广东工业大学传感器及应用课后作业

《传感器技术与应用》课外作业
课程目标1 掌握传感器基本原理
1、传感器的两种组成方式是什么？使用敏感元件的目的是什么？电参量与电量的区别是什
么？
答：传感器由敏感元件（与传感元件）和测量转换电路组成。

敏感元件是在传感器中直接感受被测量的元件，即被测量通过传感器的敏感元件转换成与被测量有确定关系、更易于检测的非电量；
电参量：与电量有对应关系的一些量，如电阻等；
电量：能通过仪表直接测量的量，如电流，电压，频率等；
2、简述在时域里的三种信号选择方式。

答：
1）固定方式；把被测量以外的变量固定为一个值，或者采用某种控制手段使其为定值。

2）补偿方式；
把被测量和干扰变量共同作用的函数量称为第一函数量，把只有干扰量作用的称为第二函数量。

补偿方式就是指利用第一函数量和第二函数量之差或之比来消除干扰变量影响的一种方式。

3）差动方式；
将被测量在反对称方向上作用，干扰量在对称方向上作用，以此构成的两个状态量取其差，从而选择被测量的一种方式。

3、根据测量手段，测量方法可分为哪几类，并简述每类的原理及优缺点。

答：
1.偏位式测量：直接以仪表的偏移量表示被测量的测量方式；虽然过程简单、迅速，但准确度不高，易产生灵敏度漂移和零点漂移；
2.零位式测量：当测量系统达到平衡时，用已知标准量的值决定被测量的值。

特点是准确度高，但平衡耗时，多用于缓慢信号的测量；
3.微差法测量：综合了偏位式测量法速度快和零位式测量法准确度高的优点的一种测量方法。

这种方法预先使被测量与测量装置内部的标准量取得平衡。

当被测量有微小变化时，测量装置失去平衡。

用偏位式仪表指示出其变化部分的数值。

课程目标2 传感器工作原理分析（分析类；计算类）
1、参见教材图1-8，请说明：对于电位器式压力传感器，敏感元件、传感元件、测量转换
电路分别是什么？被测量、敏感元件转换后的非电量、传感元件转换后的电参量、测量转换电路输出的电量分别是什么？
答：敏感元件：弹簧管、传感元件：电位器；
测量转换电路：电位器；
被测量：压力p、敏感元件转换后的非电量；角位移a；
传感元件转换后的电参量：电阻值
测量转换电路输出的电量：输出电压U0；
2、参见教材图3-3（a），请分析：（1）根据测量手段，该传感器属于哪种测量方法？（2）
该传感器属于哪种信号选择方式？（3）与单个自感传感器相比，差动传感器有什么优点？
答：（1）微差式测量法
（2）差动方式
（3）差动式电感传感器对外界影响，如温度的变化、电源频率的变化等基本上可以互相抵消，衔铁承受的电磁吸力也较小，从而减小了测量误差。

差动式电感传感器的线性较好，且输出曲线较陡，灵敏度约为非差动式电感传感器的两倍。

3、习题2-5。

答：（1）铂热电阻
（2）-200到960摄氏度
（3）100欧姆
（4）84.27欧姆、115.40欧姆
（5）
4、习题2-6。

答：气泡水平仪的电路形成了一个桥式测量转换电路；当被测面处于水平时，气泡处于玻璃管的中间，此时有R1=R2；如果此时U0的输出为0，则要满足R1R3=R2R4，使电桥达到平衡；如果在实际使用中，仍发现有微小的输出电压，则需要调节RP1；
当被测面左倾斜时，气泡漂向右边，R1变大，R2变小，电桥失去平衡，U0增大；Ui 应采用交流电源，为了防止极化反应；
5、习题4-4。

1）由图可知Upp=80mv，所以Uo=40mv，因此A = Uo/K = 40mV/25(mV/mm) = 1.6mm
2）由图可知T=20ms，f=1/T = 50Hz
3）多次谐波合成
4）由于最大线性范围为5mm，所以安装距离L的平均值应为2.5mm，这样可获得最大的测量范围
6、习题6-5。

