传感器基础知识

第1章传感器的基本知识
一、简述题
1-1何谓结构型传感器？何谓物性型传感器？试述两者的应用特点。

1-2一个实用的传感器由哪几部分构成？各部分的功用是什么？用框图标示出你所理解的传感器系统。

1-3衡量传感器静态特性的主要指标有哪些？说明它们的含义。

1-4什么是传感器的静态特性和动态特性？差别何在？
1-5怎么评价传感器的综合静态性能和动态性能？
二、计算题
1-6有一只压力传感器的校准数据如下表所列。

根据这些数据求最小二乘法线性化的拟合直线方程，并求其线性度。

1-7液体温度传感器是一阶传感器，现已知某玻璃水银温度计特性的微分方程为4dy/dx+2y = 2×103x。

式中y为汞柱高(m)，x为被测温度(℃)。

试求：
(1) 水银温度计的传递函数；
(2) 温度计的时间常数及静态灵敏度；
(3) 若被测物体的温度是频率为0.5 Hz的正弦信号，求此时传感器的输出信号振幅误差和相角误差。

1-8今有两加速度传感器均可作为二阶系统来处理，其中一只固有频率为25 kHz，另一只为35 kHz，阻尼比均为0.3。

若欲测量频率为10kHz 的正弦振动加速度，应选用哪一只传感器？试计算测量时将带来多大的振幅误差和相位误差。

第3章电感式传感器
3-1简述变气隙式自感传感器的工作原理和输出特性，传感器的灵敏度与哪些因素有关？如何提高其灵敏度？
3-2电源频率波动对自感式传感器的灵敏度有何影响？如何确定传感器的最佳电源频率？
3-3差动变压器式传感器的等效电路包括哪些元件和参数？各自的含义是什么？
3-4试分析差动变压器式电感传感器的相敏整流测量电路的工作过程。

带相敏整流的电桥电路具有哪些优点？
3-5差动变压器式传感器的零点残余电压产生的原因是什么？怎样减小和消除它的影响？
3-6图3.38所示为差动变压器式接近开关原理图，结构中使用Ｈ型铁芯，分析它的工作原理，并设计后续信号处理电路，使被测金属部件与探头距离达设定距离时，继电器吸合。

3-7某差动变压器式传感器的技术参数如下，试说明它们的含义。

线性度：0.4% 分辨力：
零点残余电压：0.5% 热漂移：＜0.1%/℃
输出阻抗：2.5 响应时间：1 ms
3-8电涡流传感器常用的测量电路有几种？分析它们的工作原理和特点。

3-9如何利用电涡流传感器测量金属板厚度？
第5章压电式传感器
一、选择题
5-1压电式加速度传感器是( )传感器。

A．结构型B．适于测量直流信号的
C．适于测量缓变信号的D．适于测量动态信号的
5-2沿石英晶体的光轴z的方向施加作用力时，( )。

A．晶体不产生压电效应B．在晶体的电轴x方向产生电荷
C．在晶体的机械轴y方向产生电荷D．在晶体的光轴z方向产生电荷
5-3在电介质极化方向施加电场，电介质产生变形的现象称为( )。

A．正压电效应B．逆压电效应
C．横向压电效应D．纵向压电效应
5-4天然石英晶体与压电陶瓷比，石英晶体压电常数( )，压电陶瓷的稳定性( )。

A．高，差B．高，好
C．低，差D．低，好
5-5沿电轴y方向施加作用力产生电荷的压电效应称为( )。

A．横向压电效应B．纵向压电效应
C．正压电效应D．逆压电效应
5-6为提高压电传感器的输出灵敏度，将两片压电片并联在一起，此时总电荷量等于( )倍单片电荷量，总电容量等于( )倍单片电容量。

A．1，2 B．2，2
C．1，1/2 D．2，1
二、简答题
5-7什么是压电效应？纵向压电效应与横向压电效应有什么区别？
5-8压电式传感器为何不能测量静态信号？
5-9压电式传感器连接前置放大器的作用是什么？电压式与电荷式放大器有何区别？
5-10影响压电加速度传感器灵敏度的因素有哪些？如何改善？
三、计算题
5-11某石英压电元件x轴向切片d11=2.31×10-12C/N，相对介电常数er=4.5，截面积S =8 cm2，厚度h=0.6 cm，受到的纵向压力Fx=10N。

