传感器复习题带问题详解地简答大题

1、实用标准文案 文档大全 小题 1.1. 能将红外辐射量变化转换成电量变化的装置成为红外探测器。 红外探测器根据热电效应和光子效应制成。 前者成为热敏探测器，后者成为光子探测器。 2.2. 光栅是由很多等节距的透光缝隙和不透光的可先均匀相间排列构成的光电器件。按其原理和用途，它又 可分为物理光栅和计量光栅。物理光栅是利用光的衍射现象制造的，主要用于光谱分析和光波长等量的测 量。计量光栅主要利用莫尔现象，测量长度、角度、速度、加速度、振动等物理量。 3.3. 以光栅的栅距作为分辨单位，只能在有合适的光栅栅距的基础上，对栅距进一步细分，才可能获得更高 的测量精度。 4.4. 编码器按其结构可分为接触

2、式、光电式和电磁式三种，后两种为非接触式编码器。 简答题 1、有源传感器与无源传感器有什么差别，请举出三个不同类型的例子。 答：分为有源传感器和无源传感器。 有源一般是将非电能量转换为电能量，称之为能量转换型传感器, 也称为换能器。通常它们配有电压测量和放大电路，如压电式、热点偶、光电池等。无源传感器又称为能 量控制型传感器。它本身不是一个换能装置，被测非电量仅对传感器中的能量起控制或调节作用。所以， 它们必须具有辅助能源。如电阻式、电容式和电感式 2、试说明如图所示的应变式加速度传感器的工作原理。 答：在悬臂梁的一端固定质量块，梁的另一端用螺钉固定在壳体上，在梁的上 下两面粘贴应变片， 梁和

3、质量块的周围充满阻尼液 （硅油），用以产生必要的阻 尼。测量震动时，将传感器壳体和被测对象刚性固定在一起，因此作用在质量 块上的惯性力 F=maF=ma 使悬臂梁产生变形（应变），这样，粘贴在梁上用应变片所 构成的电桥失去平衡而输出电压。此输出电压的大小正比于外界震动加速度 ： 3、 分析电容传感器边缘效应产生的原因，画图给出消除其影响的措施，并进行论述。 答：理想条件下，平行板电容器的电场均匀分布于两极板所围成的空间，这仅是简化电容量计算的一种假 定，实际上在电容器的边缘力线是不均匀的，这样就产生了边缘效应。 a a 为克服边缘效应，首先应增大初始电容量 Co,Co,即增大极板面积，减小极板

4、间隙。 b b 在结构上增设等位环来消除边缘效应 原理：等位环安放在上面电极外，且与上电极绝缘组等电位，这样就能使上电极的边缘电力线平直， 两极间电场基本均匀，而发散的边缘电场产生在等位环的外周不影响工作。 4、 简述电涡流效应的原理，并说明如何实现测距（参见图 1）。 答：在传感器线圈中通以交变电流 I ,I ,在周围空间形成交变电磁场 H1,H1,在处于磁场内的导体中产生涡 流环。该涡流环形成的反向磁场 H2H2，并作用于传感器线圈， 从而使得线圈的参数 （电感、阻抗、品质因数） 发生变化。变化的成果都取决于线圈参数 （尺寸大小、电流强弱） 导体参数 （电导率、磁导率） 和线圈与 导体之间

5、的距离。 在测量过程中，只要保证上述参数中的一个参数变化，就可以实现测量。即保证传感器线圈不变，导体 不变，则传感器线圈的参数变化只与距离有关，从而实现测距。 5、 热电偶测温时什么要进行冷端温度补偿，冷端温度补偿的方法有哪些？ 答：为了热电势与被测温度成单值函数关系，需要热电偶的冷端温度保持恒定，由于热电偶的温度一一 热电势关系曲线是在冷端温度等于 0C0C 下得到的，已知配套的仪表也是根据这一关系曲线进行刻度的，在 测量时必须满足冷端温度等于 0C0C 的条件，否则会出现误差，而在实际工作时冷端受外界温度影响很难恒 定也不等于0C0C。方法：冷端温度恒温法计算修正法电桥补偿法 6、 试说明

