傳感器原理及應(yīng)用復(fù)習(xí)題庫第一章概述、傳感器一般由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件、基本電路三部分組成。2傳感器圖用圖形符號由符號要素正方形和等邊三角形組成，正方形表示轉(zhuǎn)換元件，三角形表示敏感元件，“”表示被測量，“”表示轉(zhuǎn)換原理。第二章傳感器的基本特性、傳感器動態(tài)特性的主要技術(shù)指標(biāo)有哪些？它們的意義是什么？答：)傳感器動態(tài)特性主要有：時間常數(shù)上固有頻率3〃；阻尼系數(shù)占。)含義：T越小系統(tǒng)需要達(dá)到穩(wěn)定的時間越少；固有頻率3〃越高響應(yīng)曲線上升越快；當(dāng)3為常數(shù)時響應(yīng)特性取決于阻尼比白，阻尼系數(shù)占越大，過沖現(xiàn)象減弱，工21時無過沖，n不存在振蕩，阻尼比直接影響過沖量和振蕩次數(shù)。2有一溫度傳感器，微分方程為30dy/dt+3y=0.15X,其中y為輸出電壓( ％為輸入溫度(℃)。試求該傳感器的時間常數(shù)和靜態(tài)靈敏度。解：對微分方程兩邊進(jìn)行拉氏變換，則該傳感器系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為：〃/、Y(s) 0.15 0.05H(s)= = = X(s)30s+310s+1該傳感器的時間常數(shù)T i靈敏度A=y一(kx+b)TOC\o"1-5"\h\zii in￡xy一￡x￡yk= i-i iin￡x2-(￡x)2i i(￡x2￡y一￡x￡xy) i i i i——i-n￡x2一(￡x)2代入數(shù)據(jù)求得k代入數(shù)據(jù)求得k=0.68b=0.25???y=0.68x+0.25A=0.238A=-0.35A=-0.16 A=-0.11A=—0.126A=—0.1941 2 3 4 5 6變片解1按要求貼在等截面,泊松比變片解1按要求貼在等截面,泊松比日二°.3,故：擬合直線靈敏度k=0.68線性度±7%。y=±^^max故：擬合直線靈敏度k=0.68線性度±7%。Ly 5FS第三章電阻式傳感器1何為電阻應(yīng)變效應(yīng)？怎樣利用這種效應(yīng)制成應(yīng)變片？答：導(dǎo)體在受到拉力或壓力的外界力作用時，會產(chǎn)生機(jī)械變形，同時機(jī)械變形會引起導(dǎo)體阻值的變化，這種導(dǎo)體材料因變形而使其電阻值發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為電阻應(yīng)變效應(yīng)。當(dāng)外力作用時，導(dǎo)體的電阻率P、長度l、截面積S都會發(fā)生變化，從而引起電阻值R的變化，通過測量電阻值的變化，檢測出外界作用力的大小。（）2為什么增加應(yīng)變片兩端電阻條的橫截面積便能減小橫向效應(yīng)？答：敏感柵越窄，基長越長的應(yīng)變片，橫向效應(yīng)越小，因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)上兩端電阻條的橫截面積大的應(yīng)變片橫向效應(yīng)較小。應(yīng)變片溫度誤差的主要來源有：一是應(yīng)變片本身電阻溫度系數(shù)a的影響；二是試件材料線膨脹系數(shù)B的影響。應(yīng)變片溫度誤差補(bǔ)償?shù)哪康氖窍捎跍囟茸兓鸬膽?yīng)變輸出對測量應(yīng)變的干擾。常用的應(yīng)變片溫度誤差補(bǔ)償方法有溫度自補(bǔ)償法、電橋線路補(bǔ)償法、輔助測量補(bǔ)償法、熱敏電阻補(bǔ)償法、計(jì)算補(bǔ)償法等。3在以鋼為材料的實(shí)心圓柱形試件上，沿軸線和圓周方向各貼一片電阻為 Q的金屬應(yīng)變片和（如圖所示），把這兩應(yīng)變片接入電橋（見圖）。