桂林理工大学传感器考试试题

1.1什么是传感器答：一种能把特定的信息（物理、化学、生物）按一定规律转换成某种可用信号输出的器件和装置。从狭义角度对传感器定义是：能把外界非电信息转换成电信号输出的器件。1.2传感器由哪几部分组成？试述它们的作用及相互关系。答：组成——由敏感元件、转换元件、基本电路组成；作用与关系：敏感元件：感知被测量，并将其传送给转换元件；转换元件：将这个被感知的量转换为电参数；基本电路：将感知元件感知的电参数转换为易测量的电信号；3对于传感器的静态特性。传感器的静态特性是：当输入信号稳定，或输入量为常数，或变化极慢且传感器已处于稳定状态时，传感器的输入输出特性。传感器输入量X、输出量Y、则静态灵敏度：𝑆𝑛=Δ𝑦Δ𝑥；若传感器是线性的，则𝑆𝑛为一个常数4.霍尔传感器：利用霍尔效应制作的传感器，可以用于检测磁场B、电流I，或者B×I。5.差动电压传感器：是互感型传感器，通过将被测量的位移量转换为传感器线圈互感的变化来实现非电量点的电测量。6.磁阻效应：某些金属和半导体材料的电阻，在外磁场作用下其阻值随磁场强度的变化而变化的现象。7.压电效应：某些电介质材料，当沿着一定方向对其施加力而使其变形，在介质的内部将产生极化现象，从而在介质的两个表面会产生数量相等、符号相反的电荷，形成电场；当歪理去掉后，又重新回到不带电状态；当外力方向改变时，电场的极性也随着改变8.相敏检波电路的作用：输出信号的幅值与交流信号幅值相关联，输出信号的极性反映交流信号的相位。注：当参考电压与输入电压相位差位00或1800具有最高灵敏度。9.电涡流效应的概念：块状金属导体置于变化的磁场中做切割磁力线运动时，导体内将产生呈涡旋状的感应电流（电涡流）的现象10.磁电感应概念：线圈与磁场相对运动，或者通过线圈的磁通发生变化，在线圈中产生感应电势。11.磁电传感器的工作原理：线圈与磁场相对运动，或者通过线圈的磁通发生变化，将在线圈中产生感应电势，将运动速度、位移转换为线圈中的感应电势输出。12.差动变压器的残余电压产生的原因，消除办法。原因：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。消除方法：（一）提高差动变压器结构的对称性和电磁特性的对称性（二）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。13.压电陶瓷压电晶体的异同点，压电陶瓷的纵向压电系数、压电晶体的压电系数？（1）石英晶体是中性的，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○1压电陶瓷的压电系数比压电晶体的大。○2压电陶瓷和石英晶体不同，前者是人工制造的多晶体压电材料，而后者是单晶体。○3压电陶瓷在未进行极化处理时，不具有压电效应；经过极化处理后，它的压电效应非常明显，具有很高的压电系数，为石英晶体的几百倍。因此，压电陶瓷比石英晶体的压电灵敏度高得多。14.能简述霍尔效应的概念、掌握霍尔传感器的输出电压计算公式答：是指被约束在霍尔元件中的运动带电粒子(电子或空穴),在磁场中因受洛伦兹力作用产生偏转,在霍尔元件两侧会产生电势差的现象输出电压公式：15.简述热电偶的工作原理，冷端补偿公式和补偿方法原理：两种不同类型的金属导体两端分别接在一起组成闭合回路，当两个结点温度不相等时，导体回路里有电路流动，会产生热电势的现象。𝐄(𝐓，𝑻𝟎)=𝐄(𝐓，𝐓𝟏)+𝐄（𝐓𝟏，𝑻𝟎)热电偶的冷端补偿通常采用在冷端串联一个由热电阻构成的电桥16.简述什么是光电效应？答：光射在某种物质上，使该物质吸收光能后，电子的能量和电特性发生变化的现象。