傳感器題庫與參考答案-20120430

1、傳感器與檢測(cè)技術(shù)課程復(fù)習(xí)題庫第一章 傳感器的基本概念 （P1-16)1、什么叫傳感器？它由哪幾部分組成？它們的作用及相互關(guān)系如何？P12（P16習(xí)題1）答：傳感器是指那些對(duì)被測(cè)對(duì)象的某一確定的信息具有感受（或響應(yīng)）與檢測(cè)功能，并使之按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成與之對(duì)應(yīng)的有用輸出信號(hào)的元器件或裝置。傳感器由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件和其他輔助部件組成。敏感元件是指?jìng)鞲衅髦心苤苯痈惺埽ɑ蝽憫?yīng)）與被檢出被測(cè)對(duì)象的待測(cè)信息（非電量）的部分；轉(zhuǎn)換元件是指?jìng)鞲衅髦心軐⒚舾性惺埽ɑ蝽憫?yīng)）出的信息直接轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的部分；信號(hào)調(diào)節(jié)電路是能把轉(zhuǎn)換元件輸出的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為便于顯示、記錄、處理和控制的有用電信號(hào)的電路；輔助電路通常

2、包括電源，即交、直流供電系統(tǒng)。但并不是所有的傳感器都必須包括敏感元件和轉(zhuǎn)換元件，如果敏感元件直接輸出的是電量，它就同時(shí)兼為轉(zhuǎn)換元件。加附圖1-1。2、什么叫做傳感的靜態(tài)特性？（筆記）答：傳感的靜態(tài)特性是傳感器在靜態(tài)信號(hào)的作用下所表現(xiàn)出來的特性。主要體現(xiàn)在如下幾個(gè)方面：（1）線性度。就是指?jìng)鞲衅鞯妮敵隽颗c輸入量之間的實(shí)際關(guān)系曲線偏離直線的程度。（2）靈敏度。是指?jìng)鞲衅髟诜€(wěn)態(tài)下輸出增量與輸入增量的比值。（3）重復(fù)性。表示傳感器在輸入量按同一方向作全量程多次測(cè)試時(shí)，所得其輸出特性曲線不一致性的程度。（4）遲滯現(xiàn)象。表明傳感器在正向行程和反向行程期間，輸出輸入特性曲線不重合的程度。（5）分辨率。是在規(guī)

3、定測(cè)量范圍內(nèi)所能檢測(cè)輸入量的最小變化量。（6）穩(wěn)定性。（7）漂移。是指在外界的干擾下，輸出量發(fā)生與輸入量無關(guān)的、不需要的變化。3、什么叫傳感器的動(dòng)態(tài)特性？（筆記）傳感器在動(dòng)態(tài)信號(hào)的作用下所表現(xiàn)出來的特性。4、傳感器的靜態(tài)特性有哪些性能指標(biāo)？它們各自公式是什么？(P10-12、P16習(xí)題3）答：線性度：靈敏度：重復(fù)性：遲滯現(xiàn)象：分辨率：傳感器的分辨率是在規(guī)定測(cè)量范圍內(nèi)所能檢測(cè)輸入量的最小變化量，有時(shí)也用該值相對(duì)滿量程輸入值的百分?jǐn)?shù)表示。以及穩(wěn)定性和漂移。5、傳感器數(shù)學(xué)模型的一般描述方法有哪些？（P16習(xí)題5）答：傳感器數(shù)學(xué)模型可分為靜態(tài)和動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型。其中，傳感器靜態(tài)數(shù)學(xué)模型一般多用多項(xiàng)式來描述

4、，而動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型通常采用微分方程和傳遞函數(shù)等來描述。第2章 電阻式傳感器 (P17-37)1、何為線繞式電位器的階梯特性？（P18-19)答：電刷在變阻器的線圈上移動(dòng)時(shí)，電位器的阻值隨電刷從一圈移動(dòng)到另一圈是不連續(xù)變化的，故輸出電壓Uo也不連續(xù)變化，而是階梯式地變化。每一次電壓解壓將產(chǎn)生一次小階躍，小階躍電壓U即為線繞式電位器實(shí)際輸出特性，工程上將其理想化為階梯狀特性曲線，這就是線繞式電位器的階梯特性。2、何謂線繞式電位器的電壓分辨率及行程分辨率？（P19）答：線繞電位器的電壓分辨率是指在電刷行程內(nèi)電位計(jì)輸出電壓階梯的最大值與最大輸出電壓之比的百分?jǐn)?shù)。從電位器的電刷行程來說，又有行程分辨率，即

