《傳感器原理及應(yīng)用》課后答案.doc
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第1章 傳感器基礎(chǔ)理論思考題與習(xí)題答案 1.1什么是傳感器?(傳感器定義) 解:能夠感受規(guī)定的被測(cè)量并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置,通常由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件和調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換電路組成。 1.2傳感器特性在檢測(cè)系統(tǒng)中起到什么作用? 解:傳感器的特性是指?jìng)鞲衅鞯妮斎肓亢洼敵隽恐g的對(duì)應(yīng)關(guān)系,所以它在檢測(cè)系統(tǒng)中的作用非常重要。通常把傳感器的特性分為兩種:靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性。靜態(tài)特性是指輸入不隨時(shí)間而變化的特性,它表示傳感器在被測(cè)量各個(gè)值處于穩(wěn)定狀態(tài)下輸入輸出的關(guān)系。動(dòng)態(tài)特性是指輸入隨時(shí)間而變化的特性,它表示傳感器對(duì)隨時(shí)間變化的輸入量的響應(yīng)特性。 1.3傳感器由哪幾部分組成?說(shuō)明各部分的作用。 解:傳感器通常由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件和調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換電路三部分組成。其中,敏感元件是指?jìng)鞲衅髦心苤苯痈惺芑蝽憫?yīng)被測(cè)量的部分,轉(zhuǎn)換元件是指?jìng)鞲衅髦心軐⒚舾性惺芑蝽憫?yīng)的被測(cè)量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的部分,調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換電路是指將非適合電量進(jìn)一步轉(zhuǎn)換成適合電量的部分,如書(shū)中圖1.1所示。 1.4傳感器的性能參數(shù)反映了傳感器的什么關(guān)系?靜態(tài)參數(shù)有哪些?各種參數(shù)代表什么意義?動(dòng)態(tài)參數(shù)有那些?應(yīng)如何選擇? 解:在生產(chǎn)過(guò)程和科學(xué)實(shí)驗(yàn)中,要對(duì)各種各樣的參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)和控制,就要求傳感器能感受被測(cè)非電量的變化并將其不失真地變換成相應(yīng)的電量,這取決于傳感器的基本特性,即輸出—輸入特性。衡量靜態(tài)特性的重要指標(biāo)是線(xiàn)性度、 靈敏度,遲滯和重復(fù)性等。意義略(見(jiàn)書(shū)中)。動(dòng)態(tài)參數(shù)有最大超調(diào)量、延遲時(shí)間、上升時(shí)間、響應(yīng)時(shí)間等,應(yīng)根據(jù)被測(cè)非電量的測(cè)量要求進(jìn)行選擇。 1.5某位移傳感器,在輸入量變化5mm時(shí),輸出電壓變化為300mV,求其靈敏度。 解:其靈敏度 1.6某測(cè)量系統(tǒng)由傳感器、放大器和記錄儀組成,各環(huán)節(jié)的靈敏度為:S1=0.2mV/℃、S2=2.0V/mV、S3=5.0mm/V,求系統(tǒng)的總的靈敏度。 1.7某線(xiàn)性位移測(cè)量?jī)x,當(dāng)被測(cè)位移由4.5mm變到5.0mm時(shí),位移測(cè)量?jī)x的輸出電壓由3.5V減至2.5V,求該儀器的靈敏度。 解:該儀器的靈敏度為 V/mm 1.8某測(cè)溫系統(tǒng)由以下四個(gè)環(huán)節(jié)組成,各自的靈敏度如下: 鉑電阻溫度傳感器: 0.45Ω/℃ 電橋: 0.02V/Ω 放大器 : 100(放大倍數(shù)) 筆式記錄儀:0.2cm/V 求:(1)測(cè)溫系統(tǒng)的總靈敏度; (2)記錄儀筆尖位移4cm時(shí),所對(duì)應(yīng)的溫度變化值。 