传感器原理课程教学参考与复习提纲

教学参考与复习提纲课程名称传感器原理课程类型过程性（）纯实践（）纯理论（）理论+实践（）任课教师适用年级基础知识与习题第1章技术的基本概念第1节测量的基本概念及方法从不同角度测量方法分类：根据测量的具体手段分：偏位式测量、零位式测量和微差式测量。第2节测量误差及数据处理一、基本概念（1）真值：理论真值（2）实际值：相对真值（3）示值：测量值（4）测量误差：测量值与真值之间的差值。示值相对误差：引用相对误差（满度相对误差）：最大满度相对误差：仪准确度等级：最大示值相对误差:二、误差的分类：粗大误差，系统误差，随机误差。随机误差的正态分布规律。按被测量随时间变化的速度分类：静态误差，动态误差。三、测量结果的数据统计处理:置信区间：定义为随机变量取值的范围，常用正态分布的误差的倍数来表示。置信概率P：随机变量在置信区间内取值的概率置信水平：随机变量在置信区间以外取值的概率。随机误差的正态分布规律，统计特点：集中性、对称性、有界性算术平均值，用平均值计算出来的误差称为残余误差。标准误差（方均根误差）：误差列中各误差平方和的算术平均值再开方得到均方根误差。对于等精度测量，当用残余误差来代替误差时，则使用贝塞尔公式计算标准误差（方均根误差）。标准误差可用于确定随机误差的正态分布曲线形状和离散度。拉依达准则——3σ准则4、测量系统静态误差的合成绝对值合成法，方均根合成法第3节传感器及基本特性1、传感器的组成2、传感器分类常用的分类方法3、传感器基本特性：灵敏度、分辨力、线性度、迟滞误差。线性度：端基线性度，最小二乘法线性度。理想的线性特性习题参考（带答案）选择题1.用该表直流电压档测量实际值为2V电压，发现每次示值均为1.5V，该误差属于（A）。A.系统误差B.粗大误差C.随机误差D.动态误差2.压力传感器测量实际值80KPa的压力，示值为81KPa，其绝对误差为（C）。A．2KPaB．4KPaC．1KPaD．5KPa3.某仪表厂生产的温度传感器量程为0-250C，测得此表最大绝对误差为2C，则其精度应定（C）。A.0.1级B.0.5级C.1.0级D.1.5级4.在选购线性仪表时，必须在同一系列的仪表中选择适当的量程。这时必须考虑到被测量为仪表量程的（B）左右为宜。A.3倍B.2/3倍C.1.5倍D.2倍5.如x表示输入，y表示输出，则下列哪一项是理想的线性输入-输出特性（B）A.y=ax+bB.y=axC.y=ax+bx2D.y=ax+bx36.要使随机误差的置信概率达到99.7%，随机误差的置信区间取为（A）A.（-3，+3）B.（-，+）C.（-∞，+∞）D.（-4，+4）7.有一位移传感器，它的测量范围为0～400mm，精度为0.5级，其最大绝对误差为（C）A.1mmB.5mmC.2mmD.10mm8．某位移传感器在位移变化4mm时，输出电压变化300mv，此位移传感器的灵敏度为（B）A.53mv/mmB.75mv/mmC.20mv/mmD.300mv/mm9.用万用表测量10V直流电压，发现示值还不到4V，该误差属于（B）A.系统误差B.粗大误差C.随机误差D.动态误差10.随机误差的置信区间为（-∞，+∞）时，随机误差的置信概率为（C）A.50%B.0C.100%D.93%11.用电流表测量实际值为10mA的直流电流，示值为10.8mA，此次测量的绝对误差为（B）A.2mAB.0.8mAC.1mAD.5mA 12.某位移传感器在位移变化2mm时，输出电压变化200mv，此位移传感器的灵敏度为（C）A.200mv/mmB.0.9mv/mmC.100mv/mmD.202mv/mm13.某用户需要购买压力表，希望压力表的满度相对误差小于0.9%，应购买压力表的等级是（B）A.0.2B.0.5C.1.0D.1.514．使用某压力传感器测量压力容器中的压力，压力实际值为50KPa，传感器示值为49KPa，问此测量值中的实际相对误差为（A）A.2%B.0C.100%D.93%15.用电容传感器测量工件厚度，其实际值为10mm，传感器测量值为9.8mm，此次测量的绝对误差值是（A）A.-0.2mmB.1mm C.2mmD.-0.1mm16.某压力传感器测量实际值为80KPa的压力，示值为80.5KPa，示值相对误差为（A）A.0.62%B.1% C.0.8%D.6%17.有一温度传感器，测量范围为-100C～100C，该传感器满度值Am为（B）A.100CB.200CC.400CD.10C18.某用户需要购买压力传感器，希望满度相对误差小于1.4%，应购买压力表的等级是（A）A.1.0B.0.5C.2.0D.1.519.热电偶在冷端温度为零，热端温度增加5C，输出热电动势增加10uv，此热电偶的灵敏度为（B）A.5uv/CB.2uv/CC.20uv/CD.10uv/C20.传感器能感知的输入变化量越小，表示传感器的（D）A．线性度越好　B．迟滞越小　C．重复性越好　D．分辨力越高21.有-电压表的量程为0-10伏，接到电路进行测量，显示值为9伏，而该测量值的实际值为8伏，满度相对误差m为(B)A．12.5%　B．10%　C．11.1%　D．1%22.有-电压表的量程为0-20伏，接到电路进行测量，显示值为16伏，而该测量值的实际值为14伏，引用相对误差m为(B)A．12.5%　B．10%　C．11.1%　D．1%23.某压力表准确度等级为1.0级，量程为0～10MPa，此表的最大满度相对误差是（B）A．±0.5%　B．±1%　C．±2.1%　D．±1.5%24.某测温仪表厂生产的测温表满度相对误差均控制在0.9%~1.2%，该表的精度等级定为:(D)A．1.0B.0.5C.0.2D.1.525.下列不属于传感器的静态特性指标是:(D)A．线性度　　　　B．