传感器作业及习题

传感技术及应用传感技术及应用 作业与习题作业与习题 1 1 绪论绪论 作业习题作业习题 1 什么是传感器 传感器定义 传感器由哪几个部分组成 分别起到什么作用 2 解释下列名词术语 敏感元件 2 传感器 3 信号调理器 4 变送器 讨论习题讨论习题 1 什么是传感器 常用的分类方法有哪两种 思考题思考题 1 传感器特性在检测系统中起到什么作用 2 2 传感器的一般特性传感器的一般特性 作业习题作业习题 判断以下各题正确与否 1 传感器是一种测量器件或装置 它将被测量按一定规律转换成可用输出 一般系统有输入和输出 所以 均可看作传感器 2 传感器的静态特性曲线表示法一般有方程表示法 曲线表示法 列表表示法三种 但是它们严格意义上 是等效的 3 迟滞误差 非线性误差和重复性误差都会给测量结果带来误差 但它们都可用统计平均的办法减少 4 传感器的阈值 实际上就是传感器在零点附近的分辨力 5 某位移传感器的测量量程为 1mm 分辨力为 0 001 mm 这说明传感器的灵敏度很高 其灵敏度为 0 1 6 传感器 A 采用最小二乘法拟合算得线性度为土 0 6 传感器 B 采用端点直线法算得线性度为 0 8 则可以肯定传感器 A 的线性度优于传感器 B 7 无论何种传感器 若要提高灵敏度必然会增加非线性误差 8 幅频特性优良的传感器 其动态范围大 故可以用于高精度测量 讨论习题讨论习题 1 传感器的性能参数反映了传感器的什么关系 2 静态参数有哪些 各种参数代表什么意义 3 动态参数有那些 应如何选择 思考题思考题 1 对于一阶传感器而言 传感器的时间常数越小 工作频域越宽 动态响应越好 2 对于二阶传感器而言 可以通过减小传感器运动部分质量和增加弹性敏感元件的刚度来提高传感器的固 有频率 3 3 电阻式传感器电阻式传感器 作业习题作业习题 1 什么是应变效应 什么是压阻效应 什么是横向效应 2 说明电阻应变片的组成和种类 电阻应变片有哪些主要特性参数 3 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 1 1011Pa 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 4 应变片产生温度误差的原因及减小或补偿温度误差的方法是什么 5 某次测定金属丝电阻 温度关系的实验数据如下表 t 17 820 937 748 258 8 Rt 3 5543 6873 8273 9694 105 试正确绘制 R t 关系并求出 0 时的电阻阻值 6 有一测量吊车起吊物质量的拉力传感器如图 a 所示 电阻应变片 R1 R2 R3 R4 贴在等轴截面上 已 知等截面轴的截面积为 0 00196m2 弹性模量 泊松比为 0 3 R1 R2 R3 R4 标 211 102mNE 称值均为 120 灵敏度为 2 0 它们组成全桥如图 b 所示 桥路输入电压为 2V 输出电压为 1 0mV 求 等截面袖的纵向应变及横向应变 重物 m 有多少吨 7 半桥测量时两片不同受力状态的电阻应变片介入电桥时 应放在邻边 8 桥路 差动电桥 测量存在非线性误差 是因为 9 应变式传感器可用于温度测量吗 10 一阻值 120的应变式电阻传感器灵敏系数 将该应变片用阻值为 12的导线连接到测量 0 2 K 系统 求应变片灵敏系数 1 82 K 11 设计一只测量线位移的精密线绕电位器 测量范围 0 10mm 分辨力为 50 m 灵敏度为 2 7V mm 电 阻丝材料选用铂铱金丝 其电阻率 3 15 10 4 mm 当电位器的负载电阻 Rf 10k 求电位器的最大 负载误差 12 下图是热敏电阻温度传感器的线性化电路 设 TL TH TM分别为测温的下限 上限和测温范围的中点 其对应的热敏电阻值已知为 RL RH RM 为保证热敏电阻输出的线性 请推导串联在热敏电阻中的 R 的最 佳值是多少 讨论习题讨论习题 1 试说明金属应变片与半导体应变片的相同和不同之处 思考题思考题 1 在传感器测量电路中 