5、是電位計(jì)輸出行程階梯的最大值與最大值輸出行程之比的百分?jǐn)?shù)。3、敘述P21 圖2-7 光電式電位器的工作原理。（P21）答：如圖2-7，光電電位器的結(jié)構(gòu)原理是在基體（氧化鋁）上沉淀一層硫化鎘（CdS）或硒化鎘（CdSe）光電導(dǎo)層，然后在基體上沉淀一條金屬導(dǎo)電條作導(dǎo)電電極，并在光電導(dǎo)層1之下沉積一條薄膜電阻3，并使電阻帶和導(dǎo)電電極5之間形成以間隙，當(dāng)電刷的窄光束4照射在此間隙上時(shí)，就相當(dāng)于把電阻帶和導(dǎo)電電極接通，在外電源E的作用下，負(fù)載電阻上便有電壓輸出；而在無光束照射時(shí)，因其暗電阻極大，可視為電阻帶與導(dǎo)電電極之間的斷路，這樣輸出的電壓隨著光束位置的移動(dòng)而變化。4、 什么叫應(yīng)變效應(yīng)？（P21）答：

6、導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料在受到外界力（拉力或壓力）作用時(shí)，產(chǎn)生形變，機(jī)械變形導(dǎo)致其阻值變化，這種因形變而使其阻值發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為“應(yīng)變效應(yīng)”。5.什么叫做金屬絲繞式應(yīng)變片的靈敏度系數(shù)？P22其物理意義是什么？P23金屬絲繞式應(yīng)變片的靈敏度系數(shù)是指：?jiǎn)挝粦?yīng)變所能引起的電阻相對(duì)變化即Ks。物理意義是：?jiǎn)挝粦?yīng)變所引起的電阻相對(duì)變化。6. 什么叫做壓阻效應(yīng)？P24 其應(yīng)變片的靈敏系數(shù)是什么？P24壓阻效應(yīng)：半導(dǎo)體材料在受到外力作用時(shí)，其電阻率發(fā)生顯著變化的現(xiàn)象。應(yīng)變片的靈敏系數(shù)7. 金屬電阻應(yīng)變片測(cè)量外力的原理是什么?（授課PPT）金屬電阻應(yīng)變片測(cè)量外力的原理是基于金屬導(dǎo)體的應(yīng)變效應(yīng)，即金屬導(dǎo)體在外界力（拉

7、力或壓力）作用時(shí)，產(chǎn)生機(jī)械變形，機(jī)械變形導(dǎo)致其阻值變化。外力正比于應(yīng)力，應(yīng)力正比于應(yīng)變，應(yīng)變正比于電阻的變化，電阻的變化正比于測(cè)量電路的輸出電壓。因而，可通過測(cè)量電路的輸出電壓指示外力的大小。8. 應(yīng)變片測(cè)量電橋的非線性誤差的計(jì)算方法P27(P37習(xí)題3） 解：非線性誤差的計(jì)算9. 在應(yīng)變片的測(cè)量電路中，單臂、半橋、全橋3種電路的輸出電壓及靈敏度有何關(guān)系？P26至P281. 電橋電壓靈敏度正比于電橋供電電壓，供橋電壓愈高，電橋電壓靈敏度愈高。2. 供橋電壓確定之后，當(dāng)R1=R2,R3=R4時(shí)，電橋的電壓靈敏度最高。3. 當(dāng)電源電壓E和電阻相對(duì)變化一定時(shí)，電橋的輸出電壓及其靈敏度也是定值，且與橋

8、臂阻值大小無關(guān)。單臂、半橋、全橋3種電路的輸出電壓的倍數(shù)關(guān)系？單臂、半橋、全橋3種電路的靈敏度的倍數(shù)關(guān)系？10. P37 1.線繞電位器的負(fù)載特性在什么情況下才呈現(xiàn)線性特性？為什么？ 答：當(dāng)電位器的負(fù)載0時(shí)，負(fù)載特性的一般形式為Y=(1+/-/)當(dāng)=/,即時(shí)，Yr,與X才滿足線性關(guān)系，即線繞電位器式傳感器的負(fù)載特性為線性。第三章 電容式傳感器P38至571. 電容式傳感器可分為哪三大類型呢？P38至41答：電容式傳感器可分為:1.變極距型電容式傳感器 2.變極板面積型電容式傳感器 3.變介質(zhì)型電容式傳感器。2. 差動(dòng)變極距電容式傳感器有哪些優(yōu)點(diǎn)？P43至44 差動(dòng)變極距電容式傳感器的非線性誤差

