《传感器原理及应用》复习题

《传感器原理及应用》复习题

1.静态特性指标其中的线性度的定义是指

2．传感器的差动测量方法的优点是减小了非线性误差、提高了测量灵敏度。

3. 对于等臂半桥电路为了减小或消除非线性误差的方法可以采用提高桥臂比，采用差动电桥的方法。

4.高频反射式电涡流传感器实际是由线圈和被测体或导体两个部分组成的系统，两者之间通过电磁感应相互作用，因此，在能够构成电涡流传感器的应用场合中必须存在金属材料。

5. 霍尔元件需要进行温度补偿的原因是因为其霍尔系数和材料电阻

受温度影响大。使用霍尔传感器测量位移时，需要构造一个磁场。

6.热电阻最常用的材料是铂和铜，工业上被广泛用来测量中低温区的温度，在测量温度要求不高且温度较低的场合，铜热电阻得到了广泛应用。

7.现有霍尔式、电涡流式和光电式三种传感器，设计传送带上塑料零件的计数系统时，应选其中的光电传感器。需要测量某设备的外壳温度，已知其范围是300~400℃，要求实现高精度测量，应该在铂铑-铂热电偶、铂电阻和热敏电阻中选择铂电阻。

8. 一个二进制光学码盘式传感器，为了达到1″左右的分辨力，需要采用

或位码盘。一个刻划直径为400 mm的20位码盘，其外圈分别间隔为稍大于μm。

9.非功能型光纤传感器中的光纤仅仅起传输光信息的作用，功能型光纤传感器是把光纤作为敏感元件。光纤的NA值大表明集光能力强。

11.光照使半导体电阻率变化的现象称为内光电效应，基于此效应的器件除光敏电阻外还有处于反向偏置工作状态的光敏二极管。光敏器件的灵敏度可用光照特性表征，它反映光电器件的输入光量与输出光电流(电压)之间的关系。选择光电传感器的光源与光敏器件时主要依据器件的光谱特性。

12.传感器一般由敏感元件 _、转换元件 ___、测量电路及辅助电源四个部分组成。

13．传感器的灵敏度是指稳态标准条件下，输出变化量与输入变化量的比值。对线性传感器来说，其灵敏度是一常数。

14. 已知某铜热电阻在0℃时的阻值为50Ω，则其分度号是 Cu50 ，对于镍铬镍硅热电偶其正极是镍铬。

15.差动变压器式传感器常见的有和两种结构类型，其中最常用的是差动变压器。

16. 为提高压电器件的灵敏度，常采用两个或多个压电片组合，其中串联连接方式适用于电压输出、测量高频信号的场合；并联方式适用于电荷输出、测量低频信号的场合

17.电涡流传感器从测量原理来分，可以分为高频扫射式和低频透射式两大类。

1．电容式传感器的应用电路中常采用“驱动电缆”技术。图1为“驱动电缆”

技术原理示意图。

（1）试简述采用“驱动电缆”技术的原因；

（2）试结合“驱动电缆”技术原理图简述“驱动电缆”技术工作原理。

图1 “驱动电缆”技术原理示意图

答：1.）一般电容传感器电容值很小，如果激励频率较低，则电容传感器的容抗很大，因此对传感器绝缘电阻要求很高；

另一方面，变换器电容极板并联的寄生电容也会带来很大的影响，为克服其影响采用驱动电缆法。

2.）在电容传感器与测量线路前置极间采用双层屏蔽电缆。这种接法使传输电缆的芯线与内层屏蔽等电位，消除了芯线对内层屏蔽的容性漏电，从而消除了寄生电容的影响。同时放大器的高输入阻抗又起到阻抗匹配的作用。

