传感器重点作业题答案

1、1-10 对某节流元件开孔直径d20的尺寸进行了15次测量，测量数据如下（单位：mm）：120.42 120.43 120.40 120.42 120.43 120.39 120.30 120.40 120.43 120.41 120.43 120.42 120.39 120.39 120.40 试用格拉布斯准则判断上述数据是否含有粗大误差，并写出其测量结果。解1： 求算术平均值及标准差， 判断有无粗大误差用格拉布斯准则，n=15，取置信概率Pa=0.95，得格拉布斯系数G=2.41。则：数据120.30标准差超出，所以剔除。剔除后剩余14个数据计算：，用格拉布斯准则，n=14，取置信概率Pa=0.95，得格拉布斯系数G=2.37。则：，经判断无坏值。 计算算术平均值的标准差： 测量结果： Pa=0.9973解2： 求算术平均值及标准差：（同解1） 判断有无粗大误差用格拉布斯准则，n=15，取置信概率Pa=0.99，得格拉布斯系数G=2.70。则：数据120.30标准差超出，所以剔除。剔除后剩余14个数据计算：，用格拉布斯准则，n=14，取置信概率Pa=0.99，得格拉布斯系数G=2.

2、66。则：，经判断无坏值。 计算算术平均值的标准差： 测量结果： Pa=0.99731-13 测量某电路的电流I=22.5mA，电压U=12.6V，标准差分别为I=0.5mA,U=0.1V，求所耗功率P=UI及其标准差。解：所以所耗功率283.5mW，标准差6.69mW。2-1 什么叫传感器？它由哪几部分组成？1、传感器是能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。2、传感器由：敏感元件、转换元件、信号调理与转换电路和辅助的电源组成。3、它们的作用是：（1）敏感元件：是指传感器中能直接感受或响应被测量的部分；（2）转换元件：是指传感器中能将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于传输或测量的电信号部分；（3）信号调理与转换电路：由于传感器输出信号一般都很微弱，需要有信号调理与转换电路，进行放大、运算调制等；（4）辅助的电源：此外信号调理转换电路以及传感器的工作必须有辅助的电源。4、最简单的传感器由一个敏感元件(兼转换元件)组成，它感受被测量时直接输出电量，如热电偶。有些传感器由敏感元件和转换元件组成，没有转换电路，如压电式加速度传感器，其中质量块m是敏感元件，压电片（

3、块）是转换元件。有些传感器，转换元件不只一个，要经过若干次转换。2-2 什么是传感器的静态特性？它有哪些性能指标？分别说明这些性能指标的含义。1、传感器的静态特性是指被测量的值处于稳定状态时的输出与输入的关系。也即当输入量为常量，或变化极慢时，这一关系就称为静态特性。2、静态特性性能指标包括：线性度、灵敏度、迟滞、重复性和漂移等。3、性能指标：（1）灵敏度：输出量增量y与引起输出量增量y的相应输入量增量x之比。用S表示灵敏度，即（2）线性度：传感器的线性度是指在全量程范围内实际特性曲线与拟合直线之间的最大偏差值Lmax与满量程输出值YFS之比。线性度也称为非线性误差，用L表示，即 （3）迟滞：传感器在输入量由小到大（正行程）及输入量由大到小（反行程）变化期间其输入输出特性曲线不重合的现象称为迟滞。用H表示，迟滞误差又称为回差或变差。即 ：（4）重复性：重复性是指传感器在输入量按同一方向作全量程连续多次变化时，所得特性曲线不一致的程度。重复性误差属于随机误差，常用标准差计算，也可用正反行程中最大重复差值Rmax计算，即 或（5）漂移：传感器的漂移是指在输入量不变的情况下，传感器输出量随着