迟滞　C．重复性D．超调量26．使用某压力传感器测量压力容器中的压力，压力实际值为50KPa，传感器示值为49KPa，问此测量值的绝对误差为（C）A.-2KPaB.0KPaC.-1KPaD.5KPa27.某温度传感测量实际值为65C的温度，测量得示值为66.1C，则其绝对误差为（C）A.2.1CB.1.5CC.1.1CD.1.0C28.被测量不随时间变化时所产生的误差是（B）A.动态误差B.静态误差C.系统误差D.粗大误差29.有一电压表度为1.0级，可能出现的最大满度相对误差为（A）A.±1.0%B.±2.0%C.±10%D.±5.0%30.传感器输出量增量与被测输入量增量之比，用K表示，是指传感器的（D）A.分辨力B.线性度C.迟滞误差D.灵敏度31.被测电压真值为100V，用电压表测试时,示值为80v，则示值相对误差为（D）A.+25%B.-25%C.+20%D.-20%32.修正值与绝对误差的绝对值（A）A.相等但符号相反B.不相等且符号相反C.相等且符号相同D.不相等但符号相同33.通常在相同的条件下，多次测量同一量时，误差的绝对值和符号保持恒定或在条件改变时，按某种规律而变化的误差称为（B）A.随机误差B.系统误差C.影响误差D.固有误差。34.被测量的真值是 （B）A.都是可以准确测定的B.在某一时空条件下是客观存在的，但很多情况下不能准确确定C.全部不能准确测定D.客观上均不存在，因而无法测量35.若σ是有限次测量的方均根误差，则算术平均值的方均根误差为（B） A. B. C. D.36.在使用连续刻度的仪表进行测量时，一般应使被测量的数值尽可能在仪表满刻度值的多少倍以上(C)A.1/4 B.1/2 C.2/3 D.1/337.某温度计刻度范围为0～600℃，通过检定在整个刻度范围内、最大基本误差为7.2℃，按国家工业仪表的规定、该温度计的精度等级定为(C)A.1.0级　B.1.2级C.1.5级　　　D.2.0级38.在一项对航空发动机页片稳态转速试验中，测得其平均值为20000转/分钟。其中某次测量结果为20002转/分钟，则此次测量的绝对误差（A）A．2转/分钟B．2转/分钟C．2转/分钟D．2转/分钟39.被测电压真值为100v，用电压表测试时，指示值为80v，则示值相对误差为（B）A.+25% B.-25% C.+20% D.-20%40.某温度计刻度范围为0～600℃，通过检定、在整个刻度范围内、最大基本误差为7.2℃、按国家工业仪表的规定、该温度计的精度等级为（B）A.1.0级　B.1.2级C.1.5级　　D.2.0级41．在相同条件下多次测量同一量时，随机误差符合下列哪种说法（A） A.绝对值和符号均发生变化 B.绝对值发生变化，符号保持恒定 C.符号发生变化，绝对值保持恒定 D.绝对值和符号均保持恒定42．用一压力传感器测量某实际值为800KPa的压力，发现示值还不到500KPa，该值中的误差属于:（B）A.系统误差B.粗大误差C.随机误差D.动态误差43．传感器能检出被测信号的最小变化量，称为传感器的（D）A.灵敏度B.线性度C.迟滞误差D.分辨力44.电位器式传感器是一种将什么转换成电阻值的传感元件（A）A.位移 B.力C.压力 D.速度45.汽车衡所用的测力弹性敏感元件是(A)A．实心轴B．弹簧管C．悬臂梁D．圆环填空题1.传感器正向特性和反向特性重合的程度越好，表示传感器的迟滞误差越小。2．示值相对误差定义为绝对误差与被测量示值的比值，通常用百分数表示。3.随机误差的大小和正态分布曲线的形态，可以用测量值的标准误差来衡量。4.当测量次数n趋近无穷大时，测量值的实际值等于各次测量值的算术平均值。5.传感器正向特性曲线和反向特性曲线不重合的程度越大，表明传感器的迟滞误差越大。6．根据测量时是否与被测对象接触分为：接触式测量和非接触式测量。7.未知实际值的情况下，对于有限测量列，可以利用算术平均值代替真值。8.绝对误差是测量值与真值之间的差值。9.随机误差统计特点：集中性、对称性和有界性。10.传感器由敏感元件，传感元及测量转换电路三部分组成。11.灵敏度是指传感器在稳态输出变化与输入变化值之比。12．按误差的表示方法分为两类误差表示形式：绝对相对误差误差。13.根据测量的具体手段不同，测量分为偏位式测量、零位式测量微差式测量。14.在未知实际值的情况下，用平均值代替真值计算出来的误差称残余误差。15.在同一条件下，多次测量同一被测量，有时会发现测量值时大时小，误差的绝对值及正负以不可预见的方式变化，该误差称为随机误差。16.传感器中传感元件的主要作用是把非电量转换成电量。17．误差的数值固定或按一定规律变化的，称为系统误差。18.示值相对误差是用绝对误差和被测量的百分比来表示。19.选购线性仪表时，一般应尽量使选购的仪表量程为被测量的1.5倍倍左右适合。20.传感器的测量转换电路是将传感元件输出的电量换成易于处理的电压、电流或频率。21.传感器正向特性和反向特性不一致的程度称为迟滞性误差。22.在测量过程中，被测量与仪表内部的标准量比较，当测量系统达到平衡，用已知标准量值决定被测量的值，这种测量方法称为零位式测量。23．随机误差的统计特点集中性表明，大量的测量值集中分布于算术平均值附近。24.可用于确定随机误差的正态分布曲线形状和离散度的特征量是标准误差。25.灵敏度是指传感器在稳态下输出变化值与输入变化值之比。26.线性度是指传感器实际特性曲线与理想拟合直线之间的最大偏差与传感器量程范围内的输出之百分比。27．示值相对误差是绝对误差与示值的百分比。28.标准误差越小，正态分布曲线越陡。29.随机误差的统计特性之一为对称性。该特性表明：在相同条件下，当测量次数n时，全体误差的代数和为0。30.传感器的输入输出特性指标可分为静态指标和动态指标两大类31.