传感器与检测技术课后习题答案

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。 下页 返回 图库 第 0章 0.2 答：敏感元件：指传感器中直接感受被测量的部分。 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。 信号调理器：对于输入和输出信号进行转换的 装置。 变送器：能输出标准信号的传感器。 下页 上页 返回 图库 第 1章 1.1 解： 1.2 解： 60 105 10300 3 3 X Uk CmmSSSS /20.50.22.0321 下页 上页 返回 图库 第 1章 1.3 解： 带入数据得： bkxy )( bkxy iii 22 )( ii iiii xxn yxyxn k 22 2 )( )( ii iiiii xxn yxxyx b 68.0k 25.0b 下页 上页 返回 图库 第 1章 1.3 拟合直线灵敏度 0.68,线性度 7% 25.068.0 xy %7 5 35.0 %100 m ax FS L y L 238.0 1 35.0 2 16.0 3 11.0 4 126.0 5 194.0 6 下页 上页 返回 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 ) )1( 3/t eRty 当 3 R ty 时 22.1 3 2 ln3 t 当 2 R ty 时 08.2 2 1 ln3 t 下页 上页 返回 图库 第 1章 1.5 解：此题与炉温实验的测飞升曲线类似 : 1.6 解： )1(9010 / Ttety 由 505 y 51.8 9 5 ln 5 T 5.0 )1(2025 / T ety Tt 68.71 y 36.52 y 下页 上页 返回 图库 第 1章 1.7 解： 所求幅值误差为 1.109,相位滞后 nn js nn n j ss jG 21 1 2 222 2 ）（ 109.1 1000 500 5.02 1000 500 1 1 21 1 2 2 22 2 2 nn jG 4233 1000 500 1 1000 500 5.02 1 2 2 1 2 1 tgtg n n 4233 下页 上页 返回 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。 下页 上页 返回 图库 第 1章 1.11 解： 理论线性度： 端点线性度： 由两端点做拟和直线 中间四点与拟合直线误差： 0.17 0.16 0.11 0.08 所以， %4.0 05.12 6205.12%100m ax FS L y L 23.097.1 xy %41.1 05.12 17.0%100m ax FS L y L 下页 上页 返回 图库 第 1章 1.11 最小二乘线性度： 所以， 98.1 105 41.208 2121916 23.422154.1826 )( 22 ii iiii xxn yxyxnk 09.0 105 59.9 2121916 54.1822123.4291 )( )( 22 2 ii iiiii xxn yxxyxb 09.098.1 xbkxy 下页 上页 返回 图库 第 1章 1.11 )( bkxy iii 07.0 1 05.0 2 05.0 3 11.0 4 11.0 5 08.0 6 %09.0 05.12 11.0 %100 m ax FS L y L 下页 上页 返回 图库 第 1章 1.12 解： %1005.0 m ax FS H y H 5.1 1m ax H 3.1 2m ax H 8.1 3m ax H %08.0 1 H %07.0 2 H %09.0 3 H %11.0%100 7.965 1.1 %100 m ax FS R y R 下页 上页 返回 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： 0 FFFF bcm Fbvv dtc dt dv m 下页 上页 返回 图库 第 2章 2.1 解： 2.2 证： 略去 的第二项，即可得 mmy 3.0 , 000 4.10 n R %01.0/1 %100 %100 mm R R y x y S n n r RRR 1 RRR 4 cdU UU dbcb ERRR RE RRR R ERR RR 224 2 R R REU cd 2 下页 上页 返回 图库 第 2章 2.3 答：金属电阻应变片由四部分组成：敏感栅、基底、 盖层、粘结剂、引线。分为金属丝式和箔式。 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 答： LR Rm m ax m ax101.0 RRm L 21 1.0%1 0 011 11 m LRRm 4.04.0 m a x 下页 上页 返回 图库 第 2章 2.5 解： 图 2 - 32( c) 圆桶截面积 622 107.59 rRA 应变片 1,2 ,3, 4 感受的是纵向应变 , 有 x 4321 应变片 5,6 ,7, 8 感受的是纵向应变 , 有 y 8765 下页 上页 返回 图库 第 2章 2.5 KU R RRRRUU 44 6251 6251 AEFKUKUKU xyx 12122 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 . 下页 上页 返回 图库 第 2章 2.5 满量程时： 191.0120 101.2107.59 1010 0.2 116 3 4321 R AE F KRKRRRR x 057.0191.03.0 18765 RRRRR AE F K U U 1 2 FF 6 46 1003 7.1 101.2107.59 3.010.2 2 10 下页 上页 返回 图库 第 2章 2.6 解： 当 50FR 250 1 0 0 F P R Rm P xn n R Rr )1(1 nn n n rmr rY Nnn ,10,1 1 0 0,90,80,70,60 ,50,40,30,20,10 109876 54321 xxxxx xxxxx RRRRR RRRRR 0.19.08.07.06.0 5.04.0,3.0,2.0,1.0 109876 54321 rrrrr rrrrr 下页 上页 返回 图库 第 2章 2.6 2.7 略 1, 59 45 , 33 20 , 71 35 , 37 15 , 3 1 , 37 10 , 71 15 , 33 5 , 59 5 109876 54321 YYYYY YYYYY 当 500FR 2.0500100 F P R Rm 1, 50 9 45 0 , 12 9 10 0 , 52 1 35 0 , 13 1 75 , 21 10 , 13 1 50 , 52 1 15 0 , 12 9 25 , 50 9 5 109876 54321 YYYYY YYYYY 下页 上页 返回 图库 第 2章 2.8 解： 3 1 3000 1000 F P R Rm P xn n R Rr )1(1 nn n n rmr rY Nnn ,10,1 100 0,900,800,700,600 ,500,400,300,200,100 109876 54321 xxxxx xxxxx RRRRR RRRRR 0.19.08.07.06.0 5.04.0,3.0,2.0,1.0 109876 54321 rrrrr rrrrr 1, 103 90 , 79 60 , 107 70 , 9 5 , 13 6 , 27 10 , 109 30 , 79 15 , 103 10 109876 54321 YYYYY YYYYY 下页 上页 返回 图库 第 2章 2.9 答： 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（ sg 与 ） 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。 