傳感器課后題及答案

傳感器課后題及答案

第1章傳感器特性

1.什么是傳感器？（傳感器定義）

2.傳感器由哪幾個部分組成？分別起到什么作用？

3.傳感器特性在檢測系統(tǒng)中起到什么作用？

4.解釋下列名詞術(shù)語：

1）敏感元件;2）傳感器;3）信號調(diào)理器;4）變送器。

5.傳感器的性能參數(shù)反映了傳感器的什么關(guān)系？

靜態(tài)參數(shù)有哪些？各種參數(shù)代表什么意義？

動態(tài)參數(shù)有那些？應如何選擇？

6.某傳感器精度為2%FS,滿度值50mv,求出現(xiàn)的最大誤差。當傳感器使用在滿刻度值1/2和1/8時計算可能產(chǎn)生的百分誤

差，并說出結(jié)論。

7.一只傳感器作二階振蕩系統(tǒng)處理，固有頻率2=80（^2,阻尼比￡=0.14,

用它測量頻率為400的正弦外力，幅植比，相角各為多少？

￡=0.7時，，又為多少?

8.某二階傳感器固有頻率2=1OKHz,阻尼比￡=0.1若幅度誤差小于3%,

試求：決定此傳感器的工作頻率。

9.某位移傳感器，在輸入量變化5mm時，輸出電壓變化為300mV,求其靈敏度。

10.某測量系統(tǒng)由傳感器、放大器和記錄儀組成，各環(huán)節(jié)的靈敏度為：

S1=0.2mV/°C、S2=2.0V/mVsS3=5.0mm/V,求系統(tǒng)的總的靈敏度。

11.測得某檢測裝置的一組輸入輸出數(shù)據(jù)如下：

a）試用最小二乘法擬合直線，求其線性度和靈敏度；

b）用C語言編制程序在微機上實現(xiàn)。

12.某溫度傳感器為時間常數(shù)T=3s的一階系統(tǒng)，當傳感器受突變溫度作用后，試求傳感器指示出溫差的1/3和1/2所需的時

間。

13.某傳感器為一階系統(tǒng)，當受階躍函數(shù)作用時，在t=0時，輸出為10mV;t-8時，輸出為100mV;在t=5s時，輸出為50mV,試

求該傳感器的時間常數(shù)。

14.某一階壓力傳感器的時間常數(shù)為0.5s港階躍壓力從25MPa,試求二倍時間常數(shù)的壓力和2s后的壓力。

15.某壓力傳感器屬于二階系統(tǒng)，其固有頻率為1000Hz,阻尼比為臨界值的50%,當500Hz的簡諧壓力輸入后，試求其幅值誤

差和相位滯后。

16.已知某壓力傳感器的測定范圍為0-1OOOOPa,輸入特性表示為：

y=10（x-0.00007x2+2000）請問這種傳感器能使用嗎？

17.某CO2氣體傳感器在20。C,濃度范圍為0?100ppm時的輸入特性表示為

Rx=x+250（kQ）,用差動法回答以下問題（其中R1=10MQ,E=2V）:

⑴利用最簡單的電阻-電壓變換電路，繪出X,V0的關(guān)系圖。

⑵利用電橋進行電阻-電壓變換電路，繪出20。C時X,V0的關(guān)系圖。另外，當30。C時，Rx=x+500（kQ）,在同一張圖上再加

±x,V0的關(guān)系圖，然后進行比較。

⑶采用兩個差動法的傳感器電路繪出20。C,30oC時X,V0的關(guān)系，然后與（2）中的圖形進行比較。

18.設阻抗Rs為1kQ俄信號源與100V的動力線有50m的并行走線距離，靜電感應所產(chǎn)生的噪聲電壓為多少？分布電容設為

10pF/mo

第3章電感式傳感器

1.敘述變磁阻式傳感器的工作原理。

2.說明差動變壓器（螺線管式）傳感器的結(jié)構(gòu)形式與輸出特性。

3.什么是零點殘余電壓，有哪些方法可以進行殘余電壓補償？

4.用差動變壓器進行位移測量時采用那種電路形式可以直接由輸出電壓區(qū)別位移的大小和方向？

5.什么是電渦流效應？電渦流傳感器可以進行哪些非電量參數(shù)測量？

分別利用哪些物理量進行檢測，由哪個電參量轉(zhuǎn)換進行電量輸出的？

6,差動電感結(jié)構(gòu)有什么優(yōu)點，采用什么電路可有線形輸出？

7.電感式傳感器有哪些種類？它們的工作原理是什么？

8,試分析差動變壓器相敏檢測電路的工作原理。

9,分析電感傳感器出現(xiàn)非線性的原因，并說明如何改善？

10.圖所示一簡單電感式傳感器。尺寸已示于圖中。磁路取為中心磁路，不記漏磁，設鐵心及銜鐵的相對磁導率為104,空氣

的相對磁導率為1,真空的磁導率為4nx10-7H.m-1,試計算氣隙長度為零及為2mm時的電感量。圖中所注尺寸單位均為mm.

11.簡述電渦流效應及構(gòu)成電渦流傳感器的可能的應用場合。電感：

12.問振幅是5V,頻率是1000Hz的正弦波交流的有效值為多少？周期為多少？

13.在膜厚傳感器上，厚度I越大，線圈的自感系數(shù)是變大還是變??？

第4章電容式傳感器

1.電容傳感器有哪些類型？

2.敘述電容傳感器的工作原理，輸出特性。

3.為什么電感式和電容式傳感器的結(jié)構(gòu)多采用差動形式，差動結(jié)構(gòu)形式的特點是什么？

4.電容傳感器的測量電路有哪些？敘述二極管雙T型交流電橋工作原理。

5.說明P100圖5-17差動式電容壓力傳感器結(jié)構(gòu)和工作原理。

6.P90圖5-6,已知變面積型電容傳感器的兩極板間距離為d=10mm；￡=50"F/m;兩極板幾何尺寸一樣為30mm*20mm*5mm（長*

寬*厚）；在外力作用下動極板在原位置向外移動10mm（寬）;試求AC=?。

7,差動式電容測厚傳感器系統(tǒng)的工作原理？

8.如圖：電容傳感器的雙T電橋測量電路，已知

R1=R2=R=40K,RL=20K,

E=10V,f=1MHz,C1=10pF,C1=1Pfo

求UL的表達試，帶入?yún)?shù)求UL的值。

9.推導差動式電容傳感器的靈敏度，并與單極式電容傳感器相比較。

10.根據(jù)電容傳感器的工作原理說明它的分類，電容傳感器能夠測量哪些物理參量？

11.有一個直徑為2m、高5m的鐵桶，往桶內(nèi)連續(xù)注水，當注水數(shù)量達到桶容量的80%時就應當停止，試分析用應變片式或電

容式傳感器系統(tǒng)來解決該問題的途徑和方法。

12.總結(jié)電容式傳感器的優(yōu)缺點，主要應用場合以及使用中應注意的問題。

13.試推導圖F1-8所示變電介質(zhì)電容式位移傳感器的特性方程C=f（x）。設真空的介電系數(shù)為￡0,￡2>E1,以及極板寬度為W。

其他參數(shù)如圖F1-8所示。

14.在上題中，設6=d=1mm,極板為正方形（邊長50mm）。￡1=1,￡2=4試在x=0至I」50mm范圍內(nèi)，輸出磁位移傳感器的特性

曲線，并給以適當說明。

15.簡述電容式傳感器用差動脈沖調(diào)寬電路的工作原理及特點

第5章磁電式傳感器

1.為什么說磁電感應式傳感器是一種有源傳感器？

2.變磁阻式傳感器有哪幾種結(jié)構(gòu)形式？可以檢測哪些非電量？

3.磁電式傳感器是速度傳感器，它如何通過測量電路獲得相對應的位移和加速度信號？

4.什么是霍爾效應？霍爾電勢的大小與方向和哪些因素有關(guān)？影響霍爾電勢的因素有哪些？

5.集成霍爾器件有哪幾種類型？試畫出其輸出特性曲線。

6.有一測量轉(zhuǎn)速裝置，調(diào)制盤上有100對永久磁極，N、S極交替放置，調(diào)制盤由轉(zhuǎn)軸帶動旋轉(zhuǎn)，在磁極上方固定一個霍爾元

件，每通過一對磁極霍爾元件產(chǎn)生一個方脈沖送到計數(shù)器。假定t=5min采樣時間內(nèi)，計數(shù)器收到N=15萬個脈沖，求轉(zhuǎn)速n=?

