《传感器与检测技术》复习题库简答计算.docx
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《传感器与检测技术》复习题库简答计算
1.金属电阻应变片与半导体材料的电阻应变效应有什么不同?
答:
金属电阻的应变效应主要是由于其几何形状的变化而产生的,半导体材料的应变效应则主要取决于材料的电阻率随应变所引起的变化产生的。
2.直流测量电桥和交流测量电桥有什么区别?
答:
它们的区别主要是直流电桥用直流电源,只适用于直流元件,交流电桥用交流电源,适用于所有电路元件。
3.热电阻测量时采用何种测量电路?
为什么要采用这种测量电路?
说明这种电路的工作原理。
答:
通常采用电桥电路作为测量电路。
为了克服环境温度的影响常采用下图所示的三导线四分之一电桥电路。
由于采用这种电路,热电阻的两根引线的电阻值被分配在两个相邻的桥臂中,如果
,则由于环境温度变化引起的引线电阻值变化造成的误差被相互抵消。
热电阻的测量电路
4.采用阻值为120Ω灵敏度系数K=2.0的金属电阻应变片和阻值为120Ω的固定电阻组成电桥,供桥电压为4V,并假定负载电阻无穷大。
当应变片上的应变分别为1和1000时,试求单臂、双臂和全桥工作时的输出电压,并比较三种情况下的灵敏度。
解:
单臂时
,所以应变为1时
/V,应变为1000时应为
/V;双臂时
,所以应变为1时
/V,应变为1000时应为
/V;全桥时
,所以应变为1时
/V,应变为1000时应为
/V。
从上面的计算可知:
单臂时灵敏度最低,双臂时为其两倍,全桥时最高,为单臂的四倍。
5.采用阻值R=120Ω灵敏度系数K=2.0的金属电阻应变片与阻值R=120Ω的固定电阻组成电桥,供桥电压为10V。
当应变片应变为1000时,若要使输出电压大于10mV,则可采用何种工作方式(设输出阻抗为无穷大)?
解:
由于不知是何种工作方式,可设为n,故可得:
mV
得n要小于2,故应采用全桥工作方式。
6.如图所示为一直流电桥,供电电源电动势E=3V,R3=R4=100Ω,R1和R2为同型号的电阻应变片,其电阻均为50Ω,灵敏度系数K=2.0。
两只应变片分别粘贴于等强度梁同一截面的正反两面。
设等强度梁在受力后产生的应变为5000,试求此时电桥输出端电压U0。
题6图
解:
此电桥为输出对称电桥,故
/mV
7、试分析电压输出型直流电桥的输入与输出关系。
答:
如图所示,电桥各臂的电阻分别为R1、R2、R3、R4。
U为电桥的直流电源电压。
当四臂电阻R1=R2=R3=R4=R时,称为等臂电桥;当R1=R2=R,R3=R4=R’(R≠R’)时,称为输出对称电桥;当R1=R4=R,R2=R3=R’(R≠R’)时,称为电源对称电桥。
直流电桥电路
当电桥输出端接有放大器时,由于放大器的输入阻抗很高,所以可以认为电桥的负载电阻为无穷大,这时电桥以电压的形式输出。
输出电压即为电桥输出端的开路电压,其表达式为
(1)
设电桥为单臂工作状态,即R1为应变片,其余桥臂均为固定电阻。
当R1感受被测量产生电阻增量ΔR1时,由初始平衡条件R1R3=R2R4得
,代入式
(1),则电桥由于ΔR1产生不平衡引起的输出电压为
(2)
对于输出对称电桥,此时R1=R2=R,R3=R4=R’,当R1臂的电阻产生变化ΔR1=ΔR,根据
(2)可得到输出电压为
(3)
对于电源对称电桥,R1=R4=R,R2=R3=R’。
当R1臂产生电阻增量ΔR1=ΔR时,由式
(2)得
(4)
对于等臂电桥R1=R2=R3=R4=R,当R1的电阻增量ΔR1=ΔR时,由式
(2)可得输出电压为
(5)
