传感器1.docx

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传感器1

第1章概述

1、传感器是指能感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置，通常由直接响应被测量的敏感元件，产生可用信号输出的转换元件及相应的信号调理电路组成。

1、下列不属于按工作原理进行分类的传感器是（B）。

A、应变式传感器B、化学式传感器

C、压电式传感器D、热电式传感器

第2章传感器的基本特征

1、要实现不失真测量，检测系统的幅频特性为常数，相频特性成线性关系。

2、某传感器为一阶系统，当受阶跃信号作用时，在t=0时，输出为10mv；t→∞时，输出为100mv；在t=5s时，输出为50mv。

则该传感器的时间常数为7.11s。

3、某温度传感器为时间常数τ=3s的一阶系统。

当传感器受突变温度作用后，试求传感器指示出温度的

所需的时间-3ln

。

第3章电阻式传感器

2、单位应变引起的电阻值的相对变化量称为电阻丝的灵敏系数。

3、应变式传感器是利用电阻应变片将应变转换为电阻变化的传感器。

其由在弹性元件上的粘贴电阻应变敏感元件构成，弹性元件用来________;__________元件用来_____________。

4、减小或消除非线性误差的方法有提高桥臂比和采用差动电桥。

第2章如果将100Ώ的应变片贴在弹性元件上，若试件截面S=0.5×

㎡,弹性模量E=2×

N/㎡,若由5×

N的拉力引起的应变片电阻变化为1Ώ，试求应变片的灵敏系数。

第3章环境温度的改变会给电阻应变片的测量带来误差，即温度误差。

而电桥补偿法是最有效的补偿方法。

其原理如下图所示。

试从被测试件不承受和承受两个方面来分析其温度误差的补偿原理。

第4章设负载电阻为无穷大（开路），E=4V，R1=R2=R3=R4=100Ώ。

试求，

R1为金属应变片，其余为外接电阻，当R1的增量ΔR=1.0Ώ时，电桥的输出电压

=？

R1，R2都是应变片，且批号相同，感应应变片的极性和大小相同，其余为外接电阻，电桥的输出电压

=？

R1，R2都是应变片，且批号相同，感应应变片的大小为ΔR2=1.0Ώ，但极性相反，其余为外接电阻，电桥的输出电压

=？

第5章某应变片的电阻R=400Ώ，应变灵敏系数K=2.05，被测应变ε=1000um/m。

试求，

Δ

和ΔR；

如果电桥供电电源电压E=3V，计算全桥差动电路的输出电压。

第四章电感式传感器

1、电感式传感器是建立在电磁感应基础上的，电感式传感器可以把输入的物理量转换为自感系数L或互感系数M的变化，并通过测量电路进一步转换为电压或电流的变化，进而实现对非电量的测量。

2、与差动变压器传感器配用的测量电路中，常用的有两种:

变隙式差动变压器电路和螺线管式差动变压器电路。

3、变磁阻式传感器由线圈、铁心和衔铁三部分组成。

选择题

5、电感式传感器的常用测量电路不包括（C）

A、交流电桥B、变压器式交流电桥

第6章脉冲宽度调制电路

第7章谐振式测量电路

6、下列关于差动变压器式传感器的测量电路的说法正确的是（D）

A、差动整流电路可以消除零点残余电压，但不能判断衔铁的位置。

B、差动整流电路可以判断衔铁的位置和运动方向。

C、相敏检波电路可以判断位移的大小，但不能判断位移的方向。

D、相敏检波电路可以判断位移的大小和位移的方向。

第五章电容式传感器

1、如将变面积型电容式传感器接成差动形式，其灵敏度将加倍。

2、电容式传感器利用非电量的变化转换成电容器的变化来实现对物理量的测量。

3、变极距型电容式传感器单位输入唯一所引起的灵敏度与两极板间距成反比关系。

4、位移电容式传感器动极板导致两极板有效覆盖面积A发生变化的同时将导致电容量变化，传感器电容变化量与动极板水平位移成线性关系，与动极板角位移成线性关系。

5、变极距型电容式传感器做成差动结构后，灵敏度提高了一倍，而非线性误差因转换为二次方关系而得以大大降低。

选择题

1、当变极距型电容传感器两极板间的初始距离d增加时，将引起传感器的（B）。

E、灵敏度增加B、灵敏度减小

F、非线性误差增加D、非线性误差不变

2、用电容式传感器测量固体或液体物位时，应该选用（C）

A、变极距型B、变面积型

B、变介电常数型D、空气介质变间隙式

综合分析题：

1、如下图所示为差动式电容传感器的脉冲宽度调制电路，其中，A1、A2为电压比较器，电阻R1=R2，u0为参比电压。

（1）试分析此电路的工作原理;

（2）画出输出端电压u0在C1=C2,C1C2三种情况下的波形；

（3）推导ūAB=?

（C1,C2）的数学表达式。

2、一个圆形平板电容式传感器，其极板半径为5mm，工作初始间隙为0.3mm空气介质，所采用的测量电路的灵敏度100mV/pF，读数仪表灵敏度为5格/mV。

如果工作时传感器的间隙产生2um的变化量，则读数仪表的指示值变化多少格？

3、下图为电容式传感器的运算放大器电路，如果此传感器中的电容为平板式电容，试推导出放大器的输出电压U0与极板间距d间的函数关系式U0=?

（d）。

第六章压电式传感器

1、石英晶体是一种各向异性材料，即不同晶向具有各异的物理特性，用x、y、z轴来描述。

其中x轴又称为电轴，因此此方向上的压电效应最显著；由于在y轴上施加力时产生的变形最大，故又称y轴为机械轴；z轴又称为光轴，沿该方向受力不会（会/不会）产生压电效应。

2、由于压电式传感器本身的内阻抗很高，输出能量小，因此它的测量电路通常需要接入一个很高阻抗的前置放大器，对传感器来输出的微弱信号进行放大。

由于压电式传感器既可以输出电压信号，也可以输出电荷信号，所以其前置放大器也有两种形式：

电荷放大器和电压放大器。

通过分析电压放大器的电压幅值比和相角与频率比的关系曲线，如图所示（见课本83页6-8），可知，压电传感器具有很好的高频响应特性，并且不能（能/不能）测量静态量。

3、压电元件作为压电式传感器的敏感部件，由于单片压电元件产生的电荷量很小，故在实际应用中，通常采用两片（或两片以上）同规格的压电元件粘接在一起，以提高压电式传感器的输出灵敏度。

当将两个压电元件按照如图所示（见课本83页6-9a）的方式连接时，与单片相比，在外力作用下，正负电极上的电荷量与单片时相同，总电荷量为单片时的一半，输出电压增大了一倍。

