完整中科大自动化复试笔试传感器习题集.docx
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(完整)中科大自动化复试笔试传感器习题集
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4.热电偶所产生的热电势是两种导体的接触电势和单一导体的温差电势组成的,其表达式为Eab(T,To)=
.在热电偶温度补偿中补偿导线法(即冷端延长线法)是在连接导线和热电偶之间,接入延长线,它的作用是将热电偶的参考端移至离热源较远并且环境温度较稳定的地方,以减小冷端温度变化的影响.
6.变气隙式自感传感器,当街铁移动靠近铁芯时,铁芯上的线圈电感量(①增加②减小③不变)(2分)
7.仪表的精度等级是用仪表的(①相对误差②绝对误差③引用误差)来表示的(2分)
3、在变压器式传感器中,原方和副方互感M的大小与绕组匝数成正比,与穿过线圈的磁通_成正比,与磁回路中磁阻成反比,而单个空气隙磁阻的大小可用公式__表示。
3、分析应变片式传感器在使用单臂电桥测量电路时由于温度变化而产生测量误差的过程。
(10分)
答:
在外界温度变化的条件下,由于敏感栅温度系数
及栅丝与试件膨胀系数(
)之差异性而产生虚假应变输出有时会产生与真实应变同数量级的误差。
2.寄生电容与电容传感器相关联影响传感器的灵敏度,它的变化为虚假信号影响传感器的精度。
试阐述消除和减小寄生电容影响的几种方法和原理。
解:
电容式传感器内极板与其周围导体构成的“寄生电容"却较大,不仅降低了传感器的灵敏度,而且这些电容(如电缆电容)常常是随机变化的,将使仪器工作很不稳定,影响测量精度。
因此对电缆的选择、安装、接法都有要求。
若考虑电容传感器在高温、高湿及高频激励的条件下工作而不可忽视其附加损耗和电效应影响时,其等效电路如图4-8所示。
图中L包括引线电缆电感和电容式传感器本身的电感;C0为传感器本身的电容;Cp为引线电缆、所接测量电路及极板与外界所形成的总寄生电容,克服其影响,是提高电容传感器实用性能的关键之一;Rg为低频损耗并联电阻,它包含极板间漏电和介质损耗;Rs为高湿、高温、高频激励工作时的串联损耗电组,它包含导线、极板间和金属支座等损耗电阻。
此时电容传感器的等效灵敏度为
(4—28)
当电容式传感器的供电电源频率较高时,传感器的灵敏度由kg变为ke,ke与传感器的固有电感(包括电缆电感)有关,且随ω变化而变化。
在这种情况下,每当改变激励频率或者更换传输电缆时都必须对测量系统重新进行标定.
5、什么是传感器静态特性。
(4分)
答:
传感器的静态特性是指当输入量为常量或变化极慢时传感器输入-输出特性。
三、什么叫做热电动势、接触电动势和温差电动势?
说明势电偶测温原理及其工作定律的应用。
分析热电偶测温的误差因素,并说明减小误差的方法(10分)
答:
热电动势:
两种不同材料的导体(或半导体)A、B串接成一个闭合回路,并使两个结点处于不同的温度下,那么回路中就会存在热电势。
因而有电流产生相应的热电势称为温差电势或塞贝克电势,通称热电势。
接触电动势:
接触电势是由两种不同导体的自由电子,其密度不同而在接触处形成的热电势。
它的大小取决于两导体的性质及接触点的温度,而与导体的形状和尺寸无关。
温差电动势:
是在同一根导体中,由于两端温度不同而产生的一种电势.
热电偶测温原理:
热电偶的测温原理基于物理的“热电效应”.所谓热电效应,就是当不同材料的导体组成一个闭合回路时,若两个结点的温度不同,那么在回路中将会产生电动势的现象。
两点间的温差越大,产生的电动势就越大。
引入适当的测量电路测量电动势的大小,就可测得温度的大小。
热电偶三定律
a中间导体定律
热电偶测温时,若在回路中插入中间导体,只要中间导体两端的温度相同,则对热电偶回路总的热电势不产生影响。
在用热电偶测温时,连接导线及显示一起等均可看成中间导体。
b中间温度定律
任何两种均匀材料组成的热电偶,热端为T,冷端为
时的热电势等于该热电偶热端为T冷端为
时的热电势与同一热电偶热端为
冷端为
时热电势的代数和.
