传感器与测量技术复习题zhhy

传感器与测量技术复习题

1.

传感器一般由三部分组成：敏感元件，转换元件，转换电路。其功能是以

一定精确度吧被测量量（主要是非电量）转换为与之有确切关系，便于应用的某种物理量。

3． 电阻应变式传感器有三部分组成：弹性元件，电阻应变片，测量电路。其中应变片是电阻应变式传感器的核心。

4． 电阻式温度传感器是利用导体或半导体电阻率随温度变化的特性制成的传感器，按采用的电阻材料可分为金属和半导体两大类。

5． 电容式传感器的工作原理是电容随面积S两平行板距离d及介电常数ε的变化而变化。典型的电容传感器中的电容通常做成平板和圆通。按测量所改变的电容量的参数分为变介电常数型。按被测位移可分为线位移和角位移；按结构可分为单一和差动。

7．自感式传感器的工作原理是把被测量变化转换成自感上的变化通过一定的转换电路转换成电压或电流输出。这类型的传感器有变气隙式自感，变面积式自感，螺线管式自感传感器等。

8．电涡流式传感器是利用电涡流效应工作的传感器，有高频反射式涡流传感器和低频透射式涡流传感器两种。其主要优点是测量范围大灵敏度高结构简单干干扰能力强。

9． 互感式传感器即差动变压器由初级线圈，次级线圈，铁心三部分组成，工作时，初级线圈接入激励电压，次级线圈产生感生电压。这种传感器的次级线圈有两个，且按同名端反向串联方式连接。

10． 压电式传感器是利用压电效应工作的传感器。压电元件的两电极间为绝缘体，因此构成了一个电容器。当压电元件受到外力作用时，可以等效为一个电荷源和电容的并联，或者等效为一个电源u=Q/Ca和一个电容Ca的串联。

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11． 压电传感器输出的能量非常微弱，在其后接入一高输入阻抗的电压放大器或电荷放大器，其中电压放大器可以测量准静态物理量。但他们都不能测量静态物理量。（填能或者不能）。

12． 热电偶传感器，简称热电偶，是基于将温度转化为电势变化原理工作的。 13． 热电偶的基本定律有匀质导体定律，中间导体定律，连接导体定律。热电偶冷端处理的方法有①.补偿导线法；②.热电偶冷端恒温法，③计算修正法，④冷端补偿电桥法。

14． 光电式传感器是依据光电效应工作的传感器，它具有响应快，结构简单，可靠性高等优点，因而在检测和控制领域得到广泛应用，其主要由光源，弹性元件，敏感元件，转换元件。

15．半导体传感器主要有：热电阻式传感器，压阻式，光电，热电偶，压电传感器等。

16．压电元件可能存在的压电效应有:逆压电效应，正压电效应。

17．光电效应可分为：外光电效应，内光电效应，阻挡层光电效应 。其中光敏电阻是用具有内光电效应的半导体材料制成的电阻器件，光电池是基于阻挡层光电效应工作的。

18编码器属于数字式传感器，通常分为两种 ：角度枚写编码器（码盘），直线位移编码器（码尺）。

19.你所知电阻式传感器种类有：电阻应变式，压阻式，热电阻式，磁阻式磁电传感性等。常用的弹性敏感元件有金属应变片，半导体应变片等 。 20.电感传感器可分为：自感传感器，互感式传感器，磁电式传感器等。 21互感式传感器即差动变压器由初级线圈，次级线圈，铁心三部分组成，工作时，初级线圈接入激励电压电压，次级线圈产生感生电压。这种传感器的次级线圈有两个，且按同名端反向串联方式连接。

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22.常用的光电器件有: 光电管，光电倍增管，光敏电阻，光电池，光敏晶体。 23.直接编码器中的码盘常采用的码制有二进制码，循环码等。

24.要增加光栅传感器得分辨力可采用细分技术。用4个光电二极管可实现的最小分辨力为： 1 W（W为栅距）。用于辨向的两个光电二极管的间距为BH/4。 30.常用的压电材料有石英，钛酸钡。它们存在多种压电效应。多数压电传感器是利用其纵向电效应制成的。

31.数字传感器与模拟传感器相比，它的优点是测量精度和分辨率高，抗干扰能力强，能避免子啊度标尺和曲线图时产生的人为视觉误差，便于计算。 32.利用直接编码器时码盘选用循环码比二进制码的优越之处是在测量过程中不会出现粗大误差。

36.材料是传感器重要基础，新材料的研制是重要的研究课题。长期以来金属和半导体是较为常用的传感材料，如今出现了很多性能优越的新型材料如陶瓷材料，磁性材料，智能材料等。

