《传感器与检测技术》题库

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1. 金属电阻应变片与半导体材料的电阻应变效应有什么不同?

答：金属电阻的应变效应主要是由于其几何形状的变化而产生的，半导体材料的应变效应则主要取决于材料的电阻率随应变所引起的变化产生的。

2. 为什么说压电式传感器只适用于动态测量而不能用于静态测量?

答：因为压电式传感器是将被子测量转换成压电晶体的电荷量，可等效成一定的电容，如被测量为静态时，很难将电荷转换成一定的电压信号输出，故只能用于动态测量。

3. 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?

答：如图所示是一直线位移型电容式传感器的示意图。

当动极板移动△x 后，覆盖面积就发生变化，电容量也随之改变，其值为

C =εb （a -△x ）/d =C 0-εb ·△x /d （1）

电容因位移而产生的变化量为

a

x C x d b

C C C ?-=?-=-=?00ε 其灵敏度为 d b x C K ε-=??= 可见增加b 或减小d 均可提高传感器的灵敏度。

直线位移型电容式传感器

4. 变间隙电容传感器的测量电路为运算放大器电路，如图4所示。C 0=200pF ，传感器

的起始电容量C x0=20pF,定动极板距离d 0=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u 1=5sinωt V 。求当电容传感动极板上输入一位移量

△x =0.15mm 使d 0减小时,电路输出电压u 0为多少?

i

Ｃ

图4 运算放大器电路

解：由测量电路可得

?

?sin

45

sin

5

15

.0

5.1

5.1

20

200

=

?

-

?

=

?

-

-

=

-

=t

u

x

d

d

C

C

u

C

C

u

i

x

i

x

/V

5.如图5所示正方形平板电容器,极板长度a =4cm,极板间距离δ=0.2mm.

若用此变面积型传感器测量位移x,试计算该传感器的灵敏度并画出传感器的特性曲线.极板间介质为空气,F/m

10

85

.812-

?

=

ε。

图5 所示正方形平板电容器

解：这是个变面积型电容传感器，共有4个小电容并联组成。

32

.

28

10

2

10

85

.8

10

16

4

4

3

12

4

2

=

?

?

?

?

?

=

=

-

-

-

δ

εa

C /pF

x

kx

C

x

a

a

C

x

8.

70

32

.

28

)

(

4

0-

=

+

=

-

=

δ

ε

(x的单位为米)

δ

ε)

4

ax

C

C

C

x

-

=

-

=

?

8.

70

10

2

10

4

10

85

.8

4

4

3

2

12

0-

=

?

?

?

?

?

-

=

-

=

-

=

-

-

-

δ

εa

x

C

C

K x /pF

cm

6. 有一平面直线位移差动传感器特性其测量电路采用变压器交流电桥，结构组成如图

6所示。电容传感器起始时b 1=b 2=b =200mm ，a 1=a 2=20mm 极距d =2mm ，极间介质为空

气，测量电路u 1=3sinωt V ，且u=u 0。试求当动极板上输入一位移量△x =5mm 时,电

桥输出电压u 0。

u i

图6 平面直线位移差动传感器 解：根据测量电路可得

t t u a x u C C u u i i ??sin 750sin 320

500=?=?=?==/mV 7. 热电阻传感器的测量电路有哪些？说明每种测量电路的特点。

答：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t t R R 21=，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。

8. 试分析金属导体产生接触电动势和温差电动势的原因。

答：当A和B两种不同材料的导体接触时，由于两者内部单位体积的自由电子数目不同(即电子密度不同)，因此，电子在两个方向上扩散的速率就不一样。现假设导体A的自由电子密度大于导体B的自由电子密度，则导体A扩散到导体B的电子数要比导体B扩散到导体A的电子数大。所以导体A失去电子带正电荷，导体B 得到电子带负电荷，于是，在A、B两导体的接触界面上便形成一个由A到B的电场。该电场的方向与扩散进行的方向相反，它将引起反方向的电子转移，阻碍扩散作用的继续进行。当扩散作用与阻碍扩散作用相等时，即自导体A扩散到导体B 的自由电子数与在电场作用下自导体B到导体A的自由电子数相等时，便处于一种动态平衡状态。在这种状态下，A与B两导体的接触处就产生了电位差，称为接触

电动势。对于导体A或B，将其两端分别置于不同的温度场t、t

0中(t> t

)。在导

体内部，热端的自由电子具有较大的动能，向冷端移动，从而使热端失去电子带正电荷，冷端得到电子带负电荷。这样，导体两端便产生了一个由热端指向冷端的静电场。该电场阻止电子从热端继续跑到冷端并使电子反方向移动，最后也达到了动态平衡状态。这样，导体两端便产生了电位差，我们将该电位差称为温差电动势。9.已知镍铬-镍硅(K)热电偶的热端温度t＝800℃，冷端温度t

＝25℃，求E(t，to) 是多少毫伏?

