传感器与测控技术工程硕士思考题14级

传感器与测控技术工程硕士思考题教材：传感器原理及应用，主编：郭爱芳，西安电子科技大学出版社作为14级重点关注题1、（1.1）什么叫传感器？举例说明传感器在信息技术中的作用。P12、（1.2）在现代测量技术中，为什么把传感器的输出界定在可用信号上？ P13、（1.3）为了快速、准确、可靠地实现信息转换，传感器应满足哪些必要条件？ P14、传感器的作用P25、（1.4）传感器由哪几部分组成？简述各组成部分的功用及相互关系。P36、（1.5）传感器有哪几种分类方法？ P4-6 7、（2.3）欲测量100°C左右的温度，现有0300°C、0.5级和0120°C、1级的两支温 度计，试问选用哪一支温度计较好？为什么？8、某弹簧管压力表的测量范围为01.6MPa，准确度等级为2.5级，校验时某点出现的最大绝对误差为0.05 MPa，问这块仪表是否合格？为什么？解：该压力表的量程为：1.6-0 = 1.6MPa，压力表的最大绝对误差0.05 MPa，贝贝最大引用误差为：y= 005x 100% = 3.1% >2.5%1.6所以这块表不合格。9、传感器的静态性能指标P11410、何为线性度？ P1211、何为灵敏度？ P1412、（3.2）金属电阻丝的灵敏系数S。与应变片的灵敏系数s有何异同？13、（3.3）什么是横向效应?应变片敏感栅的结构与横向效应有何关系？14、（3.4）采用应变片进行测量时，为什么要进行温度补偿?常用的补偿方法有哪些？ P47 .15、（3.5）试说明半导体应变片与金属电阻应变片的工作原理有何区别?它们各有何特点?P40、P 574.16、（3.6）压阻式传感器受温度影响会产生哪些温度漂移？如何进行补偿？ P58417、（3.7）试述电位器式传感器的基本原理、组成部分、主要作用和优缺点。18、（3.10）采用阻值为120Q、灵敏系数S=2.0的金属电阻应变片和阻值为120Q的固定电阻组成电桥，供桥电压为4 V，并假定负载电阻R8。当被测应变为1000M £时， 试求单臂、差动半桥和差动全桥工作时的输出电压U,并比较三种情况下的电压灵敏度。（注：lp £ =10-6mm / mm）19、（3.11）在单臂电桥中，若某一桥臂为电阻应变片，其余均为固定电阻，且R1=R2O 当被测应变为1000 M £时，电桥非线性误差为1 %,该应变片的灵敏系数为多少?20、（4.1）根据参数的变化，电容式传感器有哪些类型?简述各种类型电容式传感器的工作原理。P 6521、（4.2）电容式传感器为什么多采用差动结构，差动结构有何特点？ 22、（4.3）运算放大器电路如何解决变极距式电容传感器的非线性问题？ P71423、（4.5）简述双T形电路的工作原理，画出差动电容相等和不相等时的各点电压波形。24、（4.8）什么是电容式集成传感器?它有何特点？25、（4.9）有一变极距式电容传感器，两极板的相互覆盖面积为8 cm2,两极板间的初 始间距为1 mm，极板问介质为空气，试求该传感器的位移灵敏度。26、（4.10）变极距式差动电容传感器的初始电容量C1=C2=80 pF，初始间距6 0 = 4 mm， 若动极板相对定极板位移 6 =0.8 mm，试求其灵敏度和非线性误差。若将差动结构改 为单个平板电容器，其灵敏度和非线性误差为多大？27、（4.12）已知图4.6（a）所示的变面积式电容传感器的两极板间距离为6 = 10 mm，£ = 50p F/m，两极板几何尺寸为30 mmX20 mmX5 mm （长X宽X厚），在外力作用下动极 板在初始位置向外移动10 mm，求电容变化量 C。*28、（4.13）已知圆形电容极板直径为50 mm，极板间距为0.2 mm，在两极板之间放置 一块厚度为0.1 mm的云母片，求：（1）无云母片及有云母片两种情况下的电容值C1和C2；当间距变化0.025 mm时，电容的相对变化量 Cjq和 C2/C2O29、自感传感器的分类及各自特点。P878930、（5.5 ）零点残余电压产生的原因是什么?如何消除？ P96何为零点残余电压？ P9631、（5.6 ）为什么说电涡流式传感器也属于电感传感器？ P9832、 （5.12 ）利用电涡流传感器测量板材厚度，已知激励电源频率，f = 1 MHz，被测材 料磁导率p = 4n X 10-7H/m，电阻率p = 29X10-9Qm，被测板材厚度为（1+0.2）mm，问：（1）采用高频反射式电涡流传感器测量时，涡流穿透深度h为多少？