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sunbet传感器与检测技术(第二版)习题答案

发布日期:2020-08-08 13:46

  传感器与检测技术(第二版)习题答案_工学_高等教育_教育专区。第0章 ? 0.1 答:传感器处于研究对象与测试系统的接口位置,即 检测与控制之首。传感器是感知、获取与检测信息 的窗口,一切科学研究与自动化生产过程要获取的 信息都要通过传感器获取并通过它转换成容易

  第0章 ? 0.1 答:传感器处于研究对象与测试系统的接口位置,即 检测与控制之首。传感器是感知、获取与检测信息 的窗口,一切科学研究与自动化生产过程要获取的 信息都要通过传感器获取并通过它转换成容易传输 与处理的电信号,其作用与地位特别重要。 返回 下页 图库 第0章 ? 0.2 答:①敏感元件:指传感器中直接感受被测量的部分。 ②传感器:能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。 ③信号调理器:对于输入和输出信号进行转换的 装置。 ④变送器:能输出标准信号的传感器。 返回 上页 下页 图库 第1章 ? 1.1 解: ?U 300 ? 10 3 k? ? ? 60 ?3 ?X 5 ? 10 ? 1.2 解: S ? S1 ? S 2 ? S 3 ? 0.2 ? 2.0 ? 5.0 ? 2mm / ?C 返回 上页 下页 图库 第1章 ? 1.3 解: y ? kx ? b ? i ? y i ? ( kxi ? b) n?xi yi ? ?xi ?yi k ? 2 n?xi ? (?xi ) 2 b? (?xi ?y i ? ?xi ?xi y i ) n ?x i ? ( ? x i ) 2 2 2 带入数据得: k ? 0.68 b ? 0.25 返回 上页 下页 图库 第1章 ? 1.3 ∴ y ? 0.68 x ? 0.25 ?1 ? 0.238 ? 2 ? ?0.35 ? 3 ? ?0.16 ? 4 ? ?0.11 ? 5 ? ?0.126 ? 6 ? ?0.194 ?Lmax 0.35 ? 100% ? ? ? ?7% ?L ? ? yFS 5 拟合直线,线% 返回 上页 下页 图库 第1章 ? 1.4 解:设温差为R,测此温度传感器受幅度为R的阶跃响应 为(动态方程不考虑初态) y ?t ? ? R(1 ? e ? t / 3 ) R 2 当 y ?t ? ? 时 ? t ? ?3 ln ? 1.22 3 3 1 R 当 y ?t ? ? 时 ? t ? ?3 ln ? 2.08 2 2 返回 上页 下页 图库 第1章 ? 1.5 解:此题与炉温实验的测飞升曲线类似: y ?t ? ? 10 ? 90(1 ? e ?t / T ) 5 ? 8.51 由 y ?5? ? 50 ? T ? ? 5 ln 9 ? 1.6 解: ? y ?t ? ? 25 ? 20(1 ? e ? T ? 0.5 ? ?t / T ) y? 1? ? 7.68 y ?2 ? ? 5.36 返回 上页 下页 图库 第1章 ? 1.7 解: ?n ? 2 G(j?) 2 s ? 2?? n s ? ? n 2 s ? j? ? 1 ?? ? ? ? 1? ? 2 j ? ? ?? ? ?n ? n? 1 2 2 2 G ? j? ? ? 1 ? ?? ? ?1 ? ? ?? ? ? ? n ? ? ? 2 2 ? ? ?? ? ? ?2? ? ?n ? ? ? ? ? 2 ? ? 500 ? ? ? 500 ? ? ? ? ?2 ? 0.5 ? ?1 ? ? 1000 ? ? ? ? 1000 ? ? ? ? ? ? 1.109 2 ?? ? 500 2? ? 2 ? 0.5 ? ?? ? ? 1000 ? ?33?42 ? ? ?tg ?1 ? n ?2 ? ?tg ?1 2 ?? ? ? 500 ? 1? ? ? 1? ? ?? ? ? 1000 ? ? ? n? 所求幅值误差为1.109,相位滞后 33?42 返回 上页 下页 图库 第1章 ? 1.8 答:静特性是当输入量为常数或变化极慢时,传感器 的输入输出特性,其主要指标有线性度、迟滞、重 复性、分辨力、稳定性、温度稳定性、各种抗干扰 稳定性。 ? 1.9 答:传感器的静特性由静特性曲线反映出来,静特性 曲线由实际测绘中获得。 ? 1.10 答:人们根据传感器的静特性来选择合适的传感器。 返回 上页 下页 图库 第1章 ? 1.11 ?Lmax 12.05 ? 2 ? 6 解: ①理论线% ?L ?? y FS 12.05 ②端点线性度: 由两端点做拟和直线 中间四点与拟合直线 所以, ? ? ? ?Lmax ? 100% ? ? 0.17 ? ?1.41% L 12.05 y FS 返回 上页 下页 图库 第1章 ? 1.11 ③最小二乘线性度: k? b? n?xi yi ? ?xi ?yi n?xi ? (?xi ) 2 2 2 6 ? 182.54 ? 21 ? 42.23 208.41 ? ? ? 1.98 6 ? 91 ? 21 ? 21 105 91 ? 42.23 ? 21 ? 182.54 9.59 ? ? ? 0.09 6 ? 91 ? 21 ? 21 105 (?xi ?yi ? ?xi ?xi yi ) n?xi ? (?xi ) 2 2 所以, y ? kx ? b ? 1.98x ? 0.09 返回 上页 下页 图库 第1章 ? 1.11 ? i ? yi ? (kxi ? b) ?1 ? 0.07 ? 2 ? 0.05 ? 3 ? 0.05 ? 4 ? 0.11 ? 5 ? ?0.11 ? 6 ? ?0.08 0.11 ?Lmax ? 