课题一 传感器与检测技术基础理论.docx

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课题一传感器与检测技术基础理论

课题一传感器与检测技术的基础理论

课题一传感器与检测技术的基础理论

1-1有一数字温度计，它的测量范围为-50～+150，精度为0.5级。

求当示值分别为-20、+100时的绝对误差及示值相对误差。

矚慫润厲钐瘗睞枥庑赖。

1-2欲测240V电压，要求测量示值相对误差不大于，问选用量程为250V电压表，其精度为哪级？

若选用量程为300V和500V电压表，其精度又为哪级？

聞創沟燴鐺險爱氇谴净。

1-3已知待测电压约为80V左右。

现有两只电压表，一只为0.5级，测量范围为0～300V，另一只为1.0级，测量范围为0～100V。

问选用哪一只电压表测量较好？

为什么？

残骛楼諍锩瀨濟溆塹籟。

1-4用一台三位数字电子温度计测量温度，数字面板上显示如图1－1所示的数值，求该仪表的分辨力、被测温度值、示值相对误差、满意相对误差。

（提示：

该三位数字表的量程上限为199.9）酽锕极額閉镇桧猪訣锥。

1-5有一台测量压力的仪表，测量范围为，压力p与仪表输出电压之间的关系为

式中，，求：

1）该仪表的输出特性方程。

2）画出输出特性曲线示意图（x轴、y轴均要标出单位）。

3）该仪表的灵敏度表达式。

4）画出灵敏度曲线图。

5）该仪表的线性度。

1-6检测系统由哪几部分组成？

说明各部分的作用。

1-7非电量的电测法有哪些优点？

1-8测量稳压电源输出电压随负载变化的情况时，应当采用何种测量方法？

如何进行？

1-9某线性位移测量仪，当被测位移由4.5mm变到5.0mm时，位移测量仪的输出电压由3.5V减至2.5V，求该仪器的灵敏度。

彈贸摄尔霁毙攬砖卤庑。

1-10某测温系统由以下四个环节组成，各自的灵敏度如下：

　　　铂电阻温度传感器：

　　　电桥：

　　　放大器：

100（放大倍数）

　　　笔式记录仪：

　　求：

（1）测温系统的总灵敏度；

（2）纪录仪笔尖位移4cm时。

所对应的温度变化值。

1-11有三台测温仪表，量程均为0~600，精度等级分别为2.5级、2.0级和1.5级，现要测量500的温度，要求相对误差不超过2.5%，选哪台仪表合理？

謀荞抟箧飆鐸怼类蒋薔。

1-12什么是系统误差和随机误差？

正确度和精密度的含义是什么？

它们各反映何种误差？

1-13服从正态分布规律的随机误差有哪些特征？

1-14等精度测量某电阻10次，得到的测量值如下：

（1）求10次测量的算术平均值，测量的标准误差和算术平均值的标准误差；

（2）若置信概率取99.7%，写出被测电阻的真值和极限值。

　　课题二电阻式传感器

2-1弹性元件在传感器中起什么作用？

2-2试列举金属丝电阻应变片与半导体应变片的相同点和不同点。

2-3绘图说明如何利用电阻应变片测量未知的力。

2-4热电阻传感器有哪几种？

各有何特点及用途？

2-5简要说明气敏、湿敏电阻传感器的工作原理并举例说明它们的用途。

2-6电阻应变片阻值为，灵敏系数K＝2，沿纵向粘贴于直径为0.05m的圆形钢柱表面，钢材的，。

求钢柱受10t拉力作用时，应变片的相对变化量。

又若应变片沿钢柱圆周方向粘贴、受同样拉力作用时，应变片电阻的相对变化量为多少？

厦礴恳蹒骈時盡继價骚。

2-7有一额定负荷为2t的圆筒荷重传感器，在不承载时，四片应变片阻值均为，传感器灵敏度为，应变片的K＝2，圆筒材料的，电桥电源电压，当承载为0.5t时（、沿轴向粘贴，、沿圆周方向粘贴），求：

