习题四及参考答案 4-1、模拟式传感器信号处理过程包括哪些环节？ 4-2、试简述光电式转速传感器的测量原理 4-3、试简述加速度传感器的测量原理。 4-4、描述传感器静态特性的主要技术指标是什么？ 4-5、检测系统由哪几部分组成？说明各部分的作用？ 4-6、热电偶回路中的热电势的组成。 4-7、热电偶冷端的温度补偿方法？ 4-8、电位器式传感器绕组的电阻为8kg,电刷最大的行程为5m皿.。若允许的最大功耗为 40mw,传感器所用的激励电压为允许的最大激励电压。试求当输入位移量为1mm时，该传感器输出 的电压是多少？ 4-9、某光栅传感器，刻线数为100线/m皿，设细分时测得莫尔条纹数为400，试计算光栅位 移是多少毫米？若四倍细分后，记数脉冲仍为400，则光栅的位移是多少？测量分辨率是多少？ 4-10、现有三台测温仪表，量程均为0一600度，精度等级分别为2.5级、2.0级、1.5级， 现要测量500度的温度，要求示值相对误差不超过2.5%，选用哪一台仪表合理。 4-11、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 3.5v减至2.5v,求该仪器的灵敏度。 4-12、机电一体化系统中，需要测试的常见物理量有哪些？举例说明。 4-13、为什么机电一体化系统中的测试过程往往要进行非线性补偿？试分析非线性补偿通常 使用的几种方法的原理？ 4-14、设计一套较完整的汽车油箱液位测试及显示方案。要求有简图和文字说明。 4-15、在家用电器中，有些传感器是借助敏感元件来进行测试的。举一个事例，并分析其检 测原理（绘出原理框图）。 4-16、试选择一种传感器，设计测量车床主轴转速的原理方案，并作简要说明。 4-17、举出机电一体化系统中应用压力传感器的事例。 4-18、机械加工装置中应用了大量位移测试传感器，分析不同位移传感器的场合。 4-19各类传感器的信号输出电压差别较大，请简述几种传感器的输出电压范围。 4-20一汽车司机座的振动较大，试设计测试方案寻找振源。 (1)给出可能的振源： (2)列出测试方案框图，并作简要说明： (3)给出判断方法及判断原则
1 习题四及参考答案 4-1、模拟式传感器信号处理过程包括哪些环节？ 4-2、试简述光电式转速传感器的测量原理 4-3、试简述加速度传感器的测量原理。 4-4、描述传感器静态特性的主要技术指标是什么？ 4-5、检测系统由哪几部分组成？说明各部分的作用？ 4-6、热电偶回路中的热电势的组成。 4-7、热电偶冷端的温度补偿方法？ 4-8、电位器式传感器绕组的电阻为 8kg，电刷最大的行程为 5mm.。若允许的最大功耗为 40mw,传感器所用的激励电压为允许的最大激励电压。试求当输入位移量为 1mm 时，该传感器输出 的电压是多少？ 4-9、某光栅传感器，刻线数为 100 线/mm，设细分时测得莫尔条纹数为 400，试计算光栅位 移是多少毫米？若四倍细分后，记数脉冲仍为 400，则光栅的位移是多少？测量分辨率是多少？ 4-10、现有三台测温仪表，量程均为 0—600 度，精度等级分别为 2.5 级、2.0 级、1.5 级， 现要测量 500 度的温度，要求示值相对误差不超过 2.5%，选用哪一台仪表合理。 4-11、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 3.5v 减至 2.5v,求该仪器的灵敏度。 4-12、机电一体化系统中，需要测试的常见物理量有哪些？举例说明。 4-13、为什么机电一体化系统中的测试过程往往要进行非线性补偿？