傳感器總結(jié)題答案解析

1、 范文范例參考一、簡答題：l.檢測系統(tǒng)由哪幾部分組成？說明各部分的作用。答：一個完整的檢測系統(tǒng)或檢測裝置通常是由傳感器、測量電路和顯示記錄裝置等幾部分組成，分別完成信息獲取、轉(zhuǎn)換、顯示和處理等功能。當(dāng)然其中還包括電源和傳輸通道等不可缺少的部分。下圖給出了檢測系統(tǒng)的組成框圖。檢測系統(tǒng)的組成框圖傳感器是把被測量轉(zhuǎn)換成電學(xué)量的裝置，顯然，傳感器是檢測系統(tǒng)與被測對象直接發(fā)生聯(lián)系的部件，是檢測系統(tǒng)最重要的環(huán)節(jié)，檢測系統(tǒng)獲取信息的質(zhì)量往往是由傳感器的性能確定的，因為檢測系統(tǒng)的其它環(huán)節(jié)無法添加新的檢測信息并且不易消除傳感器所引入的誤差。測量電路的作用是將傳感器的輸出信號轉(zhuǎn)換成易于測量的電壓或電流信號。通常傳

2、感器輸出信號是微弱的，就需要由測量電路加以放大，以滿足顯示記錄裝置的要求。根據(jù)需要測量電路還能進(jìn)行阻抗匹配、微分、積分、線性化補償?shù)刃盘柼幚砉ぷ?。顯示記錄裝置是檢測人員和檢測系統(tǒng)聯(lián)系的主要環(huán)節(jié)，主要作用是使人們了解被測量的大小或變化的過程。2.什么是系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差？正確度和精密度的含義是什么? 它們各反映何種誤差?答：系統(tǒng)誤差是指在相同的條件下，多次重復(fù)測量同一量時，誤差的大小和符號保持不變，或按照一定的規(guī)律變化的誤差。隨機(jī)誤差則是指在相同條件下，多次測量同一量時，其誤差的大小和符號以不可預(yù)見的方式變化的誤差。正確度是指測量結(jié)果與理論真值的一致程度，它反映了系統(tǒng)誤差的大小，精密度是指測量結(jié)

3、果的分散程度，它反映了隨機(jī)誤差的大小。3.金屬電阻應(yīng)變片與半導(dǎo)體材料的電阻應(yīng)變效應(yīng)有什么不同?答：金屬電阻的應(yīng)變效應(yīng)主要是由于其幾何形狀的變化而產(chǎn)生的，半導(dǎo)體材料的應(yīng)變效應(yīng)則主要取決于材料的電阻率隨應(yīng)變所引起的變化產(chǎn)生的。4.直流測量電橋和交流測量電橋有什么區(qū)別?答：它們的區(qū)別主要是直流電橋用直流電源，只適用于直流元件，交流電橋用交流電源，適用于所有電路元件。5.光敏電阻有哪些重要特性，在工業(yè)應(yīng)用中是如何發(fā)揮這些特性的？答：光敏電阻是采用半導(dǎo)體材料制作，利用內(nèi)光電效應(yīng)工作的光電元件。它的重要特性是在無光照時阻值非常大，相當(dāng)于斷路，有光照時阻值變得很小，相當(dāng)于通路。在工業(yè)應(yīng)用中主要就是通過光的變

4、化來各種電路的控制。6.影響差動變壓器輸出線性度和靈敏度的主要因素是什么？答：影響差動變壓器輸出線性度和靈敏度的主要因素是：傳感器幾何尺寸、線圈電氣參數(shù)的對稱性、磁性材料的殘余應(yīng)力、測量電路零點殘余電動勢等。7.電渦流式傳感器的靈敏度主要受哪些因素影響？它的主要優(yōu)點是什么？答：電渦流式傳感器的靈敏度主要受導(dǎo)體的電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率、幾何形狀，線圈的幾何參數(shù)，激勵電流頻率以及線圈到被測導(dǎo)體間的距離等因素影響。電渦流式傳感結(jié)構(gòu)簡單、頻率響應(yīng)寬、靈敏度高、測量范圍大、抗干憂能力強(qiáng)，特別是有非接觸測量的優(yōu)點，因此在工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)的各個領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。8什么是金屬導(dǎo)體的熱電效應(yīng)?試說明熱電偶的測溫