综合了偏位式测量法速度快和零位式测量法精度高的优点的是微差式测量法。32.引用相对误差是用测量仪表绝对误差与仪器的满度值的百分比。33.多数随机误差都服从正态分布规律。34.以仪表指针的偏移量表示被测量值的测量方法，称为偏位式测量。判断题1．传感器能检出被测信号的最小变化量称为传感器的灵敏度。（×）更正：传感器能检出被测信号的最小变化量称为传感器的分辨力。2．随机误差的取值范围称为置信概率。（×）更正：随机误差的取值范围称为置信区间。3．变化规律服从某种已知函数的误差，称为系统误差。（√）4．测量值明显偏离实际值，此测量值中有粗大误差。（√）5．系统误差是有规律性的，可以通过实验的方法或引入修正值的方法计算修正。（√）6．灵敏度是指传感器在稳态下输出变化值与输入变化值之比，用K来表示。（√）7．在选购仪表时，为了减少测量误差，一般应该选择量程为被测量的10倍左右合适。（×）更正：在选购仪表时，为了减少测量误差，一般应该选择量程为被测量的1.5倍左右合适。8．传感器敏感元件将被测量转换成与被测量有确定关系、更易于转换的的非电量。（√）9．测量误差按误差性质和规律分为粗大误差、相对误差和随机误差。（×）更正：测量误差按误差性质和规律分为粗大误差、系统误差和随机误差。10．测量器具零位不准时，其测量误差属于系统误差。（√）11．灵敏度和分辨力是传感器的动态特性。（×）更正：灵敏度和分辨力是传感器的静态特性。12.由于测量人员一时疏忽而出现绝对值特大的异常值，属于随机误差。（×）更正：由于测量人员一时疏忽而出现绝对值特大的异常值，属于粗大误差。简答题1．请写出随机误差的统计特性，并简要解释。答：随机误差的统计特点：集中性、对称性、有界性。集中性表明测量值集中在算术平均值周围，对称性表明，正负误差出现的次数相同。有界性表明随机误差是有界限的，超出一定界限就是粗大误差。2．什么是仪表的准确度等级？我国的模拟仪表有七个基本等级，选择仪表时是否只根据准确度等级选择？为什么？答：选择仪表时就兼顾准确度等级和量程，通常希望示值落在仪表满度值的2/3左右。这样才能减少具体测量时的最大示值相对误差。3．什么是粗大误差？如何判断？答：测量值明显偏离实际值，测量值中有粗大误差。粗大误差的判断方法可以采用3倍标准误差的判断方法，如果此测量值的残余误差大于3倍标准误差，则为粗大误差。4．传感器系统一般由哪几部分组成，说明各环节的作用。答：（1）被测信息→敏感元件→转换元件→信号调理电路→输出信息（2）敏感元件：感受被测量并输出与被测量成确定关系的其他量的元件；转换元件：可以直接感受被测量而输出与被测量成确定关系的电量；信号调理电路与转换电路：能把传感元件输出的电信号转换为便于显示、记录和控制的电流，电压或频率。5．什么是传感器的线性度？常用的拟合方法有哪几种？答：线性度又称非线性误差，是指传感器实际特性曲线与拟合直线（有时也称理论直线）之间的最大偏差与传感器量程范围内的输出之百分比。方法有：将零输入和满量程输出点相连的理论直线作为一条拟合直线；将与特性曲线上个点偏差的平方和为最小理论直线作为拟合直线，此拟合直线称为最小二乘法拟合直线。6．什么是系统误差？什么是随机误差？什么是粗大误差？答：在相同测量条件下多次测量同一物理量，其误差大小和符号保持恒定或某一确定规律变化，此类误差称为系统误差。在同一条件下，多次测量同一被测量，有时会发现测量值时大时小，误差的绝对值及正、负以不可预见的方式变化，该误差称为随机误差。测量值与真值之间的差值称为测量误差。7.什么是传感器的静态特性？它有哪些性能指标？如何用公式表征这些性能指标？答：（1）指检测系统的输入、输出信号不随时间变化或变化缓慢时系统所表现出得响应特性。（2）性能指标有：测量范围、灵敏度、非线性度、回程误差、稳定度和漂移、重复性、分辨率和精确度。计算题1．对某试验发动机进行地面热试车，试验条件相同，测得如下一组燃烧室压力数据(kPa)：1.5,1.4,1.6,1.5,2.0计算出这一列数据的标准误差。解：算术平均值：V1=1.5-1.6=-0.1；v2=1.4-1.6=-0.2；（1分）v3=1.6-1.6=0；v4=1.5-1.6=-0.1；v5=2.0-1.6=-0.42.测量两个电压，分别得到它的测量值U1＝202V，U2＝1001V，它们的实际值分别为U01＝200V，U02＝1000V，分别求测量的绝对误差和实际相对误差。3．有三台测温仪表，量程均为0~800℃，精度等级分别为2.5级、2.0级和1.5级，现要测量500℃的温度，要求相对误差不超过2.5％，选那台仪表合理?解：因此，应该选用1.5级的测温仪器。4．测量某电路电流共6次，测得数据（单位：mA）分别为10.4，10.5，10.6，9.9，10.5。9.8。试求算术平均值和标准误差。解：算术平均值：V1=10.4-10.3=0.1;v2=10.5-10.3=0.2;v3=11.6-10.3=0.3;v4=9.9-10.3=-0.4;v5=10.5-10.3=0.2;v6=9.8-10.3=-0.55．现有两个温度传感器，其中一个准确度等级为1.0级，量程范围为-200℃~200℃。另一个准确度等级为2.5级，量程范围为0℃~100℃。现要测量60℃的温度，请问采用哪一个温度传感器好？为什么？解：m1=50*0.5%=0.25Vm2=5*2.5%=0.125V<m1因此为了减小测量误差，应选用0-5v,2.5级的表6．已知待测拉力约为70N左右，现有两只测力仪表，一只为0.5级，测量范围为0∽500N；另一只为1.0级，测量范围为0∽100N。问选用哪一只测力仪表较好?为什么?解：所以选用1.0级的仪表好。7．