1、傳感器習(xí)題集及答案第01章檢測(cè)與傳感器基礎(chǔ)1.1什么是傳感器？按照國標(biāo)定義，傳感器”應(yīng)該如何說明含義？1.1 答：從廣義的角度來說，感知信號(hào)檢出器件和信號(hào)處理部分總稱為傳感器。我們對(duì)傳感器定義是：一種能把特定的信息（物理、化學(xué)、生物）按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成某種可用信號(hào)輸出的器件和裝置。從狹義角度對(duì)傳感器定義是：能把外界非電信息轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出的器件。我國國家標(biāo)準(zhǔn)（GB766587）對(duì)傳感器（Sensor/transduce。的定義是：能夠感受規(guī)定的被測(cè)量并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件和裝置定義表明傳感器有這樣三層含義：它是由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件構(gòu)成的一種檢測(cè)裝置；能按一定規(guī)律將被測(cè)量轉(zhuǎn)換成電信

2、號(hào)輸出；傳感器的輸出與輸入之間存在確定的關(guān)系。按使用的場(chǎng)合不同傳感器又稱為變換器、換能器、探測(cè)器。1.2 傳感器由哪幾部分組成？試述它們的作用及相互關(guān)系。1.3 答：組成一一由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件、基本電路組成；關(guān)系，作用一一傳感器處于研究對(duì)象與測(cè)試系統(tǒng)的接口位置，即檢測(cè)與控制之首。傳感器是感知、獲取與檢測(cè)信息的窗口，一切科學(xué)研究與自動(dòng)化生產(chǎn)過程要獲取的信息都要通過傳感器獲取并通過它轉(zhuǎn)換成容易傳輸與處理的電信號(hào)，其作用與地位特別重要。1.4 簡(jiǎn)述傳感器主要發(fā)展趨勢(shì)1.5 答：數(shù)字化、集成化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化等。1.6 傳感器的靜態(tài)特性是什么？由哪些性能指標(biāo)描述？它們一般可用哪些公式表示？1.7 答

3、：靜特性是當(dāng)輸入量為常數(shù)或變化極慢時(shí)，傳感器的輸入輸出特性，其主要指標(biāo)有線性度、遲滯、重復(fù)性、分辨力、穩(wěn)定性、溫度穩(wěn)定性、各種抗干擾穩(wěn)定性。傳感器的靜特性由靜特性曲線反映出來，靜特性曲線由實(shí)際測(cè)繪中獲得。人們根據(jù)傳感器的靜特性來選擇合適的傳感器。1.8 傳感器的線性度是如何確定的？確定擬合直線有哪些方法？傳感器的線性度£表征了什么含義？為什么不能籠統(tǒng)的說傳感器的線性度是多少。1.5答：1）實(shí)際傳感器有非線性存在，線性度是將近似后的擬合直線與實(shí)際曲線進(jìn)行比較，其中存在偏差，這個(gè)最大偏差稱為傳感器的非線性誤差，即線性度，2）選取擬合的方法很多，主要有：理論線性度（理論合）；端基線性度（端

4、點(diǎn)連線擬合）；獨(dú)立線性度（端點(diǎn)平移擬合）；最小二乘法線性度。3）線性度71是表征實(shí)際特性與擬合直線不吻合的參數(shù)。4）傳感器的非線性誤差是以一條理想直線作基準(zhǔn)，即使是同一傳感器基準(zhǔn)不同時(shí)得出的線性度也不同，所以不能籠統(tǒng)地提出線性度，當(dāng)提出線性度的非線性誤差時(shí)，必須說明所依據(jù)的基準(zhǔn)直線。1.6 傳感器動(dòng)態(tài)特性的主要技術(shù)指標(biāo)有哪些？它們的意義是什么？1）傳感器動(dòng)態(tài)特性主要有：時(shí)間常數(shù)T固有頻率與；阻尼系數(shù)t。2）含義：。越小系統(tǒng)需要達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間越少；固有頻率COn越高響應(yīng)曲線上升越快；當(dāng)切n為常數(shù)時(shí)響應(yīng)特性取決于阻尼比t,阻尼系數(shù)口越大，過沖現(xiàn)象減弱，1之1時(shí)無過沖，不存在振蕩，阻尼比直接影響過沖

5、量和振蕩次數(shù)。1.7 有一溫度傳感器，微分方程為30dy/dt+3y=0.15x,其中y為輸出電壓（mV）,x為輸入溫度（C）。試求該傳感器的時(shí)間常數(shù)和靜態(tài)靈敏度。1.8 解：對(duì)微分方程兩邊進(jìn)行拉氏變換,Y（s）（30s+3）=0.15X（s）則該傳感器系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為：Y(s)H二X(s)0.150.0530s310s1該傳感器的時(shí)間常數(shù)°=10靈敏度k=0.05第02章電阻式傳感器2.1 何為電阻應(yīng)變效應(yīng)？怎樣利用這種效應(yīng)制成應(yīng)變片？導(dǎo)體在受到拉力或壓力的外界力作用時(shí)，會(huì)產(chǎn)生機(jī)械變形，同時(shí)機(jī)械變形會(huì)引起導(dǎo)體阻值的變化，這種導(dǎo)體材料因變形而使其電阻值發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為電阻應(yīng)變效應(yīng)。

