傳感器期末試題

1、傳感器期末試題整理作者：黃小勝1什么是熱電效應(yīng)？熱電偶測(cè)溫回路的熱電動(dòng)勢(shì)由哪兩部分組成？由同一種導(dǎo)體組成的閉合回路能產(chǎn)生熱電勢(shì)嗎？答：1）兩種不同類型的金屬導(dǎo)體兩端分別接在一起構(gòu)成閉合回路，當(dāng)兩個(gè)結(jié)點(diǎn)有溫差時(shí)，導(dǎo)體回路里有電流流動(dòng)會(huì)產(chǎn)生熱電勢(shì)， 這種現(xiàn) 象稱為熱電效應(yīng)。2）熱電偶測(cè)溫回路中 熱電勢(shì)主要是由接觸電勢(shì)和溫差電勢(shì)兩部 分組成。3）熱電偶兩個(gè)電極材料相同時(shí)，無(wú)論兩端點(diǎn)溫度如何變化無(wú)熱電勢(shì)產(chǎn)生。2為什么熱電偶的參比端在實(shí)際應(yīng)用中很重要？對(duì)參比端溫度處理有哪些方法？答：1）實(shí)際測(cè)量時(shí)利用這一性質(zhì)，可對(duì)參考端溫度不為零度時(shí)的熱 電勢(shì)進(jìn)行修正。2）因?yàn)闊犭娕嫉姆侄缺砭且詤⒖级?T =0C為標(biāo)

2、準(zhǔn)的，而實(shí)際 應(yīng)用的熱電偶參考端往往T?0C, 一般高于零度的某個(gè)數(shù)值，此時(shí) 可利用中間溫度定律對(duì)檢測(cè)的熱電勢(shì)值進(jìn)行修正 ，以獲得被測(cè)的真實(shí) 溫度。3解釋下列有關(guān)熱電偶的名詞：熱電效應(yīng)、熱電勢(shì)、接觸電勢(shì)、溫差電勢(shì)、熱電極、測(cè)量端、參比端、分度表。答：（略）4某熱電偶靈敏度為0.04mV/C ,把它放在溫度為1200c處的溫度場(chǎng)，若指示表（冷端）處溫度為 50C,試求熱電勢(shì)的大??？解：已知：熱電偶靈敏度為0.04mV/C ,把它放在溫度為1200c處的溫度場(chǎng)，若指示表(冷端)處溫度為 50 C,則中間溫度為：1200C-50C=1150C ;熱電勢(shì)為： 0.04mV/ C X 1150C =46

3、mV或：Eab (T,0) = Eab (T,1200) + Eab (50,0) = 1200cx 0.04mV/C-50 c x 0.04mV/C =46mV5某熱電偶的熱電勢(shì)在E(600,0肘，輸出E=5.257 mV,若冷端溫度為0c時(shí)，測(cè)某爐溫輸出熱電勢(shì) E=5.267 mV。試求該加熱爐實(shí)際溫 度是多少？解：已知：熱電偶的熱電勢(shì) E (600.0, 0) =5.257 mV,冷端溫度為0c時(shí),輸出熱電勢(shì)E=5.267 mV,熱電偶靈敏度為：K = 5.257mV/600 = 0.008762mV/C該加熱爐實(shí)際溫度是：T= E/K= 5.267 mV/0.008762 mV/0 C

4、 =601.14C7什么是超聲波？其頻率范圍是多少？答：1)超聲波是人耳無(wú)法聽(tīng)到的聲波。人耳聽(tīng)見(jiàn)的聲波稱機(jī)械波，頻率在16Hz20kHz, 一般說(shuō)話的頻率范圍在 100Hz8kHz之間, 低于20Hz頻率的波稱為次聲波，高于20kHz頻率的波稱超聲波， 頻率在300MHz300GHz之間的波稱為微波。2)超聲波頻率范圍在幾十千赫茲到幾十兆赫茲。8超聲波在通過(guò)兩種介質(zhì)界面時(shí)，將會(huì)發(fā)生什么現(xiàn)象？答：當(dāng)超聲波從一種介質(zhì)入射到另一種介質(zhì)時(shí)，在界面上會(huì)產(chǎn)生反射、折射和波形轉(zhuǎn)換。9什么是內(nèi)光電效應(yīng)？什么是外光電效應(yīng)？說(shuō)明其工作原理并指出相應(yīng)的典型光電器件。答：當(dāng)用光照射物體時(shí)，物體受到一連串具有能量的光子