100% ? ? ? ?0.09% ?L ? ? y FS 12.05 返回 上页 下页 图库 第1章 ? 1.12 解: ?H max ① ? H ? ?0.5 ? 100% yFS ?H max 1 ? 1.5 ?H max 2 ? 1.3 ?H max 3 ? 1.8 ? H 1 ? 0.08% ②? R ? ? ? H 2 ? 0.07% ? H 3 ? 0.09% ?Rmax 1.1 ? 100% ? ? ? 100% ? ?0.11 % 965.7 yFS 返回 上页 下页 图库 第1章 ? 1.13 解:质量块(质量m),弹簧(刚度c),阻尼器(阻尼系数b) 根据达朗贝尔原理: Fm ? Fc ? Fb ? F ? 0 dv m ? c ? vdt ? bv ? F dt 返回 上页 下页 图库 第2章 ? 2.1 解: ? ?y ? 0.3mm , Rn ? 10.0004? ? Sr ? ?y ?y ? 100% ? ? 1mm / 0.01% ? R ?x n ? 100% Rn ? 2.2 证: R ? R ? ?R R ? R ? ?R 1 4 U cd ? U cb ? U db ? 2 R?R R R E? E ?? E 2 2 R ? ?R ? R R ? ?R ? R 4 R ? ?R E ?R ? 2 R 下页 图库 略去 ?R 的第二项,即可得 U cd ? ? 返回 上页 第2章 ? 2.3 答:①金属电阻应变片由四部分组成:敏感栅、基底、 盖层、黏结剂、引线。分为金属丝式和箔式。 ②其主要特性参数:灵敏系数、横向效应、机械 滞后、零漂及蠕变、温度效应、应变极限、疲劳寿 命、绝缘电阻、最大工作电流、动态响应特性。 ? 2.4 R m ? ① 答: R ②? ? max L ? m ? 0.1? RL ? 10 Rmax 1 ? ? 1 ? 100%? ? 0.1 ? ? ?1 ? 2 1?? ? ? 1 ? m? ? ? ? m ? 0.4 ? Rmax ? 0.4 RL 返回 上页 下页 图库 第2章 ? 2.5 解:①图 2-32(c) ?6 2 2 ? ? ? ? ? ? ? A R r 59 . 7 10 ②圆桶截面积 应变片 1,2,3,4 感受的是纵向应变,有 ?1 ? ? 2 ? ? 3 ? ? 4 ? ? x 应变片 5,6,7,8 感受的是纵向应变,有 ?5 ? ? 6 ? ?7 ? ?8 ? ? y 返回 上页 下页 图库 第2章 ? 2.5 U ? ?R1 ? ?R5 ? ?R2 ? ?R6 ? U ?U ? ? ? ? K ?? 1 ? ? 5 ? ? 2 ? ? 6 ? 4? R ? 4 U U U F 1? ?? ? K? ? x ? ? y ?? K ?1 ? ? ?? x ? K ? 2 2 2 AE 其中 A 为圆桶的截面积, ? 为泊桑比,E 为弹性模量, F 为外加负载力,K 为灵敏系数. 返回 上页 下页 图库 第2章 ? 2.5 满量程时:?R1 ? ?R2 ? ?R3 ? ?R4 ? K? x R ? K F R AE 10 ?10 3 ? 2 .0 ? ?120 ? 0.191? ?6 11 59.7 ?10 ? 2.1?10 ?R5 ? ?R6 ? ?R7 ? ?R8 ? ? ??R1 ? ?0.3 ? 0.191 ? 0.057 U F ③ ?U ? K ? 1? ? ? 2 AE 10 F ?6 ? ? 2.0 ? ? ? ? 1 ? 0.3? 1 . 037 10 F 4 ?6 2 59.7 ?10 ? 2.1?10 返回 上页 下页 图库 第2章 ? 2.6 RP 100 解: ? ?2 ①当 RF ? 50? m ? RF 50 Rxn rn ? RP rn Yn ? 1 ? rn m(1 ? rn ) n ? [1,10], n ? N Rx1 ? 10, Rx 2 ? 20, Rx 3 ? 30, Rx 4 ? 40, Rx 5 ? 50, Rx 6 ? 60, Rx 7 ? 70, Rx8 ? 80, Rx 9 ? 90, Rx10 ? 100 r1 ? 0.1, r2 ? 0.2, r3 ? 0.3, r4 ? 0.4r5 ? 0.5 r6 ? 0.6r7 ? 0.7r8 ? 0.8r9 ? 0.9r10 ? 1.0 返回 上页 下页 图库 第2章 ? 2.6 5 5 15 10 1 Y1 ? , Y2 ? , Y3 ? , Y4 ? , Y5 ? , 59 33 71 37 3 15 35 20 45 Y6 ? , Y7 ? , Y8 ? , Y9 ? , Y10 ? 1 37 71 33 59 RP 100 ? ? 0.2 ②当 RF ? 500? m ? RF 500 5 25 150 50 10 Y1 ? , Y2 ? , Y3 ? , Y4 ? , Y5 ? , 509 129 521 131 21 75 350 100 450 Y6 ? , Y7 ? , Y8 ? , Y9 ? , Y10 ? 1 131 521 129 509 ? 2.7 略 返回 上页 下页 图库 第2章 ? 2.8 R 1000 1 解: m? P ? ? RF 3000 3 rn ? Rxn RP Yn ? rn 1 ? rn m(1 ? rn ) n ? [1,10], n ? N Rx1 ? 100, Rx 2 ? 200, Rx 3 ? 300, Rx 4 ? 400, Rx 5 ? 500, Rx 6 ? 600, Rx 7 ? 700, Rx8 ? 800, Rx 9 ? 900, Rx10 ? 1000 r1 ? 0.1, r2 ? 0.2, r3 ? 0.3, r4 ? 0.4r5 ? 0.5 r6 ? 0.6r7 ? 0.7 r8 ? 0.8r9 ? 0.9r10 ? 