《传感器》习题答案.docx

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《传感器》习题答案

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由

（1）式：

由

（2）式：

即：

取：

则有：

第二章思考题与习题

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生机械变形时，其电阻值将发生变化，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，提高灵敏度，

2、什么是应变片的灵敏系数？

它与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表面，在其轴线方向的单向应力作用下，应变片的阻值相对变化与试件表面上安装应变片区域的轴向应变之比。

（2）实验表明，电阻应变片的灵敏系数恒小于电阻丝的灵敏系数其原因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，因而电阻变化量也较小。

所以其横向灵敏度便减小。

4、用应变片测量时，为什么必须采用温度补偿措施？

答：

用应变片测量时，由于环境温度变化所引起的电阻变化与试件应变所造成的电阻变化几乎有相同的数量级，从而产生很大的测量误差，所以必须采用温度补偿措施。

5、一应变片的电阻R=120Ω，k=2.05。

用作应变为800μm/m的传感元件。

①求△R和△R/R；②若电源电压U=3V，求初始平衡时惠斯登电桥的输出电压U0。

已知：

R=120Ω，k=2.05，ε=800μm/m；

求：

①△R=？

，△R/R=？

②U=3V时，U0=？

解①：

∵

∴

解②：

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120Ω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）。

若钢的泊松系数μ=0.285，应变片的灵敏系数k=2，电桥电源电压U=2V，当试件受轴向拉伸时，测得应变片R1的电阻变化值△R=0.48Ω,试求电桥的输出电压U0。

图2-9a差动电桥

已知：

R1=R2=120Ω，μ=0.285，k=2，U=2V，△R1=0.48Ω，△R1/R1=0.48/120=0.004求：

U0=？

解：

∵∴

又∵∴

设：

R1=R2=R3=R4=R，对电桥若四臂电阻都变其输出为：

∵

则有：

本题：

7、金属应变片与半导体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）发生变化（机械形变）而引起应变片的电阻改变，运用它们的对应关系实现测量目的。

其灵敏系数（k≈1+2μ）主要是材料几何尺寸变化引起的。

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ρ发生变化，而引起应变片的电阻值改变。

其灵敏系数（k=△ρ/ρε）主要是半导体材料的电阻率随应变变化引起的。

第三章思考题与习题

1、何谓电感式传感器？

它是基于什么原理进行检测的？

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化量输出的一种装置。

它是基于电磁感应原理进行检测的。

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致，磁筒、磁盖、磁芯要配套挑选，线圈排列要均匀，松紧要一致，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相同。

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相同。

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结构简单，易于进行非接触的连续测量，灵敏度较高，适应性强。

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：

交流电桥电路：

线性好、温度稳定性高，但存在零点残余电压问题及测量范围较小；谐振电路：

电路简单，灵敏度高，但线性度差及范围更小；正反馈电路：

测量范围较大，是电桥的2至3倍，但电路复杂。

5、有一4极感应感应同步器，设h=5mm、θ=150、δ=0.15mm、r=6.5mm、N1=N2=900匝，励磁电流I1=35mA、f=400Hz,试求：

①输出信号的灵敏度k（mV/deg）=?

②励磁电压u=?

解：

第四章思考题与习题

1、如何改善单组式变极距型电容传感器的非线性？

答：

对于变极距单组式电容器由于存在着原理上的非线性，所以在实际应用中必须要改善其非线性。

改善其非线性可以采用两种方法。

（1）使变极距电容传感器工作在一个较小的范围内（0.01μm至零点几毫米），而且最大△δ应小于极板间距δ的1/5—1/10。

（2）采用差动式，理论分析表明，差动式电容传感器的非线性得到很大改善，灵敏度也提高一倍。

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4mm，两极板的间隙为0.5mm，极板间介质为空气，试求其静态灵敏度？

若两极板相对移动2mm，求其电容变化量。

（答案为0.07pF/mm,0.142pF）

已知：

b=4mm，δ=0.5mm，ε0=8.85×10－12F/m求：

（1）k=?

；

（2）若△a=2mm时△C=?

。

解：

如图所示

∵；；

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、板极结构产生的）；

CP：

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；

Rg：

漏电阻（极板间介质漏电损耗极板与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化所产生的影响，保证绝缘材料的绝缘性能；

（2）消除和减小边缘效应；（3）减小和消除寄生电容的影响；（4）防止和减小外界干扰。

5、何谓“电缆驱动技术”？

采用它的目的是什么？

答：

电缆驱动技术，即：

传感器与测量电路前置级间的引线为双屏蔽层电缆，其内屏蔽层与信号传输线（即电缆芯线）通过1：

1放大器而为等电位，从而消除了芯线与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化的电压，因此称为“驱动电缆”。

采用“电缆驱动技术”的目的是减小或消除寄生电容的影响。

6、画出电容式加速度传感器的结构示意图，并说明其工作原理。

答：

电容式加速度传感器的结构示意图为：

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，因而与壳体固定在一起的两固定极板1、5相对质量块4运动，致使上固定极板5与质量块4的A面组成的电容器Cx1以及下固定极板与质量块4的B面组成的电容器Cx2随之改变，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与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、可批量生产、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。

第五章思考题与习题

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基础的，根据法拉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化时，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φ的变化率，即：

根据这个原理，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采用铝骨架？

答：

某些磁电式速度传感器中线圈采用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，而使其变化。

如公式知，由于B的变化而产生测量误差。

补偿方法通常是采用补偿线圈与工作线圈串接，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与频率关系是：

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化；当振动频率远大于固有频率时，传感器的灵敏度基本上不随振动频率而变化，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。

缺点主要是它的工作频率下限较高，约为50Hz，上限可达100kHz，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结构简单、体积小、坚固、频率响应宽（从直流到微波）、动态范围（输出电动势的变化范围）大、无触点、使用寿命长、可靠性高、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须进行温度补偿。

7、某霍尔元件l、b、d尺寸分别为1.0cm×0.35cm×0.1cm，沿l方向通以电流I=1.0mA，在垂直于lb面方向加有均匀磁场B=0.3T，传感器的灵敏度系数为22V/A·T，试求其输出霍尔电动势及载流子浓度。

已知：

l×b×d=1.0cm×0.35cm×0.1cm；I=1.0mA；B=0.3T；kH=22V/A·T；求：

UH=?

；n=？

解：

如图

∵∴

而：

∴n=

8、试分析霍尔元件输出接有负载RL时，利用恒压源和输入回路串联电阻R进行温度补偿的条件。

如图，设：

t0时，灵敏系数kH0；输入电阻Ri0；输出电阻RO0。

t时，灵敏系数kHt；输入电阻Ri0；输出电阻ROt。

两者关系为：

因为：

；而：

所以：

；则：

VL不随温度t变化的条件是：

而：

即有：

若忽略Ro的影响，即RO0=0，则有：

9、试说明霍尔式位移传感器的输出UH与位移x成正比关系。

答：

因为霍尔电压为：

，若I一定，而使霍尔元件在一个沿空间均匀梯度的磁场中运动即：

。

则有：

，所以霍尔式位移传感器的输出UH与位移x成正比关系。

10、霍尔式速度传感器和磁电感应式速度传感器相比，各有哪些特点。

答：

霍尔式速度传