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1、精选学习资料 - - - - - - - - - 第三章 常用传感器与敏锐元件3-1 在机械式传感器中,影响线性度的主要因素是什么？可举例说明；解答：主要因素是弹性敏锐元件的蠕变、弹性后效等；3-2 试举出你所熟识的五种机械式传感器,并说明它们的变换原理；解答：气压表、弹簧秤、双金属片温度传感器、液体温度传感器、毛发湿度计等；3-3 电阻丝应变片与半导体应变片在工作原理上有何区分？各有何优缺点？应如何针对具 体情形来选用？解答：电阻丝应变片主要利用形变效应,而半导体应变片主要利用压阻效应；电阻丝应变片主要优点是性能稳固,现行较好；主要缺点是灵敏度低,横向效应大；半导体应变片主要优点是灵敏度高、
2、机械滞后小、横向效应小；主要缺点是温度稳固性 差、灵敏度离散度大、非线性大；选用时要依据测量精度要求、现场条件、灵敏度要求等来挑选；3-4 有一电阻应变片（见图 3-84）,其灵敏度 Sg2,R120；设工作时其应变为 1）无应变时电流表示值；1000,问 R？设将此应变片接成如下列图的电路,试求：2）有应变时电流表示值；3）电流表指示值相对变化量；4）试分析这个变量能否从表中读 出？1.5V 图 3-84 题 3-4 图解：依据应变效应表达式 R/R=Sg 得 R=Sg R=2 1000 10-6 120=0.24 1）I 1=1.5/R=1.5/120=0.0125A=12.5mA 2）I
3、 2=1.5/R+ R=1.5/120+0.24 0.012475A=12.475mA 3） =I2-I1/I 1 100%=0.2% 4）电流变化量太小,很难从电流表中读出；假如采纳高灵敏度小量程的微安表,就量程不够,无法测量12.5mA 的电流；假如采纳毫安表,无法辨论0.025mA 的电流变化；一般需要电桥来测量,将无应变时的灵位电流平稳掉,只取有应变时的微小输出量,并可依据需要采纳放大器放大；3-5 电感传感器（自感型）的灵敏度与哪些因素有关？要提高灵敏度可实行哪些措施？采 取这些措施会带来什么样后果？解答：以气隙变化式为例进行分析；名师归纳总结 又由于线圈阻抗Z=L,所以灵敏度又可写
4、成A0、线圈匝数N、电源角频率、铁芯磁导率第 1 页,共 12 页由上式可见,灵敏度与磁路横截面积- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 0,气隙 等有关；假如加大磁路横截面积A0、线圈匝数N、电源角频率、铁芯磁导率0,减小气隙,都可提高灵敏度；加大磁路横截面积 A0、线圈匝数 N 会增大传感器尺寸,重量增加,并影响到动态特性；减小气隙 会增大非线性；3-6 电容式、电感式、电阻应变式传感器的测量电路有何异同？举例说明；解答：电容式传感器的测量电路自感型变磁阻式电感传感器的测量电路：电阻应变式传感器的测量电路：电桥电路（直流电桥和沟通电桥）；相同点：都可使用
5、电桥电路,都可输出调幅波；电容、电感式传感器都可使用调幅电路、调频电路等；不同点：电阻应变式传感器可以使用直流电桥电路,而电容式、电感式就不能；另外电容式、电感式传感器测量电路种类繁多；3-7 一个电容测微仪,其传感器的圆形极板半径 r4mm,工作初始间隙 =0.3mm ,问：1）工作时,假如传感器与工件的间隙变化量 1 m 时,电容变化量是多少？2）假如测量电路的灵敏度 S1=100mV/pF ,读数外表的灵敏度 S2=5 格/mV ,在 1 m 时,读数外表的指示值变化多少格？解： 1）2）B=S1S2 C=100 5 4.94 10-32.47 格答：3-8 把一个变阻器式传感器按图3-
6、85 接线；它的输人量是什么？输出量是什么？在什么样条件下它的输出量与输人量之间有较好的线性关系？uo RL x Rx xp Rp ue 图 3-85 题 3-8 图解答：输入量是电刷相对电阻元件的位移x,输出量为电刷到端点电阻Rx；假如接入分压式测量电路,就输出量可以认为是电压uo；,输出电阻与输入位移成线性关系；,输出电压与输入位移成非线性关系；由上式可见,只有当Rp/RL0 时,才有；所以要求后续测量外表的输入阻抗RL要远大于变阻器式传感器的电阻 系；Rp,只有这样才能使输出电压和输入位移有较好的线性关3-9 试按接触式与非接触式区分传感器,列出它们的名称、变换原理,用在何处？名师归纳总