37.电容传感器能测量的物理量有压力，差压，液压，振动等。

38．成块的金属臵于交变磁场中，金属体内产生感应电流，电流的流线呈闭合曲线，类似水涡，故称之为涡流。

39．对某些物质（电介质）沿其一定的方向施加压力或拉力而使它形变时，内部产生内部原子重新排列现象，同时在其某两产生符号相反等量的电荷，当外力去掉形变消回到不带电的状态；这种现象称为正逆压电效

个相对的表面失后，又重新应。

41. 光谱特性是选择光电器件的重要依据，下图为两种材料制造的光敏三极管的光谱特性，哪种管适合测量可见光？硅

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42.传感器的动态特性主要用瞬态响应，频率响应特性来描述。电容传感器按被测量所改变的电容器的参数分为变极距型，变面积型，变介电常数。 43．通常传感器可以制成单一结构或差动结构，差动结构较单一结构有如下优点：灵敏度高，线性度稳。 44．由两种金在回路中可产为塞贝克效46．绝对湿度

58属构成的闭合回路，对两个接头的中一个加热，生电流，说明回路中存在温差电势，这种现象称应，这种装臵为热电偶。

是单位空间中所含水蒸气的绝对含量（质量）。相

对湿度是指被测气体中的水蒸气压和该气体在相同温度下饱和水蒸气压的百分比。一般用绝对温度表示大气的潮湿程度。

47．光谱特性是选择光电器件的重要依据，上图为两种材料制造的光电池的光谱特性，哪种适合测量可见光？ 硅

51．霍尔传感器是由霍尔元件，温度补偿电路，磁路系统，弹簧管四部分组成的。

简答题

1. 用应变片测量时，为什么采取温度补偿措施？怎样补偿？P34

答：应变片由于温度阶变化引起的电阻变化与试件应变化所造成的电阻变化几乎有相同的数量级，如不采取必要的措施克服温度造成的的影响，测量精度将无法保证 1电桥补偿2应变片的自补偿3热敏电阻补偿 3.简述莫尔条纹的主要特性。P132

答： 1．起放大作用2．莫尔条纹的移动与栅距成比例3．起平均误差作用 5． 热电偶的冷端处理方法。P175

答：1,补偿导线法2热电偶冷端温度恒温法3.热电势计算修正法 4冷端补偿电桥法

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6． 热电偶三定律的意义。P173 7． 传感器的发展方向。P2

答：1不断提高传感器的性可靠性扩大应用范围2开发新型传感器3开发传感器的新型敏感元件材料和采用新的加工工艺 9．压电元件对测量电路的要求。

10． 用压电式传感器能测量静态吗？为什么？哪种放大器能测变化缓慢的信号？P154

答：不能。当作用在压电元件的力是静态时，则前置放大器的输入电压等于0,。因为电荷会通过放大器的输入电阻和传感器本身的泄漏电阻漏掉。这就从原理上决定了压电式传感器不能测量静态物理量。 11．说明霍尔元件的应用。P148

在电磁测量中，用它测量恒定的或交变的磁感应强度，有功功率，无功功率，相位，电能等参数；在自动检测系统中，多用于位移，压力的测量

12．绝对编码器中的码盘有两种编码：二进制码和循环码，谈谈两种码盘的优缺点。P111

答：二进制码盘只要有一个码道提前或延后，就可能造成输出的粗大误差 循环码盘转到相邻区域编码中只有一位发生变化，不会产生误差

14．用应变片测量时为什么必须采取温度补偿？并请列出至少三种补偿方法。P33

应变片由于温度变化引起的电阻变化与试件（弹性元件）应变所造成的电阻变化几乎有相同的数量级，如果不采取必要的措施克服温度的影响，测量精度将无法保证

补偿方法：1.电桥补偿法 2.应变片的自补偿法 3.热敏电阻补偿法 15．请描述自感式传感器测量较小位移的工作原理。P52

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L线圈 铁芯

变化来实现测量的，它由线圈、铁芯和衔铁三部分组成。铁芯和衔铁由导磁材料如硅钢片或坡莫合金制成，在铁芯和衔铁之间有气隙，传感器的运动部分与衔铁相连。当被测量变化时，使衔铁产生位移，引起磁路中磁阻变

化，从而导致电感线圈的电感量变化，因此只要能测出?1??0?2??衔铁

答：自感式电感传感器属

这种电感量的变化，就能确定衔铁位移量的大小和方向。 于电感式传感器的一种。 它是利用线圈自感量的

证明题

1请利用下列图示证明全桥差动电路的灵敏度是半桥差动灵敏度的两倍，并说明若图a中相邻两臂的?R变化方向相同时电桥是否能继续测量？

已知R1?R2?R3?R4?R,?R1??R2??R3??R4??R

证明：

?R1R4u0?u????R?RR3?R42?1?R1R3?R2R4??u*?(R1?R2)(R3?R4)?(R??R)R3?(R2??R)R4(R??R)R?(R??R)R?u1?u(R1?R2)(R3?R4)2R?2R半桥：

?RRu0u0R2R??R?R12R?u?u，k??，k??u0半2R?R/R?R?R24R2(R??R1)(R3??R3)?(R2??R2)(R4??R4)u0?u14R2全桥：同理

u(R??R)2?(R??R)2u?4R??R?u?4R24R2k全?

