检测与传感技术练习题及解答

传感器练习题及解答宋佳一、电阻式传感器1、何为金属的电阻应变效应？怎样利用这种效应制成应变片？解：金属的电阻应变效应是指当应变片的结构尺寸发生变化时，其电阻也发生相应的变化。将应变片粘贴在各种弹性敏感元件上，当弹性敏感元件感受到外力、位移、加速度等参数作用时，弹性敏感元件产生应变，再通过粘贴在上面的电阻应变片将其转换成电阻的变化。通常，它主要由敏感元件、基底、引线和覆盖层等组成，其核心元件是电阻应变片（敏感元件），主要作用是实现应变－电阻的变换。2、两金属应变片R1和R2阻值均为120Ω，灵敏系数K=2；两应变片一受拉，另一受压，应变均为800με。两者接入差动直流电桥，电源电压U=6V。求：（1）ΔR和ΔR/R；（2）电桥输出电压UO。已知条件：（1）R1=R2=120Ω，（2）灵敏系数（3）轴向应变（4）电源电压U=6V解：由上述公式可知2)21(///RdRldlRdRK800/ldlR1R3R4R2U=6VUOAB++VVRRUUO0048.00016.02620016.01080026KRR192.01200016.0R3、在材料为钢的实心圆柱形试件上，沿轴线和圆周方向各贴一片电阻为120的金属应变片R1和R2，把这两个应变片接入差动电桥如右图。若钢的泊松系数＝0.285，应变片的灵敏系数k＝2，电桥电源电压U＝2V，当试件受轴向拉伸时，测得应变片R1的电阻变化值，试求电桥的输出电压U0。解：有轴向形变和径向形变，是半桥双臂，所以mVRRUUO411210.48R4、金属应变片与半导体应变片在工作原理上有何不同？解：金属应变片主要由几何尺寸的形变决定，其电阻率的变化很小，忽略不计；半导体应变片是基于压阻效应，由电阻率的变化决定。dldldRdR)21()21(二、电容式传感器作业1、上图为变介电常数式电容传感器，其中若有：（1）（2）（3）并如何设计成差动式？解：并有所以：进而可知：差动式的设计如下：ε2ε1CACBxlxd2d1ε2ε1CACBlx+Δxd2d1x+Δx)1(AxCCO)1(12211dddlAxx?CC?CK)1(AxCCO)](1['xxACCOxACCCCO'AxxACC1OCACxCKε2ε1xld2lx2、如图，C1与C2是两个差动式传感器的两个电容，A1、A2是电压两个比较器，Ur是参考电压，电源电压为U，设接通电源时，Q为高电平。试作图分析uA、uB、uAB、UF、UG的电压波形图（分C1=C2与C1=C2两种情况）解：先A高，对C1充电，当UFUr时翻转，于是A低，C1放电。B与A相反。图略双稳态触发器A1A2UrQAR1QBR2VD1VD1C1C2uABFG3、如右图（1、3为固定极，2为可动极板）所示电容式传感器，其可动极筒外径为9.8mm，定极内径为10mm，上下遮盖长度各为1mm，试求两个电容值？当供电频率为60KHz时，求它们的容抗值？解：容抗值F102.75＝1210)9.810ln(001.08.851π2)dDln(επε2C12-0lH1065.92115fCCj4．如右图（1为固定极，2为可动极板）所示的电容式传感器，极板宽度b＝4mm，间隙，极板间介质为空气，试求其静态灵敏度。若动极板移动2mm，求其电容变量。解：F1042.1-13xKKdxC11331201008.7105.010411085.8bdxdcK三、电感式传感器•某螺管型差动式自感传感器（如右图，1、4为圆盖，2为磁筒，3为磁心）的结构参数为N＝800匝，h＝10mm、t＝6mm、＝2mm（磁心直径）、＝10mm（螺管线圈内径），并设＝1.30，（1）试求在平衡状态下单个线圈的电感量=?（2）若将其接入变压器电路，电桥变压器二次侧电源频率为10000Hz，u/2＝0.9V，设电感线圈有效电阻可以忽略，求该传感器的灵敏系数＝？1d2d0Lzk解:(1)222001020222210211()22112ccrrNrlLLLlrlddNtdhh•(2)实质为调相电路110()......