传感器复习资料

1.1、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半导体材料的应变效答：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， 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。1.2、 直流测量电桥和交流测量电桥有什么区别？答：它们的区别主要是直流电桥用直流电源，只适用于直流元件， 如电阻应变片，交流电桥用交流电源，适用于所有电路元件，如电阻应变片、电容。1.3、简述电阻应变式传感器产生横向误差的原因。粘贴在受单向拉伸力试件上的应变片，如图2-3所示，其敏感栅是有多条直线和圆弧部图2 3横向效应分组成。这时，各直线段上的金属丝只感受沿轴向拉应变:%，电阻值将增加。但在圆弧段上,沿各微段轴向（即微段圆弧的切向）的应变与直线段不相等，因此与直线段上同样长度的微 段所产生的电阻变化就不相同，最明显的在-/2处圆弧段上，按泊松关系，在垂直方向上产生负的压应变；y，因此该段的电阻是最小的。而在圆弧的其它各段上，其轴向感受的应变由+ ；x变化到-；y。由此可见，将直的电阻丝绕成敏感栅之后，虽然长度相同，但应变状态不同，其灵敏系数降低了。这种现象称横向效应。应变片横向效应表明，当实际使用应变片时，使用条件与标定灵敏系数k时的标定规则不同时，实际k值要改变，由此可能产生较大测量误差， 当不能满足测量精确度要求时， 应进行必要的修正。1.4、采用阻值为120Q灵敏度系数 K=2.0的金属电阻应变片和阻值为 120 Q的固定电阻组 成电桥，供桥电压为 4V,并假定负载电阻无穷大。当应变片上的应变分别为1和1 000时,试求单臂、双臂和全桥工作时的输出电压，并比较三种情况下的灵敏度。K 客UKSU<<10"66解：单臂时U0二，所以应变为1时U0二二=2 10 /V，应444变为1000时应为U 04 2 104=2 10/V;K&U双臂时U"F，所以应变为1时U04 2 10"62=4 10/V,应变为1000时应为U0-34 2 102=4 10 /V ;全桥时U0二K；U ,所以应变为1时U。=8 10"6 /V ,应变为1000时应为Uo =8 10J/V。从上面的计算可知：单臂时灵敏度最低，双臂时为其两倍，全桥时 最高，为单臂的四倍。1.5、差动电桥有哪些有优点？答：差动电桥比单臂电桥的灵敏度高，此外，还可以有效地改善电桥的温度误差、非线性误差。1.6、 如图所示为一直流电桥，供电电源电动势E=3V, Rb=F4=100Q , R和R为同型号的电阻应变片，其电阻均为50 Q，灵敏度系数 K=2.0。两只应变片分别粘贴于等强度梁同一截面的正反两面。设等强度梁在受力后产生的应变为UOo题2.5图K名U2汇3汉5汇10解：此电桥为输出对称电桥，故U0二=5=15mV2 22.1、电容式传感器有哪些类型？解：电容式传感器分为变极距型、变面积型和变介质型三种类型。2.2、试分析变面积式电容传感器和变间隙式电容的灵敏度？为了提高传感器的灵敏度可采取什么措施并应注意什么问题解：以变面积式电容传感器为例进行说明，如图所示是一直线位移型电容式传感器的示意图。直线位移型电容式传感器当动极板移动 x后，覆盖面积就发生变化，电容量也随之改变，其值为C= e b (a- x) / d=C0- & b x/ d(1)电容因位移而产生的变化量为Ax.: X = C oa其灵敏度为ACebK = lxd可见增加b或减小d均可提高传感器的灵敏度。2.3、为什么说变间隙型电容传感器特性是非线性的?采取什么措施可改善其非线性特征解：下图为变间隙式电容传感器的原理图。图中为固定极板，2为与被测对象相连的活动极板。当活动极板因被测参数的改变而引起移动时,两极板间的距离 d发生变化，从而改变了两极板之间的电容量 C设极板面积为A,其静态电容量为 C =，当活动极板移动 X后，其电容量为 d1 + C= A 二Cod2d -x. x叫2当x<<d时2XX1 -1 则 C=Co(1 )(2)dd由式（1 ）可以看出电容量 C与x不是线性关系，只有当x<<d时，才可认为是最近似线形关系。同时还可以看出，要提高灵敏度，应减小起始间隙d过小时。但当d过小时，又容易引起击穿，同时加工精度要求也高了。为此，一般是在极板间放置云母、塑料膜等介电常数高的物质来改善这种情况。