传感器技术习题答案ppt课件.ppt

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1、1,传感器原理与应用习题,参考答案,2,第1章,3,1.5 有一温度传感器，微分方程为30dy/dt+3y=0.15x，其中y为输出电压（mV），x为输入温度（C）。试求该传感器的时间常数和静态灵敏度。解：传感器的微分方程为 30dy/dt+3y=0.15x即 10dy/dt+y=0.05x与标准形式dy/dt+y=S0 x对比 所以，时间常数 =10s 静态灵敏度S0=0.05 mV/C,4,1.6某力传感器属二阶传感器，固有频率为1000Hz，阻尼比为0.7，试求用他测量频率为600Hz的正弦交变力时的振幅相对误差和相位误差。解：振幅相对误差,相对误差=0.9469-1=-5.31%,0=

2、21000rad/S，=0.7，=2600rad/S,5,1.7、已知某二阶系统传感器的自振频率f0=20kHz，阻尼比=0.1，若求出传感器的输出幅值误差小于3%，试确定该传感器的工作频率范围。解：二阶系统传感器的幅频特性,当 = 0时，A() = 1，无幅值误差，当 0时，A()一般不等于1，即出现幅值误差。若要求传感器的幅值误差不大于3%，应满足0.97 A() 1.03。,6,解方程,得1 = 1.410。,解方程,得2 = 0.1720，3 = 1.390。,7,由于 = 0.1，根据二阶传感器的特性曲线知，上面三个解确定了两个频段，即0 2和3 1，前者在特性曲线谐振峰左侧，后者在

3、特性曲线谐振峰右侧。对于后者，尽管在该频段内也有幅值误差不大于3%，但是，该频段相频特性很差而通常不被采用。所以，只有0 2频段为有用频段。由2 = 0.1720得fH = 0.172f0 = 3.44 kHz，工作频率范围即为0 3.44 kHz。,所以,频率范围,0,8,1.8 设有两只力传感器均可作为二阶系统处理，固有频率分别为800Hz和1.2kHz，阻尼比均为0.4，今欲测量频率为400Hz正弦变化的外力，应选用哪一只？并计算所产生的振幅相对误差和相位误差,解：对二阶传感器系统处理，欲使测量无失真，则工作频率应小小于固有频率，显然本题应选固有频率为1.2kHz的传感器,9,已知0=2

4、1200，=2400，=0.4，代入上式,幅频特性即是传感器输出输入幅值的比，对于归一化方程，若要求传感器的输出幅值误差所以振幅相对误差A=(A-1)/1=1.0776-1=0.0776=7.76%,10,相频特性,即相位误差为-16.70,11,第2章,12,2.6 材料为钢的实心圆柱形式试件上，沿轴线和圆周方向各贴一片电阻为120的金属应变片R1和R2，把这两应变片接入电桥（见图2.3.2）。若钢的泊松系数，=0.285应变片的灵敏系数K=2，电桥电源电压U=2V，当试件受轴向拉伸时，测得应变片R1的电阻变化值，R1=0.48,试求轴向应变量；电桥的输出电压。,图2.32,13,解： 轴向

5、应变量,电桥的输出电压。,14,15,2.9一测量吊车起吊重物的拉力传感器如题图2.34（a）所示。R1、R2、R3、R4按要求贴在等截面轴上。已知：等截面轴的截面积为0.00196m2，弹性模量E=21011N/m2，泊松比=0.3，且R1 =R2 =R3 =R4 =120，K=2，所组成的全桥型电路如图2.34(b)所示，供桥电压U=2 V。现测得输出电压U0=2.6mV。求：（1）等截面轴的纵向应变及横向应变为多少？（2）力F为多少？,图2.34,16,解答: (1) 等截面轴的纵向应变,等截面轴的横向应变,17,18,(2)力F,19,2.10已知：有四个性能完全相同的金属丝应变片（应

6、变灵敏系数K=2），将其粘贴在梁式测力弹性元件上，如图2.35所示。在距梁端b处应变计算公式： ，设力p=1000N，b=100mm，t=5mm，w=20mm，E=2105N/mm2。求：图2.34（1）在梁式测力弹性元件距梁端b处画出四个应变片粘贴位置，并画出相应的测量桥路原理图；（2）求出各应变片电阻相对变化量；（3）当桥路电源电压6V时，负载电阻为无穷大，求桥路输出电压U0是多少？（4）这种测量法对环境温度变化是否有补偿作用？为什么？,20,解： （1）为了提高灵敏度，在梁式测力弹性元件距梁端b处四个应变片粘贴位置如图，R1和R3在上面， R2和R4在下面，位置对应。相应的测量桥路如图；

