完整版传感器原理及应用复习题

1、?传感器原理及应用?复习题1 .静态特性指标其中的线性度的定义是指_ =±包在/100%J 2 .传感器的差动测量方法的优点是减小了非线性误差、提升了测量灵敏度o3 .对于等臂半桥电路为了减小或消除非线性误差的方法可以采用提升桥臂比,采用差动电桥的方法.4 .高频反射式电涡流传感器实际是由 线圈 和 被测体或导体 两个局部组成的系统,两者之间通过电磁感应相互作用, 因此,在能够构成电涡 流传感器的应用场合中必须存在金属 材料.5 .霍尔元件需要进行温度补偿的原因是由于其霍尔 系数和 材料电阻受温度影响大.使用霍尔传感器测量位移时,需要构造一个磁场.6 .热电阻最常用的材料是 铝 和铜

2、,工业上被广泛用来测量 中低温 区 的温度,在测量温度要求不高且温度较低的场合,铜 热电阻得到了广泛应用.7 .现有霍尔式、电涡流式和光电式三种传感器,设计传送带上塑料零件的计数系统时,应选其中的光电传感器.需要测量某设备的外壳温度,其范围是300400C ,要求实现高精度测量,应该在柏铭-柏热电偶、珀电阻和热 敏电阻中选择铝电阻 .8 . 一个二进制光学码盘式传感器,为了到达 1左右的分辨力,需要采用 或 位码盘.一个刻划直径为400mm勺20位码盘,其外圈分别间隔为稍大于 m m9 .非功能型光纤传感器中的光纤仅仅起传输光信息的作用,功能型光纤传感器 是把光纤作为 敏感 元件.光纤的NA

3、值大说明 集光水平 强 .11 .光照使半导体电阻率变化的现象称为内光电效应, 基于此效应的器件除光敏 电阻外还有处于反向偏置工作状态的光敏二极管.光敏器件的灵敏度可用 光照特性表征,它反映光电器件的输入光量与输出光电流 电压之间的关系.选择光电传感器的光源与光敏器件时主要依据器件的光谱 特性.12 .传感器一般由敏感元件.、 转换元件.、 测量电路及辅助电源四个局部组成.13 .传感器的灵敏度是指稳态标准条件下,输出变化量 与输入 变化量的比值.对线性传感器来说,其灵敏度是 一 常数.14 .某铜热电阻在0c时的阻值为50Q,那么其分度号是 Cu50 ,对于 锲铭锲硅热电偶具正极是一锲铭 .

4、15 .差动变压器式传感器常见的有 和 两种结构类型,其中最常用的是 差动变压器.16 .为提升压电器件的灵敏度,常采用两个或多个压电片组合,其中串联连接方 式适用于 电压输出、测量 高频 信号的场合;并联方式适用于电荷 输出、测量 低频 信号的场合17 .电涡流传感器从测量原理来分,可以分为高频扫射式和 低频透射式两大类.1 .电容式传感器的应用电路中常采用“驱动电缆技术.图 1为“驱动电缆 技术原理示意图.(1)试简述采用“驱动电缆技术的原因；(2)试结合“驱动电缆技术原理图简述“驱动电缆技术工作原理.图1 “驱动电缆技术原理示意图答：1.) 一般电容传感器电容值很小,如果鼓励频率较低,那

5、么电容传感器的容抗很大,因此对传感器绝缘电阻要求很高；另一方面,变换器电容极板并联的寄生电容也会带来很大的影响,为克服其影响采用驱动电缆法.2.)在电容传感器与测量线路前置极间采用双层屏蔽电缆.这种接法使传输电缆的芯线与内层屏蔽等电位,消除了芯线对内层屏蔽的容性漏电,从而消除了寄生电容的影响.同时放大器的高输入阻抗又起到阻抗匹配的作用.2 .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? 好答：如作用在压电组件上的力是静态力,那么电荷会泄 露,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.或：答；

6、压电式传感器的测量基于压电一效应,而且在测量时必须保证：一压电元件在产生压电效应过程中必须没有电荷泄露.在做静态测量时,要做到外力 作用在压电元件时所产生的电荷能在无泄漏的情况下进行完全保存,这实际上 是不可能的,因此压电式传感器用于静态测量是不适宜的.要实现测量时电荷 无泄漏的条件,只有使压电元件在交变力的作用下,才能够促使压电效应产生 的电荷不断得到补充,以供给测量回路一定的电流,因此说压电传感器只能用 于动态测量.而且频率越高,补充电荷的时间越短,保证测量时的无电荷泄露 效果更好.3 .图2是应用光栅式传感器进行数控机床位置限制的原理示意图,简述其限制 过程,并说明光栅式传感器主要由哪几

