传感器原理 考试 复习题.docx
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传感器原理考试复习题
传感器原理复习资料
一、填空题
1.传感器是能感受规定的被测量并按一定规律转换成可用输出信号的器件或装置，传感器通常由直接感受被测量的＿敏感元件＿和产生可用信号输出的＿转换元件＿以及相应的＿信号转换电路＿组成。
2.通常传感器由＿敏感元件＿、＿转换元件＿、＿信号转换电路＿三部分组成。
3.传感器的静态特性指标主要有＿灵敏度＿，＿分辨率＿，＿漂移＿，＿线性度＿，＿迟滞＿，＿重复性＿等。
4.传感器在正（输人量增大）反（输入量减小）行程中输出输入曲线不重合称为＿迟滞＿，它一般由实验方法测得。
5.传感器的灵敏度是指稳态标准条件下，输出＿增量＿与输入＿增量＿的比值。
对线性传感器来说，其灵敏度是＿静态特性曲线的斜率＿。
6.运算式
是计算传感器＿线性度＿的公式。
7.某位移传感器在输入量变化为5mm时，输出电压变化800mV，其灵敏度为＿160mV/mm＿。
8.电位器是一种将机械＿位移＿转换成电阻或电压的机电传感元件。
9.电位器式传感器按特性不同，可分为＿线性电位器＿和＿非线性电位器＿。
＿线性电位器的理想空载特性曲线具有严格的＿线性＿关系。
假定电位器全长为
其总电阻为
，它的滑臂长度为
，则滑臂间的阻值可以用
=
来计算。
假定加在电位器A、B之间的电压为
，则输出电压为
=
。
其电阻灵敏度为
。
电压灵敏度为
。
10.金属丝在外力作用下发生机械形变时它的电阻值将发生变化，这种现象称＿应变＿效应。
直线的电阻丝绕成敏感栅后长度相同但应变不同，圆弧部分使灵敏度K下降了，这种现象称为＿横向＿效应。
11.电阻丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻值发生变化，这一现象叫做＿应变＿。
12.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＿非线性误差＿，同时还能起到＿提高灵敏度＿的作用。
13.电阻应变片式传感器按制造材料可分为①＿金属＿材料和②＿半导体＿材料。
它们在受到外力作用时电阻发生变化，其中①的电阻变化主要是由＿应变效应＿形成的，而②的电阻变化主要是由＿压阻＿造成的。
＿半导体＿材料传感器的灵敏度较大。
14.用弹性元件和电阻应变片及一些附件可以组成应变片传感器，按用途划分有应变式
＿压力＿传感器、应变式＿加速度＿传感器等（任填两个）。
15.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。
16.应变测量电桥的三种接法分别为＿单臂桥＿、＿双臂桥＿、＿全桥＿。
17.要使直流电桥平衡，必须使电桥相对桥臂电阻值的＿乘积＿相等。
18.由R1、R2、R3、R4四个电阻构成的直流电桥，其中R1和R4对臂，R2和R3对臂。
当电桥平衡时，其平衡条件为
。
若R1为应变电阻，初始平衡时四个电阻值相等。
当R1受应变作用后变化ΔR1，在作一级近似后，电桥的输出电压为＿
＿。
若采用半桥差动工作方式，且两个应变片的特性相同，则输出电压为
，此时输入输出关系为＿线性＿。
19.交流电桥的平衡条件是相对桥臂阻抗幅值的＿乘积＿相等且相对桥臂阻抗的相角＿之和＿相等。
20.交流电桥各桥臂的复阻抗分别为Z1，Z2，Z3，Z4，各阻抗的相位角分别为
，
，
，若电桥平衡条件为Z1/Z4=Z2/Z3，那么相位平衡条件应为
。
21.热电阻是利用＿金属＿的电阻值随温度变化而变化的特点制成的一种热敏元件。
22.采用热电阻作为测量温度的元件是将＿温度＿的测量转换为＿电阻＿的测量。
