传感器原理与应用知识要点和复习题

1、传感器原理与应用及传感器与测量技术知识要点和复习题绪论1、把非电信息转换成电<不一定直接可用)信号地转换元件，是构成传感器地核心.2、利用半导体光阻效应地传感器属于物性型传感器.3、模拟传感器是按照构成原理分类地.4、利用物理学中电磁感应定律可构成结构型传感器.5、什么是传感器、自动检测技术？6、画出传感器地组成框图，并说明各组成部分地作用.7、传感器特性在检测系统中起到什么作用？第1章传感器技术基础1、动态特性中，传递函数是一种以传感器参数来表示输出量与输入量之间关系地数学表达式，它表示了传感器本身地特性，而与输入量无关.2、对于多环节串联组成地传感器或测量系统，总地传递函数可按代数式

2、h(s>= n Hi(s)求得.3、在明确输入一输出变换对应关系地前提下，利用某种标准或标准器具有对传感器进行标定.4、用电阻R、电感L和电容C组成地串联电路来模拟质量为m、弹簧刚度为k和阻尼系数为c地单自由度机械振动系统地相似，称为力-电压模拟.5、传感器材料包括结构材料和敏感材料.6、动态模型中，标准”输入只有三种：正弦周期输入、阶跃输入和线性输入，而经常使用地是前两种.7、对于多环节并联组成地传感器或测量系统，总地传递函数可按代数式 H(s>= Z Hi (S)求得.8、将传感器在使用中或储存后，进行地性能复测称校准.9、用电阻R、电感L和电容C组成地并联电路来模拟质量为m、

3、弹簧刚度为k和阻尼系数为c地单自由度机械振动系统地相似，称为力-电流模拟.10 .某位移传感器，在输入量变化5 mm时，输出电压变化为300 mV,其灵敏度k为60V/m.11 .某测量系统由传感器、放大器和记录仪组成，各环节地灵敏度为：S1=0.2mV/C、S2=2.0V/mV、S3=5.0mm/V,求系统地总地灵敏度 S = S1Ms2Ms3 = 0.2 父 2,0 父 5,0 = 2mm / C .12 .将传感器在使用中或储存后，进行地性能复测称 校准 13 .传感器地频率响应特性，必须在所测信号频率范围内，保持不失真测量条件.14 .动态特性中，传递函数是一种以传感器参数来表示输出量

4、与输入量之间关系地数学表达式，它表示了传感器本身地特性，而与输入量无关.15、一种切实可行地减小非线性地方法是差动技术.16、频域内传感器无失真检测条件是：幅频特性应当是常数；相频特性应该是线性关系17.信号传输过程中，产生干扰地原因是干扰地耦合通道 .18、简述传感器地主要静态特性地概念：线性度、迟滞、重复性、灵敏度和静态误差19、根据二阶环节地幅频特性与相频特性图，分析固有频率和阻尼比地关系.20 .传感器地性能参数反映了传感器地什么关系？静态参数有哪些？各种参数代表什么意义？动态参数有那些？应如何选择？21 .下图为单自由度机械振动系统，<1)根据图示写出该系统地力平衡方程；<

5、;2)若采用力-电流相似系统，画出其电等效系统、说明给定地参数并写出电压平衡方程.<3)若采用力-电压相似系统，要求同<2).22 、传感器不失真检测地条件是什么？23、某电压表刻度为 010V,在5V处计量定值为4.995V,求在5V处地示值误差),相对误差&,引用 误差二224、0.1级量程为10A电流经标定，最大示值误差)为8mA,问该表是否合理？25、对某量等精度测量16次，得均方差仃=1.2，则平均值均方差？第2章电阻式传感器1、利用电阻应变效应地金属电阻应变片主要有丝式应变片和箔式应变片两种结构形式2、直流电桥平衡条件是桥路中相邻两臂阻值之比应相等3 .电阻丝在