6、當(dāng)外力作用時(shí)，導(dǎo)體的電阻率P、長(zhǎng)度l、截面積S都會(huì)發(fā)生變化，從而引起電阻值R的變化，通過測(cè)量電阻值的變化，檢測(cè)出外界作用力的大小。2.2 什么是應(yīng)變片的靈敏系數(shù)？它與金屬電阻絲的靈敏系數(shù)有何不同？為什么？金屬絲靈敏系數(shù)k0主要由材料的幾何尺寸決定的。受力后材料的幾何尺寸變化為（1+2N）,電阻率的變化為（AP/P）/e。而實(shí)際應(yīng)變片的靈敏系數(shù)應(yīng)包括基片、粘合劑以及敏感柵的橫向效應(yīng)。雖然長(zhǎng)度相同，但應(yīng)變狀態(tài)不同，金屬絲做成成品的應(yīng)變片（粘貼到試件上）以后，靈敏系數(shù)降低了。2.3 為什么增加應(yīng)變片兩端電阻條的橫截面積便能減小橫向效應(yīng)？敏感柵越窄，基長(zhǎng)越長(zhǎng)的應(yīng)變片，橫向效應(yīng)越小，因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)上兩端電阻條

7、的橫截面積大的應(yīng)變片橫向效應(yīng)較小。2.4 金屬應(yīng)變片與半導(dǎo)體應(yīng)變片在工作原理上有何不同？半導(dǎo)體應(yīng)變片靈敏系數(shù)范圍是多少，金屬應(yīng)變片靈敏系數(shù)范圍是多少？為什么有這種差別，說明其優(yōu)缺點(diǎn)。舉例說明金屬絲電阻應(yīng)變片與半導(dǎo)體應(yīng)變片的相同點(diǎn)和不同點(diǎn)。金屬導(dǎo)體應(yīng)變片的電阻變化是利用機(jī)械形變產(chǎn)生的應(yīng)變效應(yīng)，對(duì)于半導(dǎo)體而言，應(yīng)變傳感器主要是利用半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)。金屬電阻絲的靈敏系數(shù)可近似寫為k0定1十2N,即k0%1.52；半導(dǎo)體靈敏系數(shù)近似為k0fc（AP/P）/s=nE50-100o2.5 一應(yīng)變片的電阻R=120Q,靈敏系數(shù)k=2.05,用作應(yīng)變?yōu)?00Nm/m的傳感求：AR和AR/R；若電源電壓U=

8、3V,初始平衡時(shí)電橋的輸出電壓U0O2.5解：7k=2.05;=800/m/m/.AR/R=k怎=0.0164;應(yīng)變引起的電阻變化AR內(nèi)0.203R當(dāng)電源電壓U=3V時(shí)，電橋輸出電壓U0=3=1.23mV4R2.6在以鋼為材料的實(shí)心圓柱形試件上，沿軸線和圓周方向各貼一片電阻為120Q的金屬應(yīng)變片R1和R2（如圖2-6a所示），把這兩應(yīng)變片接入電橋（見圖2-6b）。若鋼的泊松系數(shù)N=0.285,應(yīng)變片的靈敏系數(shù)k=2,電橋電源電壓U=2V,當(dāng)試件受軸向拉伸時(shí)，測(cè)得應(yīng)變片R1的電阻變化值R=0.48C。試求：軸向應(yīng)變；電橋的輸出電壓。解1：則軸向應(yīng)變?yōu)?Ri/R0.48/120二0.002k22)

9、電橋的輸出電壓為：1,1一一一一U0Uk；(1)220.0021.285=5.14mV22解2:"4：'、k=2;R=12R/rR=0.48'J;U=2V軸向應(yīng)變：%=*。2坦橋輸測(cè)疆雨:車起U惠我的揉出傳感4mV圖2-7a所示。R1、R2、R3、R4按要求貼在等截面軸上。衽知：等截面軸的截面積為0.00196m2,彈性模量E=2X1011N/m2,泊松比0=0.3,且Ri=R2=R3=R4=120Q,所組成的全橋型電路如題圖2-7b所示，供橋電壓U=2V0現(xiàn)測(cè)得輸出電壓Uo=2.6mV。求:等截面軸的縱向應(yīng)變及橫向應(yīng)變?yōu)槎嗌伲苛1口y(a)F為多少?圖2-7U口口

10、RlR3圖2-6*：R=R2=R4=120；-0.3;S=0.00196m2;E=21011N/m2;U=2V;U0=2.6mV按全橋計(jì)算：R=U0R=0.156'1軸向應(yīng)變:UlR/RR/R=0.0008125k12r.l橫向應(yīng)變：一二-一=-0.0004875rl5力：F=SE=3.18510N2.8已知：有四個(gè)性能完全相同的金屬絲應(yīng)變片（應(yīng)變靈敏系數(shù)k=2）,將其粘貼在梁式測(cè)力彈性元件上，如圖2-8所示。在距梁端10處應(yīng)變計(jì)算公式為,6F1。2-Eh2b設(shè)力F=100N,10=100mm,h=5mm,b=20mm,E=2m105N/mm2。求:說明是一種什么形式的梁。在梁式測(cè)力彈

