1-4传感器作业
国家开放大学《机电一体化系统综合实训》作业1-4参考答案
国家开放大学《机电一体化系统综合实训》作业1-4参考答案作业1一、名词解释(每小题2分，共10分)1. 测量——是人们借助于专门的设备，通过一定的方法对被测对象收集信息，取得数据概念的过程。
2.灵敏度——指在稳态下，输出的变化量ΔY与输入的变化量ΔX的比值。
即为传感器灵敏度。
S=dy/dx=ΔY/ΔX3. 压电效应——某些电介质，当沿着一定的方向对它施加力而使它产生变形时，内部就会产生极化现象，同时在它的两个表面上将产生符号相反的电荷。
当外力去掉后，它又重新恢复到不带电的状态，这种现象被称为压电效应。
4. 动态误差——在被测量随时间变化过程中进行测量时所产生的附加误差称为动态误差。
5. 传感器——是一种以一定的精确度把被测量转换为与之有确定对应关系的，便于应用的某种物理量的测量装置。
二、填空题（每小题2分，共20分)1. 滚珠丝杆中滚珠的循环方式：（内循环）和（外循环）。
2. 机电一体化系统，设计指标和评价标准应包括（性能指标），（系统功能），（使用条件）。
3. 顺序控制系统是按照预先规定的次序完成一系列操作的系统，顺序控制器通常用（PLC）。
4. 某光栅的条纹密度是50条/mm，光栅条纹间的夹角θ=0.001孤度，则莫尔条纹的宽度是（20mm）。
5. 连续路径控制类中为了控制工具沿任意直线或曲线运动，必须同时控制每一个轴的（位置和速度），使它们同步协调到达目标点。
6. 某4极交流感应电机，电源频率为50Hz，转速为1470r/min，则转差率为（0.02）。
7. 齿轮传动的总等效惯量与传动级数（增加而减小）。
8. 累计式定时器工作时有（2）。
9. 复合控制器必定具有（前馈控制器）。
10. 钻孔、点焊通常选用（简单的直线运动控制）类型。
三、选择题（每小题2分，共10分）1. 一般说来，如果增大幅值穿越频率ωc的数值，则动态性能指标中的调整时间ts（）A. 产大B. 减小C. 不变D. 不定2. 加速度传感器的基本力学模型是（）A. 阻尼—质量系统B. 弹簧—质量系统C. 弹簧—阻尼系统D. 弹簧系统3. 齿轮传动的总等效惯量与传动级数（）A. 有关B. 无关C. 在一定级数内有关D. 在一定级数内无关4. 顺序控制系统是按照预先规定的次序完成一系列操作的系统，顺序控制器通常用（）A. 单片机B. 2051C. PLCD. DSP5、伺服控制系统一般包括控制器、被控对象、执行环节、比较环节和检测环节等个五部分。
传感器课程设计大纲
传感器 课程设计 大纲一、课程目标知识目标：1. 理解传感器的定义、分类和基本工作原理；2. 掌握不同传感器（如温度传感器、光敏传感器、压力传感器等）的特性和应用场景；3. 学会分析传感器在生活中的应用案例，了解传感器技术在工业、医疗、环保等领域的意义。
技能目标：1. 能够正确使用传感器进行数据采集，并进行简单的数据处理；2. 能够设计简单的传感器应用电路，进行实验操作；3. 学会运用传感器技术解决实际问题，提高创新能力。
情感态度价值观目标：1. 培养学生对传感器技术的好奇心和探究欲望，激发学习兴趣；2. 增强学生对传感器技术在科技发展中的重要作用的认识，提高社会责任感；3. 培养学生团队合作意识，提高沟通与协作能力。
课程性质：本课程为初中物理选修课程，以实践为主，理论联系实际。
学生特点：初中生具备一定的物理基础，好奇心强，善于观察和动手实践。
教学要求：结合学生特点，注重启发式教学，引导学生主动探究，提高实践操作能力。
通过课程学习，使学生达到以上设定的知识、技能和情感态度价值观目标。
在教学过程中，将目标分解为具体的学习成果，便于后续教学设计和评估。