5、原理。答：熱電效應(yīng)就是兩種不同的導(dǎo)體或半導(dǎo)體A和B組成一個回路，其兩端相互連接時，只要兩結(jié)點處的溫度不同，回路中就會產(chǎn)生一個電動勢，該電動勢的方向和大小與導(dǎo)體的材料及兩接點的溫度有關(guān)。熱電偶測溫就是利用這種熱電效應(yīng)進(jìn)行的，將熱電偶的熱端插入被測物，冷端接進(jìn)儀表，就能測量溫度。9簡述熱電偶的幾個重要定律，并分別說明它們的實用價值。答：一是勻質(zhì)導(dǎo)體定律：如果熱電偶回路中的兩個熱電極材料相同，無論兩接點的溫度如何，熱電動勢為零。根據(jù)這個定律，可以檢驗兩個熱電極材料成分是否相同，也可以檢查熱電極材料的均勻性。二是中間導(dǎo)體定律：在熱電偶回路中接入第三種導(dǎo)體，只要第三種導(dǎo)體的兩接點溫度相同，則回路中總的熱

6、電動勢不變。它使我們可以方便地在回路中直接接入各種類型的顯示儀表或調(diào)節(jié)器，也可以將熱電偶的兩端不焊接而直接插入液態(tài)金屬中或直接焊在金屬表面進(jìn)行溫度測量。三是標(biāo)準(zhǔn)電極定律：如果兩種導(dǎo)體分別與第三種導(dǎo)體組成的熱電偶所產(chǎn)生的熱電動勢已知，則由這兩種導(dǎo)體組成的熱電偶所產(chǎn)生的熱電動勢也就已知。只要測得各種金屬與純鉑組成的熱電偶的熱電動勢，則各種金屬之間相互組合而成的熱電偶的熱電動勢可直接計算出來。四是中間溫度定律：熱電偶在兩接點溫度t、t0時的熱電動勢等于該熱電偶在接點溫度為t、tn和tn、t0時的相應(yīng)熱電動勢的代數(shù)和。中間溫度定律為補償導(dǎo)線的使用提供了理論依據(jù)。10為什么說壓電式傳感器只適用于動態(tài)測量

7、而不能用于靜態(tài)測量?答：因為壓電式傳感器是將被子測量轉(zhuǎn)換成壓電晶體的電荷量，可等效成一定的電容，如被測量為靜態(tài)時，很難將電荷轉(zhuǎn)換成一定的電壓信號輸出，故只能用于動態(tài)測量。11壓電式傳感器測量電路的作用是什么?其核心是解決什么問題?答：壓電式傳感器測量電路的作用是將壓電晶體產(chǎn)生的電荷轉(zhuǎn)換為電壓信號輸出，其核心是要解決微弱信號的轉(zhuǎn)換與放大，得到足夠強(qiáng)的輸出信號。12光電效應(yīng)有哪幾種？與之對應(yīng)的光電元件各有哪些?答：光電效應(yīng)有外光電效應(yīng)、內(nèi)光電效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)三種。基于外光電效應(yīng)的光電元件有光電管、光電倍增管等；基于內(nèi)光電效應(yīng)的光電元件有光敏電阻、光敏晶體管等；基于光生伏特效應(yīng)的光電元件有光電池等

8、。13常用的半導(dǎo)體光電元件有哪些?它們的電路符號如何?答：常用的半導(dǎo)體光電元件有光敏二極管、光敏三極管和光電池三種。它們的電路符號如下圖所示：14什么是光電元件的光譜特性?答：光電元件的光譜特性是指入射光照度一定時，光電元件的相對靈敏度隨光波波長的變化而變化，一種光電元件只對一定波長范圍的人射光敏感，這就是光電元件的光譜特性。15光電傳感器由哪些部分組成?被測量可以影響光電傳感器的哪些部分?答：光電傳感器通常由光源、光學(xué)通路和光電元件三部分組成，如圖所示。圖中1是光源發(fā)出的光信號，2是光電器件接受的光信號，被測量可以是x1或者x2，它們能夠分別造成光源本身或光學(xué)通路的變化，從而影響傳感器輸出的