1）、的阻值；2）、的阻值；3）电桥输出电压；4）每片应变片功耗。

茕桢广鳓鯡选块网羈泪。

2-8有一测量吊车起吊重物的拉力传感器如图3－1所示。

、、、贴在等截面轴上。

已知等截面轴的截面积为，弹性模量E为，泊松比为0.30。

、、、标称阻值均为，灵敏度为2.0，他们组合桥如图b所示，桥路电压为2V，测得输出电压为2.6mV。

求：

鹅娅尽損鹌惨歷茏鴛賴。

1）等截面轴的纵向及横向应变。

2）重物m有多少吨？

2-9有一应变式等强度悬臂梁式力传感器，如图3－2所示。

假设悬臂梁的热膨胀系数与应变片中的电阻热膨胀系数相等，，构成半桥双臂电路。

1）求证：

该传感器具有温度补偿功能；2）设悬臂梁的厚度，长度，固定端的宽度，材料的弹性模量，桥路的输入电压，输出电压为1.0mV，K＝2.0。

求作用力F。

籟丛妈羥为贍偾蛏练淨。

2-10铜电阻的阻值与温度t的关系可用下式表示

已知铜电阻的为，温度系数为，求当温度为时的铜电阻阻值。

2-11直流测量电桥和交流测量电桥有什么区别？

2-12热电阻测温时采用何种测量电路？

为什么要采用这种测量电路？

说明这种电路的工作原理。

2-13采用阻值为120Ω、灵敏度系数K=2.0的金属电阻应变片和阻值为120Ω的固定电阻组成电桥，供桥电压为4V，并假定负载电阻无穷大。

当应变片上的应变分别为1和1000时，试求单臂工作电桥、双臂工作电桥以及全桥工作时的输出电压，并比较三种情况下的灵敏度。

預頌圣鉉儐歲龈讶骅籴。

2-14采用阻值，灵敏度系数K=2.0的金属电阻应变片与阻值的固定电阻组成电桥，供桥电压为10V，当应变片应变为1000时，若要使输出电压大于10mV，则可采用何种接桥方式（设输出阻抗为无穷大）？

