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贵州快3传感器原理及其应用(第二版)部分习题答

发布日期:2021-02-02 12:40

  传感器原理及其应用(第二版)部分习题答案_物理_自然科学_专业资料。作业讲解 第1章 传感器的一般特性 ? 作业:习题2、3、4、5(P11) 第1章 传感器的一般特性 2、简述传感器的组成及其各部分的功能。 答:传感器通常由敏感元件、转换元件以及基本转换电

  作业讲解 第1章 传感器的一般特性 ? 作业:习题2、3、4、5(P11) 第1章 传感器的一般特性 2、简述传感器的组成及其各部分的功能。 答:传感器通常由敏感元件、转换元件以及基本转换电 路所组成。 敏感元件:指传感器中能直接感受或响应被测量(输入 量)的部分,并以确定关系输出某一物理量。 转换元件:指传感器中能将敏感元件感受的或响应的被 探测量(如位移、应变、光强等) 转换成适于传输和测量 的电信号(如电阻、电感等)的部分。 基本转换电路:将电路参数转换成便于测量的电量,如 电压、电流、频率等。 第1章 传感器的一般特性 3、对某传感器进行特性测定所得到的一组输入—输出数 据如下: 输入x:0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 输出y;2.2 4.8 7.6 9.9 12.6 15.2 17.8 20.1 22.1 试计算该传感器的非线章 传感器的一般特性 解:非线性度的拟合直线采用端基直线。 设拟合直线为:y=kx+b,根据两个端点(0.1,2.2)和(0.9,2 2.1),则拟合直线 ? x1 0.9-0.1 ∴ 24.875?0.1? b ? 2.2 ∴ b ? -0.2875 ∴端点拟合直线章 传感器的一般特性 解: x 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 y实际 2.2 4.8 7.6 9.9 12.6 15.2 17.8 20.1 22.1 y理论 2.2 4.6875 7.175 9.6625 12.15 14.6375 17.125 19.6125 22.1 Δ=y实际-y理论 0 0.1125 0.425 0.2375 0.45 0.5625 0.675 0.4875 0 ∴ ?Lmax =0.675 ∴ ?L ? ? ?Lmax yFS ?100% ? ? 0.675 ?100% 22.10 ? ?3.05% 灵敏度为:Sn ? dy dx ? 24.875 第1章 传感器的一般特性 4、何为传感器的静态特性?静态特性的主要技术指标有 哪些? 答:传感器的静态特性是在稳态信号作用下的输入输出 特性。 衡量静态特性的重要指标有灵敏度、线性度、迟滞、重 复性、稳定性等。 第1章 传感器的一般特性 5、何为传感器的动态特性?动态特性的主要技术指标有 哪些? 答:传感器的动态特性是传感器在被测量随时间变化的 条件下输入输出关系。动态特性有分为瞬态响应和频率 响应。 衡量瞬态响应特性的指标有时间常数?、上升时间tr、响 应时间ts、超调量?、衰减率?、稳态误差ess等。 衡量频率响应特性的指标有频带、时间常数? 、固有频率 ?n 。 第2章 电阻应变式传感器及其应用 ? 作业:习题3、5、6、7 (P34) 第2章 电阻应变式传感器及其应用 3. 金属应变片与半导体应变片在工作原理上有何不同?何为金属 的电阻应变效应?怎样利用这种效应制成应变片? 答:金属应变片在外力的作用下,应变片的几何尺寸(长度和截面积 )发生变化(机械形变)而引起应变片的电阻改变,运用它们的对应 关系实现测量目的;其灵敏系数(k≈1+2μ)主要是材料几何尺寸变化 引起的。半导体应变片受到作用力后,应变片的电阻率ρ发生变化,而 引起应变片的电阻值改变。其灵敏系数(k=△ρ/ρε)主要是半导体材 料的电阻率随应变变化引起的。 