9、電信號I。光電傳感器設(shè)計靈活，形式多樣，在越來越多的領(lǐng)域內(nèi)得到廣泛的應(yīng)用。16. 什么是霍爾效應(yīng)？答：在置于磁場的導(dǎo)體或半導(dǎo)體中通入電流，若電流與磁場垂直，則在與磁場和電流都垂直的方向上會出現(xiàn)一個電勢差，這種現(xiàn)象就是霍爾效應(yīng)，是由科學(xué)家愛德文·霍爾在1879年發(fā)現(xiàn)的。產(chǎn)生的電勢差稱為霍爾電壓。17. 為什么導(dǎo)體材料和絕緣體材料均不宜做成霍爾元件？答：因為導(dǎo)體材料的雖然很大，但很小，故不宜做成元件，而絕緣材料的雖然很大，但很小，故也不宜做成元件。18. 霍爾靈敏度與霍爾元件厚度之間有什么關(guān)系？答：霍爾靈敏度與霍爾元件厚度成反比，。19. 集成霍爾傳感器有什么特點？答：集成霍爾傳感器的特

10、點主要是取消了傳感器和測量電路之間的界限，實現(xiàn)了材料、元件、電路三位一體。集成霍爾傳感器與分立相比，由于減少了焊點，因此顯著地提高了可靠性。此外，它具有體積小、重量輕、功耗低等優(yōu)點。20. 寫出你認(rèn)為可以用霍爾傳感器來檢測的物理量。答：可以用霍爾傳感器來檢測的物理量有力、力矩、壓力、應(yīng)力、位置、位移、速度、加速度、角度、轉(zhuǎn)速、磁場量等等。21. 如何改變單極式變極距型電容傳感器的非線性？答：為了改變單極式變極距型傳感器的非線性應(yīng)采取的措施：減小極距的變化量使dd1，增加線性度。改用差動形式，提高了傳感器的非線性度。二、計算：1、鑒定2.5級（即滿度誤差為2.5%）的全量程為100V的電壓表，發(fā)

11、現(xiàn)50V刻度點的示值誤差2V為最大誤差，問該電壓表是否合格？解：Vn=XXn×100%a% =2100×100%2.5% 2%2.5% 合格。2、測量某電路電流共5次，測得數(shù)據(jù)（單位為mA）分別為168.41，168.54，168.59，168.40，168.50。試求算術(shù)平均值和標(biāo)準(zhǔn)差。解：X=X1+X2+Xnn=168.41+168.54+168.59+168.40+168.505=168.488V1=x1-x=168.41-168.488=-0.078V2=x2-x=168.54-168.488=0.052V3=x3-x=168.59-168.488=0.102V4=

12、x4-x=168.40-168.488=-0.088V5=x5-x=168.50-168.488=0.012=v12+v22+vn2n-1=(-0.078)2+(0.052)2+(0.102)2+(-0.088)2+(0.012)25-1=0.082223、測量某物質(zhì)中鐵的含量為：1.52、1.46、1.61、1.54、1.55、1.49、1.68、1.46、1.83、1.50、1.56（單位略），試用3準(zhǔn)則檢查測量值中是否有壞值。解：X=X1+X2+Xnn=1.52+1.46+1.61+1.54+1.55+1.49+1.68+1.46+1.83+1.5+1.5611=1.56V1=x1-x=

13、-0.04 V6=x6-x=-0.07 V11=x11-x=0V2=x2-x=-0.1 V7=x7-x=0.12 V3=x3-x=0.05 V8=x8-x=-0.1 V4=x4-x=-0.02 V9=x9-x=0.27 V5=x5-x=-0.01 V10=x10-x=-0.06 =v12+v22+vn2n-1=-0.042+-0.12+0.052+-0.022+-0.012+-0.072+0.122+-0.12+0.272+-0.062+0211-1=0.109733=0.32919 Vd<3 檢查測量值中沒有壞值。4、某線性位移測量儀，當(dāng)被測位移由4.5mm變到5.0mm時，位移測量儀

