传感器考试试题及答案docxWord文档下载推荐.docx
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2、产生应变片温度误差的主要因素有_电阻温度系数的影响、_试验材料和电阻丝材料的线性膨胀系数的影响_。
3、应变片温度补偿的措施有电桥补偿法_、_应变片的自补偿法、、。
4、在电桥测量中，由于电桥接法不同，输出电压的灵敏度也不同，—全桥_接法可以得到最大灵敏度输出。
5、半导体应变片工作原理是基于压阻效应，它的灵敏系数比金属应变片的灵敏系数大十
倍
6、电阻应变片的配用测量电路采用差动电桥时，不仅可以消除线性误差同时还能起到温度补偿—的作用。
7、若应变计基长L=40mm,应变波速v=5000m/s,则上升时间tk=，可测频率f=。
8、压阻式传感器测量电桥的电源可采用也可采用供电。
9、应变式传感器主要用于测量等物理量；
光电式传感器主
要用于测量等物理量；
压电式传感器主要用于测量
等物理量。
10、应变式传感器是基于效应工履的。
对金属应变片，其电阻的变化主要是由于
R=p\中的变化引起的.湿敏传感器是指能将转换为与其成一定比例关
系的电量输出的装置
选择：
1、全桥差动电路的电压灵敏度是单臂工作时的（C）。
A.不变B.2倍C.4倍D.6倍
2.利用相邻双臂桥检测的应变式传感器，为使其灵敏度高、非线性误差小（C）
A.两个桥臂都应当用大电阻值工作应变片
B.两个桥臂都应当用两个工作应变片串联
C.两个桥臂应当分别用应变量变化相反的工作应变片
D.两个桥臂应当分别用应变量变化相同的工作应变片
3.产生应变片温度误差的主要原因有（AB）
A、电阻丝有温度系数
B、试件与电阻丝的线膨胀系数相同
C、电阻丝承受应力方向不同
4.利用电桥进行温度补偿，补偿片的选择是（A）
A.与应变片相邻，且同质的工作片
B.与应变片相邻，且异质的工作片
C.与应变片相对，且同质的工作片
D.与应变片相对，且异质的工作片
5.通常用应变式传感器测量（C）。
A.温度B.密度
C,加速度D.电阻
6.影响金属导电材料应变灵敏系数K的主要因素是（B）。
A.导电材料电阻率的变化
C,导电材料物理性质的变化
7.电阻应变片的线路温度补偿方法有（
A.差动电桥补偿法
C.补偿线圈补偿法
8、金属丝应变片在测量构件的应变时，
A、贴片位置的温度变化
C、电阻丝材料的电阻率变化
B.导电材料几何尺寸的变化
D.导电材料化学性质的变化
AB）o
B.补偿块粘贴补偿应变片电桥补偿法
D.恒流源温度补偿电路
电阻的相对变化主要由（）来决定的。
B、电阻丝几何尺寸的变化
D、外接导线的变化
1说明电阻应变测试技术具有的独特优点。
（1）这类传感器结构简单，使用方便，性能稳定、可靠；
（2）易于实现测试过程自动化和多点同步测量、远距测量和遥测；
（3）灵敏度高，测量速度快，适合静态、动态测量；
（4）可以测量各种物理量。
2、一台采用等强度梁的电子秤，在梁的上下两面各贴有两片灵敏系数均为k=2的金属箔式应变片做成秤重传感器。
已知梁的L=100mm,b=llmm,h=3mm,梁的弹性模量E=2.1xl04N/mm20将应变片接入直流四臂电路，供桥电压Usr=12Vo试求：
⑴秤重传感器的灵敏度（V/kg）?
；
⑵当传感器的输出为68mv时，问物体的荷重为多少？
［提示：
等强度梁的应变计算式为
£
=6FL/bh2E]
3一个量程为10kN的应变式测力传感器，其弹性元件为薄壁圆筒轴向受力，外径20mm,内径18mm.在其表面粘贴八个应变片，4个沿轴向粘贴，4个沿周向粘贴，应变片的电阻值均为120欧,灵敏度为2,泊松系数0.3,材料弹性模量E=2.1xl011Pao要求；
（1）给出弹性元件贴片位置及全桥电路；
（2）计算传感器在满量程时，各应变片电阻变化；
（3）当桥路的供电电压为10V时，计算传感器的输出电压
解：
（1）.全桥电路如下图所示
。
*（/-o
（2）.圆桶截面积
^=7T（2?