渗釤呛俨匀谔鱉调硯錦。

2-15下图所示为一直流电桥，供电电源电动势V，，和为相同型号的电阻应变片，其电阻均为，灵敏度系数K=2.0。

两只应变片分别粘贴于等强度梁同一截面的正反两面。

设等强度梁在受力后产生的应变为5000，试求此时电桥输出端电压。

铙誅卧泻噦圣骋贶頂廡。

课题三电容式传感器

3-1电容式传感器有什么特点？

试举出你所知道的电容传感器的实例。

3-2图5-18所示为差动筒形电容传感器及转换电路。

求证：

当测杆上升H时，

3-3粮食部门在收购、存储粮食时，需测定粮食的干燥程度，以防霉变。

请你根据已学过的知识设计一个粮食水份含量测试仪（画出原理图、传感器简图，并简要说明它的工作原理及优缺点）。

擁締凤袜备訊顎轮烂蔷。

3-4试分析变面积式电容传感器和变间隙式电容传感器的灵敏度？

为了提高传感器的灵敏度可采取什么措施并应注意什么问题？

贓熱俣阃歲匱阊邺镓騷。

3-5为什么说变间隙型电容传感器特性是非线性的？

采取什么措施可改善其非线性特征？

3-6有一平面直线位移型差动电容传感器其测量电路采用变压器交流电桥，结构组成如图所示。

电筒传感器起始时，，极距，极间介质为空气，测量电路中V，且。

试求动极板上输入一位移量时的电桥输出电压。

坛摶乡囂忏蒌鍥铃氈淚。

3-7变间隙电容传感器的测量电路为运算放大器电路，如图所示。

传感器的起始电容量，定动极板距离，，运算放大器为理想放大器（即），极大，输入电压V。

求当电容传感器动极板上输入一位移量使减小时，电路输出电压为多少？

蜡變黲癟報伥铉锚鈰赘。

3-8如图所示正方形平板电容器，极板长度，极板间距离。

若用此变面积型传感器测量位移，试计算该传感器的灵敏度并画出传感器的特性曲线。

极板间介质为空气，。

買鲷鴯譖昙膚遙闫撷凄。

　　课题四电感式传感器

4-1电感式传感器有几大类？

各有何特点？

4-2什么叫零点残余电压？

产生的原因是什么？

4-3图4-24所示是一种差动整流的电桥电路，电路由差动电感传感器、以及平衡电阻、（）组成。

桥的一个对角线接有交流电源，另一个对角线为输出端。

试分析该电路的工作原理。

綾镝鯛駕櫬鹕踪韦辚糴。

4-4差动变压器式"差压变送器"见图4-16，其差压与膜盒挠度的关系、差动变压器衔铁的位移与输出电压的关系如图所示。

求：

当输出电压50mV时，差压P1-P2为多少帕斯卡？

驅踬髏彦浃绥譎饴憂锦。

4-5用一电涡流式测振仪测量某种机器主轴的轴向振动，已知传感器的灵敏度为20mV/mm。

最大线性范围为5mm。

现将传感器安装在主轴的右侧，如图4-26b所示。

问：

猫虿驢绘燈鮒诛髅貺庑。

　　1）传感器与被测金属的安装距离l为多少毫米时可得到良好的测量效果？

　　2）轴向振幅的最大值是多少？

　　3）主轴振动的基频f是多少？

4-6影响差动变压器输出线性度和灵敏度的主要因素是什么？

4-7电涡流式传感器的灵敏度主要受哪些因素影响？

它的主要优点是什么？

4-8试说明图所示的差动相敏检波电路的工作原理。

4-9如图所示的差动电感式传感器的桥式测量电路，、为传感器的两差动电感线圈的电感，其初始值均为。

、为标准电阻，为电源电压。

试写出输出电压与传感器电感变化量间的关系。

锹籁饗迳琐筆襖鸥娅薔。

4-10如图所示为一差动

整流电路，试分析电路的

工作原理。

　　课题五压电式传感器

5-1什么是压电效应？

以石英晶体为例说明压电晶体是怎样产生压电效应的？

5-2常用的压电材料有哪些？

各有哪些特点？

5-3压电式传感器能否用于静态测量？

为什么？

5-4某压电式压力传感器的灵敏度为，假设输入压力为时的输出电压式1V，试确定传感器总电容量。

5-5用压电式加速度计及电荷放大器测量振动，若传感器灵敏度为（g为重力加速度），电荷放大器灵敏度为，试确定输入3g加速度时系统的输出电压。

構氽頑黉碩饨荠龈话骛。

5-6图6-9所示是用压电式传感器和电荷放大器测量某种机器的振动，已知传感器的灵敏度为100pG/g，电荷放大器的反馈电容Cf=0.01uF,测得输出电压峰值为Uom=0.4V,振动频率为100Hz。

輒峄陽檉簖疖網儂號泶。

　　1）求机器振动的加速度最大值am（m/s2）;

　　2）假定振动为正弦波，求振动的速度v（t）；

　　3）求出振动的幅度的最大值xm0

　　提示：

5-7根据图6-10所示石英晶体切片上的受力方向，标出晶体切片上产生电荷的符号。

5-8压电式传感器测量电路的作用是什么？

其核心是解决什么问题？

5-9一压电式传感器的灵敏度，连接灵敏度的电荷放大器，所用的笔式记录仪的灵敏度，当压力变化时，纪录笔在记录纸上的偏移为多少？

尧侧閆繭絳闕绚勵蜆贅。

5-10某加速度计的校准振动台，它能作50HZ和1g的振动，今有压电式加速度计出厂时标出灵敏度，由于测试要求需加长导线，因此要重新标定加速度计灵敏度，假定所用的阻抗变换器放大倍数为1，电压放大器放大倍数为100，标定时晶体管毫伏表上指示为9.13Ｖ试画出标定系统的框图，并计算加速度计的电压灵敏度。