直流电桥与交流电桥有什么不同 如何考虑应用场合 用电阻应变片组成的半 桥 全桥电路与单桥相比有哪些改善 4 4 电感式传感器电感式传感器 作业习题作业习题 1 叙述变磁阻式传感器的工作原理 2 说明差动变压器 螺线管式 传感器的结构形式与输出特性 3 什么是零点残余电压 有哪些方法可以进行残余电压补偿 4 用差动变压器进行位移测量时采用那种电路形式可以直接由输出电压区别位移的大小和方向 5 什么是电涡流效应 电涡流传感器可以进行哪些非电量参数测量 分别利用哪些物理量进行检测 由哪 个电参量转换进行电量输出的 6 电感式传感器有哪些种类 它们的工作原理是什么 7 如图所示一简单电感式传感器 尺寸已示于图中 磁路取为中心磁路 不记漏磁 设铁心及衔铁的相 对磁导率为 104 空气的相对磁导率为 1 真空的磁导率为 4 10 7H m 1 试计算气隙长度为零及为 2mm 时的电感量 图中所注尺寸单位均为 mm 8 问振幅是 5V 频率是 1000Hz 的正弦波交流的有效值为多少 周期为多少 9 在膜厚传感器上 厚度 l 越大 线圈的自感系数是变大还是变小 10 将非电量的变化转换成线圈 或 变化 这种测量装置叫做电感式传感器 该传感器按转 换原理不同可分为 式或 式两大类 11 判断题 对变间隙的电容式传感器而言即使采用差动结构也不能完全消除非线性误差 差动电感传感器不能完全消除非线性误差 电感式传感器和涡流式传感器都是通过电感量的变化检测信号的 所以它们结构和工作原理没 有任何不同 自感式电感传感器改变空气隙等效截面积类型变换器转换关系为非线形的 改变空气隙长度类 型的为线形的 变压器式电感传感器多采用差动结构 并用线圈间互感 M 的大小确定被测非电量的数值 讨论习题讨论习题 1 请简述电涡流传感器的工作原理 并举出两种传感器的测量电路 说明电路的测量原理 调频式电感传感器转换电路由于输出信号是脉冲信号 因此抗干扰能力强 易于数字化和远距离传输信号 2 分析电感传感器出现非线性的原因 并说明如何改善 思考题思考题 1 差动电感结构有什么优点 采用什么电路可有线形输出 2 简述电涡流效应及构成电涡流传感器的可能的应用场合 5 5 电容式传感器电容式传感器 作业习题作业习题 1 电容传感器有哪些类型 2 叙述电容传感器的工作原理 输出特性 3 电容传感器的测量电路有哪些 叙述二极管双 T 型交流电桥工作原理 4 差动式电容测厚传感器系统的工作原理 5 推导差动式电容传感器的灵敏度 并与单极式电容传感器相比较 6 试推导变电介质电容式位移传感器的特性方程 C f x 设真空的介电系数为 0 2 1 以及极 板宽度为 W 7 在上题中 设 d 1mm 极板为正方形 边长 50mm 1 1 2 4 试在 x 0 到 50mm 范围内 输出 磁位移传感器的特性曲线 并给以适当说明 8 简述电容式传感器用差动脉冲调宽电路的工作原理及特点 9 电容传感器有哪三种类型 试从输入输出关系的角度说明各自的特点 对于非线性类型采用什么方法来 改善 10 由于电容传感器的初始电容 因此 该传感器的关键问题是 的影响极其严重 这不 仅会造成传输效率 灵敏度 而且会产生很大的 11 变面积电容式传感器如图 a 所示 BC 形成恒定电容 CF 绝缘导杆 D 伸入圆柱极板 A 中使得 AC 电容 CX 变化 运算放大器如图 b 所示 求 导杆 D 每伸 25 5 4 7 5 6 321 mmlmmrmmrmmr 入 1mm 引起的电容变化量 Ui 6V 时 求 Uo 1 1085 8 12 0 r mF A B C Ui Uo CX CF a b 12 电容传感器外圆半径 R 8mm 内圆柱外半径 r 7 25mm 外圆筒与内圆筒覆盖部分长度 l 16mm 计算电容 传感器电容量 当移动 0 5mm 时的电容变化量 0 C 13 对变间隙的电容式传感器而言即使采用差动结构也不能完全消除非线性误差吗 14 电容传感器有哪三种类型 试从输入输出关系的角度说明各自的特点 对于非线性类型采用什么方法 来改善 讨论习题讨论习题 