2-r2）=59.7x10^
应变片1、2、3、4感受纵向应变；
瓦=勺=与=日4=弓
应变片5、6、7、8感受纵向应变；
岛=后6=切=%=弓
满量程时：
迅=迅=㈱=AR=kexR=K—R
AS
=2.0xxl20=0.191Q
59.7x10^x2.1xlOn
Aa5==△艮=-处&
=—0.3x0.191=—0.0573
（3）
^U=—K（l+^}—
2l}AE
in27
=%20x（1+0.3）盘=1.037x10“
2'
/59.7x10^5x2.1x1011
4、以阻值R=120Q,灵敏系数K=2.0的电阻应变片与阻值120。
的固定电阻组成电桥，供桥电压为3V,并假定负载电阻为无穷大，当应变片的应变为2时和2000叩时，分别求出单臂、双臂差动电桥的输出电压，并比较两种情况下的灵敏度。
依题意
单臂：
U3
Un=—k8=—x2.0xe=
044
SxlO-6^）,
3x10"
3（V）,
（£
=2h£
）
=2000“£
差动:
U.3
Uo=—ke=—x2.0x8=
22
6x10-6（v）,.6x10~3（V）,
=2U£
=2000"
灵敏度:
Up_"
a/4T.5XKF6（V//Z£
）,（单臂）
„—1啊/2=3x10-6（V/俱）,（差动）
可见，差动工作时,
传感器及其测量的灵敏度加倍。
5、一台采用等强度梁的申子称，在梁的上下两面各贴有两片电阻应变片，做成称重传感器，如图2-12（见教材，附下）所示。
己知l=10mm,bo=llmm,h=3mm,E=2.1X104N/mm2,K=2,接入直
流四臂差动电桥，供桥电压6V,求其电压灵敏度（Ku=Uo/F）o当称重0.5kg时，电桥的输出电压Uo为多大？
O+
输出
Uo
等强度梁受力
当上下各贴两片应变片,
61V[6x100x6
—K=2x—
h2boE32xllx2.1xl04
图2-12悬臂梁式力传感器
F时的应变为
6FI
—
h2b0E
并接入四臂差动电桥中时，其输出电压:
则其电压灵敏度为
k"
F
=3.463x10-3（V/N）=3.463（mV/N）当称重F=0.5kg=0.5x9.8N=4.9N时，输出电压为
Uo=KUF=3.463x4.9=16.97（mV）
第3章电感式传感器
一、选择、填空题
L变间隙式自感传感器的—测量范围_和_灵敏度及线性度—是相互矛盾的，因此在实际测量中广泛采用—差动—结构的变隙电感传感器。
2、电感式传感器是利用被测量改变磁路的—磁阻导致—线圈电感量—变化的。
磁电式传感器是利用—电磁感应现象—产生感应电势的。
而霍尔式传感器是利用—半导体—在磁场中的霍尔效应而输出电势的。
3、电感式传感器种类很多。
虽然结构形式多种多样，可分为—变气隙式_、—变面积式_、—螺线管式—三种结构。
4、电涡流传感器根据激励电流频率的高低，可以分为—高频反射式_、—低频透射式—两种。
5、把被测非电量的变化转换成线圈互感变化的互感式传感器是根据的基本原理制成的,
其次级绕组都用反向串联形式连接,所以又叫差动变压器式传感器。
6、变隙式差动变压器传感器的主要问题是灵敏度与项憧^1_的矛盾。
这点限制了它的使用，仅适用于微小位移的测量。
7、变气隙式自息传感器，当街铁移动靠近铁芯时，铁芯上的线圈电感量_增加（①增加,②减
少）。
8、电感式传感器是以电和磁为媒介，利用电磁感应原理将被测非电量如压力、位移、流量等非电量
转换成线圈或的变化，再由测量电路转换为电压或电流的变化量输出的装置。
9、
二、计算分析题
1、说明电感式传感器有哪些特点。
