傳感器考試試題和答案解析

.PAGE20/NUMPAGES20傳感器原理及其應(yīng)用習(xí)題第1章傳感器的一般特性一、選擇、填空題1、衡量傳感器靜態(tài)特性的重要指標是_靈敏度______、__線性度_____、____遲滯___、___重復(fù)性_____等。2、通常傳感器由＿＿敏感元件＿＿、＿＿轉(zhuǎn)換元件＿＿＿＿、＿轉(zhuǎn)換電路＿＿＿＿三部分組成,是能把外界＿非電量＿轉(zhuǎn)換成＿＿＿電量＿＿＿的器件和裝置。3、傳感器的＿＿標定＿＿＿是通過實驗建立傳感器起輸入量與輸出量之間的關(guān)系,并確定不同使用條件下的誤差關(guān)系。4、測量過程中存在著測量誤差,按性質(zhì)可被分為粗大、系統(tǒng)和隨機誤差三類,其中隨機誤差可以通過對多次測量結(jié)果求平均的方法來減小它對測量結(jié)果的影響。5、一階傳感器的時間常數(shù)τ越__________,其響應(yīng)速度越慢;二階傳感器的固有頻率ω0越_________,其工作頻帶越寬。6、按所依據(jù)的基準直線的不同,傳感器的線性度可分為、、、。7、非線性電位器包括和兩種。8、通常意義上的傳感器包含了敏感元件和〔C兩個組成部分。A.放大電路B.數(shù)據(jù)采集電路C.轉(zhuǎn)換元件D.濾波元件9、若將計算機比喻成人的大腦,那么傳感器則可以比喻為<B>。A．眼睛B.感覺器官C.手D.皮膚10、屬于傳感器靜態(tài)特性指標的是〔D

A.固有頻率

B.臨界頻率

C.阻尼比

D.重復(fù)性11、衡量傳感器靜態(tài)特性的指標不包括〔C。A.線性度B.靈敏度C.頻域響應(yīng)D.重復(fù)性12、下列對傳感器動態(tài)特性的描述正確的是〔A一階傳感器的時間常數(shù)τ越大,其響應(yīng)速度越快B二階傳感器的固有頻率ω0越小,其工作頻帶越寬C一階傳感器的時間常數(shù)τ越小,其響應(yīng)速度越快。D二階傳感器的固有頻率ω0越小,其響應(yīng)速度越快。二、計算分析題1、什么是傳感器？由幾部分組成？試畫出傳感器組成方塊圖。2、傳感器的靜態(tài)性能指標有哪一些,試解釋各性能指標的含義。作業(yè)3、傳感器的動態(tài)性能指標有哪一些,試解釋各性能指標的含義第2章電阻應(yīng)變式傳感器一、填空題1、金屬絲在外力作用下發(fā)生機械形變時它的電阻值將發(fā)生變化,這種現(xiàn)象稱__應(yīng)變_____效應(yīng)；半導(dǎo)體或固體受到作用力后_電阻率______要發(fā)生變化,這種現(xiàn)象稱__壓阻_____效應(yīng)。直線的電阻絲繞成敏感柵后長度相同但應(yīng)變不同,圓弧部分使靈敏度下降了,這種現(xiàn)象稱為____橫向___效應(yīng)。2、產(chǎn)生應(yīng)變片溫度誤差的主要因素有＿電阻溫度系數(shù)的影響、＿試驗材料和電阻絲材料的線性膨脹系數(shù)的影響＿。3、應(yīng)變片溫度補償?shù)拇胧┯校撸撸唠姌蜓a償法＿、＿應(yīng)變片的自補償法、＿、。4.在電橋測量中,由于電橋接法不同,輸出電壓的靈敏度也不同,_全橋__接法可以得到最大靈敏度輸出。5.半導(dǎo)體應(yīng)變片工作原理是基于壓阻效應(yīng),它的靈敏系數(shù)比金屬應(yīng)變片的靈敏系數(shù)大十倍6．電阻應(yīng)變片的配用測量電路采用差動電橋時,不僅可以消除線性誤差同時還能起到溫度補償?shù)淖饔谩?、若應(yīng)變計基長L=40mm,應(yīng)變波速v=5000m/s,則上升時間tk=,可測頻率f=。8、壓阻式傳感器測量電橋的電源可采用__________________也可采用____________________供電。9、應(yīng)變式傳感器主要用于測量_____________________________________等物理量；光電式傳感器主要用于測量_____________________________________等物理量；壓電式傳感器主要用于測量_____________________________________等物理量。10、應(yīng)變式傳感器是基于______________效應(yīng)工作的。對金屬應(yīng)變片,其電阻的變化主要是由于中的＿＿＿＿＿＿＿＿＿變化引起的．