当金属丝在外力作用下发生机械变形时,其电阻值将发生变化,这种 现象称为金属的电阻应变效应。 应变片是利用金属的电阻应变效应,将金属丝绕成栅形,称为敏感栅 。并将其粘贴在绝缘基片上制成。 第2章 电阻应变式传感器及其应用 5. 何为直流电桥?若按桥臂工作方式不同,可分为哪几种?各自的 输出电压及电桥灵敏度如何计算? 答:桥臂的供电电源是直流电的称为直流电桥。 按桥臂工作方式不同,可分为单臂电桥、双臂电桥、全桥。 单臂电桥输出电压及电桥灵敏度分别为: U sc ? U 4 ?R R k ?U 4 双臂电桥输出电压及电桥灵敏度分别为: U sc ?U 2 ?R R k ?U 2 全桥输出电压及电桥灵敏度分别为: U sc ?U ?R R k ?U 第2章 电阻应变式传感器及其应用 6. 一台采用等强度梁的电子秤,如图2.40所示,在梁的上下两面 各贴有两片灵敏系数均为k = 2 的金属箔式应变片做成秤重传感 器。已知梁的L = 100mm,b=11mm,h= 3mm,梁的弹性模量E =2.1×104 N/mm2。将应变片接入直流四臂电路,供桥电压Usr = 6V。 试求:(1)秤重传感器的灵敏度(V/kg)? (2)当传感器的输出为68mV时,问物体的荷重为多少? 第2章 电阻应变式传感器及其应用 解:(1)如图a,当重力F作用梁短部后,梁上表面R1和R3产生正 应变电阻变化而下表面R2和R4则产生负应变电阻变化,其应变的 绝对值应相等,即: ?1=? = 3 ?? 2 ? ?? 4 ?? ? 6FL bh2 E ? 6mgL bh2 E 电阻相对变化量为: ?R1 ? ?R3 ? ? ?R2 ? ? ?R4 ? ?R ? k? R1 R3 R2 R4 R 现将四个电阻应变片按照图b所示接入等臂全桥电路,其输出电 桥电路电压为: ?R U0 ? R Usr 第2章 电阻应变式传感器及其应用 称重传感器的灵敏度 KU0 ? U0 m ? k 6gL bh2 E U sr 6 ? 9.8? N kg ? ?100mm ? 2? ? 6V ? 0.0339V kg ? ? 11mm ? ?3mm?2 ? 2.1?104 N mm2 (2) 当传感器输出电压为68mV时,物体的荷重m为 m ? U0 ? 68?10?3V ? 2.006kg KU0 0.0339V kg 第2章 电阻应变式传感器及其应用 7. 图2.43为应变式力传感器的钢质圆柱体弹性元件,其直径d = 4 0 mm,钢的弹性模量 E = 2.1×105 N/mm2 ,泊松比μ=0.29 ,在 圆柱体表面粘贴四片阻值均为120Ω、灵敏系数κ=2.1的金属箔式 应变片(不考虑应变片的横向灵敏度), 并接入惠斯顿电桥。若供 桥电压Usr = 6V(DC),试求:该力传感器的灵敏度(V/N)? F F 第2章 电阻应变式传感器及其应用 解:(1)如图,当力F作用圆柱体上后,电阻应变片R1和R3产生正 应变电阻变化,电阻应变片R2和R4则产生负应变电阻变化, ?1 ? ?3 ? ? x 电阻相对变化量 ? F AE ? F ?r2E ?2 ? ?4 ? ? y ? ?? x ?R1 R1 ? ?R3 R3 ? k?x ?R2 R2 ? ?R4 R4 ? k? y ? ?k?x 电阻变化后的电阻: F R1 ? R1 ? ?R1 R3 ? R3 ? ?R3 R2 ? R2 ? ?R2 R4 ? R4 ? ?R4 F 第2章 电阻应变式传感器及其应用 现将四个电阻应变片按照图所示接入等臂全桥电路,其输出电桥 电路电压为 Uo ? R1 R1 ? R2 U sr ? R4 R3 ? R4 U sr Uo ? ? R1 ? R1 ? ?R1 ?R1 ? ? ? R2 ? ?R2 ? Usr ? ? R3 ? R4 ? ?R4 ?R3 ? ? ? R4 ? ?R4 ? Usr Uo ? ? R1 ? ?R1 ?R1 ? ? ? ?R4 ? R2 ? ?R2 ? U sr ? 