《传感器》习题答案及解析.docx

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1、第一章思考题与习题1、什么是传感器的静态特性它有哪些性能指标答：输入量为常量或变化很慢情况下，输出与输入两者之间的关系称为传感器的静态特性。它的性能 指标有：线性度、迟滞、重复性、灵敏度与灵敏度误差、分辨率与阈值、稳定性、温度稳定性、抗干扰稳 定性和静态误差静态测量不确定性或精度）。2、传感器动特性取决于什么因素答：传感器动特性取决于传感器的组成环节和输入量，对于不同的组成环节接触环节、模拟环节、 数字环节等）和不同形式的输入量正弦、阶跃、脉冲等）其动特性和性能指标不同。3、某传感器给定相对误差为2%FS,满度值输出为50mV,求可能出现的最大误差6 （以mV计）。当传 感器使用在满刻度的1/

2、2和1/8时计算可能产生的百分误差。并由此说明使用传感器选择适当量程的重要性。：7 = 2%/S,= 50mV；求：丸二解：7 = NxlOO%；：.8m =yyFSxlOO% = lmV JVs 1ei假设：、的=JVs 则：/ = fsi25假设: 则：7 = X1OO% =X100% = 16%-8加26.25由此说明，在测量时一般被测量接近量程（一般为量程的2/3以上），测得的值误差小一些。4、有一个传感器，其微分方程为30力/力+ 3y = 015x,其中y为输出电压（mV）, x为输入温度（L试求该传感器的时间常数十和静态灵敏度k。： 30dy/dt + 3y = 0A5x；求：工

3、=,仁?r = 10(s)k = 0.05(mV/C)解：将30力/由+ 3y = 0.15x化为标准方程式为：10力/力+ y = 0.051与一阶传感器的标准方程：了虫+丁 二乙对比有: dt5、某二阶系统传感器的自振频率加）=20ZHz,阻尼比4=0.1,假设要求传感器的输出幅值误差小于3%,试确定该传感器的工作频率范围。：/o=2（RHz, 4=0.1。求：/ 3%时的工作频率范围。解：二阶传感器频率特性（pl4-l30式）窕 c)2k k(co)k1- o.950.98 327r2 v 0.95 ,由式:叼 v 21.7kHz 。2 173.7ZzJO.98 小万2 v 1.01 1

4、 10.98 g2P2 一1 oncox O1 v IF63kHzco r=6.5mm、Ni=N2=900匝，励磁电流 Ii=35mA、 /=400Hz,试求：输出信号的灵敏度攵（mV/deg） =?励磁电压u=?4xW7x6.5xlO 3x5xlO-30.15 xW3解.k =2协N、N2- = 2x 400 x 4 x 0.035 x 900 x 900 x =77.52第四章思考题与习题1、若何改善单组式变极距型电容传感器的非线性答：对于变极距单组式电容器由于存在着原理上的非线性，所以在实际应用中必须要改善其非线性。改善 其非线性可以采用两种方法。（1）使变极距电容传感器工作在一个较小的

5、范围内（0.01 um至零点几毫米）, 而且最大 6应小于极板间距6的1/51/10。（2采用差动式，理论分析说明，差动式电容传感器的非线 性得到很大改善，灵敏度也提高一倍。2、单组式变面积型平板形线位移电容传感器，两极板相对覆盖局部的宽度为4mm,两极板的间隙为 0.5mm,极板间介质为空气，试求其静态灵敏度假设两极板相对移动2mm,求其电容变化量。1答案为 0.07pF/mm,0.142pF）：b=4mm, 5 =0.5mm, o=8.85X 10 12F/m1） k二？； （2）假设a=2mm 时 C=?。解：如以以下列图. sS sab 7 AC C = =； k =；d 63、画出并

6、说明电容传感器的等效电路及其高频和低频时的等效电路。答：电容传感器的等效电路为：其中：r：串联电阻（引线、焊接点、板极等的等效电阻）；L：分布电感（引线、焊接点、板极构造产生的）；CP：引线电容（引线、焊接点、测量电路等形成的总寄生电容）C0：传感器本身电容；Rg：漏电阻（极板间介质漏电损耗极板与外界的漏电损耗电阻）低频时等效电路和高频时等效电路分别为图a）和图（b）：4、设计电容传感器时主要应考虑哪几方面因素答：电容传感器时主要应考虑四个几方面因素：（1）减小环境温度湿度等变化所产生的影响，保证绝缘材 料的绝缘性能；2）消除和减小边缘效应；3）减小和消除寄生电容的影响；4）防止和减小外界干扰

7、。 5、何谓“电缆驱动技术采用它的目的是什么答：电缆驱动技术，即：传感器与测量电路前置级间的引线为双屏蔽层电缆，其内屏蔽层与信号传输线 即电缆芯线）通过1 ： 1放大器而为等电位，从而消除了芯线与内屏蔽层之间的电容。由于屏蔽线上有 随传感器输出信号等大变化的电压，因此称为“驱动电缆。采用“电缆驱动技术的目的是减小或消除 寄生电容的影响。6、画出电容式加速度传感器的构造示意图，并说明其工作原理。答：电容式加速度传感器的构造示意图为：其中：1、5为两个固定极板；2为壳体；3为支撑弹簧片；4质量块；A面和B面为固定在质量块上的电 容器的极板。当测量垂直方向上直线加速度时，传感器的壳体2固定在被测振动

