传感器题库.

传感技术试题

班级学号姓名

一、选择题(每题3分)

1．传感器能检测到最小输入增量称。

A．灵敏性B．分辨率C．阈值（）2．热电偶传感器是属于。

A．物性型B．结构型C．结合型（）3．霍尔元件可测。

A．电流B．电阻C．电压（）4．金属丝应变式传感器动态响应与什么有关。

A．栅长B．测力C．栅宽（）5．磁电式传感器的原理基础是。

A．压电效应B．磁电效应C．热电效应（）6．压电式传感器采用电荷放大器，其优点是电缆的长短不受限制和。

A．高频响应好B．阻抗低C．低频响应好（）7．下列哪一种传感器属于磁电式传感器

A．霍尔式传感器B．电阻应变片C．热敏电阻（）

8．

二、空题(每题3分)

1．热电偶回路中接入第三种导体时，只要，则此导体的接入不影响原来热电偶回路的热电势。

2．压电式传感器采用电荷放大器，其优点是，。3．动态标定时所用标准信号是、、和。

4．磁电式传感器是以原理为基础的。

5．半导体电阻材料结晶体的晶向表示方法有两种，一种是截距法，另一种是法线法。

6．物性型传感器是利用某些材料本身的变化而实现测量。

7．传感器发展的新趋向包括的新动向和传感器的新趋势这两方面的内容。

8．当金属丝在外力作用下发生机械变形时，，这种现象称为金属的电阻应变效应。

9．传感器转换能量的理论基础都是利用物理学、化学等各种现象和效应来进行能量形式的变换。

10．应变式传感器是利用金属的电阻应变效应，将测量物体变形转换成电阻变化的传感器。

11．通常应变片的温度补偿误差的方法有应变片自补偿法和线路补偿法。

12．自感式传感器可将被测量变化转换为传感器线圈自感量的变化。

线圈的自感量取决于线圈的匝数和磁路的总磁阻。

三、综合题

1．简述传感器的组成及各部分的作用。(10分)

传感器一般由敏感元件、转换元件、基本转换电路三部分组成，见下图：

电量

传感器组成框图

敏感元件：它是直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的某一物理量的元件。

转换元件：敏感元件的输出就是它的输入，它把输入转换成电路参量。

基本转换电路：上述电路参数接入基本转换电路(简称转换电路)，便可转换成电量输出。

2．简述传感器的静态数学模型及表达式，并说明其含义。（4分） 答：静态数学模型是指在静态信号作用下得到的数学模型。若不考虑误差，传感器的静态模型可用n 次方代数方程式来表示，即

n n x a x a x a a y ++++= 2210

式中：x 为输入量：y 为输出量；a 。为零位输出，a 1为传感器线性灵敏度；a 2，a 3，…，a n 为非线性项的待定常数。

3．感器的静态特性的主要技术指标是什么?如何标定? (10分) 感器的静态特性的主要技术指标是：线性度、灵敏度、迟滞和重复性。

标定的基本方法是，利用标准仪器产生已知的非电量作为输入量，输入到待标定的传感器中，然后将传感器的输出量与输入的标准量作比较，获得一系列数据或曲线。一般输入的标准量是利用一个标准传感器检测而得，这时的标定实质上是待标定传感器与标准传感器之间的比较。

传感器标定时的环境温度一般为室温(20℃±5C)、相对湿度不大于85％、气压为(101±7)kPa 等条件。标定步骤如下：

1)将传感器全量程(测量范围)分成若干等间距点。

2)根据传感器量程分点情况，由小到大、逐点递增输入标准量值，并记录下与各点输入值相对应的输出值。

3)将输入量值由大到小、逐点递减，同时记录下与各点输入值相对应的输出值。

4)按2)、3)所述过程，对传感器进行正、反行程往复循环多次(一般为3～10次)测试，将得到的输出一输入测试数据用表格列出或画成曲线。

5)对测试数据进行必要的处理，根据处理结果就可以得到传感器校正曲线，进而可以确定出传感器的灵敏度、线性度、迟滞和重复性。

4．应用应变片进行测量为什么要进行温度补偿？试说明一种温度补偿方法的工作原理。(10分)