(1)22()uuuRjLuRjLRRjLxdduxukkkctz00/总灵敏度：当铁芯发生位移后：2220211ccrrNrlxLlrl即22221022()2211()12ddNtxLdhh＋代入（）式五、热电偶传感器1、将一灵敏度为0.08mV/℃的热电偶与电压表相连接，电压表接线端是50℃，若电位计上读数为60mV，热电偶的热端温度是多少？解：冷端温度为50℃，等效热电势：0.08mV/℃*50℃=4mV；热端实际热电势为：E（t,to）=E（t,t1）+E（t1,to）＝60＋4＝64mV，可以计算出热端实际温度为：64mV/0.08mV/℃=800℃或者：60＝0.08x（T-50）,则T=800℃2、欲测量变化迅速的200℃的温度应选用何种传感器？测1500℃的高温度又应选用何种传感器？（不考虑测量精度与线性度的要求）解：测200℃选择热敏电阻或者薄膜热电偶；测1500℃选择铂铑30-铂铑6热电偶。3、为什么在实际应用中要对热电偶进行冷端补偿？解：因为热电偶输出的热电势是相对于冷端温度的相对温度，如果测量热端的绝对温度，则必须要知道冷端的温度，或者冷端的等效热电势是多少。六、光电式传感器：1．根据P90，图3.73（b）选择，当光源波长λ=0.8～0.9μm时宜采用那种光敏晶体管作测量元件？为什么？解：选用硅材料做光电器件。根据光谱特性，此处硅相对灵敏度高。2．试用光敏三极管控制以及直流电磁继电器设计一个电灯控制电路的原理图。（逻辑：没有光照时，电灯亮）(a)(b)(c)其中，VO端接电磁继电器，控制电灯。3、解释CCD势阱的概念，论述CCD的电荷转移过程。解：从半导体的原理可知,当在金属电极上施加一正电压时，在电场的作用下，电极下面的P型硅区里的空穴将被赶尽，从而在表面附近形成一个带负电荷的耗尽区。也就是说，对带负电的电子而言，这个耗尽区是一个势能很低的区域，成为电子的势阱，简称为“势阱”，这是蓄积电荷的场所。表面势阱的深度，近似地与极板上所加的电压成正比。电荷转移过程详见课件中t=t1、t=t2、t=t3、t=t4四个时刻的电荷转移过程（略）。七、霍尔传感器某霍尔元件l、b、d尺寸分别为1.0cmx0.35cmx0.lcm，沿l方向通以电流I=1.0mA，在垂直lb面方向加有均匀磁场B=0.3T，传感器的灵敏度系数为22V/A.T，试求其输出霍尔电动势及载流子浓度。解：mVBIKUHH6.61013.02232019200108.21062.1101.022111hqKqRnHH八、光纤传感器1、求光纤n0=1、n1=1.46、n2=1.45的NA值，以及最大入射角θc=？解：2122210)(sinnnnc0212208.917.0)45.146.1(sinccnNA2、光纤传感器有哪几种调制方式？解：强度调制、相位调制、频率调制3、光纤的数值孔径NA的物理意义是什么？NA的取值大小有什么作用？解：NA=n0sinθc，NA值越大，说明最大入射角度越大，入射的光越多（集光能力强）。4、说明弯头型光纤传感器的工作原理。解：如图所示工作过程：锯齿板受外力作用→产生位移使中间的裸光纤微弯曲→在微弯处使光束以小于临界角的角度入射到界面，会有部分光逸出纤芯而散射入包层，引起光强调制。锯齿板位移较小时，光纤中光强的变化与位移量是呈线性关系的。九、超声波传感器1、解释多普勒效应。已知多普勒超声波流量计的发射波频率为5MHz，传感器角度为60度，液体中声速为1500m/S，多普勒频移为6MHz。求流体流速v。解：在声源和接受器之间存在相对运动的情况下，所接受到的声信号频率与声源频率有差别，即：多普勒效应。fCvfdcos2smfCfvd/8.15.05000215006cos212、比较AE传感器与超声波探伤仪工作原理的异同点。•解：AE传感器原理：金属材料在损伤前会发生微弱超声波，即：AE现象。特点：只收不发；•超声波探伤仪是利用一对探头，一收一发。有伤时，将影响收到的超声波的强度。3、解释超声波发射、接收探头的工作原理与压电效应和逆压电效应之间的关系。解：超声波发射、接收探头工作原理：（1）发射探头：利用压电材料的逆压电效应将高频电信号转换成高频机械振动，产生超声波。（2）接收探头：利用压电材料的压电效应将超声波产生的高频机械振动，转换成高频电信号。Theend