“传感技术及应用”作业与习题.doc

“传感技术及应用”作业与习题

1、 绪论
作业习题
1.什么是传感器？（传感器定义）
传感器由哪几个部分组成？分别起到什么作用？
2.解释下列名词术语：
敏感元件;2)传感器; 3)信号调理器;4)变送器。
讨论习题
1.什么是传感器？常用的分类方法有哪两种？
思考题
1. 传感器特性在检测系统中起到什么作用？

2、 传感器的一般特性
作业习题
判断以下各题正确与否：
1.传感器是一种测量器件或装置，它将被测量按一定规律转换成可用输出，一般系统有输入和输出，所以均可看作传感器。
2.传感器的静态特性曲线表示法一般有方程表示法，曲线表示法，列表表示法三种，但是它们严格意义上是等效的。
3.迟滞误差、非线性误差和重复性误差都会给测量结果带来误差，但它们都可用统计平均的办法减少。
4.传感器的阈值，实际上就是传感器在零点附近的分辨力。
5.某位移传感器的测量量程为1mm，分辨力为0.001 mm，这说明传感器的灵敏度很高，其灵敏度为0.1 %。
6.传感器A采用最小二乘法拟合算得线性度为土0.6%，传感器B采用端点直线法算得线性度为±0.8%，则可以肯定传感器A的线性度优于传感器B。
7.无论何种传感器，若要提高灵敏度必然会增加非线性误差。
8.幅频特性优良的传感器，其动态范围大，故可以用于高精度测量。
讨论习题
1.传感器的性能参数反映了传感器的什么关系？
2.静态参数有哪些？各种参数代表什么意义？
3.动态参数有那些？应如何选择？
思考题
1.对于一阶传感器而言，传感器的时间常数越小，工作频域越宽，动态响应越好。
2.对于二阶传感器而言，可以通过减小传感器运动部分质量和增加弹性敏感元件的刚度来提高传感器的固有频率。
3、 电阻式传感器
作业习题
1．什么是应变效应？什么是压阻效应？什么是横向效应？
2. 说明电阻应变片的组成和种类。电阻应变片有哪些主要特性参数？
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,在其表面粘贴八各应变片，四个沿周向粘贴，应变片的电阻值均为120Ω,灵敏度为2.0,波松比为0.3,材料弹性模量E=2.1×1011Pa。要求：
①绘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10V时，计算传感器的输出电压。
4.应变片产生温度误差的原因及减小或补偿温度误差的方法是什么？

5.某次测定金属丝电阻—温度关系的实验数据如下表
t(℃)
17.8
20.9
37.7
48.2
58.8
Rt ()
3.554
3.687
3.827
3.969
4.105
试正确绘制R-t关系并求出0℃时的电阻阻值。
6.有一测量吊车起吊物质量的拉力传感器如图(a)所示。电阻应变片R1、R2、R3、R4贴在等轴截面上。已知等截面轴的截面积为0.00196m2，弹性模量，泊松比为0.3，R1、R2、R3、R4标称值均为120、灵敏度为2.0，它们组成全桥如图(b)所示，桥路输入电压为2V，输出电压为1.0mV，求：①等截面袖的纵向应变及横向应变；②重物m有多少吨？

7.半桥测量时两片不同受力状态的电阻应变片介入电桥时，应放在邻边。
8.桥路（差动电桥）测量存在非线性误差，是因为_____________________。
9.应变式传感器可用于温度测量吗？
10.一阻值120的应变式电阻传感器灵敏系数，将该应变片用阻值为12的导线连接到测量系统，求应变片灵敏系数=1.82。
11.设计一只测量线位移的精密线绕电位器，测量范围0~10mm，分辨力为50μm，灵敏度为2.7V/mm，电阻丝材料选用铂铱金丝，其电阻率ρ=3.15×10-4Ω.mm，当电位器的负载电阻Rf=10kΩ。求电位器的最大负载误差。
12.下图是热敏电阻温度传感器的线性化电路，设TL、TH、TM分别为测温的下限、上限和测温范围的中点，其对应的热敏电阻值已知为RL、RH、RM，为保证热敏电阻输出的线性，请推导串联在热敏电阻中的R的最佳值是多少？

