传感器期末试题

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：11））实实际际测测量量时时利利用用这这一一性性质质，，可可对对参参考考端端温温度度不不为为零零度度时时的的热热电电势势进进行行修修正正。。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/℃=46mV5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12d、11d，压电陶瓷的纵向压电常数33d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HU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，霍尔引出电极安装不对称，不在同一等电位面上；激励电极接触不良，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10Lmm，3.5bmm,1.0dmm，沿L方向通以电流1.0ImA，在垂直于L和b的方向加有均匀磁场0.3BT，灵敏度为22/()VAT，试求输出霍尔电势及载流子浓度。6.7解：19191922/(),1.0,0.36.610,3.5,1.01.6100.0010.328.41100.00661.6100.001HHHHKVATImABTUKIBmVLmmbmmdemmeIBnUed输出霍尔电势：，载流子浓度为：21试分析霍尔元件输出接有负载LR时，利用恒压源和输人回路串联电阻TR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0U，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22RLM、、变化的物理量，均可以引起传感器线圈11RL、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d，线圈与被测体之间的距离x，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Z发生关系，使11RL、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Z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0/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0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1280CCpF，初始距离04mm，当动极板相对于定极板位移了0.75mm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1280CCpF，初始距离04mm，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0.75mm时，非线性误差为：2200.75()100%()100%3.5%4L改为单极平板电容，初始值不变，