传感器与测试技术复习题及答案

传感器与测试技术习题及答案1．什么是传感器？它由哪几个部分组成？分别起到什么作用？2．传感器技术的发展动向表现在哪几个方面？3．传感器的性能参数反映了传感器的什么关系？静态参数有哪些？各种参数代表什么意义？动态参数有那些？应如何选择？4．某位移传感器，在输入量变化5mm时，输出电压变化为300mV，求其灵敏度。5.某测量系统由传感器、放大器和记录仪组成，各环节的灵敏度为：S1=0.2mV/℃、S2=2.0V/mV、S3=5.0mm/V，求系统的总的灵敏度。6．什么是应变效应？什么是压阻效应？什么是横向效应？7、试说明金属应变片与半导体应变片的相同和不同之处。8、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？9、钢材上粘贴的应变片的电阻变化率为0.1%，钢材的应力为10kg/mm2。试求10、如图所示为等强度梁测力系统，1R为电阻应变片，应变片灵敏度系数05.2k，未受应变时1201R，当试件受力F时，应变片承受平均应变4108，求（1）应变片电阻变化量1R和电阻相对变化量11/RR。（2）将电阻应变片置于单臂测量电桥，电桥电源电压为直流3V，求电桥输出电压是多少。（a）（b）图等强度梁测力系统1RF11、单臂电桥存在非线性误差，试说明解决方法。12、某传感器为一阶系统，当受阶跃函数作用时，在t=0时，输出为10mV;t→∞时，输出为100mV;在t=5s时，输出为50mV,试求该传感器的时间常数。13.交流电桥的平衡条件是什么？14．涡流的形成范围和渗透深度与哪些因素有关?被测体对涡流传感器的灵敏度有何影响?15．涡流式传感器的主要优点是什么?16．电涡流传感器除了能测量位移外，还能测量哪些非电量？17．某电容传感器（平行极板电容器）的圆形极板半径)(4mmr，工作初始极板间距离)(3.00mm，介质为空气。问：（1）如果极板间距离变化量)(1m，电容的变化量C是多少？（2）如果测量电路的灵敏度)(1001pFmVk，读数仪表的灵敏度52k（格／mV）在)(1m时，读数仪表的变化量为多少？18．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。19．简述电容式传感器的优缺点。20．电容式传感器测量电路的作用是什么？21．简述正、逆压电效应。22．压电材料的主要特性参数有哪些？23．简述电压放大器和电荷放大器的优缺点。24．能否用压电传感器测量静态压力？为什么？25．说明霍尔效应的原理？26．磁电式传感器与电感式传感器有何不同？27．霍尔元件在一定电流的控制下，其霍尔电势与哪些因素有关？28．说明热电偶测温的原理及热电偶的基本定律。29．将一只灵敏度为0.08mv/℃的热电偶与毫伏表相连,已知接线端温度为50℃,毫伏表的输出为60mv,求热电偶热端的温度为多少?30．试比较热电阻与热敏电阻的异同。31．什么是光电效应，依其表现形式如何分类，并予以解释。32．简述CCD的工作原理。33．说明光纤传输的原理。34．光纤传感器常用的调制原理有哪些？35．红外线的最大特点是什么？什么是红外传感器？36．超声波在介质中有哪些传播特性？37．什么是超声波的干涉现象？38．为什么电感式传感器一般都采用差动形式?参考答案1．什么是传感器？它由哪几个部分组成？分别起到什么作用？解：传感器是一种以一定的精确度把被测量转换为与之有确定对应关系的、便于应用的某种物理量的测量装置，能完成检测任务；传感器由敏感元件，转换元件，转换电路组成。敏感元件是直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的物理量；转换元件把敏感元件的输出作为它的输入，转换成电路参量；上述电路参数接入基本转换电路，便可转换成电量输出。2．传感器技术的发展动向表现在哪几个方面？解：（1）开发新的敏感、传感材料：在发现力、热、光、磁、气体等物理量都会使半导体硅材料的性能改变，从而制成力敏、热敏、光敏、磁敏和气敏等敏感元件后，寻找发现具有新原理、新效应的敏感元件和传感元件。（2）开发研制新型传感器及组成新型测试系统①MEMS技术要求研制微型传感器。如用于微型侦察机的CCD传感器、用于管道爬壁机器人的力敏、视觉传感器。②研制仿生传感器③研制海洋探测用传感器④研制成分分析用传感器⑤研制微弱信号检测传感器（3）研究新一代的智能化传感器及测试系统：如电子血压计，智能水、电、煤气、热量表。它们的特点是传感器与微型计算机有机结合，构成智能传感器。系统功能最大程度地用软件实现。（4）传感器发展集成化：固体功能材料的进一步开发和集成技术的不断发展，为传感器集成化开辟了广阔的前景。（5）多功能与多参数传感器的研究：如同时检测压力、温度和液位的传感器已逐步走向市场。3．传感器的性能参数反映了传感器的什么关系？静态参数有哪些？各种参数代表什么意义？动态参数有那些？应如何选择？解：在生产过程和科学实验中，要对各种各样的参数进行检测和控制，就要求传感器能感受被测非电量的变化并将其不失真地变换成相应的电量，这取决于传感器的基本特性，即输出—输入特性。衡量静态特性的重要指标是线性度、灵敏度，迟滞和重复性等。1）传感器的线性度是指传感器的输出与输入之间数量关系的线性程度；2）传感器的灵敏度S是指传感器的输出量增量Δy与引起输出量增量Δy的输入量增量Δx的比值；3）传感器的迟滞是指传感器在正（输入量增大）反（输入量减小）行程期间其输出-输入特性曲线不重合的现象；4）传感器的重复性是指传感器在输入量按同一方向作全量程连续多次变化时，所得特性曲线不一致的程度。