濕敏傳感器是指能將＿＿＿轉(zhuǎn)換為與其成一定比例關(guān)系的電量輸出的裝置選擇:1、全橋差動電路的電壓靈敏度是單臂工作時的〔C。A.不變B.2倍C.4倍D.6倍2.利用相鄰雙臂橋檢測的應(yīng)變式傳感器,為使其靈敏度高、非線性誤差小〔CA．兩個橋臂都應(yīng)當用大電阻值工作應(yīng)變片B．兩個橋臂都應(yīng)當用兩個工作應(yīng)變片串聯(lián)C．兩個橋臂應(yīng)當分別用應(yīng)變量變化相反的工作應(yīng)變片D．兩個橋臂應(yīng)當分別用應(yīng)變量變化相同的工作應(yīng)變片3、產(chǎn)生應(yīng)變片溫度誤差的主要原因有〔ABA、電阻絲有溫度系數(shù)B、試件與電阻絲的線膨脹系數(shù)相同C、電阻絲承受應(yīng)力方向不同4.利用電橋進行溫度補償,補償片的選擇是〔AA．與應(yīng)變片相鄰,且同質(zhì)的工作片B．與應(yīng)變片相鄰,且異質(zhì)的工作片C．與應(yīng)變片相對,且同質(zhì)的工作片D．與應(yīng)變片相對,且異質(zhì)的工作片5．通常用應(yīng)變式傳感器測量<C>。A.溫度B．密度C．加速度D．電阻6．影響金屬導(dǎo)電材料應(yīng)變靈敏系數(shù)K的主要因素是〔

B

。A．導(dǎo)電材料電阻率的變化B．導(dǎo)電材料幾何尺寸的變化C．導(dǎo)電材料物理性質(zhì)的變化D．導(dǎo)電材料化學(xué)性質(zhì)的變化7．電阻應(yīng)變片的線路溫度補償方法有〔

AB。A．差動電橋補償法B．補償塊粘貼補償應(yīng)變片電橋補償法C．補償線圈補償法D．恒流源溫度補償電路8、金屬絲應(yīng)變片在測量構(gòu)件的應(yīng)變時,電阻的相對變化主要由<>來決定的。A、貼片位置的溫度變化B、電阻絲幾何尺寸的變化C、電阻絲材料的電阻率變化D、外接導(dǎo)線的變化二、計算分析題1說明電阻應(yīng)變測試技術(shù)具有的獨特優(yōu)點。<1>這類傳感器結(jié)構(gòu)簡單,使用方便,性能穩(wěn)定、可靠；<2>易于實現(xiàn)測試過程自動化和多點同步測量、遠距測量和遙測；<3>靈敏度高,測量速度快,適合靜態(tài)、動態(tài)測量；<4>可以測量各種物理量。2、一臺采用等強度梁的電子秤,在梁的上下兩面各貼有兩片靈敏系數(shù)均為k=2的金屬箔式應(yīng)變片做成秤重傳感器。已知梁的L=100mm,b=11mm,h=3mm,梁的彈性模量E=2.1×104N/mm2。將應(yīng)變片接入直流四臂電路,供橋電壓Usr=12V。試求：⑴秤重傳感器的靈敏度<V/kg>?；⑵當傳感器的輸出為68mv時,問物體的荷重為多少？[提示：等強度梁的應(yīng)變計算式為ε=6FL/bh2E]3一個量程為10kN的應(yīng)變式測力傳感器,其彈性元件為薄壁圓筒軸向受力,外徑20mm,內(nèi)徑18mm．在其表面粘貼八個應(yīng)變片,4個沿軸向粘貼,4個沿周向粘貼,應(yīng)變片的電阻值均為120歐,靈敏度為2,泊松系數(shù)0．3,材料彈性模量E=2.1x1011Pa。要求；<1>給出彈性元件貼片位置及全橋電路;<2>計算傳感器在滿量程時,各應(yīng)變片電阻變化；<3>當橋路的供電電壓為l0V時,計算傳感器的輸出電壓解：<1>.全橋電路如下圖所示<2>.圓桶截面積應(yīng)變片1、2、3、4感受縱向應(yīng)變；應(yīng)變片5、6、7、8感受縱向應(yīng)變；滿量程時：〔34、以阻值R=120Ω,靈敏系數(shù)K=2.0的電阻應(yīng)變片與阻值120Ω的固定電阻組成電橋,供橋電壓為3V,并假定負載電阻為無窮大,當應(yīng)變片的應(yīng)變?yōu)?με和2000με時,分別求出單臂、雙臂差動電橋的輸出電壓,并比較兩種情況下的靈敏度。解：依題意單臂：差動：靈敏度：可見,差動工作時,傳感器及其測量的靈敏度加倍。一臺采用等強度梁的電子稱,在梁的上下兩面各貼有兩片電阻應(yīng)變片,做成稱重傳感器,如圖2-12〔見教材,附下所示。已知l=10mm,b0=11mm,h=3mm,E=2.1×104N/mm2,K=2,接入直流四臂差動電橋,供橋電壓6V,求其電壓靈敏度<Ku=U0/F>。當稱重0.5kg時,電橋的輸出電壓U0為多大?