《传感器与检测技术》题库

《传感器与检测技术》库 《传感器与检测技术》题库1. 简述传感器的概念、作用及组成。2. 传感器的分类有哪几种,各有什么优缺点,3. 传感器是如何命名的,其代号包括哪几部分,在各种文件中如何应用,4. 传感器?木蔡阅苤副暧心男科浜迨鞘裁矗?. 传感器的动态特性主要从哪两方面来描述,采用什么样的激励信号,其含义是什 么,6. 力传感器的组成是什么,7. 弹性敏感元件的作用是什么,其分类有几种,各有何特点,8. 电阻应变式传感器的工作原理是什么,它是如何测量试件的应变的,9. 电阻应变式传感器的测量电路有哪些,各有何特点,10.金属电阻应变片与半导体材料的电阻应变效应有什么不同 答:金属电阻的应变效应主要是由于其几何形状的变化而产生的，半导体材料的应 变效应则主要取决于材料的电阻率随应变所引起的变化产生的。11.电阻应变片为什么要进行温度补偿,补偿方法有哪些,12.应变片的粘贴、固化和检查工艺有哪些,13.图 1 为一直流应变电桥。 U i 5V R1 R2 R3 R4 120Ω ，试求: ? R1 为金属应变片，其余为外接电阻，当 R1 变化量为 ΔR1 1.2Ω 时，电桥输出电 压Uo ? R1、R2 都是应变片，且批号相同，感受应变的极性和大小都相同，其余为外接 电阻，电桥的输出电压 U o ? 题?中，如果 R1、R2 感受应变的极性相反，且 ΔR1 ΔR2 1.2Ω ，电桥的输出 电压 U o ? 由题?,?能得出什么结论与推论, 图 1 直流应变电桥14.压电式传感器的工作原理是什么,压电材料有哪些,15.试用石英晶体为例说明压电效应产生的过程。16.压电陶瓷有何特点,17.压电传感器的测量电路是什么,各有何特点,18.为什么说压电式传感器只适用于动态测量而不能用于静态测量 答:因为压电式传感器是将被子测量转换成压电晶体的电荷量，可等效成一定的电 容，如被测量为静态时，很难将电荷转换成一定的电压信号输出，故只能用于动态 测量。19.如图 2 所示电荷放大器等效电路。压电元件为压电陶瓷，压电陶瓷的压电系数 d ZZ 5 × 1010 C / N ，反馈电容 C f 0.01μ F ，若输出电压 U 0 0.4V ，求压电传感器 所受力的大小, 图 2 电荷放大器等效电路20.石英晶体的纵向压电系数 d XX 2.3 ×10 12 C / N ，晶体的长度是宽的 2 倍，是厚的 3 倍，求:? 当沿电轴方向施加 3 × 10 4 N 的力时，用反馈电容为 C f 0.01μ F 的电荷 放大器测量的输出电压是多少, ? 当沿机械轴施加力 Fy 时，用同样的电荷放大器测出的输出电压为 3V， Fy 为多 少,21.用压电式传感器测量一正弦变化的作用力，采用电荷放大器，压电元件用两片压电 陶瓷并联，压电系数 d zz 190 × 1012 C / N ，放大器为理想运放，反馈电容 C f 3800 pF ，实际测得放大器输出电压为 U 0 10sin ωt V ，试求此时的作用力 F 22.电容式传感器的工作原理是什么,可分成几种类型,各有个特点,23.试分析变面积式电容传感器和变间隙式电容的灵敏度为了提高传感器的灵敏度可 采取什么措施并应注意什么问题 答:如图所示是一直线位移型电容式传感器的示意图。 当动极板移动?x 后，覆盖面积就发生变化，电容量也随之改变，其值为 Cεb(a-?x)/dC0-εb?x/d (1) 电容因位移而产生的变化量为 εb Δx ΔC C C 0 Δx C0 d a ΔC εb 其灵敏度为 K Δx d 可见增加 b 或减小 d 均可提高传感器的灵敏度。 Δx x b d a 直线位移型电容式传感器24.电容式传感器的测量转换电路主要有哪些,25.有一个以空气为介质的变面积型平板电 容式传感器，如图 3 所示，其中 a 8mm b 12mm ，两极板间距为 d 1mm 。当动极板在原始位置上平移了 5mm 后，求传感器电容量的变化 ΔC 及 电容相对变化量 ΔC / C0 。 空气的相对介 ( 电常数 ε r 1F / m ，真空的介电常数 图 3 变面积型平板电容式传感器 ε 0 8.854 × 1012 F / m )26.变间隙电容传感器的测量电路为运算放大器电路，如图 4 所示。C0200pF，传感器 的起始电容量 Cx020pF定动极板距离 d01.5mm运算放大器为理想放大器即 K? ?Zi??Rf 极大输入电压 u15sinωtV。