传感器考试试题及答案

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τ越__________, 其响应速度越慢;二阶传感器的固有频率ω0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是 （ ）

A 一阶传感器的时间常数τ越大, 其响应速度越快 B 二阶传感器的固有频率ω0越小, 其工作频带越宽

C 一阶传感器的时间常数τ越小, 其响应速度越快。 D 二阶传感器的固有频率ω0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__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它的灵敏系数比金属应变片的灵敏系数倍

6．电阻应变片的配用测量电路采用差动电桥时，不仅可以消除同时还能起到 的作用。

7、若应变计基长L=40mm,应变波速v=5000m/s,则上升时间tk,可测频率 。 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

l

R=ρ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

S

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．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；(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=2.1×104 N/mm2。将应变片接入直流四臂电路，供桥电压Usr =12V。试求：⑴秤重传感器的灵敏度(V/kg)?；

⑵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ε=6FL/bh2E]

3 一个量程为10kN的应变式测力传感器，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0．3，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=120Ω，灵敏系数K=2.0的电阻应变片与阻值120Ω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2µε和2000µε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：

U3

Uo=ikε=⨯2.0⨯ε=

44

差动：

{

3⨯10-6(V),

3⨯10-3(V),

(ε=2uε)(ε=2000uε)

Ui3Uo=kε=⨯2.0⨯ε=

22

灵敏度：

{

6⨯10-6(V),

6⨯10-3(V),

(ε=2uε)(ε=2000uε)

Uo

Ku==

ε

{

kUi/4=1.5⨯10-6(V/με),(单臂)kUi/2=3⨯10-6(V/με),(差动)

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=2.1×104N/mm2，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

6Flε=2

hb0E

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：

U6FlUO=iK4ε=KUi2

4hb0E

则其电压灵敏度为

Uo6lυi6⨯100⨯6

hb︒E3⨯11⨯2.1⨯10 -3

=3.463×10 (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

Ku=

F

=K

2

=2⨯

24

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µr=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，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

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

（a)

(b)

L0=

μ0πW2

l

2

(lr

2

+μrlcrc

2

)

2

=

4π⨯10-7⨯π⨯8002

=0.46(H)差动工作灵敏度：

10⨯10-32

(10⨯5

⨯10-9+3000⨯6⨯12⨯10-9

)

KL=2⋅

μ0πW2

=2

l2 4π⨯10-7⨯π⨯8002

rcμr

2

10⨯10-32

⨯1⨯10-6⨯3000

=151.6H/m=151.6mH/mm (2) 当f=1000Hz时，单线圈的感抗为 XL =ωL0 =2πf L0 =2π×1000×0.46=2890(Ω) 显然XL >线圈电阻R0，则输出电压为

E∆LUO=

2L0

测量电路的电压灵敏度为

UE1.8VKu=0===1.96V/H=1.96mV/mH

∆L2L02⨯0.46H

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

K=KL⋅Ku=151.6mH/mm⨯1.96mV/mH =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=40Ω，L= 30mH，用两只匹配电阻设计成四臂等阻抗电桥，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Usc与输入电压Usr之间的相位差。 解：（1） 线圈感抗

XL=ωL=2πfL=2π⨯400⨯30⨯10-3=75.4（Ω） 线圈的阻抗

故其电桥的匹配电阻(见习题图

3-16)

Z=R2+XL=402+75.42=85.4(Ω)

2

∙∙

R3 = R4 =Z=85.4（Ω）

（2）当ΔZ=10Ω时，电桥的输出电压分别为

U∆Z410Usc=sr=⨯=0.117(V)

4Z485.4单臂工作： 双臂差动工作：

Usc=

Usr∆Z410

=⨯=0.234(V)2Z285.4

R40

=tan-1=27.9︒ωL75.4 （3）

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=4×4mm2，气隙总长度δ= 0.8mm，

衔铁最大位移△δ=±0.08mm，激励线圈匝数W=2500匝，导线直径d=0.06mm，电阻率ρ=1.75×10-6Ω.cm，当激励电源频率f=4000Hz时，忽略ϕ=tan-1

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）

μ0W2S4π⨯10-7⨯25002⨯4⨯4δ=⨯10-6

L=0.8⨯10-3=1.57⨯10-1H=157mH

（2）衔铁位移Δδ=+0.08mm时，其电感值

μW2S4π⨯10-7⨯25002

⨯4⨯4⨯10-6

L+=δ+∆δ⨯2=

(0.8+2⨯0.08)⨯10-3

=1.31×10-1

(H)=131mH

衔铁位移Δδ=﹣0.08mm时，其电感值

μ0W2S4π⨯10-7⨯25002⨯4⨯4⨯10-6

L-=δ-∆δ⨯2=

0.8-2⨯0.08⨯10-3

=1.96×10-1

(H)=196(mH)

故位移Δδ=±0.08mm时，电感的最大变化量为

ΔL=L-﹣L+=196﹣131=65(mH)

(3)线圈的直流电阻

lCp=4⨯⎛

4+0.06⎫设⎝2⎪⎭mm

为每匝线圈的平均长度，则

R=ρ

l

W⋅lCp

s=ρπd24

2500⨯4⨯⎛ ⎝

4+0.06⎫-1

=1.75⨯10-6

2⎪⎭⨯10

4

⨯(0.06⨯10-1

)

2

=249.)