答：在使用应变片测量时，由于环境温度变化所引起的电阻变化与试件应变所造成的电阻变化几乎有相同的数量级，所以需要进行温度补偿。

温度误差应从两方面考虑：1)敏感栅电阻随温度的变化引起的误差。

2)试件材料的线膨胀引起的误差。

当温度变化t ?时，应变片的热输出为

()t t k s g t

t ?-+?=αααε

通常补偿温度误差的方法有应变片自补偿法和线路补偿法。

选用单丝单丝自补偿法：使0=t ε 必须满足

()t k s g t ?--=ααα

对于给定的试件(g α给定)，可适当选取栅丝的温度系数t α及膨胀系数s α，以满足上式，可在一定温度范围内进行补偿。

5．相同成分材料的热电极，能否构成热电偶？为什么？（4分） 答：不能。

如果构成热电偶的两个热电极为材料相同的导体，即B A σσ=，N A =N B 。则无

论两结点温度如何，热电偶回路内的总热电动势为零。

()B A AB N N e T T k T T E ln )(,00-=+?-T T B A dT 0)(σσ

因此，热电偶必须采用两种不同的材料作为热电极。

6．为什么实际应用中要对热电偶进行补偿？

7．简述霍尔效应（要求图示）。（6分）

在导体或半导体薄片两端面通

以电流密度为I 的控制电流，

并在薄片的垂直方向上施加磁

感应强度为B 的磁场，那么，

在垂直于电流和磁场的方向上

将产生横向电场强度U H ，这种现象称为霍尔效应。

8．分析变间隙式差动式电容传感器的灵敏度及其相对非线性误差。（6分）

答：静态灵敏度是被测量缓慢变化时传感器电容变化量与引起其变化的被测量变化之比。对于变极距型，静态灵敏度k g 为

??

? ???-=??=δδδδ/110C C k g 因为?δ／δ<1，将上式展开成泰勒级数得

???

?????+??? ???+??? ???+??? ???+?+= 43201δδδδδδδδδC k g

可见其灵敏度是初始极板间距δ的函数，同时还随被测量而变化。减小δ可以提高灵敏度。对变极距型差动式电容传感器而言，当极板间距δ变化?δ时 ，其中一个电容器的电容C 1随位移增加，另一个电容器的电容C 2则减小。其电容量随之变化为

???

?????+??? ???+??? ???+?+?=? 42012δδδδδδδδC C

与单组式相比，差动式的非线性得到了很大的改善，静态灵敏度提高一倍。

9．若在造纸生产过程中采用电感式传感器测纸页的厚度，请提出可行的测量方案。 （6分）

10．试分析金属应变片的横向效应。

答：粘贴在受单向拉伸力试件上的应变片，如图，其敏感栅是由多条直线和圆弧部分组成。各直线段上的金属丝只感受沿轴向拉应变x ε，电阻值将增加，但在圆弧段上，沿各微段轴向(即微段圆弧的切向)的应变却并非是x ε ，因此与直线段上同样长度的微段所产生的电阻变化就不相同，最明显的在2πθ=处微圆

弧段上，按泊松关系，在垂直方向上产生负的压应度y ε，因此该段的电阻是减

小的。而在圆弧的其他各段上，其轴向感受的应变由+x ε变化到-y ε。由此可见，

将直的电阻丝绕成敏感栅之后，虽然长度相同，但应变状态不同，其灵敏系数 降低了。这种现象称横向效应。

11．请回答，热敏电阻具有那些特点？

它主要有如下特点：

①电阻温度系数大，灵敏度高，比一般金属电阻大10—100倍； ②结构简单，体积小，可以测量点温度；

③电阻率高，热惯性小，适宜动态测量；

④阻值与温度变化呈非线性关系；

⑤稳定性和互换性较差。

12．在热电极为A 、B 材料构成热电偶回路中，试证明：

()()T E T E BA AB -=（4分）

证明：

()()()()

()???--=+-=+-=T T B A B A T T B T T A B A B A AB AB dT N N e kT dT dT N N e kT T T e T T e T e T E 000

ln ln ,,00σσσσ

()()()()

()()T E dT N N e kT dT dT N N e kT dT dT N N e kT T T e T T e T e T E AB B A B A T T T T A B B A T T A T T B A B A B BA BA =???