1.0 10 15 30 10 6 , Y2 ? , Y3 ? , Y4 ? , Y5 ? , 103 79 109 27 13 5 70 60 90 Y6 ? , Y7 ? , Y8 ? , Y9 ? , Y10 ? 1 9 107 79 103 Y1 ? 返回 上页 下页 图库 第2章 ? 2.9 答:①在外界温度变化的条件下,由于敏感栅温 度系数 ? t 及栅丝与试件膨胀系数( ? g 与? s ) 之差异性而产生虚假应变输出有时会产生与 真实应变同数量级的误差。 ②方法:自补偿法 线路补偿法 返回 上页 下页 图库 第2章 ? 2.10 0.25 解: 6 ? (0.25 ? ) ? 0.5 6?l ? x ?F 2 ? ? 0.10 ?x ? 2 5 2 WEt 0.06 ? 70 ?10 ? (0.003) ?R ? kR0? x ? 2.1?120 ? 0.10 ? 25.2? R1 ? R3 ? R0 ? ?R ? 120 ? 25.2 ? 145.2? R2 ? R4 ? R0 ? ?R ? 120 ? 25.2 ? 94.8? 返回 上页 下页 图库 第2章 ? 2.11 解: 6?l ? x ?F 12.5 ? ?? 2 0.63 WEt 12.5 350 ?R ? kR? ? 2.1? 20 ? ? 0.63 0.3 U ? 30mA ? 120? ? 3.6V ,U ? 7.2V 2 U ?R 7.2 350 1 ? ? ? ? 17.5V U? ? 4 R 4 0.3 120 返回 上页 下页 图库 第3章 ? 3.1 答:①种类:自感式、涡流式、差分式、变压式、压 磁式、感应同步器 ②原理:自感、互感、涡流、压磁 ? 3.2 2 W 答: L0 ? ? 0 S 0 2l0 W 2 ?0 S0 W 2 ?0 S0 W 2 ?0 S0 l0 ? ?L ? L ? L0 ? ? ? ? 1? ? 2(l0 ? ?l ) 2l0 2l0 ? l0 ? ?l ? ? 差分式灵敏度: 2 ? ? ? ? 2 L0 ?l ?l ? ?1 ? ? ? ? ...? S ?? ? ? l0 ? l0 ? l 0 ? ? ? ? 返回 上页 下页 图库 第3章 ? 3.2 2 ? ? ? ? L l l ? ? 单极式传感器灵敏度: ? S ? ? 0 ?1 ? ? ? ? ...? ? ? l0 ? l0 ? l0 ? ? ? ? 比较后可见灵敏度提高一倍,非线 答:相敏检测电路原理是通过鉴别相位来辨别位移的 方向,即差分变压器输出的调幅波经相敏检波后, 便能输出既反映位移大小,又反映位移极性的测量 信号。经过相敏检波电路,正位移输出正电压,负 位移输出负电压,电压值的大小表明位移的大小, 电压的正负表明位移的方向。 返回 上页 下页 图库 第3章 ? 3.4 答:①原因是改变了空气隙长度 ②改善方法是让初始空气隙距离尽量小,同时灵 敏度的非线性也将增加,这样的话最好使用差分式 传感器, 2 ? 2 L0 ? ?l ? ?l ? ? ?1 ? ?? ? ...? S ?? ? ? l0 ? l0 ? l0 ? ? ? ? 其灵敏度增加非线性减少。 返回 上页 下页 图库 第3章 ? 3.5 解: ? W? W 2 IW ? ? , L? ?? I I Rm Rm li l0 又 Rm ? ? ?2 ? R ? R0 ?0 S0 i ?1 ? i S i li R??? S i ?1 i i ? 0.045 0.016 0.045 ? ? 10 4 ? 0.002 ? 0.003 10 4 ? 0.015 ? 0.003 10 4 ? 0.010 ? 0.003 n n ? 1.256? 返回 上页 下页 图库 第3章 ? 3.5 l0 0.002 R0 ? 2 ? 2? ? 7.07? ?7 4? ?10 ? 30 ? 15 ?0 S0 ①空气气隙为零时: ? W 200? ? ? 3.2 ?10 4 H L? R 1.256 2 2 ②空气气隙为2mm时: ? W2 200 ? L? ? ? 4.8 ? 10 3 H R ? R0 1.256 ? 7.07 2 返回 上页 下页 图库 第3章 ? 3.6 解:设 y ? bx ? a又有 重写表格如下: x f f ? e ax ?b ? f ? , f ? ? 2.333 0.3 0.5 1.0 1.5 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 2.523 2.502 2.461 2.432 2.410 2.380 2.362 2.351 2.343 y -1.66 -1.78 -2.06 -2.31 -2.56 -3.06 -3.54 -4.02 -4.61 最小二乘法做直线拟和: k ?a? n?xi yi ? ?xi ?yi n?xi ? (?xi ) 2 2 2 2 ? 9 ? (?83.133) ? 23.3 ? ?? 25.6 ? ? ?0.51 9 ? 93.59 ? 542.89 b? ( ?x i ? y i ? ? x i ?x i y i ) n?xi ? (?xi ) 2 ? 93.59 ? ?? 25.6?? 23.3 ? ?? 83.133? ? ?1.53 9 ? 93.59 ? 542.89 返回 上页 下页 图库 第3章 ? 3.6 y ? ax ? b ? ?0.51x ? 1.53 ? i ? yi ? (kxi ? b) ?1 ? 0.023 ? 2 ? 0.005 ? 3 ? ?0.02 ? 4 ? ?0.015 ? 5 ? ?0.01 ? 6 ? 0.00 ? 7 ? 0.03 ? 8 ? 0.06 ? 9 ? ?0.02 ?Lmax 0.06 ?? L ? ? ?100% ? ? ? ?0.02% y FS 2.95 工作特性方程: f ? e ?0.51x ?1.53 ? 