若鋼的泊松系數(shù)日=0.285，應(yīng)變片的靈敏系數(shù)，電橋電源電壓，當(dāng)試件受軸向拉伸時，測得應(yīng)的電阻變化值A(chǔ)R1—0.48。。試求：①軸向應(yīng)變；②電橋的,AR/R）k———11則軸向應(yīng)變?yōu)?8AR/R 0.48/1208——1—— ―0.002）電橋的輸出電壓為：U“―-Uk8（1+日）―-x2x2x0.002x1.285—5.14mV02 2解：k―2;R—120。;AR―0.48。;U―2V1 1?■*軸向應(yīng)變：8—AR1R1k電橋輸出電壓：U—U-ARR―4mV0 2 1 14一測量吊車起吊重物的拉力傳感器如圖 所示。、軸上。已知等截面軸的截面積為 、彈性模量X

且 Q所組成的全橋型電路如題圖 所示，供橋電壓 ?，F(xiàn)測得輸出電壓 。求：①等截面軸的縱向應(yīng)變及橫向應(yīng)變?yōu)槎嗌?？②力為多少？解：R=R=R=R=120。；口=0.3;S=0.00196m2;E=2x1011N/m2;U=2V;U=2.6mV12 3 4按全橋計(jì)算:軸向應(yīng)變：eNR=%R按全橋計(jì)算:軸向應(yīng)變：eNR=%R=0.156。AlNR/R NR/R=0.0008125Ar Al橫向應(yīng)變：—=-^_=-0.0004875r l力：F=eSE=3.185x105N半橋電壓靈敏度是單臂電橋的倍，全橋電壓靈敏度是單臂電橋I圖 ⑹第四章電容式傳感器電容式傳感器可分為種結(jié)構(gòu)形式，分別是：變面積型電容式傳感器、變極距型電容式傳感器和變介質(zhì)型電容式傳感器。、一平板式電容位移傳感器如圖 所示，已知：極板尺寸a=b=4mm，極板間隙B=0.5mm，極板間介質(zhì)為空氣。求該傳感器靜態(tài)靈敏度；若極板沿％方向移動2mm0求此時電容量。解：對于平板式變面積型電容傳感器，它的靜態(tài)靈敏度為：-Cebk=—0=—=8x8.85x10-12=7.08x10-11Fm-1ga50極板沿方向相對移動 后的電容量為：=1.416x10-13F0.5eb(a-Ax)_8.85x10=1.416x10-13F0.5差動式變極距型電容傳感器，若初始容量q=C2=80pF，初始距離50=4mm，當(dāng)動極板相對于定極板位移了a5=0.75mm時，試計(jì)算其非線性誤差。若改為單極平板電容，初始值不變，其非線性誤差有多大？解：若初始容量q=C2=80pf,初始距離50=4mm,當(dāng)動極板相對于定極板位移了A5=0.75mm時，非線性誤差為：V=(a]2x100%lI5J故：V/""]義100%=1075]x100%=3.5%LI5JI4J改為單極平板電容，初始值不變，其非線性誤差為：V=N5-x100%,L5故：V=^x100%=075x100%=18.75%L5 4壓差傳感器結(jié)構(gòu)如圖所示，傳感器接入二極管雙型電路，電路原理示意圖如圖壓差傳感器結(jié)構(gòu)如圖所示。已知電源電壓 ，頻率 ， O,壓差電容 ，O。試分析，當(dāng)壓力傳感器有壓差>使電容變化4 時，一個周期內(nèi)負(fù)載電阻上產(chǎn)生的輸出電壓平均值的大小與方向。JT..1JT..121iAw救解：當(dāng)Ph>P時，C1<C2；C2-C1=2,△C1 2 2 1— R(R+2R) 40*80U,二- L)RUf(C-CJ= 一義2X104X10義106義2義10-12=-0.36VRL(R+R)2l41 2260x60由于C1<C2，電壓 的負(fù)半周占優(yōu)勢，故URL的方向下正上負(fù)。電容式傳感器的測量電路有：交流電橋、二極管雙型電路、差動脈沖調(diào)寬電路和運(yùn)算放大電路。第五章電感式傳感器、何謂電感式傳感器？電感式傳感器分為哪幾類？各有何特點(diǎn)？