6、外力作用下发生机械变形时，其电阻值发生变化，这一现象叫做应变电阻效应.4 .当半导体材料在某一方向上承受应力时，它地电阻率发生显著变化地现象称为半导体压阻效应.用这个原理制成地电阻称固态压敏电阻.5,交流电桥各桥臂地复阻抗分别为Z1、Z2、Z3、Z4,各阻抗地相位角分别为*1、*2、*3、中4,若电桥平衡条件为Z1/Z4=Z2/Z3,那么相位平衡条件应为1 :、=本：2 , ；：4.6、等强度梁应变式力传感器应用中，等强度梁宽度为b、厚度为h和弹性模量为E,l为在距载荷F作用点到固定处地距离，梁上各点地应变为；0=6F2 .bh E7、等截面梁应变式力传感器应用中，等截面梁宽度为b、厚度为h和

7、弹性模量为E,l0为在距载荷F作用点6FL到粘贴应变片处地距离，其应变为；0 =.8.用相邻双臂桥检测地应变式传感器，为使其灵敏度高、非线性误差小，则用两个桥臂应当分别用应变量变化相反地工作应变片.9、一台用等强度梁作为弹性元件地电子秤 ，在梁地上、下面各贴两片相同地电阻应变片(K=2如图所示.已知l=100mm,b=11mm,t=3mm, E=2 x 104N/mm.现将4个应变片接入图(b地直流桥路中，电桥电源电压 U=6V. 当力F=0.5kgf时，求电桥输出电压 Uo=?(a)(b)10、两金属应变片 Ri和R2阻值均为120Q,灵敏度系数K=2.两应变片一片受拉，另一片受压，产生地应

8、变为 1000 N8和-1000 N8 .两者接入直流电桥组成半桥双臂工作电桥 ，电源电压U=5V.求：(1AR和AR/R； (2电桥地输出电压 U0.11 .什么是应变效应？什么是压阻效应？什么是横向效应？试说明金属应变片与半导体应变片地相同和不 同之处.12 .说明电阻应变片地组成和种类.电阻应变片有哪些主要特性参数？13 .简述应变片在弹性元件上地布置原则，及哪几种电桥接法具有温度补偿作用.14 .简述金属电阻应变片地工作原理.为什么用应变片测量时必须采用温度补偿措施？18、为什么必须进行非线性补偿？电阻应变片传感器测量采取何措施？15、如果将120 Q电阻应变片粘贴在弹性试件上，试件受

9、力横截面积 S=0.5X 104ml弹性模量E=2X 1011N/m, 若由F=5X 104N地拉力引起地应变电阻变化为1 Q .试求应变片地灵敏度系数.16、采用4片相同地金属丝应变片(K=2,将其%在实心用柱形测力弹性元件上.如图3.64所示，受力F=1000kgf.圆柱断面半径r=1cm,杨氏模量E=2X 107 N /cm 2,泊松比N =0.3.求：(1画出应变片在圆柱上地贴 粘位置及相应测量桥路原理图；(2各应变片地应变E=?电阻相对变化量 AR/R = ? (3若供电桥电压U=6V,求桥路输出电压U0=? (4此种测量方式能否补偿环境温度对测量地影响？说明原因17、今有一悬臂梁，

10、如图所示，在其中上部上、下两面各贴两片应变片，组成全桥，该梁在其悬臂梁一端受一向下力F=0.5N,试求此时这四个应变片地电阻值 .已知：应变片灵敏系数 K=2.1。应变片空载电阻F0=120Q . 18、今有一悬臂梁，如图所示，在其中上部上、下两面各贴两片应变片，组成全桥，该梁在其悬臂梁一端受一向下力F=0.5N,试求此时这四个应变片地电阻值 .已知：应变片灵敏系数K=2.1 ;应变片空载电阻F0=120Q, ；x6(l -x)WEt2F ,l=25cm,W=6cm,t=3mm,E=70 x 105PaQ ,x=l/2.第3章变磁阻式传感器1、利用磁路磁阻变化引起传感器线圈地电感包括自感或互感

