《传感器原理及应用》课后答案

第1章传感器基础理论思考题与习题答案1.1什么是传感器？（传感器定义）解: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、转换元件和调节转换电路组成。

1.2传感器特性在检测系统中起到什么作用？解：传感器的特性是指传感器的输入量和输出量之间的对应关系,所以它在检测系统中的作用非常重要。

通常把传感器的特性分为两种：静态特性和动态特性。

静态特性是指输入不随时间而变化的特性，它表示传感器在被测量各个值处于稳定状态下输入输出的关系。

动态特性是指输入随时间而变化的特性，它表示传感器对随时间变化的输入量的响应特性。

１．３传感器由哪几部分组成？说明各部分的作用。

解:传感器通常由敏感元件、转换元件和调节转换电路三部分组成。

其中，敏感元件是指传感器中能直接感受或响应被测量的部分，转换元件是指传感器中能将敏感元件感受或响应的被测量转换成电信号的部分,调节转换电路是指将非适合电量进一步转换成适合电量的部分，如书中图1.1所示。

1.4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。

意义略(见书中）。

动态参数有最大超调量、延迟时间、上升时间、响应时间等，应根据被测非电量的测量要求进行选择。

１．５某位移传感器，在输入量变化5ｍｍ时,输出电压变化为3０0mＶ,求其灵敏度。

解:其灵敏度333001060510UkX--∆⨯===∆⨯1．６某测量系统由传感器、放大器和记录仪组成,各环节的灵敏度为:S1=0．2ｍＶ/℃、Ｓ２=2.0V/mV 、S ３=５．０ｍｍ/Ｖ,求系统的总的灵敏度。

１.7某线性位移测量仪,当被测位移由4.5mm 变到 5.0ｍｍ时，位移测量仪的输出电压由３.5V 减至２.5V ,求该仪器的灵敏度。

解:该仪器的灵敏度为25.40.55.35.2-=--=S Ｖ／mm 1．8某测温系统由以下四个环节组成，各自的灵敏度如下:铂电阻温度传感器： 0.45Ω/℃电桥： ０．0２Ｖ／Ω放大器 ： 100（放大倍数)笔式记录仪:0.２c ｍ/V求:(１)测温系统的总灵敏度；(2)记录仪笔尖位移4ｃm 时,所对应的温度变化值。

解:(1)测温系统的总灵敏度为18.02.010002.045.0=⨯⨯⨯=S cm/℃(2）记录仪笔尖位移4ｃm 时，所对应的温度变化值为22.2218.04==t ℃ 1.9有三台测温仪表，量程均为０~800℃，精度等级分别为2.5级、2．0级和１.5级，现要测量5０0℃的温度，要求相对误差不超过２.５%，选那台仪表合理?解：2.5级时的最大绝对误差值为２0℃，测量５００℃时的相对误差为４％;2.０级时的最大绝对误差值为１6℃，测量500℃时的相对误差为3.2%；1.5级时的最大绝对误差值为12℃，测量500℃时的相对误差为2.4%。

因此,应该选用１.5级的测温仪器。

1．10某温度传感器为时间常数 T =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1/３和1/2时所需的时间。

解：设温差为A ，测此温度传感器受幅度为Ａ的阶跃响 应为（动态方程不考虑初态）)e 1()(τt A t y --= 当A t y 31)(=时,s 22.132ln 3=-=t 当A t y 21)(=时,s 08.221ln 3=-=t 1.11某传感器为一阶系统，当受阶跃函数作用时，在t ＝０时,输出为10m Ｖ;t →∞时,输出为10０m Ｖ;在t =5ｓ时，输出为50m Ｖ，试求该传感器的时间常数。

解:由题意知：)e 1(10010)(τtt y --+=)e 1(10010505τ--+=)e 1(10010505τ--+=s 79.953ln 5=-=τ第2章 应变式传感器思考题与习题答案2.1试述金属电阻应变片与半导体电阻应变片的应变效应有什么不同?答:金属电阻的应变效应主要是由于其几何形状的变化而产生的,半导体材料的应变效应则主要取决于材料的电阻率随应变所引起的变化产生的。

２.2试述金属电阻应变片直流测量电桥和交流测量电桥有什么区别?答：它们的区别主要是直流电桥用直流电源,只适用于直流元件,交流电桥用交流电源,适用于所有电路元件。

2.３采用阻值为１2０Ω灵敏度系数K ＝2.0的金属电阻应变片和阻值为１20Ω的固定电阻组成电桥，供桥电压为4V ，并假定负载电阻无穷大。

当应变片上的应变分别为1με和100０με时,试求单臂、双臂和全桥工作时的输出电压，并比较三种情况下的灵敏度。

解:单臂时40U K U ε=，所以应变为1μ时660102410244--⨯=⨯⨯==U K U εV, 应变为1000μ时应为330102410244--⨯=⨯⨯==U K U εV; 双臂时20U K U ε=，所以应变为１时660104210242--⨯=⨯⨯==U K U εＶ, 应变为1000μ时应为330104210242--⨯=⨯⨯==U K U εV; 全桥时U K U ε=0,所以应变为1μ时60108-⨯=U V,应变为１0０0μ时应为30108-⨯=U V 。

