测试技术复习资料传感器第四章 考试重点.doc

测试技术传感器第四章 题型小结
一、选择题
1. 电涡流式传感器是利用什么材料的电涡流效应工作的。（ A ）
A. 金属导电 B. 半导体 C. 非金属 D.
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（ B ）。
A. 电压放大器 B. 电荷放大器 C. 前置放大器 D. 电容放大器
3. 磁电式绝对振动速度传感器的数学模型是一个（ B ）。
A. 一阶环节 B. 二阶环节 C. 比例环节 D. 高阶环节
4. 磁电式绝对振动速度传感器的测振频率应（ A ）其固有频率。
A. 远高于 B. 远低于 C. 等于 D. 不一定
5. 随着电缆电容的增加，压电式加速度计的输出电荷灵敏度将（ C ）。
A. 相应减小 B. 比例增加 C. 保持不变 D. 不确定
6. 压电式加速度计，其压电片并联时可提高（ B ）。
A. 电压灵敏度 B. 电荷灵敏度 C. 电压和电荷灵敏度 D. 保持不变
7. 调频式电涡流传感器的解调电路是（ C ）。
A. 整流电路 B. 相敏检波电路 C. 鉴频器 D. 包络检波电路
8. 压电式加速度传感器的工作频率应该（ C ）其固有频率。
A. 远高于 B. 等于 C. 远低于 D. 没有要求
9. 下列传感器中哪个是基于压阻效应的？（ B ）
A. 金属应变片 B. 半导体应变片 C. 压敏电阻 D. 磁敏电阻
10. 压电式振动传感器输出电压信号与输入振动的（ B ）成正比。
A. 位移 B. 速度 C. 加速度 D. 频率
11. 石英晶体沿机械轴受到正应力时，则会在垂直于（ B ）的表面上产生电荷量。
A. 机械轴 B. 电轴 C. 光轴 D. 晶体表面
12. 石英晶体的压电系数比压电陶瓷的（ C ）。
A. 大得多 B. 相接近 C. 小得多 D. 不确定
13. 光敏晶体管的工作原理是基于（ B ）效应。
A. 外光电 B. 内光电 C. 光生电动势 D. 光热效应
14. 一般来说，物性型的传感器，其工作频率范围（ A ）。
A. 较宽 B. 较窄 C. 较高 D. 不确定
15. 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（ B ）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. 电阻丝材料长度的变化
16. 电容式传感器中，灵敏度最高的是（ C ） 。
A. 面积变化型 B. 介质变化型 C. 极距变化型 D. 不确定
17. 极距变化型电容传感器适宜于测量微小位移量是因为（B ）
A. 电容量微小影响灵敏度
B. 灵敏度与极距的平方成反比，间距变化大则产生非线性误差
C. 非接触测量
D. 两电容极板之间距离变化小
18. 高频反射式涡流传感器是基于（ A ）和集肤效应来实现信号的感受和变化的。
A. 涡电流 B. 纵向 C. 横向 D. 压电
19. 压电材料按一定方向放置在交变电场中，其几何尺寸将随之发生变化，这称为（ D ）效应。
A. 压电 B. 压阻 C. 压磁 D. 逆压电
20. 下列传感器中，能量转换型传感器是（ A ）
A. 光电式 B. 应变片 C. 电容式 D. 电感式
21. 测试工作的任务主要是从复杂的信号中提取（ C ）
A. 干扰噪声信号 B. 正弦信号
C. 有用信息     D. 频域信号
22. 压电式传感器是属于（ B ）型传感器
A. 参量型 B. 发电型 C. 电感型 D. 电容型
23. 莫尔条纹光栅传感器是（ B ）的
A. 数字脉冲式 B. 直接数字编码式
C. 调幅式 D. 调频式
24. 磁电式绝对振动速度传感器的动态数学模型是（ C ）
A. 一阶环节 B. 二阶环节 C. 比例环节 D. 积分环节
