传感器期末试题说课讲解.docx

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传感器期末试题说课讲解

传感器期末试题整理

作者：

黄小胜

1什么是热电效应？

热电偶测温回路的热电动势由哪两部分组成？

由同一种导体组成的闭合回路能产生热电势吗？

答：

1）两种不同类型的金属导体两端分别接在一起构成闭合回路，当两个结点有温差时，导体回路里有电流流动会产生热电势，这种现象称为热电效应。

2）热电偶测温回路中热电势主要是由接触电势和温差电势两部分组成。

3）热电偶两个电极材料相同时，无论两端点温度如何变化无热电势产生。

2为什么热电偶的参比端在实际应用中很重要？

对参比端温度处理有哪些方法？

答：

1）实际测量时利用这一性质，可对参考端温度不为零度时的热电势进行修正。

2）因为热电偶的分度表均是以参考端T=0℃为标准的，而实际应用的热电偶参考端往往T≠0℃，一般高于零度的某个数值，此时可利用中间温度定律对检测的热电势值进行修正，以获得被测的真实温度。

3解释下列有关热电偶的名词：

热电效应、热电势、接触电势、温差电势、热电极、测量端、参比端、分度表。

答：

（略）

4某热电偶灵敏度为0.04mV/℃，把它放在温度为1200℃处的温度场，若指示表（冷端）处温度为50℃，试求热电势的大小？

解：

已知：

热电偶灵敏度为0.04mV/℃，把它放在温度为1200℃处的温度场，若指示表（冷端）处温度为50℃，则

中间温度为：

1200℃-50℃=1150℃；

热电势为：

0.04mV/℃×1150℃=46mV

或：

EAB（T,0）=EAB（T,1200）+EAB（50,0）=1200℃×0.04mV/℃-50℃×0.04mV/℃=46mV

5某热电偶的热电势在E（600,0）时，输出E=5.257mV，若冷端温度为0℃时，测某炉温输出热电势E=5.267mV。

试求该加热炉实际温度是多少？

解：

已知：

热电偶的热电势E（600.0，0）=5.257mV，冷端温度为0℃时，输出热电势E=5.267mV，

热电偶灵敏度为：

K=5.257mV/600=0.008762mV/℃

该加热炉实际温度是：

T=E/K=5.267mV/0.008762mV/0℃=601.14℃

7什么是超声波？

其频率范围是多少？

答：

1）超声波是人耳无法听到的声波。

人耳听见的声波称机械波，频率在16Hz～20kHz，一般说话的频率范围在100Hz～8kHz之间，低于20Hz频率的波称为次声波，高于20kHz频率的波称超声波，频率在300MHz～300GHz之间的波称为微波。

2）超声波频率范围在几十千赫兹到几十兆赫兹。

8超声波在通过两种介质界面时，将会发生什么现象？

答：

当超声波从一种介质入射到另一种介质时，在界面上会产生反射、折射和波形转换。

9什么是内光电效应？

什么是外光电效应？

说明其工作原理并指出相应的典型光电器件。

答：

当用光照射物体时，物体受到一连串具有能量的光子的轰击，于是物体材料中的电子吸收光子能量而发生相应的电效应（如电阻率变化、发射电子或产生电动势等）。

这种现象称为光电效应。

1）当光线照在物体上,使物体的电导率发生变化，或产生光生电动势的现象叫做内光电效应，内光电效应又分为光电导效应和光生伏特效应。

入射光强改变物质导电率的物理现象称光电导效应，典型的光电器件有光敏电阻；光照时物体中能产生一定方向电动势的现象叫光生伏特效应，光电池、光敏晶体管。

2）在光线作用下，物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象称为外光电效应，典型的光电器件有光电管、光电倍增管。

