《传感器》第4版—唐文彦—机械工业出版社—课后习题答案要点.pdf
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1、1 第一章 思考题与习题 1、什么是传感器的静态特性?它有哪些性能指标? 答:输入量为常量或变化很慢情况下,输出与输入两者之间的关系称为传感器的静态特性。 它的性能指标有:线性度、迟滞、重复性、灵敏度与灵敏度误差、分辨率与阈值、稳定性、 温度稳定性、抗干扰稳定性和静态误差(静态测量不确定性或精度)。 2、传感器动特性取决于什么因素? 答:传感器动特性取决于传感器的组成环节和输入量,对于不同的组成环节(接触环节、模 拟环节、数字环节等)和不同形式的输入量(正弦、阶跃、脉冲等)其动特性和性能指标不 同。 3、某传感器给定相对误差为2%FS,满度值输出为50mV ,求可能出现的最大误差(以 mV 计
2、) 。当传感器使用在满刻度的1/2 和 1/8 时计算可能产生的百分误差。并由此说明使用 传感器选择适当量程的重要性。 解: %100 FS m y ; mVyFS m 1%100 若: FSFS yy 2 1 1 则: %4%100 25 1 %100 1FS m y 若: FSFSyy 8 1 2则: %16%100 25.6 1 %100 2FS m y 由此说明 ,在测量时一般被测量接近量程(一般为量程的2/3 以上 ),测得的值误差小一些。 4、有一个传感器,其微分方程为xydtdy15.03/30,其中 y 为输出电压( mV ) ,x 为 输入温度( 0C) ,试求该传感器的时间
3、常数 和静态灵敏度k。 已知:xydtdy15.03/30;求: =?, k=? 解:将xydtdy15.03/30化为标准方程式为:xydtdy05.0/10 与一阶传感器的标准方程:kxy dt dy 比较有: )/(05. 0 )(10 0C mVk s 5、已知某二阶系统传感器的自振频率f0=20kHz,阻尼比 =0.1,若要求传感器的输出幅值误 差小于 3%,试确定该传感器的工作频率范围。 已知: f0=20kHz, =0.1。求:%3 时的工作频率范围。 解:二阶传感器频率特性(p14-130 式) 2 2222 )2()1( )( k k %3 )2()1 ( 1 1 )( 22
4、22 k kk 式中: 1.0 8 1 6.1252 0 00 s kHzf 则有: )2(011. 198.0 ) 1(95. 098.0 023. 1)98.0( 903.0)98.0( 063, 196.11 943. 096.11 063. 1)2()1( 943. 0)2()1( 97.0/1)2()1( 03.1/1)2()1( 03. 0 )2()1( 1 1 03.0 )2()1( 1 1 %3 )2()1( 1 1%3 %3 )2()1 ( 1 1 22 22 222 222 4422 4422 2222 2222 2222 2222 2222 2222 2222 2222
5、由( 1)式: kHz kHz 7.173 7.21 95.098.0 95. 098.0 2 1 22 22 3 由( 2)式: kHz3.176 0 011.198. 0 011.198. 0 2 1 22 22 即: kHzkHz kHz 3 .1767.173 7 .210 取: kHz7.210 则有: kHzkHzf44.32/7 .210 第二章思考题与习题 1、何为金属的电阻应变效应?怎样利用这种效应制成应变片? 答: (1)当金属丝在外力作用下发生机械变形时,其电阻值将发生变化,这种现象称为金属 的电阻应变效应。 (2)应变片是利用金属的电阻应变效应,将金属丝绕成栅形,称为敏
6、感栅。 并将其粘贴在绝缘基片上制成。把金属丝绕成栅形相当于多段金属丝的串联是为增大应变片 电阻,提高灵敏度, 2、什么是应变片的灵敏系数?它与电阻丝的灵敏系数有何不同?为什么? 答: (1)应变片的灵敏系数是指应变片安装于试件表面,在其轴线方向的单向应力作用下, 应变片的阻值相对变化与试件表面上安装应变片区域的轴向应变之比。 RR k / (2)实验表明,电阻应变片的灵敏系数恒小于电阻丝的灵敏系数其原因除了粘贴层传递变 形失真外,还存在有恒向效应。 3、对于箔式应变片,为什么增加两端各电阻条的截面积便能减小横向灵敏度? 4 答:对于箔式应变片,增加两端圆弧部分尺寸较栅丝尺寸大得多(圆弧部分截面