25. 电涡流传感器是利用被测（ A ）的电涡流效应
A. 金属导电材料 B. 非金属材料 C. PVF2 D. 陶瓷材料
26. 当电阻应变片式传感器拉伸时，该传感器电阻（ A ）
   A. 变大 B. 变小 C. 不变 D. 不定
27. 极距变化型电容传感器的灵敏度与（ D ）
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
28. 压电式加速度传感器的工作频率应（ C ）其固有频率
A. 远高于 B. 等于 C. 远低于 D. 不确定
29.调频式电涡流传感器的解调电路是（ C ）
A. 电荷放大器 B. 相敏检波器 C. 鉴频器 D. 鉴相器
30. 高频反射式电涡流传感器，其等效阻抗分为等效电阻R和等效电感L两部分，M为互感系数。当线圈与金属板之间距离δ减少时，上述等效参数变化为（ B ）
A. R减小，L不变，M增大 B. R增大，L减小，M增大　
C. R减小，L增大，M减小 D. R增大，L增大，M增大
31. 为消除压电传感器联接电缆分布电容变化对输出灵敏度的影响，可采用（ B ）
A. 电压放大器 B. 电荷放大器 C. 相敏检波器 D. 鉴相器
32.在测量位移的传感器中，符合非接触式测量且不受油污等介质影响的是（ D ）传感器
A. 电容式    B. 压电式   C. 电阻式    D. 电涡流式
33. 半导体热敏电阻随温度上升，其阻值（ B ）
A. 上升 B. 下降 C. 保持不变 D. 变为0
34. 为使电缆的长短不影响压电式传感器的灵敏度，应选用（ B ）放大器
A. 电压  B. 电荷  C. 微分         D. 积分
35. 涡流式位移传感器的输出与被测对象的材料（ C ）
A. 无关　 B. 不确定　 C. 有关 　 D. 只限于测铜
37. 自感型传感器的两线圈接于电桥的相邻桥臂时，其输出灵敏度（ B ）
A. 提高很多倍 B. 提高一倍
C. 降低一倍 D. 降低很多倍
38. 变间隙式电容传感器测量位移量时，传感器的灵敏度随（ A ）而增大
A. 间隙的减小 B. 间隙的增大
C. 电流的增大 D. 电压的增大
40. 压电式振动传感器输出电压信号与输入振动的（ C ）成正比
A. 位移 B. 速度 C. 加速度 D. 时间
41. 压电式传感器是高阻抗传感器，要求前置放大器的输入阻抗（ A ）
A. 很大 B. 很低 C. 不变 D. 随意
42. 半导体应变片的灵敏度和电阻应变片的灵敏度相比（ A ）
A. 半导体应变片的灵敏度高 　B. 二者相等
C. 电阻应变片的灵敏试验高　 D. 不能确定
43. 若石英晶体沿机轴受到正应力，则会在垂直于（ C ）的面上产生电荷
A. 机轴 B. 电轴 C. 光轴 D. 都不
44. 压电式传感器是个高内阻传感器，因此要求前置放大器的输入阻抗（ B ）
A. 很低 B. 很高 C. 较低 D. 较高
45. 极距变化型电容式传感器，其灵敏度与极距（ D ）
A. 成正比 B. 平方成正比 C. 成反比 D. 平方成反比
46. 随电缆电容的增加，压电式加速度计的输出电荷灵敏度（ A ）
A 相应减小 B 比例增加 C 保持不变 D不确定
47. 压电式加速度计，其压电片并联可提高（ B ）
A. 电压灵敏度 B. 电荷灵敏度 C. 电压和电荷灵敏度 D. 电流灵敏度
48.（ B ）的基本工作原理是基于压阻效应
A. 金属应变片 B. 半导体应变片 C. 压敏电阻 D. 压电陶瓷
49. 可变磁阻式电感传感器，当线圈匝数N及铁芯截面积Ａ0确定后，原始气隙δ0越小，则电感L（ B ）
A. 越小　 B. 满足不失真条件 C. 阻抗匹配 D. 越大
50. 压电晶体式传感器其测量电路常采用（ B ）
A. 电压放大器 　 B. 电荷放大器　
C. 电流放大器　 D. 功率放大器

