《检测与转换技术》复习思考题

1、复习思考题一、填空题1、按能量角度分析，典型的传感器构成方法有三种，即 、 以及 ，前两者属于能量 ，后者是能量 。2、将温度转换为电势大小的热电式传感器是 传感器，而将温度变化转换为电阻大小的热电式传感器是 （金属材料）或 （半导体材料）。3、电感式传感器也称为 传感器，它是利用 原理将被测物理量转换成线圈 和 的变化，再由测量电路转换为电压或电流的变化，从而实现非电量到电量的转换。4、容栅传感器实际上是多个 式 型电容传感器的并联，它具有 效应，测量精度很高。5、热电偶传感器的工作基础是 ，其产生的热电势包括 电势和 电势两部分。热电偶的 定律是工业上运用补偿导线法进行温度补偿的理论基础；

2、 定律为制定分度表奠定了理论基础；根据 定律，可允许采用任意的焊接方式来焊接热电偶。6、用于制作压电传感器的常用压电材料是 和 。7、基于外光电效应的器件有 和 ；基于内光电效应的器件有 、 、 和 等。二、选择题: 1. 被测信号x(t)的最高频率为fm时，采样频率fc至少为_,才能恢复原始波形，否则，会引起信号失真。 A 0.5fm B fm C 2fm2. 某传感器的精度为2%FS，满量程输出为100mV，可能最大的误差为_Mv。 A 2 mV B 1 mV C 4 mV D 6 mV3. 传感器在正、反行程中输入输出曲线不重合称为_。 A 非线性误差 B 迟滞 C 重复性 4. 一弹性

3、式压力传感器在加压过程和减压过程中，输入值相同，但传感器的输出却不一致，这种现象称为_。A 弹性元件的非线性 B 弹性后效 C 弹性滞后 D 弹性元件的不稳定 5. 传感器的输出分辨率_输入分辨率。 A 大于 B 等于 C 小于 D 不相关6. 传感器能检测到的最小输入增量为_。 A 零点残余 B 迟滞 C 误差 D 分辨力7. 金属应变片利用了金属材料的_。A 电阻应变效应 B 压阻效应 C 压电效应8. 半导体应变片利用了金属材料的_。A 电阻应变效应 B 压阻效应 C 压电效应9. 应变式传感器是一种_的测量装置。A 只能测量应变 B 只能测量电阻的相对变化 C 可以测量能转化为应变的被

4、测量 D 可以测量所有的被测量10. 采用箔式应变片是为了减小传感器的_。A 原始阻值 B 最大工作电流 C 横向效应11. 直流电桥的平衡条件可以概括为_。A 对臂阻抗之积相等 B相邻臂阻抗之和相等 C 相邻臂阻抗之积相等 D对臂阻抗之和相等12. 电阻应变片测量时采用补偿片作温度补偿，对补偿片的要求是_。A 与工作应变片处在相同的应变状态下B 应该远离工作应变片C 与工作应变片处在相同环境温度下13. 应变片采用半桥差动测量线路时，电源电压为Usr，其输出电压Usc为_。A Usc=Usr B Usc=Usr*R/(2*R) C Usc=Usr*R/(4*R)D Usc=Usr*R/R14

5、.若差动电感传感器磁芯位移与输出电压有效值关系曲线在零点总有一个最小输出电压，称为_。A 零点残余电压 B 参考电压 C 测量信号电压15. 常见的数显游标卡尺用_作为基准器件。A 感应同步器 B 光栅尺 C 容栅尺 1. 位置敏感器件的缩写为_。 A. PSD B. CCD C. PZT D. PMN3. 热电偶工作时与下述何种效应有关? A. Seebeck效应 B. Peltier效应 C. Thomson效应4. 热电阻温度计采用三线制或四线制引线是为了? A. 在测量时提高灵敏度 B. 在测量时消除引线电阻的影响 C. 消除接触电动势的影响5. 霍耳传感器的输出与沿_方向的距离成反比