有一直流电压表，它的测量范围为0～200V，精度为0.5级，试求：（1）最大满度相对误差；（2）最大绝对误差；（3）测量值为120V时的最大示值相对误差。解：（1）最大满度相对误差（2）最大绝对误差为（3）测量值为120V时的最大示值相对误差。8．测量某压力罐中的压力，重复测得8个数据分别是(单位为KPa)：11.4、11.2、12.1、11.1、11.5、10.9、12.3、10.2，请用3σ准则检查测量列中是否有坏值，如果有坏值请找出来。解:；V1=11.4-11.34=0.06;v2=11.2-11.34=-0.14;v3=12.1-11.34=0.76;v4=11.1-11.34=-0.23;v5=11.5-11.34=0.16;v6=10.9-11.34=-0.44;v7=12.3-11.34=0.96;v8=10.2-11.34=-1.14;；；没有Vi大于1.995,所有结果中不存在粗大误差,没有坏值.9．用立式光学比较仪对外圆同一部位进行7次重复测量，测量值为2.9、2.8、2.6、3.0、2.8、3.1、3.2（单位mm），试求这一组数据的标准误差。解：计算x=(x1+x2+x3+x4+x5+x6+x7)/7=(2.9+2.8+2.6+3.0+2.8+3.1+3.2)/7=2.9v1=0v2=-0.1v3=-0.3v4=0.1v5=-0.1v6=0.2v7=0.310．某线性位移测量仪，当被测位移由4.5mm变到5.0mm时，位移测量仪的输出电压由2.5V至3.5V，求该仪器的灵敏度。解：该仪器的灵敏度为:mV/mm11．用热电偶组成一个温度测试系统，在该系统中，已知热电偶的测量误差是±3%，放大器的误差是±1%，指示仪表误差为±4%，请用绝对值合成法和方均根合成法，分别求出测试系统的总误差。解：绝对值合成法计算总误差：方均根合成法计算总误差：12．有两个直流电压表，它们的准确度等级和量限分别为1.0级，0—25V和2.0级，0—5V，现要测量1.5V干电池的电压，为了减小测量误差，选用哪个表好，为什么？解：13．某压力传感器测量准确度等级为1.0级，测量范围为0-100KPa，测量实际值为80KPa的位移，示值为80.5KPa，请计算：（1）测量的绝对误差；（2）示值相对误差；（3）实际相对误差；（4）最大绝对误差解：14．某电容传感器测位移（单位CM），重复测量得到下列数据：1.5,1.4,1.6,1.5,2.0试用3准则检查测量数据中是否有坏值。解：计算x=(x1+x2+x3+x4+x5)/5=(1.5+1.4+1.6+1.5+2.0)/5=1.6v1=-0.1v2=-0.2v3=0.0v4=-0.1v5=0.4V5=0.4〈3=0.7035按3准则判别：无坏值。V5=0.4>g(n,)*=1.67*0.2345=0.3916按格拉布斯准则判别：X5是坏值。第二章电阻传感器第1节电阻应变式传感器1、应变片的工作原理2、电阻应变片的分类：金属电阻应变片，半导体电阻应变片。应变片在悬臂梁上的粘贴。3、测量转换电路——不平衡电桥直流电桥的灵敏度：单臂变化，两臂变化（半桥），4个桥臂同时变化（全桥）电桥温度补偿原理。4、应变效应的应用第2节测温热电阻传感器1、金属热电阻热电阻的主要技术性能，测量桥路设计的选择2、热敏电阻热敏电阻有负温度系数（NTC）和正温度系数（PTC）之分。3、热电阻的应用1、温度测量2、温度补偿3、温度控制和过热保护习题参考（带答案）选择题1.已知直流电桥的桥臂为R1=R2=R3=R4。R1和R4,R2和R3是相邻桥臂，当R1和R4同时产生大小相等，符号相同的增量时，电桥的输出电压：（D）A.增加B.减小C.可能增加可能减小D.等于零2.金属丝应变片传感器，主要用来测量:（B）A．温度B．应变C．湿度D．磁通3.某铂电阻的分度号为Pt100,此铂电阻在温度为0C时的电阻值是（B）4.目前我国使用的铂热电阻的测量范围是（A）A.-200～960℃ B.-50～850℃ C.-200～150℃D.-200～650℃5.铜电阻Cu50的电阻与温度的关系为：Rt=Ro(1+Δt)给定温度为0C时：Ro=50，=0.004/C，当温度为50C时，铜电阻的电阻值为（C）。A.80B.50 C.60D.1006．热电阻具有正温度系数，其电阻值随温度的增加而（B）A.减小B.增加C.突变D.不变7.已知电阻应变传感器的测量电路选择直流电桥，要提高测量灵敏度应该选择：（C）A.单臂电桥B.双臂电桥C.四臂全桥D.三臂电桥8．热电阻测量转换电路采用三线制是为了（B）A．提高测量灵敏度B．减小引线电阻的影响C．减小非线性误差D．提高电磁兼容性9.光敏电阻的主要参数光电流(B)表示其灵敏度越高。A．越小B.越大C.无关D.随便大小10.在一次性，几百个应力试验点测量应变时，要选择的是应变片是（B）A.金属箔式应变片B.金属丝式应变片C.半导体应变片D.压阻式压力传感器11.在相同条件下，全桥电桥输出电压的灵敏度是双臂半桥输出电压灵敏度的（A）A.2倍B.3倍C.1倍D.4倍12.热电阻CU100,温度为0C时，其电阻值是（C）A.0B.110C.100D.10填空题1.一种热电阻的型号为Pt100，其材料为铂。2.热电阻的测量转换电路为了减小误差多采用三____线制不平衡电桥。3.直流电桥的平衡条件为_____相对桥臂的电阻乘积相等______。4.热敏电阻有正温度系数和负温度系数两大类。5.电阻应变传感器的电阻应变片是将应变转换成应变片的电阻变化。6.某铜电阻的分度号为Cu50,当温度0C时的此铜电阻的电阻值是50。7．能将温度变化转换为电阻变化的一类传感器称为热电阻8.电阻应变片按材料可分为金属应变片及半导体应变片两大类。9.光敏电阻的原理是基于内光电效应的。判断题1．