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传感器与应用一、填空题（每空1分，共25分）1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 .2用弹性元件和电阻应变片及一些附件可以组成应变片传感器，按用途划分用应变式 力 传感器、应变式 加速度传感器等（任填两个）。3.采用热电阻作为测量温度的元件是将温度 的测量转换为 电阻的测量。 4单线圈螺线管式电感传感器主要由线圈、铁磁性外壳和可沿线圈轴向 移动的活动铁芯 组成。5利用涡流式传感器测量位移时，为了得到较好的线性度和较好的灵敏度，应该让线圈与被测物的距离大大小于 线圈半径6空气介质变隙式电容传感器中，提高灵敏度和减少非线性误差是矛盾的，为此实际中大都采用 差动 式电容传感器7振筒式传感器是以均匀 薄壁圆筒 作为敏感元件，将被测气体压力或密度的变化转换成 频率。8由光电管的光谱特性看出，检测不同颜色的光需要选用光电阴极材料不同的光电管，以便利用光谱特性 灵敏度较高 的区段。9按热电偶本身结构划分，有 普通 热电偶、铠装热电偶、薄膜 热电偶。10硒光电池的光谱响应区段与 人类 相近，因而得到应用。11热敏电阻正是利用半导体 载流子数目随着温度变化而变化的特性制成的 温度 敏感元件。12当半导体材料在某一方向承受应力时，它的 电阻率发生显著变化的现象称为半导体压阻效应。用这个原理制成的电阻称固态 压敏电阻 。13磁敏二极管工作时加 正向 电压。由于它的磁灵敏很高，特别适用于测量 弱磁场 。二、选择题（每小题2分，共16分，7、8两题答案不止一个）1电阻应变片的初始电阻数值有多种,其中用的最多的是 （B）。A 60B 120C 200D 3502电涡流式传感器激磁线圈的电源是（ C ）。A 直流 B 工频交流 C高频交流 D低频交流3变间隙式电容传感器的非线性误差与极板间初始距离d0之间是（B）。A 正比关系B 反比关系C 无关系4单色光的波长越短，它的（A ）。 A 频率越高，其光子能量越大 B 频率越低，其光子能量越大C 频率越高，其光子能量越小 D 频率越低，其光子能量越小5热电偶可以测量（ C ）。 A 压力 B 电压 C 温度 D 热电势6光敏电阻适于作为（B ）。 A 光的测量元件 B 光电导开关元件 C 加热元件 D 发光元件7目前我国使用的铂热电阻的测量范围是（ AD ）。A -200850 B -50850 C -200150 D -2006508差动变压器传感器的配用测量电路主要有 （ AB ）。A 差动相敏检波电路 B 差动整流电路 C 直流电桥 D 差动电桥传感器与应用试卷A填空选择题答案及评分标准一、填空题（每空1分，共25分）1变化量 变化量 常数2力 压力（加速度）3温度 电阻4铁磁性外壳 移动的活动铁芯5线圈与被测物 线圈半径6差动7薄壁圆筒 频率8光电阴极材料 灵敏度较高9普通 薄膜10人类11载流子 温度12电阻率 压敏电阻13正向 弱磁场二、选择题（每小题2分，共16分）1B2C3B4A5C6B7A D8A B传感器与应用试卷A-综合题3、 简述电涡流式传感器的工作原理（每空1分，共11分）传感器的激磁线圈通正弦 交变电流 时，在其周围产生交变 磁场 ，使被测金属导体内产生 电涡流 。它的存在在消弱激磁线圈内 磁场 的变化。使线圈 等效阻抗 发生变化（对比无被测金属时变 小 ）。该变化完全取决于被测金属导体的电涡流效应。而电涡流效应的大小与被测金属导体的电阻率、磁导率及几何形状有关，又与线圈的几何尺寸、线圈中激磁电流的 频率 有关，还与线圈与被测金属导体间的 距离 等参数有关。如果保持上述中的其它参数不变，而只改变其中的一个参数，则传感器的 线圈的阻抗 就仅仅是这个参数的 单值 函数。通过测量线圈 阻抗 的变化量，即可实现对该参数的测量。四、简答题（共8分） 1图1是 差动 式 电容 加速度传感器结构示意图。