圖2-12懸臂梁式力傳感器解：等強度梁受力F時的應(yīng)變?yōu)楫斏舷赂髻N兩片應(yīng)變片,并接入四臂差動電橋中時,其輸出電壓：則其電壓靈敏度為=3.463×10-3<V/N>=3.463<mV/N>當稱重F=0.5kg=0.5×9.8N=4.9N時,輸出電壓為U0=KuF=3.463×4.9=16.97<mV>第3章電感式傳感器一、選擇、填空題1.變間隙式自感傳感器的＿測量范圍＿和＿靈敏度及線性度＿是相互矛盾的,因此在實際測量中廣泛采用＿差動＿結(jié)構(gòu)的變隙電感傳感器。2.電感式傳感器是利用被測量改變磁路的＿磁阻＿,導(dǎo)致＿線圈電感量＿變化的。磁電式傳感器是利用＿電磁感應(yīng)現(xiàn)象＿產(chǎn)生感應(yīng)電勢的。而霍爾式傳感器是利用＿＿半導(dǎo)體＿在磁場中的霍爾效應(yīng)而輸出電勢的。3.電感式傳感器種類很多。雖然結(jié)構(gòu)形式多種多樣,可分為＿＿變氣隙式＿、＿變面積式＿、＿螺線管式＿三種結(jié)構(gòu)。4.電渦流傳感器根據(jù)激勵電流頻率的高低,可以分為＿高頻反射式＿、＿低頻透射式＿兩種。5、把被測非電量的變化轉(zhuǎn)換成線圈互感變化的互感式傳感器是根據(jù)變壓器的基本原理制成的,其次級繞組都用反向串聯(lián)形式連接,所以又叫差動變壓器式傳感器。6、變隙式差動變壓器傳感器的主要問題是靈敏度與測量范圍的矛盾。這點限制了它的使用,僅適用于微小位移的測量。7、變氣隙式自感傳感器,當街鐵移動靠近鐵芯時,鐵芯上的線圈電感量增加〔①增加,②減少。8、電感式傳感器是以電和磁為媒介,利用電磁感應(yīng)原理將被測非電量如壓力、位移、流量等非電量轉(zhuǎn)換成線圈_________或________的變化,再由測量電路轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化量輸出的裝置。9、二、計算分析題1、說明電感式傳感器有哪些特點。2、分析比較變磁阻式自感傳感器、差動變壓器式互感傳感器的工作原理和靈敏度。3、試分析差動變壓器相敏檢測電路的工作原理。4、分析電感傳感器出現(xiàn)非線性的原因,并說明如何改善?5、某差動螺管式電感傳感器的結(jié)構(gòu)參數(shù)為單個線圈匝數(shù)W=800匝,l=10mm,lc=6mm,r=5mm,rc=1mm,設(shè)實際應(yīng)用中鐵芯的相對磁導(dǎo)率μr=3000,試求：<1>在平衡狀態(tài)下單個線圈的電感量L0=?及其電感靈敏度足KL=?<2>若將其接人變壓器電橋,電源頻率為1000Hz,電壓E=1.8V,設(shè)電感線圈有效電阻可忽略,求該傳感器靈敏度K。<3>若要控制理論線性度在1％以內(nèi),最大量程為多少?圖3-15差動螺管式電感傳感器解：〔1根椐螺管式電感傳感器電感量計算公式,得差動工作靈敏度：<2>當f=1000Hz時,單線圈的感抗為XL=ωL0=2πfL0=2π×1000×0.46=2890<Ω>顯然XL>線圈電阻R0,則輸出電壓為測量電路的電壓靈敏度為而線圈差動時的電感靈敏度為KL=151.6mH/mm,則該螺管式電感傳感器及其測量電路的總靈敏度為=297.1mV/mm6、有一只差動電感位移傳感器,已知電源電Usr=4V,f=400Hz,傳感器線圈銅電阻與電感量分別為R=40Ω,L=30mH,用兩只匹配電阻設(shè)計成四臂等阻抗電橋,如習(xí)題圖3-16所示,試求：<1>匹配電阻R3和R4的值；<2>當△Z=10時,分別接成單臂和差動電橋后的輸出電壓值；<3>用相量圖表明輸出電壓與輸入電壓之間的相位差。解：〔1線圈感抗XL=L=2fL=240030103=75.4〔線圈的阻抗故其電橋的匹配電阻<見習(xí)題圖3-16>R3=R4=Z=85.4〔〔2當ΔZ=10時,電橋的輸出電壓分別為單臂工作：雙臂差動工作：〔37、如圖3-17〔見教材,附下所示氣隙型電感傳感器,銜鐵截面積S=4×4mm2,氣隙總長度δ=0.8mm,銜鐵最大位移△δ=±0.08mm,激勵線圈匝數(shù)W=2500匝,導(dǎo)線直徑d=0.06mm,電阻率ρ=1.75×10-6Ω.cm,當激勵電源頻率f=4000Hz時,忽略漏磁及鐵損,求：<1>線圈電感值；<2>電感的最大變化量；<3>線圈的直流電阻值；<4>線圈的品質(zhì)因數(shù)；<5>當線圈存在200pF分布電容與之并聯(lián)后其等效電感值。