解: (1)測(cè)溫系統(tǒng)的總靈敏度為 cm/℃ (2)記錄儀筆尖位移4cm時(shí),所對(duì)應(yīng)的溫度變化值為 ℃ 1.9有三臺(tái)測(cè)溫儀表,量程均為0~800℃,精度等級(jí)分別為2.5級(jí)、2.0級(jí)和1.5級(jí),現(xiàn)要測(cè)量500℃的溫度,要求相對(duì)誤差不超過(guò)2.5%,選那臺(tái)儀表合理? 解:2.5級(jí)時(shí)的最大絕對(duì)誤差值為20℃,測(cè)量500℃時(shí)的相對(duì)誤差為4%;2.0級(jí)時(shí)的最大絕對(duì)誤差值為16℃,測(cè)量500℃時(shí)的相對(duì)誤差為3.2%;1.5級(jí)時(shí)的最大絕對(duì)誤差值為12℃,測(cè)量500℃時(shí)的相對(duì)誤差為2.4%。因此,應(yīng)該選用1.5級(jí)的測(cè)溫儀器。 1.10某溫度傳感器為時(shí)間常數(shù) T=3s 的一階系統(tǒng),當(dāng)傳感器受突變溫度作用后,試求傳感器指示出溫差的1/3和1/2時(shí)所需的時(shí)間。 解:設(shè)溫差為A,測(cè)此溫度傳感器受幅度為A的階躍響 應(yīng)為(動(dòng)態(tài)方程不考慮初態(tài)) 當(dāng)時(shí), 當(dāng)時(shí), 1.11某傳感器為一階系統(tǒng),當(dāng)受階躍函數(shù)作用時(shí),在t=0時(shí),輸出為10mV;t→∞時(shí),輸出為100mV;在t=5s時(shí),輸出為50mV,試求該傳感器的時(shí)間常數(shù)。 解:由題意知: 第2章 應(yīng)變式傳感器思考題與習(xí)題答案 2.1試述金屬電阻應(yīng)變片與半導(dǎo)體電阻應(yīng)變片的應(yīng)變效應(yīng)有什么不同? 答:金屬電阻的應(yīng)變效應(yīng)主要是由于其幾何形狀的變化而產(chǎn)生的,半導(dǎo)體材料的應(yīng)變效應(yīng)則主要取決于材料的電阻率隨應(yīng)變所引起的變化產(chǎn)生的。 2.2試述金屬電阻應(yīng)變片直流測(cè)量電橋和交流測(cè)量電橋有什么區(qū)別? 答:它們的區(qū)別主要是直流電橋用直流電源,只適用于直流元件,交流電橋用交流電源,適用于所有電路元件。 2.3采用阻值為120Ω靈敏度系數(shù)K=2.0的金屬電阻應(yīng)變片和阻值為120Ω的固定電阻組成電橋,供橋電壓為4V,并假定負(fù)載電阻無(wú)窮大。當(dāng)應(yīng)變片上的應(yīng)變分別為1με和1000με時(shí),試求單臂、雙臂和全橋工作時(shí)的輸出電壓,并比較三種情況下的靈敏度。 解:?jiǎn)伪蹠r(shí), 所以應(yīng)變?yōu)?μ時(shí)V, 應(yīng)變?yōu)?000μ時(shí)應(yīng)為V; 雙臂時(shí),所以應(yīng)變?yōu)?時(shí)V, 應(yīng)變?yōu)?000μ時(shí)應(yīng)為V; 全橋時(shí),所以應(yīng)變?yōu)?μ時(shí)V, 應(yīng)變?yōu)?000μ時(shí)應(yīng)為V。 從上面的計(jì)算可知:?jiǎn)伪蹠r(shí)靈敏度最低,雙臂時(shí)為其兩倍,全橋時(shí)最高,為單臂的四倍。 2.4采用阻值R=120Ω靈敏度系數(shù)K=2.0的金屬電阻應(yīng)變片與阻值R=120Ω的固定電阻組成電橋,供橋電壓為10V。當(dāng)應(yīng)變片應(yīng)變?yōu)?000με時(shí),若要使輸出電壓大于10mV,則可采用單臂、半橋和全橋的哪種方式(設(shè)輸出阻抗為無(wú)窮大)? 解:由于不知是何種工作方式,可設(shè)為n,故可得: mV 得n要小于2,故應(yīng)采用全橋工作方式。 2.5如題2.5圖所示為一直流電橋,供電電源電動(dòng)勢(shì)E=3V,R3=R4=100Ω,R1和R2為同型號(hào)的電阻應(yīng)變片,其電阻均為50Ω,靈敏度系數(shù)K=2.0。兩只應(yīng)變片分別粘貼于等強(qiáng)度梁同一截面的正反兩面。