方法：自补偿法 线路补偿法 下页 上页 返回 图库 第 2章 2.10 解： 10.0 )00 3.0(107006.0 5.0) 2 25.0 25.0(6 6 252 WEt Fxl x 2.2510.012 01.2 0 x kRR 2.14 52.2512 0 031 RRRR 8.942.2512 0 042 RRRR 下页 上页 返回 图库 第 2章 2.11 解： 63.0 5.126 2 WEt Fxl 3.0 350 63.0 5.12 201.2 kRR VmA U 6.312030 2 ， VU 2.7 V R RU U 5.17 120 1 3.0 350 4 2.7 4 下页 上页 返回 图库 第 3章 3.1 答：种类：自感式、涡流式、差动式、变压式、压 磁式、感应同步器 原理：自感、互感、涡流、压磁 3.2 答： 差动式灵敏度： 0 00 2 0 2 l SWL 122)(2 0 0 0 00 2 0 00 2 0 00 2 0 ll l l SW l SW ll SWLLL .12 2 000 0 l l l l l LS 下页 上页 返回 图库 第 3章 3.2 单极式传感器灵敏度： 比较后可见灵敏度提高一倍，非线性大大减少。 3.3 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。 .1 2 000 0 l l l l l L S 下页 上页 返回 图库 第 3章 3.4 答：原因是改变了空气隙长度 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动式 传感器， 其灵敏度增加非线性减少。 .12 2 000 0 l l l l l LS 下页 上页 返回 图库 第 3章 3.5 解： m R IW ， m R W I W I L 2 又 n i ii i m RR S l S l R 1 0 00 02 256.1 003.0010.010 045.0 003.0015.010 016.0 003.0002.010 045.0 444 1 n i ii i S l R 下页 上页 返回 图库 第 3章 3.5 07.7 1530104 002.0 22 7 00 0 0 S l R H R W L 4 22 102.3 256.1 200 H RR W L 3 2 0 2 108.4 07.7256.1 200 空气气隙为零时： 空气气隙为2m m时： 下页 上页 返回 图库 第 3章 3.6 解：设 重写表格如下 : 最小二乘法做直线拟和： abxy 又有 333.2, ffef bax x 0 . 3 0 . 5 1 . 0 1 . 5 2 . 0 3 . 0 4 . 0 5 . 0 6 . 0 f 2 . 5 2 3 2 . 5 0 2 2 . 4 6 1 2 . 4 3 2 2 . 4 1 0 2 . 3 8 0 2 . 3 6 2 2 . 3 5 1 2 . 3 4 3 y - 1 . 6 6 - 1 . 7 8 - 2 . 0 6 - 2 . 3 1 - 2 . 5 6 - 3 . 0 6 - 3 . 5 4 - 4 . 0 2 - 4 . 6 1 51.0 89.54 259.939 6.253.23)13 3.83(9 )( 2 2 ii iiii xxn yxyxn ak 53.1 89.54259.939 133.833.236.2559.93 )( )( 22 2 ii iiiii xxn yxxyx b 下页 上页 返回 图库 第 3章 3.6 工作特性方程： 53.151.0 xbaxy )( bkxy iii 023.0 1 005.0 2 02.0 3 015.0 4 01.0 5 00.0 6 03.0 7 06.0 8 02.0 9 %02.0 95.2 06.0 %100 m ax FS L y L 333.2 53.151.0 x ef 下页 上页 返回 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：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。 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。 下页 上页 返回 图库 第 4章 4.1 解：差动式电容传感器的灵敏度 : 单极式电容传感器： 可见差动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。 4 0 2 00 0 4 0 2 0 2 0 5 0 3 00 3 0 2 0 3 0 2 00 0 0 0 0 00 1 2 1 2 2 11 11 d d d d d c d d d d d s d c k d d d d d d d s d d d d d d d d d d d d d s d d d s d d d s dd s dd s CCC e 4 0 2 00 0 1 d d d d d c d c k e 下页 上页 返回 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= S/D 式中 为两个极板间介质的介电常数， S为两个极板 对有效面积， D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。 下页 上页 返回 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 C 下页 上页 返回 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。或者选用应变片式液径 传感器。 4.4 答：优点： a温度稳定性好 b结构简单、适应性强 c动响应好 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 下页 上页 返回 图库 第 4章 4.4 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、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： 下页 上页 xw dd wxl C 10 2010 21 2 0 下页上页返回 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 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。 021 CCC xx 下页 上页 返回 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。 下页 上页 返回 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 下页 上页 返回 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。 