答：電感式傳感器是利用線圈自感和互感的變化實(shí)現(xiàn)非電量電測的一種裝置，傳感器利用電磁感應(yīng)定律將被測非電量轉(zhuǎn)換為電感或互感的變化。2電感式傳感器根據(jù)工作原理可以分為：自感式電感傳感器和互感式電感傳感器；根據(jù)結(jié)構(gòu)可以分為：變磁阻式、渦流式和變壓器式。3提高電感式傳感器線性度有哪些有效的方法。答：電感傳感器采用差動形式，轉(zhuǎn)換電路采用相敏檢波電路可有效改善線性度。4說明產(chǎn)生差動電感式傳感器零位殘余電壓的原因及減小此電壓的有效措施。答：差動變壓器式傳感器的鐵芯處于中間位置時，在零點(diǎn)附近總有一個最小的輸出電壓AU，將鐵芯處于中間位置時，最小不為零的電壓稱為零點(diǎn)殘余電壓。產(chǎn)生零點(diǎn)殘余電壓0的主要原因是由于兩個次級線圈繞組電氣系數(shù)（互感、電感、內(nèi)阻）不完全相同，幾何尺寸也不完全相同，工藝上很難保證完全一致。5為減小零點(diǎn)殘余電壓的影響，除工業(yè)上采取措施外，一般要用電路進(jìn)行補(bǔ)償：①串聯(lián)電阻；②并聯(lián)電阻、電容，消除基波分量的相位差異，減小諧波分量；③加反饋支路，初、次級間加入反饋，減小諧波分量；④相敏檢波電路對零點(diǎn)殘余誤差有很好的抑制作用。

6為什么螺線管式電傳感器比變間隙式電傳感器有更大的測位移范圍？答：螺線管式差動變壓器傳感器利用互感原理，結(jié)構(gòu)是：塑料骨架中間繞一個初級線圈，兩次級線圈分別在初級線圈兩邊，鐵心在骨架中間可上下移動，根據(jù)傳感器尺寸大小它可測量范圍內(nèi)的機(jī)械位移。變間隙式電感傳感器是利用自感原理，銜鐵的與鐵芯之間位移（氣隙）與磁阻的關(guān)系為非線性關(guān)系，可動線性范圍很小，因此測量范圍受到限制。7什么叫電渦流效應(yīng)？說明電渦流式傳感器的基本結(jié)構(gòu)與工作原理。）塊狀金屬導(dǎo)體置于變化的磁場中或在磁場中作用切割磁力線運(yùn)動時，導(dǎo)體內(nèi)部會產(chǎn)生一圈圈閉和的電流，這種電流叫電渦流，這種現(xiàn)象叫做電渦流效應(yīng)。）形成渦流必須具備兩個條件：第一存在交變磁場；第二導(dǎo)電體處于交變磁場中。電渦流式傳感器通電后線圈周圍產(chǎn)生交變磁場，金屬導(dǎo)體置于線圈附近。當(dāng)金屬導(dǎo)體靠近交變磁場中時，導(dǎo)體內(nèi)部就會產(chǎn)生渦流，這個渦流同樣產(chǎn)生交變磁場。由于磁場的反作用使線圈的等效電感和等效阻抗發(fā)生變化，使流過線圈的電流大小、相位都發(fā)生變化。第六章磁電、磁敏式傳感器、磁電感應(yīng)式傳感器根據(jù)結(jié)構(gòu)可以分為恒磁通式和變磁通式兩種。、磁阻效應(yīng)：指長方形半導(dǎo)體晶片受到與電流方向垂直的磁場作用時，不但產(chǎn)生霍爾效應(yīng)，還會出現(xiàn)電流密度下降、電阻率增大的現(xiàn)象。所選半導(dǎo)體晶片尺寸不同，電阻值增大也不同。3說明磁電感應(yīng)式傳感器產(chǎn)生誤差的原因及補(bǔ)償方法。答：磁電感應(yīng)式傳感器兩個基本元件，即永久磁鐵和線圈，永久磁鐵在使用前需要有穩(wěn)定性處理，主要是線圈中電流產(chǎn)生的磁場對恒定磁場的作用（稱為線圈磁場效應(yīng)）是不能忽略的，需要采用補(bǔ)償線圈與工作線圈相串聯(lián)加以補(bǔ)償。當(dāng)環(huán)境溫度變化較大時傳感器溫度誤差較大，必須加以補(bǔ)償。4為什么磁電感應(yīng)式傳感器的靈敏度在工作頻率較高時，將隨頻率增加而下降？答：因?yàn)榇烹姼袘?yīng)式傳感器的靈敏度為（e/u）,振動頻率過高時，線圈阻抗增大，使傳感器靈敏度隨振動頻率增加而下降。5什么是霍爾效應(yīng)？