传感器复习题带答案的简答大题

1、12小题1. 能将红外辐射量变化转换成电量变化的装置成为红外探测器。红外探测器根据热电效应和光子效应 制成。前者成为热敏探测器，后者成为光子探测器。2. 光栅是由很多等节距的透光缝隙和不透光的可先均匀相间排列构成的光电器件。按其原理和用途， 它又可分为物理光栅和计量光栅。物理光栅是利用光的衍射现象制造的，主要用于光谱分析和光波长等量 的测量。计量光栅主要利用莫尔现象，测量长度、角度、速度、加速度、振动等物理量。3. 以光栅的栅距作为分辨单位，只能在有合适的光栅栅距的基础上，对栅距进一步细分，才可能获得 更高的测量精度。4. 编码器按其结构可分为接触式、光电式和电磁式三种，后两种为非接触式编码器

2、。简答题1、有源传感器与无源传感器有什么差别，请举出三个不同类型的例子。答：分为有源传感器和无源传感器。有源一般是将非电能量转换为电能量，称之为能量转换型传感器,也称为换能器。通常它们配有电压测量和放大电路，如压电式、热点偶、光电池等。无源传感器又称为能 量控制型传感器。它本身不是一个换能装置，被测非电量仅对传感器中的能量起控制或调节作用。所以， 它们必须具有辅助能源。如电阻式、电容式和电感式2、试说明如图所示的应变式加速度传感器的工作原理。答：在悬臂梁的一端固定质量块，梁的另一端用螺钉固定在壳体上，在梁 的上下两面粘贴应变片， 梁和质量块的周围充满阻尼液 （硅油），用以产生必要 的阻尼。测量

3、震动时，将传感器壳体和被测对象刚性固定在一起，因此作用在 质量块上的惯性力 F=ma使悬臂梁产生变形（应变），这样，粘贴在梁上用应变 片所构成的电桥失去平衡而输岀电压。此输岀电压的大小正比于外界震动加速 度a。3、分析电容传感器边缘效应产生的原因，画图给出消除其影响的措施，并进行论述。答：理想条件下，平行板电容器的电场均匀分布于两极板所围成的空间，这仅是简化电容量计算的一种假定，实际上在电容器的边缘力线是不均匀的，这样就产生了边缘效应。a为克服边缘效应，首先应增大初始电容量Co,即增大极板面积，减小极板间隙。b在结构上增设等位环来消除边缘效应原理：等位环安放在上面电极外， 且与上电极绝缘组等电

4、位， 这样就能使上电极的边缘电力线平直， 两极间电场基本均匀，而发散的边缘电场产生在等位环的外周不影响工作。4、 简述电涡流效应的原理，并说明如何实现测距（参见图1）。答：在传感器线圈中通以交变电流 I ,在周围空间形成交变电磁场 H1 ,在处于磁场内的导体中产 生涡流环。该涡流环形成的反向磁场 H2,并作用于传感器线圈，从而使得线圈的参数（电感、阻抗、品质 因数）发生变化。变化的成果都取决于线圈参数（尺寸大小、电流强弱）导体参数（电导率、磁导率）和 线圈与导体之间的距离。在测量过程中，只要保证上述参数中的一个参数变化，就可以实现测量。即保证传感器线圈不变， 导体不变，则传感器线圈的参数变化只

5、与距离有关，从而实现测距。5、热电偶测温时什么要进行冷端温度补偿，冷端温度补偿的方法有哪些答：为了热电势与被测温度成单值函数关系，需要热电偶的冷端温度保持恒定，由于热电偶的温度 热电势关系曲线是在冷端温度等于OC下得到的，已知配套的仪表也是根据这一关系曲线进行刻度的，在测量时必须满足冷端温度等于OC的条件，否则会出现误差，而在实际工作时冷端受外界温度影响很难恒定也不等于0C。方法：冷端温度恒温法计算修正法电桥补偿法6、试说明图示的霍尔式位移传感器的工作原理。答：当控制电流不变时，霍尔输出的电压与磁场大小成正 比，可用来测定传感器周围的磁场。当磁场强度固定时，则可 测量霍尔片的电流、电压等电参。

6、利用霍尔电动势来控制电流 与磁场大小的乘积则可制成各种运算器。对非电量测量则是通 过改变霍尔片在磁场中的位置来改变参量,从而改变输岀霍尔电动势来测量位移、压力、加速度等。7、简述超声波无损探伤的工作原理。答：超声波探伤是利用超声能透入金属材料的深处，并由一截面进入另一截面时，在界面边缘发生反射的特点来检查零件缺陷的一种方法，当超声波束自零件表面由探头通至金属内部，遇到缺陷与零件底面时就分别发生反射波来，在萤光屏上形成脉冲波形，根据这些脉冲波形来判断缺陷位置和大小。8、如书上图所示是电容式差压传感器结构示意图及其转换电路，介绍其工作原理。答：单电容平板压力传感器的结构及工作原理：电容式传感器分为