6、。 A. 磁场 B. 电流 C. 电压6. 热电偶温度计采用冷端补偿的目的是为了_ 。 A. 节省热电偶的长度 B. 避免使用补偿导线 C. 可以直接使用分度表7. 补偿导线的作用是为了_。 A. 补偿冷端不在0的影响 B. 将冷端延伸至远离热源且温度恒定的地方 C. 节约热电偶材料8. 校准热电阻温度计时，采用交流电是为了_。 A. 在测量时提高灵敏度 B. 在测量时消除引线电阻的影响 C. 消除接触电动势的影响12. 光电倍增管的工作原理是_。 A. 热电效应 B. 外光电效应 C. 内光电效应13. 电机轴上安装一个10个齿的调制盘，当电机以30的角速度转动时，光电二极管的输出信号频率是

7、_。 A 300Hz B 180 Hz C 450 Hz D 150 Hz14. 电机轴上安装一个60个齿的调制盘，当电机以15的角速度转动时，光电二极管的输出信号频率是_。 A 900Hz B 60 Hz C 450 Hz D 15 Hz15. 裂相光栅四个部分的透射光的相位依次相差_。A B 2 C 0.5 D 0.25三、简述题1、 简述非线性误差的定义。2、 举例说明结构型传感器与物性型传感器的区别。3、 简述压电陶瓷的压电机理。4、 简述应变计横向效应的产生原因、横向效应系数的定义及减小横向效应的方法。5、 给出热电偶传感器冷端电桥补偿法的结构，并说明其原理。四、如图所示的纯弯试件，

8、如何利用全桥测量提高灵敏度并实现温度补偿，画出布片图和电桥连接图，推导输出公式。（本题8分） F 五、压电式加速度传感器的结构如图所示，假设重块组件的质量为m，压电元件的压电系数为d，传感器壳体内的等效阻尼系数为c。（本题10分）要求：（1）分别给出输出电荷q及输出电压U与加速度a之间的关系；（2）画出此加速度传感器的等效模型；（3）推导传感器的微分方程，并说明它是几阶环节的传感器。六、 热电阻传感器设计一个电热水器，当热水器内的水温低于90时，控制热水器的电源接通，给水加热，同时红色指示灯亮，表示正在给水加热；当热水器内的水温达到95时，控制电路自动切断热水器的电源，停止给水加热，处于保温状

9、态，此时绿色指示灯亮，表示可饮用。（本题10分）实验仪器及材料：热电阻传感器；XMT-122数字指示调节仪；电炉及水壶；稳压电源（DH1718-4）；继电器（控制电压为DC5V）；电源线及导线。说明：（1）XMT-122数字指示调节仪的前面板如图，“H”键和“L”键分别用于调节“上限温度”和“下限温度”。（2）XMT-122数字指示调节仪的后面板中，A、B、C端子接热电阻传感器的输出，电源采用220V（50Hz）的交流电。上（下）限电接点1、2、3的状态说明： 当热电阻实测温度低于“上（下）限温度”时，上（下）限电接点端子1、2开路，处于“断”状态，而端子1、3短路，处于“通”状态。 当热电阻

10、实测温度高于“上（下）限温度”时，上（下）限电接点端子1、2短路，处于“通”状态，而端子1、3开路，处于“断”状态。要求：（1）画出系统电路连接图，并说明其工作原理。（2）给出热电阻三线制测量电路及工作原理，说明它是如何减小引线电阻对测量的影响的？1-1. 衡量传感器静态特性的主要指标，说明含义。1-2. .计算传感器线性度的方法，差别。1-3. 什么是传感器的静态特性和动态特性？为什么要分静和动？1-4. 分析改善传感器性能的技术途径和措施。2-1.金属应变计和半导体工作机理的异同？比较应变计各种灵敏系数概念的不同意义？2-4.试述应变电桥产生非线性的原因及消减非线性误差的措施。2-9.四臂

