精选-传感器原理及应用复习题

1、传感器原理及应用复习题1. 静态特性指标其中的线性度的定义是指0 E 一 XZ丄2. 传感器的差动测量方法的优点是减小了非线性误差、提高了测量灵敏度o3. 对于等臂半桥电路为了减小或消除非线性误差的方法可以采用_提高桥臂比，采用差动电桥 的方法。4. 高频反射式电涡流传感器实际是由_线圈和 被测体或导体两个部分组成的系统，两者之间通过电磁感应相互作用， 因此，在能够构成电涡 流传感器的应用场合中必须存在 金属 材料。5. 霍尔元件需要进行温度补偿的原因是因为其霍尔_系数和_材料电阻_ 受温度影响大。使用霍尔传感器测量位移时，需要构造一个磁场o6. 热电阻最常用的材料是 _铂 和 铜_，工业上被

2、广泛用来测量中低温 区的温度，在测量温度要求不高且温度较低的场合， 铜热电阻得 到了广泛应用。7. 现有霍尔式、电涡流式和光电式三种传感器，设计传送带上塑料零件的计数系统时，应选其中的光电传感器。需要测量某设备的外壳温度，已知其 范围是300400C，要求实现高精度测量，应该在铂铑-铂热电偶、铂电阻和热 敏电阻中选择铂电阻o8. 一个二进制光学码盘式传感器，为了达到1左右的分辨力，需要采用或位码盘。一个刻划直径为400 mm勺20位码盘，其外圈分别间隔 为稍大于卩m9非功能型光纤传感器中的光纤仅仅起传输光信息的作用，功能型光纤传感器是把光纤作为敏感元件。光纤的NA值大表明集光能力 强 o11.

3、 光照使半导体电阻率变化的现象称为内光电效应， 基于此效应的器件除光敏 电阻外还有处于反向偏置工作状态的光敏二极管。光敏器件的灵敏度可用光照 特性表征，它反映光电器件的输入光量与输出光电流 （电压）之间的关系。选择光电传感器的光源与光敏器件时主要依据器件的-光谱_特性。12. 传感器一般由敏感元件 _、 转换元件.、 测量电路及辅助电源四个部分组成。13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 o14. 已知某铜热电阻在0C时的阻值为50Q,则其分度号是 Cu50 ，对于镍铬镍硅热电偶其正极是一镍铬 _。15. 差动变压器式传感

4、器常见的有 和两种结构类型，其中最常用的是 差动变压器。16. 为提高压电器件的灵敏度，常采用两个或多个压电片组合，其中串联连接方式适用于电压输出、测量 高频 信号的场合；并联方式适用于电荷 输出、测量低频信号的场合17. 电涡流传感器从测量原理来分，可以分为高频扫射式和 低频透射式两大类。1 电容式传感器的应用电路中常采用“驱动电缆”技术。图1为“驱动电缆”技术原理示意图。(1) 试简述采用“驱动电缆”技术的原因；(2) 试结合“驱动电缆”技术原理图简述“驱动电缆”技术工作原理。图1“驱动电缆”技术原理示意图答：1.) 一般电容传感器电容值很小，如果激励频率较低，则电容传感器的容抗很大，因此

5、对传感器绝缘电阻要求很高；另一方面，变换器电容极板并联的寄生电容也会带来很大的影响，为克服其影响采用驱动 电缆法。2.)在电容传感器与测量线路前置极间采用双层屏蔽电缆。这种接法使传输电缆的芯线与内层屏蔽等电位，消除了芯线对内层屏蔽的容性漏电，从而消除了寄生电容的影响。同时放 大器的高输入阻抗又起到阻抗匹配的作用。2为什么压电式传感器不能用于静态测量，只能用于动态测量中？而且是频率 越高越好？K为什么压电式传感器不能用于静态测量.只能用于动态测量中? 好？答：如作用在压电组件匕的力是静态力，则电荷会泄 露，无法进行测屋。所以压电传感器通常都用来测 量动态或瞬态参量或： 答：压电式传感器的测量基于

6、压电效应，而且在测量时必须保证：压电 元件在产生压电效应过程中必须没有电荷泄露。在做静态测量时，要做到外力 作用在压电元件时所产生的电荷能在无泄漏的情况下进行完全保存，这实际上 是不可能的，因此压电式传感器用于静态测量是不合适的。要实现测量时电荷 无泄漏的条件，只有使压电元件在交变力的作用下，才能够促使压电效应产生 的电荷不断得到补充，以供给测量回路一定的电流，因此说压电传感器只能用 于动态测量。而且频率越高，补充电荷的时间越短，保证测量时的无电荷泄露 效果更好。3.图2是应用光栅式传感器进行数控机床位置控制的原理示意图，简述其控制 过程，并说明光栅式传感器主要由哪几部分组成？其测量系统的精度

