传感器传感器考试题.docx

习题二一、填空：1、传感器的根本用途可归结为：1）生产工程的测量与限制；2）环境监测与保护；（3） 交通运输与资源探测：（4）医疗卫生和家用电器.2、在过程工业中，需要经常检测的“四大参数为湿度、压力、流量和液面.此外还包括 密 度、粘度等参数.与“四大参数相比，这些参数的检测和限制更困难.3、压力传感器中按原理主要有如下几种：电容式、电感式、电阻应变片式、压阻半导体式、 压电式等传感器.其中电容式压力传感器灵敏度高、稳定性好,可以测量从声压到几十兆帕的 压力.4、声即声音,通常指人耳能感觉到的空气振动.广义而言，声音是各种弹性介质中的机械 波, 包括人耳不能感知的振动.介质可以是各种气体、液体和固体.5、超声具有方向性好、穿透力强、在液体、固体中衰减很小、能量易于集中等优点,因此超 声可用于工业检测、探伤、测距、测速、清洗、焊接、医学成像诊断、碎石等.在工业、 农 业、国防、医药卫生和科学研究等方面得到广泛的应用.6、光是由粒子即光子所组成,这种粒子具有一定的质量、能量和动量.因此,光既具有波动的 本性，又具有粒子性.7、光电效应分为内光电效应和外光电效应.8、光敏三极管有PNP型和NPN型两种.光敏三极管的结构与一般三极管很相似，只是它的 发 射极一边做得很大，以扩大光的照射面积,并且其基极通常不连接引线.9、工程上把红外线所占据的波段分为四局部：近红外、中红外、沅红外和极沅红外.10、工业上,常采用冷端自动补偿法,也就是电桥补偿法.这种补偿方法是在热电偶和测量 仪 表间接入一个不平衡电桥,也称为冷端温度补偿器.二、判断：1、人耳能听到的声音的频率范围一般为20Hz20kHz,称为可听声.频率高于20kHz的声称 为 超声.（J）2、微波以波的形式向四周辐射，当波长远小于物体尺寸时，微波具有似光性；当波长和物 体 尺寸有相同数量级时，微波又有近于声学的特性.（J）3、微波在空间传播的形式实质上是交变电流，它由一定能量的、不连续的“能量子所组成.（X）4、发射微波信号时，先由波导管将微波振荡器产生的振荡信号传输到天线，再通过天线向 外 发射.为了使发射的微波具有锋利的方向性,天线需要具有特殊的结构.如喇叭形天线、抛物 面天线、介质天线与隙缝天线等.（J）5、开关型集成霍尔传感器是利用霍尔效应与集成电路技术结合而制成的一种光敏传感器. （X）.6、霍尔式压力传感器就是一种将非电量转换成位移量的传感器.J）(R +NRR11aH4 1.2 “八，那么.U = 22 4E = -E-2- = - -.V =-0. 02V那么：oiH + HH + R)2 R2 120,1234 7Q的康铜丝应变片粘贴在10#优质碳素钢杆外表,轴向受力,该试件的直径为10 mm,碳素钢的弹性模量E= 200x109Pa,由应变片组成一个单臂应变电桥,设应变片允许通过的最大电流为30mA,求当碳素钢杆受到100N的力时电桥最大可能的输出开路电压.答：A：截面积；E：弹性模量；F：受力；8 :轴向应变；K：应变片灵敏系数；瓦电桥电 源电压；A =兀尺2= 3.14x 0.0052= 7.85 x 105帆2(1)求截面积：2)求轴向应变,P55,轴向应变与受力F、截面积A、弹性模量E之间的关系 是：=6.37 x 10 -6F_100AE 7.85 x 10-5 x 200 x109(3)求电源电压：E°=二7.2V 注：每一臂的电阻是2R(4求允许的电阻变化量AR： K 查表 3-1 得 K=2依据公式竺二砥得到：AR = 120*2*6.37*10-6= 1.5288xlO-3Q RR+AR1 求输出电压:uo=(-)施ax=2. 29x10-5 P2aAR 255题55图为电容式传感器的双T电路测量电路，勺=R = R=40 kQ, Rl =20 kO, e =10的值.其电路工作原理如下：当B为正半周时，二极管VD1导通、VD2截止，于是电容C1充电,其等效电路如图b)所示；在随后负个半周出现时，电容C13 31 一上的电荷通过电阻R1,负载电阻RL放电，切V/=l MHz, C=10 pF, C=10 pF, aC=1 pF.求 U的值.其电路工作原理如下：当B为正半周时，二极管VD1导通、VD2截止，于是电容C1充电,其等效电路如图b)所示；在随后负个半周出现时，电容C13 31 一上的电荷通过电阻R1,负载电阻RL放电，切V/=l MHz, C=10 pF, C=10 pF, aC=1 pF.