讨论习题
1．试说明金属应变片与半导体应变片的相同和不同之处。

思考题
1．在传感器测量电路中，直流电桥与交流电桥有什么不同，如何考虑应用场合？用电阻应变片组成的半桥、全桥电路与单桥相比有哪些改善？

4、 电感式传感器
作业习题
1.叙述变磁阻式传感器的工作原理。
2.说明差动变压器（螺线管式）传感器的结构形式与输出特性。
3.什么是零点残余电压，有哪些方法可以进行残余电压补偿？
4.用差动变压器进行位移测量时采用那种电路形式可以直接由输出电压区别位移的大小和方向？
5.什么是电涡流效应？电涡流传感器可以进行哪些非电量参数测量？分别利用哪些物理量进行检测，由哪个电参量转换进行电量输出的？
6．电感式传感器有哪些种类？它们的工作原理是什么？

7．如图所示一简单电感式传感器。尺寸已示于图中。磁路取为中心磁路，不记漏磁，设铁心及衔铁的相对磁导率为104，空气的相对磁导率为1，真空的磁导率为4π×10-7H﹒m-1,试计算气隙长度为零及为2mm时的电感量。图中所注尺寸单位均为mm.
8．问振幅是5V，频率是1000Hz的正弦波交流的有效值为多少？周期为多少？
9.在膜厚传感器上，厚度l 越大，线圈的自感系数是变大还是变小？
10.将非电量的变化转换成线圈______ (或______)变化，这种测量装置叫做电感式传感器。该传感器按转换原理不同可分为_______式或_______式两大类。
11.判断题：
①. 对变间隙的电容式传感器而言即使采用差动结构也不能完全消除非线性误差。
②. 差动电感传感器不能完全消除非线性误差。
③. 电感式传感器和涡流式传感器都是通过电感量的变化检测信号的，所以它们结构和工作原理没有任何不同。
④. 自感式电感传感器改变空气隙等效截面积类型变换器转换关系为非线形的，改变空气隙长度类型的为线形的。
⑤. 变压器式电感传感器多采用差动结构，并用线圈间互感M的大小确定被测非电量的数值。

讨论习题
1.请简述电涡流传感器的工作原理，并举出两种传感器的测量电路，说明电路的测量原理。
调频式电感传感器转换电路由于输出信号是脉冲信号，因此抗干扰能力强，易于数字化和远距离传输信号。
2.分析电感传感器出现非线性的原因，并说明如何改善？
思考题
1．差动电感结构有什么优点，采用什么电路可有线形输出？
2．简述电涡流效应及构成电涡流传感器的可能的应用场合。

5、 电容式传感器
作业习题
1.电容传感器有哪些类型？
2.叙述电容传感器的工作原理，输出特性。
3.电容传感器的测量电路有哪些？叙述二极管双T型交流电桥工作原理。
4．差动式电容测厚传感器系统的工作原理？
5．推导差动式电容传感器的灵敏度，并与单极式电容传感器相比较。
6．试推导变电介质电容式位移传感器的特性方程C=f(x)。设真空的介电系数为ε0, ε2＞ε1 ，以及极板宽度为W。
7. 在上题中，设δ=d=1mm，极板为正方形（边长50mm）。ε1 =1,ε2=4试在x=0到50mm范围内，输出磁位移传感器的特性曲线，并给以适当说明。
8. 简述电容式传感器用差动脉冲调宽电路的工作原理及特点。
9.电容传感器有哪三种类型，试从输入输出关系的角度说明各自的特点，对于非线性类型采用什么方法来改善？
10.由于电容传感器的初始电容________，因此，该传感器的关键问题是_________的影响极其严重，这不仅会造成传输效率_______，灵敏度_______，而且会产生很大的________。
11.变面积电容式传感器如图(a)所示，BC形成恒定电容CF，绝缘导杆D伸入圆柱极板A中使得AC电容CX变化，运算放大器如图(b)所示，求：①导杆D每伸入1mm引起的电容变化量；② Ui=6V时，求Uo。（）