11、平衡差动电桥，说明为什么采用？3-1.比较差动式自感传感器和差动变压器在结构上及工作原理上的异同？3-4. 变间隙式、变截面式和螺旋式三种电感式传感器各适用于什么场合？各有什么优缺点？3-5. 螺管式电感传感器做成细长形有什么好处？欲扩大其线性范围可以采用哪些措施？3-6. 差动式电感传感器为什么常采用相敏检波电路？分析原理。3-7. 电感传感器产生残余电压的原因和减小残余电压的措施。3-12. 电涡流式传感器的原理及应用。3-14. 比较定频调幅式、变频调幅式和调频式三种测量电路的优缺点，并指出它们的应用场合。4-1. 电容式传感器可分为哪几类？各自的主要用途是什么？4-2. 变极距型电容传

12、感器产生非线性误差的原因及如何减小？4-3. 为什么电容式传感器的绝缘、屏蔽和电缆问题特别重要？如何解决？5-12. 什么是霍尔效应？可进行哪些参量的测量？6-1. 什么是压电效应？正压电与逆压电？压电材料的主要特性参数有哪些？比较三类压电材料的应用特点。6-6. 原理上，压电式传感器不能用于静态测量，但实用中，压电式传感器可能用来测量准静态量，为什么？7-1. 热电式传感器分类。各自特点。7-2. 常用的热电阻，适用范围。7-4. 利用热电偶测温必须具备哪两个条件？7-5. 什么是中间导体定律和连接导体定律？它们在利用热电偶测温时有什么实际意义？7-6. 什么是中间温度定律？有什么实际意义？

13、8-2. 什么是外光电效应、内光电效应和光生伏特效应？一、填空题1、传感器的输入输出特性指标可分为 和动态指标两大类，线性度和灵敏度是传感器的 指标，而频率响应特性是传感器的 指标。2、导电丝材的截面尺寸发生变化后其电阻会发生变化， 用这一原理可制成的传感器称为 式传感器，利用有料具有磁致伸缩效应可制成的 传感器也可用以测量力，而压电式传感器则利用了一些具有离子型晶体电介质的 效应，它敏感的最基本的物理量也是力。3、热电式传感器中，能将温度变化转换为 变化的一类称为热电阻，而能将温度变化转换为电势的称为 ，其中 式传感器在应用时需要做温度补偿(冷端补偿)。4、旋转式编码器用以测量转轴的角位移，

14、其中 在任意位置都有固定的数字编码与位置对应，线数为360线的增量式编码器分辨力为 （角）度。5、光电效应分为 和 两大类。1传感器可分为物性型和结构型传感器，热电阻是_型传感器， 电容式加速度传感器是_型传感器。 2热电式传感器中，能将温度变化转换为_变化的一类称为热电阻。有一种热电阻的型号为Pt100，它在0时的电阻值为_，利用不同种材料的接触电势和温差电势将温度变化转换为电势的一类热电式传感器称为_。3旋转式编码器可分为_和_编码器，用以测量转轴的角位移，其中_在任意位置都有固定的数字编码与位置对应，所以这种编码器能直接反映转轴位置；用一个线数为200线的编码器分辨力为_（角）度。4目前

15、压电式传感器的常用的材料有_、_和高分子电致伸缩材料等三类。压电材料的_效应还可以用来产生超声波。5在电感式传感器中，线圈之间的没有耦合的是_式传感器，被测对象也是磁路一部分的是_传感器。6电容式传感器按结构特点可分为变极距型、_型和变面积型等三种。电容式传感器存在_效应，会造成测量误差，常用保护环来消除，保护环是电容式传感器特有的结构。7传感器的输入输出特性指标可分为_和动态指标两大类，线性度和灵敏度是传感器的_指标。8光敏电阻的原理是基于_（填内、外）光电效应的。二、简答题： 1. 简要说明电容式传感器的原理。2. 简要说明光栅尺的原理。3. 什么是外光电效应？什么是内光电效应？1什么是传

