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傳感器原理及應用復習題庫第一章 概述1、傳感器一般由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件、基本電路三部分組成。62、傳感器圖用圖形符號由符號要素正方形和等邊三角形組成，正方形表示轉(zhuǎn)換元件，三角形表示敏感元件，“X”表示被測量，“*”表示轉(zhuǎn)換原理。7第二章 傳感器的基本特性1、傳感器動態(tài)特性的主要技術(shù)指標有哪些？它們的意義是什么？答：1）傳感器動態(tài)特性主要有：時間常數(shù)；固有頻率；阻尼系數(shù)。2）含義：越小系統(tǒng)需要達到穩(wěn)定的時間越少；固有頻率越高響應曲線上升越快；當為常數(shù)時響應特性取決于阻尼比，阻尼系數(shù)越大，過沖現(xiàn)象減弱，時無過沖，不存在振蕩，阻尼比直接影響過沖量和振蕩次數(shù)。2、有一溫度傳感器，微分方程為，其中為輸出電壓（mV) , 為輸入溫度（）。試求該傳感器的時間常數(shù)和靜態(tài)靈敏度。解：對微分方程兩邊進行拉氏變換，Y(s)(30s+3)=0.15X(s) 則該傳感器系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為： 該傳感器的時間常數(shù)=10，靈敏度k=0.053、測得某檢測裝置的一組輸入輸出數(shù)據(jù)如下：x0.92.53.34.55.76.7y1.11.62.63.24.05.0試用最小二乘法原理擬合直線，求其線性度和靈敏度。（10-12）1、解: 代入數(shù)據(jù)求得 故：擬合直線靈敏度,線性度7%。 第三章 電阻式傳感器1、何為電阻應變效應？怎樣利用這種效應制成應變片？答：導體在受到拉力或壓力的外界力作用時，會產(chǎn)生機械變形，同時機械變形會引起導體阻值的變化，這種導體材料因變形而使其電阻值發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為電阻應變效應。(22)當外力作用時，導體的電阻率、長度、截面積都會發(fā)生變化，從而引起電阻值的變化，通過測量電阻值的變化，檢測出外界作用力的大小。（23）2、為什么增加應變片兩端電阻條的橫截面積便能減小橫向效應？答：敏感柵越窄，基長越長的應變片，橫向效應越小，因為結(jié)構(gòu)上兩端電阻條的橫截面積大的應變片橫向效應較小。應變片溫度誤差的主要來源有：一是應變片本身電阻溫度系數(shù)1的影響；二是試件材料線膨脹系數(shù)1的影響。25應變片溫度誤差補償?shù)哪康氖窍捎跍囟茸兓鸬膽冚敵鰧y量應變的干擾。26常用的應變片溫度誤差補償方法有溫度自補償法、電橋線路補償法、輔助測量補償法、熱敏電阻補償法、計算補償法等。26圖3-283、在以鋼為材料的實心圓柱形試件上，沿軸線和圓周方向各貼一片電阻為120的金屬應變片R1和R2（如圖3-28a所示），把這兩應變片接入電橋（見圖3-28b）。若鋼的泊松系數(shù)，應變片的靈敏系數(shù)k =2，電橋電源電壓U=2V，當試件受軸向拉伸時，測得應變片R1的電阻變化值。試求：軸向應變；電橋的輸出電壓。29解1：1） 則軸向應變?yōu)椋?2）電橋的輸出電壓為：解2：4、一測量吊車起吊重物的拉力傳感器如圖3-29a所示。R1、R2、R3、R4按要求貼在等截面軸上。已知:等截面軸的截面積為0.00196m2，彈性模量E=21011N/m2，泊松比，且R1=R2=R3=R4=120, 所組成的全橋型電路如題圖3-29b所示，供橋電壓U=2V?，F(xiàn)測得輸出電壓U0=2.6mV。求：等截面軸的縱向應變及橫向應變?yōu)槎嗌?？力F為多少？29解：圖3-29半橋電壓靈敏度是單臂電橋的2倍，全橋電壓靈敏度是單臂電橋的4倍。29第四章 電容式傳感器電容式傳感器可分為3種結(jié)構(gòu)形式，分別是：變面積型電容式傳感器、變極距型電容式傳感器和變介質(zhì)型電容式傳感器。431、一平板式電容位移傳感器如圖4-5所示，已知：極板尺寸，極板間隙，極板間介質(zhì)為空氣。