传感器与检测技术课后习题汇总

1、传感器与检测技术课后习题汇总第一章 绪论1.某台测温仪表的工作范围为0500，工艺要求测温时测量误差不超过±4，试问如何选择仪表的精度等级才能满足要求？ ( )A1级 B. 0.5级 C. 0.8级 D. 1.5级2.测得某检测装置的一组输入输出数据如下：X0.92.53.34.55.76.7Y1.11.62.63.24.05.0试用最小二乘法拟合直线，求其线性度和灵敏度.解: 代入数据求得3.测量系统的静态特性指标主要有（线性度、灵敏度、迟滞、重复性、分辨率、稳定性、温度稳定性、各种抗干扰稳定性等）。4.仪表的精度等级是用仪表的相对误差绝对误差引用误差 来表示的 。5.传感器是 能

2、感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置，传感器通常由直接响应于被测量的敏感元件和产生可用信号输出的转换元件以及相应的信号调节转换电路组成。 第二章 电阻式传感器1.电阻应变片式传感器按制造材料可分为金属材料和半导体材料。它们在受到外力作用时电阻发生变化，其中金属材料的电阻变化主要是由电阻应变效应形成的，而半导体的电阻变化主要是由温度效应造成的。半导体材料传感器的灵敏度较大。2.直流电桥和交流电桥有何区别？直流电桥的平衡条件是什么？应变片式电阻传感器、自感式、互感式、涡流式、电容式、热电阻式传感器分别可采用哪种电桥作为测量电路？答：根据电源不同分为直流和交流电桥。直流电桥优

3、点：高稳定度直流电源容易获得，电桥平衡电路简单，传感器至测量仪表的连接导线分布参数影响小。但是后续要采用直流放大器，容易产生零点漂移，线路也较复杂。交流电桥在这些方面都有改进。直流电桥平衡条件：R1/R2=R3/R4 ，R1R4=R2R3。3.什么是金属应变片的灵敏系数？请解释它与金属丝灵敏系数的区别。答： 应变片一般做成丝栅状，测量应变时，将应变片贴在试件表面上，试件的变形很容易传到应变片上。金属应变片的灵敏系数与金属丝灵敏系数是不同的。第一，零件的变形是通过剪力传到金属丝上的。第二，丝沿长度方向承受应变时，应变片弯角部分也承受应变，其截面积变大，则应变片直线部分电阻增加时，弯角部分的电阻值

4、减少，也使变化的灵敏度下降。因此，应变片的灵敏系数比金属丝灵敏系数低。4.为什么要对应变片式电阻传感器进行温度补偿，分析说明该类型传感器温度误差补偿方法。答：在外界温度变化的条件下，由于敏感栅温度系数及栅丝与试件膨胀系数之差异性而产生虚假应变输出有时会产生与真实应变同数量级的误差。 方法：自补偿法 线路补偿法5.以阻值R=120、灵敏度K=2的电阻应变片与阻值为120 的固定电阻组成纯电阻电桥，供桥电压为3V，并假设电桥的负载阻抗为无穷大，当工作应变片受到的应变力为2 µ和2000 µ时，分别求出单臂桥、双臂桥接法的输出电压并比较这两种接法的灵敏度。6.扩散型压阻式压力传感

5、器特点优点: 体积小，结构比较简单，动态响应也好，灵敏度高，能测出十几帕的微压，长期稳定性好，滞后和蠕变小，频率响应高，便于生产，成本低。测量准确度受到非线性和温度的影响。智能压阻式压力传感器利用微处理器对非线性和温度进行补偿。7.由于制造、温度影响等原因，电桥存在失调、零位温漂、灵敏度温度系数和非线性等问题，影响传感器的准确性。减少与补偿误差措施：恒流源供电电桥 、零点温度补偿、灵敏度温度补偿。第三章 自感式传感器1.电流流过导体受到的阻力，称为电阻。磁通流过导磁体和空气时，也会受到相应的阻力，称为磁阻。电阻是指电子在流动过程中受到的各种阻力，而磁阻则不是由某种磁的物质流动而受到的阻力，而是