试分析非线性补偿通常 使用的几种方法的原理？ 4-14、设计一套较完整的汽车油箱液位测试及显示方案。要求有简图和文字说明。 4-15、在家用电器中，有些传感器是借助敏感元件来进行测试的。举一个事例，并分析其检 测原理（绘出原理框图）。 4-16、试选择一种传感器，设计测量车床主轴转速的原理方案，并作简要说明。 4-17、举出机电一体化系统中应用压力传感器的事例。 4-18、机械加工装置中应用了大量位移测试传感器，分析不同位移传感器的场合。 4-19 各类传感器的信号输出电压差别较大，请简述几种传感器的输出电压范围。 4-20 一汽车司机座的振动较大，试设计测试方案寻找振源。 （1）给出可能的振源； （2）列出测试方案框图，并作简要说明； （3）给出判断方法及判断原则
习题四答案 4-1、模拟式传感器信号处理过程包括哪些环节？ 对转换后的电信号进行测量，并进行放大、运算、转换、记录、指示、显示等处理 4-2、试简述光电式转速传感器的测量原理 光电式转速传感器是一种角位移传感器，由装在被测轴（或与被测轴相连接的输入轴）上的带 缝隙圆盘、光源、光电器件和指示缝隙盘组成，如图所示。光源发生的光通过缝隙圆盘和指示缝 隙照射到光电器件上。当缝隙圆盘随被测轴转动时，由于圆盘上的缝隙间距与指示缝隙的间距相 同，因此圆盘每转一周，光电器件输出与圆盘缝隙数相等的电脉冲，根据测量单位时间内的脉冲 数N,则可测出转速。 4-3、试简述加速度传感器的测量原理。 工作原理都是利用惯性质量受加速度所产生的惯性力而造成的各种物理效应，进一步转化成 电量，间接度量被测加速度。最常用的有应变式、压电式、电磁感应式等。 4-4、描述传感器静态特性的主要技术指标是什么？ 传感器变换的被测量的数值处在稳定状态时，传感器的输入/输出关系称为传感器的静态特 性。描述传感器静态特性的主要技术指标是：线性度、灵敏度、迟滞、重复性、分辨率和零漂 4-5、检测系统由哪几部分组成？说明各部分的作用？ 敏感元件是一种能够将被测量转换成易于测量的物理量的预变换装置 传感元件是将敏感元件输出的非电物理量转换成电信号（如电阻、电感、电容等）形式。 基本转换电路将电信号量转换成便于测量的电量，如电压、电流、频率等。 4-6、热电偶回路中的热电势的组成。 两种不同材料组成的热电偶，其接点温度为T1和T2,两者之间的热电势E(1,2)等于热电 偶在连接点温度为T1和T3的电势与T3和T2的电势之和。即E(1,2)=E(1,3)+E(3,2) 4-7、热电偶冷端的温度补偿方法？ 热电偶参比端（冷端）处理。实际使用中给出的分度表里，热电势和温度的对应值是以冷端 为零度时来制定的。但在实际中冷端往往不为零度，这就要对冷端进行处理。 1冰点法精度最高，将冰水混合物放在保温瓶中，再把细玻璃试管插入冰水化合物中，在试 管底部注入适量油类或水银。热电偶的参比端就放在这里。 2热电势修正法在没有条件实现冰点法时，可以设法把参比端置于稳定的恒温条件中，再根 据中间温度定律公式，来计算实际温度。 3冷端补偿器法许多工业生产的过程中以上两个条件都无法满足，所以在电偶回路中接入补 偿器来自动补偿。冷端补偿器是一个不平衡电桥，其中多数电阻温度系数都趋于零，有一个电阻 为热敏电阻，随温度改变阻值改变。实际上补偿电桥与热电偶回路的热电曲线不同，所以在任意