7、结 - - - - - - -第 2 页,共 12 页精选学习资料 - - - - - - - - - 解答：接触式：变阻器式、电阻应变式、电感式（涡流式除外）、电容式、磁电式、压电式、热电式、广线式、热敏电阻、气敏、湿敏等传感器；非接触式：涡电流式、光电式、热释电式、霍尔式、固态图像传感器等；可以实现非接触测量的是：电容式、光纤式等传感器；3-10 欲测量液体压力,拟采纳电容式、电感式、电阻应变式和压电式传感器,请绘出可行方案原理图,并作比较；3-11 一压电式压力传感器的灵敏度S=90pC/MPa ,把它和一台灵敏度调到0.005V/pC 的电荷放大器连接,放大器的输出又接到一灵敏度已调到
8、 出这个测试系统的框图,并运算其总的灵敏度；解：框图如下20mm/V 的光线示波器上记录,试绘压力 P 压力传感器电荷放大器光线示波器各装置串联,假如忽视负载效应,就总灵敏度 S= x/ P=90 0.005 20=9mm/MPa ；S等于各装置灵敏度相乘,即3-12 光电传感器包含哪儿种类型？各有何特点？用光电式传感器可以测量哪些物理量？解答：包括利用外光电效应工作的光电传感器、利用内光电效应工作的光电传感器、利用光生伏特效应工作的光电传感器三种；外光电效应（亦称光电子发射效应）括光电管和光电倍增管；光线照耀物体,使物体的电子逸出表面的现象,包内光电效应（亦称光导效应）物体受到光线照耀时,物
9、体的电子吸取光能是其导电性增 加,电阻率下降的现象,有光敏电阻和由其制成的光导管；光生伏特效应 光线使物体产生肯定方向的电动势；如遥控器,自动门（热释电红外探测器）,光电鼠标器,照相机自动测光计,光度计,光 电耦合器,光电开关（计数、位置、行程开关等）,浊度检测,火灾报警,光电阅读器（如纸带阅读机、条形码读出器、考卷自动评阅机等）,光纤通信,光纤传感,CCD ,色 差,颜色标记,防盗报警,电视机中亮度自动调剂,路灯、航标灯掌握,光控灯座,音乐 石英钟掌握（晚上不奏乐）,红外遥感、干手器、冲水机等；在 CCD 图象传感器、红外成像仪、光纤传感器、激光传感器等中都得到了广泛应用；3-13 何谓霍尔
10、效应？其物理本质是什么？用霍尔元件可测哪些物理量？请举出三个例子说 明；解答：霍尔（ Hall ）效应：金属或半导体薄片置于磁场中,当有电流流过薄片时,就在垂直 于电流和磁场方向的两侧面上将产生电位差,这种现象称为霍尔效应,产生的电位差称为 霍尔电势；霍尔效应产生的机理（物理本质）：在磁场中运动的电荷受到磁场力 FL（称为洛仑兹 力）作用,而向垂直于磁场和运动方向的方向移动,在两侧面产生正、负电荷积存；应用举例：电流的测量,位移测量,磁感应强度测量,力测量；计数装置,转速测 量（如计程表等）,流量测量,位置检测与掌握,电子点火器,制做霍尔电机无刷电机 等；3-14 试说明压电式加速度计、超声换
11、能器、声发射传感器之间的异同点；解答：相同点：都是利用材料的压电效应（正压电效应或逆压电效应）；不同点：压电式加速度计利用正压电效应,通过惯性质量快将振动加速度转换成力 作用于压电元件,产生电荷；超声波换能器用于电能和机械能的相互转换；利用正、逆压电效应；利用逆压电效名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页,共 12 页精选学习资料 - - - - - - - - - 应可用于清洗、焊接等；声发射传感器是基于晶体组件的压电效应,将声发射波所引起的被检件表面振动转换成电 压信号的换能设备,全部又常被人们称为声发射换能器或者声发射探头；材料结构受外力或内力作用产生位错 放出应变能的现象称