二、教学内容1. 传感器基础知识- 传感器的定义与分类- 传感器的基本工作原理2. 常见传感器介绍- 温度传感器：热敏电阻、热电偶等- 光敏传感器：光敏电阻、光电管等- 压力传感器：应变片式、电容式等- 其他传感器：湿度传感器、声音传感器等3. 传感器应用案例分析- 家用电器中的传感器应用- 工业生产中的传感器应用- 环境监测中的传感器应用4. 传感器实验操作- 传感器数据采集与处理- 简单传感器电路设计- 传感器应用实例制作5. 传感器技术发展及其在现代社会中的应用- 传感器技术的发展趋势- 传感器在科技领域的创新应用教学内容安排与进度：第一课时：传感器基础知识，了解传感器的定义、分类和基本工作原理第二课时：常见传感器介绍，学习各种传感器的特性和应用第三课时：传感器应用案例分析，分析生活中的传感器应用实例第四课时：传感器实验操作（一），学习数据采集与处理方法第五课时：传感器实验操作（二），设计简单传感器电路和应用实例第六课时：传感器技术发展及其在现代社会中的应用，探讨传感器技术的发展趋势和创新应用教材章节：本教学内容参考初中物理选修教材《传感器》相关章节。
1-4 位移传感器解析
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4.1.1 光栅传感器
放大
圆光栅还有一个 参数叫栅距角 γ 或称 w 放大 a b 节距角 , 它是指圆光 栅上相邻两条栅线 的夹角。
a w
b
(a ) 长光栅
(b ) 圆光栅
4.1.1 光栅传感器
2. 莫尔条纹原理
莫尔条纹的成因是由主光栅和指示光栅的遮 光和透光效应形成的（两只光栅参数相同）。 主光栅用于满足测量范围及精度，指示光栅 （通常是从主尺上裁截一段）用于拾取信号。
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4.正弦微窗光栅位移传感器
所谓正弦微窗光栅是指光栅是由许多微小的 窗口排列而成。
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4.正弦微窗光栅位移传感器
微窗单元为一长方形, 中间有一透光孔, 透光 孔内光强透过率为一常数C, 孔以外区域光强透过 率为零或接近于零, 透光孔的内边缘沿y 方向的跨 度Δ y是一个变量，可表示为 h y 1 sin 2 x W 2
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4.1.1 光栅传感器
1.光栅位移传感器的结构 光栅通常是由在表面上按一定间隔制成透 光和不透光的条纹玻璃构成，称之为透射光栅， 或在金属光洁的表面上按一定间隔制成全反射和 漫反射的条纹，称为反射光栅。
利用光栅的一些特点可进行线位移和角位 移的测量。测量线位移的光栅为矩形并随被测长 度增加而加长，称之为长光栅；而测量角位移的 光栅为圆形，称之为圆光栅。
如果滑尺相对于 定尺自某初始位置算 起的位移量为x。则x机 械位移引起的电角度 变化θ＝2πx/W。
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4. 感应同步器信号处理方式
当滑尺正弦绕组上加激磁电压us后，与之相耦合 的定尺绕组上的感应电压为： uos= K us cos K— 电磁感应系数 —定尺绕组上感应电压的相位角（空间相位角） 当滑尺余弦绕组上加激磁电压uc后，与之相耦合 的定尺绕组上的感应电压为： uoc = K uc cos（ + π /2） =－K ucsin
作业4 传感器答案(1)
作业4 位移传感器与位移测试班级：姓名：学号：成绩：一、填空题1、金属电阻应变片与半导体应变片的物理基础的区别在于，前者利用金属丝的几何变形(应变效应)引起的电阻变化，后者利用半导体材料的电阻率变化(压阻效应)引起的电阻变化。