6、图示的霍尔式位移传感器的工作原理。实用标准文案 文档大全 答：当控制电流不变时，霍尔输出的电压与磁场大小成正比， 可用来测定传感器周围的磁场。当磁场强度固定时，则可测量 霍尔片的电流、电压等电参。利用霍尔电动势来控制电流与磁 场大小的乘积则可制成各种运算器。对非电量测量则是通过改 变霍尔片在磁场中的位置来改变参量 a,a,从而改变输出霍尔电 动势来测量位移、压力、加速度等。 7、 简述超声波无损探伤的工作原理。 答：超声波探伤是利用超声能透入金属材料的深处，并由一截面进入另一截面时，在界面边缘发生反 射的特点来检查零件缺陷的一种方法，当超声波束自零件表面由探头通至金属内部，遇到缺陷与零件底面

7、时就分别发生反射波来，在萤光屏上形成脉冲波形，根据这些脉冲波形来判断缺陷位置和大小。 8、 如书上图所示是电容式差压传感器结构示意图及其转换电路，介绍其工作原理。 答：单电容平板压力传感器的结构及工作原理：电容式传感器分为极距变化型、面积变化型，当被 测参数的变化通过这三种情况之一直接影响电容量的大小时，检测出电容的变化时就等于获得了被测 参数的大小，电容式压力传感器常采用极距变化型。压力使传感器唯一的可动部件即测量膜片极板产 生微小的位移，造成与固定极板所形成的电容量发生变化。 双电容平板差动型压力传感器的结构及工作原理：为提高灵敏度和减小非线性，大多压力传感器 休用双电容平板差劲结构，可动

8、极板位于两块固定板极之间，与两固定极板等距离，当压力使可动极 板向上移动时，引起差动电容增大，减小。 9、 什么是正压电效应和逆压电效应？ 答：当某些物质沿其耨一方向被施加压力或拉力时， 会产生形变，此时这种材料的两个表面将产生符号 相反的电荷；当去掉外力后，它后重新回到不带点状态这种现象称为正压电效应。反之，在某些物质的极 化方向上施加电电场，它会产生机械变形，当去掉外加电场后该物质的变形随之消失，这种电能转变为机 械能的现象称之为逆压电效应。 10、 莫尔条纹是如何形成的？它有哪些特性？ 答：若将两块光栅 （主光栅、指示光栅） 叠合在一起，并且使它们的刻线成角度 9 ,9 ,由于光栅的刻线

9、相交 处形成亮带，而在一块光栅的刻线与另一块光栅的缝隙相交处形成暗带，在与光栅刻线垂直的方向，将出 现明暗相间的条纹，这些条纹就成为摩尔条纹。特性：运动对应关系位移放大作用。 B=W/2/sinB=W/2/sin（。/2 2） 当两块光栅沿着垂直于刻线方向相对移动时，莫尔条纹将沿着刻线方向移动，光栅移动一个节距 W W 莫尔 条纹也移动一个间距 B,B,从式可知，。越小，B B 越大，使得BW即莫尔现象有使栅距放大的作用，因此独 处莫尔条纹的数目比读光栅刻线要方便的多。误差平均效用。 简答： 1、 热电偶为什么要进行冷端补偿？补偿方法？ 为了热电势与被测温度成单值函数关系，需要热电偶的冷端温度

10、保持恒定，由于热电偶的温度热电势 关系曲线是在冷端温度等于 0C0C 下得到的，已知配套的仪表也是根据这一关系曲线进行刻度的，在测量时 必须满足冷端温度等于 0C0C 的条件，否则会出现误差，而在实际工作时冷端受外界温度影响很难恒定也不 等于 0C0C。方法：冷端温度恒温法计算修正法电桥补偿法 2 2、 什么是压电效应？ 当某些物质沿其耨一方向被施加压力或拉力时，会产生形变，此时这种材料的两个表面将产生符号相反的 电荷；当去掉外力后，它后重新回到不带点状态这种现象称为正压电效应。反之，在某些物质的极化方向 上施加电电场，它会产生机械变形，当去掉外加电场后该物质的变形随之消失，这种电能转变为机械

11、能的 现象称之为逆压电效应。 2、为什么压电晶片不能做动态测量？ 只有在外电路负载无穷大， 且内部无漏电时，受力产生的电压 U U 才能长期保持不变；如果负载不是无穷大，实用标准文案 文档大全 则电路就要按指数规律放电。这对于测量缓变信号极为不利，必将造成测量误差，只有在其上加交变力电 荷才能得到补充，因此压电晶体不能做动态测量。 3、 霍尔效应及其原理？ 在置于磁场的道题或半导体中通入电流，若电流与测长垂直，则在与磁场和电流都垂直的方向上会出现一 个电势差，此现象为霍尔效应，其本质是固体材料中载流子在外加磁场中运动时因为受到洛仑兹力的作用， 而使轨迹发生偏移并在材料两侧产生电荷积累形成垂直于