固态压力传感器是利用半导体材料的压阻效应，所以其灵敏度较低。（×）更正：固态压力传感器是利用半导体材料的压阻效应，所以其灵敏度较高。2．应变测量中，希望有温度自补偿功能，应选择全桥转换电路。（√）3．金属丝应变片传感器，主要用来测量温度。（×）更正：金属丝应变片传感器，主要用来测量应变。4．铂电阻的测量精度低于铜电阻的测量精度。（×）更正：铂电阻的测量精度高于铜电阻的测量精度。5.四臂全桥直流电桥具有温度自补偿功能。（√）6．电阻应变测量转换电路的全桥形式具有温度补偿功能。（√）简答题1．试述压阻式固态压力传感器的工作原理。答：压阻式压力传感器采用集成电路工艺技术，在硅片上制造出四个等值的薄膜电阻并组成电桥电路，当不受力作用时，电桥处于平衡状态，无电压输出;当受到压力作用时，电桥失去平衡而输出电压，且输出的电压与压力成比例。2．电阻应变片为什么要进行温度补偿？补偿方法有哪些？答：电阻应变片面会随着温度变化，电阻发生变化，将给测量带来误差。温度补偿的方法可以采用双臂半桥或全桥实现温度自补偿，或者根据被粘贴材料的线膨胀系数进行自补偿加工。3.什么叫电阻应变效应？答：当金属丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻值也发生变化，这种物理现象就是电阻丝的应变效应。计算题1．图所示R1由N个应变片串联而成，受拉应变，各应变片的应变绝对值为1。R2由N个应变片串联而成，受压应变，各应变片的应变绝对值为2。R1=R2=R3=R4,R3,R4是常值电阻。应变灵敏度系数为K，试求等臂电挢的输出电压U0。若各应变片的应变的绝对值为:1=2=0.00035应变灵敏度系数K=2N=3单个应变片的阻值为120,电源电压为5V，计算等臂电挢的输出电压U0。ER4U0R3R2R1解答：因为是N个应变片串联R1/R1=N1;R2/R2=N2又因为一个是拉应变，一个是压应变，分别电路图中的对应位置。R3,R4是常值电阻因此输出电压为：U0=E*N*K(1+2)/4U0=E*N*K(1+2)/4=5*3*2*（0.00035+0.00035）/4=0.00525V=5.25mv2．等强度梁测力系统，R1为电阻应变片，其灵敏系数K＝2.05，未受应变时R1＝120Ω。当梁受力F时，应变片承受的平均应变ε＝0.0008，求(1)应变片电阻相对变化量ΔR1/R1和电阻变化量ΔR1。(2)将电阻应变片R1置于单臂测量电桥，电桥的电源电压为3V的直流电压，求受力后电桥的输出电压。解答：电阻的相对变化量，电阻变化量。（2）受力后，应变片收到应变阻值发生变化，电桥输出电压为3．如图所示，R1和R2为同型号的电阻应变片已粘贴在梁的上下表面，其初始电阻均为100Ω，供电电源电动势E=3V，R3=R4=100Ω，灵敏度系数K=2.0。两只应变片分别粘贴于等强度梁同一截面的正反两面。设等强度梁在受力后产生的应变为0.005，（1）请画出用此两个应变片组成的半桥电路。（2）求此时电桥输出端电压U0。解：此电桥为半桥形式，故/mV4．如右图所示动圈式仪表表头的补偿电路中，被补偿元件的动圈电阻RC从20℃上升到70℃，电阻升高20Ω，热敏电阻Rt在20℃时阻值为80Ω，在70℃时阻值为10Ω，求RB。（要求20℃、70℃两点完全补偿）解：若要在20℃、70℃两点实现完全补偿，则有5．采用阻值R=120Ω灵敏度系数K=2.0的金属电阻应变片与阻值R=120Ω的固定电阻组成电桥，供桥电压为10V。当应变片应变为1000时，若要使输出电压大于10mV，则可采用何种工作方式（设输出阻抗为无穷大）？解：由于不知是何种工作方式，可设为n，故可得：mV得n要小于2，故应采用全桥工作方式。6．下图为一直流应变电桥，E=4V，R1=R2=R3=R4=350Ω，求：①R1为应变片，其余R2=R3=R4=350Ω，R1增量为△R1=3.5Ω时计算输出电压UO；②R1、R2是应变片，感受应变方向和大小相同，△R1=△R2=3.5Ω，R3=R4=350Ω，计算输出电压UO；③R1、R2是应变片，感受应变方向相反,△R1=△R2=3.5Ω，R3=R4=350Ω，计算输出电压UO。解：1）对于单臂电桥，输出电压为：2）R1、R2感受应变极性相同时，输出电压为：3）R1、R2感受应变极性相反，输出电压：（1分）7．采用阻值为120Ω灵敏度系数K=2.0的金属电阻应变片和阻值为120Ω的固定电阻组成电桥，供桥电压为4V，并假定负载电阻无穷大。当应变片上的应变分别为0.00001和0.001时，试求单臂和全桥工作时的输出电压，并比较两种情况下的灵敏度。解：单臂时应变为1*10-5时/V，应变为1*10-3时应为/V；全桥时，应变为1*10-5时/V，应变为1*10-3时应为/V。从上面的计算可知：单臂时灵敏度低，全桥时高，为单臂的四倍。8．用两个铂电阻Rt1，Rt2及两个常值电阻R1=R3=100组成的电桥电路测某设备中水的温度如图所示。其中R1=R3=100，而采用两个Rt1=Rt2=Rt该两个铜电阻的电阻与温度的关系为：Rt=Ro(1+Δt)给定温度为0C时：Rt=Ro=100，=0.004/C当电源电压为10V，差动放大器的放大倍数为20倍，并设该差动放大器输入阻抗为无穷大。求温度为100C时，放大器的输出电压。ER3Rt1Rt2R1差动放大器数字电压表解：温度为100度时Rt=Ro(1+Δt)=50（1+0.004*100）=70U=5*[70/(50+70)-50/(50+70)]=0.833放大器的输出电压为：8.3V第3章电感式传感器第1节自感传感器1、电感传感器的基本工作原理变隙式传感器、变面积式电感传感器、螺线管式电感传感器。