《传感器与检测技术》题库1. 简述传感器的概念、作用及组成。

2. 传感器的分类有哪几种？各有什么优缺点？3. 传感器是如何命名的？其代号包括哪几部分？在各种文件中如何应用？4. 传感器的静态性能指标有哪些？其含义是什么？5. 传感器的动态特性主要从哪两方面来描述？采用什么样的激励信号？其含义是什 么？（幅频、相频）（周期函数型、瞬变函数型）6. 力传感器的组成是什么？7. 弹性敏感元件的作用是什么？其分类有几种？各有何特点？8. 电阻应变式传感器的工作原理是什么？它是如何测量试件的应变的？9. 电阻应变式传感器的测量电路有哪些？各有何特点？10.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。

11.电阻应变片为什么要进行温度补偿？补偿方法有哪些？12.应变片的粘贴、固化和检查工艺有哪些？13.图1为一直流应变电桥。

12345,120i U V R R R R =====Ω，试求： ① 1R 为金属应变片，其余为外接电阻，当1R 变化量为1 1.2R ∆=Ω时，电桥输出电压?o U =② 12R R 、都是应变片，且批号相同，感受应变的极性和大小都相同，其余为外接电阻，电桥的输出电压?o U =③ 题②中，如果12R R 、感受应变的极性相反，且12 1.2R R ∆=∆=Ω，电桥的输出电压?o U =④ 由题①～③能得出什么结论与推论？图1 直流应变电桥14.压电式传感器的工作原理是什么？压电材料有哪些？15.试用石英晶体为例说明压电效应产生的过程。

16.压电陶瓷有何特点？17.压电传感器的测量电路是什么？各有何特点？18.为什么说压电式传感器只适用于动态测量而不能用于静态测量?答：因为压电式传感器是将被子测量转换成压电晶体的电荷量，可等效成一定的电容，如被测量为静态时，很难将电荷转换成一定的电压信号输出，故只能用于动态测量。

19.如图2所示电荷放大器等效电路。

压电元件为压电陶瓷，压电陶瓷的压电系数10510/ZZ d C N -=⨯，反馈电容0.01f C F μ=，若输出电压00.4U V =，求压电传感器所受力的大小？图2 电荷放大器等效电路20.石英晶体的纵向压电系数122.310/XX d C N -=⨯，晶体的长度是宽的2倍，是厚的3倍，求：① 当沿电轴方向施加4310N ⨯的力时，用反馈电容为0.01f C F μ=的电荷放大器测量的输出电压是多少？② 当沿机械轴施加力y F 时，用同样的电荷放大器测出的输出电压为3V ，y F 为多少？21.用压电式传感器测量一正弦变化的作用力，采用电荷放大器，压电元件用两片压电陶瓷并联，压电系数1219010/zz d C N -=⨯，放大器为理想运放，反馈电容3800f C pF =，实际测得放大器输出电压为010sin ()U t V ω=，试求此时的作用力?F =22.电容式传感器的工作原理是什么？可分成几种类型？各有个特点？23.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?答：如图所示是一直线位移型电容式传感器的示意图。

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 =εb （a -△x ）/d =C 0-εb ·△x /d （1）电容因位移而产生的变化量为ax C x d bC C C ∆-=∆-=-=∆00ε 其灵敏度为 d b x C K ε-=∆∆= 可见增加b 或减小d 均可提高传感器的灵敏度。

直线位移型电容式传感器24.电容式传感器的测量转换电路主要有哪些？25.有一个以空气为介质的变面积型平板电容式传感器，如图3所示，其中8,12a mm b mm ==，两极板间距为1d mm =。

当动极板在原始位置上平移了 5mm 后，求传感器电容量的变化C ∆及电容相对变化量0/C C ∆。

（空气的相对介电常数1/r F m ε=，真空的介电常数1208.85410/F m ε-=⨯） 26.变间隙电容传感器的测量电路为运算放大器电路，如图4所示。

C 0=200pF ，传感器的起始电容量C x0=20pF,定动极板距离d 0=1.5mm,运算放大器为理想放大器(即K →∞,Z i →∞),R f 极大,输入电压u 1=5sinωt V 。

求当电容传感动极板上输入一位移量△x =0.15mm 使d 0减小时,电路输出电压u 0为多少? +-u i u 0ＮＣx R fＣ0图4 运算放大器电路解：由测量电路可得ϖϖsin 45sin 515.05.15.120200000000=⨯-⨯=∆--=-=t u xd d C C u C C u i x i x /V 27.如图5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。

图3 变面积型平板电容式传感器图5 所示正方形平板电容器解：这是个变面积型电容传感器，共有4个小电容并联组成。

32.281021085.81016443124200=⨯⨯⨯⨯⨯==---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 -=-=∆8.701021041085.844321200-=⨯⨯⨯⨯⨯-=-=-=---δεa x C C K x /pFcm28.有一平面直线位移差动传感器特性其测量电路采用变压器交流电桥，结构组成如图 6所示。

