传感器习题及部分解答shb重点.docx

1、传感器习题及部分解答shb重点传感器习题及部分解答 (shb) 重点第 1 章 传感器的一般特性1、什么是传感器？几部分组成？试画出传感器组成方 块图。 2 、传感器的静态性能指标有哪一些，试解释各性能 指标的含义。 作业 3、传感器的动态性能指标有哪一些，试 解释各性能指标的含义第 2 章 电阻应变式传感器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

2、 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=11mm，h= 3mm，梁的弹性模量 E=104 N/mm2。将应变片接入直流四臂电路，供桥电压 Usr=12V。试求：秤重传感器的灵敏度 (V/kg) ；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/bh2E3 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

3、，材料弹 性模量 E=。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 l0V 时，计算传感器的输出电 压解： (1). 全桥电路如下图所示(2). 圆桶截面积应变片 1、 2、 3、4 感受纵向应变；应变片 5、6、7、8 感受纵向应变；满量程时：4、以阻值 R=120 ，灵敏系数 K=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 和 20XX 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。解：依题意 单臂：Uo 差动：Ui3k

4、 443106V,3103V,(2u)(20XXu)U3Uoik 22 灵敏度：6106V,6103V,(2u)(20XXu)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电子称，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 所示。已 知 l=10mm， b0=11mm， h=3mm， E=104N/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=U0/F) 当称重时，电桥的输出电压 U0为多大 UoKu kUi/4106(V/), 单臂 kUi/23106(V/), 差动输出输出图 2-12 悬臂梁式力传 感

5、器 解：等强度梁受力 F 时的应变为当上下各贴两片应变片，并接入四臂差动电桥中时，其 输出电压：6Flh2b0E则其电压灵敏度为UOUoFUi6FlK4KUi24hb0EK6li261006224hbE31110=10-3 (V/N)=(mV/N) 当称重 F= =时，输出电压为 U0 =Ku F= =(mV)Ku第 3 章 光电式传感器1.什么是光电效应 什么是内、外光电效应 当用光照射物体时，物体受到一连串具有能量的光子的 轰击，于是物体材料中的电子吸收光子能量而发生相应的电 效应。这种现象称为光电效应。2试比较光敏电阻、光电池、光敏二极管和光敏三极管 的性能差异给出什么情况下应选用哪种器

6、件最为合适的评 述。3假如打算设计种光电传感器，用于控制路灯的自动 亮灭（ 天黑自动点亮，天明白动熄灭 ） 。试问可以选择哪种光 电器件试设计电路。4光电转速传感器的测量原理是将被测轴的转速变换成 相应频率的脉冲信号，然后，测出脉冲频率即可测得转速的 数值。试根据这一思路画出光电转速传感器的检测变换部分 的工作原理示意图，图中的光电转换元件选用哪种光电器件 比较合适为什么？5利用光敏器件制成的产品计数器，具有非接触、安全 可靠的特点，可广泛应用于自动化生产线的产品计数，如机 械零件加工、输送线产品、汽水、瓶装酒类等。还可以用来 统计出入口入员的流动情况。试利用光电传感器设计一产品 自动计数系统

7、，简述系统工作原理。产品计数器的工作原理，如图所示。产品在传送带上运 行时，不断地遮挡光源到光敏器件间的光路，使光电脉冲电 路随着产品的有无产生一个个电脉冲信号。产品每遮光一 次，光电脉冲电路便产生一个脉冲信号，因此，输出的脉冲 数即代表产品的数目。该脉冲经计数电路计数并显示电路显 示出来第 4 章 光纤传感器1、 光纤损耗是如何产生的它对光纤传感器有哪些影响 吸收性损耗：吸收损耗与组成光纤的材料的中子受激 和分子共振有关，当光的频率与分子的振动频率接近或相等 时，会发生共振，并大量吸收光能量，引起能量损耗。散 射性损耗：是于材料密度的微观变化、成分起伏，以及在制 造过程中产生的结构上的不均匀

8、性或缺陷引起。一部分光就 会散射到各个方向去，不能传输到终点，从而造成散射性损 耗。辐射性损耗： 当光纤受到具有一定曲率半径的弯曲时， 就会产生辐射磁粒。 a 弯曲半径比光纤直径大很多的弯曲 b 微弯曲：当把光纤组合成光缆时，可能使光纤的轴线产生随 机性的微曲。2、光导纤维为什么能够导光光导纤维有哪些优点光纤 式传感器中光纤的主要优点有哪些光导纤维工作的基础是光的全内反射，当射入的光线的 入射角大于纤维包层间的临界角时，就会在光纤的接口上产 生全内反射，并在光纤内部以后的角度反复逐次反射，直至 传递到另一端面。 优点：a 具有优良的传旋光性能，传导损耗小b 频带宽，可进行超高速测量，灵敏度和线

