《传感器与检测技术》复习题纲.doc

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《传感器与检测技术》复习题纲

题型：

1、选择题（占24%）

2、填空题（占24%）

3、简答题（占24%）

4、计算题（占28%）

0绪论

传感器与测量的系统组成及各模块在其中的作用；传感器的结构及分类方法；智能传感器的概念；

1检测技术基础

（传感器）测量系统的静态标定和静态性能：

灵敏度、线性度、迟滞以及零点漂移、灵敏度漂移的概念和计算方法；

2电阻应变片式传感器

电阻应变效应；电阻应变式传感器；测量形变的基本原理；电阻应变片的分类及特点比较；电阻应变片特性：

温度误差产生的原因及补偿方法；测量电路：

应变片在悬臂梁上的粘贴方法，应变片接入直流电桥的三种接法及电桥的计算方法：

包括灵敏度和线性度及温度补偿的计算（理解差动工作方式的一举三得问题）；应变片式传感器可用于哪些物理量的测量；应用实例：

例7-1；

3电感式传感器

电感式传感器；自感式传感器的分类及特点比较；变间隙式电感式传感器测量位移的基本原理（基本计算）；传感器特性分析：

影响灵敏度和线性度的几何参数（参考公式）及差动电桥对灵敏度和线性度的改善作用；相敏检波电路的特点；变压器交流电桥分析；电感式传感器可用于哪些物理量的测量；差动变压器的工作原理和基本特性；

4电涡流式传感器

电涡流效应；影响电涡流传感器灵敏度的因素；电涡流传感器可用于测量哪些物理量（注意非接触式测量的特点）；电涡流传感器测量轴的转速的基本原理；

5电容式传感器

电容式传感器；电容式传感器的分类及特点比较；传感器特性分析：

影响灵敏度和线性度的几何参数（参考公式）及差动电桥对灵敏度和线性度的改善作用（变间隙式传感器）；三类电容式传感器分别可用于哪些物理量的测量；计算变压器电桥的输出电压（变间隙式传感器）；运算放大器工作电路计算；变间隙式电容式传感器测量位移的基本原理；电容式传感器测量液位的基本原理；

6光电式传感器

光电效应；光电式传感器；光电式传感器的结构及其基本工作原理（注意与光敏元件的区别）；光敏元件的种类：

光敏电阻。

。

。

等；光敏元件的光谱特性图和频率特性图理解和应用，光电式传感器测量转速的基本原理；转速计算；模拟式光电传感器测量的几种方式；

7热电式传感器

热电式传感器；热电式传感器分类；热电阻：

类型及基本特性比较，接线方法；三线制的基本接法及其目的；热敏电阻类型及应用场合；热敏电阻与热电阻的特性比较；热电偶：

热电效应；热电偶；热电偶回路电势的产生原理；回路电势和温度计算方法（分度表的使用）；理解中间导体定律和中间温度定律；理解连接导线定律；冷端补偿问题（为什么要补偿，补偿导线的作用和用法，补偿方法（包括0度恒温法和冷端恒温加计算修正法）；

8霍尔元件及其传感器

霍尔效应；霍尔元件测量磁场的基本原理；霍尔系数；影响霍尔元件灵敏度的参数（参考公式）；霍尔元件温度误差产生的原因及其补偿方法；零位误差产生的原因及其补偿方法；霍尔传感器可用于测量哪些物理量；霍尔元件测量涂层厚度、速度的原理；

9压电式传感器

压电效应；两种常用压电材料；压电式传感器的基本特性；压电式传感器可用于测量哪些物理量；两种基本工作方式和特点以及相应电路；

10数字式传感器

光栅：

光栅传感器的作用，测量位移的基本原理，辨向电路的工作波形和工作原理，光栅常数与测量精度的关系，位移和脉冲当量的计算，四细分技术的基本原理及其作用；感应同步器：

作用，测量位移的基本原理和信号处理方法；对感应同步器节距的理解；（参考PPT）

11气敏传感器

气体传感器测量气体浓度的基本原理；气体传感器的加热特性及初期恢复特性；气体传感器可测量的常见气体；

12其它传感器

超声波传感器：

什么是超声波传感器，超声波传感器的基本结构；分类及特点；超声波传感器可用于测量哪些物理量；脉冲回波法测距基本原理；超声波传感器测量（液位）的基本原理；红外传感器：