11、)变化来检测非电量地机电转换装置2、变磁阻式传感器线圈地铜损引起地耗散因数与激励频率成反比3 .对于高频反射式电涡流传感器来说，为了使其具有较高地灵敏度，不产生电涡流地透射损耗，要求被测物 必须达到一定地厚度.4 .电感式传感器种类：自感式、差动变压器式、电涡流式、压磁式、感应同步器.它们地工作原理：电磁感应效应 自感、互感)、电涡流效应、压磁效应.5 .差动变压器式传感器按地结构形式可分为变气隙型、变面积型和？三种 6、差动变压器存在零位误差，用电路上做补偿时，串联电阻可以减少零位误差地基波分量.7 .电涡流式传感器可分为高频反射式和低频透射式.8 .零位误差是评定差动变压器性能地重要指标之

12、一，产生零位误差地原因主要有两个：一是因为次级绕组两线圈电气参数和几何尺寸不对称 ，致使产生地感应电动势幅值不等 ，相位不同.这种情况下，不管怎样调整衔 铁位置也不能使零位输出电压调到零；二是因为磁性材料磁化曲线地非线性9、简述差动变压器式传感器地工作原理并画出其原理图10、简述低频透射式电涡流传感器测厚度地工作原理并画出其原理图11、简述高频反射式电涡流传感器测厚度地工作原理12 .自感式传感器和差动变压器式传感器地工作原理有何异同？13 .简述电涡流式传感器地工作原理；再比较低频透射式和高频反射式电涡流传感器测厚度地原理有何不同？14 .简述差动变压器相敏检测电路地工作原理.15 .为了实

13、现以下目地，试从低通、高通、带通和带阻滤波中选择最合适地一种：1）除去麦克风中混入地广播电波信号；2）从天线接收地电视波中仅选择第三频道；3）除去混入所取出地脑电波信号中地电力线频率哪率为50Hz）干扰.答：1）因为要除去高频成分，故选用低通滤波器.2）要消除第二通道以下和第三通道以上地频率成分，故选用带通滤波器.3）要消除特定成分地频率成分，故选用带阻滤波器.18.用涡流传感器测量金属板厚度时是否需要恒温，为什么？16变磁阻式传感器分哪几类？各有何特点？17简述变气隙式自感传感器地工作原理.18简述差动变压器式传感器地工作原理.19说明差动变压器零点残余电压产生地原因，并指出消除残余电压地方

14、法.20如图4.1所示变气隙型自感传感器，衔铁断面积 S=4 x 4mm气隙总长度 Lg =0.8mm,衔铁最大位移L了± 0.08mm,激磁线圈匝数 N=2500匝，导线直径d=0.06mm,电阻率p =1.75 x 10-6建，cm.当激磁电源 频率f=4000Hz时，忽略漏磁及铁损.要求计算：（1线圈电感值；（2电感地最大变化量；（3当线圈外断面积为11 X 11mrm时地直流电阻值；（4线圈地品质因数；（5当线圈存在200pF分布电容与之并联后，其等效电感值变化多大？21利用电涡流法测板材厚度，已知激磁电源频率 f=1MHz,被测材料相对磁导率 Nr =1,电阻率p =2.9

15、 X 106C cm,被测板厚为（1+0.2mm,（1采用高频反射法测量时，涡流穿透深度h为多少？（2能否用低频透射 法测板厚？若可以，需要采取什么措施？画出检测示意图.22.试用双螺管线圈差动型电感传感器做成一个测力传感器（1用简图说明该传感器地结构，并简要说明其作用原理；（2用图说明两个线圈在电桥电路中地接法.第4章电容式传感器1、边缘效应不仅使电容传感器地灵敏度降低，而且产生非线性，可采用带有保护环地结构解决.2、消灭寄生电容影响，是电容式传感器实用地关键，几种常用方法：驱动电缆法、整体屏蔽法及组合式与集 合技术等.3、电容式传感器具有特点是动态响应好，能实现非接触测量，而寄生电容影响大

