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传感器考试试题及答案

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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t越,其响应速度越慢；二阶传感器的固有频率30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）

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t越大，其响应速度越快B二阶传感器的固有频率30越小，其工作频带越宽C一阶传感器的时间常数T越小，其响应速度越快。

D二阶传感器的固有频率30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—应变应；半导体或固体受到作用力后_电阻率发生变化，这种现象称—压阻应。

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-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

系的电量输出的装置

选择：

）0

D.6倍

非线性误差小（C）

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

2.利用相邻双臂桥检测的应变式传感器，为使其灵敏度高、

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

AB）

3、产生应变片温度误差的主要原因有（

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•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

通常用应变式传感器测量（C）

.密度

•电阻

温度B

C.加速度

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=2.1X104N/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

&=6FL/bEE]

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I0V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、&7、8感受纵向应变;

满量程时:

10x10

=2'0><59.7x10^x2.1xl0nxlzu=u191^

==—0,3^0-191=—U.057J-

（3）

A吨

1flp

=_x20xfU0.3）-=pr=1.037x1hF

21;597xl0^x2lxlOL14、以阻值R=120Q，灵敏系数K=2.0的电阻应变片与阻值120Q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卩和2000卩时，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：

输

TTTTm

解：

等强度梁受力

图

F时的应变为

2-12

悬臂梁式力传感器

kUi/41.5106（V/）,单臂

kUi/23106（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=2.1x104N/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？

6FI

h2b°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:

lK4

KUi

6Fl

h2b°E

则其电压灵敏度为

•

6li

61006

h2bE

32112.1104

=3.463X0-3（V/N）=3.463（mV/N）

当称重

F=0.5kg=0.5g.8N=4.9N时，输出电压为

U0=KuF=3.4634<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

线管式—三种结构。

4•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。

答：

相敏检测电路原理是通过鉴别相位来辨别位移的方向，即差分变压器输出的调幅波经相敏检波后,便能输出既反映位移人小，又反映位移极性的测量信号。

经过相敏检波电路，正位移输出正电压，负位榜输出负电压，电压值的大小表明位務的大小，电压的止负表明位移的方向O

4、分析电感传感器出现非线性的原因，并说明如何改善

答：

①原因是改变了空气隙长度

②改善方法是让初始空气隙距离尽量小，同时灵敏度的非线性也将皓加，这样的话最好使用皋动式

传感器，

其灵敏度増加非线性减少。

l=10mm，lc=6mm，r=5mm，

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,

rc=1mm，设实际应用中铁芯的相对磁导率少=3000，试求：

（1）在平衡状态下单个线圈的电感量L0=?

S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

0.46H

差动工作灵敏度：

0W22

Kl20l2rcr

410780026

221103000

10103

151.6/m151.6m/mm

⑵当f=1000Hz时，单线圈的感抗为

该传感器灵敏度K。

（3）若要控制理论线性度在

螺管式线圈

插棒式铁芯

1%以内，最大量程为多少？

线圈1

线圈2

（a）

图3-15差动螺管式电感传感器

XL=3l_0=2nL0=2nX1000>0.46=2890（Q）

显然XL>线圈电阻R0,则输出电压为

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=40Q，L=30mH，用两只匹配电阻设计成四臂等阻抗电桥，如习题图

（1）匹配电阻R3和R4的值；

（2）当厶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Usr之间的相位差。

解：

（1）线圈感抗

3-16所示，试求:

习顧图3^16

Xl=L=2fL=240030103=75.4（）线圈的阻抗

；一2222

ZRXl4075.485.4

故其电桥的匹配电阻（见习题图3-16）

R3=R4=Z=85.4（）

（2）当△Z=10时，电桥的输出电压分别为

Usr

Use

0.117V

单臂工作：

85.4

Usr

Use

—

0.234V

双臂差动工作：

85.4

140

tan

-27.9

（3）

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=4Mmm2,气隙总长度S=0.8mm

衔铁最大位移△S=±0.08mm激励线圈匝数W=2500匝，导线直径d=0.06mm,电阻率p=1.7X10"6Q.cm当激励电源频率f=4000Hz时，忽略漏磁及铁损，求：

⑴线圈电感值；

（2）电感的最大变化量；

⑶线圈的直流电阻值；

⑷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：

（1）线圈电感值

图3-17气隙型电感式传感器（变隙式）

0W2S410725002441061

01.5710157m

0.8103

（2）衔铁位移=+0.08mr时，其电感值

41072500244106

0.820.08103

0W2S

=1.31X10-1（H）=131mH

41072500244106

0.820.0810

衔铁位移△$=0.08mm时，其电感值°w2s

=1.96X0-1（H）=196（mH）

故位移=±）.08mm时，电感的最大变化量为

△L=L-L=196-131=65（mH）

⑶线圈的直流电阻

0.06

设lCp4

为每匝线圈的平均长度，则

WIcp

2""J~

250044006101

=249.6

⑷线圈的品质因数

15.8

L2fL240001.5710

Q-

RR249.6

（5）当存在分布电容200PF时，其等效电感值

1^LC

12f2LC

1.5710

1.60101160m

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E、极距成反比

C、极距的平方成正比D、极距的平方成反比

、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。

况温度稳定性好

b结构简单、适应性强

C动响应好

3、试计算习题4—2图所示各电容传感兀件的总电容表达式

习题图4-2

解：

由习题图4-2可见

（1）三个电容串联

（2）两个电容器并联

（3）柱形电容器

C=0.001iiF/XVOOOlnF

由于

则

Ind2/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:

8o=0.25mm；D=38.2mm；R=5.1k吐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）；

⑵当电容传感器的动极板位移厶S=10卩时，输出电压Usc值。

习题图4-3

解：

由传感器结构及其测量电路可知

（1）初始电容

UoUi

Ku0i

120V/mm0.12V/m

从而得

d20

20.25

u。

2C0

U±_!

隙do=O.3mm。

试求:

（1）如果传感器与工件的间隙变化量△d=±Og，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=±阿户时的输出电压为多少？

解：

由题意可求

（1）初始电容:

1232

8.851o41o3

o.31o3

1.48

1o12F1.48pF

由Co

do，则当△d=±ioum寸

如果考虑d1=o.3mm+1o^m与d2=o.3mm-1。

口之间的电容变化量△C；则应为

△C=2|△C=249=o.o98pF

⑵当△d=±1卩时

由Ku=1oomV/pF=Uo/△C则

Uo=KuAC=100mV/p两±.0049pF）=±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=do=o.6mm；空气介质，即&=0=8.85为0-1午/m。

测量电路参数:

usr=u=Usr=3sin

t（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Use?

解：

由习题图4-5可求初始电容

C1=C2=C0=S/d=0r/d0

8.85101212

103

0.610

变压器输出电压

Use

乙Z2

其中Z1,Z2分别为差动电容传感器

C/Co=d/do，由此可得

习题图4-5

6.671012F6.67pF

Zz乙Z2

C1,C2

C1C2?

U12U

C1C2

的阻抗.在△X<

Use

UUsr

C0d0

0053sint0.25sint

°.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，di=d2=do=1mm；起始时动极板处于中间位置，Ci=C2=C0，介质为空气，&=0=8.85X10-12F/m。

测量电路参数：

Di、D2为理想二极管；及Ri=R2=R=10KQ;Rf=1MQ，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Use?

习题图4-6

解：

由习题图4-6可求传感器初始电容

=3.54X012（F）=3.54pF

当动极板向右移△x=10mm时，单个电容变化量为

d°

1103

或，1.7710（F）1.77pF

则C1=C0+AC，C2=C0?

C，由双T二极管网络知其输出电压

Usc=2kUifAC

2.55V

&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doB、C和D极板的长度均为a，A板的长度为2a，各板宽度为bo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=0）ab/d,

当动极板向右移a/2时，与上相仿，有

Cac=；oab/（2d+t）;Cad=；oab/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冶=（2x2）cm2，间隙cb=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do,而另一侧间隙为do+b（b=O.O1mm），此时传感器的电容值。

解：

初始电容

当装配不平衡时可取其平均间隙

dd02

=0.1+0.01/2=0.105（mm）

则其电容为

CdS

8.85101222104

0.105103

=33.7X0-l2（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。

、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?

答：

如作用在压电组件上的力是静态力，则电荷会泄

霜，无法进行测量。

所以压电传感器通常都用来测量动态或瞬态参量*

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答：

石英晶体整个晶体是中性的，受外力作用而变形

时，没有体积变形压电效应*但它具有良好的厚度变形和长度变形压电效应。

压电陶瓷是一种多品铁电体。

原始的压电陶瓷材料并不具有压电性，必须在一定温度下做极化处理，才能使英呈现出压电性。

所谓极化.就是以强电场使"电畴"规则排列.而电畴在极化电场除去后基本保持不变，留下了很强的剩余极化.

当极化后的鉄电体受到外力作用时，其剩余极化强度将随之发生变化，从而使一定表面分别产生正负电荷口

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；

⑵利用纵向效应的BaTiO3。

解：

由题意知，压电晶体受力为

F=PS=10X106>20X0-6=200（N）

（1）0°X切割石英晶体，&=4.5,d11=2.31X012C/N

等效电容

c0rS8.8510124.520106^Ca3

d1010

=7.97X1014（F）

受力F产生电荷

Q=diiF=2.3lX1012>200=462X102（C）=462pC

输出电压

15%

（取等号计算）

0.90251/n

3=3/3.0424=20n/3.0424=20.65（rad/s）

又由3n=1/RC，贝U

C=1/3R=1/（20.65XX06）=4.84X0-8（F）=4.84104pF

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

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