7、局部组成其测量系统的精度主要由一部 分的精度决定图2数控机床位置限制框图4 .有三台测温仪表,量程均为 0800C,精度等级分别为2.5级、2.0级和1.5 级,现要测量500c的温度,要求相对误差不超过 2.5%,选那台仪表合理2.5级时的最大绝对误差值为20C,测量500c时的相对误差为4%; 2.0级 时的最大绝对误差值为16C,测量500c时的相对误差为3.2%; 1.5级时的最 大绝对误差值为12C,测量500c时的相对误差为2.4%.因此,应该选用1.5 级的测温仪器.5.变间隙电容传感器的测量电路为运算放大器电路,如图3所示.Q=200pF,传感器的起始电容量 G0=20pF,定

8、动极板距离d0=1.5mm运算放大器为理想放大器 (即K- oo, Z-oo), R极大,输入电压ui=5sintV.求当电容传感动极板上输入 一位移量 x=0.15mm£ d0减小时,电路输出电压U0为多少R解;由测量电路可得20020x1.5x 5sin a = 4 5sin 皆 Vd c - AvL5-O.15电压表6.下表为某热电偶的分度表,测量电路如以下图,数字电压表的读数为4.10mV, 热电偶与电压表用补偿导线连接,请问被测温度 Tx是多少,给出计算依据.8 分温度/C203040508090100110120130140热电 势/mV0.801.201.602.023

9、.263.384.104.514.905.305.733. Tx为11./仁依据如F：根据中k温度定律和MK线朴偿察理或连接导体定律,由电压 表读数得读热电悯在Tx和20度温度卜的热电势为3.71 mVF查环耐度为20度时读热电 偶的热电势为Q.79niV;该热电偶在Tx和0度卜的热电势为4.50mV：由此杳表得Tx为 liu %.枭H；得3分,说明两次小梁或用修il 计算得2分.理论依据存2分7.试说明图4所示的的微压力变送器的工作原理图4微压力变送器(a)结构图(b)测量电路方框图1 一接头2 膜盒3 一底座4 一线路板5 一差动变压器6 一衔铁7 一罩壳在无压力作用时,膜盒处于初始状态,

10、固连于膜盒中央的衔铁位于差动变压器线圈的中部,输出电压为零0当被测压力经接头输入膜盒后,推动衔铁移 动,从而使差动变压假设管输出正比于被测压力的电压.(4-5)可测的压力输出信号电压为.50mV,精度为1.5级.8 .图5是用光敏二极管限制的交流电压供电的明通及暗通直流电磁限制原理图, 说明为什么要采用晶体管放大电路并简述此电路的工作原理.图5解：根据题就,宜流器件用在 交流电路中.果用整流和滤波举措, 方可使直流继电器吸合可和1又因 光敏一极管功率小,缺乏以直接控 制直流继电器,故要果用晶体管放 大屯路.拟定原理图4-1所示.图中V为晶体二极管：以光电一极管：上整流二极管二1射极电位稔乐管；

11、R直流 继电器,.海波电容；T变原器:R降压电阻；LD被控电灯.原理:当有足够的光线射到光敏一.极管匕时,其内阻下降,在电源变用耦为正华周 时,二极管V导通时K通电吸合,灯亮.无光照时那么灯火故是一个明通电路.假设图中光 敏 极管必与电阻R调换位置,那么可得到一个喑通电愕,9 .在炼钢厂中,有时直接将廉价热电极易耗品,例如锲铭、锲硅热偶丝,时 间稍长即熔化插入钢水中测量钢水温度,如图6所示.试说明测量钢水温度的 根本原理为什么不必将工作端焊在一起要满足哪些条件才不影响测量精而是熔化度采用上述方法是利用了热电偶的什么定律如果被测物不是钢水,的塑料行吗为什么?图6用浸入式热电偶测量熔融金属示意图答

12、：测量钢水温度的根本原理是利用了热电效应；由于钢水是导体,又处在同一个温度下, 把钢水看作是第三导体接入,利用了热电偶的导体接入定律；如果被测物不是钢水,而是 熔化的塑料不行,由于,塑料不导电,不能形成热电势10 .设计一种可用于在有油污、灰尘或雨水等的环境下能测量车轮轴转速的传感 器系统方案.请说明选用何种工作原理的传感元件,给出系统组成简略示意图, 说明测量方法及改善测量精度的举措.如以下图,在待测转轴上安装一调制盘,齿数为 Z 2分.采用电涡流传感器假设采用霍尔传感器,那么需要在霍尔元件前面或后面安装一片磁钢,将电涡流传感器输出信号经过放大、整形后送频率计,测出频率f2分,转速为：60f

13、/Z转/分.谑芝舍,齿二江电路放大 整彬8. 一个简单的家居智能系统要求：有盗贼从大门进入时可及时发现,并能提示盗 贼可能携带有刀、枪等金属器械；当玻璃窗被砸坏时能及时报警.试：选择适宜的传感器进行合理的安装完成以上功能；说明各传感器如何完成相应的功能.选磁敏或者霍尔传感器安装于大门一侧,另一侧安装永久磁铁,当钢铁 或金属物穿过门时,传感器输出增强,触发报警信号器4分；在玻璃上贴压电膜传感器,或在窗边安装振动传感器,玻璃窗被砸时,触发压电或振动传 感器报警3分；在厨房上空位置安装 CO2气体传感器或烟雾传感器,厨房失 火时,因CO2或烟雾浓度显著增加,触发CO"体或烟雾传感器报警3