16、感器？以加速度传感为例，画图说明传感器的敏感元件和转换元件的定义和作用。2简述莫尔条纹在光栅中的应用原理。3试说明压电式传感器中，压电片并联和串联后对测量的影响。4设三种制造热电偶的材料A、B、C，两两配对后的热电热分别为：EAB（T，T0）、EBC（T，T0）、EAC（T，T0）。试证明：EAB（T，T0）EAC（T，T0）EBC（T，T0）。并说明这一公式的实践意义。三、综合分析题：1、图为用电阻应变式传感器测量金属材料的弯曲变形的原理图，简支梁在力F的作用下发性弯曲，在梁的上下表面各贴一片应变片，试说明这个测量系统的其原理。要求：1画出测试电路的原理图，并给出计算公式（10分）FR1R2

17、 2图中用两个应变片有什么好处？ （10分）分析：这是一个用应变计测量金属梁变形的一个示意图，上下两个应变片都应当按图示方向粘贴，并按图中的方法组桥，其输出为：。这种布局方式构成了差动式测量，可以有效地降低非线性误差、消除温度误差，还能提高测量的灵敏度。答题要求：1。写出输出公式，（5分、图5分） 2说出差动测量的优点（4分）给出相应的说明或证明（各2分） 2. 在图示的机械系统中，电机输出转速经减速器减速后驱动丝杆螺母构成一个直线运动机构，已知电机转速为3000转/分，减速器减速比为100，丝杆的导程为12mm，今欲测量螺母的位移，并要求测量精度为1mm，暂时不考虑机械系统传动误差，请选择传

18、感器并设计测量方案。 （15分）答题要求：本题可有多种答案，合理的答案均可给分。可以选用直接测量直线位移的传感器如光栅等，也可以选用编码器测量丝杆轴等。（5分）但要求说明传感器的原理（5分），画出结构安装示意图（5分）较好的答案如下：螺母每走1mm对应丝杆的转角为：1÷12×360=30度，相对应的电机的转角为：30×100=3000度，可见，只要精确电机的转数就足以按要求测量出螺母的位移。可使用接近式传感器，安装方法如图：在电机轴上装一个圆盘，盘四周装一个突出盘表需的元件，无件的个数可以只有一个，也可以有多个，根据选用传感器类型元件的材料有一定要求，如选用霍尔式

19、传感器就要求是磁性体，电感式或涡流式就要求铁磁性物质，电容式要求元件材料相对介电常尽量大。设元件的个数为N，则测量的分辨力为： 。圆盘上突起元件的安装精度及传感器的灵敏度、稳定性有关，如果误差为5度，测量误差为：5÷100÷360×12=0。0017mm。1a试列出三种能测量直线位移的传感器，并详述其原理。1b试列出三种能对流水线上的工件进行计数的方法，并说明各自的应用范围。2 以任意一种传感器为例，说明差动测量的优点。答：差动传感器的三个优点：灵敏度提高一倍，非线性误差降低一级，补偿温度误差。 评分标准：画图正确（3分），每一种优点的说4分，其中：说出优点2分，

20、证明或能说明优点的道理2分1.何谓结构型传感器?何谓物性型传感器?试述两者的应用特点。答：结构型传感器是利用物理学中场的定律构成的，包括动力场的运动定律，电磁场的电磁定律等。物理学中的定律一般是以方程式给出的。对于传感器来说，这些方程式也就是许多传感器在工作时的数学模型。这类传感器的特点是传感器的工作原理是以传感器中元件相对位置变化引起场的变化为基础，而不是以材料特性变化为基础。物理型传感器是利用物质定律构成的，如虎克定律、欧姆定律等。物质定律是表示物质某种客观性质的法则。这种法则，大多数是以物质本身的常数形式给出。这些常数的大小，决定了传感器的主要性能。因此，物理型传感器的性能随材料的不同而

21、异。例如，光电管就是物理型传感器，它利用了物质法则中的外光电效应。显然，其特性与涂覆在电极上的材料有着密切的关系。又如，所有半导体传感器，以及所有利用各种环境变化而引起的金属、半导体、陶瓷、合金等特性能变化的传感器，都属于物理型传感器。2图1所示为一种膜合式压力传感器。试用这个例子说明传感器的组成原理。答：传感器一般由敏感元件、转换元件、转换电路组成，它是一种典型的结构型传感器。敏感元件是直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的某一物理量的元件。图1中，膜盒2的下半部分与壳体1固接，上半部分通过连杆与磁芯4相连，磁芯4置于两个电感线圈3中，后者接入转换电路5。这里的膜盒就是敏感元件，其外部与

