傳感器與檢測技術試習題與答案

1、第1章 傳感器與檢測技術基礎思考題答案l.檢測系統(tǒng)由哪幾部分組成 說明各部分的作用。答：一個完整的檢測系統(tǒng)或檢測裝置通常是由傳感器、測量電路和顯示記錄裝置等幾部分組成，分別完成信息獲取、轉換、顯示和處理等功能。當然其中還包括電源和傳輸通道等不可缺少的部分。下圖給出了檢測系統(tǒng)的組成框圖。檢測系統(tǒng)的組成框圖傳感器是把被測量轉換成電學量的裝置，顯然，傳感器是檢測系統(tǒng)與被測對象直接發(fā)生聯(lián)系的部件，是檢測系統(tǒng)最重要的環(huán)節(jié)，檢測系統(tǒng)獲取信息的質量往往是由傳感器的性能確定的，因為檢測系統(tǒng)的其它環(huán)節(jié)無法添加新的檢測信息并且不易消除傳感器所引入的誤差。測量電路的作用是將傳感器的輸出信號轉換成易于測量的電壓或電流

2、信號。通常傳感器輸出信號是微弱的，就需要由測量電路加以放大，以滿足顯示記錄裝置的要求。根據(jù)需要測量電路還能進行阻抗匹配、微分、積分、線性化補償?shù)刃盘柼幚砉ぷ?。顯示記錄裝置是檢測人員和檢測系統(tǒng)聯(lián)系的主要環(huán)節(jié)，主要作用是使人們了解被測量的大小或變化的過程。2.傳感器的型號有幾部分組成，各部分有何意義?依次為主稱（傳感器） 被測量轉換原理序號主稱傳感器，代號C；被測量用一個或兩個漢語拼音的第一個大寫字母標記。見附錄表2；轉換原理用一個或兩個漢語拼音的第一個大寫字母標記。見附錄表3；序號用一個阿拉伯數(shù)字標記，廠家自定，用來表征產品設計特性、性能參數(shù)、產品系列等。若產品性能參數(shù)不變，僅在局部有改動或變動

3、時，其序號可在原序號后面順序地加注大寫字母A、B、C等，（其中I、Q不用）。例：應變式位移傳感器： C WY-YB-20；光纖壓力傳感器：C Y-GQ-2。3.測量穩(wěn)壓電源輸出電壓隨負載變化的情況時，應當采用何種測量方法 如何進行答：測定穩(wěn)壓電源輸出電壓隨負載電阻變化的情況時，最好采用微差式測量。此時輸出電壓認可表示為U0，U0=U+U，其中U是負載電阻變化所引起的輸出電壓變化量，相對U來講為一小量。如果采用偏差法測量，儀表必須有較大量程以滿足U0的要求，因此對U，這個小量造成的U0的變化就很難測準。測量原理如下圖所示：圖中使用了高靈敏度電壓表毫伏表和電位差計，Rr和E分別表示穩(wěn)壓電源的內阻和

4、電動勢，凡表示穩(wěn)壓電源的負載，E1、R1和Rw表示電位差計的參數(shù)。在測量前調整R1使電位差計工作電流I1為標準值。然后，使穩(wěn)壓電源負載電阻R1為額定值。調整RP的活動觸點，使毫伏表指示為零，這相當于事先用零位式測量出額定輸出電壓U。正式測量開始后，只需增加或減小負載電阻RL的值，負載變動所引起的穩(wěn)壓電源輸出電壓U0的微小波動值U，即可由毫伏表指示出來。根據(jù)U0=U+U，穩(wěn)壓電源輸出電壓在各種負載下的值都可以準確地測量出來。微差式測量法的優(yōu)點是反應速度快，測量精度高，特別適合于在線控制參數(shù)的測量。 用微差式測量方法測量穩(wěn)壓電源輸出電壓隨負載的變化4.某線性位移測量儀，當被測位移由4.5mm變到5

5、.0mm時，位移測量儀的輸出電壓由3.5V減至2.5V，求該儀器的靈敏度。解：該儀器的靈敏度為mV/mm5.某測溫系統(tǒng)由以下四個環(huán)節(jié)組成，各自的靈敏度如下： 鉑電阻溫度傳感器： 0.45/ 電橋： 0.02V/ 放大器： 100(放大倍數(shù)) 筆式記錄儀： 0.2cm/V求：(1)測溫系統(tǒng)的總靈敏度； (2)記錄儀筆尖位移4cm時，所對應的溫度變化值。 解：（1）測溫系統(tǒng)的總靈敏度為 cm/（2）記錄儀筆尖位移4cm時，所對應的溫度變化值為6.有三臺測溫儀表，量程均為0800，精度等級分別為2.5級、2.0級和1.5級，現(xiàn)要測量500的溫度，要求相對誤差不超過2.5，選那臺儀表合理?解：2.5級

6、時的最大絕對誤差值為20，測量500時的相對誤差為4；2.0級時的最大絕對誤差值為16，測量500時的相對誤差為3.2；1.5級時的最大絕對誤差值為12，測量500時的相對誤差為2.4。因此，應該選用1.5級的測溫儀器。7.什么是系統(tǒng)誤差和隨機誤差正確度和精密度的含義是什么 它們各反映何種誤差答：系統(tǒng)誤差是指在相同的條件下，多次重復測量同一量時，誤差的大小和符號保持不變，或按照一定的規(guī)律變化的誤差。隨機誤差則是指在相同條件下，多次測量同一量時，其誤差的大小和符號以不可預見的方式變化的誤差。正確度是指測量結果與理論真值的一致程度，它反映了系統(tǒng)誤差的大小，精密度是指測量結果的分散程度，它反映了隨機