应用:
对热电偶冷端不为
时,可用中间温度定律加以修正。
热电偶的长度不够时,可根据中间温度定律选用适当的补偿线路。
c参考电极定律
如果A、B两种导体(热电极)分别与第三种导体C(参考电极)组成的热电偶在结点温度为(T,
)时分别为
,
,那么爱相同温度下,又A、B两热电极配对后的热电势为
实用价值:
可大大简化热电偶的选配工作。
在实际工作中,只要获得有关热电极与标准铂电极配对的热电势,那么由这两种热电极配对组成热电偶的热电势便可由上式求得,而不需逐个进行测定。
误差因素:
参考端温度受周围环境的影响
措施:
a
恒温法b计算修正法(冷端温度修正法)c仪表机械零点调整法
d热电偶补偿法e电桥补偿法f冷端延长线法
1、直流电桥和交流电桥有何区别?
直流电桥的平衡条件是什么?
应变片式电阻传感器、自感式、互感式、涡流式、电容式、热电阻式传感器分别可采用哪种电桥作为测量电路?
答:
根据电源不同分为直流和交流电桥。
直流电桥优点:
高稳定度直流电源容易获得,电桥平衡电路简单,传感器至测量仪表的连接导线分布参数影响小.但是后续要采用直流放大器,容易产生零点漂移,线路也较复杂。
交流电桥在这些方面都有改进。
直流电桥平衡条件:
R1/R2=R3/R4,R1R4=R2R3.
2、以自感式传感器为例说明差动式传感器可以提高灵敏度的原理。
解:
差动式灵敏度:
与单极式传感器灵敏度
比较
灵敏度提高一倍,非线性大大减少。
3、为什么要对应变片式电阻传感器进行温度补偿,分析说明该类型传感器温度误差补偿方法。
答:
①在外界温度变化的条件下,由于敏感栅温度系数
及栅丝与试件膨胀系数(
)之差异性而产生虚假应变输出有时会产生与真实应变同数量级的误差。
②方法:
自补偿法线路补偿法
2.电路中已知R1、R2、R3和E,试计算电桥的输出电压VAB。
(5分)
其中(R1=10KΩ,R2=5KΩ,R3=10KΩ,E=5伏)
答:
该热电阻测量温度电路由热敏电阻、测量电阻和显示电表组成。
图中G为指示电表,R1、R2、R3为固定电阻,Ra为零位调节电阻.热电阻都通过电阻分别为r2、r3、Rg的三个导线和电桥连接,r2和r3分别接在相邻的两臂,当温度变化时,只要它们的Rg分别接在指示电表和电源的回路中,其电阻变化也不会影响电桥的平衡状态,电桥在零位调整时,应使R4=Ra+Rt0为电阻在参考温度(如0°C)时的电阻值。
三线连接法的缺点之一是可调电阻的接触电阻和电桥臂的电阻相连,可能导致电桥的零点不稳。
3、应变片产生温度误差的原因及减小或补偿温度误差的方法是什么?
解:
电阻应变片产生温度误差的原因:
当测量现场环境温度变化时,由于敏感栅温度系数及栅丝与试件膨胀系数之差异性而给测量带来了附加误差。
电阻应变片的温度补偿方法:
通常有线路补偿法和应变片自补偿两大类。
1)电桥补偿是最常用的且效果较好的线路补偿法.电桥补偿法简单易行,而且能在较大的温度范围内补偿,但上面的四个条件不一满足,尤其是两个应变片很难处于同一温度场。
2)应变片的自补偿法是利用自身具有温度补偿作用的应变片.
5、如系题图1—1所示为等强度梁测力系统,
为电阻应变片,应变片灵敏度系数
,未受应变时
,当试件受力
时,应变片承受平均应变
求
(1)应变片电阻变化量
和电阻相对变化量
。
(2)将电阻应变片置于单臂测量电桥,电桥电源电压为直流3
,求电桥
输出电压是多少。
(b)
习题图1—1等强度梁测力系统解:
(1)
,
解:
(2)
设桥臂比
,分母中
可忽略,并考虑到平衡条件
,则上式可写为:
6、单臂电桥存在非线性误差,试说明解决方法.