（2）能否用低频透射式电涡流传感器测量?若可以，请画出检测示意图.33、（6.1）什么是正压电效应和逆压电效应？ P11034、（6.3）电荷放大器和电压放大器各有何特点?它们分别适用于什么场合？ 35、（6.4）在使用压电元件时，常采用多片压电片串联或并联的形式。试述在不同接法 下输出电压、电荷、电容的关系，它们分别适用于何种应用场合？ P11636、（6.5）筒述压电式超声波流量计的工作原理，并推导出流量的数学表达式。P12437、（7.1）简述磁电感式传感器的工作原理和结构类型。P13338、（7.5）用磁电感应式传感器测量振动位移或加速度时，应配接何种测量电路?为什 么？ P133<ee39、（7.9）霍尔元件灵敏度SH = 40 V/（A T），控制电流I = 3.0 mA，将其置于B =1X 10-4 5X10-4T的线性变化磁场中，其输出霍尔电势的范围有多大？ 40、（7.12）何谓霍尔效应?列举12个霍尔元件的应用实例。霍尔电势与哪些因素有关？如何提高霍尔传感器灵敏度？ 41、（8.1）何谓热电效应?热电势由哪几部分组成?热电偶产生热电势原因和条件是什么？ P 15515642、 （8.2）简述热电偶的几个基本定律，分别说明它们的实用价值。并证明中间导体 定律。43、（8.3）用热电偶测量温度时，为什么要进行冷端温度补偿？常用冷端补偿方法有哪 几种?并说明其补偿原理。44、何为热电阻传感器？ P16245、常用的热电阻有哪些？写出它们的测温范围、分度号及初始电阻。P162-163 46、（8.4）说明热电阻测温原理。金属热电阻的测温电桥有哪几种接法?其作用是什么？ （热电阻传感器是利用导体或半导体的电阻率随温度变化而改变的特性来工作的。测温电桥常用三线式和四线式接法。作用是消除连接导线电阻随温度变化而造成的测量误 差。）P162 16347、 （8.5）热敏电阻有哪几种类型?分别筒述它们的特点及用途。48、（8.8）现用一支镍铭一镍铜热电偶测某换热器内温度，其冷端温度为30°C，而显示 仪表的机械零位为0°C，这时指示值为400C，若认为换热器内温度为430C，对不对? 为什么?49、（8.9）将灵敏度为0.08 mV/C热电偶与电压表相连，电压表连线端的温度为50C。 若电压表读数为60 mV，求热电偶热端的温度。50、（8.10）已知某热电偶在600C时的热电势为5.257 mV，若冷端温度为0C时，测得炉温输出的热电势为5.267 mV，试求该加热炉的实际温度。X51、 （8.11）已知热电偶的热电极A为伯铑30，热电极B为伯铑6，标准电极C为高纯 度伯丝，若测得 Eab（1084.5°C, 0°C） = 5.622 mV, Eac（1084.5°C, 0°C） = 13.937 mV,求 Ebc（1084.5°C, 0C）。52、（8.12）已知伯电阻温度计0C时电阻为100Q, 100C时电阻为139Q，求：（1）伯电阻的纯度；（2）若用该伯电阻测量某介质的温度时电阻值为218Q，试确定该介质的温度。53、（8.13）已知某负温度系数的热敏电阻，在温度为298 K时阻值Rt1 =3144Q,在温 度为303 K时阻值RT2 = 2772Q。求该热敏电阻的材料系数B和298 K时的电阻温度系 数"54、（8.14）已知某负温度系数热敏电阻的材料系数B值为2900 K,若0C时电阻值为 500 kQ,试求100C时的电阻值。55、 （9.1）何谓光电效应?光电效应有哪几种?与之对应的光电器件各有哪些？ P176 .56、光敏电阻的工作原理。P179.57、（9.3 ）简述光纤的结构和传光原理。光纤传光的必要条件是什么?光纤传感器分为 哪几种类型？ P184187.58、（9.9）某光纤的纤芯折射率为1. 56，包层折射率为1. 24,求数值孔径NA。*59、（9.10）题9.10图为光敏二极管控制继电器的电路，试说明其工作原理。P184-185 .17T；° +%JL | § | 2MbM q AB 9. 10 图60、（9.11 ）题9.11图为光敏三极管控制灯泡工作与否的开关电路，试分析其工作原理 并说明各元件在电路中的作用。题9.11图S 9.13图61、（9.13）题9. 13图为直射式光电转速传感器的原理图，被测轴上装有圆盘式光栅， 圆盘两侧分别设置发光管（光源）和光电器件，简述该传感器测量转速的原理。