123-⨯=+x y D 3101)23(-⨯=+x y D 31021)123(-⨯=+时间常数静态灵敏度s 51.=τC m/1050o 3-⨯=.k 传递函数 频率响应函数1511050(s)3+⨯=-s H ..15.1105.0)(j 3+⨯=-ωωj H 4. 某热电偶测温系统可看作一阶系统，已知其时间常数为0.5s ，静态灵敏度。

试计1=k 算其幅频特性误差不大于5%的最高工作频率。

第一章 测试技术基础1. 用测量范围为-50～150kPa 的压力传感器测量140kPa 压力时，传感器测得示值为+142kPa ，试求该示值的绝对误差、相对误差、标称相对误差和引用误差。

解：绝对误差 2kPa 140142=-=∆p 相对误差 1.43%100%1401401420=⨯-=∆=p p p δ 标称相对误差 1.41%100%142140142=⨯-=∆='p p p δ 引用误差 1%100%50150140142m =⨯+-=∆=p p p γ 2．某压力传感器静态标定的结果如下表所示。

试求用端点连线拟合法拟合的该传感器输出与输入关系的直线方程，并试计算其非线性误差、灵敏度和迟滞误差。

解： 端点连线拟合法拟合的直线方程 p p U 450==非线性误差 0.1%100%2000.2100%=⨯=⨯∆=FS Y L max γ 灵敏度 4mV /Pa =∆∆=pUS 迟滞误差 0.3%100%2001.221100%21=⨯⨯=⨯∆=FS H Y H max γ或 0.6%100%2001.2100%max =⨯=⨯∆=FS H Y H γ 3. 玻璃水银温度计的热量是通过玻璃温包传导给水银的，其特性可用微分方程x y dtdy310123-⨯=+表示（式中y 为水银柱高度，单位m ；x 为输入温度，单位℃）。

试确定温度计的时间常数τ、静态灵敏度k 和传递函数及其频率响应函数。

解：x y dt dy 310123-⨯=+ x y D 3101)23(-⨯=+ x y D 31021)123(-⨯=+ 时间常数 s 51.=τ 静态灵敏度 C m/1050o 3-⨯=.k传递函数 1511050(s)3+⨯=-s H .. 频率响应函数 15.1105.0)(j 3+⨯=-ωωj H4. 某热电偶测温系统可看作一阶系统，已知其时间常数为0.5s ，静态灵敏度1=k 。

试计算其幅频特性误差不大于5%的最高工作频率。

电大《传感器与检测技术》期末复习题及详细答案参考传感器与检测技术复习题基础知识自测题第一章传感器的通常特性1.传感器是检测中首先感受，并将它转换成与有确定对应关系的的器件。

2.传感器的基本特性通常用其特性和特性去叙述。

当传感器转换的被测量处在动态时，测出的输入一输出关系称作特性。

3.传感器变换的被测量的数值处在稳定状态下，传感器输出与输入的关系称为传感器的特性，其主要技术指标有：、、和等。

4.传感器实际曲线与理论直线之间的称作传感器的非线性误差，其中的与输入满度值之比称作传感器的。

5.传感器的灵敏度是指稳态标准条件下，变化量与化量的比值。

对传感器来说，其灵敏度是常数。

6.传感器的动态特性就是指传感器测量时，其输入对输出的特性。

7.传感器中直接感受被测量，并输出与被测量成关系的其它量的元件称为元件。

8.只体会由敏感元件输入的，并且与成确认关系的另一种非电量，然后输入电量的元件，称作元件。

第二章电阻式传感器1.电阻应变片就是将被测试件上的转换成的传感元件。

2.电阻应变片由、、和等部分共同组成。

3.应变式传感器中的测量电路是将应变片转换成的变化，以便显示或记录被测非电量的大小。

4.金属电阻应变片脆弱栅的形式和材料很多，其中形式以式用的最少，材料Infreville的最为广为。

5.电阻应变片的工作原理就是依据快速反应效应创建与变形之间的量值关系而工作的。

6.当应变片主轴线与试件轴线方向一致，且受到一维形变时，应变片灵敏系数k就是应变片的与试件主应力的之比。

7.电阻应变片中，电阻丝的灵敏系数小于其灵敏系数的现象，称为应变片的横向效应。

8.电阻应变片的温度补偿中，若使用电桥补偿法测量应变片时，工作应变片粘贴在表面上，补偿应变片粘贴在与被测试件完全相同的上时，则补偿应变片不。

9.用弹性元件和及一些附件可以共同组成快速反应式传感器.10.应变式传感器按用途划分有：应变式传感器、应变式传感器、应变式传感器等。

11.电阻应变片的配用测量电路采用差动电桥时，不仅可以，同时还能起到的作用。

第2章习题及解答1.判断正误(1)凡频谱是离散的信号必然是周期信号。

( × )准周期信号(2)任何周期信号都由频率不同，但成整倍数比的离散的谐波叠加而成。

( × )(3)周期信号的频谱是离散的，非周期信号的频谱也是离散的。

( × )(4)周期单位脉冲序列的频谱仍为周期单位脉冲序列。

( √ )(5)非周期变化的信号就是随机信号。

( × )准周期信号(6)非周期信号的幅值谱表示的是其幅值谱密度与时间的函数关系。

( × )(7)信号在时域上波形有所变化，必然引起频谱的相应变化。

( × )(8)各态历经随机过程是平稳随机过程。

( √ )(9)平稳随机过程的时间平均统计特征等于该过程的集合平均统计特征。

( √ )(10)非周期信号的频谱都是连续的。

( × ) 准周期信号(11)单位脉冲信号的频谱是无限带宽谱（√）(12)直流信号的频谱是冲击谱（√）2.选择正确答案填空(1)描述周期信号的数学工具是(B )。