7、,（2）求各应变片电阻相对变化量,21,（4）当温度变化时，桥臂电阻的相对变化,（3）当桥路电源电压6V时，负载电阻为无穷大，桥路输出电压U0是,电桥的输出,所以，这种测量法对环境温度变化有补偿作用，因为是全桥差动，温度的影响被抵消了。,22,2.13图1.19（a）所示在悬臂梁距端部为L位置上下面各贴两片完全相同的电阻应变片R1 、R2、R3、R4。试求，（c）（d）（e）三种桥臂接法桥路输出电压对（b）种接法输出电压比值。图中U为电源电压，R是固定电阻并且R1 =R2 =R3 =R4 =R，U0为桥路输出电压。,图1.9,23,解 按照图1.9（a）所示粘贴方法，有,对于图1.9（b）所示

8、接法，桥路输出电压为,对于图1.9（c）所示接法，桥路输出电压为,对于图1.9（d）所示接法，桥路输出电压为,24,对于图1.9（e）所示接法，桥路输出电压为,所以，图1.9（c）、图1.9（d）和图1.9（e）所示三种接法的桥路输出电压对图1.9（b）所示接法之桥路输出电压的比值分别为2 : 1、2 : 1和4 : 1。,25,第3章,26,3.5有一只螺管形差动电感传感器如图3.39（a）所示。传感器线圈铜电阻R1=R2=40，电感L1=L2=30mH，现用两只匹配电阻设计成4臂等阻抗电桥，如图3.39(b) 所示。求:（1）匹配电阻R3和R4值为多大才能使电压灵敏度达到最大值?（2）当Z

9、=10时，电源电压为4V，f=400Hz求电桥输出电压值USC是多少？,27,解 （1）用R表示传感器线圈的电阻（因R1 = R2），用L表示铁心在中间位置时传感器线圈的电感（因此时L1 = L2），用L表示铁心移动后传感器线圈电感的改变量，则电桥的输出电压为,显然，为了在初始时电桥能够平衡，必须有R3 = R4，写成R3 = R4 = R，得,桥路的电压灵敏度为,28,按照求极值的一般方法，令,解得,此即四臂等阻抗电桥的含义，此时灵敏度最高。将R = 40 ， = 2f = 2 400 rad / s，L = 30 mH代入上式，得,（2）当Z=10时，电源电压为4V，f=400Hz时电桥输

10、出电压的值为,29,3.8如图3.41差动电感传感器测量电路。L1、L2是差动电感，D1D4是检波二极管（设正向电阻为零，反向电阻为无穷大），C1是滤波电容，其阻抗很大，输出端电阻R1=R2=R，输出端电压由c、d 引出为ecd，UP为正弦波信号源。求：,1分析电路工作原理(即指出铁心移动方向与输出电压ecd极性的关系)。2分别画出铁心上移及下移时，流经电阻R1和R2的电流iR1和iR2及输出电压ecd的波形图。,图3.41,30,解 （1）先考虑铁心在中间位置时的情形，此时L1 = L2。UP正半周，D2、D4导通，D1、D3截止，电流i2、i4的通路如图1.28（a）所示。因C1的阻抗很大

11、，故不考虑流经C1的电流。由于L1 = L2，R1 = R2，故i2 = i4，R1和R2上的压降相等，ecd = 0。UP负半周，D1、D3导通，D2、D4截止，电流i1、i3的通路如图1.28（b）所示，仍然有ecd = 0。,31,若铁心上移，则L1 L2。UP正半周，电流通路仍然如图1.28（a）所示。但是，由于L1 L2，故i2 0。UP负半周，电流通路仍然如图1.28（b）所示。虽然此时i1 0。,图1.28 差动电感传感器测量电路工作原理分析,L1 L2,i2 i4,ecd 0,32,图1.28 差动电感传感器测量电路工作原理分析,若铁心下移，则L1 L2。UP正、负半周的电流通

12、路仍然分别如图1.28（a）和图1.28（b）所示，不过此时始终有ecd 0。,L1 L2,i2 i4,ecd 0,33,图1.29 差动电感传感器测量电路波形图,（2）铁心上移时，iR1、iR2及ecd的波形图如图1.29（a）所示，其中，iR1、iR2以流向地为正，ecd以c点为正，d点为负。铁心下移时，iR1、iR2及ecd的波形图如图1.29（b）所示，参考方向不变。考虑到C1具有一定的滤波效果，图中还给出了ecd经C1滤波后的的示意图。,L1 L2,i2 i4,ecd 0,34,3.9用一电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

13、。现将传感器安装在主轴两侧，如图3.42（a）所示。所记录的振动波形如图3.42（b）所示。请问：传感器与被测金属的安装距离L为多少时测量效果较好?轴向振幅A的最大值是多少?主轴振动的基频f是多少?,图1.29 差动电感传感器测量电路波形图,35,解: （1）由于最大线性范围为5 mm，所以安装距离L的平均值应为2.5 mm，这样可获得最大的测量范围。 然而，安装传感器时轴是静止的，在未知振动幅值的情况下，也就无法实现将L的平均值调整为2.5 mm。为了保证传感器不与被测轴发生碰撞，并最终调整到线性测量范围内，应先让传感器距离轴较远安装。待被测轴开始转动之后，根据输出波形判断是否需要减小L。若