14、的輸出電壓由3.5V減至2.5V，求該儀器的靈敏度。解：該儀器的靈敏度為mV/mm5、某測溫系統(tǒng)由以下四個環(huán)節(jié)組成，各自的靈敏度如下： 鉑電阻溫度傳感器： 0.45/ 電橋： 0.02V/ 放大器： 100(放大倍數(shù)) 筆式記錄儀： 0.2cm/V求：(1)測溫系統(tǒng)的總靈敏度；(2)記錄儀筆尖位移4cm時，所對應(yīng)的溫度變化值。解：（1）測溫系統(tǒng)的總靈敏度為 cm/（2）記錄儀筆尖位移4cm時，所對應(yīng)的溫度變化值為6、有三臺測溫儀表，量程均為0800，精度等級分別為2.5級、2.0級和1.5級，現(xiàn)要測量500的溫度，要求相對誤差不超過2.5，選那臺儀表合理?解：2.5級時的最大絕對誤差值為20，

15、測量500時的相對誤差為4；2.0級時的最大絕對誤差值為16，測量500時的相對誤差為3.2；1.5級時的最大絕對誤差值為12，測量500時的相對誤差為2.4。因此，應(yīng)該選用1.5級的測溫儀器。7、等精度測量某電阻10次，得到的測量列如下： R1167.95 R2167.45 R3167.60 R4167.60 R5167.87 R6167.88 R7168.00 R8167.850 R9167.82 R10167.61(1) 求10次測量的算術(shù)平均值，測量的標(biāo)準(zhǔn)誤差和算術(shù)平均值的標(biāo)準(zhǔn)誤差s。解：(1)求10次測量的算術(shù)平均值，測量的標(biāo)準(zhǔn)誤差和算術(shù)平均值的標(biāo)準(zhǔn)誤差s。8、已知某一位移傳感器的測

16、量范圍為030mm，靜態(tài)測量時，輸入值與輸出值得關(guān)系如表1.1所示，試求該傳感器的線性度和靈敏度。輸入值（mm）151015202530輸出值（mV）1.503.516.028.5311.0413.4715.989、如圖所示為一直流應(yīng)變電橋。圖中U=4V，R1=R2=R3=R4=120，試求：（1）R1為金屬應(yīng)變片，其余為外接電阻。當(dāng)R1的增量為R1=1.2時，電橋輸出電壓U0為多少？（2）R1和R2都是應(yīng)變片，且批號相同，感受應(yīng)變的極性和大小都相同，其余為外接電阻，電橋輸出電壓U0為多少？（3）題（2）中，如果R2與R1感受應(yīng)變的極性相反，且R1=R2=1.2，電橋輸出電壓U0為多少？解：（

17、1）U0=UR1+R1R4-R2R3R1+R1+R2R3+R4=0.00995 （2）U0=UR1+R1R4-R2+R2R3R1+R1+R2+R2R3+R4=0 （3）U0=12UR1R1=0.0210、如圖所示為等強(qiáng)度梁測力系統(tǒng)，R1為電阻應(yīng)變片，應(yīng)變片靈敏系數(shù)K=2.05，未受應(yīng)變時，R1=120。當(dāng)試件受力F時，應(yīng)變片承受平均應(yīng)變=8×10-4，求：（1）應(yīng)變片電阻變化量R1和電阻相對變化量R1/R1。（2）將電阻應(yīng)變片R1置于單臂測量電橋，電橋電源電壓為直流3V，求電橋輸出電壓及電橋非線性誤差。（3）若要減小非線性誤差，應(yīng)采取何種措施？并分析其電橋輸出電壓及非線性誤差大小。解

18、：（1）R1R1=KR1=R1K=120×2.05×8×10-4=0.1968 R1R1=0.00164 （2）U0=UR4R+2R=3×0.19684×120+2×0.1968=0.001229V =-12K=-8.2×10-4（3）為了減小非線性誤差，應(yīng)采用差動電路或全橋電路。當(dāng)采用差動電路時，輸出電壓U0為原來的2倍，消除了非線性誤差；當(dāng)采用全橋電路時，輸出電壓U0為原來的4倍，非線性誤差得以消除。11、采用阻值為120靈敏度系數(shù)K=2.0的金屬電阻應(yīng)變片和阻值為120的固定電阻組成電橋，供橋電壓為4V，并假定負(fù)載電阻