7、誤差的大小。8.服從正態(tài)分布規(guī)律的隨機誤差有哪些特性 答：服從正態(tài)分布規(guī)律的隨機誤差的特性有：對稱性 隨機誤差可正可負，但絕對值相等的正、負誤差出現(xiàn)的機會相等。也就是說f()- 曲線對稱于縱軸。有界性 在一定測量條件下，隨機誤差的絕對值不會超過一定的范圍，即絕對值很大的隨機誤差幾乎不出現(xiàn)。抵償性 在相同條件下，當測量次數(shù)n時，全體隨機誤差的代數(shù)和等于零，即。單峰性 絕對值小的隨機誤差比絕對值大的隨機誤差出現(xiàn)的機會多，即前者比后者的概率密度大，在=0處隨機誤差概率密度有最大值。 9.等精度測量某電阻10次，得到的測量列如下： R1167.95 R2167.45 R3167.60 R4167.60

8、 R5167.87 R6167.88 R7168.00 R8167.850 R9167.82 R10167.61(1)求10次測量的算術平均值，測量的標準誤差和算術平均值的標準誤差s。(2)若置信概率取99.7，寫出被測電阻的真值和極限值。解：(1)求10次測量的算術平均值，測量的標準誤差和算術平均值的標準誤差s。(2)若置信概率取99.7，被測電阻的真值為：極限值為：10.試分析電壓輸出型直流電橋的輸入與輸出關系。答：如圖所示，電橋各臂的電阻分別為R1、 R2、R3、R4。U為電橋的直流電源電壓。當四臂電阻R1=R2=R3=R4=R時，稱為等臂電橋；當R1=R2=R,R3=R4=R(RR)時

9、，稱為輸出對稱電橋；當R1=R4=R，R2=R3 =R(RR)時，稱為電源對稱電橋。直流電橋電路 當電橋輸出端接有放大器時，由于放大器的輸入阻抗很高，所以可以認為電橋的負載電阻為無窮大，這時電橋以電壓的形式輸出。輸出電壓即為電橋輸出端的開路電壓，其表達式為 (1)設電橋為單臂工作狀態(tài)，即R1為應變片，其余橋臂均為固定電阻。當R1感受被測量產生電阻增量R1時，由初始平衡條件R1R3=R2R4得，代入式（1），則電橋由于R1產生不平衡引起的輸出電壓為 (2)對于輸出對稱電橋，此時R1=R2=R,R3=R4=R，當R1臂的電阻產生變化R1=R，根據(jù)（2）可得到輸出電壓為 (3)對于電源對稱電橋，R1

10、=R4=R,R2=R3=R。當R1臂產生電阻增量R1=R時，由式（2）得 (4)對于等臂電橋R1=R2=R3=R4=R，當R1的電阻增量R1=R時，由式（2）可得輸出電壓為 (5)由上面三種結果可以看出，當橋臂應變片的電阻發(fā)生變化時，電橋的輸出電壓也隨著變化。當R<<R時，電橋的輸出電壓與應變成線性關系。還可以看出在橋臂電阻產生相同變化的情況下，等臂電橋以及輸出對稱電橋的輸出電壓要比電源對稱電橋的輸出電壓大，即它們的靈敏度要高。因此在使用中多采用等臂電橋或輸出對稱電橋。在實際使用中為了進一步提高靈敏度，常采用等臂電橋，四個被測信號接成兩個差動對稱的全橋工作形式，R1=R+R,R2=

11、R-R,R3=R+R,R4=R-R，將上述條件代入式(1)得 (6)由式(6)看出，由于充分利用了雙差動作用，它的輸出電壓為單臂工作時的4倍，所以大大提高了測量的靈敏度。第2章 電阻式傳感器思考題答案1.金屬電阻應變片與半導體材料的電阻應變效應有什么不同?答：金屬電阻的應變效應主要是由于其幾何形狀的變化而產生的，半導體材料的應變效應則主要取決于材料的電阻率隨應變所引起的變化產生的。2.直流測量電橋和交流測量電橋有什么區(qū)別?答：它們的區(qū)別主要是直流電橋用直流電源，只適用于直流元件，交流電橋用交流電源，適用于所有電路元件。3.熱電阻測量時采用何種測量電路為什么要采用這種測量電路說明這種電路的工作原

12、理。答：通常采用電橋電路作為測量電路。為了克服環(huán)境溫度的影響常采用下圖所示的三導線四分之一電橋電路。由于采用這種電路，熱電阻的兩根引線的電阻值被分配在兩個相鄰的橋臂中，如果，則由于環(huán)境溫度變化引起的引線電阻值變化造成的誤差被相互抵消。熱電阻的測量電路4.采用阻值為120靈敏度系數(shù)K=2.0的金屬電阻應變片和阻值為120的固定電阻組成電橋，供橋電壓為4V，并假定負載電阻無窮大。當應變片上的應變分別為1和1 000時，試求單臂、雙臂和全橋工作時的輸出電壓，并比較三種情況下的靈敏度。解：單臂時，所以應變?yōu)?時/V，應變?yōu)?000時應為/V；雙臂時，所以應變?yōu)?時/V，應變?yōu)?000時應為/V；全橋時