u0?R/R?u?u?2k半 ?R/R?R/R6

所以a中能，相邻应变极性一致，输出电差。

2证明差动式变极距电容传感器的灵敏度

K??C/C2??dd0压为两者之

。（d0为动极板位于中间位臵时与上下定极板之间的距离）

证明:c=εs/d,ε=ε0εr,s为两平行板所覆盖的面积。当动极板位于中间位置时c0=εs/d0

若动极板上移Δd,与上极板距离为d1与下极板的距离为d2

c?

?s?s?s?c0??c??c?c?c0??d0??dd0??dd0???s1???1?1??d/d??d00???????1?1??d/d0???1??d/d??0??d1?d0??d,d2?d0??d?s?d0

??d?c0??d??d?0??dxx板：c1?c0??c?c0?1??d0??d??d0??c0??d???s?s?11??x下板：c2???c0?d0??dd0?1??d/d0?1??d/d0?11?c?c1?c2?c0?c0?c0?c01??d/d01??d/d0?2?d/d0??d?d???c0??1??1??1?(?d/d)2?d0d00???0?1sc0?d???c1d??d1??d/dd?d当?d/d??1,则?c1?c0,同理：?c2?c0d?d?c/c??c??c1??c2?2c0?k??d?dc1?c0??c11??d/d?dd2d0

计算题

1.一测量吊车起吊重物的拉力传感器如图所示R1 、等截面轴上。已知，等截面轴的截面积为

模量E=2×1011 N/m2,泊松比μ= 0.3。且R1 = R2=

R1

R2

m R3 R4

R2、 R3、 R4贴在0.00196m2,弹性R3= R4 =120Ω，

K= 2，组成全桥，供桥电压U= 6V。测得输出电压Uo= 7.8mV。求：①等截面轴的纵向及横向应变为多少？②重物m = ?

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解：全桥差动电路

?ku??1??2??3??4?u??04??①??x??1?u3??????????24x?y???uk?u0?2?1????x????0.3 ??3??u?6??x?10?u?7.8mv?0?k?2??即?y????x??3?10?4

②?x?F?F??XSE?3.92?105N?mg SEm?3.92?104kg

2． 某霍尔元件的长为10mm,宽×高为0.3×0.1cm2,激励电流为1.0mA,外磁场的磁感应强度为0.2T，传感器的灵敏系数20V/A T，试计算其霍尔电势的大小。

解：uH?kHBI?20?0.2?1?10?3?4mv

3． 已知长光栅的栅距为25?m，标尺光栅与指示光栅的夹角为0.02度，试计算莫尔条纹的宽度以及当光栅移动200?m时莫尔条纹移动的距离。（提示：

??0,sin???）

解：BH?W?25?10?6，移动距离?8BH ?4． 已知电阻应变片灵敏度系数为2.0，沿纵向粘贴于直径为0.05米的圆形钢柱表面，钢材的弹性模量E=211N/m2，泊松比?=0.3，求钢柱受到

10?103?9.8N/m2

拉力时，应变片的相对变化量。若应变片沿圆柱的圆周方向粘

贴，受同样的拉力时，应变片电阻的相对变化又是多少？ 解：

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?XF10?4?9.8???2.5?10?42SE?0.05?11??????2?10?2??k?x?5?10?4?R

R?y????x??x??R?y?8.3?10?4?R?k?x?2?8.3?10?4?1.66?10?35． 某霍尔元件的长为10mm,宽×高为0.3×0.1cm2,激励电流为1.0mA,外磁场的磁感应强度为0.2T，传感器的灵敏系数20V/A T， （1），标出霍尔元件上产生霍尔电势的极性。 （2），试计算其霍尔电势的大小。

（3），若霍尔元件的输出内阻r=2?(温度变化前的阻值),输出内阻的温度系数b=2/0C，霍尔电势的温度系数a=0.004/0C,当RL取何值时，可以实现温度的补偿？ 解:①上正下负

②uH?kHBI?20?0.2?10?3?4mv

T0:uH0?r0?2?,u0?uH0?R2r0?RL③T:uH?uH0(Ha?t),r?r0(1?b?t)u0'?uHr?R2?R2?uH0(1?a?t)r0(1?b?t)?RL

?u0?u0'?11?a?t?r0?RLr0(1?b?t)?RL即r0b?r0a?RLa?RL?r0(b?a)a 9

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