轉(zhuǎn)/分。

7.磁敏元件有哪些？（磁敏電阻、磁敏二極管、磁敏晶體管）什么是磁阻效應？簡述磁敏二極管、晶體管工作原理。

8.磁敏電阻與磁敏晶體管有哪些不同？與霍爾元件在本質(zhì)上的區(qū)別是什么？

9.磁敏晶體管與普通晶體管的區(qū)別是什么？

10.試證明霍爾式位移傳感器的輸出與位移成正比。

11.磁電式傳感器與電感式傳感器有哪些不同？磁電式傳感器主要用于測量哪些物理參數(shù)？

12.霍爾元件能夠測量哪些物理參數(shù)？霍爾元件的不等位電勢的概念是什么？溫度補償?shù)姆椒ㄓ心膸追N？

13.簡述霍爾效應及構(gòu)成以及霍爾傳感器可能的應用場合。

14.發(fā)電機是利用導線在永久磁鐵的磁場中作旋轉(zhuǎn)運動而發(fā)電的。無論負載怎樣消耗這個電能，永久磁鐵不會變?nèi)?，這是什么

道理？

第6章壓電式傳感器

1.什么是正壓電效應？什么是逆壓電效應？壓電效應有哪些種類？壓電傳感器的結(jié)構(gòu)和應用特點是什么？能否用壓電傳感器測

量靜態(tài)壓力？

2.石英晶體X、Y、Z軸的名稱是什么？有哪些特征？

3.簡述壓電陶瓷特性，作為壓電元件比較他與石英晶體有哪些特點？

4.說明電壓放大器與電荷放大器的優(yōu)缺點，各自要解決什么問題？

5.用石英晶體加速度計及電荷放大器測量機器振動，已知，加速度計靈敏度為5pc/g;電荷放大器靈敏度為50mv/p,最大加速度

時輸出幅值2v,試求機器振動加速度。

6,超聲波傳感器利用壓電材料制成發(fā)射器和接收器，說明它們各利用哪種壓電效應？

7.電荷放大器所要解決的核心問題是什么？試推導其輸入輸出關(guān)系。

8.簡述電壓試加速傳感器的工作原理？

9.為什么壓電傳感器通常都用來測量動態(tài)或瞬態(tài)參量？

10.設計壓電式傳感器檢測電路的基本考慮點是什么？為什么？

11.畫出(111)晶面和＜110＞晶向。并計算(111)晶面內(nèi)，＜110＞晶向的縱向壓阻系數(shù)和橫向壓阻系數(shù)。

第7章光電式傳感器

1.什么是外光電效應？內(nèi)光電效應？光生伏特效應？光電導效應？

2.光電器件中的光照特性、光譜特性分別描述的是光電器件的什么性能？

3.試述光敏電阻、光敏晶體管、光電池的器件結(jié)構(gòu)和工作原理。

4.當光源波長為0.8—0.9ym時宜采用哪種材料的光敏元件進行測量？

5.敘述電荷耦合器件(CCD)的結(jié)構(gòu)和存儲電荷與轉(zhuǎn)移電荷的工作過程。

6.光電傳感器應用電路分析P144圖8—29；P145圖8—31。

7.光纖傳感器在位移測量中有哪些特點？反射光的光強弱對測量有哪些影響？

8.求光纖n1=1.46,n2=1.45的NA值；外部n0=1時，求最大入射角8=?。

9.功能型光纖傳感器與非功能型光纖傳感器有什么區(qū)別？各有哪些功能？

10.使用光電耦合器組成下面的邏輯運算電路：

A=B+C,A=BC

11.求光纖1/11=1.46112=1.45的值。如光纖外部介質(zhì)的n0=1,求最大入射角=?

