《传感器原理及应用》课程试题(A卷)

《传感器原理及应用》课程试题(A卷)
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一、填空（在下列括号中填入适当的词汇，使其原理成立）
1、传感器的灵敏度是指稳态标准条件下，输出变化量与输入变化量的比值。

对线性传感器来说，其灵敏度是常数。

2．用石英晶体制作的压电式传感器中，晶面上产生的电荷与作用在晶面上的压强成正比，而与晶片几何尺寸和面积无关。

3、有源滤波器由集成运放和__ RC网络__ 组成。

4、采用热电阻作为测量温度的元件是将温度的测量转换为电阻的测量。

5、单线圈螺线管式电感传感器主要由线圈、铁磁性外壳和可沿线圈轴
向移动的活动铁心。

6、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，其次级绕组都用同名端反向形式连接，所以又叫差动变压器式传感器。

7．闭磁路变隙式电感传感器工作时，衔铁与被测物体连接。

当被测物体移动时，引起磁路中气隙尺寸发生相对变化，从而导致圈磁阻的变化。

8、动态标定的目的，是检验测试传感器的动态性能指标。

9、在电阻应变片公式，dR/R=(1+2μ)ε+λEε中，λ代表__ 材料压阻系数。

10、已知某铜热电阻在0℃时的阻值为50Ω，则其分度号是CU50 ，对于镍铬-镍硅热电偶其正极是镍铬。

11、红外图像传感器由红外敏感元件和电子扫描电路组成。

12、空气介质变隙式电容传感器中，提高灵敏度和减少非线性误差是矛盾的，为此实际中大都采用差动式电容传感器。

13、当半导体材料在某一方向承受应力时，它的电阻率发生显著变化的现象称为半导体压阻效应。

14．影响金属导电材料应变灵敏系数K。

的主要因素是导电材料几何尺寸的变化。

15．为了测得比栅距W更小的位移量，光栅传感器要采用细分技术。

16．若测量系统无接地点时，屏蔽导体应连接到信号源的接地端
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22．下列三种铂热电阻的测量范围有一种是我
国目前使用的（ A ）。

1、金属电阻应变片与半导体材料的电阻应变效应有什么不同? 答：金属电阻的应变效应主要是由于其几何形状的变化而产生的，半导体材料的应变效应则主要取决于材料的电阻率随应变所引起的变化产生的。

2、压电式传感器测量电路的作用是什么?其核心是解决什么问题? 答：压电式传感器测量电路的作用是将压电晶体产生的电荷转换为电压信号输出，其核心是要解决微弱信号的转换与放大，得到足够强的输出信号。

3、简述光电池的工作原理？指出它应工作在电流源还是电压源状态。

答：光电池是基于光生伏特效应制成的，是自发电式，是有源器件。

它有较大面积的P--N结，当光照射在P--N结上时则在结的两端出现电动势。

它应工作在电压源状态。

4、什么是金属导体的热电效应?试说明热电偶的测温原理。

答：热电效应就是两种不同的导体或半导体A和B组成一个回路，其两端相互连接时，只要两结点处的温度不同，回路中就会产生一个电动势，该电动势的方向和大小与导体的材料及两接点的温度有关。

热电偶测温就是利用这种热电效应进行的，将热电偶的热端插入被测物，冷端接进仪表，就能测量温度。

5、简要说明差动变压器中零点残余电压的产生原因。

、答：零残电压包括基波和谐波分量。

基波分量主要是因为差动变压器两个二次绕组的结构和电气
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参数不完全相等（不对称）使感应电势幅值不等而形成；谐波分量主要由导磁材料磁化曲线的非线性引起。

6、试说明光纤的导光原理。

、答：光纤导光基于入射到光纤内的光能够实现全反射。

由于纤芯的折射率比包层的大，当入射角大于临界角时，其折射角大于90度，形成全反射，使得光不会进入包层而只在纤芯内传播。

为使进入光纤的光能够在纤芯内全反射，必须使从外部入射的光线限制在一定的入射角内，从而使入射到纤芯和包层界面的光的入射角大于临界角，即在某个临界角内的入射进入光纤的光才能实现全反射。