4、压电式传感器是以压电材料的压电效应为了工作基础的。

其中，对某些介质沿一定方向施以外力使其变形时，其内部产生极化现象而使其出现电荷集聚的现象，称其为正压电效应，此过程是将机械能转变成电能。

而当在片状压电材料的两个电极上加上交流电压时，压电片将产生机械振动，此现象成为逆压电效应。

5、由于单片压电元件产生的电荷量很小，所以在实际应用中，通常将两片同规格的压电元件粘接在一起，已提高灵敏度，其中连接方法有串联法和并联法。

6、压电系数是衡量材料压电效应强弱的参数。

7、机电耦合系数用于衡量压电材料在压电效应中的能量转换效应。

8、压电传感器的前置放大器有两种形式：

电荷放大器和电压放大器。

9、在使用电荷放大器时，输出电压几乎不受连接电缆长度的影响。

选择题

1、下了说法错误的是（D）

A、压电传感器具有很好的高频响应特性，不能测量静态量。

B、当将两个规格的压电晶片采用“并联法”连接在一起时，与单片时相比，在外力的作用下，其正负电极上的电荷量增加了一倍。

C、对于压电式传感器的测量电路—电荷放大器，其输出电压与被测压力成线性关系。

D、压电耦合系数是用于衡量材料压电效应强弱的参数。

2、对于石英晶体，下列说法错误的是（A）

A、沿光轴方向施加作用力，不会产生压电效应，但会有电荷产生。

B、沿电轴方向施加作用力，会在该轴的两个表面产生电荷聚集。

C、沿机械轴方向受力时会产生压电效应，

D、沿机械轴方向受力相比其他方向的变形最明显。

3、石英晶体和压电陶瓷的压电效应对比不正确的是（A）

A、压电陶瓷比石英晶体的压电效应明显，稳定性也比石英晶体好。

B、压电陶瓷比石英晶体的压电效应明显，稳定性不如石英晶体好。

C、压电陶瓷要具有压电效应需要经过外电场的极化作用，而石英晶体不需要。

D、压电陶瓷的压电系数比石英晶体大很多，故用它做的压电式传感器灵敏度较高，但机械强度不如石英晶体。

简答题

3、试分析石英晶体压电效应的机理

第七章磁敏式传感器

1、对于恒磁通电感式传感器，根据其结构上运动部件是线圈还是磁铁，可分为动圈式和动铁式两种。

2、当载流半导体处于与电流相垂直的磁场中时，在其两端将产生电位差，这一现象成为霍尔效应。

它的产生是由于运动电荷受磁场中洛伦兹力作用的结果。

3、通过电磁感应的原理将被测量转换为电信号的传感器称为磁电式传感器。

4、磁电感应式传感器是利用导体和磁场发生相对运动而在导体两端输出电动势的原理进行工作的。

5、霍尔元件的零位误差主要包括不等位电动势和寄生电流电势。

6、霍尔传感器的灵敏度与霍尔系数成正比，而与霍尔片厚度成反比。

7、由于半导体内的自由电子浓度要远远低于金属导体，故制作霍尔元件的都是半导体材料；且由于霍尔传感器的灵敏度与霍尔片厚度成反比，所以霍尔元件都制成薄片状。

8、当霍尔元件通以控制电流而不加外磁场时，它的霍尔输出端之间仍有空载电动势存在，该电势称为霍尔电动势。

9、某霍尔元件的尺寸（l、b、d）为1.0cm×0.35cm×0.1cm，沿方向通以电流I=1.0mA，在垂直b面加有均匀磁场B=0.3T，传感器的灵敏度系数为22V\A·T，则其输出霍尔电动势为___6.6mV____，载流子浓度为__2.84*10^21（个/m^3）_____。

10、如图所示为利用霍尔元件测量转轴转速的大小。

简述它的原理。

11、霍尔元件的两对电极是激励电极和霍尔电极_。

选择题

1、制造霍尔元件的半导体材料中，目前用的较多的是锗、锑化铟、砷化铟，其原因是（B）。

第4章半导体材料的霍尔系数比金属的大

第5章半导体中电子迁移率比空穴高

第6章半导体材料的电子迁移率比较大

第7章N型半导体材料较适宜制造灵敏度较高的霍尔元件

第8章热电势传感器1、热电偶是基于热电效应进行侧温的，其两端产生的热电动势来源于两个方面：

一部分是两种导体的接触电动势，另一部分单一导体的温差电动势。

2、在热电偶测温回路内接入连接导线和测量仪表时，只要保证加入的导体两端的温度相等，则对回路中总的电动势没有影响。

这根据的是热电偶的中间导体定律。

3、热电偶补偿导线法的理论依据是中间温度定律。

4、热电偶参考端的温度修正法的理论依据是中间温度定律。

5、当热端温度为100℃，冷端温度为0℃时，考铜与纯铂组成的热电偶的热电动势为-4.0mV，而镍镉合金与纯铂组成的热电偶的热电动势为2.95mV，则镍镉与考铜组成的热电偶的热电动势是6.95mv。