解：〔1線圈電感值圖3-17氣隙型電感式傳感器〔變隙式〔2銜鐵位移Δδ=+0.08mm時,其電感值=1.31×10-1<H>=131mH銜鐵位移Δδ=﹣0.08mm時,其電感值=1.96×10-1<H>=196<mH>故位移Δδ=±0.08mm時,電感的最大變化量為ΔL=L﹣L=196﹣131=65<mH><3>線圈的直流電阻設(shè)為每匝線圈的平均長度,則=249.6<4>線圈的品質(zhì)因數(shù)<5>當存在分布電容200PF時,其等效電感值8、試用差動變壓器式傳感器設(shè)計液罐內(nèi)液體液位測量系統(tǒng),作出系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖,并分析工作原理。第4章電容式傳感器一、填空題1、電容式傳感器是利用電容器的原理,將非電量轉(zhuǎn)化為電容量,進而實現(xiàn)非電量到電量的敏感器件,在應(yīng)用中電容式傳感器可分為、、三種基本類型。2、將機械位移轉(zhuǎn)變?yōu)殡娙萘孔兓瘯r,電容式位移傳感器的基本結(jié)構(gòu)可分為型,型和型三大類。選擇:1、極距變化型電容傳感器的靈敏度與〔B。

Ａ、極距成正比Ｂ、極距成反比Ｃ、極距的平方成正比Ｄ、極距的平方成反比二、計算分析題1、簡述電容式傳感器的工作原理。2、簡述電容式傳感器的優(yōu)點。3、試計算習(xí)題4—2圖所示各電容傳感元件的總電容表達式。習(xí)題圖4-2解：由習(xí)題圖4-2可見〔1三個電容串聯(lián),,則故〔2兩個電容器并聯(lián)〔3柱形電容器4、在壓力比指示系統(tǒng)中采用差動式變間隙電容傳感器和電橋測量電路,如習(xí)題圖4-3所示。已知：δ0=0.25mm；D=38.2mm；R=5.1kΩ；Usr=60V<交流>,頻率f=400Hz。試求：<1>該電容傳感器的電壓靈敏度Ku<V/μm>；<2>當電容傳感器的動極板位移△δ=10μm時,輸出電壓Usc值。習(xí)題圖4-3解：由傳感器結(jié)構(gòu)及其測量電路可知〔1初始電容由于則從而得<2>U0=KuΔd=0.12V/m×105、有一臺變間隙非接觸式電容測微儀,其傳感器的極板半徑r=4mm,假設(shè)與被測工件的初始間隙d0=0.3mm。試求：<1>如果傳感器與工件的間隙變化量△d=±10μm,電容變化量為多少?<2>如果測量電路的靈敏度足Ku=100mV/pF,則在△d=±1μm戶時的輸出電壓為多少?解：由題意可求〔1初始電容：由,則當Δd=±10um時如果考慮d1=0.3mm+10μm與d2=0.3mm﹣10μm之間的電容變化量ΔC′,則應(yīng)為ΔC′=2|ΔC|=2×0.049=0.098pF<2>當Δd=±1μm時由Ku=100mV/pF=U0/ΔC,則U0=KuΔC=100mV/pF×<±0.0049pF>=±0.49mV6、有一變間隙式差動電容傳感器,其結(jié)構(gòu)如習(xí)題圖4-5所示。選用變壓器交流電橋作測量電路。差動電容器參數(shù)：r=12mm；d1=d2=d0=0.6mm；空氣介質(zhì),即ε=ε0=8.85×10-12F/m。測量電路參數(shù)：usr=u==3sinωt<V>。試求當動極板上輸入位移<向上位移>△x=0.05mm時,電橋輸出端電壓Usc?習(xí)題圖4-5解：由習(xí)題圖4-5可求初始電容C1=C2=C0=S/d=0r2/d0變壓器輸出電壓其中Z1,Z2分別為差動電容傳感器C1,C2的阻抗.在ΔX<<d0時,C1=C0+ΔC,C2=C0ΔC,且C/C0=d/d0,由此可得<V>7、如習(xí)題圖4-6所示的一種變面積式差動電容傳感器,選用二極管雙廠網(wǎng)絡(luò)測量電路。差動電容器參數(shù)為：a=40mm,b=20mm,dl=d2=d0=1mm；起始時動極板處于中間位置,Cl=C2=C0,介質(zhì)為空氣,ε=ε0=8.85×10-12F/m。測量電路參數(shù)：D1、D2為理想二極管；及R1=R2=R=10KΩ；Rf=1MΩ,激勵電壓Ui=36V,變化頻率f=1MHz。試求當動極板向右位移△x=10mm時,電橋輸出端電壓Usc習(xí)題圖4-6解：由習(xí)題圖4-6可求傳感器初始電容=3.54×1012〔F=3.54pF當動極板向右移Δx=10mm時,單個電容變化量為或,則C1=C0+ΔC,C2=C0?C,由雙T二極管網(wǎng)絡(luò)知其輸出電壓USC=2kUifΔC8、一只電容位移傳感器如習(xí)題4-7圖所示,由四塊置于空氣中的平行平板組成。板A、C和D是固定極板；板B是活動極板,其厚度為t,它與固定極板的間距為d。