4、时间变化，此现象称为漂移。温度漂移通常用传感器工作环境温度偏离标准环境温度（一般为20）时的输出值的变化量与温度变化量之比()来表示， 即 2-3 什么是传感器的动态特性？它有哪几种分析方法？它们各有哪些性能指标？1、动态特性指传感器对随时间变化的输入量的响应特性。2、研究动态特性的方法有两种：时域法和频域法。在时域内研究动态特性采用瞬态响应法。输入的时间函数为阶跃函数、脉冲函数、斜坡函数，工程上常输入标准信号为阶跃函数；在频域内研究动态特性采用频率响应法，输入的标准函数为正弦函数。3、性能指标是：（1）传感器的时域动态性能指标 时间常数：一阶传感器输出上升到稳态值的63.2%所需的时间，称为时间常数； 延迟时间td：传感器输出达到稳态值的50%所需的时间； 上升时间tr：传感器输出达到稳态值的90%所需的时间； 峰值时间tp： 二阶传感器输出响应曲线达到第一个峰值所需的时间； 超调量： 二阶传感器输出超过稳态值的最大值； 衰减比d：衰减振荡的二阶传感器输出响应曲线第一个峰值与第二个峰值之比。（2）频率响应特性指标 通频带0.707： 传感器在对数幅频特性曲线上幅值衰减3 dB 时所对

5、应的频率范围； 工作频带0.95（或0.90）：当传感器的幅值误差为5%（或10%）时其增益保持在一定值内的频率范围； 时间常数： 用时间常数来表征一阶传感器的动态特性。越小，频带越宽； 固有频率n： 二阶传感器的固有频率n表征其动态特性； 相位误差：在工作频带范围内，传感器的实际输出与所希望的无失真输出间的相位差值，即为相位误差；跟随角0.707: 当=0.707时，对应于相频特性上的相角， 即为跟随角。3-1 什么叫应变效应？什么是压阻效应？利用应变效应解释金属电阻应变片的工作原理。1、所谓应变效应是指金属导体在外界作用下产生机械变形（拉伸或压缩）时，其电阻值相应发生变化，这种现象称为电阻应变效应。2、半导体材料的电阻率随作用应力的变化而发生变化的现象称为压阻效应。3、应变式传感器的基本工作原理：当被测物理量作用在弹性元件上，弹性元件在力、力矩或压力等作用下发生形变，变换成相应的应变或位移，然后传递给与之相连的应变片，将引起应变敏感元件的阻值发生变化，通过转换电路变成电量输出。输出的电量大小反映了被测物理量得大小。3-2 试述应变片温度误差的概念、产生原因和补偿方法。1、由于测量现

6、场环境温度的改变而给测量带来的附加误差， 称为应变片的温度误差。 2、产生的原因有两个：一是敏感栅的电阻丝阻值随温度变化带来的附加误差；二是当试件与电阻丝材料的线膨胀系数不同时，由于环境温度的变化，电阻丝会产生附加变形，从而产生附加电阻变化。3、电阻应变片的温度补偿方法通常有：线路补偿和应变片自补偿 。3-4 拟在等截面的悬臂梁上粘贴是个完全相同的电阻应变片，并组成差动全桥电路，试问：四个应变片应怎样粘贴在悬臂梁上？（应变片尺寸远小于悬臂梁）画出相应的电桥电路图。1、在悬臂梁力传感器中，一般将应变片贴在距固定端较近的表面，且顺梁的方向上下各贴两片，上面两个应变片受压时，下面两个应变片受拉，并将四个应变片组成全桥差动电桥。这样既可提高输出电压灵敏度，又可减小非线性误差。 图3-1等截面积悬臂梁2、差动全桥测量电路图3-2差动全桥测量电路4-x了解变磁阻式、差动变压器式、电涡流式传感器基本原理和结构及其常用测量电路。（1）变磁阻式：基本原理：在铁芯和衔铁之间有气隙，传感器的运动部分与衔铁相连。当衔铁移动时，气隙厚度发生改变，引起磁路中磁阻变化，从而导致电感线圈的电感值变化。结构：由线圈、铁