1? ? 2 k? xUsr F 该力传感器的灵敏度(V/N)为: k ? Uo F ? 1 ? 2 ? k ? 1 r2 E U sr k ? 1 ? 0.29 ? 2.1? 1 ? 6 ? 3.081?10?8 2 3.14 ? 202 ? 2.1?105 F 第3章 电感式传感器及其应用 ? 作业:习题3、9、15、16 (P51) 第3章 电感式传感器及其应用 3、电感式传感器的测量电路起什么作用?变压器 电桥电路和带相敏整流的电桥电路哪个能更好地 起到测量转换作用?为什么? 第3章 电感式传感器及其应用 答:测量电路的作用是将电感量的变化转换成电压或电流的 变化,以便用仪表指示出来,或者送入下级电路进行处理和 放大。 带相敏整流的电桥电路能更好地起到测量转换作用。变压器 电桥电路的输出电压随位移方向不同而反相180°,由于桥 路电源是交流电,若在转换电路的输出端接上普通仪表时, 无法判别输出的极性和衔铁位移的方向。此外,当衔铁处于 差动电感的中间位置时,还存在零点残余电压。而采用相敏 整流电路,得到的输出信号既能反映位移的大小,又能反映 位移的方向,同时也能消除零点残余电压。所以相敏整流的 电桥电路能更好地起到测量转换作用。 第3章 电感式传感器及其应用 9、已知变气隙电感传感器的铁芯截面积S=1.5cm 2,磁路长度L=20cm,相对磁导率μ=5000,气隙 δ0=0.5cm,Δδ=±0.1mm,贵州快3线H/m,线,求单端式传感器的灵 敏度△L/△δ,若做成差动结构形式,其灵敏度 将如何变化? 第3章 电感式传感器及其应用 解:电感传感器的初始电感量为: L0 ? W 2?cS 2?0 ? 30002 ? 4? ?10?7 H / m?1.5?10?4 m2 2? 0.5?10?2 m ? 54? ?10?3 H ? 169.56 ? mH ? 当衔铁移动Δδ时,单端式传感器的灵敏度△L/△δ为: k ? ?L ?? ? L0 ?0 ? 54? ?10?3 H 0.5?10?2 m ? 10.8? ?H/m? ? 33.912?H/m? 若做成差动结构形式,根据差动的变隙式的灵敏度公式 有: k差动 ? ?L ?? ? 2L0 ?0 ? 2?54? ?10?3 H 0.5?10?2 m ? 21.6? H / m ? 67.824?H/m? 故将其做成差动结构后,灵敏度将提高一倍。 第3章 电感式传感器及其应用 15、试用差动变压器式传感器设计液罐内液体液位测量 系统,做出系统结构图,贵州快3,并分析工作原理。 解: 利用差动变压器式传感器设计的液位测量系统如图所示。 液位的高低变化可带动浮子上下移动,从而带动衔铁移动,差动 变压器的输出U0也随之发生变化,其大小与液位高低成函数关系 ,由此可测出液位。当某一设定液位使铁芯处于中心位置时,差 动变压器输出信号U0=0;当液位上升或下降时,U0≠0;通过相 应的测量电路便能确定液位的高低。 Uo U1 ~ 液罐 浮子 第3章 电感式传感器及其应用 16、有一只差动电感位移传感器,已知电源电压U ? 4V,f ? 400Hz ,传感器线圈电阻与电感分别为R ? 40?,L ? 30mH,用两只匹配 电阻设计成四臂等阻抗电桥,如图所示。试求: (1)匹配电阻 R3和 R4 的值为多少时才能使电压灵敏度达到最大。 (2)当 ? Z ?10 ? 时,分别接成单臂和差动电桥后的输出电压值。 第3章 电感式传感器及其应用 解:(1)传感器的两个线圈作为电桥的两个桥臂Z1和Z2,另外两 个相邻的桥臂用纯电阻代替。 在R3=R4=R的情况下, 电桥的输出 电压为: U0 ? Z2U Z1 ? Z2 ? R4U R3 ? R4 ? U ? ? ? Z1 Z2 ?Z 2 ? R4 R3 ? R4 ? ? ? ? U 2 Z2 ? Z1 Z1 ? Z2 由此可见,电桥的输出电压与匹配电阻R3和R4无关,相应的电压 灵敏度也与其无关。 