=249.6

6(Ω (4)线圈的品质因数

ωL

2πfL2π⨯4000⨯1.57⨯10-1

Q=R=R=249.6Ω=15.8

(5)当存在分布电容200PF时，其等效电感值

Lp==

L1-ω2LC

=

L1+2πfLC

2

1.57⨯10-1

1-2π⨯4000⨯1.57⨯10-1⨯200⨯10-12

2

=1.60⨯10-1(H)=160mH

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，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 选择:

1、极距变化型电容传感器的灵敏度与（ B）。 Ａ、极距成正比 Ｂ、极距成反比

Ｃ、极距的平方成正比 Ｄ、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4—2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） 三个电容串联

εSεSεS

C1=1C2=2C3=3

d1， d2， d3

ddd1111

=++=1+2+3C串C1C2C3ε1Sε2Sε3S

=

则 故

d1ε2ε3+d2ε1ε3+d3ε1ε2

ε1ε2ε3S

C串=

（2）两个电容器并联

ε1ε2ε3SS

=

d1ε2ε3+d2ε1ε3+d3ε1ε2d1/ε1+d2/ε2+d3/ε3

C1=C2=C=εS

C并=C1+C2=2C=2εS

（3）柱形电容器

2πεLlnd2/d1

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：δ0=0.25mm；D=38.2mm；R=5.1kΩ；Usr=60V(交流)，频率f=400Hz。试求： (1)该电容传感器的电压灵敏度Ku (V/µm)；

(2)当电容传感器的动极板位移△δ=10µm时，输出电压Usc值。

C=

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

πε0D2

C1=C2=C0=

δ0

2

8.85⨯10-12⨯π⨯38.2⨯10-3=

4⨯0.25⨯10-3

=40.6⨯10-12(F)=40.6pF

111Xc===

ωC02πfC02π⨯400⨯40.6⨯10-12 由于

()

6

(Ω)>>R(=5.1kΩ) =9.8⨯10

则

U∆CUi∆dU0=i=

2C2δ0 0

UU60Ku=0=i==120V/mm=0.12V/μm

∆d2δ2⨯0.250从而得

(2) U0 = Ku Δd=0.12V/μm×10μm=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=±10µm，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=±1µm户时的输出电压为多少? 解：由题意可求

（1）初始电容：

ε0Sε0πr2

C0==

d0d0

8.85⨯10-12⨯π⨯4⨯10-3

=

0.3⨯10-3

=1.48⨯10-12(F)=1.48pF

()

2

∆C∆d

=Cd0，则当Δd=±10um时 由 0

∆d±10⨯10-3

∆C=C0=1.48⨯=±0.049pF

d00.3

如果考虑d1=0.3mm+10µm与d2=0.3mm﹣10µm之间的电容变化量ΔC′，则应为 ΔC′=2|ΔC|=2×0.049=0.098pF (2) 当Δd=±1µm时

∆C=

由 Ku=100mV/pF=U0/ΔC，则

U0=KuΔC=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ε=ε0=8.85×10-12F/m。测量电路参数：usr=u=Usr= 3sinωt (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

?

∙

∆d±1μm

C0=⨯1.48pF=±0.0049pF3d00.3⨯10μm

习题图4-5

解：由习题图4-5可求

初始电容

C1=C2=C0=εS/d=ε0πr2/d0

8.85⨯10-12⨯π⨯12⨯10-3-12==6.67⨯10F=6.67pF-3

0.6⨯10

变压器输出电压

∙∙∙Z2Z2-Z1∙C1-C2∙Usc=⨯2U-U=U=U

Z+ZZ+ZC+C121212

其中Z1 ,Z2 分别为差动电容传感器C1 ,C2 的阻抗.在ΔX

∙∆C∙∆x∙0.05Usc=U≈Usr=⨯3sinωt=0.25sinωt

C0d00.6(V)

()

2

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，ε=ε0=8.85×10-12F/m。测量电路参数：D1、D2为理想二极管；及R1=R2=R=10KΩ；Rf=1MΩ，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

a40⨯10-3-12ε⨯⨯b8.85⨯10⨯⨯20⨯10-30εS22C0=0==-3dd1⨯1000 -12 =3.54×10（F）=3.54pF

当动极板向右移Δx=10mm时，单个电容变化量为

∆x101∆C=C0=C0=⨯3.54=1.77(pF)a/240/22

ε0b∆x8.85⨯10-12⨯20⨯10-3⨯1⨯10-3

∆C==d01⨯10-3

=1.77⨯10-12(F)=1.77pF或，

则 C1 = C0+ΔC，C2 = C0-∆C，由双T二极管网络知其输出电压

USC = 2 k Ui fΔC

R(R+2Rf)=2RfUif∆C2(R+Rf)

=2104104+2⨯106

≈2.55(V)

8、一只电容位移传感器如习题4-7图所示，由四块置于空气中的平行平板组成。板A、C和D是固定极板；板B是活动极板，其厚度为t，它与固定极板的间距为d。B、C和D极板的长度均为a，A板的长度为2a，各板宽度为b。忽略板C和D的间隙及各板的边缘效应，试推导活动极板刀从中间位置移动x=±a/2时电容CAC和CAD的表达式(x=0时为对称位置)。 (10(4+2⨯1062))⨯106⨯36⨯106⨯1.77⨯10-12

习题图4-7

解：参见习题图4-7知

CAC是CAB与CBC串联，CAD是CAB与CBD串联。

当动极板向左位移a/2时，完全与C极板相对，此时

CAB=CBC=ε0ab/d，

则

CAC=CAB/2=CBC/2=ε0ab/2d；

CAD=ε0ab/(2d+t)。

当动极板向右移a/2时，与上相仿，有

CAC =ε0ab/(2d+t)；CAD=ε0ab/2d

9、已知平板电容传感器极板间介质为空气，极板面积S=a×a=(2x2)cm2，间隙d0=0.1mm。求：传感器的初始电容值；若由于装配关系，使传感器极板一侧间隙d0，而另一侧间隙为d0+b(b=0.01mm)，此时传感器的电容值。

解：初始电容

εSε0S8.85⨯10-12⨯2⨯2⨯10-4

C0===d0d00.1⨯10-3 -12 =35.4×10(F) =35.4pF

当装配不平衡时可取其平均间隙

d+(d0+b)bd=0=d0+22 =0.1+0.01/2=0.105(mm)

则其电容为

8.85⨯10-12⨯2⨯2⨯10-4C==d0.105⨯10-3

-12 =33.7×10(F)=33.7pF

第5章 压电式传感器

一、选择、填空题

1、压电元件的基本原理是 。目前常用的压电材料有 ， 等。

2、为消除压电传感器电缆分布电容变化对输出灵敏度的影响，可采用 ( )。

A 电压放大器； B 电荷放大器； C 前置放大器 ；D 电流放大器

3、对压电效应的描述正确的是 （ ）

A 当晶体沿一定方向伸长或压缩时在其表面会产生电荷

B 当陶瓷沿一定方向伸长或压缩时在其表面会产生电荷

C 当某些晶体或陶瓷在外电场的作用下发生形变，这种现象叫压电效应

D 晶体的压电效应是一种机电耦合效应，是由力学量（应力、应变）与电学量（电场强度、

电位移失量）之间相互耦合产生的。

二、计算分析题

1、为什么压电式传感器不能用于静态测量，只能用于动态测量中？而且是频率越高越好？ ε0S

2、什么是压电效应？试比较石英晶体和压电陶瓷的压电效应

3、设计压电式传感器检测电路的基本考虑点是什么，为什么?