识饒鎂錕缢灩筧嚌俨淒。

　　课题六磁电式传感器

6-1说明磁电式传感器的基本工作原理

6-2试通过转速测量系统的实例说明磁电式转速传感器的应用。

6-3磁电式振动传感器与磁电式转速传感器在工作原理上有什么区别？

6-4采用SZMB-3型磁电式传感器测量转速，当传感器输出频率为1KhZ的正弦波信号时，被测轴的转速是多少？

凍鈹鋨劳臘锴痫婦胫籴。

6-5磁电式传感器能否检测表面粗糙度？

试绘出其原理图。

6-6请写出你认为可以用霍尔传感器来检测的物理量。

6-7图8-11是霍尔式钳型电流表结构图，请你分析它的工作原理。

6-8图8-12是霍尔式加速度计示意图，请你分析其工作原理。

6-9请你设计一种霍尔式液位控制器，要求：

　　1）画出磁路系统示意图；

　　2）画出电路原理简图；

　　3）简要说明其工作原理。

6-10请你在分析了图8-6至8-12以后，说出在这几个霍尔传感器应用的实例中，哪几个采用的是线性霍尔集成电路？

哪几个采用的是开关型霍尔集成电路？

恥諤銪灭萦欢煬鞏鹜錦。

6-11什么是霍尔效应？

6-12为什么导体材料和绝缘体材料均不宜做成霍尔元件？

6-13为什么霍尔元件一般采用N型半导体材料？

6-14霍尔灵敏度与霍尔元件厚度之间有什么关系？

6-15什么是霍尔元件的温度特性？

如何进行补偿？

6-16集成霍尔传感器有什么特点？

6-17写出你认为可以用霍尔传感器来检测的物理量。

6-18设计一个采用霍尔传感器的液位控制系统。

要求画出磁路系统示意图和电路原理简图，并简要说明其工作原理。

鯊腎鑰诎褳鉀沩懼統庫。

6-19下图是一个采用霍尔传感器的钳型电流表结构图，试分析它的工作原理。

6-20通过一个实例说明开关型集成霍尔传感器的应用。

　　课题七热电偶传感器

7-1什么是金属导体的热电效应？

试说明热电偶的测量原理。

7-2试分析金属导体产生接触电动势的原因。

7-3补偿导线的作用是什么？

使用补偿导线的原则是什么？

7-4简述热电偶的几个重要定律，并分别说明它们的实用价值。

7-5试证明图9-17所示热电偶回路中，加入第三种材料C，第四种材料D（无论插入何处），只要插入材料两端温度相同，则回路总电动势不变（na>nB,t>t0）。

硕癘鄴颃诌攆檸攜驤蔹。

7-6用镍铬-镍硅（K）热电偶测温度，已知冷端温度为40℃，用高精度毫伏表测得这时的热电动势为29.188mV，求被测点温度。

阌擻輳嬪諫迁择楨秘騖。

7-7图9-18所示镍铬-镍硅热电偶，A'、B'为补偿导线，Cu为铜导线，已知接线盒1的温度t1=40.0℃，冰水温度t2=0.0℃，接线盒2的温度t3=20.0℃。

氬嚕躑竄贸恳彈瀘颔澩。

　　1）当U3=39.310mV时，计算被测点温度t。

　　2）如果A'、B'换成铜导线，此时U3=37.699mV，再求t.