解：由镍铬-镍硅热电偶分度表可查得E(800，0)=33.275mV，E(25，0)=1.024 mV，故可得 E(800，5)=33.275-1.024=32.251mV

10.如图7所示之测温回路，热电偶的分度号为K，毫伏表

的示值应为多少度?

答：毫伏表的示值应为(t1-t2-60)℃。

11.用镍铬-镍硅(K)热电偶测量温度，已知冷端温度为40

℃，用高精度毫伏表测得这时的热电动势为29.188mV，

求被测点的温度。

解：由镍铬-镍硅热电偶分度表查出E(40，0)=1.638mV，

计算出30.826mV

1.638)mV

(29.188

E(t,0)=

+

=

再通过分度表查出其对应的实际温度为

图7热电偶测温回路

9.740129

.29275.3310029.129)-(30.826700t =-?+=℃ 12.用镍铬-镍硅(K)热电偶测量某炉温的测量系统如图8所示，已知：冷端温度固

定在0℃，t 0＝30℃，仪表指示温度为210℃，后来发现由于工作上的疏忽把补偿

导线B A ''和，相互接错了，问：炉温的实际温度t 为多少度?

解：实际温度应为270℃，因为接反后不但没有补偿到，还抵消了30℃，故应该加上60℃。

13.常用的半导体光电元件有哪些?它们的电路符号如何?

答：常用的半导体光电元件有光敏二极管、光敏三极管和光电池三种。

它们的电路符号如下图所示：

光敏二极管 光敏三极管 光电池

14.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。

15.光纤传感器的性能有何特殊之处？主要有哪些应用？

答：光导纤维传感器(简称光纤传感器)是七十年代迅速发展起来的一种新型传感器。光纤传感器具有灵敏度高，不受电磁波干扰，传输频带宽，绝缘性能好，耐水抗腐蚀性好，体积小，柔软等优点。目前已研制出多种光纤传感器，可用于位移、速度、加速度、液位、压力、流量、振动、水声、温度、电压、电流；磁场、核辐射等方面的测量。应用前景十分广阔。

16.红外线温度传感器有哪些主要类型？它与别的温度传感器有什么显著区别？

答：能把红外辐射转换成电量变化的装置，称为红外传感器，主要有热敏型和光电型两大类。

热敏型是利用红外辐射的热效应制成的，其核心是热敏元件。由于热敏元件的响

应时间长，一般在毫秒数量级以上。另外，在加热过程中，不管什么波长的红外线，

只要功率相同，其加热效果也是相同的，假如热敏元件对各种波长的红外线都能全部吸收的话，那么热敏探测器对各种波长基本上都具有相同的响应，所以称其为“无选择性红外传感器”。这类传感器主要有热释电红外传感器和红外线温度传感器两大类。

光电型是利用红外辐射的光电效应制成的，其核心是光电元件。因此它的响应时间一般比热敏型短得多，最短的可达到毫微秒数量级。此外，要使物体内部的电子改变运动状态，入射辐射的光子能量必须足够大，它的频率必须大于某一值，也就是必须高于截止频率。由于这类传感器以光子为单元起作用，只要光子的能量足够，相同数目的光子基本上具有相同的效果，因此常常称其为“光子探测器”。这类传感器主要有红外二极管、三极管等。

17.模拟式光电传感器有哪几种常见形式?

答：模拟式光电传感器主要有四种。（1）被测物是光源它可以直接照射在光电元器件上，也可以经过一定的光路后作用到光电元器件上，光电元器件的输出反映了光源本身的某些物理参数，如图13a所示。如光电比色高温计和照度计。

（2）恒定光源发射的光通量穿过被测物，其中一部分由被测物吸收，剩余的部分投射到光电元件上，吸收量取决于被测物的某些参数，如图13b所示。如测量透明度、浑浊度等。

（3）恒定光源发出的光投射到被测物上，再从被测物体反射到光电元器件上。反射光通量取决于反射表面的性质、状态和与光源之间的距离，如图13c所示。如测量工件表面粗糙度、纸张白度等。