2图1中各编号名称：是 质量块 ；是 固定极板 。五、简答题（共7分）图21图2是 压阻 式加速度传感器结构示意图。2图2中各编号名称：是 四个扩散 电阻；是 硅梁 ；是 质量块 ；是 基座 ；六简答题（共6分）。 图 3在图3所示的电桥中，R1=1000，R3=1500，C2=1F时电桥平衡。电容C4是多少？ 答：根据平衡条件，C4= C2 R1/ R3=1*1000/15000.667F七简答题（共15分）某CO2气体传感器在20。C，浓度范围为0100ppm时的输入特性表示为Rx=x+250(k),用差动法回答以下问题（其中R1=10M,E=2V）: 利用最简单的电阻-电压变换电路，绘出X，V0的关系图。 利用电桥进行电阻-电压变换电路，绘出20 。C时X，V0的关系图。另外，当30。C时，Rx=x+500(k)，在同一张图上再加上X，V0的关系图，然后进行比较。 采用两个差动法的传感器电路绘出20。C，30。C时X，V0的关系，然后与（2）中的图形进行比较。 答：20。C时，0100ppm对应得电阻变化为250350 k。o V0在48.7867.63mV之间变化。 o 如果R2=10 M，R3=250 k，20。C时，V0在018.85mV之间变化。30。C时V0在46.46mV（0ppm）64.43mV（100ppm）之间变化。 20。C时，V0为018.85mV，30。C时V0为017.79mV，如果零点不随温度变化，灵敏度约降低4.9%。但相对（2）得情况来说有很大的改善。八简答题（12分）（1）采用超声波或光脉冲信号，由从对象反射回来的脉冲的时间进行距离检测，空气中的音速为340m/s，软钢中纵波的因素为5900 m/s，光的速度为3*108 m/s，求这三种情况下1 ms的往复时间对应得距离。根据计算结果，比较采用光脉冲所需要系统得信号处理速度要比采用超声波脉冲时的系统速度快几倍？（2）根据（1）的结果，讨论利用脉冲往复时间测距，采用超声波和光波各有什么特点。答：（1）1 ms的时间内超声波在空气和软钢中的传播距离分别为0.17m和3.0m，而光的传播距离为1.5*105 m，故要求有105倍高的处理速度。（2）采用光时，1m的处理速度只能测量100m以上的距离，不能进行近距离测量。如果要求分辨力为1m，则要求10ns的处理速度。所以光脉冲法用于远距离分辨率要求不高的场合，而超声波用于近距离测量。传感器与应用试卷A-综合题答案2009-03-07 16:37三、简述电涡流式传感器的工作原理（每空1分，共11分）交变电流 磁场 电涡流 磁场 等效阻抗 小 频率 距离 线圈的阻抗 单值 阻抗四、简答题（共8分）1差动 电容（4分）2质量块（2分）固定极板（2分）五、简答题（共7分）1压阻（固态压阻、扩散硅压阻）24个扩散电阻 硅梁 质量块 基座六简答题（共6分）。答：根据平衡条件，C4= C2 R1/ R3=1*1000/15000.667F。七简答题（共15分）答：20。C时，0100ppm对应得电阻变化为250350 k。o V0在48.7867.63mV之间变化。 o 如果R2=10 M，R3=250 k，20。C时，V0在018.85mV之间变化。30。C时V0在46.46mV（0ppm）64.43mV（100ppm）之间变化。 o 20。C时，V0为018.85mV，30。C时V0为017.79mV，如果零点不随温度变化，灵敏度约降低4.9%。但相对（2）得情况来说有很大的改善。 八简答题（12分）答：（1）1 ms的时间内超声波在空气和软钢中的传播距离分别为0.17m和3.0m，而光的传播距离为1.5*105 m，故要求有105倍高的处理速度。（2）采用光时，1m的处理速度只能测量100m以上的距离，不能进行近距离测量。如果要求分辨力为1m，则要求10ns的处理速度。所以光脉冲法用于远距离分辨率要求不高的场合，而超声波用于近距离测量。