12.光纖損耗是如何產(chǎn)生的？它對光纖傳感器有哪些影響？

13.光導纖維為什么能夠?qū)Ч猓抗鈱Юw維有哪些優(yōu)點？光纖式傳感器中光纖的主要優(yōu)點有哪些？

14.作為光波5Hm紅外線的傳感器材料有哪些？

15.作光電管的CdS材料和InSb晶體的性質(zhì)差異是什么？

16.在用光開關(guān)檢測物體的系統(tǒng)中，指出輸出電壓的時間波形。

17.在用光開關(guān)檢測物體的系統(tǒng)中，由受光器的受光次數(shù)，可計算通過輸送帶上物體的個數(shù)，那么，用輸送帶搬運兩種高度

的物體時，畫出能分別計算兩種高度的物體個數(shù)的系統(tǒng)組成圖。

18.由光電二極管二維陣列組成面型傳感器進行圖像檢測，對圖像的分辨率由光電二極管的個數(shù)決定，試說明理由。

第8章溫度傳感器

1.熱電偶冷端溫度對熱電偶的熱電勢有什么影響？為消除冷端溫度影響可采用哪些措施？半導體熱敏電阻的主要優(yōu)缺點是什

么？在電路中是怎樣克服的？

2.PN結(jié)為什么可以用來作為溫敏元件？

3.集成溫度傳感器的測溫原理，有何特點？

4.如果需要測量1000℃和20℃溫度時，分別宜采用哪種類型的溫度傳感器？

5,采用一只溫度傳感器能否實現(xiàn)絕對溫度、攝氏溫度、華氏溫度的測量？怎樣做？

6.熱電阻傳感器主要分為幾種類型？它們應用在什么不同場合？

7.什么叫熱電動勢、接觸電動勢和溫差電動勢？說明熱電偶測溫原理及其工作定律的應用。分析熱電偶測溫的誤差因素，并

說明減小誤差的方法。

8.試述熱電偶測溫的基本原理和基本定理。

9,試比較電阻溫度計與熱電偶溫度計的異同點。

10.試解釋負電阻溫度系數(shù)熱敏電阻的伏安特性并說明其用途。

11,有一串聯(lián)的熱敏電阻測溫電路，如圖所示。試設計其最佳線性工作特性，并計算其線性度，最后，用坐標紙每5。(2一點繪

出電路圖中u=f(t)的曲線。

12o粕線電阻在20。C時為10Q。求50。C時的電阻。

13,下圖1所示的箱測溫電阻元件，當溫度由0。C上升到100。C時，電阻變化率AR/R0為多少?下圖2所示的熱敏電阻

(R0=28kQ),其AR/RO為多少？

圖1圖2

14o上圖1所示的粕測溫電阻元件，在0~200。C范圍內(nèi)的電阻溫度系數(shù)為多少？

15.要測1000。C左右的高溫，用什么類型的熱電偶好？要測1500。C左右的高溫呢？

16.使用k型熱電偶，基準接點為0。C、測量接點為30。C和900。C時，溫差電動勢分別為1.203mV和37.326mV。當基準接

點為30。C,測溫接點為900。C時的溫差電動勢為多少？

17.0oC時粕金熱電阻的阻值為100Q。按下圖所示進行溫度測量。R1=100Q,R2=200Q,R3=300。時橋路達到平衡。此時溫

度為多少？假設粕金電阻的溫度系數(shù)為0.003851。C-1,電阻與溫度成線性關(guān)系，另外導線的電阻可忽略不計。

18.0oC時的電阻為100Q的粕金熱電阻。300oC時的阻值按下面兩種方法計算，其結(jié)果之差換算成溫度差是多少？

電阻用溫度的一次方程表示，RT=R0（1+At+B⑵式中B=0,A=0.003851oC-10（此時100。C時的電阻值為138.51Q）電

阻值與溫度為二次函數(shù)關(guān)系。用一次方程近似時，溫度誤差為多少？

19.某熱敏電阻0。C時電阻為30kQ,若用來測量100。C物體的溫度，其電阻為多少？設熱敏電阻的系數(shù)B為3450K。