11、性元件距梁端10處畫出四個(gè)應(yīng)變片粘貼位置，并畫出相應(yīng)的測(cè)量橋路原理圖；求出各應(yīng)變片電阻相對(duì)變化量；當(dāng)橋品&電源電壓為6V時(shí)，負(fù)載電阻為無窮大，求橋路輸出電壓U0是多少？梁為一種等截面懸臂梁；應(yīng)變片沿梁的方向上下平行各粘貼兩個(gè);2.8解:；k=2;F=100N;10-100mm;h-5mm;b-2mm;E=2105N/m2,應(yīng)變片相對(duì)變化量為：氈=kw=2如2=0.012REhbR橋路電壓6V時(shí)，輸出電壓為：U0=6K=0.072VR2.9 圖2-9為一直流電橋，負(fù)載電阻Rl趨于無窮。圖中E=4V,Ri=R2=R3=R4=120Q,試求：Ri為金屬應(yīng)變片，其余為外接電阻，當(dāng)Ri的增量為A

12、Ri=1.2。時(shí)，電橋輸出電壓Uo=?Ri、R2為金屬應(yīng)變片，感應(yīng)應(yīng)變大小變化相同，其余為外接電阻，電橋輸出電壓Uo=?Ri、R2為金屬應(yīng)變片，如果感應(yīng)應(yīng)變大小相反，且ARi=AR2=1.2Q,電橋輸出電壓Uo=?2.10 解：ER因?yàn)橹挥蠷為應(yīng)變片，電橋輸出按單臂電橋計(jì)算，U。=0.010V4R因?yàn)閮蓱?yīng)變片變化大小相同，相互抵消無輸出，U0=0V因?yàn)镽,0應(yīng)變時(shí)大小變化相反，電橋輸出按半橋計(jì)算，U0=巨絲=0.02V2R第03章半導(dǎo)體傳感器3.1簡(jiǎn)述氣敏電阻的檢測(cè)原理，其阻值如何變化？3.1 答：利用氣體的吸附而使半導(dǎo)體本身的電阻率發(fā)生變化這一機(jī)理來進(jìn)行檢測(cè)。實(shí)驗(yàn)證明，當(dāng)氧化性氣體吸附到N型

13、半導(dǎo)體，還原性氣體吸附到P型半導(dǎo)體上時(shí)，將使半導(dǎo)體載流子減少，而使電阻值增大。當(dāng)還原性氣體吸附到N型半導(dǎo)體上，氧化性氣體吸附到P型半導(dǎo)體上時(shí)，則載流子增多，使半導(dǎo)體電阻值下降。3.2 如何定義和計(jì)算半導(dǎo)體氣體傳感器的靈敏度？：kRsKRo3.3 圖3-3為某種氣敏傳感器的檢測(cè)曲線，從圖中可以看出該傳感器最適合用于哪種氣體的濃度檢測(cè)。3.4 答：乙醇3.5 半導(dǎo)體氣體傳感器為什么要在高溫狀態(tài)下工作？加熱方式有哪幾種？加熱絲可以起到什么作用？1）因?yàn)樵诔叵拢妼?dǎo)率變化不大，達(dá)不到檢測(cè)目的，因此以上結(jié)構(gòu)的氣敏元件都有電阻絲加熱器，加熱時(shí)間23分鐘，最佳工作溫度為200c400C。2）加熱方式分為直

14、熱式和旁熱式。電阻型氣敏傳感器加熱的目的有兩個(gè)方面的因素，一是為了加速氣體吸附和上述的氧化還原反應(yīng)，提高靈敏度和響應(yīng)速度，另外使附著在傳感器元件殼面上的油霧、塵埃燒掉。3.6 什么叫氣敏傳感器的初期穩(wěn)定時(shí)間？恢復(fù)時(shí)間？第04章壓電式傳感器4.1什么是壓電效應(yīng)？什么是正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)？4.1 答：某些電介質(zhì)在沿一定的方向受到外力的作用變形時(shí)，由于內(nèi)部電極化現(xiàn)象同時(shí)在兩個(gè)表面上產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷，當(dāng)外力去掉后，恢復(fù)到不帶電的狀態(tài)；而當(dāng)作用力方向改變時(shí)，電荷的極性隨著改變。晶體受力所產(chǎn)生的電荷量與外力的大小成正比。這種現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)。如對(duì)晶體施加一定變電場(chǎng)，晶體本身將產(chǎn)生機(jī)械變形，外電場(chǎng)撤

15、離，變形也隨之消失，稱為逆壓電效應(yīng)4.2 什么是居里點(diǎn)溫度？4.3 答：是指壓電材料開始喪失壓電特性的溫度。4.4 壓電傳感器能否用于靜態(tài)測(cè)量？并對(duì)原因加以說明。4.3答：由壓電傳感器的等效電路可見，要保證輸出信號(hào)與輸入作用力間的線性關(guān)系，只有在負(fù)載電阻較大，工作頻率較高時(shí)，傳感器電荷才能得以保存補(bǔ)充，需要測(cè)量電路具有無限大的輸入阻抗。但實(shí)際上這是不可能的，故壓電傳感器只能作動(dòng)態(tài)測(cè)量，不宜作靜態(tài)信號(hào)測(cè)量，只能在其上加交變力，電荷才能不斷得到補(bǔ)充，并給測(cè)量電路一定的電流。4.5 壓電元件在使用時(shí)常采用多片串聯(lián)或并聯(lián)的結(jié)構(gòu)形式。試述在不同接法下輸出電壓、電荷、電容的關(guān)系，它們分別適用于何種應(yīng)用場(chǎng)合

