传感器原理及应用试题库.docx
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传感器原理及应用试题库
一：
填空题（每空1分）
1.依据传感器的工作原理，传感器分敏感元件，转换元件，测量电路三个部分组成。
2.金属丝应变传感器设计过程中为了减少横向效应，可采用直线栅式应变计和箔式应变计结构。
3.根据热敏电阻的三种类型，其中临界温度系数型最适合开关型温度传感器。
4.灵敏度是描述传感器的输出量对输入量敏感程度的特性参数。
其定义为：
传感器输出量的变化值与相应的被测量的变化值之比，用公式表示k（x）=Δy/Δx。
5.线性度是指传感器的输出量与输入量之间是否保持理想线性特性的一种度量。
按照所依据的基准之线的不同，线性度分为理论线性度、端基线性度、独立线性度、最小二乘法线性度等。
最常用的是最小二乘法线性度。
6.根据敏感元件材料的不同，将应变计分为金属式和半导体式两大类。
7.应变传感器设计过程中，通常需要考虑温度补偿，温度补偿的方法电桥补偿法、计算机补偿法、应变计补偿法、热敏电阻补偿法。
8.应变式传感器一般是由电阻应变片和测量电路两部分组成。
9.传感器的静态特性有灵敏度、线性度、灵敏度界限、迟滞差和稳定性。
10.国家标准GB7665--87对传感器下的定义是：
能够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或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。
11.传感器按输出量是模拟量还是数字量，可分为模拟量传感器和数字量传感器
12.传感器静态特性的灵敏度用公式表示为：
k（x）=输出量的变化值/输入量的变化值=△y/△x
13.应变计的粘贴对粘贴剂的要求主要有：
有一定的粘贴强度；能准确传递应变；蠕变小；机械滞后小；耐疲劳性好；具有足够的稳定性能；对弹性元件和应变计不产生化学腐蚀作用；有适当的储存期；应有较大的温度适用范围。
14.根据传感器感知外界信息所依据的基本校园，可以将传感器分成三大类：
物理传感器，化学传感器，生物传感器。
15.应变式测力与称重传感器根据弹性体的的结构形式的不同可分为柱式传感器、轮辐式传感器、悬梁式传感器和环式传感器
16.长为l、截面积为A、电阻率为ρ的金属或半导体丝，其电阻为：
。
17.应变测力传感器由弹性体、应变计和外壳组成。
18.电阻应变计，也称应变计或应变力，是一种能将机械构件上的应变的变化转换成电阻变化的传感元件。
19.一个高阶系统的传感器总可以看成是由若干个零阶系统、一阶和二阶系统组合而成的。
20.敏感光栅越窄，基长越长的应变计，其横向效应引起的误差越小（大/小）。
21.应变式传感器的基本结构通常可以分为两部分，弹性敏感元件和应变计。
22.应变计自补偿方法包括：
选择式自补偿应变计和双金属敏感栅自补偿应变计。
23.依据传感器的输出信号形式，传感器可分为模拟式传感器，数字式传感器。
24.传感器线性度公式
，其中，YFS表示的是传感器满量程输出平均值。
25.两个各有G1（s）和G2（s）传递函数的系统串联后，如果其阻抗匹配合适，相互之间不影响彼此的工作状态，那么其传递函数为G（s）=G1（s）•G2（s）。
26.实验表明，金属线材的应变计实际灵敏度k恒（＞、＜或＝）理论灵敏度系数k0,其原因除了粘合剂、基片传递变形失真外，主要原因是存在横向效应。
27.输入逐渐增加到某一值，与输入逐渐减小到同一入值时的输出值不相等，叫做迟滞现象。
迟滞差表示这种不相等的程度。
其值以满量程的输出ＹFS的百分数表示。
28.由于环境改变而带来的温度误差，称为应变计的温度误差，又称热输出
29.悬臂梁作为弹性敏感原件，根据其界面形状不同，一般可分为等截面梁和等强度梁。
30.线性度和灵敏度是传感器的静态指标，而频率响应特性是传感器的动态指标。
31.金属电阻的应变效应是金属电阻应变片工作的物理基础。
半导体电阻应变片是基于压阻效应。
32.测量加速度的传感器种类很多，目前使用最广泛、最普遍的是压电加速度传感器