7、极距变化型、面积变化型，当被测参数的变化通过这三种情况之一直接影响电容量的大小时，检测岀电容的变化时就等于获得了被测参数的大小，电容式压力传感器常采用极距变化型。压力使传感器唯一的可动部件即测量膜片极板产生微小的位移，造成与固定极板所形成的电容量发生变化。双电容平板差动型压力传感器的结构及工作原理：为提高灵敏度和减小非线性，大多压力传感器休用双电容平板差劲结构，可动极板位于两块固定板极之间，与两固定极板等距离，当压力使可动极 板向上移动时，引起差动电容增大，减小。9、什么是正压电效应和逆压电效应答：当某些物质沿其耨一方向被施加压力或拉力时，会产生形变，此时这种材料的两个表面将产生符号相反的电荷

8、；当去掉外力后，它后重新回到不带点状态这种现象称为正压电效应。反之，在某些物质的极化方向上施加电电场，它会产生机械变形，当去掉外加电场后该物质的变形随之消失，这种电能转变为 机械能的现象称之为逆压电效应。10、莫尔条纹是如何形成的它有哪些特性答：若将两块光栅(主光栅、指示光栅)叠合在一起，并且使它们的刻线成角度,由于光栅的刻线相交处形成亮带，而在一块光栅的刻线与另一块光栅的缝隙相交处形成暗带，在与光栅刻线垂直的方向，将出现明暗相间的条纹， 这些条纹就成为摩尔条纹。 特性：运动对应关系位移放大作用。B=W2sin( /2)当两块光栅沿着垂直于刻线方向相对移动时，莫尔条纹将沿着刻线方向移动，光栅移

9、动一个节距W莫尔条纹也移动一个间距 B,从式可知，越小，B越大，使得B>>W即莫尔现象有使栅距放大的作用，因 此独处莫尔条纹的数目比读光栅刻线要方便的多。误差平均效用。简答：1、热电偶为什么要进行冷端补偿补偿方法为了热电势与被测温度成单值函数关系，需要热电偶的冷端温度保持恒定，由于热电偶的温度热电势关系曲线是在冷端温度等于 OC下得到的，已知配套的仪表也是根据这一关系曲线进行刻度的，在测 量时必须满足冷端温度等于 OC的条件，否则会出现误差，而在实际工作时冷端受外界温度影响很难恒定 也不等于0C。方法：冷端温度恒温法计算修正法电桥补偿法2、什么是压电效应当某些物质沿其耨一方向被施加

10、压力或拉力时，会产生形变，此时这种材料的两个表面将产生符号相反的电荷；当去掉外力后，它后重新回到不带点状态这种现象称为正压电效应。反之，在某些物质的极化方向上施加电电场，它会产生机械变形，当去掉外加电场后该物质的变形随之消失，这种电能转变为机械能的现象称之为逆压电效应。2、为什么压电晶片不能做动态测量只有在外电路负载无穷大，且内部无漏电时，受力产生的电压U才能长期保持不变；如果负载不是无穷大，则电路就要按指数规律放电。这对于测量缓变信号极为不利，必将造成测量误差，只有在其上加交 变力电荷才能得到补充，因此压电晶体不能做动态测量。3、霍尔效应及其原理在置于磁场的道题或半导体中通入电流，若电流与测

11、长垂直，则在与磁场和电流都垂直的方向上会岀 现一个电势差，此现象为霍尔效应，其本质是固体材料中载流子在外加磁场中运动时因为受到洛仑兹力的 作用，而使轨迹发生偏移并在材料两侧产生电荷积累形成垂直于电流方向的电场，最终使载流子受到洛仑 兹力的与电场力相平衡从而在两侧建立起一个稳定的电势差及霍尔电压。4、霍尔元件不等位电势产生的原因当磁感应强度为O时，控制电流为额定值，霍尔电极间的空载电势成为不等位电势。产生原因：霍 尔电极安装位置不正确，不对称或不在同一等电位量上。半导体材料不均匀造成了电阻率不均匀或使几 何尺寸不均匀。控制电极接触不良造成控制电流不均匀分布。5、莫尔条纹是如何形成的有哪些特性若将

12、两块光栅(主光栅、指示光栅)叠合在一起，并且使它们的刻线成角度,由于光栅的刻线相交 处形成亮带，而在一块光栅的刻线与另一块光栅的缝隙相交处形成暗带，在与光栅刻线垂直的方向，将岀 现明暗相间的条纹，这些条纹就成为摩尔条纹。特性：运动对应关系位移放大作用。B=W2sin( /2)当两块光栅沿着垂直于刻线方向相对移动时，莫尔条纹将沿着刻线方向移动，光栅移动一个节距W莫尔条纹也移动一个间距 B,从式可知，越小，B越大，使得B>>W即莫尔现象有使栅距放大的作用，因此独 处莫尔条纹的数目比读光栅刻线要方便的多。误差平均效用。计算题1、某温度传感器为时间常数T=3s的一阶系统，当传感器受突变温度

