传感器考试试题及答案.pdf

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1、传感器原理及其应用习题 第 1章传感器的一般特性 一、选择、填空题 1、衡量传感器静态特性的重要指标是_灵敏度 _、 _线性度 _、 _迟滞_、 _重复性 _ 等。 2、通常传感器由 敏感元件 、 转换元件 、 转换电路 三部分组成，是 能把外界 非电量 转换成 电量的器件和装置。 3、传感器的 标定是通过实验建立传感器起输入量与输出量之间的关系，并确定不同使用 条件下的误差关系。 4、测量过程中存在着测量误差，按性质可被分为粗大、系统和随机 误差三类，其中随机误差可以通过对多次测量结果求平均的方法来减小它对测量结 果的影响。 5、一阶传感器的时间常数 越_, 其响应速度越慢 ;二阶传感器的固

2、有频率 0越_, 其工作频带越宽。 6、按所依据的基准直线的不同，传感器的线性度可分为、。 7、非线性电位器包括和两种。 8、通常意义上的传感器包含了敏感元件和（ C ）两个组成部分。 A. 放大电路 B. 数据采集电路 C. 转换元件 D. 滤波元件 9、若将计算机比喻成人的大脑，那么传感器则可以比喻为(B )。 A眼睛 B. 感觉器官 C. 手 D. 皮肤 10、属于传感器静态特性指标的是（D ） A.固有频率B.临界频率C.阻尼比D.重复性 11、衡量传感器静态特性的指标不包括（ C ） 。 A. 线性度 B. 灵敏度 C. 频域响应 D. 重复性 12、下列对传感器动态特性的描述正确的

3、是（） A 一阶传感器的时间常数 越大, 其响应速度越快 B 二阶传感器的固有频率 0越小, 其工作频带越宽 C 一阶传感器的时间常数 越小, 其响应速度越快。 D 二阶传感器的固有频率 0越小, 其响应速度越快。 二、计算分析题 1、什么是传感器？由几部分组成？试画出传感器组成方块图。 2、传感器的静态性能指标有哪一些，试解释各性能指标的含义。 作业 3、传感器的动态性能指标有哪一些，试解释各性能指标的含义 第 2章电阻应变式传感器 一、填空题 1、金属丝在外力作用下发生机械形变时它的电阻值将发生变化，这种现象称_应变_效应；半导 体或固体受到作用力后 _电阻率 _要发生变化， 这种现象称

4、_压阻_效应。直线的电阻丝绕成 敏感栅后长度相同但应变不同，圆弧部分使灵敏度下降了，这种现象称为_横向_效应。 2、产生应变片温度误差的主要因素有电阻温度系数的影响 、试验材料和电阻丝材料的线性膨胀 系数的影响 。 3、应变片温度补偿的措施有电桥补偿法 、 应变片的自补偿法、 、。 4. 在电桥测量中，由于电桥接法不同，输出电压的灵敏度也不同，_全桥_接法可以得到最大灵敏度 输出。 5. 半导体应变片工作原理是基于压阻效应，它的灵敏系数比金属应变片的灵敏系数大十 倍 6电阻应变片的配用测量电路采用差动电桥时，不仅可以消除线性误差 同时还能起到 温度补偿 的作用。 7、若应变计基长 L=40mm

5、,应变波速 v=5000m/s,则上升时间 tk= ,可测频率 f= 。 8、压阻式传感器测量电桥的电源可采用_ 也可采用 _ 供电。 9、应变式传感器主要用于测量_ 等物理量；光电式传感器主 要 用 于 测 量 _ 等 物 理 量 ； 压 电 式传 感器 主要 用 于 测 量 _ 等物理量。 10、应变式传感器是基于_ 效应工作的。对金属应变片，其电阻的变化主要是由于 S l R中的变化引起的湿敏传感器是指能将转换为与其成一定比例关 系的电量输出的装置 选择 : 1、全桥差动电路的电压灵敏度是单臂工作时的（ C ） 。 A. 不变 B. 2倍 C. 4倍 D. 6倍 2.利用相邻双臂桥检测的