电容传感器起始时b 1=b 2=b =200mm ，a 1=a 2=20mm 极距d =2mm ，极间介质为空气，测量电路u 1=3sinωt V ，且u=u 0。

试求当动极板上输入一位移量△x =5mm 时,电桥输出电压u 0。

u i图6 平面直线位移差动传感器 解：根据测量电路可得t t u a x u C C u u i i ϖϖsin 750sin 320500=⨯=∆=∆==/mV 29.电感传感器的基本原理是什么？可分成几种类型？30.电感传感器的常用的测量电路有哪些？31.电涡流传感器的工作原理是什么？形成电涡流的两个必备条件是什么？32.压阻式压力传感器的工作原理是什么？主要应用是什么？33.温度的测量方法有几种？各有何特点？34.膨胀式温度计有几种？其工作原理是什么？各有何特点？35.电阻式温度传感器的工作原理是什么？有几种类型？各有何特点？36.金属热电阻温度传感器常用的材料有哪几种？各有何特点？37.热电阻传感器的测量电路有哪些？说明每种测量电路的特点。

答：通常采用电桥电路作为测量电路。

为了克服环境温度的影响常采用下图所示的三导线四分之一电桥电路。

由于采用这种电路，热电阻的两根引线的电阻值被分配在两个相邻的桥臂中，如果t t R R 21=，则由于环境温度变化引起的引线电阻值变化造成的误差被相互抵消。

38.热电偶温度传感器的工作原理是什么？热电势的组成有几种？说明热电势产生的过程，并写出热电偶回路中总热电势的表达式。

39.试分析金属导体产生接触电动势和温差电动势的原因。

答：当A 和B 两种不同材料的导体接触时，由于两者内部单位体积的自由电子数目不同(即电子密度不同)，因此，电子在两个方向上扩散的速率就不一样。

现假设导体A的自由电子密度大于导体B的自由电子密度，则导体A扩散到导体B的电子数要比导体B扩散到导体A的电子数大。

所以导体A失去电子带正电荷，导体B 得到电子带负电荷，于是，在A、B两导体的接触界面上便形成一个由A到B的电场。

该电场的方向与扩散进行的方向相反，它将引起反方向的电子转移，阻碍扩散作用的继续进行。

当扩散作用与阻碍扩散作用相等时，即自导体A扩散到导体B 的自由电子数与在电场作用下自导体B到导体A的自由电子数相等时，便处于一种动态平衡状态。

在这种状态下，A与B两导体的接触处就产生了电位差，称为接触电动势。

对于导体A或B，将其两端分别置于不同的温度场t、t0中(t> t)。

在导体内部，热端的自由电子具有较大的动能，向冷端移动，从而使热端失去电子带正电荷，冷端得到电子带负电荷。

这样，导体两端便产生了一个由热端指向冷端的静电场。

该电场阻止电子从热端继续跑到冷端并使电子反方向移动，最后也达到了动态平衡状态。

这样，导体两端便产生了电位差，我们将该电位差称为温差电动势。

40.热电偶的基本定律有哪些？其含义是什么？有什么意义？并证明每种定律。

41.热电偶的性质有哪些？42.为什么要对热电偶进行冷端温度补偿？常用的补偿方法有几种？补偿导线的作用是什么？连接补偿导线要注意什么？43.热电偶测温线路有几种？试画出每种测温电路原理图，并写出热电势表达式。

44.已知镍铬-镍硅(K)热电偶的热端温度t＝800℃，冷端温度t＝25℃，求E(t，to) 是多少毫伏?解：由镍铬-镍硅热电偶分度表可查得E(800，0)=33.275mV，E(25，0)=1.024 mV，故可得 E(800，5)=33.275-1.024=32.251mV45.如图7所示之测温回路，热电偶的分度号为K，毫伏表的示值应为多少度?答：毫伏表的示值应为(t1-t2-60)℃。

46.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。

图7热电偶测温回路解：由镍铬-镍硅热电偶分度表查出E(40，0)=1.638mV ，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 =-⨯+=℃ 47.用镍铬-镍硅(K)热电偶测量某炉温的测量系统如图8所示，已知：冷端温度固定在0℃，t 0＝30℃，仪表指示温度为210℃，后来发现由于工作上的疏忽把补偿导线B A ''和，相互接错了，问：炉温的实际温度t 为多少度?解：实际温度应为270℃，因为接反后不但没有补偿到，还抵消了30℃，故应该加上60℃。

48.如图9所示，用K 型（镍铬-镍硅）热电偶测量炼钢炉熔融金属某一点温度，A ′、B ′为补偿导线，Cu 为铜导线。

已知1t = 40℃， 2t = 0.0℃， 3t = 20℃。

① 当仪表指示为39.314mV 时，计算被测点温度t = ? ② 如果将A ′、B ′换成铜导线，此时仪表指示为37.702mV ，再求被测点温度t = ? ③ 将热电偶直接插到熔融金属同一高度来测量此点的温度，是利用了热电偶的什么定律？如果被测液体不是金属，还能用此方法测量吗？为什么？49.用两只K 型热电偶测量两点温差，如图10所示。