从上面的计算可知：单臂时灵敏度最低，双臂时为其两倍，全桥时最高,为单臂的四倍。

2.４采用阻值Ｒ＝120Ω灵敏度系数Ｋ＝２.0的金属电阻应变片与阻值Ｒ=12０Ω的固定电阻组成电桥，供桥电压为10Ｖ。

当应变片应变为１00０με时,若要使输出电压大于１0mV ，则可采用单臂、半桥和全桥的哪种方式（设输出阻抗为无穷大）？解：由于不知是何种工作方式,可设为n ，故可得：101010230>⨯⨯==-nn U K U εmV 得ｎ要小于２,故应采用全桥工作方式。

2．5如题2.5图所示为一直流电桥，供电电源电动势E ＝3V,R ３＝R 4＝１00Ω,R 1和R 2为同型号的电阻应变片，其电阻均为50Ω,灵敏度系数K ＝２.０。

两只应变片分别粘贴于等强度梁同一截面的正反两面。

设等强度梁在受力后产生的应变为５000με，试求此时电桥输出端电压Ｕｏ。

题2.5图解:此电桥为输出对称电桥,故15210532230=⨯⨯⨯==-U K U εｍV 2.６有一吊车的拉力传感器如题２.６图所示,电阻应变片R 1、R 2、R 3、R 4等截面轴上，已知Ｒ１—R 4标称阻值为120Ω，桥路电压2Ｖ,物重m 引起R 1、R ２变化增量为１.2Ω。

请画出应变片电桥电路,计算出测得的输出电压和电桥输出灵敏度,R 3、R 4起什么作用?题２．6图解:应变片电桥电路如书中图2.1４b),把Ｒ2与Ｒ４对换一下位置。

()μεε+=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∆-∆≈⎪⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∆++∆+∆+-∆++∆+∆+=K U R R R R U R R R R R R R R R R R R R R R R R R U U 2233112223333334441111110又因为μ较小,可忽略 V 01.01202.122220==∆=≈R R U K U U ε12==U K v R ３、R 4可以进行温度补偿和减小非线性误差的作用。

2.７试述金属应变片产生温度误差的原因及减小或补偿温度误差的方法是什么？ 解:电阻应变片产生温度误差的原因:①敏感栅金属丝电阻本身随温度发生变化②试件材料和电阻丝材料的线膨胀系数的影响电阻应变片的温度补偿方法:通常有线路补偿法和应变片自补偿两大类。

１）电桥补偿是最常用的且效果较好的线路补偿法。

电桥补偿法简单易行，而且能在较大的温度范围内补偿，但上面的四个条件不一满足,尤其是两个应变片很难处于同一温度场。

２）应变片的自补偿法是利用自身具有温度补偿作用的应变片。

2．8如题2．8图所示一受拉的优质碳素钢材，已知钢材的弹性模量Ｅ=F /Ｓ,E =２×ｌ011N ／m 2,应变片的电阻为120Ω，试用允许通过的最大电流为３0m Ａ的康铜丝应变片组成一单臂受感电桥。

试求出此电桥空载时的最大可能的输出电压。

题2．8图解：应变片所受应力：SF E ==εσ 62311104.610210π102100--⨯=⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯⨯⨯⨯==ES F ε536max 103.2410301202104.624---⨯=⨯⨯⨯⨯⨯⨯==U K U εV 2.９在题2.8中,若钢材上粘贴的应变片的电阻变化率为０.1％,钢材的应力为10ｋg/mm 2。

①求钢材的应变及应变片的灵敏度系数。

解：4116109.4102108.910-⨯=⨯⨯⨯==E σε 04.2109.4001.04=⨯=∆=-R R K ε ②钢材的应变为300×10－6时，粘贴的应变片的电阻变化率为多少? 解：000612.01030004.26=⨯⨯==∆-εK RR 2.10有一电阻应变片初始阻值为120Ω,灵敏度K =2，沿轴向粘贴于直径0.04m 的圆形钢柱表面,钢材的弹性模量E =2×l ０１1N ／m 2，泊松比μ=0．3,当钢柱承受外力98×l03N 时。

求:①该钢柱的轴向应变ε和径向应变εr ;②此时电阻应变片电阻的相对变化量ΔR /R ；③应变片的电阻值变化了多少欧?是增大了还是减少了?④如果应变片是沿圆柱的圆周方向（径向）粘贴，钢柱受同样大小的拉力作用,此时应变片电阻的相对变化量为多少?电阻是增大了还是减少了? 解：①()42113109.302.014.31021098-⨯=⨯⨯⨯⨯===ES F E σε 441017.1109.33.0--⨯-=⨯⨯-=-=μεεr ②44108.7109.32--⨯=⨯⨯==∆εK RR ③Ω⨯=⨯⨯⨯==∆--241036.9120109.32R K R ε 电阻是增大了。

④()Ω⨯-=⨯-⨯==∆--441034.21017.12r K R R ε 电阻是减小了。

2.11一台采用等强度梁的电子秤，在梁的上下两面各贴有两片电阻应变片,做成秤重传感器，如图题2.１1所示。

已知l =１00ｍm,b =１１mm,t =３mm ，Ｅ＝2．1×１0４N/m ｍ2，接入直流四臂差动电桥,供电电压6V ,当称重0．５kg 时,电桥的输出电压U ｏ为多大?题2.1１图解：对于等强度梁,粘贴应变片处的应变为()342333201041.1101.21031011101008.95.066----⨯=⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯===E h b Fl E σε 1761041.123o =⨯⨯⨯==-U K U εｍV第3章 电感式传感器思考题与习题答案3.1试述影响差动变压器输出线性度和灵敏度的主要因素是什么？解：影响差动变压器输出线性度和灵敏度的主要因素是：传感器几何尺寸、线圈电气参数的对称性、磁性材料的残余应力、测量电路零点残余电动势等。