13、作用后，试求传感器指示出温差的三分之一和二分之一所需的时间。解：对传感器施加突变信号属于阶跃输入:单位阶跃信号:x(t)0 t<01 t 0进行拉氏变换:X(S)Lx(t)O x(t)e St dt -S一阶系统传递函数：H(S) YS)X(S)所以：Y(S) H(S) X(S)-1 S对上式进行拉氏逆变换：y(t) 1e t/设温差为R则此温度传感器的阶跃响应为:y(t)R(1t/ e)R(1t/3、e )R2当 y(t)时,则t3ln-1.22s ;33当 y(t)R时，则t3ln丄 2.08s。2、一只二阶力传感器系统，已知其固有频率fo=8OOHz，阻尼比=,现用它作工作频率f=

14、4OOHz的正弦变化的外力测试时,其幅值比A()和相位角()各为多少;若该传感器的阻尼比=时，其A()和()又将如何变化解：所以，当 =时4008000.51.31J2 222；10.54 0.140.52 arcta n 1arctan -0.140.510.520.1845 rad10.610.975' 2 2 2:10.54 0.70.52i 2 0.7 0.5 arcta n210.520.75 rad433、在材料为钢的实心圆柱试件上，沿轴线和圆周方向各贴一片电阻为120的金属应变片R和艮，把这两应变片接人差动电桥。若钢的泊松比 =,应变片的灵敏系数 K=2,电桥的电源电压U

15、=2V,当试件受轴向拉伸时，测得应变片R的电阻变化值 R=,试求电桥的输出电压“；若柱体直径d=10mmFI材料的弹性模量 E=2× 1011Nm2 ,求其所受拉力大小。Q q o差动电桥电路解：由 RR1=K 1,则R/ RK2=0.48/12021 =0.002所以电桥输出电压为U。2-2 (0.00240.00257(V)0.00057)2.57mVF1 当柱体直径d=10mm时，由ESE ,得F 1ES 0.002 2 101110 103.14 10 (N)4、一台采用等强度梁的电子称，在梁的上下两面各贴有两片电阻应变片，做成称重传感器，如习题图 212所示。已知1=1Om

16、m bo=llmm，h=3mm E=× 104Nmnm, K=2,接入直流 四臂差动电桥，供桥电压 6V,求其电压灵敏度(KU=U)/F)。当称重时，电桥的输出电压 UO为 多大(a)习题图2-12解：等强度梁受力F时的应变为(b)悬臂粱式力传感器6Flh2b°E当上下各贴两片应变片，并接入四臂差动电桥中时，其输出电压:UO ulK4则其电压灵敏度为Ua6 100 63211 2.1 104=× 10-3 (VN)=(mVN)当称重F=× =时，输出电压为Lb =KU F=× =(mV)5、有一悬臂梁，在其中部上、下两面各贴两片应变片，组成全桥

17、，如图所示。 请给出由这四个电阻构成全桥电路的示意图。 若该梁悬臂长L=,宽b=，厚h=，弹性模量E 7 1010Pa ,应变片灵敏度系K=2, 应变片空载电阻 R 120 ,应变片中心距固定端 X=,现受一向下力 F =1N ,试求此时 四个应变片的电阻值。(梁上各处应变6(L2 X) F )bh2ER2 R3R KRR RK120 22.3810 50.005712对于R1, R40RORIR4120.005712 对于R2, R36(L X)F bh2E0.06m6 (10.4) 0.25 m(0.003m)27 1010Nm1N2.38 10R 0R2R3 119.994288 如习题

18、43图所示。已知： 0=； D=; R=; USr=60V(交流)，频率 f=400Hz。试求：(1) 该电容传感器的电压灵敏度KU (V/ m)；(2) 当电容传感器的动极板位移=10 m时，输出电压 USC值。丄一一 J Wi艇电凰习题图436、在压力比指示系统中采用差动式变间隙电容传感器和电桥测量电路,解：由传感器结构及其测量电路可知(1) 初始电容CIC2CO48.85 101238.2 10 34 0.25 1040.6 10 12 F40.6PF1 1 1由于XCC09.82 fC024005.1k40.6)10 12106R(则Il UiCUidU00 2C020从而得KU UO