5、的轟擊，于 是物體材料中的電子吸收光子能量而發(fā)生相應(yīng)的電效應(yīng) （如電阻率變 化、發(fā)射電子或產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)等）。這種現(xiàn)象稱為光電效應(yīng)。1）當(dāng)光線照在物體上，使物體的電導(dǎo)率發(fā)生變化，或產(chǎn)生光生電 動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象叫做內(nèi)光電效應(yīng)，內(nèi)光電效應(yīng)又分為光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏 特效應(yīng)。入射光強(qiáng)改變物質(zhì)導(dǎo)電率的物理現(xiàn)象稱 光電導(dǎo)效應(yīng)，典型的 光電器件有光敏電阻；光照時(shí)物體中能產(chǎn)生一定方向電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象叫 光生伏特效應(yīng)，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(yīng)，典型的光電器件有 光電管、光電倍增管。10普通光電器件有哪幾種類型？各有何特點(diǎn)？利用光電導(dǎo)效應(yīng)制成的光電器件有哪些？

6、用光生伏特效應(yīng)制成的光電器件有哪些？8.2答：（略）11普通光電器件都有哪些主要特性和參數(shù)？答：光照特性；光譜特性；伏安特性；溫度特性；頻率特性等12什么是壓電效應(yīng)？什么是正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)？答：某些電介質(zhì)在沿一定的方向受到外力的作用變形時(shí)，由于內(nèi)部電極化現(xiàn)象同時(shí)在兩個(gè)表面上產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷，當(dāng)外力去掉后，恢復(fù)到不帶電的狀態(tài)；而當(dāng)作用力方向改變時(shí)，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(yīng)。如對(duì)晶體施加一定變電場(chǎng)，晶體本身將產(chǎn)生機(jī)械變形，外電場(chǎng)撤離，變形也隨之消失，稱為 逆壓電效應(yīng)。13石英晶體和壓電陶瓷的壓電效應(yīng)有何不同之處？為什么說(shuō)PZT壓

7、電陶瓷是優(yōu)能的壓電元件？比較幾種常用壓電材料的優(yōu)缺點(diǎn)，說(shuō)出各自適用于什么場(chǎng)合？答：1）石英晶體整個(gè)晶體是中性的，受外力作用而變形時(shí)沒(méi)有體積變形 壓電效應(yīng)，但它具有良好的厚度變形和長(zhǎng)度變形壓電效應(yīng)。 壓電陶瓷 PZT是一種多晶鐵電體，原始的壓電陶瓷材料并不具有壓電性，必須 在一定溫度下做極化處理后，留下了很強(qiáng)的剩余極化強(qiáng)度，才能使其 呈現(xiàn)出壓電特性。2）比較石英晶體九、dn,壓電陶瓷的縱向壓電常數(shù)d33大的多，是它 們的上百倍。所以壓電陶瓷制作的傳感器靈敏度高。 常用的優(yōu)能壓電 陶瓷是錯(cuò)鈦酸鉛（PZT）,它具有很高的介電常數(shù)，工作溫度可達(dá) 250C。、3）（略）14壓電傳感器能否用于靜態(tài)測(cè)量？試

8、結(jié)合壓電陶瓷加以說(shuō)明。7.3 答：1）由壓電傳感器的等效電路可見(jiàn)，要保證輸出信號(hào)與輸入作用 力間的線性關(guān)系，只有在負(fù)載電阻較大，工作頻率較高時(shí)，傳感器電 荷才能得以保存補(bǔ)充，需要測(cè)量電路具有無(wú)限大的輸入阻抗。 但實(shí)際 上這是不可能的，故壓電傳感器只能作動(dòng)態(tài)測(cè)量，不宜作靜態(tài)信號(hào)測(cè) 量，只能在其上加交變力，電荷才能不斷得到補(bǔ)充，并給測(cè)量電路一 定的電流。2）（略）15電壓放大器和電荷放大器本質(zhì)上有何不同，電荷放大器和電壓放 大器各有何特點(diǎn)？它們各自適用于什么情況？7.5答：（略）16試述磁電感應(yīng)式傳感器的工作原理和結(jié)構(gòu)形式。6.1 （略）17什么是霍爾效應(yīng)？6.4 答：通電的導(dǎo)體（半導(dǎo)體）放在磁場(chǎng)