由上面三种结果可以看出,当桥臂应变片的电阻发生变化时,电桥的输出电压也随着变化。
当ΔR< 还可以看出在桥臂电阻产生相同变化的情况下,等臂电桥以及输出对称电桥的输出电压要比电源对称电桥的输出电压大,即它们的灵敏度要高。 因此在使用中多采用等臂电桥或输出对称电桥。 在实际使用中为了进一步提高灵敏度,常采用等臂电桥,四个被测信号接成两个差动对称的全桥工作形式,R1=R+ΔR,R2=R-ΔR,R3=R+ΔR,R4=R-ΔR,将上述条件代入式 (1)得 (6) 由式(6)看出,由于充分利用了双差动作用,它的输出电压为单臂工作时的4倍,所以大大提高了测量的灵敏度。 8.光敏电阻有哪些重要特性,在工业应用中是如何发挥这些特性的? 答: 光敏电阻是采用半导体材料制作,利用内光电效应工作的光电元件。 它的重要特性是在无光照时阻值非常大,相当于断路,有光照时阻值变得很小,相当于通路。 在工业应用中主要就是通过光的变化来各种电路的控制。 第三章 1.影响差动变压器输出线性度和灵敏度的主要因素是什么? 答: 影响差动变压器输出线性度和灵敏度的主要因素是: 传感器几何尺寸、线圈电气参数的对称性、磁性材料的残余应力、测量电路零点残余电动势等。 3.试说明图4.12所示的差动相敏检波电路的工作原理。 答: 如图所示,设差动电感传感器的线圈阻抗分别为Z1和Z2。 当衔铁处于中间位置时,Z1=Z2=Z,电桥处于平衡状态,C点电位等于D点地位,电表指示为零。 当衔铁上移,上部线圈阻抗增大,Z1=Z+△Z,则下部线圈阻抗减少,Z2=Z-△Z。 如果输入交流电压为正半周,则A点电位为正,B点电位为负,二极管V1、V4导通,V2、V3截止。 在A-E-C-B支路中,C点电位由于Z1增大而比平衡时的C点电位降低;而在A-F-D-B支中中,D点电位由于Z2的降低而比平衡时D点的电位增高,所以D点电位高于C点电位,直流电压表正向偏转。 如果输入交流电压为负半周,A点电位为负,B点电位为正,二极管V2、V3导通,V1、V4截止,则在A-F-C-B支中中,C点电位由于Z2减少而比平衡时降低(平衡时,输入电压若为负半周,即B点电位为正,A点电位为负,C点相对于B点为负电位,Z2减少时,C点电位更负);而在A-E-D-B支路中,D点电位由于Z1的增加而比平衡时的电位增高,所以仍然是D点电位高于C点电位,电压表正向偏转。 同样可以得出结果: 当衔铁下移时,电压表总是反向偏转,输出为负。 4.如图所示的差动电感式传感器的桥式测量电路,L1、L2为传感器的两差动电感线圈的电感,其初始值均为L0。 R1、R2为标准电阻,u为电源电压。 试写出输出电压u0与传感器电感变化量△L间的关系。 解: 输出与输入的关系是 若电感增量无穷小,且两个电阻均为R,则: 题4图题5图 5.如图所示为一差动整流电路,试分析电路的工作原理。 答: 这是简单的电压输出型,动铁芯移动时引起上下两个全波整流电路输出差动电压,中间可调整零位,输出电压与铁芯位移成正比。 这种电路由二极管的非线性影响以及二极管正向饱和压降和反向漏电流的不利影响较大。 第四章 1.试分析变面积式电容传感器和变间隙式电容的灵敏度? 为了提高传感器的灵敏度可采取什么措施并应注意什么问题? 答: 如图所示是一直线位移型电容式传感器的示意图。 当动极板移动△x后,覆盖面积就发生变化,电容量也随之改变,其值为 C=εb(a-△x)/d=C0-εb·△x/d (1) 电容因位移而产生的变化量为 其灵敏度为 可见增加b或减小d均可提高传感器的灵敏度。 直线位移型电容式传感器 2.为什么说变间隙型电容传感器特性是非线性的? 采取什么措施可改善其非线性特征? 