6、普通型热电偶一般由接线盒保护管绝缘管和热电极组成。

7、将一只灵敏度为0.08mV/℃的热电偶与电压表相连，电压表接线端温度是50℃，若电位计上读数为60mV，则热电偶热端温度是800℃。

8、热敏电阻是利用半导体材料的电阻值随温度变化而变化的特性来测温的。

9、制作热电阻的最常用材料是铂和铜。

10、在热电阻和热敏电阻中，热电阻的引线方式有二线制、三线制和四线制之分，而另一种则没有。

11、PTC型热敏电阻主要用于彩电消磁各种电子设备的过热保护等。

12、目前我国规定工业用热电阻有两种，分度号分别为Pt10和Pt100，其中分度号为Pt10代表的含义是铂热电阻在零摄氏度时电阻为10Ώ。

1、铂铑10-铂热电偶（S热电偶），工作时其冷端温度为t0=30℃，测得热电动势E（t,t0）=8.82mV，求被测介质的实际温度。

已知铂铑10-铂热电偶的温度表（见课本）。

948.3℃

2、热电偶的基本定律中除了中间温度定律还包括哪些？

试简述它们（不包括中间温度定律的内容）并对此定律进行推到证明最后说明该定律的实践意义。

3、用两只S型热电偶测量两点温度差，其连接线路如图所示，已知t1=420℃,t0=30℃测得两点的温差电动势为-10.24mV，问两点的温差是多少？

924.3℃

第九章光电式传感器

1、当光电管的阴极和阳极之间所加压一定时光通量与光电流之间的关系成为光电管的光照特性。

2、光电传感器的理论基础是光电效应，通常把光电照射到物体表面后产生的光电效应分为三类，第一类是利用在光线作用下光电子逸出物体表面的外光电效应，这类元件有光电管，光电倍增管；第二类是利用光线作用下使材料内部电阻率改变的光电导效应；这类元件有光敏电阻;第三类是利用在光线作用下使物体内部产生一定方向电动势的光生伏特效应；这类元件有光电池。

