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传感器考试试题及答案

作者:万博  来源:万博manbetx官网  时间:2019-12-25 16:43  点击:

  传感器原理及其应用习题 第 1 章 传感器的一般特性 一、选择、填空题 1、 衡量传感器静态特性的重要指标是_灵敏度______、__线性度_____、____迟滞___、___重复性_____ 等。 2、通常传感器由__敏感元件__、__转换元件____、_转换电路____三部分组成, 是 能把外界_非电量_转换成___电量___的器件和装置。 3、传感器的__标定___是通过实验建立传感器起输入量与输出量之间的关系,并确定不同使用 条件下的误差关系。 4、测量过程中存在着测量误差,按性质可被分为 粗大 、 系统 和随机 误差三类,其中 随机误差 可以通过对多次测量结果求平均的方法来减小它对测量结 果的影响。 5、一阶传感器的时间常数τ 越__________, 其响应速度越慢;二阶传感器的固有频率ω 0 越_________, 其工作频带越宽。 6、按所依据的基准直线的不同,传感器的线性度可分为 、 、 、 。 7、非线性电位器包括 和 两种。 8、通常意义上的传感器包含了敏感元件和( C )两个组成部分。 A. 放大电路 B. 数据采集电路 C. 转换元件 D. 滤波元件 9、若将计算机比喻成人的大脑,那么传感器则可以比喻为(B )。 A.眼睛 B. 感觉器官 C. 手 D. 皮肤 10、属于传感器静态特性指标的是(D ) A.固有频率 B.临界频率 C.阻尼比 D.重复性 11、衡量传感器静态特性的指标不包括( C )。 A. 线性度 B. 灵敏度 C. 频域响应 D. 重复性 12、下列对传感器动态特性的描述正确的是 () A 一阶传感器的时间常数τ 越大, 其响应速度越快 B 二阶传感器的固有频率ω 0 越小, 其工作频带越宽 C 一阶传感器的时间常数τ 越小, 其响应速度越快。 D 二阶传感器的固有频率ω 0 越小, 其响应速度越快。 二、计算分析题 1、什么是传感器?由几部分组成?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 一、填空题 1、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;半导 体或固体受到作用力后_电阻率______要发生变化,这种现象称__压阻_____效应。直线的电阻丝绕成 敏感栅后长度相同但应变不同,圆弧部分使灵敏度下降了,这种现象称为____横向___效应。 2、产生应变片温度误差的主要因素有_电阻温度系数的影响、_试验材料和电阻丝材料的线性膨胀 系数的影响_。 3、应变片温度补偿的措施有___电桥补偿法_、_应变片的自补偿法、_ 、 。 4. 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。 5. 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 6.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 线性误差同时还能起到温度补偿 的作用。 7、若应变计基长 L=40mm,应变波速 v=5000m/s,则上升时间 tk= ,可测频率 f= 。 8、压阻式传感器测量电桥的电源可采用__________________也可采用____________________供电。 9、应变式传感器主要用于测量_____________________________________等物理量;光电式传感器主 要 用 于 测 量 _____________________________________ 等 物 理 量 ; 压 电 式 传 感 器 主 要 用 于 测 量 _____________________________________等物理量。 10、应变式传感器是基于______________效应工作的。对金属应变片,其电阻的变化主要是由于 R ? ? l 中的_________变化引起的.湿敏传感器是指能将___转换为与其成一定比例关 S 系的电量输出的装置 选择: 1、全桥差动电路的电压灵敏度是单臂工作时的( C )。 A. 不变 B. 2 倍 C. 4 倍 D. 6 倍 2.利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 3、产生应变片温度误差的主要原因有( AB ) 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 4.利用电桥进行温度补偿,补偿片的选择是(A) A.与应变片相邻,且同质的工作片 B.与应变片相邻,且异质的工作片 C.与应变片相对,且同质的工作片 D.与应变片相对,且异质的工作片 5.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 6.影响金属导电材料应变灵敏系数 K 的主要因素是( B )。 A.导电材料电阻率的变化 B.导电材料几何尺寸的变化 C.导电材料物理性质的变化 D.导电材料化学性质的变化 7.电阻应变片的线路温度补偿方法有( A B )。 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 8、金属丝应变片在测量构件的应变时,电阻的相对变化主要由 ( ) 来决定的。 A、贴片位置的温度变化 B、 电阻丝几何尺寸的变化 C、电阻丝材料的电阻率变化 D、外接导线的变化 二、计算分析题 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=2.1×104 N/mm2。将 应变片接入直流四臂电路,供桥电压 Usr =12V。试求:⑴秤重传感器的灵敏度(V/kg)?; ⑵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 ε=6FL/bh2E] 3 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,材料弹性模量 E=2.1x1011Pa。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: (3) 4、以阻值 R=120Ω,灵敏系数 K=2.0 的电阻应变片与阻值 120Ω 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?ε 和 2000?ε 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: 差动: ? Uo ? Ui 4 kε ? 3 ? 2.0? ε 4 ? 3?10?6 ?V ?, 3?10?3 ?V ?, (? ?2u? ) (? ?2000u? ) 灵敏度: ? Uo ? Ui 2 kε ? 3 ? 2.0? ε 2 ? 6?10?6 ?V ?, 6?10?3 ?V ?, (? ?2u? ) (? ?2000u? ) Uo kUi / 4?1.5?10?6 (V / ?? ),?单臂? K ? ε ? ? u kUi / 2?3?10?6 (V / ?? ),?差动? 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 (见教材,附下)所示。