4、有一压电晶体，其面积为20mm2，厚度为10mm，当受到压力P=10MPa作用时，求产生的电荷量及输出电压：

(1)零度X切的纵向石英晶体；

(2)利用纵向效应的BaTiO3。

解：由题意知，压电晶体受力为

F=PS=10×106×20×10-6=200(N)

（1）0°X切割石英晶体，εr=4.5，d11=2.31×10-12C/N

等效电容

8.85⨯10-12⨯4.5⨯20⨯10-6

Ca==d10⨯10-3 -14 =7.97×10 (F)

受力F产生电荷

Q=d11F=2.31×10-12×200=462×10-2(C)=462pC

输出电压 ε0εrS

Q462⨯10-12

Ua===5.796⨯103(V)-14Ca7.97⨯10 -12 （2）利用纵向效应的BaTiO3，εr=1900，d33=191×10C/N

等效电容

8.85⨯10-12⨯1900⨯20⨯10-6

Ca==d10⨯10-3 -12 =33.6×10(F)=33.6(pF)

受力F产生电荷

Q=d33F=191×10-12×200=38200×10-12 (C)=3.82×10-8C

输出电压 ε0εrS

Q3.82⨯10-8

Ua===1.137⨯103(V)-12Ca33.6⨯10 5、某压电晶体的电容为1000pF，kq=2.5C/cm，电缆电容CC=3000pF，示波器的输入阻抗为1MΩ

和并联电容为50pF，求：

(1)压电晶体的电压灵敏度足Ku；

(2)测量系统的高频响应；

(3)如系统允许的测量幅值误差为5％，可测最低频率是多少?

(4)如频率为10Hz，允许误差为5％，用并联连接方式，电容值是多大?

2.5C/cmKu=Kq/Ca==2.5⨯109V/cm1000pF 解：（1）

（2）高频（ω→∞）时，其响应

Ku=

=kqUamd33==FmCa+Cc+CiCa+Cc+Ci 2.5C/cm

-12 1000+3000+50⨯10F （3）系统的谐振频率

11ωn==τRCa+Cc+Ci

1==247(ras)6-12 1⨯101000+3000+50⨯10

Uω/ωnK(ω)=im=2Uam+ω/ωn由 ，得 ω/ωnγ=-1≤-5%2+ω/ωn（取等号计算）

22[] ()()ω=0.90215+ω/ωnn

2()=0.902+50.902ω5n =6.17⨯108V/cm解出 (ω/ωn)2=9.2564→ω/ωn=3.0424

ω=3.0424ωn=3.0424×247=751.5(rad/s)

f=ω/2π=751.5/2π=119.6(Hz)

（4）由上面知，当γ≤5%时，ω/ωn=3.0424

当使用频率f=10Hz时，即ω=2πf=2π×10=20π(rad/s)时

ωn=ω/3.0424=20π/3.0424=20.65(rad/s)

又由ωn=1/RC，则

C=1/ωnR=1/(20.65×1×106)=4.84×10-8(F)=4.84⨯104pF

6、分析压电加速度传感器的频率响应特性。若测量电路为电压前量放大器C总=1000pF，R

=500MΩ；传感器固有频率f0=30kHz，阻尼比ζ=0.5，求幅值误差在2％以内的使用频率范围。 总

解：压电式加速度的上限截止频率由传感器本身的频率特性决定，根据题意 1γ=-1=2%

22221-(ω/ωn)+4ζ(ω/ωn)（取等号计算） 2=1/1.02 n则

1+(ω/ωn)4﹣2(ω/ωn)2 +4×0.52(ω/ωn)2=0.96

(ω/ωn)4 ﹣(ω/ωn)2 +0.04=0

解出 (ω/ωn)2 =0.042或(ω/ωn)2 =0.96（舍去）

所以 ω/ωn =0.205 或-0.205（舍去）

ω=0.205ωn

则 fH =0.205f0 =0.205×30=6.15(kHz)

压电式加速度传感器下限截止频率取决于前置放大器特性，对电压放大器，其幅频特性

ω/ωnωτK(ω)==22+ω/ωn+ 1-(ω/ω)+4ζ22(ω/ωn)2

γ=

由题意得 ωτ+ωτ2-1≤-2% （取等号计算）

ωτ=0.98+ωτ2 (ωτ)2 =0.9604+0.9604 (ωτ)2

(ωτ)2 =24.25

ωτ=4.924

ω=4.924/τ

fL =ω/2π=4.924/(2πτ)=4.924/(2πRC)=4.924/(2π×5×108×10-9 )

=1.57(Hz)

其误差在2%以内的频率范围为： 1.57Hz~6.15kHz

7、石英晶体压电式传感器，面积为100mm2，厚度为1mm，固定在两金属板之间，用来测量通过晶体两面力的变化。材料的弹性模量为9×1010Pa，电荷灵敏度为2pC／N，相对介电常数是5.1，材料相对两面间电阻是1014Ω。一个20pF的电容和一个100MΩ的电阻与极板并联。若所加力F=0.01sin(1000t)N，求：

(1)两极板间电压峰—峰值；

(2)晶体厚度的最大变化。 解：（1）石英压电晶片的电容

ε0εrS8.85⨯10-12⨯5.1⨯100⨯10-6

Ca==d1⨯10-3 --12 =4.514 ×10 (F)

≈4.5pF

由于Ra =1014Ω，并联电容R并=100MΩ=108Ω

则总电阻 R=Ra // R并 = 1014 //108 ≈108Ω

总电容 C=Ca //C并 =4.5+20=24.5(pF)

