本文格式為Word版，下載可任意編輯——傳感器章節習題答案1010測控復習題

C1傳感器基礎

1什么是傳感器？傳感器的基本組成包括哪兩個部分？這兩個部分各起什么作用？

答：傳感器是一種能把特定被測量的信息按一定規律轉換成某種可用信號并輸出的器件或裝置。傳感器由敏感元件和轉換元件組成。敏感元件能直接感受或響應被測量；轉換元件是將敏感元件感受或響應的被測量轉換成適于傳輸或測量的電信號。2簡述傳感器在自動控制系統中的作用。

答：自動控制系統中傳感器的主要作用是將被測非電量轉換成與其成一定關系的電量，它是自動控制系統的“感官〞、“觸角〞，自動控制系統通過傳感器檢測到的信息實現對系統的控制。因此，傳感器是自動控制系統中得首要部件，是實現現代化測量和自動控制（包括遙感、遙測、遙控）的主要環節，它對于決定自動控制系統的性能起著重要作用。3傳感器有哪些基本特性？

答：傳感器的基本特性尋常可以分為靜態特性和動態特性。靜態特性是指輸入的被測量不隨時間變化或隨時間緩慢變化時表現的特性。表征傳感器靜態特性的主要參數有線性度、靈敏度、分辯力和遲滯、重復性；動態特性是指傳感器跟蹤輸入信號變化的特性，表征傳感器動態特性的主要參數有響應速度、頻率響應。4簡述傳感器的發展方向

答：1)．新材料的開發與應用

在原有的半導體、陶瓷材料等基礎上，利用新的制造材料來提升傳感器性能，提高傳感器的產品質量，降低生產成本。

2)．新制造技術的應用

采用縝密微弱加工技術、蒸鍍技術、擴散技術、光刻技術、靜電封接技術、全固態封接技術，應用使傳感器集成化、超小型化。

3)．新型傳感器的開發

利用新的物理效應、化學效應、生物效應開發出相應的新型傳感器，從而為提高傳感器的性能，拓展傳感器的應用范圍提供了新的動力。

4)．傳感器的集成化

利用集成技術，將敏感元件、測量電路、放大電路、補償電路、運算電路等制作在同一芯片上，使傳感器體積小、質量輕、生產自動化程度高、制造成本低、穩定性和可靠性高、電路設計簡單、安裝調試時間短。

5)．傳感器的智能化

開發具有自補償、自診斷、自校正及數據的自存儲和分析等功能的智能傳感器。6)．新一代航天傳感器的研究

采用新原理、新技術研制新型航天傳感器。7)．仿生傳感器的研究

開發模仿人的感覺器官的仿生傳感器，如視覺傳感器、聽覺傳感器、嗅覺傳感器、味覺傳感器、觸覺傳感器。

5.試舉出你在日常生活中所遇到的傳感器，并說明它的作用。

答：略

6.時間常數為0.001秒的一階裝置對正弦信號進行測量，要求振幅誤差在5%以內，求該裝置能夠測量的正弦信號的最高頻率。

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10測控復習題

解:

τ=0.001

1?H(f)?1?1?5/100???..7

[1?(?2?f)2]12f=52.3???????????????.3

7.用時間常數為0.5的一階裝置進行測量，若被測參數按正弦規律變化，若要求裝置指示值的幅值誤差小于2%，問被測參數變化的最高頻率是多少？假使被測參數的周期是2s和5s，問幅值誤差是多少？

解：一階裝置,有H(s)?H(?)?11??s1[1?(??)2]12

今??0.5，幅值誤差小于2%,應H(?)?0.98求出f?0.08Hz對被測信號：

周期是2s,f1?0.5Hz,H(f1)?0.537，幅值誤差為46.3%周期是5s,f2?0.2Hz,H(f2)?0.847，幅值誤差為15.3%

8.設時間常數為5s的溫度計，從20?C的室溫條件下突然輸入80?C的水中，經過15s之后，溫度計的指示值為多少度?(77℃)

C2應變式電阻傳感器

1什么是電阻的應變效應？利用應變效應解釋金屬應變式電阻傳感器的工作原理。

答：金屬導體在外力的作用下發活力械變形，其電阻值隨著機械變形（伸長或縮短）的變化而發生變化，這種現象稱為金屬的應變效應。

現有一根長度為l，截面積為A，電阻率為ρ的金屬絲，如圖1所示。

圖1金屬應變效應

R??未受力時，電阻值為

lS當金屬絲受到拉力F作用時，將引起電阻值發生變化，

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10測控復習題

電阻的相對變化量為

ΔRΔ?ΔlΔS，當材料一定時，ρ不發生變化，電阻值的變化???R?lS僅與金屬絲長度和金屬絲截面積的變化有關。

2彈性元件在應變式電阻傳感器中起什么作用？

答：彈性敏感元件是電阻式傳感器的敏感元件，能直接感受到被測的量的變化。3簡述應變式電阻傳感器測量電路的功能。

答：由于彈性敏感元件和應變片的應變量一般都很小，電阻值的變化量也很小，不易被觀測、記錄和傳輸，需要通過電橋電路將該電阻值的變化量放大，并轉換成電壓或電流信號。4應變式電阻稱重傳感器的工作原理是什么？