6、应变式传感器，为使其灵敏度高、非线性误差小（C ） A两个桥臂都应当用大电阻值工作应变片 B两个桥臂都应当用两个工作应变片串联 C两个桥臂应当分别用应变量变化相反的工作应变片 D两个桥臂应当分别用应变量变化相同的工作应变片 3、产生应变片温度误差的主要原因有（AB） A、电阻丝有温度系数 B、试件与电阻丝的线膨胀系数相同 C、电阻丝承受应力方向不同 4.利用电桥进行温度补偿，补偿片的选择是（A） A与应变片相邻，且同质的工作片 B与应变片相邻，且异质的工作片 C与应变片相对，且同质的工作片 D与应变片相对，且异质的工作片 5通常用应变式传感器测量( C )。 A. 温度 B密度 C 加速度 D

7、电阻 6影响金属导电材料应变灵敏系数K的主要因素是（ B ） 。 A导电材料电阻率的变化 B导电材料几何尺寸的变化 C 导电材料物理性质的变化 D导电材料化学性质的变化 7电阻应变片的线路温度补偿方法有（A B ） 。 A差动电桥补偿法 B补偿块粘贴补偿应变片电桥补偿法 C 补偿线圈补偿法 D恒流源温度补偿电路 8、金属丝应变片在测量构件的应变时，电阻的相对变化主要由( ) 来决定的。 A、贴片位置的温度变化B、 电阻丝几何尺寸的变化 C、电阻丝材料的电阻率变化D 、外接导线的变化 二、计算分析题 1 说明电阻应变测试技术具有的独特优点。 (1) 这类传感器结构简单，使用方便，性能稳定、可靠；

8、(2) 易于实现测试过程自动化和多点同 步测量、远距测量和遥测；(3) 灵敏度高，测量速度快，适合静态、动态测量；(4) 可以测量各种物 理量。 2、一台采用等强度梁的电子秤，在梁的上下两面各贴有两片灵敏系数均为k = 2 的金属箔式应变片 做成秤重传感器。已知梁的L = 100mm，b=11mm，h= 3mm，梁的弹性模量E=2.1 10 4 N/mm2。将 应变片接入直流四臂电路，供桥电压Usr =12V。试求：秤重传感器的灵敏度(V/kg)?； 当传感器的输出为68mv 时，问物体的荷重为多少？提示：等强度梁的应变计算式为 =6FL/bh 2E 3 一个量程为10kN 的应变式测力传感器

9、，其弹性元件为薄壁圆筒轴向受力，外径20mm，内径 18mm在其表面粘贴八个应变片，4 个沿轴向粘贴， 4 个沿周向粘贴，应变片的电阻值均为120欧， 灵敏度为 2，泊松系数 03，材料弹性模量 E=2.1x1011Pa。要求； (1)给出弹性元件贴片位置及全桥电路; (2)计算传感器在满量程时，各应变片电阻变化； (3)当桥路的供电电压为l0V 时，计算传感器的输出电压 解： (1). 全桥电路如下图所示 (2). 圆桶截面积 应变片 1、2、3、4 感受纵向应变； 应变片 5、6、7、8 感受纵向应变； 满量程时： （3） 4、以阻值 R=120，灵敏系数 K=2.0 的电阻应变片与阻值1

10、20的固定电阻组成电桥，供桥电压为 3V，并假定负载电阻为无穷大，当应变片的应变为2 和 2000 时，分别求出单臂、双臂差动电桥 的输出电压，并比较两种情况下的灵敏度。 解：依题意 单臂： )2(,103 )2000(,103 i o 6 32.0 4 3 k 4 U U uV uV 差动： )2(,106 )2000(,106 i o 6 32.0 2 3 k 2 U U uV uV 灵敏度： 单臂 差动 ),/(105.14/ ),/(1032/ o u 6 6 U K VkU VkU i i 可见，差动工作时，传感器及其测量的灵敏度加倍。 5、 一台采用等强度梁的电子称， 在梁的上下两