22、大气压力相通，内部感受被测压力。当变化时，引起膜盒上半部分移动，即输出相应的位移量。图1 气体压力传感器转换元件：敏感元件的输出就是它的输入，它把输入转换成电路参量。在图0-2中，转换元件是可变电感线圈3，它把输入的位移量转换成电感的变化。基本转换电路：上述电路参数接入基本转换电路（简称转换电路），便可转换成电量输出。传感器只完成被测参数至电量的基本转换，然后输入到测控电路，进行放大、运算、处理等进一步转换，以获得被测值或进行过程控制。1传感器的静态特性主要有那些？说明什么是线性度？答：传感器的特性主要是指传感器的输入（被测量）与输出（电量）的关系。静态特性表示传感器在被测量各个值处于稳定状态

23、时的输入输出关系。也即当输入量为常量，或变化极慢时，这一关系就称为静态特性。传感器的静态特性主要有：线性度、迟滞性、灵敏度、稳定性、重复性、阈值等。传感器的静特性曲线可实际测试获得，用下列多项式程表示为：式中y为输出量、x为输入量、 为零点输出、为理论灵敏度、为非线性项系数。在获得特性趋向之后，可以说问题已经得到解决。但是为了标定和数据处理的方便，希望得到线性关系。这时可采用各种方法，其中也包括硬件或软件补偿，进行显性化处理。一般来说，这些办法都比较复杂。所以在非线性误差不太大的情况下，总是采用直线拟合的方法来线性化。 在采用直线拟合线性化时，输出输入的校正曲线之间的最大偏差，就称为非线性误差

24、，也就是线性度：%由此可见，非线性偏差的大小是以一定的拟合直线为基准直线而得来的。拟合直线不同，非线性误差也不同。所以，选择拟合直线的主要出发点，应是获得最小的非线性误差。另外，还应考虑使用是否方便，计算是否简便。2什么是传感器的静态误差？传感器的静态误差是如何评定的？答：静态误差是指传感器在其全量程内任一点的输出值与其理论值的偏离程度。静态误差的求取方法如下：把全部输出数据与拟合直线上对应值的残差，看成是随即分布，求出其标准偏差，即式中 各测试点的残差；n测试点数。取2和3值即为传感器的静态误差。静态误差也可用相对误差来表示，即 （1-15）静态误差也是一向综合指标，他基本上包括了前面叙述的

25、非线性误差、迟滞误差、重复性误差、灵敏度误差等，若者几项误差是随机的、独立的、正态分布的，也可以把这几个单项误差综合而得，即：3.某测温系统由以下四个环节组成，各自的灵敏度如下： 铂电阻温度传感器：0.45/电桥： 0.02V/ 放大器： 100(放大倍数) 笔式记录仪： 0.2cm/V求：(1)测温系统的总灵敏度；(2)记录仪笔尖位移4cm时，所对应的温度变化值。 解：（1）测温系统的总灵敏度为 cm/（2）记录仪笔尖位移4cm时，所对应的温度变化值为:4.有三台测温仪表，量程均为0800，精度等级分别为2.5级、2.0级和1.5级，现要测量500的温度，要求相对误差不超过2.5，选那台仪表

26、合理?解：2.5级时的最大绝对误差值为20，测量500时的相对误差为4；2.0级时的最大绝对误差值为16，测量500时的相对误差为3.2；1.5级时的最大绝对误差值为12，测量500时的相对误差为2.4。因此，应该选用1.5级的测温仪器。1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。2.直流测量电桥和交流测量电桥有什么区别?答：它们的区别主要是直流电桥用直流电源，只适用于直流元件，如电阻应变片，交流电桥用交流电源，适用于所有电路元件，如电阻应变片、电容。3简述