13、，所以應變?yōu)?時/V，應變?yōu)?000時應為/V。從上面的計算可知：單臂時靈敏度最低，雙臂時為其兩倍，全橋時最高，為單臂的四倍。5.采用阻值R=120靈敏度系數(shù)K=2.0的金屬電阻應變片與阻值R=120的固定電阻組成電橋，供橋電壓為10V。當應變片應變?yōu)?000時，若要使輸出電壓大于10mV，則可采用何種工作方式（設輸出阻抗為無窮大）解：由于不知是何種工作方式，可設為n，故可得：mV得n要小于2，故應采用全橋工作方式。6.如圖所示為一直流電橋，供電電源電動勢E=3V，R3=R4=100，R1和R2為同型號的電阻應變片，其電阻均為50，靈敏度系數(shù)K=2.0。兩只應變片分別粘貼于等強度梁同一截面的正

14、反兩面。設等強度梁在受力后產生的應變?yōu)? 000，試求此時電橋輸出端電壓U0。題6圖解：此電橋為輸出對稱電橋，故/mV7.光敏電阻有哪些重要特性，在工業(yè)應用中是如何發(fā)揮這些特性的？答：光敏電阻是采用半導體材料制作，利用內光電效應工作的光電元件。它的重要特性是在無光照時阻值非常大，相當于斷路，有光照時阻值變得很小，相當于通路。在工業(yè)應用中主要就是通過光的變化來各種電路的控制。第3章 電容式傳感器思考題答案1.試分析變面積式電容傳感器和變間隙式電容的靈敏度為了提高傳感器的靈敏度可采取什么措施并應注意什么問題答：如圖所示是一直線位移型電容式傳感器的示意圖。當動極板移動x后，覆蓋面積就發(fā)生變化，電容量

15、也隨之改變，其值為C=b（a-x）/d=C0-b·x/d （1）電容因位移而產生的變化量為其靈敏度為 可見增加b或減小d均可提高傳感器的靈敏度。直線位移型電容式傳感器2.為什么說變間隙型電容傳感器特性是非線性的采取什么措施可改善其非線性特征答：下圖為變間隙式電容傳感器的原理圖。圖中1為固定極板，2為與被測對象相連的活動極板。當活動極板因被測參數(shù)的改變而引起移動時，兩極板間的距離d發(fā)生變化，從而改變了兩極板之間的電容量C。設極板面積為A，其靜態(tài)電容量為，當活動極板移動x后，其電容量為 (1)當x<<d時 則 (2)由式（1）可以看出電容量C與x不是線性關系，只有當 x<

16、;<d時，才可認為是最近似線形關系。同時還可以看出，要提高靈敏度，應減小起始間隙d過小時。但當d過小時，又容易引起擊穿，同時加工精度要求也高了。為此,一般是在極板間放置云母、塑料膜等介電常數(shù)高的物質來改善這種情況。在實際應用中，為了提高靈敏度，減小非線性，可采用差動式結構。3.有一平面直線位移差動傳感器特性其測量電路采用變壓器交流電橋，結構組成如圖所示。電容傳感器起始時b1=b2=b=200mm，a1=a2=20mm極距d=2mm，極間介質為空氣，測量電路u1=3sintV，且u=u0。試求當動極板上輸入一位移量x=5mm時,電橋輸出電壓u0。題3圖解：根據(jù)測量電路可得/mV4.變間隙電

17、容傳感器的測量電路為運算放大器電路，如圖所示。C0=200pF，傳感器的起始電容量Cx0=20pF,定動極板距離d0=1.5mm,運算放大器為理想放大器(即K,Zi),Rf極大,輸入電壓u1=5sintV。求當電容傳感動極板上輸入一位移量x=0.15mm使d0減小時,電路輸出電壓u0為多少? 解：由測量電路可得 /V5.如圖3-22所示正方形平板電容器,極板長度a=4cm,極板間距離=0.2mm.若用此變面積型傳感器測量位移x,試計算該傳感器的靈敏度并畫出傳感器的特性曲線.極板間介質為空氣,。解：這是個變面積型電容傳感器，共有4個小電容并聯(lián)組成。 /pF (x的單位為米) /pF第四章 電感式

18、傳感器思考題答案1.影響差動變壓器輸出線性度和靈敏度的主要因素是什么？答：影響差動變壓器輸出線性度和靈敏度的主要因素是：傳感器幾何尺寸、線圈電氣參數(shù)的對稱性、磁性材料的殘余應力、測量電路零點殘余電動勢等。2.電渦流式傳感器的靈敏度主要受哪些因素影響它的主要優(yōu)點是什么答：電渦流式傳感器的靈敏度主要受導體的電導率、磁導率、幾何形狀，線圈的幾何參數(shù)，激勵電流頻率以及線圈到被測導體間的距離等因素影響。電渦流式傳感結構簡單、頻率響應寬、靈敏度高、測量范圍大、抗干憂能力強，特別是有非接觸測量的優(yōu)點，因此在工業(yè)生產和科學技術的各個領域中得到了廣泛的應用。3.試說明圖4.12所示的差動相敏檢波電路的工作原理。

19、答：如圖所示，設差動電感傳感器的線圈阻抗分別為Z1和Z2。當銜鐵處于中間位置時，Z1=Z2=Z，電橋處于平衡狀態(tài)，C點電位等于D點地位，電表指示為零。當銜鐵上移，上部線圈阻抗增大，Z1=Z+Z，則下部線圈阻抗減少，Z2=Z-Z。如果輸入交流電壓為正半周，則A點電位為正，B點電位為負，二極管V1、V4導通，V2、V3截止。在A-E-C-B支路中，C點電位由于Z1增大而比平衡時的C點電位降低；而在A-F-D-B支中中，D點電位由于Z2的降低而比平衡時D點的電位增高，所以D點電位高于C點電位，直流電壓表正向偏轉。如果輸入交流電壓為負半周，A點電位為負，B點電位為正，二極管V2、V3導通，V1、V4截

