传感器原理与应用答案

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传感器原理与应用 期末考试 试题A 卷
(考试时间: 120 分钟)
考试科目： 传感器与检测技术
一、填空题(每小题3分，共30分)
1. 传感器是将 待测信号 转换为与之有确定对应关系 有用信号 输
出的器件或装置。

2. 一般来说，传感器由 敏感 元件， 转换 元件和 辅助 部件组
成。

3. 线绕电位器式传感器的阶梯特性包括 匝间电压 和 单匝短路电压 两方
面。

4. 在电阻应变片的电桥测量电路中，设R 1=R 2，R 3=R 4，单桥臂为应变片时，输出
电压为U 0，电桥的灵敏度为S V ，则：
半桥差动电路的输出电压为 2 U 0，电桥的灵敏度为 2 S V 。

全桥差动电路的输出电压为 4 U 0，电桥的灵敏度为 4 S V 。

5. 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
变极距 型， 变面积 型和 变介质 型三大类。

6. 差动式电感传感器的灵敏度比单个线圈的传感器的灵敏度提高 1 倍。

7. 电涡流式传感器归为 电感式 传感器。

8. 压电材料可分为 压电晶体
和 压电陶瓷 ，前者为 单 晶体，后者
为极化处理后的 多 晶体。

9. 压电传感器可等效为一个
电压源 与一只 电容 串联，也可等效为
一个 电流 与一只 电容 并联。

10. 常用的热电偶的热电极材料分为 贵重 金属和 普通 金属
两大类。

二、简答题（6题，每题5分，共30分）
1. 传感器的静态特性是什么？用哪些性能指标描述？
在静态输入时传感器所呈现出来的输入—输出特性。

传感器的静态特性主要由下列几种性能来描述。

1、线性度，2．灵敏度，3．重复性，4．迟滞(回差滞环)现象， 5、分辨率，6、稳定性，7、漂移
2. 传感器的动态特性是什么？其分析方法有哪几种？
在动态输入时，传感器所呈现出来的输入—输出特性。

其分析方法有两种 阶跃响应与频率响应。

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装订线内不许答题
3. 金属电阻应变片测量外力的原理是什么？其灵敏系数及其物理意义是什么？
外力，应力，应变，应变片应变，应变片阻值，测量电路输出电压。

输出电压反映外力。

S K 称为金属丝材料的灵敏系数，其物理意义是单位应变所引起的电阻相对变
化。

4. 什么叫压电效应？
当某些物质沿其某一方向施加压力或拉力时、会产生变形，此时这种材料的两个表面特产生符号相反的电荷。

当去掉外力后，它又重新回到不带电状态，这种现象被称为压电效应。

有时人们又把这种机械能转变为电能的现象，称为“顺压电效应”。

反之，在某些物质的极化方向上施加电场，它会产生机械变形，当去掉外加电扬后，该物质的变形陋之消失．把这种电能转变为机械能的现象，称为“逆压电效应”。

5. 什么叫热电效应？
6. 什么叫霍尔效应？
一块半导体薄片，其长度为L ，宽度为b ，厚度为d ，当它被置于磁感应强度为B 的磁场中，如果在它相对的两边通以控制电流J ，且磁场方向与电流方向j 更交，则在半导体另外两边将产生一个大小与控制电流IJ 和磁感应强度出乘积成正比的电势H U ，即IB K U H H ，其中H K 为霍尔元件的灵敏度。

这一现象称为霍尔效应，该电势称为霍尔电势，半导体薄片就是霍尔元件。

三、计算题（2题，共25分）
1. 在半导体应变片电桥电路中，其中一桥臂为半导体应变片，其余为固定电阻，该桥
路受到ε = - 6000μ应变作用。

若该电桥测量应变时的非线性误差为2 %，n=R 2/R 1=1，求该应变片的灵敏系数为多少？（15分）
2. 当差动式极距变化型的电容传感器的动极板位移为Δd =0.75mm 时，若初始电容量
C 1=C 2=80pF ，初始距离d =5mm ，试计算其非线性误差。

若差动电容为单只平板电容，其非线性误差为多少？（10分）
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四、分析题（15分）
试分析如下差动式电容传感器脉冲宽度调制电路的工作过程，画出U A 、U B 、U AB 、U F 、U G 的波形，并说明该电路的特点。

（15分）
设传感器为差动电容C
1和C 2，当双稳态触发器处于某一状态，如0Q 1,Q ==，A 点的高电位通过R l 对C 1充电，直至C 点充电电位高于参比电位r U 时，比较器A l 输出正跳变信号，此时，因0Q =，B 点为低(零)电位，电容器C 2上已充电流，通过R 2而放电，比较器A 2的“一”端电位高于“十”端，比较器输出负跳变，激励触发器翻转，使
Q 1,Q ==，于是B 点为高电位，对C 2充电；A 点为低电位，C 1放电，当比较器A 1
的“十”瑞电位低于A l “一”端参比电压r U 时，产生触发脉冲使触发器翻转，如此交替激励，触发器两端输出极性相反、宽度取决于C 1和C 2的脉冲。

当差动电容器C 1＝C 2时，电路各点电压波形如图。

由此可见，对于差动脉冲调宽电路，不论是改变平板电容器的极板面积或是极板距离
其变化量与输出量都成线性关系。

调宽线路还具有如下一些特点：
(1)不像调幅线路那样，需对元件提出线性要求，
(2)效率高，信号只要经过低通滤波器就有较大的直流输出； (3)不需要解调器；
(4)由于低通滤波器作用，对输出矩形波纯度要求不高。

(5)电路上下对称。

这些特点都是其他电容测量线路无法比拟的。