2、分析比较变磁阻式自感传感器、差动变压器式互感传感器的工作原理和灵敏度。
3、试分析差动变压器相敏检测电路的工作原理。
答：
相敏检测电路原理是通过鉴别相位来辨别位移的
方向，即差分变压器输出的调幅波经相敏检波后，
便能输出既反映位移大小，又反映位移极性的测量信号。
经过相敏检波电路，正位移输出正电压，负位移输出负电压，电压值的大小表明位移的大小，电压的正负表明位移的方向。
4、分析电感传感器出现非线性的原因，并说明如何改善？
①原因是改变了空气隙长度
②改善方法是让初始空气隙距离尽量小，同时灵敏度的非线性也将增加，这样的话最好使用差动式传感器，「，r
其灵敏度增加非线性减少。
5、某差动螺管式电感传感器的结构参数为单个线圈匝数W=800匝，Z=10mm,Zc=6mm,r=5mm,rc=lmm,设实际应用中铁芯的相对磁导率内=3000,试求：
（1）在平衡状态下单个线圈的电感量侦=?
及其电感灵敏度足Kl=?
（2）若将其接人变压器电桥，电源频率为1000Hz,电压E=L8V,设电感线圈有效电阻可忽略，
求该传感器灵敏度Ko
（3）若要控制理论线性度在1%以内，最大量程为多少？
线BI1线圈2
图3-15差动螺管式电感传感器解：
（1）根据螺管式电感传感器电感量计算公式，得
41X10—7X1X8002/21n-9,annn<
[21n-9\
7（10x5xlO+3000x6x1xlO
（lOxlO-3）'
7
=0.46（H）
差动工作灵敏度：
4^-xlO7x^x800in_6Qnnn
=27xlxlOx3000
（lOxlO-3）
=151.6H/m=151.6mH/mm
（2）当户1000Hz时，单线圈的感抗为
Xl=（oLo=2nfLo=27txl000x0.46=2890（J2）显然Xl>
线圈电阻Ro,则输出电压为
18V
—:
=1.96V/H=1.96mV/mH
2xO.46H
测量电路的电压灵敏度为
K一务工
"
AL2£
而线圈差动时的电感灵敏度为KL=151.6mH/mm,则该螺管式电感传感器及其测量电路的总灵敏度为
K=Ku=151,6mH/mnx1.96mV/mH
=297.1mV/mm
6、有一只差动电感位移传感器，已知电源电Usr=4V,f=400Hz,传感器线圈铜电阻与电感量分别为R=40Q,L=30mH,用两只匹配电阻设计成四臂等阻抗电桥，如习题图3-16所示，试求：
⑴匹配电阻R3和R4的值；
（2）
习题图3-16
当△Z=10时，分别接成单臂和差动电桥后的输出电压值;
（3）用相量图表明输出电压U*与输入电压Usr之间的相位差。
解：
（1）线圈感抗
XL=coL=27i/L=27ix400x30xl0-2=75.4（Q）
线圈的阻抗
Z=」R2+X：
=a/402+75.42=85.4（。
故其电桥的匹配电阻（见习题图3-16）
R3=R4=Z=85.4（Q）
（2）当AZ=10。
时，电桥的输出电压分别为
单臂工作:
Use=——=-x—=0.117（V）
sc4Z485.4'
Usc==-x曳-=0.234（V）
双臂差动工作:
2Z285.4'
27.9°
7、如图3-17（见教材，附下）所示气隙型电感传感器，衔铁截面积S=4x4mm2,气隙总长度S=0.8mm,衔铁最大位移△S=±
0.08mm,激励线圈匝数W=2500匝，导线直径d=0.06mm,电阻率p=1.75X10'
6Q.cm,当激励电源频率f=4000Hz时，忽略漏磁及铁损，求：
⑴线圈电感值；
（2）电感的最大变化量；