解:
为了减小和克服非线性误差,常采用差动电桥在试件上安装两个工作应变片,一个受拉应变,一个受压应变,接入电桥相邻桥臂,称为半桥差动电路,由教材中的式(2-42)可知,Uo与ΔR1/R1呈线性关系,差动电桥无非线性误差,而且电桥电压灵敏度KV=E/2,比单臂工作时提高一倍,同时还具有温度补偿作用。
4.能否用压电传感器测量静态压力?
为什么?
解:
不可以,压电传感器本身的内阻抗很高,而输出能量较小,为了保证压电传感器的测量误差较小,它的测量电路通常需要接入一个高输入阻抗的前置放大器,所以不能用来测量静态压力.
简述CCD的工作原理.
解:
CCD的工作原理如下:
首先构成CCD的基本单元是MOS电容器,如果MOS电容器中的半导体是P型硅,当在金属电极上施加一个正电压时,在其电极下形成所谓耗尽层,由于电子在那里势能较低,形成了电子的势阱,成为蓄积电荷的场所。
CCD的最基本结构是一系列彼此非常靠近的MOS电容器,这些电容器用同一半导体衬底制成,衬底上面覆盖一层氧化层,并在其上制作许多金属电极,各电极按三相(也有二相和四相)配线方式连接。
CCD的基本功能是存储与转移信息电荷,为了实现信号电荷的转换:
必须使MOS电容阵列的排列足够紧密,以致相邻MOS电容的势阱相互沟通,即相互耦合;控制相邻MOC电容栅极电压高低来调节势阱深浅,使信号电荷由势阱浅的地方流向势阱深处;在CCD中电荷的转移必须按照确定的方向。
单臂电桥存在非线性误差,试说明解决方法。
解:
提高桥臂比:
提高了桥臂比,非线性误差可以减小,但从电压灵敏度
考虑,灵敏度将降低,这是一种矛盾,因此,采用这种方法的时候应该适当的提高供桥电压Ui。
采用差动电桥:
根据被测试件的受力情况,若使一个应变片受拉,另一个受压,则应变符号相反;测试时,将两个应变片接入电桥的相邻臂上,成为半桥差动电路,则电桥输出电压Uo为
(13—15)
若△R1=△R2,R1=R2,R3=R4,则有
(13—16)
由此可知,Uo和
R1/R1成线性关系,差动电桥无非线性误差。
而起电压灵敏度为
,比使用一只应变片提高了一倍,同时可以起到温度补偿的作用。
因为采用的是金属应变片测量,所以本设计采用全桥电路,能够有比较好的灵敏度并且不存在非线性误差。
一、填空题(每题3分)
1、传感器通常由直接响应于被测量的 敏感元件 、产生可用信号输出的转换元件、以及相应的信号调节转换电路组成。
2、金属材料的应变效应是指 金属材料在受到外力作用时,产生机械变形,导致其阻值发生变化的现象 叫金属材料的应变效应。
3、半导体材料的压阻效应是 半导体材料在受到应力作用后,其电阻率发生明显变化 ,这种现象称为压阻效应.
4、金属丝应变片和半导体应变片比较其相同点是 它们都是在外界力作用下产生机械变形 ,从而导致材料的电阻发生变化。
5、金属丝应变片和半导体应变片比较其不同点是 金属材料的应变效应以机械形变为主,材料的电阻率相对变化为辅;而半导体材料则正好相反,其应变效应以机械形变导致的电阻率的相对变化为主,而机械形变为辅。
6、金属应变片的灵敏度系数是指 金属应变片单位应变引起的应变片电阻的相对变化叫金属应变片的灵敏度系数.
