傳感器原理與應用知識要點和復習題

1、傳感器原理與應用及傳感器與測量技術知識要點和復習題緒論1、把非電信息轉換成電(不一定直接可用)信號的轉換元件，是構成傳感器的核心。2、利用半導體光阻效應的傳感器屬于物性型傳感器。3、模擬傳感器是按照構成原理分類的。4、利用物理學中電磁感應定律可構成結構型傳感器。5、什么是傳感器、自動檢測技術？6、畫出傳感器的組成框圖，并說明各組成部分的作用。7、傳感器特性在檢測系統(tǒng)中起到什么作用？第1章傳感器技術基礎1、動態(tài)特性中，傳遞函數(shù)是一種以傳感器參數(shù)來表示輸出量與輸入量之間關系的數(shù)學表達式，它表示了傳感器本身的特性，而與輸入量無關。2、 對于多環(huán)節(jié)串聯(lián)組成的傳感器或測量系統(tǒng)，總的傳遞函數(shù)可按代數(shù)式H(

2、s)=H Hi (s)求得。3、在明確輸入一輸出變換對應關系的前提下，利用某種標準或標準器具有對傳感器進行標定。4、 用電阻R、電感L和電容C組成的串聯(lián)電路來模擬質量為m、彈簧剛度為k和阻尼系數(shù)為c的單自由 度機械振動系統(tǒng)的相似，稱為力一電壓模擬。5、傳感器材料包括結構材料和敏感材料。6、 動態(tài)模型中， 標準”輸入只有三種：正弦周期輸入、階躍輸入和線性輸入，而經(jīng)常使用的是前兩種。7、 對于多環(huán)節(jié)并聯(lián)組成的傳感器或測量系統(tǒng)，總的傳遞函數(shù)可按代數(shù)式H(s)=£ Hi(S)求得。8、將傳感器在使用中或儲存后，進行的性能復測稱校準。9、 用電阻R、電感L和電容C組成的并聯(lián)電路來模擬質量為m、

3、彈簧剛度為k和阻尼系數(shù)為c的單自由 度機械振動系統(tǒng)的相似，稱為力一電流模擬。10、 某位移傳感器，在輸入量變化5 mm時，輸出電壓變化為 300 mV ,其靈敏度k為60V/m。11、 某測量系統(tǒng)由傳感器、放大器和記錄儀組成，各環(huán)節(jié)的靈敏度為：S1=0.2mV/C、S2=2.0V/mV、S3=5.0mm/V，求系統(tǒng)的總的靈敏度 S = $ 又 S2 乂 S3 = 0.2 2.0 乂 5.0 = 2mm/' C。12、 將傳感器在使用中或儲存后，進行的性能復測稱校準。13、 傳感器的頻率響應特性，必須在所測信號頻率范圍內(nèi)，保持_不失真測量條件。14、動態(tài)特性中，傳遞函數(shù)是一種以傳感器參數(shù)

4、來表示輸出量與輸入量之間關系的數(shù)學表達式，它表示了 傳感器本身的特性，而與 輸入量無關。15、一種切實可行的減小非線性的方法是差動技術。16、頻域內(nèi)傳感器無失真檢測條件是：幅頻特性應當是常數(shù)；相頻特性應該是線性關系。17、信號傳輸過程中，產(chǎn)生干擾的原因是干擾的耦合通道。18、簡述傳感器的主要靜態(tài)特性的概念：線性度、遲滯、重復性、靈敏度和靜態(tài)誤差。19、根據(jù)二階環(huán)節(jié)的幅頻特性與相頻特性圖，分析固有頻率和阻尼比的關系。20、傳感器的性能參數(shù)反映了傳感器的什么關系？靜態(tài)參數(shù)有哪些？各種參數(shù)代表什么意義？動態(tài)參數(shù)有那些？應如何選擇？21、下圖為單自由度機械振動系統(tǒng)，(1)根據(jù)圖示寫出該系統(tǒng)的力平衡方程