1 根据电容传感器的工作原理说明它的分类 电容传感器能够测量哪些物理参量 2 如果电容传感器的电缆丢失了 更换另一根电缆后 可以不必对测量系统重新进行标定 也可直接使用 思考题思考题 1 为什么电感式和电容式传感器的结构多采用差动形式 差动结构形式的特点是什么 2 总结电容式传感器的优缺点 主要应用场合以及使用中应注意的问题 6 6 磁电式传感器磁电式传感器 作业习题作业习题 1 为什么说磁电感应式传感器是一种有源传感器 2 变磁阻式传感器有哪几种结构形式 可以检测哪些非电量 3 什么是霍尔效应 霍尔电势的大小与方向和哪些因素有关 影响霍尔电势的因素有哪些 4 集成霍尔器件有哪几种类型 试画出其输出特性曲线 5 有一测量转速装置 调制盘上有 100 对永久磁极 N S 极交替放置 调制盘由转轴带动旋转 在磁极上 方固定一个霍尔元件 每通过一对磁极霍尔元件产生一个方脉冲送到计数器 假定 t 5min 采样时间内 计 数器收到 N 15 万个脉冲 求转速 n 转 分 6 磁敏元件有哪些 磁敏电阻 磁敏二极管 磁敏晶体管 什么是磁阻效应 简述磁敏二极管 晶体管工 作原理 7 磁敏电阻与磁敏晶体管有哪些不同 与霍尔元件在本质上的区别是什么 8 试证明霍尔式位移传感器的输出与位移成正比 9 磁电式传感器通常用于测量速度 这是由于它的质量块的位移与速度成正比 10 简答 写出霍尔电压的表达式 并给出消除不等位电势的方法 11 当控制磁感应强度为零 控制电流为额定值时 霍尔电极间的空载电势称为不等位电势 或零位电势 12 如何采用恒流源和输入并联电阻对霍尔元件进行温度补偿 求出并联电阻 设温度时 霍尔元 p R 0 t 件的灵敏度系数为 输入电阻为 温度上升到 时 它们分别为 0H k 0i Rt Ht k it R 其中为霍尔元件灵敏度系数 为元件的 1 00 ttkk HHt 1 00 ttRR iit 输入电阻温度系数 假设不随温度变化 霍尔片采用恒流源供电 为补偿温度误差 采用在输入回 p R 路并联电阻 如下图示 若已知霍尔元件灵敏度温度系数为 霍尔元件输入电阻温度系数为 温度 t0时的输入电阻为 Ri0 请推导并联的电阻 RP的大小 IH IP I RP VH 13 霍尔元件用于测量磁场 它通常不用金属而由磁性半导体材料如锗 砷化铟等制成 14 不管霍尔效应还是磁阻效应都是洛伦磁力作用的结果 15 简述霍尔传感器测量磁场的原理 16 霍尔片采用恒压源供电 为补偿温度误差 采用在输入回路串联电阻 RP 如下图示 若已知霍尔元件 灵敏度温度系数为 霍尔元件输入电阻温度系数为 温度 t0时的输入电阻为 Ri0 请推导并联的电 阻 RP的大小 讨论习题讨论习题 1 霍尔元件能够测量哪些物理参数 霍尔元件的不等位电势的概念是什么 温度补偿的方法有哪几种 2 磁电式传感器与电感式传感器有哪些不同 3 简述霍尔效应及构成以及霍尔传感器可能的应用场合 思考题思考题 IH RP V VH 1 磁电式传感器是速度传感器 它如何通过测量电路获得相对应的位移和加速度信号 2 发电机是利用导线在永久磁铁的磁场中作旋转运动而发电的 无论负载怎样消耗这个电能 永久磁铁不会 变弱 这是什么道理 7 7 压电式传感器压电式传感器 作业习题作业习题 1 判断题 1 沿机械轴 Y Y 方向施加作用力时 产生的电荷量与压电晶片的几何尺寸有关 2 压电式传感器如果使用电荷放大器作为前置放大器 在一定条件下 传感器的灵敏度与电缆长度无关 3 电荷放大器是将传感器输出的电荷进行放大的前置放大器 由于它可以使用较长的电缆 因而得到广 泛应用 4 石英晶体和压电陶瓷均呈压电现象 压电机理也一样 但后者的压电常数要大的多 5 在压电式传感器的测量线路中 电荷放大器的低频特性要比电压放大器的好的多 6 压电晶体有三个互相垂直的轴 分别为 X 轴 电轴 Y 轴 力轴 Z 轴 光轴 当沿某一轴的方向 施加外作用力时 会在另外两个轴的表面出现电荷 2 什么是正压电效应 什么是逆压电效应 压电效应有哪些种类 压电传感器的结构和应用特点是什么 