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42870《传感器与检测技术第2版》胡向东书中课后

发布日期:2020-11-06 11:34

  42870《传感器与检测技术第2版》胡向东书中课后习题解答&..

  《传感器与检测技术(第2版)》习题参考答案(20150914 《传感器与检测技术(第2版)》(胡向东等编著,机械工业出版社) 习题参考答案(完全版) 概述1.1 什么是传感器? 答:传感器是能够感受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。 1.2 传感器的共性是什么? 答:传感器的共性就是利用物理定律和物质的物理、化学或生物特性,将非电量(如位 移、速度、加速度、力等)输入转换成电量(电压、电流、电容、电阻等)输出。 《传感器与检测技术(第2 版)》习题参考答案(20150914 1.3传感器一般由哪几部分组成? 答:传感器的基本组成分为敏感元件和转换元件。此外,一般还包括信号调理电路、辅 助电源等。 1.4 传感器是如何进行分类的? 答:按输入量分,包括位移传感器、速度传感器、温度传感器、压力传感器等;按 输出量分,有模拟式传感器和数字式传感器;按工作原理分,有应变式、电容式、电感式、 压电式、热电式传感器等;按基本效应分,可分为物理型、化学型和生物型三种传感器; 按构成分,分为物性型和结构型;按能量变换关系分,可分为能量变换型和能量控制型 传感器。按技术特征分,分为普通传感器和新型传感器。 1.5 传感器技术的发展趋势有哪些? 答:总体上说,传感器技术的发展趋势表现为六个方面:一是提高与改善传感器的技术 性能;二是开展基础研究,寻找新原理、新材料、新工艺或新功能等;三是传感器的集成化; 四是传感器的智能化;五是传感器的网络化;六是传感器的微型化。 1.6 改善传感器性能的技术途径有哪些? 答:差动技术;平均技术;补偿与修正技术;屏蔽、隔离与干扰抑制;稳定 性处理。 传感器的基本特性2.1 什么是传感器的静态特性?描述传感器静态特性的主要指标有哪些? 答:传感器的静特性是它在稳态信号作用下的输入—输出关系。静态特征所描述的传感 器的输入、输出关系中不含时间变量。其主要指标有线性度、灵敏度、分辨率、迟滞、重复 性和漂移。 2.2 传感器输入输出特性的线性化有什么意义?如何实现其线性化? 答:传感器的理想输入—输出特性应是线性化的,有助于简化传感器的理论分析、数据 处理、制作标定和测试。若传感器的非线性项的次方不高,在输入量变化范围不大的条件下, 可以用切线或割线拟合、过零旋转拟合、端点平移拟合等来近似的代表实际曲线的一段,但 多数情况下是用最小二乘法求出拟合直线 利用压力传感器所得测试数据下表所示,计算其非线性误差、迟滞和重复性误差。设 《传感器与检测技术(第2 版)》习题参考答案(20150914 压力为0MPa 时输出为0 mV,压力为0.12 MPa 时输出最大且为16.50 mV。 压力/ MPa 输出值/ mV 第一循环 第二循环 第三循环 正行程 反行程 正行程 反行程 正行程 反行程 0.02 0.56 0.66 0.61 0.68 0.64 0.69 0.04 3.96 4.06 3.99 4.09 4.03 4.11 0.06 7.40 7.49 7.43 7.53 7.45 7.52 0.08 10.88 10.95 10.89 10.93 10.94 10.99 0.10 14.42 14.42 14.47 14.47 14.46 14.46 解:非线性误差: 取六次测量结果的平均值作为输出测量值,即 :0.020.04 0.06 0.08 0.10 :0.644.04 7.47 10.93 14.45 设拟合直线.3 0.022 0.30.02 