6、由于磁性物质中原子磁距转动或磁畴壁移动时受到阻力，使物质磁化程度降低，相当于磁通量减少，表现出与电阻相似的磁阻的存在。 3.变气隙式自感传感器，当街铁移动靠近铁芯时，铁芯上的线圈电感量（增加减小不变）变面积式自感传感器，当衔铁移动使磁路中空气缝隙的面积增大时，铁心上线圈的电感量（增大，减小，不变）。4. 可变磁阻式传感器的灵敏度与气隙的关系是气隙越小，灵敏度越（ 高 ）。5. 自感传感器或差动变压器采用相敏检波电路最重要的目的是为了（C） 。A、提高灵敏度 B、将输出的交流信号转换为直流信号C、使检波后的直流电压能反映检波前交流信号的幅度和相位 6. 变间隙式自感式电感传感器的灵敏度为： ，由

7、此可得出结论：（ C ）A.该传感器的灵敏度是非线性的，因此不能使用；B.该传感器的灵敏度是线性的，因此可以正常使用；C.该传感器的灵敏度是非线性的，但在一定条件下可以使用；D.该传感器的灵敏度是线性的，但在特定条件下不能使用。 7.以自感式传感器为例说明差动式传感器可以提高灵敏度的原理。解： 差动式灵敏度:与单极式传感器灵敏度比较灵敏度提高一倍，非线性大大减少。8. 分析如图所示自感传感器当动铁心左右移动（x1,x2发生变化时自感L变化情况。已知空气隙的长度为x1和x2，空气隙的面积为S，磁导率为，线圈匝数W不变）。（10分）解： 又空气隙的长度x1和x2各自变，而其和不变，另其他变量都不变

8、故L不变。差动变压器1. 零点残余电压危害：（1）使传感器输出特性在零点附近的范围内不灵敏，限制着分辨力的提高。（2）零点残余电压太大，将使线性度变坏，灵敏度下降，甚至会使放大器饱和，堵塞有用信号通过，致使仪器不再反映被测量的变化。 2. 零点残余电压产生的原因：（1）基波分量。由于差动变压器两个次级绕组不可能完全一致，因此它的等效电路参数（互感M、自感L及损耗电阻R）不可能相同，从而使两个次级绕组的感应电势数值不等。又因初级线圈中铜损电阻及导磁材料的铁损和材质的不均匀，线圈匝间电容的存在等因素，使激励电流与所产生的磁通相位不同。也即：由于两个二次测量线圈的等效参数不对称使其输出的基波感应电动

9、势的幅值和相位不同，调整磁芯位置时，也不能达到幅值和相位同时相同。（2） 高次谐波。高次谐波分量主要由导磁材料磁化曲线的非线性引起。由于磁滞损耗和铁磁饱和的影响，使得激励电流与磁通波形不一致产生了非正弦(主要是三次谐波)磁通，从而在次级绕组感应出非正弦电势。另外，激励电流波形失真，因其内含高次谐波分量，这样也将导致零点残余电压中有高次谐波成分。也即：由于铁芯的B-H特性的非线性，产生高次谐波不同，不能互相抵消。励磁电压波形中含有高次谐波。3.减小零点残余电压措施：（1）提高框架和线圈的对称性，特别是两个二次线圈对称。 （2）采用适当的测量电路，一般可采用在放大电 路前加相敏整流器。 （3）在电

10、路上进行补偿，使零点残余电压最小，接近于零。线路补偿主要有：加串联电阻，加并联电容，加反馈电阻或反馈电容等。4. 差动变压器应用：（1） 力和力矩的测量（2）微小位移的测量（3）压力测量（4）加速度传感器.电涡流式传感器1、把被测非电量的变化转换成线圈互感变化的互感式传感器是根据变压器的基本原理制成的，其次级绕组都用同名端反向形式连接，所以又叫差动变压器式传感器。2、闭磁路变隙式电感传感器工作时，衔铁与被测物体连接。当被测物体移动时，引起磁路中气隙尺寸发生相对变化，从而导致圈磁阻变化。3.在变压器式传感器中，原方和副方互感M的大小与绕组匝数成正比，与穿过线圈的磁通成正比，与磁回路中磁阻成反比，