已知 l=10mm,b0=11mm,h=3mm,E=2.1×104N/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 0.5kg 时,电桥的输出电压 U0 为多大? 输 输 出 出 图 2-12 悬臂梁式力传感器 解:等强度梁受力 F 时的应变为 ? ? 6Fl h 2b0 E 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: UO ? Ui 4 K 4? ? KU i 6Fl h 2b0 E 则其电压灵敏度为 当称重 Ku ? Uo F ? K 6l?i ? 2 ? 6 ?100? 6 h 2b? E 32 ?11? 2.1?104 =3.463×10-3 (V/N)=3.463(mV/N) F=0.5kg=0.5×9.8N=4.9N 时,输出电压为 U0 =Ku F=3.463×4.9=16.97(mV) 第 3 章 电感式传感器 一、选择、填空题 1.变间隙式自感传感器的_测量范围_和_灵敏度及线性度_是相互矛盾的,因此在实际测量中广泛 采用_差动_结构的变隙电感传感器。 2.电感式传感器是利用被测量改变磁路的_磁阻_,导致_线圈电感量_变化的。 磁电式传感器是 利用_电磁感应现象_产生感应电势的。而霍尔式传感器是利用__半导体_在磁场中的霍尔效应而 输出电势的。 3. 电感式传感器种类很多。虽然结构形式多种多样,可分为__变气隙式_、_变面积式_、_螺 线.电涡流传感器根据激励电流频率的高低,可以分为_高频反射式_、_低频透射式_两种。 5、把被测非电量的变化转换成线圈互感变化的互感式传感器是根据 变压器 的基本原理制成的, 其次级绕组都用 反向串联 形式连接,所以又叫差动变压器式传感器。 6、变隙式差动变压器传感器的主要问题是灵敏度与 测量范围 的矛盾。这点限制了它的使用,仅适 用于 微小位移 的测量。 7、变气隙式自感传感器,当街铁移动靠近铁芯时,铁芯上的线圈电感量 增加 (①增加,②减 少)。 8、电感式传感器是以电和磁为媒介,利用电磁感应原理将被测非电量如压力、位移、流量等非电量 转换成线圈_________或________的变化,再由测量电路转换为电压或电流的变化量输出的装置。 9、 二、计算分析题 1、 说明电感式传感器有哪些特点。 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mm, 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=?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=1.8V,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%以内,最大量程为多少? 螺管式线 线 铁芯 (a ) (b) 图 3-15 差动螺管式电感传感器 解:(1)根椐螺管式电感传感器电感量计算公式,得 ? ? L0 ? ?0?W 2 l2 lr 2 ? ?r lc rc 2 ? ? ? 4? ?10?7 ? ? ? 8002 10 ? 52 ?10?9 ? 3000? 6 ?12 ?10?9 ? ? 10 ?10?3 2 ? 0.46?H ? 差动工作灵敏度: KL ? 2? ?0?W 2 l2 rc 2 ? r ? ? ? 2 4? ?10?7 ? ? ? 8002 ?1?10?6 ? 3000 10 ?10?3 2 ? 151.6? / m ? 151.6m? / mm (2) 当 f=1000Hz 时,单线圈的感抗为 XL =ωL0 =2πf L0 =2π×1000×0.46=2890(Ω) 显然 XL 线,则输出电压为 测量电路的电压灵敏度为 UO ? E 2 ?L L0 Ku ? U0 ?L ? E 2L0 ? 1.8V 2 ? 0.46? ? 1.96V / ? ? 1.96mV / m? 而线圈差动时的电感灵敏度为 KL =151.6mH/mm,则该螺管式电感传感器及其测量电路的总灵敏 度为 K ? K L ? Ku ? 151 .6m? / mm ?1.96mV / m? =297.1mV/mm 6、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=40Ω,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 U sc 与输入电压U sr 之间的相位差。 解:(1) 线(?) 线圈的阻抗 Z ? R 2 ? X L 2 ? 402 ? 75.42 ? 85.4??? 故其电桥的匹配电阻(见习题图 3-16) R3 = R4 =Z=85.4(?) (2)当 ΔZ=10? 时,电桥的输出电压分别为 单臂工作: U sc ? U sr 4 ?Z Z ? 4 ? 10 4 85.4 ? 0.117?V ? 双臂差动工作: U sc ? U sr 2 ?Z Z ? 4 ? 10 2 85.4 ? 0.234?V ? (3) ? ? tan?1 R ? tan?1 40 ? 27.9? ?L 75.4 7、如图 3-17(见教材,附下)所示气隙型电感传感器,衔铁截面积 S=4×4mm2,气隙总长度 δ= 0.8mm, 衔 铁 最 大 位 移 △ δ=±0.08mm , 激 励 线Ω.cm,当激励电源频率 f=4000Hz 时,忽略 漏磁及铁损,求: (1)线)电感的最大变化量; (3)线)线)当线pF 分布电容与之并联后其等效电感值。 解:(1)线 气隙型电感式传感器(变隙式) L? ?0W2S ? ? 4? ?10?7 ? 25002 ? 4 ? 4 ?10?6 0.8 ?10?3 ?1.57?10?1? ?157m? (2)衔铁位移 Δδ=+0.08mm 时,其电感值 L? ? ?0W2S ? ? ?? ? 2 ? 4? ?10?7 ? 25002 ? 4 ? 4 ?10?6 ?0.8 ? 2 ? 0.08??10?3 =1.31×10-1(H)=131mH 衔铁位移 Δδ=﹣0.08mm 时,其电感值 L? ? ?0W 2S ? ? ?? ? 2 ? 4? ?10?7 ? 25002 ? 4 ? 4 ?10?6 ?0.8 ? 2 ? 0.08??10?3 =1.96×10-1(H)=196(mH) 故位移Δ δ =±0.08mm 时,电感的最大变化量为 (3)线圈的直流电阻 Δ L=L?﹣L?=196﹣131=65(mH) 设 lCp ? 4 ? ?? 4 ? ? 0.06 ??mm 2? 为每匝线圈的平均长度,则 R ? ? l ? W ? ? lCp s ?d 2 4 2500? 4 ? ?? 4 ? 0.06 ?? ?10?1 ? 1.75?10?6 ? 2? ? ? ? ? 0.06 ?10?1 2 4 ?=249..66?? ? (4)线圈的品质因数 Q ? ?L R ? 2?fL R ? 2? ? 4000 ?1.57 ?10 ?1 249 .6??? ? 15.8 (5)当存在分布电容 200PF 时,其等效电感值 L L Lp ? 1 ? ? 2 LC ? 1 ? ?2?f ?2 LC ? 1 ? ?2? ? 1.57 ?10?1 4000?2 ?1.57 ?10?1 ? 200 ?10?12 ? 1.60 ?10?1??? ? 160m? 8、试用差动变压器式传感器设计液罐内液体液位测量系统,作出系统结构图,并分析工作原理。 第 4 章 电容式传感器 一、填空题 1、电容式传感器是利用电容器的原理,将非电量转化为电容量,进而实现非电量到电量的敏感器件, 在应用中电容式传感器可分为 、 、 三种基本类型。 