0.30.022 25015 15 《传感器与检测技术(第2版)》习题参考答案(20150914 3745 1493 1047 172847 37250 15 15 172847 :0.020.04 0.06 0.08 0.10 0.644.04 7.47 10.93 14.45 :0.6044.055 7.506 10.957 14.408 :0.0360.015 0.036 0.027 0.042 非线 迟滞误差:第一循环: 第三循环:08 100max 重复性误差:由所给数据可得, 正行程: 1max 0.08 ,反行程:2max 0.06 max1max 2max max( 重复性误差max 0.08 100% 100% 0.5714% 14 《传感器与检测技术(第2版)》习题参考答案(20150914 2.4什么是传感器的动态特性?如何分析传感器的动态特性? 答:传感器的动态特征是指传感器对动态激励(输入)的响应(输出)特征,即其输出 对随时间变化的输入量的响应特性。传感器的动态特性可以从时域和频域两个方面分别采用 瞬态响应法和频率响应法来分析。 2.5 描述传感器动态特性的主要指标有哪些? 答:传感器动态特征的主要指标有时间常数、延迟时间、上升时间、峰值时间、响应时 2.6试解释线性时不变系统的叠加性和频率保持特性的含义及其意义。 答:叠加性 含义:当一个系统有N 个激励同时作用时,它的响应等于N 个激励单独左右的响应之和。 即各个输入所引起的输出互不影响。 意义:当检测系统的输入信号是由多个信号叠加而成的复杂信号时,根据叠加性可以把 复杂信号的作用看成若干型号的单独作用之和,从而简化问题。 频率保持特性 含义:当线性定常系统的输入为某一频率的简谐(正弦或余弦)信号 初始相位可能发生变化。意义:如果已知线性系统的输入频率,根据频率保持特性,可确定该系统输出信号中只 有与输入同频率的成分可能是该信号引起的输出,其他频率成分的输出都是噪声干扰,可以 采用滤波技术,在很强的噪声干扰下,也能把有用信息提取出来。 2.7 用某一阶传感器测量 100 Hz 的正弦信号,如要求幅值误差限制在5%以内,时间常 数应取多少?如果用该传感器测量50 Hz 的正弦信号,其幅值误差和相位误差各为多 《传感器与检测技术(第2版)》习题参考答案(20150914 ,所以:00.523ms ms523 10050 100%1.32% 所以有:1.32% 所以有:9.3 2.8某温度传感器为时间常数 =3s 的一阶系统,当传感器受突变温度作用后,试求传感 器指示出温差的三分之一和二分之一所需的时间。 解:对传感器施加突变信号属于阶跃输入: 单位阶跃信号: 进行拉氏变换:st 3ln1.22s 3ln2.08s 2.9玻璃水银温度计通过玻璃温包将热量传给水银,可用一阶微分方程来表示。现已知某 《传感器与检测技术(第2 版)》习题参考答案(20150914 代表水银柱高(mm),x代表输入温度()。求该温度计的时间常数及灵敏度。 ,其中是传感器的时间常数, 2.10某传感器为一阶系统,当受阶跃函数作用时,在t 时,输出为10mV;在t =5s 时输出为50 mV;在t 时,输出为100 mV。试求该传感器的时间常数。 解:对于输入阶跃信号的一阶传感器系统,其阶跃响应函数可表示为: =90当t=5s 时,y=50mV 2.11某一质量-弹簧-阻尼系统在受到阶跃输入激励下,出现的超调量大约是最终稳态 40%。如果从阶跃输入开始至超调量出现所需的时间为0.8s ,试估算阻尼比和 固有角频率的大小。 =4.1Hz2.12 在某二阶传感器的频率特性测试中发现,谐振发生在频率216 Hz 处,并得到最大的 幅值比为1.4,试估算该传感器的阻尼比和固有角频率的大小。 