传感器习题答案.docx

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1、第一章 思索题及习题1、什么是传感器的静态特性？它有哪些性能指标？ 答：输入量为常量或变更很慢状况下，输出及输入两者之间的关系称为传感器的静态特性。它的性能指标有：线性度、迟滞、重复性、灵敏度及灵敏度误差、区分率及阈值、稳定性、温度稳定性、抗干扰稳定性和静态误差静态测量不确定性或精度。2、传感器动特性取决于什么因素？ 答：传感器动特性取决于传感器的组成环节和输入量，对于不同的组成环节接触环节、模拟环节、数字环节等和不同形式的输入量正弦、阶跃、脉冲等其动特性和性能指标不同。3、某传感器给定相对误差为2，满度值输出为50，求可能出现的最大误差以计。当传感器运用在满刻度的1/2和1/8时计算可能产生

2、的百分误差。并由此说明运用传感器选择适当量程的重要性。：, ；求：？解： ； 假设: 那么: 假设: 那么: 由此说明,在测量时一般被测量接近量程(一般为量程的2/3以上),测得的值误差小一些。4、有一个传感器，其微分方程为，其中y为输出电压，x为输入温度0C，试求该传感器的时间常数和静态灵敏度k。：；求：=？，解：将化为标准方程式为： 及一阶传感器的标准方程： 比较有： 5、某二阶系统传感器的自振频率f0=20,阻尼比=0.1，假设要求传感器的输出幅值误差小于3%，试确定该传感器的工作频率范围。：f0=20, =0.1。求：时的工作频率范围。解：二阶传感器频率特性(p14-130式) 式中：

3、那么有：由1式：由2式： 即：取：那么有：第二章 思索题及习题1、何为金属的电阻应变效应？怎样利用这种效应制成应变片？ 答：1当金属丝在外力作用下发朝气械变形时，其电阻值将发生变更，这种现象称为金属的电阻应变效应。2应变片是利用金属的电阻应变效应，将金属丝绕成栅形，称为敏感栅。并将其粘贴在绝缘基片上制成。把金属丝绕成栅形相当于多段金属丝的串联是为增大应变片电阻，进步灵敏度，2、什么是应变片的灵敏系数？它及电阻丝的灵敏系数有何不同？为什么？ 答：1应变片的灵敏系数是指应变片安装于试件外表，在其轴线方向的单向应力作用下，应变片的阻值相对变更及试件外表上安装应变片区域的轴向应变之比。 2试验说明，电

4、阻应变片的灵敏系数恒小于电阻丝的灵敏系数其缘由除了粘贴层传递变形失真外，还存在有恒向效应。3、对于箔式应变片，为什么增加两端各电阻条的截面积便能减小横向灵敏度？ 答：对于箔式应变片，增加两端圆弧部分尺寸较栅丝尺寸大得多圆弧部分截面积大，其电阻值较小，因此电阻变更量也较小。所以其横向灵敏度便减小。4、用应变片测量时，为什么必需承受温度补偿措施？ 答：用应变片测量时，由于环境温度变更所引起的电阻变更及试件应变所造成的电阻变更几乎有一样的数量级，从而产生很大的测量误差，所以必需承受温度补偿措施。5、一应变片的电阻 120， 2.05。用作应变为800的传感元件。 求R和；假设电源电压3V，求初始平衡

5、时惠斯登电桥的输出电压U0。：120， 2.05，=800； 求：？，？3V时，U0=？解： 解：初始时电桥平衡等臂电桥 6、在材料为钢的实心圆柱形试件上，沿轴线和圆周方向各贴一片电阻为120的金属应变片R1和R2，把这两应变片接入差动电桥参看图2-9a。假设钢的泊松系数=0.285，应变片的灵敏系数2，电桥电源电压2V，当试件受轴向拉伸时，测得应变片R1的电阻变更值,试求电桥的输出电压U0。 图2-9a 差动电桥：R1= R2=120，=0.285，2，2V，R1 ，R1 / R1 求：U0=？解： 又 设：R1234，对电桥假设四臂电阻都变其输出为： 那么有：此题： 7、金属应变片及半导体