23.热敏电阻常数B 大于零的是＿正＿温度系数的热敏电阻。
24.热敏电阻正是利用半导体的＿载流子＿数目随着温度变化而变化的特性制成的敏感元件。
25.热敏电阻可分为正温度系数热敏电阻、负温度系数热敏电阻和临界温度热敏电阻型三大类。
26.按热电偶本身的结构划分，有＿普通＿热电偶、铠装热电偶、＿薄膜＿热电偶。
27.在热电偶中，当引入第三个导体时，只要保持其两端的温度相同，则对总热电动势无影响，这一结论被称为热电偶的＿中间导体＿定律。
28.热电偶所产生的热电势是＿接触电势＿电势和＿温差电势＿电势组成的，其表达式为
=
。
在热电偶温度补偿中补偿导线法（即冷端延长线法）是在＿冷端＿和＿显示仪表＿之间接入＿补偿导线＿，它的作用是＿延引热电极＿。
29.电容传感器主要有＿变间隙＿，＿变面积＿，＿变介电常数＿三种类型，其中＿变间隙＿型的输入被测量与输出被测量间的关系是非线性的。
30.电容式压力传感器是变＿变间隙＿型的。
31.变间隙式电容传感器中，提高灵敏度和减少非线性误差是矛盾的，为此，实际中大都采用＿差动＿式电容传感器
32.电感式传感器主要由线圈、铁芯和＿活动衔铁＿组成。
33.在变压器式传感器中，原边和副边互感M的大小与＿原边线圈匝数＿成正比，与＿副边线圈匝数＿成正比，与磁回路中＿磁阻＿成反比，而单个空气隙磁阻的大小可用公式
表示。
34.在变压器式传感器中，原边和副边互感M的大小与原边线圈的匝数成＿正比＿，与副边线圈的匝数成＿正比＿，与回路中的磁阻成＿反比＿。
（请填正比或反比）。
35.电涡流式传感器的激磁线圈通正弦＿高频交流＿时，在其周围产生交变＿磁场＿，使被测金属导体内产生＿电涡流＿。
它的存在要消弱激磁线圈内＿磁场＿的变化。
使线圈＿等效阻抗＿发生变化（对比无被测金属时变＿小＿）。
该变化完全取决于被测金属导体的电涡流效应。
而电涡流效应的大小与被测金属导体的电阻率、磁导率及几何形状有关，又与线圈的几何尺寸、线圈中激磁电流的＿幅度和频率＿有关，还与线圈与被测金属导体间的＿距离＿等参数有关。
如果保持上述中的其它参数不变，而只改变其中的一个参数，则传感器的＿阻抗＿就仅仅是这个参数的＿单值＿函数。
通过测量线圈电感的变化量，即可实现对该参数的测量。
36.块状金属导体置于变化的磁场中或在磁场中作切割磁力线运动时，导体内部会产生一圈圈闭合的电流，利用该原理制作的传感器称＿电涡流式＿传感器。
37.涡流传感器的线圈与被测物体的距离减小时，互感系数M将＿增大＿。
38.压电材料可以分为＿天然压电晶体材料＿和＿人工合成压电材料＿两种。
39.压电式传感器的工作原理是基于某些介质材料的＿压电效应＿，是一种典型的有源传感器。
二、选择题
1.A是测试系统的第一个环节，将被测系统或过程中需要观测的信息转化为人们所熟悉的各种信号。
A敏感元件B转换元件C传感器D被测量
2.传感器能感知的输入变化量越小，表示传感器的D。
A.线性度越好B.迟滞越小C.重复性越好D.分辨力越高
3.传感器在不考虑迟滞蠕变等因素的影响下，其静态特性方程为：
，其中定义为静态灵敏度的量为B。
A
B
C
D
4.属于传感器动态特性指标的是D。
A．重复性B．线性度C．灵敏度D．固有频率
5.变气隙式电感传感器，当衔铁移动使磁路中空气缝隙的大小增大时，铁芯上线圈的电感量将B
A增大B减小C不变
6.在平行极板电容传感器的输入被测量与输出电容值之间的关系中，是线性的关系A。
A变面积型B变极距型C变介电常数型
7.一骨架为圆形截面的电位器，半径为
，现用直径为
，电阻率为
的导线绕制，已知绕线节距为
，则线绕式电位器的电阻灵敏度表达式为B（需考虑导线的直径）。
A.