16、？畫出兩種接法的示意圖和引線接法。4.4答：1）在壓電式傳感器中，為了提高靈敏度，往往采用多片壓電芯片構(gòu)成一個(gè)壓電組件。其中最常用的是兩片結(jié)構(gòu)；根據(jù)兩片壓電芯片的連接關(guān)系，可分為串聯(lián)和并聯(lián)連接，常用的是并聯(lián)連接，可以增大輸出電荷，提高靈敏度。2）如果按相同極性粘貼，相當(dāng)兩個(gè)壓電片（電容）串聯(lián)。輸出總電容為單片電容的一半，輸出電荷與單片電荷相等，輸出電壓是單片的兩倍；若按不同極性粘貼，相當(dāng)兩個(gè)壓電片（電容）并聯(lián)，輸出電容為單電容的兩倍，極板上電荷量是單片的兩倍，但輸出電壓與單片相等。4.6 己知電壓前置放大器輸人電阻及總電容分別為R=1MC,G=100pF,求與壓電加速度計(jì)相配，測(cè)1Hz振動(dòng)時(shí)幅

17、值誤差是多少？4.6解:，信號(hào)頻率f=1Hz;放大器輸入電阻R=1MC,電容Ci=100pF幅值誤差為:dFmR1.2r2G2Um（二）=dFmCiUim("UimG)=U_J_1=_0.99Uim（二）相對(duì)誤差為：UimG)(1-0.99)100%=1%4.7一壓電加速度計(jì)，供它專用電纜的長(zhǎng)度為1.2m,電纜電容為100pF,壓電片本身電容為1000pF。出廠標(biāo)定電壓靈敏度為100V/g,若使用中改用另一根長(zhǎng)2.9m電纜，其電容量為300pF,問其電壓靈敏度如何改變？4.7解:已知壓電加速度計(jì)電纜長(zhǎng)度為1.2m,電纜電容Cc=100pF,傳感器電容Ca=1000pF;電壓靈敏度為K

18、u=100V/g二電壓靈敏度Ku=CcCaCi100pF1000pFCi=100V/g因G較小忽略前置電路輸入電容電壓靈敏度為：KuCcCa-100pF1000pF二100V/g求出：d=0.11106更換2.9mt纜，電容Cc=300pF電壓靈敏度為：Ku:0.11106CcCa300pF1000pF=84.62V/g可見電纜加長(zhǎng)后電壓靈敏度下降。4.8用石英晶體加速度計(jì)及電荷放大器測(cè)量加速度，已知：加速度計(jì)靈敏度為5PC/g,電荷放大器靈敏度為50mV/PC,當(dāng)機(jī)器加速度達(dá)到最大值時(shí)，相應(yīng)輸出電壓幅值為2V,試求該機(jī)器的振動(dòng)加速度。4.8解:已知加速度計(jì)靈敏度為5PC/g,電荷放大器靈敏度

19、為50mV/PC當(dāng)輸出幅值為2V時(shí)，機(jī)器振動(dòng)加速度為：2V/50mV/PC5PC/g=0.8g第05章電感式傳感器5.1何謂電感式傳感器？電感式傳感器分為哪幾類？各有何特點(diǎn)？5.1 答：電感式傳感器是一種機(jī)-電轉(zhuǎn)換裝置，電感式傳感器是利用線圈自感和互感的變化實(shí)現(xiàn)非電量電測(cè)的一種裝置，傳感器利用電磁感應(yīng)定律將被測(cè)非電量轉(zhuǎn)換為電感或互感的變化。它可以用來測(cè)量位移、振動(dòng)、壓力、應(yīng)變、流量、密度等參數(shù)。電感式傳感器種類：變磁阻式、變壓器式、渦流式等。5.2 提高電感式傳感器線性度有哪些有效的方法。5.2答：電感傳感器采用差動(dòng)形式可有效改善線性度。5.4 零點(diǎn)殘余電壓的產(chǎn)生原因。5.5 答：差動(dòng)變壓器式

20、傳感器的鐵芯處于中間位置時(shí)，在零點(diǎn)附近總有一個(gè)最小的輸出電壓AU0,將鐵芯處于中間位置時(shí)，最小不為零的電壓稱為零點(diǎn)殘余電壓。產(chǎn)生零點(diǎn)殘余電壓的主要原因是由于兩個(gè)次級(jí)線圈繞組電氣系數(shù)（互感M、電感L、內(nèi)阻R）不完全相同，幾何尺寸也不完全相同，工藝上很難保證完全一致5.6 為什么螺線管式電傳感器比變間隙式電傳感器有更大的測(cè)位移范圍？。5.5答：螺線管式差動(dòng)變壓器傳感器利用互感原理，結(jié)構(gòu)是：塑料骨架中間繞一個(gè)初級(jí)線圈，兩次級(jí)線圈分別在初級(jí)線圈兩邊，鐵心在骨架中間可上下移動(dòng)，根據(jù)傳感器尺寸大小它可測(cè)量1700mm范圍內(nèi)的機(jī)械位移。變間隙式電感傳感器是利用自感原理，銜鐵的與鐵芯之間位移（氣隙）與磁阻的關(guān)