14、分11 .有四片完全相同的金属应变片灵敏系数为 2、泊松比N为0.3、电阻120Q 和一个等截面悬臂梁长l=15cm、宽b=2cm、厚h=0.5cm,弹性模量E为： 2M07N/cm2,要构成一个称重传感器.问：1悬臂梁上如何布置应变片、如 何接成电桥,能使得应变最大且传感器的输出电压灵敏度最高；画出相应的布片示意图和接桥电路.2分析说明环境温度变化时,这个方案的测量结果是否变 化.3电桥供电电压为5V时,假设电桥输出电压为2.25mV,被测重量为多少 不计横向效应影响,应变 =隽5 ,其中lx为应变片粘贴处到梁的自由端bh E的距离.应变片长度相对于lx可忽略.三、分析和方案设if 16+1

15、0-261布片E4分i如心图所示RI和R3花桀的衣面,R2 和R4件时应RI和R3位也的卜外表L接线7分如卜 图所示时,形成差动全桥时传感器仃最高属敏度,各应变片的热围变相等,在电侨的辅I出中相互抵消,不影响电梆输出相结果在变3分.西境泥饱变化造或2根据全等臂差动电桥的输出:3因£ -,由 = 必 三 5*9*/.7卜得 F=25 fN J 25'k2kH74'只要给用的表达式iE确,未订算电结果也可箝4分12 .热电阻测量时采用何种测量电路 为什么要采用这种测量电路 说明这种电 路的工作原理.通常采用电桥电路作为测量电路.为了克服环境温度的影响常采用以下图所示 的三

16、导线四分之一电桥电路.由于采用这种电路,热电阻的两根引线的电阻值 被分配在两个相邻的桥臂中,如果R1t=R2t,那么由于环境温度变化引起的引线电阻值变化造成的误差被 相互抵消热电阻的测量电路13 .试分析变面积式电容传感器和变间隙式电容的灵敏度为了提升传感器的灵敏度可采取什么举措并应注意什么问题 I I 口| 心£_1_1_心C | |0:答:如以下图是一直战位移型电容式传感器的示意图“当动极板移动Am后,覆盖面积就发生变化,电容量也随之改变,其值为C=eb 7-Ax ;d=C吐" A.r-rf 1电答因位移而产生的变化量为其员敏度为 K = d =-匕Ar d可见增加占或

17、诫小d均可提升传感器的灵敏度,直线位移型电容式传霹14 .试分别说明图7的二种光电式传感器的工作原理tc)(d)图7:光电元件的应用形式之一c被测物是有反射水平的外表d被测物遮蔽光通量1 一被测物2 光电元件 3 一恒光源15 .将一支灵敏度为0.08 mV/C的热电偶与电压表相连,电压表接线端处温度为 50 0电压表上读数为60mV,那么热电偶热端温度为多少解：根据题意,电压表上的毫伏数是山热端温度t、冷端温度 50° C产生的,即,E Ct, 50) =60mV.又因：E (t, 0) = E (t, 50) + E (50, 0) =60+0.08*50=64mV 所以；用k端

18、温度t=64/0.08=800° Co16 .光敏电阻有哪些重要特性,在工业应用中是如何发挥这些特性的 答：光敏电阻是采用半导体材料制作,利用内光电效应工作的光电元件.它的 重要特性是在无光照时阻值非常大,相当于断路,有光照时阻值变得很小,相 当于通路.在工业应用中主要就是通过光的变化来各种电路的限制.17 .图8所示为一个采用霍尔传感器的液位限制系统.简述其工作原理.图8霍尔传感器的液位限制系统示意图霍尔液位传感器的原理霍尔械传醛有摘摘新看潼件装颂器外面永楙支朝孑上随着硒变化,作用到看 旖件上场sw感应at改变,从而可测得械.有的结构雌复杂,但可弟见自触巨一个中空的非滋材料的管子,浮子套在管子外,可上下滑动,在浮子的上端放着永磁,霍尔器件及箕馈 缩口一木脚了许多孔的柔性带在-6,吊在中空蹴磁楙的管子内“多膘,播®电影胶片一样,用缁 绞动,使之上下移动.当柔性带带着的霍尔器件接近浮子上的永翩本时霍尔器怕等输出霍尔电压,校准霍 尔电压和浮子位髭的关系,即可由所得的雷尔电压得到容器中液体的酒位.用这腱署可实现远距离自动检 黑18 .需要用间接测量方式来测量一个大直径金属圆柱体的直径, 请选择适当原理 的传感器件、设计组合传感器测量系统方案. 画出系统组成示意图、说明系统工 作原理.选两只电涡流传感器3分,分别布置在被测体两侧,分别测量两传感器距柱 体外表的间距