傳感器與檢測(cè)技術(shù)

傳感器與檢測(cè)技術(shù)二、概念題(每題2分)1、線性度：指測(cè)量裝置輸出、輸入之間保持常值比例關(guān)系的程度。2、靈敏度：輸出的變換量與輸入的變換量之比。3、遲滯性：指測(cè)量系統(tǒng)在全量程范圍內(nèi)，輸入量為正、反行程期間二者的靜態(tài)特性曲線不一致的程度。4、重復(fù)性：指測(cè)量系統(tǒng)在輸入量按同一方向做全量程連續(xù)多次測(cè)試時(shí)所得輸入、輸出特性曲線不重合程度。5、精度：也稱為精確度，是反映測(cè)量系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差的綜合誤差指標(biāo)，即準(zhǔn)確度和精密度的綜合偏差程度。6、可靠性：是指在使用環(huán)境和運(yùn)行指標(biāo)不超過極限的情況下，系統(tǒng)特性保持不變的能力。7、傳遞函數(shù)當(dāng)初始條件全為零，貝I」：H(s)=Y(s)..；X(s) Y(s)=L|y(t);X(s)=l|x(t)|稱H(s)為系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。8、 頻率特性：幅頻特性和相頻特性統(tǒng)稱為系統(tǒng)的頻率特性。9、 幅值失真：由于測(cè)量環(huán)節(jié)對(duì)輸入信號(hào)x(t)所包含的各諧波分量具有不同的幅值比或放大倍數(shù)而引起的一種失真。10、 相位失真：由于測(cè)量環(huán)節(jié)對(duì)輸入信號(hào)x(t)所包含的各諧波分量引起不諧調(diào)的相位移而引起的失真。11、 不失真測(cè)量條件：A(w)=常數(shù)；?(ro)=-1o?。12、 電參數(shù)型傳感器：被測(cè)量變化導(dǎo)致電阻、電感、電容發(fā)生變化的敏感元件統(tǒng)稱為電參數(shù)型傳感器。13、 傳感器：工程中通常把直接作用于被測(cè)量，能按一定規(guī)律將其轉(zhuǎn)換成同種或別種量值輸出的器件。14、 物性型傳感器：依靠敏感元件材料本身物理化學(xué)性質(zhì)的變化來實(shí)現(xiàn)信號(hào)變換的傳感器。15、 結(jié)構(gòu)型傳感器：依靠傳感器結(jié)構(gòu)參量的變化實(shí)現(xiàn)信號(hào)轉(zhuǎn)換。16、 能量轉(zhuǎn)換型傳感器：直接由被測(cè)量輸入能量使其工作的傳感器。17、 能量控制型傳感器：從外部供給輔助能量使其工作。18、 電阻式傳感器：把被測(cè)量轉(zhuǎn)換為電阻變化的傳感器。19、 電感式傳感器：把被測(cè)量轉(zhuǎn)換為電感量變化的傳感器。20、 電容式傳感器：把被測(cè)量轉(zhuǎn)換為電容量變化的傳感器。21、 磁電式傳感器：把被測(cè)量轉(zhuǎn)換為感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的傳感器。22、 壓電式加速度計(jì)電壓靈敏度：加速度計(jì)輸出電壓與所承受加速度之比。23、 壓電式加速度計(jì)電荷靈敏度：加速度計(jì)輸出電荷與所承受加速度之比。24、 壓電式加速度計(jì)橫向靈敏度：表示它對(duì)橫向(垂直于加速度軸線)振動(dòng)的敏感程度。25、 差動(dòng)變壓器零點(diǎn)殘余電壓：由于兩個(gè)次級(jí)線圈結(jié)構(gòu)不對(duì)稱，以及初級(jí)線圈銅損電阻、鐵磁材質(zhì)不均勻，線圈間分布電容等原因所形成的現(xiàn)象。26、 應(yīng)變片的溫度補(bǔ)償法：消除由溫度引起的影響，或者對(duì)它進(jìn)行修正以求出僅由載荷作用引起的真實(shí)應(yīng)變的方法。