6、应变片在工作原理上有何不同？ 答：金属应变片的工作原理是：金属应变片在外力的作用下，应变片的几何尺寸长度和截面积发生变更机械形变而引起应变片的电阻变更，运用它们的对应关系实现测量目的。其灵敏系数k1+2主要是材料几何尺寸变更引起的。半导体应变片的工作原理是：半导体应变片受到作用力后，应变片的电阻率发生变更，而引起应变片的电阻值变更。其灵敏系数/主要是半导体材料的电阻率随应变变更引起的。第三章 思索题及习题1、何谓电感式传感器？它是基于什么原理进展检测的？ 答：电感式传感器是利用电磁感应原理将被测量转换成线圈自感量或互感量的变换，再由测量电路转换为电压或电流的变更量输出的一种装置。它是基于电磁感

7、应原理进展检测的。2、减小零残电压的有效措施有哪些？ 答：1尽量使两个线圈对称 设计时应使上下磁路对称，制造时应使上下磁性材料特性一样，磁筒、磁盖、磁芯要配套选择，线圈排列要匀整，松紧要一样，最好每层的匝数都相等。2减小磁化曲线的非线性 由于磁化曲线的非线性产生零残电压的高次谐波成分，所以选用磁化曲线为线性的磁芯材料或调整工作点，使磁化过程在磁化曲线的线性区。3使振荡变压器二次侧对称，两个二次电压的相位一样。在一次侧线圈上并联一个电容，并调整电容大小使两个二次电压的相位一样。3、涡流式传感器有何特点它有哪些应用： 答：涡流式传感器的特点是构造简洁，易于进展非接触的连续测量，灵敏度较高，适应性强

8、。它的应用有四个方面：1利用位移为变换量，可做成测量位移、厚度、振幅、振摆、转速等传感器，也可做成接近开关、计数器等；2利用材料的电阻率作为变换量，可做成测量温度、材质判别等传感器；3利用磁导率作为变换量，可做成测量应力、硬度等传感器；4利用三个变换量的综合影响，可做成探伤装置。4、试比较涡流传感器的几种应用电路的优缺点？ 答：沟通电桥电路：线性好、温度稳定性高，但存在零点剩余电压问题及测量范围较小；谐振电路：电路简洁，灵敏度高，但线性度差及范围更小；正反响电路：测量范围较大，是电桥的2至3倍，但电路困难。5、有一4极感应感应同步器，设5、=150、=0.15、6.5、N12=900匝，励磁电

9、流I1=35、400,试求：输出信号的灵敏度k= 励磁电压 解： 第四章 思索题及习题1、如何改善单组式变极距型电容传感器的非线性？ m至零点几毫米，而且最大应小于极板间距的1/51/10。2承受差动式，理论分析说明，差动式电容传感器的非线性得到很大改善，灵敏度也进步一倍。2、 单组式变面积型平板形线位移电容传感器，两极板相对覆盖部分的宽度为4，两极板的间隙为0.5，极板间介质为空气，试求其静态灵敏度？假设两极板相对挪动2，求其电容变更量。答案为0.07,0.142：4，=0.5，01012 求：1；(2)假设2时 。解：如下图 ； ； 3、画出并说明电容传感器的等效电路及其高频和低频时的等效

10、电路。答：电容传感器的等效电路为：其中：r：串联电阻引线、焊接点、板极等的等效电阻；L：分布电感引线、焊接点、板极构造产生的；：引线电容引线、焊接点、测量电路等形成的总寄生电容C0：传感器本身电容；：漏电阻极板间介质漏电损耗极板及外界的漏电损耗电阻低频时等效电路和高频时等效电路分别为图a和图(b)： 4、设计电容传感器时主要应考虑哪几方面因素答：电容传感器时主要应考虑四个几方面因素：(1)减小环境温度湿度等变更所产生的影响，保证绝缘材料的绝缘性能；2消退和减小边缘效应；3减小和消退寄生电容的影响；4防止和减小外界干扰。5、何谓“电缆驱动技术？承受它的目的是什么？答：电缆驱动技术，即：传感器及测