二、填空题
1. 涡流式传感器的变换原理是利用金属导体在交流磁场中的 。感应电动势
2. 磁电式传感器是把被测物理量转换为 的一种传感器。涡电流效应
3. 将压电晶体置于外电场中，其几何尺寸也会发生变化，这种效应称之为 。逆压电效应
4. 利用电阻随温度变化的特点制成的传感器叫 。热电阻传感器
5. 可用于实现非接触式测量的传感器有 和 等。涡流式；电容式
6. 电阻应变片的灵敏度 表达式为，对于金属应变片来说：S= ，而对于半导体应变片来说S= 。
7. 当测量较小应变值时应选用 效应工作的应变片，而测量大应变值时应选用 效应工作的应变片。压阻效应；应变效应
8. 电容器的电容量，极距变化型的电容传感器其灵敏度表达式为 。
9. 差动变压器式传感器的两个次级线圈在连接时应 。反相串接
10. 光电元件中常用的有 、 和 。光敏电阻；光敏晶体管；光电池
11. 压电传感器在使用 放大器时，其输出电压几乎不手电缆长度变化的影响。电荷
12. 超声波探头是利用压电片的 效应工作的。逆压电
13. 压电传感器中的压电片并联时可提高 灵敏度，后接 放大器。而串联时可提高 灵敏度，应后接 放大器。电荷；电压；电压；电压
14. 电阻应变片的电阻相对变化率是与 成正比的。应变值ε
15. 电容式传感器有 、 和 3种类型，其中 型的灵敏度最高。面积变化型；极距变化型；介质变化型；极距变化型
16. 霍尔元件是利用半导体元件的 特性工作的。霍尔效应
17. 按光纤的作用不同，光纤传感器可分为 和 两种类型。功能型；传光型

三、名词解释
1. 一块金属板置于一只线圈附近，相互间距为，当线圈中有一高频交变电流通过时，便产生磁通。此交变磁通通过邻近金属板，金属板表层上产生感应电流即涡电流，涡电流产生的磁场会影响原线圈的磁通，使线圈的阻抗发送变化，这种现象称为涡流效应。
2. 某些物质在受到外力作用时，不仅几何尺寸发生变化，而且内部极化，表面上有电荷出现，出现电场，当外力去除后，有重新恢复到原来状态，这种现象成为压电效应。
3. 金属材料在发生机械变形时，其阻值发生变化的现象成为电阻应变效应。
4. 将霍尔元件置于磁场中，当相对的两端通上电流时，在另相对的两端将出现电位差，称为霍尔电势，此现象称为霍尔效应。
5. 当激光照射到运动物体时，被物体反射或散射的光频率即多普勒频率发生变化，且多普勒频率与物体运动速度成比例，这种现象称为多普勒效应。
6. 某些半导体元件，当在相对的两端通上电流时，将引起沿电流方向电阻的变化，此现象称为磁阻效应。
7. 传感器是直接作用于被测量，并能按一定规律将被测量转换成同种或别种量值输出的器件。
8. 半导体材料受到光照时，电阻值减小的现象称为内光电效应。
9. 压阻效应是指单晶半导体材料在沿某一轴向受到外力作用时，其电阻率发生变化的现象。
10. 在光照作用下，物体内的电子从物体表面逸出的现象称为外光电效应。
11. 在光的照射下使物体产生一定方向电动势的现象称为光生伏打效应。

四、计算题

3. 一电容测微仪，其传感器的圆形极板半径r＝4mm，工作初始，如果间隙变化量时，电容变化量是多少（真空中介电常数为ε0=-8.85×10-12F/m）。
解：
电容传感器的灵敏度

F/m
F/m
∴ F/mpF
4. 一电容测微仪，其传感器的圆形极板的半径r=4mm，工作初始间隙，空气介质，试求：（已知空气介电常数）
（1）通过测量得到的电容变化量为，则传感器与工件之间由初始间隙变化的距离
（2）如果测量电路的放大倍数，读数仪表的灵敏度格/，则此时仪表指示值变化多少格？
解：（1），极距变化型电容传感器灵敏度为：