（4）从恒定光源发射出的光通量在到达光电元件的途中受到被测物的遮挡，使投

被测物

光电

元件

a)被测物是光源b)被测物吸收光通量

被测物

恒光源

光电

元件

恒光源

被测物

光电元件恒光源被测物光电

元件

射到光电元件上的光通量减弱，光电元件的输出反映了被测物的尺寸或位置，如图13d所示。如工件尺寸测量、振动测量等。

18.说明为什么导体材料和绝缘体材料均不宜做成霍尔元件？

答：因为导体材料的μ虽然很大，但ρ很小，故不宜做成元件，而绝缘材料的ρ虽然很大，但μ很小，故也不宜做成元件。

19.为什么霍尔元件一般采用N型半导体材料？

答：因为在N型半导体材料中，电子的迁移率比空穴的大，且μn>μp，所以霍尔元件一般采用N型半导体材料。

20.霍尔集成传感器有哪几种类型？其工作特点是什么？

答：霍尔集成传感器有霍尔线性集成传感器和霍尔开关型集成传感器两种类型。

集成霍尔传感器的特点主要是取消了传感器和测量电路之间的界限，实现了材料、元件、电路三位一体。集成霍尔传感器与分立相比，由于减少了焊点，因此显著地提高了可靠性。此外，它具有体积小、重量轻、功耗低等优点。

21.设计一个采用霍尔传感器的液位控制系统，要求画出磁路系统示意图和电路原理简

图，并说明其工作原理。

答：液位控制系统原理如图所示，霍尔元件固定不动，磁铁与探测杆固定在一起，连接到装液体的容器旁边，通过管道与内部连接。当液位达到控制位置时霍尔元件输出控制信号，通过处理电路和电磁阀来控制液压阀门的开启和关闭，如液位低于控制位置时开启阀门，超过控制位置时则关闭阀门。

22.思考有哪些可以用霍尔传感器检测的物理量以及霍尔传感器应用的领域。

答：可以用霍尔传感器来检测的物理量有力、力矩、压力、应力、位置、位移、速度、加速度、角度、转速、磁场量等等。

23.超声波有哪些传播特性？

答：超声波是一种在弹性介质中的机械振荡，它是由与介质相接触的振荡源所引起的。振荡源在介质中可产生两种形式的振荡，即横向振荡和纵向振荡。横向振荡只能在固体中产生，而纵向振荡可在固体、液体和气体中产生。

超声波的一种传播特性是在通过两种不同的介质时，产生折射和反射现象，

超声波的另一种传播特性是在通过同种介质时，随着传播距离的增加，其强度因介质吸收能量而减弱。

24.应用超声波传感器探测工件时，在探头与工件接触处要涂有一层耦合剂，请问这是

为什么？

答：主要是为了使超声波更好地穿透到工件内，减少反射量，达到更好的测量效果。

25.根据你已学过的知识设计一个超声波探伤使用装置（画出原理框图），并简要说明

它探伤的工作过程？

答：可采用穿透法探伤，原理框图如下图。穿透法探伤是根据超声波穿透工件后的能量变化状况，来判别工件内部质量的方法。穿透法用两个探头，置于工件相对面，一个发射超声波，一个接收超声波。发射波可以是连续波，也可以是脉冲。在探测中，当工件内无缺陷时，接收能量大，仪表指示值大；当工件内有缺陷时，因部分能量被反射，接收能量小，仪表指示值小。根据这个变化，就可以把工件内部缺陷

检测出来。

26.对传感器输出的微弱电压信号进行放大时，为什么要采用测量放大器？

答：因为测量放大器不但具有很高的放大倍数，而且具有十分稳定的输出特性，符合传感器微弱信号放大的要求。

27.检测装置中常见的干扰有几种?采取何种措施予以防止?

答：检测装置中常见的干扰有外部噪声和内部噪声两大类。外部噪声有自然界噪声源(如电离层的电磁现象产生的噪声)和人为噪声源(如电气设备、电台干扰等)；内部噪声又名固有噪声，它是由检测装置的各种元件内部产生的，如热噪声、散粒噪声等。采用的抑制技术主要有屏蔽技术、接地技术、浮置技术、平衡电路、滤波技术和光电隔离技术等。

28.屏蔽有几种型式?各起什么作用?

答：屏蔽主要有静电屏蔽、电磁屏蔽、低频磁屏蔽和驱动屏蔽四种。静电屏蔽能防止静电场的影响，电磁屏蔽能削弱高频电磁场的影响，低频磁屏蔽主要是为了抗低频磁场的干扰，驱动屏蔽能有效地抑制通过寄生电容的耦合干扰。

29.接地有几种型式?各起什么作用?

答：接地有信号地、电源地和保护地三种。信号地主要将信号的零电位接地，电源地是电源的零电位，保护地则是系统的零电平。