20、止，則在A-F-C-B支中中，C點電位由于Z2減少而比平衡時降低（平衡時，輸入電壓若為負半周，即B點電位為正，A點電位為負，C點相對于B點為負電位，Z2減少時，C點電位更負）；而在A-E-D-B支路中，D點電位由于Z1的增加而比平衡時的電位增高，所以仍然是D點電位高于C點電位，電壓表正向偏轉。同樣可以得出結果：當銜鐵下移時，電壓表總是反向偏轉，輸出為負。4.如圖所示的差動電感式傳感器的橋式測量電路，L1、L2為傳感器的兩差動電感線圈的電感，其初始值均為L0。R1、R2為標準電阻，u為電源電壓。試寫出輸出電壓u0與傳感器電感變化量L間的關系。解：輸出與輸入的關系是若電感增量無窮小，且兩個電阻均為

21、R，則： 題4圖 題5圖5.如圖所示為一差動整流電路，試分析電路的工作原理。答：這是簡單的電壓輸出型，動鐵芯移動時引起上下兩個全波整流電路輸出差動電壓，中間可調整零位，輸出電壓與鐵芯位移成正比。這種電路由二極管的非線性影響以及二極管正向飽和壓降和反向漏電流的不利影響較大。第5章 熱電偶傳感器習題答案1什么是金屬導體的熱電效應?試說明熱電偶的測溫原理。答：熱電效應就是兩種不同的導體或半導體A和B組成一個回路，其兩端相互連接時，只要兩結點處的溫度不同，回路中就會產生一個電動勢，該電動勢的方向和大小與導體的材料及兩接點的溫度有關。熱電偶測溫就是利用這種熱電效應進行的，將熱電偶的熱端插入被測物，冷端接

22、進儀表，就能測量溫度。2試分析金屬導體產生接觸電動勢和溫差電動勢的原因。答：當A和B兩種不同材料的導體接觸時，由于兩者內部單位體積的自由電子數(shù)目不同(即電子密度不同)，因此，電子在兩個方向上擴散的速率就不一樣?，F(xiàn)假設導體A的自由電子密度大于導體B的自由電子密度，則導體A擴散到導體B的電子數(shù)要比導體B擴散到導體A的電子數(shù)大。所以導體A失去電子帶正電荷，導體B得到電子帶負電荷，于是，在A、B兩導體的接觸界面上便形成一個由A到B的電場。該電場的方向與擴散進行的方向相反，它將引起反方向的電子轉移，阻礙擴散作用的繼續(xù)進行。當擴散作用與阻礙擴散作用相等時，即自導體A擴散到導體B的自由電子數(shù)與在電場作用下自

23、導體B到導體A的自由電子數(shù)相等時，便處于一種動態(tài)平衡狀態(tài)。在這種狀態(tài)下，A與B兩導體的接觸處就產生了電位差，稱為接觸電動勢。對于導體A或B，將其兩端分別置于不同的溫度場t、t0中(t> t0)。在導體內部，熱端的自由電子具有較大的動能，向冷端移動，從而使熱端失去電子帶正電荷，冷端得到電子帶負電荷。這樣，導體兩端便產生了一個由熱端指向冷端的靜電場。該電場阻止電子從熱端繼續(xù)跑到冷端并使電子反方向移動，最后也達到了動態(tài)平衡狀態(tài)。這樣，導體兩端便產生了電位差，我們將該電位差稱為溫差電動勢。3簡述熱電偶的幾個重要定律，并分別說明它們的實用價值。答：一是勻質導體定律：如果熱電偶回路中的兩個熱電極材料

24、相同，無論兩接點的溫度如何，熱電動勢為零。根據(jù)這個定律，可以檢驗兩個熱電極材料成分是否相同，也可以檢查熱電極材料的均勻性。二是中間導體定律：在熱電偶回路中接入第三種導體，只要第三種導體的兩接點溫度相同，則回路中總的熱電動勢不變。它使我們可以方便地在回路中直接接入各種類型的顯示儀表或調節(jié)器，也可以將熱電偶的兩端不焊接而直接插入液態(tài)金屬中或直接焊在金屬表面進行溫度測量。三是標準電極定律：如果兩種導體分別與第三種導體組成的熱電偶所產生的熱電動勢已知，則由這兩種導體組成的熱電偶所產生的熱電動勢也就已知。只要測得各種金屬與純鉑組成的熱電偶的熱電動勢，則各種金屬之間相互組合而成的熱電偶的熱電動勢可直接計算

25、出來。四是中間溫度定律：熱電偶在兩接點溫度t、t0時的熱電動勢等于該熱電偶在接點溫度為t、tn和tn、t0時的相應熱電動勢的代數(shù)和。中間溫度定律為補償導線的使用提供了理論依據(jù)。4試述熱電偶冷端溫度補償?shù)膸追N主要方法和補償原理。答：熱電偶冷端溫度補償?shù)姆椒ㄖ饕校阂皇抢涠撕銣胤?。這種方法將熱電偶的冷端放在恒溫場合，有0恒溫器和其他恒溫器兩種；二是補償導線法。將熱電偶的冷端延伸到溫度恒定的場所(如儀表室)，其實質是相當于將熱電極延長。根據(jù)中間溫度定律，只要熱電偶和補償導線的二個接點溫度一致，是不會影響熱電動勢輸出的；三是計算修正法。修正公式為：；四是電橋補償法。利用不平衡電橋產生的電動勢補償熱電偶