(a) (b)

12.电容传感器外圆半径R=8mm,内圆柱外半径r=7.25mm,外圆筒与内圆筒覆盖部分长度l=16mm,计算电容传感器电容量=_________，当移动0.5mm时的电容变化量________。
13.对变间隙的电容式传感器而言即使采用差动结构也不能完全消除非线性误差吗？
14.电容传感器有哪三种类型，试从输入输出关系的角度说明各自的特点，对于非线性类型采用什么方法来改善？

讨论习题
1．根据电容传感器的工作原理说明它的分类，电容传感器能够测量哪些物理参量？
2.如果电容传感器的电缆丢失了，更换另一根电缆后，可以不必对测量系统重新进行标定，也可直接使用。

思考题
1.为什么电感式和电容式传感器的结构多采用差动形式，差动结构形式的特点是什么？
2．总结电容式传感器的优缺点，主要应用场合以及使用中应注意的问题。

6、 磁电式传感器
作业习题
1.为什么说磁电感应式传感器是一种有源传感器？
2.变磁阻式传感器有哪几种结构形式？可以检测哪些非电量？
3.什么是霍尔效应？霍尔电势的大小与方向和哪些因素有关？影响霍尔电势的因素有哪些？
4.集成霍尔器件有哪几种类型？试画出其输出特性曲线。
5.有一测量转速装置，调制盘上有100对永久磁极，N、S极交替放置，调制盘由转轴带动旋转，在磁极上方固定一个霍尔元件，每通过一对磁极霍尔元件产生一个方脉冲送到计数器。假定t=5min采样时间内，计数器收到N=15万个脉冲，求转速n=？转/分。
6.磁敏元件有哪些？（磁敏电阻、磁敏二极管、磁敏晶体管）什么是磁阻效应？简述磁敏二极管、晶体管工作原理。
7.磁敏电阻与磁敏晶体管有哪些不同？与霍尔元件在本质上的区别是什么？
8．试证明霍尔式位移传感器的输出与位移成正比。
9.磁电式传感器通常用于测量速度，这是由于它的质量块的位移与速度成正比。
10.简答：写出霍尔电压的表达式，并给出消除不等位电势的方法。
11.当控制磁感应强度为零，控制电流为额定值时，霍尔电极间的空载电势称为不等位电势（或零位电势）。
12.如何采用恒流源和输入并联电阻对霍尔元件进行温度补偿，求出并联电阻。（设温度时，霍尔元件的灵敏度系数为，输入电阻为，温度上升到 时，它们分别为、。，，其中为霍尔元件灵敏度系数；为元件的输入电阻温度系数。（假设不随温度变化）。霍尔片采用恒流源供电，为补偿温度误差，采用在输入回路并联电阻，如下图示，若已知霍尔元件灵敏度温度系数为α，霍尔元件输入电阻温度系数为β，温度t0时的输入电阻为Ri0，请推导并联的电阻RP的大小。

13.霍尔元件用于测量磁场，它通常不用金属而由磁性半导体材料如锗、砷化铟等制成。
14.不管霍尔效应还是磁阻效应都是洛伦磁力作用的结果。
15.简述霍尔传感器测量磁场的原理。
16.霍尔片采用恒压源供电，为补偿温度误差，采用在输入回路串联电阻RP，如下图示，若已知霍尔元件灵敏度温度系数为α，霍尔元件输入电阻温度系数为β，温度t0时的输入电阻为Ri0，请推导并联的电阻RP的大小。

~
IH
RP
V
VH

讨论习题
1. 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？
2．磁电式传感器与电感式传感器有哪些不同？
3. 简述霍尔效应及构成以及霍尔传感器可能的应用场合。
思考题
1.磁电式传感器是速度传感器，它如何通过测量电路获得相对应的位移和加速度信号？
2.发电机是利用导线在永久磁铁的磁场中作旋转运动而发电的。无论负载怎样消耗这个电能，永久磁铁不会变弱，这是什么道理？

