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）信号的转换元件，是构成传感器的核心。2、利用半导体光阻效应的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的。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、画出传感器的组成框图，并说明各组成部分的作用。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的数学表达式，它表示了传感器本身的特性，而与输入量无关。2、对于多环节串联组成的传感器或测量系统，总的传递函数可按代数式

2、H（s）=nHi（S）求得。3、在明确输入一输出变换对应关系的前提下，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 组成的串联电路来模拟质量为 m、弹簧刚度为 k 和阻尼系数为 c 的单自由度机械振动系统的相似，称为力一电压模拟。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，而经常使用的是前两种。7、对于多环节并联组成的传感器或测量系统，总的传递函数可按代数式 H（s）=ZHj（S）求得。8、将传感器在使用中或储存后，进行的性能复测称校准。9、用电阻 R、电感 L 和电容 C 组成的并联电路来模拟质

3、量为 m、弹簧刚度为 k 和阻尼系数为 c 的单自由度机械振动系统的相似，称为力一电流模拟。10 .某位移传感器，在输入量变化 5mm 时，输出电压变化为 300mV,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，各环节的灵敏度为：S1=0.2mV/C、S2=2.0V/mV、S3=5.0mm/V,求系统的总的灵敏度S=NS2Ms3=0.2父2.0父5.0=2mm/二C。12 .将传感器在使用中或储存后，进行的性能复测称校准。13 .传感器的频率响应特性，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与输入

4、量之间关系的数学表达式，它表示了传感器本身的特性，而与输入量无关。15、一种切实可行的减小非线性的方法是差动技术。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，产生干扰的原因是干扰的耦合通道。18、简述传感器的主要静态特性的概念：线性度、迟滞、重复性、灵敏度和静态误差。19、根据二阶环节的幅频特性与相频特性图，分析固有频率和阻尼比的关系。20 .传感器的性能参数反映了传感器的什么关系？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的力平衡方程；（2）若采用力-

5、电流相似系统，画出其电等效系统、说明给定的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）。m22 、传感器不失真检测的条件是什么？23、某电压表刻度为 010V,在 5V 处计量定值为 4.995V,求在 5V 处的示值误差（）,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（A）为 8mA问该表是否合理？25、对某量等精度测量 16 次，得均方差1=1.2,则平均值均方差？第 2 章电阻式传感器1、利用电阻应变效应的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

6、阻丝在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，它的电阻率发生显著变化的现象称为半导体压阻效应。用这个原理制成的电阻称固态压敏电阻。5 .交流电桥各桥臂的复阻抗分别为 Z1、Z2、Z3、Z4,各阻抗的相位角分别为中 1、*2、*3、*4，若电桥平衡条件为 Z“Z4=Z2/Z3,那么相位平衡条件应为 Q=中。十邛式。13246、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6Fln点到固定处的距离，梁上各点的应变为名0=m。bhE7、等截面梁应变式力传感器应用中，等截面

7、梁宽度为 b、厚度为 h 和弹性模量为 E,I。为在距载荷 F 作用6Flc点到粘贴应变片处的距离，其应变为0=。bhE8.用相邻双臂桥检测的应变式传感器，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的工作应变片。9、一台用等强度梁作为弹性元件的电子秤，在梁的上、下面各贴两片相同的电阻应变片（K=2）如图所示,已知 l=100mm,b=11mm,t=3mm,E=2x104N/mmt 现将 4 个应变片接入图（b）的直流桥路中，电桥电源电压 U=6Vo 当力 F=0.5kgf 时，求电桥输出电压 U0=?10、两金属应变片 R1 和 R2 阻值均为 120Q,灵敏度系数 K

8、=2o 两应变片一片受拉，另一片受压，产生的应变为 1000氏和-1000。两者接入直流电桥组成半桥双臂工作电桥，电源电压 U=5Vo 求：（1）AR和R/R;（2）电桥的输出电压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的相同和不同之处。12 .说明电阻应变片的组成和种类。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的布置原则，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的工作原理。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 120Q 电阻应