2、差动变压器式电感传感器的基本原理是利用了电磁感应中的互感现象。
3、为了提高变极距电容式传感器的灵敏度、线性度及减小外部条件变化对测量精度的影响，实际应用时常常采用差动工作方式。
4、金属导体置于交流磁场中，导体表层产生闭合的电流，利用该原理制作的传感器称为电涡流传感器。
这种传感器只能测量金属导体物体。
5、光栅式传感器是依靠莫尔条纹的三大特性: 位移的放大特性，栅距误差的平均效应和__莫尔条纹运动与光栅运动的一一对应关系（光栅栅距与莫尔条纹间距的对应关系）__来进行位移的精密测量的。
6、差动变压器式传感器理论上讲，衔铁位于中心位置时输出电压为零，而实际上输出电压不为零，这个不为零的电压称为零点残余电压；利用差动变压器测量位移时，如果要求区别位移方向可采用差动整流电路或相敏检波电路。
7、电容式和电感式传感器常采用差动式结构，其作用是提高灵敏度，减少非线性度。
二、选择题1. 能够感受湿度的电容式传感器属于变 D 的电容式传感器。
A电阻率 B 相对面积 C 极距 D 介质2. 可变磁阻式传感器的灵敏度S与气隙长度δ有关，δ B灵敏度越高。
A 越大B 越小C 速度越快D 速度越慢3.为了提高自感式传感器灵敏度和线性度，实际应用时常采用D 工作方式。
A同步 B异步 C共模输入 D差动4. 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5.电阻应变片的输入为 B 。
（A）力（B）应变（C）速度（D）加速度6．为减少变极距型电容传感器灵敏度的非线性误差,应选用 C 类型的传感器为最好。
（A）大间距（B）高介电常数（C）差动式（D）小间距7.金属丝应变片在测量构件应变时，电阻的相对变化主要由 B 来决定的。
项目4霍尔传感器
霍尔元件材料：
1．锗(Ge) 输出小，但温度性能和线性度较好；
2．硅(Si) 线性度最好，但带负载能力较差，通常不作单
个霍尔元件； 3．砷化铟(InAs)
输出较大，受温度影响小，线性度较好，应用 较多； 4．锑化铟(InSb)
输出大，但受温度影响大（尤其是低温）
2) 测量电路
图中控制电流I由电源 UE供给，可以是直流电源 或交流电源，调节电阻RW 是用来调节控制电流I的大 小；RL是霍尔输出电压UH 的负载电阻，通常是放大
4、集成霍尔传感器 集成霍尔传感器是利用硅集成电路工艺将霍尔元件和测 量线路集成在一起的一种传感器。它取消了传感器和测量电 路之间的界限，实现了材料、元件、电路三位一体。集成霍 尔传感器与分立相比，由于减少了焊点，因此显著地提高了 可靠性。此外，它具有体积小、重量轻、功耗低等优点，正 越来越爱到众的重视。 集成霍尔传感器的输出是经过处理的霍尔输出信号。按 照输出信号的形式，可以分为开关型集成霍尔传感器和线性 集成霍尔传感器两种类型。
(1) 开关型集成霍尔传感器
开关型集成霍尔传感器是把霍尔元件的输出经过处 理后输出一个高电平或低电平的数字信号。其典型电路 见图。
U0 UOH
UOL
B(L H)
B(H L) B
图6-2-7 输出电平U0与B的关系
集成霍尔传感器的输出电平与磁场B之
间的关系见图6-2-7，可以看出，集成霍 尔传感器的导通磁感应强度和截止磁感应 强度之间存在滞后效应。
I H
和霍尔电压 V ，就可以根据下式 H
B V KI
H
H
求出磁感应强度B。
霍尔效型半导体材料制成的
霍尔元件。当沿X方向通以电流 I 后，载流子（对N型半 H
国家开放大学机电一体化系统形考作业1-4答案
作业1一、判断题（每个2分，共18分）题目1滚珠丝杆机构不能自锁。
正确的答案是“对”。
题目2转动惯量大不会对机电一体化系统造成不良影响。
正确的答案是“错”。
题目3谐波齿轮减速器输入转速一般从刚轮输入。