11、而单个空气隙磁阻的大小可用公式 _ 表示。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.把变气隙型自感传感器和变极距型电容传感器都做成差动式传感器的好处除了提高灵敏度外，还可以减小或降低非线性，并减小外界因素的影响。6.当变间隙式电容传感器两极板间的初始距离d增加时，将引起传感器的（B,D）。 A灵敏度增加 B灵敏度减小 C非统性误差增加 D非线性误差减小电容式传感器1. 电容传感器的输入被测量与输出被测量间的关系，除（ 变面积型 变极距型 变介电常数型）外是线性的。2. 电容

12、式压力传感器是变极距型（间隙）型的。3. 当变间隙式电容传感器两极板间的初始距离d增加时，将引起传感器的（B,D）。 A灵敏度增加 B灵敏度减小 C非统性误差增加 D非线性误差减小4.在电容传感器中，若采用调频法测量转换电路，则电路中（ B ）。 A、电容和电感均为变量 B、电容是变量，电感保持不变 C、电感是变量，电容保持不变 D、电容和电感均保持不变 5. 以差动电容传感器为例，简要分析说明差动结构型传感器差动测量的原理与获得的益处。以变极距式电容传感器为例：设传感器初始电容为C，极距为d。d增大、减小Dd导致C变化DC。所以，因所以电容变化与被测极距变化成非线性关系。采用差动工作方式时，

13、初始时两电容的参数全相等，当两极距一增、一减变化时，取两电容之差为输出量，由上式可导出：可见，差动工作使电容传感器获得灵敏度增大一倍、非线性明显减小的益处。第4章 光电效应和光电器件1.在光线作用下，半导体的电导率增加的现象属于（ B,D ）。 A外光电效应 B内光电效应 C光电发射 D光导效应2. 光电传感器的理论基础是光电效应。通常把光线照射到物体表面后产生的光电效应分为三类。第一类是利用在光线作用下光电子逸出物体表面的外光电效应,这类元件有光电管、光电倍增管；第二类是利用在光线作用下使材料内部电阻率改变的内光电效应，这类元件有光敏电阻；第三类是利用在光线作用下使物体内部产生一定方向电动势

14、的光生伏特效应，这类元件有光电池、光电仪表。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或反向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。4. 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值大表明光纤集光能力强或允许入射到光纤内传播的光的入射角大。5. 光电池的工作原理，指出它应工作在电流源还是电压源状态。答：光电池是基于光生伏特效应制成的，是自发电式；是有源器件。它有

15、较大面积的P一N结，当光照射在P一N结上时则在结的两端出现电动势。它应工作在电压源状态。6. 按照传感型（功能型）和传输型光纤传感器的特点应该选用哪种光纤（单模/多模），为什么？ 答：功能型(或称物性型、传感型)光纤不仅作为光传播的波导而且具有测量的功能。它可以利用外界物理因素改变光纤中光的强度、相位、偏振态或波长，从而对外界因素进行测量和数据传输。可分为振幅调制型、相位调制型及偏振态调制型。多模单模皆可非功能型(或称结构型、传光型) 其光纤只是作为传光的媒介，还需加上其它敏感元件才能组成传感器。多模。第5章 霍尔传感器1. 霍尔元件需要进行温度补偿的原因是因为其霍尔系数或灵敏系数和材料电阻率

16、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。2. 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。3. 霍尔元件采用恒流源激励是为了减少温漂。4. 减小霍尔元件的输出不等位电势的办法是（C） A、减小激励电流 B、减小磁感应强度 C、使用电桥调零电位器 5. 以下四种传感器中，属于四端元件的是（A ） A、霍尔元件 B、压电晶体 C、应变片 D、热敏电阻 6.简述霍尔电动势产生的原理。（5分）答：一块半导体薄片置于磁感应强度为B的磁场(磁场方向垂直于薄片)中，当有电流I流过时，电子受到洛仑兹力作用而发生偏转。结果在半导体的后端面上电