求該傳感器靜態(tài)靈敏度；若極板沿方向移動，求此時電容量。47解：對于平板式變面積型電容傳感器，它的靜態(tài)靈敏度為： 極板沿x方向相對移動2mm后的電容量為： 差動式變極距型電容傳感器，若初始容量，初始距離，當動極板相對于定極板位移了時，試計算其非線性誤差。若改為單極平板電容，初始值不變，其非線性誤差有多大？474.3解：若初始容量，初始距離，當動極板相對于定極板位移了時，非線性誤差為： 故： 改為單極平板電容，初始值不變，其非線性誤差為： 故： 4.7 壓差傳感器結(jié)構(gòu)如圖4-30a所示，傳感器接入二極管雙T型電路，電路原理示意圖如圖4-30b所示。已知電源電壓UE =10V，頻率f = 1MHz，R1=R2=40k，壓差電容C1=C2=10pF，RL=20k。試分析，當壓力傳感器有壓差PHPL使電容變化C=1pF時，一個周期內(nèi)負載電阻上產(chǎn)生的輸出電壓URL平均值的大小與方向。 54a) b)圖4-304.7解：當時，；由于，電壓UE的負半周占優(yōu)勢，故的方向下正上負。電容式傳感器的測量電路有：交流電橋、二極管雙T型電路、差動脈沖調(diào)寬電路和運算放大電路。49-52第五章 電感式傳感器1、何謂電感式傳感器？電感式傳感器分為哪幾類？各有何特點？58答：電感式傳感器是利用線圈自感和互感的變化實現(xiàn)非電量電測的一種裝置，傳感器利用電磁感應定律將被測非電量轉(zhuǎn)換為電感或互感的變化。2、電感式傳感器根據(jù)工作原理可以分為：自感式電感傳感器和互感式電感傳感器；根據(jù)結(jié)構(gòu)可以分為：變磁阻式、渦流式和變壓器式。3、提高電感式傳感器線性度有哪些有效的方法。答：電感傳感器采用差動形式，轉(zhuǎn)換電路采用相敏檢波電路可有效改善線性度。4、說明產(chǎn)生差動電感式傳感器零位殘余電壓的原因及減小此電壓的有效措施。65答：差動變壓器式傳感器的鐵芯處于中間位置時，在零點附近總有一個最小的輸出電壓，將鐵芯處于中間位置時，最小不為零的電壓稱為零點殘余電壓。產(chǎn)生零點殘余電壓的主要原因是由于兩個次級線圈繞組電氣系數(shù)（互感 M 、電感L、內(nèi)阻R）不完全相同，幾何尺寸也不完全相同，工藝上很難保證完全一致。5、為減小零點殘余電壓的影響，除工業(yè)上采取措施外，一般要用電路進行補償：串聯(lián)電阻；并聯(lián)電阻、電容，消除基波分量的相位差異，減小諧波分量；加反饋支路，初、次級間加入反饋，減小諧波分量；相敏檢波電路對零點殘余誤差有很好的抑制作用。6、為什么螺線管式電傳感器比變間隙式電傳感器有更大的測位移范圍？63答：螺線管式差動變壓器傳感器利用互感原理，結(jié)構(gòu)是：塑料骨架中間繞一個初級線圈，兩次級線圈分別在初級線圈兩邊，鐵心在骨架中間可上下移動，根據(jù)傳感器尺寸大小它可測量1100mm范圍內(nèi)的機械位移。變間隙式電感傳感器是利用自感原理，銜鐵的與鐵芯之間位移（氣隙）與磁阻的關(guān)系為非線性關(guān)系，可動線性范圍很小，因此測量范圍受到限制。7、什么叫電渦流效應？說明電渦流式傳感器的基本結(jié)構(gòu)與工作原理。1）塊狀金屬導體置于變化的磁場中或在磁場中作用切割磁力線運動時，導體內(nèi)部會產(chǎn)生一圈圈閉和的電流，這種電流叫電渦流，這種現(xiàn)象叫做電渦流效應。682）形成渦流必須具備兩個條件：第一存在交變磁場；第二導電體處于交變磁場中。電渦流式傳感器通電后線圈周圍產(chǎn)生交變磁場，金屬導體置于線圈附近。當金屬導體靠近交變磁場中時，導體內(nèi)部就會產(chǎn)生渦流，這個渦流同樣產(chǎn)生交變磁場。由于磁場的反作用使線圈的等效電感和等效阻抗發(fā)生變化，使流過線圈的電流大小、相位都發(fā)生變化。68第六章 磁電、磁敏式傳感器1、磁電感應式傳感器根據(jù)結(jié)構(gòu)可以分為恒磁通式和變磁通式兩種。752、磁阻效應：指長方形半導體晶片受到與電流方向垂直的磁場作用時，不但產(chǎn)生霍爾效應，還會出現(xiàn)電流密度下降、電阻率增大的現(xiàn)象。所選半導體晶片尺寸不同，電阻值增大也不同。