21、系為非線性關(guān)系，可動(dòng)線性范圍很小，因此測(cè)量范圍受到限制。5.10 什么叫電渦流效應(yīng)？說明電渦流式傳感器的基本結(jié)構(gòu)與工作原理。電渦流式傳感器的基本特性有哪些？它是基于何種模型得到的？5.11 答：1）塊狀金屬導(dǎo)體置于變化的磁場(chǎng)中或在磁場(chǎng)中作用切割磁力線運(yùn)動(dòng)時(shí)，導(dǎo)體內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生一圈圈閉和的電流，這種電流叫電渦流，這種現(xiàn)象叫做電渦流效應(yīng)。2）形成渦流必須具備兩個(gè)條件：第一存在交變磁場(chǎng)；第二導(dǎo)電體處于交變磁場(chǎng)中。電渦流式傳感器通電后線圈周圍產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，金屬導(dǎo)體置于線圈附近。當(dāng)金屬導(dǎo)體靠近交變磁場(chǎng)中時(shí)，導(dǎo)體內(nèi)部就會(huì)產(chǎn)生渦流，這個(gè)渦流同樣產(chǎn)生交變磁場(chǎng)。由于磁場(chǎng)的反作用使線圈的等效電感和等效阻抗發(fā)生變化，使

22、流過線圈的電流大小、相位都發(fā)生變化。通過檢測(cè)與阻抗有關(guān)的參數(shù)進(jìn)行非電量檢測(cè)。3）因?yàn)榻饘俅嬖谮吥w效應(yīng)，電渦流只存在于金屬導(dǎo)體的表面薄層內(nèi)，實(shí)際上渦流的分布是不均勻的。渦流區(qū)內(nèi)各處的渦流密度不同，存在徑向分布和軸向分布。所以電渦流傳感器的檢測(cè)范圍與傳感器的尺寸（線圈直徑）有關(guān)。4）回路方程的建立是把金屬上渦流所在范圍近似看成一個(gè)單匝短路線圈作為等效模型。5.12 電渦流式傳感器可以進(jìn)行哪些物理量的檢測(cè)？能否可以測(cè)量非金屬物體，為什么？5.11答：1）凡是能引起R2、L2、M變化的物理量，均可以引起傳感器線圈Ri、Li的變化，可以進(jìn)行非電量檢測(cè)；如被測(cè)體（金屬）的電阻率P,導(dǎo)磁率N,厚度d,線圈與

23、被測(cè)體之間的距離x,激勵(lì)線圈的角頻率。等都可通過渦流效應(yīng)和磁效應(yīng)與線圈阻抗Z發(fā)生關(guān)系，使R、Li變化；若控制某些參數(shù)不變，只改變其中一個(gè)參數(shù)，便可使阻抗Z成為這個(gè)參數(shù)的單值函數(shù)。2）電渦流傳感器不可以直接測(cè)量非金屬物體，這是由于傳感器本身特性決定的第06章電容式傳感器6.1 如何改善單極式變極距型電容傳感器的非線性？非線性隨相對(duì)位移A6/60的增加而增加，為保證線性度應(yīng)限制相對(duì)位移的大?。黄鹗紭O距60與靈敏度、線性度相矛盾，所以變極距式電容傳感器只適合小位移測(cè)量；為提高傳感器的靈敏度和改善非線性關(guān)系，變極距式電容傳感器一般采用差動(dòng)結(jié)構(gòu)6.2 為什么高頻工作時(shí)的電容式傳感器連接電纜的長(zhǎng)度不能任意

24、變化？低頻時(shí)容抗Xc較大，傳輸線的等效電感L和電阻R可忽略。而高頻時(shí)容抗Xc減小，等效電感和電阻不可忽略，這時(shí)接在傳感器輸出端相當(dāng)于一個(gè)串聯(lián)諧振，有一個(gè)諧振頻率f0存在，當(dāng)工作頻率f之f0諧振頻率時(shí)，串聯(lián)諧振阻抗最小，電流最大，諧振對(duì)傳感器的輸出起破壞作用，使電路不能正常工作。通常工作頻率10MHz以上就要考慮電纜線等效電感L0的影響。6.3 差動(dòng)式變極距型電容傳感器，若初始容量g=C2=80pF,初始距離6。=4mm,當(dāng)動(dòng)極板相對(duì)于定極板位移了每=0.75mm時(shí)，試計(jì)算其非線性誤差。若改為單極平板電容，初始值不變，其非線性誤差有多大？6.3解：若初始容量C1=C2=80pF,初始距離S0=4

