《传感器与检测技术》题库

;.传感器与检测技术题库1. 简述传感器的概念、作用及组成。2. 传感器的分类有哪几种？各有什么优缺点？3. 传感器是如何命名的？其代号包括哪几部分？在各种文件中如何应用？4. 传感器的静态性能指标有哪些？其含义是什么？5. 传感器的动态特性主要从哪两方面来描述？采用什么样的激励信号？其含义是什么？（幅频、相频）（周期函数型、瞬变函数型）6. 力传感器的组成是什么？7. 弹性敏感元件的作用是什么？其分类有几种？各有何特点？8. 电阻应变式传感器的工作原理是什么？它是如何测量试件的应变的？9. 电阻应变式传感器的测量电路有哪些？各有何特点？10. 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。11. 电阻应变片为什么要进行温度补偿？补偿方法有哪些？12. 应变片的粘贴、固化和检查工艺有哪些？;.13. 图 1 为一直流应变电桥。 u i5v , r1r2r3r4120，试求：r1 为金属应变片，其余为外接电阻，当r1变化量为r11.2时，电桥输出电压u o?r1、r2 都是应变片，且批号相同，感受应变的极性和大小都相同，其余为外接电阻，电桥的输出电压u o? 题中，如果r1、r2 感受应变的极性相反，且r1r21.2，电桥的输出电压u o? 由题能得出什么结论与推论？图 1直流应变电桥14. 压电式传感器的工作原理是什么？压电材料有哪些？15. 试用石英晶体为例说明压电效应产生的过程。16. 压电陶瓷有何特点？17. 压电传感器的测量电路是什么？各有何特点？18. 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。1019. 如图 2 所示电荷放大器等效电路。压电元件为压电陶瓷，压电陶瓷的压电系数d zz510c / n ，反馈电容 c f0.01f ，若输出电压u 00.4v ，求压电传感器所受力的大小？图 2 电荷放大器等效电路20. 石英晶体的纵向压电系数d xx2.31012 c / n ，晶体的长度是宽的2 倍，是厚的 3倍，求：当沿电轴方向施加3104 n 的力时，用反馈电容为c0.01f 的电荷f放大器测量的输出电压是多少？ 当沿机械轴施加力fy 时，用同样的电荷放大器测出的输出电压为3v，fy 为多少？21. 用压电式传感器测量一正弦变化的作用力，采用电荷放大器， 压电元件用两片压电陶瓷并联，压电系数dzz1901012 c /n ，放大器为理想运放，反馈电容c f3800 pf ，实际测得放大器输出电压为u 010sint (v ) ，试求此时的作用力f?22. 电容式传感器的工作原理是什么？可分成几种类型？各有个特点？23. 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=b（a- x）/ d=c0 - b x/ d（1）电容因位移而产生的变化量为ccc0其灵敏度为bxxc 0dakcbxd可见增加 b 或减小 d 均可提高传感器的灵敏度。xbxda直线位移型电容式传感器24. 电容式传感器的测量转换电路主要有哪些？25. 有一个以空气为介质的变面积型平板电容式传感器，如图3 所示，其中a8mm, b12mm ，两极板间距为d1mm。当动极板在原始位置上平移了5mm 后，求传感器电容量的变化c 及电容相对变化量c / c0 。（空气的相对介电常数r1f / m ，真空的介电常数图 3 变面积型平板电容式传感器08.8541012 f/ m ）26. 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。c0=200pf，传感器的起始电容量 cx0=20pf,定动极板距离 d0=1.5mm,运算放大器为理想放大器( 即 k, zi ), rf 极大, 输入电压 u1 =5sin t v。求当电容传感动极板上输入一位移量x=0.15mm使 d0 减小时, 电路输出电压 u0 为多少?rf0x+ui-u0解：由测量电路可得图 4 运算放大器电路0iiuc0 uc0u2005sint45sin/vcxcx 0 d0d0x201.51.50.1527. 如图 5 所示正方形平板电容器, 极板长度 a =4cm,极板间距离 =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 ,08.8510-12 f/m 。ax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。c40 a2416010248.85101210328.32 /pfcx40 a(ax)c 0kx28.3270.8x(x的单位为米 )ccxc 04 0 ax)kcxc040a48.8510124102x210370.8/pfcxpf4030201001234xcm28. 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b1=b2=b=200mm， a1 =a2=20mm极距 d=2mm，极间介质为空气，测量电路 u1=3sin t v，且 u=u0。试求当动极板上输入一位移量x=5mm时, 电桥输出电压 u0。xuc1idc1uc2c2uu0b 1b 2a1a2解：根据测量电路可得图 6 平面直线位移差动传感器cuu 0ui c 0x5uia203 sint750 sint /mv29. 电感传感器的基本原理是什么？可分成几种类型？30. 电感传感器的常用的测量电路有哪些？31. 电涡流传感器的工作原理是什么？形成电涡流的两个必备条件是什么？32. 压阻式压力传感器的工作原理是什么？主要应用是什么？33. 温度的测量方法有几种？各有何特点？34. 膨胀式温度计有几种？其工作原理是什么？各有何特点？35. 电阻式温度传感器的工作原理是什么？有几种类型？各有何特点？36. 金属热电阻温度传感器常用的材料有哪几种？各有何特点？37. 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rtrt，则由于环境温度变化引起的引线电阻值变化12造成的误差被相互抵消。38. 热电偶温度传感器的工作原理是什么？热电势的组成有几种？说明热电势产生的过程，并写出热电偶回路中总热电势的表达式。39. 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 t0 ) 。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。40. 热电偶的基本定律有哪些？其含义是什么？有什么意义？并证明每种定律。41. 热电偶的性质有哪些？42. 为什么要对热电偶进行冷端温度补偿？常用的补偿方法有几种？补偿导线的作用是什么？连接补偿导线要注意什么？43. 热电偶测温线路有几种？试画出每种测温电路原理图，并写出热电势表达式。44. 