求当电容传感动极板上输入一位移量 ?x0.15mm 使 d0 减小时电路输出电压 u0 为多少 0 - 图 4 运算放大器电路 解:由测量电路可得 C0 C0 200 u0 ui ui × 5 sin t 45 sin /V Cx C x0 d 0 20 × 1.5 d 0 Δx 1.5 0.1527.如图 5 所示正方形平板电容器极板长度 a 4cm极板间距离 δ0.2mm.若用此变面 积型传感器测量位移 x试计算该传感器的灵敏度并画出传感器的特性曲线.极板 间介质为空气 ε 0 8.85 × 10 -12 F/m 。 a x 图 5 所示正方形平板电容器 解:这是个变面积型电容传感器，共有 4 个小电容并联组成。 4ε 0 a 2 4 × 16 × 10 4 × 8.85 × 10 12 C0 28.32 /pF δ 2 × 10 3 4ε 0 a a x Cx C 0 kx 28.32 70.8 x x 的单位为米 δ 4ε 0 ax ΔC C x C 0 δ C x C0 4ε 0 a 4 × 8.85 × 10 12 × 4 × 10 2 K 70.8 /pF x δ 2 × 10 3 x pF 40 30 20 10 0 1 2 3 4 cm28.有一平面直线位移差动传感器特性其测量电路采用变压器交流电桥，结构组成如图 6 所示。电容传感器起始时 b1b2b200mm，a1a220mm 极距 d2mm，极间介质为空 气，测量电路 u13sinωtV，且 uu0。试求当动极板上输入一位移量?x5mm 时电 桥输出电压 u0。 Δx u C1 d C1 ui C2 C2 u u0 b1 b2 a1 a2 图 6 平面直线位移差动传感器 解:根据测量电路可得 ΔC Δx 5 u u0 ui ui × 3 sin t 750 sin t /mV C0 a 2029.电感传感器的基本原理是什么,可分成几种类型,30.电感传感器的常用的测量电路有哪些,31.电涡流传感器的工作原理是什么,形成电涡流的两个必备条件是什么,32.压阻式压力传感器的工作原理是什么,主要应用是什么,33.温度的测量方法有几种,各有何特点,34.膨胀式温度计有几种,其工作原理是什么,各有何特点,35.电阻式温度传感器的工作原理是什么,有几种类型,各有何特点,36.金属热电阻温度传感器常用的材料有哪几种,各有何特点,37.热电阻传感器的测量电路有哪些,说明每种测量电路的特点。 答:通常采用电桥电路作为测量电路。为了克服环境温度的影响常采用下图所示的 三导线四分之一电桥电路。由于采用这种电路，热电阻的两根引线的电阻值被分配 在两个相邻的桥臂中，如果 R1t R2 ，则由于环境温度变化引起的引线电阻值变化 t 造成的误差被相互抵消。38.热电偶温度传感器的工作原理是什么,热电势的组成有几种,说明热电势产生的 过程，并写出热电偶回路中总热电势的表达式。39.试分析金属导体产生接触电动势和温差电动势的原因。 答:当 A 和 B 两种不同材料的导体接触时，由于两者内部单位体积的自由电子 数目不同即电子密度不同，因此，电子在两个方向上扩散的速率就不一样。现假 设导体 A 的自由电子密度大于导体 B 的自由电子密度，则导体 A 扩散到导体 B 的电 子数要比导体 B 扩散到导体 A 的电子数大。所以导体 A 失去电子带正电荷，导体 B 得到电子带负电荷，于是，在 A、B 两导体的接触界面上便形成一个由 A 到 B 的电 场。该电场的方向与扩散进行的方向相反，它将引起反方向的电子转移，阻碍扩散 作用的继续进行。当扩散作用与阻碍扩散作用相等时，即自?继?A 扩散到导体 B 的自由电子数与在电场作用下自导体 B 到导体 A 的自由电子数相等时，便处于一种 动态平衡状态。在这种状态下，A 与 B 两导体的接触处就产生了电位差，称为接触 电动势。对于导体 A 或 B，将其两端分别置于不同的温度场 t、t0 中tgt t0。在导 体内部，热端的自由电子具有较大的动能，向冷端移动，从而使热端失去电子带正 电荷，冷端得到电子带负电荷。这样，导体两端便产生了一个由 热端指向冷端的静 电场。该电场阻止电子从热端继续跑到冷端并使电子反方向移动，最后也达到了动 态平衡状态。这样，导体两端便产生了电位差，我们将该电位差称为温差电动势。