求 U题5-5图乙的表达式及对应上述参数的U ,口 I*'nw(0 +) = 0"（8）二 一1一Ulr + rtO= (/? + RH Rl) CotO= (/? + RH Rl) CoR葭 uV lU (1-e to)当e为负半周时,VD2导通、VD1截止，那么电容CO充电，其等效电路如图c所示；在 随后出现正半周时,CO通过电阻R2,负载电阻RL放电,流过RL的电流为12.tU0 + ） = 02冬1-R+RLt0= （R + R / / Rl） CRTu U（1 e 丁）LR + RL根据上面所给的条件，当传感器没有输入时,Cl=co,那么电流11=12,且方向相反,在一个 周期内流过RL的平均电流为零.假设传感器输入不为0,那么C1WCO/1/12,此时在一个周期内通过R£上的平均电流不为 零，因此产生输出电压,输出电压在一个周期内平均值为：U = J_f" （t） dtoT OL-TitR42L_IToR + R U（7 -aiTo） dt - J 丁里 U （1。一 寸）dtTtR + Rl1 R Ttt=lU 2（e_Ti- e -t o）dtTR + Ro1RxU(Jl -T 0)TR + RLxUfL R + R/R (C1 - CO)R + RlLR(R + 2RK xURUf(ClCO)(R+R)2>LR/= R 2 = R = 40 kQ, Rl=20 kCb e =10 /, f=1 MHz, Co =10 pF, q=10 pF, Aq=l pF1T/、=IR=_jrI(t)J (t)dtRllTo nL40103)文榻空忐+纺（2义20义103 X10X 106G1-10）X 10.12XX 20 X103)27-7试证实霍尔式位移传感器的输出电压UH与位 移A x成正比关系.答：图a,b证实略.重点证实一以下图c所示的霍尔位移传感器输出电压Uh与位移A x的关系.设霍尔元件长为L宽为b.设极靴面积为So （长为lo,宽为b）设极靴间磁感应强度为Bo因有当霍尔元件位于中间时，U - Bq-KJ . =_BS设5方向向上为正）Iruoo所以力A/ = 3oSo-瓦S ° ：0即此时二0所以U当霍尔元件左移Ax时：,=85 = 8/? 力R=_BoS = Bo （lo- 所以.二.+.二 BAxb6）b同时，对于霍尔元件整体而言，有定义式：.=85 = 4必2由式1和式2相等,可求出B = 3,带入公式,可得IB BAxKIU 二-Oh即：输出电压Uh与位移Ax成正比关系.注：以上证实仅适用于霍尔元件边缘与极靴边缘相切的情况.8.7光纤数值孔径NA的物理意义是什么？对NA取值大小有什么要求？答: 数值孔径NA）定义为na = sin 90数值孔径是表征光纤集光本领的一个重要参数，即反映光纤接收光量的多少.其意义是：无论光 源发射功率有多大,只有入射角处于2%的光椎角内，光纤才能导光.光纤的NA越大,说明它的集光水平越强,一般希望有大的数值孔径,这有利于提升耦合 效率； 但数值孔径过大,会造成光信号畸变.所以要适中选择数值孔径的数值，如石英光纤 数值孔径一般 为0.2048-8当光纤的ni 146,4_145,如光纤外部介质的m1,求光在光纤内产生全反射时入射光的最大入射角c的值.NA u ： c 答：数值孔径=siri9=-4r>2. n2cn2on =1.462=1.45 = 1带入公式得sm1.：得最大入射角9c9 =(1.462-1.452= 0.17=9.822。九、热电偶传感器C的热电偶与电压表相连接，电压表接线端是50,假设电位计上读数为60mV,热电偶的热 端温度是多少？解：冷端温度为50,等效热电势：*50=4niV； mV/=80015-8用两只K型热电偶测量两点温差,其连接线路如图.tl=420, t0=30,测得两点的温差电势为15. 24mV,试问两点的温差是多少.后 来 发现出温度下的那支热电偶错用E型热电偶,其它都正确,试求两点实际 温差.问题1解:力)=£(",30+E (30,0) -E (30,0) -E ( 72, 30) =15. 24m K 即:凰8 (T, 3 潢 C) -Eb G, 30)二 15.24mV（注：由于是同一种材料，所以冷端热电动势抵消.）查 K 型热电偶分度表 224 页 15-5 表，得：Eab(420, 0, Eab(3O, 0) =mV所以：E(T, 30)二 17.241-1.203=16.038mV所以：E, 30) = 16.038-15.24=0.798mV所以：E (72, a) =E (72, 30) +E (30,0) =0.798 + 1.203=2. 001mK查表15-5,得：T2= 40s50 （可以采用插值法精确计算二） 温差为：420-'问题2解：+Eaa,(T)= Eab (T, To) + Eab (Toft) - Eab (To,O) - Eab (T, o) -Eab (Tfl) - Eas O)=15.24mV查E型热电偶分度表224页15-6表，得：EAB（420, 0） =30.546mV那么：£(7,0)=30.546-15.24=15.306m VA'B'查表15-5,得：T2 = 370-380 (可以采用插值法精确计算二) 温差为：420-= 68用石英晶体加速度计测量机器的振动.