1）由图可知，t1 = 2.5*0.025s = 0.0625s v = L/t1 =( 2/0.0625 )*3.6 = 115.2km/h
2）由图可知，t2 = 4.25*0.025s = 0.10625s d = v*t2= (115.2/3.6)*0.10625 = 3.4m
3）载重量m与波形的幅度成正比；车速v与时间间隔成反比；
7、习题8-3。

0.023T、低、0.007T、1T=10000Gs
8、习题9-4。

1）查表可得tx = 950摄氏度
2）E(tx,0) = E(tx,40) + E(40,0) = 37.702 + 1.612 =39.314mV
查表可得tx=950摄氏度
3）tx’略大，因为才用V型焊接，热电极离钢板有一定的高度，由于空气等散热因素，会使得电极温度略低于钢板温度；
课程目标3 传感器方案优化
1、习题3-6。

答：（1）都是利用法拉第电磁感应定律实现转速测量；
a)利用自感电动势b)利用感应电动势
公式n = 60f/z
（2）不需要激励电源，有永久磁铁提供磁路磁场；
2、请分别说明二线制电桥测温电路、四线制恒流源测温电路的缺点，并提出改进方案。

答：
二线制电桥测温电路：
缺点：在测量过程中，引线电阻r1a、r1b及其随长度和温度的变化将引起测量误差，且无法纠正；
改进：在恒定的引线长度和气温下进行实验，r1和r2引线长度相等；
四线制恒流源测温电路：
缺点：本底电压Uo所占比例较大，而反映温度变化的ΔUo相对较小，降低了系统的分辨力；
改进：使r1、r2阻抗较大，减小i，减小压降；
3、查阅文献资料，说明各种流量测量方案的工作原理及优缺点，并提出一种改进方案。

答：节流式流量计：所谓节流装置，就是在管道中段设置一个流通面积比管道狭窄的孔板或者文丘里喷嘴，使流体经过该节流装置时，流束局部收缩，流速提高，压强减小。

节流式流量计的缺点：
（1）输入与输出是非线性关系；
（2）流体通过节流装置后，会产生不可逆的压力损失；
（3）另外，当流体的温度t 、压力p1变化时，流体的密度将随之改变。

所以必须进行温度、压力修正。

改进：内设微处理器对压力和时间进行采样，然后按有关公式对p进行计算修正；
课程目标4 灵活设计传感器
1、习题4-9。

3.安全检查门中放多个电涡流探头，一旦检测到金属或雷管时，发出信号，信号经过一系列电路处理后，驱动报警系统。

2、针对温度测量，请完成下列任务：（1）设计三种以上的不同原理的温度传感器方案；（2）
针对同一温度测量原理，设计三种以上的测量转换电路；（3）请设计两种基于敏感元件的温度传感器。

答：
（1）金属热电阻：
原理：温度升高，金属内部原子晶格的振动加剧，从而使金属内部的自由电子通过金属导体时的阻碍增大，宏观上表现出电阻率变大，电阻值增加，我们称其为正温度系数，即电阻值与温度的变化趋势相同。

测量转换电路：
（2）热敏电阻
原理：热敏电阻有负温度系数（NTC）和正温度系数（PTC）之分。

所谓正温度系数是指电阻的变化趋势与温度的变化趋势相同；负温度系数是指当温度上升时，电阻值反而下降。

测量转换电路：
（3）热电偶
原理：当有两种不同的导体或半导体A和B组成一个回路，其两端相互连接时，只要两结点处的温度不同，一端温度为T，称为工作端或热端，另一端温度为T0 ，称为自由端（也称参考端）或冷端，回路中将产生一个电动势，该电动势的方向和大小与导体的材料及两接
点的温度有关。

这种现象称为“热电效应”，两种导体组成的回路称为“热电偶”，这两种导体称为“热电极”，产生的电动势则称为“热电动势；
测量转换电路：
设计两种基于敏感元件的温度传感器：
1)热敏电阻体温表
a）桥式电路 b）调频式电路 c）数字式体温表
1－热敏电阻 2－指针式显示器 3－调零电位器 4－调满度电位器
2）利用铂热电组成三线制单臂电桥测量电路
温度信号由铂热电阻转换为电阻值的变化，经单臂半桥转换为电压，经放大器放大后，送到A/D转换器转换成数字量，由单片机读取；。