B、C和D極板的長度均為a,A板的長度為2a,各板寬度為b。忽略板C和D的間隙及各板的邊緣效應(yīng),試推導(dǎo)活動極板刀從中間位置移動x=±a/2時電容CAC和CAD的表達式<x=0時為對稱位置>。習(xí)題圖4-7解：參見習(xí)題圖4-7知CAC是CAB與CBC串聯(lián),CAD是CAB與CBD串聯(lián)。當動極板向左位移a/2時,完全與C極板相對,此時CAB=CBC=ε0ab/d,則CAC=CAB/2=CBC/2=ε0ab/2d；CAD=ε0ab/<2d+t>。當動極板向右移a/2時,與上相仿,有CAC=ε0ab/<2d+t>；CAD=ε0ab/2d9、已知平板電容傳感器極板間介質(zhì)為空氣,極板面積S=a×a=<2x2>cm2,間隙d0=0.1mm。求：傳感器的初始電容值；若由于裝配關(guān)系,使傳感器極板一側(cè)間隙d0,而另一側(cè)間隙為d0+b<b=0.01mm>,此時傳感器的電容值。解：初始電容=35.4×10-12<F>=35.4pF當裝配不平衡時可取其平均間隙=0.1+0.01/2=0.105<mm>則其電容為=33.7×10-12<F>=33.7pF第5章壓電式傳感器一、選擇、填空題1、壓電元件的基本原理是。目前常用的壓電材料有,等。2、為消除壓電傳感器電纜分布電容變化對輸出靈敏度的影響,可采用<>。A電壓放大器；B電荷放大器；C前置放大器；D電流放大器3、對壓電效應(yīng)的描述正確的是〔A當晶體沿一定方向伸長或壓縮時在其表面會產(chǎn)生電荷B當陶瓷沿一定方向伸長或壓縮時在其表面會產(chǎn)生電荷C當某些晶體或陶瓷在外電場的作用下發(fā)生形變,這種現(xiàn)象叫壓電效應(yīng)D晶體的壓電效應(yīng)是一種機電耦合效應(yīng),是由力學(xué)量〔應(yīng)力、應(yīng)變與電學(xué)量〔電場強度、電位移失量之間相互耦合產(chǎn)生的。二、計算分析題1、為什么壓電式傳感器不能用于靜態(tài)測量,只能用于動態(tài)測量中？而且是頻率越高越好？2、什么是壓電效應(yīng)？試比較石英晶體和壓電陶瓷的壓電效應(yīng)3、設(shè)計壓電式傳感器檢測電路的基本考慮點是什么,為什么?4、有一壓電晶體,其面積為20mm2,厚度為10mm,當受到壓力P=10MPa作用時,求產(chǎn)生的電荷量及輸出電壓：<1>零度X切的縱向石英晶體；<2>利用縱向效應(yīng)的BaTiO3。解：由題意知,壓電晶體受力為F=PS=10×106×20×10-6=200<N>〔10°X切割石英晶體,εr=4.5,d11=2.31×1012C等效電容=7.97×1014<F>受力F產(chǎn)生電荷Q=d11F=2.31×1012×200=462×102輸出電壓〔2利用縱向效應(yīng)的BaTiO3,εr=1900,d33=191×1012C等效電容=33.6×10-12<F>=33.6<pF>受力F產(chǎn)生電荷Q=d33F=191×1012×200=38200×1012<C>=3.82×10輸出電壓5、某壓電晶體的電容為1000pF,kq=2.5C/cm,電纜電容CC=3000pF,示波器的輸入阻抗為1MΩ和并聯(lián)電容為50pF,求：<1>壓電晶體的電壓靈敏度足Ku；<2>測量系統(tǒng)的高頻響應(yīng)；<3>如系統(tǒng)允許的測量幅值誤差為5％,可測最低頻率是多少?<4>如頻率為10Hz,允許誤差為5％,用并聯(lián)連接方式,電容值是多大?解：〔1〔2高頻〔ω→∞時,其響應(yīng)〔3系統(tǒng)的諧振頻率由,得〔取等號計算解出<ω/ωn>2=9.2564→ω/ωn=3.0424ω=3.0424ωn=3.0424×247=751.5<rad/s>f=ω/2π=751.5/2π=119.6<Hz>〔4由上面知,當≤5%時,ω/ωn=3.0424當使用頻率f=10Hz時,即ω=2πf=2π×10=20π<rad/s>時ωn=ω/3.0424=20π/3.0424=20.65<rad/s>又由ωn=1/RC,則C=1/ωnR=1/<20.65×1×106>=4.84×10-8<F>=4.84104pF6、分析壓電加速度傳感器的頻率響應(yīng)特性。若測量電路為電壓前量放大器C總=1000pF,R總=500MΩ；傳感器固有頻率f0=30kHz,阻尼比ζ=0.5,求幅值誤差在2％以內(nèi)的使用頻率范圍。