则

（2）设读数仪表指示值变化格数为m，则
（格）
4. 有一电阻应变片其灵敏度S=2，R＝120Ω，设工作时其应变为1000με，问ΔR＝？设将此应变片接成如图所示的电路，试求：
应变片
mA
5V
1）无应变时电流表示值；
2）有应变时电流表示值；
3）电流表指示值相对变化量。

解：
∵
∴

1）
2）
3）
5. 有一钢板，原长，钢板弹性模量，使用BP-3箔式应变片R=120Ω，灵敏度系数S=2，测出的拉伸应变值为300με。求：钢板伸长量，应力及。如果要测出1με应变值则相应的是多少？
解：因为，则有

如果要测出1με应变值，则

五、综合题
1． 设计一台检测钢丝绳断丝的仪器（用原理图表示），并简述其原理。
答：
利用霍尔元件来检测钢丝绳的断丝情况，其原理图如下图所示：
其工作原理为：铁心对钢丝绳局部磁化，当有断丝时，在断口处出现漏磁场，霍尔元件经过此磁场时，将其转换为一个脉动的电压信号。对此信号作滤波、A/D转换后，进入计算机分析，识别出断丝根数及位置。
2． 请画出动态电阻应变仪的原理框图，简述其工作原理，并绘出出图中各点波形。
答：
动态电阻应变仪的工作原理为：试件在外力作用下变形，贴在它上面的电阻应变片产生相应的电阻变化。振荡器产生高频正弦信号z(t)，作为电桥的工作电压，电桥输出为信号x(t)与载波信号z(t)的乘积，即调制信号xm(t)，此信号经交流放大后进行相敏检波，由振荡器供给的检波信号与电桥工作电压同频、同相位。相敏检波的结果再进行低通滤波，得到与原信号极性相同、但经放大了的信号。最后，该信号被显示或输入后续设备。
3． 欲测量液体的静压，拟采用电容式传感器，试绘出可行方案的原理图，并简述其测量原理。
答：
弹性膜片与另一金属板组成一电容，如图所示，在压力的作用下，弹性膜片发生变形，使电容的极距发生变化，从而引起电容量的变化。电容器接于具有直流极化电压的电路中，电容的变化有高阻值电阻R转换为电压变化。电压输出与膜片位移速度成正比，从而可测量液体压力。
4． 欲测量液体的动压，拟采用电感式传感器，试绘出可行方案的原理图，并简述其测量原理。
答：
P
弹性体
采样差动变压器式传感器，如图所示。弹性体在压力作用下发生变形，推动与之相连的差动变压器的衔铁在线圈内运动，由于引起线圈互感的变化而产生感应电动势差，此电势差经交流放大、相敏检波、滤波等处理后输出，输出量反映压力的大小。

P
电桥
放大
相敏检波
低通
显示记录
振荡器
2
1
1． 应变片
2． 膜片
5． 欲测量液体的动压，拟采用电阻应变式传感器，试绘出可行方案的原理图，并简述其测量原理。
答：
系统的原理框图如图所示。电阻应变片贴于平膜片上，在压力P的作用下，膜片发生变形，致使应变片也发生相应的变形从而引起电阻变化，应变片置于电桥中，作为电桥的桥臂，从而带来电桥输出电压的变化。振荡器产生高频正弦信号，作为电桥的工作电压，电桥输出为信号与载波信号的乘积，即调制信号，此信号经交流放大后进行相敏检波，由振荡器供给的检波信号与电桥工作电压同频、同相位。相敏检波的结果再进行低通滤波，得到与原信号极性相同、但经放大了的信号p(t)。最后，该信号被显示或输入后续设备。
P
放大
相敏检波
显示记录
2
1
1. 压电晶体 2. 金属膜
前置
放大
P
6． 欲测量液体的动压，拟采用压电式传感器，试绘出可行方案的原理图，并简述其测量原理。
答：
压电晶体在压力P作用下，由于发生机械变形而使两金属膜极板上集聚数量相等、极性相反的电荷，形成电势差。由于该输出电压很微弱，且压电传感器本身内阻很大，因此将此输出电压信号先经过高输入阻抗低输出阻抗的前置放大器放大，再经过一般放大器放大和相敏检波后，输入显示仪表或记录器进行显示或记录。
7． 欲测量液体的静压，拟采用机械式传感器，试绘出可行方案的原理图，并简述其测量原P
波登管
连杆机构
齿轮
指针
x
φ
理。
答：
利用波登管的弹性来测量液体的静压力，其原理框图如图所示。液体从波登管的受压端进入管内，使波登管在压力P的作用下发生变形，并在其末端产生与被测压力P呈近似线性关系的位移x，此位移量被与波登管末端相连的曲柄连杆机构转换成角度，并被与之相连的齿轮副放大，最后由与齿轮副相连的指针指示出压力的大小。