7、主要由一部 分的精度决定？图2数控机床位置控制框图4有三台测温仪表，量程均为 0800C，精度等级分别为2.5级、2.0级和1.5 级，现要测量500E的温度，要求相对误差不超过 2.5%，选那台仪表合理？2.5级时的最大绝对误差值为20C，测量500E时的相对误差为4%; 2.0级 时的最大绝对误差值为16C,测量500E时的相对误差为3.2%; 1.5级时的最 大绝对误差值为12C,测量500E时的相对误差为2.4%。因此，应该选用1.5 级的测温仪器。5.变间隙电容传感器的测量电路为运算放大器电路，如图3所示。G=200pF,传感器的起始电容量 CXo=20pF,定动极板距离do=1.5

8、mm运算放大器为理想放大器 （即 Ip z ）, R极大，输入电压ui=5sin 3 tV。求当电容传感动极板上输入 一位移量 x=0.15mm使do减小时,电路输出电压uo为多少？C 0u图3R解：由测量电路可得20020x1.5x 5sin 寸=4 5sin 丫dc - ArL5-O.156.下表为某热电偶的分度表，测量电路如图所示，数字电压表的读数为4.10mV, 热电偶与电压表用补偿导线连接，请问被测温度 Tx是多少，给出计算依据。（8 分）温度/C203040508090100110120130140热电 势/mV0.801.201.602.023.263.384.104.514.9

9、05.305.73电压表20*扌严补偿导线卞卜7兀 扩 20T：氛Tx为ho Pi.蔽据如K根据中匚济世沱律和址：线补偿矗理取连接导体定律，由电压 表读数斜该热屯谓在Tx和2。度温度卜的热电势为3.71 mVF吉环境沮度为加度时谏热电 （H的热电势为Q.79niV;该热电偶在Tx和0度卜的热电静为4.50mVs由此丹农仰Tx为 1W如側牝I；.确剧3分，说明曲按矗农哑用修il法計須2处理论1射制2分7.试说明图4所示的的微压力变送器的工作原理图4微压力变送器(a)结构图(b)测量电路方框图1 一接头2 一膜盒3 一底座4 一线路板5 一差动变压器6 一衔铁7 一罩壳在无压力作用时，膜盒处于初始

10、状态，固连于膜盒小心的衔铁位于差动变压器线圈的中部,输岀电压为零。当被测压力经接头输入膜盒后，推动衔铁移 动，从而使差动变压器输出正比于被测压力的 电压&( 46)10*CT可测的压力输出信号电压j050mV,精度为1.5级。8.图5是用光敏二极管控制的交流电压供电的明通及暗通直流电磁控制原理图, 说明为什么要采用晶体管放大电路并简述此电路的工作原理。图5解：根据題意，直流器件川在 交流电路中采用塾流和滤波措诫， 方口 1便肓.流继电器吸合叫菲.又因 光敏一极骨功率小，不足以直播控 制直流继电器故耍采用鼎休管放 大电路-拟定矗理图4-1所示.閤中V为晶休二极管：册光电-极負D虚流一根管：耳射极

11、电位稳乐管；K直说 继电器：C谑波电容,T变乐器:R降乐电阻：LD被控电灯.療理:当有足够的光线射到光敏-极管匕时，其内阻下降，在电源变乐器为正半周 时，二极管”导通时K通电喙合，灯亮“无光照时则灯火故是一个明迪电路b若閤中光 敏 极骨D】与电阴R调换位总则可得到一个時通电賂，9在炼钢厂中，有时直接将廉价热电极（易耗品，例如镍铬、镍硅热偶丝，时 间稍长即熔化）插入钢水中测量钢水温度，如图6所示。试说明测量钢水温度的 基本原理？为什么不必将工作端焊在一起？要满足哪些条件才不影响测量精度？采用上述方法是利用了热电偶的什么定律？如果被测物不是钢水, 的塑料行吗？为什么？而是熔化吨伏表补偿导线接线柱保

12、护管补偿导线补偿导缆按线柱 热电极A、E钢擀融用後入丸熬电偶测量臨融舍展的虜理图6用浸入式热电偶测量熔融金属示意图答：测量钢水温度的基本原理是利用了热电效应；因为钢水是导体，又处在同一个温度下, 把钢水看作是第三导体接入，禾U用了热电偶的导体接入定律；如果被测物不是钢水，而是 熔化的塑料不行，因为，塑料不导电，不能形成热电势10. 设计一种可用于在有油污、灰尘或雨水等的环境下能测量车轮轴转速的传感 器系统方案。请说明选用何种工作原理的传感元件，给出系统组成简略示意图， 说明测量方法及改善测量精度的措施。如图所示，在待测转轴上安装一调制盘，齿数为Z（2分）。采用电涡流传感器（若采用霍尔传感器，则