但题目要求设计成四臂等阻抗电桥,因此有:Z1= Z2 = Z3= Z4。 ∵ Z1 ? Z2 ? Z0 ? R ? j?L ∴ Z3 ? Z4 ? Z0 ? R ? j?L ? ? ∴ R3 ? R4 ? Z0 ? R ? j?L ? R2 ? ??L?2 ? 402 ? 2?? ? 400?30?10?3 2 ? 85.35??? 第3章 电感式传感器及其应用 (2) 接成单臂电桥后的电桥输出电压值为: U0 ?U 2 Z2 ? Z1 Z1 ? Z2 ?U 2 Z0 ? ?Z0 ? ?Z ? Z0 ? ?Z ? Z0 ? ?U 2 ?Z 2Z0 ? ? 4 ? 10 2 2 ? 85.35 ? -0.117?V? 接成差动电桥后的电桥输出电压值为: U0 ?U 2 Z2 ? Z1 Z1 ? Z2 ?U 2 ?Z0 ?Z0 ? ?Z ? ? ?Z0 ? ?Z ? ? ?Z0 ? ?Z ? ? ?Z ? ? ?U 2 ?Z Z0 ? ? 4 ? 10 2 85.35 ? 0.234?V? 第4章 电容式传感器及其应用 ? 作业:习题2、5、8、14 (P67) 第4章 电容式传感器及其应用 2、推导差动式电容传感器的灵敏度,并与单极式电容传 感器相比较。 答:设在初始状态下,动极板位于两块定极板中间位置, 则: d1 ? d2 ? d0 C1 ? C2 ? C0 ? ?A d0 当动极板受被测量作用,其位置发生改变,设动极板向上 移动了?d ,则: C1 ? C0 ? ?C1 ? d0 ?A ? ?d C2 ? C0 ? ?C2 ? ?A d0 ? ?d ?d ?C ? ?C1 ? ?C2 ? C1 ? C2 = ?A d0 ? ?d - ?A d0 ? ?d =2C0 ? 1? d0 ( ?d )2 d0 第4章 电容式传感器及其应用 当?d d0 时,即?d/d01 ,则: ?C ? 2C0 ?d d0 ∴灵敏度为: K ? ?C ? 2 C0 ?d d0 由此可见,与单极式相比,其灵敏度提高了一倍(单极式 为 K ? ?C ? C0 )。 ?d d0 第4章 电容式传感器及其应用 5、为什么高频工作时电容式传感器的连接电缆的长度不 能任意改变? 答:在高频激励时,需考虑电容器及引线电感L的 存在,使传感器有效电容为Ce=C/(1-ω2LC),从而 使传感器的灵敏度由S=C0/d0变为Se=S/(1-ω2LC)2, Se与传感器的固有电感(包括电缆电感) L有关,且 随ω变化而变化。这种情况下,每当改变激励频 率或者更换传输电缆时都必须对测量系统重新进 行标定。 第4章 电容式传感器及其应用 8、在压力比指示系统中采用差动式变间隙电容传感器和电桥 测量电路,如图4-17所示。已知:δ0=0.25mm;D=38.2mm; R=5.1kΩ;Usr=60V(交流),频率f=400Hz。试求: (1)该电容传感器的电压灵敏度Ku (V/?m); (2)当电容传感器的动极板位移△δ=10?m时,输出电压Usc 值。 第4章 电容式传感器及其应用 解: (1)差动电容器初始时刻的电容 ? ? C1 ? C2 ? C0 ? ? A = ?? D2 ?0 4?0 ? 8.854 ?10?12 F/m ?? ? 38.2 ?10?3 m 4 ? 0.25?10?3 m 2 ? 40.6pF 两电容的容抗 X C1 ? X C2 ? 1 ?cc ? 1 2? fC0 = 2 ? 3.14 ? 1 400 ? 40.6 ?10?12 ? 9.8?106 ? ?? R ? 5.1k? ∴测量桥路中的电阻R可忽略,则测量电路的输出电压为: 1 U sc ? X C1 X C1 ? X C2 U sr ? XC XC ? XC U sr = ?C1 1?1 U sr ? 1 2 U sr ?C1 ?C2 U sc ? C2 C1 ? C2 U sr ? 1 2 Usr ? ?C0 C0 ? ?C ? ?C ? ? ?C0 ? ?C ? Usr ? 