12、电流方向的电场，最终使载流子受到洛仑兹力的 与电场力相平衡从而在两侧建立起一个稳定的电势差及霍尔电压。 4、 霍尔元件不等位电势产生的原因？ 当磁感应强度为 0 0 时，控制电流为额定值，霍尔电极间的空载电势成为不等位电势。产生原因：霍尔电 极安装位置不正确，不对称或不在同一等电位量上。半导体材料不均匀造成了电阻率不均匀或使几何尺 寸不均匀。控制电极接触不良造成控制电流不均匀分布。 5、 莫尔条纹是如何形成的？有哪些特性？ 若将两块光栅(主光栅、指示光栅)叠合在一起，并且使它们的刻线成角度 9 ,9 ,由于光栅的刻线相交处形 成亮带，而在一块光栅的刻线与另一块光栅的缝隙相交处形成暗带，在与光栅

13、刻线垂直的方向，将出现明 暗相间的条纹，这些条纹就成为摩尔条纹。特性：运动对应关系位移放大作用。 B=W/2/sin( 9/2)B=W/2/sin( 9/2)当 两块光栅沿着垂直于刻线方向相对移动时，莫尔条纹将沿着刻线方向移动，光栅移动一个节距 W W 莫尔条 纹也移动一个间距 B,B,从式可知，。越小，B B 越大，使得 BWBW 即莫尔现象有使栅距放大的作用，因此独处 莫尔条纹的数目比读光栅刻线要方便的多。误差平均效用。 T=3S的一阶系统，当传感器受突变温度作用后，试求传感器 指示出温差的三分之一和二分之一所需的时间。 解：对传感器施加突变信号属于阶跃输入： 设温差为R,则此温度传感器的

14、阶跃响应为: y(t) =R(1 -e* ) =R(1 -e*3) R 2 当 y(t)=甘时，贝U t =3ln &= 1.22s ； R 1 当 y(t)=成时，贝u t = 3ln 5 = 2.08s。 1、某温度传感器为时间常数 单位阶跃信号: 0 t0 AR0 R = R4 =120.005712 Q 对于 R2,R3 = ； ： 0= R ： 0 R2 =R3 =119.994288 Q 6、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4 3图所示。 已知： 醐0.25mm ; D=38.2mm; R=5.1k Q Usr=60V(交流)，频率 仁4

15、00Hz。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 a =10 耐，输出电压 Usc值。 6(L -x) 6 乂(10.4)X0.25 m bh2E F= - 、j2 - 土 - 2 1N=2.38 10 0.06m (0.003m)2 7 10N/m2 R R =K ； .R =RK . =120Q 2 2.38 10=0.005712。 习题图 4 4 3 3 实用标准文案 文档大全 介质。试求： (1) 初始状态时电容器 C1、C2的值； (2) 当将其接入习题图 4-14(b)所示差动变压器电桥电路，供桥电压 E=10 V (交流

16、)， 若传感器工作时可动电极筒最大位移 ix= 0.2mm,电桥输出电压的最大变化范围为多少？ 实用标准文案 文档大全 差动变压器电桥输出为 箜*业箜空=0.5(V) 2 C1 C2 2 6.06 4.96 k=-0.2mm (向下)时，L=20.2=1.8mm , L2=2+0.2=2.2mm , 差动变压器电桥输出为 8、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=4g , 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

17、成单臂和差动电桥后的输出电压 值；(2) C1 = C2 = C 习题图 4 4- -1414 2 二；0L0 2 二 8.85 102 2 10次 lnD 12 d = 5.51 10 (F)=5.51pF 当动电极筒位移 &= +0.2mm (向上)时, 9.8 Li=2+0.2=2.2mm , l_2=2-0.2=1.8mm , C1 2 二；0L1 lnD d - - 一2 _ _ - 2 2f & 8.85 10 2.2 10 70 ln 9.8 = 6.06 102(F) = 6.06pF C2 12 2侦 8.85 10 1 10 In 9.8 1.8 10, =