自感传感器的输出特性第2节差动变压器传感器一、差动变压器式传感器的工作原理2、主要特性：（1）灵敏度与线性度（2）零点残余电压3、差动变压器的测量电路:二极管相敏检波电路，利用相敏整流的交流电桥电路。使输出信号既能反映位移大小又能反映位移的方向。第3节电感式传感器的应用一次仪表与4~20mA二线制输出方式习题参考（带答案）选择题1.下列哪一项不是差动变压器产生“零点残余电压”的原因（B）A．二次线圈的不对称B．采用相敏整流C．B-H曲线的弯曲D．励磁电压有谐波2.希望测量线性范围为±2mm，应该选择差动变压器的线圈骨架长度为（D）A.20mmB.30mmC.10mmD.40mm3.采用某螺线管式自感传感器测量线性范围为±1mm，传感器的线圈骨架长度应为（C）A.10mmB.40mm C.20mmD.30mm4.要将某传感器的信号传送到5Km之外，选择具有的标准变送器输出为（B）A.1～2VB.4～20mA C.0～4VD.0～50mA5.差动变压器采用相敏检波电路最重要的目的是为了（C）A．提高灵敏度　　 B．提高分辨力　　C．使检波后的直流电压能反映检波前交流信号的相位和幅值D．增加线性度6.下列哪一项不是差动变压器产生“零点残余电压”的原因(B)A．二次线圈的不对称B．采用相敏整流C．B-H曲线的弯曲D．励磁电压有谐波7.要测量微小的气体压力之差，最好选用（D）变换压力的敏感元件。A．悬臂梁B．平膜片C．弹簧管D．膜盒填空题1.当差动变压器的衔铁处于中间位置时，理想条件下其输出电压为零。但实际上，当使用桥式电路时，在零点仍有一个微小的电压值存在，称为零点残余电压。2.一次仪表的输出信号可以是电压，也可以是电流。为了不受干扰，且便于远距离传输在一次仪表中多采用电流输出型。3.差动变压器是把被测位移转换为传感器线圈的互感量的变化量。。4.电感传感器的测量转换电路，利用相敏整流的交流电桥电路。使输出信号既能反映位移大小又能反映位移的方向。5.差动变压器式传感器是把被测位移量转换为一次线圈与二次线圈间的互感量的变化的装置。6.差动变压器式位移传感器是将被测位移量的变化转换成线圈互感量的变化，两个次级线圈要求____反向串联（或差动）_______串接。7.变气隙式自感传感器是利用___自感量_____随气隙而改变的原理制成的。8.差动自感传感器的灵敏度比非差动式自感传感器的灵敏度高（高/低）。判断题1．差动变压器可用于测量位移。（√） 2．自感式传感器是利用互感量随气隙而改变的原理制成的。（×）更正：自感式传感器是利用自感量随气隙而改变的原理制成的。3．差动变压器是把被测位移转换成自感量的变化。（×）更正：差动变压器是把被测位移转换成互感量的变化。4．自感传感器将被测量转换成绕组互感量的变化。（×）更正：自感传感器将被测量转换成绕组自感量的变化。5．差动变压器的两组完全对称的二次绕组正向串联组成差动输出形式。（×）更正：差动变压器的两组完全对称的二次绕组反向串联组成差动输出形式。简答题1．差动电感产生零点残余电压的原因是什么？答：差动电感两个绕组的圈数，直流电阻等电气参数，几何尺寸或磁路参数不完全对称。存在寄生参数。电源电压中含有高次谐波。励磁电流太大使磁路的磁化曲线存在非线性。2．什么是差动变压器的零点残余电压？答：当差动变压器的二次线圈处于中间位置时，无论怎样调节铁心的位置，均无法使测量转换电路输出为零，总有一个很小的输出电压存在，在中央位置时输出的很小的电压就是差动变压器的零点残余电压。 3．试述差动变压器测量位移的原理。答：铁芯处于中间位置时，M1=M2=M，U0=0②铁芯上升时，M1=M+ΔM，M2=M-ΔM与U1同极性，U0的大小与铁心位移大小有关。③铁芯下降时，M1=M-ΔM，M2=M+ΔM与U2同极性，U0的大小与铁心位移大小有关。4．自感传感器哪三种基本类型？自感传感器采用相敏检波电路最主要的目的是什么？答：自感传感器有变气隙式，变截面式，螺管式三种基本类型。自感传感器采用相敏检波电路最主要的目的是使输出电压可以反映位移的大小和方向。第4章电涡流传感器第1节电涡流传感器工作原理1、涡流效应二、等效阻抗分析：当被测导体的某些参数发生变化时，可引起涡流式传感器线圈的阻抗Z、电感L和品质因数Q变化，测量Z、L或Q就可求出被测量参数的变化。三、电涡流传感器的种类高频反射式、低频透射式。第2节电涡流传感器结构及特性电涡流位移传感器特性第3节测量转换电路调幅法和调频法两种。第4节电涡流传感器的应用位移测量、振动测量、转速测量、电涡流表面探伤电涡流式通道安全检查门第5节接近开关简介接近开关与机械行程开关的比较接近开关的术语：工作距离、复位（释放）距离、动作滞差（回差值）。输出状态：常开型(NPN)/常闭型(PNP)接近开关NPN常开型接近开关的施密特特性习题参考（带答案）选择题1.电涡流传感器检测导电物体的各种物理参数，利用的物理效应是（C）A．应变效应B．热电效应　C．涡流效应D．霍尔效应2.涡流传接近开关可以检测出下列哪个物体的靠近程度：(D)A．塑料零件B．水泥制件　C．人体D．金属零件3.不能用涡流式传感器进行测量的是(D)A.位移B.材质鉴别C.探伤D.非金属材料填空题1.涡流传感器在金属体上产生的涡流，由于涡流的集肤效应，其渗透深度与传感器的激励电流的频率成___正比______。2..涡流传感器在金属体上产生的涡流，由于涡流的集肤效应，激励电流的频率越低，渗透深度就越深。3.接近开关复位距离与动作距离之差称为动作滞差。4.电涡流传感器是利用涡流效应来检测导电物体的各种物理参数。简答题1．电涡流式传感器的工作原理。答：传感器线圈由高频信号激励，使它产生一个高频激励磁场φi，当被测导体靠近线圈时，在磁场作用范围的导体表层，产生了与此磁场相较连的电涡流ie，而此电涡流又将产生一交变磁场φe阻碍外磁场的变化。