2.333 返回 上页 下页 图库 第3章 ? 3.7 答:应用场合有低频透射涡流测厚仪,探伤,描述转 轴运动轨迹轨迹仪。 ? 3.8 答:①压磁效应:某些铁磁物质在外界机械力的作用 下,其内部产生机械应力,从而引起磁导率的改变 的现象。只有在一定条件下压磁效应才有单位特性, 但不是线性关系。 ②应变效应:导体产生机械变形时,它的电阻值 相应发生变化。在电阻丝拉伸比例极限内,电阻的 相对变化与应变成正比。sunbet。 返回 上页 下页 图库 第4章 ? 4.1 解:差动式电容传感器的灵敏度: ?C ? C ? ? C ? ? ?s d 0 ? ?d ? ?s d 0 ? ?d ? ?s ? ?d ? ? ? d0 ? 1 ? ? d 0 ? ? ? ?s ? ?d ? ? ? d0 ? 1 ? ? d 0 ? ? 2 3 2 3 ? ?? ?? ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? d d d d d d ? ? ? ? ? ? ?s ? ?? ? ? ? ?? ? ? ? ? 1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ???1 ? ?d ? ?d ? ?d ? ?d ? ?? ?? ?? ? d 0 ?? d d 0 ? 0 ? 0 ? 0 ? ? ? ? ? ?? ?? ?? ? ??? ? 3 5 ?? ? ? ? ? 2?s ?? d d d ? ? ? ? ? ? ? ? ?? ?? ? ?? ? ? ? ? ? ? ?? d0 ? d ? d0 ? ? d0 ? ?? ?? ?c 2?s ke ? ? 2 ?d d0 2 4 ?? ? ? 2c ? ? ? ? ? ? d d ? ? 1? ? ? ? ?? ? ?? ? ? 0 ? ? ? ? ?? d ?? ? d0 ? ? d0 ? 0 ?? ?? 可见差分式电容传感器的灵敏度比单极式提高一倍, 而且非线性也大为减小。 返回 上页 下页 ?c c0 k ? 单极式电容传感器: e ?d ? d 0 ?? ? ?d ? 2 ? ?d ? 4 ?? ? ? 1? ? ? ? ?? ? ??? ? ? ? ? ?? d d ?? ?? ?? ? 0 ? ? 0 ? ?? ? ?d ??1 ? ? ?d ?? ? 0 ?? 2 4 ?? ? ? ?d ? ?? ? ? ?? ?d ? ? ? ?? ? ? ? 0 ? ?? 图库 第4章 ? 4.2 答:原理:由物理学知,两个平行金属极板组成的电 容器。如果不考虑其边缘效应,其电容为C=ε S/ζ 式中ε 为两个极板间介质的介电常数,S为两个极板 对有效面积,ζ 为两个极板间的距离。由此式知, 改变电容C的方法有三: 其一为改变介质的介电常数;其二为改变形成电 容的有效面积;其三为改变各极板间的距离,而得 到的电参数的输出为电容值的增量 ,这就组成了电 容式传感器。 返回 上页 下页 图库 第4章 ? 4.2 类型:变极距型电容传感器、变面积型电容传感 器、变介电常数型电容传感器。 电容传感器可用来测量直线位移、角位移、振动 振幅。尤其适合测温、高频振动振幅、精密轴系回 转精度、加速度等机械量。还可用来测量压力、差 压力、液位、料面、粮食中的水分含量、非金属材 料的涂层、油膜厚度、测量电介质的湿度、密度、 厚度等。 返回 上页 下页 图库 第4章 ? 4.3 答:可选用差分式电容压力传感器,通过测量筒内水 的重力,来控制注水数量。或者选用应变片式压力 传感器。 ? 4.4 答:①优点:a温度稳定性好 b结构简单、适应性强 c动态响应好 ②缺点:a可以实现非接触测量,具有平均效应 b输出阻抗高、负载能力差 c寄生电容影响大 返回 上页 下页 图库 第4章 ? 4.4 ③输出特性非线性: 电容传感器作为频响宽、应用广、非接触测量的 一种传感器,在位移、压力、厚度、物位、湿度、 振动、sunbet转速、流量及成分分析的测量等方面得到了 广泛的应用。 使用时要注意保护绝缘材料的的绝缘性能;消除 和减小边缘效应;消除和减小寄生电容的影响;防 止和减小外界的干扰。 ? 4.5 解: ? 02? 1? 2 ?l ? x ?w ? 0? 1 xw C? ? ?? ? d ?? 0? 1 ? ? 0? 2 d ? 返回 上页 下页 图库 第4章 ? 4.6 略 ? 4.7 答:工作原理:假设传感器处于初始状态,即 C x1 ? Cx 2 ? C0 且A点为高电平,即Ua=U; 而B点为低电平,即Ub=0 差分脉冲调宽型电路的特点就在于它的线性变换特性。 返回 上页 下页 图库 第5章 ? 5.1 答:磁电式传感器是通过磁电作用将被测量转换为电 信号的一种传感器。 电感式传感器是利用线圈自感或互感的变化来测 量的一种装置。 磁电式传感器具有频响宽、动态范围大的特点。 而电感式传感器存在交流零位信号,不宜于高频动 态信号检测;其响应速度较慢,也不宜做快速动态 测量。 磁电式传感器测量的物理参数有:磁场、电流、 位移、压力、振动、转速。 返回 上页 下页 图库 第5章 ? 5.2 答:霍尔组件可测量磁场、电流、位移、压力、振动、 转速等。 霍尔组件的不等位电动势是霍尔组件在额定控制 电流作用下,在无外加磁场时,两输出电极之间的 空载电动势,可用输出的电压表示。 温度补偿方法: a分流电阻法: 适用于恒流源供给控制电流的情况。 b电桥补偿法 返回 上页 下页 图库 第5章 ? 5.3 答:一块长为l、宽为d的半导体薄片置于磁感应强度 为磁场(磁场方向垂直于薄片)中,当有电流I流过 时,在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势Uh。 