設(shè)等強(qiáng)度梁在受力后產(chǎn)生的應(yīng)變?yōu)?000με,試求此時(shí)電橋輸出端電壓Uo。 題2.5圖 解:此電橋?yàn)檩敵鰧?duì)稱(chēng)電橋,故mV 2.6有一吊車(chē)的拉力傳感器如題2.6圖所示,電阻應(yīng)變片R1、R2、R3、R4等截面軸上,已知R1—R4標(biāo)稱(chēng)阻值為120Ω,橋路電壓2V,物重m引起R1、R2變化增量為1.2Ω。請(qǐng)畫(huà)出應(yīng)變片電橋電路,計(jì)算出測(cè)得的輸出電壓和電橋輸出靈敏度,R3、R4起什么作用? 題2.6圖 解:應(yīng)變片電橋電路如書(shū)中圖2.14b),把R2與R4對(duì)換一下位置。 又因?yàn)檩^小,可忽略 R3、R4可以進(jìn)行溫度補(bǔ)償和減小非線(xiàn)性誤差的作用。 2.7試述金屬應(yīng)變片產(chǎn)生溫度誤差的原因及減小或補(bǔ)償溫度誤差的方法是什么? 解:電阻應(yīng)變片產(chǎn)生溫度誤差的原因:①敏感柵金屬絲電阻本身隨溫度發(fā)生變化 ②試件材料和電阻絲材料的線(xiàn)膨脹系數(shù)的影響 電阻應(yīng)變片的溫度補(bǔ)償方法:通常有線(xiàn)路補(bǔ)償法和應(yīng)變片自補(bǔ)償兩大類(lèi)。 1)電橋補(bǔ)償是最常用的且效果較好的線(xiàn)路補(bǔ)償法。電橋補(bǔ)償法簡(jiǎn)單易行,而且能在較大的溫度范圍內(nèi)補(bǔ)償,但上面的四個(gè)條件不一滿(mǎn)足,尤其是兩個(gè)應(yīng)變片很難處于同一溫度場(chǎng)。 2)應(yīng)變片的自補(bǔ)償法是利用自身具有溫度補(bǔ)償作用的應(yīng)變片。 2.8如題2.8圖所示一受拉的優(yōu)質(zhì)碳素鋼材,已知鋼材的彈性模量E=F/S,E=2l011N/m2,應(yīng)變片的電阻為120Ω,試用允許通過(guò)的最大電流為30mA的康銅絲應(yīng)變片組成一單臂受感電橋。試求出此電橋空載時(shí)的最大可能的輸出電壓。 題2.8圖 解:應(yīng)變片所受應(yīng)力: V 2.9在題2.8中,若鋼材上粘貼的應(yīng)變片的電阻變化率為0.1%,鋼材的應(yīng)力為10kg/mm2。 ①求鋼材的應(yīng)變及應(yīng)變片的靈敏度系數(shù)。 解: ②鋼材的應(yīng)變?yōu)?0010-6時(shí),粘貼的應(yīng)變片的電阻變化率為多少? 解: 2.10有一電阻應(yīng)變片初始阻值為120Ω,靈敏度K=2,沿軸向粘貼于直徑0.04m的圓形鋼柱表面,鋼材的彈性模量E=2l011N/m2,泊松比μ=0.3,當(dāng)鋼柱承受外力98l03N時(shí)。 求: ①該鋼柱的軸向應(yīng)變?chǔ)藕蛷较驊?yīng)變?chǔ)舝; ②此時(shí)電阻應(yīng)變片電阻的相對(duì)變化量ΔR/R; ③應(yīng)變片的電阻值變化了多少歐?是增大了還是減少了? ④如果應(yīng)變片是沿圓柱的圓周方向(徑向)粘貼,鋼柱受同樣大小的拉力作用,此時(shí)應(yīng)變片電阻的相對(duì)變化量為多少?電阻是增大了還是減少了? 解:① ② ③ 電阻是增大了。 ④ 電阻是減小了。 2.11一臺(tái)采用等強(qiáng)度梁的電子秤,在梁的上下兩面各貼有兩片電阻應(yīng)變片,做成秤重傳感器,如圖題2.11所示。已知l=100mm,b=11mm,t=3mm,E=2.1104N/mm2,接入直流四臂差動(dòng)電橋,供電電壓6V,當(dāng)稱(chēng)重0.5kg時(shí),電橋的輸出電壓Uo為多大? 題2.11圖 解:對(duì)于等強(qiáng)度梁,粘貼應(yīng)變片處的應(yīng)變?yōu)? mV 第3章 電感式傳感器思考題與習(xí)題答案 3.1試述影響差動(dòng)變壓器輸出線(xiàn)性度和靈敏度的主要因素是什么? 解:影響差動(dòng)變壓器輸出線(xiàn)性度和靈敏度的主要因素是:傳感器幾何尺寸、線(xiàn)圈電氣參數(shù)的對(duì)稱(chēng)性、磁性材料的殘余應(yīng)力、測(cè)量電路零點(diǎn)殘余電動(dòng)勢(shì)等。 3.2試述電渦流式傳感器的靈敏度主要受哪些因素影響?它的主要優(yōu)點(diǎn)是什么? 