（3）线圈的直流电阻值；
（4）线圈的品质因数；
（5）当线圈存在200pF分布电容与之并联后其等效电感值。
tR-i40（P-tan——=tan
（1）线圈电感值
（0.8+2x0.08）x10—3
5+A5x2
=1.31X101（H）=131mH
衔铁位移AS=-0.08mm时，其电感值
//0W2S4^-xIO-7x25002x4x4xIO-6
L—
（0.8—2x0.08）x10-3
（3）线圈的直流电阻
0.06）
lCp=4x4+设"
1.75x106
xlO-1
coL75.4
=249.6Q
（4）线圈的品质因数
八a>
L2班2^x4000x1.57X10-'
o
RR249.6（Q）
⑸当存在分布电容200PF时，其等效电感值
rLL
L==
Pl-a>
2LC1+3）2"
1.57x10】
—1-（2勿x4000）2xl.57xl0-1x200xl0-12
=1.60x101（H）=160mH
8、试用差动变压器式传感器设计液罐内液体液位测量系统，作出系统结构图，并分析工作原理。
第4章电容式传感器
—、填空题
电容式传感器是利用电容器的原理，将非电量转化为电容量，进而实现非电量到电量的敏感器件,
在应用中电容式传感器可分为、、三种基本类型。
2、将机械位移转变为电容量变化时，电容式位移传感器的基本结构可分为
型，型和型三大类。
1、极距变化型电容传感器的灵敏度与（B）o
A、极距成正比B、极距成反比
C、极距的平方成正比D、极距的平方成反比
1、简述电容式传感器的工作原理。
2、简述电容式传感器的优点。
a温度稳定性好
b结构简单、适应性强
c动响应好
3、试计算习题4—2图所示各电容传感元件的总电容表达式o
习题图4-2
由习题图4-2可见
（1）三个电容串联
《勺知+d[8[83+
'
■味3S
d、£
茫3+^2^1^3+d38182
s
4/£
1+』2/勺+』3/知
（2）两个电容器并联
C\=C2=c=m
C并=G+G=2C=2e%
（3）柱形电容器
C_1花L
ln（d,/《）
4、在压力比指示系统中采用差动式变间隙电容传感器和电桥测量电路，如习题图4-3所示。
己
知：
6o=O.25mm；
D=38.2mm；
R=5.1kQ；
Usr=60V（交流），频率f=400Hzo试求：
⑴该电容传感器的电压灵敏度Ku（V/gm）；
（2）当电容传感器的动极板位移△5=10叩1时，输出电压Use值。
习题图4-3
由传感器结构及其测量电路可知
（1）初始电容
4D
g=g=g=—
8.85xl0T2x〃x（38.2x1CT3）2
4x0.25x103
=40.6xIO*（F）=40.6pF
▼11
X—==—
由于
ca）C02材J2〃x400x40.6x10-12
2Q2品
气=也=60=120y/OT?
J=o.i2V"
*Ad28q2x0.25
Uo=KuAd=0.12V/|j（mxl0|Lim=1.2V
=9.8xlO6（Q）»
7?
（=5.XkQ.）
从而得
5、有一台变间隙非接触式电容测微仪，其传感器的极板半径r=4mm,假设与被测工件的初始间隙do=0.3mm0试求：
⑴如果传感器与工件的间隙变化量△d=±
10pm,电容变化量为多少？
⑵如果测量电路的灵敏度足Ku=100mV/pF,则在△d=±
lgm户时的输出电压为多少?
由题意可求
（1）初始电容：
C=_时2
o"
o
_8.85x10*XIX（4x10-3）2
一0.3>
<
10一3
=1.48xW12（F）=1.48/?