863、說明磁電感應式傳感器產(chǎn)生誤差的原因及補償方法。答：磁電感應式傳感器兩個基本元件，即永久磁鐵和線圈，永久磁鐵在使用前需要有穩(wěn)定性處理，主要是線圈中電流產(chǎn)生的磁場對恒定磁場的作用（稱為線圈磁場效應）是不能忽略的，需要采用補償線圈與工作線圈相串聯(lián)加以補償。當環(huán)境溫度變化較大時傳感器溫度誤差較大，必須加以補償。4、為什么磁電感應式傳感器的靈敏度在工作頻率較高時，將隨頻率增加而下降？答：因為磁電感應式傳感器的靈敏度為，振動頻率過高時，線圈阻抗增大，使傳感器靈敏度隨振動頻率增加而下降。5、什么是霍爾效應？80通電的導體（半導體）放在磁場中，電流與磁場垂直，在導體另外兩側(cè)會產(chǎn)生感應電動勢，這種現(xiàn)象稱霍爾效應。6、霍爾元件不等位電勢產(chǎn)生的原因有哪些？霍爾電勢不為零的原因是，霍爾引出電極安裝不對稱，不在同一等電位面上；激勵電極接觸不良，半導體材料不均勻造成電阻率不均勻等原因。7、某一霍爾元件尺寸為，,，沿方向通以電流，在垂直于和的方向加有均勻磁場，靈敏度為，試求輸出霍爾電勢及載流子濃度。2、 解： 所以：輸出霍爾電勢：所以：載流子濃度為：第七章 壓電元件和超聲波傳感器1、什么是壓電效應？什么是正壓電效應和逆壓電效應？94答：某些電介質(zhì)在沿一定的方向受到外力的作用變形時，由于內(nèi)部電極化現(xiàn)象同時在兩個表面上產(chǎn)生符號相反的電荷，當外力去掉后，恢復到不帶電的狀態(tài)；而當作用力方向改變時，電荷的極性隨著改變。晶體受力所產(chǎn)生的電荷量與外力的大小成正比。這種現(xiàn)象稱為正壓電效應。如對晶體施加一定變電場，晶體本身將產(chǎn)生機械變形，外電場撤離，變形也隨之消失，稱為逆壓電效應。2、用石英晶體加速度計及電荷放大器測量加速度，已知：加速度計靈敏度為5PC/g，電荷放大器靈敏度為50mV/PC，當機器加速度達到最大值時，相應輸出電壓幅值為2V，試求該機器的振動加速度。解：當輸出幅值為2V時，機器振動加速度為：第八章 光電效應及光電器件1、光電效應可以分為外光電效應和內(nèi)光電效應。內(nèi)光電效應又分為光電導效應和光生伏特效應。1142、什么是內(nèi)光電效應？什么是外光電效應？說明其工作原理并指出相應的典型光電器件。答：光照射在某些物質(zhì)上，使該物質(zhì)吸收光能后，電子的能量和電特性發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為光電效應。1141）當光線照在物體上,使物體的電導率發(fā)生變化，或產(chǎn)生光生電動勢的現(xiàn)象叫做內(nèi)光電效應，內(nèi)光電效應又分為光電導效應和光生伏特效應。入射光強改變物質(zhì)導電率的物理現(xiàn)象稱光電導效應，典型的光電器件有光敏電阻；光照時物體中能產(chǎn)生一定方向電動勢的現(xiàn)象叫光生伏特效應，光電池、光敏晶體管。2）在光線作用下，物體內(nèi)的電子逸出物體表面向外發(fā)射的現(xiàn)象稱為外光電效應，典型的光電器件有光電管、光電倍增管。3、普通光電器件都有哪些主要特性和參數(shù)？120答：光照特性；光譜特性；伏安特性；溫度特性；頻率特性等.莫爾條紋：指當指示光柵與主光柵的線紋相交一個微小的夾角，由于擋光效應或光的衍射，這時在與光柵線紋大致垂直的方向上，即兩刻線交角的二等分線處，產(chǎn)生明暗相間的條紋。1324、莫爾條紋的特點是什么？132答：（1）莫爾條紋間距對光柵柵距具有放大作用。（2）莫爾條紋對光柵柵距局部誤差具有誤差平均效應，莫爾條紋的大柵線對光柵的刻劃誤差有平均作用。第十二章 熱電式傳感器1、什么是熱電效應？熱電偶測溫回路的熱電動勢由哪兩部分組成？由同一種導體組成的閉合回路能產(chǎn)生熱電勢嗎？194-196答：1）兩種不同類型的金屬導體兩端分別接在一起構(gòu)成閉合回路，當兩個結(jié)點有溫差時，導體回路里有電流流動會產(chǎn)生熱電勢，這種現(xiàn)象稱為熱電效應。2）熱電偶測溫回路中熱電勢主要是由接觸電勢和溫差電勢兩部分組成。3）熱電偶兩個電極材