又因 F=0.01sin(1000t)N=Fm sin(ωt)N

kq =2 pC/N

则电荷 Q=d11 F= kq F

Qm = d11 Fm = kq Fm =2 pC/N×0.01N=0.02 pC

所以

d11FmωR0.02⨯10-12⨯103⨯108

+103⨯108⨯24.5⨯10-12

=0.756×10-3 (V)=0.756mV

峰—峰值： Uim-im =2Uim =2×0.756=1.512mV Uim=+ωRC2=2

（2）应变εm =Fm /SE =0.01/(100×10-6×9×1010 )=1.11×10-9 =Δdm /d

Δdm =dεm =1×1.11×10-9 (mm)=1.11×10-9 mm

厚度最大变化量（即厚度变化的峰—峰值 ）

Δd =2Δdm =2×1.11×10-9 =2.22×10-9 (mm)

=2.22×10-12 m

8、为什么压电式传感器不能用于静态测量，只能用于动态测量中？用石英晶体加速度计及电荷放大器测量机器的振动，已知：加速度计灵敏度为5pC/g，电荷放大器灵敏度为50mV/pC，当机器达到最大加速度值时相应的输出电压幅值为2V，试求该机器的振动加速度。(g为重力加速度)

解：由题意知，振动测量系统（压电式加速度计加上电荷放大器）的总灵敏度

K=Kq•Ku =5pC/g ×50 mV/pC=250mV/g=Uo/a

式中，Uo为输出电压；a为振动系统的加速度。

则当输出电压Uo=2V时，振动加速度为

a=Uo/K=2×103/250=8(g)

5-8 用压电式传感器测量最低频率为1Hz的振动，要求在1Hz时灵敏度下降不超过5％。若测量回路的总电容为500pF，求所用电压前置放大器的输入电阻应为多大?

解： 由题意知，对于电荷放大器，动态响应幅值误差为 ω/ωnγ=-1≤-5%2+ω/ωn，（取等号计算）

ω/ωn=0.+ω/ωn2 (ω/ωn)2 =0.9025+0.9025 (ω/ωn)2

ω/ωn =3.04

τ=1/ωn =3.04/ω=3.04/(2π×1)=0.484(s)=RC

所以

R=τ/C=0.484/(500×10-12) =9.68×108Ω=968MΩ

9、 已知压电式加速度传感器的阻尼比ζ=0.1，其无阻尼固有频率f0=32kHz，若要求传感器的输出幅值误差在5％以内，试确定传感器的最高响应频率。

解： 由加速度传感器的频率特性知，动态响应幅值误差为 1-2(ωn)+(n)+4⨯0.12(n)=0.907242

1-(ω/ω)+4ζ(ω/ω) 1-(ω/ω)+4ζ(ω/ω)=1/1.05 （取等号） 2222nnγ=1-1≤5%2222

nn

(ω/ωn)4﹣1.96(ω/ωn)2 +0.093=0

解出 (ω/ωn)2 =0.0485或(ω/ωn)2 =1.912（舍去）

则 ω/ωn≈0.22

ωH =0.22ωn

则 fH =0.22f0 =0.22×32=7.04(kHz)

10、 某压电式压力传感器的灵敏度为80pC/Pa，如果它的电容量为1nF，试确定传感器在输入压力为1.4Pa时的输出电压。

解：当传感器受压力1.4 Pa时，所产生的电荷

Q=80 pC/Pa ×1.4Pa=112 pC

输出电压为

Ua =Q/Ca =112×10-12 /(1×10-9)=0.112(V)

11、一只测力环在全量程范围内具有灵敏度3.9pC/N，它与一台灵敏度为10mV/pC的电荷放大器连接，在三次试验中测得以下电压值：(1)—100mV；(2)10V；(3)—75V。试确定三次试验中的被测力的大小及性质。

解：测力环总灵敏度

K=3.9 pC/N ×10mV/pC=39 mV/N = U0/F

式中，U0为输出电压，F为被测力，所以

F1 =U01 /K=﹣100mV/39mV/N=﹣2.56N (压力)

F2 =U02 /K=10×10 3mV/39mV/N=256N (拉力)

F3 =U03 /K=﹣75×10 3mV/39mV/N=﹣1923N (压力)

12、某压电式压力传感器为两片石英晶片并联，每片厚度h=0.2mm，圆片半径r=1cm，εr=4.5，X切型d11=2.31X10-12C/N。当0.1MPa压力垂直作用于PX平面时，求传感器输出电荷Q和电极间电压Ua的值。

解：当两片石英晶片并联时，所产生电荷

Q并=2Q=2•d11 F=2•d11 •πr2

=2×2.31×10-12×0.1×106 ×π×(1×10-2 )2

=145×10-12 (C)

=145pC

总电容

C并=2C=2ε0εrS/h=2ε0εrπr2 /h

=2×8.85×10-12×4.5×π×(1×10-2)2/0.2⨯10-3

=125.1×10-12 (F)

=125.1pF

电极间电压为

U并= Q并/C并=145/125.1=1.16V

第6、10章 磁电式传感器（磁敏传感器）

一、选择、填空题

1、用磁电式传感器进行齿轮转速测量。已知齿数Z =48，测得频率 F =120Hz，则该齿轮的转速为____150r/min______。

2、

二、计算分析题

1、 简述变磁通式和恒磁通式磁电传感器的工作原理。

2、磁电式传感器的误差及其补偿方法是什么？

3、简述霍尔效应及霍尔传感器的应用场合

4、 霍尔元件能够测量哪些物理参数?霍尔元件的不等位电势的概念是什么，温度补偿的方法有

哪几种

5、某动圈式速度传感器弹簧系统的刚度k=3200N／m，测得其固有频率为20Hz，今欲将其固有

频率减小为10Hz，问弹簧刚度应为多大?