试求两极片间输出电压。

5-12某压电式传感器将两片完全相同的石英晶片的不同极性端粘接在一起，每片的尺寸为(3×2×0.3) cm3，当0.5 MPa的压力沿x轴垂直作用时，求传感器输出的电荷量和总电容。

5-13某压电式加速度计的阻尼比ξ=0.5，固有频率fn=50 kHz，其输出幅值误差规定在2%以内。

试确定其最高响应频率。

5-14某压电式加速度计的灵敏度为4 pC/g(g为重力加速度)，连接电荷放大器，其灵敏度为125 mV/pC，系统的满量程输出电压为±5 V。

试求可测试的加速度量程。

5-15对于如图5.36所示前置电荷放大器电路，设Ca=19000 pF，Ra无穷大，CF=100 pF，当A=104时，规定输出信号的衰减不大于2%，若考虑Cc的影响，对于电缆电容为50 pF/m的电缆，其最大允许长度是多少？
第6章磁电式传感器
一、简答题
6-1试述磁电感应式传感器的工作原理及基本结构。

6-2简述恒磁通式和变磁通式磁电传感器的工作原理。

6-3为什么说磁电感应式传感器是一种有源传感器？
6-4磁电式传感器与电感式传感器有哪些不同？磁电式传感器主要用于测量哪些物理量？
6-5为什么霍尔元件用半导体薄片制成？
6-6简述霍尔效应以及霍尔式传感器可能的应用场合。

6-7霍尔元件的不等位电动势的概念是什么？温度补偿的方法有哪几种？
6-8动态磁头式和静态磁头式磁栅传感器有哪些不同点？
6-9请说明鉴相型磁栅信号处理方式的基本原理。

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

6-11某霍尔元件l×b×d=10 mm×3.5 mm×1 mm，沿l方向通以电流I=1.0 mA，在垂直于lb面方向上加有均匀磁场B=0.3 T，传感器的灵敏度系数KH=22 V/(A•T)，试求其输出霍尔电动势及载流子浓度。

6-12有一霍尔元件，其灵敏度KH=1.2 mV/(mA•kGs)，把它放在一个梯度为5 kGs/mm的磁场中，如果额定控制电流是20 mA，设霍尔元件在平衡点附近作±0.1 mm的摆动，问输出电压范围是多少？
6-13有一测量转速装置，调制盘上有100对永久磁极，N、S极交替放置，调制盘由转轴带动旋转，在磁极上方固定一个霍尔元件，每通过一对磁极霍尔元件产生一个方脉冲送到计数器。

假定t=5 min采样时间内，计数器收到N=15(万)个脉冲，求转速n(r/min)。

第7章热电式传感器
一、填空题
7-1热电偶测温必须具备的条件是___________________，___________________。

7-2热电阻是将___________________转变为___________________的传感器。

7-3热敏电阻是将___________________转变为___________________的传感器。

二、简答题
7-4常用的热电阻有哪几种?适用范围如何？
7-5热敏电阻与热电阻相比较有什么优缺点？
7-6用热敏电阻进行线性温度测量时必须注意什么问题?
7-7什么是中间导体定律和中间温度定律？它们在利用热电偶测温时有什么实际意义？
7-8什么是均匀导体定律?它有什么实际意义？
7-9图7.21所示的哪根曲线属于PTC热敏电阻、NTC热敏电阻、CTR热敏电阻？
7-10热敏电阻与IC温度传感器这两种传感器有何不同？
7-11数字输出温度传感器与其他3种主要类型模拟输出温度传感器(热电偶、RTD和热敏电阻)有何不同？
7-12实验室备有铂铑-铂热电偶、铂电阻器和半导体热敏电阻器，今欲测量某设备外壳的温度，已知其温度约为300～400℃，要求精度达到±2℃，试问应选用哪一种?为什么?
三、计算题
7-13用铂铑10-铂热电偶(S型)测温，已知冷端温度TH=35℃，这时热电动势为11.348 mV。

请用补正系数法求被测温度T。

7-14用镍铬-镍硅热电偶测得高炉温度为800℃，若参考温度为25℃，问高炉的实际温度为多少？
第8章光电式传感器
一、填空题
8-1光电式传感器的物理基础是光电效应，常用的外光电器件有_________等，常用的内光电器件有_________、_________等。