7-8图9-19所示热电偶测温线路，A、B为热电极，A'、B'是两种廉价金属，它们的电子浓度之比相等，即nA/nA'=nB/nB'。

釷鹆資贏車贖孙滅獅赘。

1）求证：

A'、B'与A、B连接后总的Uo仅取决于A、B及T、To，而与Ta及A'、B'无关。

　　2）A'、B'在测量中起什么作用？

7-9试述热电偶冷端温度补偿的几种主要方法和补偿原理。

7-10已知铂铑10-铂（S）热电偶的冷端温度，现测得热电动势，求热端温度t是多少摄氏度？

7-11已知镍铬-镍硅（K）热电偶的热端温度，冷端温度，求是多少毫伏？

7-12现用一支镍铬-康铜（E）热电偶测温，其冷端温度为，动圈显示仪表（机械零位在）指示值为，则认为热端实际温度为，对不对？

为什么？

正确值是多少？

怂阐譜鯪迳導嘯畫長凉。

7-13如图所示之测温回路，热电偶的分度号为K，仪表的示值应为多少摄氏度？

7-14用镍铬-镍硅（K）热电偶测量某炉温的测量系统如图所示，已知：

冷端温度固定在，，仪表指示温度为，后来发现由于工作上的疏忽把补偿导线和相互接错了，问：

炉温的实际温度为多少摄氏度？

谚辞調担鈧谄动禪泻類。

　　课题八光电传感器

8-1光电效应有哪几种？

与之对应的光电元件各是哪些？

请简述其特点。

8-2光电传感器可分为哪几类？

请各举出几个例子加以说明。

8-3某光敏三极管在强光照时的光电流为2.5mA，选用的继电器吸合电流为50mA，直流电阻为250。

现欲设计两个简单的光电开关，其中一个是有强光照时继电器吸合，另一个相反，是有强光照时继电器释放。

请分别画出两个光电开关的电路图（采用普通三极管放大），并标出电源极性及选用的电压值。

嘰觐詿缧铴嗫偽純铪锩。

8-4某光电开关电路如图7-23所示，请分析其工作原理，并说明各元件的作用，该电路在无光照的情况下继电器K是处于吸合还是释放状态？

熒绐譏钲鏌觶鷹緇機库。

8-5某光电池的光电特性如图7-16所示，请你设计一个较精密的光电池测量电路。

要求电路的输出电压U。

与光照度成正比，且当光照度为10001X时输出电压U。

=4V。

鶼渍螻偉阅劍鲰腎邏蘞。

8-6造纸工业中经常需要测量纸张的"白度"以提高产品质量，请你设计一个自动检测纸张"白度"的测量仪，要求：

纣忧蔣氳頑莶驅藥悯骛。

　　1）画出传感器简图；

　　2）画出测量电路简图；

　　3）简要说明其工作原理。

8-7常用的半导体光电元件有哪些？

它们的图形符号如何？

8-8对每种半导体光电元件，画出一种测量电路。

8-9什么是光电元件的光谱特性？

8-10光电传感器由那些部分组成？

被测量可以影响光电传感器的那些部分？

8-11模拟式光电传感器有哪几种常见形式？

8-12光纤传感器有那两种类型？

说明各自的工作原理。

8-13红外线的特性是什么？

它与一般光线有什么不同？

8-14红外探测器有几种？

它们有什么不同？

8-15请用红外传感器设计一台红外防盗装置（画出它的示意图），并说明其工作原理？

8-16激光是怎样形成的？

它具有哪些特点？

8-17激光器有几种？

各自的特点是什么？

8-18请用激光传感器设计一台激光测量汽车速度的装置（画出示意图），并论述其测速的基本工作原理。

　　课题九半导体传感器

1-1简要说明气体传感器有哪些种类，并说明它们各自的工作原理和特点。

1-2说明含水量检测与一般的湿度检测有什么不同。

1-3烟雾检测与一般的气体检测有什么不同。

1-4根据所学知识试画出自动吸排油烟机的电路原理框图，并分析其工作过程。

1-5目前湿度检测研究的主要方向是什么。

　　课题十声波传感器

10-1什么是纵波、横波和表面波？

它们各有什么不同？

10-2什么是反射定律和折射定律？

举例说明如何用这两个定律进行测量？

10-3用超声波探头测工件时，往往要在工件与探头接触的表面上加一层耦合剂，这是为什么？

10-4请你依据已学过的知识设计一个超声波液位计（画出原理框图，并简要说明它的工作原理、优缺点）。

1．超声波发生器种类及其工作原理是什么？

它们各自特点是什么？

颖刍莖蛺饽亿顿裊赔泷。

10-5根据你已学过的知识设计一个超声波探伤实用装置（画出原理框图），并简要说明它探伤的工作过程？

10-6比较微波传感器与超声波传感器有何异同。

　　课题十一数字式传感器

11-1莫尔条纹是怎样产生的？

它具有哪些特性？

11-2在精密车床上使用刻线为5400条/周围光栅作长度检测时，其检测精度为0.01mm，问该车床丝杆的螺距为多少？

濫驂膽閉驟羥闈詔寢賻。

11-3试分析四倍频电路，当传感器做反向移动时，其输出脉冲的状况（画图表示之），该电路的作用是什么？

銚銻縵哜鳗鸿锓謎諏涼。

11-4动态读磁头与静态读磁头有何区别？

11-5磁栅传感器的输出信号有哪几种处理方法？

区别何在？

11-6感应同步器传感器有哪几种？

各有什么特点？

11-7函数变压器在鉴幅型感应同步器数显表中的作用是什么？

11-8简述码盘式转角-数字编码器的工作原理及用途。

11-9机械工业中常用的数字式传感器有哪几种？

各利用了什么原理？

它们各有何特点？

11-10什么是细分？

什么是辨向？

它们各有何用途？

11-11数字式传感器及数显表采用微机后，有什么好处？

课题十二检测装置的信号处理技术

12-1传感器输出的微弱电压信号进行放大时，为什么要采用测量放大器？

12-2在模拟自动检测系统中为什么要用隔离放大器？

变压器式的隔离放大器的结构特点是什么？

12-3采用4-20mA电流信号来传送传感器输出信号有什么优点？

12-4在模拟量自动检测系统中常用的线性化处理方法有哪些？

　　课题十三新型传感器技术简介

13-1生物传感器的信号转换方式有哪些？

13-2生物传感器的种类有哪些，简要说明其工作原理。

13-3高分子材料都在哪些传感器中有应用？

13-4例举用半导体材料制成的传感器？

13-5智能式传感器的特点？

13-6变送器与传感器的关系？