7、积大),其 电阻值较小,因而电阻变化量也较小。所以其横向灵敏度便减小。 4、用应变片测量时,为什么必须采用温度补偿措施? 答:用应变片测量时, 由于环境温度变化所引起的电阻变化与试件应变所造成的电阻变化几 乎有相同的数量级,从而产生很大的测量误差,所以必须采用温度补偿措施。 5、一应变片的电阻R=120, k=2.05。用作应变为800m/m 的传感元件。求 R 和 R/R;若电源电压U=3V ,求初始平衡时惠斯登电桥的输出电压U0。 已知: R=120, k=2.05,=800m/m; 求: R=?, R/R=? U=3V 时, U0=? 解: RR k / 1968.012080005.2
8、 1064.180005.2/ 3 RkR kRR 解:初始时电桥平衡(等臂电桥) U R R U 4 1 0 mVU R R U23.131064.1 4 1 4 13 0 6、在材料为钢的实心圆柱形试件上,沿轴线和圆周方向各贴一片电阻为120的金属应变 片 R1和 R2,把这两应变片接入差动电桥(参看图2-9a) 。若钢的泊松系数=0.285,应变片 的灵敏系数k=2,电桥电源电压U=2V ,当试件受轴向拉伸时,测得应变片R1的电阻变化值 R =0.48,试求电桥的输出电压U0。 图 2-9a 差动电桥 已知: R1= R2=120, =0.285,k=2,U=2V , R1 =0.48,
9、 R1 / R1=0.48/120=0.004 求: U0=? 解: RR k / 5 mm k RR /2 0 0 00 0 2.0 2 0 0 4. 0/ 11 1 又 12 r r L L 0 . 0 0 1 1 40 0 2. 02 8 5. 02 12 2 2 kk R R 设: R1=R2=R3=R4=R,对电桥若四臂电阻都变其输出为: U RRRR RRRR U )( 4321 3241 0 则有: U R R R R R R R R U R R R R R R R R R R R R R R R R U R R R R R R R R R R R R R R R R R R R
10、 R R R R R R R R R R R R R R R R R R R R R U R R R R R R R R R R R R R R R R U RRRRRRRR RRRRRRRR U )( 4 1 22224 22224 )2)(2( )1)(1()1)(1 ( )( )()( 3 3 2 2 4 4 1 1 4 4 3 3 2 2 1 1 3 3 2 2 4 4 1 1 4 4 2 2 3 3 2 2 4 4 1 1 3 3 1 1 4 4 3 3 2 2 1 1 3 3 2 2 3 3 2 2 4 4 1 1 4 4 1 1 4 4 3 3 2 2 1 1 3 3 2 2 4
11、 4 1 1 44332211 33224411 0 本题:0 4 4 3 3 R R R R mVU R R R R U57.22)00114.0004.0( 4 1 )( 4 1 2 2 1 1 0 7、金属应变片与半导体应变片在工作原理上有何不同? 答:金属应变片的工作原理是:金属应变片在外力的作用下,应变片的几何尺寸(长度和截 面积)发生变化 (机械形变) 而引起应变片的电阻改变,运用它们的对应关系实现测量目的。 其灵敏系数( k1+2)主要是材料几何尺寸变化引起的。 半导体应变片的工作原理是:半导体应变片受到作用力后,应变片的电阻率发生变化, 而引起应变片的电阻值改变。其灵敏系数 (
12、k=/)主要是半导体材料的电阻率随应 变变化引起的。 补充题 : 已知四个相同的应变片,灵敏度为k,泊松系数为 ,在试件上粘贴如图。接入电桥 6 如图( A) (B) (C) (D)求: A D A C A B U U U U U U 、 解:各应变片电阻的相对变化 1 号应变片:kk R R 1 1 1 1 2 号应变片:kk R R 2 2 2 2 3 号应变片:kk R R 3 3 3 3 4 号应变片:kk R R 4 4 4 4 由式:U R R R R R R R R U)( 4 1 3 3 2 2 4 4 1 1 0 对图( a) :k U U R R UA 4 )( 4 1 1
13、 1 对图( b) :k U U R R R R U B 2 )( 4 1 4 4 1 1 对图( c) : )1( 2 )( 4 )( 4 1 3 3 2 2 4 4 1 1 k U kkkk U U R R R R R R R R UC 7 对图( d) : 0)( 4 )( 4 1 3 3 2 2 4 4 1 1 kkkk U U R R R R R R R R U D 所以: 0 4 0 )1 (2 4 )1 ( 2 2 4 2 k U U U k U k U U U k U k U U U A D A C A B 第三章思考题与习题 1、何谓电感式传感器?它是基于什么原理进行检测的?