19、無窮大。當(dāng)應(yīng)變片上的應(yīng)變分別為1和1 000時，試求單臂、雙臂和全橋工作時的輸出電壓，并比較三種情況下的靈敏度。解：單臂時，所以應(yīng)變?yōu)?時/V，應(yīng)變?yōu)?000時應(yīng)為/V；雙臂時，所以應(yīng)變?yōu)?時/V，應(yīng)變?yōu)?000時應(yīng)為/V；全橋時，所以應(yīng)變?yōu)?時/V，應(yīng)變?yōu)?000時應(yīng)為/V。從上面的計算可知：單臂時靈敏度最低，雙臂時為其兩倍，全橋時最高，為單臂的四倍。12、采用阻值R=120靈敏度系數(shù)K=2.0的金屬電阻應(yīng)變片與阻值R=120的固定電阻組成電橋，供橋電壓為10V。當(dāng)應(yīng)變片應(yīng)變?yōu)?000時，若要使輸出電壓大于10mV，則可采用何種工作方式（設(shè)輸出阻抗為無窮大）？解：由于不知是何種工作方式，可設(shè)

20、為n，故可得：mV得n要小于2，故應(yīng)采用全橋工作方式。13、如圖所示為一直流電橋，供電電源電動勢E=3V，R3=R4=100，R1和R2為同型號的電阻應(yīng)變片，其電阻均為50，靈敏度系數(shù)K=2.0。兩只應(yīng)變片分別粘貼于等強(qiáng)度梁同一截面的正反兩面。設(shè)等強(qiáng)度梁在受力后產(chǎn)生的應(yīng)變?yōu)? 000，試求此時電橋輸出端電壓U0。解：此電橋為輸出對稱電橋，故/mV14、有一平面直線位移差動傳感器特性其測量電路采用變壓器交流電橋，結(jié)構(gòu)組成如圖所示。電容傳感器起始時b1=b2=b=200mm，a1=a2=20mm極距d=2mm，極間介質(zhì)為空氣，測量電路u1=3sintV，且u=u0。試求當(dāng)動極板上輸入一位移量x=5

21、mm時,電橋輸出電壓u0。題3圖解：根據(jù)測量電路可得/mV15、如圖3-22所示正方形平板電容器,極板長度a=4cm,極板間距離=0.2mm.若用此變面積型傳感器測量位移x,試計算該傳感器的靈敏度并畫出傳感器的特性曲線.極板間介質(zhì)為空氣,。解：這是個變面積型電容傳感器，共有4個小電容并聯(lián)組成。 /pF (x的單位為米) /pF16、一壓電式傳感器的靈敏度K110pCMPa，連接靈敏度K2=0.008VpC的電荷放大器，所用的筆式記錄儀的靈敏度K3=25mmV，當(dāng)壓力變化p=8MPa時，記錄筆在記錄紙上的偏移為多少?解：記錄筆在記錄紙上的偏移為 S=10×0.008×25&#

22、215;8=16/mm17、某加速度計的校準(zhǔn)振動臺，它能作50Hz和1g的振動，今有壓電式加速度計出廠時標(biāo)出靈敏度K100mVg，由于測試要求需加長導(dǎo)線，因此要重新標(biāo)定加速度計靈敏度，假定所用的阻抗變換器放大倍數(shù)為1，電壓放大器放大倍數(shù)為100，標(biāo)定時晶體管毫伏表上指示為9.13V，試畫出標(biāo)定系統(tǒng)的框圖，并計算加速度計的電壓靈敏度。解：此加速度計的靈敏度為 mV/g標(biāo)定系統(tǒng)框圖如下：三、分析：1.試分析變面積式電容傳感器和變間隙式電容的靈敏度?為了提高傳感器的靈敏度可采取什么措施并應(yīng)注意什么問題?答：（1）對于變極距型電容傳感器，由式得： C=C-C0=C0dd-d則變極距型電容傳感器靜態(tài)靈敏