26、因冷端波動引起的熱電動勢的變化，工作原理如下圖所示。圖中，e為熱電偶產生的熱電動勢，U為回路的輸出電壓?；芈分写恿艘粋€補償電橋。R1R5及RCM均為橋臂電阻。RCM是用漆包銅絲繞制成的，它和熱電偶的冷端感受同一溫度。R1R5均用錳銅絲繞成，阻值穩(wěn)定。在橋路設計時，使R1=R2，并且R1、R2的阻值要比橋路中其他電阻大得多。這樣，即使電橋中其他電阻的阻值發(fā)生變化，左右兩橋臂中的電流卻差不多保持不變，從而認為其具有恒流特性。線路設計使得I1=I2=I/2=0.5mA?；芈份敵鲭妷篣為熱電偶的熱電動勢e、橋臂電阻RCM的壓降URCM及另一橋臂電阻R5的壓降UR5三者的代數(shù)和：當熱電偶的熱端溫度一定

27、，冷端溫度升高時，熱電動勢將會減小。與此同時，銅電阻RCM的阻值將增大，從而使URCM增大，由此達到了補償?shù)哪康摹Ｗ詣友a償?shù)臈l件應為 5用鎳鉻-鎳硅(K)熱電偶測量溫度，已知冷端溫度為40，用高精度毫伏表測得這時的熱電動勢為29.188mV，求被測點的溫度。解：由鎳鉻-鎳硅熱電偶分度表查出E(40，0)=1.638mV，根據(jù)式(5-2-1)計算出再通過分度表查出其對應的實際溫度為6已知鉑銠10-鉑(S)熱電偶的冷端溫度t025，現(xiàn)測得熱電動勢E(t，t0)11.712mV，求熱端溫度是多少度?解：由鉑銠10-鉑熱電偶分度表查出E(25，0)=0.161mV，根據(jù)式(5-2-1)計算出再通過分度

28、表查出其對應的實際溫度為7已知鎳鉻-鎳硅(K)熱電偶的熱端溫度t800，冷端溫度t025，求E(t，to)是多少毫伏?解：由鎳鉻-鎳硅熱電偶分度表可查得E(800，0)=33.275mV，E(25，0)=1.024 mV，故可得 E(800，5)=33.275-1.024=32.251mV8現(xiàn)用一支鎳鉻-康銅(E)熱電偶測溫。其冷端溫度為30，動圈顯示儀表(機械零位在0)指示值為400，則認為熱端實際溫度為430，對不對為什么正確值是多少解：不對，因為儀表的機械零位在0，正確值為400。9如圖5.14所示之測溫回路，熱電偶的分度號為K，毫伏表的示值應為多少度?答：毫伏表的示值應為(t1-t2-

29、60)。10用鎳鉻-鎳硅(K)熱電偶測量某爐溫的測量系統(tǒng)如圖5.15所示，已知：冷端溫度固定在0，t030，儀表指示溫度為210，后來發(fā)現(xiàn)由于工作上的疏忽把補償導線，相互接錯了，問：爐溫的實際溫度t為多少度?解：實際溫度應為270，因為接反后不但沒有補償?shù)剑€抵消了30，故應該加上60。圖5.14 圖5.15第6章 壓電傳感器習題答案1為什么說壓電式傳感器只適用于動態(tài)測量而不能用于靜態(tài)測量?答：因為壓電式傳感器是將被子測量轉換成壓電晶體的電荷量，可等效成一定的電容，如被測量為靜態(tài)時，很難將電荷轉換成一定的電壓信號輸出，故只能用于動態(tài)測量。2壓電式傳感器測量電路的作用是什么其核心是解決什么問題答

30、：壓電式傳感器測量電路的作用是將壓電晶體產生的電荷轉換為電壓信號輸出，其核心是要解決微弱信號的轉換與放大，得到足夠強的輸出信號。 3一壓電式傳感器的靈敏度K110pCMPa，連接靈敏度K2=0.008VpC的電荷放大器，所用的筆式記錄儀的靈敏度K3=25mmV，當壓力變化p=8MPa時，記錄筆在記錄紙上的偏移為多少?解：記錄筆在記錄紙上的偏移為 S=10×0.008×25×8=16/mm4某加速度計的校準振動臺，它能作50Hz和1g的振動，今有壓電式加速度計出廠時標出靈敏度K100mVg，由于測試要求需加長導線，因此要重新標定加速度計靈敏度，假定所用的阻抗變換器放

31、大倍數(shù)為1，電壓放大器放大倍數(shù)為100，標定時晶體管毫伏表上指示為9.13V，試畫出標定系統(tǒng)的框圖，并計算加速度計的電壓靈敏度。解：此加速度計的靈敏度為 mV/g標定系統(tǒng)框圖如下：第7章 光電式傳感器1光電效應有哪幾種與之對應的光電元件各有哪些答：光電效應有外光電效應、內光電效應和光生伏特效應三種?；谕夤怆娦墓怆娫泄怆姽堋⒐怆姳对龉艿?；基于內光電效應的光電元件有光敏電阻、光敏晶體管等；基于光生伏特效應的光電元件有光電池等。2常用的半導體光電元件有哪些它們的電路符號如何答：常用的半導體光電元件有光敏二極管、光敏三極管和光電池三種。它們的電路符號如下圖所示：3對每種半導體光電元件，畫出一