10普通光电器件有哪几种类型？

各有何特点？

利用光电导效应制成的光电器件有哪些？

用光生伏特效应制成的光电器件有哪些？

8.2答：

（略）

11普通光电器件都有哪些主要特性和参数？

答：

光照特性；光谱特性；伏安特性；温度特性；频率特性等

12什么是压电效应？

什么是正压电效应和逆压电效应？

答：

某些电介质在沿一定的方向受到外力的作用变形时，由于内部电极化现象同时在两个表面上产生符号相反的电荷，当外力去掉后，恢复到不带电的状态；

而当作用力方向改变时，电荷的极性随着改变。

晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比。

这种现象称为正压电效应。

如对晶体施加一定变电场，晶体本身将产生机械变形，外电场撤离，变形也随之消失，称为逆压电效应。

13石英晶体和压电陶瓷的压电效应有何不同之处？

为什么说PZT压电陶瓷是优能的压电元件？

比较几种常用压电材料的优缺点，说出各自适用于什么场合？

答：

1）石英晶体整个晶体是中性的，受外力作用而变形时没有体积变形压电效应，但它具有良好的厚度变形和长度变形压电效应。

压电陶瓷PZT是一种多晶铁电体，原始的压电陶瓷材料并不具有压电性，必须在一定温度下做极化处理后，留下了很强的剩余极化强度，才能使其呈现出压电特性。

2）比较石英晶体

、

，压电陶瓷的纵向压电常数

大的多，是它们的上百倍。

所以压电陶瓷制作的传感器灵敏度高。

常用的优能压电陶瓷是锆钛酸铅（PZT），它具有很高的介电常数，工作温度可达250℃。

、

3）（略）

14压电传感器能否用于静态测量？

试结合压电陶瓷加以说明。

7.3答：

1）由压电传感器的等效电路可见，要保证输出信号与输入作用力间的线性关系，只有在负载电阻较大，工作频率较高时，传感器电荷才能得以保存补充，需要测量电路具有无限大的输入阻抗。

但实际上这是不可能的，故压电传感器只能作动态测量，不宜作静态信号测量，只能在其上加交变力，电荷才能不断得到补充，并给测量电路一定的电流。

2）（略）

15电压放大器和电荷放大器本质上有何不同，电荷放大器和电压放大器各有何特点？

它们各自适用于什么情况？

7.5答：

（略）

16试述磁电感应式传感器的工作原理和结构形式。

6.1（略）

17什么是霍尔效应？

6.4答：

通电的导体（半导体）放在磁场中，电流与磁场垂直，在导体另外两侧会产生感应电动势，这种现象称霍尔效应。

18霍尔元件常用材料有哪些？

为什么不用金属做霍尔元件材料？

6.5答：

1）任何材料在一定条件下都能产生霍尔电势，但不是都可以制造霍尔元件。

只有半导体材料适于制作霍尔元件。

又因一般电子迁移率大于空穴的迁移率，所以霍尔元件多采用N型半导体制造。

2）金属材料电子浓度虽然很高，但电阻率很小很小，使霍尔电势

很小，因此不适于做霍尔元件材料。

19霍尔元件不等位电势产生的原因有哪些？

6.6答：

霍尔电势不为零的原因是，①霍尔引出电极安装不对称，不在同一等电位面上；②激励电极接触不良，③半导体材料不均匀造成电阻率

不均匀等原因。

20某一霍尔元件尺寸为

，

，沿

方向通以电流

，在垂直于

和

的方向加有均匀磁场

，灵敏度为

，试求输出霍尔电势及载流子浓度。

6.7解：

21试分析霍尔元件输出接有负载

时，利用恒压源和输人回路串联电阻

进行温度补偿的条件。

6.8（略）

22何谓电感式传感器？

电感式传感器分为哪几类？

各有何特点？

答：

电感式传感器是一种机-电转换装置，电感式传感器是利用线圈自感和互感的变化实现非电量电测的一种装置，传感器利用电磁感应定律将被测非电量转换为电感或互感的变化。

它可以用来测量位移、振动、压力、应变、流量、密度等参数。

电感式传感器种类：

自感式、涡流式、差动式、变压式、压磁式、感应同步器。

工作原理：

自感、互感、涡流、压磁。

23提高电感式传感器线性度有哪些有效的方法。

答：

电感传感器采用差动形式，转换电路采用相敏检波电路可有效改善线性度。

24说明产生差动电感式传感器零位残余电压的原因及减小此电压的有效措施。

5.4答：

差动变压器式传感器的铁芯处于中间位置时，在零点附近总有一个最小的输出电压

，将铁芯处于中间位置时，最小不为零的电压称为零点残余电压。

产生零点残余电压的主要原因是由于两个次级线圈绕组电气系数（互感M、电感L、内阻R）不完全相同，几何尺寸也不完全相同，工艺上很难保证完全一致。

为减小零点残余电压的影响，除工业上采取措施外，一般要用电路进行补偿：

①串联电阻；②并联电阻、电容，消除基波分量的相位差异，减小谐波分量；③加反馈支路，初、次级间加入反馈，减小谐波分量；④相敏检波电路对零点残余误差有很好的抑制作用。