9、r比單一電容傳感器的非線性誤差r1大大地降低，靈敏度也比單一的電容傳感器提高一倍，同時(shí)還能減小靜電引力給測(cè)量帶來的影響，能有效地改善由于溫度等環(huán)境影響帶來的誤差。3.畫出電容式傳感器的等效電路圖，并說明等效電路中各元件的作用。P44等效電路中各元件的作用:Rp為并聯(lián)損耗電阻，它代表板極間泄漏電阻和介質(zhì)損耗；Rs代表串聯(lián)損耗，即引線電阻，電容支架和極板的電阻；電感L由電容器本身的電感和外部引線電感組成。傳感器的有效電容Ce與傳感器的固有電感L和角頻率W有關(guān)。（圖畫不了）4.敘述電容式傳感器的運(yùn)輸放大器式電路的作用與特點(diǎn)。P47由于運(yùn)算放大器的放大倍數(shù)K非常大，而且輸入阻抗很高，運(yùn)算放大器的這一特

10、點(diǎn)可以作為電容傳感器的比較理想的測(cè)量電路。運(yùn)算放大器的輸出電壓與動(dòng)極板機(jī)械位移成線性關(guān)系，運(yùn)算放大器電路解決了單個(gè)變極板距離式電容傳感器的非線性問題。由于實(shí)際使用的運(yùn)算放大器的放大倍數(shù)和輸入阻抗總是一個(gè)有限值，所以，該測(cè)量電路仍然存在一定的非線性誤差；當(dāng)放大倍數(shù)，輸入阻抗足夠大時(shí)，這種誤差是相當(dāng)小的，可以使測(cè)量誤差在要求范圍之內(nèi)，因此這種電路仍不失其特點(diǎn)。5.分析脈沖寬度調(diào)制電路的工作過程及特點(diǎn)，并畫出A、B、C、D點(diǎn)的電壓及、的波形圖。P48至50 答：1）工作過程：設(shè)傳感器為差動(dòng)電容C1和C2，T=0-T=0+50%.50%.當(dāng)雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器處于某一狀態(tài)，如Q=1，非Q=0，A點(diǎn)的高電位通過

11、R1對(duì)C1充電，直至C點(diǎn)充電電位高于參比電位Ur時(shí)，比較器A1輸出正跳變信號(hào)，此時(shí)，因非Q=0，B點(diǎn)為低（零）電位，電容器C2上已充電流，通過R2而放電，比較器A2的“-”端電位高于“+”端，比較器輸出負(fù)跳變，激勵(lì)觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)，使非Q=1，Q=0,于是，B點(diǎn)為高電位，對(duì)C2充電：A點(diǎn)為低電位，C1放電，當(dāng)比較器A1的“+”端電位低于A1“-”端參比電壓Ur時(shí)同，產(chǎn)生觸發(fā)脈沖使觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)，如此交替激勵(lì)，觸發(fā)器兩端輸出極性相反、寬度取決于C1和C2的脈沖。 2）特點(diǎn)：1、不像調(diào)幅線路那樣，需對(duì)元件提出線性要求： 2、效率高，信號(hào)只要經(jīng)過低通濾波器就有較大的直流輸出； 3、不需要解調(diào)器： 4、由于低通

12、濾波器的作用，對(duì)輸出矩形波純度要求不高； 5、電路結(jié)構(gòu)基本上下對(duì)稱 6：周期性工作。6. 計(jì)算P41圖3-7變介質(zhì)電容式傳感器的總電容，并說明該傳感器的工作原理P41?第四章電感式傳感器1、敘述變磁阻式傳感器的結(jié)構(gòu)與工作原理？答：它由線圈、鐵芯和銜鐵三部分組成鐵芯和銜鐵都由導(dǎo)磁材料如硅鋼片或坡莫合金制成。在鐵芯和活動(dòng)銜鐵之間有氣隙，氣隙厚度為。傳感器的運(yùn)動(dòng)部分與銜鐵相連。當(dāng)銜鐵移動(dòng)時(shí)，氣隙厚度發(fā)生變化，從而使磁路中磁阻變化，導(dǎo)致電感線圈的電感值變化，這樣可以判別被測(cè)位移的大小。2、差動(dòng)自感傳感器有何優(yōu)缺點(diǎn)？答：優(yōu)點(diǎn)：差動(dòng)式電感傳感器的非線性在+-工作范圍內(nèi)要比單感傳感器小很多其靈敏度比單個(gè)線圈