答: 下图为变间隙式电容传感器的原理图。 图中1为固定极板,2为与被测对象相连的活动极板。 当活动极板因被测参数的改变而引起移动时,两极板间的距离d发生变化,从而改变了两极板之间的电容量C。 设极板面积为A,其静态电容量为 ,当活动极板移动x后,其电容量为 (1) 当x< 则 (2) 由式 (1)可以看出电容量C与x不是线性关系,只有当x< 同时还可以看出,要提高灵敏度,应减小起始间隙d过小时。 但当d过小时,又容易引起击穿,同时加工精度要求也高了。 为此,一般是在极板间放置云母、塑料膜等介电常数高的物质来改善这种情况。 在实际应用中,为了提高灵敏度,减小非线性,可采用差动式结构。 3.有一平面直线位移差动传感器特性其测量电路采用变压器交流电桥,结构组成如图所示。 电容传感器起始时b1=b2=b=200mm,a1=a2=20mm极距d=2mm,极间介质为空气,测量电路u1=3sinωtV,且u=u0。 试求当动极板上输入一位移量△x=5mm时,电桥输出电压u0。 题3图 解: 根据测量电路可得 /mV 4.变间隙电容传感器的测量电路为运算放大器电路,如图所示。 C0=200pF,传感器的起始电容量Cx0=20pF,定动极板距离d0=1.5mm,运算放大器为理想放大器(即K→∞,Zi→∞),Rf极大,输入电压u1=5sinωtV。 求当电容传感动极板上输入一位移量△x=0.15mm使d0减小时,电路输出电压u0为多少? 解: 由测量电路可得 /V 5.如图3-22所示正方形平板电容器,极板长度a=4cm,极板间距离δ=0.2mm.若用此变面积型传感器测量位移x,试计算该传感器的灵敏度并画出传感器的特性曲线.极板间介质为空气, 。 解: 这是个变面积型电容传感器,共有4个小电容并联组成。 /pF (x的单位为米) /pF 第五章 1.什么是霍尔效应? 答: 在置于磁场的导体或半导体中通入电流,若电流与磁场垂直,则在与磁场和电流都垂直的方向上会出现一个电势差,这种现象就是霍尔效应,是由科学家爱德文·霍尔在1879年发现的。 产生的电势差称为霍尔电压。 2.为什么导体材料和绝缘体材料均不宜做成霍尔元件? 答: 因为导体材料的μ虽然很大,但ρ很小,故不宜做成元件,而绝缘材料的ρ虽然很大,但μ很小,故也不宜做成元件。 3.为什么霍尔元件一般采用N型半导体材料? 答: 因为在N型半导体材料中,电子的迁移率比空穴的大,且μn>μp,所以霍尔元件一般采用N型半导体材料。 4.霍尔灵敏度与霍尔元件厚度之间有什么关系? 答: 霍尔灵敏度与霍尔元件厚度成反比, 。 5.什么是霍尔元件的温度特性? 如何进行补偿? 答: 霍尔元件的温度特性是指元件的内阻及输出与温度之间的关系。 与一般半导体一样,由于电阻率、迁移率以及载流子浓度随温度变化,所以霍尔元件的内阻、输出电压等参数也将随温度而变化。 霍尔元件温度补偿的方法主要有利用输入回路的串联电阻进行补偿和利用输出回路的负载进行补偿两种。 (1)利用输入回路的串联电阻进行补偿。 下图是输入补偿的基本线路,图中的四端元件是霍尔元件的符号。 两个输入端串联补偿电阻R并接恒电源,输出端开路。 根据温度特性,元件霍尔系数和输入内阻与温度之间的关系式为 RHt=RH0(1+αt)Rit=Ri0(1+βt) 式中,RHt为温度为t时霍尔系数;RH0为0℃时的霍尔系数;Rit为温度为t时的输入电阻;Ri0为0℃时的输入电阻;α为霍尔电压的温度系数,β为输入电阻的温度系数。 