1ωn=k/m=2πf0⇒f0=k/m⇒2πm=k/f02π 解：

f0 =20Hz ， k=3200N/m时， 2πm=/20=22

f0′=10Hz时，由k=2πmf0'

(N/m) 则 k=2πmf0'=22⨯10=800

6、已知恒磁通磁电式速度传感器的固有频率为10Hz，质量块重2.08N，气隙磁感应强度为1T，单匝线圈长度为4mm，线圈总匝数1500匝，试求弹簧刚度k值和电压灵敏度Ku值(mV/(m/s))。 22()2()2 解：由ω=k/m，则

k=ω2 m=(2πf)2 m=(2π×10)2×2.08/9.8 2 =8.38×10 (N/m)

Ku =e/v=NB0l0v/v=NB0l0

=1500×1×4×10-3 =6V/(m/s)=6000mv/(m/s)

7、某磁电式传感器要求在最大允许幅值误差2％以下工作，若其相对阻尼系数ξ=0.6，试求ω/ωn的范围。

解：由磁电势传感器的幅频特性

A(ω)=

得其幅值动态误差为 (ω/ωn)21-(ω/ωn)22+4ζ2(ω/ωn)2

(ωn)4=1.0221-(ωn)2+4⨯0.62(ωn)2{[]2}

1-(ω/ωn)+4ζ(ω/ωn) 取其等号计算

解得 (ω/ωn)2 =12.354，或(ω/ωn)2 =2.067

ω/ωn =3.515，或 ω/ωn =1.438（舍去）

最大幅值误差小于2%时，其频率范围ω/ωn ≥3.515

8、某霍尔元件l×b×d=10×3.5×1mm3，沿l方向通以电流I=1.0mA，在垂直于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，试求其输出霍尔电势及载流子浓度。

解： 由 KH =1/ned，得

（1） n=1/ (KH ed)=1/(22×1.6⨯10-19×1×10-3 )=2.84×1020 /m3

（2）输出霍尔电压

UH = KH IB=22V/A•T×1.0mA×0.3T -3 =6.6×10 V=6.6mV

9、若一个霍尔器件的KH=4mV/mA·kGs，控制电流I=3mA，将它置于1Gs~5kGs变化的磁场中(设磁场与霍尔器件平面垂直)，它的输出霍尔电势范围多大?并设计一个20倍的比例放大器放大该霍尔电势。

解： UH1 = KH IB1=4mV/Ma•kGs×3mA×1Gs=12μV

UH2 = KH IB2=4mV/Ma•kGs×3mA×5kGs=60mV

设计放大倍数A=20的比例放大器，略

10、 有一霍尔元件，其灵敏度KH=1.2mV/mA·kGs，把它放在一个梯度为5kGs/mm的磁场中，如果额定控制电流是20mA，设霍尔元件在平衡点附近作±0.1mm的摆动，问输出电压范围为多少? 解：对于梯度为5kGs/mm的磁场，当霍尔元件在平衡点附近作±0.1mm的摆动时，其磁场的变化 ΔB=±5kGs/mm×0.1mm=±0.5kGs 22γ=(ω/ωn)222-1≥2%

则霍尔元件输出电压的变化范围为

ΔUH = KH I•ΔB=1.2mV/mA•kGs×20mA×(±0.5kGs) =±12mV

11、试用霍尔传感器设计磁平衡式测量电流的电路，给出电路图，试分析其工作原理，给出被测电流I1的表达式。

12、什么是霍尔效应？霍尔电动势产生的原因？霍尔电动势的大小、方向与哪些因素有关？

第7章 热电式传感器

一、填空题

1、热电偶在实际中测量温度时，需要几个定律来提供理论上的依据，这些定律分别是：____匀质导体定律__，___中间导体定律___，____连接导体定律___。

2、热电偶传感器的工作基础是__闭合回路________，产生的热电势包括_____接触_____电势和__温差___ 电势两部分。热电偶的 连接导体____定律是工业上运用补偿导线法进行温度补偿的理论基础；根据_中间导体___定律，可允许采用任意的焊接方式来焊接热电偶。

3、热敏电阻按温度系数分为，三种。

4、热电偶的工作原理是 ，热电势包括 和 两种。

5、300K时硅对0.7μm光的吸收系数α为2000cm-1,则平均透入深度

为 ；若对0.8μm光，平均透入深度为10μm，则α= 。

6、热辐射温度计中调制盘的作用。

选择:

1、热电偶的冷端处理方法有：（ AB ）

A、补偿导线法 B、冷端温度恒温法

C、相敏检波 D、串联二极管

2、热电偶中产生热电势的条件是（ BC ）

A．两热电极材料相同 B．两热电极材料不同

C．两热电极的两端温度不同 D．两热电极的两端温度相同

3、为了减小热电偶测温时的测量误差，需要进行的温度补偿方法不包括（ D ）。

A. 补偿导线法 B. 电桥补偿法

C. 冷端恒温法 D. 差动放大法

4、对于热电偶冷端温度不等于( B )，但能保持恒定不变的情况，可采用修正法。

A.20℃ B.0℃ C.10℃ D.5℃

5、热电偶中产生热电势的条件有（ B ）。

A．两热电极材料相同 B．两热电板材料不同

C．两热电极的几何尺寸不同 D．两热电极的两端点温度相同

6、对集成温度传感器，下列叙述不正确的是 （ ）

A 输出线性好 B 测量精度高

C 测量温度高 D 满量程非线性偏离小

二、计算分析题

1、 热电偶结构由哪几部分组成？

2、 用热电偶测温时为什么要进行冷端温度补偿？其冷端温度补偿的方法有哪几种？

3、热电阻温度计有哪些主要优点？

4、 已知铜热电阻—Cul00的百度电阻比W(100)=1.42，当用此热电阻测量50℃温 度时，其电阻值为多少?若测温时的电阻值为92Ω，则被测温度是多少?

解：由 W（100）=R100 /R0 =1.42，则其灵敏度为

R-R01.42R0-R00.42R0100⨯0.42K=100====0.42Ω/oC100-0100100100 ()则温度为50℃时，其电阻值为

R50 = R0 +K×50=100+0.42×50=121(Ω)

当Rt=92Ω时，由Rt = R0 +Kt，得

t=( Rt﹣R0)/K=(92﹣100)/0.42=﹣19(℃)

5、 将一灵敏度为0.08mV/℃的热电偶与电位计相连接测量其热电势，电位计接线端是30℃，若电位计上读数是60mV，热电偶的热端温度是多少?

