《传感器与自动检测技术》习题参考答案

《传感器与自动检测技术》习题

思考题与习题一

1.1什么叫传感器？它通常由哪几部分组成？

答：能够感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件和装置，称为传感器。传感器通常由敏感元件和转换元件组成。其中，敏感元件是指传感器中能直接感受和响应被测量的部分；转换元件是指传感器中能将敏感元件的感受或响应的被测量转换成适于传输和处理的电信号部分。

1.2简述传感器的分类方法。

答：传感器可按输入量、输出量、工作原理、基本效应、能量变换关系以及所蕴含的技术特征等进行分类。

1.3举例说明传感器与检测技术的作用与地位。

答：传感器与检测技术在信息技术领域具有十分重要的基础性地位，推动了现代科学技术的进步，在国民经济中具有“倍增器”作用。

1.与人们日常生活密切相关。家用电器温度设定、控制、显示；家居防火、防盗、防煤气泄漏；智能家居的灯光控制；居家老人的健康监护等。

2.推进信息化与工业化的深度融合。工业生产中，借助检测技术，提高自动化程度，提高产品质量，提高经济效益：对工艺参数、成分进行检测与控制；对工业设备运行状态进行监测；对产品质量进行自动测试；对产品数量进行自动计数等。

3.助推智能农业快速发展。气象预报，温室大棚的温湿度、光照、CO 2、PH 值、风力的

测量与控制，水土成分测量与分析；工厂化水产和牲畜养殖环境参数的测量与控制等。

4.是国防现代化的技术保障。雷达导航，卫星定位系统，航母战斗群及潜艇水下声呐系统测物、测距、测向，现代化战争中目标精确定位、精准打击等。

5.在智能交通中有广泛的应用。公路交通违章监控、测速、超载称重，轨道交通（高铁、动车、地铁、轻轨、云轨）运营设备在线监测，水运航向、水位、风力、荷载测量，机场危险品检查等。1.4简述中高档汽车中所使用的各类传感器及其作用。

答：碰撞传感器就是加速度传感器,他的作用是在汽车受到力的碰撞时，加速度传感器给信号使得安全气囊充气保护车上人员的生命安全；座椅占用识别传感器，作用是识别该座椅是否有人乘坐，识别信号传送至安全安全气囊控制模块，在碰撞事故中，安全气变控制模块根据座椅占用识别传感器信号判断该座椅是否有乘员，决定是否触发相关的安全气囊和安全带张紧器；曲轴转速传感器，用于检测发动机转速和判定一缸上止点；凸轮轴位置传感器用于区分一（四）缸压缩上止点；节气门位置传感器用于检测发动机的节气门；水温传感器用于检测发动机冷却温度；进气温度传感器用于检测进气温度；进气歧管绝对压力传感器用于检测气管里的进气压力；空气流量计用于检测进气空气质量；轮速传感器用于检测轮速；车速传感器用于检测车速。

1.5什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：传感器的静态特性是指输入的被测参数不随时间而变化或随时间变化很缓慢时，传感器的输出量与输入量的关系。传感器的静态特性指标有线性度、灵敏度、灵敏度阈与分辨力、迟滞、重复性、漂移。线性度max 100%δ∆=±

⨯L FS

L Y ；灵敏度'()()===dy df x S f x dx dx ；迟滞max 100%δ∆=±⨯H FS H Y ；重复性max 100%δ∆=±⨯R FS R Y 。

1.6试计算某压力传感器的迟滞误差和重复性误差，测试数据如下所示。

行程输入压力

（×105Pa ）输出电压(mV)⑴⑵⑶正行程 2.0

190.9191.1191.34.0

382.8383.2383.56.0

575.8576.1576.68.0

769.4769.8770.410.0

963.9964.6965.2反行程10.0

964.4965.1965.78.0

770.6771.0771.46.0

577.3577.4578.44.0

384.1384.2384.72.0191.6191.6192.0

解：根据给出的测试数据可得max 1.8

H ∆=由此可得max 1.8100%100%0.186%965.7

H FS H Y ∆=±

⨯==δ根据给出的测试数据可得max 1.3

R ∆=由此可得max 1.3100%100%0.135%965.7R FS R Y ∆=±⨯=⨯=δ1.7若一阶传感器的时间常数为0.01s ，传感器响应的幅值百分误差在10％范围内，此时，ωτ最高值达0.5，试求此时输入信号的工作频率范围。