能否用压电传感器测量静态压力 3 石英晶体 X Y Z 轴的名称是什么 有哪些特征 4 说明电压放大器与电荷放大器的优缺点 各自要解决什么问题 5 用石英晶体加速度计及电荷放大器测量机器振动 已知 加速度计灵敏度为 5pc g 电荷放大器灵敏度 为 50mv p 最大加速度时输出幅值 2v 试求机器振动加速度 6 超声波传感器利用压电材料制成发射器和接收器 说明它们各利用哪种压电效应 7 简述压电式加速传感器的工作原理 8 一个等效电容为 450pF 的压电式水听器与同相放大器相连 试确定为获得 100 的增益及在 5Hz 处增益 误差小于 10 的电路无源元件之值 9 有一个振动频率为 10K 的被测体需要测量其振动参数 应选用压电式传感器进行测量 R1 Rb R2 Cs Us Uo U 10 石英晶体的压电效应有何特点 已知石英晶体压电片上的极性如图 a 所示 试标出图 b c d 所示的石英晶体压电片上电荷的极性 并结合图说明什么叫纵向压电效应 什么叫横向压电效应 xFx Fx y xFx Fx y a x 方向受压力 b x 方向受拉力 c y 方向受压力 d y 方向受拉力 11 压电传感器配用电路常采用电荷放大器 问 根据压电材料的等效模型推导电荷放大器输出电压与电荷的关系 说明电荷放大器有何特点 讨论习题讨论习题 1 电荷放大器所要解决的核心问题是什么 试推导其输入输出关系 2 简述压电陶瓷特性 作为压电元件比较他与石英晶体有哪些特点 思考题思考题 1 为什么压电传感器通常都用来测量动态或瞬态参量 2 设计压电式传感器检测电路的基本考虑点是什么 为什么 8 8 热电式传感器热电式传感器 作业习题作业习题 1 判断题 a 热电偶使用时 常配用冷端延长线 延长线可以采用任何一种金属材料制造 b 把 N 支相同型号的热电偶依次将正 负极连接 则串联线路的相对误差会减少 c 两种金属相接触时会产生接触电势 两种半导体也会产生接触电势 但金属和半导体间不 会产生接触电势 d 热电偶传感器的中间导体定律保证了接入热电偶回路中的第三甚至第四种导体只要它们几 端的温度相同就一定不会影响回路的总电势 e 热电偶的补偿导线法与零度恒温法一样 可完全消除冷端温度变化带来的测温误差 f 热电偶的工作机理是导体的热电效应 而热电势的产生必须具备两个条件 即两种导体材 质不同且两个节点的温度不同 2 已知铜热电阻 Cu100 的百度电阻比 W 100 1 42 当用此热电阻测量 50 温度时 其电阻值为 欧 若测温时的电阻值为 83 欧 则被测温度是 保留小数点后两位 3 叙述并证明热电偶参考电极定律 其中k为玻尔兹曼常数 e为电子电荷量 nA nB nC分别为材料 A B C 的自由电子密度 分别为材料 A B C 的汤姆逊系数 且已知在某特定条件下材 A B C 料 A 与铂配对的热电势为 13 967mV 材料 B 与铂配对的热电势是 8 345mV 求出在此特定条件下 材料 A x FyFy y x FyFy y 与材料 B 配对后的热电势 材料 A 在前 材料 B 在后 4 将一灵敏度为 0 08 mV 的热电偶与电压表相连接 电压表接线端是 50 若电位计上读数是 60mV 热电偶的热端温度是 5 用两个 AD590 测量两点温度差的电路如图所示 设 1 和 2 AD590 处的温度分别为 t1 和 t2 图中电位器 R2用于调零 电位器 R4用于调整运放 LF355 的增益 试求出输出电压 Vo与温差 t1 t2的关系 6 下图是热敏电阻的伏安特性曲线 1 请对曲线进行分析 2 用该热敏电阻测量温度时 应该利用曲线的哪一段 说明原因 3 用该热敏电阻测量风速或流量时 应该利用曲线的哪一段 说明原因 0 IaImI 电电流流 V 电电压压 a bc d 7 集成温度传感器的测温原理 有何特点 8 如果需要测量 1000 和 20 温度时 分别宜采用哪种类型的温度传感器 9 什么叫热电动势 接触电动势和温差电动势 说明热电偶测温原理及其工作定律的应用 分析热电偶 测温的误差因素 