9、中，電流與磁場(chǎng)垂直，在導(dǎo) 體另外兩側(cè)會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，這種現(xiàn)象稱 霍爾效應(yīng)。18霍爾元件常用材料有哪些？為什么不用金屬做霍爾元件材料？6.5 答：1）任何材料在一定條件下都能產(chǎn)生霍爾電勢(shì)， 但不是都可以 制造霍爾元件。只有半導(dǎo)體材料適于制作霍爾元件。又因一般電子遷 移率大于空穴的遷移率，所以霍爾元件多采用N型半導(dǎo)體制造。2）金屬材料電子濃度雖然很高，但 電阻率很小很小，使霍爾電 勢(shì)U H很小，因此不適于做霍爾元件材料。19霍爾元件不等位電勢(shì)產(chǎn)生的原因有哪些？6.6 答：霍爾電勢(shì)不為零的原因是，？霍爾引出電極安裝不對(duì)稱，不在同一等 電位面上；？激勵(lì)電極接觸不良，？半導(dǎo)體材料不均勻造成電阻率 不

10、均勻等原因。20某一霍爾兀件尺寸為 L 10mm, b 3.5mm,d 1.0mm,沿L方向通以 電流I 1.0mA,在垂直于L和b的方向加有均勻磁場(chǎng)B 0.3T ,靈 敏度為22V/(AT),試求輸出霍爾電勢(shì)及載流子濃度。6.7 解:KH 22V /(A T), I 1.0mA B 0.3TQ輸出霍爾電勢(shì)：UH KHIB 6.6mV19L 10mm, b 3.5mm, de 1.0mm, e 1.6 10Q載流子濃度為：IB0.001 0.319n1928.41 1019UHed 0.0066 1.6 100.00121試分析霍爾元件輸出接有負(fù)載Rl時(shí)，利用恒壓源和輸人回路串聯(lián) 電阻RT進(jìn)行

11、溫度補(bǔ)償?shù)臈l件。6.8 （略）22何謂電感式傳感器？電感式傳感器分為哪幾類？各有何特點(diǎn)?答：電感式傳感器是一種機(jī)-電轉(zhuǎn)換裝置，電感式傳感器是利用線圈 自感和互感的變化實(shí)現(xiàn)非電量電測(cè)的一種裝置， 傳感器利用電磁感應(yīng)定律將被測(cè)非電量轉(zhuǎn)換為電感或互感的變化。它可以用來(lái)測(cè)量位移、 振動(dòng)、壓力、應(yīng)變、流量、密度等參數(shù)。電感式傳感器 種類：自感式、渦流式、差動(dòng)式、變壓式、壓磁式、感應(yīng)同步器。工作原理：自感、互感、渦流、壓磁。23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(dòng)形式，轉(zhuǎn)換電路采用相敏檢波電路可有效改 善線性度。24說(shuō)明產(chǎn)生差動(dòng)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

12、。5.4 答：差動(dòng)變壓器式傳感器的鐵芯處于中間位置時(shí)， 在零點(diǎn)附近總有一 個(gè)最小的輸出電壓 山，將鐵芯處于中間位置時(shí)，最小不為零的電壓 稱為零點(diǎn)殘余電壓。產(chǎn)生零點(diǎn)殘余電壓的主要原因是由于兩個(gè)次級(jí)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。為減小零點(diǎn)殘余電壓的影響，除工業(yè)上采取措施外，一般要用電 路進(jìn)行補(bǔ)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(jí)間加入反饋，減 小諧波分量；相敏檢波電路對(duì)零點(diǎn)殘余誤差有很好的抑制作用。 25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(cè)位移范圍？5.5

13、 答：螺線管式差動(dòng)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(gè)初級(jí)線圈，兩次級(jí)線圈分別在初級(jí)線圈兩邊，鐵心在骨架中 間可上下移動(dòng)，根據(jù)傳感器尺寸大小它可測(cè)量 1700mm范圍內(nèi)的機(jī) 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(dòng)線性范圍很小，因此測(cè) 量范圍受到限制。26電感式傳感器測(cè)量電路的主要任務(wù)是什么？變壓器式電橋和帶相 敏整流的交流電橋在電感式傳感器測(cè)量電路中各可以發(fā)揮什么 作用？采用哪種電路可以獲得理想輸出。5.6 （略）27概述變間隙式差動(dòng)變壓器的結(jié)構(gòu)、工作原理和輸出特性，試比較單線圈和差動(dòng)螺線管式電傳感器的基本特性，