B.
C.
D.
8.将电阻应变片贴在C上，就可以分别做成测力、位移、加速度等参数的传感器。
A.质量块B.导体C.弹性元件D.机器组件
9.应变片的主要参数有BC。
A.额定电压B.初始电阻值C.允许工作电流D.额定功率
10.产生应变片温度误差的主要原因有A。
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
11.电阻应变片的初始电阻数值有多种,其中用的最多的是B。
A60ΩB120ΩC200ΩD350Ω
12.金属丝电阻应变片的基本特性中对测量结果影响最大的是D。
A机械滞后B温漂C蠕变D横向效应
13.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
14.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
15.电桥测量电路的作用是把传感器的参数变化转为C的输出。
A.电阻B.电容C.电压D.电荷
16.热电偶温度计采用补偿导线的目的是为了B。
A．节省热电偶的长度B.避免使用冷端补偿C.可以直接使用分度表
17.通常用热电阻测量C。
A．电阻 B．扭矩 C．温度 D．压力
18.对于正温度系数半导体热敏电阻，随着温度上升，电阻率A。
A.上升B.迅速下降C.保持不变D.归零
19.热电偶可以测量C。
A压力B电压C温度D热电势
20.热电偶中产生热电势的条件是BC。
A．两热电极材料相同 B．两热电极材料不同
C．两热电极的两端温度不同 D．两热电极的两端温度相同
21.常用于测量大位移的传感器有（A）
A.感应同步器B.应变电阻式C.霍尔式D.涡流式
22.电容传感器的输入被测量与输出量间的关系，除B之外是线性的。
A.变面积型B.变极距型C.变介电常数型
23.目前，我国使用的铂热电阻的测量范围是A。
A.－200~850︒CB.－50~850︒CC.－200~150︒CD.－200~50︒C
24.变间隙式电容传感器的非线性误差与极板间初始距离之间是A。
A正比关系 B反比关系 C无关系
25.测量范围大的电容式位移传感器的类型为A。
A．变极板面积型B．变极距型C．变介质型D．容栅型
26.由A组成交流电桥平衡条件可写成Z1Z2=Z3Z4
A、电感和电容B、电阻、电容和电感
C、串联和并联D、并联和混联
27.下列传感器中不能做成差动结构的是D。
A电阻应变式B自感式C电容式D电涡流式
28.差动电容传感器采用脉冲调宽电路作测量电路时，当
，则其输出电压正比于（B）。
A．
B.
C.
D.