13、的傳感器提高一倍。缺點(diǎn)：也具有一定的非線性誤差3、敘述互感式傳感器的結(jié)構(gòu)和工作原理答：它由初級(jí)線圈P、兩個(gè)次級(jí)線圈S1/、S2和插入線圈中央的圓柱形鐵芯B組成，結(jié)構(gòu)形式又有三段式和兩段式等之分。次級(jí)線圈S1/、S2反極性串聯(lián)。當(dāng)初級(jí)線圈P加上某一頻率的正弦交流電壓U1后，次級(jí)線圈產(chǎn)生感應(yīng)電壓為U1和U2，它們的大小與鐵芯在線圈內(nèi)的位置有關(guān)。U1和U2反極性連接便得到輸出電壓U0。當(dāng)鐵芯位于線圈中心位置時(shí)，則U1=U2，U0=0當(dāng)鐵芯向上移動(dòng)時(shí)，則U1>U2，U0>0,M1大，M2小當(dāng)鐵芯向下移動(dòng)時(shí)，則U1<U2，U0>0,M1小，M2大。當(dāng)鐵芯偏移中心位置時(shí)，則輸出電壓

14、U0隨鐵芯偏移中心位置程度，使U1或U2逐漸增大，當(dāng)相位相差180。4、何謂差動(dòng)變壓器的零點(diǎn)殘余電壓？零點(diǎn)電壓產(chǎn)生的原因是什么？答：實(shí)際上，鐵芯位于中心位置，輸出電壓并不為零，而是U0，U0被稱為零點(diǎn)殘余電壓。產(chǎn)生的原因有很多，不外乎是變壓器的制作工藝和導(dǎo)磁體安裝等問題，U0一般在幾十毫安以下。5、如何從輸出量辨別差動(dòng)變壓器中鐵芯的移動(dòng)方向？答：實(shí)際測(cè)量中，常常采用差動(dòng)整流電路和相敏檢波電路。差動(dòng)整流電路是把差動(dòng)變壓器的兩個(gè)次級(jí)電壓分別整流，然后將它們整流的電壓或電流值作為輸出。無論兩個(gè)次級(jí)線圈的輸出瞬時(shí)電壓如何，流經(jīng)兩個(gè)電阻R的電流總是從a到b,從c到d，故整流電路的輸出電壓為U0=Uab-

15、Udc。當(dāng)鐵芯在中間位置時(shí)，U0=0，鐵芯在零位以上或以下時(shí)，輸出電壓的極性相反，于是零點(diǎn)殘余電壓會(huì)自動(dòng)抵消。相敏檢波電路可以由流過電表的平均電流的大小和方向來判別差動(dòng)變壓器的位移大小和方向。6、敘述電渦流式傳感器的結(jié)構(gòu)與工作原理。答：結(jié)構(gòu)有金屬板和電感線圈組成，工作原理是當(dāng)通有一定交變電流的電感線圈L靠近金屬導(dǎo)體時(shí)，在金屬周圍產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，在金屬表面將產(chǎn)生電渦流I1，根據(jù)電磁感應(yīng)理論電渦流也將形成一個(gè)方向相反的磁場(chǎng)。在金屬導(dǎo)體表面感應(yīng)的渦流鎖產(chǎn)生的電磁場(chǎng)又反作用于線圈L上，力圖改變線圈電感量的大小，其變化程度與線圈L的尺寸大小，距離x和密度，ur有關(guān)。結(jié)構(gòu)圖7、電渦流式傳感器為何稱為電感式傳

16、感器？答：因?yàn)殡姼惺絺鞲衅魇抢秒姶鸥袘?yīng)把被測(cè)的物理量轉(zhuǎn)換成線圈的自感系數(shù)L或互感系數(shù)M的變化，再由測(cè)量電路轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化量輸出，實(shí)現(xiàn)非電量到電量的轉(zhuǎn)換。而由電渦流式傳感器的等效電路，根據(jù)克希霍夫定律可列出如下方程：，解得當(dāng)線圈與被測(cè)金屬體靠近時(shí)的線圈的等效阻抗:，由此式看到，電渦流式傳感器等效電路參數(shù)均是互感覺系數(shù)M和電感L、的函數(shù)，故把這類傳感器歸為電感式傳感器。8、電渦流式的滲透深度與傳感器線圈的激勵(lì)信號(hào)頻率的關(guān)系如何據(jù)此傳感器可分為哪兩類渦流傳感器？答：根據(jù)傳感器的端部的線圈通以交變電壓的頻率范圍為（一般為1MHz2MHz）、產(chǎn)生的磁通能否通過導(dǎo)板的厚度（即集膚效應(yīng)）及其結(jié)構(gòu)可