AC_
由,则当Ad=±
10um时
AC=C0—=1.48x土l°
xl°
=±
Q.049p尸
d°
0.3
如果考虑di=0.3mm+10|nm与d2=0.3mm-lOjnm之间的电容变化量AC。
则应为
ACr=2|AC|=2x0.049=0.098pF
（2）当Ad=±
lgm时
AC=—Co=——xl.48pF=±
0.0049pF
dQ0.3x10[im
由Ku=lOOmV/pF=Uo/AC,贝U
Uo=KuAC=lOOmV/pFx（±
O.OO49pF）=±
O.49mV
6、有一变间隙式差动电容传感器，其结构如习题图4-5所示。
选用变压器交流电桥作测量电路。
差动电容器参数：
r=12mm；
di=d2=do=O.6mm；
空气介质，即£
=£
o=8.85xl012F/mo测量电路参数：
uSr=u=Usr=3sin（ot（V）o试求当动极板上输入位移（向上位移）△x=0.05mm时，电桥输出端电压Use?
JO4
习题图4-5
由习题图4-5可求
初始电容
Ci=C2=Co=£
S/d=£
o7ir2/do
=冬吐皿业吐=6.67x105=6.67泸
0.6x10-3
变压器输出电压
•7••7—7•C—C•
Use=—x2U-U=W红U=上
Z]+Z>
Z]+C]+c*2
其中Z1,Z2分别为差动电容传感器Cl,C2的阻抗.在AX«
do时，Cl=Co+AC,C2=Co-AC,且AC/Co=Ad/do,由此可得
Use^—U^—Usr=—X3sinat=0.25sinco?
Cod°
0.6（v）
7、如习题图4-6所示的一种变面积式差动电容传感器，选用二极管双厂网络测量电路。
差动电容器参数为：
a=40mm,b=20mm,di=d2=do=lmm；
起始时动极板处于中间位置，G=C2=C0,介质为空气，£
=珈=8.85X10-i2F/m。
测量电路参数：
Di、D2为理想二极管；
及Ri=R2=R=10KQ；
R（=1MQ,激励电压Ui=36V,变化频率f=lMHzo试求当动极板向右位移左x=10mm时，电桥输出端电压Use?
习题图4-6
由习题图4-6可求传感器初始电容
cs.x-xb8.85x1012x40x10x20x103八％S。
Co===Z
od0d01x10-3
=3.54x10-12（F）=3.54pF
当动极板向右移Ax=10mm时，单个电容变化量为
△C=gc°
=忠《°
=；
x3.54=1.77（pF）a/240/22
△C_%如_8.85x1012x20x10—3x1x10—3
_d0—lxIO-3
或，=1.77x1012（F）=1.77/?
则Ci=Co+AC,C2=Co-AC,由双T二极管网络知其输出电压
Usc=2kUi/AC
=2
R（R+2Rf）
R+Rff
R§
UgC
=+2xl?
）x106x36X106xl.77xIO-12
（104+2x106）-
«
2.55（V）
8、一只电容位移传感器如习题4-7图所示，由四块置于空气中的平行平板组成。
板A、C和D
是固定极板；
板B是活动极板，其厚度为t,它与固定极板的间距为d。
B、C和D极板的长度均为a,A板的长度为2a,各板宽度为b。
忽略板C和D的间隙及各板的边缘效应，试推导活动极板刀从
中间位置移动x=±
a/2时电容Cac和Cad的表达式（x=0时为对称位置）。
习题图4-7
参见习题图4-7知
Cac是Cab与Cbc串联，Cad是Cab与Cbd串联。
当动极板向左位移敏2时，完全与C极板相对，此时
CAB=CBc=£
oab/d,
CAC=CAB/2=CBc/2=£
oab/2d；
CAD=£
oab/（2d+t）。
当动极板向右移a/2时，与上相仿，有
Cac=£
oab/（2d+t）；
CAD=£
oab/2d
9、已知平板电容传感器极板间介质为空气，极板面积S=axa=（2x2）cm2,间隙do=0.1mm0求：
传感器的初始电容值;
若由于装配关系，使传感器极板一侧间隙do,而另一侧间隙为do+b（b=O.Olmm）,此时传感器的电容值。
_成__8.85xl（）T2x2x2xIO"
4
°
~~d0~~d^~O.lxlO"
3
=35.4xlO12（F）=35.4pF
当装配不平衡时可取其平均间隙
d^do+（do+b）=b
=0.1+0.01/2=0.105（mm）
则其电容为
C*oS_8.85x10T2x2x2x1C>
t
~d~0.105xlO-3
=33.
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