正确的答案是“错”。
题目4直线运动导轨是用来支承和引导运动部件按给定的方向作往复直线运动。
正确的答案是“对”。
题目5在机电一体化系统中，通过增大执行装置的固有频率可有效提高系统的稳定性。
正确的答案是“对”。
题目6在机电一体化系统中，通过提高系统的阻尼能力可有效提高系统的稳定性。
正确的答案是“对”。
题目7在机电一体化系统中，通过消除传动系统的回程误差可有效提高系统的稳定性。
正确的答案是“对”。
题目8在机电一体化系统中，通过提高驱动元件的驱动力可有效提高系统的稳定性。
正确的答案是“错”。
题目9在机电一体化系统中，通过减小机构的传动误差可有效提高系统的稳定性。
正确的答案是“错”。
二、选择题（每个5分，共30分）题目10机电一体化系统的基本功能要素之一：接口的基本功能是（）。
正确答案是：以上三者题目11机电一体化系统的核心是（）。
正确答案是：控制器题目12机电一体化系统中，根据控制信息和指令所要求的动作这一功能的是（）。
正确答案是：执行机构题目13（）不是机电一体化产品。
正确答案是：打字机题目14（）装置是电机一体化系统的感觉器官，它可以从待测对象那里获取能反应待测对象特性和状态的信息。
正确答案是：传感检测题目15Mechatronics是两个不同学科领域名称的组合，这两个不同的学科是（）。
正确答案是：机械学与电子学题目16机电一体化系统（产品）设计方案的常用方法无（）。
正确答案是：经验法题目17在机电一体化系统中，机械传动要满足伺服控制的三个主要要求是（）。
正确答案是：传动精度、稳定性、快速响应性题目18在设计齿轮传动装置时，对于转动精度要求高的降速齿轮传动链，可按什么原则进行设计（）。
正确答案是：输出轴转角误差最小题目19齿轮传动的总等效惯量随传动级数（）。
传感器·作业
第一章1-1 什么是测量值的绝对误差、相对误差、引用误差答：绝对误差是指测量值与真值的差，绝对误差是有正、负并有量纲的，即x L ∆=-相对误差分为：实际相对误差和标称相对误差：实际相对误差是指：绝对误差在真值中所占的百分比，即100%Lδ∆=⨯， 由于真值L 往往无法知道，相对误差常用标称相对误差。
标称相对误差是指：绝对误差在实际测量值中所占的百分比，即100%xδ∆=⨯。
引用误差是指：绝对误差在仪表满量程中所占的百分比，即100%γ∆=⨯-测量范围上限测量范围下线Δ——绝对误差；x ——测量值； L ——真值。
1-2 用测量范围为-50~150kPa 的压力传感器测量140kPa 压力时，传感器测得示值为142kPa ，求该示值的绝对误差、实际相对误差、标称相对误差和引用误差。
解：绝对误差 ：x L ∆=-()1421402kPa =-= 实际相对误差：2100%100% 1.43%140L δ∆=⨯=⨯≈ 标称相对误差：2100%100% 1.41%142x δ∆=⨯=⨯≈引用误差：2100%100%1%15050γ∆=⨯=⨯=-+测量范围上限测量范围下线1-3 什么是系统误差系统误差可分为哪几类系统误差有哪些检验方法如何减小和消除系统误差答：在同一测量条件下，多次测量被测量时，绝对值和符号保持不变，或在条件改变时，按一定规律（如线性、多项式、周期性等函数规律）变化的误差称为系统误差。
分两种：前者为恒值系统误差，后者为变值系统误差。
系统误差的检验方法：1.实验对比法2.残余误差观察法3.准则检测法系统误差的减小和消除：1.在测量结果中进行修正2.消除系统误差的根源3.在测量系统中采用补偿措施4.实时反馈修正第二章2-1 什么叫传感器它有哪几部分组成它们的作用及相互关系如何1、传感器是一种以一定的精确度把被测量转换为与之确定对应关系的、便于应用的某种物理量的测量装置。
2、传感器由敏感元件、转换元件和辅助部件组成。
作业传感器习题四.