这种现象称为霍尔效应。霍尔组件多用N型半导体材 料,且比较薄。 霍尔式传感器转换效率较低,受温度影响大,但 其结构简单、体积小、坚固、频率响应宽、动态范 围(输出电动势变化)大、无触点,使用寿命长、 可靠性高、易微型化和集成电路化,因此在测量技 术、自动控制、电磁测量、计算装置以及现代军事 技术等领域中得到广泛应用。 返回 上页 下页 图库 第6章 ? 6.1 答:某些电介质在沿一定的方向受到外力的作用变形 时,由于内部电极化现象同时在两个表面上产生符 号相反的电荷,当外力去掉后,恢复到不带电的状 态;而当作用力方向改变时,电荷的极性随着改变。 晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比。这 种现象称为正压电效应。反之,如对晶体施加一定 变电场,晶体本身将产生机械变形,外电场撤离, 变形也随之消失,称为逆压电效应。 压电材料有:石英晶体、一系列单晶硅、多晶陶 瓷、有机高分子聚合材料 返回 上页 下页 图库 第6章 ? 6.1 结构和应用特点: 在压电式传感器中,为了提高灵敏度,往往采用 多片压电芯片构成一个压电组件。其中最常用的是 两片结构;根据两片压电芯片的连接关系,可分为 串联和并联连接,常用的是并联连接,可以增大输 出电荷,提高灵敏度。 使用时,两片压电芯片上必须有一定的预紧力, 以保证压电组件在工作中始终受到压力作用,同时 可消除两片压电芯片因接触不良而引起的非线性误 差,保证输出信号与输入作用力间的线性关系 返回 上页 下页 图库 第6章 ? 6.1 因此需要测量电路具有无限大的输入阻抗。但实 际上这是不可能的,所以压电传感器不宜作静态测 量,只能在其上加交变力,电荷才能不断得到补充, 并给测量电路一定的电流。故压电传感器只能作动 态测量。 ? 6.2 答:如作用在压电组件上的力是静态力,则电荷会泄 露,无法进行测量。所以压电传感器通常都用来测 量动态或瞬态参量。 返回 上页 下页 图库 第6章 ? 6.3 答:石英晶体整个晶体是中性的,受外力作用而变形 时,没有体积变形压电效应,但它具有良好的厚度 变形和长度变形压电效应。压电陶瓷是一种多晶铁 电体。原始的压电陶瓷材料并不具有压电性,必须 在一定温度下做极化处理,才能使其呈现出压电性。 所谓极化,就是以强电场使“电畴”规则排列,而 电畴在极化电场除去后基本保持不变,留下了很强 的剩余极化。 当极化后的铁电体受到外力作用时,其剩余极化 强度将随之发生变化,从而使一定表面分别产生正 负电荷。 返回 上页 下页 图库 第6章 ? 6.3 在极化方向上压电效应最明显。铁电体的参数也 会随时间发生变化—老化,铁电体老化将使压电效 应减弱。 ? 6.4 答:基本考虑点是如何更好的改变传感器的频率特性, 以使传感器能用于更广泛的领域。 ? 6.5 略 返回 上页 下页 图库 第7章 ? 7.1 答:当用光照射物体时,物体受到一连串具有能量的 光子的轰击,于是物体材料中的电子吸收光子能量 而发生相应的电效应(如电阻率变化、发射电子或 产生电动势等)。这种现象称为光电效应。 ? 7.2 答:①吸收性损耗:吸收损耗与组成光纤的材料的中 子受激和分子共振有关,当光的频率与分子的振动 频率接近或相等时,会发生共振,并大量吸收光能 量,引起能量损耗。 ②散射性损耗:是由于材料密度的微观变化、成 返回 上页 下页 图库 第7章 ? 7.2 分起伏,以及在制造过程中产生的结构上的不均匀 性或缺陷引起。一部分光就会散射到各个方向去, 不能传输到终点,从而造成散射性损耗。 ③辐射性损耗:当光纤受到具有一定曲率半径的 弯曲时,就会产生辐射磁粒。 a弯曲半径比光纤直径大很多的弯曲 b微弯曲:当把光纤组合成光缆时,可能使光纤的 轴线产生随机性的微曲。 返回 上页 下页 图库 第7章 ? 7.3 答:光导纤维工作的基础是光的全内反射,当射入的 光线的入射角大于纤维包层间的临界角时,就会在 光纤的接口上产生全内反射,并在光纤内部以后的 角度反复逐次反射,直至传递到另一端面。 优点: a具有优良的传旋光性能,传导损耗小 b频带宽,可进行超高速测量,灵敏度和线性度好 c能在恶劣的环境下工作,能进行远距离信号的传 送 返回 上页 下页 图库 第7章 ? 7.3 功能型光纤传感器其光纤不仅作为光传播的波导, 而且具有测量的功能。它可以利用外界物理因素改 变光纤中光的强度、相位、偏振态或波长,从而对 外界因素进行测量和数据传输。 返回 上页 下页 图库 第7章 ? 7.4 答:CCD是一种半导体器件,在N型或P型硅衬底上生长 一层很薄的SiO2,再在SiO2薄层上依次序沉积金属 电极,这种规则排列的MOS电容数组再加上两端的输 入及输出二极管就构成了CCD芯片 CCD可以把光信号转换成电脉冲信号。每一个脉冲 只反映一个光敏元的受光情况,脉冲幅度的高低反 映该光敏元受光的强弱,输出脉冲的顺序可以反映 光敏元的位置,这就起到图像传感器的作用。 返回 上页 下页 图库 第8章 ? 8.1 答:热电阻传感器分为以下几种类型: ①铂电阻传感器:特点是精度高、稳定性好、性 能可靠。主要作为标准电阻温度计使用,也常被用 在工业测量中。此外,还被广泛地应用于温度的基 准、标准的传递,是目前测温复现性最好的一种。 ②铜电阻传感器:价钱较铂金属便宜。在测温范 围比较小的情况下,有很好的稳定性。温度系数比 较大,电阻值与温度之间接近线性关系。材料容易 提纯,价格便宜。不足之处是测量精度较铂电阻稍 低、电阻率小。 返回 上页 下页 图库 第8章 ? 8.1 ③铁电阻和镍电阻:铁和镍两种金属的电阻温度 系数较高、电阻率较大,故可作成体积小、灵敏度 高的电阻温度计,其缺点是容易氧化,化学稳定性 差,不易提纯,复制性差,而且电阻值与温度的线 性关系差。目前应用不多 返回 上页 下页 图库 第8章 ? 