三、簡答題（每小題4分）1．簡述壓電式傳感器分別與電壓放大器和電荷放大器相連時(shí)各自的特點(diǎn)。傳感器與電壓放大器連接的電路,其輸出電壓與壓電元件的輸出電壓成正比,但容易受電纜電容的影響。傳感器與電荷放大器連接的電路,其輸出電壓與壓電元件的輸出電荷成正比,電纜電容的影響小。2．回答與直線式感應(yīng)同步器有關(guān)的下列問題：（1）它由哪兩個(gè)繞組組成？由固定繞組和滑動(dòng)繞組組成。（2）鑒相式測(cè)量電路的作用是什么？檢測(cè)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的相位，從而根據(jù)相位確定位移量的大小和方向。3．簡述壓磁式扭矩儀的工作原理。壓磁式扭矩儀的軸是強(qiáng)導(dǎo)磁材料。根據(jù)磁彈效應(yīng)，當(dāng)軸受扭矩作用時(shí)，軸的磁導(dǎo)率發(fā)生變化，從而引起線圈感抗變化，通過測(cè)量電路即可確定被測(cè)扭矩大小。4．說明薄膜熱電偶式溫度傳感器的主要特點(diǎn)。主要特點(diǎn)是：熱容量?。ɑ驘釕T性?。?，時(shí)間常數(shù)小，反應(yīng)速度快。5．簡述激光視覺傳感器將條形碼的信息傳輸?shù)男盘?hào)處理裝置的工作過程。（1）多面棱鏡高速旋轉(zhuǎn)，將激光器發(fā)出的激光束反射到條形碼上作一維掃描。（2）條形碼反射的光束經(jīng)光電轉(zhuǎn)換及放大元件接收并放大后再傳輸給信號(hào)處理裝置。6．采用逐次逼近法的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器主要由哪幾部分組成？由電壓比較器、數(shù)/模轉(zhuǎn)換器、順序脈沖發(fā)生器、數(shù)碼寄存器和逐次逼近寄存器組成。7．金屬電阻應(yīng)變片與半導(dǎo)體應(yīng)變片的區(qū)別？金屬電阻應(yīng)變片是利用導(dǎo)體形變引起電阻的變化，而半導(dǎo)體應(yīng)變片是利用半導(dǎo)體電阻率變化引起電阻的變化。在靜態(tài)測(cè)量中，根據(jù)測(cè)量系統(tǒng)輸入量與對(duì)應(yīng)輸出值所繪制的定度曲線可以確定哪些靜態(tài)特性?在靜態(tài)測(cè)量中，根據(jù)繪制的定度曲線，可以確定測(cè)量系統(tǒng)的三個(gè)靜態(tài)特性：靈敏度，非線性度，回程誤差。9.設(shè)載波的中心頻率為f9.設(shè)載波的中心頻率為f試根據(jù)圖a、圖b所示調(diào)制信號(hào)定性畫出相應(yīng)調(diào)頻波波形。調(diào)頻波波形頻率f與中心頻率f0和調(diào)制波幅值的關(guān)系f=f0±Af,△f為頻率偏移，與X（t）幅值成正比?；卮鹣铝泻瘮?shù)哪些是周期函數(shù)、哪些是非周期函數(shù)：(1、X](t)=sin331,X2(t)=e-t,x(t)=esin3,訂⑴二。(t),x(t)=sin—tV2丿X](t)x3(t)x5(t)周期函數(shù)，x2(t)x4(t)非周期函數(shù)簡述兩類扭矩的測(cè)量原理及舉例說明相應(yīng)的扭矩傳感器。1)軸類零件受扭矩作用時(shí)，在其表面產(chǎn)生切應(yīng)變，可通過測(cè)量該應(yīng)變檢測(cè)扭矩，如電阻應(yīng)變式扭矩傳感器。2)彈性轉(zhuǎn)軸受扭后，兩端面的相對(duì)轉(zhuǎn)角只與所承受的扭矩有關(guān)，且呈比例關(guān)系，可通過測(cè)量扭轉(zhuǎn)角測(cè)量扭矩，如電容式或光電式扭矩傳感器。簡述應(yīng)變片在彈性元件上的布置原則，及哪幾種電橋接法具有溫度補(bǔ)償作用。