33.热敏电阻有三种类型，即正温度系数型、负温度系数型、临界温度系数型
34.传感器按工作原理分为：
应变式，电容式，电感式等。
35.传感器灵敏度定义为：
36.光电二极管是利用PN结单向导电性的结构光电器件
37.当某些晶体沿一定方向伸长或者压缩是，在其表面上会产生电荷，这种效应称为压电效应＿＿。
38.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。
39.变磁阻式传器是利用被测量调制磁路的磁阻,导致线圈电感量改变,实现对被测量测量的。
40.半导体传感器大致可分为接触型和非接触型，前者是让温度传感器直接与待测对象接触，后者是使温度传感器与待测对象离开一定距离，检测从待测对象放射出的红外线，从而达到测温的目的。
41.热敏电阻主要有哪三种类型：
正温度系数型（PTC）、临界温度系数型（CTR）、负温度系数型（NTC）。
单项选择题（每题2分）
1、下列哪一项是金属式应变计的主要缺点（A）
A：
非线性明显
B：
灵敏度低
C：
准确度低
D：
响应时间慢
2、螺管型差动变压器的衔铁和铁芯用同种材料制成，通常选（A）
A：
电阻率大，导磁率高，饱和磁感应大的材料
B：
电阻率大，导磁率高，饱和磁感应小的材料
C：
电阻率大，导磁率底，饱和磁感应大的材料
D：
电阻率小，导磁率高，饱和磁感应大的材料
3、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
4、应变式传感器的温度误差产生的主要原因：
（E）
A：
应变式温度传感器件的温度系数变化。
B：
应变式温度传感器件的测量部分引起的。
D：
应变式温度传感器件对温度应变不敏感引起的。
E：
试件材料与应变丝材料的线膨胀系数不一,使应变丝产生附加变形而造成的电阻变化。
5、下面的哪个温度补偿方法是不存在的（C）
A:
电桥补偿法
B:
辅助测温元件微型计算机补偿法
C:
电阻补偿法
D:
热敏电阻补偿法
6、下列哪一项是半导体式应变计的主要优点（B）
A：
非线性明显
B：
灵敏度高
C：
准确度高
D：
横向效应小
7、电桥测量电路的作用是把传感器的参数转换为（B）的输出
A：
电阻
B：
电压
C：
电容
D：
电荷2
8、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。
9、传感器的输出量通常为（B ）
A 非电量信号
B 电量信号
C 位移信号
D 光信号
10、按照依据的基准线不同，下面那种线性度是最常用的（D）
A：
理论线性度B：
端基线性度
C：
独立线性度D：
最小二乘法线性度
11、输入逐渐增加到某一值，与输入逐渐减小刀同一输入值时的输出值不相等是属于传感器静态特性的哪一种（D）
A:
灵敏度
B:
线性度
C:
灵敏度界限
D:
迟滞性
12、以下属于应变计温度误差产生的原因是：
（D）
A：
应变式温度传感器件的温度系数变化。
B：
应变式温度传感器件的测量部分引起的。
C：
应变式温度传感器件对温度应变不敏感引起的。
D：
敏感栅金属丝电阻本身随温度发生变化。
13、符合对粘合剂的要求是：
A
A机械滞后小B蠕变大C温度使用范围小D存储期大
14、组合式压力传感器用于测量B
A大压力B小压力C高速D低速
15、下列哪种温度补偿方法是常用和效果较好的补偿方法：
（A）
A：
电桥补偿法
B：
辅助测温元件微型计算机补偿法
C：
应变计自补偿法
D：
热敏电阻补偿法
16、下列哪一项不是金属式应变计的主要缺点（D）
A：
非线性明显
B：
输出信号微弱
C：
抗干扰能力差
D：
响应时间慢
17、以下那个质量是直接影响传感器的性能和精度（B）
A：
应变计。
B：
弹性敏感元件。
C：
敏感栅。
D：
电路电阻。
E：
暗视场光纤微变传感器信号不易受到温度影响。
18、为了减小热电偶测温时的测量误差，需要进行的温度补偿方法不包括（D）。
A.补偿导线法B.电桥补偿法
C.冷端恒温法D.差动放大法
D可用于恶劣环境
E可根据需要做成各种形状
19、电阻应变片的线路温度补偿方法有（）.