3、光敏电阻的暗点阻越大（大/小），亮电阻越小（大/小）说明其特性越好。

4、在一定的光照下，对光电器的阴极所加电压与阳极所产生的电流之间的关系称为其伏安特性。

5、光电池的光照特性如图（课本P138图9-18（b）），由此图可得，光电池在作为测量元件时，应把它作为电流源来使用，且使其接近短路工作状态。

6、光敏二极管与一般二极管不同，与电源的连接应使其PN结反向偏置，无光照时反向电阻很大，反向电流很小，相当于截止状态。

7、光敏三极管所接电压极性应使其集电结反偏，发射结正偏。

，这点与一般三极管相同。

8、CCD的突出特点是以电荷为信号，CCD的基本功能是信号的产生、存储、传输和输出。

9、在CCD器件中，如果在P型硅衬底形成的MOS光敏元的金属电极上加正压，则会在半导体表面附近形成电子势阱，其是进行信号电荷存储的基础。

10、光纤传光的基础是光的全反射。

11、当两块光栅的夹角很小时，光栅莫尔条纹间距与光栅的删距近似或成正比，与刻线夹角近似或成反比。

12、若采用50线/mm的光栅，已知主光栅和指示光栅所形成的莫尔条纹反向移动了50条，则主光栅移动了1mm。

13一个六位循环码盘的分辨率是5.625°。

14、循环码1010转成二进制码是1100。

15设某脉冲盘式编码器其每转脉冲数是1024个，在0.1s的时间内测的8192个脉冲，则其转速是4800r/min。

选择题

第8章下列关于光敏二极管和光敏晶体管对比不正确的是（D）

A光敏二极管的光电流很小，光敏晶体管的光电流则较大。

B光敏二极管和光敏晶体管的暗电流相差不大。

C工作频率较高时，应选用光敏二极管；工作频率较低时，应选用光敏晶体管。

D光敏二极管的线性特性较差，而光敏晶体管有很好的线性特性。

第9章光纤传感器的组成部分中，除了光源之外，还必须包括光纤和（D）两个重要部件。

B、反光镜B、透镜C、光栅D、光探测器

第3章以下光电器件不属于根据内光电效应制成的是（C）。

A、光敏电阻B、光敏晶体管C、光电管D、光电池

分析题

7、路灯自动控制器的工作原理如图所示，试分析其工作原理。

8、以下是燃气灶的高压打火确认电路，试分析其实现先点火后通气的工作原理。

9、试分析自动干手器的工作原理（参照其工作原理图）。

10、已知一阶跃折射率光纤的光芯和包层的折射率分别为1.46和1.45，试计算数值孔径值和最大入射角的值。

（光纤外部介质的折射率为1）

11、若某光栅的栅线密度是50线/mm,主光栅和指示光栅的夹角是θ=0.1°，求其形成的摩尔条纹间距。

第十章辐射与波式传感器

1、任何物体，只要他的温度高于绝对零度，就会向外部空间以_红外线的形式辐射能量。

2、热释电红外探测器是一种检测物体辐射红外能量的传感器，是根据释热效应效应制成的，即，当红外光照射到已经极化了的铁电体薄片上时，引起薄片温度的升高，使其极化强度降低，表面电荷减少，这相当于释放了一部分电荷，所以称为热释电型传感器。

3、压电式超声波发生器是利用逆压电效应的原理将高频电振动转换成高频机械振动从而产生超声波，而压电式超声波接收器利用的是正压电效应的原理制成的。

3、超声波传感器按其工作原理可分为压电式和磁致伸缩式超声波传感器。

第10章化学传感器

2、由半导体表面理论可知，当H

吸附到P型半导体上时，将使载流子数减少，电阻增大。

3、对于电阻式的半导体气敏传感器的工作原理，可以由半导体表面态理论解释，即，当氧化型气体（电子接收型气体，如O

，NO

等）吸附到N型半导体上，或还原型气体吸附到P型半导体上时，将使多数载流子减少，电阻增大。

4、电阻式半导体气敏元件吸附气体时器件电阻值的变化情况下图所示（P１９２　图１１－２）。

通过分析可得此为N型半导体气敏元件。

5、湿敏电阻的感湿特征量是感湿特性。

6、电阻式湿敏传感器按感湿材料的不同可分为半导体式、陶瓷式和高分子式等。

12、半导体气体传感器，是利用半导体气敏元件同气体接触，造成（Ａ）发生变化，借此检测气体的成分及浓度的。

C、半导体电阻　　　　　　B、半导体上的电流

C、半导体性质　　　　　　D、半导体上的电压

分析题　（分析下列电器的工作原理）

第4章P１９６图１１－１３　　　２、P１９５图１１－１０　

３、P２０３图１１－２５　　　４、P２０４图１１－２６

C、参数检测

转速检测用以确定物体转动速度的快慢。

请结合本门课程中关于各类传感器的理解，设计一种对电动机转轴的转速进行测量的方法。

第二十章自动检测系统

1、自动检测系统由硬件、软件两大部分组成。

硬件主要包括传感器、数据采集系统、微处理器、输入输出接口等。

2、典型的模拟信号数据采集系统由前置放大器、采样/保持器、多路开关、A/D转换器和逻辑控制电路等组成。

3、S/H有两种工作状态，即采样状态和保持状态。

4、在测控系统中，通常多个输入通道使用公共的A/D转换器等器件，故需要使用________轮流把各路被测信号分时地与这些公用器件联通。

5、对于一个8位的A/D转换器，其分辨率是

。

6、输入输出通道的基本任务是人机对话。

7、为了隔断微处理器与执行机构间的直接电气联系，以防止外界强电磁干扰或工频电压通过输出通道反串到检测系统，需要采用一定的输出隔离技术，目前，主要使用光电耦合隔离和继电器隔离两种技术。

8、P349例题9、P353例题

9、