17、分為高頻反射式和低頻透射式傳感器兩類。9、舉出電渦流傳感器在機(jī)械方面應(yīng)用的3個(gè)實(shí)例。答：（1）位移測(cè)量：當(dāng)被測(cè)材料中的電阻率P、導(dǎo)磁率U、激磁頻率f確定后，等效阻抗Z只與被測(cè)件間的距離x有關(guān)，通過適當(dāng)?shù)臏y(cè)量電路，可以得到輸出電壓與距離x的關(guān)系。第六章？第七章1、光電效應(yīng)包括哪幾種效應(yīng)？各效應(yīng)對(duì)應(yīng)的物理器件有哪些？P131 答：光電效應(yīng)包括外光電效應(yīng)和內(nèi)光電效應(yīng)；內(nèi)光電效應(yīng)又分為光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)光電外光電效應(yīng)對(duì)應(yīng)的物理器件是光電管和光電倍增管；內(nèi)光電效應(yīng)器件：光敏電阻、光電池和光敏二極管和光敏三極管。2、敘述光電管的工作原理與過程？P131135 答：工作原理：在光線作用下，物質(zhì)（光電材

18、料）內(nèi)的電子逸出物質(zhì)表面向外發(fā)射。 過程：光電管有真空光電管和充氣光電管兩類。兩者結(jié)構(gòu)相似，它們由一個(gè)陰極和一個(gè)陽極構(gòu)成，并且密封在一只玻璃管內(nèi)。陰極裝在管內(nèi)壁上，其上涂有光電發(fā)射材料，陽極通常用金屬絲彎曲成矩形或圓形，置于玻璃管的中央。當(dāng)光照在陰極上時(shí)，中央陽極可以收集從陰極上逸出的電子，在外電場(chǎng)作用下形成電流I，。其中，充氣光電管內(nèi)充有少量的惰性氣體如氬或氖，當(dāng)充氣光電管的陰極被光照射后，光電子在飛向陽極的途中，和氣體的原子發(fā)生碰撞而使氣體電離，從而增大了光電流。結(jié)構(gòu)圖3、敘述光電倍增管的工作原理與過程？P135137 答：光電倍增管除光電陰極外，還有若干倍增電極。使用時(shí)各個(gè)倍增電極上增電

19、極上均加上電壓。陰極電位最低，從陰極開始，各個(gè)倍增電極依次升高，陽極電位最高。同時(shí)這些倍增電極用次級(jí)發(fā)射材料制成，這種材料在具有一定能量的電子轟擊下，能夠產(chǎn)生更多的“次級(jí)電子”。由于相鄰兩個(gè)倍增電極之間有電位差，因此存在加速電場(chǎng)，對(duì)電子加速。從陰極發(fā)出的光電子，在電場(chǎng)的加速下，打到第一個(gè)倍增電極上，引起二次電子發(fā)射。每個(gè)電子能從這個(gè)培增電極上打出36倍次級(jí)電子；被打出來的次級(jí)電子再經(jīng)過電場(chǎng)的加速后，打在第二個(gè)倍增電極上，電子數(shù)又增加36倍，如此不斷倍增，陽極最后收集到的電子數(shù)將達(dá)到陰極發(fā)射電子數(shù)的105_108倍。即光電倍增管的放大倍數(shù)可達(dá)到幾萬倍到幾億倍。光電倍增管的靈敏度就比普通光電管高幾

20、萬倍以上。結(jié)構(gòu)圖4、何謂光電管的暗電流？P137 答：一般在使用光電倍增管時(shí)，必須把管子放在暗室里避光使用，使其只對(duì)入射光起作用；但是由于環(huán)境溫度、熱輻射和其他因素的影響，即使沒有光信號(hào)輸入，加上電壓后陽極仍有電流，這種電流稱為暗電流。5、光電阻的暗電阻、亮電阻分別是何含義？P138 文珍答：暗電阻：光敏電阻在未受到光照射時(shí)的阻值稱為暗電阻;     亮電阻：光敏電阻在受到光照射時(shí)的電阻稱為亮電阻。第八章1、什么叫做霍爾效應(yīng)？P195 答：一塊半導(dǎo)體薄片，其長(zhǎng)度為L(zhǎng)，寬度為b，厚度為d，當(dāng)它被置于磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的磁場(chǎng)中，如果在它相對(duì)的兩邊通以控制電流I，且磁場(chǎng)方向與電流方向正交，則在半導(dǎo)體另外兩邊將產(chǎn)生一個(gè)大小與控制電流I和磁感應(yīng)強(qiáng)度B乘積成正比的電勢(shì),即=IB,其中為霍爾元件的靈敏度。這一現(xiàn)