下页 上页 返回 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 下页 上页 返回 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 下页 上页 返回 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。 下页 上页 返回 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。 下页 上页 返回 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 下页 上页 返回 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：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。 散射性损耗：是由于材料密度的微观变化、成 下页 上页 返回 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。 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。 下页 上页 返回 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 下页 上页 返回 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。 下页 上页 返回 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。 下页 上页 返回 图库 第 8章 8.1 答：热电阻传感器分为以下几种类型： 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。 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。 下页 上页 返回 图库 第 8章 8.1 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 下页 上页 返回 图库 第 8章 8.2 答：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势。有电流产生相 应的热电势称为温差电势或塞贝克电势，通称热电 势。 接触电动势：接触电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。 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势。 下页 上页 返回 图库 第 8章 8.2 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。 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。 下页 上页 返回 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 T 时的热电势等于该热电偶热端为 T冷端为 Tn时的 热电势与同一热电偶热端为 Tn，冷端为 T0 时热电势 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 0 下页 上页 返回 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 ） 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 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。 误差因素：参考端温度受周围环境的影响 0, TTE AC 0, TTE BC 000 , TTETTETTE BCACAB 下页 上页 返回 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 冷端延长线法 8.3 见 8.2 下页 上页 返回 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。 下页 上页 返回 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。 下页 上页 返回 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。 下页 上页 返回 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 下页 上页 返回 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。 下页 上页 返回 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。 下页 上页 返回 图库 第 10章 10.1 答：智能传感器集信息采集，信息的记忆、辨别、存 储、处理于一体，是一种将普通传感器与微处理器 一体化，兼有检测和信息处理功能的新型传感器， 具有一定的自适应能力。 10.2 答：功能分为： a 自补偿功能：如非线性、温度误差响应时间等 的补偿 b 自诊断功能：如在接通电源时自检 下页 上页 返回 图库 第 10章 10.2 c 微处理器和基本传感器之间具有双向通信功能， 构成一死循环工作系统 d 信息存储和记忆功能 e 数字量输出和显示 优点有： a 精度高，可通过软件来修正非线性，补偿温度 等系统误差，还可补偿随机误差，从而使精度大为 提高。 b 有一定的可编程自动化能力。包括指令和数据 存储、自动调零、自检等。 下页 上页 返回 图库 第 10章 10.2 c 功能广。智能传感器可以有多种形式输出，通 过串口、并口、面板数字控制数或 CRT显示，并配打 印机保存资料。 d 功能价格比大。在相同精度条件下，多功能智 能传感器比单功能普通传感器性能价格比大。 10.3 答：三条途径：非集成化实现、集成化实现和混合实 现。 下页 上页 返回 图库 第 10章 10.4 答：包括以下内容： 资料收集：汇集所需要的信息 资料转换：把信息转换成适用于微处理器使用 的方式 资料分组：按有关信息进行有效的分组 资料组织：整理资料或用其它方法安排资料， 以便进行处理和误差修正 资料计算：进行各种算术和逻辑运算，以便得 到进一步的信息 下页 上页 返回 图库 第 10章 10.4 资料存储：保存原始资料和计算结果，供以后 使用 资料搜索：按要求提供有用格式的信息，然后 将结果按用户要求输出。 下页 上页 返回 图库 第 10章 10.5 答：线性参数的标度变换，其变换公式为： 非线性参数的标度变换，公式为： 多项式变换法 0 0 00 NN Nxyyyy m m 下页 上页 0 0 00 NN Nxyyyy m m 返回 图库 第 10章 10.6 答：线性温度特性补偿方法： 温度特性曲线拟合法 温度特性查表法 非线性温度特性补偿方法：一般采用分段线性插 值法（列表法） 下页 上页 返回 图库 第 10章 10.7 答：硬件设计： 正确选择微处理器：常用单片机作为智能传感 器的中央处理器。 除了中央处理器 CPU外，还必须引入输入输出的 各种功能要求。