解：壓電式加速度的上限截止頻率由傳感器本身的頻率特性決定,根據(jù)題意〔取等號計算則1+<ω/ωn>4﹣2<ω/ωn>2+4×0.52<ω/ωn>2=0.96<ω/ωn>4﹣<ω/ωn>2+0.04=0解出<ω/ωn>2=0.042或<ω/ωn>2=0.96〔舍去所以ω/ωn=0.205或0.205〔舍去=0.205n則fH=0.205f0=0.205×30=6.15<k壓電式加速度傳感器下限截止頻率取決于前置放大器特性,對電壓放大器,其幅頻特性由題意得〔取等號計算<>2=0.9604+0.9604<>2<>2=24.25=4.924ω=4.924/τfL=ω/2π=4.924/<2>=4.924/<2RC>=4.924/<2×5×108×109>=1.57<Hz>其誤差在2%以內(nèi)的頻率范圍為：1.57Hz~6.15kHz7、石英晶體壓電式傳感器,面積為100mm2,厚度為1mm,固定在兩金屬板之間,用來測量通過晶體兩面力的變化。材料的彈性模量為9×1010Pa,電荷靈敏度為2pC／N,相對介電常數(shù)是5.1,材料相對兩面間電阻是1014Ω。一個20pF的電容和一個100MΩ的電阻與極板并聯(lián)。若所加力F=0.01sin<1000t>N,求：<1>兩極板間電壓峰—峰值；<2>晶體厚度的最大變化。解：〔1石英壓電晶片的電容=4.514×10-12<F>≈4.5pF由于Ra=1014Ω,并聯(lián)電容R并=100MΩ=108Ω則總電阻R=Ra//R并=1014//108≈108Ω總電容C=Ca//C并=4.5+20=24.5<pF>又因F=0.01sin<1000t>N=Fmsin<ωt>Nkq=2pC/N則電荷Q=d11F=kqQm=d11Fm=kqFm=2pC/N×0.01N=0.02pC所以=0.756×103<V>=0.756mV峰—峰值：Uim-im=2Uim=2×0.756=1.512mV〔2應(yīng)變εm=Fm/SE=0.01/<100×106×9×1010>=1.11×109=Δdm/dΔdm=dm=1×1.11×109<mm>=1.11×109厚度最大變化量〔即厚度變化的峰—峰值Δd=2Δdm=2×1.11×109=2.22×109<mm>=2.22×10128、為什么壓電式傳感器不能用于靜態(tài)測量,只能用于動態(tài)測量中？用石英晶體加速度計及電荷放大器測量機器的振動,已知：加速度計靈敏度為5pC/g,電荷放大器靈敏度為50mV/pC,當機器達到最大加速度值時相應(yīng)的輸出電壓幅值為2V,試求該機器的振動加速度。<g為重力加速度>解：由題意知,振動測量系統(tǒng)〔壓電式加速度計加上電荷放大器的總靈敏度K=Kq?Ku=5pC/g×50mV/pC=250mV/g=Uo/a式中,Uo為輸出電壓；a為振動系統(tǒng)的加速度。則當輸出電壓Uo=2V時,振動加速度為a=Uo/K=2×103/250=8<g>5-8用壓電式傳感器測量最低頻率為1Hz的振動,要求在1Hz時靈敏度下降不超過5％。若測量回路的總電容為500pF,求所用電壓前置放大器的輸入電阻應(yīng)為多大?解：由題意知,對于電荷放大器,動態(tài)響應(yīng)幅值誤差為,〔取等號計算<ω/ωn>2=0.9025+0.9025<ω/ωn>2ω/ωn=3.04τ=1/ωn=3.04/ω=3.04/<2π×1>=0.484<s>=RC所以R=τ/C=0.484/<500×1012>=9.68×108=968M9、已知壓電式加速度傳感器的阻尼比ζ=0.1,其無阻尼固有頻率f0=32kHz,若要求傳感器的輸出幅值誤差在5％以內(nèi),試確定傳感器的最高響應(yīng)頻率。解：由加速度傳感器的頻率特性知,動態(tài)響應(yīng)幅值誤差為〔取等號<ω/ωn>4﹣1.96<ω/ωn>2+0.093=0解出<ω/ωn>2=0.0485或<ω/ωn>2=1.912〔舍去則ω/ωn≈0.22ωH=0.22ωn則fH=0.22f0=0.22×10、某壓電式壓力傳感器的靈敏度為80pC/Pa,如果它的電容量為1nF,試確定傳感器在輸入壓力為1.4Pa時的輸出電壓。解：當傳感器受壓力1.4Pa時,所產(chǎn)生的電荷Q=80pC/Pa×1.4Pa=112pC輸出電壓為Ua=Q/Ca=112×1012/<1×109>=0.112<V>11、一只測力環(huán)在全量程范圍內(nèi)具有靈敏度3.9pC/N,它與一臺靈敏度為10mV/pC的電荷放大器連接,在三次試驗中測得以下電壓值：<1>—100mV；<2>10V；<3>—75V。