解:電渦流式傳感器的靈敏度主要受導(dǎo)體的電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率、幾何形狀,線(xiàn)圈的幾何參數(shù),激勵(lì)電流頻率以及線(xiàn)圈到被測(cè)導(dǎo)體間的距離等因素影響。電渦流式傳感結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、頻率響應(yīng)寬、靈敏度高、測(cè)量范圍大、抗干憂(yōu)能力強(qiáng),特別是有非接觸測(cè)量的優(yōu)點(diǎn),因此在工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)的各個(gè)領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。 3.3試述自感式電感傳感器的工作原理。 解:將非電量轉(zhuǎn)換成自感系數(shù)變化的傳感器通常稱(chēng)為自感式電感傳感器,自感式電感傳感器又稱(chēng)為電感式傳感器,它由線(xiàn)圈、鐵心和銜鐵三部分組成。當(dāng)銜鐵隨被測(cè)量變化而移動(dòng)時(shí),鐵心與銜鐵之間的氣隙磁阻隨之變化,從而引起線(xiàn)圈的自感發(fā)生變化。因此,自感式傳感器實(shí)質(zhì)上是一個(gè)具有可變氣隙的鐵心線(xiàn)圈。 3.4試說(shuō)明差動(dòng)變壓器(螺線(xiàn)管式)傳感器的結(jié)構(gòu)形式與輸出特性。 解:螺線(xiàn)管式互感傳感器它由初級(jí)線(xiàn)圈,兩個(gè)次級(jí)線(xiàn)圈和插入線(xiàn)圈中央的圓柱形鐵芯等組成。螺線(xiàn)管式差動(dòng)變壓器按線(xiàn)圈繞組排列的方式不同可分為一節(jié)、二節(jié)、三節(jié)、四節(jié)和五節(jié)式等類(lèi)型,一節(jié)式靈敏度高,三節(jié)式零點(diǎn)殘余電壓較小,通常采用的是二節(jié)式和三節(jié)式兩類(lèi)。 理想的差動(dòng)變壓器輸出電壓與位移成線(xiàn)性關(guān)系,實(shí)際上由于線(xiàn)圈、鐵心、骨架的結(jié)構(gòu)形狀、材質(zhì)等諸多因素的影響,不可能達(dá)到完全對(duì)稱(chēng),使得實(shí)際輸出電壓呈非線(xiàn)性狀態(tài),但在變壓器中間部分磁場(chǎng)是均勻的且較強(qiáng),因而有較好的線(xiàn)性段,此線(xiàn)性段的位移范圍Δx約為線(xiàn)圈骨架的1/10~1/4。提高兩次級(jí)線(xiàn)圈磁路和電路的對(duì)稱(chēng)性,可改善輸出電壓的線(xiàn)性度。采用相敏整流電路對(duì)輸出電壓進(jìn)行處理,可進(jìn)一步改善互感式電感傳感器輸出電壓的線(xiàn)性。 3.5什么是零點(diǎn)殘余電壓,有哪些方法可以進(jìn)行殘余電壓補(bǔ)償? 解: 差動(dòng)變壓器輸出電壓在零點(diǎn)總有一個(gè)最小的輸出電壓。一般把這個(gè)最小的輸出電壓稱(chēng)為零點(diǎn)殘余電壓,即指銜鐵位于中間位置時(shí)的差動(dòng)輸出電壓。殘余電壓補(bǔ)償方法: ①提高差動(dòng)變壓器的組成結(jié)構(gòu)及電磁特性的對(duì)稱(chēng)性; ②引入相敏整流電路,對(duì)差動(dòng)變壓器輸出電壓進(jìn)行處理; ③采用外電路補(bǔ)償。 3.6用差動(dòng)變壓器進(jìn)行位移測(cè)量時(shí)采用那種電路形式可以直接由輸出電壓區(qū)別位移的大小和方向? 解: 采用差動(dòng)整流電路和相敏檢波電路進(jìn)行測(cè)量。 3.7什么是電渦流效應(yīng)?電渦流傳感器可以進(jìn)行哪些非電量參數(shù)測(cè)量?該傳感器可將哪些物理量轉(zhuǎn)換為電量進(jìn)行輸出? 解: 電感線(xiàn)圈產(chǎn)生的磁力線(xiàn)經(jīng)過(guò)金屬導(dǎo)體時(shí),金屬導(dǎo)體就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流,該電流的流線(xiàn)呈閉合回線(xiàn),類(lèi)似水渦形狀,故稱(chēng)之為電渦流,這種現(xiàn)象稱(chēng)為電渦流效應(yīng)??