传感器习题.doc

1. 传感器由哪几部分组成?其各部分的作用是什么?答:传感器一般由敏感元件、转换元件、转换电路等几部分组成。组成框图如下图所示。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数。转换电路：将转换元转换成的电路参数接入转换电路，便可转换成电量输出。2. 某线性位移测量仪，当被测位移X由3.0mm变到4.0mm时，位移测量仪的输出电压V由3.0V减至2.0V，求该仪器的灵敏度。解：该仪器的灵敏度为V/mm3. 电阻丝式应变片与半导体应变片在工作原理上有何不同？各有何优缺点？ 金属电阻应变片是利用电阻应变效应；半导体应变片是利用压阻效应。电阻丝应变片利用导体形变引起电阻变化，半导体应变片利用半导体电阻率变化引起电阻变化。通常半导体应变片比电阻丝应变片灵敏度高，但分散性大，温度效应也比较大。4. 为什么变极距型电容传感器的灵敏度和非线性是矛盾的？实际应用中怎样解决这一问题？变极距型电容传感器灵敏度灵敏度和极距的平方变化成反比，二者是非线性的，并且要灵敏度高，极距变化量就要小，因此要在实际中解决这对矛盾，可以采用如下方法：限制量程；差动测量；运放运算放大器式测量电路；差动脉冲调宽电路。5. 差动式传感器的优点是什么？ 试述产生零点电位的原因和减小零位电压的措施。优点：减小非线性误差；提高传感器灵敏度；减小温度、湿度等环境因素的影响。当被测量的变化导致两个结成差动式的传感器输出相等时，差动式传感器输出应该为零，如果差动式传感器输出电压不为零，则称该电压为零点残余电压，产生原因主要因为组成差动式结构的两个传感器材质、工艺等不一致，减小零位电压的措施有：选材一致、工艺一致、电路上加补偿电阻或调零电路。6. 采用阻值为120灵敏度系数K=2.0的金属电阻应变片和阻值为120的固定电阻组成电桥，供桥电压U为5V，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。解：(1)单臂电桥时，所以应变为1时V应变为1000时应为V(2)双臂电桥时，所以应变为1时V应变为1000时应为V(3)全桥时时，所以应变为1时V应变为1000时应为V从上面的三种电桥的计算结果可知：单臂时灵敏度最低，双臂时为其两倍，全桥时最高，为单臂的四倍。7. 如下图所示为一直流电桥，供电电源电动势U=4V，R3=R4=100，R1和R2为同型号的电阻应变片，其电阻均为50，灵敏度系数K=2.0。两只应变片分别粘贴于等强度梁同一截面的正反两面。设等强度梁在受力后产生的应变为5 000，试求此时电桥输出端电压U0。解：由电路图可知,此电桥为输出双臂半桥电路故mV8. 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。9. 压电式传感器测量电路的作用是什么?其核心是解决什么问题?答：压电式传感器测量电路的作用是将压电晶体产生的电荷转换为电压信号输出，其核心是要解决微弱信号的转换与放大，得到足够强的输出信号。10. 用镍铬-镍硅(K)热电偶测量炉温时，其冷端温度为30，用高精度毫伏表测得这时的热电动势为38.505mV，试求炉温为多少?解：查镍铬-镍硅热电偶K分度表可知E(30，0)=1.203mV根据式中间温度定律可计算出反查分度表可知其对应的实际温度为11. 电涡流式转速传感器 上图所示为电涡流式转速传感器工作原理图。 在软磁材料制成的输入轴上加工一键槽, 在距输入表面d0 处设置电涡流传感器, 输入轴与被测旋转轴相连，请分析其工作原理。 答：当被测旋转轴转动时, 输出轴的距离发生d0+d的变化。由于电涡流效应, 这种变化将导致振荡谐振回路的品质因素变化, 使传感器线圈电感随d的变化也发生变化, 它们将直接影响振荡器的电压幅值和振荡频率。因此, 随着输入轴的旋转, 从振荡器输出的信号中包含有与转数成正比的脉冲频率信号。 该信号由检波器检出电压幅值的变化量, 然后经整形电路输出脉冲频率信号f n 。该信号经电路处理便可得到被测转速。 12. 霍尔效应的本质是什么?霍尔元件可以测哪些物理量？设计一个利用霍尔元件测量转速的装置，并说明原理。 半导体薄片置于磁场中，当它的电流方向与磁场方向不一致时，半导体薄片上平行于电流和磁场方向的两个面之间产生电动势，这种现象称霍尔效应，产生的电动势称霍尔电势， 半导体薄片称霍尔元件。 