一,填空:(50分)1.热电偶所产生的热电势是由两种导体的接触电势和单一导体的温差电势组成的,其表达式为Eab(T,To)=.在热电偶温度补偿中,补偿导线法(即冷端延长线法)是在连接导线 和热电偶之间,接入延长线它的作用是将热电偶的参考端移至离热源较远并且环境温度较稳定的地方,以减小冷端温度变化的影响.(7分)2.光电传感器的工作原理是基于物质的光电效应,目前所利用的光电效应大致有三大类:第一类是利用在光线作用下光电子逸出物体表面的外光电效应,这类器件有光电管,光电倍增管等;第二类是利用在光线作用下使材料内部电阻率改变的内光电效应,这类器件有光敏电阻等;第三类是利用在光线作用下使物体内部产生一定方向电动势的光生伏特效应,这类器件有光电池,光电仪表.(6分)3.电位器或电阻传感器按特性不同,可分为线性电位器和非线性电位器.线性电位器的理想空载特性曲线具有严格的线性关系.假定电位器全长为Xmax,其总电阻为Rmax,它的滑臂间的阻值可以用Rx=来计算.假定加在电位器A,B之间的电压为Vmax,则输出电压为Vx=.其电阻灵敏度RI=.电压灵敏度RU=.(7分)4.压磁式传感器的工作原理是:某些铁磁物质在外界机械力作用下,其内部产生机械应力,从而引起极化现象,这种现象称为正压电效应.相反,某些铁磁物质在外界磁场的作用下会产生机械变形,这种现象称为负压电效应.(6分)5.磁电式传感器是利用导体和磁场发生相对运动而在导体两端 产生感应电势的.而霍尔式传感器为霍尔元件在磁场中有电磁效应(霍尔效应)而输出电势的.霍尔式传感器可用来测量电流,磁场,位移,压力.(6分)6.测量过程中存在着测量误差.绝对误差是指测量值与被测量真实值之间的差值其表达式为;相对误差是指绝对误差与被测量真实值的比值其表达式为;引用误差是指绝对误差与测量仪表的上量限(满度)值A的百分比其表达式为.(7分)7.光栅传感器中莫尔条纹的一个重要特性是具有位移放大作用.如果两个光栅距相等,即W=0.02mm,其夹角=0.1,则莫尔条纹的宽度B=11.43莫尔条纹的放大倍数K= 573.2.(6分)8.测量系统的静态特性指标通常用输入量与输出量的对应关系 来表征.(5分)二,寄生电容与电容传感器相关联影响传感器的灵敏度,它的变化为虚假信号影响传感器的精度.试阐述消除和减小寄生电容影响的几种方法和原理.(15分)三,在生产过程中测量金属板的厚度,非金属板材的镀层厚度时常用涡流传感器.试简要叙述说明利用涡流传感器测量金属板厚度的工作原理及实现工艺.(15分)四,下图是热电阻测量电路,试说明电路工作原理并计算:已知Rl是Pl100铂电阻,且其测量温度为T(T在0-850度之间)试计算出Rl的值.(10分)电路中已知R1,R2,R3,Ra和E试计算电桥的输出电压VAB.(10分)一、问题解答（65=30分） 1什么叫传感器？传感器主要由哪几部分组成？它们的作用和相互关系如何？ 答：传感器能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。 传感器通常由敏感元件和转换元件组成。 敏感元件的作用：能直接感受或响应被测量并输出与被测量成确定关系的其他量（一般为非电量）部分。 转换元件作用：将敏感元件感受或响应的可用输出信号（一般为电信号）。 敏感元件是转换元件的前提。 2什么是金属导体的电阻应变效应和热电阻效应？ 答：金属电阻的应变电阻效应当金属导体在外力作用下发生机械变形时，其电阻值将相应地发生变化。 热电阻效应金属导体的电阻随温度的变化而变化。 3请说明高频反射式电涡流传感器的基本结构和工作原理。 答：基本结构主要由金属导体板与相邻处线圈构成。 当线圈中通以交变电流i1时，线圈周围空间产生交变磁场H1。此时，金属板中将产生感应电动势，从而形成电涡流i2， 此电涡流又产生一个磁场H2。由于H2对线圈的反作用，从而导致线圈的电感量、阻抗、品质因数发生变化。 4 压电式传感器的工作原理是什么？