附： 课堂上做过的题 2.如图所示直流应变电桥，E=4V，R1=R2=R3=R4=120Ω，试求： （1）R1为金属应变片，其余为外接电阻，当R1的增量为 为多少？ R1=1.2Ω时，电桥输出电压 U o （2）R1、R2为应变片，感受的应变极性和大小都相同，其余为 外接电阻。问能否进行应变测量？ （3）上题中若R1与R2感受应变的极性相反，且︱ R2︱=︱ R1︱ =1.2Ω。问输出电压为多少？ （4）由（1）～（3）能得出什么结论？
（2）重物m为多少吨？
4、梁的宽度为15mm，厚度为1mm,上下表面分别贴上 R1和R2，应变片距受力点10mm，且R1=R2=100Ω，应 2 变片K=2.0，材料弹性模量 ,R1 、R2按在半 2E= .0 105 N / mm 桥双臂的桥路上测量，U1=2V，输出电压 U =1.0mV, 试 o （1）画出测量电路； （2）计算受力后的R1、R2值； （3）所受作用力F为多少牛顿？
直流应变电桥
习题四
1.弹性元件在传感器中起什么作用？ 弹性敏感元件的基本特性有哪些？ 变换力的弹性敏感元件主要有哪几种？ 各有何特点？ 试说明金属丝电阻应变片与半导体应变片 的相同点与不同点。
பைடு நூலகம்
3.有一测量吊车起吊物重量的拉力传感器，R1、R2、 R3、R4贴在等截面轴上，已知等截面轴的截面积为 11 2 0.00196m²，弹性模量E为 2.0 10 ，泊松比为 N / m 0.30。 R1、R2、R3、R4的标称值均为120Ω，灵敏系数为2.0， 它们组成全桥如图b所示，桥路电压为2V，测得输出 电压为2.6mv，试求： （1）等截面轴的纵向应变及横向应变。
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输入xi: 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9
输出yi: 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性度和灵敏度。
答：
1．端点法方程y=24.555x
y=25.2x-0.12222
非线性误差（线性度）
灵敏度K=25.2
x yy=ax+by-ax-by-22.1x/0.9
0.12.22.3978-0.1978-0.255
0.24.84.9178-0.1178-0.11
0.37.67.43780.16220.235
0.49.99.9578-0.05780.08
第一章传感器概论
思考题与习题
1-1简述检测系统和自动控制系统的组成及其各部分的功能。
答：（1）一个完整的检测系统由激励装置、测量装置、数据处理装置和显示、记录装置四大部分。
图1-1检测系统组成框图
激励装置是激励被测量对象产生表征其特征信号的一种装置。激励装置的核心部分是信号发生器，由它产生各种信号激励被测对象。测量装置是把被测对象产生的信号转换成易于处理和记录的信号的一种装置。数据处理装置对从测量装置输出的信号进行处理、运算、分析，以提取有用的信息，使人们对客观事物量的信号变为人们感觉所能理解的形式，以提供人们观察和分析的装置。
答：传感器一般由敏感元件和转换元件两部分组成，有时也将转换电路及辅助电源作为传感器的组成部分，其组成框图如图1-3所示。
图1-3传感器组成框图
敏感元件直接感受被测量（一般为非电量），并输出与被测量成确定关系的其他量（其中也包括电量）的元件。转换元件也称传感元件，通常它不直接感受被测量，而是将敏感元件的输出量转换为电参量再输出。转换电路将转换元件输出的电参量转换成电压、电流或频率量。若转换元件输出的已经是上述电量，则就不需要基本转换电路了。
答：传感器实现不失真测量，测量装置的频率响应特性应同时满足两个条件：（1）装置对输入的被测信号中所包含的各种频率成分的幅值放大倍数都一样，即幅频特性应满足（B/A）=K=常数；（2）输入的测量信号中的各种频率成分通过装置后，它的输出滞后与输入的时间d都要一样，即装置的相频特性应满足（）=d。