20.和人體體溫（36。C）相同的黑體，其熱輻射的分光輻射輝度為最大時波長為多少？

第1章傳感器特性習題答案：

5.答：

靜特性是當輸入量為常數(shù)或變化極慢時，傳感器的輸入輸出特性，其主要指標有線性度、遲滯、重復性、分辨力、穩(wěn)定性、溫

度穩(wěn)定性、各種抗干擾穩(wěn)定性。傳感器的靜特性由靜特性曲線反映出來，靜特性曲線由實際測繪中獲得。人們根據(jù)傳感器的靜

特性來選擇合適的傳感器。

9.解：

AM-,?---------Q---

AA.M

￡7、-S.-0

10.W：

11.解：

-WET

F?7充A1r

帶入數(shù)據(jù)

豈4）.'忖，:,一我若?1.22

&yQ）廣"”.，■-3AL■2（X8

92

擬合直線靈敏度0.68,線性度±7%o

-

A.--也12專

樂--心J94

九.上空Ex】00%■土17%

u5

13.解:

此題與爐溫實驗的測試曲線類似：

JKZJ“gwx—

由》(5)。50mL=T-851

43

14.解：

(>(>)-52-50(1-/*)

T?02

*

15.解：

所求幅值誤差為1.109,相位滯后33042,

a(ja\?——3L----R|,*---------2------------

I——?2式—

L*.l%

|Glj西卜-f-----------------------\-------------------------------1109

?*"(△)'?MM￡)+|2XO

V?.o.1000

所求幅值誤差為1.109,相位滯后33042,

16.答：

dy/dx=1-0.00014x0微分值在x<7143Pa時為正，x>7143Pa時為負，故不能使用。

17.答：

(l)20oC時，0?100ppm對應得電阻變化為250?350kQ。V0在48.78?67.63mV之間變化。

(2)如果R2=10MQ,R3=250kQ,20oC時，VO在0?18.85mV之間變化。30。C時V0在46.46mV(Oppm)?

64.43mV(100ppm)之間變化。

(3)20oC時，V0為0?18.85mV,30oC時V0為0?17.79mV,如果零點不隨溫度變化，靈敏度約降低4.9%。但相對⑵得

情況來說有很大的改善。

18.答：

感應電壓=2nfCRSVN,以f=50/60Hz,RS=1kQ,VN=100代入，并保證單位一致，得：

感應電壓=2n*60*500*10-12*1000*100[V]=1.8*10-2V

第3章應變式傳感器概述習題答案

9.答:

(1).全橋電路如下圖所示

口昌口芻口昌口3

&&&&

(c)

%/R$R,

-CZ3C=>^C=3C=>

L9+U-OJ

⑵.圓桶截面積

/1=^,-r,)?597x1(r,

應變片1、2、3、4感受縱向應變；

M=￡=M=M=E

應變片5、6、7、8感受縱向應變；

A=n=G-

滿量程時：

P

△2^hAA,?LRf??k/R=K--R

fiA=AAc==kk=-必&=-03x0191=-00573

(3)

AV苧(1+川《

4Aa

]Ap

20x(1.03)----------4----------vr=1OnxKTF

敏感元件與彈性元件溫度誤差不同產(chǎn)生虛假誤差，可采用自補償和線路補償。

11.解：

4=?J尸=01

RMJ

△Jt?明凡?252Q

4=4=&?&R=1452Q

&■凡,凡-AR■948Q

12.解:

￡LR=kRt=----=1166.7

na

①是AR/R=2(Al/I)o因為電阻變化率是△R/R=0.001,所以△口(應變)=0.0005=5*10-4o②因△1/1=300*10-6,所

以，△R/R=2*300*10-6=6*10-4。

R=p（l/S沖,p（鏢）是（95—104）*10-8Q-m,p（銅）是1.72*10-8Q-m,

所以R住臬）/R（銅）=p住臬）/p（銅）=（95~104）/1.72=55.2?60.5。

15.答：假定輸入輸出端沒有電流流過，流過阻抗Z4和Z1的電流為i4,流過阻抗Z3和Z2的電流為i3,由基爾霍夫電壓定律得

以下關(guān)系式：

（Z4+Z1）i4=（Z3+Z2）i3=Vi（1）

i4Z4=i3Z3+Vi（2）

由（1）式得（3）

JZ.+Z、，

（4）

將（3）和⑷代入（2）求得V0為：

VO=i4Z4-i3Z3

z,___

z-+z,z,+z,

=0vi=vi

16.答：由等效力學模型得，當有位移輸入u（t）時，盛物器的相對位移x的運動方向為：

M0,*4PT-—1

（6）

因此，如果物體以振動頻率f（角頻率3=2nf）、振幅U0作正弦振動

u（t）=UOsinwt

則上述微分方程為：

*2加拿+尸。?e'Uc刖of■2市

（7）

其中

因此，（7）的特解，求得如下：

x（t）=X0sin（u）t+（p）（8）

XO,（p用人=3/p表示，則有

X.--二

間'

（9）

（10）

如果入《1,則由（9）得

(11)

即p2X0=32U0,3=2nf(12)17.答：方框圖如下：

紋Riat,r

第3章電感式傳感器答案

7.答：

①種類：自感式、渦流式、差動式、變壓式、壓磁式、感應同步器。

②原理：自感、互感、渦流、壓磁。

8.答：

相敏檢測電路原理是通過鑒別相位來辨別位移的方向，即差分變壓器輸出的調(diào)幅波經(jīng)相敏檢波后，便能輸出既反映位移大小，

又反映位移極性的測量信號。經(jīng)過相敏檢波電路，正位移輸出正電壓，負位移輸出負電壓，電壓值的大小表明位移的大小，電

壓的正負表明位移的方向。

9.答：

①原因是改變了空氣隙長度

②改善方法是讓初始空氣隙距離盡量小，同時靈敏度的非線性也將增加，最好使用差動式傳感器，其靈敏度增加非線性減少。

10.解：

3*4^1

H32K】＜/方

空氣氣隙為零時：

R+啟

空氣氣隙為2mm時：

11.答：

應用場合有低頻透射渦流測厚儀，探傷，描述轉(zhuǎn)軸運動軌跡軌跡儀。

12.答：有效值(p.73)==3.54Vo周期(p.71)=1/1000=10-3s=1mso

13.答：變大。

第5章電容式傳感器答案

9.答：

差動式電容傳感器的靈敏度比單極式提高一倍，而且非線性也大為減小。

10.答：

原理：

由物理學知，兩個平行金屬極板組成的電容器。如果不考慮其邊緣效應，其電容為C=ES/D式中￡為兩個極板間介質(zhì)的介電常

數(shù)，S為兩個極板對有效面積，D為兩個極板間的距離。由此式知，改變電容C的方法有三：

其一為改變介質(zhì)的介電常數(shù)；

其二為改變形成電容的有效面積；

其三為改變各極板間的距離；

而得到的電參數(shù)的輸出為電容值的增量這就組成了電容式傳感器。

類型：

變極距型電容傳感器、變面積型電容傳感器、變介電常數(shù)型電容傳感器。

電容傳感器的應用：

可用來測量直線位移、角位移、振動振幅。尤其適合測溫、高頻振動振幅、精密軸系回轉(zhuǎn)精度、加速度等機械量。還可用來測

量壓力、差壓力、液位、料面、糧食中的水分含量、非金屬材料的涂層、油膜厚度、測量電介質(zhì)的濕度、密度、厚度等。

11.答：

可選用差分式電容壓力傳感器，通過測量筒內(nèi)水的重力，來控制注水數(shù)量?；蛘哌x用應變片式液徑傳感器。

12.答：

①優(yōu)點：a溫度穩(wěn)定性好

b結(jié)構(gòu)簡單、適應性強

c動響應好

②缺點：a可以實現(xiàn)非接觸測量，具有平均效應

b輸出阻抗高、負載能力差

c寄生電容影響大

③輸出特性非線性：

電容傳感器作為頻響寬、應用廣、非接觸測量的一種傳感器，在位移、壓力、厚度、物位、濕度、振動、轉(zhuǎn)速、流量及成分分

析的測量等方面得到了廣泛的應用。

使用時要注意保