2 习题四答案 4-1、模拟式传感器信号处理过程包括哪些环节？ 对转换后的电信号进行测量，并进行放大、运算、转换、记录、指示、显示等处理 4-2、试简述光电式转速传感器的测量原理 光电式转速传感器是一种角位移传感器，由装在被测轴(或与被测轴相连接的输入轴)上的带 缝隙圆盘、光源、光电器件和指示缝隙盘组成，如图所示。光源发生的光通过缝隙圆盘和指示缝 隙照射到光电器件上。当缝隙圆盘随被测轴转动时，由于圆盘上的缝隙间距与指示缝隙的间距相 同，因此圆盘每转一周，光电器件输出与圆盘缝隙数相等的电脉冲，根据测量单位时间内的脉冲 数 N，则可测出转速。 4-3、试简述加速度传感器的测量原理。 工作原理都是利用惯性质量受加速度所产生的惯性力而造成的各种物理效应，进一步转化成 电量，间接度量被测加速度。最常用的有应变式、压电式、电磁感应式等。 4-4、描述传感器静态特性的主要技术指标是什么？ 传感器变换的被测量的数值处在稳定状态时，传感器的输入/输出关系称为传感器的静态特 性。描述传感器静态特性的主要技术指标是：线性度、灵敏度、迟滞、重复性、分辨率和零漂 4-5、检测系统由哪几部分组成？说明各部分的作用？ 敏感元件 是一种能够将被测量转换成易于测量的物理量的预变换装置 传感元件 是将敏感元件输出的非电物理量转换成电信号（如电阻、电感、电容等）形式。 基本转换电路 将电信号量转换成便于测量的电量，如电压、电流、频率等。 4-6、热电偶回路中的热电势的组成。 两种不同材料组成的热电偶，其接点温度为 T1 和 T2，两者之间的热电势 E（1，2）等于热电 偶在连接点温度为 T1 和 T3 的电势与 T3 和 T2 的电势之和。即 E(1,2)=E(1,3)+E(3,2) 4-7、热电偶冷端的温度补偿方法？ 热电偶参比端（冷端）处理。实际使用中给出的分度表里，热电势和温度的对应值是以冷端 为零度时来制定的。但在实际中冷端往往不为零度，这就要对冷端进行处理。 1 冰点法精度最高，将冰水混合物放在保温瓶中，再把细玻璃试管插入冰水化合物中，在试 管底部注入适量油类或水银。热电偶的参比端就放在这里。 2 热电势修正法在没有条件实现冰点法时，可以设法把参比端置于稳定的恒温条件中，再根 据中间温度定律公式，来计算实际温度。 3 冷端补偿器法许多工业生产的过程中以上两个条件都无法满足，所以在电偶回路中接入补 偿器来自动补偿。冷端补偿器是一个不平衡电桥，其中多数电阻温度系数都趋于零，有一个电阻 为热敏电阻，随温度改变阻值改变。实际上补偿电桥与热电偶回路的热电曲线不同，所以在任意
温度下都完全补偿是不太现实的。所以实际上只有在平衡点温度和计算点温度下可以得到完全补 偿。其它温度下都只能得到近似的补偿。即附加误差。 4补偿导线法用补偿导线把热电偶的冷端移到离被测介质较远温度比较稳定的场合 4-8、电位器式传感器绕组的电阻为8K,电刷最大的行程为5mm.。若允许的最大功耗为40w, 传感器所用的激励电压为允许的最大激励电压。试求当输入位移量为1mm时，该传感器输出的电 压是多少？ 1.6mv 4-9、某光栅传感器，刻线数为100线/mm,设细分时测得莫尔条纹数为400，试计算光栅位 移是多少毫米？若四倍细分后，记数脉冲仍为400，则光栅的位移是多少？测量分辨率是多少？ 光栅此时的位移 细分前4mm,细分后1mm 测量分辨率： 细分前0.01mm/线细分后：0.025 4-10、采用阻值为120Q,灵敏度系数k=2.0金属电阻应变片和阻值为120Q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1μe和1000μe 时，试求单臂工作电桥1双臂工作电桥以及全桥工作时的输出电压，并比较三种情况下的灵敏度。 (1)当ε=2μe时， △R/R=K0e=2x10-6 单臂工作时，输出电压U0=R1R2(△R/R)U0/(R1+R2)=4.8X10-4v 双臂工作时，输出电压U0=2R1R2(△R/R)U0/(R1+R2)=9.6X10-4v 全臂工作时，输出电压U0=4R1R2(△R/R)U0/(R1+R2)=19.2X10-4v 单臂工作，双臂工作，全臂工作时 灵敏度的比值为1：2：4 (2)当e=1000μe时， △R/R=K0e=2x10-3 单臂工作时，输出电压U0=R1R2(△R/R)U0/(R1+R2)=0.48v 双臂工作时，输出电压U0=2R1R2(△R/R)U0/(R1+R2)=0.96v 全臂工作时，输出电压U0=4R1R2(△R/R)U0/(R1+R2)=1.92v 单臂工作，双臂工作，全臂工作时 灵敏度的比值为1：2：4 4-11、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 3.5v减至2.5v,求该仪器的灵敏度。 S=dy/dx=(2.5-3.5)/(5.0-4.5)V/mm=-2V/mm
3 温度下都完全补偿是不太现实的。所以实际上只有在平衡点温度和计算点温度下可以得到完全补 偿。其它温度下都只能得到近似的补偿。即附加误差。 4 补偿导线法用补偿导线把热电偶的冷端移到离被测介质较远温度比较稳定的场合 4-8、电位器式传感器绕组的电阻为 8K，电刷最大的行程为 5mm.。若允许的最大功耗为 40mw, 传感器所用的激励电压为允许的最大激励电压。试求当输入位移量为 1mm 时，该传感器输出的电 压是多少？ 1.6mV 4-9、某光栅传感器，刻线数为 100 线/mm，设细分时测得莫尔条纹数为 400，试计算光栅位 移是多少毫米？若四倍细分后，记数脉冲仍为 400，则光栅的位移是多少？测量分辨率是多少？ 光栅此时的位移 细分前 4mm, 细分后 1mm 测量分辨率: 细分前 0.01 mm/线 细分后:0.025 4-10、采用阻值为 120Ω ，灵敏度系数 k=2.0 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 1με和 1000με 时，试求单臂工作电桥\双臂工作电桥以及全桥工作时的输出电压，并比较三种情况下的灵敏度。 (1)当ε=2με时， △R/R=K0ε=2x10-6 单臂工作时，输出电压 U0=R1R2 (△R/R)U0 /(R1+R2)=4.8X10-4v 双臂工作时，输出电压 U0=2R1R2 (△R/R) U0/(R1+R2)= 9.6X10-4v 全臂工作时，输出电压 U0=4R1R2 (△R/R) U0/(R1+R2)=19.2X10-4v 单臂工作，双臂工作，全臂工作时 灵敏度的比值为 1：2：4 （2）当ε=1000με时， △R/R=K0ε=2x10-3 单臂工作时，输出电压 U0=R1R2 (△R/R) U0/(R1+R2)=0.48v 双臂工作时，输出电压 U0=2R1R2 (△R/R) U0 /(R1+R2)= 0.96v 全臂工作时，输出电压 U0=4R1R2 (△R/R) U0 /(R1+R2)=1.92v 单臂工作，双臂工作，全臂工作时 灵敏度的比值为 1：2：4 4-11、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 3.5v 减至 2.5v,求该仪器的灵敏度。 S=dy/dx=(2.5-3.5)/(5.0-4.5) V/mm=-2V/mm