解：

6、参考电极定律有何实际意义?已知在某特定条件下材料A与铂配对的热电势为13.967mV，材料B与铂配对的热电势是8.345mV，求出在此特定条件下，材料A与材料B配对后的热电势。 解：由标准电极定律

E (T,T0 )=EA铂(T,T0 )﹣EB铂 (T,T0 )

=13.967﹣8.345=5.622(mV)

7、 镍铬—镍硅热电偶灵敏度为0.04mV/℃，把它放在温度为1200℃处，若以指示仪表作为冷端，此处温度为50℃，试求热电势大小。

解： E(1200,50)= (1200-50)×0.04=46(mV)

8、 热电偶温度传感器的输入电路如习题图7-20所示，已知铂铑—铂热电偶在温度0~100℃之间变化时，其平均热电势波动为6µV/℃，桥路中供桥电压为4V，三个锰铜电阻(Rl、R2、R3)的阻值均为1Ω，铜电阻的电阻温度系数为α=0.004/℃，已知当温度为0℃时电桥平衡，为了使热电偶的冷端温度在0~50℃范围其热电势得到完全补偿，试求可调电阻的阻值只R5。

解：热电偶冷端补偿电势

E(t,0)=kt，

式中，k为热电偶灵敏度(k=6μV/℃)，

而补偿电桥输出电压（见习题图7-20）

U∆RURαtUiU0=i⋅==αt4R4R4 冷端补偿时有

U4k4⨯6kt=iαt⇒Ui===6000μV4α0.004=6mV

根据电桥电路，其等效电路为R1、Rcu和R2、R3分别串联后再并联，然后与电源、R串联，桥臂电阻串并联后为1Ω，由此可得

1×Ui =1⨯E/(R+1)

所以 R=E/ Ui﹣1=4000/6﹣1=665.7(Ω)

9、在某一瞬间，电阻温度计上指示温度θ2=50℃，而实际温度θ1=100℃，设电阻温度计的动态关系为

dθ2=k(θ1-θ2)dt 其中，k=0.2/s。试确定温度计达到稳定读数(0.995θ1)所需时间。

解：θ2 从50℃上升到0.995θ1 =0.995×100=99.5℃

dθdθ=k(θ1-θ2)⇒=kdtdtθ-θ12 t=60mV+30︒C=780︒C0.08mV/︒C

⎰99.5

50

td(θ1-θ2)=k⎰dt50θ-θ012

500.5-ln(θ1-θ250=kt⇒t=ln.2=23(s)0.5 10、 某热敏电阻，其B值为2900K，若冰点电阻为500KΩ，求热敏电阻在100℃时的阻值。

解：T0 =0℃=273K，R0 =500kΩ

；T=100℃=373K

则

R373 =R273 e2900(1/373-1/273) =28.98(kΩ) tdθ2=⎰kdt0θ1-θ2-⎰0.5

11、简述集成温度传感器AD590的测温原理，试用该传感器设计摄氏温度检测电路。

第7章 压电声传感器

一、选择、填空题

1、用于制作压电传感器的常用压电材料是_____石英晶体_________ 和__压电陶瓷____________，其中，为了使其具有压电效应，＿压电陶瓷＿＿＿＿＿使用前需要做＿极化＿＿＿处理。

2、压电陶瓷需要有

3、压电式传感器的输出须先经过前置放大器处理，此放大电路有 电压放大器和 电荷放大器两种形式。压电式传感器在使用电压放大器时，连接电缆长度会影响系统 测量精度 ；而使用电荷放大器时，其输出电压与传感器的 输入电荷 成正比。

选择：

1、某些物质在沿着一定方向受到力作用而发生改变时，其表面会电荷，若去掉外力就恢复到不带电的状态，这种现象称为（ A ）效应。

A．压电效应 B．磁致伸缩 C．霍尔效应 D．压磁效应

2、对石英晶体，下列说法正确的是（ A ）。

A. 沿光轴方向施加作用力，不会产生压电效应，也没有电荷产生。

B. 沿光轴方向施加作用力，不会产生压电效应，但会有电荷产生。

C. 沿光轴方向施加作用力，会产生压电效应，但没有电荷产生。

D. 沿光轴方向施加作用力，会产生压电效应，也会有电荷产生。

3、压电式传感器目前多用于测量（ B ）。

A．静态的力或压力 B．动态的力或压力

C．位移 D．温度

二、计算分析题

1、图示为利用超声波测量流体流量的原理图，试分析其工作原理。

解：设顺水流方向传输时间为t1，逆水流方向传输时间为t2，则：（10）

t1=D/cosθD/cosθ2Dvsinθ2Dvsinθ,t2=≈ ∆t= c+vsinθc-vsinθcosθ(c2-v2sin2θ)cosθc2

c2cosθc2cosθπDc2cosθ∴v=∆t Q=sv=s∆t=∆t 2Dsinθ2Dsinθ8sinθ

2、图示为利用超声波测量流体流量的原理图，设超声波在静止流体中的流速为c，试完成下列各题：

(1)简要分析其工作原理

(2)求流体的流速v

(3)求流体的流量Q

2

第8章 光电式传感器

一、选择、填空题

1、在光线作用下电子逸出物体表面向外发射称___外光电_________效应；入射光强改变物质导电率的现象称__光电导__________效应；半导体材料吸收光能后在PN结上产生电动势的效应称____光生伏特______效应。

2、电荷耦合器件的基本功能__实现信号电荷的转换存储与转移信息电荷_____。

选择：

1.光电管属于（ A ），光电池属于（ C ）。

A.外光电效应 B.内光电效应 C.光生伏特效应

2、某6码道的循环码光电码盘，光线照射时得到的编码是001100，则转角为（C）。

[1**********]0A. B. C. D.

3、基于物质的内光电效应的器件有（BCD ）

A、光电管 B、光电池 C、光敏电阻 D、光敏晶体管

4、光敏电阻的特性是（ D ）

A．有光照时亮电阻很大 B．无光照时暗电阻很小

C．无光照时暗电流很大 D．受一定波长范围的光照时亮电流很大

5、数值孔径NA是光纤的一个重要参数，以下说法不正确的是（ B ）

A．数值孔径反映了光纤的集光能力

B．光纤的数值孔径与其几何尺寸有关

C．数值孔径越大，光纤与光源的耦合越容易

D．数值孔径越大，光信号的畸变也越大

6、按传输模式光纤可分为 （ ）

A 普通光纤与通信光纤B 单模光纤与多模光纤

C 阶跃光纤与渐变光纤D 玻璃光纤与塑料光纤

7、光敏电阻适于作为 （ ）。

A 光的测量元件 B 光电导开关元件 C 加热元件 D 发光元件

二、计算分析题

1. 什么是光电效应? 什么是内、外光电效应?