14、输出波形上下不对称，说明传感器工作在非线性区，应该在不发生碰撞的条件下，逐渐减小L。但是，有可能振动振幅太大（例如大于2.5 mm），减小L直到即将发生碰撞，都不能使波形上下对称，则传感器的线性范围不够。当观察到输出波形上下对称时，说明传感器基本上工作在线性区，在不发生碰撞的条件下，可进一步减小L，直到所测振幅为最大。,36,（2）输出电压的峰峰值Up-p与振动峰峰值xp-p及传感器灵敏度Sn的关系为,根据图1.30（b）可知Up-p = 40 mV，所以可得,故轴向振幅A = 1 mm。（3）根据图1.30（b）可知，主轴振动的周期为T = 5 ms，所以主轴振动的基频为,图1.30 电涡流

15、式测振仪测量振动,37,第4章,38,解 对于差动式变极距型电容传感器，使用时两电容总输出为,忽略非线性项后，其输出的线性表达式为,忽略高阶非线性项后，其输出的非线性表达式为,4.4 当差动式变极距型电容传感器动极板相对于定极板移动了d = 0.75 mm时，若初始电容量C1 = C2 = 80 pF，初始距离d = 4 mm，试计算其非线性误差。若改为单平板电容，初始值不变，其非线性误差为多大？,39,所以，非线性误差为,若改为单平板电容，其输出为,忽略非线性项后，其输出的线性表达式为,忽略高阶非线性项后，其输出的非线性表达式为,所以，非线性误差为,40,4.7 平板式电容位移传感器如图1.

16、50所示。已知极板尺寸a = b = 4 mm，间隙d0 = 0.5 mm，极板间介质为空气。求该传感器的静态灵敏度。若极板沿x方向移动2 mm，求此时的电容量。,图1.50 平板式电容位移传感器,41,解 极板沿x方向移动时，传感器的电容量为,式中，0 = 8.85 10-12 F / m为真空介电常数；r为介质相对介电常数，对于空气，r 1；A为两极板相互覆盖的面积。 = 0时，传感器的初始电容量为,所以，传感器电容的相对改变量为,42,由此可得传感器的（相对）灵敏度为,43,4.8 差动式同心圆筒电容传感器如图1.51所示，其可动极筒外径为9.8 mm，定极筒内径为10 mm，上下遮盖长

17、度各为1 mm时，试求电容值C1和C2。当供电电源频率为60 kHz时，求它们的容抗值。,图1.51 同心圆筒电容传感器,44,解 由题意可知该传感器为差动变面积型电容传感器。根据圆柱型电容器电容量的计算公式，得,当供电电源频率为f = 60 kHz时，它们的容抗值皆为,45,4.9 如图1.52 所示，在压力比指示系统中采用差动式变极距型电容传感器，已知原始极距d1 = d2 = 0.25 mm，极板直径D = 38.2 mm，采用电桥电路作为其转换电路，电容传感器的两个电容分别接R = 5.1 k的电阻作为电桥的两个桥臂，并接有效值为U = 60 V的电源电压，其频率为f = 400 Hz

18、，电桥的另两臂为相同的固定电容C = 0.001 mF。试求该电容传感器的电压灵敏度。若d = 10 mm，求输出电压的有效值。,图1.52 差动电容转换电路,46,解 根据图1.52 所示的桥路连接方法，可得,由于原始极距d1 = d2 = d = 0.25 mm，所以初始时,当极板移动时，在线性近似条件下，即当d / d 1时，两电容的改变量大小相等，符号相反，若C1增加C，则C2减小C，反之亦然。所以,47,当极板移动时，在线性近似条件下，即当d / d 1时，两电容的改变量大小相等，符号相反，若C1增加C，则C2减小C，反之亦然。所以,在线性近似条件下，有,可得,48,故该电容传感器的

19、（相对）电压灵敏度为,又由于C0R = 2 400 40.6 10-12 5.1 103 = 5.2 10-4 1，所以,若d = 10 mm，则输出电压的有效值为,因此,49,4.10 已知圆盘形电容极板直径D = 50 mm，极板间距d0 = 0.2 mm，在电极间置一块厚dg = 0.1 mm的云母片，其相对介电常数为r1 = 7，空气相对介电常数为r2 = 1。 （1）求无、有云母片两种情况下电容值C1、C2各为多大？ （2）当间距变化d = 0.025 mm时，电容相对变化量C1 / C1与C2 / C2各为多大？,50,解 （1）当无云母片时，电容值为,当有云母片时，相当于两个电容