11、面各贴有两片电阻应变片，做成称重传感器，如图 2-12 （见教材，附下）所示。已知l=10mm，b0=11mm，h=3mm，E=2.1104N/mm 2，K=2，接入直 流四臂差动电桥，供桥电压6V，求其电压灵敏度 (Ku=U0/F)。当称重 0.5kg 时，电桥的输出电压 U0为多大 ? 输 出 输 出 图 2-12 悬臂梁式力传感器 解：等强度梁受力 F 时的应变为 Ebh Fl 0 2 6 当上下各贴两片应变片，并接入四臂差动电桥中时，其输出电压： Ebh Fl KUK U U i i O 0 2 6 4 4 则其电压灵敏度为 422 101. 2113 61006 2 6 Ebh l

12、K F U K io u =3.463 10 -3 (V/N)=3.463(mV/N) 当称重F=0.5kg=0.5 9.8N=4.9N 时，输出电压为 U0 =Ku F=3.463 4.9=16.97(mV) 第 3 章电感式传感器 一、选择、填空题 1.变间隙式自感传感器的测量范围 和 灵敏度及线性度 是相互矛盾的，因此在实际测量中广泛 采用 差动结构的变隙电感传感器。 2.电感式传感器是利用被测量改变磁路的磁阻，导致 线圈电感量 变化的。磁电式传感器是 利用 电磁感应现象 产生感应电势的。 而霍尔式传感器是利用半导体 在磁场中的霍尔效应而 输出电势的。 3. 电感式传感器种类很多。虽然结

13、构形式多种多样，可分为变气隙式 、 变面积式 、 螺 线管式 三种结构。 4.电涡流传感器根据激励电流频率的高低，可以分为高频反射式 、 低频透射式 两种。 5、 把被测非电量的变化转换成线圈互感变化的互感式传感器是根据变压器的基本原理制成的， 其次级绕组都用反向串联形式连接，所以又叫差动变压器式传感器。 6、变隙式差动变压器传感器的主要问题是灵敏度与测量范围的矛盾。这点限制了它的使用，仅适 用于 微小位移的测量。 7、变气隙式自感传感器，当街铁移动靠近铁芯时，铁芯上的线圈电感量增加（增加，减 少） 。 8、电感式传感器是以电和磁为媒介，利用电磁感应原理将被测非电量如压力、位移、流量等非电量

14、转换成线圈 _或_的变化，再由测量电路转换为电压或电流的变化量输出的装置。 9、 二、计算分析题 1、 说明电感式传感器有哪些特点。 2、分析比较变磁阻式自感传感器、差动变压器式互感传感器的工作原理和灵敏度。 3、试分析差动变压器相敏检测电路的工作原理。 4、分析电感传感器出现非线性的原因，并说明如何改善? 5、某差动螺管式电感传感器的结构参数为单个线圈匝数W=800 匝，l=10mm，lc=6mm，r=5mm， rc=1mm，设实际应用中铁芯的相对磁导率r=3000，试求： (1)在平衡状态下单个线圈的电感量L0=?及其电感灵敏度足KL=? (2)若将其接人变压器电桥，电源频率为1000Hz

15、，电压 E=1.8V，设电感线圈有效电阻可忽略，求 该传感器灵敏度K。 (3)若要控制理论线性度在1以内，最大量程为多少? 螺管式线圈 插棒式铁芯 线圈1 线圈2 铁芯 （a)(b) 图 3-15 差动螺管式电感传感器 解： （1）根椐螺管式电感传感器电感量计算公式，得 2 2 2 2 0 0ccr rllr l W L H46. 0 1016300010510 1010 800104 9292 2 3 27 差动工作灵敏度： rcL r l W K 2 2 2 0 2 mmmm/6.151/6.151 3000101 1010 800104 2 6 2 3 27 (2) 当 f=1000Hz