2、将机械位移转变为电容量变化时,电容式位移传感器的基本结构可分为 型, 型和 型三大类。 选择: 1、极距变化型电容传感器的灵敏度与( B)。 A、极距成正比 B、极距成反比 C、极距的平方成正比 D、极距的平方成反比 二、计算分析题 1、 简述电容式传感器的工作原理。 2、简述电容式传感器的优点。 3、试计算习题 4—2 图所示各电容传感元件的总电容表达式。 解:由习题图 4-2 可见 (1) 三个电容串联 习题图 4-2 C1 ? ?1S d1 , C2 ? ?2S d2 , C3 ? ?3S d3 1 ? 1 ? 1 ? 1 ? d1 ? d2 ? d3 C串 C1 C2 C3 ?1S ? 2 S ? 3S ? d1? 2? 3 ? d 2?1? 3 ? d3?1? 2 则 ?1? 2? 3S 故 C串 ? d1? 2? 3 ?1? 2? 3S ? d 2?1? 3 ? d3?1? 2 ? S d1 / ?1 ? d2 / ? 2 ? d3 /?3 (2)两个电容器并联 C1 ? C2 ? C ? ?S d (3)柱形电容器 C并 ? C1 ? C2 ? 2C ? 2?S d C ? 2?? L ln?d2 / d1 ? 4、在压力比指示系统中采用差动式变间隙电容传感器和电桥测量电路,如习题图 4-3 所示。已知: δ0=0.25mm;D=38.2mm;R=5.1kΩ;Usr=60V(交流),频率 f=400Hz。试求: (1)该电容传感器的电压灵敏度 Ku (V/?m); (2)当电容传感器的动极板位移△δ=10?m 时,输出电压 Usc 值。 解:由传感器结构及其测量电路可知 (1)初始电容 习题图 4-3 C1 ? C2 ? C0 ? ?0 ? D2 4 ?0 ? ? ? 8.85?10?12 ? ? ? 38.2 ?10?3 2 4 ? 0.25?10?3 ? 40.6 ?10?12 ?F ? ? 40.6 pF 由于 Xc ?1 ?C0 ? 1 2?fC 0 ? 1 2? ? 400 ? 40.6 ?10 ?12 ? 9.8 ?106??? ?? R( ? 5.1k? ) 则 从而得 U0 ? Ui 2 ?C C0 ? Ui 2 ?d ?0 Ku ? U0 ?d ? Ui 2? 0 ? 60 2 ? 0.25 ? 120V / mm ? 0.12V / ?m (2) U0 = Ku Δd=0.12V/?m×10?m=1.2V 5、有一台变间隙非接触式电容测微仪,其传感器的极板半径 r=4mm,假设与被测工件的初始间 隙 d0=0.3mm。试求: (1)如果传感器与工件的间隙变化量△d=±10?m,电容变化量为多少? (2)如果测量电路的灵敏度足 Ku=100mV/pF,则在△d=±1?m 户时的输出电压为多少? 解:由题意可求 (1)初始电容: C0 ? ? 0S d0 ? ? 0?r 2 d0 ? ? 8.85?10?12 ? ? ? 4 ?10?3 2 ? 0.3 ?10?3 ? 1.48?10?12 ?F ? ? 1.48 pF ?C ?d ? 由 C0 d0 ,则当 Δd=±10um 时 ?C ? C0 ?d d0 ? 1.48? ?10?10?3 0.3 ? ?0.049pF 如果考虑 d1=0.3mm+10?m 与 d2=0.3mm﹣10?m 之间的电容变化量 ΔC′,则应为 ΔC′=2ΔC=2×0.049=0.098pF (2) 当 Δd=±1?m 时 ?C ? ?d d0 C0 ? ? 1?m 0.3 ? 10 3 ?m ?1.48 pF ? ?0.0049 pF 由 Ku=100mV/pF=U0/ΔC,则 U0=KuΔC=100mV/pF×(±0.0049pF)=±0.49mV 6、有一变间隙式差动电容传感器,其结构如习题图 4-5 所示。选用变压器交流电桥作测量电路。 差动电容器参数:r=12mm;d1=d2=d0=0.6mm;空气介质,即 ε=ε0=8.85×10-12F/m。测量电路参数: ? usr=u= U sr = 3sinωt (V)。试求当动极板上输入位移(向上位移) △x=0.05mm 时,电桥输出端电压 Usc? 习题图 4-5 解:由习题图 4-5 可求 初始电容 C1=C2=C0=?S/d=?0?r2/d0 ? ? 8.85 ?10 ?12 ? ??? 12 ?10 ?3 2 ? 6.67 ?10 ?12 F ? 6.67 pF 0.6 ?10 ?3 变压器输出电压 ? U sc ? Z2 ?? ? 2U ?U ? Z2 ? Z1 ? U ? C1 ? C2 ? U Z1 ? Z2 Z1 ? Z2 C1 ? C2 其中 Z1 ,Z2 分别为差动电容传感器 C1 ,C2 的阻抗.在 ΔXd0 时,C1 = C0 +ΔC, C2 = C0?ΔC,且 ?C/C0=?d/d0,由此可得 ? U sc ? ?C ? U ? ?x ? U sr ? 0.05 ? 3 sin ?t ? 0.25 sin ?t C0 d0 0.6 (V) 7、如习题图 4-6 所示的一种变面积式差动电容传感器,选用二极管双厂网络测量电路。差动电容 器参数为:a=40mm,b=20mm,dl=d2=d0=1mm;起始时动极板处于中间位置,Cl=C2=C0,介质为空 气,ε=ε0=8.85×10-12F/m。测量电路参数:D1、D2 为理想二极管;及 R1=R2=R=10KΩ;Rf=1MΩ,激 励电压 Ui=36V,变化频率 f=1MHz。试求当动极板向右位移△x=10mm 时,电桥输出端电压 Usc? 解:由习题图 4-6 可求 传感器初始电容 习题图 4-6 C0 ? ? 0S d0 ? ?0 ? a?b 2 d0 ? 8.85 ?10 ?12 ? 40 ?10 ?3 2 1?10 ?3 ? 20 ?10 ?3 =3.54×10?12(F)=3.54pF 当动极板向右移 Δx=10mm 时,单个电容变化量为 ?C ? ?x a/2 C0 ? 10 40 / 2 C0 ? 1 ? 3.54 2 ? 1.77? pF ? ?C ? ? 0b?x d0 ? 8.85 ?10?12 ? 20 ?10?3 1?10?3 ?1?10?3 或, ? 1.77 ?10?12 (F ) ? 1.77 pF 则 C1 = C0+ΔC,C2 = C0??C,由双 T 二极管网络知其输出电压 USC = 2 k Ui fΔC ? ? ? 2 R R ? 2R f ? ? R ? R f 2 R f U i f?C ? ? ? 2 104 104 ? 2 ?106 ?106 ? 36 ?106 ?1.77 ?10?12 ? ? 104 ? 2 ?106 2 ? 2.55?V ? 8、一只电容位移传感器如习题 4-7 图所示,由四块置于空气中的平行平板组成。板 A、C 和 D 是固定极板;板 B 是活动极板,其厚度为 t,它与固定极板的间距为 d。B、C 和 D 极板的长度均为 a, A 板的长度为 2a,各板宽度为 b。忽略板 C 和 D 的间隙及各板的边缘效应,试推导活动极板刀从中 间位置移动 x=±a/2 时电容 CAC 和 CAD 的表达式(x=0 时为对称位置)。 习题图 4-7 解:参见习题图 4-7 知 CAC 是 CAB 与 CBC 串联,CAD 是 CAB 与 CBD 串联。 当动极板向左位移 a/2 时,完全与 C 极板相对,此时 CAB=CBC=ε0ab/d, 则 CAC=CAB/2=CBC/2=ε0ab/2d; CAD=ε0ab/(2d+t)。 当动极板向右移 a/2 时,与上相仿,有 CAC =ε0ab/(2d+t);CAD=ε0ab/2d 9、已知平板电容传感器极板间介质为空气,极板面积 S=a×a=(2x2)cm2,间隙 d0=0.1mm。