17.简述传感器的定义和传感器在电子信息系统中的作用，举出3~5个例子定义：将非电信号量转换为电信号的器件或装置。作用：自然领域中信息的主要途径与手段例子：1自动化系统2机器人技术中的关键部件3.光控开关4.报警装置中的红外传感器5.全自动照相机中的光电传感器保证在不同的光线下适度曝光18.变气隙型自感传感器进行位移量∆𝛅测量的原理答：铁芯和衔铁由导磁材料如硅钢片或坡莫合金制成，在铁芯和衔铁之间有气隙，气隙厚度为δ，传感器的运动部分与衔铁相连。当衔铁移动时，气隙厚度δ发生改变，引起磁路中磁阻变化，从而导致电感线圈的电感值变化，因此只要能测出这种电感量的变化，就能确定衔铁位移量的大小和方向。19.变面积型自感传感器进行位移量∆𝛅测量的原理答：L1、L2结构对称，Δδ变化绝对值相同符号相反，电感变化的绝对值也相同符号相反,导致I1，I2变化的绝对值相同符号相反19.温度误差影响传感器对被测信号的检测，对于电阻应变传感器的温度误差，你认为一下四个描述最合理的是（）A.使用差动半桥和差动全桥电路可以消除温度误差；B.金属应变电阻传感器不受温度影响，半导体应变片温度影响C.使用单臂桥、差动半桥、差动全桥等桥式电路都可以消除温度误差D.只有差动全桥测量电路可以消除温度误差，差动半桥电路不能消除误差1.一平板式电容位移传感器如图4-5所示，已知：极板尺寸4abmm，极板间隙00.5mm，极板间介质为空气。求该传感器静态灵敏度；若极板沿x方向移动2mm，求此时电容量。baΔxδxS动极板2定极板1图4-5平板电容器基本原理解：对于平板式变面积型电容传感器，它的静态灵敏度为：012111088.85107.0810gCbkFma极板沿x方向相对移动2mm后的电容量为：12130()8.85100.00421.416100.5baxCF2.已知：圆盘形电容极板直径50Dmm，间距00.2mm，在电极间置一块厚0.1mm的云母片（7r），空气（01）。求：（1）无云母片及有云母片两种情况下电容值1C及2C是多少？（2）当间距变化0.025mm时，电容相对变化量11/CC及22/CC是多少？解：（1）123101408.85103.142.5103.4710210SCF1231024048.85103.142.5106.08101101107rSCFdd（2）0rdd′101000.0250.1430.20.0251CC220.0250.2800.11430.0251CC′′′3.某霍尔元件用于测量电流值(霍尔电流传感器)，已知磁感应强度B=2.0×10−4𝑇，霍尔传感器的灵敏度𝐾𝐵=20𝑉/(𝐴·𝑇),被测电流的取值范围，被测电流的取值范围I=1A~50A。（1）请确定该霍尔传感器给出的霍尔电势范围。（2）需要将霍尔传感器的输出电压由电压放大电路放大后送到满量程输入电压为2.5V的AD转换电路，试确定电压放大电路的放大倍数。(1)霍尔输出电势：𝑈𝐻=𝐾𝐻·𝐼·𝐵=20×2.0×10−4·𝐼=4.0×10−3𝐼（𝑉）因I：1A~50A;根据上式求得：𝑈𝐻：4mV~200mV(2)𝑈𝐻最多大时，打到AD的满量程值;K=2500/200=12.54.某霍尔元件用于测量磁感应强度B，已知磁感应强度的变化范围是0.5×10−4𝑇~4.0×10−4𝑇，霍尔传感器的灵敏度𝐾𝐻=25𝑉、(𝐴·𝑇)，控制电流I=10mA。（1）请确定该霍尔传感器给出的霍尔电势范围。（2）需要将霍尔传感器的输出电压由电压放大电路放大后送到满量程输入电压为2.5V的AD转换电路，试确定电压放大电路的放大倍数。