11、量电路前置级间的引线为双屏蔽层电缆，其内屏蔽层及信号传输线即电缆芯线通过1 ：1放大器而为等电位，从而消退了芯线及内屏蔽层之间的电容。由于屏蔽线上有随传感器输出信号等大变更的电压，因此称为“驱动电缆。承受“电缆驱动技术的目的是减小或消退寄生电容的影响。6、画出电容式加速度传感器的构造示意图，并说明其工作原理。答：电容式加速度传感器的构造示意图为：其中：1、5为两个固定极板；2为壳体；3为支撑弹簧片；4质量块；A面和B面为固定在质量块上的电容器的极板。当测量垂直方向上直线加速度时，传感器的壳体2固定在被测振动体上，振动体的振动使壳体相对质量块运动，因此及壳体固定在一起的两固定极板1、5相对质量块

12、4运动，致使上固定极板5及质量块4的A面组成的电容器1以及下固定极板及质量块4的B面组成的电容器2随之变更，一个增大，一个减小，它们的差值正比于被测加速度，而实现测量加速度的目的。7、什么是电容式集成传感器？它有何特点？答：运用集成电路工艺把电容敏感元件及测量电路制作在一起构成电容式集成传感器。她的核心部件是一个对被测量敏感的集成电容器。集成电容传感器的特点是：体积小、输出阻抗小、可批量消费、重复性好、灵敏度高、工作温度范围宽、功耗低、寄生电容小等特点。第五章 思索题及习题1、简述磁电感应式传感器的工作原理。磁电感应式传感器有哪几种类型？ 答：磁电感应式传感器是以电磁感应原理为根底的，依据法拉

13、第电磁感应定律可知，N匝线圈在磁场中运动切割磁力线或线圈所在磁场的磁通量变更时，线圈中所产生的感应电动势e的大小取决于穿过线圈的磁通的变更率，即：依据这个原理，可将磁电感应式传感器分为恒定磁通式和变磁通式两类。2、某些磁电式速度传感器中线圈骨架为什么承受铝骨架？ 答：某些磁电式速度传感器中线圈承受铝骨架是因为线圈在磁路系统气隙中运动时，铝骨架中感应产生涡流，形成系统的电磁阻尼力，此阻尼起到衰减固有振动和扩展频率响应范围的作用。3、何谓磁电式速度传感器的线圈磁场效应，如何补偿？ 答：线圈磁场效应是指磁电式速度传感器的线圈中感应电流产生的磁场对恒定磁场作用，而使其变更。如公式知，由于B的变更而产生

14、测量误差。补偿方法通常是承受补偿线圈及工作线圈串接，来抵消线圈中感应电流磁场对恒定磁场的影响。4、为什么磁电感应式传感器在工作频率较高时的灵敏度，会随频率增加而下降？答：由理论推到可得传感器灵敏度及频率关系是：当振动频率低于传感器固有频率时，这种传感器的灵敏度是随振动频率变更；当振动频率远大于固有频率时，传感器的灵敏度根本上不随振动频率而变更，而近似为常数；当振动频率更高时，线圈阻抗增大，传感器灵敏度随振动频率增加而下降。5、变磁通式传感器有哪些优缺点？ 答：变磁通式传感器的优点是对环境条件要求不高，能在150+900C的温度条件下工作，而不影响测量精度，也能在油、水雾、灰尘等条件下工作。缺点

15、主要是它的工作频率下限较高，约为50，上限可达100，所以它只适用于动态量测量，不能测静态量。6、什么是霍尔效应？霍尔式传感器有哪些特点？ 答：金属或半导体薄片置于磁场中，当有电流流过时。在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势，这种物理现象称为霍尔效应。霍尔传感器的特点是构造简洁、体积小、稳固、频率响应宽从直流到微波、动态范围输出电动势的变更范围大、无触点、运用寿命长、牢靠性高、易于微型化和集成化。但它的转换率较低，温度影响大，在要求转换精度较高时必需进展温度补偿。7、某霍尔元件l、b、d0.1，沿l方向通以电流1.0，在垂直于面方向加有匀整磁场0.3T，传感器的灵敏度系数为22T，试求其输出