解：光电转速传感器如图所示为直射式光电转速传感器，它由开孔圆盘、光源、光敏元件及圆盘式光栅组 成。开孔盘的输入轴与被测轴相连，光源发出的光通过开孔盘照到光敏元件上，光电元 件将光信号转换成电信号输出，开孔盘上有许多小孔，开孔盘转一周，光电元件输出的 电脉冲的个数等于盘的开孔数。因此通过测光电元件输出的脉冲频率，可得被测转速。即 n = f/N式中：n转速；f一脉冲频率；N圆盘开孔数。62、（10.1）什么是生物传感器?有哪几种类型？ P 202463、生物传感器与传统的各种物理传感器和化学传感器的最大区别是什么？（答：在于 生物传感器的感受器中含有生命物质。）64、（11.1）气敏传感器有哪几种类型？各有什么特点?分别适合检测哪些气体？65、气敏传感器的工作机理（利用半导体与气体接触后其特性发生变化的机理，把被测 气体的成分、浓度等信息转换为电信号的传感器。）66、气敏传感器中加热器的作用。P22067、何为湿敏传感器？ 68、（11.3）湿敏传感器分哪几类?简述测湿原理。69、（11.4）简述氯化锂湿敏电阻的感湿原理。P 22770、（11.8）利用计算机网络查找气敏、湿敏和离子敏传感器的应用实例。71、举例说明气敏传感器应用实例，如：酒精测试仪工作原理。写出你所学过或了解的测量压力的传感器，并简述其中一种传感器工作原理。72、(12.1)智能传感器与传统传感器相比较具有哪些特点?并说明智能传感器的主要 功能。答：特点：(1) 精度高。具有信息处理功能，可通过软件修正各种确定性系统误差，还可适当 地补偿随机误差、降低噪声，使传感器精度大大提高。(2) 稳定性、可靠性好。它具有自诊断、自校准、数据存储和自适应功能。(3) 检测与处理方便。可根据检测对象或条件的改变，方便地改变量程及输出数据 的形式等，输出数据可送入远地计算机进行处理。(4) 功能广。可以实现多传感器多参数综合测量，扩大测量与使用范围，可以有多 种形式输出。(5) 性能价格比高。功能：(1) 具有逻辑判断、统计处理功能。(2) 具有自诊断、自校准功能。(3) 具有自适应、自调整功能。(4) 具有组态功能。(5) 具有记忆、存储功能。(6) 具有数据通讯功能。73、智能传感器包括那些部分？试对各部分的组成及其工作流程作简要说明。74、智能传感器从结构上分为几种形式？ 75、用K型热电偶测某设备的温度，测得的热电势为20mV，冷端温度为25°C，求设备 温度(保留一位小数)？如果改用E热电偶测温，在相同的条件下，E热电偶测得的热电 势为多少？已知：Ek (20,0)= 0.798mVEk (461,0)= 18.980mVEk (508,0)= 20.981mVEe(20,0)= 1.192mVEe (461,0)= 33.848mVEe (508,0)= 37.646mVEk (25,0)= 1.000mVEk (462,0)=19.023mVEk (509,0)= 21.024mVEe (25,0)= 1.497mVEe (462,0)=33.928mVEe (509,0)= 37.727mV解：Ek (t,0) = Ek (t,25) + Ek (25,0)=20 +1 = 21( mV)t = 508.4 °C解：Ee (508.4,0) = Ee (508.4,25) + E (25,0)Ee (508.4,25) = Ee (508.4,0) - E (25,0)=37.679 -1.497 = 36.1 8 2mV)76、某压力表的测量范围为O1MPa，精度等级为1级，试问此压力表允许的最大绝对误差是多少?若用标准压力计来校验该压力表，在校验点为O. 5MPa时，标准压力计上读数为O.508MPa，试问被校压力表在这一点是否符合1级精度，为什么？ 解：A 允=±1% x (1 - 0) = ±0.01"。0.5 - 0.508 一x 100% = -0.8%1|- 0.8% <1%.符合精度等级77、图为等强度梁测力系统，R1为电阻应变片，应变片灵敏系数K=2.05，未产生应变时，R1=120QO当试件受力F时，应变片承受平均应变£ =800. m/m，求：(1) 应变片电阻变化量 R1和电阻相对变化量 R1/R1；(2) 将电阻应变片R1置于单臂测量电桥，电桥电源电压为直流3V，求电桥的 输出电压及电桥非线性误差；(3) 若要减小非线性误差，应采取何种措施？并分析其电桥输出电压及非线性 误差大小。