14、說(shuō)明它們的性能指標(biāo)有何異同？5.7 （略）28差動(dòng)變壓器式傳感器的測(cè)量電路有幾種類型？試述差動(dòng)整流電路的組成和基本原理。為什么這類電路可以消除零點(diǎn)殘余電壓？5.8 反串電路和橋路兩種。29概述差動(dòng)變壓器式傳感器的應(yīng)用范圍，并說(shuō)明用差動(dòng)變壓器式傳 感器檢測(cè)振動(dòng)的基本原理。5.9 （略）30什么叫電渦流效應(yīng)？說(shuō)明電渦流式傳感器的基本結(jié)構(gòu)與工作原 理。電渦流式傳感器的基本特性有哪些？它是基于何種模型得到的？5.10 答：1）塊狀金屬導(dǎo)體置于變化的磁場(chǎng)中或在磁場(chǎng)中作用切割磁力線 運(yùn)動(dòng)時(shí)，導(dǎo)體內(nèi)部會(huì)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(yīng)。2）形成渦流必須具備 兩個(gè)條件：第一存在

15、交變磁場(chǎng)；第二導(dǎo)電 體處于交變磁場(chǎng)中。電渦流式傳感器通電后線圈周圍產(chǎn)生交變磁場(chǎng)， 金屬導(dǎo)體置于線圈附近。當(dāng)金屬導(dǎo)體靠近交變磁場(chǎng)中時(shí)，導(dǎo)體內(nèi)部就 會(huì)產(chǎn)生渦流，這個(gè)渦流同樣產(chǎn)生交變磁場(chǎng)。由于磁場(chǎng)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(guò)線圈的電流大小、相位都發(fā) 生變化。通過(guò)檢測(cè)與阻抗有關(guān)的參數(shù)進(jìn)行非電量檢測(cè)。3）因?yàn)榻饘俅嬖谮吥w效應(yīng)，電渦流只存在于金屬導(dǎo)體的表面薄 層內(nèi)，實(shí)際上渦流的分布是不均勻的。渦流區(qū)內(nèi)各處的渦流密度不同， 存在徑向分布和軸向分布。所以電渦流傳感器的檢測(cè)范圍與傳感器的 尺寸（線圈直徑）有關(guān)。4）回路方程的建立是把金屬上渦流所在范圍近似看成一個(gè)單匝短路線圈作為等效模型

16、。31電渦流式傳感器可以進(jìn)行哪些物理量的檢測(cè)？能否可以測(cè)量非金屬物體，為什么?5.11 答：1)凡是能引起R2、L2、M變化的物理量，均可以引起傳感器線圈 R、Li的變化，可以進(jìn)行非電量檢測(cè)；如被測(cè)體(金屬)的電阻率 ， 導(dǎo)磁率，厚度d ,線圈與被測(cè)體之間的距離x ,激勵(lì)線圈的角頻率 等都可通過(guò)渦流效應(yīng)和磁效應(yīng)與線圈阻抗 Z發(fā)生關(guān)系，使R、L變化; 若控制某些參數(shù)不變，只改變其中一個(gè)參數(shù)，便可使阻抗 Z成為這個(gè) 參數(shù)的單值函數(shù)。2)電渦流傳感器不可以直接測(cè)量非金屬物體，這是由于傳感器本身特性決定的。32如何改善單極式變極距型電容傳感器的非線性？ 答：非線性隨相對(duì)位移/。的增加而增加，為保證線性

17、度應(yīng)限制相對(duì)位移的大??；起始極距。與靈敏度、線性度相矛盾，所以變極距式電容 傳感器只適合小位移測(cè)量；為提高傳感器的靈敏度和改善非線性關(guān) 系，變極距式電容傳感器一般采用差動(dòng)結(jié)構(gòu)。33差動(dòng)式變極距型電容傳感器，若初始容量 C1 C2 80pF ,初始距離0 4mm,當(dāng)動(dòng)極板相對(duì)于定極板位移了0.75mm時(shí)，試計(jì)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？解：若初始容量C1 C2 80pF ,初始距離0 4mm,當(dāng)差動(dòng)式變極距型電容傳感器動(dòng)極板相對(duì)于定極板位移了0.75mm時(shí)，非線性誤差為： 20,75 2L ()2 100% ()2 100% 3.5%04改為單極平板電容