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。 2 试比较光敏电阻、光电池、光敏二极管和光敏三极管的性能差异．给出什么情况下应选用哪种器件最为合适的评述。

3假如打算设计—种光电传感器，用于控制路灯的自动亮灭(天黑自动点亮，天明白动熄灭)。试问可以选择哪种光电器件?试设计电路。

4光电转速传感器的测量原理是将被测轴的转速变换成相应频率的脉冲信号，然后，测出脉冲频率即可测得转速的数值。试根据这一思路画出光电转速传感器的检测变换部分的工作原理示意图，图中的光电转换元件选用哪种光电器件比较合适?为什么？

5 利用光敏器件制成的产品计数器，具有非接触、安全可靠的特点，可广泛应用于自动化生产线的产品计数，如机械零件加工、输送线产品、汽水、瓶装酒类等。还可以用来统计出入口入员的流动情况。

试利用光电传感器设计一产品自动计数系统，简述系统工作原理。

产品计数器的工作原理，如图所示。产品在传送带上运行时，不断地遮挡光源到光敏器件间的光路，使光电脉冲电路随着产品的有无产生一个个电脉冲信号。产品每遮光一次，光电脉冲电路便产生一个脉冲信号，因此，输出的脉冲数即代表产品的数目。该脉冲经计数电路计数并由显示电路显示出来

第9章 光纤传感器

一、选择、填空题

1、从光纤传感器原理，光纤传感器可分为型两种

3、光纤是由折射率n1高的___纤芯_______和折射率n2低 的_包层________构成的双层同心圆结构。

4、某光纤n1＝1.64，n2＝1.45，其数值孔径NA为_根号下(n1^2-n2^2),____。

光纤传感器有＿＿＿＿＿、＿＿＿＿＿＿、＿＿＿＿＿＿等突出的优点，因此特别适合于＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿等场合的测量。

二、计算分析题

1. 概念:气体传感器、气敏元件的选择性，阴离子吸附、阳离子吸附、物理吸附、化学吸附，

2. 简述半导体气敏传感器的概念和分类

3. 半导体气体传感器的敏感机理有哪些?请简要说明之

4. 无机半导体气体传感器的加热电阻丝有什么作用?

5. 简述改善气敏元件的气体选择性的常用方法

6. 试说明医用二氧化碳气体分析仪的工作原理

7、 光纤损耗是如何产生的?它对光纤传感器有哪些影响?

①吸收性损耗：吸收损耗与组成光纤的材料的中子受激和分子共振有关，当光的频率与分子的振动频率接近或相等时，会发生共振，并大量吸收光能量，引起能量损耗。②散射性损耗：是由于材料密度的微观变化、成分起伏，以及在制造过程中产生的结构上的不均匀性或缺陷引起。一部分光就会散射到各个方向去，不能传输到终点，从而造成散射性损耗。③辐射性损耗：当光纤受到具有一定曲率半径的弯曲时，就会产生辐射磁粒。a弯曲半径比光纤直径大很多的弯曲b微弯曲：当把光纤组合成光缆时，可能使光纤的轴线产生随机性的微曲。

8、光导纤维为什么能够导光?光导纤维有哪些优点?光纤式传感器中光纤的主要优点有哪些?

光导纤维工作的基础是光的全内反射，当射入的光线的入射角大于纤维包层间的临界角时，就会在光纤的接口上产生全内反射，并在光纤内部以后的角度反复逐次反射，直至传递到另一端面。 优点：

a具有优良的传旋光性能，传导损耗小

b频带宽，可进行超高速测量，灵敏度和线性度好

c能在恶劣的环境下工作，能进行远距离信号的传送

功能型光纤传感器其光纤不仅作为光传播的波导，而且具有测量的功能。它可以利用外界物理因素改变光纤中光的强度、相位、偏振态或波长，从而对外界因素进行测量和数据传输。

9、在自由空间，波长λ0=500µm的光从真空进入金刚石(nd=2.4)。在通常情况下当光通过不同物质时频率是不变的，试计算金刚石中该光波的速度和波长。

解： v=c/nd =c/2.4=0.4167c ，c为光速；

λ=λ0 / nd =λ0 /2.4=0.4167λ0 =208.3μm ， λ0 为光速

4、 利用Snell定律推导出临界角θC的表达式。计算水与空气分界面(n水=1.33)的θC值。

解： n水sinθc =n0 sinπ/2=n0

sinθc= n0 / n水

θc =arcsin1/1.33=48.76°

10、求光纤n1=1.46，n2=1.45的NA值；如果外部的n0=1，求光纤的临界入射角。

解：当n0 =1时 22n-n=.46-1.45=0.1706 12NA=

所以， θc =sin-1 NA =9.82°

8-24 计算一块氧化铁被加热到100℃时，它能辐射出多少瓦的热量?(铁块的比辐射率ε在100℃时为0.09，铁块表面积为0.9m2)

解： E=σεT4 S=5.67×10-8 W/m2 •K4×0.09×3734 K4×0.9 m2 =88.9W

11、试设计光纤加速度传感器，并简述原理。

12、下图所示为光纤位移传感器原理图（反射式），简要分析其工作原理。

22

第11章 气体传感器及其应用

一、选择、填空题

二、计算分析题

1、简要说明气敏电阻传感器的工作原理，并举例说明其用途。

2、简述半导体气体传感器结构及原理，结合下图分析系统功能。

第12章 湿敏传感器及其应用

一、选择、填空题

二、计算分析题

1、简要说明湿敏电阻传感器的工作原理，并举例说明其用途。

2、简述湿度传感器的概念以及分类

3、什么是湿敏元件的湿滞回线和湿滞回差？

各种湿敏元件吸湿和脱湿的响应时间各不相同，而且吸湿和脱湿的特性曲线也不相同。一般总是脱湿比吸湿迟后，我们称这一特性为湿滞现象.