17、子有所积累。而前端面缺少电子，因此后端面带负电，前端面带正电，在前后端面形成电场，该电场产生的力阻止电子继续偏转当两力相平衡时，电子积累也平衡，这时在垂直于电流和磁场的方向上将产生电场，相应的电势称为霍尔电势UH。7.霍尔元件为何存在不等位电势？请说明补偿不等位电势的方法。原因：霍尔电极安装位置不对称或不在同一等电位面上；半导体材料不均匀造成电阻率不均匀或几何尺寸不均匀；激励电极接触不良造成激励电流不均匀分布等（3分）。霍尔元件可等效为一个四臂电桥（图省略）给其中与某一霍尔电势输出端相邻的两个桥臂并联可调电阻的方式，通过调节电阻是电桥平衡，从而消除不等位电势。（3分）8.霍尔元件能够测量哪些物

18、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？请详细推导分流法。（10分）答：霍尔组件可测量磁场、电流、位移、压力、振动、转速等。霍尔组件的不等位电势是霍尔组件在额定控制电流作用下，在无外加磁场时，两输出电极之间的空载电势，可用输出的电压表示。温度补偿方法：a 分流电阻法：适用于恒流源供给控制电流的情况。b 电桥补偿法。9.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。答：选用电涡流或霍尔传感器（3分）。如图所示，在待测转轴上安装一调制盘，齿数为Z（2

19、分）。采用电涡流传感器（若采用霍尔传感器，则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f（2分），转速为：60f/Z(转/分)。10.1）制作霍尔元件应采用什么材料，为什么？2）为何霍尔元件都比较薄，而且长宽比一般为2 ：1？3）某霍尔元件l ×b ×d 为1.0× 0.35 ×0.1 cm3, 当方向通以电流I=1.0 mA, 在垂直lb方向加有均匀磁场B=0.3T, 传感器的灵敏系数为22 V/A T, 试求其霍尔电势及载流子浓度。答：1）采用半导体材料。因为其灵敏度高，输出霍尔电势大。2）因为元件

20、越薄，灵敏度系数越大。3）第6章 热电式传感器1.热电阻效应：电阻率随本身温度的变化 而变化。根据电阻和温度之间的函数关系，将温度变化量转换为相应的电参量，从而实现温度的电测量。利用这一原理制成的温度敏感元件称为热电阻。热电阻材料可分为金属热电阻(热电阻)和半导体热电阻(热敏电阻)。2.热电阻测温的优点是信号灵敏度高、易于连续测量、可以远传、无需参比温度；金属热电阻稳定性高、互换性好、准确度高可以用作基准仪表。热电阻主要缺点是需要电源激励、有（会影响测量精度）自热现象以及测量温度不能太高。3. 已知某铜热电阻在0时的阻值为50，则其分度号是CU50，对于镍铬-镍硅热电偶其正极是镍铬。4. 利用

21、热敏电阻对电动机实施过热保护，应选择NTC突变型热敏电阻。5. 热电阻主要是利用电阻随温度升高而增大这一特性来测量温度的。6. 在动圈式表头中的动圈回路中串入由NTC组成的电阻补偿网络，其目的是为了温度补偿。7. 热电阻测量转换电路采用三线制是为了（D） A、提高测量灵敏度 B、减小非线性误差 C、提高电磁兼容性 D、减小引线电阻的影响 8. Pt100和Cu50各代表什么传感器？分析热电阻传感器测量电桥之三线、四线连接法的主要作用。解：分别代表铂电阻热电式传感器（100），铜电阻热电式传感器(50). 热电阻传感器测量电桥之三线、四线连接法的主要作用是消除在热电阻安装的地方与仪表相距远时，环境温度变化时其连接导线电阻也变化所造成的测量误差。9. 下面是热电阻测量电路，试说明电路工作原理并计算（5分）10. 1）已知Rt是Pt100铂电阻，且其测量温度为T=50，试计算出Rt的值和Ra的值。2） 电路中已知