传感器技术答案(贾伯年)第三版

1-1衡量传感器静态特性的主要指标。

说明含义。

1、线性度——表征传感器输出-输入校准曲线与所选定的拟合直线之间的吻合（或偏离）程度的指标。

2、回差――反应传感器在正（输入量增大）反（输入量减小）行程过程中输出-输入曲线的不重合程度。

3、重复性——衡量传感器在同一工作条件下，输入量按同一方向作全量程连续多次变动时，所得特性曲线间一致程度。

各条特性曲线越靠近，重复性越好。

4、灵敏度——传感器输出量增量与被测输入量增量之比。

5、分辨力——传感器在规定测量范围内所能检测出的被测输入量的最小变化量。

6、阀值——使传感器输出端产生可测变化量的最小被测输入量值，即零位附近的分辨力。

7、稳定性——即传感器在相当长时间内仍保持其性能的能力。

8、漂移——在一定时间间隔内，传感器输出量存在着与被测输入量无关的、不需要的变化。

9、静态误差（精度）——传感器在满量程内任一点输出值相对理论值的可能偏离（逼近）程度。

1-2计算传感器线性度的方法，差别。

理论直线法：以传感器的理论特性线作为拟合直线，与实际测试值无关。

端点直线法：以传感器校准曲线两端点间的连线作为拟合直线。

“最佳直线”法：以“最佳直线”作为拟合直线，该直线能保证传感器正反行程校准曲线对它的正负偏差相等并且最小。

这种方法的拟合精度最高。

最小二乘法：按最小二乘原理求取拟合直线，该直线能保证传感器校准数据的残差平方和最小。

1-3什么是传感器的静态特性和动态特性？为什么要分静和动？静态特性表示传感器在被测输入量各个值处于稳定状态时的输出-输入关系。

主要考虑其非线性与随机变化等因素。

动态特性是反映传感器对于随时间变化的输入量的响应特性，研究其频率响应特性与阶跃响应特性，分析其动态误差。

区分是为了在数学上分析方便。

1-4分析改善传感器性能的技术途径和措施。

1、结构、材料与参数的合理选择；2、差动技术；3、平均技术；4、稳定性处理；5、屏蔽、隔离与干扰抑制；6、零示法、微差法与闭环技术；7、补偿、校正与“有源化”；8、集成化、智能化与信息融合。

2-1 金属应变计与半导体工作机理的异同？比较应变计各种灵敏系数概念的不同意义。

对于金属材料，电阻丝灵敏度系数表达式中1+2μ的值要比(d ρ/ρ)/ε大得多，d ρ/ρ=CdV/V 。

金属丝材的应变电阻效应为ΔR/R=[(1+2μ)+C(1-2μ)] ε=Km ε。

金属材料的电阻相对变化与其线应变成正比。

压阻效应是指半导体材料，当某一轴向受外力作用时， 其电阻率ρ发生变化的现象。

半导体材料的(d ρ/ρ)/ε项的值比1+2μ大得多,d ρ/ρ=πζ=πE ε。

导电丝材的应变电阻效应为ΔR/R=Ko ε。

对于金属材料，灵敏系数Ko=Km=(1+2μ)+C(1-2μ)。

前部分为受力后金属几何尺寸变化，一般μ≈0.3，因此（1+2μ）=1.6；后部分为电阻率随应变而变的部分。

金属丝材的应变电阻效应以结构尺寸变化为主。

对于半导体材料，灵敏系数Ko=Ks=(1+2μ)+ πE 。

前部分同样为尺寸变化，后部分为半导体材料的压阻效应所致，而πE 》(1+2μ)，因此Ko=Ks=πE 。

半导体材料的应变电阻效应主要基于压阻效应。

2-3 简述电阻应变计产生热输出（温度误差）的原因及其补偿办法。

电阻应变计的温度效应相对热输出为：εt=(ΔR/R)t/K=1/K αt Δt+(βs-βt)Δt 应变计的温度效应及其热输出由两部分组成：前部分为热阻效应所造成；后部分为敏感栅与试件热膨胀失配所引起。