已知镍铬 - 镍硅(k) 热电偶的热端温度t 800，冷端温度 t 025，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)=1.024mv， 故可得e(800，5)=33.275-1.024=32.251mv45. 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 ( t 1- t 2-60) 。46. 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。图 7 热电偶测温回路解：由镍铬 - 镍硅热电偶分度表查出e(40，0)=1.638mv，计算出e(t,0)(29.1881.638)mv30.826mv再通过分度表查出其对应的实际温度为t700(30.826 - 29.129)100740.9 33.27529.12947. 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 030，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 a 和b ，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。48. 如图 9 所示，用 k型（镍铬 - 镍硅）热电偶测量炼钢炉熔融金属某一点温度，a、b为补偿导线，cu为铜导线。已知 t1 = 40， t 2 = 0.0，t3 = 20 。 当仪表指示为 39.314mv时，计算被测点温度 t = ?图 8 热电偶测量某炉温 如果将 a、b换成铜导线，此时仪表指示为37.702mv，再求被测点温度t = ? 将热电偶直接插到熔融金属同一高度来测量此点的温度，是利用了热电偶的什么定律？如果被测液体不是金属，还能用此方法测量吗？为什么？图 9热电偶测量炼钢炉熔融金属某一点温度49. 用两只 k型热电偶测量两点温差， 如图 10 所示。已知 t1 =980，t2 =510，t0 =20，试求t1、t 2 两点的温差。图 10 热电偶测量两点温差电路50. 试分析图 11 所示集成温度传感器ad590用于热电偶参考端温度补偿电路的工作原理。图 11 热电偶参考端温度补偿电路51. 辐射式温度传感器的工作原理是什么？有何特点？52. 画图说明电位器式电阻传感器的工作原理，导出电阻、电压灵敏度的表达式。53. 莫尔条纹的含义是什么？其主要特性有哪些？试画图分析。54. 磁栅位移传感器的工作原理是什么？55. 电容、电感式接近传感器被测物体应采用什么材料？为什么？主要工作原理是什么？56. 试分析图 12 所示压力传感器是如何测量液位的高度的？图 12 压力传感器测量液位原理图57. 电容式物位传感器是如何测量物体位置的？58. 试分析电磁流量计的工作原理，并推导流量的表达式。59. 光电效应有哪几种？分别对应什么光电元件？60. 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61. 试比较光敏电阻、 光电池、光敏二极管和光敏晶体管的性能差异，并简述在不同场合下应选用哪种元件最为合适。62. 光电传感器有哪些部分组成？被测量可以影响光电传感器的哪些部分？63. 简述光电倍增管的工作原理。64. 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。65. 说明光电池的基本原理、常用类型及其特点。66. 根据硅光电池的光电特性， 在 4000lx 的光照下要得到2v 的输出电压， 需要几片光电池？如何连接？67. 光纤传感器有哪两种类型？光纤传感器调制方法有哪些？68. 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。69. 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。70. 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。被测物恒光源光电元件被测物光电元件a) 被测物是光源b) 被测物吸收光通量恒光源被测物恒光源被测物光电元件光电元件c) 被测物是有反射能力的表面d) 被测物遮蔽光通量图 13 模拟式光电传感器常见形式71. 设计一光电开关用于生产流水线的产量计数，画出结构图， 并简要说明， 为防止日光灯等其他光源的干扰，设计中应采取什么措施？72. 根据图 14 所示的光电数字转速表的工作原理，如果转盘的孔数为n，每秒钟光电二极管的脉冲个数为f ，试问转速为每分钟多少？73. 冲床工作时， 为保护工人的手指安全。 设计一安全控制系统， 选用两种以上的传感器来同时探测工人的手是否处于危险区域（冲头下方） 。只要有一个传感器输出有效（即检测到手未离开该危险区）， 则不让冲头动作，或使正在动作的冲头惯性轮刹车。说明检测控制方案， 以及必须同时设置两个传图 14 光电数字转速表工作原理感器组成“或”的关系、必须使用两只手（左右手）同时操作冲床开关的好处。74. 思考如何利用热释电传感器及其他元器件实现商场玻璃大门的自动开闭。75. 分析霍尔效应产生的原因。 一个霍尔元件在一定的电流控制下，其霍尔电动势与哪些因素有关？76. 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 虽然很大，但 很小，故不宜做成元件，而绝缘材料的虽然很大，但 很小，故也不宜做成元件。77. 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np ，所以霍尔元件一般采用 n型半导体材料。78. 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。79. 磁敏二极管和磁敏晶体管有何特点？适用于什么场合？80. 设计一个利用霍尔集成电路检测发电机转速的电路，要求当转速过高或过低时发出警报信号。81. 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。控制电源处理电路开关型霍尔片液体源磁铁电磁阀最高位储存罐最低位82. 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。83. 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。84. 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。85. 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。高频发生器发射探头工件接收探头放大器显示86. 比较微波传感器与超声波传感器有何异同？87. 多普勒传感器的工作原理是什么？其应用有哪些？88. 生物传感器的工作原理是什么？89. 举例说明酶传感器的应用。90. 微生物传感器分为哪几种？各有何特点？91.