9、变片粘贴在弹性试件上，试件受力横截面积 S=0.5X10-4m，弹性模量 E=2X1011N/m2,若由 F=5X104N 的拉力引起的应变电阻变化为 1Q。试求应变片的灵敏度系数。16、采用 4 片相同的金属丝应变片（K=2）,将其贴在实心圆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=2X107N/cm2,泊松比N=0.3。求：（1）画出应变片在圆柱上的贴粘位置及相应测量桥路原理图；（2）各应变片的应变 W=?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 UO=?（4）此种测量方式能否补偿环境温度对测量的

10、影响？说明原因。17、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的电阻值。已知：应变片灵敏系数 K=2.1;应变片空载电阻0=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的电阻值。已知：应变片灵敏系数 K=2.1;应变片空载电阻&=120Q,x=6(x)F,l=25cm,W=6cmt=3mmE=70X105PaQ,x=l/2。WEt2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

11、的电感（包括自感或互感）变化来检测非电量的机电转换装置。2、变磁阻式传感器线圈的铜损引起的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，为了使其具有较高的灵敏度，不产生电涡流的透射损耗，要求被测物必须达到一定的厚度。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。它们的工作原理：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的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的基波分量。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

12、动变压器性能的重要指标之一，产生零位误差的原因主要有两个：一是由于次级绕组两线圈电气参数和几何尺寸不对称，致使产生的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；二是由于磁性材料磁化曲线的非线性。9、简述差动变压器式传感器的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的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的工作原理。12 .自感式传感器和差动变压器式传感器的工作原理有何异同？13 .简述电涡流式传感器的工作原理；再比较低频透射式和高频反射式电涡流传感器测厚度的原理有何不同？14 .简述差动变压器相敏检测电路

13、的工作原理。15 .为了实现以下目的，试从低通、高通、带通和带阻滤波中选择最合适的一种：（1）除去麦克风中混入的广播电波信号；（2）从天线接收的电视波中仅选择第三频道；（3）除去混入所取出的脑电波信号中的电力线频率（频率为 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的频率成分，故选用带通滤波器。（3）要消除特定成分的频率成分，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的工作原理。18 简述差动变压器式传感器的工作原理。19 说明差动变

14、压器零点残余电压产生的原因，并指出消除残余电压的方法。20 如图 4.1 所示变气隙型自感传感器，衔铁断面积 S=4X4mr2i 气隙总长度 Lg=0.8mm 衔铁最大位移=+0.08mm,激磁线圈匝数 N=2500 匝，导线直径 d=0.06mm 电阻率P=1.75X10-6Q，cmo当激磁电源频率 f=4000Hz 时，忽略漏磁及铁损。要求计算：线圈电感值；（2）电感的最大变化量；（3）当线圈外断面积为 11X11mm 时的直流电阻值；（4）线圈的品质因数；（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,

15、被测材料相对磁导率Nr=1,电阻率 p=2.9X10-6Qcm,被测板厚为（1+0.2）mm,（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的结构，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的接法。第 4 章电容式传感器1、边缘效应不仅使电容传感器的灵敏度降低，而且产生非线性，可采用带有保护环的结构解决。2、消灭寄生电容影响，是电容式传感器实用的关键，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

16、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。4、电容式传感器的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 .根据电容传感器的工作原理说明它的分类，电容传感器能够测量哪些物理参量?7 .总结电容式传感器的优缺点，主要应用场合以及使用中应注意的问题。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，就能把被测对象的机械能转换成易于测量的电信号，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。

17、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电动势的方法。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的方法有选用具有磁能积较大的永久磁铁和尽量小的气隙长度。8、永久磁铁的稳磁处理措施的是高低温时效稳磁处理、外磁场作用下的人工老化、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、实际使用的磁电式传感器将受到环境的影响，属于这一影响的是工作温度发生变化、