湿滞回线定义：湿滞现象可以用吸湿和脱湿特征曲线所构成的回线来表示，我们称这一回线为湿滞回线。

湿滞回差定义：在湿滞回线上所表示的最大量差值为湿滞回差。

4、简述氧化铝薄膜湿敏元件的敏感机理

下图中RH为湿度传感器，仔细阅读电路后，试完成：

⑴ 分析电路功能。

⑵ 简要说明电路工作原理

⑶若要直接从微安表读出待测物理量，需要做哪些工作？

传感器原理及其应用复习提纲

第1章 传感器的一般特性

1、 什么是传感器？传感器由哪几个部分组成？

2、传感器的静态特性与动态特性指标有哪些？试解释各性能指标的含义。

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。传感器的标定有哪几种？对传感器进行标定有何重要意义？

4、一阶传感器的时间常数τ与响应速度关系;二阶传感器的固有频率ω0与工作频带关系。

5、什么是传感器？由几部分组成？试画出传感器组成方块图。

作业第1、3、4、8

第2章 电阻应变式传感器

1、电阻应变效应及压阻效应含义：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。应变片温度补偿的措施有电桥补偿法、应变片的自补偿法、 、 等。

3、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。

4. 时还能起到温度补偿的作用。

6．应变片动态特性有哪些？若应变计基长L=20mm,应变波速v=4800m/s,则上升时间tk= ,可测频率f= 。

7、应变式传感器应用：等强度梁的电子秤、薄壁圆筒型电子秤、压力测量等

习题：P34：1、3、5、6

第3章 电感式传感器

1.各类电感式传感器结构、原理和灵敏度，如变磁阻式自感传感器、差动变压器式传感器、电涡流式传感器等。

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。

9、电感式传感器应用，如设计液罐内液体液位测量系统，作出系统结构图，并分析工作原理。 习题P51:2、4、6、10、11

第4章 电容式传感器

一、填空题

1、电容式传感器结构及原理。

2、电容式传感器的等效电路与测量电路，如电桥电路、运放式电路（输出与输入特点）。

3、电容式传感器应用，能用于检测何物理量？

如电容式加速度传感器、电容式差压传感器等。

习题：P67，1、2、4

第5章 压电式传感器

1、压电效应的基本原理，常用的压电材料有哪些？

2、压电传感器的等效电路与测量电路。为消除压电传感器电缆分布电容变化对输出灵敏度的影响，可采用电荷放大器。

3、为什么压电式传感器不能用于静态测量，只能用于动态测量中？而且是频率越高越好？

4、压电式传感器的应用：加速度、压力，超声波测距、测液位、测速等。

习题：P83，3、8、12；

第6、10章 磁电式传感器（磁敏传感器）

1、磁电式传感器分类、结构及原理（变磁通、恒磁通、动钢动圈等）。

进行齿轮转速测量。已知齿数Z =48，测得频率 F =120Hz，则该齿轮的转速为____150r/min______。

2、磁电式传感器测量电路。

3、霍尔效应原理及应用。

4、霍尔元件的不等位电势的概念是什么，温度补偿的方法有哪几种。

5、霍尔传感器应用：测量位移、测量电流（磁平衡方式测量）、测量转速的原理。

习题：P92，2、3；

第7章 热电式传感器

1、热电偶、热电阻、热敏电阻等传感器的结构、原理。掌握热电偶相关计算（如已知温度差求输出热电势等），分度表的使用，

2、热电偶在实际中测量温度时，需要几个定律来提供理论上的依据，这些定律分别是：匀质导体定律，中间导体定律，连接导体定律。

3、热电偶测温的冷端温度不为零的补偿方法与措施。

4、热敏电阻按温度系数分为 ， ， 三种。

5、集成温度传感器原理及应用，如利用AD590、DS18B20等设计摄氏温度计。

6、300K时硅对0.7μm光的吸收系数α为2000cm-1,则平均透入深度为 ；若对0.8μm光，平均透入深度为10μm，则α= 。

7、热辐射温度计中调制盘的作用

习题P110：3、6、8、13、18

第8章 光电式传感器

1、光电效应、外光电效应、内光电效应、光电导效应、光生伏特效应概念及原理。

2、各种光电效应对应的光电传感器分别是哪一些？

3、各种光电传感器的结构及原理，光谱特性、光照特性、频率特性等。

4、各种光电传感器的应用

习题P135：17、18

第9章 光纤传感器

1、光纤结构，光纤数值孔径NA的概念及与n1、n2的关系。光纤是由折射率n1高的___纤芯_______和折射率n2低 的_包层________构成的双层同心圆结构；某光纤n1＝1.65，n2＝1.42，其数值孔径NA为？

2

3、光纤传感器有＿＿＿＿＿、＿＿＿＿＿＿、＿＿＿＿＿＿等突出的优点，因此特别适合于＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿等场合的测量。

4、光纤传感器的应用，如测量位移、测量加速度的光纤传感器结构及原理。

习题P156：16、17

第11章 气体传感器及其应用

1、气体传感器、气敏元件的选择性，阴离子吸附、阳离子吸附、物理吸附、化学吸附等概念，各类气体传感器结构及原理？

2、半导体气体传感器的测试电路，无机半导体气体传感器的加热电阻丝有什么作用?

3、气体传感器的应用，如家用气体报警器、CO安全报警电路、酒精测试仪（TGS-812传感器）等。

4、简述改善气敏元件的气体选择性的常用方法

习题：1、5、10

第12章 湿度传感器及其应用

1、简要说明湿敏电阻传感器的工作原理，并举例说明其用途。

2、简述湿度传感器的概念以及分类

3、什么是湿敏元件的湿滞回线和湿滞回差？

各种湿敏元件吸湿和脱湿的响应时间各不相同，而且吸湿和脱湿的特性曲线也不相同。一般总是脱湿比吸湿迟后，我们称这一特性为湿滞现象.

4、湿度传感器应用：湿度计及其标定、粮仓湿度测控等。习题1、4、10