7、 压电式传感器
作业习题
1. 判断题：
1）沿机械轴（Y-Y）方向施加作用力时，产生的电荷量与压电晶片的几何尺寸有关。
2）压电式传感器如果使用电荷放大器作为前置放大器，在一定条件下，传感器的灵敏度与电缆长度无关。
3）电荷放大器是将传感器输出的电荷进行放大的前置放大器，由于它可以使用较长的电缆，因而得到广泛应用。
4）石英晶体和压电陶瓷均呈压电现象，压电机理也一样，但后者的压电常数要大的多。
5）在压电式传感器的测量线路中，电荷放大器的低频特性要比电压放大器的好的多。
6）压电晶体有三个互相垂直的轴，分别为X轴（电轴）、Y轴（力轴）、Z轴（光轴），当沿某一轴的方向施加外作用力时，会在另外两个轴的表面出现电荷。
2.什么是正压电效应？什么是逆压电效应？压电效应有哪些种类？压电传感器的结构和应用特点是什么？能否用压电传感器测量静态压力？
3.石英晶体X、Y、Z轴的名称是什么？有哪些特征？
4.说明电压放大器与电荷放大器的优缺点，各自要解决什么问题？
5.用石英晶体加速度计及电荷放大器测量机器振动，已知，加速度计灵敏度为5pc/g;电荷放大器灵敏度为50mv/p，最大加速度时输出幅值2v，试求机器振动加速度。
6．超声波传感器利用压电材料制成发射器和接收器，说明它们各利用哪种压电效应？
7．简述压电式加速传感器的工作原理？
8. 一个等效电容为450pF的压电式水听器与同相放大器相连，试确定为获得100的增益及在5Hz处增益误差小于10%的电路无源元件之值。
9.有一个振动频率为10K的被测体需要测量其振动参数，应选用压电式传感器进行测量。

10.石英晶体的压电效应有何特点？已知石英晶体压电片上的极性如图（a）所示，试标出图（b）、（c）、（d）所示的石英晶体压电片上电荷的极性，并结合图说明什么叫纵向压电效应？什么叫横向压电效应？
x
Fx

Fx
y
x
Fx

−
+
+
+
+
−
−
−
Fx
y

（a）x方向受压力 （b）x方向受拉力

x
Fy
Fy
y

x
Fy
Fy
y

（c）y方向受压力 （d）y方向受拉力

11.压电传感器配用电路常采用电荷放大器，问：
①根据压电材料的等效模型推导电荷放大器输出电压与电荷的关系；
②说明电荷放大器有何特点。
讨论习题
1．电荷放大器所要解决的核心问题是什么？试推导其输入输出关系。
2.简述压电陶瓷特性，作为压电元件比较他与石英晶体有哪些特点？
思考题
1.为什么压电传感器通常都用来测量动态或瞬态参量？
2.设计压电式传感器检测电路的基本考虑点是什么？为什么？

8、 热电式传感器
作业习题
1.判断题：
a) 热电偶使用时，常配用冷端延长线，延长线可以采用任何一种金属材料制造。
b) 把N支相同型号的热电偶依次将正、负极连接，则串联线路的相对误差会减少。
c) 两种金属相接触时会产生接触电势，两种半导体也会产生接触电势，但金属和半导体间不会产生接触电势。
d) 热电偶传感器的中间导体定律保证了接入热电偶回路中的第三甚至第四种导体只要它们几端的温度相同就一定不会影响回路的总电势。
e) 热电偶的补偿导线法与零度恒温法一样，可完全消除冷端温度变化带来的测温误差。
f) 热电偶的工作机理是导体的热电效应。而热电势的产生必须具备两个条件，即两种导体材质不同且两个节点的温度不同。
2.已知铜热电阻Cu100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_______欧；若测温时的电阻值为83欧，则被测温度是_______℃（保留小数点后两位）
3. 叙述并证明热电偶参考电极定律，其中k为玻尔兹曼常数；e为电子电荷量；nA、nB、 nC分别为材料A、B、C的自由电子密度；、、分别为材料A、B、C的汤姆逊系数。且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。(材料A在前，材料B在后)
T
C
T0
T
A
B
T0
T
A