5、；(2)若采用力-電流相似系統(tǒng)，畫出其電等效系統(tǒng)、說明給定的參數(shù)并寫出電壓平衡方程。(3)若采用力-電壓相似系統(tǒng)，要求同(2)。22、傳感器不失真檢測的條件是什么？23、 某電壓表刻度為 010V,在5V處計量定值為4.995V，求在5V處的示值誤差（A）,相對誤差 &,引用誤差 j，224、0.1級量程為10A電流經(jīng)標定，最大示值誤差（ A）為8mA問該表是否合理？25、 對某量等精度測量16次，得均方差0=1.2，則平均值均方差？ 第2章電阻式傳感器1、利用電阻應變效應的金屬電阻應變片主要有絲式應變片和箔式應變片兩種結構形式。2、直流電橋平衡條件是橋路中相鄰兩臂阻值之比應相等。3、

6、電阻絲在外力作用下發(fā)生機械變形時，其電阻值發(fā)生變化，這一現(xiàn)象叫做應變電阻效應。4、當半導體材料在某一方向上承受應力時，它的電阻率發(fā)生顯著變化的現(xiàn)象稱為半導體壓阻效應。用這個 原理制成的電阻稱固態(tài)壓敏電阻。5、 交流電橋各橋臂的復阻抗分別為Z1、Z2、Z3、Z4,各阻抗的相位角分別為 中1、中2、甲3、平4，若電橋平衡條件為Z1/Z4=Z2/Z3,那么相位平衡條件應為十82=8.十中4。13246、 等強度梁應變式力傳感器應用中，等強度梁寬度為b、厚度為h和彈性模量為E, l為在距載荷F作用 6Fln點到固定處的距離，梁上各點的應變?yōu)槎? =29。bh E7、 等截面梁應變式力傳感器應用中，等截

7、面梁寬度為b、厚度為h和彈性模量為E,由為在距載荷F作用點到粘貼應變片處的距離，其應變?yōu)椋? =箜Z 。bhE8. 用相鄰雙臂橋檢測的應變式傳感器，為使其靈敏度高、非線性誤差小，則用兩個橋臂應當分別用應變量 變化相反的工作應變片。9、 一臺用等強度梁作為彈性元件的電子秤，在梁的上、下面各貼兩片相同的電阻應變片（K=2）如圖所示。已知l=100mm, b=11mm , t=3mm , E=2 x 104N/mnrt現(xiàn)將4個應變片接入圖（b）的直流橋路中，電橋電源電 壓U=6V。當力F=0.5kgf時，求電橋輸出電壓 U0=?(a)(b)10、兩金屬應變片Ri和R2阻值均為120 Q,靈敏度系數(shù)K

8、=2。兩應變片一片受拉，另一片受壓，產(chǎn)生的應 變?yōu)?000既 和-1000既。兩者接入直流電橋組成半橋雙臂工作電橋，電源電壓U=5V。求：（1）AR和AR/R ; （2）電橋的輸出電壓 炭。11. 什么是應變效應？什么是壓阻效應？什么是橫向效應？試說明金屬應變片與半導體應變片的相同和不 同之處。12. 說明電阻應變片的組成和種類。電阻應變片有哪些主要特性參數(shù)？13. 簡述應變片在彈性元件上的布置原則，及哪幾種電橋接法具有溫度補償作用。14. 簡述金屬電阻應變片的工作原理。為什么用應變片測量時必須采用溫度補償措施？18、為什么必須進行非線性補償？電阻應變片傳感器測量采取何措施？15、 如果將12