7. 金属电阻应变片与半导体材料的电阻应变效应有什么不同? 金属电阻的应变效应主要是由于其几何形状的变化而产生的，半导体材料的应变效应则主要取决于材料的电阻率随应变所引起的变化产生的
8. 影响差动变压器输出线性度和灵敏度的主要因素是什么？答：影响差动变压器输出线性度和灵敏度的主要因素是：传感器几何尺寸、线圈电气参数的对称性、磁性材料的残余应力、测量电路零点残余电动势等。

9.电涡流式传感器的灵敏度主要受哪些因素影响？它的主要优点是什么？答：电涡流式传感器的灵敏度主要受导体的电导率、磁导率、几何形状，线圈的几何参数，激励电流频率以及线圈到被测导体间的距离等因素影响。

电涡流式传感结构简单、频率响应宽、灵敏度高、测量范围大、抗干忧能力强，特别是有非接触测量的优点，因此在工业生产和科学技术的各个领域中得到了广泛的应用。

10．简述热电偶的几个重要定律，并分别说明它们的实用价值。

答：一是匀质导体定律：如果热电偶回路中的两个热电极材料相同，无论两接点的温度如何，热电动势为零。

根据这个定律，可以检验两个热电极材料成分是否
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相同，也可以检查热电极材料的均匀性。

二是中间导体定律：在热电偶回路中接入第三种导体，只要第三种导体的两接点温度相同，则回路中总的热电动势不变。

它使我们可以方便地在回路中直接接入各种类型的显示仪表或调节器，也可以将热电偶的两端不焊接而直接插入液态金属中或直接焊在金属表面进行温度测量。

三是标准电极定律：如果两种导体分别与第三种导体组成的热电偶所产生的热电动势已知，则由这两种导体组成的热电偶所产生的热电动势也就已知。

只要测得各种金属与纯铂组成的热电偶的热电动势，则各种金属之间相互组合而成的热电偶的热电动势可直接计算出来。

四是中间温度定律：热电偶在两接点温度t、t
时的热电动势等于该热电偶在接点温度
为t、t
n 和t
n
、t
时的相应热电动势的代数和。

中间温度定律为补偿导线的使
用提供了理论依据。

四、计算题（请列出运算步骤）
1 、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1（a）所示]，把这两应变片接入电桥[见图1（b）所示]。

若钢的泊松系数0.285
μ=，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
10.48
R
∆=Ω。

试求：①轴向应变；②电桥的输出电压。

2、某一霍尔元件尺寸为10
L mm
=， 3.5
b mm
=, 1.0
d mm
=，沿L方向通以电流
1.0
I mA
=，在垂直于L和b的方向加有均匀磁场0.3
B T
=，灵敏度为
22/()
V A T⋅，试求输出霍尔电势及载流子浓度。

3、某热电偶的两个电极为A、B,其灵敏度为0.04mV/℃，将它置于1200℃处的温度场，若指示表（冷端）处温度为50℃，试求热电势的大小？
1
①灵敏系数：
11
/
R R
k
ε
∆
==2
轴向应变：
1/0.48/1200.002
2
R R
k
ε
∆
===
②电桥的输出电压为：
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011(1)220.002 1.285 5.1422
U Uk mV εμ=+=⨯⨯⨯⨯=
2、
因为 22/(),
1.0,0.3H K V A T I mA B T =⋅== 输出霍尔电势为： 6.6H H U K IB mV ==
19
10, 3.5,
1.0 1.610L mm b mm d mm e -====⨯，
载流子浓度为： 19190.0010.328.41100.0066 1.6100.001
H IB n U ed -⨯=-
==⨯⨯⨯⨯ 3 热电偶灵敏度： k=0.04mV /℃ 工作端温度： T=1200℃ 冷端温度： T 0=50℃，
则 ()()(),0,120050,0AB AB AB E T E T E =+
12000.04/500.04/46C mV C C mV C mV
οοοο=⨯-⨯= 4、一测量吊车起吊重物的拉力传感器如图1（a ）所示。