1 2 Usr U sc ? U sr 2 ?C C0 ? Usr 2 ?? ?0 第4章 电容式传感器及其应用 从而得电容传感器的电压灵敏度Ku为: Ku ? Usc ?? ? Usr 2?0 Ku ? 60?0 2? 0.25?103 ?m ? 0.12V/?m (2) 当电容传感器的动极板位移△δ=10?m时,输出电 压Usc值为: Usc ? Ku ? ?? ? 0.12?10 ? 1.2V 第4章 电容式传感器及其应用 14、有一个直径为 2 m、高 5 m的铁桶,往桶内连续注水,当 注水数量达到桶容量的 80%时就应当停止,试分析用应变片 式传感器或电容式传感器来解决该问题的途径和方法。 第4章 电容式传感器及其应用 解:应变片式传感器: 下图是测量液体重量的插入式传感器示意图。该传感器有一 根传压杆,上端安装微压传感器,下端安装感压膜,它用于 感受水的压力。当桶中的水增多时,感压膜感受的压力就增 大,从而测出水位的高度 h。由题可知,当 h =4 m 时,储水 量就达到了 80%,传感器给出信号就可以停止注水。 第4章 电容式传感器及其应用 下图是电容式液位传感器的测量原理图。测量电极安装在桶 的顶部,这样桶壁和电极之间形成一个电容器。往桶内注水 时,实际上是改变介电常数,导致传感器的电容量变化,变 化的大小与桶内的水位高度成比例变化。当h =4 m 时,储水 量就达到了 80%,传感器给出信号就可以停止注水。 第5章 压电式和超声波传感器及其应用 ? 作业:习题1、3、11、12 (P84) 第5章 压电式和超声波传感器及其应用 1、简述压电效应与电致伸缩效应,说明它们适用于制作什 么器件。 答: 某些电介质在沿一定的方向受到外力的作用变形时, 由于内部电极化现象同时在两个表面上产生符号相反的电荷 ,当外力去掉后,恢复到不带电的状态;而当作用力方向改 变时,电荷的极性随着改变。晶体受力所产生的电荷量与外 力的大小成正比。这种现象称为正压电效应。反之,如对晶 体施加一定变电场,晶体本身将产生机械变形,外电场撤离 ,变形也随之消失,称为电致伸缩效应。 压电效应适用于制作压电传感器,电致伸缩效应适用于制作 超声波传感器。 第5章 压电式和超声波传感器及其应用 3、为什么压电式传感器不能用于静态测量,只能用于动态 测量中? 答:压电式传感器不能用于静态测量:外力作用在压电材料 上产生的电荷只有在无泄漏的情况下才能保存,需要测量回 路具有无限大的输入阻抗,这实际上是不可能的。 压电式传感器适用于动态测量:压电材料在交变力的作用下 ,电荷可以不断补充,以供给测量回路一定的电流。故压电 传感器适宜作动态测量。 第5章 压电式和超声波传感器及其应用 11、两根高分子压电电缆相距L=2m,平行埋设于柏油公路的路 面下约50mm,如下图左所示。现有一辆超重汽车以较快的车速 压过测速传感器,两根PVDF压电电缆的输出信号如图右所示。 求: 1)估算车速为多少km/h。 2)估算汽车前后轮间距d。 3)说明载重量m以及车速v与A、B压电电缆输出信号波形的关系 。 A PVDF压电电缆 B A B d T/(25ms/div) 公路 2m 压电电缆输出信号波形 U/(200mV/div) 第5章 压电式和超声波传感器及其应用 解:1)v=L/t(t为驶过A、B电缆的时间)≈2/0.0625 =32m/s =115km/h 2)d=vt(t为前后轮跨过A或B电缆的时间)≈32×0.10625=3.4 m 3)载重量m与A、B压电电缆输出信号的时间间隔无关,而与 幅度有关,幅度越大,载重量越大。车速v与A、B压电电缆输 出信号的幅度无关,而与时间间隔有关,时间间隔越小,车速 越大。 A PVDF压电电缆 B A B d T/(25ms/div) 公路 2m 压电电缆输出信号波形 U/(200mV/div) 第5章 压电式和超声波传感器及其应用 12、如图5-27所示的压电式传感器测量电路,已知压电传感器S= 0.0004m2,h=0.02m,运算放大器开环增益k=104,输出电压Usc=2 V,试求q、Usr、Ca。 