专题二 传感器的基本误差和传感器中的弹性敏感元件（教案）-山东省职教高考《传感器及应用》（高教版）专题复习讲练测

专题二 传感器的基本误差和传感器中的弹性敏感元件（教案）-《传感器及应用》高教版-专题复习讲练测 [考纲要求] 1. 了解测量误差是指测量结果与真实值之间的差异。 2. 理解仪表精度高意味着仪表读数与实际值之间的差异小，从而提高测量精度。 3. 认识到附加误差如系统误差的增加会降低测量结果的准确性和可靠性。 4. 理解弹性敏感元件的形式包括膜片、弹簧等，它们广泛应用于测量压力、力量等物理量的转换。 [课时安排] 2课时 [知识梳理] 重点一 测量误差的基本概念 由传感器的定义得知，传感器是将未知的物理量转换成人们可知的电信号，实际上传感器就是一种测量器具，所以传感器的误差也就是测量误差。 (1) 真值 被测量本身所具有的真正值称之为真值。量的真值是一个理想的概念，一般是不知道的。但在某些特定情况下，真值又是可知的，例如一个整圆的圆周角为 360°等。 (2) 约定真值 由于真值往往是未知的，所以一般用基准器的量值来代替真值，称做约定真值，它与真值之差可以忽略不计。 (3) 实际值 误差理论指出，在排除了系统误差的前提下，对于精度测量，当测量次数为无限多时，测量结果的算术平均值接近于真值，因而可将它视为被测量的真值。 重点二 按误差出现的规律分类 （1）系统误差——指误差的数值是一个常数或按一定规律变化的值。它又可分为恒值误差和变值误差。 （2）随机误差——由于偶然因素的影响而引起的误差，其数值大小和正负号不定，而且难以估计。但是总体仍服从一定统计规律，它不能通过实验方法加以消除，但能运用统计处理方法减少其影响。 （3）粗大误差指在一定的条件下测量结果显著地偏离其实际值时所对应的误差。从性质上看，粗大误差并不是单独的类别，它本身既具有系统误差的性质，也可能具有随机误差的性质，只不过在一定测量条件下其绝对值特别大而已。 重点三 仪表精度与测量精度 1.仪表精度与测量精度的关系 仪表精度一般分为七个等级，实际上就是取最大满度(引用) 相对误差，对于数字仪表和光学仪表等还具有更高精度的等级。一般而言，七个等级在工业仪表中是具有代表性的。而真正反映测量精度的是实际相对误差。从最大满度 (引用) 误养和实际相对误差的定义公式不难看出，被测量的大小愈接近量程，相对误差就愈接近于最大满度(引用) 误差。 2.附加误差对实际测量精度的影响 在检测仪表的技术说明书中，除了给出基本误差外，还给出了工作条件变化时可能产生的附加误差。如果实际工作条件不是仪表规定的标准状态，这时必须考虑到附加误差的影响。 重点四 弹性敏感元件的基本特性 物体因外力作用而改变原来的尺寸或形状称为变形，如果在外力去掉后能完全恢复其原来的尺寸和形状，那么这种变形称为弹性变形，具有这类特性的物体称为弹性元件。在传感器中用于测量的弹性元件称为弹性敏感元件。 弹性敏感元件的输人量与输出量之间的关系，称为弹性敏感元件的基本特性。弹性敏感元件的基本特性包括刚度、灵敏度、弹性滞后和弹性后效等，其中刚度和灵敏度是表征弹性敏感元件的重要指标。 重点五 变换力的弹性敏感元件 （1）等截面轴 等截面轴又称柱式弹性敏感元件可以是实心柱体或空心圆柱体，如图1-5 所示。实心等截面轴在力的作用下弹性敏感元件的位移很小，因此常用它的应变作输出量。其主要的优点是结构简单、加工方便、测量范围宽，可承受数万牛顿的载荷，但其灵敏度低。