通電的導(dǎo)體（半導(dǎo)體）放在磁場中，電流與磁場垂直，在導(dǎo)體另外兩側(cè)會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，這種現(xiàn)象稱霍爾效應(yīng)。6霍爾元件不等位電勢產(chǎn)生的原因有哪些？霍爾電勢不為零的原因是，霍爾引出電極安裝不對稱，不在同一等電位面上；激勵電極接觸不良，半導(dǎo)體材料不均勻造成電阻率P不均勻等原因。、某一霍爾元件尺寸為L=10mm，b=3.5mmd=1.0mm，沿L方向通以電流I=1.0mA，在垂直于L和b的方向加有均勻磁場B=0.3T，靈敏度為22V/（A?T），試求輸出霍爾電勢及載流子濃度。2解：K=22V..(A-T),I=1,0mA,B=0,3TH ,所以：輸出霍爾電勢：U=KIB=22x1.0x0.3=6.6mVHH?「L=10mm,,b=3.5mm,,de=1.0mm,,e=1.6x10-19??所以：載流子濃度為：IBn=- UedIBn=- UedH0.001x0.30.0066x1.6x10-19x0.001=28.41x1019第七章壓電元件和超聲波傳感器1什么是壓電效應(yīng)？什么是正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)？答：某些電介質(zhì)在沿一定的方向受到外力的作用變形時，由于內(nèi)部電極化現(xiàn)象同時在兩個表面上產(chǎn)生符號相反的電荷，當(dāng)外力去掉后，恢復(fù)到不帶電的狀態(tài)；而當(dāng)作用力方向改變時，電荷的極性隨著改變。晶體受力所產(chǎn)生的電荷量與外力的大小成正比。這種現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)。如對晶體施加一定變電場，晶體本身將產(chǎn)生機(jī)械變形，外電場撤離，變形也隨之消失，稱為逆壓電效應(yīng)。2用石英晶體加速度計(jì)及電荷放大器測量加速度，已知：加速度計(jì)靈敏度為 ，電荷放大器靈敏度為 ，當(dāng)機(jī)器加速度達(dá)到最大值時，相應(yīng)輸出電壓幅值為，試求該機(jī)器的振動加速度。解：已知加速度計(jì)靈敏度為5PC/g，電荷放大器靈敏度為50mV/PC當(dāng)輸出幅值為時，機(jī)器振動加速度為：2V/50mV/PC”g二 二0.8g5PC/g第八章 光電效應(yīng)及光電器件、光電效應(yīng)可以分為外光電效應(yīng)和內(nèi)光電效應(yīng)。內(nèi)光電效應(yīng)又分為光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)。2什么是內(nèi)光電效應(yīng)？什么是外光電效應(yīng)？說明其工作原理并指出相應(yīng)的典型光電器件。答：光照射在某些物質(zhì)上，使該物質(zhì)吸收光能后，電子的能量和電特性發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為光電效應(yīng)。）當(dāng)光線照在物體上使物體的電導(dǎo)率發(fā)生變化，或產(chǎn)生光生電動勢的現(xiàn)象叫做內(nèi)光電效應(yīng)，內(nèi)光電效應(yīng)又分為光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)。入射光強(qiáng)改變物質(zhì)導(dǎo)電率的物理現(xiàn)象稱光電導(dǎo)效應(yīng)，典型的光電器件有光敏電阻；光照時物體中能產(chǎn)生一定方向電動勢的現(xiàn)象叫光生伏特效應(yīng)，光電池、光敏晶體管。）在光線作用下，物體內(nèi)的電子逸出物體表面向外發(fā)射的現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)，典型的光電