解:(1)对于电荷放大器有: 1000 p Usc ? ?q / C f 则 压电传感元件 Cf q ? ?Usc ?C f ? ?2?1000 pF ? ?2000 pC - 10 p 20 p + Usr Usc Cc Ci P ZT-8 第5章 压电式和超声波传感器及其应用 (2)对于运算放大器有: U sc ? ?kU sr 则 U sr ? ? Usc k ? ? 2 104 ? ?2?10?4V 1000 p 压电传感元件 Cf - 10 p 20 p + Usr Usc Cc Ci P ZT-8 (3)设压电传感元件采用的PZT-8型压电陶瓷,其相对介电常数为 1000,则 Ca ? ?S h ? ?r?0S h 1000?8.854?10?12 ? 0.0004 ? 0.02 ? 177.08 pF 第6章 磁电式传感器及其应用 作业:习题2、3、9(P96) 第6章 磁电式传感器及其应用 2、简述变磁通式和恒磁通式磁电传感器的工作原理。 变磁通式传感器工作原理:产生磁场的永久磁铁和线圈都 固定不动,通过磁通变化产生感应电动势。变磁通式又称 磁阻式常用于角速度的测量。 恒磁通式传感器工作原理:气隙磁通保持不变,感应线圈 与磁铁作相对运动,线圈切割磁力线产生感应电动势。 第6章 磁电式传感器及其应用 3、简述动钢式磁电式传感器和动圈式磁电式传感器的工 作原理。 解(1)动钢型磁电式传感器工作原理 N 外壳用磁性材料制成,它既是磁路的一部分, 又起着磁屏蔽作用。永久磁铁的磁力线从其一 端穿过磁钢套筒、线圈骨架和螺管线圈,并经 过壳体回到磁钢的另一端,构成一个完整的闭 S 合磁路。当传感器感受振动时,线圈与永久磁 铁之间有相对运动,线圈切割磁力线,传感器 就输出正比于振动速度的电压信号。 第6章 磁电式传感器及其应用 (2)动圈型磁电式传感器工作原理 永久磁铁与骨架形成恒定磁场, 金 属 线圈-弹簧构成振动系统,线圈 骨 架 和磁钢之间就有了相对运动,其 相对的运动速度等于物体的振动 速度。线圈以相对速度切割磁力 线产生感应电动势,传感器就输 出正比于振动速度的电压信号。 第6章 磁电式传感器及其应用 9、已知测量齿轮齿数 Z=18,采用变磁通感应式传感器测 量工作轴转速 (如图所示 ) 。若测得输出电动势的交变频率 为 24(Hz), 求:被测轴的转速 n(r/min)为多少 ? 当分辨误差为 ±1齿时,转速测量误差是多少 ? 解:(1)测量时,齿轮随工作轴一起转动,每转过一个齿,传 感 器磁路磁阻变化一次, 磁通也变化一次, 因此, 线圈感 应电 动势的变化频率 f 等于齿轮的齿数 Z 与转速 n 的乘 积。 f=nZ/60 n=60f /Z=60?24/18=80(r/min) (2)读数误差为±1齿,所以应为1/18转,即:n=80±1/18(r/min) 第7章 热电式传感器及其应用 作业:习题3、16、17、18(P116) 第7章 热电式传感器及其应用 3、简述热电偶冷端补偿的必要性,常用冷端补偿有几种 方法? 解:热电偶是以参考端温度T0为条件,一般工程测量中参 考端处于室温或波动的温区,此时要测得真实温度就必 须进行修正或补偿。冰点器使参考端温度恒定在0℃;热 电势补正法;温度修正法;补偿导线章 热电式传感器及其应用 16、将一灵敏度为0.08mV/℃的热电偶与电位计相连接测 量其热电势,电位计接线 mV,热电偶的热端温度是多少? 第7章 热电式传感器及其应用 17、试利用集成温度传感器AD590设计温度测量电路,要求 实现的为摄氏温度,画出原理图,并简述工作原理。 设计的电路如图所示: 该电路利用AD590实现。AD590 是二端的集成电路温度转换器, 它的输出电流和绝对温度成比例 。利用它的电流输出构成电流环 。