7、固体受到作用力后电阻率要发生变化,这种现象称 压阻 效应。
8、应变式传感器是利用电阻应变片将 应变 转换为电阻变化的传感器。
9、应变式传感器是利用电阻应变片将应变转换为 电阻 变化的传感器。
10、应变式传感器是利用电阻应变片将应变转换为电阻变化的传感器,传感器由在弹性元件上粘贴 电阻敏感 元件构成,弹性元件用来感知应变,电阻敏感元件用来将应变的转换为电阻的变化。
11、应变式传感器是利用电阻应变片将应变转换为电阻变化的传感器,传感器由在弹性元件上粘贴电阻敏感元件构成,弹性元件用来 感知应变 ,电阻敏感元件用来将应变的转换为电阻的变化.
12、应变式传感器是利用电阻应变片将应变转换为电阻变化的传感器,传感器由在弹性元件上粘贴电阻敏感元件构成,弹性元件用来感知应变, 电阻敏感 元件用来将应变的转换为电阻的变化。
13、应变式传感器是利用电阻应变片将应变转换为电阻变化的传感器,传感器由在弹性元件上粘贴电阻敏感元件构成,弹性元件用来感知应变,电阻敏感元件用来将应变的转换为 电阻的变化 。
14、要把微小应变引起的微小电阻变化精确地测量出来,需采用特别设计的测量电路,通常采用 电桥 电路.
15、电容式传感器利用了将非电量的变化转换为 电容 的变化来实现对物理量的测量.
16、变极距型电容传感器做成差动结构后,灵敏度提高原来的 2 倍.
17、电容式传感器的优点主要有测量范围大、灵敏度高、动态响应时间短、机械损失小、
结构简单 、适应性强。
18、电容式传感器主要缺点有 寄生电容影响较大 、当电容式传感器用于变间隙原理进行测量时具有非线性输出特性。
19、电感式传感器是建立在 电磁感应 基础上的一种传感器。
20、电感式传感器可以把输入的物理量转换为 线圈的自感系数 或线圈的互感系数的变化,并通过测量电路进一步转换为电量的变化,进而实现对非电量的测量。
21、电感式传感器可以把输入的物理量转换为线圈的自感系数或 线圈的互感系数 的变化,并通过测量电路进一步转换为电量的变化,进而实现对非电量的测量。
22、电涡流传感器可用于 位移测量 、振幅测量、转速测量和无损探伤.
23、电涡流传感器可用于位移测量、 振幅测量 、转速测量和无损探伤.
24、电涡流传感器可用于位移测量、振幅测量、 转速测量 和无损探伤.
25、电涡流传感器可用于位移测量、振幅测量、转速测量和 无损探伤 。
26、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。
27、电感式传感器可以分为 自感式 、互感式、涡流式三大类。
28、压电式传感器可等效为一个电荷源和一个 电容 并联,也可等效为一个与电容相串联的电压源.
29、压电式传感器是一种典型的自发电型传感器(或发电型传感器),其以某些电介质的 压电效应 为基础,来实现非电量检测的目的.
30、某些电介质当沿一定方向对其施力而变形时内部产生极化现象,同时在它的表面产生符号相反的电荷,当外力去掉后又恢复不带电的状态,这种现象称为 极化 效应;在介质极化方向施加电场时电介质会产生形变,这种效应又称电致伸缩效应。
31、压电式电压放大器特点是把压电器件的高输出阻抗变换为传感器的低输出阻抗,并保持 输出电压与输入电压 成正比。
32、电荷放大器的特点是能把压电器件的高内阻的电荷源变换为传感器低内阻的电压源,以实现阻抗匹配,并使其 输出电压与输入电压 成正比,且其灵敏度不受电缆变化的影响.
33、热电动势来源于两个方面,一部分由两种导体的 接触电势 构成,另一部分是单一导体的温差电势。
34、补偿导线法常用作热电偶的冷端温度补偿,它的理论依据是 中间温度 定律.
35、常用的热电式传感元件有 热电偶 和热敏电阻。
36、热电偶是将温度变化转换为电势的测温元件,热电阻和热敏电阻是将温度转换为电阻变化的测温元件。
37、热电偶是将温度变化转换为 电势 的测温元件,热电阻和热敏电阻是将温度转换为电阻 变化的测温元件。
38、热电阻最常用的材料是 铂 和铜,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。
39、热电阻引线方式有三种,其中 三线制 适用于工业测量,一般精度要求场合;二线制适用于引线不长,精度要求较低的场合;四线制适用于实验室测量,精度要求高的场合.