《传感器与检测技术(第2 版)》习题参考答案(20150914 时共振,则max 2161357 rad/s 2.13设一力传感器可简化为典型的质量-弹簧-阻尼二阶系统,已知该传感器的固有频 ,若其阻尼比为0.7,试问用它测量频率为600Hz 、400 Hz 的正弦 1000600 1000600 521000 600 1000600 1000400 1000400 331000 400 1000400 电阻式传感器3.1 应变电阻式传感器的工作原理是什么? 答:应变式传感器的基本工作原理:当被测物理量作用在弹性元件上,弹性元件在力、 力矩或压力等的作用下发生形变,变换成相应的应变或位移,然后传递给与之相连的应变片, 将引起应变敏感元件的电阻值发生变化,通过转换电路变成电量输出。输出的电量大小反映 《传感器与检测技术(第2 版)》习题参考答案(20150914 了被测物理量的大小。3.2 电阻应变片的种类有哪些?各有何特点? 答:金属电阻应变片(应变效应为主),它的特点是表面积和截面积之比大,散热条 件好,允许通过较大的电流,并可做任何形状,便于大量生产。 半导体应变片(压阻效应为主),与金属电阻应变片相反,半导体应变片的灵敏度系 小得多,它的工作原理基于半导体材料的亚组效应,即单晶半导体材料沿某一轴向受到外力作用时,电阻率发生变化。 3.3 引起电阻应变片温度误差的原因是什么?电阻应变片的温度补偿方法是什么? 答:温度误差产生原因包括两方面: 一是由于电阻温度系数的影响; 二是试件材料和电阻丝材料的线膨胀系数的影响。 常采用的温度补偿法有电桥补偿法和应变片自补偿法。 3.4 试分析差动测量电路在应变式传感器测量中的好处。 答:采用直流半桥或全桥差动测量电路可消除非线性误差,且电压灵敏度比单臂应变片 工作分别提高了一倍和4 倍时。交流差动电桥的输出电压与 成线Ω应变片贴在弹性试件上,如果试件截面积 0.510 ,弹性模量11 的拉力引起应变计电阻变化为1Ω,求该应变片的灵敏度系数。 解:已知 0.510 3.6一个量程为 10 kN 的应变式测力传感器,其弹性元件为薄壁圆筒轴向受力,外径 20 mm,内径 18 mm,在其表面粘贴八个应变片,四个沿轴向粘贴,四个沿周向粘 贴,应变片的电阻值均为120Ω、灵敏度为2.0,泊松比为0.3,材料弹性模量为2.1 《传感器与检测技术(第2 版)》习题参考答案(20150914 1010 11 ,要求:(1)绘出弹性元件贴片位置及全桥电路; (2)计算传感器在满量程时,各应变片电阻变化; (3)当桥路的供电电压为10 V时,计算传感器的输出电压。 解:(1)绘图如下: (2)圆桶截面积 12010 5910 10 0.30.191 0.0573 -611 1010 10 0.3)10.37mV 59.710 2.1 10 3.7图3.5 中,设负载电阻为无穷大(开路),图中E =4V, 《传感器与检测技术(第2版)》习题参考答案(20150914 时,电桥的输出电压 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,电桥输出电压 0.099V0.01V (3)当R1受拉应变,R2 受压应变时: 0.02V20mV 当R1受压应变,R2 受拉应变时: 0.02V20mV 3.11中,设电阻应变片 的灵敏度系数K=2.05,未受应变时, 当试件受力F时,应变片承受平均应变 800μm/m 置于单臂测量电桥,电桥电源电压为直流3V,求电桥输出电压 及其非线)如果要减小非线性误差,应采取何种措施?分析其电桥输出电压及非线 《传感器与检测技术(第2版)》习题参考答案(20150914 1.6310 120 0.1968 1.6410 1.23 10 知,电桥的电压灵敏度将降低,要使灵敏度不降低,必须相应地提高供电电压,电压的提高受到应变片允许功耗的 限制。 采用差动电桥。