9、0 Q電阻應變片粘貼在彈性試件上，試件受力橫截面積 S=0.5 X 10-4布，彈性模量E=2X 1011N/m2,若由F= 5X 104N的拉力引起的應變電阻變化為1 Q。試求應變片的靈敏度系數(shù)。16、采用4片相同的金屬絲應變片（K=2），將其貼在實心圓柱形測力彈性元件上。如圖 3.64所示，受力 F=1000kgf。圓柱斷面半徑r=1cm，楊氏模量E=2X 107 N /cm 2,泊松比P =0.3。求：（1）畫出應變片在圓柱上的貼粘位置及相應測量橋路原理圖；（2）各應變片的應變& =?電阻相對變化量 AR/R = ? （3）若供電橋電壓U=6V，求橋路輸出電壓 U尸？ （4）此種

10、測量方式能否補償環(huán)境溫度對測量的影響？說明原因。17、今有一懸臂梁，如圖所示，在其中上部上、下兩面各貼兩片應變片，組成全橋，該梁在其懸臂梁一端受一向下力F=0.5N,試求此時這四個應變片的電阻值。已知：應變片靈敏系數(shù)K=2.1;應變片空載電阻&=120。18、今有一懸臂梁，如圖所示，在其中上部上、下兩面各貼兩片應變片，組成全橋，該梁在其懸臂梁一端受一向下力F=0.5N,試求此時這四個應變片的電阻值。已知：應變片靈敏系數(shù)K=2.1;應變片空載電阻&=120Q , a* = F , l=25cm , W=6cm t=3mm E=70X 105PaQ , x=l/2。WEt2第3章

11、變磁阻式傳感器1. 利用磁路磁阻變化引起傳感器線圈的電感（包括自感或互感）變化來檢測非電量的機電轉換裝置。2. 變磁阻式傳感器線圈的銅損引起的耗散因數(shù)與激勵頻率成反比。3. 對于高頻反射式電渦流傳感器來說，為了使其具有較高的靈敏度，不產(chǎn)生電渦流的透射損耗，要求被測物必須達到一定的厚度。4. 電感式傳感器種類：自感式、差動變壓器式、電渦流式、壓磁式、感應同步器。它們的工作原理：電磁感應效應（自感、互感）、電渦流效應、壓磁效應。5. 差動變壓器式傳感器按的結構形式可分為變氣隙型、變面積型和？三種。6. 差動變壓器存在零位誤差，用電路上做補償時，串聯(lián)電阻可以減少零位誤差的基波分量。7. 電渦流式傳感

12、器可分為高頻反射式和低頻透射式。8. 零位誤差是評定差動變壓器性能的重要指標之一，產(chǎn)生零位誤差的原因主要有兩個：一是由于次級繞組 兩線圈電氣參數(shù)和幾何尺寸不對稱，致使產(chǎn)生的感應電動勢幅值不等，相位不同。這種情況下，不管怎樣調整銜鐵位置也不能使零位輸出電壓調到零；二是由于磁性材料磁化曲線的非線性。9. 簡述差動變壓器式傳感器的工作原理并畫出其原理圖。10. 簡述低頻透射式電渦流傳感器測厚度的工作原理并畫出其原理圖。11. 簡述高頻反射式電渦流傳感器測厚度的工作原理。12. 自感式傳感器和差動變壓器式傳感器的工作原理有何異同？13. 簡述電渦流式傳感器的工作原理；再比較低頻透射式和高頻反射式電渦流

13、傳感器測厚度的原理有何不同？14. 簡述差動變壓器相敏檢測電路的工作原理。15. 為了實現(xiàn)以下目的，試從低通、高通、帶通和帶阻濾波中選擇最合適的一種：(1) 除去麥克風中混入的廣播電波信號；(2) 從天線接收的電視波中僅選擇第三頻道；(3) 除去混入所取出的腦電波信號中的電力線頻率(頻率為50Hz)干擾。答：(1)因為要除去高頻成分，故選用低通濾波器。(2) 要消除第二通道以下和第三通道以上的頻率成分，故選用帶通濾波器。(3) 要消除特定成分的頻率成分，故選用帶阻濾波器。18.用渦流傳感器測量金屬板厚度時是否需要恒溫，為什么？16變磁阻式傳感器分哪幾類？各有何特點？17簡述變氣隙式自感傳感器的