根据霍尔电势公式，霍尔元件可以测电磁量：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；还可以用于位移、压力、转速的测量。霍尔元件是磁敏元件，要想用来测转速，就必须在被测的旋转体上装一磁体，旋转时，每当磁体经过霍尔元件，霍尔元件就发出一个信号，经放大整形得到脉冲信号，也有的霍尔元件可直接输出脉冲信号，送运算，两个脉冲的间隔时间就是周期，由周期可换算出转速；也可记数单位时间内的脉冲数，再换算出转速。13. 简述压电式传感器需要配置前置放大器的原因；常用的前置放大器有哪两种?各有何特点?因压电式传感器的输出电阻很大、电荷量很小；普通放大器输入电阻较小，不能直接放大；阻抗变换器具有输入阻抗高，输出阻抗小。电荷放大器具有输入阻抗高，输出电压与压电式传感器电荷成正比、与反馈电容成反比；与电缆分布电容无关；电压放大器具有电路简单，成本低，压电式传感器须与电缆配套使用。14. 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? （a） “并联”，Q=2Q，U=U，C=2C并联接法输出电荷大，本身电容大，时间常数大，适宜用在测量慢变信号并且以电荷作为输出量的地方，（b） “串联” Q=Q，U=2U，C=C/2而串联接法输出电压大，本身电容小。适宜用于以电压作输出信号，且测量电路输入阻抗很高的地方。15.一个量程为10kN的应变式测力传感器，其弹性元件为薄壁圆筒轴向受力，外径20mm，内径18mm,在其表面粘贴八各应变片，四个沿周向粘贴，应变片的电阻值均为120,灵敏度为2.0，波松比为0.3，材料弹性模量E=2.11011Pa。要求：绘出弹性元件贴片位置及全桥电路；计算传感器在满量程时，各应变片电阻变化；当桥路的供电电压为10V时，计算传感器的输出电压。解：圆桶截面积应变片1、2、3、4感受纵向应变；应变片5、6、7、8感受纵向应变；满量程时：（3）16 一台采用等强度梁的电子称，在梁的上下两面各贴有两片电阻应变片，做成称重传感器，如图所示。已知l=10mm，b0=11mm，h=3mm，E=2.1104N/mm2，K=2，接入直流四臂差动电桥，供桥电压6V，求其电压灵敏度(Ku=U0/F)。当称重0.5kg时，电桥的输出电压U0为多大? 悬臂梁式力传感器解：等强度梁受力F时的应变为 当上下各贴两片应变片，并接入四臂差动电桥中时，其输出电压： 则其电压灵敏度为 =3.46310-3 (V/N)=3.463(mV/N) 当称重 F=0.5kg=0.59.8N=4.9N时，输出电压为 U0 =Ku F=3.4634.9=16.97(mV) 17 有四片完全相同的金属应变片（灵敏系数为2、泊松比m为0.3、电阻120W）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：2107N/cm2），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 ，其中lx为应变片粘贴处到梁的自由端的距离。应变片长度相对于lx可忽略。)R1和R3在梁的上表面，R2和R4在对应R1和R3位值的下表面、形成差动全桥时传感器有最高灵敏度。2）根据全等臂差动电桥的输出：知，环境温度变化造成各应变片的热应变相等，在电桥的输出中相互抵消，不影响电桥输出，使结果不变3）因，由得F=25（N）18 一精密高速机床，传动部分由电机、齿轮、滚动轴承等组成，因操作不当产生了振动现象。现要求：组成一个测量该振动加速度的测试系统（以框图形式表述）简述传感器的选用原则，简述框图各组成部分的作用，被测对象压电加速度计电荷放大器数字信号处理显示记录（1） （2）测量对象为高速、精密机床的振动，其频率较高、振幅不太大，宜采用压电加速计。（3）被测对象产生的振动，其加速度被压电加速度计转换为电信号（电荷），然后被电荷放大器转换为被放大了的电压信号，经过信号的预处理及A/D转换和运算处理后得到处理数据，再经显示记录即可得到测量处理结果。19 设计一个采用霍尔传感器的液位控制系统。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。20. 利用光敏器件制成的产品计数器，具有非接触、安全可靠的特点，可广泛应用于自动化生产线的产品