秤盤與懸臂梁相連接，秤盤上放要稱重的物料，物料越重，懸臂梁的變形量就越大，使黏在懸臂梁上下兩側的應變片的變形量就越大，變形量轉換為電阻值的變化量也就越大，由電橋電路將4個應變片的電阻值的變化量轉換為電壓輸出，電壓的大小則反映出物料的重量。

5試比較金屬應變式傳感器和半導體壓電式傳感器的異同點。答：一致點：兩者都是將應變力轉換為電阻的變化。

不同點：金屬應變式傳感器是由于導體的長度和半徑發生改變而引起電阻值的變化，

而半導體應變式傳感器是由于其載流子的遷移率發生變化而引起電阻值的變化。

6下圖2為應變片式電阻傳感器的結構示意圖。圖中各編號名稱：①是應變片，②是懸梁臂，③是質量塊，④是固定端。試分析該傳感器的工作原理。

圖2傳感器的結構示意圖

答：當質量塊上下移動時，將帶動懸梁臂自由端上下移動，使懸梁臂產生彈性變形，從而貼在懸梁臂上的應變片也將發生變形，使應變片的電阻值發生變化，通過應變片組成的橋式電路，將電阻的變化轉換為電壓輸出，通過測量電壓的大小便可知質量塊的加速度的大小。7用于測量起吊重量的拉力傳感器如圖3所示。應變片R1、R2、R3、R4貼在等截面軸上，它們組合的電橋電路如圖3（b）所示。試由圖簡述拉力傳感器的工作原理。

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10測控復習題

圖3測量起吊重量的拉力傳感器示意圖

答：在等截面軸上貼有四個應變片，當沒有起吊鉤上起吊物時，由R1、R2、R3、R4組成的橋式電路平衡，輸出電壓為零；當起吊鉤上掛上起吊物時，等截面軸將被上下拉伸，使得貼在等截面軸上的軸向應變片（R1和R2）也隨之拉伸，這兩個電阻的阻值變大，而徑向應變片（R3和R4）被壓縮，R3和R4的阻值變大，橋式電路失去平衡，輸出電壓不為零，并且隨著起吊物重量的增大，輸出電壓也線性增大，通過測量橋式電路輸出電壓的大小，便可知起吊物的重量。

8應變片產生溫度誤差的原因及減小或補償溫度誤差的方法是什么？

答：電阻應變片產生溫度誤差的原因：當測量現場環境溫度變化時，由于敏感柵溫度系數及柵絲與試件膨脹系數之差異性而給測量帶來了附加誤差。

電阻應變片的溫度補償方法：尋常有線路補償法和應變片自補償兩大類。

1）電橋補償是最常用的且效果較好的線路補償法。電橋補償法簡單易行，而且能在較大的溫度范圍內補償，但上面的四個條件不一滿足，特別是兩個應變片很難處于同一溫度場。2）應變片的自補償法是利用自身具有溫度補償作用的應變片。

9圖4所示為等強度梁測力系統，R1為電阻應變片，應變片靈敏度系數k?2.05，未受應變時R1?120?，當試件受力F時，應變片承受平均應變??8?10?4，求

（1）應變片電阻變化量?R1和電阻相對變化量?R1/R1。

（2）將電阻應變片置于單臂測量電橋，電橋電源電壓為直流3V，求電橋

輸出電壓是多少。

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R1F10測控復習題

（a）

（b）

圖4等強度梁測力系統

解：（1）?R1?K??2.05?8?10?4?1.64?10?3，?R1?k??R1?1.64?10?3?120?0.1968?R1解：（2）

10采用阻值R=120Ω靈敏度系數K=2.0的金屬電阻應變片與阻值R=120Ω的固定電阻組成電橋，供橋電壓為10V。當應變片應變為1000時，若要使輸出電壓大于10mV，則可采用何種工作方式（設輸出阻抗為無窮大）？

解：由于不知是何種工作方式，可設為n，故可得：

K?U2?10?10?3U0???10mV

nn得n要小于2，故應采用全橋工作方式。

11.如圖5所示為一直流電橋，供電電源電動勢E=3V，R3=R4=100Ω，R1和R2為同型號的電

阻應變片，其電阻均為50Ω，靈敏度系數K=2.0。兩只應變片分別粘貼于等強度梁同一截面的正反兩面。設等強度梁在受力后產生的應變為5000，試求此時電橋輸出端電壓U0。

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