A.差动电桥补偿法
B.补偿块粘贴补偿应变片电桥补偿法
C.补偿线圈补偿法
D.恒流源温度补偿电路法
20、通常用应变式传感器测量（BCD）.
A.温度B.速度C.加速度D.压力
21、压电式加速度传感器是（D）传感器。
A、结构性B、适于测量直流信号的
C、适于测量缓变信号的D、适于测量动态信号的
22、石英晶体测量加速度基于哪个物理效应（B）
A、热电效应B、压电效应C、横向效应D、霍尔效应
23、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
24、传感器一般包括敏感元件，还包括（A）
A、转换元件B、敏感头C、压敏器件D、温敏器件
25、电阻应变计的电阻相对变化ΔR/R与应变ΔL/L=ε之间在很大范围内是线性的则k=（A）
A.ΔR/R/ε
B.ΔR/R/L
C.ΔR/R/ΔL
D.ΔL/L/R
26、应变式传感器的温度误差产生的主要原因D
A.应变式温度传感器件的温度系数变化。
B.应变式温度传感器件的测量部分引起的。
C.应变式温度传感器件对温度应变不敏感引起的。
D.试件材料与应变丝材料的线膨胀系数不一,使应变丝产生附加变形而造成的电阻变化。
27、下列传感器不属于按基本效应分类的是D
A．半导体传感器
B．磁传感器
C．物理传感器
D．真空传感器
简答题
1、什么是压电效应压电传感器有哪些
答：
当某些晶体沿一定方向伸长或压缩时，在其表面上会产生电荷，这种效应成为压电效应。
压电传感器有压电加速度传感器、压电谐振式传感器、声表面波传感器。
2、电阻应变计产生温度误差的原因是
答：
（1）敏感栅金属丝电阻本身随温度发生变化。
（2）试件材料与应变丝材料的线膨胀系数不一，使应变丝产生附加变形而造成的电阻变化。
3、什么叫线性度
其定义为:
传感器的输出—输入校准曲线与理论拟合直线之间的最大偏差与传感器满量程输出之比,称为该传感器的“非线性误差”或称“线性度”,也称“非线性度”。
通常用相对误差表示其大小:
4、简述温度补偿方法有哪些:
（1）电桥补偿法。
（2）辅助测温元件微型计算机补偿法。
（3）应变计自补偿法。
（4）热敏电阻补偿法。
5、应变式传感器与其他类型传感器相比具有如下特点:
（1）测量范围广、精度高。
（2）性能稳定可靠,使用寿命长。
（3）频率响应特性较好。
（4）能在恶劣的环境条件下工作。
（5）易于实现小型化、整体化
6、应变计的零漂的定义以及产生零漂的原因
答：
恒定温度下，粘贴在试件上的应变计，在不承受载荷的条件下，电阻随时间变化的特性称为应变计的零漂。
零漂的主要原因是，敏感栅通过工作电流后的温度效应，应变计的内应力逐渐变化，粘接剂固化不充分等。
7、什么是传感器的灵敏度
灵敏度是描述传感器的输入量（一般为电学量）对输入量（一般为非电学量）敏感程度的特性参数。
其定义为：
传感器的变化值和相应的被测量（输入量）的变化值之比，用公式表示为：
K（x）=输出量的变化值/输入量的变化值=△y/△x
8、应变式传感器与其他类型传感器相比具有如下特点:
（1）测量范围广、精度高。
（2）性能稳定可靠,使用寿命长。
（3）频率响应特性较好。
（4）能在恶劣的环境条件下工作。
（5）易于实现小型化、整体化
9、金属式应变片和半导体式应变片在工作原理上有什么不同
答：
金属应变片是通过变形改变丝栅的几何尺寸，而它的电阻率一般不变，半导体应变片是基于压阻效应而工作的，就是说沿半导体晶轴的应变，使它的电阻率有很大的变化，从而产生电阻变化。