8． 有一批涡轮机叶片，需要检测是否有裂纹，试绘出可行方案的原理图，并简述其测量原理。
答：
利用涡流传感器来检测叶片裂纹，其原理框图如图所示。将涡轮机叶片放置在由涡流传感器和电容C组成的谐振回路中，则谐振回路的频率f将随间隙δ的变化而改变，让涡轮机叶片沿与传感器线圈垂直的方向（一般为水平方向，如图所示）通过传感器磁场，当裂纹处经过时，谐振频率将发生变化。振荡器提供稳定的高频信号电源，当谐振回路的谐振频率与该频率相同时，输出电压最大，当谐振频率因裂纹而变化时，与电源频率失谐，输出信号的幅值也随δ的变化而变化，相当于一个被δ调制的调幅波，经放大、检波和滤波后，就可以得知涡轮机叶片的裂纹信息。
H
h
x1
x2
运算器
LC谐
振回路
振荡器
放大
检波
滤波
LC谐
振回路
振荡器
放大
检波
滤波
R
输出
R
9． 在轧钢过程中，需检测薄板的厚度，可采样何种传感器？试简述其工作原理。
答：
可采样涡流传感器，原理图如图所示，系统的工作原理为：差动式测厚，将两涡流传感器分别置于被测钢板的上下两边，位置固定，间隔为H，设被测钢板厚度为h，两涡流传感器与被测钢板距离分别为x1和x2，涡流传感器和电容C组成谐振回路，则回路频率f将随间隙的变化而改变，使其输出电压幅值也随之变化，经放大、检波和滤波后，可得被测距离x1和x2，将它们输入运算器中进行如下运算，即可实时监测钢板厚度：

10． 如何利用光纤来测量声压？绘出可行方案的压力图，并简述其测量原理。
答：
利用马赫曾德尔干涉仪原理检测光纤内发生的声-光相位调制，如图所示，激光源光束经过分光镜以后，其一通过长螺卷状的检测光纤。检测光纤在外界声压作用下，使经过其中的光束产生相位变化、随后当它与另一路经过参考光纤(亦呈螺卷状)的参考光束进行叠加，并由光电管转换为电信号，经适当的处理，便可获得光相位变化和相应的声压值。