8.2 答:①热电动势:两种不同材料的导体(或半导体)A、 B串接成一个闭合回路,并使两个结点处于不同的温 度下,那么回路中就会存在热电动势。有电流产生 相应的热电动势称为温差电动势或塞贝克电动势, 通称热电动势。 ②接触电动势:接触电动势是由两种不同导体的 自由电子,其密度不同而在接触处形成的热电动势。 它的大小取决于两导体的性质及接触点的温度,而 与导体的形状和尺寸无关。 ③温差电动势:是在同一根导体中,由于两端温 度不同而产生的一种电动势。 返回 上页 下页 图库 第8章 ? 8.2 ④热电偶测温原理:热电偶的测温原理基于物理的 热电效应。所谓热电效应,就是当不同材料的导体组 成一个闭合回路时,若两个结点的温度不同,那么在 回路中将会产生电动势的现象。 两点间的温差越大,产生的电动势就越大。引入适 当的测量电路测量电动势的大小,就可测得温度的大 小。 ⑤热电偶三定律: a 中间导体定律: 热电偶测温时,若在回路中插入中间导体,只要中 间导体两端的温度相同,则对热电偶回路总的热电动 势不产生影响。在用热电偶测温时,连接导线及显示 一起等均可看成中间导体。 返回 上页 下页 图库 第8章 ? 8.2 b 中间温度定律: 任何两种均匀材料组成的热电偶,热端为T,冷端 为T0 时的热电动势等于该热电偶热端为T冷端为Tn时 的热电动势与同一热电偶热端为Tn,冷端为T0 时热 电动势的代数和。 应用:对热电偶冷端不为0度时,可用中间温度定 律加以修正。热电偶的长度不够时,可根据中间温 度定律选用适当的补偿线路。 c参考电极定律: 如果A、B两种导体(热电极)分别与第三种导体C 返回 上页 下页 图库 第8章 ? 8.2 (参考电极)组成的热电偶在结点温度为(T,T0 ) EAC ? T , T0? EBC ?T, T0 ? 时分别为 和 ,那么受相同温 度下,又A、B两热电极配对后的热电势为 EAB ? T , T0 ? ? E AC ? T , T0 ?? E BC ? T , T0 ? 实用价值:可大大简化热电偶的选配工作。在实 际工作中,只要获得有关热电极与标准铂电极配对 的热电动势,那么由这两种热电极配对组成热电偶 的热电势便可由上式求得,而不需逐个进行测定。 ⑥误差因素:参考端温度受周围环境的影响 返回 上页 下页 图库 第8章 ? 8.2 减小误差的措施有: a 0oC恒温法 b 计算修正法(冷端温度修正法) c 仪表机械零点调整法 d 热电偶补偿法 e 电桥补偿法 f 冷端延长线 返回 上页 下页 图库 第8章 ? 8.4 答:电阻温度计利用电阻随温度变化的特性来测量温 度。热电偶温度计是根据热电效应原理设计而成的。 前者将温度转换为电阻值的大小,后者将温度转换 为电动势大小。 相同点:都是测温传感器,精度及性能都与传感 器材料特性有关。 返回 上页 下页 图库 第8章 ? 8.5 答:在不平衡电桥中,“检流计”改称为“电流计”, 其作用而不是检查有无电流而是测量电流的大小。 可见,不平衡电桥和平衡电桥的测量原理有原则上 的 区别。利用电桥除可精确测量电阻外,还可测量一 些非电学量。例如,为了测量温度变化,只需用一 种热敏组件把它转化为电阻的变化,然后用电桥 测量。不平衡电桥往往用于测量非电学量,此外还 可用于自动控制和远距离联动机构中。 返回 上页 下页 图库 第8章 ? 8.6 答:伏安特性表征热敏电阻在恒温介质下流过的电流I 与其上电压降U之间的关系。当电流很小时不足以引 起自身发热,阻值保持恒定,电压降与电流间符合 欧姆定律。当电流IIs时,随着电流增加,功耗增 大,产生自热,阻值随电流增加而减小,电压降增 加速度逐渐减慢,因而出现非线性的正阻区ab。电 流增大到Is时,电压降达到最大值Um。此后,电流 继续增大时,自热更为强烈,由于热敏电阻的电阻 温度系数大,阻值随电流增加而减小的速度大于电 压降增加的速度,于是就出现负阻区bc段。 返回 上页 下页 图库 第8章 ? 8.6 研究伏安特性,有助于正确选择热敏电阻的工 作状态。对于测温、控温和温度补偿,应工作于伏 安特性的线性区,这样就可以忽略自热的影响,使 电阻值仅取决于被测温度。对于利用热敏电阻的耗 散 原理工作的场合,例如测量风速、流量、真空等, 则应工作于伏安特性的负阻区。 ? 8.7 略 ? 8.8 略 返回 上页 下页 图库 第9章 ? 9.1 答:核辐射传感器是基于射线通过物质时产生的电离 作用,或利用射线能使某些物质产生荧光,再配以 光电组件,将光信号转变为电信号的传感器。 ? 9.2 答:核辐射传感器可以实现气体成分、材料厚度、物 质密度、物位、材料内伤等的测量。但是要注意放 射性辐射的防护。 ? 9.3 答:可用来检测厚度、液位、物位、转速、材料密度、 重量、气体压力、流速、温度及湿度等参数。 返回 上页 下页 图库 第9章 ? 9.4 答:尽量减小辐射强度,也要考虑辐射类型和性质。 在实际工作中要采取多种方式来减少射线的照射强 度和照射时间,如采用屏蔽层,利用辅助工具,或 是增加与辐射源的距离等各种措施。 返回 上页 下页 图库 第10章 ? 10.1 答:生物传感器是由固化生物物质与适当的换能器组 成的生物传感器系统,具有特异识别生物分子的能 力,并能检测生物分子与分析物之间的相互作用, 用于微量物质的检测。 返回 上页 下页 图库 第10章 ? 10.2 ? 答:生物传感器的类型较多,分类无统一的方法。 生物传感器可以根据其分子识别元件的敏感物质分 为:酶传感器,微生物传感器、组织传感器、细胞传 感器和免疫传感器。还可以根据换能器和测声型生 物传感器等。 ? 生物传感器与传统的化学传感器和离线分析技术 (如分光光度计或质谱仪等)相比,具有明显的优 势,如高度特异性,灵敏度高,稳定性好,成本低 廉,体积小。能在体进行快速实时的连续检测。一 般不需要样品的预处理,样品用量少,响应快。