試確定三次試驗中的被測力的大小及性質(zhì)。解：測力環(huán)總靈敏度K=3.9pC/N×10mV/pC=39mV/N=U0/F式中,U0為輸出電壓,F為被測力,所以F1=U01/K=﹣100mV/39mV/N=﹣2.56N<壓力>F2=U02/K=10×103mV/39mV/N=256N<拉力>F3=U03/K=﹣75×103mV/39mV/N=﹣1923N<壓力>12、某壓電式壓力傳感器為兩片石英晶片并聯(lián),每片厚度h=0.2mm,圓片半徑r=1cm,εr=4.5,X切型d11=2.31X10-12C/N。當0.1MPa壓力垂直作用于PX平面時,求傳感器輸出電荷Q和電極間電壓Ua解：當兩片石英晶片并聯(lián)時,所產(chǎn)生電荷Q并=2Q=2?d11F=2?d11?πr=2×2.31×1012×0.1×106×π×<1×102>2=145×1012<C>=145pC總電容C并=2C=20rS/h=20rr2/h=2×8.85×1012×4.5××<1×102>2/0.2103=125.1×1012<F>=125.1pF電極間電壓為U并=Q并/C并=145/125.1=1.16V第6、10章磁電式傳感器〔磁敏傳感器一、選擇、填空題1、用磁電式傳感器進行齒輪轉(zhuǎn)速測量。已知齒數(shù)Z=48,測得頻率F=120Hz,則該齒輪的轉(zhuǎn)速為____150r/min______。2、二、計算分析題1、簡述變磁通式和恒磁通式磁電傳感器的工作原理。2、磁電式傳感器的誤差及其補償方法是什么？3、簡述霍爾效應(yīng)及霍爾傳感器的應(yīng)用場合4、霍爾元件能夠測量哪些物理參數(shù)?霍爾元件的不等位電勢的概念是什么,溫度補償?shù)姆椒ㄓ心膸追N5、某動圈式速度傳感器彈簧系統(tǒng)的剛度k=3200N／m,測得其固有頻率為20Hz,今欲將其固有頻率減小為10Hz,問彈簧剛度應(yīng)為多大?解：f0=20Hz,k=3200N/m時,f0′=10Hz時,由則6、已知恒磁通磁電式速度傳感器的固有頻率為10Hz,質(zhì)量塊重2.08N,氣隙磁感應(yīng)強度為1T,單匝線圈長度為4mm,線圈總匝數(shù)1500匝,試求彈簧剛度k值和電壓靈敏度Ku值<mV/<m/s>>。解：由,則k=ω2m=<2f>2m=<2×10>=8.38×102<N/m>Ku=e/v=NB0l0v/v=NB0=1500×1×4×103=6V/<m/s>=6000mv/<m/s>7、某磁電式傳感器要求在最大允許幅值誤差2％以下工作,若其相對阻尼系數(shù)ξ=0.6,試求ω/ωn的范圍。解：由磁電勢傳感器的幅頻特性得其幅值動態(tài)誤差為取其等號計算解得<ω/ωn>2=12.354,或<ω/ωn>2=2.067ω/ωn=3.515,或ω/ωn=1.438〔舍去最大幅值誤差小于2%時,其頻率范圍ω/ωn≥3.5158、某霍爾元件l×b×d=10×3.5×1mm3,沿l方向通以電流I=1.0mA,在垂直于lb面方向加有均勻磁場B=0.3T,傳感器的靈敏度系數(shù)為22V/A·T,試求其輸出霍爾電勢及載流子濃度。解：由KH=1/ned,得〔1n=1/<KHed>=1/<22×1.61019×1×10-3>=2.84×1020/m3〔2輸出霍爾電壓UH=KHIB=22V/A?T×1.0mA×0.3T=6.6×103V=6.6mV9、若一個霍爾器件的KH=4mV/mA·kGs,控制電流I=3mA,將它置于1Gs~5kGs變化的磁場中<設(shè)磁場與霍爾器件平面垂直>,它的輸出霍爾電勢范圍多大?并設(shè)計一個20倍的比例放大器放大該霍爾電勢。解：UH1=KHIB1=4mV/Ma?kGs×3mA×1Gs=12μVUH2=KHIB2=4mV/Ma?kGs×3mA×5kGs=60mV設(shè)計放大倍數(shù)A=20的比例放大器,略10、有一霍爾元件,其靈敏度KH=1.2mV/mA·kGs,把它放在一個梯度為5kGs/mm的磁場中,如果額定控制電流是20mA,設(shè)霍爾元件在平衡點附近作±0.1mm的擺動,問輸出電壓范圍為多少?解：對于梯度為5kGs/mm的磁場,當霍爾元件在平衡點附近作±0.1mm的擺動時,其磁場的變化ΔB=±5kGs/mm×0.1mm=±0.5kGs則霍爾元件輸出電壓的變化范圍為ΔUH=KHI?