压电式传感器的信号调理为什么必须要设置前置放大器？ 其作用是什么？主要采用哪些类型的前置放大器？ 答：压电式传感器的工作原理是压电效应。 压电式传感器本身的内阻很高(Ra 1010)，而输出的能量信号又非常微弱，因此它的信号调理电路通常需要一个 高输入阻抗的前置放大器。 其基本作用：1把压电式传感器的高输出阻抗变换为低阻抗输出；2对压电式传感器输出的微弱信号进行放大。 前置放大器类型为：电压放大器与电荷放大器。 5 什么叫莫尔条纹?为什么利用莫尔条纹现象可以测微小位移？ 答：光栅常数相同的两块光栅相互叠合在一起时，若两光栅刻线之间保持很小的夹角q，由于遮光效应，两块光栅刻线 的相交处形成亮带，而在刻线彼此错开处形成暗带。在近于垂直栅线方向出现若干明暗相间的条纹，即莫尔条纹。 光栅副相对移动一个栅距W，Moire条纹移动一个间距B，由B=W/q知，B对光栅副的位移有放大作用， 因此，利用Moire条纹可以测微小位移。 二、填空题（20分） 110(s)，0.05（mV/），37.7，51.47。 2降低；减小；升高。 3121，28.6ºC。 4热电效应，温差电势，接触电势。 5固有频率，阻尼比；正弦信号，阶跃信号。 三、（15分）如图1所示柱式力传感器，实心圆柱体钢试件直径d=10mm，材料的弹性模量E=21011N/m2， 泊松比m=0.285。试件上贴四片相同的电阻应变片，其灵敏系数K=2.0，并采用直流电桥线路进行测量。 为了提高测量精度和灵敏度，这四片电阻应变片应如何粘贴和怎样接入电桥线路，请画出相应的粘贴 方式图和电桥电路图；若所受力F=3104N，供桥电压Ui=6V，此时电桥的输出电压Uo为多少? 解：（1）粘贴方式图如下图（a），电桥电路图如下图（b）。 （a） （b） （2）解法如下： 四、（15分）一台变间隙式平板电容传感器，其极板直径D=8mm，极板间初始间距d0=1mm.， 极板间介质为空气，其介电常数0=8.8510-12F/m。试求： （1）初始电容C0； （2）当传感器工作时，间隙减小Dd=10µm，则其电容量变化DC； （3）如果测量电路的灵敏Ku=100mV/pF，则在Dd=1µm时的输出电压U0。 解：由题意可求 （1）初始电容： (2)由 ，则当d=10um时，有 如果考虑d1=1mm+10µm与d2=1mm10µm之间的电容变化量C，则应为 C=2|C|=24.4510-3=8.910-3pF (3) 当d=1µm时，有 由 Ku=100mV/pF=U0/C，则 U0=KuC=100mV/pF(0.44510-3pF)=0.0445(mV) 五、（10分）三段式螺管差动变压器电感液位传感器测量系统的结构和电气线路图如图2所示。 请简要说明其测液位的工作原理和及其测量过程。 解：差动变压器的两个次级线圈反相串接。 其差动变压器式传感器的工作原理正是建立在互感变化的基础上。 当某一设定液位使铁心处于中心位置时，差动变压器输出信号Es=0；当液位上升或下降时， Es0。通过相应的测量电路便能确定液位的高低。 六、（10分）请设计一数字转速计，画出其结构示意图并说明其工作原理和工作过程。 （传感器和方法不限） 解：结构示意图如下： 在转轴（或飞轮）上开一键槽，靠近轴表面安装电涡流传感器，轴转动时便能检出传感器与轴表面 的间隙变化，从而得到相对于键槽的脉冲信号，经放大、整形后，获得相对于键槽的脉冲方波信号， 然后可由频率计计数并指示频率值即转速（其脉冲信号频率与轴的转速成正比）。一、单项选择题(本大题共12小题，每小题2分，共24分)在每小题列出的四个选项中只有一个选项是符合题目要求的，请将正确选项前的字母填在题后的括号内。1.属于传感器动态特性指标的是( ) A.迟滞 B.过冲量 C.稳定性 D.线性度2.传感器能感知的输入变化量越小， 表示传感器的( ) A.线性度越好 B.迟滞越小 C.重复性越好 D.分辨力越高3.