16、时，单线圈的感抗为 XL= L0=2 f L0=2 1000 0.46=2890( ) 显然 XL 线圈电阻 R0，则输出电压为 0 2 L LE U O 测量电路的电压灵敏度为 mmVV V L E L U Ku/96.1/96.1 46.02 8.1 2 0 0 而线圈差动时的电感灵敏度为KL =151.6mH/mm，则该螺管式电感传感器及其测量电路的总灵敏 度为 mmVmmmKKK uL /96.1/6 .151 =297.1mV/mm 6、有一只差动电感位移传感器，已知电源电Usr=4V，f=400Hz，传感器线圈铜电阻与电感量分别 为 R=40 ，L= 30mH，用两只匹配电阻设计成

17、四臂等阻抗电桥，如习题图3-16所示，试求： (1)匹配电阻 R3和 R4的值； (2)当Z=10 时，分别接成单臂和差动电桥后的输出电压值； (3)用相量图表明输出电压 sc U与输入电压 srU 之间的相位差。 解： （1） 线圈感抗 XL= L=2 fL=2400 30 10 3=75.4（ ） 线圈的阻抗 4.854.7540 22 2 2 LXRZ 故其电桥的匹配电阻 (见习题图 3-16) R3 = R4 =Z=85.4（） （2）当 Z=10 时，电桥的输出电压分别为 单臂工作： V Z ZU U sr sc 117.0 4.85 10 4 4 4 双臂差动工作： V Z ZU

18、U sr sc 234. 0 4.85 10 2 4 2 （3） 9.27 4.75 40 tantan 11 L R 7、 如图 3-17 （见教材， 附下） 所示气隙型电感传感器， 衔铁截面积 S=4 4mm 2， 气隙总长度 = 0.8mm ， 衔铁 最 大 位 移 =0.08mm， 激 励 线 圈 匝 数 W=2500 匝 ， 导 线 直 径 d=0.06mm，电阻率 =1.7 510 -6.cm ，当激励电源频率 f=4000Hz 时，忽略 漏磁及铁损，求： (1)线圈电感值； (2)电感的最大变化量； (3)线圈的直流电阻值； (4)线圈的品质因数； (5)当线圈存在 200pF分

19、布电容与之并联后其等效电感值。 解： （1）线圈电感值图 3-17 气隙型电感式传感器（变隙式） m15710571 1080 10442500104SW L 1 3 6272 0 . . （2）衔铁位移 =+0.08mm 时，其电感值 3 6272 0 1008.028.0 10442500104 2 SW L =1.3110 -1(H)=131mH 衔铁位移 = 0.08mm 时，其电感值 3 627 2 0 1008.028 . 0 10442500104 2 SW L =1.96 10 -1(H)=196(mH) 故位移 = 0.08mm时，电感的最大变化量为 L=L L =19613

20、1=65(mH) (3)线圈的直流电阻 设 mm 2 06.0 44l Cp 为每匝线圈的平均长度，则 4 2 d lW s l R Cp 6 .249 1006.0 4 10 2 06.0 442500 1075.1 2 1 1 6 =249.6 (4)线圈的品质因数 8.15 6.249 1057.1400022 1 R fL R L Q (5)当存在分布电容200PF时，其等效电感值 m LCf L LC L Lp 1601060.1 102001057. 1400021 1057.1 211 1 121 2 1 22 8、试用差动变压器式传感器设计液罐内液体液位测量系统，作出系统结构图

21、，并分析工作原理。 第 4 章电容式传感器 一、填空题 1、电容式传感器是利用电容器的原理，将非电量转化为电容量，进而实现非电量到电量的敏感器件， 在应用中电容式传感器可分为、三种基本类型。 2、将机械位移转变为电容量变化时，电容式位移传感器的基本结构可分为 型，型和型三大类。 选择 : 1、极距变化型电容传感器的灵敏度与（B） 。 、极距成正比、极距成反比 、极距的平方成正比、极距的平方成反比 二、计算分析题 1、 简述电容式传感器的工作原理。 2、简述电容式传感器的优点。 3、试计算习题 42 图所示各电容传感元件的总电容表达式。 习题图 4-2 解：由习题图 4-2 可见 （1） 三个电