固 定化敏感材料可反复多次使用,成本远低于离线分 析仪器,易于推广普及。 返回 上页 下页 图库 第10章 ? 10.3 ? 答:电化学DNA传感器是由一个支持DNA片段(探针) 的电极和检测用的电活性杂交指示剂构成。DNA探针 是单链DNA片段(或者一整条链),长度从十几个到 上千个核苷酸不等,它与靶序列是互补的。一般多 采用人工合成的短的寡聚脱氧核苷酸作为DNA探针。 通常将ssDNA(探针分子)修饰到电极表面构成DNA 修饰电极。由于ssDNA与其互补链杂交飞高度序列选 择性,使得这种ssDNA修饰电极具有极强的分子识别 功能。在适当的温度、PH值、离子强度下,电极表 面的DNA探针分子能与靶序列选择性相交,形成双链 DNA(dsDNA) 返回 上页 下页 图库 ? 从而导致电极表面结构的改变,这种杂交前后的结构差 异,通过一电活性分子(即杂交指示剂)来识别,这样 便达到了检测靶序列的目的。杂交指示剂是一类能与 ssDNA和dsDNA以不同方式相互作用的电活性化合物,主 要表现在其与ssDNA和dsDNA选择性结合能力上有差别, 这种差别体现在DNA修饰电极上其副集成度不同,也就 是电流响应不一样。另外,由于杂交过程没有共价键的 形成,是可逆的,因此固定在电极上的ssDNA可经杂交、 再生循环。这不但有利于传感器的实际应用,而且还可 用于分离纯化基因。 ? DNA的固定方法:吸附法、共价键结合法、自组装膜法 等 返回 上页 下页 图库 第11章 ? 11.1 答:所谓智能传感器就是带微处理器、兼有信息检测 和信息处理功能的传感器。这里讲的带微处理器包 括两种情况:一种是将传感器与微处理器集成在一 个芯片上构成所谓的‘单片智能传感器’;另一种 是将传感器能够配微处理器。显然,后者的定义范 围更宽,但二者均属于智能才传感器的范畴。 返回 上页 下页 图库 11.2 ? 智能传感器主要有一下功能: ? (1)具有自动调零、自校准、自标定功能。智能传感 器不仅能自动检测各种被测参数,还能进行自动调零、 自动调平衡、自动校准,某些智能传感器还能自动完成 标定工作。 ? (2) 具有逻辑判断和信息处理功能,能对被测量进行 信号调理或信号处理(对信号进行预处理、线性化,或 对温度、静压力等参数进行自动补偿等)。 ? (3)具有自诊断功能。智能传感器通过自检软件,能 对传感器和系统的工作状态进行定期或不定期的检测, 诊断出故障的原因和位置并作出必要的响应,发出故障 报警信号,或在计算机屏幕上显示出操作提示。 返回 上页 下页 图库 ? (4)具有组态功能,使用灵活。在智能传感器系统中 可设置多种模块化的硬件和软件,用户可通过微处理器 发出指令,改变智能传感器的硬件模块和软件模块的组 合状态,完成不同的测量功能。 ? (5)具有数据存储和记忆功能,能随时存取检测数据。 ? (6)具有双向通信功能,能通过RS-232、RS-485、USB、 I2C等标准总线接口,直接与微型计算机通信。 ? 智能传感器的特点是: 高精度、宽量程、多功能、自适 应能力强、高可靠性、高性价比、超小型化微型化、微 功耗、高信噪比。 返回 上页 下页 图库 ? 11.3 ? 答:1 光学取像设备 ? 2 压电式指纹传感器 ? 3 半导体指纹传感器 ? 4 超声波指纹扫描设备 ? 11.4 ? 答:指纹识别的过程主要包括指纹采样,指纹图像 预处理,二值化处理,细化,纹路提取,细节特征 提取,指纹匹配。 返回 上页 下页 图库 ? 12.1 ? 答:条件:没有加速度、振动、冲击(除非这些参数本 身就是被测物理量)及环境温度一般为室温(20±5℃) 相对湿度 不大于85%,大气压力为7kpa的情况。 ? 12.2 ? 答:对传感器进行标定,是根据试验资料确定传感器的 各项性能指针,实际上也是确定传感器的测量精度,所 以在标定传感器时,所用的测量仪器的精度至少要比被 标定传感器的精度高一个等级。 第12章 返回 上页 下页 图库 第12章 ? 12.3 答:标定方法:首先是创造一个静态标准条件,其次是选 择与被标定传感器的精度要求相适应的一定等级的标定 用仪器设备。然后开始对传感器进行静态特性标定。 ? 12.4 答:传感器的动态标定主要是研究传感器的动态响应,而 与动态响应有关的参数,一阶传感器为时间常数 二阶传感器为固有频率和阻尼比两个参数。 返回 上页 下页 图库 第12章 ? 12.5 答:绝对标定法:振动计量基准是采用激光光波长度作为 振幅量值的绝对基准。 比较标定法:将被标的传感器和标准传感器相比较。 是一种最常用的方法。 返回 上页 下页 图库 第13章 ? 13.1 答:传感器的可靠性是指传感器在规定条件、规定时 间,完成规定功能的能力。 ? 13.2 答:失效分析的方法: ①失效模式、效应及危害度分析 ②工艺过程FMMEA及质量反馈分析 ③失效树分析方法 返回 上页 下页 图库 第13章 ? 13.3 答:可靠性设计程序: ①建立系统可靠性模型 ②可靠性分配 ③可靠性分析 ④可靠性预测 ⑤可靠性设计评审 ⑥试制品的可靠性试验 ⑦最终的改进设计 返回 上页 下页 图库 第13章 ? 13.3 可靠性设计原则: ①尽量简单、组件少、结构简单 ②工艺简单 ③使用简单 ④维修简单 ⑤技术上成熟 ⑥选用合乎标准的原材料和组件 ⑦采用保守的设计方案 返回 上页 下页 图库 第13章 ? 13.4 答:产品丧失完成规定功能能力所有状态及事件的总 和叫失效。 失效的分类: ①按失效发生场合分:试验失效、现场失效 ②按失效的程度分:完全失效、局部失效 ③按失效前功能或参数变化的性质分:突然失效、 退化失效 ④按失效排除的性质分:稳定性失效、间歇失效 ⑤按失效的外部表现分:明显失效、隐蔽失效 返回 上页 下页 图库 第13章 ? 