4.将一灵敏度为0.08 mV/℃的热电偶与电压表相连接，电压表接线端是50℃，若电位计上读数是60mV，热电偶的热端温度是___________________。
5.用两个AD590测量两点温度差的电路如图所示，设1# 和2# AD590处的温度分别为t1（℃）和t2（℃）。图中电位器R2用于调零，电位器R4用于调整运放LF355的增益。试求出输出电压Vo与温差t1-t2的关系。

6.下图是热敏电阻的伏安特性曲线，
1）请对曲线进行分析；
2）用该热敏电阻测量温度时，应该利用曲线的哪一段，说明原因；
3）用该热敏电阻测量风速或流量时，应该利用曲线的哪一段，说明原因。

7．集成温度传感器的测温原理，有何特点？
8．如果需要测量1000℃和20℃温度时，分别宜采用哪种类型的温度传感器？
9．什么叫热电动势、接触电动势和温差电动势？说明热电偶测温原理及其工作定律的应用。分析热电偶测温的误差因素，并说明减小误差的方法。
10．试述热电偶测温的基本原理和基本定理。
11．试解释负电阻温度系数热敏电阻的伏安特性并说明其用途。

12．使用k型热电偶，基准接点为0℃、测量接点为30℃和900℃时，温差电动势分别为1.203mV和37.326mV。当基准接点为30℃。C，测温接点为900℃时的温差电动势为多少？
13. 0℃时铂金热电阻的阻值为100Ω。按下图所示进行温度测量。R1=100Ω,R2=200Ω,R3=300Ω时桥路达到平衡。此时温度为多少？假设铂金电阻的温度系数为0.003851℃-1，电阻与温度成线性关系，另外导线的电阻可忽略不计。
14．0℃时的电阻为100Ω的铂金热电阻。300℃时的阻值按下面两种方法计算，其结果之差换算成温度差是多少？
15.电阻用温度的一次方程表示，RT=R0（1+At+Bt2）式中B=0，A=0.003851℃-1。（此时100℃时的电阻值为138.51Ω）电阻值与温度为二次函数关系。用一次方程近似时，温度误差为多少？
讨论习题
1．热电阻传感器主要分为几种类型？它们应用在什么不同场合？
半导体热敏电阻的主要优缺点是什么？在电路中是怎样克服的？
2．试比较电阻温度计与热电偶温度计的异同点。
思考题
1．要测1000。C左右的高温，用什么类型的热电偶好？要测1500。C左右的高温呢？
2．热电偶冷端温度对热电偶的热电势有什么影响？为消除冷端温度影响可采用哪些措施？
9、 光电式传感器
作业习题
1.判断题：
1）光栅利用莫尔条纹可以测量长度、角度和进行光谱分析。
2）功能型光纤传感器是利用光纤的敏感特性进行测量，比如光纤液位传感器。
3）光敏二极管和磁敏二极管使用时与光电池不同，二者均在反向偏置下工作。
4）硫化镉光敏电阻和硫化铅光敏电阻的尺寸一样时可相互替代。
5）光电池和光敏二极管都是建立在内光电效应基础上，工作电路也一样。
6）通常外光电效应有红限频率，而内光电效应无红限频率。.由于光敏电阻的光照特性是非线性的，因此不宜用做测量元件。但由于光敏电阻的响应时间很短，因此可以用做高速光电开关。
7）光纤是利用光的折射原理工作的，光纤由纤芯和包层构成，且纤芯的折射率小于包层的折射率。
8）由于光电池的开路输出电压与光强成正比，因此可以用于测量光强。
9）CCD图像传感器是由电荷耦合器件CCD与光敏二极管阵列集成为一体的具有自扫描功能的固态传感器。
10）由于光敏电阻的光照特性是非线性的，因此不宜用做测量元件。但由于光敏电阻的响应时间很短，因此可以用做高速光电开关。
11）光纤是利用光的折射原理工作的，光纤由纤芯和包层构成，且纤芯的折射率小于包层的折射率。
12）由于光电池的开路输出电压与光强成正比，因此可以用于测量光强。
13） CCD图像传感器是由电荷耦合器件CCD与光敏二极管阵列集成为一体的具有自扫描功能的固态传感器。
14）光导管是内光电效应的典型代表器件。
2.什么是外光电效应？内光电效应？光生伏特效应？光电导效应？
3.光电器件中的光照特性、光谱特性分别描述的是光电器件的什么性能？
4.试述光敏电阻、光敏晶体管、光电池的器件结构和工作原理。
5.叙述电荷耦合器件（CCD）的结构和存储电荷与转移电荷的工作过程。
6.光纤传感器在位移测量中有哪些特点？反射光的光强弱对测量有哪些影响？
7.求光纤n1=1.46， n2=1.45的NA值；外部n0=1时，求最大入射角θ=？。
8.在用光开关检测物体的系统中，由受光器的受光次数，可计算通过输送带上物体的个数，那么，用输送带搬运两种高度的物体时，画出能分别计算两种高度的物体个数的系统组成图。
9．图示为光纤传光示意图，若空气的光折射率为n0，要使光纤的入射光在光纤纤芯内全反射，则q0至多为多少？写出推导过程。并表述数值孔径的意义。
n1
n2
q1
j1