32、種測量電路。答：光敏二極管、三極管及光電池的測量電路如下圖所示。4什么是光電元件的光譜特性?答：光電元件的光譜特性是指入射光照度一定時，光電元件的相對靈敏度隨光波波長的變化而變化，一種光電元件只對一定波長范圍的人射光敏感，這就是光電元件的光譜特性。5光電傳感器由哪些部分組成被測量可以影響光電傳感器的哪些部分答：光電傳感器通常由光源、光學通路和光電元件三部分組成，如圖所示。圖中1是光源發(fā)出的光信號，2是光電器件接受的光信號，被測量可以是x1或者x2，它們能夠分別造成光源本身或光學通路的變化，從而影響傳感器輸出的電信號I。光電傳感器設計靈活，形式多樣，在越來越多的領域內得到廣泛的應用。6模擬式光電

33、傳感器有哪幾種常見形式?答：模擬式光電傳感器主要有四種。一是光源本身是被測物，它發(fā)出的光投射到光電元件上，光電元件的輸出反映了光源的某些物理參數(shù)，如圖a所示。這種型式的光電傳感器可用于光電比色高溫計和照度計；二是恒定光源發(fā)射的光通量穿過被測物，其中一部分被吸收，剩余的部分投射到光電元件上，吸收量取決于被測物的某些參數(shù)。如圖b所示?？捎糜跍y量透明度、混濁度；三是恒定光源發(fā)射的光通量投射到被測物上，由被測物表面反射后再投射到光電元件上，如圖c所示。反射光的強弱取決于被測物表面的性質和狀態(tài)，因此可用于測量工件表面粗糙度、紙張的白度等；四是從恒定光源發(fā)射出的光通量在到達光電元件的途中受到被測物的遮擋，

34、使投射到光電元件上的光通量減弱，光電元件的輸出反映了被測物的尺寸或位置。如圖d所示。這種傳感器可用于工件尺寸測量、振動測量等場合。第8章 霍爾傳感器習題答案1. 什么是霍爾效應？答：在置于磁場的導體或半導體中通入電流，若電流與磁場垂直，則在與磁場和電流都垂直的方向上會出現(xiàn)一個電勢差，這種現(xiàn)象就是霍爾效應，是由科學家愛德文·霍爾在1879年發(fā)現(xiàn)的。產生的電勢差稱為霍爾電壓。2. 為什么導體材料和絕緣體材料均不宜做成霍爾元件？答：因為導體材料的雖然很大，但很小，故不宜做成元件，而絕緣材料的雖然很大，但很小，故也不宜做成元件。3. 為什么霍爾元件一般采用N型半導體材料？答：因為在N型半導體

35、材料中，電子的遷移率比空穴的大，且n>p，所以霍爾元件一般采用N型半導體材料。4. 霍爾靈敏度與霍爾元件厚度之間有什么關系？答：霍爾靈敏度與霍爾元件厚度成反比，。5. 什么是霍爾元件的溫度特性如何進行補償答：霍爾元件的溫度特性是指元件的內阻及輸出與溫度之間的關系。與一般半導體一樣，由于電阻率、遷移率以及載流子濃度隨溫度變化，所以霍爾元件的內阻、輸出電壓等參數(shù)也將隨溫度而變化。霍爾元件溫度補償?shù)姆椒ㄖ饕欣幂斎牖芈返拇?lián)電阻進行補償和利用輸出回路的負載進行補償兩種。1）利用輸入回路的串聯(lián)電阻進行補償。下圖是輸入補償?shù)幕揪€路，圖中的四端元件是霍爾元件的符號。兩個輸入端串聯(lián)補償電阻R并接恒

36、電源，輸出端開路。根據(jù)溫度特性，元件霍爾系數(shù)和輸入內阻與溫度之間的關系式為RHt=RH0(1+t) Rit=Ri0(1+t)式中，RHt為溫度為時霍爾系數(shù)；RH0為0時的霍爾系數(shù)；Rit為溫度為時的輸入電阻；Ri0為0時的輸入電阻；為霍爾電壓的溫度系數(shù), 為輸入電阻的溫度系數(shù)。當溫度變化t時，其增量為: RH=RH0t Ri=Ri0t根據(jù)及I=E/(R+Ri)，可得出霍爾電壓隨溫度變化的關系式為對上式求溫度的導數(shù)，可得增量表達式 (1)要使溫度變化時霍爾電壓不變，必須使 即 (2)式(1)中的第一項表示因溫度升高霍爾系數(shù)引起霍爾電壓的增量，第二項表示輸入電阻因溫度升高引起霍爾電壓減小的量。很明

37、顯，只有當?shù)谝豁棔r，才能用串聯(lián)電阻的方法減小第二項，實現(xiàn)自補償。將元件的、值代入式(2)，根據(jù)Ri0的值就可確定串聯(lián)電阻R的值。 (2) 利用輸出回路的負載進行補償。上圖為補償原理電路圖，霍爾元件的輸入采用恒流源，使控制電流穩(wěn)定不變。這樣，可以不考慮輸入回路的溫度影響。輸出回路的輸出電阻及霍爾電壓與溫度之間的關系為UHt=UH0(1+t) Rvt=Rv0(1+t)式中，UHt為溫度為t時的霍爾電壓；UH0為0時的霍爾電壓；Rvt為溫度為t時的輸出電阻；Rv0為時的輸出電阻。負載RL上的電壓UL為 UL=UH0(1+t) RL/Rv0(1+t)+RL (3)為使UL不隨溫度變化，可對式(3)求導