2．为什么压电式传感器不能用于静态测量，只能用于动态测量中？而且是频率越高越好？

或：答：压电式传感器的测量基于压电效应，而且在测量时必须保证：压电元件在产生压电效应过程中必须没有电荷泄露。在做静态测量时，要做到外力作用在压电元件时所产生的电荷能在无泄漏的情况下进行完全保存，这实际上是不可能的，因此压电式传感器用于静态测量是不合适的。要实现测量时电荷无泄漏的条件，只有使压电元件在交变力的作用下，才能够促使压电效应产生的电荷不断得到补充，以供给测量回路一定的电流，因此说压电传感器只能用于动态测量。而且频率越高，补充电荷的时间越短，保证测量时的无电荷泄露效果更好。

3. 图2是应用光栅式传感器进行数控机床位置控制的原理示意图，简述其控制过程，并说明光栅式传感器主要由哪几部分组成？其测量系统的精度主要由一部分的精度决定？

图2数控机床位置控制框图

4．有三台测温仪表，量程均为0~800℃，精度等级分别为2.5级、2.0级和1.5级，现要测量500℃的温度，要求相对误差不超过2.5％，选那台仪表合理?

2.5级时的最大绝对误差值为20℃，测量500℃时的相对误差为4％；2.0级时的最大绝对误差值为16℃，测量500℃时的相对误差为

3.2％；1.5级时的最大绝对误差值为12℃，测量500℃时的相对误差为2.4％。因此，应该选用1.5级的测温仪器。

5.变间隙电容传感器的测量电路为运算放大器电路，如图3所示。C0=200pF，传感器的起始电容量C x0=20pF,定动极板距离d0=1.5mm,运算放大器为理想放大器(即K→∞,Z i→∞),R f极大,输入电压u1=5sinωt V。求当电容传感动极板上输入一位移量△x=0.15mm使d0减小时,电路输出电压u0为多少?

i Ｃ

6. 下表为某热电偶的分度表，测量电路如图所示，数字电压表的读数为4.10mV ，热电偶与电压表用补偿导线连接，请问被测温度Tx 是多少，给出计算依据。（8

7.试说明图4所示的的微压力变送器的工作原理。

8.图5是用光敏二极管控制的交流电压供电的明通及暗通直流电磁控制原理图，说明为什么要采用晶体管放大电路并简述此电路的工作原理。

图 5 图4 微压力变送器

(a)结构图(b)测量电路方框图

1一接头2一膜盒3一底座4一线路板5一差动变压器6一衔铁7一罩壳

9．在炼钢厂中，有时直接将廉价热电极（易耗品，例如镍铬、镍硅热偶丝，时间稍长即熔化）插入钢水中测量钢水温度，如图6所示。试说明测量钢水温度的基本原理？为什么不必将工作端焊在一起？要满足哪些条件才不影响测量精度？采用上述方法是利用了热电偶的什么定律？如果被测物不是钢水，而是熔化的塑料行吗？为什么？

图6用浸入式热电偶测量熔融金属示意图

答：测量钢水温度的基本原理是利用了热电效应；因为钢水是导体，又处在同一个温度下，把钢水看作是第三导体接入，利用了热电偶的导体接入定律；如果被测物不是钢水，而是熔化的塑料不行，因为，塑料不导电，不能形成热电势

10. 设计一种可用于在有油污、灰尘或雨水等的环境下能测量车轮轴转速的传感器系统方案。请说明选用何种工作原理的传感元件，给出系统组成简略示意图，说明测量方法及改善测量精度的措施。

如图所示，在待测转轴上安装一调制盘，齿数为Z （2分）。采用电涡流传感器（若采用霍尔传感器，则需要在霍尔元件前面或后面安装一片磁钢），将电涡流传感器输出信号经过放大、整形后送频率计，测出频率f （2分），转速为：60f/Z(转/分)。

8.一个简单的家居智能系统要求：有盗贼从大门进入时可及时发现，并能提示盗贼可能携带有刀、枪等金属器械； 当玻璃窗被砸坏时能及时报警。试：①选择合适的传感器进行合理的安装完成以上功能；