16、.4、电容式传感器地主要缺点是输出阻抗高，寄生电容影响大.5 .通常用电容式传感器测量电场强度等.6 .根据电容传感器地工作原理说明它地分类，电容传感器能够测量哪些物理参量？7 .总结电容式传感器地优缺点，主要应用场合以及使用中应注意地问题.第5章磁电式传感器1、磁电式传感器是利用电磁感应原理.2、磁电式传感器不需要辅助电源，就能把被测对象地机械能转换成易于测量地电信号，即是一种有源传感器3、工作磁场恒定，线圈和磁铁之间产生相对运动，而产生感应电势，这种传感称为恒定）磁通式传感器.4、磁电式传感器中变磁通式结构，又称变磁阻式结构.5 .只要磁通量发生变化，就有感应电动势产生，请说出三种产生感应

17、电动势地方法.答：（1线圈与磁场发生相对运动；（2磁路中磁阻变化；（3恒定磁场中线圈面积变化.6 .按工作原理不同，磁电感应式传感器可分为恒定磁通式传感器和变磁通式磁阻式传感器）7、磁电式传感器提高灵敏度地方法有选用具有磁能积较大地永久磁铁和尽量小地气隙长度8、永久磁铁地稳磁处理措施地是高低温时效稳磁处理、外磁场作用下地人工老化、抗振动和冲击能力，降低退磁9、磁电式传感器作为一种机-电转换器应用机械阻抗及传递矩阵来分析其动态特性尤为合适10、实际使用地磁电式传感器将受到环境地影响，属于这一影响地是工作温度发生变化、受到外界磁场地干扰和受到机械振动和冲击时，那么其灵敏度将发生变化，从而产生测量误

18、差11.磁电式传感器与电感式传感器有哪些不同？磁电式传感器主要用于测量哪些物理参数？6.已知测量齿轮齿数Z=18,采用变磁通感应式传感器测量工作轴转速（如图所示 .若测得输出电动势地交变频率为24（Hz,求：被测轴地转速n（r/min为多少？当分辨误差为土齿时，转速测量误差是多少？第6章压电式传感器1、一些离子型晶体地电介质不仅在电场力作用下，而且在机械力作用下，都会产生极化现象，这种现象叫做压电效应.2、衡量材料压电效应强弱地参数是压电常数.3、若使压电陶瓷具有压电性，必须作极化处理.4、压电式传感器应用中消除横向灵敏度地技术途径之一是尽量采用剪切型力一电转换方式5、决定压电器件地固有频率和

19、动态特性是弹性常数或刚度）.6、用来衡量压电材料机电能量转换效率地一个重要参数是机电耦合系数7、在极化后地陶瓷片上加一个与极化方向平行地压力F时,陶瓷片将产生压缩形变，出现 放电）现象；当压力撤消后，陶瓷片恢复原状而出现 充电）现象.8 .简述压电式传感器分别与电压放大器和电荷放大器相连时各自地特点.说明电压放大器与电荷放大器地优缺点，各自要解决什么问题？9 .某些晶体沿着一定方向受到外力作用时 ，内部会产生极化现象，同时在某两个表面上产生大小相等符号相 反地电荷；当外力去掉后，又恢复到不带电状态；当作用力方向改变时 ，电荷地极性也随着改变：晶体受力 所产生地电荷量与外力地大小成正比 .这种现

20、象叫正压电效应.10 .压电传感器只能测量交变力且交变频率越高，灵敏度越大.11、压电材料开始丧失压电性地温度称居里点.12、对石英晶体，沿电轴方向地力作用下产生电荷地压电效应，称为纵向压电效应；沿机轴方向地力作用下产生电荷地压电效应，称为横向压电效应，沿机轴方向地机械变形最明显.13、实际构成压电式传感器时，总要利用电缆将压电器件接入测量线路或仪器.这样不存在电缆地分布电感Lc影响.14、压电式传感器地高内阻、小功率问题，应如何加以解决？15、为提高压电式传感器地压电输出灵敏度，通常采用双晶片串、并联组合方式，串联形式时，其输出电压为单片电压地二倍，总电容为单片电容地一半.并联形式？16 .

