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1、传感器原理及应用期末试题参考答案A一、选择题（10分，每题2分）1、B；2、A；3、C；4、C；5、A，C。二、填空题（25分，每空1分）1、敏感元件，传感元件2、金属丝式、金属箔式3、非线性误差及温度效应的目的，提高灵敏度4、滞后，线性度，重复性5、用两个完全相同的传感器，接收大小相等、符号相反的输入量，二者输出相减并取其差值6、电桥，直流电桥，交流电桥7、自感式传感器，互感式传感器，电涡流式传感器8、串联，并联9、温差，接触10、传感型光纤传感器，传光型光纤传感器，频率三、简答题（25分，每小题5分）1、什么是传感器？请画出传感器系统的组成框图，说明各环节的作用。答：传感器：是能够感受规定
2、的被测量并按照一定的规定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。传感器一般由敏感元件、转换元件和基本转换电路三部分组成。敏感元件：它是直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的某一物理量的元件。转换元件：敏感元件的输出就是它的输入，它把输入转换成电路参量。基本转换电路：上述电路参数接入基本转换电路，便可转换成电量输出。图1 传感器组成框图（图正确给2分，出现一处错误扣1分）2、举例说明结构型传感器和物性型传感器的区别答：结构型传感器遵循场的定律构成的传感器，而物性型传感器是基于物质定律构成传感器。如电容式传感器就是利用静电场定律研制的结构型传感器，而压敏式传感器则是利用半导体材料的压阻效应制成的
3、物性型传感器。（1）电容式传感器结构型传感器电容式传感器由固定极板和活动极板组成，如下图所示。其电容大小为，当电容式传感器的活动极板发生位移时，电容器的电容为。则可得：其输出灵敏度为结构型传感器的输出、灵敏度和特性主要由极板的尺寸、极板间距离和介质性质决定，与构成传感器的具体物质极板材料无关。（2）压敏传感器物性型传感器压敏式传感器是利用半导体材料的压阻效应制成的。所谓“压阻效应”是指对半导体材料施加压应力时，材料除产生变形外，其电阻率也要发生变化，且电阻率的变化除与外加应力的大小有关外，还与半导体材料的性质有关。物性型传感器主要由构成传感器的物质的性质决定。3、画出平板变间隙型电容式传感器的
4、原理图并说明工作原理。答：平行板电容器的电容为（真空介电常数；极板间的相对介电常数；有效面积；极板间距） （得1分）当被测量使得式中的A，或发生变化时，电容量C也随之变化，如果保持其中两个参数不变而仅仅改变另一个参数，就可把被测参数的变化转换为电容量的变化，因此电容量变化的大小与被测参数的大小成比例。 （得2分）故可将电容式传感器分为三种：变、变A、变，实际中常常采用的型。4、说明热电阻三线制测量电路的工作原理答：为避免和减少导线电阻对测温的影响，工业热电阻多半采用三线制接法。如下图所示：热电阻由三根粗细相等、长度相等、阻值都是的导线相连，热电阻与电桥配合使用，一根导线串联在电桥的电源上，对电
5、桥的平衡没有影响，另外两根分别串联在电桥的相邻两臂上，使两相邻臂的阻值都增大。当电桥平衡时，有由此可得若设计的电桥满足，则由上式可知，此时的电桥平衡公式和时完全一样，导线电阻对热电阻的测量没有影响，且只对电源端对称电桥的平衡状态满足。5、说明霍尔元件不等位电势产生的原因、等效电路和补偿方法。答：霍尔元件在实际应用中，存在多种因素影响其测量精度，造成测量误差的主要因素有两类：一类是半导体固有的特性；另一类是半导体制造工艺的缺陷。其表现为零位误差和温度引起的误差。1) 零位误差 造成零位误差（不等位电势）的主要原因是制造霍尔元件的工艺问题，如图6（a）所示，由于在工艺上难以保证霍尔元件两侧的霍尔电
6、势电极焊接在同一等位面上，当控制电流I流过时，即使未加外磁场，A,B两电极仍存在电位差，此电位差就称为不等位电势。 （2分） 根据霍尔元件的工作原理，可将其等效为一个四臂电桥，如图6（b）所示.。如果两个霍尔电极A,B处于同一等位面上，桥路处于平衡状态，不等位电势；如果两个霍尔电势电极不在同一等位面上，电桥不平衡，不等位电势，存在零位误差。图6 霍尔元件的不等位电势和其等效电路（2分）为了减小或消除不等位电势，可采用电桥原理补偿，即根据A,B两点电位高低，判断应在某一桥臂并联一个电阻，使电桥平衡，从而消除了零位误差。 （1分）四、综合题（40分）1、假设电阻应变片的灵敏系数K=2，且作为直流电
7、压桥的一个应变桥臂。问：在试件承600，供桥电源电压为20V时，直流电桥的输出电压、非线性误差和电压输出灵敏度为多少。答：对直流电压桥，设电源电压为，四个桥臂分别为和，则输出电压为设电桥仅有一个臂为应变计参与应变，其余桥臂均为固定电阻。此时，当感受应变而产生电阻增量时，由于，则电桥由于产生不平衡而引起的输出电压为对全等臂电桥，有，则输出电压：非线性性误差： 由此可见，全等臂电桥和输出端对称电桥的输出电压比电源端对称点桥大，即灵敏度也高。2、给出差动式自感传感器的结构，并推导差动式自感传感器的输出特性和灵敏度。答：电感变化量位移变化量衔铁在中间位置时单个线圈的电感量 （4分）其中，同理 （3分）
8、则 输出不存在偶次项，非线性得到了改善 （2分）灵敏度，在忽略高次项后得到，比单个自感传感器提高了一倍。 （1分）3、热敏电阻在0和100的电阻值分别为200k和10k。试计算该热敏电阻在20时的电阻值。答：热敏电阻的一般表达式为： 式中：RT为温度T=t+273.15(K)时的热敏电阻的电阻值；R0为温度T0=t0+273.15(K)时的热敏电阻的电阻值；设t0=20,T0=t0+273.15=293.15(K)。则上式中的R0即为所求的值。（公式正确得4分）根据题中所给条件，有 （1） （2）（1）、（2）两式两边取对数有 因此该热敏电阻在20的电阻值为：（推导步骤正确得4分，结果正确得2分）4、已知测量齿轮齿数Z=18，采用变磁通感应式传感器测量工作轴转速(如下图所示)。若测得输出电动势的交变频率为24(Hz)，求：被测轴的转速n(r/min)为多少?当分辨误差为1齿时，转速测量误差是多少?答：(1) 测量时，齿轮随工作轴一起转动，每转过一个齿，传感器磁路磁阻变化一次，磁通也变化一次，因此，线圈感应电动势的变化频率f等于齿轮的齿数Z与转速n的乘积。f=nZ/60 (r/min) (2) 读数误差为1齿，所以应为转，即： n=80 (r/min) （2分）