在具体测量时，首先要选好测量装置，并掌握所用测量装置的动态特性，使其在要求的工作频率范围内的幅频和相频特性比较接近不失真测量的条件。其次，应对输入的被测信号进行必要的前置处理，及时滤掉非信号频带内的噪声，以免某些噪声因其频带进入测量装置的谐振区而使信噪比变坏。此外，在选择测量装置时，还应根据不同的测量目的和要求，有针对性的满足测量要求。
0.615.214.99780.20220.47
0.717.817.51780.28220.615
0.820.120.03780.06220.46
0.922.122.5578-0.45780.005
2．最小二乘法
Data: Data4_B
Chi^2/DoF= 0.06165R^2= 0.99887
a25.20.32055b-0.122220.18038
非线性误差（线性度）
灵敏度K=24.56
xyyfitΔ=y-25.2x+0.1222Δ=y-24.55x
0.12.22.3978-0.1978-0.255
0.24.84.9178-0.1178-0.11
0.37.67.43780.16220.235
0.49.99.9578-0.05780.08
0.512.612.47780.12220.325
当x=0.7时，y=17.36，所以y=0.44；
当x=0.6时，y=14.88，所以y=0.32；
当x=0.5时，y=12.4，所以y=0.2；
所以ymax=0.44
则线性度
1-4传感器的动态特性常用什么方法进行描述？你认为这种描述方法能否充分反映传感器的动态特性，为什么？
答：（1）在实际工作中，传感器的动态特性常用它对某些标准输入信号的相应来表示。最常用的标准输入信号有阶跃信号和正弦信号两种，所以传感器的动态特性也常用阶跃响应和频率响应来表示。
0.512.612.47780.12220.325
0.615.214.99780.20220.47
0.717.817.51780.28220.615
0.820.120.03780.06220.46
0.922.122.5578-0.45780.005
灵敏度
于是，此传感器的特性方程为
线性度计算如下：
当x=0.8时，y=19.84，所以 ；
（2）整个相应过程分为动态和稳态两个过程。动态过程又称为过度过程，是指传感器从初始状态到接近最终状态的响应过程。稳态过程是指时间t时传感器的输出状态。阶跃响应主要通过分析动态过程来研究传感器的动态特性，而频率响应则是通过研究稳态过程来分析传感器的动态特性。
1-5传感器实现不失真测量的条件是什么？在实际工作中如何具体运用？
2-1传感器输出信号有哪些特点？
答：（1）传感器输出的电信号有电压、电流、电阻、电容、电感、频率的变化等；（2）传感器输出的电信号通常都比较弱，如电压信号为级，电流信号为级；（3）由于传感器内部噪声的存在，使输出的信号与噪声混合在一起。当噪声比较大，而输出信号又较弱时，常使信号被淹没在噪声之中；（4）大部分传感器的输出、输入关系曲线呈线性或接近线性关系，但仍有少部分传感器的输出、输入关系曲线是非线性的；（5）传感器的输出信号易受外界环境（如温度、电场或磁场）的干扰。
（2）典型的自动控制系统组成框图如图1-2所示。
图1-2自动控制系统组成框图
系统通过检测装置获取变化的被控参数信息，并经过反馈环节把它引回到系统的输入端，与给定值比较后成为误差信号，控制器按误差信号的大小产生一相应的控制信号，自动调整系统的输出，使其误差趋向于零。
1-2简述传感器的组成及其各部分的功能。
1-6为什么要对传感器要进行校检，其实质是什么？
答：当传感器的工作环境、使用条件不同于说明书中的规定，或使用时间较长且已经过修理时，为判断它是否可用或者性能参数是否发生变化，往往需对传感器重新进行标定或校检。实际上都是对传感器的特性进行测试，所以校检也分静态和动态两个方面。
第二章传感器测量电路
思考题与习题