29.差动变压器式位移传感器中线圈之间的互感MB。
A.始终保持不变B.随被测位移的变化而变化
C.不随被测位移的变化而变化D.随线圈电流的变化而变化
30.下列不是电感式传感器的是D。
A变磁阻式自感传感器B电涡流式传感器
C变压器式互感传感器D霍尔式传感器
31.对于电涡流传感器的谐振测位移电路，当无金属导体靠近时，其输出电压最大。
32.电涡流式传感器激磁线圈的电源是C。
A直流B工频交流C高频交流D低频交流
三、计算题
1．已知变磁通式转速传感器输出电动势的频率f=72Hz，测量齿盘的齿数Z=36，求：
（1）被测轴的转速是每分钟多少转？
（2）在上述情况下，如果计数装置的读数误差为±1 个数字，其最大转速误差是多少？
2．一热敏电阻在0℃和100℃时，电阻值分别为200kΩ和10kΩ。
试计算该热敏电阻在20℃时的电阻值。
3.用镍铬-镍硅势电偶测量某低温箱温度，把热电偶直接与电位差计相连接。
在某时刻，从电位差计测得热电热为-1.19mv，此时电位差计所处的环境温度为15℃，试求该时刻温箱的温度是多少度？
镍铬-镍硅热电偶分度表
测量端温度℃
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
热电动势（mv）
-20
-0.77
-0.81
-0.84
-0.88
-0.92
-0.96
-0.99
-1.03
-1.07
-1.10
-10
-0.39
-0.43
-0.47
-0.51
-0.55
-0.59
-0.62
-0.66
-0.70
-0.74
-0
-0.00
-0.04
-0.08
-0.12
-0.16
-0.20
-0.23
-0.27
-0.31
-0.35
+0
0.00
0.04
0.08
0.12
0.16
0.20
0.24
0.28
0.32
0.36
+10
0.40
0.44
0.48
0.52
0.56
0.60
0.64
0.68
0.72
0.76
+20
0.80
0.84
0.88
0.92
0.96
1.00
1.04
1.08
1.12
1.16
4.下面是热电阻测量电路，试计算：
（1）.已知Rt是Pt100铂电阻，且其测量温度为T=50℃，试计算出Rt的值和Ra的值。
（2）.电路中已知R1、R2、R3和E，试计算电桥的输出电压VAB。
其中（R1=10KΩ，R2=5KΩ，R3=10KΩ，E=5伏）
5.分析（线性）电位器式传感器由于测量线的线路中的负载电阻RL带来的负载误差，并计算它与位移x之间的关系；
6.分析下图所示自感传感器当动铁心左右移动（x1,x2发生变化）时自感L变化情况。
（已知空气气隙的长度为x1和x2，空气隙的面积为S，磁导率为μ，线圈匝数W不变）。
7.如图所示电路是电阻应变仪中所用的不平衡电桥的简化电路，图中R2=R3=R是固定电阻，R1与R4是电阻应变片，工作时R1受拉，R4受压，ΔR=0，桥路处于平衡状态，当应变片受力发生应变时，桥路失去平衡，这时，就用桥路输出电压Ucd表示应变片变后电阻值的变化量。
试证明：
Ucd=-（E/2）（ΔR/R）。
8.图示电荷放大器中Ca=100PF，Ra=∞，Rf=∞，Ri=∞，CF=10PF。
若考虑引线电容CC影响，当A0=104时，要求输出信号衰减小于1%，求使用90PF/m的电缆，其最大允许长度为多少？
9.将一只灵敏度为0.08mv/℃的热电偶与毫伏表相连,已知接线端温度为50℃,毫伏表的输出为60mv,求热电偶热端的温度为多少?
10.下图为变极距型平板电容电容传感器的一种测量电路，其中CX为传感器电容，C为固定电容，假设运放增益A=∞，输入阻抗Z=∞；试推导输出电压U0与极板间距的关系，并分析其工作特点。
11.下图为一直流应变电桥，图中E=8V，R1=R2=R3=R4=120Ω，试求：
①R1，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U0=？
②题①中，如果R2与R1感受应变的极性相反，且增量ΔR1=ΔR2=1.2Ω，电桥输出电压U0=？
12．已知在其特定条件下材料A与铂配对的热电势
，材料B与铂配对的热电势
，试求出此条件下材料A与材料B配对后的热电势。
13．某霍尔元件
为
沿
方向通以电流
，在垂直
面方向加有均匀磁场
，传感器的灵敏度系数为
，试求其输出霍尔电势及载流子浓度。
（
）
14．如图所示为等强度梁测力系统，
为电阻应变片，应变片灵敏度系数
，未受应变时
，当试件受力
时，应变片承受平均应变
，求
（1）应变片电阻变化量
和电阻相对变化量
。
（2）将电阻应变片置于单臂测量电桥，电桥电源电压为直流3
，求电桥
输出电压是多少。
等强度梁测力系统
15.图示为串联式测温电路，其中Rt=R0[1+
（t-t0）]为感温热电阻，Rs为常值电阻，E为工作电压，U0为输出电压，
=0.02/℃.当给定温度为0℃，Rt的电阻值为10kΩ，若测温范围为
0℃~400℃，输出电压U0的范围是1V~5V，试计算工作电压E和常值电阻Rs各取多少?