ΔB=1.2mV/mA?kGs×20mA×<±0.5kGs>=±12mV11、試用霍爾傳感器設(shè)計磁平衡式測量電流的電路,給出電路圖,試分析其工作原理,給出被測電流I1的表達式。12、什么是霍爾效應(yīng)？霍爾電動勢產(chǎn)生的原因？霍爾電動勢的大小、方向與哪些因素有關(guān)？第7章熱電式傳感器一、填空題1、熱電偶在實際中測量溫度時,需要幾個定律來提供理論上的依據(jù),這些定律分別是：____勻質(zhì)導(dǎo)體定律__,___中間導(dǎo)體定律___,____連接導(dǎo)體定律___。2、熱電偶傳感器的工作基礎(chǔ)是__閉合回路________,產(chǎn)生的熱電勢包括_____接觸_____電勢和__溫差___電勢兩部分。熱電偶的連接導(dǎo)體____定律是工業(yè)上運用補償導(dǎo)線法進行溫度補償?shù)睦碚摶A(chǔ)；根據(jù)_中間導(dǎo)體___定律,可允許采用任意的焊接方式來焊接熱電偶。3、熱敏電阻按溫度系數(shù)分為,,三種。4、熱電偶的工作原理是,熱電勢包括和兩種。5、300K時硅對0.7μm光的吸收系數(shù)α為2000cm-1,則平均透入深度為；若對0.8μm光,平均透入深度為10μm,則α=。6、熱輻射溫度計中調(diào)制盤的作用__________________________。選擇:1、熱電偶的冷端處理方法有：〔ABA、補償導(dǎo)線法B、冷端溫度恒溫法C、相敏檢波D、串聯(lián)二極管2、熱電偶中產(chǎn)生熱電勢的條件是〔BCA．兩熱電極材料相同B．兩熱電極材料不同C．兩熱電極的兩端溫度不同D．兩熱電極的兩端溫度相同3、為了減小熱電偶測溫時的測量誤差,需要進行的溫度補償方法不包括〔D。A.補償導(dǎo)線法B.電橋補償法C.冷端恒溫法D.差動放大法4、對于熱電偶冷端溫度不等于<B>,但能保持恒定不變的情況,可采用修正法。A.20℃B.0℃C.10℃D.5℃5、熱電偶中產(chǎn)生熱電勢的條件有〔

B

。A．兩熱電極材料相同B．兩熱電板材料不同C．兩熱電極的幾何尺寸不同D．兩熱電極的兩端點溫度相同6、對集成溫度傳感器,下列敘述不正確的是〔A輸出線性好B測量精度高C測量溫度高D滿量程非線性偏離小二、計算分析題1、熱電偶結(jié)構(gòu)由哪幾部分組成？2、用熱電偶測溫時為什么要進行冷端溫度補償？其冷端溫度補償?shù)姆椒ㄓ心膸追N？3、熱電阻溫度計有哪些主要優(yōu)點？4、已知銅熱電阻—Cul00的百度電阻比W<100>=1.42,當用此熱電阻測量50℃溫度時,其電阻值為多少?若測溫時的電阻值為92Ω,則被測溫度是多少解：由W〔100=R100/R0=1.42,則其靈敏度為則溫度為50℃R50=R0+K×50=100+0.42×50=121<>當Rt=92時,由Rt=R0+Kt,得t=<Rt﹣R0>/K=<92﹣100>/0.42=﹣19<℃>5、將一靈敏度為0.08mV/℃的熱電偶與電位計相連接測量其熱電勢,電位計接線端是30℃,若電位計上讀數(shù)是60mV,熱電偶的熱端溫度是多少解：6、參考電極定律有何實際意義?已知在某特定條件下材料A與鉑配對的熱電勢為13.967mV,材料B與鉑配對的熱電勢是8.345mV,求出在此特定條件下,材料A與材料B配對后的熱電勢。解：由標準電極定律E<T,T0>=EA鉑<T,T0>﹣EB鉑<T,T0>=13.967﹣8.345=5.622<mV>7、鎳鉻—鎳硅熱電偶靈敏度為0.04mV/℃,把它放在溫度為1200℃處,若以指示儀表作為冷端,此處溫度為50解：E<1200,50>=<120050>×0.04=46<mV>8、熱電偶溫度傳感器的輸入電路如習(xí)題圖7-20所示,已知鉑銠—鉑熱電偶在溫度0~100℃之間變化時,其平均熱電勢波動為6μV/℃,橋路中供橋電壓為4V,三個錳銅電阻<Rl、R2、R3>的阻值均為1Ω,銅電阻的電阻溫度系數(shù)為α=0.004/℃,已知當溫度為0℃時電橋平衡,為了使熱電偶的冷端溫度在0~50℃范圍其熱電勢得到完全補償,試求可調(diào)電阻的阻值只R解：熱電偶冷端補償電勢E<t,0>=kt,式中,k為熱電偶靈敏度<k=6V/℃>,而補償電橋輸出電壓〔見習(xí)題圖7-20冷端補償時有=6mV根據(jù)電橋電路,其等效電路為R1、Rcu和R2、R3分別串聯(lián)后再并聯(lián),然后與電源、R串聯(lián),橋臂電阻串并聯(lián)后為1Ω,由此可得1×Ui=1E/<R+1>所以R=E/Ui/