40、霍尔效应是指 在垂直于电流方向加上磁场,由于载流子受洛仑兹力的作用,则在平行于电流和磁场的两端平面内分别出现正负电荷的堆积,从而使这两个端面出现电势差
的现象。
41、制作霍尔元件应采用的材料是 半导体材料 ,因为半导体材料能使截流子的迁移率与电阻率的乘积最大,而使两个端面出现电势差最大。
42、应该根据元件的 输入电阻 、输出电阻、灵敏度等合理地选择霍尔元件的尺寸.
43、按照工作原理的不同,可将光电式传感器分为 光电效应传感器、红外热释电传感器、固体图像传感器和光纤传感器.
44、按照测量光路组成,光电式传感器可以分为透射式、 反射 式、辐射式和开关式光电传感器.
45、光电传感器的理论基础是 光电效应 .
46、用石英晶体制作的压电式传感器中,晶面上产生的 电荷 与作用在晶面上的压强成正比,而与晶片 几何尺寸 和面积无关。
47、把被测非电量的变化转换成线圈互感变化的互感式传感器是根据变压器 的基本原理制成的,其次级绕组都用 同名端反向 形式连接,所以又叫差动变压器式传感器。
48.电阻应变片是将被测试件上的应变转换成电阻的传感元件.
49.影响金属导电材料应变灵敏系数K。
的主要因素是导电材料几何尺寸的变化。
50、传感器的基本特性通常指的是传感器的输入和输出之间的关系特性。
51、在传感器领域,应用比较广泛的基本电量传感器有电阻式传感器、电容式传感器、电感式传感器和电涡流式传感器.
52、物质的光电效应通常分为外光电效应、内光电效应和光生伏打效应三类。
53、压电式传感器的工作原理是以晶体的压电效应为理论依据。
54、电阻应变片的工作原理是基于金属的应变效应。
55、.传感器的动态特性包括瞬态响应特性和频率响应特性。
56、霍尔电势与半导体薄片的厚度成正比。
57、温度传感器主要用来检测物体的温度。
58、传感器是由 敏感元件 与转换元件组成的。
59、红外测温仪是利用热辐射体在红外波段的辐射通量来测量温度的。
60、霍尔传感器是利用 霍尔效应原理将被测物理量转化为电势的传感器。
61、压电传感器的工作原理是以晶体的压电效应为理论依据。
62、热电偶属于温度传感器,常用来测量物体的温度。
63、电磁波谱中紫光携带的能量比红光携带的能量要 大或多 .
64、光纤按其传输模式多少分为单模光纤和 多模 光纤.
65、湿敏元件除对环境湿度敏感外,对温度亦十分敏感。
66、热敏电阻按温度系数可分为 PTC(或正温度系数型) 、NTC或负温度系数型以及在某一温度下电阻值会发生突变的临界温度电阻器CTR的传感器。
67、霍尔传感器是利用霍尔效应原理将被测量转换为电势的传感器。
68、弹性滞后和弹性后效及蠕变是弹性敏感元件的两个基本特性。
四、简答题(4题,共18分)
301、试述传感器的定义、共性及组成。
答:
①传感器的定义:
能感受被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置;②传感器的共性:
利用物理定律和物质的物理、化学或生物特性,将非电量(如位移、速度、加速度、力等)转换为电量(电压、电流、电容、电阻等);③传感器的组成:
传感器主要由敏感元件和转换元件组成.
302、什么是传感器动态特性和静态特性?
简述在什么条件下只研究静态特性就能够满足通常的需要。
答:
传感器的动态特性是指传感器对动态激励(输入)的响应(输出)特性,即其输出对随时间变化的输入量的响应特性.
传感器的静态特性是指它在稳态(静态或准静态)信号作用下的输入-输出关系。
静态特性所描述的传感器的输入、输出关系式中不含有时间变量。
当输入量为常量或变化极慢时只研究静态特性就能够满足通常的需要。
304、什么叫应变效应?