(1)貼在應(yīng)變最敏感部位，使其靈敏度最佳；(2)在復(fù)合載荷下測(cè)量，能消除相互干擾；考慮溫度補(bǔ)償作用；單臂電橋無溫度補(bǔ)償作用，差動(dòng)和全橋方式具有溫度補(bǔ)償作用。渦流式傳感器測(cè)量位移與其它位移傳感器比較，其主要優(yōu)點(diǎn)是什么?渦流傳感器能否測(cè)量大位移量?為什么?優(yōu)點(diǎn)：能實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量，結(jié)構(gòu)簡單，不怕油等介質(zhì)污染。渦流傳感器不能測(cè)量大位移量，只有當(dāng)測(cè)量范圍較小時(shí)，才能保證一定的線性度。14．簡述半導(dǎo)體應(yīng)變片的特點(diǎn)。靈敏度高②由于機(jī)械滯后小、橫向效應(yīng)小及體積小等特點(diǎn)，擴(kuò)大了使用范圍③溫度穩(wěn)定性能差④靈敏度分散度大，非線性誤差大。15、 簡述傳感器靈敏度的選用原則。盡量選用靈敏度高的傳感器②盡量選用信噪比大的傳感器③當(dāng)被測(cè)量是向量時(shí)要考慮交叉靈敏度的影響④過高的靈敏度會(huì)縮小其適用的測(cè)量范圍16、 有人在使用電阻應(yīng)變儀時(shí)發(fā)現(xiàn)靈敏度不夠，于是在半橋雙臂各串聯(lián)一片電阻應(yīng)變片，問是否提高靈敏度？為什么？不能提高靈敏度②因?yàn)殡姌蜢`敏度只與供橋電壓和電阻的相對(duì)變化有關(guān)。17、 有人在使用電阻應(yīng)變儀時(shí)發(fā)現(xiàn)靈敏度不夠，于是在半橋雙臂各并聯(lián)一片電阻應(yīng)變片，問是否提高靈敏度？為什么？①不能提高靈敏度②因?yàn)殡姌蜢`敏度只與供橋電壓和電阻的相對(duì)變化有關(guān)。18、 簡述傳感器響應(yīng)特性的選用原則。①響應(yīng)特性必須滿足不失真測(cè)量條件②延遲時(shí)間越短越好③物性型傳感器響應(yīng)較快，可工作頻率范圍寬；結(jié)構(gòu)型傳感器固有頻率低，可工作頻率較低④充分考慮被測(cè)物理量的變化特點(diǎn)。19、 簡述傳感器線性范圍的選用原則。①傳感器應(yīng)工作在線性區(qū)域內(nèi)②傳感器的工作量程越大，線性范圍越寬③任何傳感器不容易保證絕對(duì)線性，在許可范圍內(nèi)，可在近似線性區(qū)域應(yīng)用④線性誤差應(yīng)控制在允許范圍內(nèi)。20、 簡述傳感器可靠性的選用原則。①選擇設(shè)計(jì)、制造良好，使用條件適宜的傳感器②應(yīng)該嚴(yán)格保持規(guī)定的條件③盡量減輕使用條件的不良影響④對(duì)特殊使用條件下的傳感器的可靠性更要嚴(yán)格要求。21、 簡述傳感器精確度的選用原則。①盡量選用精確度高的傳感器，同時(shí)考慮經(jīng)濟(jì)性②對(duì)于定性試驗(yàn)，要求傳感器的精密度高③對(duì)于定量試驗(yàn)，要求傳感器的精確度高④傳感器的精確度越高，價(jià)格越昂貴。22、 簡述傳感器測(cè)量方式的選用原則。①工作方式不同對(duì)傳感器要求也不同②對(duì)運(yùn)動(dòng)部件，往往需要非接觸測(cè)量③對(duì)自動(dòng)控制與檢測(cè)系統(tǒng)應(yīng)進(jìn)行在線測(cè)量④對(duì)危險(xiǎn)的工作場(chǎng)合，應(yīng)采用遙測(cè)裝置。