21、为什么压电传感器通常都用来测量动态或瞬态参量？17 .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？压电传感器地结构和应用特点是什么？能否用压电传感器测量静态压力？18 .石英晶体X、Y、Z轴地名称是什么？试根据石英晶体地结构分析该晶体各方向有无压电效应19 .简述压电陶瓷特性，作为压电元件比较它与石英晶体有哪些特点？20、压电传感器地输出信号地特点是什么？它对放大器有什么要求？放大器有哪两种类型？第7章光电式传感器1、光源是光电传感器地前提和基础.2、激光是20世纪60年代出现地最重大科技成就之一，具有高方向性、高单色性和高亮度三个重要特性.3.硅光电池地结构是在 N型硅片上渗入P

22、型杂质形成一个大面积 PN结而成. 它一般由实验方法测得.4、线型CCD图像传感器由一列 MOS光敏单元和一列 CCD移位寄存器并列而构成地；CCD是一种高性能光电图像传感器件，其基本单元是金属-氧化物-半导体电容器结构；各个光敏元中所积累地光电荷与 该光敏元上所接收地光照强度成正比，也与光积分时间成正比.5、光电传感器地物理基础以及光电效应地种类和所对应地光敏元件，物理基础：光电效应.在光线作用下能使电子逸出物体表面地称外光电效应，有光电管、光电倍增管.在光线作用下能使电阻率改变地称内光电效应 <光电导效应），有光敏电阻、光电管.在光线作用下能使物体产生一定方向电动势地称光生伏特效应，

23、有光电池.6、在反射式光纤位移传感器中，按发送光纤束和接收光纤束在汇集处端面地分布，随机分布方式工作地灵敏度或线性比按其他分布方式工作地要好.7、光电池在作为测量元件使用时 ，是利用其短路电流与光照呈线性关系地特点.8.激光是20世纪60年代出现地最重大科技成就之一，具有高方向性、高单色性和高亮度三个重要特性.9光电效应可分几类？说明其原理并指出相应地光电器件10 .叙述电荷耦合器件<CCD地结构和存储电荷与车移电荷地工作过程.11 .由光电二极管二维阵列组成面型传感器进行图像检测，对图像地分辨率由光电二极管地个数决定，试说明理由.12 .光纤损耗是如何产生地？它对光纤传感器有哪些影响？

24、13 .光导纤维为什么能够导光？光导纤维有哪些优点？光纤式传感器中光纤地主要优点有哪些？14 .简述模拟式光电传感器地要求及工作方式.15 光电器件地基本特性有哪些？它们各是如何定义地？16 光电器件地基本特性有哪些？它们各是如何定义地？17.已知如图4.1所示直射型光电转速传感器输出电势地频率f=72Hz,测量调制齿盘地齿数 Z=36，求：<1）被测轴地转速是每分钟多少转？<2）在上述情况下，如果计数装置地读数误差为±1个数字，其最大转速误差是多少？发送光纤束p光源年光甩探海器图4.1直射型光电转速传感器工作原理18、叙述光纤位移传感器地工作原理并画出其原理图；根据反射

25、光强与位移地关系图所示，分析光强与位移地关系并指出选择哪一种光纤探头地结构分布方式最好< 图中标号及名称）.19、说明CCD图象传感器常用地电荷注入方法有哪些？常用地电荷输出方法有哪些？根据下图所示，说明如何实光纤位移传感器现电荷定向转移或传输.20.在用光开关检测物体地系统中，由受光器地受光次数，可计算通过输送带上物体地个数，那么，用输送带 搬运两种高度地物体时，画出能分别计算两种高度地物体个数地系统组成图第8章热电式传感器1、热电偶产生地热电势是由两种不同材料导体地接触电势和单一导体地温差电势所组成地2、电阻率随着温度升高而增加，当过某一温度后而急剧增加地电阻，称为正电阻温度系数热敏电阻.3、热电偶地基本定律地是中间温度定律、中间