利用应变效应解释金属电阻应变片的工作原理。
答:
材料的电阻变化是由尺寸变化引起的,称为应变效应。
应变式传感器的基本工作原理:
当被测物理量作用在弹性元件上,弹性元件在力、力矩或压力等作用下发生形变,变换成相应的应变或位移,然后传递给与之相连的应变片,将引起应变敏感元件的电阻值发生变化,通过转换电路变成电量输出。
输出的电量大小反映了被测物理量的大小。
306、在传感器测量电路中,直流电桥与交流电桥有什么不同,如何考虑应用场合?
用电阻应变片组成的半桥、全桥电路与单桥相比有哪些改善?
答:
直流电桥适合供电电源是直流电的场合,交流电桥适合供电电源是交流的场合。
半桥电路比单桥电路灵敏度提高一倍,全桥电路比单桥电路灵敏度提高4倍,且二者均无非线性误差。
311、根据电容式传感器工作原理,可将其分为几种类型?
每种类型各有什么特点?
各适用于什么场合?
答:
根据电容式传感器的工作原理,可将其分为3种:
变极板间距的变极距型、变极板覆盖面积的变面积型和变介质介电常数的变介质型。
变极板间距型电容式传感器的特点是电容量与极板间距成反比,适合测量位移量。
变极板覆盖面积型电容传感器的特点是电容量与面积改变量成正比,适合测量线位移和角位移。
变介质型电容传感器的特点是利用不同介质的介电常数各不相同,通过改变介质的介电常数实现对被测量的检测,并通过电容式传感器的电容量的变化反映出来。
适合于介质的介电常数发生改变的场合.
316、何谓电涡流效应?
怎样利用电涡流效应进行位移测量?
答:
:
电涡流效应指的是这样一种现象:
根据法拉第电磁感应定律,块状金属导体置于变化的磁场中或在磁场中作切割磁力线运动时,通过导体的磁通将发生变化,产生感应电动势,该电动势在导体内产生电流,并形成闭合曲线,状似水中的涡流,通常称为电涡流。
利用电涡流效应测量位移时,可使被测物的电阻率、磁导率、线圈与被测物的尺寸因子、线圈中激磁电流的频率保持不变,而只改变线圈与导体间的距离,这样测出的传感器线圈的阻抗变化,可以反应被测物位移的变化。
317、试比较自感式传感器与差动变压器式传感器的异同。
答:
(1)不同点:
1)自感式传感器把被测非电量的变化转换成自感系数的变化;
2)差动变压器式传感器把被测非电量的变化转换成互感系数的变化。
(2)相同点:
两者都属于电感式传感器,都可以分为气隙型、气隙截面型和螺管型。
323、什么是正压电效应?
什么是逆压电效应?
什么是纵向压电效应?
什么是横向压电效应?
答:
正压电效应就是对某些电介质沿一定方向施以外力使其变形时,其内部将产生极化现象而使其出现电荷集聚的现象。
当在片状压电材料的两个电极面上加上交流电压,那么压电片将产生机械振动,即压电片在电极方向上产生伸缩变形,压电材料的这种现象称为电致伸缩效应,也称为逆压电效应。
沿石英晶体的x轴(电轴)方向受力产生的压电效应称为”纵向压电效应”。
沿石英晶体的y轴(机械轴)方向受力产生的压电效应称为”横向压电效应"。
331、简述热电偶的几个重要定律,并分别说明其实用价值。
答:
1、中间导体定律;2、标准电极定律;3、连接导体定律与中间温度定律
实用价值:
略。
332、热电偶测温时,为什么要进行冷端温度补偿?
常用的补偿方法有哪些?
答
(1)因为热电偶的热电势只有当冷端的温度恒定时才是温度的单值函数,而热电偶的标定时是在冷端温度特定的温度下进行的,为了使热电势能反映所测量的真实温度,所以要进行冷端补偿.
(2)A:
补偿导线法B:
冷端温度计算校正法C:
冰浴法D:
补偿电桥法.
333、试说明如图所示的热电偶三线制测温时,是如何消除连接导线电阻r带来的测温误差的。
答:
当电桥平衡时,可写出下列关系式,即
由此可以得出
设计电桥时如满足R1
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