当温度变化Δt时,其增量为: ΔRH=RH0αΔtΔRi=Ri0βΔt 根据 及I=E/(R+Ri),可得出霍尔电压随温度变化的关系式为 对上式求温度的导数,可得增量表达式 (1) 要使温度变化时霍尔电压不变,必须使 即 (2) 式 (1)中的第一项表示因温度升高霍尔系数引起霍尔电压的增量,第二项表示输入电阻因温度升高引起霍尔电压减小的量。 很明显,只有当第一项时,才能用串联电阻的方法减小第二项,实现自补偿。 将元件的α、β值代入式 (2),根据Ri0的值就可确定串联电阻R的值。 (2)利用输出回路的负载进行补偿。 上图为补偿原理电路图,霍尔元件的输入采用恒流源,使控制电流I稳定不变。 这样,可以不考虑输入回路的温度影响。 输出回路的输出电阻及霍尔电压与温度之间的关系为UHt=UH0(1+αt)Rvt=Rv0(1+βt) 式中,UHt为温度为t时的霍尔电压;UH0为0时的霍尔电压;Rvt为温度为t时的输出电阻;Rv0为0时的输出电阻。 负载RL上的电压UL为 UL=[UH0(1+αt)]RL/[Rv0(1+βt)+RL](3) 为使UL不随温度变化,可对式(3)求导数并使其等于零,可得 RL/Rv0≈β/α.1≈β/α(4) 最后,将实际使用的霍尔元件的α、β值代入,便可得出温度补偿时的RL值。 当RL=Rv0时,补偿最好。 6.集成霍尔传感器有什么特点? 答: 集成霍尔传感器的特点主要是取消了传感器和测量电路之间的界限,实现了材料、元件、电路三位一体。 集成霍尔传感器与分立相比,由于减少了焊点,因此显著地提高了可靠性。 此外,它具有体积小、重量轻、功耗低等优点。 7.写出你认为可以用霍尔传感器来检测的物理量。 答: 可以用霍尔传感器来检测的物理量有力、力矩、压力、应力、位置、位移、速度、加速度、角度、转速、磁场量等等。 第六章 1.为什么说压电式传感器只适用于动态测量而不能用于静态测量? 答: 因为压电式传感器是将被子测量转换成压电晶体的电荷量,可等效成一定的电容,如被测量为静态时,很难将电荷转换成一定的电压信号输出,故只能用于动态测量。 2.压电式传感器测量电路的作用是什么? 其核心是解决什么问题? 答: 压电式传感器测量电路的作用是将压电晶体产生的电荷转换为电压信号输出,其核心是要解决微弱信号的转换与放大,得到足够强的输出信号。 3.一压电式传感器的灵敏度K1=10pC/MPa,连接灵敏度K2=0.008V/pC的电荷放大器,所用的笔式记录仪的灵敏度K3=25mm/V,当压力变化Δp=8MPa时,记录笔在记录纸上的偏移为多少? 解: 记录笔在记录纸上的偏移为 S=10×0.008×25×8=16/mm 第七章 1.光电效应有哪几种? 与之对应的光电元件各有哪些? 答: 光电效应有外光电效应、内光电效应和光生伏特效应三种。 基于外光电效应的光电元件有光电管、光电倍增管等;基于内光电效应的光电元件有光敏电阻、光敏晶体管等;基于光生伏特效应的光电元件有光电池等。 3.对每种半导体光电元件,画出一种测量电路。 答: 光敏二极管、三极管及光电池的测量电路如下图所示。 4.什么是光电元件的光谱特性? 答: 光电元件的光谱特性是指入射光照度一定时,光电元件的相对灵敏度随光波波长的变化而变化,一种光电元件只对一定波长范围的人射光敏感,这就是光电元件的光谱特性。 5.光电传感器由哪些部分组成? 被测量可以影响光电传感器的哪些部分? 答: 光电传感器通常由光源、光学通路和光电元件三部分组成,如图所示。 图中Ф1是光源发出的光信号,Ф2是光电器件接受的光信号,被测量可以是x1或者x2,它们能够分别造成光源本身或光学通路的变化,从而影响传感器输出的电信号I。 光电传感器设计灵活,形式多样,在越来越多的领域内得到广泛的应用。 6.模拟式光电传感器有哪几种常见形式? 答: 模拟式光电传感器主要有四种。 