12、为声发射；-滑移 -微裂纹形成 -裂纹扩展 -断裂,以弹性波的形式释声发射传感器不同于加速度传感器,它受应力波作用时靠压电晶片自身的谐振变形把被检 试件表面振动物理量转化为电量输出；3-15 有一批涡轮机叶片,需要检测是否有裂纹,请举出两种以上方法,并阐明所用传感器 的工作原理；涡电流传感器,红外辐射温度测量,声发射传感器（压电式）等；3-16 说明用光纤传感器测量压力和位移的工作原理,指出其不同点；解答：微弯测压力原理：力微弯板光纤变形光纤传递的光强变化；微弯测位移原理：位移微弯板光纤变形光纤传递的光强变化；不同点：压力需要弹性敏锐元件转换成位移；3-17 说明红外遥感器的检测原理；为什么在
13、空间技术中有广泛应用？举出实例说明；解答：红外遥感就是远距离检测被测目标的红外辐射能量；空间技术中利用飞船、航天飞 机、卫星等携带的红外遥感仪器可以实现许多对地、对空观测任务；如观测星系,利用卫 星遥测技术争论地壳断层分布、探讨地震前兆,卫星海洋观测 等；3-18 试说明固态图像传感器（CCD 器件）的成像原理,怎样实现光信息的转换、储备和传输过程,在工程测试中有何应用？CCD 固态图像传感器的成像原理：MOS 光敏元件或光敏二极管等将光信息转换成电荷储备在CCD 的 MOS 电容中,然后再掌握信号的掌握下将MOS 电容中的光生电荷转移出来；应用：如冶金部门中各种管、线、带材轧制过程中的尺寸测
14、量,光纤及纤维制造中 的丝径测量,产品分类,产品表面质量评定,文字与图象识别,传真,空间遥感,光谱测量等；3-19 在轧钢过程中,需监测薄板的厚度,宜采纳那种传感器？说明其原理；解答：差动变压器、涡电流式、光电式,射线式传感器等；3-20 试说明激光测长、激光测振的测量原理；解答：利用激光干涉测量技术；3-21 选用传感器的基本原就是什么？试举一例说明；解答：灵敏度、响应特性、线性范畴、牢靠性、精确度、测量方法、体积、重量、价格等各方面综合考虑；第四章 信号的调理与记录4-1 以阻值 R=120、灵敏度 Sg=2 的电阻丝应变片与阻值为 120 的固定电阻组成电桥,供 桥电压为 3V ,并假定
15、负载电阻为无穷大,当应变片的应变为 2 和 2000 时,分别求出单臂、双臂电桥的输出电压,并比较两种情形下的灵敏度；解：这是一个等臂电桥,可以利用等比电桥和差特性表达式求解；=2 时：单臂输出电压：双臂输出电压：名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页,共 12 页精选学习资料 - - - - - - - - - =2000 时：单臂输出电压：双臂输出电压：双臂电桥较单臂电桥灵敏度提高 1 倍；4-2 有人在使用电阻应变仪时,发觉灵敏度不够,于是试图在工作电桥上增加电阻应变片数以提高灵敏度；试问,在以下情形下,是否可提高灵敏度？说明为什么？1）半桥双臂各串联一片；2）半桥双臂各并联
16、一片；解答：电桥的电压灵敏度为,即电桥的输出电压和电阻的相对变化成正比；由此可知：1）半桥双臂各串联一片,虽然桥臂上的电阻变化增加1 倍,但桥臂总电阻也增加1 倍,其电阻的相对变化没有增加,所以输出电压没有增加,故此法不能提高灵敏度；2）半桥双臂各并联一片,桥臂上的等效电阻变化和等效总电阻都降低了一半,电 阻的相对变化也没有增加,故此法也不能提高灵敏度；4-3 为什么在动态应变仪上除了设有电阻平稳旋钮外,仍设有电容平稳旋钮 解答：动态电阻应变仪采纳高频沟通电给电桥供电,电桥工作在沟通状态,电桥的平稳条 件为Z1Z3=Z2Z4|Z1|Z3|=|Z2|Z4|,13=24由于导线分布、各种寄生电容、
17、电感等的存在,光有电阻平稳是不能实现阻抗模和 阻抗角同时达到平稳,只有使用电阻、电容两套平稳装置反复调剂才能实现电桥阻抗模和 阻抗角同时达到平稳；4-4 用电阻应变片接成全桥,测量某一构件的应变,已知其变化规律为 t= Acos10t+Bcos100t 假如电桥鼓励电压 u0=Esin10000t,试求此电桥的输出信号频谱；解：接成等臂全桥,设应变片的灵敏度为幅频图为Anf Sg,依据等臂电桥加减特性得到9900 9990 10010 10100 f 4-5 已知调幅波 xat=100+30cos t+20cos3 tcos ct,其中 fc=10kHz ,f =500Hz ；试求：1）xat