40.热电偶的基本定律有哪些,其含义是什么,有什么意义,并证明每种定律。41.热电偶的性质有哪些,42.为什么要对热电偶进行冷端温度补偿,常用的补偿方法有几种,补偿导线的作用 是什么,连接补偿导线要注意什么,43.热电偶测温线路有几种,试画出每种测温电路原理图，并写出热电势表达式。44.已知镍铬-镍硅K热电偶的热端温度 t,800?，冷端温度 t0,25?，求 Et，to 是多少毫伏 解:由镍铬-镍硅热电偶分度表可查得 E800，033.275mV，E25，01.024 mV， 故可得 E800，533.275-1.02432.251mV45.如图 7 所示之测温回路，热电偶的分度号为 K，毫伏表 的示值应为多少度 答:毫伏表的示值应为t1-t2-60?。46. 用镍铬-镍硅K热电偶测量温度，已知冷端温度为 40 ?，用高精度毫伏表测得这时的热电动势为 29.188mV， 求被测点的温度。 图 7 热电偶测温回路 解:由镍铬-镍硅热电偶分度表查出 E40，01.638mV， 计算出 Et0 29.188 1.638mV 30.826mV 再通过分度表查出其对应的实际温度为 30.826 - 29.129 × 100 t 700 740.9 ? 33.275 29.12947.用镍铬-镍硅K热电偶测量某炉温的测量系统如图 8 所示，已知:冷端温度固 定在 0?，t0,30?，仪表指示温度为 210?，后来发现由于工作上的疏忽把补偿 导线 A ′和B′ ，相互接错了，问:炉温的实际温度 t 为多少度 解:实际温度应为 270?，因为接反后不但没有补偿到，还抵消了 30?，故应该加 上 60?。48.如图 9 所示，用 K 型(镍铬-镍硅)热电偶测 量炼钢炉熔融金属某一点温度，A′、B′为补 Cu 偿导线， 为铜导线。已知 t1 40?， t2 0.0 ?， t3 20?。 ? 当仪表指示为 39.314mV 时，计算被测点温 度t 图 8 热电偶测量某炉温 ? 如果将 A′、B′换成铜导线，此时仪表指示为 37.702mV，再求被测点温度 t ? 将热电偶直接插到熔融金属同一高度来测量此点的温度，是利用了热电偶的什么 定律,如果被测液体不是金属，还能用此方法测量吗,为什么, 图 9 热电偶测量炼钢炉熔融金属某一点温度49.用两只 K 型热电偶测量两点温差，如图 10 所示。已知 t1 980?， 2 510?， 0 20?， t t试求 t1、t2 两点的温差。 图 10 热电偶测量两点温差电路50.试分析图 11 所示集成温度传感器 AD590 用于热电偶参考端温度补偿电路的工作原 理。 图 11 热电偶参考端温度补偿电路51.辐射式温度传感器的工作原理是什么,有何特点,52.画图说明电位器式电阻传感器的工作原理，导出电阻、电压灵敏度的表达式。53.莫尔条纹的含义是什么,其主要特性有哪些,试画图分析。54.磁栅位移传感器的工作原理是什么,55.电容、电感式接近传感器被测物体应采用什么材料,为什么,主要工作原理是什 么,56.试分析图 12 所示压力传感器是如何测量液位的高度的, 图 12 压力传感器测量液位原理图57.电容式物位传感器是如何测量物体位置的,58.试分析电磁流量计的工作原理，并推导流量的表达式。59.光电效应有哪几种,分别对应什么光电元件,60.常用的半导体光电元件有哪些它们的电路符号如何 答:常用的半导体光电元件有光敏二极管、光敏三极管和光电池三种。 它们的电路符号如下图所示:61.试比较光敏电阻、光电池、光敏二极管和光敏晶体管的性能差异，并简述在不同场 合下应选用哪种元件最为合适。62.光电传感器有哪些部分组成,被测量可以影响光电传感器的哪些部分,63.简述光电倍增管的工作原理。64.光敏电阻有哪些重要特性，在工业应用中是如何发挥这些特性的, 答:光敏电阻是采用半导体材料制作，利用内光电效应工作的光电元件。 它的重要 特性是在无光照时阻值非常大，相当于断路，有光照时阻值变得很小，相当于通路。 在工业应用中主要就是通过光的变化来各种电路的控制。65.说明光电池的基本原理、常用类型及其特点。 在66.根据硅光电池的光电特性， 4000lx 的光照下要得到 2V 的输出电压，需要几片光 电池,如何连接,67.光纤传感器有哪两种类型,光纤传感器调制方法有哪些,68.