R 1、R 2、R 3、R 4按要求贴在等截面轴上。

等截面轴的截面积为0.00196m 2，弹性模量
E=2×1011N/m 2，泊松比0.3μ=，且R 1=R 2=R 3=R 4=120Ω, 所组成的全桥型电路如题图1（b ）所示，供桥电压U=2V 。

现测得输出电压U 0=2.6mV 。

求：①等截面轴的纵向应变及横向应变为多少？②力F 为多少？
5、4霍尔元件灵敏度40/()H K V A T =⋅，控制电流 3.0I mA =，将它置于4110-⨯～4510T -⨯线性变化的磁场中，它输出的霍尔电势范围有多大？
6、某热电偶的热电势在E(600,0)时，输出E=5.257 mV ，若冷端温度为0℃时，测某炉温输出热电势E=5.267 mV 。

试求该加热炉实际温度是多少？ 4 因为： 21234120;
0.3;0.00196;R R R R S m μ====Ω== 1120210/;2; 2.6E N m U V U mV =⨯==
按全桥计算： 00.156U R R U
∆==Ω
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①纵向应变： //0.000812512l R R R R l k εμ∆∆∆=
===+ 横向应变： 0.0004875r l r l
μ∆∆=-=- ②力： 53.18510F SE N ε==⨯
5
因为：
4440/(), 3.0,110510H K V A T I mA B T --=⋅==⨯-⨯ 输出的霍尔电势范围：
低端 12H H U K IB V
μ== 高端 60H H U K IB V
μ== 6 已知：热端温度是600℃时，冷端温度是0℃时，有
()600,0 5.257E mV = 则该热电偶的灵敏度为
5.257/6000.008762/K mV C ο== 现测得加热炉冷端温度
为0℃，输出热电势是(),0 5.267E T mV =
得实际温度是
5.2670.008762601.14T E K
mV mV
C C
οο===
7.如图所示正方形平板电容器,极板长度a =4cm,极板间距离δ=0.2mm.若用此变面积型传感器测量位移x ,试计算该传感器的灵敏度并画出传感器的特性曲线.极板间介质为空气,F/m 1085.812-0⨯=ε。

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7解：这是个变面积型电容传感器，共有4个小电容并联组成。

32.281021085.81016443
1242
00=⨯⨯⨯⨯⨯==---δεa C /pF x kx C x a a C x 8.7032.28)
(400-=+=-=δε (x 的单位为米)
δε)400ax C C C x -=-=∆
8.7010
21041085.84432
1200-=⨯⨯⨯⨯⨯-=-=-=---δεa x C C K x /pF
cm
8．用镍铬-镍硅(K)热电偶测量温度，已知冷端温度为40℃，用高精度毫伏表测得这时的热电动势为29.188mV ，求被测点的温度。

解：由镍铬-镍硅热电偶分度表查出E(40，0)=1.638mV ，根据式计算出
30.826mV 1.638)mV (29.188E(t,0)=+=
再通过分度表查出其对应的实际温度为
9.740129
.29275.3310029.129)-(30.826700t =-⨯+= 9．已知铂铑10-铂(S)热电偶的冷端温度t 0＝25℃，现测得热电动势E(t ，t 0)
（第7页 共 3 页） ＝11.712mV ，求热端温度是多少度? 解：由铂铑10-铂热电偶分度表查出E(25，0)=0.161mV ，根据式(5-2-1)计算
出
11.873mV 0.161)mV (11.712E(t,0)=+=
再通过分度表查出其对应的实际温度为
8.1216851
.11159.1310011.851)-(11.8731200t =-⨯+
=℃。