18、受到外界磁场的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）。若测得输出电动势的交变频率为 24（Hz）,求：被测轴的转速 n（r/min）为多少？当分辨误差为土齿时，转速测量误差是多少？j第 6 章压电式传感器1、一些离子型晶体的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的参数是压电常数。3、若使压电陶瓷具有压电性，必须作极化处理。4、压电式传

19、感器应用中消除横向灵敏度的技术途径之一是尽量采用剪切型力一电转换方式。5、决定压电器件的固有频率和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的一个重要参数是机电耦合系数。7、在极化后的陶瓷片上加一个与极化方向平行的压力 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的特点。说明电压放大器与电荷放大器的优缺点，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的电荷；当外力去掉后，又恢复到不带电

20、状态；当作用力方向改变时，电荷的极性也随着改变：晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比。这种现象叫正压电效应。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的温度称居里点。12、对石英晶体，沿电轴方向的力作用下产生电荷的压电效应，称为纵向压电效应；沿机轴方向的力作用下产生电荷的压电效应，称为横向压电效应，沿机轴方向的机械变形最明显。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。这样不存在电缆的分布电感 Lc 影响。14、压电式传感器的高内阻、小功率问题，应如何加以解决？15、为提高压电式传感器的压电输出灵敏度，通常采用双晶片

21、串、并联组合方式，串联形式时，其输出电压为单片电压的二倍，总电容为单片电容的一半。并联形式？16 .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？压电传感器的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 轴的名称是什么？试根据石英晶体的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、压电传感器的输出信号的特点是什么？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、光源是光电传感器的前提和基础。2、激光是 20 世纪 6

22、0 年代出现的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.硅光电池的结构是在 N 型硅片上渗入 P 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的；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的光电荷与该光敏元上所接收的光照强度成正比，也与光积分时间成正比。5、光电传感器的物理基础以及光电效应的种类和所对应的光敏元件，物理基础：光电效应。在光线作用下能使电子逸出物体表面的称外光电效应，有光电管、光电倍增管。在光线作

23、用下能使电阻率改变的称内光电效应(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的称光生伏特效应，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的分布，随机分布方式工作的灵敏度或线性比按其他分布方式工作的要好。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的特点。8.激光是 20 世纪 60 年代出现的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的光电器件。10 .叙述电荷耦合器件(CCD 的结构和存储电荷与转移电荷的工作过程。11 .由光电二极管二维阵列组成

24、面型传感器进行图像检测，对图像的分辨率由光电二极管的个数决定，试说明理由。12 .光纤损耗是如何产生的？它对光纤传感器有哪些影响？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的主要优点有哪些？14 .简述模拟式光电传感器的要求及工作方式。15 光电器件的基本特性有哪些？它们各是如何定义的？16 光电器件的基本特性有哪些？它们各是如何定义的？17.已知如图 4.1 所示直射型光电转速传感器输出电势的频率 f=72Hz,测量调制齿盘的齿数 Z=36,求：(1)被测轴的转速是每分钟多少转？(2)在上述情况下，如果计数装置的读数误差为1 个数字，其最大转速误差是多少？图 4.

25、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的工作原理并画出其原理图；根据反射光强与位移的关系图所示，分析光强与位移的关系并指出选择哪一种光纤探头的结构分布方式最好(图中标号及名称)。19、说明 CCD 图象传感器常用的电荷注入方法有哪些?常用的电荷输出方法有哪些？根据下图所示，说明如何实现电荷定向转移或传输。20.在用光开关检测物体的系统中，由受光器的受光次数，可计算通过输送带上物体的个数，那么，用输送带搬运两种高度的物体时，画出能分别计算两种高度的物体个数的系统组成图。第 8 章热电式传感器1、热电偶产生的热电势是由两种不同材料导体的接触电势和单一导体的温差电势所组成的。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的电阻，称为正电阻温度系数热敏电阻。3、热电偶的基本定律的是中间温度定律、中间导体定律和标准电极定律。4、金属热电阻的材料