求:传 感器的初始电容值;若由于装配关系,使传感器极板一侧间隙 d0,而另一侧间隙为 d0+b(b=0.01mm), 此时传感器的电容值。 解:初始电容 C0 ? ?S d0 ? ?0S d0 ? 8.85?10?12 ? 2 ? 2 ?10?4 0.1?10?3 =35.4×10-12(F) =35.4pF 当装配不平衡时可取其平均间隙 则其电容为 d ? d0 ? ( d0 2 ? b) ? d0 ? b 2 =0.1+0.01/2=0.105(mm) C ? ? 0 S ? 8.85 ?10 ?12 ? 2 ? 2 ?10 ?4 d 0.105 ?10 ?3 =33.7×10-12(F)=33.7pF 第 5 章 压电式传感器 一、选择、填空题 1、压电元件的基本原理是 。目前常用的压电材料有 , 等。 2、为消除压电传感器电缆分布电容变化对输出灵敏度的影响,可采用 ( )。 A 电压放大器; B 电荷放大器; C 前置放大器 ;D 电流放大器 3、对压电效应的描述正确的是 () A 当晶体沿一定方向伸长或压缩时在其表面会产生电荷 B 当陶瓷沿一定方向伸长或压缩时在其表面会产生电荷 C 当某些晶体或陶瓷在外电场的作用下发生形变,这种现象叫压电效应 D 晶体的压电效应是一种机电耦合效应,是由力学量(应力、应变)与电学量(电场强度、 电位移失量)之间相互耦合产生的。 二、计算分析题 1、为什么压电式传感器不能用于静态测量,只能用于动态测量中?而且是频率越高越好? 2、什么是压电效应?试比较石英晶体和压电陶瓷的压电效应 3、设计压电式传感器检测电路的基本考虑点是什么,为什么? 4、有一压电晶体,其面积为 20mm2,厚度为 10mm,当受到压力 P=10MPa 作用时,求产生的电 荷量及输出电压: (1)零度 X 切的纵向石英晶体; (2)利用纵向效应的 BaTiO3。 解:由题意知,压电晶体受力为 F=PS=10×106×20×10-6=200(N) (1)0°X 切割石英晶体,εr=4.5,d11=2.31×10?12C/N 等效电容 Ca ? ? 0? r S d ? 8.85 ?10 ?12 ? 4.5 ? 20 ?10 ?6 10 ?10 ?3 =7.97×10?14 (F) 受力 F 产生电荷 Q=d11F=2.31×10?12×200=462×10?2(C)=462pC 输出电压 Ua ? Q Ca ? 462 ? 10?12 7.97 ?10?14 ? 5.796?103 ?V ? (2)利用纵向效应的 BaTiO3,εr=1900,d33=191×10?12C/N 等效电容 受力 F 产生电荷 输出电压 Ca ? ?0? r S d ? 8.85 ?10 ?12 ?1900 ? 20 ?10 ?6 10 ?10 ?3 =33.6×10-12(F)=33.6(pF) Q=d33F=191×10?12×200=38200×10?12 (C)=3.82×10?8C Ua ? Q Ca ? 3.82 ?10?8 33.6 ?10?12 ? 1.137?103 ?V ? 5、某压电晶体的电容为 1000pF,kq=2.5C/cm,电缆电容 CC=3000pF,示波器的输入阻抗为 1MΩ 和并联电容为 50pF,求: (1)压电晶体的电压灵敏度足 Ku; (2)测量系统的高频响应; (3)如系统允许的测量幅值误差为 5%,可测最低频率是多少? (4)如频率为 10Hz,允许误差为 5%,用并联连接方式,电容值是多大? 解:(1) Ku ? Kq / Ca ? 2.5C / cm 1000 pF ? 2.5 ?10 9V / cm (2)高频(ω →∞)时,其响应 Ku ? U am Fm ? d 33 Ca ? Cc ? Ci ? Ca kq ? Cc ? Ci ? 2.5C / cm ?1000? 3000? 50??10?12 F ? 6.17 ?108V / cm (3)系统的谐振频率 ?n ? 1 ? ? R?Ca 1 ? Cc ? Ci ? ? 1?10 6 ?1000 1 ? 3000 ? 50??10 ?12 ? 247 ?r a ds? K ??? ? U im ? ? / ?n 由 U am 1 ? ?? / ?n ?2 ,得 ? ? ? / ?n ?1 ? ?5% 1 ? ?? / ?n ?2 (取等号计算) ? ? ?? ?n ?2 ? 0.90251? ?? /?n ?2 解出 ? 0.9025? 0.9025?? ?n ?2 (ω/ωn)2=9.2564→ω/ωn=3.0424 ω=3.0424ωn=3.0424×247=751.5(rad/s) f=ω/2π=751.5/2π=119.6(Hz) (4)由上面知,当 ?≤5%时,ω/ωn=3.0424 当使用频率 f=10Hz 时,即 ω=2πf=2π×10=20π(rad/s)时 ωn=ω/3.0424=20π/3.0424=20.65(rad/s) 又由 ωn=1/RC,则 C=1/ωnR=1/(20.65×1×106)=4.84×10-8(F)=4.84?104pF 6、分析压电加速度传感器的频率响应特性。若测量电路为电压前量放大器 C 总=1000pF,R 总 =500MΩ;传感器固有频率 f0=30kHz,阻尼比 ζ=0.5,求幅值误差在 2%以内的使用频率范围。 解:压电式加速度的上限截止频率由传感器本身的频率特性决定,根据题意 ?? 1 ?1 ? 2% ? ? 1 ? ?? / ?n ?2 2 ? 4? 2 ?? / ?n ?2 (取等号计算) 则 ? ? 1 ? ?? / ?n ?2 2 ? 4? 2 ?? / ?n ?2 ? 1/1.02 解出 所以 1+(ω/ωn)4﹣2(ω/ωn)2 +4×0.52(ω/ωn)2=0.96 (ω/ωn)4 ﹣(ω/ωn)2 +0.04=0 (ω/ωn)2 =0.042 或(ω/ωn)2 =0.96(舍去) ω/ωn =0.205 或?0.205(舍去) ?=0.205?n 则 fH =0.205f0 =0.205×30=6.15(kHz) 压电式加速度传感器下限截止频率取决于前置放大器特性,对电压放大器,其幅频特性 由题意得 K??? ? ? /?n ? 1 ? ?? / ?n ?2 ?? 1 ? ??? ?2 ? ? ?? ?1 ? ?2% 1? ??? ?2 (取等号计算) ?? ? 0.98 1? ??? ?2 (??)2 =0.9604+0.9604 (??)2 (??)2 =24.25 ??=4.924 ω=4.924/τ fL =ω/2π=4.924/(2??)=4.924/(2?RC)=4.924/(2?×5×108×10?9 ) =1.57(Hz) 其误差在 2%以内的频率范围为: 1.57Hz~6.15kHz 7、石英晶体压电式传感器,面积为 100mm2,厚度为 1mm,固定在两金属板之间,用来测量通过 晶体两面力的变化。材料的弹性模量为 9×1010Pa,电荷灵敏度为 2pC/N,相对介电常数是 5.1,材料 相 对 两 面 间 电 阻 是 1014Ω 。 一 个 20pF 的 电 容 和 一 个 100MΩ 的 电 阻 与 极 板 并 联 。 若 所 加 力 F=0.01sin(1000t)N,求: (1)两极板间电压峰—峰值; (2)晶体厚度的最大变化。 解:(1)石英压电晶片的电容 Ca ? ? 0? r S d ? 8.85 ?10 ?12 ? 