8-2光敏电阻的光电流是指_________与_________之差。

8-3光敏电阻的光谱特性反映的是光敏电阻的灵敏度与_________的关系。

8-4莫尔条纹的3个重要特性是_________、_________、_________。

二、简答题
8-5什么是光电效应？光电效应有哪几种？与之对应的光电元器件各有哪些？
8-6叙述光电倍增管的工作原理。

8-7常用的半导体光电器件有哪些？它们的电路符号是什么？
8-8什么是光电器件的光谱特性？
8-9为什么说光敏电阻不适合于用作线性测量元件？
8-10莫尔条纹是如何形成的？它有哪些特性？
8-11如何提高光栅传感器的分辨力？
8-12模拟式光电传感器有哪几种常见形式？
8-13绝对式光电编码器和增量式光电编码器各有何优缺点？
8-14要想提高增量编码器的分辨力，应该如何实现？
三、计算题
8-15若两个100线/mm的光栅相互叠合，它们的夹角为0.1°，试计算所形成的莫尔条纹的宽度。

8-16用4个光敏二极管接收长光栅的莫尔条纹信号，如果光敏二极管的响应时间为1×10-6 s，光栅的线密度为50线/mm，试计算长光栅所允许的运动速度。

8-17一光电式增量编码器的计数器计了100个脉冲，对应的角位移量为=17.58°，则该编码器的分辨力为多少？
第9章光纤传感器
9-1光纤传感器与其他类型的传感器相比有何优点？
9-2什么叫功能性光强调制的光纤传感器？
9-3光纤强度调制传感器如何补偿光源强度波动对测量的影响？试给出简单结构图。

9-4相位调制光纤传感器是如何实现相位测量的?
9-5频率调制光纤传感器所依据的原理是什么？目前有哪些应用?
9-6简述光纤陀螺测量的基本原理。

第10章红外传感器
10-1红外线是指波长范围大致在_________ 范围的电磁波。

10-2红外仪器工作的3个波段区间是_________ 、_________ 和_________ 。

10-3黑体是指_____________________________。

10-4按探测机理的不同，红外传感器分为_________和_________两大类。

10-5请比较红外光子传感器和红外热传感器，简述它们的特点。

10-6简述热释电红外探测器的工作原理和应用特点。

10-7红外探测技术有哪些优点？
10-8举例说明红外探测器有哪些工业应用。

10-9红外测温技术有哪些优点？
10-10什么是辐射温度、亮度温度、比色温度？
10-11全辐射测温时发射率为0.8的物体的温度测量值TF=1000 K，物体实际温度为多少？测温误差多大？当物体发射率变为0.81后，温度测量值变化多少？
第11章其他传感器
11-1半导体气敏传感器有哪几种类型？
11-2为什么多数气敏器件都附有加热器？
11-3如何提高半导体气敏传感器对气体的选择性和气体检测灵敏度？
11-4什么叫绝对湿度和相对湿度？
11-5氯化锂和半导体陶瓷湿敏电阻各有什么特点？
11-6请利用氯化锂电阻式湿敏元件设计一个恒湿控制装置，且恒湿的值可任意设定。

11-7超声波传感器的基本原理是什么？超声波探头有哪几种结构形式？
11-8利用超声波进行厚度检测的方法是什么？
11-9在脉冲回波法测厚时，若已知超声波在工件中的声速c=5640 m/s，测得的时间间隔t=22 ，试求其工件厚度。

11-10微波的检测方法是什么？
11-11微波测湿的物理基础是什么？
11-12在图11.26所示的微波液位计中，若发射天线与接收天线的连线不平行于液面，对测量结果有什么影响？
11-13简述应力和温度对光纤光栅的影响。

11-14光纤光栅传感系统是由哪几部分构成的?试阐述其作用。

11-15什么是智能传感器?智能传感器的实现途径有哪些?
11-16 非线性校正的方法有哪些？
11-17介绍你所知道的几种智能传感器。

第12章传感器的标定
12-1传感器标定、静态标定及动态标定的意义是什么？
12-2传感器静态标定的主要步骤是什么？标定条件是什么？
12-3如何利用阶跃信号响应法确定一阶传感器的时间常数t？
12-4试组成应变式力传感器的静态标定系统。

12-5试组成热电偶温度传感器的标定系统。

12-6二阶传感器动态标定时需要确定的参数有哪些？如何利用阶跃信号响应法确定这些参数？12-7请用极差法计算例12-1的重复性误差。

12-8 S形测力传感器的标定数据如下表，试求传感器线性度、迟滞和重复性。