14、 答:电感式传感器是利用电磁感应原理将被测量转换成线圈自感量或互感量的变换,再由测 量电路转换为电压或电流的变化量输出的一种装置。它是基于电磁感应原理进行检测的。 2、减小零残电压的有效措施有哪些? 答: (1)尽量使两个线圈对称 设计时应使上下磁路对称,制造时应使上下磁性材料特性一致,磁筒、磁盖、 磁芯要配 套挑选,线圈排列要均匀,松紧要一致,最好每层的匝数都相等。 (2)减小磁化曲线的非线性 由于磁化曲线的非线性产生零残电压的高次谐波成分,所以选用磁化曲线为线性的磁芯 材料或调整工作点,使磁化过程在磁化曲线的线性区。 (3)使振荡变压器二次侧对称,两个二次电压的相位相同 在一次侧线圈上并联
15、一个电容,并调整电容大小使两个二次电压的相位相同。 3、涡流式传感器有何特点?它有哪些应用: 答:涡流式传感器的特点是结构简单,易于进行非接触的连续测量,灵敏度较高, 适应性强。 它的应用有四个方面: (1)利用位移为变换量,可做成测量位移、厚度、振幅、振摆、转速 等传感器,也可做成接近开关、计数器等;(2)利用材料的电阻率作为变换量,可做成测量 温度、材质判别等传感器;(3)利用磁导率作为变换量,可做成测量应力、硬度等传感器; (4)利用三个变换量的综合影响,可做成探伤装置。 4、试比较涡流传感器的几种应用电路的优缺点? 答:交流电桥电路:线性好、温度稳定性高,但存在零点残余电压问题及测量范
16、围较小;谐 振电路:电路简单,灵敏度高,但线性度差及范围更小;正反馈电路:测量范围较大,是电 桥的 2 至 3 倍,但电路复杂。 5、有一 4 极感应感应同步器,设h=5mm、=15 0、=0.15mm 、r=6.5mm、N 1=N2=900 匝, 励磁电流I1=35mA 、 f=400Hz,试求: 输出信号的灵敏度k( mV/deg)=? 励磁电压u=? 第四章思考题与习题 8 1、如何改善单组式变极距型电容传感器的非线性? 答:对于变极距单组式电容器由于存在着原理上的非线性,所以在实际应用中必须要改善其 非线性。 改善其非线性可以采用两种方法。(1)使变极距电容传感器工作在一个较小的范围
17、内( 0.01m 至零点几毫米) ,而且最大 应小于极板间距 的 1/5 1/10。 (2)采用差动 式,理论分析表明,差动式电容传感器的非线性得到很大改善,灵敏度也提高一倍。 2、单组式变面积型平板形线位移电容传感器,两极板相对覆盖部分的宽度为4mm,两极板 的间隙为0.5mm,极板间介质为空气,试求其静态灵敏度?若两极板相对移动2mm,求其 电容变化量。 (答案为 0.07pF/mm,0.142pF ) 已知: b=4mm, =0.5mm, 0=8.8510 12F/m 求: (1)k=?;(2) 若 a=2mm 时 C=?。 解:如图所示 abS C; a C k; pF mm mmmm
18、mmpF abbaaab C142.0 5.0 24/1085.8 )( 3 000 mmpF mm pF a C k/07.0 2 142.0 3、画出并说明电容传感器的等效电路及其高频和低频时的等效电路。 答:电容传感器的等效电路为: 其中: r:串联电阻(引线、焊接点、板极等的等效电阻); L:分布电感(引线、焊接点、板极结构产生的); CP:引线电容(引线、焊接点、测量电路等形成的总寄生电容) C0:传感器本身电容; Rg:漏电阻(极板间介质漏电损耗极板与外界的漏电损耗电阻) 低频时等效电路和高频时等效电路分别为图(a)和图 (b): 9 4、设计电容传感器时主要应考虑哪几方面因素 答
19、:电容传感器时主要应考虑四个几方面因素:(1)减小环境温度湿度等变化所产生的影 响,保证绝缘材料的绝缘性能; (2)消除和减小边缘效应; (3)减小和消除寄生电容的影响; (4)防止和减小外界干扰。 5、何谓“电缆驱动技术”?采用它的目的是什么? 答:电缆驱动技术,即:传感器与测量电路前置级间的引线为双屏蔽层电缆,其内屏蔽层 与信号传输线(即电缆芯线)通过1 :1 放大器而为等电位,从而消除了芯线与内屏蔽层之 间的电容。由于屏蔽线上有随传感器输出信号等大变化的电压,因此称为“驱动电缆”。采 用“电缆驱动技术”的目的是减小或消除寄生电容的影响。 6、画出电容式加速度传感器的结构示意图,并说明其工