19、Ui60120V/mm0.12V / md2 O 2 0.25(2)U0=K U d=m× 10 m=7、所示差动式同心圆筒柱形电容传感器，其可动内电极圆筒外经d=,固定电极外圆筒内经D=10mm初始平衡时，上、下电容器电极覆盖长度L1=L2=L0=2mm电极间为空气介质。试求:(1)初始状态时电容器 G、C2的值;(2) 当将其接入习题图4-14(b)所示差动变压器电桥电路，供桥电压E=IOV (交流)，若传感器工作时可动电极筒最大位移X=,电桥输出电压的最大变化范围为多少(a)(b)习题图4-14(1)初始状态时Gi0 LO 2芒12 d5.51 10(F)5.51PFC2 Co

20、8.85 10 122 10In109.8(2)当动电极筒位移X= + (向上)时，L1=2+=, L2=2 =,则C120L1lnD28.85 10 122.2 10ln9.8126.06 10(F)6.06PFC2128.85 101.8 1070ln9.8124.96 10(F)4.96PF差动变压器电桥输出为UE C1 C210 6.06 4.962 C1 C22 6.06 4.96同理，当动电极筒位移X=(向下)时，L1=2 =， 1_2=2+=，则C14.96PF差动变压器电桥输出为C26.06PFU E C2 4.96 6.06°.5(V)2 C1 C22 6.06 4

21、.96因此，当传感器可动电极筒最大位移X=,电桥输出电压的最大变化范围为8、有一只差动电感位移传感器，已知电源电Ur=4V，f=400Hz,传感器线圈铜电阻与电感量分别为R=40, L= 30mH用两只匹配电阻设计成四臂等阻抗电桥，如习题图316所示，试求：(1) 匹配电阻R3和R4的值；(2) 当厶Z=10时，分别接成单臂和差动电桥后的输出 电压值；(3) 用相量图表明输出电压 USC与输入电压USr之间的相位差。解：(1)线圈感抗XL =L=2f L=240033010 =()线圈的阻抗ZR22XL40275.485.4故其电桥的匹配电阻(见习题图3-16)R3 = R 4 =Z=()单臂

22、工作： 双臂差动工作:USC4 JQ_485.40.117 V(3)USCUSL _ZT4102 8540.234Vtan 1tan 1°27.975.4(2)当 Z=IO时，电桥的输出电压分别为9、有一压电晶体，其面积为 30mm2 ,厚度为20mm当受到压力P 10Mpa作用时，求 F面两种情况下产生的电荷及输出电压： 零度X切的纵向石英晶体； 利用纵向效应的 BaTiO3o解：由题意知，压电晶体受力为F P S 10 106 30 106300N零度X切割石英晶体,r 45 , d112.31 10 12CN ,等效电容为O rS 8.85 10 12 Ca 丁受力F产生电荷4

23、.5 30 1020 10 3614-5.97 10 14FQ dF2.311210 12300693PC输出电压为QUO C：10 12597 10 146931.16104V利用纵向效应的 BaTiQ,r 1200 , d33190 10 12CN ,等效电容为8.85 10 121200 30 1015.93PF2010受力F产生电荷Q d33F 190 10 12 3005.7 10 8C输出电压为Uo5.7 10Ca15.93 101233.58 103V10、石英晶体压电式传感器，面积为100mrr,厚度为Imm固定在两金属板之间，用来测量通过晶体两面力的变化。材料的弹性模量为9&

24、#215; 1010Pa,电荷灵敏度为2pC N,相对介电常数是，材料相对两面间电阻是 1014° 个20pF的电容和一个100M的电阻与极板并 联。若所加力F=(1000t)N ,求：(1) 两极板间电压峰一峰值；(2) 晶体厚度的最大变化。解：(1)石英压电晶片的电容0 r SCa8.85 10 125.1 100 10 6d× 1012 (F)1 10 3148由于Ra =10 ,并联电容 R并=100M =10 则总电阻总电容 又因 则电荷所以R=R / R 并=10 14 /10 8 108C=C /C 并=+20=(PF)F=(1000t)N=F m Sin(

25、t)N , kq =2 pC/NQ=d11 F= k q FQn = d 11 F m = k q F m =2 pC/N × = PCUd11 F m R0.0210 12103108im 21RC.110310824.510 12 2=× 10 3 (V)=Um-im =2Uim =2 × =峰一峰值:(2)应变 m =Fm /SE =(100 × 10 6× 9× 10 10 )= × 10 9 = dm / d99 dm = d m = 1 ×× 10(mm)=× 10 mm厚度最大变化量(即厚度变化的峰一峰值)99d =2 dm=2×× 10=× 10 (mm)12=× 10 m电信092-6班有证明题电信091班没有证明题证明题1、根据光折射和反射的斯涅尔 (Snell)定律，证明光线由折射率为 n0的外界介质射入 纤芯时实现全反射的临界角 (始端最大入射角)为Sin . nj n2 / n0,并说明上式的物 理