?????---=+--=+-=+-=?????σσσσσσln ln ln ,,000

000

()()T E T E BA AB -=∴

13．简述热电偶传感器原理（要求图示）。（6分）

14．压电式传感器能否用于静态测量？为什么？（6分）

答：不能。因为压电转换元件的主要缺点是无静态输出。压电效应属于一种静电效应，压电元件受力所产生的电荷是非常微弱的。只有当外电路为开路时，压电效应所产生的电荷才能长期保持。若负载电阻R i 不是无穷大，则电路就要以时间常数a i C R =τ按指数规律放电，当放电时间等于()τ4~3时，电压U a 趋近于零。

15．请绘出霍尔元件的基本电路图，并叙述其工作原理。（6分）

16．简述结构型传感器的含义。答：主要是通过机械结构的几何形

状或尺寸的变化将外界被测量转换为相应电阻、电感、电容等物理量的变化，从而检测出被测量信号。

17.简述物性型传感器的含义。答：是利用某些材料本身物理性质的变化而实现测量。它是以半导体、电介质、铁电体等作为敏感材料的固态器件。

18. 简述金属应变片的横向效应。

19．金属应变片与半导体应变片在工作原理有什么不同？

20．什么是应变片的灵敏度系数？它与电阻丝的灵敏系数有什么不同？为什么？

21．热电偶的热电特性与热电极的长度和直径是否有关？为什么？22．霍尔元件为什么通常制成薄片状？若元件厚度过薄会出现什么问题？

23．阐述电感式传感器调频电路的工作原理，并推导f?和?L的关系。

答：基本原理是传感器自感L变化将引起输出电压频率f的变化。一般是把传感器自感L和一个固定电容C接入一个振荡回路中，如图3—17a所示。

图中G 表示振荡回路，其振荡频率LC f π21

= ，当L 变化时，振荡频率随之

变化，根据f 的大小即可测出被测量之值。

当L 有了微小变化?L 后，频率变化f ?为

()()()()L L f L C LC f /2/4/2/3??-=?-=?-π

24．阐述电感式传感器调相电路的工作原理，并推导??和?L 的关系。

调相电路的基本原理是传感器电感L 变化将引起输出电压相位?变化，图3—18a 所示是一个相位电桥，一臂为传感器L ，一臂为固定电阻R 。设计时使电感线圈具有高品质因数。忽略其损耗电阻，则电感线圈与固定电阻上压降

L

U 与R U 二个向量是互相垂直的，如图3—18b 所示。 当电感L 变化时，输出电压O

U 的幅值不变，相位角?随之变化。?与L 的关系为

()R L /arctan

2ω?-= (3-58) 式中 ω——电源角频率。

在这种情况下，当L 有了微小变化?L 后，输出电压相位变化??为

()()

L L R L R L ?+=?2/1/2ωω? (3-59) 图3—18c 示出了?与L 的特性关系。

25．试分析霍尔元件输出接有负载R L 时，利用恒压源和输入回路串联电阻R 进行温度补偿的条件。

四、计算题(每题10分)

1．如图所示，应变片4321R R R R ===，粘贴于测力元件的四周，在

外力kg F 5=的作用下，Ω=?=?5.021R R ，设电桥电源电压为10V 时，画出电桥电路，并求输出电压?

解：设R R R R R ====4321，

Ω=?=?=?5.021R R R

电路如图。

其输出电压：

105

.025.022********

110?+=?+?=??? ???+-?+?+=???? ???++-+?+?+=R u R R R u R R R R R R R u R R R R R R R R R u 2．差动电容传感器接入变压器电桥，

当变压器二次侧电压有效值如

图为Vi ／2，变极距型电容传感器初极距为0δ，极而积为S ，当改变

δ?后，求空载输出电压V o 与δ?的关系?