何为红外辐射，红外辐射的特点，利用红外辐射测量温度的基本原理，红外探测器的类型及其测温的基本原理；

复习内容

应变传感器

1、电气式测力传感器根据转换方式不同可分为几种类型？

分别列出各类型的几种典型传感器。

答：

2、简述电阻应变式测力传感器的工作原理。

答：

电阻应变式测力传感器是将力作用在弹性元件上，使其发生应变，贴在弹性元件上的应变片将应变转换成电阻变化，利用电桥将电阻变化转换成电压变化，再送入测量放大电路测量。

利用标定的电压和力之间的关系，测出力的大小。

3、弹性元件的形式有哪几种？

答：

4、应变片的结构分为哪几部分？

答：

敏感栅，底基，盖层，电极引线。

5、对底基的要求？

答：

底基的作用是将试件的应变准确地传递给敏感栅，所以底基应具有较低的弹性模量，较高的绝缘电阻，良好的抗湿热性能。

底基一般较薄，厚度在20～50um。

常用的底基有纸基、胶基和玻璃纤维布基。

6、谈谈应变片对分类，并说明其工作原理。

答：

应变片电阻相对变化量为

其中是电阻丝的几何尺寸引起的，是压阻效应引起的。

为泊松系数，为纵向压阻系数，为杨氏（弹性）模量，为应力。

对于金属，几何尺寸变化引起电阻变化占主要，即

灵敏度为，约在1.7～3.6之间。

对于半导体，压阻效应占主要，即

灵敏度，为电阻应变片的50～70倍。

7、箔式电阻应变片与丝式电阻应变片相比有哪些优点？

答：

1）金属箔很薄，感受到应力更接近试件表面应力；

2）面积大，散热好，也许通过电流大，故灵敏度高，输出信号功率大，为丝式的100～400倍；

3）尺寸可以做得很准确，基长可以很短，并能制成任意形状，从而可扩大使用范围；

4）便于批量生产。

8、丝式电阻应变片的敏感栅的栅端可制成哪两种形式？

答：

圆角形和直角形。

9、名词解释：

压阻效应

答：

压阻效应是指固体受到应力作用时，其电阻率发生变化，这种现象叫压阻效应。

10、应变仪电桥工作方式和输出电压

答：

工作方式

单臂

双臂

四臂

应变片所在臂

输出电压

11、用一电阻应变片测量一结构上某点的应力。

应变电阻值，灵敏度系数，接入电桥的一臂，其余桥臂为标准电阻。

若电桥由10V直流电源供电，测得输出电压为5mV。

求该点沿应变片敏感方向的应变和应力。

构建材料的弹性模量为Pa。

解：

把数据带入，得到应变

应力为

Pa。

12、今有一简单拉伸试件，其上贴有两应变片，如图所示。

测量电路将其分别放于电桥相邻两臂上。

已知试件材料的弹性模量为Pa。

泊松系数，应变灵敏度，电桥供电电压6V，电桥输出电压5mV，试求轴向应力。

解：

把数据带入，得到

轴向应力为

Pa。

13、一个半导体应变片的灵敏系数为180，半导体材料的弹性模量为1.8×105MPa，其中压阻系数πL

为Pa-1。

解：

由K=πLE，得到πL=1×10-5

14、已知：

输入应变仪的应变为286με，应变仪的灵敏度为31μA/με，记录仪的灵敏度为5mm/mA,求记录仪输出的偏移量。

（注：

με代表一个应变单位）

解：

简单，类比压电式传感器第5题

15、简述应变片在弹性元件上的布置原则，及哪几种电桥接法具有温度补偿作用。

答：

布置原则有：

（1）贴在应变最敏感部位，使其灵敏度最佳；

（2）在复合载荷下测量，能消除相互干扰；

（3）考虑温度补偿作用；

单臂电桥无温度补偿作用，差动和全桥方式具有温度补偿作用。

压电式传感器

1、名词解释：

正压电效应和逆压电效应

答：

正压电效应当某些晶体沿一定方向受外力作用而发生形变时，在其相应的两个相对表明产生极性相反、大小相等的电荷，电荷的多少与力的大小成正比，当外力去掉后，又恢复为不带电的情况。