空心圆柱体的灵敏度高，在同样的截面积下轴的直径可加大，可提高轴的抗弯能力，但其过载能力弱载荷较大时会产生较明显的桶形变形，使工作段应变复杂而影响精度。 （2）环状弹性敏感元件 环状弹性敏感元件多做成等截面圆环，如图 1-6a 所示，圆环有较高的灵敏度，因而它多用于测量较小的力。圆环的缺点是加工困难，环的各个部位的应变及应力都不相等。当外力下作用在圆环上时，环上的 A、B 点处可产生较大的应变。当环的半径比环的厚度大得多时，A 点或 B 点内外表面的应变大小相等、符号相反。图 1-6b 所示是变截面圆环，与上述圆环不同处是增加了中间过载保护缝隙。它的线性较好，加工方便，抗过载能力强，目前应用较多。在该环的 A、B 段可得到较大的应变，且内外表面的应变大小相等、符号相反。 (3) 悬臂梁 悬臂梁是一端固定、另一端自由的弹性敏感元件。按截面形状又可分为等截面矩形悬臂梁和变截面等强度悬臂梁，如图 1-7 所示。悬臂梁的特点是结构简单，易于加工，输出位移(或应变) 大，灵敏度高，常用于较小力的测量。 (4) 转轴 如图1-8 所示为扭转轴式弹性敏感元件，当自由端受到转矩T的作用时扭转轴的表面会产生拉伸或压缩应变，在轴表面上与轴线成4方向 (图1-8 的AB 方向)产生应变 8，而图1-8 中AC 方向所产生的应变与AB 方向的应变大小相等，符号相反。 [真题练讲] 1.(2020年山东省统一考试) 以下哪种传感器利用弹性元件来变换压力？ A. 加速度传感器。 B. 温度传感器。 C. 压力传感器。 D. 液位传感器。 解析：正确答案为 C。压力传感器通过弹性元件转换外部压力为电信号。 2.(2018年山西省统一考试)误差的存在对测量结果的影响是？ A. 提高测量的准确性。 B. 减少测量的稳定性。 C. 增加测量的重复性。 D. 不影响测量结果。 解析：正确答案为 B。误差会降低测量结果的稳定性和准确性，影响测量的可靠性。 3.(2019年湖南省统一考试) 刚度大的弹性敏感元件通常具有？ A. 更高的灵敏度。 B. 更低的灵敏度。 C. 更大的尺寸。 D. 更小的重量。 解析：正确答案为 B。刚度大的弹性元件对外力变化不敏感，因此具有较低的灵敏度。 4.(2022年山东省统一考试)以下哪种因素不会导致测量误差？ A. 系统误差。 B. 随机误差。 C. 精确度。 D. 环境影响。 解析：正确答案为 C。精确度本身不是导致测量误差的因素，而是用来描述测量仪器本身的特性。 5.(2020年山东省统一考试) 哪种误差主要由于测量系统本身的不准确引起？ A. 随机误差。 B. 人为误差。 C. 系统误差。 D. 粗大误差。 解析：正确答案为 C。系统误差是由于测量系统本身的不准确或偏差引起的误差。 [限时练讲] 1.测量误差是指？ A. 测量结果与真实值的偏差。 B. 测量仪器的分辨率。 C. 测量中的随机因素。 D. 测量中的系统误差。 解析：正确答案为 A。测量误差是指测量结果与真实值之间的差异，反映了测量的准确度。 2.以下哪种属于系统误差？ A. 仪器读数不稳定。 B. 由于温度变化引起的测量偏差。 C. 操作者读数时的随意性误差。 D. 仪表本身的校准不准确。 解析：正确答案为 D。系统误差是由于测量系统本身的不准确引起的偏差。 3.仪表精度是指？ A. 测量结果的重复性。 B. 仪表读数的准确性。 C. 仪表的品牌和型号。 D. 仪表的尺寸和重量。 解析：正确答案为 B。仪表精度是指仪表读数与实际值之间的偏差，反映了仪表测量的准确性。 4.增加哪种附加误差会使测量结果的可靠性降低？ A. 系统误差。 B. 随机误差。 C. 人为误差。 D. 粗大误差。 解析：正确答案为 B。随机误差增加会使测量结果的稳定性和重复性降低，影响测量的可靠性。 5.弹性敏感元件的主要特点是？ A. 刚度小，对外力变化敏感。 B. 刚度大，对外力变化不敏感。 C. 不具有弹性特性。 D. 只能用于特定温度范围内的应用。 解析：正确答案为 A。弹性敏感元件通常具有较小的刚度，能够对外力的变化做出较为灵敏的响应。 6.以下哪种不属于弹性敏感元件的形式？ A. 弹簧。 B. 膜片。 C. 压力传感器。 D. 拉力计。 解析：正确答案为 C。压力传感器通常不属于弹性敏感元件，而是利用弹性元件进行力学变换。 7.以下哪种弹性敏感元件适合用于测量压力？ A. 膜片式传感器。 B. 弹簧。 C. 拉力计。 D. 光电传感器。 解析：正确答案为 A。膜片式传感器常用于测量压力，通过薄膜的弯曲来反映外部压力变化。 8.传感器的基本误差是什么？它与测量过程中的哪些因素相关？ 解析： 传感器的基本误差是指其测量结果与理论值之间的差异。这种误差通常与传感器本身的精度、校准状态以及测量环境等因素相关。 9.仪表精度与测量精度有何区别？附加误差如何影响测量精度？ 解析： 仪表精度描述了仪表在标定条件下进行测量时的准确度和可靠性，而测量精度是指测量结果与实际值的接近程度。附加误差是由环境、使用条件或校准不足引起的，会使得测量精度下降，因为它们增加了测量结果与实际值之间的偏差。 10.弹性敏感元件的刚度和灵敏度分别是如何影响其性能的？ 解析： 弹性敏感元件的刚度决定了其在受力后保持原有形状的能力，刚度越高，形状变化越小，稳定性越强。灵敏度则描述了单位力变化引起的输出变化程度，灵敏度越高，元件对力的响应越敏感。 11.列举并描述两种常见的弹性敏感元件的形式及其适用范围。 解析： 弹性敏感元件常见的形式包括弯曲梁和膜片。弯曲梁适用于需要高精度力量测量的场合，而膜片通常用于变换压力的测量，适应不同的精度和环境条件。 12.如何通过调整弹性敏感元件的形状来改变其灵敏度？为什么这种调整有效？ 解析： 弹性敏感元件的灵敏度可以通过调整其形状来改变。因为形状调整直接影响了元件受力后的变形情况，不同的形状设计会导致不同的力变化引起的输出变化，从而调整了其灵敏度。 [学法建议] 重点复习知识点： 1. 测量误差的基本概念：传感器是将未知的物理量转换成人们可知的电信号，实际上传感器就是一种测量器具，所以传感器的误差也就是测量误差。 2.系统误差：指误差的数值是一个常数或按一定规律变化的值。它又可分为恒值误差和变值误差 3.随机误差：由于偶然因素的影响而引起的误差，其数值大小和正负号不定，而且难以估计。但是总体仍服从一定统计规律，它不能通过实验方法加以消除，但能运用统计处理方法减少其影响。 4.仪表精度与测量精度的关系：仪表精度一般分为七个等级，实际上就是取最大满度(引用) 相对误差，对于数字仪表和光学仪表等还具有更高精度的等级。 5.弹性敏感元件的基本特性：弹性敏感元件的输人量与输出量之间的关系，称为弹性敏感元件的基本特性。弹性敏感元件的基本特性包括刚度、灵敏度、弹性滞后和弹性后效等，其中刚度和灵敏度是表征弹性敏感元件的重要指标。 阅读相关教材和课堂笔记，梳理重点知识点和关键概念。制作复习提纲或思维导图，以帮助理清知识框架和内部逻辑。进行练习题和例题的练习，加深对知识的理解和应用。 原创精品资源学科网独家享有版权，侵权必究！ 学科网（北京）股份有限公司 $$