20、串联，电容值为,（2）根据上面所给电容量的表达式可得，当间距减小d = 0.025 mm且无云母片时,当间距减小d = 0.025 mm且有云母片时,51,第5章,52,5.3 如图1.63所示为电磁阻尼器示意图。设工作气隙中磁感应强度为B，金属骨架的平均直径为D，厚度为t，电阻率为r。当它以速度v在工作气隙中垂直于磁场方向运动时，对于理想的粘性阻尼（阻尼力与速度v成正比），忽略漏磁和杂散磁场，试证明其电磁阻尼系数为,图1.63 电磁阻尼器示意图,53,【证明】 当骨架以速度v在环形工作气隙中垂直于磁场方向运动时，在骨架中产生的感应电势的大小为,式中，l = D为骨架的平均周长。 处于工作气隙

21、中的骨架段的电阻R由电阻定律得到，为,式中，ld为工作气隙长度。,54,所以骨架中产生的感应电流为,而载流导体在磁场中运动所受到的磁场力为,所以电磁阻尼系数为,命题得证。,55,5.4 基于磁电感应原理的流量计原理如图1.64所示，试推导其输出输入关系。设绝缘导管内径为D，被测流体是导电的。,图1.64 磁电感应式流量计原理图,56,【解】 由于导管是绝缘的，当导电的流体在其中流动时，两电极之间的流体可以看作是一段长度为导管内径D的导体。设管道中流体的流速分布均匀，各处的流速皆为u，两磁铁之间的磁场分布也均匀，各处的磁感应强度皆为B，则这一段导体产生的感应电势的大小为,此感应电势被差动放大后的

22、输出电压为,式中，k为差动放大器的放大倍数。 管道中流体的流量为,所以，流量计的输出输入关系为,由上式可知，流量计的输出与被测流量成正比，因此可以测量管道内流体的流量。,57,5.7 某磁电感应式速度传感器总刚度为3 200 N / m，测得其固有频率为20 Hz，今欲将其固有频率减小为10 Hz，问刚度应为多大？ 【 解 】 磁电感应式速度传感器总刚度k、质量m及固有角频率0之间的关系为,质量m不变，由此可得不同固有角频率之下的总刚度比值为,由于角频率正比于频率，所以,58,5.15 某霍尔元件尺寸为L = 10 mm，W = 3.5 mm，d = 1.0 mm，沿L方向通以电流I = 1.

23、0 mA，在垂直于L和的方向加有均匀磁场B = 0.3 T，灵敏度为22 V / (A T)，试求输出霍尔电势及载流子浓度。,【解】 输出的霍尔电势为,式中，KH为霍尔元件的灵敏度。代入数据得,59,设载流子浓度为n，根据,式中，RH为霍尔常数；e为电子电荷量。得载流子浓度为,代入数据，得,60,5.16 试分析霍尔元件输出接有负载RL时，利用恒压源和输入回路串联电阻RT进行温度补偿的条件。 【解】 补偿电路如图1.66（a）所示。输入回路与输出回路的等效电路分别如图1.66（b）和图1.66（c）所示。设RL不随温度改变。由于霍尔元件输出电阻ROUT随温度变化，输出霍尔电势UH也随温度变化，

24、使得负载电阻上的输出电压与温度有关。,图1.66 霍尔元件接有负载时的温度补偿,61,温度为T0时，负载电阻上的输出电压为,设RT的温度系数为，霍尔元件内阻温度系数为，灵敏度温度系数为，则温度升高T后，负载电阻上的输出电压为,62,要实现温度补偿，应使U = U0，即,消去二阶小量（即含 2或 的项），解得,为了获得最大的输出功率，可使RL = ROUT0，则,63,5.17 霍尔元件灵敏度为KH = 40 V / (A T)，控制电流为I = 3.0 mA，将它置于变化范围为1 10-4 5 10-4 T的线性变化的磁场中，它输出的霍尔电势范围为多大？,【解】,输出的霍尔电势范围为1.261

25、0-5V,根据,可得，当B为1 10-4 T时，输出的霍尔电势为,当B为5 10-4 T时，输出的霍尔电势为,64,第6章习题,6.7、6.10、6.11、6.13,65,6.7 已知电压前置放大器输入电阻及总电容分别为Ri =1M，Ci = 100pF，求与压电加速度计相配测1Hz振动时幅值误差是多少？,解：根据电压前置放大器实际输入电压幅值与理想输入电压幅值之比的相对幅频特性为,幅值误差,式中，= RiCi为电路的时间常数； = 2f为被测信号的角频率。 当被测信号的频率f = 1 Hz时，有,由此可见，测量误差太大了，原因在于输入阻抗太小。,66,电压放大器输入端电压Ui，,67,610