23、度為： kg=Cd=C0d11-dd因為d/d<1，上式可按泰勒級數(shù)展開得： kg=C0d1+dd+dd2+dd3+采取措施：為了提高靈敏度，應(yīng)減小d，或者采用差動結(jié)構(gòu)形式。注意問題：d過小不但影響兩極板間移動的平穩(wěn)性，而且容易使電容器擊穿。一般可在極板間放置云母片或塑料膜，以提高電容器耐擊穿性能。 （2）對于變面積型電容傳感器，忽略邊緣效應(yīng)，其靜態(tài)靈敏度為常數(shù)，即： kg=C0a=bd采取措施：增大極板寬度b、減小極板間距d可以提高靈敏度，而極板起始遮蓋長度a的大小與靈敏度無關(guān)?；蛘卟捎貌顒咏Y(jié)構(gòu)形式。注意問題：a不能太小，必須保證ad，否則因邊緣電場影響增大而影響傳感器的非線性。2.如

24、圖所示為一差動整流電路，試分析電路的工作原理。 題5答：這是簡單的電壓輸出型，動鐵芯移動時引起上下兩個全波整流電路輸出差動電壓，中間可調(diào)整零位，輸出電壓與鐵芯位移成正比。這種電路由二極管的非線性影響以及二極管正向飽和壓降和反向漏電流的不利影響較大。3試分析金屬導(dǎo)體產(chǎn)生接觸電動勢和溫差電動勢的原因。答：當(dāng)A和B兩種不同材料的導(dǎo)體接觸時，由于兩者內(nèi)部單位體積的自由電子數(shù)目不同(即電子密度不同)，因此，電子在兩個方向上擴(kuò)散的速率就不一樣。現(xiàn)假設(shè)導(dǎo)體A的自由電子密度大于導(dǎo)體B的自由電子密度，則導(dǎo)體A擴(kuò)散到導(dǎo)體B的電子數(shù)要比導(dǎo)體B擴(kuò)散到導(dǎo)體A的電子數(shù)大。所以導(dǎo)體A失去電子帶正電荷，導(dǎo)體B得到電子帶負(fù)電荷

25、，于是，在A、B兩導(dǎo)體的接觸界面上便形成一個由A到B的電場。該電場的方向與擴(kuò)散進(jìn)行的方向相反，它將引起反方向的電子轉(zhuǎn)移，阻礙擴(kuò)散作用的繼續(xù)進(jìn)行。當(dāng)擴(kuò)散作用與阻礙擴(kuò)散作用相等時，即自導(dǎo)體A擴(kuò)散到導(dǎo)體B的自由電子數(shù)與在電場作用下自導(dǎo)體B到導(dǎo)體A的自由電子數(shù)相等時，便處于一種動態(tài)平衡狀態(tài)。在這種狀態(tài)下，A與B兩導(dǎo)體的接觸處就產(chǎn)生了電位差，稱為接觸電動勢。對于導(dǎo)體A或B，將其兩端分別置于不同的溫度場t、t0中(t> t0)。在導(dǎo)體內(nèi)部，熱端的自由電子具有較大的動能，向冷端移動，從而使熱端失去電子帶正電荷，冷端得到電子帶負(fù)電荷。這樣，導(dǎo)體兩端便產(chǎn)生了一個由熱端指向冷端的靜電場。該電場阻止電子從熱端繼續(xù)跑到冷端并使電子反方向移動，最后也達(dá)到了動態(tài)平衡狀態(tài)。這樣，導(dǎo)體兩端便產(chǎn)生了電位差，我們將該電位差稱為溫差電動勢。4.試分析熱電偶回路的總熱電勢。BT0TAEABT,T0解：按順時針方向?qū)懗?個電勢方程為：EABT,T0=eABT-eAT,T0-eABT0+eBT,T0 =eABT-eABT0-eAT,T0-eBT,T0 =keT-T0lnNANB-T0TA-Bdt 若熱電極A和B為同一種材料時，NA=NB，A=B，則EABT,T0=0。若熱電偶兩端處于同一溫度下，即T=T0,T-T