（1）霍尔输出电势：𝑈𝐻=𝐾𝐻·𝐼·𝐵=25×10×10−3·𝐵=0.25𝐵（𝑉）因为：B：0.5×10−4𝑇~4.0×10−4𝑇，求得：𝑈𝐻=1.25×10−5𝑉~2.0×10−4𝑉（2𝑈𝐻最多大时，打到AD的满量程值;K=2.5/2.0×10−4=1.25×1045.自感传感器的应用自感传感器电感量计算公式：L=𝑁2𝜇02𝛿𝑆5.半桥测量将R2换成应变片，且与R1工作在差动状态，即在应力作用下，R1增加为：R1+ΔRR2减小为：R2-ΔR输出电压：按前述原则，选择R1=R2=R3=R4=R灵敏度提高了1倍，且消除了非线性误差，也消除了温度误差结论：1）半桥差动测量电路的输出电压UO与电阻变化率ΔR/R呈线性变化关系，无非线性误差；2）灵敏度Ku是单臂桥测量电路的两倍；3）半桥差动测量电路具有温度补偿作用6.全桥测量电路同样选择R1=R2=R3=R4=RΔR1=ΔR2=ΔR3=ΔR4=ΔR全桥差动测量电路的灵敏度比半桥差动电路有提高了1倍，且没有非线性误差，消除了温度造成的误差][][U433211433211RRRRRRRERRRRRRRRREORRE]2-R2[]-R[U443333221111RRRRRERRRRRRRRRRREORR2E]2R2[URRRREO7.用分度号为K型的热电测量温度，热电偶分度如下表，在环境温度（冷端）为35℃时，在未进行冷端补偿的亲情况下热电偶输出电势为9.153mV35℃时对应的热电势𝐸𝐴𝐵(35.0)=𝐸(40.0)−𝐸(30.0)10×5+𝐸(30.0)=1.612−1.20310×5+1.203≈1.408补偿方法：𝐸𝐴𝐵(𝑇,0)=𝐸𝐴𝐵(𝑇,𝑇𝑛)+𝐸𝐴𝐵(𝑇𝑛,0)=9.153+1.408=10.56mV查表得温度为：260℃如果𝐸𝐴𝐵(𝑇,𝑇𝑛)=8.153；𝐸𝐴𝐵(𝑇,0)=𝐸𝐴𝐵(𝑇,𝑇𝑛)+𝐸𝐴𝐵(𝑇𝑛,0)=8.153+14.08=9.56mV温度：230~2408.己知电压前置放大器输人电阻及总电容分别为1iRM，100iCpF，求与压电加速度计相配，测1Hz振动时幅值误差是多少？解：1;1,100iifHzRMCpF信号频率放大器输入电阻电容幅值误差为：222()1()()()()10.99()()miimiimimiimimimimimdFRURCdFUCUUUUU相对误差为：(10.99)100%1%9.一应变片的电阻R=120Ω，灵敏系数k=2.05，用作应变为800/mm的传感元件。求：①R和/RR；②若电源电压U=3V，初始平衡时电桥的输出电压U0。解：10.在以钢为材料的实心圆柱形试件上，沿轴线和圆周方向各贴一片电阻为120Ω的金属应变片R1和R2（如图3-28a所示），把这两应变片接入电桥（见图3-28b）。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10.48R。试求：①轴向应变；②电桥的输出电压。解：该题条件给的有冗余，利用不同的条件可有两种解法。从题目已知：μ=0.285，k=2,R=120Ω,ΔR=0.48Ω,U=2V第一种解法：依据公式可得到：11/RRk则轴向应变为：002.02120/48.0/11KRR电桥的输出电压为：)(14.5285.1002.02221)1(21mVkUUO3.7一测量吊车起吊重物的拉力传感器如图3-29a所示。R1、R2、R3、R4按要求贴在等截面轴上。已知:等截面轴的截面积为0.00196m2，弹性模量E=2×1011N/m2，泊松比0.3，且0331.234RUVUmVR当电源电压时，电桥输出电压/0.0164;0.2RRkR应变引起的电阻变化2.05;800/kmm图3-28R1=R2=R3=R4=120Ω,所组成的全桥型电路