10、什么是电桥补偿法
在被测试件上安装一工作应变计，在另外一个于被测试件的材料相同，但不受力的补偿件上安装一补偿应变计。
补偿件于被测试件处于完全相同的温度场内。
测量时，使两者接入电桥的相邻臂上，由于补偿片RB是与工作片R1完全相同的，且都贴在相同的试件上，并处于相同的温度下，这样，由于温度变化使工作片产生的电阻变化ΔR1t与补偿片的电阻变化RBt相等，因此，电桥输出Usc与温度无关，从而补偿了应变计的温度误差。
11、什么是传感器
答：
传感器是与人的感觉器官相对应的元件。
能够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或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。
12、什么是零漂和蠕变
答：
（1）恒定温度下，粘贴在试件上的应变计，在不承受载荷的条件下，电阻随时间变化的特性称为应变计的零漂。
零漂的主要原因是，敏感栅通过工作电流后的温度效应,应变计的内应力逐渐变化，粘接剂固化不充分等。
（2）粘贴在试件上的应变计，保持温度恒定，在某一恒定机械应变长期作用下，指示应变随时间变化的特性，称为应变计的蠕变。
粘合剂的选用和使用不当，应变计在制造过程中产生的内应力等，是造成应变计产生蠕变的主要原因。
13、简述应变计对粘贴剂的要求。
答：
有一定的粘结强度。
能准确传递应变。
蠕变小。
机械滞后小。
耐疲劳性能好。
具有足够的稳定性能。
对弹性元件和应变计不产生化学腐蚀作用。
有适当的储存期。
应有较大的温度使用范围。
14、传感器技术发展迅速的原因
答：
（1）电子工业和信息技术促进了传感器产业的相应发展
（2）政府对传感器产业发展提供资助并大力扶植
（3）国防、空间技术和民用产品有广大的传感器市场
（4）在许多高新技术领域可获得用于开发传感器的理论和工艺
15、什么是电阻应变效应
是指金属导体的电阻在导体受力产生变形（伸长或缩短）时发生变化的物理现象。
当金属电阻丝受到轴向拉力时，其长度增加而横截面变小，引起电阻增加。
反之，当它受到轴向压力时则导致电阻减小
16、什么是传感器传感器由哪三个部分组成
答：
传感器是一种以一定的精确度把被测量转换为与之有确定对应关系的便于应用的某种物理量的测量装置。
传感器的组成：
敏感元件——直接感受被测量（非电量）能产生有确定关系的输出量
传感元件——又称为变换器，一般情况它不直接感受被测量，而是将敏感元件的输出量转换为电量输出的元件。
变换电路——能把传感元件输出的电量转换为便于处理、传输、记录、显示和控制的有用电信号的电路。
17、什么是晶体压电效应请举例说明。
答：
当某些晶体沿一定方向伸长或压缩时，在其表面上会产生电荷，这种效应称为压电效应。
一些晶体当不受外力作用时，晶体的正负电荷中心相重合，单位体积中的电距等于零，晶体对外不呈现极性，而在外力作用下晶体形变时，正负电荷的中心发生分离，这是单位体积的电锯不再等于零，晶体表现出极性。
另外一些晶体由于具有中心对称的结构，无论外力如何作用，晶体正负电荷的中心总是重合在一起，因此这些晶体不会出现压电效应。
设计题（20分，每个10分）
1．依据已学知识设计一光纤位移传感器（要求画出框架图，并解释位移与输出信号的关系）
2．依据已学知识设计一种加速度传感器（要求画出结构图并注明所用的敏感元件）