我国省、部一级计量站使用的一等标准测力机所允许的测量误差为( ) A.0.1% B.0.01% C.0.001% D.0.0001%4.感应同步器的作用是测量( ) A.电压 B.电流 C.位移 D.相位差5.下列测力传感器中，属于发电型测力传感器的是( ) A.自感式传感器 B.磁电感应式传感器 C.电容式传感器 D.应变式传感器6.极对数为4的永磁式交流测速发电机，当其轴与转速为600(转/分)的被测轴相连接时，则其输出交变电动势的频率为( ) A.40Hz B.300Hz C.600Hz D.2400Hz7.视觉传感器的扫描部的主作用是( ) A.聚成光学图像信号 B.将光学图像信号转换成电信号 C.将二维图像信号转换为时间序列一维信号 D.抽出有效信号8.热敏电阻式湿敏元件能够直接检测( ) A.温度 B.温度差 C.相对湿度 D.绝对湿度9.在采样保持环节中，采样开关被断开的时间称为( ) A.采样时间 B.保持时间 C.采样周期 D.缓冲时间10.封装在光电隔离耦合器内部的是( ) A.一个发光二极管和一个发光三极管 B.一个光敏二极管和一个光敏三极管 C.两个发光二极管或两个光敏三极管 D.一个发光二极管和一个光敏三极管11.若周期信号x(t)的周期为T，则其基波角频率为( ) A. B. C. D.12.已知信号x(t)与信号y(t)完全不相关，则该二信号的互相关系数满足( ) A.xy()1 B.xy()=1 C.0xy()1 D.xy()=0二、填空题(本大题共12小题，每小题1分，共12分)13.运算100%是计算传感器_的公式。14.传感器的_能力是指传感器在不致引起规定性能指标永久改变的条件下，允许超过测量范围的能力。15.当环境湿度改变时，必须对电容式传感器重新进行静态_。16.要使直流电桥平衡，必须使电桥相对臂电阻值的_相等。17.电容式扭矩测量仪是将轴受扭矩作用后的两端面相对_的变化量变换成电容器两极板之间的相对有效面积的变化量，从而引起电容量的变化来测量扭短的。18.脉冲式测速发电机输出电压的_和被测轴转速之间保持严格的比例关系。19.红外图像传感器通常由红外敏感元件和电子_电路组成。20.在热电偶中，当引入第三个导体时，只要保持其两端的温度相同，则对总热电动势无影响。这一结论被称为热电偶的_定律。21.数据处理中使用的温度补偿方法有公式法和_。22.两个电路之间存在的寄生电容使用一个电路的_变化影响到另一个电路。23.周期信号频谱的特点是离散性、谐波性和_。24.当信号的方差变为原来的4倍时，该信号的标准差将变为原来的_倍。三、问答题(本大题共6小题，每小题4分，共24分)25.压电式传感器往往采用多片压电晶片串联或并联方式，当采用多片压电晶片并联方式时，适合于测量何种信号?26.就某一确定的差动变压器式位移传感器而言，当激励电压的幅值恒定时，其输出电压的幅值和相位分别取决于被测位移的哪些信息?27.简述半导体P-N结温度传感器的工作机理。28.热电型红外光导摄像管与可见光光导摄像管在电路中所采用的前置放大器有何差别?为什么?29.有源滤波器与无源滤波器相比有哪些优点?30.分别说明信号x(t)的均值x、方差2x、均方值2x的含义并写出三者间的联系式。四、计算题(本大题共3小题，每小题8分，共24分)31.已知：输入应变仪的应变为286，应变仪的灵敏度为31A/，记录仪的灵敏度为5mm/mA,求记录仪输出的偏移量。(注：代表一个应变单位)32.某位移传感器在校准时测得的数据如下表，若该传感器的线性表达式为x=a0+a1n，试用最小二乘法()计算a0和a1。脉冲数ni1020304050位移值xi(mm)0.10.20.30.40.533.图示串联式测温电路，其中Rt=R01+(t-t0)为感温热电阻，Rs为常值电阻，E为工作电压，U0为输出电压，=0.02/.当给定温度为0，Rt的电阻值为10k，若测温范围为 0400，输出电压U0的范围是1V5V，试计算工作电压