11． 如何利用电容式传感器来测量微小振动物体的振幅？绘出可行方案的压力图，并简述其测量原理。
答：
可利用极距变化型电容传感器的原理来测量振动物体的振幅，其原理框图如图所示。传感器电容是振动器谐振回路的一部分，当被测物发生振动时，传感器的电容也随之改变，从而使振动频率发生变化，频率的变化经鉴频器变为电压变化，再经过放大后即可输出或显示被测振幅的大小。
12． 有多种传感器均可进行转速测量，试举出其中的两种，并分别简述其测量原理。
答：
（a）
（b）
（c）
（1）涡流传感器，其工作原理为（如图a所示）：将带有凹口或突起的旋转体与被测件同轴安装，涡流传感器置于一边，传感器线圈接入LC振荡回路，以回路的振荡频率f作为输出量。当凹口或突起转至涡流传感器处时，由于间距δ的变化，引起线圈电感变化，从而使振荡频率f发生变化，相当于原振荡频率f经被测频率fx调制，通过鉴频器后即可得被测频率，从而得到被测转速。
（2）磁阻式传感器，其工作原理为（如图b所示）：将将带有凹口或突起的旋转体与被测件同轴安装，磁阻式传感器置于旋转体一边，当凹口或突起转至传感器处时，改变磁路的磁阻，引起磁力线减弱或增强，使线圈产生感应电动势，其频率即为被测件的频率，从而可得其转速。
（3）霍尔传感器，其工作原理为（如图c所示）：将将带有凹口或突起的旋转体与被测件同轴安装，霍尔元件和旋转体同置于磁场中，当凹口或突起转至霍尔元件处时，引起磁场变化，霍尔元件将其转换为一个脉动电压信号，此脉动信号的频率即为被测件的转动频率，从而可得被测件的转速。
13． 要测量一钢板的厚度，可用哪些传感器？试举出其中的两种，并分别简述其测量原理。
答：
H
h
x1
x2
（a）
（1）涡流传感器，其工作原理为（如图a所示）：差动式测厚，将两涡流传感器分别置于被测钢板的上下两边，位置固定，间隔为H，设被测钢板厚度为h，两涡流传感器测得其与被测钢板距离分别为x1和x2，则被测钢板的厚度为为：

（b）
（2）气动式传感器，其工作原理与涡流传感器类似（如图b所示），也可用差动式测厚：将气动量仪的两个测头分别置于被测件的上下两边，设两测头之间的间隔为H，被测件厚度为h，两气动测头测得其与被测件之间距离分别为x1和x2，则被测钢板的厚度为为：

调频
振荡器
限幅
鉴频
放大
输出
14． 设计利用霍尔元件测量转速的装置，并说明其原理。
答：系统原理图如图所示，其工作原理为：将带有凹口或突起的旋转体与被测件同轴安装，霍尔元件和旋转体同置于磁场中，当凹口或突起转至霍尔元件处时，引起磁场变化，霍尔元件将其转换为一个脉动电压信号，此脉动信号的频率即为被测件的转动频率，用调频振荡器输出的频率作为调制信号对其进行调制，再经鉴频和放大后，可得被测件的频率，从而可得其转速。
H
h
x1
x2
运算器
LC谐
振回路
振荡器
放大
检波
滤波
LC谐
振回路
振荡器
放大
检波
滤波
R
输出
R
15． 设计用电涡流传感器实时监测扎制铝板厚度的装置，试画出装置的框图，简要说明工作原理。
答：利用差动式测厚原理，系统原理图如图所示，其工作原理为：将两涡流传感器分别置于被测钢板的上下两边，位置固定，间隔为H，设被测钢板厚度为h，两涡流传感器与被测钢板距离分别为x1和x2，涡流传感器和电容C组成谐振回路，则回路频率f将随间隙的变化而改变，使其输出电压幅值也随之变化，经放大、检波和滤波后，可得被测距离x1和x2，将它们输入运算器中进行如下运算，即可实时监测钢板厚度：

16． 为什么电容式传感器易受干扰？如何减小干扰？
答：
(1) 传感器两极板之间的电容很小，仅几十个μμF，小的甚至只有几个μμF。
(2) 而传感器与电子仪器之间的连接电缆却具有很大的电容，如屏蔽线的电容最小的l米也有几个μμF，最大的可达上百个μμF。这不仅使传感器的电容相对变化大大降低，灵敏度也降低，更严重的是电缆本身放置的位置和形状不同，或因振动等原因，都会引起电缆本身电容的较大变化，使输出不真实，给测量带来误差。
(3) 解决的办法，一种方法是利用集成电路，使放大测量电路小型化，把它放在传感器内部，这样传输导线输出是直流电压信号，不受分布电容的影响;
(4) 另一种方法是采用双屏蔽传输电缆，适当降低分布电容的影响。由于电缆分布电容对传感器的影响，使电容式传感器的应用受到一定的限制。