故它又可看成一个微处理器小系统， 广泛采用键盘、 LED显示器、打印、串并口输出等， 一起构成了人机对话的工具。 下页 上页 返回 图库 第 11章 11.1 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。 11.2 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。 下页 上页 返回 图库 第 11章 11.3 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。 11.4 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。 n 下页 上页 返回 图库 第 11章 11.5 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。 下页 上页 返回 图库 第 12章 12.1 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。 12.2 答：失效分析的方法： 失效模式、效应及危害度分析 工艺过程 FMMEA及质量反馈分析 失效树分析方法 下页 上页 返回 图库 第 12章 12.3 答：可靠性设计程序： 建立系统可靠性模型 可靠性分配 可靠性分析 可靠性预测 可靠性设计评审 试制品的可靠性试验 最终的改进设计 下页 上页 返回 图库 第 12章 12.3 可靠性设计原则： 尽量简单、组件少、结构简单 工艺简单 使用简单 维修简单 技术上成熟 选用合乎标准的原材料和组件 采用保守的设计方案 下页 上页 返回 图库 第 12章 12.4 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： 按失效发生场合分：试验失效、现场失效 按失效的程度分：完全失效、局部失效 按失效前功能或参数变化的性质分：突然失效、 退化失效 按失效排除的性质分：稳定性失效、间歇失效 按失效的外部表现分：明显失效、隐蔽失效 下页 上页 返回 图库 第 12章 12.4 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 按失效的起源分：自然失效、人为失效 按与其它失效的关系分：独立失效、从属失效 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 下页 上页 返回 图库 第 13章 13.1 答：测量原理是指用什么样的原理去测量被测量。 测量方法： 按测量手段分类：直接测量、间接测量和联立 测量 按测量方式分类：偏差式测量、零位式测量和 微差式测量。 下页 上页 返回 图库 第 13章 13.2 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： 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。 方法误差：指由于对测量方法研究不够而引起 的误差。 定义误差：是由于对被测量的定义不够明确而 形成的误差。 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。 下页 上页 返回 图库 第 13章 13.2 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。 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。 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： 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 下页 上页 返回 图库 第 13章 13.2 正值，就可得到被测量的实际值。 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。 差值法：是将标准量与被测量相减，然后测量 二者的差值。 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 下页 上页 返回 图库 第 13章 13.2 误差因素。 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。 13.3 略 13.4 解：检测仪表示值绝对误差 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： 故不合格 下页 上页 %1%4.1%100100 4.1 mAmA 返回 图库 第 13章 13.5 解： 150V表的最大误差为： 15V表的最大误差为： 故选择 15V表误差较小 下页 上页 VV 75.0%5.01 5 0 VV 375.0%5.215 返回 图库 第 13章 13.6 解：毫伏表示值的绝对误差为 测 6V电压时示值的相对误差为： 测 20V电压时示值的相对误差为： 下页 上页 VV 6.0%230 %10%1006 6.0 V V %3%10020 6.0 VV 返回 图库 第 13章 13.7 解：引用误差： 可能产生的示值相对误差： 下页 上页 %5.1%100100015 KPaKPa %5.7%10020015 K P aK P a 返回 图库 第 13章 13.8 解：仪表本身精度造成的相对误差： 5V档： 25V档： 由于仪表内阻对被测电路的影响引起的相对误差： 5V档： 25V档： 下页 上页 %5.12%1005 25%5.2 V V %20%10 0 5 12 5 10 055 %5%100 5 525 50055 %5.2%10 05 5%5.2 V V 返回 图库 第 13章 13.8 综合最大相对误差： 5V档： 25V档： 仪表的精度和仪器的内阻都会在测量时产生系统 误差。 下页 上页 %5.22%20%5.2 %5.17%5%5.12 返回 图库 第 14章 14.1 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。 下页 上页 返回 图库 第 14章 14.2 答：传感器信息融合技术分为以下四类： 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。 综合：是信息优化处理中的一种获得明确信息 的有效方法。 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。 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。 下页 上页 返回 图库 第 14章 14.3 答：传感器信息融合有以下方法： 嵌入约束法：其最基本的方法有 Bayes估计和卡 尔曼滤波 证据组合法：包括概率统计方法和 dempster- Shafer证据推理 人工神经网络法 下页 上页 返回 图库 第 15章 15.1 解： 2.2V可输出： - 化为二进制数为： 101100 15.2 解： 转换时间最大不能超过： 15.3 答：略 下页 上页 4405.0 2.2 VV m4.1410/11212 m4.14 返回 图库 第 15章 15.4 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。 15.5 略 上页 结束 图库