逆压电效应在某些晶体的极化方向上施加外电场，晶体将产生机械形变，当外电场撤去后，形变消失，这种现象叫逆压电效应。

2、在压电式传感器中，压电晶片既是敏感元件，也是转换元件。

它将力转换为电荷或电压输出。

3、两个压电晶片串、并联情况

串联：

电容小，输出电压大，适合电压输出。

并联：

电容大，输出电荷大，适合缓变信号。

4、压电传感器的前置放大器的作用和类型。

答：

放大微弱信号，并把高阻抗变换为低阻抗输出。

有电压放大器和电荷放大器两种。

电压放大器：

输出电压正比输入电压，输入阻抗尽量高些（输入阻抗小会影响低频响应能力），更换电缆应从新定标。

电荷放大器：

输出电压和输入电荷成正比。

电缆电容影响小。

5、一压电式力传感器，其灵敏度，将它与灵敏度为的电荷放大器相连，放大器输出端接到一台灵敏度为的笔式记录仪上，计算此系统的总灵敏度。

又当压力变化为时，记录笔在纸上偏移量为多大？

解：

总灵敏度为

又当压力变化为时，记录笔在纸上偏移量为

6、压电式传感器并联的压电晶片越多，灵敏度越高。

7、压电式传感器只适合测量动态量，不合适测量静态量，因为电荷会被很快释放完。

8、简述压电式传感器分别与电压放大器和电荷放大器相连时各自的特点。

答：

传感器与电压放大器连接的电路,其输出电压与压电元件的输出电压成正比,但容易受电缆电容的影响。

传感器与电荷放大器连接的电路,其输出电压与压电元件的输出电荷成正比,电缆电容的影响小。

热电偶

1、热电偶式温度传感器属于接触式热电动势型传感器。

它的工作原理基于热电效应。

2、热电效应：

当两种不同金属导体两端相互精密地连接在一起组成一个闭合电路时，由于两个结点温度不同，回路中将产生热电动势，并形成热电流，这种把热能转换成电能的现象叫热电效应。

3、热电偶整个回路的热电动势由哪两部分电动势组成？

答：

热电势由接触势和温差电势组成。

4、中间导体定律：

导体a、b组成的热电偶，当引入第三个导体时，只要保持其两端温度相同，则对总热电动势无影响，这一结论叫中间导体定律。

5、说明热电偶温度传感器中间导体定律的实际应用意义。

答：

利用中间导体定律，可将毫伏表接入热电偶回路中，只要保证两个结点温度一致，就能正确测出热电动势而不影响热电偶的输出。

6、热电偶分类：

普通热电偶、铠装热电偶、薄膜热电偶、并联热电偶（测平均温度）和串联热电偶（测温差）。

7、为什么要对热电偶进行温度补偿？

答：

热电偶的输出电动势仅反映出两个结点之间的温度差，为了使输出电动势能正确反映被测温度的真实值，要求参考端温度恒为0℃，但实际热电偶使用的环境不能保证参考端温度为0℃，因此必须对其进行温度补偿。

8、说明薄膜热电偶的特点

答：

热容量小、时间常数小、反应速度快。

金属热电阻

1、图示为一种测温范围为0℃~100℃的测温电路，其中为感温热电阻，、均为常值电阻，n为正整数，E为工作电压，M与N两点的电位差为输出电压。

问：

1）如果℃时输出电压为零，应取多少？

2）给出该测温电路的输出特性方程。

解：

1）根据电路结构形式，电桥输出电压为

℃时输出电压为零，则有

2）该电路的输出特性方程为

2、下图给出了一种测温电路，其中为感温热电阻，为可调电阻，为工作电压。

（为检流计）

1）基于该测温电路的工作原理，请给出调节电阻随温度变化的关系。

2）若测温范围为20℃~40℃，，试计算的变化范围。

热敏电阻

1、热敏电阻式温度传感器测温机理：

在低温时，电子-空穴浓度很低，故电阻率很大，随着温度升高，电子-空穴浓