25为什么螺线管式电传感器比变间隙式电传感器有更大的测位移范围？

5.5答：

螺线管式差动变压器传感器利用互感原理，结构是：

塑料骨架中间绕一个初级线圈，两次级线圈分别在初级线圈两边，铁心在骨架中间可上下移动，根据传感器尺寸大小它可测量1~100mm范围内的机械位移。

变间隙式电感传感器是利用自感原理，衔铁的与铁芯之间位移（气隙）与磁阻的关系为非线性关系，可动线性范围很小，因此测量范围受到限制。

26电感式传感器测量电路的主要任务是什么？

变压器式电桥和带相敏整流的交流电桥在电感式传感器测量电路中各可以发挥什么作用？

采用哪种电路可以获得理想输出。

5.6（略）

27概述变间隙式差动变压器的结构、工作原理和输出特性，试比较单线圈和差动螺线管式电传感器的基本特性，说明它们的性能指标有何异同？

5.7（略）

28差动变压器式传感器的测量电路有几种类型？

试述差动整流电路的组成和基本原理。

为什么这类电路可以消除零点残余电压？

5.8反串电路和桥路两种。

29概述差动变压器式传感器的应用范围，并说明用差动变压器式传感器检测振动的基本原理。

5.9（略）

30什么叫电涡流效应？

说明电涡流式传感器的基本结构与工作原理。

电涡流式传感器的基本特性有哪些？

它是基于何种模型得到的？

5.10答：

1）块状金属导体置于变化的磁场中或在磁场中作用切割磁力线运动时，导体内部会产生一圈圈闭和的电流，这种电流叫电涡流，这种现象叫做电涡流效应。

2）形成涡流必须具备两个条件：

第一存在交变磁场；第二导电体处于交变磁场中。

电涡流式传感器通电后线圈周围产生交变磁场，金属导体置于线圈附近。

当金属导体靠近交变磁场中时，导体内部就会产生涡流，这个涡流同样产生交变磁场。

由于磁场的反作用使线圈的等效电感和等效阻抗发生变化，使流过线圈的电流大小、相位都发生变化。

通过检测与阻抗有关的参数进行非电量检测。

3）因为金属存在趋肤效应，电涡流只存在于金属导体的表面薄层内，实际上涡流的分布是不均匀的。

涡流区内各处的涡流密度不同，存在径向分布和轴向分布。

所以电涡流传感器的检测范围与传感器的尺寸（线圈直径）有关。

4）回路方程的建立是把金属上涡流所在范围近似看成一个单匝短路线圈作为等效模型。

31电涡流式传感器可以进行哪些物理量的检测？

能否可以测量非金属物体，为什么？

5.11答：

1）凡是能引起

变化的物理量，均可以引起传感器线圈

的变化，可以进行非电量检测；如被测体（金属）的电阻率

，导磁率

，厚度

，线圈与被测体之间的距离

，激励线圈的角频率

等都可通过涡流效应和磁效应与线圈阻抗

发生关系，使

变化；若控制某些参数不变，只改变其中一个参数，便可使阻抗

成为这个参数的单值函数。

2）电涡流传感器不可以直接测量非金属物体，这是由于传感器本身特性决定的。

32如何改善单极式变极距型电容传感器的非线性？

答：

非线性随相对位移

的增加而增加，为保证线性度应限制相对位移的大小；起始极距

与灵敏度、线性度相矛盾，所以变极距式电容传感器只适合小位移测量；为提高传感器的灵敏度和改善非线性关系，变极距式电容传感器一般采用差动结构。

33差动式变极距型电容传感器，若初始容量

，初始距离

，当动极板相对于定极板位移了

时，试计算其非线性误差。

若改为单极平板电容，初始值不变，其非线性误差有多大？

解：

若初始容量

，初始距离

，当差动式变极距型电容传感器动极板相对于定极板位移了

时，非线性误差为：

改为单极平板电容，初始值不变，其非线性误差为：

34电容式传感器有哪几类测量电路？

各有什么特点？

差动脉冲宽度调制电路用于电容传感器测量电路具有什么特点？

答：

变压器电桥、双T二极管交流电桥、差动脉冲宽度调制、、运算放大器、调频

35何为电阻应变效应？

答：

导体在受到拉力或压力的外界力作用时，会产生机械变形，同时机械变形会引起导体阻值的变化，这种导体材料因变形而使其电阻值发生变化的现象称为电阻应变效应。