5.1?100 ?10 ?6 1?10 ?3 =4.514 ×10-?12 (F) ≈4.5pF 由于 Ra =1014Ω,并联电容 R 并=100MΩ=108Ω 则总电阻 R=Ra // R 并 = 1014 //108 ≈108Ω 总电容 C=Ca //C 并 =4.5+20=24.5(pF) 又因 F=0.01sin(1000t)N=Fm sin(ωt)N 则电荷 kq =2 pC/N Q=d11 F= kq F 所以 Qm = d11 Fm = kq Fm =2 pC/N×0.01N=0.02 pC U im ? d11Fm?R ? 1 ? ??RC ?2 =0.756×10?3 (V)=0.756mV 峰—峰值: Uim-im =2Uim =2×0.756=1.512mV 0.02 ?10 ?12 ?10 3 ?10 8 ? ? 1 ? 10 3 ?10 8 ? 24.5 ?10 ?12 2 (2)应变 εm =Fm /SE =0.01/(100×10?6×9×1010 )=1.11×10?9 =Δdm /d Δdm =d?m =1×1.11×10?9 (mm)=1.11×10?9 mm 厚度最大变化量(即厚度变化的峰—峰值 ) Δd =2Δdm =2×1.11×10?9 =2.22×10?9 (mm) =2.22×10?12 m 8、为什么压电式传感器不能用于静态测量,只能用于动态测量中?用石英晶体加速度计及电荷 放大器测量机器的振动,已知:加速度计灵敏度为 5pC/g,电荷放大器灵敏度为 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,试求该机器的振动加速度。(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=Kq?Ku =5pC/g ×50 mV/pC=250mV/g=Uo/a 式中,Uo 为输出电压;a 为振动系统的加速度。 则当输出电压 Uo=2V 时,振动加速度为 a=Uo/K=2×103/250=8(g) 5-8 用压电式传感器测量最低频率为 1Hz 的振动,要求在 1Hz 时灵敏度下降不超过 5%。若测量 回路的总电容为 500pF,求所用电压前置放大器的输入电阻应为多大? 解: 由题意知,对于电荷放大器,动态响应幅值误差为 ? ? ? / ?n ?1 ? ?5% 1 ? ?? / ?n ?2 ,(取等号计算) ? / ?n ? 0.95 1? ?? / ?n ?2 (ω/ωn)2 =0.9025+0.9025 (ω/ωn)2 ω/ωn =3.04 所以 τ=1/ωn =3.04/ω=3.04/(2π×1)=0.484(s)=RC R=τ/C=0.484/(500×10?12) =9.68×108?=968M? 9、 已知压电式加速度传感器的阻尼比 ζ=0.1,其无阻尼固有频率 f0=32kHz,若要求传感器的输 出幅值误差在 5%以内,试确定传感器的最高响应频率。 解: 由加速度传感器的频率特性知,动态响应幅值误差为 1? 2?? ?n ?2 ? ?? ?n ?4 ? 4? 0.12 ?? ?n ?2 ? 0.907 ?? 1 ?1 ? 5% ? ? 1 ? ?? / ?n ?2 2 ? 4? 2 ?? / ?n ?2 ? ? 1 ? ?? /?n ?2 2 ? 4? 2 ?? /?n ?2 ? 1/1.05 (取等号) (ω/ωn)4﹣1.96(ω/ωn)2 +0.093=0 解出 (ω/ωn)2 =0.0485 或(ω/ωn)2 =1.912(舍去) 则 ω/ωn≈0.22 ωH =0.22ωn 则 fH =0.22f0 =0.22×32=7.04(kHz) 10、 某压电式压力传感器的灵敏度为 80pC/Pa,如果它的电容量为 1nF,试确定传感器在输入压 力为 1.4Pa 时的输出电压。 解:当传感器受压力 1.4 Pa 时,所产生的电荷 Q=80 pC/Pa ×1.4Pa=112 pC 输出电压为 Ua =Q/Ca =112×10?12 /(1×10?9)=0.112(V) 11、一只测力环在全量程范围内具有灵敏度 3.9pC/N,它与一台灵敏度为 10mV/pC 的电荷放大器 连接,在三次试验中测得以下电压值:(1)—100mV;(2)10V;(3)—75V。试确定三次试验中的被测力 的大小及性质。 解:测力环总灵敏度 K=3.9 pC/N ×10mV/pC=39 mV/N = U0/F 式中,U0 为输出电压,F 为被测力,所以 F1 =U01 /K=﹣100mV/39mV/N=﹣2.56N (压力) F2 =U02 /K=10×10 3mV/39mV/N=256N (拉力) F3 =U03 /K=﹣75×10 3mV/39mV/N=﹣1923N (压力) 12、某压电式压力传感器为两片石英晶片并联,每片厚度 h=0.2mm,圆片半径 r=1cm,εr=4.5,X 切型 d11=2.31X10-12C/N。当 0.1MPa 压力垂直作用于 PX 平面时,求传感器输出电荷 Q 和电极间电压 Ua 的值。 解:当两片石英晶片并联时,所产生电荷 Q 并=2Q=2?d11 F=2?d11 ?πr2 =2×2.31×10?12×0.1×106 ×π×(1×10?2 )2 =145×10?12 (C) =145pC 总电容 C 并=2C=2?0?rS/h=2?0?r?r2 /h =2×8.85×10?12×4.5×?×(1×10?2)2/0.2?10?3 =125.1×10?12 (F) =125.1pF 电极间电压为 U 并= Q 并/C 并=145/125.1=1.16V 第 6、10 章 磁电式传感器(磁敏传感器) 一、选择、填空题 1、用磁电式传感器进行齿轮转速测量。已知齿数 Z =48,测得频率 F =120Hz,则该齿轮的转速为 ____150r/min______。 2、 二、计算分析题 1、 简述变磁通式和恒磁通式磁电传感器的工作原理。 2、磁电式传感器的误差及其补偿方法是什么? 3、简述霍尔效应及霍尔传感器的应用场合 4、 霍尔元件能够测量哪些物理参数?霍尔元件的不等位电势的概念是什么,温度补偿的方法有 哪几种 5、某动圈式速度传感器弹簧系统的刚度 k=3200N/m,测得其固有频率为 20Hz,今欲将其固有 频率减小为 10Hz,问弹簧刚度应为多大? 解: ?n ? k/m ? 2?f0 ? f0 ? 1 2? k / m ? 2? m ? k / f0 f0 =20Hz , k=3200N/m 时, 2? m ? 3200 / 20 ? 2 2 f0′=10Hz 时,由 k ? 2? m f0 则 ? ? ? ? k ? 2? m 2 f0 2 ? 2 2 2 ?102 ? 8 0 ?0? / m? 6、已知恒磁通磁电式速度传感器的固有频率为 10Hz,质量块重 2.08N,气隙磁感应强度为 1T, 单匝线mm,线 匝,试求弹簧刚度 k 值和电压灵敏度 Ku 值(mV/(m/s))。 解:由? ? k / m ,则 k=ω2 m=(2?f)2 m=(2?×10)2×2.08/9.8 =8.38×102 (N/m) Ku =e/v=NB0l0v/v=NB0l0 =1500×1×4×10?3 =6V/(m/s)=6000mv/(m/s) 7、某磁电式传感器要求在最大允许幅值误差 2%以下工作,若其相对阻尼系数 ξ=0.6,试求 ω/ωn 的范围。 解:由磁电势传感器的幅频特性 A??? ? 得其幅值动态误差为 ?? / ?n ?2 ? ? 1? ?? / ?n ?2 2 ? 4? 2 ?? / ?n ?2 ?? ? ? ?? ?n ?4 ? 1.022 1? ?? ?n ?2 2 ? 4? 0.62 ?? ?n ?2 ?? 取其等号计算 ?? / ?n ?2 ?1 ? 2% ? ? 1? ?? / ?n ?2 2 ? 4? 