5）传感器的漂移是指在外界的干扰下，输出量发生与输入量无关的、不需要的变化。漂移包括零点漂移和灵敏度漂移等。传感器的动态特性是指其输出对随时间变化的输入量的响应特性：频率响应、时间常数、固有频率和阻尼比等。1）瞬态响应特性：传感器的瞬态响应是时间响应。在研究传感器的动态特性时，有时需要从时域中对传感器的响应和过渡过程进行分析。这种分析方法是时域分析法，传感器对所加激励信号的响应称瞬态响应。常用激励信号有阶跃函数、斜坡函数、脉冲函数等。2）频率响应特性：传感器对正弦输入信号的响应特性，称为频率响应特性。频率响应法是从传感器的频率特性出发研究传感器的动态特性。为了减小动态误差和扩大频率响应范围，一般是提高传感器固有频率ωn。4．某位移传感器，在输入量变化5mm时，输出电压变化为300mV，求其灵敏度。解：其灵敏度333001060510UkX5.某测量系统由传感器、放大器和记录仪组成，各环节的灵敏度为：S1=0.2mV/℃、S2=2.0V/mV、S3=5.0mm/V，求系统的总的灵敏度。解：6．什么是应变效应？什么是压阻效应？什么是横向效应？解：应变效应，是指在导体产生机械变形时，它的电阻值相应发生变化。压阻效应，是指半导体材料在某一轴向受外力作用时，其电阻率ρ发生变化的现象。横向效应，是指将直的电阻丝绕成敏感栅后，虽然长度不变，应变状态相同，但由于应变片敏感栅的电阻变化较小，因而其灵敏系数k较电阻丝的灵敏系数k0小的现象。7、试说明金属应变片与半导体应变片的相同和不同之处。解：金属应变片由敏感栅、基片、覆盖层和引线等部分组成。金属电阻应变片的敏感栅有丝式、箔式和薄膜式三种。箔式应变片是利用光刻、腐蚀等工艺制成的一种很薄的金属箔栅，其优点是散热条件好，允许通过的电流较大，便于批量生产，可制成各种所需的形状；缺点是电阻分散性大。薄膜式应变片是采用真空蒸发或真空沉淀等方法在薄的绝缘基片上形成0.1μm以下的金属电阻薄膜的敏感栅，最后再加上保护层。它的优点是应变灵敏度系数大，允许电流密度大，工作范围广。半导体应变片是用半导体材料制成的，其工作原理是基于半导体材料的压阻效应。半导体应变片的突出优点是灵敏度高，比金属丝式应变片高50～80倍，尺寸小，横向效应小，动态响应好。但它有温度系数大，应变时非线性比较严重等缺点。8、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。9、钢材上粘贴的应变片的电阻变化率为0.1%，钢材的应力为10kg/mm2。试求①求钢材的应变。②钢材的应变为300×10-6时，粘贴的应变片的电阻变化率为多少?解：①RlFRl是ΔR/R=2（Δl/l）。因为电阻变化率是ΔR/R=0.001，所以Δl/l（应变）=0.0005=4510②因66430010,230010610lRRl所以10、如图所示为等强度梁测力系统，1R为电阻应变片，应变片灵敏度系数05.2k，未受应变时1201R，当试件受力F时，应变片承受平均应变4108，求（1）应变片电阻变化量1R和电阻相对变化量11/RR。（2）将电阻应变片置于单臂测量电桥，电桥电源电压为直流3V，求电桥输出电压是多少。1RF（b）（b）图等强度梁测力系统解：（1）43112.058101.6410RKR，3111.64101200.1968RkR解：（2）3111123414112344131124113()()()(1)(1)oRRRUERRRRRRRERRRRRRRRRERRRRRR设桥臂比21RnR，分母中11/RR可忽略，并考虑到平衡条件3124RRRR，则上式可写为：121(1)oRnUEnR323231.6410(1)4.92101nnnn11、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。12、某传感器为一阶系统，当受阶跃函数作用时，在t=0时，输出为10mV;t→∞时，输出为100mV;在t=5s时，输出为50mV,试求该传感器的时间常数。解：此题与炉温实验的测试曲线类似:13.交流电桥的平衡条件是什么？解：由交流电路分析可得1423o1234()()()UZZZZUZZZZ要满足电桥平衡条件，即0oU，则有：1423ZZZZ14．涡流的形成范围和渗透深度与哪些因素有关?被测体对涡流传感器的灵敏度有何影响?解：电涡流的径向形成范围大约在传感器线圈外径的1.8～2.5倍范围内，且分布不均匀。涡流贯穿深度)/(fkh，定义在涡流密度最大值的ejm/处。被测体的平面不应小于传感器线圈外D的2倍，厚度大于2倍贯穿度h时，传感器灵敏度几乎不受影响。15．涡流式传感器的主要优点是什么?解：电涡流式传感器最大的特点是能对位移、厚度、表面温度、速度、应力、材料损伤等进行非接触式连续测量，另外还具有体积小，灵敏度高，频率响应宽等特点，应用极其广泛。16．电涡流传感器除了能测量位移外，还能测量哪些非电量？解：还可以对厚度、表面温度、速度、应力、材料损伤等进行非接触式连续测量。17．某电容传感器（平行极板电容器）的圆形极板半径)(4mmr，工作初始极板间距离)(3.00mm，介质为空气。问：（1）如果极板间距离变化量)(1m，电容的变化量C是多少？（2）如果测量电路的灵敏度)(1001pFmVk，读数仪表的灵敏度52k（格／mV）在)(1m时，读