13.4 ⑥按失效发生的原因分:设计上的失效、工艺上 的失效、使用上的失效 ⑦按失效的起源分:自然失效、人为失效 ⑧按与其他失效的关系分:独立失效、从属失效 ⑨按失效浴盆曲线上不同阶段分:早期失效、偶 然失效、耗损失效等 返回 上页 下页 图库 第14章 ? 14.1 答:测量原理是指用什么样的原理去测量被测量。 测量方法: ①按测量手段分类:直接测量、间接测量和联立 测量。 ②按测量方式分类:偏差式测量、零位式测量和 微差式测量。 返回 上页 下页 图库 第14章 ? 14.2 答:当我们对同一物理量进行多次重复测量时,如果 误差按照一定的规律性出现,则把这种误差称为系 统误差。 系统误差出现的原因有: ①工具误差:指由于测量仪表或仪表组成组件本 身不完善所引起的误差。 ②方法误差:指由于对测量方法研究不够而引起 的误差。 ③定义误差:是由于对被测量的定义不够明确而 形成的误差。 ④理论误差:是由于测量理论本身不够完善而只 能进行近似的测量所引起的误差。 返回 上页 下页 图库 第14章 ? 14.2 ⑤环境误差:是由于测量仪表工作的环境(温度、 气压、湿度等)不是仪表校验时的标准状态,而是 随时间在变化,从而引起的误差。 ⑥安装误差:是由于测量仪表的安装或放置不正 确所引起的误差。 ⑦个人误差:是指由于测量者本人不良习惯或操 作不熟练所引起的误差。 减小系统误差的方法: ①引入更正值法:若通过对测量仪表的校准,知 道了仪表的更正值,则将测量结果的指示值加上更 返回 上页 下页 图库 第14章 ? 14.2 正值,就可得到被测量的实际值。 ②替换法:是用可调的标准量具代替被测量接入 测量仪表,然后调整标准量具,使测量仪表的指针 与被测量接入时相同,则此时的标准量具的数值即 等于被测量。 ③差值法:是将标准量与被测量相减,然后测量 二者的差值。 ④正负误差相消法:是当测量仪表内部存在着固 定方向的误差因素时,可以改变被测量的极性,作 两次测量,然后取二者的平均值以消除固定方向的 返回 上页 下页 图库 第14章 ? 14.2 误差因素。 ⑤选择最佳测量方案:是指总误差为最小的测量 方案,而多数情况下是指选择合适的函数形式及在 函数形式确定之后,选择合适的测量点。 ? 14.3 略 ? 14.4 解:检测仪表示值绝对误差δ 与仪表量程L之比值,称 之为仪表示值的引用误差,最大引用误差去掉百分 号即为仪表精度。显然此仪表的最大引用误差为: 1.4mA ? 100% ? 1.4% ? 1% 100mA 返回 上页 下页 图库 故不合格 第14章 ? 14.5 解: 150V表的最大误差为: 150V ? 0.5% ? 0.75V 15V表的最大误差为: 15V ? 2.5% ? 0.375V 故选择15V表误差较小 返回 上页 下页 图库 第14章 ? 14.6 解:毫伏表示值的绝对误差为 30V ? 2% ? 0.6V 测6V电压时示值的相对误差为: 0.6V ? 100% ? 10% 6V 测20V电压时示值的相对误差为: 0.6V ? 100% ? 3% 20V 返回 上页 下页 图库 第14章 ? 14.7 解:引用误差: 15KPa ? 100% ? 1.5% 1000 KPa 可能产生的示值相对误差: 15KPa ? 100% ? 7.5% 200 KPa 返回 上页 下页 图库 ? 14.8 第14章 解:①仪表本身精度造成的相对误差: 2.5% ? 5V 5V挡: ? 100% ? 2.5% 5V 25V挡: 2.5% ? 25V ? 100% ? 12.5% 5V 100 5 ? 5? 125 ? 100% ? 20% 5 5 ? 5? 5 500 525 ? 100% ? 5% 返回 ②由于仪表内阻对被测电路的影响引起的相对误差: 5V挡: 25V挡: 上页 下页 图库 第14章 ? 14.8 ③综合最大相对误差: 5V挡: 2.5% ? 20% ? 22.5% 12.5% ? 5% ? 17.5% 25V挡: ④仪表的精度和仪器的内阻都会在测量时产生系统 误差。 返回 上页 下页 图库 第15章 ? 15.1 答:传感器信息融合又称资料融合,它是对多种信息 的获取、表示及其内在联系进行综合处理和优化的 技术,传感器信息融合技术从多信息的视角进行处 理及综合,得到各种信息的内在联系和规律,从而 剔除无用的和错误的信息,保留正确的和有用的成 分,最终实现信息的优化。 返回 上页 下页 图库 第15章 ? 15.2 答:传感器信息融合技术分为以下四类: ①组合:是由组合成平行或互补方式的多个传感 器的多组资料来获得输出的一种处理方法。 ②综合:是信息优化处理中的一种获得明确信息 的有效方法。 ③融合:是将传感器资料组之间进行相关或将传 感器资料与系统内部的知识模型进行相关,而产生 信息的一个新的表达的处理方法。 ④相关:通过相关来进行处理,以便获悉传感器 资料组之间的关系,从而得到正确信息,剔除无用 和错误的信息。 返回 上页 下页 图库 第15章 ? 15.3 答:传感器信息融合有以下方法: ①嵌入约束法:其最基本的方法有Bayes估计和卡 尔曼滤波 ②证据组合法:包括概率统计方法和dempsterShafer证据推理 ③人工神经网络法 返回 上页 下页 图库 第16章 ? 16.1 2.2V 解:2.2V可输出:------ ? 44 0.05V 化为二进制数为:101100 ? 16.2 解: 12 ? 12 ? 1 / 10 ? 14.4?m 转换时间最大不能超过:14.4?m ? 16.3 答:略 返回 上页 下页 图库 第16章 ? 16.4 答:逐次逼近式A/D转换器的工作原理是通过将待转换 的模拟输入量Ui与一个推测信号UR相比较,根据比较 结果调节UR以向Ui逼近。该推测信号UR由D/A转换器 的输出获得,当UR与Ui相等时,D/A转换器的输入数 字量即为A/D转换的结果。 ? 16.5 略 结束 上页 图库