广东工业大学传感与检测技术基础复习思考题带答案

广东工业大学传感与检测技术基础复习思考带答案 [] 1 一台精度为0.5级、量程范围600～1200?的温度传感器，它最大允许绝对 误差是多少？检验时某点最大绝对误差是４?，问此是否合格？ A,： 根据精度定义表达式A%，并由题意已知Ａ＝0.5％，Ｙ＝,，100Ｆ．ＳYF.S （1200-600）?，得最多允许误差 ? Ａ＝Ａ?Ｙ＝0.5％×（1200-600）＝３? Ｆ．Ｓ 此温度传感器最大允许误差位３?。检验某点的最大绝对误差为４?，大于３?， 故此传感器不合格。 [] 1-1 何为传感器静态特性？静态特性主要技术指标有哪些？ 1-2 何为传感器动态特性？动态特性主要技术指标有哪些？ 1-3 传感器的线性度的定义？怎样确定？ 1-4 传感器的回程误差是怎么定义的？用数学式如何表示？ 1-5 何为准确度、精密度、精确度？并阐述其与系统误差和随机误差的关系。 1-6 鉴定2.5级(即满量程误差为2.5%)的全量程为100V的电压表，发现50V刻度点的示值误差2V为最大误差，问该表是否合格？ 1-7 为什么在使用各种指针表时，总希望指针偏转在全量程的2/3以上范围使用？ 1-8 已知某一位移传感器的测量范围为0～30mm，静态测量时，输入值与输出值的 关系如表1.1所示，试求传感器的线性度和灵敏度。 输入值 1 5 10 15 20 25 30 (mm) 输出值 1.50 3.51 6.02 8.53 11.04 13.47 15.98 （mV） [] 2-1 如果将100Ω电阻应变片贴在弹性试件上，若试件受力横截面积S = 0.5 1 -4 211 2 4 ×10m，弹性模量E =2×10N/m，若有F=5×10N的拉力引起应变电阻变化为1Ω。试求该应变片的灵敏度系数？ ,R1：由题意得应变片电阻相对变化量 ,R100 ,F根据材料力学理论可知：应变（σ为试件所受应力，,），故应变 ,,,ES 4F5，10,,,,0.005 ,411SE,0.5，10，2，10 应变片灵敏度系数 RR,/1/100K,,,2 ,0.005 2-2 一台用等强度梁作为弹性元件的电子秤，在梁的上、下面各贴两片相同 42的电阻应变片(K=2）如图2-1（a)所示。已知=100mm、b=11mm、t=3mm，E=2×10N/mm。l 现将四个应变片接入图（b）直流电桥中，电桥电压U=6V。当力F=0.5kg时，求电桥输出电压U=? 0 ｌ Ｒ１ Ｒ2 ｂU 0 Ｒ?Ｒ１３ ｔＲＲ 4 3 UＲ?Ｒ２４ Ｆ （b）图2-1 (ａ) ： 由图（a）所示四片相同电阻应变片贴于等强度梁上、下各两片。当重力F 作用梁端部后，梁上表面R 和R产生正应变电阻变化而下表面R和R则产生负应变1324电阻变化，其应变绝对值相等，即 6Fl,,,,,,,,,,,, 13242btE 电阻相对变化量为 ,R,R,R,R,R1324,,,,,,,K,, RRRRR1324 现将四个应变电阻按图（b）所示接入桥路组成等臂全桥电路，其输出桥路电压为 ,R6FlU,,U,K,,U,K,,,02RbtE 6，0.5，9.8，100,2，，,0.0178V,17.8mV2411，3，2，10 2 [] 什么是金属材料的电阻应变效应？什么是半导体材料的压阻应变效应？ 金属电阻应变片半导应变片的工作原理有何区别？各有何优缺点？ 什么是金属应变片的灵敏度系数？ 采用应变片进行测量时为什么要进行温度补偿？常用温补方法有哪些？ 直流电桥是如何分类的？各类桥路输出电压与电桥灵敏度关系如何？ 有一金属应变片，其灵敏度K=2.5，R=120Ω,设工作时其应变为1200,则,,?R是多少？若将此应变片与２Ｖ直流电源组成回路，试求无应变时和有应变时回路的 电流。 应变片称重传感器，其弹性体为圆柱体，直径D＝10cm，材料弹性模量E＝205×1092N/m，用它称50t重物体，若用电阻丝式应变片，应变片的灵敏系数K＝2，R ＝120Ω，问电阻变化多少？ 拟在等截面的悬臂梁上粘贴4个完全相同的电阻应变片组成差动全桥电路， 式问； ? 4个应变片应该怎样粘贴在悬臂梁上？ ? 画出相应的电桥电路图。 如图2.1所示为一直流应变电桥。图中U=4V，R = R= R= R=120Ω，试求： 1234 ? R为金属应变片，其余为外接电阻。当R 的增量为?R=1.2Ω时，电桥输出电111压U为多少？ 0 ? R和R都是应变片，且批号相同，感受应变极性和大小都相同，其余为外接电12 阻，电桥输出电压U为多少？ 0 ? 题? 中，如果R与R感受应变极性相反，且|?R|=|?R|=1.2Ω，电桥输出1212电压U为多少？ 