四、計(jì)算題1.求正弦函數(shù)x(t)=Xsin(rot+?)的自相關(guān)函數(shù)。解：R(T)=xlimTTW1P2T-x(t)x(tR(T)=xlimTTW1P2T-x(t)x(t+T)dtT0X2sin(rot+?)sin[ro(t+T)+?]dt1-X2cosroT22冗ro2.求信號(hào)h(t)={e-at (t>0)0 (t<0)的自相關(guān)函數(shù)。解：①當(dāng)x(t)為能量信號(hào)時(shí)，R(t)=J8x(t)x(t+T)dtx-W②R(T)=h(t)h(t+T)dth-W1e-ate-a(t+T)dt=e-aT2a3.有一個(gè)溫度傳感器，其微分方程為30空+3y=0.15x,其中y為輸入電壓(mV),x為dt輸入溫度(°C),求該傳感器的時(shí)間常數(shù)t和靜態(tài)靈敏度S。解：①將傳感器微分方程兩邊取拉氏變換得：30sY(S)+3Y(S)=0.15X(S)則傳遞函數(shù)為：H(s)=0.1530s+30.0510s+1由傳遞函數(shù)可知：T=10，靜態(tài)靈敏度為S=0.05設(shè)一力傳感器可作為二階振蕩系統(tǒng)處理，已知傳感器的固有頻率為800Hz，阻尼率為0.14,問使用傳感器作頻率為400Hz正弦變化的外力測(cè)量時(shí)，其幅值比A(w)和相角差?(ro)各為多少？又若該裝置的阻尼率改為0.7，則A(ro)和?(ro)將作何變化?解：ro2①H(s)= ro2①H(s)= ls2+2gros+ro2nn②A(ro)=ro ro:[1-( )2]2+(2g)2Iro ron n;ro=2冗x800n?(ro)=-arctgro2g—

ronro1-()2

ro③g=0.14 A(2冗x400)=1.31?(2冗x400)=—10.6。④g=0.7A(2冗x400)=0.974?(2冗x400)=—43。一溫度計(jì)具有一階動(dòng)特性，時(shí)間常數(shù)為7秒，若將其從200的空氣中突然插入800的水中，問經(jīng)過15秒鐘后該溫度計(jì)顯示的溫度是多少？

T解：①y(t)=t+(t—t)(1—e_t)0w0t=20。C t=80。C0wt=7秒y(t)=20+(80—20)(1—e—15)=72.96°C以阻值R=120O,靈敏度S=2的電阻絲應(yīng)變片與阻值為120Q的固定電阻組成電橋,0供橋電壓為3V,并假定負(fù)載電阻無窮大，當(dāng)應(yīng)變片的應(yīng)變?yōu)?u￡和2000u￡時(shí)分別求出單臂、雙臂電橋的輸出電壓。解：①半橋單臂e=1AR解：①半橋單臂e=1AR? ?ey4R00半橋雙臂e=y2AR ?eR00=s?￡當(dāng)2u￡時(shí)，單臂e=丄s?當(dāng)2u￡時(shí)，單臂e=丄s?￡?e=3x10-6(V);401s?￡?e=6x10-6(V)20④當(dāng)2000u￡時(shí)，單臂e=—s?￡?e=3x10-3(V)401=s?￡?e=6x10-3(V)20可見雙臂電橋比單臂電橋靈敏度高一倍。有一拉力傳感器用鋼柱作為敏感元件,其上貼有一電阻應(yīng)變片,已知鋼柱的截面積為1平方厘米，彈性模量為20x1010Pa，應(yīng)變片的靈敏度系數(shù)為2。若測(cè)量電路對(duì)應(yīng)變片電阻相對(duì)變化量dR/R的分辨力為10-7，試計(jì)算該傳感器能測(cè)出的最小拉力。解：②￡min解：②￡min◎=5x10—8So=￡?E可測(cè)最小拉力1牛頓F=￡ ?E?A=5x10-8x20x1010x1x10-4可測(cè)最小拉力1牛頓minmin8?有一鋼板，原長1米，鋼板彈性模量為2.1x106Kgf/cm2，使用BP-3箔式應(yīng)變片電阻為120O，靈敏度系數(shù)為2,測(cè)出拉伸應(yīng)變?yōu)?00u￡，求鋼板伸長Al，應(yīng)力o，電阻相對(duì)變化AR/R及電阻變化AR。解：①Al=l?