18、 4.96 10=2(F) = 4.96pF 同理，当动电极筒位移 C1 =4.96pF C2 =6.06pF E C1 -C2 10 - -= - 2 C1 C2 2 4.96-6.06 6.06 4.96 =-0.5(V) 因此，当传感器可动电极筒最大位移 也.5V。 x=也.2mm,电桥输出电压的最大变化范围为 (a(a) ) (1)初始状态时 (b(b) ) 实用标准文案 文档大全 (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)线圈感抗 3 XL=cL=2 nfL=2 jf400乂30乂10 =75.4 (Q) 线圈的阻抗 2 2 . 2 2 R XL

19、 = 40 75.4 =854 故其电桥的匹配电阻(见习国图3-16) R3 = R4 =Z=85.4 (Q) (2)当 Z=1g时，电桥的输出电压分别为 L 75.4 2 9、有一压电晶体，其面积为 30mm，厚度为20mm，当受到压力p=10Mpa作用时，求下 面两种情况下产生的电荷及输出电压： 零度X切的纵向石英晶体； 利用纵向效应的BaTiO3。 解：由题意知，压电晶体受力为 F =P S =10 106 30 10 =3 0 N 零度X切割石英晶体， 在=4.5 , d11 =2.31X102C/N ,等效电容为 8.85 10* 4.5 30 10工 20 10 项 受力F产生电荷

20、 Q =d11F =2.31 10J2 300 =693PC 输出电压为 利用纵向效应的 BaTiO3,每=1200 , d33 =190102C/N ,等效电容为 0 TS 8.85 10 品2 1200 30 10-6 Ca = - =15.93PF d 20 10 受力F产生电荷 Q =d33F =190 10 42 300 =5.7 10C / 单臂工作： 双臂差动工作: Usc 4工=4 4 Z 4 85.4 = 0.117 V Usc sc Usr Z 2 Z .1 R =tan 4 10 0.234V 2 85.4 40 =tan 27.9 (3) _ _ _14 一 = 5.9

21、7 10 F UO 693 1042 597 1044 =1.16 104V 实用标准文案 文档大全 输出电压为实用标准文案 文档大全 10、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 9X1010pa,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 1014Q。一个20pF的电容和一个100MQ的电阻与极板 并联。若所加力 F=0.01sin(1000t)N ,求： (1) 两极板间电压峰一峰值； (2) 晶体厚度的最大变化。 解：(1)石英压电晶片的电容 c ；0；rS 8.85 1

22、02 5.1 100 10-6 Ca = - 二 - o - d 1 10 =4.514 X 10妇2 (F) q 4.5pF 由于Ra =1014 Q,并联电容 R并=100MQ =108Q 则总电阻 R=Ra / R 并=1014 /108 R I0Q 总电容 C=Ca /C 并=4.5+20=24.5(pF) 又因 F=0.01sin(1000t)N=F m sin( 3 t)N kq =2 pC/N 则电荷 Q=d11 F= kq F Qm = d11 Fm = kq Fm =2 pC/N 001N=0.02 pC 所以 , dnFm R 0.02 10=2 103 108 Uim 2

23、 2 1 RC ,1 103 108 24.5 102 =0.756 10 或(V)=0.756mV 峰一峰值： U im-im =2Uim =2 0756=1.512mV (2)应变 sm =Fm /SE =0.01/(100 10 戈 X9 刈010 )=1.11 10-9= A dm /d 9 9 &m =dsm = 1 K11 10 (mm)=1.11 10 mm 厚度最大变化量(即厚度变化的峰 一峰值) _9 _9 d =2 岛d=2 M.11 10 =2.22 10 (mm) _ _ _ 2 =2.22 10 m 电信092-6班有证明题 电信091班没有证明题 证明题 1

24、、根据光折射和反射的斯涅尔 (Snell)定律,证明光答由折射率为 n的外界介质射入纤 芯时实现全反射的临界角(始端最大入射角)为sin 6 = Jn2 - n2 / n0,并说明上式的物理意 义。U0 _ 5.7 10- 一 15.93 10 12 一 一 一 3 = 3.58 103V 实用标准文案 文档大全 解： 当光线以入射角Q进入光纤的端面时，在端面处发生折射，设折射角为9j，然后光线以9k 角入射至纤芯与包层的界面。当 珏角大于纤芯与包层间的临界角 8c时，则射入的光线在光 纤的界面上发生全反射。 根据斯涅耳（Snell）光的折射定律： n0 sin 玷=ni sin 可 n sin 升=8 sin a sin = =(n1/n0) sin 亏 =(n1 / n0) cos* = (ni /n)1 -sin2 九 = (ni /n0)J1 (sinS)2 ni n no 一 般皆空气，故