（
）
四、简答题
1.简述霍尔电动势产生的原理。
答：
在N型半导体薄片的控制电流端通以电流I，则半导体中的载流子电子将沿着和电流相反的方向运动，再在垂直于半导体薄片平面的方向上加一磁场B，则由于洛伦兹力的作用，电子向一边偏转，并使该边形成电子积累，另一边则积累正电荷，于是产生内部电场，该电场阻止运动电子的继续偏转，当电场力与洛伦兹力大小相等时，电子的积累便达到动态平衡。
此时，在薄片两端面之间建立的电场称为霍尔电场，相应的电势即为霍尔电动势。
2.简述热电偶的工作原理。
答：
由A、B两种不同导体材料两端相互紧密地连接在一起，形成一个闭合回路，这样构成一个热电偶。
当两结点温度不等时，回路中就会产生电势，从而形成电流，这就是热电偶的工作原理。
总的热电势由接触电势和温差电势组成，热电偶产生热电势的条件为：
①热电偶必须采用两种不同的材料作为热电极；
②热电偶的热端和冷端两个结点必须具有不同的温度。
3.以石英晶体为例简述压电效应产生的原理。
（P280-281）
4.简述电阻应变片式传感器的工作原理。
14.金属电阻应变片的工作原理。
答：
电阻应变式传感器是利用导体或半导体的应变效应来实现的，当导体或半导体在受到外力作用发生形变时，其阻值也随之改变。
即：
设金属电阻丝，长度为
，截面积为
，电阻率为
，则该导体的电阻为：
。
当电阻丝受到拉力F作用时，伸长
，截面积相应减小
，电阻率的改变为
，则电阻的相对变化量为：
5.什么叫做热电动势、接触电动势和温差电动势？
说明势电偶测温原理及其工作定律的应用。
分析热电偶测温的误差因素，并说明减小误差的方法。
（P208-213）
6.分析应变片式传感器在使用单臂电桥测量电路时由于温度变化而产生测量误差的过程。
（答案见P152）
7.传感器的定义和组成框图？
答：
传感器是能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件和装置，由敏感元件和转换元件组成。
组成框图如下：
8.直流电桥和交流电桥有何区别？
直流电桥的平衡条件是什么？
应变片式电阻传感器、自感式、互感式、涡流式、电容式、热电阻式传感器分别可采用哪种电桥作为测量电路？
答：
直流电桥：
P149-153；交流电桥：
P235-236
9.为什么要对应变片式电阻传感器进行温度补偿，分析说明该类型传感器温度误差补偿方法。
17.用应变片测量时，为什么要进行温度补偿？
答：
用电阻应变片进行测量时，要求被测量只随应变而变，而不受任何其他因素的影响，但应变片的电阻变化受温度影响很大，给测量带来很大的误差，即温度误差，所以要对应变片式电阻传感器进行温度补偿。
导致温度误差的主要原因：
①电阻的热效应；②试件与应变丝的材料线膨胀系数不一致，使应变丝产生附加变形，造成电阻的变化。
温度误差补偿的方法：
①自补偿法；②线路补偿法。
10.以自感式传感器为例说明差动式传感器可以提高灵敏度的原理。
（P253-254）
11.什么是金属应变片的灵敏系数？
请解释它与金属丝灵敏系数的区别。
答：
金属应变片的灵敏系数：
应变片的电阻相对变化与应变片轴向应变的比值，即单位应变所引起的阻值的改变量的大小。
应变片的灵敏系数小于同种材料金属丝的灵敏系数，主要大原因是应变片的横向效应和粘贴胶带来的应变传递失真。
12.热电阻与热敏电阻的电阻-温度特性有什么不同?