加速度灵敏度为2.5pC/g（g=9.8mg、s2）,点和放大器灵敏度为80mV/pC,当机器到达最大加速度时,响应的输出幅值电压为4%试计算机器的振 动加速度.假设所求的机器振动加速度为a电荷放大器灵敏度Qf=80mV/pC机器到达最大加速度时，相应的输出幅值电压Umax=4V 那么：当机器到达最大加速度时，产生的电荷量为U max4VQ皿二0，= 80 mv / pc =50pc相应的机器振动加速度a二口的二钩_泰=196m/s2Af2.5 pc / g即所求的机器振动加速度为196m/s210-5超声波探头垂直安装在被测介质底部,超声波在被测介质中的传播速度为1460m / L测得时间间隔为28四，试求物位高度.答：由 Vc - 1460/72 / s t - 28us 1460*28*10-6那么物位高度h= 20.44mm+1、解释多普勒效应.多普勒超声波流量计的发射波频率为5MHz，传感器角度为600,液体中声速为1500m/S,多普勒频移为6KHz.求流体流速v.解：在声源和接受器之间存在相对运动的情况下,所接受到的声信号频率与声源频率有差异, 即：多普勒效应.,2ucos 9cl 500于穴 fv - f - 6 x= 1.8 m / sJ -Cj2/cos92x 5000x0.57、所谓光电效应是指在光的照射下一些金属、金属氧化物或半导体材料释放电子的现象.(v)o8、光的波长越短，即频率越低，其光子的能量也越大；反之,光的波长越长，其光子的能量也 就越大(X).9、红外传感器是用来检测物体红外辐射的敏感器件.所谓红外辐射就是红外光，红外光是 太 阳光谱的一局部,其波长范围为0. 76-10000um. (X)10、假设把两个热电极的一个端点焊接在一起组成热端，就构成了热电偶.(J)三、简做题：1、简述传感器测试电路根本组成?较 口 3、简述过程工业限制用传感器的要求？答：过程工业限制用传感器的要求有三点.(1)智能化.(2)高可靠性和稳定性.高精度和优异的动态特性.4、简述超声波探伤仪.答：超声波探伤仪,采用超声波原理可对金属及非金属材料与缺陷特征值进行检测，例如可 检测钢板中存在的缺陷，可对焊缝、锻件、铸件、复合材料进行探伤.超声波探伤是无损检 测技术的重要组成局部.以超声波原理制成的探伤仪器称为超声波探伤仪.超声波探伤仪种类繁多,而其中的脉冲波探伤仪是最常用的一种,其根本工作原理为：探 伤仪向被测试件发射脉冲波，由被测试件底部反射回来的声波与在被测试件中遇到缺陷所反 射回来的声波的幅度是有区别的，根据反射回来的声波来判断缺陷状况.5、微波的特点？答：1)、微波的频率较高，传播指向性强;（2）、微波的波长短，因此遇到各种障碍物容易被反射；（3）、微波的穿透力较强,不易受环境因素影响，例如烟雾、灰尘、强光等；（4）、介质对微波的吸收作用与介质的介电常数有关，其中水对微波的吸收作用最强.四、问做题:1、传感器选用的根本原那么是什么？答：传感器选用的根本原那么可以总结为两点.（1）与测量条件有关的因素.二）测量的目的；2）测试对象的选择；3）测量范围；（4）输入信号的幅值5）频带宽度;6）精度要求;二7）环境条件（湿度、温度、振动等）（2）与传感器有关的技术指标."D传感器的类型2）灵敏度、J3输入信号的幅值4）频带宽度5）精度；<6价格以上是有关选择传感器时主要考虑的因素.此外传感器的安装方法也是实际使用中常常 需要考虑的问题之一.总之,如何正确合理的选用传感器,是传感器应用之前必须要认真分 析 和重点关注的问题之一.2、工业应用中怎样实现传感器信号的远距离传输？答：工业自动化中，信号常常需要远距离传输，而直接传送电压信号，由于传输线越长，电阻越 大,因此远距离时，传送的信号容易被衰减.从而导致接收端测得的信号不准确,此外 长距离 传送电压信号,在传输线上必然引入干扰,这种干扰往往使后级电路不能正常工作.因此，信 号的远距离传输是传感器在工业自动化应用中必需关注的问题之一.目前的解决途 径有两种 方法.（1）选用电流输出型传感器（适用于功耗较大的敏感元件）；如图1所示.采用高精度电流输出型模块，将电压信号转换成4s20mA电流信号输出（见图2）.图1 标准420mA两线制传感器的应用1536V电源 远距离传送-5Vx号换块 信转模测电流图2信号转换模块的应用两线制传感器既可采集电流信号、亦可采集电压信号.不管传输线长短.在负载电阻（一 般取300Q）上，测得的信号电压不会随传输线长度的改变而变化.