A.相关函数B. 傅里叶级数C. 拉普拉斯变换D. 傅里叶变换(2)描述非周期信号的数学工具是( C )。

A.三角函数B. 拉普拉斯变换C. 傅里叶变换D. 傅里叶级数(3)将时域信号进行时移，则频域信号将会( D )A.扩展B. 压缩C. 不变D. 仅有相移(4) 瞬变信号的傅里叶变换的模的平方的意义为( C )A.信号的一个频率分量的能量B. 在f 处的微笑频宽内，频率分量的能量与频宽之比C. 在f 处单位频宽中所具有的功率(5) 概率密度函数是在（C ）域，相关函数是在（A ）域，功率谱密度函数是在（ D ）域描述随机信号。

A.时间B. 空间C. 幅值D. 频率(6) 白噪声信号的自相关函数是（C ）A.相关函数B. 奇函数C. 偶函数D. 不存在3．已知方波信号傅里叶级数，请描述式中各常数相的物理意义，并绘出频谱图。

见书中例题4．已知锯齿波信号傅里叶级数，请描述式中各常数相的物理意义，并绘出频谱图。

第一章习题答案1．什么是传感器？它由哪几个部分组成？分别起到什么作用？解：传感器是一种以一定的精确度把被测量转换为与之有确定对应关系的、便于应用的某种物理量的测量装置，能完成检测任务；传感器由敏感元件，转换元件，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物理量；转换元件把敏感元件的输出作为它的输入，转换成电路参量；上述电路参数接入基本转换电路，便可转换成电量输出。

2．传感器技术的发展动向表现在哪几个方面？解：（1）开发新的敏感、传感材料：在发现力、热、光、磁、气体等物理量都会使半导体硅材料的性能改变，从而制成力敏、热敏、光敏、磁敏和气敏等敏感元件后，寻找发现具有新原理、新效应的敏感元件和传感元件。

（2）开发研制新型传感器及组成新型测试系统①MEMS技术要求研制微型传感器。

如用于微型侦察机的CCD传感器、用于管道爬壁机器人的力敏、视觉传感器。

②研制仿生传感器③研制海洋探测用传感器④研制成分分析用传感器⑤研制微弱信号检测传感器（3）研究新一代的智能化传感器及测试系统：如电子血压计，智能水、电、煤气、热量表。

它们的特点是传感器与微型计算机有机结合，构成智能传感器。

系统功能最大程度地用软件实现。

（4）传感器发展集成化：固体功能材料的进一步开发和集成技术的不断发展，为传感器集成化开辟了广阔的前景。

（5）多功能与多参数传感器的研究：如同时检测压力、温度和液位的传感器已逐步走向市场。

3．传感器的性能参数反映了传感器的什么关系？静态参数有哪些？各种参数代表什么意义？动态参数有那些？应如何选择？解：在生产过程和科学实验中，要对各种各样的参数进行检测和控制，就要求传感器能感受被测非电量的变化并将其不失真地变换成相应的电量，这取决于传感器的基本特性，即输出—输入特性。

衡量静态特性的重要指标是线性度、灵敏度，迟滞和重复性等。

1）传感器的线性度是指传感器的输出与输入之间数量关系的线性程度；2）传感器的灵敏度S是指传感器的输出量增量Δy与引起输出量增量Δy的输入量增量Δx 的比值；3）传感器的迟滞是指传感器在正（输入量增大）反（输入量减小）行程期间其输出-输入特性曲线不重合的现象；4）传感器的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时，所得特性曲线不一致的程度。

《传感器与测试技术》课后习题答案第二章 信号分析与处理1-2、求正弦信号wt x t x sin )(0=的绝对均值||x μ和均方根值x rms 。

1-3、求指数函数at Ae t x -=)((a>0,t>0)的频谱。

1-4、求被截断的余弦函数t w 0cos 的傅利叶变换。

⎩⎨⎧≥<=Tt Tt t t x ||0||cos )(0ω0 -TT1-1x(t)tωππωμ2;2sin 1)(lim 0000====⎰⎰∞→T x tdt x T dt t x TT T x 式中：()2sin 1)(10020002000x dt t x T dt t x T x T T rms ===⎰⎰ωfj A dt e Ae dt e t x f X ft j t ft j παπαπ2)()(022+=⋅==⎰⎰∞+--∞+∞--()[]210000222202sin sin 2)(2)(sin 2)(2)(sin 212cos )()(00θθππππππππππ⋅+⋅=⎥⎦⎤⎢⎣⎡--+++=+===--+-+--+∞∞--⎰⎰⎰c c T T f f T f f T f f T f f T dt e e e dtte f dt et x f X ft j t f j t f j TT TTft j ftj1-5、求指数衰减振荡信号t w e t x at 0sin )(-=的频谱。

1-6、设有一时间函数f(t)及其频谱如图所示，求信号t w t f 0cos )(的频谱，并画出频谱图。

又问：若m ωω<0时其频谱将会出现什么情况？当ω0<ωm 时，将会出现频率混叠现象第三章 测试系统的特性分析3-1、进行某动态压力测量时，所采用的压电式力传感器的灵敏度为-w mw mF(w)wf(t)t()()⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-+-++=-⋅===-∞+---+∞-+∞∞--⎰⎰⎰)(21)(21222sin )()(002022200200f f j f f j j dte e e j e dtet f edt et x f X ft j t f j t f j t ftj tftj παπαππππαπαπ[]())22(21)22(2121)(2cos )()()(0022220200f f F f f F dt e e e t f dte tf t f dt e t x f X ft j t f j t f j ft j ft j ππππππππππ-++=⋅⎥⎦⎤⎢⎣⎡+=⋅==-∞+∞---+∞∞-+∞∞--⎰⎰⎰90.9nC/MPa 。