18、，初始值不變，其非線性誤差為：0 75L 100%100% 18.75%0434電容式傳感器有哪幾類測(cè)量電路？各有什么特點(diǎn)？差動(dòng)脈沖寬度調(diào)制電路用于電容傳感器測(cè)量電路具有什么特點(diǎn)？答：變壓器電橋、雙T二極管交流電橋、差動(dòng)脈沖寬度調(diào)制、運(yùn)算放大器、調(diào)頻35何為電阻應(yīng)變效應(yīng)？答：導(dǎo)體在受到拉力或壓力的外界力作用時(shí)，會(huì)產(chǎn)生機(jī)械變形，同時(shí) 機(jī)械變形會(huì)引起導(dǎo)體阻值的變化，這種導(dǎo)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(yīng)變效應(yīng)。36什么是應(yīng)變片的靈敏系數(shù)？它與金屬電阻絲的靈敏系數(shù)有何不 同？為什么？答：金屬絲靈敏系數(shù)主要由材料的幾何尺寸決定的。 受力后材料的 幾何尺寸變化為（12）,電阻率的變化為

19、/ /。而實(shí)際應(yīng)變片的靈敏系數(shù)應(yīng)包括基片、粘合劑以及敏感柵的橫向效應(yīng)。雖然長(zhǎng)度相同， 但應(yīng)變狀態(tài)不同，金屬絲做成成品的應(yīng)變片（粘貼到試件上）以后， 靈敏系數(shù)降低了。37為什么增加應(yīng)變片兩端電阻條的橫截面積便能減小橫向效應(yīng)？ 答：敏感柵越窄，基長(zhǎng)越長(zhǎng)的應(yīng)變片，橫向效應(yīng)越小，因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)上兩 端電阻條的橫截面積大的應(yīng)變片橫向效應(yīng)較小。38 一應(yīng)變片的電阻R=120Q,靈敏系數(shù)k=2.05,用作應(yīng)變?yōu)?00 m/m 的傳感元件。求： R和R/R; 若電源電壓U=3V,初始平衡時(shí)電橋的 輸出電壓U。一應(yīng)變片的電阻R=120R靈敏系數(shù)k=2.05,用作應(yīng)變?yōu)?00 m/m的 傳感元件。求： R和R/R; 若

20、電源電壓U=3V,初始平衡時(shí)電橋的 輸出電壓U。解：Q k 2.05;800 m/mR/R k0.0164;應(yīng)變引起的電阻變化 R 0.23 R當(dāng)電源電壓U 3V時(shí)，電橋輸出電壓 U。1.23mV4 R39圖3-31為一直流電橋，負(fù)載電阻 R趨于無(wú)窮。圖中 E=4V, R1=R = R=R=120R試求： R1為金屬應(yīng)變片，其余為外接電 阻，當(dāng)R1的增量為 啟=1.2印寸，電橋輸出電壓U0=?Ri、R2 為金屬應(yīng)變片，感應(yīng)應(yīng)變大小變化相同，其余為外接電阻，電橋 輸出電壓U0=?R、R2為金屬應(yīng)變片，如果感應(yīng)應(yīng)變大小相反， 且回1=限=1.2 9電橋輸出電壓U0=?解： 因?yàn)橹挥蠷為應(yīng)變片,電橋

21、輸出按單臂電橋計(jì)算， Uo - - 0.010V 4 R 因?yàn)閮蓱?yīng)變片變化大小相同，相互抵消無(wú)輸出，U0 0V因?yàn)镽,R2應(yīng)變時(shí)大小變化相反，電橋輸出按半橋計(jì)算，U0 - - 0.02V2 R40傳感器的靜態(tài)特性是什么？由哪些性能指標(biāo)描述？它們一般可用 哪些公式表示？答：靜態(tài)特性是當(dāng)輸入量為常數(shù)或變化極慢時(shí)，傳感器的輸入輸出特 性，其主要指標(biāo)有線性度、遲滯、重復(fù)性、分辨力、穩(wěn)定性、溫度穩(wěn) 定性、各種抗干擾穩(wěn)定性。傳感器的靜特性由靜特性曲線反映出來(lái)， 靜特性曲線由實(shí)際測(cè)繪中獲得。人們根據(jù)傳感器的靜特性來(lái)選擇合適 的傳感器。41傳感器的線性度是如何確定的？確定擬合直線有哪些方法？傳感 器的線性度l表征了什么含義？為什么不能籠統(tǒng)的說(shuō)傳感器的 線性度是多少。2.2 答：1