26、 已知电压式加速度传感器阻尼比0.1。若其无阻尼固有频率f32kHz,要求传感器输出幅值误差在5以内，试确定传感器的最高响应频率。,解 根据压电式加速度传感器的频率响应特性可知，其下限截止频率由前置放大器决定，其上限截止频率则由传感器机械系统的频率特性决定。压电式加速度传感器机械系统的力学模型如图1.82所示，图中，m为质量块的质量，c为阻尼系数，k为弹性系数，x为质量块相对于传感器壳体的位移，y为传感器基座相对于惯性坐标系的位移。,图1.82 传感器的力学模型,68,质量块的运动规律可以表示为,图1.82 传感器的力学模型,上式可改写成下面形式,式中，,69,由此可得质量块弹簧阻尼器系统的频

27、率响应函数为,式中，Y(j)为质量块弹簧阻尼器系统的输出信号x(t)的傅里叶变换；X(j)为质量块弹簧阻尼器系统的输入信号a(t)的傅里叶变换（即被测加速度的傅里叶变换）。 质量块弹簧阻尼器系统的幅频特性（未归一化）则为,当 / 0 1时，忽略分母上含 / 0的项，得理想幅频特性的表达式为,70,根据题意，在角频率上限H时，幅值误差为5%，即,亦即,考虑到幅频特性曲线谐振峰右侧频段的相频特性很差，只需求解,解得wH1 = 0.22w0，wH2 = 1.38w0（舍去）。所以，最高响应频率为,71,6.11一压电加速度计，供它专用电缆的长度为1.2m，电缆电容为100pF，压电片本身电容为100

28、0pF。出厂标定电压灵敏度为100V/g ，若使用中改用另一根长2.9m电缆，其电容量为300pF，问其电压灵敏度如何改变？,解：,Ca+Ci=1000pF, Cc=100pF, S0=100V/g,初始灵敏度,电缆改变后，灵敏度,Cc1=300pF,72,73,6.13 压电式传感器的测量电路如图1.84所示。其中压电片固有电容Ca = 1 000 pF，固有电阻Ra = 1014 ，连线电缆电容Cc = 300 pF，反馈电容Cf = 100 pF，反馈电阻Rf = 1 M 。 （1）推导输出电压Uo的表达式。 （2）当运放开环放大倍数A0 = 104时，求系统的测量误差为多大？ （3）该

29、测量系统的下限截止频率为多大？,图1.84 压电式传感器测量电路,74,解 （1）根据密勒定理，将Rf和Cf折合到运放输入端，其等效电阻为Rf = Rf / (1+A0)，等效电容为Cf = (1+A0)Cf，如图1.85（a）所示。为了方便，压电元件采用电压源的形式，再等效成如图1.85（b）所示的电路形式，图中Z表示虚线框内元件的等效阻抗。假设运放反相端的电压为Ui，可得,图1.85 压电式传感器测量电路的等效电路,75,一般来说，运放的开环放大倍数A0在104 108之间，根据所给条件，分母上的第三项为第二项的1012 1016倍，所以，忽略分母上的第二项不会导致测量误差，得,因此，测量

30、电路的输出为,当满足Ca + Cc + (1 + A0)Cf (1 + A0) / Rf，即被测信号的频率远远大于系统的下限截止频率时，分母上的(1 + A0) / Rf也可以忽略，得,此时，测量电路的输出与被测信号的频率无关。,76,若还能满足(1 + A0)Cf Ca + Cc，则可进一步忽略分母上的Ca、Cc，得,当A0 时，上式可写成,（2）由于A0实际上不为无穷大，忽略Ca、Cc可能导致测量误差，误差的大小为,77,（3）根据上面讨论，下限截止角频率为,由于一般满足(1 + A0)Cf Ca + Cc，所以，下限截止角频率为,下限截止频率则为,78,79,第7章,80,7.13 若某

31、光栅的栅线密度为W=100线/mm，要使形成的莫尔条纹宽度为BH=10mm，求主光栅与指示光栅之间的夹角为多少?解 由光栅密度100线/mm,可知其光栅常数W为,mm,根据公式，可得,81,第8章,82,8.6 有一光纤，其纤芯的折射率n1=1.56，包层折射率n2=1.24，则其数值孔径值NA是多少？解 根据光纤数值孔径NA定义,83,8.8 用光纤涡街流量计测量某管道中液体的流速，当测得光纤的振动频率f =1000Hz时，则所测液体的流速是多少？已知光纤的直径为d=200m，s=0.2。,将已知数据代入得,式中: v流速；d流体中物体的横向尺寸大小；s斯特罗哈数, 它是一个无量纲的常数,

32、仅与雷诺数有关。,解 光纤涡街流量计的光纤的振动频率为 f=sv/d,84,第9章,85,9.7试说明电荷激励法转换电路中所用倍频器的作用,解：电荷法转换电路常采用差频检测电路。传感器工作在5MHz的初始频率上，经倍频器乘以40，并用差频检测器减去来自作为基难的5MHz振荡器(也乘以40)的频率数送入计数器。这里采用倍频器是为了放大被测信号，提高灵敏度。,86,98 谐振式传感器以f 2为输出时比以f为输出时的线性度高，试画框图说明以为输出的转换电路原理。,解： 对谐振式传感器，其输出信号的频率与被测量之间的关系一般为非线性关系，即输出信号的频率与被测量的开方成正比。采用图示以频率的平方为输出