②说明各传感器如何完成相应的功能。

①选磁敏或者霍尔传感器安装于大门一侧，另一侧安装永久磁铁，当钢铁或金属物穿过门时，传感器输出增强，触发报警信号器（4分）；②在玻璃上贴压电膜传感器，或在窗边安装振动传感器，玻璃窗被砸时，触发压电或振动传感器报警（3分）；在厨房上空位置安装CO2气体传感器或烟雾传感器，厨房失火时，因CO2（或烟雾）浓度显著增加，触发CO2气体（或烟雾）传感器报警（3分）

11. 有四片完全相同的金属应变片（灵敏系数为2、泊松比μ为0.3、电阻120Ω）和一个等截面悬臂梁（长l =15cm 、宽b =2cm 、厚h =0.5cm ，弹性模量E 为： 2×107N/cm 2），要构成一个称重传感器。问:（1）悬臂梁上如何布置应变片、如何接成电桥，能使得应变最大且传感器的输出电压灵敏度最高；画出相应的布片示意图和接桥电路。（2）分析说明环境温度变化时，这个方案的测量结果是否变化。（3）电桥供电电压为5V 时，若电桥输出电压为2.25mV ，被测重量为多少?

(不计横向效应影响，应变 F E

bh l x x 26=ε，其中l x 为应变片粘贴处到梁的自由端的距离。应变片长度相对于l x 可忽略。）

12. 热电阻测量时采用何种测量电路?为什么要采用这种测量电路?说明这种电路的工作原理。

通常采用电桥电路作为测量电路。为了克服环境温度的影响常采用下图所示的三导线四分之一电桥电路。由于采用这种电路，热电阻的两根引线的电阻值被分配在两个相邻的桥臂

中，如果R1t=R2t，则由于环境温度变化引起的引线电阻值变化造成的误差被相互抵消

图7：光电元件的应用形式之一 (c)被测物是有反射能力的表面(d)被测物遮蔽光通量 1一被测物2一光电元件3一恒光源

13. 试分析变面积式电容传感器和变间隙式电容的灵敏度?为了提高传感器的灵敏度可采取什么措施并应注意什么问题

?

14.试分别说明图7的二种光电式传感器的工作原理。

15.将一支灵敏度为0.08 mV/°C 的热电偶与电压表相连，电压表接线端处温度为 50°C 。电压表上读数为60mV ，则热电偶热端温度为多少？

16. 光敏电阻有哪些重要特性，在工业应用中是如何发挥这些特性的？

答：光敏电阻是采用半导体材料制作，利用内光电效应工作的光电元件。它的重要特性是在无光照时阻值非常大，相当于断路，有光照时阻值变得很小，相当于通路。在工业应用中主要就是通过光的变化来各种电路的控制。

17. 图8所示为一个采用霍尔传感器的液位控制系统。简述其工作原理。

图8霍尔传感器的液位控制系统示意图

18. 需要用间接测量方式来测量一个大直径金属圆柱体的直径，请选择适当原理的传感器件、设计组合传感器测量系统方案。画出系统组成示意图、说明系统工作原理。

选两只电涡流传感器（3分），分别布置在被测体两侧，分别测量两传感器距柱体表面的间距（3分），由两传感器之间的间距减去两传感器与柱面的距离可得被测体直径（3分）。图（1分）略。

或者，选两个直射式光电传感器，选用光敏二极管（3分），两传感器平行布置在被测体两侧，确定两传感器直射光中心线之间的距离和各自的光通路宽度，同时使两光电传感器的直射光各有一部分被与圆柱体遮挡（3分）。由光敏二极管输出的光电信号强度分别得到柱体所遮挡的阴影深度，计算由两传感器之间的中心间距减去两传感器光通路宽度的一半，再加上由两传感器输出光电信号得到的阴影深度，即得到被测体直径（3分）。图（1分）略

3.采用阻值为120Ω灵敏度系数K=2.0的金属电阻应变片和阻值为120Ω的固定电阻组成电桥，供桥电压为4V，并假定负载电阻无穷大。当应变片上的应变分别为1和1 000时，试求单臂、双臂和全桥工作时的输出电压，并比较三种情况下的灵敏度。(12分)

最低，双臂时为其两倍，全桥时最高，为单臂的四倍