捎脕?lái)測(cè)量位移、金屬體厚度、溫度等參數(shù),并可用作探傷??晌灰啤⒑穸?、轉(zhuǎn)速、振動(dòng)、溫度等物理量轉(zhuǎn)換為電量輸出。 3.8差動(dòng)式自感傳感器結(jié)構(gòu)有什么優(yōu)點(diǎn),采用變壓器式電橋電路,能否判斷位移的方向,如不能,則需采用何種電路? 解:差動(dòng)式比單線(xiàn)圈式的靈敏度高一倍,對(duì)于差動(dòng)變間隙式自感傳感器的線(xiàn)性度也能得到明顯改善。不能判斷位移的方向,需采用整流電路或相敏檢波電路。 3.9試述電感式傳感器有哪些種類(lèi)及其工作原理。 解:自感式傳感器又叫電感式傳感器,其有變間隙式、變面積式、螺線(xiàn)管式(變氣隙導(dǎo)磁系數(shù))三種結(jié)構(gòu)類(lèi)型。將非電量轉(zhuǎn)換成自感系數(shù)變化,當(dāng)銜鐵隨被測(cè)量變化而移動(dòng)時(shí),鐵心與銜鐵之間的氣隙磁阻隨之變化,從而引起線(xiàn)圈的自感發(fā)生變化。 3.10分析電感傳感器出現(xiàn)非線(xiàn)性的原因,并說(shuō)明如何改善? 解:電感式傳感器即為自感式傳感器,對(duì)于變間隙式自感傳感器輸出存在非線(xiàn)性誤差。主要是因?yàn)楸粶y(cè)量的變化引起傳感器的參數(shù)發(fā)生變化,此變化參數(shù)在電感表達(dá)式的分母上。采用差動(dòng)電路。 3.11圖題3.11所示是一簡(jiǎn)單電感式傳感器。尺寸已示于圖中。磁路取為中心磁路,不記漏磁,設(shè)鐵心及銜鐵的相對(duì)磁導(dǎo)率為104,空氣的相對(duì)磁導(dǎo)率為1,真空的磁導(dǎo)率為4π10-7H﹒m-1,試計(jì)算氣隙長(zhǎng)度為零及為2mm時(shí)的電感量。圖中所注尺寸單位均為mm。 題3.11圖 解:計(jì)算時(shí)以中間位置的長(zhǎng)度作為磁路長(zhǎng)度的基準(zhǔn),當(dāng)氣隙長(zhǎng)度為零時(shí)當(dāng)氣隙長(zhǎng)度為2mm時(shí) 3.12簡(jiǎn)述電渦流效應(yīng)及構(gòu)成電渦流傳感器的可能的應(yīng)用場(chǎng)合。 解:電感線(xiàn)圈產(chǎn)生的磁力線(xiàn)經(jīng)過(guò)金屬導(dǎo)體時(shí),金屬導(dǎo)體就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流,該電流的流線(xiàn)呈閉合回線(xiàn),類(lèi)似水渦形狀,故稱(chēng)之為電渦流,這種現(xiàn)象稱(chēng)為電渦流效應(yīng)。電渦流式傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域很廣,可進(jìn)行位移、厚度、轉(zhuǎn)速、振動(dòng)、溫度等多參數(shù)的測(cè)量。 3.13試說(shuō)明如圖所示的差動(dòng)相敏檢波電路的工作原理。 題3.13圖 解:此電路的分析方法同圖3.22,文中給出了詳細(xì)的分析過(guò)程。 3.14題3.14圖所示的差動(dòng)電感式傳感器的橋式測(cè)量電路,L1、L2為傳感器的兩差動(dòng)電感線(xiàn)圈的電感,其初始值均為L(zhǎng)0。R1、R2為標(biāo)準(zhǔn)電阻,u為電源電壓。試寫(xiě)出輸出電壓uo與傳感器電感變化量△L間的關(guān)系。 題3.14圖 解: 3.15試分析圖3.21c)所示的全橋整流電路的工作原理。 解:電橋輸出電壓為Uab=Uac-Ubc。當(dāng)銜鐵位于零位時(shí),I1=I2,Uac=Ubc,故Iab=0,Uab=0;當(dāng)銜鐵位于零位以上時(shí),I1>I2,Uac>Ubc,故Iab>0,Uab>0;當(dāng)銜鐵位于零位以下時(shí),I1- 1.請(qǐng)仔細(xì)閱讀文檔,確保文檔完整性,對(duì)于不預(yù)覽、不比對(duì)內(nèi)容而直接下載帶來(lái)的問(wèn)題本站不予受理。
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