14、工作原理。18簡述差動變壓器式傳感器的工作原理。19說明差動變壓器零點殘余電壓產(chǎn)生的原因，并指出消除殘余電壓的方法。20如圖4.1所示變氣隙型自感傳感器，銜鐵斷面積S=4X 4mr2i氣隙總長度L§=0.8mm銜鐵最大位移AL§ = + 0.08mm,激磁線圈匝數(shù) N=2500匝，導線直徑d=0.06mm電阻率p =1.75 X 10-6Q，cm o當激磁電源頻率 f=4000Hz時，忽略漏磁及鐵損。要求計算：(1)線圈電感值；(2)電感的最大變化量；(3)當線圈外斷面積為11X 11mm時的直流電阻值；(4)線圈的品質因 數(shù)；(5)當線圈存在200pF分布電容與之并聯(lián)后，

15、其等效電感值變化多大？21利用電渦流法測板材厚度，已知激磁電源頻率f=1MHz，被測材料相對磁導率 氏=1，電阻率p = 2.9X 10-6。cm,被測板厚為(1+0.2)mm , (1)采用高頻反射法測量時，渦流穿透深度 h為多少？(2)能否用 低頻透射法測板厚？若可以，需要采取什么措施？畫出檢測示意圖。22.試用雙螺管線圈差動型電感傳感器做成一個測力傳感器。(1) 用簡圖說明該傳感器的結構，并簡要說明其作用原理；(2) 用圖說明兩個線圈在電橋電路中的接法。第4章電容式傳感器1、邊緣效應不僅使電容傳感器的靈敏度降低，而且產(chǎn)生非線性，可采用帶有保護環(huán)的結構解決。2、消滅寄生電容影響，是電容式傳

16、感器實用的關鍵，幾種常用方法：驅動電纜法、整體屏蔽法及組合式與 集合技術等。3、電容式傳感器具有特點是動態(tài)響應好，能實現(xiàn)非接觸測量，而寄生電容影響大。4、電容式傳感器的主要缺點是輸出阻抗高，寄生電容影響大。5、通常用電容式傳感器測量電場強度等。6、根據(jù)電容傳感器的工作原理說明它的分類，電容傳感器能夠測量哪些物理參量？7、總結電容式傳感器的優(yōu)缺點，主要應用場合以及使用中應注意的問題。第5章磁電式傳感器1、磁電式傳感器是利用電磁感應原理。2、 磁電式傳感器不需要輔助電源，就能把被測對象的機械能轉換成易于測量的電信號，即是一種有源傳感器。3、 工作磁場恒定，線圈和磁鐵之間產(chǎn)生相對運動，而產(chǎn)生感應電勢

17、，這種傳感稱為恒(定)磁通式傳感器。4、磁電式傳感器中變磁通式結構，又稱變磁阻式結構。5、只要磁通量發(fā)生變化，就有感應電動勢產(chǎn)生，請說出三種產(chǎn)生感應電動勢的方法。答：（1）線圈與磁場發(fā)生相對運動；（2）磁路中磁阻變化；（3）恒定磁場中線圈面積變化。6、 按工作原理不同，磁電感應式傳感器可分為恒定磁通式傳感器和變磁通式（磁阻式傳感器）。7、磁電式傳感器提高靈敏度的方法有選用具有磁能積較大的永久磁鐵和盡量小的氣隙長度。8、永久磁鐵的穩(wěn)磁處理措施的是高低溫時效穩(wěn)磁處理、外磁場作用下的人工老化、抗振動和沖擊能力，降 低退磁9、磁電式傳感器作為一種機-電轉換器，應用機械阻抗及傳遞矩陣來分析其動態(tài)特性尤為