16、霍尔电动势及载流子浓度。：lb0.1；1.0；0.3T；22T；求：；？解：如图 而： 8、试分析霍尔元件输出接有负载时，利用恒压源和输入回路串联电阻R进展温度补偿的条件。如图，设：t0时，灵敏系数0；输入电阻0；输出电阻0。t时，灵敏系数；输入电阻0；输出电阻。两者关系为：因为：；而：所以：；那么：不随温度t变更的条件是：而：即有：假设无视的影响，即0=0，那么有：9、试说明霍尔式位移传感器的输出及位移x成正比关系。答：因为霍尔电压为：，假设I确定，而使霍尔元件在一个沿空间匀整梯度的磁场中运动即：。那么有：，所以霍尔式位移传感器的输出及位移x成正比关系。10、霍尔式速度传感器和磁电感应式速度

17、传感器相比，各有哪些特点。答：霍尔式速度传感器能测量慢速运动物体的速度。另外它的信号处理电路通常也集成在一起封装的，无需外加信号处理电路，进步了抗干扰实力，并且，大多数霍尔式速度传感器输出的是数字信号，所以它及数字逻辑、微机及兼容。而磁电感应式速度传感器不相宜于测量低速运动的物体。其输出为模拟信号，假设要输出数字信号须要附加处理电路，另外，磁电感应式速度传感器可以应用于较高温度的环境，工作温度超过300度，而前者工作温度范围较小。第六章 思索题及习题1、什么是压电效应？答：沿着确定方向对某些电介质加力而使其变形时，在确定外表上产生电荷，当外力取消，又重新回到不带电状态，这一现象称为正压电效应。

18、当在某些电介质的极化方向上施加电场，这些电介质在确定方向上产朝气械变形或机械压力，当外加电场散去，这些变形和应力也随之消逝，此即称为逆压电效应。2、为什么压电传感器不能测量静态物理量？答：压电元件送入放大器的输入电压由上式可知，用当作用在压电元件上的力是静压力=0时，前置放大器输入电压等于零。因为电荷就会通过放大器的输入电阻和传感器本身的泄漏电阻漏掉。所以压电传感器不能测量静态物理量。3、压电式传感器中承受电荷放大器有何优点？为什么电压灵敏度及电缆长度有关？而电荷灵敏度及电缆长度无关？答：p115第七章 思索题及习题1、光电式传感器常用光源有哪几种，哪些光源可用作红外光源？答：光电式传感器常用

19、光源有自然光源和人造光源，人造光源包括热辐射光源、气体放电光源、电致发光光源和激光光源。可作为红外光源的有白炽灯、：固体激光器、氦氖激光器、半导体激光器和染料激光器等。2、光电式传感器常用接收器件有哪几种，各基于什么原理各有什么特点？答： 光电式传感器常用接收器件按原理可分为热探测器和光子探测器两类。热探测器是基于光辐射及物质互相作用的热效应。它其特点是：对波长没有选择性具有宽广和平坦的光谱响应，只及接收到的总能量有关，适应于红外探测。而光子探测器是基于一些物质的光电效应，即利用光子本身能量激发载流子。其特点是：具有确定的截止波长，只能探测短于这一波长的光线，但它们的响应速度快，灵敏度高，运用

20、广泛。3、电荷藕合器件有哪几种，各有那几部分组成？答：电荷藕合器件有线阵电荷耦合器件和面阵电荷耦合器件。它由光敏单元和读出移位存放器组成。4、电荷藕合器件中的信号电荷是如何传输的？答：以典型的三相为例说明电荷转移的根本原理。三相是由每三个栅为一组的间隔严密的构造组成的阵列。每相隔两个栅的栅电极连接到同一驱动信号上，亦称时钟脉冲。三相时钟脉冲的波形如下列图所示。在t1时刻，1高电位，2、3低电位。此时1电极下的外表势最大，势阱最深。假设此时已有信号电荷电子注入，那么电荷就被存储在1电极下的势阱中。t2时刻，1、2为高电位，3为低电位，那么1、2下的两个势阱的空阱深度一样，但因1下面存储有电荷，那