在工作温度变化较大时，会产生温度误差。

补偿办法：1、温度自补偿法 （只能在选定的试件上使用） (1)单丝自补偿应变计 (2)双丝自补偿应变计 2、桥路补偿法 （1）双丝半桥式 （2）补偿块法2-4 试述应变电桥产生非线性的原因及消减非线性误差的措施。

原因：上式分母中含ΔRi/Ri ，是造成输出量的非线性因素。

无论是输出电压还是电流，实际上都与ΔRi/Ri 呈非线性关系。

措施：(1) 差动电桥补偿法 : 差动电桥呈现相对臂“和”，相邻臂“差”的特征，通过应变计合理布片达到补偿目的。

常用的有半桥差动电路和全桥差动电路。

(2) 恒流源补偿法：误差主要由于应变电阻ΔRi 的变化引起工作臂电流的变化所致。

采用恒流源，可减小误差。

2-5 如何用电阻应变计构成应变式传感器？对其各组成部分有何要求？用作传感器的应变计，有更高的要求，尤其非线性误差要小（<0.05％~0.1％F*S ），力学性能参数受环境温度影响小，并与弹性元件匹配。

2-5 如何用电阻应变计构成应变式传感器？对其各组成部分有何要求？一是作为敏感元件，直接用于被测试件的应变测量；另一是作为转换元件，通过弹性敏感元件构成传感器，用以对任何能转变成弹性元件应变的其他物理量作间接测量。

要求：非线性误差要小（<0.05%~0.1%F.S ），力学性能参数受环境温度影响小，并与弹性元件匹配。

2-9 四臂平衡差动电桥。

说明为什么采用。

全桥差动电路，R1,R3受拉，R2,R4受压，代入，得由全等桥臂，得可见输出电压Uo 与ΔRi/Ri 成严格的线性关系，没有非线性误差。

即Uo=f(ΔR/R)。

因为四臂差动工作，不仅消除了飞线性误差，而且输出比单臂工作提高了4倍，故常采用此方法。

3-1 比较差动式自感传感器和差动变压器在结构上及工作原理上的异同。

自感式传感器实质上是一个带气隙的铁芯线圈，由两单一式对称组成。

铁芯气隙，磁路磁阻随衔铁变化而变化，引起线圈电感量的变化。

互感式传感器是一种线圈互感随衔铁位移变化的变磁阻式传感器。

类似于变压器。

互感式传感器为闭合磁路，初次级间的互感为常数；互感式传感器为开磁路，初、次级间的互感随衔铁移动而变，且两个次级绕组按差动方式工作。

3-4 变间隙式、变截面式和螺管式三种电感式传感器各适用什么场合？优缺点？电感式传感器主要用于测量位移和尺寸，以可以测量位移变化的其他参数，如力、张力、压力、力矩、压差、振动、应变、转矩、流量、密度等。

三种传感器线性范围依次增大，灵敏度依次减少。

3-6 差动式电感传感器测量电路为什么经常采用相敏检波（或差动整流）电路？分析其原理相敏检波电路是具有鉴别调制信号相位和选频能力的检波电路。

原理：使高频调幅信号与高频载波信号相乘，经滤波后输出低频解调信号。

3-7 电感传感器产生零位电压的原因和减小零位电压的措施。

差动自感式传感器当衔铁位于中间位置时，电桥输出理论上应为零，但实际上总存在零位不平衡电压输出(零位电压)，造成零位误差。

原因：零位电压包含基波和高次谐波。

产生基波分量的原因：传感器两线圈的电气参数和几何尺寸的不对称，以及构成电桥另外两臂的电气参数不一致；产生高次谐波分量的原因：磁性材料磁化曲线的非线性。

措施：1、合理选择磁性材料与激励电流；2、一般常用方法是采用补偿电路，其原理为： (1)串联电阻消除基波零位电压；(2)并联电阻消除高次谐波零位电压；(3)加并联电容消除基波正交分量或高次谐波分量。