3．如图所示，单组式变面积型圆柱形线位移电容传感器，其可动极筒外径为9.8mm ，定极筒内径为10mm ，两极筒遮盖长度为1mm ，极筒间介质为空气，试求其电容值？当供电频率为60Hz 时，求其容抗值？

解：

由 ??? ??=12ln 2r r l C πε得电容值， f C

j X c πωω2,1==得容抗值。

4、如图所示，

圆筒形金属容器中心放置一个带绝缘套管的圆柱形电

极用来测量介质液位。绝缘材料相对介电常数为ε1，被测液体相对介电常数为ε2，液面上方气体相对介电常数为ε3，电极各部位尺寸如图所示，并忽略底面电容。求：当被测液体为导体及非导体时的两种情况下，分别推导出传感器特性方程C＝f(H)。（6分）

5、以若干阻值R＝100Ω、灵敏系数K＝2.5的电阻应变片与阻值R ＝100Ω的固定电阻组成电桥，供桥电压为10V，并假定负载电阻为无穷大，当应变片应变为3

ε时，若要求输出电压大于10mV，

10-

=

可采用何种连桥方式？试画出连桥方式图并计算电桥的输出电压值。（6分）

6、某螺管型差动式自感传感器（如图）的结构参数为N=800匝、h=10mm、t=6mm、d2=10mm、d1=2mm，并设3.1=

α，1）试求在平衡状态下单个线圈的电感量L0=？2）若将其接入变压器电路，

电桥变压器二次侧电源频率为10000Hz ，V u 9.02

=，设电感线圈有效电阻可忽略，求该传感器灵敏度?=z k

7．某霍尔元件31.035.00.1cm d b l ??=??，沿l 方向通以电流I=1.0 mA ，在垂直lb 面方向加有均匀磁场B=0.3T ，传感器的灵敏度系数为22V/A ·T ，试求其输出霍尔电动势及载流子浓度。

8. 参照电桥电路图，试说明下述三种情况下测量桥路的输出表达式各具有什么特点：

(1)桥臂电阻的原始值R R R R R ====4321仅R 1为电阻应变片，其余桥臂为固定电阻。R 1所感测的应变为1ε，相应的电阻变化量为1R ?；

(2)桥臂电阻的原始值R R R R R ====4321，其中3R 和4R 为固定电阻，1R 和2R 是两个完全相同的电阻应变片(其感测的应变分别为1ε和

2ε，且21εε-=)；

(3)四个桥臂电阻由四个完全相同的电阻应变片构成，而且各电阻应变片所感测的应变具有4321εεεε=-=-=的关系。

9．设动电极的位移d ?与差压p ?成正比，即p K d ?=?1如图所视。试分析差动电容与差压p ?之间的关系。

电桥电路

10、有一悬臂梁受力F作用如图所示。已知其梁的材料泊桑比为0.3，电阻应变片的灵敏系数为3，贴片位置如图。若受拉力P作用，问○1为了测量F力大小，应如何正确组成电桥（请画出电桥图）？○2当供桥电压为5V，应变片R1和R3产生200με（1με＝1×10－6），

电桥输出电压是多少？（15分）

答：

a

按如图所示组桥。---------------------------------------------------------------6分

μεμεεε602003.0142-=?-=-==-------------------------------------------------------------3分

mV 9.110)6060200200(345)(s 4e )R R R R R R R R (4e e 64231o 44223311o y 5=?+++??=--+=--+=-εεεε????

11、某位移传感器的静态标定数据如下表所示：

试求：1)U 2)传感器的灵敏度，线性度，滞后量。（12分）

答：根据平均法：

?????=∑∑==7171i i i i x b y 即)0248420()1.02.42.8168.79.30(++++++=++++++b 则b=2.01

灵敏度为2.01V/mm

实际与拟合直线最大误差为0.24，线性度：

%.%100.e 5116240=?=

滞后量：0.4或2.5%