33、的转换电路，原理是，谐振式传感器输出信号u1的频率为f周期为T(T1f)。u1经放大整形后得到频率为f的方波u2。 u2触发CMOS单稳态触发器，得到频率为f,周期为T，但脉冲宽度为的方波u3。 由图中电路元件的取值决定，与f无关，是常量。,87,u3同时控制图(a)所示的两个频率电压转换电路，使它们在每个周期T里输出宽度为、幅值分别为Ur1、Ur2的方波u01和u02。 u02经低通滤波后得到U0。 U0 (Ur2)/T,uo1经低通滤波后作为Ur2 ， Ur2 (Ur1)/T,所以,显然，只要保证基准电压Ur1及单稳态时间常数不变，该电路的输出电压即与谐振式传感器输出信号频率的平方成正比，

34、进而与被测量成正比。,88,u1频率为f的周期信号,u1频率为f的方波信号,u3为频率为f,周期为T，但脉冲宽度为的方波,Ur2 (Ur1)/T,U0 (Ur2)/T,89,第10章,90,10.7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?,解 利用中间温度定律,91,10. 9己知铂电阻温度计，0 时电阻为100，100 时电阻为139，当它与某热介质接触时，电阻值增至281，试确定该介质温度。,解：设铂电阻和温度的关系,92,10.10己知某负温度系数热敏电阻(NTC)的材料系数B值为2900K，若0 电阻值为500 k，试求

35、100 时电阻值?,解：负温度系数热敏电阻(NTC)的电阻和温度的关系,93,第11章,94,113 在脉冲回波法测厚时，利用何种方法测量时间间隔T能有利于自动测量?若已知超声波在工件中的声速为5640m/s，测得的时间间隔t为22s，试求工件厚度。解：,工件的厚度H,95,1112计算一块氧化铁被加热到l00时，它能辐射出多少瓦的热量?铁块表面积为0.9m2。,解：根据斯忒玻尔兹曼定律物体温度越高，发射的红外辐射能越多在单位时间内其单位面积辐射的总能量E,T 物体的绝对温度，斯忒藩玻尔兹曼常数， 5.6710-8w(m2K4)；比辐射率，即物体表面辐射本领与黑体辐射本领的比值，,查表，氧化铁

36、的比辐射率=0.69,96,97,传感器原理及应用复习,2009.12,电子科学与技术专业 07级,98,1、传感器的定义2、传感器的组成3、传感器技术的发展趋势,绪论,99,第一章传感器的一般特性,1、描述传感器静态特性的主要指标的定义及表示方法 2、传感器的传递函数、频率响应函数的意义和传感器的动态响应 3、描述传感器动态特性的主要指标,100,.线性度,定义表达式常用拟合直线,1、描述传感器静态特性的主要指标的定义及表示方法,.灵敏度,定义表达式其它表示方法,.迟滞（迟环）,定义表达式产生原因,101,重复性,定义表达式计算式,.阈值和分辨力,定义,.漂移,定义分类,.稳定性,定义,.静

37、态误差,定义表示方法,102,2、传感器的传递函数、频率响应函数、冲击响应函数的意义和传感器的动态响应,传递函数 频率响应函数 冲击响应函数,定义表达式三者之间的关系,103,一阶传感器,动态参数 意义 表达式对阶跃函数的响应对正弦函数的响应,传感器的动态响应,二阶传感器,动态参数 意义 表达式对阶跃函数的响应对正弦函数的响应,传感器无失真测试条件,幅频特性相频特性,104,3、描述传感器动态特性的主要指标,时间常数、上升时间、响应时间、过调量、 通频带、工作频带。,105,第二章 电阻式传感器,1、金属的电阻应变效应及电阻应变片的工作原理。2、何谓金属电阻应变片的灵敏系数？它与金属丝的灵敏系

38、数有什么不同？3、应变片的横向效应。4、说明应变片的温度误差产生的原因和补偿方法。5、电桥电路的非线性误差及补偿6、压阻效应及压阻式传感器的工作原理,106,1、金属的电阻应变效应及电阻应变片的工作原理,金属的电阻应变效应 定义、影响因素电阻应变片的工作原理 被测量弹性元件变形应变片电阻变化,107,2、何谓金属电阻应变片的灵敏系数？它与金属丝的灵敏系数有什么不同？,应变片灵敏系数 元件、 定义 产品包装盒上注明抽样平均值 实验条件 金属丝的灵敏系数 材料应变片灵敏系数恒小于金属丝的灵敏系数，,108,3、应变片的横向效应,定义影响因素,109,4说明应变片的温度误差产生的原因和补偿方法。,温