9、性度好 c 能 在恶劣的环境下工作，能进行远距离信号的传送功能型光纤传感器其光纤不仅作为光传播的波导，而且具有测量的功能。它可以利用外界物理因素改变光纤中光的 强度、相位、偏振态或波长，从而对外界因素进行测量和数 据传输。3、在自空间，波长 0=500m 的光从真空进入金刚石 （nd=） 。在通常情况下当光通过不同物质时频率是不变的， 试计算金刚石中该光波的速度和波长。解： v=c/nd =c/= ， c 为光速；=0 / nd = 0 /= 0 =m ， 0 为光速4、 利用 Snell 定律推导出临界角 C 的表达式。计算 水与空气分界面 （n 水=） 的C值。解： n 水 sinc =n

10、0 sin/2=n0sinc= n0 / n 水c =arcsin1/= 5、求光纤 n1=， n2=的 NA 值；如果外部的 n0=1，求光 纤的临界入射角。解：当 n0 =1 时所以， c =sin-1 NA = 8-24 计算一块氧化铁被加热到 100时，它能辐射出多 少瓦的热量 （铁块的比辐射率 在 100时为，铁块表面积为 ）解： E=T4 S= 108 W/m2 K4 3734 K4 m2 =22nn 12NA=6、下图所示为光纤加速度传感器原理图，简要分析其 工作原理。7、下图所示为光纤位移传感器原理图，简要分析其工 作原理。第 3 章 电感式传感器1、 说明电感式传感器有哪些特

11、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。4、分析电感传感器出现非线性的原因，并说明如何改善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， l=10mm， lc=6mm， r=5mm， rc=1mm，设实际应 用中铁芯的相对磁导率 r=3000 ，试求：(1)在平衡状态下单个线圈的电感量 L0=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=，设电感线圈有效电阻可忽略，求该传感器灵敏度 K。(3)若要控制理论线性度在 1以内，最大量程为多少 螺管

12、式线圈插棒式铁芯线圈 1 铁芯线圈 2 根椐螺管式 电感传感器电感量计算公式，得L00W2 l241078002lr2rlcrc22H1010321051093000612109差动工作灵敏度：KL20W22l2 41078002rcr210103211063000/m/mm (2) 当 f=1000Hz 时，单线圈的感抗为 XL =L0 =2f L0 =2 1000=2890() 显然 XL 线圈 电阻 R0，则输出电压为UO 测量电路的电压灵敏度为EL2L0Ku 而线圈差动时的电感灵敏度为 KL =/mm，则该螺管式电感传感器及其测量电路的总灵敏度为/mL2L02KKLKu/mm/m =/

13、mm6、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=40 ， 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： (1) 匹配电阻 R3和 R4 的值；(2) 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 Usc 与输入电压 U 解： 线圈感抗XL=L=2fL=240030103= 线圈的阻抗sr 之间的相位差。故其电桥的匹配电阻 ( 见习题图 3-16)R3 = R4 =Z=当 Z=10 时，电桥的输出电压分别为2 单臂工作：UscUsrZ410V 双臂差

14、动工作：UscUsrZ410VR40tan17、如图 3-17 所示气隙型电感传感器，衔铁截面积 S=4 4mm2，气隙总长度 = ，衔铁最大位移 =，激励线 圈匝数 W=2500匝，导线直径 d=，电阻率 = 10-6 .cm， 当激励电源频率 f=4000Hz 时，忽略漏磁及铁损，求：(1) 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。解：线圈电感值 图 3-17 气隙型电感式传感器 tan10W2S41072500244106L101157m103衔铁位移 =+时，其电感值

15、20W2S4107250044106L22103 = 10(H)=131mH衔铁位移 =时，其电感值-1=10-1(H)=196(mH)故位移 =时，电感的最大变化量为L=LL=196131=65(mH)(3) 线圈的直流电阻0W2S41072500244106L22103 lCp44mm2设为每匝线圈的平均长度，则WlCplR2sd4106(4)线圈的品质因数125004410241012(5)当存在分布电容 200PF 时，其等效电感值2fL24000101QLLpL12LCL12f10112400010120XX01228、 如图 3-15 所示差动螺管式电感传感器，其结构参 数如下： l=160mm，r=4mm， rc= ，lc=96mm，导线直径 d=，电阻率 =10-6 cm，线圈匝数 W1=W2=3000匝，铁芯相 对磁导率 r=30 ，激励电源频率 f=3000Hz 。要求：(1) 画出螺管内轴向磁场强度 Hx 分布图，根据曲线估 计当 H 线圈电阻 R0，则输出电压为UO 测量电路的电压灵敏度为EL2L0Ku 而线圈差动时的电感灵敏度为 KL =/mm，则该螺 管式电感传感器及其测量电路的总灵敏度为/mL2L02