一是光源本身是被测物,它发出的光投射到光电元件上,光电元件的输出反映了光源的某些物理参数,如图a所示。 这种型式的光电传感器可用于光电比色高温计和照度计;二是恒定光源发射的光通量穿过被测物,其中一部分被吸收,剩余的部分投射到光电元件上,吸收量取决于被测物的某些参数。 如图b所示。 可用于测量透明度、混浊度;三是恒定光源发射的光通量投射到被测物上,由被测物表面反射后再投射到光电元件上,如图c所示。 反射光的强弱取决于被测物表面的性质和状态,因此可用于测量工件表面粗糙度、纸张的白度等;四是从恒定光源发射出的光通量在到达光电元件的途中受到被测物的遮挡,使投射到光电元件上的光通量减弱,光电元件的输出反映了被测物的尺寸或位置。 如图d所示。 这种传感器可用于工件尺寸测量、振动测量等场合。 第八章 1.什么是金属导体的热电效应? 试说明热电偶的测温原理。 答: 热电效应就是两种不同的导体或半导体A和B组成一个回路,其两端相互连接时,只要两结点处的温度不同,回路中就会产生一个电动势,该电动势的方向和大小与导体的材料及两接点的温度有关。 热电偶测温就是利用这种热电效应进行的,将热电偶的热端插入被测物,冷端接进仪表,就能测量温度。 2.试分析金属导体产生接触电动势和温差电动势的原因。 答: 当A和B两种不同材料的导体接触时,由于两者内部单位体积的自由电子数目不同(即电子密度不同),因此,电子在两个方向上扩散的速率就不一样。 现假设导体A的自由电子密度大于导体B的自由电子密度,则导体A扩散到导体B的电子数要比导体B扩散到导体A的电子数大。 所以导体A失去电子带正电荷,导体B得到电子带负电荷,于是,在A、B两导体的接触界面上便形成一个由A到B的电场。 该电场的方向与扩散进行的方向相反,它将引起反方向的电子转移,阻碍扩散作用的继续进行。 当扩散作用与阻碍扩散作用相等时,即自导体A扩散到导体B的自由电子数与在电场作用下自导体B到导体A的自由电子数相等时,便处于一种动态平衡状态。 在这种状态下,A与B两导体的接触处就产生了电位差,称为接触电动势。 对于导体A或B,将其两端分别置于不同的温度场t、t0中(t>t0)。 在导体内部,热端的自由电子具有较大的动能,向冷端移动,从而使热端失去电子带正电荷,冷端得到电子带负电荷。 这样,导体两端便产生了一个由热端指向冷端的静电场。 该电场阻止电子从热端继续跑到冷端并使电子反方向移动,最后也达到了动态平衡状态。 这样,导体两端便产生了电位差,我们将该电位差称为温差电动势。 第14章检测技术基础 l.检测系统由哪几部分组成? 说明各部分的作用。 答: 一个完整的检测系统或检测装置通常是由传感器、测量电路和显示记录装置等几部分组成,分别完成信息获取、转换、显示和处理等功能。 当然其中还包括电源和传输通道等不可缺少的部分。 下图给出了检测系统的组成框图。 检测系统的组成框图 传感器是把被测量转换成电学量的装置,显然,传感器是检测系统与被测对象直接发生联系的部件,是检测系统最重要的环节,检测系统获取信息的质量往往是由传感器的性能确定的,因为检测系统的其它环节无法添加新的检测信息并且不易消除传感器所引入的误差。 测量电路的作用是将传感器的输出信号转换成易于测量的电压或电流信号。 通常传感器输出信号是微弱的,就需要由测量电路加以放大,以满足显示记录装置的要求。 根据需要测量电路还能进行阻抗匹配、微分、积分、线性化补偿等信号处理工作。 显示记录装置是检测人员和检测系统联系的主要环节,主要作用是使人们了解被测量的大小或变化的过程。
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