21、么1势阱的实际深度比2电极下面的势阱浅，1下面的电荷将向2下转移，直到两个势阱中具有同样多的电荷。t3时刻，2仍为高电位，3仍为低电位，而1由高到低转变。此时1下的势阱渐渐变浅，使1下的剩余电荷接着向2下的势阱中转移。t4时刻，2为高电位，1、3为低电位，2下面的势阱最深，信号电荷都被转移到2下面的势阱中，这及t1时刻的状况相像，但电荷包向右挪动了一个电极的位置。当经过一个时钟周期T后，电荷包将向右转移三个电极位置，即一个栅周期也称一位。因此，时钟的周期变更，就可使中的电荷包在电极下被转移到输出端，其工作过程从效果上看类似于数字电路中的移位存放器。5、简述利用进展工件尺寸测量的原理及测量系统的

22、组成。答：利用进展工件尺寸测量的原理是依据工件成像轮廓覆盖的光敏单元的数量来计算工件尺寸数据。假设在光学系统放大率为1的装置中，有：式中：L工件尺寸；N覆盖的光敏单元数；d相邻光敏单元中心间隔 2d为图像末端两个光敏单元之间可能的最大误差。测量系统由光学系统、图像传感器和微处理机等组成。6、试述用一维进展间隔 测量的原理。答：一维构造图如下：由于横向光电效应，当工作在反向偏压状态时公用极3正电压，流经电极1、2的电流I1和I2及入射光的强度和入射光点的位置有关。如下式：由上两式得： 式中：为入射光点位置；L为的长度。 明显，通过I1及I2可确定入射光点位置。7、利用由斯乃尔定律推导出的临界角c

23、表达式，计算水1.33及空气n1分界面的c的值。：n0=1；n1。 求：？解： 而：900，=c 8、求n1 2=1.45的光纤的值；假设外部的n0=1，求最大入射角c =：n1=1.46；n2=1.45；n0=1 求：；？解： 解： 9、光纤传感器有哪几种调制方式 答：光纤传感器有3种调制方法，即：光强度调制型、光相位调制型和光偏振态调制型。10、利用光纤传感器进展位移测量的方法有哪些？简述其工作原理。 答：利用光纤传感器进展位移测量主要有反射方式和瞬逝波方式两种方法。反射式光纤传感器工作原理是从放射光纤出射的光经被测物外表干脆或间接反射后，由接收光纤传到光电器件上，光量随反射面相对光纤端面

24、的位移而变更而实现测量位移的目的。瞬逝波光纤传感器工作原理是两光纤端面斜切，端面对光纤轴线有一样角度，斜面抛光，以便光线再接收光纤头内形成全反射。当两光纤间隔 较远时，没有光通过斜切面耦合到接收光纤。但是，当两斜切面特别接近时，由于光是一种电磁波，全内反射时虽然没有光能进入相邻介质，但电磁波却能进入相邻介质确定的深度，此电磁波就称为瞬逝波。所以，当两切面间隔 小于光波波长时，将有部分光透过间隙耦合到接收光纤，间隔 越近，耦合能量越大，依据此原理，可制成光纤位移传感器。11、试述光栅式传感器的根本工作原理。 答：光栅式传感器是利用光栅的莫尔条纹进展测量测。光栅式传感器一般由光源、标尺光栅、指示光

25、栅和光电器件组成。测量时取两块光栅常数一样的光栅，其中一块用作标尺光栅，它可以挪动或固定不动，另一块用作指示光栅，它固定不动或可以挪动，两者刻线面相对，中间留有很小的间隙相叠合，组成光栅副。将其置于光源和透镜形成的平行光束的光路中，假设两光栅栅线之间有很小的夹角，那么在近似垂直于栅线方向上显现出比栅距宽许多的明暗相间的莫尔条纹，当标尺光栅沿垂直于栅线方向每移过一个栅距时，莫尔条纹近似沿栅线方向移过一个条纹间距。用光电器件接收莫尔条纹信号，经电路处理后用计数器计数，可得到标尺光栅移过的间隔 ，实现测量位移的目的。12、莫尔条纹是如何形成的？它有哪些特性？ 答：把两光栅刻线面相对，中间留有很小的间隙相叠合，将其置于光源和透镜形成的平行光束的光路中，假设两光栅栅线之间有很小的夹角，那么由于两光栅的栅线互相挡光作用的结果，在近似垂直于栅线方向上显现出比栅距宽许多的明暗相间的莫尔条纹。莫尔条纹具有运动有严格对应关系、位移放大作用和误差平均效应等特点。