25、mm,當(dāng)動(dòng)極板相對(duì)于定極板位移了0d=0.75mm時(shí)，非線性誤差為：一亡。20.752L=（）2100%=（）2100%=3.5%'04改為單極平板電容，初始值不變，其非線性誤差為：0.75l=-100%=100%=18.75%4.6.5平板式電對(duì)位移傳感器，已知：極板尺寸a=b=4mm,極板間隙尻=0.5mm,極板間介質(zhì)為空氣。求該傳感器靜態(tài)靈敏度；若極板沿x方向移動(dòng)2mm,求此時(shí)電容量。6.5 解：對(duì)于平板式變面積型電容傳感器，它的靜態(tài)靈敏度為：kg=C0=88.85108=7.0810J1FmJa、：0極板沿x方向相對(duì)移動(dòng)2mm后的母容量為：=1.41610,3Fc；b（a-，x

26、）8.85100.0042C二二C00.56.6 已知：圓盤形電容極板直徑D=50mm,間距瓦=0.2mm,在電極間置一塊厚0.1mm的云母片（7=7）,空氣（衙=1）。求：無云母片及有云母片兩種情況下電容值g及C2是多少？當(dāng)間距變化6=0.025mm時(shí)，電容相對(duì)變化量；S6.6解：1)Ci=C.0&/&及AC2/C2是多少?-0_=3.4710F8.851023.142.510_4210C21228.85103.142.510、.0d110”7_0_=6.0810F2)令6'=60-d+%r,則6/C1一1二、.5”:0四二C21-：0.0250.2-0.025=0.

27、1430.0250.1143-0.025=0.2806.7在壓力比指示系統(tǒng)中采用差動(dòng)式變間隙電容傳感器和電橋測(cè)量電路，如圖6-7所示。已知：60=0.25mm；D=38.2mm；R=5.1kQ;Usr=60V（交流）,頻率f=400Hz。試求：（1）該電容傳感器的電壓靈敏度Ku（V/卜m）;（2）當(dāng)電容傳感器的動(dòng)極板位移5=10m時(shí)，輸出電壓Usc值。圖6-76.7解上由傳德器結(jié)構(gòu)及其測(cè)量電路可知(1)初始電容FtlT從而得(2)C=0.001kF0.001FR丁丁£=Q=g=78.85x10*><（38.2x107）上4x0.25x10-3=40,6xlQ-12（F）=

28、40.6pF工二二二叫242jtx400x40.6xIO-12=9x1（）6（£2）»Rf=5.1的力U,ACUj2Q60Ar/-27-2x0.25=120r/n?=0.12r/fl；?U01Kn1AdO,12V.JJ111XIOhdi-12V07章磁電式傳感器7.2說明磁電感應(yīng)式傳感器產(chǎn)生誤差的原因及補(bǔ)償方法。磁電感應(yīng)式傳感器兩個(gè)基本元件，即永久磁鐵和線圈，永久磁鐵在使用前需要有穩(wěn)定性處理，主要是線圈中電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)對(duì)恒定磁場(chǎng)的作用(稱為線圈磁場(chǎng)效應(yīng))是不能忽略的,需要采用補(bǔ)償線圈與工作線圈相串聯(lián)加以補(bǔ)償。當(dāng)環(huán)境溫度變化較大時(shí)傳感器溫度誤差較大，必須加以補(bǔ)償。7.3為什么

29、磁電感應(yīng)式傳感器的靈敏度在工作頻率較高時(shí)，將隨頻率增加而下降？7.3 答：因?yàn)榇烹姼袘?yīng)式傳感器的靈敏度為(e/u),振動(dòng)頻率過高時(shí)，線圈阻抗增大，使傳感器靈敏度隨振動(dòng)頻率增加而下降7.4 什么是霍爾效應(yīng)？通電的導(dǎo)體(半導(dǎo)體)放在磁場(chǎng)中，電流與磁場(chǎng)垂直，在導(dǎo)體另外兩側(cè)會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，這種現(xiàn)象稱霍爾效應(yīng)。7.5 霍爾元件常用材料有哪些？為什么不用金屬做霍爾元件材料？1)任何材料在一定條件下都能產(chǎn)生霍爾電勢(shì)，但不是都可以制造霍爾元件。只有半導(dǎo)體材料適于制作霍爾元件。又因一般電子遷移率大于空穴的遷移率，所以霍爾元件多采用N型半導(dǎo)體制造。2)金屬材料電子濃度雖然很高，但電阻率很小很小，使霍爾電勢(shì)Uh很

30、小，因此不適于做霍爾元件材料。7.6 霍爾元件不等位電勢(shì)產(chǎn)生的原因有哪些？7.7 答：霍爾電勢(shì)不為零的原因是，霍爾引出電極安裝不對(duì)稱，不在同一等電位面上；激勵(lì)電極接觸不良，半導(dǎo)體材料不均勻造成電阻率P不均勻等原因7.8 某一霍爾元件尺寸為L(zhǎng)=10mm,b=3.5mm,d=1.0mm,沿L方向通以電流I=1.0mA,在垂直于L和b的方向加有均勻磁場(chǎng)B=0.3T,靈敏度為22V/(AT),試求輸出霍爾電勢(shì)及載流子濃度。7.9 解：.Kh=22V/(AT),I=1.0mA,B=0.3T:輸出霍爾電勢(shì)：Uh=KhIB=6.6mV，一一，一，一，一9.L=10mm,b=3.5mm,de=1.0mm,e=