3.9 电阻应变片阻值为 120 ,灵敏系数 的圆形钢柱表面,钢材的弹性模量 9.810 0.05% 0.05 3.14 0.05%120 0.05% 0.06( 《传感器与检测技术(第2版)》习题参考答案(20150914 电感式传感器4.1 根据工作原理的不同,电感式传感器可分为哪些种类? 答:根据工作原理的不同,电感式传感器可分为变磁阻式(自感式)、变压器式和涡流 式(互感式)等种类。 4.2 试分析变气隙厚度变磁阻式电感传感器的工作原理。 线圈铁芯 衔铁 变磁阻式传感由线圈、铁心和衔铁三部分组成。在铁心和衔铁间有气隙,当衔铁移动时气息厚度发生变化,引起磁路中磁阻变化,从而导致线圈的电感值变化。通过测量电感量的 变化就能确定先贴位移量的大小和方向。 4.3 已知变气隙厚度电感传感器的铁芯截面积 ,磁路长度20cm ,线 若将其做成差动结构,灵敏度将如何变化?解:(1)当衔铁移动 101.5 10 54 10 0.510 《传感器与检测技术(第2版)》习题参考答案(20150914 0.05433.912 0.5 10 ,故将其做成差动结构后,灵敏度将提高一倍。 4.4 差动式比单线圈式结构的变磁阻式传感器在灵敏度和线性度方面有什么优势?为什 答:差动式比单线圈的灵敏度高一倍;差动式的非线性项近似于单线圈非线性项乘以因子 ,所以差动结构线 有一只差动电感位移传感器,已知电源电压 4V ,传感器线 ,用两只匹配电阻设计成四臂等阻抗电桥,如图4.26 所示。试求: (1)匹配电阻 图4.26题4.5 ,另外两个相邻的桥臂用纯电阻代替。在 的情况下,电桥的输出电压为:《传感器与检测技术(第2 版)》习题参考答案(20150914 无关,相应的电压灵敏度也与其无关。但题目要求设计成四臂等阻抗电桥,因此有: 40030 10 85.34 100.234 40030 10 4.6试分析交流电桥测量电路的工作原理。 答:变压器式交流电桥本质上与交流电桥的分析方法完全一致。电桥两臂 感器线圈阻抗,另外两臂为交流变压器二次绕组阻抗的一半。当负载阻抗为无穷大时,桥路输出电压: ,此时,输出电压为0,电桥处于平衡状态。 《传感器与检测技术(第2版)》习题参考答案(20150914 由此可见:衔铁上、下移动时,输出电压相位相反,大小随衔铁的位移变化。4.7 试分析变压器式交流电桥测量电路的工作原理。 答:把被测的非电量变化转换为线圈的互感量变化的传感器称为互感式传感器,它是根 据变压器的基本原理制成的,且二次绕组都用差动形式连接,故称为差动变压器式传感器。 差动变压器结构形式有变隙式、变面积式和螺线管式,但工作原理都是基于线圈互感量的变 化来测量的。 4.8 试分析差动变压器式传感器的工作原理。 答:零点残余电压的产生原因:传感器的两次极绕组的电气参数与几何尺寸不对称,导 致它们产生的感应电势幅值不等、相位不同,构成了零点残余电压的基波;由于磁性材料磁 化曲线的非线性(磁饱和,磁滞),产生了零点残余电压的高次谐波(主要是三次谐波)。 为了减小和消除零点残余电压,可采用差动整流电路。 4.9 引起零点残余电压的原因是什么?如何消除零点残余电压? 答:该差动整流电路是把差动变压器的两个次级输出电压分别整流,然后再将整流后的 电压的差值作为输出,具体整流原理如下: 当Ui上正下负时,上线,电容C1 压为U24;下线,电容C2 当Ui上负下正时,上线上的电压为U24; 下线,电容C2 压为U68。由此可知,不论两个次级线圈的输出电压极性如何,流经电容C1 的电流方向总是从2 到4,流经电容C2 的电流方向总是从6 到8,故整流电路的输出电压为: 《传感器与检测技术(第2 版)》习题参考答案(20150914 17U0=U26=U24+U86=U24-U68 当衔铁位于中间位置以下时,U24

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