0 Ｒ１ Ｆ Ｒ１ Ｒ2 U0 ＲＲ4 3 U 图2.2等强度梁测力系统图2.1直流应变电桥 3 如图2.2所示为等强度梁测力系统，R为电阻应变片，应变片灵敏系数K=2.05,1 -4未受应变时, R=120Ω，当试件受力F时,应变片承受平均应变ε=8×10,求 1 ? 应变片电阻变化量?R和电阻相对变化量?R/R。 111 ? 将电阻应变片R置于单臂测量电桥,电桥电源为直流3V,求电桥输出电压及电1 桥非线性误差。 ? 若要减小非线性误差,应采取何种?并分析其电桥输出电压及非线性误差 大小。 [] 请比较自感式传感器和变压器式传感器的异同。 何谓零点残余电压？说明该电压产生的原因及消除方法。 电涡流传感器有何特点？ 3-4 用一涡流式测振仪测量某机器主轴的轴向振动。已知传感器的灵敏度为 20mV/mm，最大线性范围为5mm。现将传感器安装在主轴两侧，如题图4-14（a）所 示，所记录的振动波形如图4-14（b）所示。请问： （1）传感器与被测金属的安装距离L为多少时测量效果较好？ （2）轴向振动的最大值A为多少？ （3）主轴振动的基频f是多少？ 40mV L 40ms (b)(a) 图3-14 4 电容式传感器 [] 2S,a，a,(2，2)cm3-1已知：平板电容传感器极板间介质为空气，极板面积， 间隙。试求传感器初始电容值；若由于装配关系，两极板间不平行，一侧d,0.1mm0 间隙为，而另一侧间隙为d，b(b,0.01mm)。求此时传感器电容值。 d00 b d0 x dx a 图3-1 ： 初始电容值 ,,,SS2，20rC,,,,35.37pF 0,dd3.6，0.010 1式中,,pF/cm;,,1. 0r3.6, 如图3-1所示两极板不平行时求电容值 a,,,2r0aa,,adxb,,abrr00bC,,d(x，d),ln(，1)0,,00bbabd0d，xd，x 00aa 2，20.01,ln(，1),33.7pF3.6，0.0010.1, 3-2 变间距（d）形平板电容传感器，当d,1mm时，若要求测量线性度为00.1%。求：允许间距测量最大变化是多少？ ,d： 当变间距平板型电容传感器的<<1时，其线性度表达式为 d ,d,,()，100% Ld0 5 ,d由题意故得，即测量允许变化量。 0.1%,()，100%,d,0.001mm1 3-3如图3-2所示,圆筒形金属容器中心放置一个带绝缘套管的圆柱形电极用 来测介质液位。绝缘材料相对介电常数为，被测液体相对介电常数为，液面上方,,12气体相对介电常数为，电极各部位尺寸如图所示，并忽略底面电容。求：当被测液,3 体为导体及非导体时的两种情况下，分别推导出传感器特性方程。 C,f(H)H ε1 H C CH ε3 L CC2 1 H CC4 3 ε2 d D1 D 2 (a) (b) 图3-2 ：根据题意画出该测量系统等效电路如图3-2(b)所示。 其中C 和C分别为绝缘套在电极上、下两部分形成的电容。C为液面上方气体在容132器壁与绝缘套管外表面间形成的电容，C为被测液体在容器壁与绝缘套管外表面间的4 电容。 根据同心圆筒电容计算公式可得以上电容表达式分别为 (L,H)(L,H),,13CC,,121.8ln(D/d)1.8ln(D/D)11 ,H,H12C,C,341.8ln(D/d)1.8ln(D/D)11 当被测液为非导体时，则 C = C?C+ C?C H1 2 3 4 ,,(L,H),,H1312 ,， 1.8[,ln(D/D)，,ln(D/d)]1.8[,ln(D/D)，,ln(D/d)]11311121 = A+BH 式中 6 ,,L13 A,1.,8[ln(D/d)，,ln(D/d)]1131 ,,,123 B,, [],DD，,Dd,DD，,Dd1.8ln(/)ln(/)ln(/)ln(/)11211131 当被测液为导体时C=0，则 4 C = C?C+ C H1 2 3 (LH)H,,,,131 ,，1.8[ln(D/D)ln(D/d)]1.8ln(D/d)，,,11311 =A+BH 式中 ,,L A=13, 1.8[,ln(D/D)，,ln(D/d)]1131 ,,113 B=,[] Dd,DD，,Dd1.8ln(/)ln(/)ln(/)11131 [] 电容传感器有哪些类型？举例说明其应用。 如何改善单极式变极距型电容传感器的非线性？ 为什么电容传感器易受干扰？如何减小干扰？ 如图3-6所示平板式电容位移传感器。已知：极板尺寸a=b=4cm，间隙d=0.5mm,0极板间介质为空气。