3、另一种有效的方法是采用外接测量电路来减小零位电压。

如前述的相敏检波电路，它能有效地消除基波正交分量与偶次谐波分量，减小奇次谐波分量，使传感器零位电压减至极小。

4、此外还可采用磁路调节机构(如可调端盖)保证磁路的对称性，来减小零位电压。

3-9 造成自感式传感器和差动变压器温度误差的原因及其减小措施。

331241240123412341142R R R R R R R R U U R R R R R R R R ⎛⎫⎛⎫∆∆∆∆∆∆∆∆∆=-+-+++ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭331241240123412341142R R R R R R R R U U R R R R R R R R ⎛⎫⎛⎫∆∆∆∆∆∆∆∆∆=-+-++++ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭33124124012341234111111424U 4R R R R R R R R U U R R R R R R R R R R U R R ⎛⎫⎛⎫∆∆∆-∆-∆∆-∆-∆∆=-+-++++ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭∆∆==原因：(1)材料的线膨胀系数引起零件尺寸的变化 (2)材料的电阻率温度系数引起线圈铜阻的变化 (3)磁性材料磁导率温度系数、绕组绝缘材料的介质温度系数和线圈几何尺寸变化引起线圈电感量及寄生电容的改变等造成。

措施：其材料除满足磁性能要求外，还应注意线膨胀系数的大小与匹配。

传感器采用陶瓷、聚砜、夹布胶木、弱磁不锈钢等材料作线圈骨架，或采用脱胎线圈。

还可采取稳定激励电流的方法。

3-12 电涡流式传感器的原理应用。

应用：1.测位移 (课本86页)原理：2.测厚度3.测温度 3-12 电涡流式传感器的原理及应用 1.测位移?电涡流式传感器的主要用途之一是可用来测量金属件的静态或动态位移，最大量程达数百毫米，分辨 ? 率为 0.1%。

2.测厚度 金属板材厚度的变化相当于线圈与金属表面间距离的改变，根据输出电压的变化即可知线圈与金属表 面间距离的变化，即板厚的变化。

3.测温度 若保持电涡流式传感器的机、电、磁各参数不变，使传感器的输出只随被测导体电阻率而变，就可测 得温度的变化。

比较定频调幅式、变频调幅式和调频式三种测量电路的优缺点 并指出它们的应用场合。

种测量电路的优缺点， 3-14 比较定频调幅式、变频调幅式和调频式三种测量电路的优缺点，并指出它们的应用场合。

（1）定频调幅式：这种电路采用石英晶体振荡器，能获得高稳定度频率的高频激励信号，输出稳定，获得广泛应用， 但线路较复杂，装调较困难，线性范围也不够宽。

（2）变频调幅式：这种电路除结构简单、成本较低外，还具有灵敏度高、线性范围宽等优点，因此监控等场合常采用 它。

（3）调频式：这种电路的关键是提高振荡器的频率稳定度。

通常可以从环境温度变化、电缆电容变化及负载影响三方 面考虑。

4-1 电容式传感器可分为哪几类？各自的主要用途是什么？1、变极距型电容传感器：差动式比单极式灵敏度提高一倍，且非线性误差大为减小。

由于结构上的对称性，它还能有效地补偿温度变化所造成的误差。

由于变极距型的分辨力极高，可测小至0.01μm 的线位移，故在微位移检测中应用最广。

2、变面积型电容传感器：变面积型电容传感器与变极距型相比，其灵敏度较低。

这种传感器的输出特性呈线性。

因而其量程不受线性范围的限制，适合于测量较大的直线位移和角位移。

在实际应用中，也采用差动式结构，以提高灵敏度。

3、变介质型电容传感器：可用于非导电散材物料的物位测量。

可以用来测量纸张、绝缘薄膜等的厚度，也可用来测量粮食、纺织品、木材或煤等非导电固体物质的湿度。

4-2 变极距型电容传感器产生非线性误差的原因及如何减小？ 当传感器的εr 和A 为常数，初始极距为δo ，可知其初始电容量Co 为：当动极端板因被测量变化而向上移动使δo 减小Δδo 时，电容量增大ΔC 则有：相对非线性误差ef ′为：可见，传感器输出特性C ＝f(δ)是非线性的。