18、所包含的各重量的频率及幅值；2）绘出调制信号与调幅波的频谱；解： 1）xat=100cosct +15cosc-t+15cosc+t+10cosc-3t+10cosc+3t各频率重量的频率/幅值分别为： 10000Hz/100,9500Hz/15 ,10500Hz/15 ,8500Hz/10 ,11500Hz/10；2）调制信号xt=100+30cost+20cos3t,各重量频率 /幅值分别为： 0Hz/100,500Hz/30 ,1500Hz/20 ；调制信号与调幅波的频谱如下列图；名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页,共 12 页精选学习资料 - - - - - - - -
19、 - Anf 100 Anf 100 30 20 10 15 15 10 0 1500 f 8500 9500 10000 10500 11500 f 调制信号频谱调幅波频谱4-6 调幅波是否可以看作是载波与调制信号的迭加？为什么？解答：不行以；由于调幅波是载波幅值随调制信号大小成正比变化,只有相乘才能实现；4-7 试从调幅原理说明,为什么某动态应变仪的电桥鼓励电压频率为 01500Hz？10kHz ,而工作频率为解答：为了不产生混叠,以及解调时能够有效地滤掉高频成分,要求载波频率为 510 倍调制信号频率；动态应变仪的电桥鼓励电压为载波,频率为 的调制信号最高频率）为 01500Hz 是合理
20、的；4-8 什么是滤波器的辨论力？与哪些因素有关？10kHz ,所以工作频率（即答应解答：滤波器的辨论力是指滤波器辨论相邻频率成分的才能；与滤波器带宽 B、品质因数Q、倍频程挑选性、滤波器因数等有关；带宽越小、品质因数越大、倍频程挑选性越小、滤波器因数越小,辨论力越高；4-9 设一带通滤器的下截止频率为f c1,上截止频率为fc2,中心频率为f0,试指出以下记述中的正确与错误； 1）倍频程滤波器；2）；3）滤波器的截止频率就是此通频带的幅值-3dB 处的频率；4）下限频率相同时,倍频程滤波器的中心频率是1/3 倍频程滤波器的中心频率的倍；解答： 1）错误；倍频程滤波器n=1,正确选项fc2=2
21、1fc1=2fc1；2）正确；3）正确；4）正确；4-10 已知某 RC 低通滤波器, R=1k, C=1 F,试；1）确定各函数式 Hs；H ；A ； ；2）当输入信号 ui=10sin1000t 时,求输出信号 uo,并比较其幅值及相位关系；解：R uit it C uot 一阶 RC 低通滤波器1）,=RC=1000 10-6=0.001s 所以,名师归纳总结 2）ui=10sin1000t 时,=1000rad/s,所以第 6 页,共 12 页- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - （稳态输出）相对输入 ui,输出幅值衰减为（衰减了-3dB）,相位滞
22、后；4-11 已知低通滤波器的频率响应函数式中 =0.05s；当输入信号xt=0.5cos10t+0.2cos100 t-45 时,求其输出yt,并比较yt与xt的幅值与相位有何区分；解：,yt=0.5A10cos10 t+ 10+0.2A100cos100 t-45 + 100=0.447cos10t-26.6 +0.039cos100t-123.7 比较：输出相对输入,幅值衰减,相位滞后；频率越高,幅值衰减越大,相位滞后 越大；4-12 如将高、低通网络直接串联（见图 传递函数,并分析其幅、相频率特性；4-46）,问是否能组成带通滤波器？请写出网络的uit C1 R1 R2 uot C2