从能量角度来看，在被测导体内存在着电涡流损耗（当频率较高时，忽略磁损耗）。能量损耗使传感器的Q值和等效阻抗Z降低，因此当被测体与传感器间的距离d改变时，传感器的Q值和等效阻抗Z、电感L均发生变化，于是把位移量转换成电量。这便是电涡流传感器的基本原理。第5章电容传感器第1节电容式传感器的工作原理及结构1、电容式传感器的类型、测量原理和基本特性三种类型的电容传感器：变面积型电容传感器、变极距型电容传感器、变介电常数型电容传感器测量原理和基本特性。第二节电容式传感器的测量转换电路测量转换电路：脉冲宽度调制电路和FM调频电路原理。第3节电容式传感器的应用硅微加工加速度传感器原理、电容式油量表第4节压力和流量的测量1、压力的基本概念大气压、差压(压差)、绝对压力、表压(相对压力)2、电容式差压变送器工作原理3、流量的基本概念4、节流式流量计及电容差压变送器在流量测量中的应用差压节流式流量计习题参考（带答案）选择题1.在电容传感器中，若采用调频法测量转换电路，则电路中（B）A．电容和电感均为变量B．电容是变量，电感保持不变C．电感是变量，电容保持不变D．电容和电感均保持不变2．电容式传感器测量固体或液体物位时，应该选用(C)A.变间隙式 .变面积式 C.变介电常数式D.空气介质变间隙式填空题1.电容式传感器按结构特点可分为变极距型、变介电常数型和变面积型等三种。2.差压是指两个压力之差。3.电容传感器根据原理可分为变面积式、变介电常数式和变极距式电容传感器。判断题1．流体经过节流装置后，流速提高，压力不变。（×） 更正：流体经过节流装置后，流速提高，压力变小。2．在电容传感器中，采用调频法测量转换电路，则电路中的电感是变量，电容保持不变。（×）更正：在电容传感器中，采用调频法测量转换电路，则电路中的电容是变量，电感保持不变。简答题1.请差压式流量计中的节流装置的作用是什么？答：在管道中设置一个流通面积比管道狭窄的孔板或文丘里喷嘴，使流体经过该装置时，流速提高，根据伯努利定律，管道中的流体流速越高，压强越小，流体流过节流装置后，压力力将小于未节流前的压力。节流装置两侧的压差与通过的流量有关，流量越大，压差越大。 2.答：1、电容式传感器是指能将被测物理量的变化转换为电容变化的一种传感元件。2、极距变化型电容式传感器、变面积式电容传感器、变介电常数式电容传感器计算题1.有一电容测微仪，其传感器的圆形板极半径r=5mm，开始初始间隙δ=0.3mm，问:工作时，如果传感器与工件的间隙缩小1μm，电容变化量是多少？（极板间介质为空气，εr≈1，真空介电常数ε0＝8.854×10-12F/m）2．解：初始间隙时，电容。工作时，电容变化量为第6章压电传感器第1节压电传感器的工作原理1、压电效应压电效应2、压电材料的分类及特性一类是压电晶体（如上述的石英晶体）；另一类是经过极化处理的压电陶瓷；第三类是高分子压电材料。第2节压电传感器的测量转换电路1压电晶片的连接方式：并联和串联。2压电传感器的等效电路：电压源;电荷源3压电式传感器的测量电路前置放大器电路：一是用电阻反馈的电压放大器；另一种是用带电容板反馈的电荷放大器，其输出电压与输入电荷成正比。由于电荷放大器电路的电缆长度变化的影响不大，几乎可以忽略不计，故而电荷放大器应用日益广泛。第3节压电传感器的应用；用于动态切削力的测量习题参考（带答案）选择题1.动态力传感器中，为了增大输出电荷量，两片压电片多采用的接法是：（B）A.串联B.并联C.既串联又并联D.差动连接2.使用压电传感器可测量（C）A.苹果的重量B.桥梁的变形C.车刀在切削时切削力的变化量D.工件的厚度填空题1.当晶体薄片受到压力时，晶格产生变形，表面产生正电荷，电荷Q与所施加的力F成正比，这种现象称为压电效应。2.压电传感器的常用的前置放大器是电荷放大器。3.目前压电式传感器的常用的材料有石英晶体、压电陶瓷和高分子压电材料等三类4.压电式传感器则利用了一些具有离子型晶体电介质的压电效应，它测量的最基本的物理量也是力。5.压电传感器的压电晶片上电荷极性与受力方向有关。判断题1．压电逆向效应即在电介质的极化方向施加交变电场，它会产生机械变形。当去掉外加电场，电介质变形随之消失的现象。（√）2．压电传感器可用于测量静态力。（×）更正：压电传感器可用于测量动态力。计算题1.敏度为100pC/g（g是重力加速度），电荷放大器的灵敏度为20mV/pC，请计算当输入5g的加速度时，电荷放大器的输出电压U0和此时电荷放大器的反馈电容Cf。解：第八章霍尔传感器第一节霍尔元件的结构及工作原理一、霍尔效应霍尔电势的方向与控制电流和磁场方向有关。二、霍尔元件的主要外特性参数：输入电阻Ri和输出电阻RO、最大激励电流IM、灵敏度ＫH、最大磁感应强度BM不等位电动势U0、霍尔温度系数α。3、霍尔元件的测量误差和补偿零位误差及补偿方法、温度误差及补偿第2节霍尔集成电路线性型和开关型两大类线性型霍尔特性、开关型霍尔集成电路的史密特输出特性第3节霍尔传感器的应用测量磁场强度、测量位移、霍尔转速表、霍尔式无触点汽车电子点火装置、霍尔式无刷电动机、霍尔式接近开关、霍尔电流传感器习题参考（带答案）选择题1.下列哪一项不能改变霍尔电动势的方向（C）A．只改变控制电流方向B．只改变磁场的方向 C．同时改变控制电流和磁场方向D．改变控制电流大小和方向2.下列属于四端元件的是（D）A.电阻应变片B.光敏二极管C.铂电阻丝D.霍尔元件3.霍尔传感器选择以下哪一个激励电流的数值较为妥当？（C）A．5μAB．0.1mAC．2mAD．80mA4.电动自行车的直流电动机的电枢线圈可采用(B)）传感器控制激励电流的换向。A．热敏B.霍尔C.电感D.压电5．半导体薄片置于磁感应强度为B的磁场中，磁场方向垂直于薄片，作用在半导体薄片上的磁场强度B和激励电流I越大，霍尔电势也就（C）。