解：传感器响应的幅值百分误差在10％范围内即相当于幅值比应大于0.7，可用ωτ=0.5

来确定输入信号工作频率的上限，因而得出上限频率为：

0.50.5/50/0.01ωrad s rad s τ=

==5082Z Z f H H π==可知：所求工作频率范围为0～8H Z 。1.8设一力传感器可以简化成典型的质量－弹簧－阻尼二阶系统，巳知该传感器的固有频率为01000f Hz =，若其阻尼比为0.7ξ=，试问用它测量频率为600Hz 的正弦交变力时，其输出与输入幅值比()A ω和相位差()ϕω各为多少。

解：()0.95

A jω=()1260020.71000tan 52.760011000φω-⎛⎫⨯⨯ ⎪⎝⎭=-=-⎛⎫- ⎪⎝⎭

1.9简述传感器技术的发展。

答：总体上说，传感器技术的发展趋势主要表现以下六个方面：提高与改善传感器的技术性能；开展基础理论研究，寻找新原理、开发新材料、采用新工艺或探索新功能等；传感器的集成化；传感器的智能化；传感器的网络化；传感器的微型化。

思考题与习题二

2.1试分析系统误差的来源。

答：（1）测量设备在标准条件下产生的基本误差。测量仪器在额定条件下（如电源电压、温度、湿度等）工作时所具有的误差，称为基本误差。

（2）偏离额定工作条件所产生附加误差。当使用条件偏离标准条件时，传感器和仪表必然在基本误差的基础上增加了新的系统误差，称为附加误差。如温度附加误差、电源电压波动附加误差等。

（3）测量理论、方法不完善产生的方法误差。

（4）试验人员主客观原因产生的人为误差。

2.2什么是随机误差？随机误差有何特性？随机误差的产生原因是什么？

答：对同一被测量进行多次重复测量时，绝对误差的绝对值和符号不可预知地随机变化，但就误差的总体而言，具有一定的统计规律性，这类误差称之为随机误差。

随机误差的特性有：

（1）对称性：绝对值相等、符号相反的随机误差出现的概率趋于相等。

（2）有界性：随机误差绝对值不会超过某一限度。

（3）单峰性：绝对值小的随机误差出现的概率大于绝对值大的随机误差出现的概率。

（4）抵偿性：无限多次测量的随机误差平均值趋于零。

随机误差由多种偶然因素对测量值的综合影响造成的。如电磁场变化、热起伏、空气扰动、气压和湿度变化等。

2.3误差的表达方法有哪几种？分别用公式表示。

答：绝对误差，L x x -∆＝；相对误差，100%δ∆⨯＝x L ；引用误差，100%γ∆⨯=m

x x 。2.4我国的电工仪表分为哪几个等级？是用何种误差表示的？

答：我国电工仪表共分为七个等级：0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5和5.0。是用引用误差表示的。

2.5测得某三角块的三个角度之和为1795840'''

，试求测量的绝对误差和相对误差。解：绝对误差L x x -∆＝=1795840180120''''''-= 相对误差100%δ∆⨯＝x L =2120 1.2310%180-'''=⨯ 2.6某压力表精度等级为2.5，量程为0～1.5MPa ，求：

（1）可能出现的最大满度相对误差；

（2）可能出现的最大绝对误差；

（3）测量结果显示为0.7MPa 时，可能出现的最大示值相对误差。

解：（1）该表可能出现的最大满度相对误差为 2.5%±；

（2）该表可能出现的最大绝对误差 1.5 2.5%0.0375m ∆=⨯=MPa ；

（3）测量结果显示为0.7MPa 时，可能出现的最大示值相对误差

100%δ∆≈

⨯x x =0.0375100% 5.36%0.7⨯=2.7现有精度等级为0.5的0～300℃的和精度等级为1.0的0～100℃的两支温度计，要测量80℃的温度，采用哪一支更好？

解：根据最大示值相对误差的定义式，先求最大相对误差。

使用0～300℃、0.5级表时10.5%300100%100% 1.88%80

γδ⋅⨯=⨯=⨯≈m m x x 使用0～100℃、1.0级表时