并说明减小误差的方法 T C T0T A B T0 T A 10 试述热电偶测温的基本原理和基本定理 11 试解释负电阻温度系数热敏电阻的伏安特性并说明其用途 12 使用 k 型热电偶 基准接点为 0 测量接点为 30 和 900 时 温差电动势分别为 1 203mV 和 37 326mV 当基准接点为 30 C 测温接点为 900 时的温差电动势为多少 13 0 时铂金热电阻的阻值为 100 按下图所示进行温度测量 R1 100 R2 200 R3 300 时桥路 达到平衡 此时温度为多少 假设铂金电阻的温度系数为 0 003851 1 电阻与温度成线性关系 另外导 线的电阻可忽略不计 14 0 时的电阻为 100 的铂金热电阻 300 时的阻值按下面两种方法计算 其结果之差换算成温度差 是多少 15 电阻用温度的一次方程表示 RT R0 1 At Bt2 式中 B 0 A 0 003851 1 此时 100 时的电阻值 为 138 51 电阻值与温度为二次函数关系 用一次方程近似时 温度误差为多少 讨论习题讨论习题 1 热电阻传感器主要分为几种类型 它们应用在什么不同场合 半导体热敏电阻的主要优缺点是什么 在电路中是怎样克服的 2 试比较电阻温度计与热电偶温度计的异同点 思考题思考题 1 要测 1000 C 左右的高温 用什么类型的热电偶好 要测 1500 C 左右的高温呢 2 热电偶冷端温度对热电偶的热电势有什么影响 为消除冷端温度影响可采用哪些措施 9 9 光电式传感器光电式传感器 作业习题作业习题 1 判断题 1 光栅利用莫尔条纹可以测量长度 角度和进行光谱分析 2 功能型光纤传感器是利用光纤的敏感特性进行测量 比如光纤液位传感器 3 光敏二极管和磁敏二极管使用时与光电池不同 二者均在反向偏置下工作 4 硫化镉光敏电阻和硫化铅光敏电阻的尺寸一样时可相互替代 5 光电池和光敏二极管都是建立在内光电效应基础上 工作电路也一样 6 通常外光电效应有红限频率 而内光电效应无红限频率 由于光敏电阻的光照特性是非线性的 因此不宜用做测量元件 但由于光敏电阻的响应时间很短 因此可以用做高速光电开关 7 光纤是利用光的折射原理工作的 光纤由纤芯和包层构成 且纤芯的折射率小于包层的折射率 8 由于光电池的开路输出电压与光强成正比 因此可以用于测量光强 9 CCD 图像传感器是由电荷耦合器件 CCD 与光敏二极管阵列集成为一体的具有自扫描功能的固态传感 器 10 由于光敏电阻的光照特性是非线性的 因此不宜用做测量元件 但由于光敏电阻的响应时间很短 因 此可以用做高速光电开关 11 光纤是利用光的折射原理工作的 光纤由纤芯和包层构成 且纤芯的折射率小于包层的折射率 12 由于光电池的开路输出电压与光强成正比 因此可以用于测量光强 13 CCD 图像传感器是由电荷耦合器件 CCD 与光敏二极管阵列集成为一体的具有自扫描功能的固态传感 器 14 光导管是内光电效应的典型代表器件 2 什么是外光电效应 内光电效应 光生伏特效应 光电导效应 3 光电器件中的光照特性 光谱特性分别描述的是光电器件的什么性能 4 试述光敏电阻 光敏晶体管 光电池的器件结构和工作原理 5 叙述电荷耦合器件 CCD 的结构和存储电荷与转移电荷的工作过程 6 光纤传感器在位移测量中有哪些特点 反射光的光强弱对测量有哪些影响 7 求光纤 n1 1 46 n2 1 45 的 NA 值 外部 n0 1 时 求最大入射角 8 在用光开关检测物体的系统中 由受光器的受光次数 可计算通过输送带上物体的个数 那么 用输送 带搬运两种高度的物体时 画出能分别计算两种高度的物体个数的系统组成图 9 图示为光纤传光示意图 若空气的光折射率为n0 要使光纤的入射光在光纤纤芯内全反射 则 0至多 为多少 写出推导过程 并表述数值孔径的意义 10 下图为 CCD 读出移位寄存器结构原理图和三个电极 1 2 3上所施加的脉冲波形 请根据t1 t4各 时刻波形情况 简单描述读出移位寄存器工作原理 即信息电荷转移过程 11 光纤纤芯的折射率 n1 1