39、度效应热输出产生温度误差的原因 补偿方法,110,6、电桥电路的非线性误差补偿,电桥的输出 线性 非线性电桥电路的非线性误差补偿 差动结构 电源,111,7、压阻效应及压阻式传感器的工作原理,压阻效应 定义 表达式压阻式传感器的工作原理,112,第三章 电感式传感器,1、自感式传感器的工作原理、分类。2、什么是零点残余电压？说明产生的原因和减小的措施。3、差动变压器式传感器的结构、特点和工作原理。4、变压器电桥测量电路的工作原理和特点。5、说明电涡流式传感器的工作原理、分类及应用。6、什么是压磁效应？说明压磁式传感器的结构与工作原理。,113,1、自感式传感器的工作原理、分类,工作原理 被测量

40、-衔铁-磁阻变化- 电感分类 变气隙 变面积 螺线管,114,2、什么是零位残余电压？说明产生的原因和减小的措施。,定义危害产生原因减小的措施。,115,3、差动变压器式传感器的结构特点和工作原理,互感式传感器结构 和普通变压器异同工作原理 等效电路 工作原理,116,4、变压器电桥测量电路的工作原理和特点,组成工作原理特点,117,5、说明电涡流式传感器的分类、工作原理,分类 高频反射式涡流传感器 组成 等效电路 工作原理 低频透射式涡流传感器 组成 工作原理,118,6、什么是压磁效应？说明压磁式传感器的结构与工作原理,压磁效应压磁式传感器的结构压磁式传感器的工作原理,119,第四章电容式

41、传感器,1、说明电容式传感器的工作原理、分类。2、差动脉冲宽度调制和运算放大器式电路的工作原理及特点。3、影响电容传感器精度的因素及提高精度的措施。,120,1说明电容式传感器的工作原理、分类,工作原理分类 变极距 变面积 变介电常数,121,3、差动脉冲宽度调制电路的工作原理及特点,组成工作原理特点,122,4、影响电容传感器精度的因素及提高精度的措施,影响因素 温度 边缘效应 漏电阻 寄生电容 防止和减少外界干扰,123,第五章磁电式传感器,1磁电感应式传感器的分类、工作原理。3、磁电感应式传感器的误差及补偿。3、什么是霍尔效应？霍尔元件及结构。4、霍尔元件的误差及补偿。5、磁敏电阻的工作

42、原理和结构。6、磁敏二极管的结构和工作原理。,124,1磁电感应式传感器的分类、工作原理,工作原理 影响因素 双向传感器分类：1、恒磁通式 动铁式、动圈式 2、变磁通式 开磁路、闭磁路,125,2、磁电感应式传感器的误差及补偿,永久磁铁稳定性 时间因素 外磁场 温度 振动与冲击 温度误差 热磁合金非线性误差 线圈 气隙磁场 电磁阻尼器,126,3、什么是霍尔效应？霍尔元件及结构,霍尔效应 定义 影响因素 霍尔电压表达式霍尔元件 结构 类型 线性 开关,127,不等位电势 定义 产生原因 工艺、材料 补偿电路温度误差 产生原因 补偿 恒流源、并联电阻 恒压源、串联电阻,4、霍尔元件的误差及补偿？

43、,128,磁阻效应 物理磁阻效应 几何磁阻效应磁敏电阻 结构,5.磁敏电阻的工作原理和结构,129,6、磁敏二极管的结构和工作原理,磁敏二极管 结构 使用条件 工作原理,130,第六章压电式传感器,1、何谓压电效应？说明石英晶体和压电陶瓷产生压电效应的原理。2、压电元件的等效电路、常用结构形式。 3、说明压电式传感器的前置放大器的作用、分类和工作原理。,131,压电式传感器 双向压电效应 机电逆压电效应 电机石英晶体 特点 机理压电陶瓷 特点 机理,1、何谓压电效应？说明石英晶体和压电陶瓷产生压电效应的原理。,132,2、压电元件的等效电路及常用结构形式。,等效电路 电荷源 电压源元件组合 串

44、联 并联,133,3、说明压电式传感器的前置放大器的作用、分类和工作原理,前置放大器作用 放大 阻抗转换。 分类 电压放大器 电路 信号输出 特点 电荷放大器 电路 信号输出 特点,134,第七章 光电式传感器,1、光电效应和相应的光电器件。2、光电器件的特性。3、CCD器件的工作原理与类型。4、莫尔条纹及其特点。5、光栅传感器的工作原理光栅测量的特点,135,1、光电效应和相应的光电器件,光电效应 外光电效应 内光电效应 光电导效应 PN结光生伏特效应光电器件 外光电效应 工作原理 内光电效应 工作原理,136,2、光电器件的特性,各种光电器件的特性的定义及各种各种光电器件的特性。1.光照特