20、作原理。 答:电容式加速度传感器的结构示意图为: 其中: 1、5 为两个固定极板;2 为壳体; 3 为支撑弹簧片;4 质量块; A 面和 B 面为固定在 质量块上的电容器的极板。 当测量垂直方向上直线加速度时,传感器的壳体2 固定在被测振动体上,振动体的振动 使壳体相对质量块运动,因而与壳体固定在一起的两固定极板1、5 相对质量块4 运动,致 使上固定极板5 与质量块4 的 A 面组成的电容器Cx1 以及下固定极板与质量块4 的 B 面组 成的电容器Cx2 随之改变,一个增大,一个减小,它们的差值正比于被测加速度,而实现 测量加速度的目的。 7、什么是电容式集成传感器?它有何特点? 答:运用集
21、成电路工艺把电容敏感元件与测量电路制作在一起构成电容式集成传感器。她 的核心部件是一个对被测量敏感的集成电容器。集成电容传感器的特点是:体积小、 输出阻 抗小、可批量生产、重复性好、灵敏度高、工作温度范围宽、功耗低、寄生电容小等特点。 补充题 : 已知差动式极距型电容传感器,原始极距 0=0.25mm,极板直径 D=38.2mm ,采用电桥 作转换电路,传感器两电容分别串接R=5.1K 的电阻作为电桥两臂,另两臂为固定电容 C=0.001F,电桥供电电压为U=60V ,频率f=400Hz ,求:传感器灵敏度;动极板位 移 =10m 时,输出电压有效值为多大。 已知 :0=0.25mm ;D=3
22、8.2mm ;R=5 .1K ;C=0.001 F;U=60V ;f=400Hz ;=10m。 10 求: k=?;U0=? 解: 2 0 )2/(DS C 00 2 3 0 2 0000 2 000 2 0 2 0 2 )2/( )()(1 )2/( ) /1 1 ( )2/()2/()2/( D D DDD C U ZZZZ ZZZZZZ U ZZZZ ZZZZ U )( )()( )( 4321 322411 4321 3241 0 0 21 1 Cj RZZ、 Cj ZZ 1 43 2 00 2 000 00 1 ) /1 1 ()( 1 )( 1 1 Cj C CCCj C CC C
23、 Cj CCj R Cj RZ 同理: 2 0 2 Cj C Z 则有: U RC CRjC U CR CRjCC U CRj CC U Cj R Cj C U CjCj R CjCj C Cj R CjCj C Cj R U ZZZZ ZZZZZZ U 1)(2 )/1( )/1()(2 )/1(/ )/1(2 / ) 1 (4 2 2 ) 1 (2 1 ) 1 ( 1 ) 1 ( )( )()( 2 0 0 2 0 2 0 2 0 0 2 0 0 2 0 0 2 00 2 00 4321 322411 0 所以: 11 U RC UC RCC U RC C C U 1)(1)(2 1 1)
24、( 1 2 2 00 0 0 2 00 2 0 0 0 则: mVmmV mmmmmmFHzmm V DfR U RC UU k /5.461/4615.0 125. 0/)2/2.38()/1085.8(101.5400225. 0 60 1/)2/(21)( 2293 2 0 2 00 2 00 0 mVVmmVkU RC U615.410615.41010/5.461 1)( 36 2 00 0 第五章思考题与习题 1、简述磁电感应式传感器的工作原理。磁电感应式传感器有哪几种类型? 答:磁电感应式传感器是以电磁感应原理为基础的,根据法拉第电磁感应定律可知,N 匝线 圈在磁场中运动切割磁力
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