光纤传感器的性能有何特殊之处,主要有哪些应用, 答:光导纤维传感器简称光纤传感器是七十年代迅速发展起来的一种新型传感 器。光纤传感器具有灵敏度高，不受电磁波干扰，传输频带宽，绝缘性能好，耐水 抗腐蚀性好，体积小，柔软等优点。目前已研制出多种光纤传感器，可用于位移、 速度、加速度、液位、压力、流量、振动、水声、温度、电压、电流;磁场、核辐 射等方面的测量。应用前景十分广阔。69.红外线温度传感器有哪些主要类型,它与别的温度传感器有什么显著区别, 答:能把红外辐射转换成电量变化的装置，称为红外传感器，主要有热敏型和光电 型两大类。 热敏型是利用红外辐射的热效应制成的，其核心是热敏元件。由于热敏元件的响 应时间长，一般在毫秒数量级以上。另外，在加热过程中，不管什么波长的红外线， 只要功率相同，其加热效果也是相同的，假如热敏元件对各种波长的红外线都能全 部吸收的话，那么热敏探测器对各种波长基本上都具有相同的响应，所以称其为“无 选择性红外传感器”。这类传感器主要有热释电红外传感器和红外线温度传感器两 大类。 光电型是利用红外辐射的光电效应制成的，其核心是光电元件。因此它的响应时 间一般比热敏型短得多，最短的可达到毫微秒数量级。此外，要使物体内部的电子 改变运动状态，入射辐射的光子能量必须足够大，它的频率必须大于某一值，也就 是必须高于截止频率。由于这类传感器以光子为单元起作用，只要光子的能量足够， 相同数目的光子基本上具有相同的效果，因此常常称其为“光子探测器”。这类传 感器主要有红外二极管、三极管等。70.模拟式光电传感器有哪几种常见形式 (1)被测物是光源 答:模拟式光电传感器主要有四种。 它可以直接照射在光电元 器件上，也可以经过一定的光路后作用到光电元器件上，光电元器件的输出反映了 光源本身的某些物理参数，如图 13a 所示。如光电比色高温计和照度计。 (2)恒定光源发射的光通量穿过被测物，其中一部分由被测物吸收，剩余的部分投 射到光电元件上，吸收量取决于被测物的某些参数，如图 13b 所示。如测量透明度、 浑浊度等。 (3)恒定光源发出的光投射到被测物上，再从被测物体反射到光电元器件上。反射 光通量取决于反射表面的性质、状态和与光源之间的距离，如图 13c 所示。如测量 工件表面粗糙度、纸张白度等。 (4)从恒定光源发射出的光通量在到达光电元件的途中受到被测物的遮挡，使投 射到光电元件上的光通量减弱，光电元件的输出反映了被测物的尺寸或位置，如图 13d 所示。如工件尺寸测量、振动测量等。 恒光源 被测物 光电 光电 被测物 元件 元件 a被测物是光源 b被测物吸收光通量 恒光源 被测物 恒光源 被测物 光电 元件 光电 元件 c被测物是有反射能力的表面 d被测物遮蔽光通量 图 13 模拟式光电传感器常见形式71.一光电开关用于生产流水线的产量计鼋峁雇迹?蛞得鳎乐谷?光灯等其他光源的干扰，设计中应采取什么措施,72.根据图 14 所示的光电数字转速表的工作原理，如果转盘的孔数为 N，每秒钟光电 二极管的脉冲个数为 f，试问转速为每分钟多少,73.冲床工作时，为保护工人的手指安全。设计一安全 控制系统，选用两种以上的传感器来同时探测工人 的手是否处于危险区域(冲头下方)。只要有一个 传感器输出有效 (即检测到手未离开该危险区)， 则不让冲头动作，或使正在动作的冲头惯性轮刹 车。说明检测控制，以及必须同时设置两个传 图 14 光电数字转速表工作原理 感器组成“或”的关系、必须使用两只手(左右手)同时操作冲床开关的好处。74.思考如何利用热释电传感器及其他元器件实现商场玻璃大门的自动开闭。75.分析霍尔效应产生的原因。一个霍尔元件在一定的电流控制下，其霍尔电动势与哪 些因素有关,76.说明为什么导体材料和绝缘体材料均不宜做成霍尔元件, 答:因为导体材料的μ虽然很大，但ρ很小，故不宜做成元件，而绝缘材料的ρ虽 然很大，但μ很小，故也不宜做成元件。77.为什么霍尔元件一般采用 N 型半导体材料, 答:因为在 N 型半导体材料中，电子的迁移率比空穴的大，且μngtμp，所以霍尔元 件一般采用 N 型半导体材料。78.霍尔集成传感器有哪几种类型,其工作特点是什么, 答:霍尔集成传感器有霍尔线性集成传感器和霍尔开关型集成传感器两种类型。 集成霍尔传感器的特点主要是取消了传感器和测量电路之间的界限，实现了材料、 元件、电路三位一体。集成霍尔传感器与分立相比，由于减少了焊点，因此显著地 提高了可.