10．下图为CCD读出移位寄存器结构原理图和三个电极f1、f2、f3上所施加的脉冲波形。请根据t1～t4各时刻波形情况，简单描述读出移位寄存器工作原理，即信息电荷转移过程。
f1
f3
f2
f1
f2
f3
t
遮光层
氧化物
金属
t1
t2
t3
t4
P型硅

11.光纤纤芯的折射率n1=1.48，包层的折射率n2=1.46，求它的NA值；如外部的n0=1，求最大入射角θm=？
12.简述光纤的基本结构，并基于几何光学的原理，以阶跃光纤说明其传光过程。
13.简述光电增量码盘辩向的原理。
14.光栅传感器基于何种原理制造？有何特点？
若某光栅的栅线密度为50线/mm，主光栅与指示光栅之间的夹角为θ=0.01rad。
（1） 求其形成的莫尔条纹间距BH是多少？
（2） 若采用四只光敏二极管接收莫尔条纹的信号，并且光敏二极管的响应时间为10-6s，问此时允许最快的运动速度v是多少？
讨论习题
1.光电增量码盘和绝对值光电码盘有何不同？
2.功能型光纤传感器与非功能型光纤传感器有什么区别？各有哪些功能？
思考题
1. 光纤损耗是如何产生的？它对光纤传感器有哪些影响？
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？
3.TSL251将光电二极管和I/V变换器集成在一起，并具有45mV/(mW/cm2)的灵敏度和3mV的暗电压，输出与ADC相连。若ADC有5V的输入范围且希望在黑暗时有零数字输出，输入辐照度为50mW/cm2时有最大数字输出，试确定放大器的增益和ADC位数。若传感器的温度系数为1mV/K，试确定在不影响ADC输出的情况下，传感器可能承受的最大温度变化。
10、 超声波传感器数字化传感器
作业习题
1.超声波在介质中传播有那些特性？
2.超声波物位测量有几种方式，各有什么特点？
3.超声波传感器的吸收块的作用是什么？
4.简述超声波测量流量的工作原理。
① 横波只在固体内传播吗？
② 叙述超声波传感器传播时间法测流量的原理。并结合下图推导被测流体的平均流速v的计算公式。（推导出流速即可）（D—管道直径；c—超声波在静止流体中的速度；v—被测流体的平均流速）

q0

讨论习题
1．超声波传感器能用于哪些非电量的测量？试举例说明之。

思考题
1.如何利用超声波的多普勒频移法测量含有悬浮颗粒或气泡流体的流量？

16 / 16