18、合適。10、實際使用的磁電式傳感器將受到環(huán)境的影響，屬于這一影響的是工作溫度發(fā)生變化、受到外界磁場的干擾和受到機械振動和沖擊時，那么其靈敏度將發(fā)生變化，從而產(chǎn)生測量誤差11、磁電式傳感器與電感式傳感器有哪些不同？磁電式傳感器主要用于測量哪些物理參數(shù)？6. 已知測量齒輪齒數(shù) Z=18，采用變磁通感應式傳感器測量工作軸轉速（如圖所示）。若測得輸出電動勢的交變頻率為24（Hz），求：被測軸的轉速 n（r/min）為多少？當分辨誤差為士齒時，轉速測量誤差是多少 ？第6章壓電式傳感器1、一些離子型晶體的電介質不僅在電場力作用下，而且在機械力作用下，都會產(chǎn)生極化現(xiàn)象，這種現(xiàn)象叫做壓電效應。2、衡量材料壓電

19、效應強弱的參數(shù)是壓電常數(shù)。3、若使壓電陶瓷具有壓電性，必須作極化處理。4、壓電式傳感器應用中消除橫向靈敏度的技術途徑之一是盡量采用剪切型力一電轉換方式。5、決定壓電器件的固有頻率和動態(tài)特性是彈性常數(shù)（或剛度） 。6、用來衡量壓電材料機電能量轉換效率的一個重要參數(shù)是機電耦合系數(shù)。7、 在極化后的陶瓷片上加一個與極化方向平行的壓力F時，陶瓷片將產(chǎn)生壓縮形變，出現(xiàn)（放電）現(xiàn)象； 當壓力撤消后，陶瓷片恢復原狀而出現(xiàn)（充電）現(xiàn)象。8、 簡述壓電式傳感器分別與電壓放大器和電荷放大器相連時各自的特點。說明電壓放大器與電荷放大器的優(yōu)缺點，各自要解決什么問題？9、 某些晶體沿著一定方向受到外力作用時，內(nèi)部會產(chǎn)生

20、極化現(xiàn)象，同時在某兩個表面上產(chǎn)生大小相等符號 相反的電荷；當外力去掉后，又恢復到不帶電狀態(tài)；當作用力方向改變時，電荷的極性也隨著改變：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)象叫正壓電效應。10、壓電傳感器只能測量交變力且交變頻率越高，靈敏度越大。11、壓電材料開始喪失壓電性的溫度稱居里點。12、對石英晶體，沿電軸方向的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應，稱為縱向壓電效應；沿機軸方向的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應，稱為橫向壓電效應，沿機軸方向的機械變形最明顯。13、實際構成壓電式傳感器時，總要利用電纜將壓電器件接入測量線路或儀器。這樣不存在電纜的分布電感Lc影響。14、壓電式傳感器的高內(nèi)阻、小功

21、率問題，應如何加以解決？15. 為提高壓電式傳感器的壓電輸出靈敏度，通常采用雙晶片串、并聯(lián)組合方式，串聯(lián)形式時，其輸出電壓為單片電壓的二倍，總電容為單片電容的一半。并聯(lián)形式？16. 為什么壓電傳感器通常都用來測量動態(tài)或瞬態(tài)參量？17. 什么是正壓電效應？什么是逆壓電效應？壓電效應有哪些種類？壓電傳感器的結構和應用特點是什 么？能否用壓電傳感器測量靜態(tài)壓力？18. 石英晶體X、Y、Z軸的名稱是什么？試根據(jù)石英晶體的結構分析該晶體各方向有無壓電效應。19. 簡述壓電陶瓷特性，作為壓電元件比較它與石英晶體有哪些特點？20. 壓電傳感器的輸出信號的特點是什么？它對放大器有什么要求？放大器有哪兩種類型？