AD580和电阻用来将绝对温度 转换为摄氏温度。 第7章 热电式传感器及其应用 18、如图为实验室常采用的冰浴法热电偶冷端温度补偿 接线)图中依据了热电偶两个基本定律,分别指出并简述 其内容; (2)将冷端至于冰水槽的主要原因是什么? (3)对补偿导线章 热电式传感器及其应用 解(1)中间导体定律:在热电偶回路中,只要接入的第 三导体两端温度相同,则对回路的总的热电动势没有影 响。中间温度定律:热电偶的热电势仅取决于热电偶的 材料和两个结点的温度,而与温度沿热电极的分布以及 热电极的参数和形状无关。 ⑵ 热电偶分度表以0摄氏度为基准; ⑶ 与导体材料A、B有相同热电特性(不同型号的热电偶 所配用的补偿导线不同;连接补偿导线时要注意区分正 负极,使其分别与热电偶的正负极一一对应;补偿导线 连接端的工作温度不能超出(0~100℃),否则会给测量 带来误差。) 第8章 光电式传感器及其应用 作业:习题17、18(P146) 第8章 光电式传感器及其应用 17、利用光敏器件制成的产品计数器,具有非接触、安 全可靠的特点,可广泛应用于自动化生产线的产品计数 ,如机械零件加工、输送线产品、汽水、瓶装酒类等, 还可以用来统计出入口入员的流动情况。试设计一生产 线产品的自动化计数系统,画出系统框图,简要说明工 作原理。 第8章 光电式传感器及其应用 解:产品在传送带上运行时,不断地遮挡 光源到光敏器件间的光路,使光电脉冲电 路随着产品的有无产生一个个电脉冲信号 。产品每遮光一次,光电脉冲电路便产生 一个脉冲信号,因此,输出的脉冲数即代 表产品的数目。该脉冲经计数电路计数并 由显示电路显示出来 第8章 光电式传感器及其应用 18、如图所示为利用光电脉冲测量车速和行程的示意图 ,A为光源,B为光电接收器,A、B均固定在小车上,C 为小车的车轮.车轮转动时,A发出的光束通过旋转齿轮 上齿的间隙后变成脉冲光信号,被B接收并转换成电信号 ,由电路记录和显示.若实验显示单位时间的脉冲数n, 累积脉冲数为N,则要测出小车的速度和行程还必须测量 哪些物理数据?简述系统工作原理,给出小车速度的表 达式V和行程的表达式为s。 第8章 光电式传感器及其应用 解:小车的速度等于车轮的周长与单位时间内车轮转动圈数的 乘积.设车轮的半径为R,单位时间内车轮转动圈数为k,则有V =2πRk.若齿轮的齿数为P,则齿轮转一圈,电子电路显示的脉 冲数即为P,已经单位时间内的脉冲数为n,所以单位时间内齿 轮转动圈数为n/P.由于齿轮与车轮同轴相连,他们在单位时间 内转动圈数相等,即k=n/P. 由以上两式可得:v=2πRn/P. 同理,设车轮转动的累积圈数为k,则有s=2πRk,,且k=N/P, 所以s=2πRN/P 可见,要测小车的速度v和行程s,必需测出单位时间的脉冲数n 和累积脉冲数N,车轮半径R和齿轮的齿数P. 第8章 光电式传感器及其应用 补充:生活中,经常用到用光控制电路的情况.如路灯的控制 开关,傍晚时等光暗到一定程度,路灯会自动点亮,清晨时光 亮到一定程度,路灯自动熄灭.下图是光敏电阻、两个电源、 带放大器的断电器和灯的示意图,继电器的线圈A绕在软铁芯 上,并且跟放大器的输出端c、d相连,a、b是放大器的输入端 ,作用是:当输入端回路中电流发生较小变化时,输出端回路 中电流发生较大的变化.当线圈A产生的磁场足够强时,就会 克服弹簧K的弹力将衔铁c吸下,触头D断开、触头B接通;当 输入端回路中电流变化较小时,线圈A产生的磁场不足以吸住 衔铁C,则触头B断开、触头D接通. ⑴ 连接实物图,使得光强时灯灭,光弱时灯亮. ⑵ 简要说明此电路的工作原理. 第8章 光电式传感器及其应用 ⑵ 光强时,光敏电阻阻值变小,回路电流变大,经过放大后驱动电磁铁 ,使衔铁向下,灯泡断开而灯灭;反之,光弱时灯亮 第9章 光纤传感器及其应用 15、图中为反射型光纤位移传感器组成框图,试说明工 作原理。 