A.等于零B.越低C.越高D.不变填空题1.霍尔元件中当控制电流和磁场方向同时反向，霍尔电势大小不变。2.霍尔元件采用恒流源激励是为了减少温漂。3.霍尔元件垂直方向所施加的磁场频率为K的交变磁场，则霍尔电势为交变电动势。4.霍尔电势的方向与控制电流和磁场方向有关。当电流和磁场方向同时改变，霍尔电势方向不变。判断题1．霍尔集成传感器分为线性型霍尔传感器和开关型霍尔传感器。（√）2．霍尔元件中，当只有控制电流方向改变，霍尔电势方向不变。（×）更正：霍尔元件中，当只有控制电流方向改变，霍尔电势方向改变。简答题1．什么是霍尔元件的不等位电动势？减少不等位电动势的方法有哪些？答：不等位电动势U0：在额定控制电流I下，不加磁场时霍尔电极间的空载霍尔电势。不等位电动势的补偿方法有：电桥调零法，补偿电桥法。2．什么是霍尔元件的不等位电动势？减少不等位电动势的方法有哪些？答：不等位电动势U0：在额定控制电流I下，不加磁场时霍尔电极间的空载霍尔电势。不等位电动势的补偿方法有：电桥调零法，补偿电桥法。3．试述霍尔效应。 答：半导体薄片置于磁感应强度为B的磁场中，磁场方向垂直于薄片，当有电流I流过薄片时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势EH，这种现象称为霍尔效应。计算题1．已知HZ-4型霍尔元件的灵敏度KH=26mV/mA.T,其元件电阻R0=50,将该霍尔元件与阻值为1150的电阻R串联，接入电压为12V的恒压源供电。如穿过霍尔元件的磁场B=2T，方向与元件平面成90角，(1)、试计算霍尔电势UH。若电源电压变成6V磁场方向与元件平面成60角，(2)、试再计算霍尔电势UH。UH霍尔元件R=115012V解：控制电流为：I=12000mv/(50+1150)=10maa．霍尔电势为：VH=KH*I*B*COS=26*2*10*1=520mvb．霍尔电势为：VH=KH*I*B*COS30=26*2*5*0.5=130mv2．HZ-4型霍尔元件的灵敏度KH=13mV/mA.T其元件电阻R0=50,将该霍尔元件与阻值为50的电阻RC串联，再与阻值为400的电阻RB并联后，接入电流为20mA的恒流源供电的电路。如图所示。如穿过霍尔元件的磁场B=2T，方向与元件平面成90角试计算霍尔电势UH；若由于温度的影响假设元件电阻变为R0=60，试再计算霍尔电势UH。RBI霍尔元件RCUH解：控制电流为：Ik=20*400/(50+50+400)=16mAa．霍尔电势为：VH=KH*Ik*B*COS=13*2*16*1=416mvIk=20*400/(50+60+400)=15.69mA霍尔电势为：VH=KH*Ik*B*COS=13*2*15.69*1=407.9mv第9章热电偶传感器第1节温度测量的基本概念温度：温度标志着物质内部大量分子无规则运动的剧烈程度。温度越高，表示物体内部分子热运动越剧烈。第2节热电偶的工作原理一、热电效应二、产生热电势的微观解释1、接触电势、温差电势2.热电偶基本性质3.热电偶基本定律：中间导体定律、中间温度定律第三节热电偶的种类及结构一、热电偶的种类：1、标准型热电偶：S、B、E、K、N、R、J、T八种标准化热电偶2、热电偶的热电势与温度的关系曲线分析3、热电偶的分度表4、常用热电偶的结构：普通工业用装配式热电偶、铠装（或套管式）热电偶、隔爆型热电偶第四节热电偶冷端的延长补偿导线的作用第5节热电偶的冷端温度补偿一、冷端温度补偿必要性二、冷端温度补偿的方法：冷端恒温法、计算修正法、仪表机械零点调整法、电桥补偿法（又称冷端补偿器）法、软件处理法三、热电偶测温线路：热电偶串联线路习题参考（带答案）选择题1.热电偶测温回路中使用补偿导线的主要作用是（A）A.将热电偶冷端延长到远离高温区的温度稳定区。B.提高灵敏度。C.提高分辨力。D.使冷端温度升高2.热电偶测量温度，热电偶的冷端和热端温度都是20C，热电偶回路中的热电动势为（B）A.20mvB.0mvC.1.5mvD.2mv3．两种不同材料组成的热电偶所产生的热电动势大小与下列哪一个因素有关(D)A．材料的中间温度B．材料的直径C．材料的长度D．材料两端的温度差4．当热电偶两端温度相同时，不同材料组成的热电偶的热电动势为（B）A.10mvB.0mvC.2mvD.1mv5.在以下几种传感器当中属于自发电型传感器是（C）A．电容式B．电阻式C．热电偶D．电感式填空题1．热电偶的冷端补偿法是采用补偿导线把热电偶冷端置于远离热源的恒温处进行冷端补偿的。2.按热电偶本身结构划分，有普通装配型_热电偶、铠装热电偶、防爆型热电偶3.利用不同种材料的接触电势和温差电势将温度变化转换为电势的一类传感器称为热电偶。4、当温度为T1、T2时，用导体A、B组成的热电偶的热电动势等于AC热电偶和BC热电偶的热电动势的之和。5.在热电偶回路中介入第三种材料的导线，只要这第三种材料的导线两端温度相同，第三种材料导线的引入不会影响热电偶的热电动势。6.当热电偶两端温度相同时，不同材料组成的热电偶的热电动势为零。7.能将温度变化转换为热电动势的传感器称为热电偶8.热电偶回路的热电动势大小只与组成热电偶的材料及两端接点的温度差有关，与热电偶的长度、粗细、形状无关。9.热电偶的冷端温度补偿方法有冰浴法（冷端恒温法）、补偿导线法、计算校正法、补偿电桥法。判断题1．热电偶的补偿导线的作用是将热电偶冷端延长到远离高温区的地方。（√）2．热电偶两结点温度相同，则回路中总的热电动势等于零。（√）3．热电偶传感器是一种能将温度转换为电阻的装置。（×）更正：热电偶传感器是一种能将温度转换为电动势的装置。4．热电偶的输出热电势越大，热端和冷端的温差越大。（√）5．热电偶AB的热电势与A，B材料的中间温度无关，