36什么是应变片的灵敏系数？

它与金属电阻丝的灵敏系数有何不同？

为什么？

答：

金属丝灵敏系数

主要由材料的几何尺寸决定的。

受力后材料的几何尺寸变化为

，电阻率的变化为

。

而实际应变片的灵敏系数应包括基片、粘合剂以及敏感栅的横向效应。

虽然长度相同，但应变状态不同，金属丝做成成品的应变片（粘贴到试件上）以后，灵敏系数降低了。

37为什么增加应变片两端电阻条的横截面积便能减小横向效应？

答：

敏感栅越窄，基长越长的应变片，横向效应越小，因为结构上两端电阻条的横截面积大的应变片横向效应较小。

38一应变片的电阻R=120Ω，灵敏系数k=2.05，用作应变为

的传感元件。

求：

①

和

；②若电源电压U=3V，初始平衡时电桥的输出电压U0。

一应变片的电阻R=120Ω，灵敏系数k=2.05，用作应变为

的传感元件。

求：

①

和

；②若电源电压U=3V，初始平衡时电桥的输出电压U0。

解：

39图3-31为一直流电桥，负载电阻RL趋于无穷。

图中E=4V，R1=R2=R3=R4=120Ω，试求：

①R1为金属应变片，其余为外接电阻，当R1的增量为ΔR1=1.2Ω时，电桥输出电压U0=?

②R1、R2为金属应变片，感应应变大小变化相同，其余为外接电阻，电桥输出电压U0=?

③R1、R2为金属应变片，如果感应应变大小相反，且ΔR1=ΔR2=1.2Ω，电桥输出电压U0=?

解:

①

②

③

40传感器的静态特性是什么？

由哪些性能指标描述？

它们一般可用哪些公式表示？

答：

静态特性是当输入量为常数或变化极慢时，传感器的输入输出特性，其主要指标有线性度、迟滞、重复性、分辨力、稳定性、温度稳定性、各种抗干扰稳定性。

传感器的静特性由静特性曲线反映出来，静特性曲线由实际测绘中获得。

人们根据传感器的静特性来选择合适的传感器。

41传感器的线性度是如何确定的？

确定拟合直线有哪些方法？

传感器的线性度

表征了什么含义？

为什么不能笼统的说传感器的线性度是多少。

2.2答：

1）实际传感器有非线性存在，线性度是将近似后的拟合直线与实际曲线进行比较，其中存在偏差，这个最大偏差称为传感器的非线性误差，即线性度。

2）选取拟合的方法很多，主要有：

理论线性度（理论拟合）；端基线性度（端点连线拟合）；独立线性度（端点平移拟合）；最小二乘法线性度。

3）线性度

是表征实际特性与拟合直线不吻合的参数。

4）传感器的非线性误差是以一条理想直线作基准，即使是同一传感器基准不同时得出的线性度也不同，所以不能笼统地提出线性度,当提出线性度的非线性误差时，必须说明所依据的基准直线。

42传感器动态特性的主要技术指标有哪些？

它们的意义是什么？

2.3答：

1）传感器动态特性主要有：

时间常数τ；固有频率

；阻尼系数

。

2）含义：

τ越小系统需要达到稳定的时间越少；固有频率

越高响应曲线上升越快；当

为常数时响应特性取决于阻尼比

，阻尼系数

越大，过冲现象减弱，

时无过冲，不存在振荡，阻尼比直接影响过冲量和振荡次数。

43什么是传感器？

按照国标定义，“传感器”应该如何说明含义？

答：

我们对传感器定义是：

一种能把特定的信息（物理、化学、生物）按一定规律转换成某种可用信号输出的器件和装置。

从狭义角度对传感器定义是：

能把外界非电信息转换成电信号输出的器件。

“能够感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件和装置”。

定义表明传感器有这样三层含义：

它是由敏感元件和转换元件构成的一种检测装置；能按一定规律将被测量转换成电信号输出；传感器的输出与输入之间存在确定的关系。

按使用的场合不同传感器又称为变换器、换能器、探测器。

44传感器由哪几部分组成？

答：

组成——由敏感元件、转换元件、基本电路组成；