求该传感器静态灵敏度；若极板沿x方向移动2mm，求此时电容量。 R Ra Cd1 C0 2 U0 b x C C U 图3-7 图3-6 7 第五章 电动势式传感器 [] 5-1 试叙述磁电式传感器的基本结构及简单工作原理。 5-2 试述霍尔效应的定义及霍尔传感器的工作原理。 5-3 简述霍尔传感器的组成，画出霍尔传感器的输出电路图。 5-4 简述霍尔传感器测量电流、磁感应强度、微位移、压力的原理。 5-6 霍尔片不等位电势是如何产生的？减小不等位电势可以采用哪些方法？ 5-7为了减小霍尔元件的温度误差应采用哪些补偿方法？ 5-8 说明压电元件的等效电路及其特点、电荷放大器的特点。 5-9简述压电传感器的特点及应用。 第六章 热电式传感器 [] 6将一只灵敏度0.08mV/?的热电偶与电压表相连，电压表接线处温度为 50?。电压表上读数为60mV，求热电偶热端温度。 ： 根据题意，电压表上的毫伏数是由热端温度t，冷端温度为50?产生的，即E（t，50）=60mV。又因为 E（t，50）= E（t，0）－E（50，0） 则 E（t，0）= E（t，50）+E（50，0）＝60+50×0.08＝64 mV 所以热端温度ｔ＝64/0.08=800?。 62现用一支镍镉——铜镍热电偶测某换热器内温度，其冷端温度为30?，而显示仪表机械零位为0?，这时指示值为400?，若认为换热器内的温度为430?，对不对？为什么? ：不对。 因为仪表机械零位在0?与冷端30?温度不一致，而仪表刻度是以冷端为0?刻度的，故此时指示值不是换热器真实温度t。必须经过计算、查表、修正方可得到真实 温度t值。由题意首先查热电势表，得 E（400，0）=28.943mV，E（30，0）=1.801mV 8 实际热电势为实际温度t?与冷端30?产生的热电势，即 E（t，30）=E（400，0）= 28.943mV 而 E（t，0）= E（t，30）+ E（30，0）= 28.943 mV +1.801 mV= 30.744 mV 查热电势表得t = 422?。 由以上结果说明，不能用指示温度与冷端温度之和表示实际温度。而是采用热电 势之和计算，查表得到的真实温度。 64一支分度号为C 100的热电阻，在130?时它的电阻R是多少？要求精Ut 确计算和估算。 ：精确计算如下。应根据铜电阻体电阻—温度特性公式，计算如下 23R,R(1，At，Bt，Ct) 0t 式中R 为C100铜电阻在0?时阻值，R =100Ω；A、B、C为分度系数，具体值如0U0 -3-7-932下：A= 4.289×101/?；B = -2.133×10/(?)；C = 1.233×10(?)。则 -3-72-93R=100(1+4.289×10×130-2.133×10× 130+1.233×10×130) t =155.667Ω 若近似计算可根据R,R(1，,t)，式中,,0.00425，得 t0 R,100(1，0.00425，130),155.25, t 另一种近似计算法可以根据R/R,1.4280计算 1000 RRRR100000,1.428,RtRtR,,，,,，t00100100 1.428，100,100,，130，100,155.64,100 从上面分析可看出，在仪表使用维护中，可用估算法在测得热电阻值情况下，近 似算出温度或已知温度，粗略地判断相应的电阻值，从而可以分析判断仪表工作是否 正常。 [] 6-1 热电阻温度计的测温原理是什么? 6-2 半导体电阻随温度变化的典型特性有哪几种? 6-3 什么是电阻温度计的三线制连接?有何特点? 9 6-4 简述热电偶的工作原理。 6-5 简述热电偶冷端补偿的必要性，常用冷端补偿有几种方法？并说明补偿原理。 6-6 在一测温系统中，用铂铑-铂热电偶测温，当冷端温度为t = 30?时，在热端0 温度为t 时测得热电势E（t，30?）=6.63mV，求被测对象的真实温度。 6-7 指出如图6-2（a）、(b)两种电阻测温桥路有何区别？其特点是什么？（图中： R为测温电阻；R为引线电缆电阻；R为桥臂固定电阻；E为桥路电源；U为桥路输tL 出信号电压。） U U R R R R E E R R RRL RL L L R Rt R t (b) (a) 图6-2 6-8 某热电偶灵敏度为0.04mV/?，把它放在温度为1200?处，若以指示表处温度50?为冷端，试求热电势的大小？ 6-9 用分度号为K的镍铬—镍硅热偶测温度，在未采用冷端温补的情况下，仪表 显示500?，此时冷端为60?。试问实际温度多少度？若热端温度不变，设法使冷端 温度保持在20?，此时显示仪表指示多少度？ 10