23、图 4-46 题 4-12 图解：1=R1C1,2=R2C2,3=R1C2A0=0 , 0= /2；A =0, =- /2,可以组成带通滤波器,如下图所示；名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页,共 12 页精选学习资料 - - - - - - - - - Bode Diagram 0 dB agnitudeM-10-20-30-40-50deg Phase9011001011023 10104450-45-90 10Frequency rad/sec 4-13 一个磁电指示机构和内阻为Ri的信号源相连,其转角和信号源电压U i 的关系可用二阶微分方程来描述,即设其中动圈部件的转动
24、惯量 100,线圈横截面积 A 为 10I 为 2.5 10-5kg m 2,弹簧刚度 r 为 10-3N m rad-1,线圈匝数 n 为-4m 2,线圈内阻 R1 为 75,磁通密度 B 为 150Wb m-1 和信号内阻 Ri 为 125；1）试求该系统的静态灵敏度（rad V-1）； 2）为了得到0.7 的阻尼比,必需把多大的电阻附加在电路中？改进后系统的灵敏度为多少？解： 1）式中：,静态灵敏度：阻尼比：固有角频率：2）设需串联的电阻为 R,就解得：改进后系统的灵敏度：名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页,共 12 页精选学习资料 - - - - - - - - - 第
25、五章 信号处理初步 5-1 求 ht的自相关函数；解：这是一种能量有限的确定性信号,所以5-2 假定有一个信号 xt,它由两个频率、相角均不相等的余弦函数叠加而成,其数学表达 式为xt= A1cos1t+1+ A2cos2t+2 求该信号的自相关函数；解：设 x1t=A1cos1t+1；x2t= A2cos2t+2,就由于12,所以,；又由于 x1t和 x2t为周期信号,所以 同理可求得 所以 5-3 求方波和正弦波（见图 5-24）的相互关函数；xt 1 sint Tt0 -1 yt 1 0 t-1 图 5-24 题 5-3 图 解法 1：按方波分段积分直接运算；解法 2：将方波yt绽开成三
26、角级数,其基波与xt同频相关,而三次以上谐波与xt不同频不相关,不必运算,所以只需运算yt的基波与xt的相互关函数即可；所以 解法 3：直接按 Rxy 定义式运算 参看下图 ；名师归纳总结 - - - - - - -第 9 页,共 12 页精选学习资料 - - - - - - - - - xt 1 sin t Tt0 -1 yt 1 0 Tt-1 yt+ 1 0 Tt-1 参考上图可以算出图中方波 yt的自相关函数Ry T/20 T 方波的自相关函数图5-4 某一系统的输人信号为 xt（见图 5-25）,如输出 yt与输入 xt相同,输入的自相关函数 Rx 和输入输出的相互关函数 Rx 之间的
27、关系为 Rx =Rxy +T,试说明该系统起什么作用？名师归纳总结 - - - - - - -第 10 页,共 12 页精选学习资料 - - - - - - - - - xt 系 统yt Rx Rxy T0 0 图 5-25 题 5-4 图解：由于 Rx =Rxy +T 所以所以 xt+ = yt+ +T 令 t1 = t+ +T,代入上式得xt1-T= yt1,即 yt =xt-T 结果说明白该系统将输入信号不失真地推迟了 T 时间；5-5 试依据一个信号的自相关函数图形,争论如何确定该信号中的常值重量和周期成分；解：设信号 xt的均值为 x,x1t是 xt减去均值后的重量,就xt = x
28、+ x1t 假如 x1t不含周期重量,就,所以此时；假如 xt含周期重量,就 Rx 中必含有同频率的周期重量；假如 xt含幅值为 x0 的简谐周期重量,就 Rx 中必含有同频率的简谐周期分量,且该简谐周期重量的幅值为 x0 2/2；依据以上分析结论,便可由自相关函数图中确定均值（即常值重量）和周期重量的周期及幅值,参见下面的图；例如：假如,就；Rx x 2+ x 2 2x0 x 2- x 2 自相关函数的性质图示名师归纳总结 - - - - - - -第 11 页,共 12 页精选学习资料 - - - - - - - - - Rx 0 含有简谐周期重量的自相关函数的图名师归纳总结 - - - - - - -第 12 页,共 12 页