在实际应用中，为了提高灵敏度，减小非线性，可采用差动式结构。2.4、变间隙电容传感器的测量电路为运算放大器电路，如题4.8图所示。CO=200pF,传感器的起始电容量CXo=2OpF,定动极板距离do=1.5mm,运算放大器为理想放大器（即K8, Ztb） , Rf极大,输入电压 Ui=5sin w tV。求当电容传感动极板上输入一位移量 x=0.15mm使d。减小时，电路输出电压 u。为多少？解：由测量电路可得Uo =CoCoCx0d020020 1.55sin ，t 二-45sin tv1.5-0.152.5、如图3-22所示正方形平板电容器，极板长度a=4cm,极板间距离S =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,；0 =8.85 10"12F/m。解：这是个变面积型电容传感器,C0, 24 ；°a4 16 10* 8.85 1042吋=28.32 /PFCx = 4 2伍 _x) © & = 28.32 _70.8x (x的单位为米)o4 ；°a4 &85 "'I4 1犷二-70.8 /PF2 104 ；°ax)cm3.1、试述影响差动变压器输出线性度和灵敏度的主要因素是什么？解：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。3.2、试述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？解：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。4.1、为什么压电传感器通常都用来测量动态或瞬态参量？解：如作用在压电组件上的力是静态力，则电荷会泄露，无法进行测量。所以压电传感器通常都用来测量动态或瞬态参量。4.2、 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 ？解:压电式传感器的产生的电量非常小，内阻很高。测量电路的作用是进行阻抗变换和放大，即要求测量电路的输入阻抗很高，输出阻抗很低，通常用高输入阻抗运放。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。4.3、 某加速度计的校准振动台，它能作50Hz和1g的振动，今有压电式加速度计出厂时标出灵敏度K= 100mW g,由于测试要求需加长导线，因此要重新标定加速度计灵敏度，假定所用的阻抗变换器放大倍数为1,电压放大器放大倍数为 100,标定时晶体管毫伏表上指示为9.13V，试画出标定系统的框图，并计算加速度计的电压灵敏度。解：此加速度计的灵敏度为9130 _K91-3 mV/g100标定系统框图如下：4.4、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。已知：ka=5pC/g， kq=50mV/pC, Vomax=2V求：ama）= ？解：因为：ka =Q/a； kq =V°/Q则有：V0 二 kakqa所以：amax二冲=8gka kq4.5、用石英晶体加速度计及电荷放大器测量机器振动，已知，加速度计灵敏度为5pC/g ；电荷放大器灵敏度为 50mV/pC最大加速度时输出幅值 2V，试求机器振动加速度。解：K -K1 K2 =5 50=250mV/g UU2000 ,Ka4gaK2504.6、什么叫正压电效应？什么叫逆压电效应？常用压材料有哪几种？答：某些电介质在沿一定的方向上受到外力的作用而变形时，内部会产生极化现象， 同时在其表面上产生电荷， 当外力去掉后，又重新回到不带电的状态，这种现象称为压电效应。这 种机械能转化成电能的现象，称为正压电效应。 反之，在电介质的极化方向上施加交变电场或电压，它会产生机械变形，当去掉外加电场时，电介质变形随之消失，这种现象称为逆压电效应。应用于压电式传感器中的压电材料通常有三类：一类是压电晶体，它是单晶体，如石英晶体、酒石酸钾钠等；另一类是经过极化处理的压电陶瓷，它是人工合成的多晶体，如 钛酸钡等；第三类是有机压电材料，是新型的压电材料，如聚偏二氯乙烯等。4.7、 一只x切型的石英晶体压电元件，其（，相对介电常数广， 横截面积 A=5cm2厚度t=0.5cm。求：（1）沿石英晶体电轴方向施加力的作用，产生电荷的压电效应称为什么？