对于已经采用电压输出 信 号的传感器,为了保证信号的远距离传输不受衰减和干扰,可以选用高精度转换模块,将 电压 输出改为电流输出后再进行远距离传输.五、计算题:温度传感器对某温度进行12次等精度测量，测量数据（）如下要求对该组数据进行分析整理,并写出最后结果.解：1）记录填表将测量数据xi （i=l、2、312）按测量序号依次列在表格中.序号Jfi口PF120 43-0 03O.00092之口 52口 口 3oOOO33ZO. 500 01o.OOOl420. 52口 口 3口. 口口口口520 -48一口 口 10 0001&ZO. 4T-O.OZ0. 0004T20 50口 口 1o, U0LH820 49 3如一 47-0.020. 00041O20 490011Z0. 510.020. 00041220. 510.020. 0004天 Z0.49£> = 0,004 J-11524>4 =44. 80 x IO" j-12）计算求出测量数据列的算术平均值.x = '2x = £2x = -1 x245. 92 比 20. 49Z-1P1计算各测量值的剩余误差pi二一 “当计算无误时,理论上有22人但ri 实际上，由于计算过程中四舍五入所引入的误差,此关系式往往不能满足.此题中./p = 0. 004 氏 0 i-1计算标准误差.Wp2.由于2 2 = 44.68x 104于是.=1山一右0. 02 尸， -hill判别坏值此题采用拉依达准那么检查坏值，因所有测量值的剩余误差均满足,显然数据中无坏值.（4）写出测 量结果b=£oO6弋n所以，迦量绡果可表示为x 二元 + 灯二20.49+ 0.018 （）.24某压力传感器测试数据如表21所示，计算非线性误差、迟滞、重复性误差.表21答：拟合曲线的两个端点取两个最远点:900,-2.73)与(0.10, 14.47)压力 /MPa输出值/mV第一循环第二循环第三循环正行程反行程正行程反行程正行程反行程14.466采用拟合直线法那么方程式为：梏二次涮试取平均佰计曾徨压力/MPa输出值/mV拟合曲线 值偏差值平均值正行程反行程正行程反行程0.00-2.73-0.02-0.040.020.710.110.030.044.150.160.067.590.160.0811.030.130.0714.470.020.02计算非线性误差：y=± jnaxX 100% = ±£X 100% =±0.93%,lH4.47 + 2.73)计算迟滞:压力/MPa输出值/mV偏差值平均值正行程反行程0.00-2.71-2.690.010.020.600.680.070.043.994.090.090.067.437.510.090.0810.9010.960.050.1014.4514.450.00V 二 A“max X 100% =隗'-X 100% X 0.52% “K14.47 + 2.73(r+i工 E 芹询il奥rHi在PFH 右忐 W 二匚l、l ETw M 4二1口占八五%/古名 7c 41口/古1计算重复性误差:压力 /MPa输出值/mV偏差 值输出值/mV偏差值第一循环第二循环第三循环第一循环第二循环第三循环正行程正行程正行程反行程反行程反行程0.00-2.73-2.71-2.68-0.05-2.71-2.68-2.69-0. 030.020.560.610.64-0.080.660.680.69-0. 030.043.963.994.03-0.074.064.094.11-0. 050.067.407.437.45-0.057.497.537.52-0. 040.0810.8810.8910.94-0.0610.9510.9310.99-0. 060.1014.4214.4714.46-0.0514.4214.476-0. 05AR008Y= ± _mMX 100%= ±x 100%= ±0.47% lT14.47 + 2.73FS3-5,图示为一直流应变电桥.图中E=4V, R1=R2 =R3=R4=120Q,试求：（1） R为金属应变片,其余为外接电阻.当R的增量为AR1时，电桥输出电压Uo=?（2）R , R2都是应变片,且批号相同,感应应变的极性和大小都相同,其余为外接电阻,电桥输 出电压Uo =?（3）题（2）中，如果R2与R1感受应变的极性相反，且，电桥输出电压U产？答：如题3-5图所示图3-5EAR4 1.2-1.x一0.01VR4 190由于Ri R2均为应变片,且批号相同,所受应变大小和方向均相同，那么Ri=R/R, R1=AR2=ARR +A&(7? +A7? ) + (R +NR ) R + R12( R +AB A+ 72 J 12 240J根据题意设RFR+ARi R2=R-AR2R-AR22-(R +AR ) + (R -AR ) R + R