答：
热阻效应P202，半导体热敏电阻P204-205
13.试简述电容式传感器的工作原理及分类。
答：
物体间的电容量与其结构参数有关，通过改变结构参数而改变物体间的电容量来实现对被测量的检测，就是电容式传感器的工作原理。
物体间的电容量与构成电容元件的两个极板的形状、大小、相互位置以及极板间的介电常数有关，即：
，电容式传感器可通过改变介电常数
，两极板相互覆盖的面积
和极板间的距离
来改变电容量
而实现测量。
所以电容式传感器可分为变间隙、变面积和变介质三类。
15．简述正、逆压电效应。
P280
16．简述热电偶的三个基本定律（要求有适当文字说明及公式表达）。
答：
中间温度定律：
热电偶AB的热电势仅取决于热电偶的材料和两个结点的温度，而与温度沿热电极的分布以及热电极的参数和形状无关。
用公式表示为：
中间导体定律：
在热电偶AB回路中，只要接入的第三导体两端的温度相同，则对回路的总热电势没有影响。
用公式表示为：
标准电极定律：
当热电偶回路的两个结点温度为T，T0时，用导体AB组成的热电偶的热电势等于热电偶AC和热电偶CB的热电势的代数和，导体C为标准电极，即：
五、名词解释
1.传感器：
能感受规定的被测量并按一定规律转换成可用输出信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。
2.传感器的幅频特性和相频特性：
幅频特性：
传感器输出特性的幅度与输入信号频率之间的关系。
相频特性：
传感器输出特性的相位与输入信号频率之间的关系。
3.传感器的分辨力、线性度：
传感器在全部工作范围内，都能够产生可观测输出变化的最小输入变化量的最大值即传感器的分辩力。
传感器实际的静态特性的校准特性曲线与某一参考直线不吻合程度的最大值即线性度。
4.电阻应变片的横向效应：
金属电阻丝制成应变片时，在电阻丝的弯段，电阻的变化率与直段不同，导致应变片的灵敏系数比直段线材的灵敏度小，即产生横向效应。
5.压阻效应：
固体受到作用力后电阻率发生变化的现象即固体的压阻效应。
6．热电效应：
物质的电阻率随温度变化的物理现象。
大多数金属的电阻随温度的升高而增加，其原因是：
当温度增加时，自由电子的动能增加，这样要改变自由电子的运动方式使之形成定向运动所需的能量要增加，这反映到电阻上，其阻值增加。
7．接触电势：
两种不同材料的导体相互紧密连接在一起，由于导体中自由电子的浓度不同，自由电子就会扩散，单位时间里自由电子浓度大的导体向浓度小的所扩散的电子数多，自由电子浓度大的导体因失去电子而带正电，浓度小的因得到电子而带负电，于是在接触处形成电位差，该电位差称为接触电势。
8.温差电势：
对于单一均质导体，当其两端的温度不同时，由于温度较高的一端的电子能量高于温度较低的一端的电子能量，因此产生电子扩散，形成了温差电势。
9.中间温度定律：
热电偶的热电势仅取决于热电偶的材料和两个结点的温度，而与温度沿热电极的分布以及热电极的参数和形状无关。
10.霍尔效应：
在金属或半导体薄片两端通以控制电流，并在薄片的垂直方向上施加磁场，则在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势，这种现象称为霍尔效应。
11．压电效应：
逆压电效应：
在电介质极化方向施加电场，电介质会产生机械变形，当去掉外加电场时，电介质的变形随之消失，这种将电能转变为机械能的现象称之为逆压电效应。
正压电效应：
某些电介质，当沿一定方向施加外力导致材料发生变形时，其内部将发生极化现象，同时在某些表面产生电荷，当外力去掉后，又重新回到不带电状态，这种将机械能转变为电能的现象称为正压电效应。
六、分析题
1.如图所示，请填充下列各空：
（1）．图1是电容式加速度传感器结构示意图。
（2）．图1中各编号名称：
①是活动极板；
②是固定极板。
2.根据图2简述差动脉冲调宽电路的工作原理，并证明用该转换电路工作的差动式变极距型电容传感器的输出电压与动极位移成正比。
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