31、1.6107載流子濃度為：_19=28.4110IB0.0010.3UHed-0.00661.610A90.0017.9霍爾元件靈敏度Kh=40V/(AT),控制電流I=3.0mA,將它置于1父10。5M10“T線性變化的磁場(chǎng)中，它輸出的霍爾電勢(shì)范圍有多大？7.9 解：_4一一4一.Kh=40V/(AT),I=3.0mA,B=110-510T輸出霍爾電勢(shì)范圍是：低端：Uh=KhIB=12V高端：Uh=KhIB=60，7.10 有一霍爾元件，其靈敏度KH=1.2mV/mAkGs,把它放在一個(gè)梯度為5kGs/mm的磁場(chǎng)中，如果額定控制電流是20mA,設(shè)霍爾元件在平衡點(diǎn)附近作如.1mm的擺動(dòng)，問輸出

32、電壓范圍為多少？7.11 解：對(duì)于梯度為5kGs/mm的磁場(chǎng)，當(dāng)霍爾元件在平衡點(diǎn)附近作W.1mm的擺動(dòng)時(shí)，其磁場(chǎng)的變化AB=±5kGs/mnX0.1mm=t0.5kGs則霍爾元件輸出電壓的變化范圍為AUH=KHI?AB=1.2mV/mA?kGsx20mAX(土0.5kGs)=±12mV第08章熱電式傳感器8.1什么是熱電效應(yīng)？熱電偶測(cè)溫回路的熱電動(dòng)勢(shì)由哪兩部分組成？由同一種導(dǎo)體組成的閉合回路能產(chǎn)生熱電勢(shì)嗎？8.1 答：1）兩種不同類型的金屬導(dǎo)體兩端分別接在一起構(gòu)成閉合回路，當(dāng)兩個(gè)結(jié)點(diǎn)有溫差時(shí)，導(dǎo)體回路里有電流流動(dòng)會(huì)產(chǎn)生熱電勢(shì)，這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)。2）熱電偶測(cè)溫回路中熱電勢(shì)

33、主要是由接觸電勢(shì)和溫差電勢(shì)兩部分組成。3）熱電偶兩個(gè)電極材料相同時(shí)，無論兩端點(diǎn)溫度如何變化無熱電勢(shì)產(chǎn)生8.2 為什么熱電偶的參比端在實(shí)際應(yīng)用中很重要？對(duì)參比端溫度處理有哪些方法？：1）實(shí)際測(cè)量時(shí)利用這一性質(zhì)，可對(duì)參考端溫度不為零度時(shí)的熱電勢(shì)進(jìn)行修正。2）因?yàn)闊犭娕嫉姆侄缺砭且詤⒖级薚=0C為標(biāo)準(zhǔn)的，而實(shí)際應(yīng)用的熱電偶參考端往往Tw0C,一般高于零度的某個(gè)數(shù)值，此時(shí)可利用中間溫度定律對(duì)檢測(cè)的熱電勢(shì)值進(jìn)行修正，以獲得被測(cè)的真實(shí)溫度。8.4 試比較熱電偶、熱電阻、熱敏電阻三種熱電式傳感器的特點(diǎn)。8.4答：熱電偶、熱電阻、熱敏電阻三種熱電式傳感器特點(diǎn)如下：熱電偶可以測(cè)量上千度高溫，并且精度高、性能好

34、，這是其它溫度傳感器無法替代。熱電阻結(jié)構(gòu)很簡(jiǎn)單，金屬熱電阻材料多為純鉗金屬絲，也有銅、饃金屬。金屬熱電阻廣泛用于測(cè)量-200+850C溫度范圍，少數(shù)可以測(cè)量1000Co熱敏電阻由半導(dǎo)體材料制成，外形大小與電阻的功率有關(guān)，差別較大。熱敏電阻用途很廣，幾乎所有家用電器產(chǎn)品都裝有微處理器，這些溫度傳感器多使用熱敏電阻。8.5 某熱電偶靈敏度為0.04mV/C,把它放在溫度為1200c處的溫度場(chǎng)，若指示表（冷端）處溫度為50C,試求熱電勢(shì)的大小？8.5 解:已知：熱電偶靈敏度為0.04mV/C,把它放在溫度為1200c處的溫度場(chǎng)，若指示表（冷端）處溫度為50C,則中間溫度為：1200C-50C=115

35、0C；熱電勢(shì)為：0.04mV/CX1150C=46mV或：EAB（T,0）=Eab（T,1200）+Eab（50,0）=1200cx0.04mV/C-50cx0.04mV/C=46mV8.6 某熱電偶的熱電勢(shì)在E（600,0）時(shí)，輸出E=5.257mV,若冷端溫度為0c時(shí)，測(cè)某爐溫輸出熱電勢(shì)E=5.267mV。試求該加熱爐實(shí)際溫度是多少？8.6解：已知：熱電偶的熱電勢(shì)E（600.0,0）=5.257mV,冷端溫度為0c時(shí)，輸出熱電勢(shì)E=5.267mV,熱電偶靈敏度為：K=5.257mV/600=0.008762mV/C該加熱爐實(shí)際溫度是：T=E/K=5.267nV/0.008762nV/0C=