7、芯和衔铁三部分组成。铁芯和衔铁由导磁材料制成。常用测量电路：交流电桥式测量电路 变压器式交流电桥 相敏检波电路（2） 差动变压器式基本原理：把被测的非电量变化转换为线圈互感变化的传感器称为互感式传感器。这种传感器是根据变压器的基本原理制成的，并且次级绕组用差动形式连接， 故称差动变压器式传感器。A. 差动整流电路 ： 这种电路是把差动变压器的两个次级输出电压分别整流， 然后将整流的电压或电流的差值作为输出。B.相敏检波电路 ：输入信号u2(差动变压器式传感器输出的调幅波电压)通过变压器T1加到环形电桥的一个对角线上。参考信号us通过变压器T2加到环形电桥的另一个对角线上。 输出信号uo从变压器T1与T2的中心抽头引出。（3） 电涡流式传感器（互感式） 原理： 根据法拉第定律，当传感器线圈通以正弦交变电流I1时，线圈周围空间必然产生正弦交变磁场H1，使置于此磁场中的金属导体中感应电涡流I2，I2又产生新的交变磁场H2。 根据愣次定律， H2的作用将反抗原磁场H1，由于磁场H2的作用，涡流要消耗一部分能量，导致传感器线圈的等效阻抗发生变化。 线圈阻抗的变化完全取决于被测金属导体的电涡流效应

8、。测量电路：调频式电路 ：传感器线圈接入LC振荡回路，当传感器与被测导体距离x改变时，在涡流影响下，传感器的电感变化，将导致振荡频率的变化，该变化的频率是距离x的函数，即f=L(x), 该频率可由数字频率计直接测量，或者通过f-V变换，用数字电压表测量对应的电压。 调幅式电路：由传感器线圈L、电容器C和石英晶体组成。石英晶体振荡器起恒流源的作用，给谐振回路提供一个频率（f0）稳定的激励电流io，LC回路输出电压4-3差动变压器式传感器有哪几种结构形式？各有何特点？1、把被测的非电量转化为线圈互感变化的传感器称为互感式传感器，这种传感器是根据变压器的基本原理制成的，并且次级绕组用差动形式连接，故称差动变压器式传感器。2、差动变压器结构形式有：有变隙式、变面积式和螺线管式等，在非电量测量中，应用最多的是螺线管式差动变压器。3、特点：（1）变气隙式：灵敏度较高，但随气隙的增大而减小，非线性误差大，为了减小非线性误差，量程必须限制在较小的范围内工作，一般为气隙的1/5一下，用于测量几几百的位移。这种传感器制作困难；（2）变面积式：灵敏度小于变气隙式，但为常数，所以线性好、量程大，使用较广泛；（

9、3）螺线管式：灵敏度低，但量程大它可以测量1100mm 机械位移，并具有测量精度高、结构简单、性能可靠、便于制作等优点，使用广泛。4-5 差动变压器式传感器的零点残余电压产生的原因是什么？怎样减小和消除它的影响？1、零点残余电压主要由基波分量和高次谐波分量组成。（1）产生基波分量的主要原因是：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。（2）造成高次谐波分量的主要原因是： 磁性材料磁化曲线的非线性，同时由于磁滞损耗和两线圈磁路的不对称，造成两线圈中某些高次谐波成分不一样，不能对消，于是产生了零位电压的高次谐波。此外，激励信号中包含的高次谐波及外界电磁场的干扰，也会产生高次谐波。2、减小电感式传感器的零点残余电压的措施（1）从设计和工艺上保证结构对称性 为保证线圈和磁路的对称性，首先，要求提高加工精度，线圈选配成对，采用磁路可调节结构；其次，应选高磁导率、低矫顽力、低剩磁感应的导磁材料。并应经过热处理，消除残余应力，以提高磁性能的均匀性和稳定性。由高次谐波产生的因素可知，磁路工作点应选在磁化曲线的线性段；减少激励电流的谐波成分与利用外壳进行电磁屏蔽也能有效地减小高次谐波。（2）选用合适的测量线路另一种有效的方法是采用外接测量电路来减小零位

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