解:由光源发出的光经入射光纤束 传输入射到被测目标表面,目标表面 的反射光由与发射光纤束扎在一起 的接收光纤束传输至光敏元件。当 被测表面与光纤探头距离变化时,接 收到的光强也随之变化小,光敏输出 器的输出信号经过放大、AD转换后 送单片机处理并显示。 第9章 光纤传感器及其应用 16、下图所示为光纤加速度传感器原理图,简要 分析其工作原理。 激光 解:干涉仪一条臂中有一段光纤被固定在外壳的 二极 管 上端与悬挂物体之间。而干涉仪另一条臂中一段 上面 的 支撑 光纤 3d B耦合器 外壳 相同长度的光纤则固定在悬挂物体与外壳的下端 物体 膜片 信号 P ZT 之间。如果让加速度计的外壳以加速度a向上运 下面 的 支撑 光纤 动,那么在加速该物体所需的作用力F的作用下,上 3 d B耦合器 面的一段光纤将伸长ΔL,下面的一段光纤则缩短Δ ∫ D2 D1 L。检测相差可得加速度。图中的膜片是用来支 低通 滤波 器 + - 差分放大器 撑悬挂物体,以减小传感器对横向加速度的敏感 性。 第10章 磁敏传感器及其应用 作业:习题4、5(P204) 第10章 磁敏传感器及其应用 4、霍尔元件的不等位电势的概念是什么?简述不等位电 势及温度误差补偿的方法。 解:霍尔组件的不等位电势是霍尔组件在额定控制电流 作用下,在无外加磁场时,两输出电极之间的空载电势 ,可用输出的电压表示。 不等位电势补偿方法: 外接电阻R值应大于霍尔组件的 内阻,调控Rp可使Uo=0。 第10章 磁敏传感器及其应用 温度误差补偿的方法: (1)分流电阻法 (2)合理选择负载电阻 (3)采用热敏电阻。 第10章 磁敏传感器及其应用 5、霍尔元件能够测量哪些物理参数?简述霍尔传感器测量电流的 原理。 解:霍尔组件可测量磁场、电流、位移、压力、振动、 转速等。 被测电流I1产生的磁感应强度为B1时,根据B1的存在,霍尔器件输出 霍尔电压。这个电压通过OP放大器向反馈线 , I1 ? N2 N1 I2 反馈线 霍尔器件 R M 恒流电源 UH + AMP I2 使 UH电流总是为零 第10章 磁敏传感器及其应用 补充:什么叫霍尔效应?并说明如何实现电子罗盘。 一块半导体薄片,其长度为L,宽度为b,厚度为d,当它被置于 磁感应强度为B的磁场中,如果在它相对的两边通以控制电流I ,且磁场方向与电流方向I正交,则在半导体另外两边将产生一 个大小与控制电流I和磁感应强度成正比的电势 ,这一现象称为 霍尔效应,该电势称为霍尔电势,半导体薄片就是霍尔元件。 利用霍尔元件的特性可以制作电子罗盘,在电流不变的情况下 ,霍尔电势大小与磁场强度成正比。因此由霍尔元件直接测量 罗盘所处地磁场的方位,根据霍尔电势的大小与方向不同,判 断方位。 第11章 气体传感器及其应用 作业:习题10(P224) 第11章 气体传感器及其应用 10、什么是半导体气体传感器?试分析下图功能,简述 其工作原理 第11章 气体传感器及其应用 解:半导体气体传感器是指利用半导体气敏元件同气体接触,造成 半导体性质变化,借此来检测特定气体的成分和浓度的传感器。 该图是家用煤气(CO)安全报警电路,该电路由两部分组成。一部 分是煤气报警器,在煤气浓度达到危险界限前发出警报。另一部分是 开放式负离子发生器,其作用是自动产生空气负离子,使煤气中主要 有害成分一氧化碳与空气负离子中的臭氧(O3)反应,生成对人体无 害的二氧化碳。 第12章 湿敏传感器及其应用 作业:习题10(P244) 第12章 湿敏传感器及其应用 10、下图中RH为湿度传感器,仔细阅读电路后,试完成: ⑴ 分析电路功能。 ⑵ 简要说明电路工作原理 ⑶若要直接从微安表读出待测物理量,需要做哪些工作? 第12章 湿敏传感器及其应用 解: (1)直读式湿度计; (2)起始电桥平衡,湿度变化使RH变化,电桥失去平衡 ,变压器耦合放大整流使电表偏转,从而得到湿度值; (3)用标准湿度计定标

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