36、601.14C8.7 已知鋁熱電阻溫度計(jì)0c時(shí)電阻為100Q,100C時(shí)電阻為139Q,當(dāng)它與某熱介質(zhì)接觸時(shí)，電阻值增至281Q,試確定該介質(zhì)溫度。（查分度表）8.7解:已知：鉗熱電阻溫度計(jì)0c時(shí)電阻為100Q,100c時(shí)電阻為139Q;可通過查表得：當(dāng)電阻值增至281時(shí)，介質(zhì)溫度為500Co時(shí)熱電需溫度傳感器的輸入電路如習(xí)題圖8-呂所心12知鈿銀一甘也此稿在溫度0700£之間變化時(shí)，H平均熱電勢(shì)波動(dòng)為5rV/T,橋路中供橋電年為4V.二個(gè)銃銅電網(wǎng)貝卜七、Ra）的限值均為Id銅電二一已知當(dāng)露度為。匕時(shí)電橋平衡,為了使熱電偶的冷端溫度在0-50T范陽共熱電勢(shì)得到完全補(bǔ)性,試求可調(diào)電阻的

37、阻值只七習(xí)題圖3S二8000"=6mV解；熱電偶冷端補(bǔ)信電勢(shì)E（t.O）=ktr式中.k為熱電倡漢江度（k=«MV"而補(bǔ)償電橋輸出電壓（見習(xí)題圖8T）HU,ARIJRedU,Ln=-=£ff47?4R4一上400.004冷端補(bǔ)償時(shí)有根據(jù)電橋電路,其等效電路為由、Ru和R，、處分別串驥后再并聯(lián).一后根電源、R一聯(lián).橋臂電阻串并聯(lián)后為1Q,由此可得PUl=1xE;(R-h1)所以R=I?Ur170006-J=665.7(n)8.9某某敏電阻,其B值為2900K,若冰點(diǎn)電阻為500KG.求熱敏電阻在100X7時(shí)的阻值。解；TgNTC=273K,：HOOkC；T

38、=100f=373KRm=心門產(chǎn)頌回“爾=2&98（kG）第09章超聲波傳感器9.1 什么是超聲波？其頻率范圍是多少？9.1答：1）超聲波是人耳無法聽到的聲波。人耳聽見的聲波稱機(jī)械波，頻率在16Hz20kHz,一般說話的頻率范圍在100Hz8kHz之間，低于20Hz頻率的波稱為次聲波，高于20kHz頻率的波稱超聲波，頻率在300MHz300GHz之間的波稱為微波。2）超聲波頻率范圍在幾十千赫茲到幾十兆赫茲，9.2 超聲波在通過兩種介質(zhì)界面時(shí)，將會(huì)發(fā)生什么現(xiàn)象？9.3 答：當(dāng)超聲波從一種介質(zhì)入射到另一種介質(zhì)時(shí)，在界面上會(huì)產(chǎn)生反射、折射和波形轉(zhuǎn)換。9.4 超聲波傳感器的發(fā)射與接收分別利用什

39、么效應(yīng)，檢測(cè)原理是什么？常用的超聲波傳感器（探頭）有哪幾種形式？簡(jiǎn)述超聲波測(cè)距原理。9.3 答：1）超聲波傳感器主要利用壓電材料（晶體、陶瓷）的壓電效應(yīng)，其中超聲波發(fā)射器利用逆壓電效應(yīng)制成發(fā)射元件，將高頻電振動(dòng)轉(zhuǎn)換為機(jī)械振動(dòng)產(chǎn)生超聲波；超聲波接收器利用正壓電效應(yīng)制成接收元件，將超聲波機(jī)械振動(dòng)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。2）按工作形式簡(jiǎn)單超聲波傳感器有專用型和兼用型兩種形式，兼用型傳感器是將發(fā)射（TX）和接收（RX元件制作在一起，器件可同時(shí)完成超聲波的發(fā)射與接收；專用型傳感器的發(fā)送（TXO和接收（RX器件各自獨(dú)立。按結(jié)構(gòu)形式有密封性和開放型，超聲波傳感器上一般標(biāo)有中心頻率（23kHz、40kHz、75kHz、

40、200kHz、400kHz）,表示傳感器工作頻率。9.4 利用超聲波測(cè)厚的基本方法是什么？已知超聲波在工件中的聲速為5640m/s,測(cè)得的時(shí)間間隔t為22s,試求工件厚度9.41）通過測(cè)得超聲波脈沖從發(fā)射到接收的時(shí)間間隔t和超聲波在介質(zhì)中傳播速度，便可以求得待測(cè)的厚度或物位。2）解：已知：=5640m/s,t1t2=22/s*：由At=2加/u,得到工彳+厚度Ah=&u/2=62.04m第10章光電式傳感器10.1什么是內(nèi)光電效應(yīng)？什么是外光電效應(yīng)？說明其工作原理并指出相應(yīng)的典型光電器件。10.1 答：當(dāng)用光照射物體時(shí)，物體受到一連串具有能量的光子的轟擊，于是物體材料中的電子吸收光子能量而發(fā)生相應(yīng)的電效應(yīng)（如電阻率變化、發(fā)射電子或產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)等）。這種現(xiàn)象稱為光電效應(yīng)。1）當(dāng)光線照在物體上，使物體的電導(dǎo)率發(fā)生變化，或產(chǎn)生光生電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象叫做內(nèi)光電效應(yīng)，內(nèi)光電效應(yīng)又分為光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)。