2 ?? / ?n ?2 解得 (ω/ωn)2 =12.354,或(ω/ωn)2 =2.067 ω/ωn =3.515,或 ω/ωn =1.438(舍去) 最大幅值误差小于 2%时,其频率范围 ω/ωn ≥3.515 8、某霍尔元件 l×b×d=10×3.5×1mm3,沿 l 方向通以电流 I=1.0mA,在垂直于 lb 面方向加有均匀 磁场 B=0.3T,传感器的灵敏度系数为 22V/A·T,试求其输出霍尔电势及载流子浓度。 解: 由 KH =1/ned,得 (1) n=1/ (KH ed)=1/(22×1.6?10?19×1×10-3 )=2.84×1020 /m3 (2)输出霍尔电压 UH = KH IB=22V/A?T×1.0mA×0.3T =6.6×10?3 V=6.6mV 9、若一个霍尔器件的 KH=4mV/mA·kGs,控制电流 I=3mA,将它置于 1Gs~5kGs 变化的磁场中(设 磁场与霍尔器件平面垂直),它的输出霍尔电势范围多大?并设计一个 20 倍的比例放大器放大该霍尔 电势。 解: UH1 = KH IB1=4mV/Ma?kGs×3mA×1Gs=12μV UH2 = KH IB2=4mV/Ma?kGs×3mA×5kGs=60mV 设计放大倍数 A=20 的比例放大器,略 10、 有一霍尔元件,其灵敏度 KH=1.2mV/mA·kGs,把它放在一个梯度为 5kGs/mm 的磁场中, 如果额定控制电流是 20mA,设霍尔元件在平衡点附近作±0.1mm 的摆动,问输出电压范围为多少? 解:对于梯度为 5kGs/mm 的磁场,当霍尔元件在平衡点附近作±0.1mm 的摆动时,其磁场的变化 ΔB=±5kGs/mm×0.1mm=±0.5kGs 则霍尔元件输出电压的变化范围为 ΔUH = KH I?ΔB=1.2mV/mA?kGs×20mA×(±0.5kGs) =±12mV 11、试用霍尔传感器设计磁平衡式测量电流的电路,给出电路图,试分析其工作原理,给出被测电流 I1 的表达式。 12、什么是霍尔效应?霍尔电动势产生的原因?霍尔电动势的大小、方向与哪些因素有关? 第 7 章 热电式传感器 一、填空题 1、热电偶在实际中测量温度时,需要几个定律来提供理论上的依据,这些定律分别是:____匀质导 体定律__,___中间导体定律___,____连接导体定律___。 2、热电偶传感器的工作基础是__闭合回路________,产生的热电势包括_____接触_____电势和__温 差___ 电势两部分。热电偶的 连接导体____定律是工业上运用补偿导线法进行温度补偿的 理论基础;根据_中间导体___定律,可允许采用任意的焊接方式来焊接热电偶。 3、热敏电阻按温度系数分为 , , 三种。 4、热电偶的工作原理是 ,热电势包括 和 两种。 5、300K 时硅对 0.7μ m 光的吸收系数α 为 2000cm-1,则平均透入深度 为 ;若对 0.8μ m 光,平均透入深度为 10μ m,则α = 。 6、热辐射温度计中调制盘的作用_______________________ ___。 选择: 1、热电偶的冷端处理方法有:( AB ) A、补偿导线法 B、冷端温度恒温法 C、相敏检波 D、串联二极管 2、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 3、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 C. 冷端恒温法 B. 电桥补偿法 D. 差动放 4、对于热电偶冷端温度不等于( B A.20℃ B.0℃ C.10℃ ),但能保持恒定不变的情况,可采用修正法。 D.5℃ 5、热电偶中产生热电势的条件有( B )。 A.两热电极材料相同 B.两热电板材料不同 C.两热电极的几何尺寸不同 D.两热电极的两端点温度相同 6、对集成温度传感器,下列叙述不正确的是 () A 输出线性好 B 测量精度高 C 测量温度高 D 满量程非线性偏离小 二、计算分析题 1、 热电偶结构由哪几部分组成? 2、 用热电偶测温时为什么要进行冷端温度补偿?其冷端温度补偿的方法有哪几种? 3、热电阻温度计有哪些主要优点? 4、 已知铜热电阻—Cul00 的百度电阻比 W(100)=1.42,当用此热电阻测量 50℃温 度时,其 电阻值为多少?若测温时的电阻值为 92Ω,则被测温度是多少? 解:由 W(100)=R100 /R0 =1.42,则其灵敏度为 ? ? K ? R100 ? R0 ? 1.42R0 ? R0 ? 0.42R0 ? 100? 0.42 ? 0.42 ?/ oC 100? 0 100 100 100 则温度为 50℃时,其电阻值为 R50 = R0 +K×50=100+0.42×50=121(?) 当 Rt=92? 时,由 Rt = R0 +Kt,得 t=( Rt﹣R0)/K=(92﹣100)/0.42=﹣19(℃) 5、 将一灵敏度为 0.08mV/℃的热电偶与电位计相连接测量其热电势,电位计接线℃,若 电位计上读数是 60mV,热电偶的热端温度是多少? 解: t ? 60mV ? 30?C ? 780?C 0.08mV / ?C 6、参考电极定律有何实际意义?已知在某特定条件下材料 A 与铂配对的热电势为 13.967mV,材 料 B 与铂配对的热电势是 8.345mV,求出在此特定条件下,材料 A 与材料 B 配对后的热电势。 解:由标准电极定律 E (T,T0 )=EA 铂(T,T0 )﹣EB 铂 (T,T0 ) =13.967﹣8.345=5.622(mV) 7、 镍铬—镍硅热电偶灵敏度为 0.04mV/℃,把它放在温度为 1200℃处,若以指示仪表作为冷端, 此处温度为 50℃,试求热电势大小。 解: E(1200,50)= (1200?50)×0.04=46(mV) 8、 热电偶温度传感器的输入电路如习题图 7-20 所示,已知铂铑—铂热电偶在温度 0~100℃之间 变化时,其平均热电势波动为 6?V/℃,桥路中供桥电压为 4V,三个锰铜电阻(Rl、R2、R3)的阻值均 为 1Ω,铜电阻的电阻温度系数为 α=0.004/℃,已知当温度为 0℃时电桥平衡,为了使热电偶的冷端温 度在 0~50℃范围其热电势得到完全补偿,试求可调电阻的阻值只 R5。 解:热电偶冷端补偿电势 E(t,0)=kt, 式中,k 为热电偶灵敏度(k=6?V/℃), 而补偿电桥输出电压(见习题图 7-20) 冷端补偿时有 U0 ? Ui 4 ? ?R R ?U 4 R?t R ? Ui ?t 4 kt ? Ui 4 ?t ?Ui ? 4k ? ? 4?6 0.004 ? 6000?V =6mV 根据电桥电路,其等效电路为 R1、Rcu 和 R2、R3 分别串联后再并联,然后与电源、R 串联,桥臂 电阻串并联后为 1Ω,由此可得 1×Ui =1?E/(R+1) 所以 R=E/ Ui﹣1=4000/6﹣1=665.7(Ω) 9、在某一瞬间,电阻温度计上指示温度 θ2=50℃,而实际温度 θ1=100℃,设电阻温度计的动态 关系为 d?2 dt ? k(?1 ? ?2 ) 其中,k=0.2/s。试确定温度计达到稳定读数(0.995θ1)所需时间。 解:θ2 从 50℃上升到 0.995θ1 =0.995×100=99.5℃ d?2 dt ? k??1 ? ?2 ?? d?2 ?1 ? ?2 ?k d t ? ? 99.5 d?2 t ? kdt 50 ?1 ? ? 2 0 ? ? ? 0.5 50 d ??1 ? ?2 ? ??1 ? ?2 ? ? k t dt 0 ? ln??1 ??2 ? 0.5 50 ? kt ? t ? ln 50 0.5 0.2 ? 23?s? 10、 某热敏电阻,其 B 值为 2900K,若冰点电阻为 500KΩ,求热敏电阻在 100℃时的阻值。 