38、數(shù)并使其等于零，可得 RL/Rv0/.1/ (4)最后，將實際使用的霍爾元件的、值代入，便可得出溫度補償時的RL值。當RL= Rv0時，補償最好。6. 集成霍爾傳感器有什么特點？答：集成霍爾傳感器的特點主要是取消了傳感器和測量電路之間的界限，實現(xiàn)了材料、元件、電路三位一體。集成霍爾傳感器與分立相比，由于減少了焊點，因此顯著地提高了可靠性。此外，它具有體積小、重量輕、功耗低等優(yōu)點。7. 寫出你認為可以用霍爾傳感器來檢測的物理量。答：可以用霍爾傳感器來檢測的物理量有力、力矩、壓力、應力、位置、位移、速度、加速度、角度、轉速、磁場量等等。8. 設計一個采用霍爾傳感器的液位控制系統(tǒng)。答：液位控制系統(tǒng)原

39、理如圖所示，霍爾元件固定不動，磁鐵與探測桿固定在一起，連接到裝液體的容器旁邊，通過管道與內部連接。當液位達到控制位置時霍爾元件輸出控制信號，通過處理電路和電磁閥來控制液壓閥門的開啟和關閉，如液位低于控制位置時開啟閥門，超過控制位置時則關閉閥門。 全國2001年10月自學考試傳感器與檢測技術試卷課程代碼：02202第一部分 選擇題（共24分）一、單項選擇題（本大題共12小題，每小題2分，共24分）在每小題列出的四個選項中只有一個選項是符合題目要求的，請將正確選項前的字母填在題后的括號內。錯選、多選和未選均無分。1下列被測物理量適合于使用紅外傳感器進行測量的是（ ） A壓力 B力矩 C溫度 D厚度

40、2屬于傳感器動態(tài)特性指標的是（ ） A重復性 B線性度 C靈敏度 D固有頻率3按照工作原理分類，固體圖象式傳感器屬于（ ） A光電式傳感器 B電容式傳感器 C壓電式傳感器 D磁電式傳感器4測量范圍大的電容式位移傳感器的類型為（ ） A變極板面積型 B變極距型 C變介質型 D容柵型5利用相鄰雙臂橋檢測的應變式傳感器，為使其靈敏度高、非線性誤差?。?） A兩個橋臂都應當用大電阻值工作應變片 B兩個橋臂都應當用兩個工作應變片串聯(lián) C兩個橋臂應當分別用應變量變化相反的工作應變片 D兩個橋臂應當分別用應變量變化相同的工作應變片6影響壓電式加速度傳感器低頻響應能力的是（ ） A電纜的安裝與固定方式 B電纜

41、的長度 C前置放大器的輸出阻抗 D前置放大器的輸入阻抗7固體半導體攝像元件CCD是一種（ ） APN結光電二極管電路 BPNP型晶體管集成電路 CMOS型晶體管開關集成電路 DNPN型晶體管集成電路8將電阻R和電容C串聯(lián)后再并聯(lián)到繼電器或電源開關兩端所構成的RC吸收電路，其作用是（ ） A抑制共模噪聲 B抑制差模噪聲 C克服串擾 D消除電火花干擾9在采用限定最大偏差法進行數(shù)字濾波時，若限定偏差Y0.01，本次采樣值為0.315，上次采樣值為0.301，則本次采樣值Yn應選為（ ） A0.301 B0.303 C0.308 D0.31510若模/數(shù)轉換器輸出二進制數(shù)的位數(shù)為10，最大輸入信號為2

42、.5V，則該轉換器能分辨出的最小輸入電壓信號為（ ） A1.22mV B2.44mV C3.66mV D4.88mV11周期信號的自相關函數(shù)必為（ ） A周期偶函數(shù) B非周期偶函數(shù) C周期奇函數(shù) D非周期奇函數(shù)12已知函數(shù)x(t)的傅里葉變換為X（f），則函數(shù)y(t)=2x(3t)的傅里葉變換為（ ） A2X() BX() CX(f) D2X(f)第二部分 非選擇題（共76分）二、填空題（本大題共12小題，每小題1分，共12分）不寫解答過程，將正確的答案寫在每小題的空格內。錯填或不填均無分。13對傳感器進行動態(tài) 的主要目的是檢測傳感器的動態(tài)性能指標。14傳感器的過載能力是指傳感器在不致引起規(guī)定

43、性能指標永久改變的條件下，允許超過 的能力。15傳感檢測系統(tǒng)目前正迅速地由模擬式、數(shù)字式，向 方向發(fā)展。16已知某傳感器的靈敏度為K0，且靈敏度變化量為K0，則該傳感器的靈敏度誤差計算公式為rs= 。17為了測得比柵距W更小的位移量，光柵傳感器要采用 技術。18在用帶孔圓盤所做的光電扭矩測量儀中，利用孔的透光面積表示扭矩大小，透光面積減小，則表明扭矩 。19電容式壓力傳感器是變 型的。20一個半導體應變片的靈敏系數(shù)為180，半導體材料的彈性模量為1.8×105Mpa,其中壓阻系數(shù)L為 Pa-1。21圖像處理過程中直接檢測圖像灰度變化點的處理方法稱為 。22熱敏電阻常數(shù)B大于零的是 溫

44、度系數(shù)的熱敏電阻。23若測量系統(tǒng)無接地點時，屏蔽導體應連接到信號源的 。24交流電橋各橋臂的復阻抗分別為Z1，Z2，Z3，Z4，各阻抗的相位角分別為若電橋平衡條件為Z1/Z4=Z2/Z3，那么相位平衡條件應為 。三、問答題（本大題共6小題，每小題4分，共24分）25簡述壓電式傳感器分別與電壓放大器和電荷放大器相連時各自的特點。26回答與直線式感應同步器有關的下列問題：（1） 它由哪兩個繞組組成？（2） 鑒相式測量電路的作用是什么 27簡述壓磁式扭矩儀的工作原理。28說明薄膜熱電偶式溫度傳感器的主要特點。29簡述激光視覺傳感器將條形碼的信息傳輸?shù)男盘柼幚硌b置的工作過程。30采用逐次逼近法的模/數(shù)