若沿电轴方向受 Fx=9.8N的压力作用时两电级间输出电压值为多大？（2） 若此元件与高输入阻抗运放连接时连接电缆的电容为Cc=4pF,该压电元件的输出电压 值为多大？解:（ 1 ）沿石英晶体电轴方向施加力的作用，产生电荷的压电效应称为纵向压电效应。对于x切型的石英晶体压电元件，纵向受力时，产生的电荷量为qx =%出=2.3 lxlO-'2 x 9.8 = 22.6x10'2C = 22.6pC压电元件的电容量为8485xl0_lix 4.5x5x100.5x10""两电极间的输出电压值为22*6xl0'：23,98xl0-'= 5.68r(2)此元件与高输入阻抗运放连接时，连接电缆的电容与压电元件本身的电容相并联，输出电压将改变为£3.98xl0-' + 4xl0-5.1、光电效应有哪几种 ？与之对应的光电元件各有哪些 ？答：光电效应有外光电效应、内光电效应和光生伏特效应三种。基于外光电效应的光电元件有光电管、光电倍增管等；基于内光电效应的光电元件有光敏电阻、光敏晶体管等；基于光 生伏特效应的光电元件有光电池等。5.2、 常用的半导体光电元件有哪些？它们的电路符号如何 ？ 答：常用的半导体光电元件有光敏二极管、光敏三极管和光电池三种。它们的电路符号如下图所示：光敏二极管光敏三极管光电池5.3、什么是光电元件的光谱特性 ？答：光电元件的光谱特性是指入射光照度一定时，光电元件的相对灵敏度随光波波长的变化而变化，一种光电元件只对一定波长范围的人射光敏感，这就是光电元件的光谱特性。5.4、 光电传感器由哪些部分组成 ？被测量可以影响光电传感器的哪些部分？答：光电传感器通常由光源、光学通路和光电元件三部分组成，如图所示。图中i是光源发出的光信号，2是光电器件接受的光信号，被测量可以是X1或者X2,它们能够分别造成光源本身或光学通路的变化，从而影响传感器输出的电信号I。光电传感器设计灵活，形式多样，在越来越多的领域内得到广泛的应用。X1x2X35.5、模拟式光电传感器有哪几种常见形式？答：模拟式光电传感器主要有四种。一是光源本身是被测物，它发出的光投射到光电元件上，光电元件的输出反映了光源的某些物理参数，如图a所示。这种型式的光电传感器可用于光电比色高温计和照度计； 二是恒定光源发射的光通量穿过被测物，其中一部分被吸收， 剩余的部分投射到光电元件上，吸收量取决于被测物的某些参数。如图b所示。可用于测量透明度、混浊度；三是恒定光源发射的光通量投射到被测物上，由被测物表面反射后再投射到光电元件上，如图c所示。反射光的强弱取决于被测物表面的性质和状态，因此可用于测量工件表面粗糙度、纸张的白度等；四是从恒定光源发射出的光通量在到达光电元件的途中受到 被测物的遮挡，使投射到光电元件上的光通量减弱，光电元件的输出反映了被测物的尺寸或位置。如图d所示。这种传感器可用于工件尺寸测量、振动测量等场合。a)a）被测量是光源b)b ）被测量吸收光通量3c)1 2d)c ）被测量是有反射能力的表面d ）被测量遮蔽光通量1 -被测物 2 -光电元件 3 -恒光源6.2超声波有哪些传播特性 ?答：超声波是一种在弹性介质中的机械振荡，它是由与介质相接触的振荡源所引起的。振荡源在介质中可产生两种形式的振荡，即横向振荡和纵向振荡。横向振荡只能在固体中产生， 而纵向振荡可在固体、液体和气体中产生。超声波的一种传播特性是在通过两种不同的介质时，产生折射和反射现象，超声波的另一种传播特性是在通过同种介质时，随着传播距离的增加， 其强度因介质吸收能量而减弱。9.2（ 1）如图所示为光纤传感器中光线传播原理，请推导入射角的临界入射角与空气折射率nO、纤芯折射率n1及包层折射率n2的关系式。（2）解释光纤数值孔径的物理意义。解:( 1).sin = asinjsin(90rcos吟厲 sni B = % sm 逼在纤芯和包层界面 A处，当入射角逐渐增大到临界角时，折射角等于90度，此时吗$ i叩尸$切】=n 2 s?n 9 0呂i城二乞咖=空cos 侪=光线由折射率为On的空气，从界面 O处射入纤芯时实现全反射的临界角为% 场 W即所求的关乘式为：或叫丄尿W%n0=1，试问:9.3试计算n1=1.48和n2=1.46的阶跃折射率光纤的数值孔径。如果外部是空气对于这种光纤来说，最大入射角是多少？解：根据光纤数值孔径NA定义NA = sin=>/1,4&2-1 45: = 07忻%灵=arcdii X< = arcsinOJ706 = 9.8°