￡=1x300x10-6=3x10-4(m)o=￡?E=300x10—6x2.1x106=630(kgf/cm2)AR=S?￡=2x300x10-6=600x10-6RAR=R?S?￡=120x600x10—6=7.2x10—2(O)進(jìn)行某次動(dòng)態(tài)壓力測(cè)量時(shí)，所采用的壓電式力傳感器的靈敏度為90.9nc/MPa,將它與增益為0.005v/nc的電荷放大器相連，而電荷放大器的輸出接到一臺(tái)筆式記錄儀上，記錄儀的靈敏度為20mm/v。試計(jì)算這個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的總靈敏度。又當(dāng)壓力變化為3.5MPa時(shí)，記錄筆在記錄紙上的偏移量是多少？解：①S=S?S?S ②S=90.9nc/MPa S=0.005V/ncS=20mm/V1 2 3 1 2 3S=9.09mm/MPa④Ay=9.09mm/MPax3.5MPa=31.8mm

10.有一電容測(cè)微儀，其電容圓形極板半徑為4mm,工作初始間隙d=0.3mm，空氣介質(zhì)。0求：①通過測(cè)量得到的電容變化量為土3x10-310.有一電容測(cè)微儀，其電容圓形極板半徑為4mm,工作初始間隙d=0.3mm，空氣介質(zhì)。0求：①通過測(cè)量得到的電容變化量為土3x10-3pF，則傳感器(電容)與工件之間間隙變化的距離是多少？②如測(cè)量電路的靈敏度K=100mv/pF，讀數(shù)儀器靈敏度K=5格/mv，則此時(shí)儀器12示值變化多少格？(真空介電常數(shù)￡=8.85x10-2F/m，空氣介質(zhì)￡=1)0解：①Sd2AddC 1S= =-￡-￡-A d6 0 62d2?AC(0.3x10-3)2x(+3x10-3x1012)Ad=—0 =—￡?S 8.85x10-12x兀?(0.004)200.61(um)S=K-K=m/AC12④m=K?K?AC=5x100x(±3x10-3)=±1.5格1211．用電阻應(yīng)變片接成全橋，測(cè)量某一構(gòu)件的應(yīng)變，已知其變化規(guī)律為￡(t)=Acos101+Bcos100t，如果電橋激勵(lì)電壓e=Esin10000t，試求此電橋的輸出信0號(hào)頻譜并畫幅值圖。解：①電橋輸出電壓e=S?￡(t)?e，S—應(yīng)變片靈敏度y0sina?cos卩=丄[sin(a+卩)+sin(a-卩)]2e=S?E?sin10000t(Acos101+Bcos100t)y11=E?S?A[sin10010t+sin9990t]+E?S?B[sin10100t+sin9900t]22磁電式絕對(duì)速度傳感器的彈簧剛度K=3200N/m，測(cè)得其固有頻率f=20Hz，欲n將f減為10Hz，剛度應(yīng)為多少？可否將此類結(jié)構(gòu)傳感器固有頻率降至1Hz或者更低？會(huì)n產(chǎn)生什么問題？1Ik fk 10解：①f= 固有頻率②1=片,k=3200?( )2=800N/mn2兀\m fW 2 2022若f降到1Hz,則k=3200?(丄)2=8N/mn220結(jié)構(gòu)型傳感器由于剛度太小無法實(shí)現(xiàn)。

設(shè)一振動(dòng)時(shí)間歷程為x(t)=XsinlOO"t，用一慣性式速度計(jì)測(cè)量此振動(dòng)，速度計(jì)固有頻率fn=10Hz，阻尼率E=°7，其速度一電勢(shì)比例系數(shù)為K，求速度計(jì)輸出y(t)。解：①a(n解：①a(n)=—\-(1—n2)2+(2￡nP；?(n)=-arctg丑1—n2① fn= =-? fnn50=510T174一申50=510T174一申變磁通感應(yīng)式傳感器i歯輪「作軸片尸、/y(t)=XKA(耳)sin(100兀t+Q