45、性。2.光谱特性。3.温度特性。4.伏安特性。5.频率特性和响应时间。,137,3、CCD器件的工作原理与类型。,根据CCD器件结构形式 线阵型 单排 双排 面阵型 线转移型 帧转移型 行间转移型,CCD器件 电荷存储、转移、输出的原理,138,4、莫尔条纹及其特点,莫尔条纹 定义、公式 特点 放大 对应 平均,139,5、光栅传感器的工作原理光栅测量的特点,光栅式传感器 组成 工作原理 特点,140,第八章 光纤式传感器,1、光纤传光的基本原理、光纤的数值孔径与传输模式2、光纤传感器的组成及分类3、光纤传感器常用光调制方式,141,1、光纤传光的基本原理、光纤的数值孔径与传输模式,传光的基本

46、原理 全反射光纤的数值孔径 表达式、意义光纤的传输模式 含义 单模 多模,142,2、光纤传感器的组成及分类,基本组成 光导纤维、 光源、 光探测器分类 传光型 功能型,143,光调制 目的 被测量光信号变化方式 强度 微弯损耗、小的线位移和角位移折射率 的变化、光纤的吸收特性 相位 应变效应 泊松效应 光弹性效应 温度效应 波长 频率 多普勒效应 偏振态 法拉第磁光效应、克尔电光效应 光弹效应等,3、光纤传感器常用光调制方式,144,第九章 谐振式传感器,1、谐振式传感器的组成、类型与原理。2. 谐振式传感器振子的激励方式。3、振弦式谐振传感器特性及减少非线性的方法。,145,1、谐振式传感

47、器的组成、类型与原理,谐振(机械)式传感器的组成：振子激励源 检测 放大 补偿 输出。 谐振式传感器的类型(按振子分) ： 弦、 膜、 梁、 筒。谐振式传感器的原理。,146,2.谐振式传感器振子的激励方式,连续激励法 电流法 电磁法 电荷法 电热法间歇激励法。,147,3、振弦式谐振传感器特性及减少非线性的方法,振弦式谐振传感器特性 非线性 表达式 影响因素 减少非线性 测量范围 差动式 频率的平方为输出的转换电路,148,第十章 热电式传感器,1、热电效应及热电偶传感器的工作原理。2、热电偶的基本定律及意义。3、热电偶冷端温度补偿的原因与方法。4、热电阻传感器及测量电路。5、热敏电阻的特点

48、、类型，特性。6、PN结型温度传感器的工作原理及特点。,149,1、热电效应及热电偶传感器的工作原理,热电效应 热电动势、温差电势、接触电势 热电偶 结构 工作原理 几点结论,150,2、热电偶的基本定律及意义,匀质导体定律 定义 意义中间导体定律 定义 证明 意义连接导体定律和中间温度定律 定义 意义参考电极定律（标准电极定律） 定义 意义,151,3、热电偶冷端温度补偿的原因与方法,热电偶冷端补偿 原因补偿方法 冰浴法 计算修正法 仪表机械零点调整法 补偿电桥法,152,4、热电阻传感器及测量电路,热电阻传感器 测量电路 问题 二线制 三线制 四线制,153,热敏电阻的特点按温度特性分类

49、正温度系数（PTC）型热敏电阻 负温度系数热敏电阻（NTC） 临界型（CTR）热敏电阻负温度系数热敏电阻（NTC）的 温度特性 伏安特性,5、热敏电阻的特点、类型、特性,154,6、PN结型温度传感器的工作原理及特点,温敏二极管 特点 工作原理温敏三极管 特点 工作原理集成温度传感器 特点 分类 电流型 电压型,155,第十一章 波式和射线式传感器,1、超声波式传感器的特点及测量原理 2、压电式探头的结构与工作原理3、微波式传感器的特点及类别4、核辐射传感器的组成与探测器5、红外辐射的基本定律6、红外探测器的分类及热释电型红外探测器的工作原理,156,1、超声波式传感器的特点及测量原理,超声波

50、的 特点。超声波测量原理：待测的非声量与描述媒质声学特性的超声量（如声速、声衰减、声阻抗） 电量。,157,2、压电式探头的结构与工作原理,压电式超声换能器 结构 工作原理 特点,158,3、微波式传感器的特点及类别,微波的特点微波式传感器的分类 反射式微波传感器 遮断式微波传感器,159,4、核辐射传感器的组成与探测器,核辐射传感器的组成 辐射源、探测器。探测器 电离室 结构作工原理 盖革弥勒计数管、结构工作原理 闪烁计数器结构工作原理 半导体探测器,160,5、红外辐射的基本定律,基尔霍夫定律 辐射和吸收斯忒藩一玻尔兹曼定律 辐射和温度维恩位移定律 峰值波长和温度,161,6、红外探测器的