27、电阻应变式传感器产生横向误差的原因。答：粘贴在受单向拉伸力试件上的应变片，如图2-3所示，其敏感栅是有多条直线和圆弧部分组成。这时，各直线段上的金属丝只感受沿轴向拉应变,电阻值将增加。但在圆弧段上，沿各微段轴向 (即微段圆弧的切向) 的应变与直线段不相等，因此与直线段上同样长度的微段所产生的电阻变化就不相同，最明显的在处圆弧段上，按泊松关系，在垂直方向上产生负的压应变，因此该段的电阻是最小的。而在圆弧的其它各段上，其轴向感受的应变由 +变化到-。由此可见 , 将直的电阻丝绕成敏感栅之后，虽然长度相同，但应变状态不同，其灵敏系数降低了。这种现象称横向效应。图23 横向效应应变片横向效应表明 ,

28、当实际使用应变片时，使用条件与标定灵敏系数 k 时的标定规则不同时,实际 k 值要改变,由此可能产生较大测量误差，当不能满足测量精确度要求时，应进行必要的修正。4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，供桥电压为4V，并假定负载电阻无穷大。当应变片上的应变分别为1和1000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：单臂时，所以:应变为1时/V;应变为1000时应为/V；双臂时，所以:应变为1时/V;应变为1000时应为/V；全桥时，所以:应变为1时/V;应变为1000时应为/V。图1变间隙式电容传感器从上面的计算可知：

29、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。5差动电桥有哪些有优点？答：差动电桥比单臂电桥的灵敏度高，此外，还可以有效地改善电桥的温度误差、非线性误差。1为什么说变间隙型电容传感器特性是非线性的?采取什么措施可改善其非线性特征?答：下图为变间隙式电容传感器的原理图。图中1为固定极板，2为与被测对象相连的活动极板。当活动极板因被测参数的改变而引起移动时，两极板间的距离d发生变化，从而改变了两极板之间的电容量C。设极板面积为A，其静态电容量为，当活动极板移动x后，其电容量为 (1)当x<<d时 则 (2) 由式（1）可以看出电容量C与x不是线性关系，只有当 x<&

30、lt;d时，才可认为是最近似线形关系。同时还可以看出，要提高灵敏度，应减小起始间隙d。但当d过小时，又容易引起击穿，同时加工精度要求也高了。为此,一般是在极板间放置云母、塑料膜等介电常数高的物质来改善这种情况，如下图2。在实际应用中，为了提高灵敏度，减小非线性，还常采用差动式结构:图2板间放置高介电常数材料图3差动式传感器图中所示为差动结构，动极板置于两定极板之间。初始位置时，120，两边初始电容相等。当动极板向上有位移时，两边极距为10，20；两组电容一增一减。同差动式自感传感器式（341）的同样分析方法，由式（44）和式（45）可得电容总的相对变化量为 （411）略去高次项，可得近似的线性

31、关系 （412）相对非线性误差为 （413） 上式与式（46）及式（49）相比可知，差动式比单极式灵敏度提高一倍，且非线性误差大为减小。由于结构上的对称性，它还能有效地补偿温度变化所造成的误差。2.如图3-22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,。1为什么电感式传感器测量电路中常用相敏检波器？说明相敏检波器的原理。答：电感式传感器常用的交流电桥有以下几种。图14-1输出端对称电桥（a）一般形式;(b)变压器电桥图(a)为输出端对称电桥的一般形式。图中Z1、Z2为传感器，如果两线圈阻抗，Z1=r1+jL1，Z2=r2+jL2，r10=r20=r0，L10=L20=L0,R1、R2为外接电阻，通常Rl=R2=R。设工作时Z1=Z+Z，Z2=Z-z，电源电势为E，于是由上式可知，这种测量电路的输出极性与电源有关，输出并不能判断出铁芯的移动方向，图(b)是图(a)的变型，称为变压器电桥。它以变压器两个次级作为电桥平衡臂。显然，其输出特性同(a)。差动变压器式传感器也存在同样的问题。相敏检波电