22、第7章光電式傳感器1、光源是光電傳感器的前提和基礎。2、激光是20世紀60年代出現(xiàn)的最重大科技成就之一，具有高方向性、高單色性和高亮度三個重要特性。3、硅光電池的結構是在 N型硅片上滲入P型雜質形成一個大面積 PN結而成。 它一般由實驗方法測得。4、 線型CCD圖像傳感器由一列 MOS光敏單元和一列 CCD移位寄存器并列而構成的；CCD是一種高性能 光電圖像傳感器件，其基本單元是金屬-氧化物-半導體電容器結構；各個光敏元中所積累的光電荷與該光敏元上所接收的光照強度成正比，也與光積分時間成正比。5、光電傳感器的物理基礎以及光電效應的種類和所對應的光敏元件，物理基礎：光電效應。在光線作用下 能使電

23、子逸出物體表面的稱外光電效應，有光電管、光電倍增管。在光線作用下能使電阻率改變的稱內(nèi)光 電效應(光電導效應)，有光敏電阻、光電管。在光線作用下能使物體產(chǎn)生一定方向電動勢的稱光生伏特效 應，有光電池。6、 在反射式光纖位移傳感器中，按發(fā)送光纖束和接收光纖束在匯集處端面的分布，隨機分布方式工作的靈 敏度或線性比按其他分布方式工作的要好。7、 光電池在作為測量元件使用時，是利用其短路電流與光照呈線性關系的特點。8、激光是20世紀60年代出現(xiàn)的最重大科技成就之一，具有高方向性、高單色性和高亮度三個重要特性。9光電效應可分幾類？說明其原理并指出相應的光電器件。10. 敘述電荷耦合器件(CCD的結構和存儲

24、電荷與轉移電荷的工作過程。11. 由光電二極管二維陣列組成面型傳感器進行圖像檢測，對圖像的分辨率由光電二極管的個數(shù)決定，試說 明理由。12. 光纖損耗是如何產(chǎn)生的？它對光纖傳感器有哪些影響？13. 光導纖維為什么能夠導光？光導纖維有哪些優(yōu)點？光纖式傳感器中光纖的主要優(yōu)點有哪些？14. 簡述模擬式光電傳感器的要求及工作方式。15光電器件的基本特性有哪些？它們各是如何定義的？16光電器件的基本特性有哪些？它們各是如何定義的？17. 已知如圖4.1所示直射型光電轉速傳感器輸出電勢的頻率f=72Hz,測量調制齒盤的齒數(shù) Z=36,求：(1) 被測軸的轉速是每分鐘多少轉？(2) 在上述情況下，如果計數(shù)裝

25、置的讀數(shù)誤差為土1個數(shù)字，其最大轉速誤差是多少？圖4.1直射型光電轉速傳感器工作原理發(fā)送光纖束p光源審光電探秘器光纖位移傳感器18、敘述光纖位移傳感器的工作原理并畫出其原理圖；根 據(jù)反射光強與位移的關系圖所示，分析光強與位移的關系 并指出選擇哪一種光纖探頭的結構分布方式最好(圖中標 號及名稱)。19、說明CCD圖象傳感器常用的電荷注入方法有哪些? 常用的電荷輸出方法有哪些？根據(jù)下圖所示，說明如何實 現(xiàn)電荷定向轉移或傳輸。20、在用光開關檢測物體的系統(tǒng)中，由受光器的受光次數(shù)， 可計算通過輸送帶上物體的個數(shù)，那么，用輸送帶搬運兩種高度的物體時，畫出能分別計算兩種高度的物 體個數(shù)的系統(tǒng)組成圖。第8章熱電式傳感器1、熱電偶產(chǎn)生的熱電勢是由兩種不同材料導體的接觸電勢和單一導體的溫差電勢所組成的。2、電阻率隨著溫度升高而增加，當過某一溫度后而急劇增加的電阻，稱為正電阻溫度系數(shù)熱敏電阻。3、熱電偶的基本定律的是中間溫度定律、中間導體定律和標準電極