4-12、机电一体化系统中，需要测试的常见物理量有哪些？举例说明： 机电一体化系统中，检测系统所测试的物理量一般包括：温度、流量、功率、位移、速度、 加速度、力等。 4-13、为什么机电一体化系统中的测试过程往往要进行非线性补偿？试分析非线性补偿通常 使用的几种方法的原理？ 很多检测元件如热敏电阻、光敏管、应变片等具有不同程度的非线性特性，这使较大范围的 动态检测存在着很大的误差。方法有三种：计算法、查表法和插值法计算法：当输出电信号与传 感器的参数之间有确定的数字表达式时，就可采用计算法进行非线性补偿。即在软件中编制一段 完成数字表达式计算的程序，被测参数经过采样、滤波和标度变换后直接进入计算机程序进行计 算，计算后的数值即为经过线性化处理的输出参数。查表法：所谓查表法，就是把事先计算或测 得的数据按一定顺序编制成表格，查表程序的任务就是根据被测参数的值或者中间结果，查出最 终所需要的结果。 4-14、测量某加热炉温度范围为1001124℃，线性温度变送器输出0`5V,用ADC0809转换器 输入到微机控制系统中，试求测量该温度环境的分辨率和精度。 4℃：+2℃。 4-15、在家用电器中，有些传感器是借助敏感元件来进行测试的。举一个事例，并分析其检 测原理（绘出原理框图）。 取暖器的温度检测是用热敏电阻来进行感温的，它串接在电路中当温度超过一定值时其电阻发 生变化引起控制电路动作从而对主电路进行控制。 4-16、金属电阻应变片测量外力的原理是什么？其灵敏系数及其物理意义是什么？受哪两个 因素影响？ 电阻应变式传感器的工作原理是电阻应变效应。导体或半导体材料在外力作用下产生机械形 变时，其电阻值随着发生变化的现象，称为电阻应变效应。 定量分析：R=pL/A 当金属丝受拉时，长度变化为△L,面积变化为△A,则电阻的 AR=△P+L_△4 R p 2 因为A=d21A所以△4 A d 6RI+20+A2=0+2业+p/pAL=K© R △L/LL K0为金属电阻丝的应变灵敏度系数，它表示单位应变所引起的电阻相对变化。影响因素： 1)几何尺寸2)材料的电阻率
4 4-12、机电一体化系统中，需要测试的常见物理量有哪些？举例说明。 机电一体化系统中，检测系统所测试的物理量一般包括：温度、流量、功率、位移、速度、 加速度、力等。 4-13、为什么机电一体化系统中的测试过程往往要进行非线性补偿？试分析非线性补偿通常 使用的几种方法的原理？ 很多检测元件如热敏电阻、光敏管、应变片等具有不同程度的非线性特性，这使较大范围的 动态检测存在着很大的误差。方法有三种：计算法、查表法和插值法计算法：当输出电信号与传 感器的参数之间有确定的数字表达式时，就可采用计算法进行非线性补偿。即在软件中编制一段 完成数字表达式计算的程序，被测参数经过采样、滤波和标度变换后直接进入计算机程序进行计 算，计算后的数值即为经过线性化处理的输出参数。查表法：所谓查表法，就是把事先计算或测 得的数据按一定顺序编制成表格，查表程序的任务就是根据被测参数的值或者中间结果，查出最 终所需要的结果。 4-14、测量某加热炉温度范围为 100~1124℃，线性温度变送器输出 0~5V，用 ADC0809 转换器 输入到微机控制系统中，试求测量该温度环境的分辨率和精度。 4 ℃ ; +2℃。 4-15、在家用电器中，有些传感器是借助敏感元件来进行测试的。举一个事例，并分析其检 测原理（绘出原理框图）。 取暖器的温度检测是用热敏电阻来进行感温的,它串接在电路中当温度超过一定值时其电阻发 生变化引起控制电路动作从而对主电路进行控制。 4-16、金属电阻应变片测量外力的原理是什么？其灵敏系数及其物理意义是什么？受哪两个 因素影响？ 电阻应变式传感器的工作原理是电阻应变效应。导体或半导体材料在外力作用下产生机械形 变时，其电阻值随着发生变化的现象，称为电阻应变效应。 定量分析：R=ρL/A 当金属丝受拉时，长度变化为△L，面积变化为△A，则电阻的 K0 为金属电阻丝的应变灵敏度系数，它表示单位应变所引起的电阻相对变化。影响因素： 1）几何尺寸 2）材料的电阻率 0 2 ) / / (1 2 (1 2 / 2 K L L L L L L R R d d A A A d A A A L L R R = = + + + + = = = − + = ） 因为 所以