3．用所学知识设计出一种压力传感器，说明他的工作原理
P103图光纤测压传感器或者P151图
4．光纤干涉仪有较高的灵敏度，具有非常大的动态范围等优势。
利用集成电路技术和目前的电光技术起来，请画出集成的迈克尔逊（Michelson）干涉仪，并写出具体部件。
5．依据已学知识设计一硒蒸发膜湿度传感器（标明电极）
图见书本P187页
6．用热释电传感器设计一个热释电报警器
7．CCD图像传感器的工作原理
8．依据已学知识设计一容器内液体重量传感器
9．依据已学知识设计一种热释电传感器（要求画出结构图并注明所用的敏感元件）
10．画出你所认知的一种光电式传感器，要求注明结构
如图是光电管
11．设计微弯光纤传感器104页
12．依据已学知识设计一种筒式压力传感器（要求画出结构图并注明所用的敏感元件）
13．依据已学知识设计一应变式感器（要求画出结构图并注明所用的敏感元件）
应变电阻1和4沉积在杆的凹面处
应变电阻2和3沉积在杆的凸面处
14．依据已学知识，设计一个用差动变压式加速度传感器来测量某测试台平台振动的加速度（只画出原理图）
15．依据所学知识，设计一种实现自相关检测传感器（只画出原理图）
16．依据已学知识设计一种零差法检测的光纤相位传感器（要求只画出框架图）
17．依据已学知识设计一光纤磁传感器（要求画出框架图，并解释位移与输出信号的关系）
答：
书本P121，图
18．依据已学知识设计一种位移传感器（要求画出结构图并注明所用的敏感元件）（5分）
P101图（a）所示
计算题（10分）
1.对于钢材v=5000m/s,若要e=1％时，对L=1mm的应变计，其允许的最高工作频率多大
答：
f=v（6e）1/2/πl=5×106×（6×）1/2/（π×1）=390kHz
2.某温度传感器特性方程为20dy/dt+5y=，其中y为输出电压（mV），x为输入温度（℃），求该传感器的时间常数τ和静态灵敏度k。
用石英晶体加速度计及电荷放大器测量机器的振动，已知：
加速度计的灵敏度为5pC/g，电荷放大灵敏度为50mV/pC，当机器达到最大加速度值时相应的输出电压幅值为2V，试求机器的振动加速度。
（g为重力加速度）
解：
由题意知，振动测量系统（压电式加速度计加上电荷放大器）的总灵敏度
K=K1*K2=5pC/g*50mV/pC=250mV/g=U/a
式中U为输出电压，a为振动系数的加速度。
当输出电压为2V时，振动加速度为
a=U/K=2*10^3/250=8（g）
3.已知均匀光纤的折射率为
=，相对折射率差为⊿=，纤芯半径为a=25
，试求：
该光纤LP01模的截止波长。
若
=1
，试计算光纤的归一化截止频率V及其中传输的模数量N各等于多少。
（8％）
由，⊿=
=，可得
=（3分）
=
（3分）
=（3分）
=368（3分）
4.已知某二阶系统传器的自振频率f0=10kHz，阻尼比ξ=，若要求传感器的输出幅值误差小于5%，试确定该传感器的工作频率范围。
5.某压电加速度传感器的电容为Cs=100pF，电荷灵敏度Kq=g，①求压电加速度传感器的电压灵敏度；②外接电缆和示波器组成一个测量系统，电缆电容Cc=100pF，示波器的输入阻抗为Ri=100MΩ和并联电容为Ci=50pF，如测量系统允许的幅值误差为5%，最低可测频率是多少
6.根据一阶（惯性）系统的传递函数：
，求冲激响应。
7.答：
设输入信号为δ函数,即：
且
根据拉普拉斯变化：
所以：
8.6.