13、需要在霍尔元件前面或后面安装一片磁钢），将电涡流传感器输出信号经过放大、整形后送频率计，测出频率（2分），转速为：60f/Z（转 /分）。放大测频整形f电陡O好=、鑽柜 78. 一个简单的家居智能系统要求：有盗贼从大门进入时可及时发现，并能提示盗 贼可能携带有刀、枪等金属器械；当玻璃窗被砸坏时能及时报警。试：选择合适的传感器进行合理的安装完成以上功能；说明各传感器如何完成相应的功能。选磁敏或者霍尔传感器安装于大门一侧，另一侧安装永久磁铁，当钢铁 或金属物穿过门时，传感器输出增强，触发报警信号器（4分）；在玻璃上贴压电膜传感器，或在窗边安装振动传感器，玻璃窗被砸时，触发压电或振动传 感器报警（3

14、分）；在厨房上空位置安装 C02气体传感器或烟雾传感器，厨房失 火时，因C02（或烟雾）浓度显著增加，触发C02气体（或烟雾）传感器报警（3 分）11. 有四片完全相同的金属应变片（灵敏系数为 2、泊松比为0.3、电阻1201） 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： 2X107N/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2.25m

15、V，被测重量为多少？（不计横向效应影响，应变；xF，其中lx为应变片粘贴处到梁的自由端bh E的距离。应变片长度相对于lx可忽略。）171分析和方案设计（16+10-26）1布片 M分如右圈所示RI和氏；在嚨的农面.R2 和R4在对应RI和的伯值的下表而人接线（J 5）如卜 图所示时，形成差动全桥时传感器冇故胡灵敏度=坏临，湿俭嚨化楚成-2）根据全箸臂羞动电桥的输出备应变片的热应彌尋在电桥的输出中相互抵消.不哥响电桥输出.使皓果不变分人3）因占-匸巴兰_ 由 他丄 KZ占 j = 5k2k9x/0 / - 2.x/G*Jf=25（N）J 25k2kH）74“（只要给出的衣达式止确.尿订祥出給果

16、也可给4廿）12. 热电阻测量时采用何种测量电路 ？为什么要采用这种测量电路 ？说明这种电 路的工作原理。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Rit=R2t，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熱电阻的测量电路13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 ？I I u 口刃g#!直工I i.rjjLd答：如图所示是一直线位移型电容式传感誥的示意图。当动极板移动耳后，覆蛊面和就发生变

17、化.电容量也随之氐殳，其值为C=sb (tJ-Ax) fd=Ccb - Ax/rf(1)电容因位移而产生的殳化量为AC sb可见増加&或诚小汙均可提高传感器的灵駛度。直终位穆型电容式传盛14. 试分别说明图7的二种光电式传感器的工作原理图7:光电元件的应用形式之一(c)被测物是有反射能力的表面(d)被测物遮蔽光通量1 一被测物2 一光电元件3 一恒光源15. 将一支灵敏度为0.08 mV/ 的热电偶与电压表相连，电压表接线端处温度为 50C。电压表上读数为60mV，则热电偶热端温度为多少？解：根据题总，电压表上的毫伏数是山热錦温度仁 冷渤温度50 C产生的，即，Et, 50) =60mV.又因

18、：E =60+0.08*50=64mV所以*热端温度t=64/0.08=800 Co16. 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。17. 图8所示为一个采用霍尔传感器的液位控制系统。简述其工作原理。图8霍尔传感器的液位控制系统示意图霍尔液位传感器的原理霍尔蔽传蜒有蹄简亜霍牆件装屈器外臥永支4?子匕随着淞变化，作用到霍 斶件上蹣场改变,从而可测得淞有的结构如杂，但可颠自锂:个中空的非厳材料的管子，浮子套在管子外，可上下滑动，在浮子的上端放着永議，霍尔器件及其憬 编口T耕了许梦孔的柔性带在一吊在中空觀E磁材料的管子内。务膘網电影胶片一辰用纟趨 绞动使之上下移动。当柔性带蒂着的霍尿器件接近浮子上的永磁ft时，霍尔器件输出霍尔电压，楼准霍 尔电压和浮子位置的关系，即可由所得的雷尔电压得到容器中液体的液位。用这礁墨服现远距离自动檢18. 需要用间接测量方式来测量一个大直径金属圆柱体的直径， 请选择适当原理 的传感器件、设计组合传感器测量系统方案。 画出系统组成示意图、说明系统工 作原理。选两只电涡流