4-17、述并论证热电偶温度测试的中间导体定率，并说明中间导体定率的主要用途。 热电偶在两接点温度t、t0时的热电动势等于该热电偶在接点温度为t、tn和tn、t0时的相 应热电动势的代数和。 中间温度定律为补偿导线的使用提供了理论依据。它表明：若热电偶的两热电极被两根导体 延长，只要接入的两根导体组成热电偶的热电特性与被延长的热电偶的热电特性相同，且它们之 间连接的两点温度相同，则总回路的热电动势与连接点温度无关，只与延长后的热电偶两端的温 度有关。 4-18、分析电容传感器的工作原理及其主要应用。 设两极板相互覆盖的有效面积为A,两极板间的距离为d,极板间介质的介电常数为ε，在忽 略极板边缘影响的条件下，平板电容器的电容C为： 电容式传感器分为三种：改变极板面积的变面积式：改变极板距离的变间隙式：改变介电常 数的变介电常数 它结构简单、灵敏度高，动态响应特性好、适应性强、抗过载能力大、价格便宜，一般可用 于测量压力、力、位移、振动、液位等。 4-19各类传感器的信号输出电压差别较大，请简述几种传感器的输出电压范围。 热电偶的输出一般为40mmV,数字式传感器输出一般为5V; 4-20试分析检测系统干扰的形成条件，以及干扰的扰制技术 干扰必须通过一定的耦合通道或传输途径才能对检测装置的正常工作造成不良的影响。造成 系统不能正常工作的干扰形成南需要具备三个条件：①干扰源：②对干扰敏感的接收电路：③干 扰源到接收电路之间的传输途径。抑制技术：屏蔽技术：接地技术：浮空技术：隔离技术：滤波 器：软件干扰抑制技术
5 4-17、述并论证热电偶温度测试的中间导体定率，并说明中间导体定率的主要用途。 热电偶在两接点温度 t、t0 时的热电动势等于该热电偶在接点温度为 t、tn 和 tn、t0 时的相 应热电动势的代数和。 中间温度定律为补偿导线的使用提供了理论依据。它表明：若热电偶的两热电极被两根导体 延长，只要接入的两根导体组成热电偶的热电特性与被延长的热电偶的热电特性相同，且它们之 间连接的两点温度相同，则总回路的热电动势与连接点温度无关，只与延长后的热电偶两端的温 度有关。 4-18、分析电容传感器的工作原理及其主要应用。 设两极板相互覆盖的有效面积为 A，两极板间的距离为 d，极板间介质的介电常数为ε，在忽 略极板边缘影响的条件下，平板电容器的电容 C 为： 电容式传感器分为三种：改变极板面积的变面积式；改变极板距离的变间隙式；改变介电常 数的变介电常数 它结构简单、灵敏度高，动态响应特性好、适应性强、抗过载能力大、价格便宜，一般可用 于测量压力、力、位移、振动、液位等。 4-19 各类传感器的信号输出电压差别较大，请简述几种传感器的输出电压范围。 热电偶的输出一般为 40mmV,数字式传感器输出一般为 5V; 4-20 试分析检测系统干扰的形成条件，以及干扰的扰制技术 干扰必须通过一定的耦合通道或传输途径才能对检测装置的正常工作造成不良的影响。造成 系统不能正常工作的干扰形成南需要具备三个条件：①干扰源；②对干扰敏感的接收电路；③干 扰源到接收电路之间的传输途径。抑制技术：屏蔽技术；接地技术；浮空技术；隔离技术；滤波 器；软件干扰抑制技术。 d A C =