解:T0 =0℃=273K,R0 =500k?;T=100℃=373K 则 R373 =R273 e2900(1/373?1/273) =28.98(k?) 11、简述集成温度传感器AD590的测温原理,试用该传感器设计摄氏温度检测电路。 第 7 章 压电声传感器 一、选择、填空题 1、用于制作压电传感器的常用压电材料是_____石英晶体_________ 和__压电陶瓷____________,其 中,为了使其具有压电效应,_压电陶瓷_____使用前需要做_极化___处理。 2、压电陶瓷需要有 极化 和 外力 的共同作用才会具有压电效应。 3、压电式传感器的输出须先经过前置放大器处理,此放大电路有 电压放大器和 电荷放大器两 种形式。压电式传感器在使用电压放大器时,连接电缆长度会影响系统 测量精度 ;而使用电荷放大 器时,其输出电压与传感器的 输入电荷 成正比。 选择: 1、某些物质在沿着一定方向受到力作用而发生改变时,其表面会电荷,若去掉外力就恢复到不带电 的状态,这种现象称为( A )效应。 A.压电效应 B.磁致伸缩 C.霍尔效应 D.压磁效应 2、对石英晶体,下列说法正确的是( A )。 A. 沿光轴方向施加作用力,不会产生压电效应,也没有电荷产生。 B. 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。 C. 沿光轴方向施加作用力,会产生压电效应,但没有电荷产生。 D. 沿光轴方向施加作用力,会产生压电效应,也会有电荷产生。 3、压电式传感器目前多用于测量( B )。 A.静态的力或压力 B.动态的力或压力 C.位移 D.温度 二、计算分析题 1、图示为利用超声波测量流体流量的原理图,试分析其工作原理。 超声波传感器 2 v D 超声波传感器 1 管道 解:设顺水流方向传输时间为 t1,逆水流方向传输时间为 t2,则:(10) t1 ? D / cos? c ? v sin? , t2 ? D / cos? c ? v sin? ?t ? cos? 2Dv sin? (c2 ? v2 sin2 ? ) ? 2Dv sin? cos? c2 c2 cos? ?v ? ?t 2D sin? c2 cos? ? Dc2 cos? Q ? sv ? s ?t ? ?t 2D sin? 8 sin ? 2、图示为利用超声波测量流体流量的原理图,设超声波在静止流体中的流速为 c,试完成下列各题: (1)简要分析其工作原理 (2)求流体的流速 v (3)求流体的流量 Q L 超声波传感器 2 t1 v D 第 8 章 光电式传感器 一、选择、填空题 1、在光线作用下电子逸出物体表面向外发射称___外光电_________效应;入射光强改变物质导电率 的现象称__光电导__________效应;半导体材料吸收光能后在 PN 结上产生电动势的效应称____光生 伏特______效应。 2、电荷耦合器件的基本功能__实现信号电荷的转换存储与转移信息电荷_____。 选择: 1.光电管属于( A ),光电池属于( C )。 A.外光电效应 B.内光电效应 C.光生伏特效应 2、某 6 码道的循环码光电码盘,光线,则转角为(C)。 A. 900 B. 750 C. 450 D. 300 3、基于物质的内光电效应的器件有(BCD ) A、光电管 B、光电池 C、光敏电阻 D、光敏晶体管 4、光敏电阻的特性是( D ) A.有光照时亮电阻很大 C.无光照时暗电流很大 B.无光照时暗电阻很小 D.受一定波长范围的光照时亮电流很大 5、数值孔径 NA 是光纤的一个重要参数,以下说法不正确的是( B ) A.数值孔径反映了光纤的集光能力 B.光纤的数值孔径与其几何尺寸有关 C.数值孔径越大,光纤与光源的耦合越容易 D.数值孔径越大,光信号的畸变也越大 6、按传输模式光纤可分为 () A 普通光纤与通信光纤 B 单模光纤与多模光纤 C 阶跃光纤与渐变光纤 D 玻璃光纤与塑料光纤 7、光敏电阻适于作为 ( )。 A 光的测量元件 B 光电导开关元件 C 加热元件 D 发光元件 二、计算分析题 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(如电阻率变化、发射电子或产生电动势等)。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,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由显示电路显示出 来 第 9 章 光纤传感器 一、选择、填空题 1、从光纤传感器原理,光纤传感器可分为 型和 型两种 3、光纤是由折射率 n1 高的___纤芯_______和折射率 n2 低 的_包层________构成的双层同心圆结构。 4、某光纤 n1=1.64,n2=1.45,其数值孔径 NA 为_根号下(n1^2-n2^2),____。 光纤传感器有_____、______、______等突出的优点,因此特别适合于_____ ________等场合的测量。 二、计算分析题 1. 概念:气体传感器、气敏元件的选择性,阴离子吸附、阳离子吸附、物理吸附、化学吸附, 2. 简述半导体气敏传感器的概念和分类 3. 半导体气体传感器的敏感机理有哪些?请简要说明之 4. 无机半导体气体传感器的加热电阻丝有什么作用? 5. 简述改善气敏元件的气体选择性的常用方法 6. 试说明医用二氧化碳气体分析仪的工作原理 7、 光纤损耗是如何产生的?它对光纤传感器有哪些影响? ①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。②散射性损耗:是由于材料密度 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。③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、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。 9、在自由空间,波长 λ0=500?m 的光从线)。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/2.4=0.4167c ,c 为光速; λ=λ0 / nd =λ0 /2.4=0.4167λ0 =208.3?m , λ0 为光速 4、 利用 Snell 定律推导出临界角 θC 的表达式。计算水与空气分界面(n 水=1.33)的 θC 值。 解: n 水 sin?c =n0 sin?/2=n0 sin?c= n0 / n 水 ?c =arcsin1/1.33=48.76° 10、求光纤 n1=1.46,n2=1.45 的 NA 值;如果外部的 n0=1,求光纤的临界入射角。 解:当 n0 =1 时 NA= n12 ? n22 ? 1.462 ?1.452 ? 0.1706 所以, ?c =sin-1 NA =9.82° 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 ε 在 100℃ 时为 0.09,铁块表面积为 0.9m2) 解: E=??T4 S=5.67×10?8 W/m2 ?K4×0.09×3734 K4×0.9 m2 =88.9W 11、试设计光纤加速度传感器,并简述原理。 12、下图所示为光纤位移传感器原理图(反射式),简要分析其工作原理。 一、选择、填空题 第 11 章 气体传感器及其应用 二、计算分析题 1、简要说明气敏电阻传感器的工作原理,并举例说明其用途。 2、简述半导体气体传感器结构及原理,结合下图分析系统功能。 