等强度梁测力系统解:(1) 竺=& = 2.05 x 800 x 10-6 = 1.64 x 10-3R1 AR】=KeR、= 0.19 6()(2) U = E AR = - x 1.64 x 10-3 = 0.00123(7)04 R、4ARi-RAR2 + iRiAR12 R、+ AR、0.19682 x 120 + 0.1968总 0.00082AR 1(或y2 Ri+iR1(3) 米用差动电桥:半桥差动：U = E ARi = 2 x 0.00123 = 0.00246(7),y = 002 Rl1AR全桥差动：U0 = E= 4 x 0.00123 = 0.00492(7), y乙=0178、如图所示，E = 4V, R1 = R2 = R3= % =100。，设负载电阻为无穷大(开路)。(1) R1为金属应变片，其余为外接电阻，当R1的增量 R1=1.0Q时，试求电桥的输 出电压U ；0(2) RR2都是应变片，且批号相同，感应应变的极性和大小都相同，其余为外接电 阻，试求电桥的输出电压U ；0(3) R，R都是应变片，且批号相同，感应应变的大小为 R = R = 1.0。，但极性相反，其余为外接电阻，试求电桥的输出电压U0。应变片电桥79、使用镍镉-镍硅热电偶，其冷端温度为40°C，问测温点为410°C时的电动势为多少？若仍使用该热电偶，测得某接点的电势为10.275mV，则被测接点的温度为多少？ 已知:E (20,0)= 0.798mVE (40,0)= 1.611mVE (290,0)= 11.793mVE (370,0)= 15.132mVE (400,0)= 16.395mVE (30,0)= 0.203mVE (280,0)= 11.381mVE (300,0)= 12.207mVE (380,0)= 15.552mVE (410,0)= 16.818mV解题提示：(1)由分度表查得 E (40,0)= 1.611mV ， E (410,0)= 16.818mV ， 由中间温度 E (t, 0) = E (t, 40) + E (40, 0)有：E (410, 40) = E (410, 0) - E (30, 0)= ？mV(2)依题意 E (t, 40) = 10.275mV则山 E (t, 0) = E (t, 40) + E (40, 0)=10.275 + 1.611 = 11.886 mV由分度表查得 E (290,0)= 11.793mV，E (300,0)= 12.207 mV由插值法t*0+ “冰T.793 x 10 C = I 12.207 -11.793)80、某电容测微仪，其传感器的圆形极板半径r = 4 mm，工作初始间距d° = 0.3 mm， 介电常数£ = 8.85X 10-12 F/m，问：(1) 工作时，若传感器与工件的间隙变化量增大 d =川m，电容变化量为多少?(2) 若测量电路的灵敏度S1= 100 mV/pF，读数仪表的灵敏度S2 = 5格/mV，当 间隙增大 d =川m时，读数仪表示值变化多少格？ 解题思路:电容式传感器的电容量：C =料= A，则初始电容量8.854 x 10-12 x 10-6 x兀 x 16 x 10305间隙变化后的电容量C， £ ° £ A _ 8.854 x 10-12 x 10-6 x兀 x 16 x 103 _ ? f_ d rAd0.3 + 0.001，P则电容变化量：AC = C0 - C = ? pF灵敏度K广土 = 100雄，所以，当间隙增大 d =川m时，输出电压:U = AC x 100 L = ? mV0pF或写成 U =££ A（ -一试求该仪表的最大绝对误差。 确定该仪表的精度等级。 经过一段时间使用后，仪表的最大绝对误差为±7C，问此时仪表的精度等级为多少？一） x 10000 r d d + Ad=8.854 x 10-12 x 10-6兀 x 16 x 106 x （上一上）x 100mV = 0.5mV300 301因为S2 = 5格/mV，0.5 mV应变化？格。81、某一标定为100600°C的温度计出厂前经校验，各点的测量结果值如下:被校表读数/C100150200250300400500600标准表读数/ C102149204256296403495606(已知：精度等级有0.5级，1.0级，1.5级，2.5级)解题思路：(1)绝对误差二测量值-真值最大绝对误差：250 - 256 = ？ ( C )或：600 - 606 = ？ ( C )(2)最大引用误差为二最大绝对误差 量程6x 100% =x 100%600 100根据数据确定精度等级为？级。(3)最大引用误差为二最大绝对误差 量程土 7x 100% =x 100%600 100二？ %该仪表的精度等级为？级。82.用分度号为K的镍铭一镍硅热电偶测量温度在没有采取冷端温度补偿的情况下，显示仪表指示值为500°C，而这时冷端温度为50°C，试问实际温度应为多少？如果热端温度不变设法使冷端温度保持在20C，此时显示仪表的指示值应为多少？ 已知：E(20,0)=0.798mVE(50,0)=2.022mVE(500,0)=20.64mVE(520,0)=21.493mVE(540,0)=22.346mVE(550,0)=22.772mVE(560,0)=23.198mVE(626,0)=26.006mVE(627,0)=26.048mVE(632,0)=26.260mVE(633,0)=26.303mVE(650,0) = 27.022mV解：显示仪表指示值为500C时，查得这时显示仪表的实际输入电动势为此时t0=50C20.64mV,艮口 E (t, t。)=20.64mV同样可以查得 E (t0 0)=2.022mVE(t,0)=E(t,t0)+E(t0,0)=20.64+2.022=22.662(mV)查表的t547.4C即被测实际温度为547.4C当热端为547.4C，冷端为20C时：由于E(20,0)= 0.798mV有：E(t,to)=E(t,0)-E(to，0)= 22.662-0.798=21.864(mV)查表：显示仪表指示值为？。C83. 要求测量某容器内的压力，就地指示即可，正常压力为0.7MPa，要求测量 误差小于或等于正常压力的土 1.0%，请在下面的测量范围和精度系列中， 选择一符合要求的压力仪表，并说明选择依据。测量范围：01.0、 01.6、 02.5、 04 MPa精 度：0.05、0.1、0.2、0.4、0.5、 1.0、 1.5解：选量程P 计=0.7X3/2=1.05Mpa选 01.6Mpa依据最大压力值不应超过满量程的2/3,最小值不应低于全量程的1/3。设：量程为X。 214 - 3 尤* 0.9 > J x解得：1.05WxW2.1选 0 1.6Mpa选精度qmaj(0.7X±1.0%)/1.6二±0.4375%选 0.4 级选类型因无特殊要求可选Y-100的弹簧管压力表进行就地指示。84. 用电容式差压传感器测液位，液位测量范围为110m，差压测量范围为0 30KPa，当传感器输出10mA时(信号范围420mA)，液位为多少？此时差压 为多少？ 10 4解：H =x (10 -1) + 2 =20 - 410 - 4 H - 2 或 =20 - 4 10 - 2AP = 10 4 x 30 = 11.25kPa20 4AP = ?提示：差压与输出电流信号，或差压与液位信号为线性关系。注意起始点。85. 综合分析计算题若将240Q的应变片贴在柱形弹性试件上，该试件的截面积A = 0.5 X 10-4m2, 材料弹性模量E = 2X 10iiN/m2。若由5X104N的拉力引起应变片电阻变化为1.2Q。(1) 求该应变片的灵敏系数K。(2) 若将电阻应变片R1置于单臂测量电桥，电桥电源电压为直流3V,求电 桥输出的电压及非线性误差。(3) 若要减小或消除非线性误差，可以采用的方法有哪些？提示：(1)应变片电阻的相对变化为ARR柱形弹性试件的应变为(注：应力正比于应变)b F 8 =E EA应变片的灵敏系数为K * =8 将电阻应变片R1置于单臂测量电桥，电桥电源电压为直流3V,则电桥输出电压为U 0 匕非线性误差为AR2 R + ARARR AR 2 +RAR(或或L 1 + 2 R(3) 要减小或消除非线性误差，可以采用的方法有1)提高桥臂比。提高桥臂比，非线性误差将减小。由下式可知，电桥的电压灵敏度将降低。为了保持灵敏度不降低，必须相应地提高电桥供电电压。Ku =jt = E (1 + n)2i2）采用差动电桥。差动电桥分半桥差动和全桥差动两种情形。半桥:E AR12 Ri全桥：？86、电涡流、应变式等传感器基于何种效应工作？ 87、电感式传感器是利用什么原理将被测非电量转换成线圈自感或互感的变化？ 88、传感器的分类方法有哪几种？ 89、何为压阻效应？ 说明：作为14级重点关注题