45、轉換器主要由哪幾部分組成？四、計算題（本大題共3小題，每小題8分，共24分）31已知變磁通式轉速傳感器輸出電動勢的頻率f=72Hz，測量齒盤的齒數(shù)Z=36，求：（1） 被測軸的轉速是每分鐘多少轉？（2） 在上述情況下，如果計數(shù)裝置的讀數(shù)誤差為±1個數(shù)字，其最大轉速誤差是多少？32一熱敏電阻在0和100時，電阻值分別為200k和10k。試計算該熱敏電阻在20時的電阻值。33求正弦信號x(t)=x0sint的自相關函數(shù)。五、應用題（本大題共2小題，每小題8分，共16分）34圖示為電阻網絡D/A轉換電路。 （1） 寫出電流i與電壓VREF的關系式。 （2） 若VREF=10V輸入信號D3D

46、2D1D0=1000，試計算輸出電壓V0=？35已知某信號的傅里葉級數(shù)展開式為 x(t)= sincosn0t 試求該信號的直流分量、第一至第五次諧波分量的幅值，并繪出其幅值譜圖。全國2001年10月自考傳感器與檢測技術試卷答案課程代碼：02202一、 單項選擇題（本大題共12小題，每小題2分，共24分）1.C2.D3.A4.D5.C6.D7.C8.D9.A10.B11.A12.B二、 填空題（本大題共12小題，每小題1分，共12分）13.標定(或校準或測試)14.測量范圍15.智能化16.(K0/K0)×100%17.細分18.增大 19.極距(或間隙)20.1×1092

47、1.微分法22.負23.對地低阻抗端(或接地端)24.三、 問答題（本大題共6小題，每小題4分，共24分）25傳感器與電壓放大器連接的電路,其輸出電壓與壓電元件的輸出電壓成正比,但容易受電纜電容的影響。 傳感器與電荷放大器連接的電路,其輸出電壓與壓電元件的輸出電荷成正比,電纜電容的影響小。26（1）由固定繞組和滑動繞組組成。 （2）檢測感應電動勢的相位，從而根據(jù)相位確定位移量的大小和方向。27壓磁式扭矩儀的軸是強導磁材料。根據(jù)磁彈效應，當軸受扭矩作用時，軸的磁導率發(fā)生變化，從而引起線圈感抗變化，通過測量電路即可確定被測扭矩大小。28主要特點是：熱容量?。ɑ驘釕T性?。瑫r間常數(shù)小，反應速度快。2

48、9（1）多面棱鏡高速旋轉，將激光器發(fā)出的激光束反射到條形碼上作一維掃描。 （2）條形碼反射的光束經光電轉換及放大元件接收并放大后再傳輸給信號處理裝置。30由電壓比較器、數(shù)/模轉換器、順序脈沖發(fā)生器、數(shù)碼寄存器和逐次逼近寄存器組成。四、 計算題（本大題共3小題，每小題8分，共24分）31（1） （2）頻率計的計數(shù)裝置讀數(shù)誤差為±1個數(shù)字，對應的角位移為±轉=±轉故其最大轉速誤差為±（轉/分）32熱敏電阻的一般表達式為： 式中：RT為溫度T=t+273.15(K)時的熱敏電阻的電阻值；R0為溫度T0=t0+273.15(K) 時的熱敏電阻的電阻值； 設t0=

49、20,T0=t0+273.15=293.15(K)。則上式中的R0即為所求的值。 根據(jù)題中所給條件，有 （1） （2）（1）、（2）兩式兩邊取對數(shù)有 因此該熱敏電阻在20的電阻值為： 33 五、 應用題（本大題共2小題，每小題8分，共16分） 34（1） （2）當D3D2D1D0=1000時， 35直流分量A00一次諧波分量 A1二次諧波分量 A20三次諧波分量 A3四次諧波分量 A40五次諧波分量 A5其幅值譜如右圖所示。全國2002年10月自學考試傳感器與檢測技術試題課程代碼：02202一、單項選擇題(本大題共12小題，每小題2分，共24分)在每小題列出的四個選項中只有一個選項是符合題目要

50、求的，請將正確選項前的字母填在題后的括號內。1.屬于傳感器動態(tài)特性指標的是( ) A.遲滯 B.過沖量 C.穩(wěn)定性 D.線性度2.傳感器能感知的輸入變化量越小， 表示傳感器的( ) A.線性度越好 B.遲滯越小 C.重復性越好 D.分辨力越高3.我國省、部一級計量站使用的一等標準測力機所允許的測量誤差為( ) A.±0.1% B.±0.01% C.±0.001% D.±0.0001%4.感應同步器的作用是測量( ) A.電壓 B.電流 C.位移 D.相位差5.下列測力傳感器中，屬于發(fā)電型測力傳感器的是( ) A.自感式傳感器 B.磁電感應式傳感器 C.電容式傳感器 D.應變式傳感器6.極對數(shù)為4的永磁式交流測速發(fā)電機，當其軸與轉速為600(轉/分)的被測軸相連接時，則其輸出交變電動勢的頻率為( ) A.40Hz B.300Hz C.600Hz D.2400Hz7.