9.7.频率响应特性可由频率响应函数表示。
设输出信号x（t）=sinωt
L{x（t）}=ω/s²+ω²求稳态响应。
Y（s）=kω/[τ（s+1/τ）（s²+ω²）]
求变换其中Φ=-arctanωπ
稳定响应y（t）=ksin（ωt+φ）/（1+ω²τ²）
10.1，如图所示，设R1为电桥工作臂，受应变时，其电阻变化为△R1，R2，R3，R4均为固定桥臂。
在起始时，电桥处于平衡状态，此时Usc=0.当有△R1时，求电桥输出电压
答：
因为
，
设n=
，起始电桥处于平衡状态，所以
，略去分母中的
项，得
根据上图所示，已知此电路为直流电桥，R1=1，R2=2，R3=3，求R4
根据R1R4=R2R3，得R4=R2R3/R1=6
11.对于钢材应变波速是5000
，若要相对误差是1%。
对L=1mm的应变计，其允许的最高工作的频率是
F=
12.已知Pmax=IU为常数的图形，求极限情况下的电导和电压变化。
如图已知
故可求得
如果照度变化足够大，既从
零变至Ev，则电压变化为
式中，IO为A点的暗电流。
将GL代入上式得到的电压变化为
13.在某二阶传感器的频率特性测试中发现，谐振发生在频率为216HZ处，并得到最大幅值比为:
1,试估该传感器的阻尼比和有角频率的大小。
答：
二阶系统
ｐ７６页 例题的 电路分析计算
有一直流电桥，如图，桥臂由R1，R2,R3,R4组成。
求a,b两端开路电压和内阻
答：
14.直流电桥的特性方程的推导
答P2710
15.设E=18V,光电三极管采用3DU13，他在照度100LX时的电流IL=.晶体管采用3DG6B,β=30求RL,RC
答p78，10
16.求一阶系统的频率响应的求导。
幅频特性，相频特性
答P11，11
不定项选择
1、反射式光纤位移传感器属于振幅型光纤传感器的一种，其测量位移与输出有如下关系（）
A.位移与输出信号成线性关系。
B.在一定范围内位移与输出信号成线性关系。
C.位移与输出信号成反比关系。
D.在一定范围内位移与输出信号成反比关系
E.输出信号存在一种峰值。
2、下列哪些是半导体应变计的优点（ABD）
A、灵敏度高
B、体积小、耗电省
C、横向效应小
D、机械滞后小，可测量静态应变、低频应变等。
3、因环境温度改变而引起的附加电阻变化或者造成的视应变，与下列哪些因素有关（ABC）
A、环境温度变化
B、应变计本身的性能参数κ、α、β
C、被测构件的线膨胀系数βg
D、应变丝的长度l
4、在应变式传感器应用中，温度的补偿方法主要有（ABCD）
A、应变计自补偿法
B、电桥补偿法
C、辅助测温元件微型计算机补偿法
D、热敏电阻补偿法
5、光电器件的温度特性可以是下列哪些元素与温度的关系（BCD）
A、入射辐射通量
B、灵敏度
C、暗电流
D、光电流
6、半导体式应变计的主要特征有哪些（ABD）
A:
测量应变的灵敏度和精度高
B:
测量范围大
C:
尺寸大
D:
能适应各种环境
E:
价格高
7、金属式应变计的主要缺点有哪些（AD）
A：
非线性明显
B：
灵敏度低
C：
准确度低
D：
抗干扰能力差
E：
响应时间慢
8、应变式传感器的温度误差产生的主要原因：
（CE）
A：
应变式温度传感器件的温度系数变化。
B：
应变式温度传感器件的测量部分引起的。
C：
敏感栅金属丝电阻本身随温度发生变化。
D：
应变式温度传感器件对温度应变不敏感引起的。
E：
试件材料与应变丝材料的线膨胀系数不一,使应变丝产生附加变形而造成的电阻变化。
9、设计光纤微弯传感器时，下面说法正确的是（AD）
A：
在光纤微变传感器中的变形器前后一定要有模式除去器。
B：
暗视场光纤传感器比明视场的灵敏度高。
C：
暗视场光纤微弯传感器的背景光噪声大。
D：
暗视场信号放大倍数比亮视场的放大倍数大。
E：
暗视场光纤微变传感器信号不易受到温度影响。
10、下面的哪些传感器属于内光电传感器（CDE）
A:
光电管;
B:
光电倍增管
C:
光敏电阻
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