22、容串联 1 1 1 d S C ， 2 2 2 d S C ， 3 3 3 d S C 则 S ddd S d S d S d CCCC 321 213312321 3 3 2 2 1 1 321 1111 串 故 332211213312321 321 /ddd S ddd S C串 （2）两个电容器并联 d S CCCC d S CCC 2 2 21 21 并 （3）柱形电容器 12/ln 2 dd L C 4、 在压力比指示系统中采用差动式变间隙电容传感器和电桥测量电路，如习题图 4-3 所示。已知： 0=0.25mm；D=38.2mm；R=5.1k ；Usr=60V(交流)，频率 f=

23、400Hz。试求： (1)该电容传感器的电压灵敏度Ku (V/ m)； (2)当电容传感器的动极板位移=10m时，输出电压 Usc值。 习题图 4-3 解：由传感器结构及其测量电路可知 （1）初始电容 0 2 0 021 4 D CCC pFF6.40106 .40 1025.04 102 .381085.8 12 3 2 312 由于 12 00106.404002 1 2 11 fCC Xc )k.(R.151089 6 则 00 0 22 dU C CU U ii 从而得 mVmmV U d U K i u /12.0/120 25.02 60 2 0 0 (2) U0 = Kud=0.

24、12V/ m 10 m=1.2V 5、有一台变间隙非接触式电容测微仪，其传感器的极板半径r=4mm，假设与被测工件的初始间 隙 d0=0.3mm。试求： (1)如果传感器与工件的间隙变化量d= 10 m，电容变化量为多少 ? (2)如果测量电路的灵敏度足Ku=100mV/pF，则在 d= 1 m 户时的输出电压为多少 ? 解：由题意可求 （1）初始电容： pFF d r d S C 48.11048.1 103. 0 1041085.8 12 3 2 312 0 2 0 0 0 0 由 00 d d C C ，则当 d=10um 时 pF d d CC049.0 3 .0 1010 48. 1

25、 3 0 0 如果考虑 d1=0.3mm+10 m 与 d2=0.3mm10 m 之间的电容变化量C，则应为 C=2| C|=2 0.049=0.098pF (2) 当 d=1m时 pF.pF. m. m C d d C00490481 1030 1 3 0 0 由 Ku=100mV/pF=U0/ C ，则 U0=KuC=100mV/pF ( 0.0049pF)= 0.49mV 6、有一变间隙式差动电容传感器，其结构如习题图4-5 所示。选用变压器交流电桥作测量电路。 差动电容器参数：r=12mm；d1=d2=d0=0.6mm；空气介质，即=0=8.85 10 -12F/m。测量电路参数： u

26、sr=u= srU = 3sin t (V)。试求当动极板上输入位移(向上位移 ) x=0.05mm 时，电桥输出端电压Usc? 习题图 4-5 解：由习题图 4-5 可求 初始电容 C1=C2=C0= S/d=0r 2/d 0 pF.F. . . 67610676 1060 101210858 12 3 2 312 变压器输出电压 U CC CC U ZZ ZZ UU ZZ Z Usc 21 21 21 12 21 2 2 其中 Z1 ,Z2 分别为差动电容传感器C1,C2的阻抗 .在 Xd0时，C1 = C0 +C, C2 = C0C，且 C/C0= d/d0，由此可得 tsin.tsin . . U d x U C C Usrsc2503 60 050 00 (V) 7、如习题图 4-6 所示的一种变面积式差动电容传感器，选用二极管双厂网络测量电路。差动电容 器参数为： a=40mm，b=20mm，dl=d2=d0=1mm；起始时动极板处于中间位置，Cl=C2=C0，介质为空 气，=0=8.8510-12F/m。测量电路参数： D1、D2为理想二极管；及R1=R2=R=10K ；Rf=1M ，激 励电压 Ui=36V，变化频率 f=1MHz 。试求当动极板向右位移x=10mm 时，电桥输出端电压Usc? 习题图 4-6 解：由习题图 4-6 可求 传感器初始电容