第 12 章 湿敏传感器及其应用 一、选择、填空题 二、计算分析题 1、简要说明湿敏电阻传感器的工作原理,并举例说明其用途。 2、简述湿度传感器的概念以及分类 3、什么是湿敏元件的湿滞回线和湿滞回差? 各种湿敏元件吸湿和脱湿的响应时间各不相同,而且吸湿和脱湿的特性曲线也不相同。一般总是脱湿 比吸湿迟后,我们称这一特性为湿滞现象. 湿滞回线定义:湿滞现象可以用吸湿和脱湿特征曲线所构成的回线来表示,我们称这一回线为湿滞回 线。 湿滞回差定义:在湿滞回线上所表示的最大量差值为湿滞回差。 4、简述氧化铝薄膜湿敏元件的敏感机理 下图中 RH 为湿度传感器,仔细阅读电路后,试完成: ⑴ 分析电路功能。 ⑵ 简要说明电路工作原理 ⑶若要直接从微安表读出待测物理量,需要做哪些工作? VCC 9V R0 1000KHz R1 RH C1 10uF R5 R4 10uF D1 微X安MM表1 T.1 . 2 C2 4 1 R2 R3 R6 Q1 C3 10uF 3 传感器原理及其应用复习提纲 第 1 章 传感器的一般特性 1、 什么是传感器?传感器由哪几个部分组成? 2、传感器的静态特性与动态特性指标有哪些?试解释各性能指标的含义。 3、传感器的标定是通过实验建立传感器起输入量与输出量之间的关系,并确定不同使用条件下的误 差关系。传感器的标定有哪几种?对传感器进行标定有何重要意义? 4、一阶传感器的时间常数τ 与响应速度关系;二阶传感器的固有频率ω 0 与工作频带关系。 5、什么是传感器?由几部分组成?试画出传感器组成方块图。 作业第 1、3、4、8 第 2 章 电阻应变式传感器 1、电阻应变效应及压阻效应含义: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;半导体或固体受到作用力后电阻率要发生变化,这种现象称压阻效应。直线的电 阻丝绕成敏感栅后长度相同但应变不同,圆弧部分使灵敏度下降了,这种现象称为横向效应。 2、产生应变片温度误差的主要因素有电阻温度系数的影响、试验材料和电阻丝材料的线性膨胀系数 的影响。应变片温度补偿的措施有电桥补偿法、应变片的自补偿法、 、 等。 3、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。 4. 应变片温度误差及补偿。电阻应变片的配用测量电路采用差动电桥时,不仅可以消除线性误差同 时还能起到温度补偿的作用。 6.应变片动态特性有哪些?若应变计基长 L=20mm,应变波速 v=4800m/s,则上升时间 tk= 率 f= 。 ,可测频 7、应变式传感器应用:等强度梁的电子秤、薄壁圆筒型电子秤、压力测量等 习题:P34:1、3、5、6 第 3 章 电感式传感器 1.各类电感式传感器结构、原理和灵敏度,如变磁阻式自感传感器、差动变压器式传感器、电涡流式 传感器等。 2.电感式传感器是利用被测量改变磁路的磁阻,导致线圈电感量变化的。 磁电式传感器是利用电磁感 应现象产生感应电势的。而霍尔式传感器是利用半导体在磁场中的霍尔效应而输出电势的。 3. 电涡流传感器根据激励电流频率的高低,可以分为高频反射式、低频透射式两种。 5、把被测非电量的变化转换成线圈互感变化的互感式传感器是根据变压器的基本原理制成的,其次 级绕组都用反向串联形式连接,所以又叫差动变压器式传感器。 6、变隙式差动变压器传感器的主要问题是灵敏度与测量范围的矛盾,这点限制了它的使用,仅适用 于微小位移的测量。 9、电感式传感器应用,如设计液罐内液体液位测量系统,作出系统结构图,并分析工作原理。 习题 P51:2、4、6、10、11 第 4 章 电容式传感器 一、填空题 1、电容式传感器结构及原理。 2、电容式传感器的等效电路与测量电路,如电桥电路、运放式电路(输出与输入特点)。 3、电容式传感器应用,能用于检测何物理量? 如电容式加速度传感器、电容式差压传感器等。 习题:P67,1、2、4 第 5 章 压电式传感器 1、压电效应的基本原理,常用的压电材料有哪些? 2、压电传感器的等效电路与测量电路。为消除压电传感器电缆分布电容变化对输出灵敏度的影响, 可采用电荷放大器。 3、为什么压电式传感器不能用于静态测量,只能用于动态测量中?而且是频率越高越好? 4、压电式传感器的应用:加速度、压力,超声波测距、测液位、测速等。 习题:P83,3、8、12; 第 6、10 章 磁电式传感器(磁敏传感器) 1、磁电式传感器分类、结构及原理(变磁通、恒磁通、动钢动圈等)。 进行齿轮转速测量。已知齿数 Z =48,测得频率 F =120Hz,则该齿轮的转速为____150r/min______。 2、磁电式传感器测量电路。 3、霍尔效应原理及应用。 4、霍尔元件的不等位电势的概念是什么,温度补偿的方法有哪几种。 5、霍尔传感器应用:测量位移、测量电流(磁平衡方式测量)、测量转速的原理。 习题:P92,2、3; 第 7 章 热电式传感器 1、热电偶、热电阻、热敏电阻等传感器的结构、原理。掌握热电偶相关计算(如已知温度差求输出 热电势等),分度表的使用, 2、热电偶在实际中测量温度时,需要几个定律来提供理论上的依据,这些定律分别是:匀质导体定 律,中间导体定律,连接导体定律。 3、热电偶测温的冷端温度不为零的补偿方法与措施。 4、热敏电阻按温度系数分为 , , 三种。 5、集成温度传感器原理及应用,如利用 AD590、DS18B20 等设计摄氏温度计。 6、300K 时硅对 0.7μ m 光的吸收系数α 为 2000cm-1,则平均透入深度为 ;若对 0.8μ m 光,平均 透入深度为 10μ m,则α = 。 7、热辐射温度计中调制盘的作用_______________________ ___。 习题 P110:3、6、8、13、18 第 8 章 光电式传感器 1、光电效应、外光电效应、内光电效应、光电导效应、光生伏特效应概念及原理。 2、各种光电效应对应的光电传感器分别是哪一些? 3、各种光电传感器的结构及原理,光谱特性、光照特性、频率特性等。 4、各种光电传感器的应用 习题 P135:17、18 第 9 章 光纤传感器 1、光纤结构,光纤数值孔径 NA 的概念及与 n1、n2 的关系。光纤是由折射率 n1 高的___纤芯_______ 和折射率 n2 低 的_包层________构成的双层同心圆结构;某光纤 n1=1.65,n2=1.42,其数值孔径 NA 为? 2、光纤传感器原理。从光纤传感器原理,光纤传感器可分为功能型和非功能型两种 3、光纤传感器有_____、______、______等突出的优点,因此特别适合于___ __________等场合的测量。 4、光纤传感器的应用,如测量位移、测量加速度的光纤传感器结构及原理。 习题 P156:16、17 第 11 章 气体传感器及其应用 1、气体传感器、气敏元件的选择性,阴离子吸附、阳离子吸附、物理吸附、化学吸附等概念,各类 气体传感器结构及原理? 2、半导体气体传感器的测试电路,无机半导体气体传感器的加热电阻丝有什么作用? 3、气体传感器的应用,如家用气体报警器、CO 安全报警电路、酒精测试仪(TGS-812 传感器)等。 4、简述改善气敏元件的气体选择性的常用方法 习题:1、5、10 第 12 章 湿度传感器及其应用 1、简要说明湿敏电阻传感器的工作原理,并举例说明其用途。 2、简述湿度传感器的概念以及分类 3、什么是湿敏元件的湿滞回线和湿滞回差? 各种湿敏元件吸湿和脱湿的响应时间各不相同,而且吸湿和脱湿的特性曲线也不相同。一般总是脱湿 比吸湿迟后,我们称这一特性为湿滞现象. 4、湿度传感器应用:湿度计及其标定、粮仓湿度测控等。习题 1、4、10

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