8、体上，振动体的振动使壳体相对质 量块运动，因而与壳体固定在一起的两固定极板1、5相对质量块4运动，致使上固定极板5与质量块4 的A面组成的电容器Cxi以及下固定极板与质量块4的B面组成的电容器Cx2随之改变，一个增大，一 个减小，它们的差值正比于被测加速度，而实现测量加速度的目的。7、什么是电容式集成传感器它有何特点答：运用集成电路工艺把电容敏感元件与测量电路制作在一起构成电容式集成传感器。她的核心部件是 一个对被测量敏感的集成电容器。集成电容传感器的特点是：体积小、输出阻抗小、可批量生产、重复性 好、灵敏度高、工作温度范围宽、功耗低、寄生电容小等特点。第五章思考题与习题1、简述磁电感应式传感

9、器的工作原理。磁电感应式传感器有哪几种类型答：磁电感应式传感器是以电磁感应原理为根基的，根据法拉第电磁感应定律可知，N匝线圈在磁场 中运动切割磁力线或线圈所在磁场的磁通量变化时，线圈中所产生的感应电动势e的大小取决于穿过线圈 的磁通。的变化率，即：根据这个原理，可将磁电感应式传感器分为恒定磁通式和变磁通式两类。2、某些磁电式速度传感器中线圈骨架为什么采用铝骨架答：某些磁电式速度传感器中线圈采用铝骨架是因为线圈在磁路系统气隙中运动时，铝骨架中感应产 生涡流，形成系统的电磁阻尼力，此阻尼起到衰减固有振动和扩展频率响应范围的作用。3、何谓磁电式速度传感器的线圈磁场效应，若何补偿答：线圈磁场效应是指磁

10、电式速度传感器的线圈中感应电流产生的磁场对恒定磁场作用，而使其变化。如公式e = -知，由于B的变化而产生测量误差。补偿方法通常是采用补偿线圈与工作线圈串接，来抵消线圈中感应电流磁场对恒定磁场的影响。4、为什么磁电感应式传感器在工作频率较高时的灵敏度，会随频率增加而下降答：由理论推到可得传感器灵敏度与频率关系是：当振动频率低于传感器固有频率时，这种传感器的灵敏度是随振动频率变化；当振动频率远大于固有 频率时，传感器的灵敏度 基本上不随振动频率而变化，而近似为常数；当振动频率更高时，线圈阻抗增 大，传感器灵敏度随振动频率增加而下降。5、变磁通式传感器有哪些优缺点答：变磁通式传感器的优点是对环境条

11、件要求不高，能在一150+90吧的温度条件下工作，而不影响 测量精度，也能在油、水雾、灰尘等条件下工作。缺点主要是它的工作频率下限较高，约为50Hz,上限 可达100kHz,所以它只适用于动态量测量，不能测静态量。6、什么是霍尔效应霍尔式传感器有哪些特点答：金属或半导体薄片置于磁场中，当有电流流过时。在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势， 这种物理现象称为霍尔效应。霍尔传感器的特点是构造简单、体积小、稳固、频率响应宽从直流到微波）、 动态范围输出电动势的变化范围）大、无触点、使用寿命长、可靠性高、易于微型化和集成化。但它的 转换率较低，温度影响大，在要求转换精度较高时必须进展温度补偿。7、某

12、霍尔元件/、b、1尺寸分别为1.0cmX0.35cm0.1cm,沿/方向通以电流/=L0mA,在垂直于/面 方向加有均匀磁场B=0.3T,传感器的灵敏度系数为22V/A-T,试求其输出霍尔电动势及载流子浓度。：lXbXd=l,0cmX0.35cmX0.1cm； /=1.0mA； B=0.3T； kH=22V/A T；求：Uh=？；n=解：如图:3=_卫= = kHIB：. UH =kHIB = 22x1.0x 10-3 x 0.3 = 6.6 xlO-3Vnjn jnnnned a而：kH =：. n=n = =1- = 2.84xl0-,4l/m3nedkHed 22xl.6x 10-19

13、xO.lxlO-38、试分析霍尔元件输出接有负载Rl时，利用恒压源和输入回路串联电阻R进展温度补偿的条件。 如图，设：tO时、灵敏系数ho；输入电阻Rio；输出电阻Roo。t时，灵敏系数km;输入电阻Rio;输出电阻Roi。两者关系为：因为：UH =kHIB；而：I = YI（R + RJ所以：UH =理与_；则：V =H R + RjUHRfn LVBkHR.n LRo + Rl (Ro + & )(R + &)Vl不随温度t变化的条件是：匕。=%而：即有：假设忽略R。的影响，即Roo=0,则有：9、试说明霍尔式位移传感器的输出Uh与位移x成正比关系。答：因为霍尔电压为：UH =kHIB,假

14、设I 一定，而使霍尔元件在一个沿空间均匀梯度的磁场中运动即:B =。则有：UH =kHIkix = kx,所以霍尔式位移传感器的输出Uh与位移x成正比关系。10、霍尔式速度传感器和磁电感应式速度传感器相比，各有哪些特点。答：霍尔式速度传感器能测量慢速运动物体的速度。另外它的信号处理电路通常也集成在一起封装的，无 需外加信号处理电路，提高了抗干扰能力，并且，大多数霍尔式速度传感器输出的是数字信号，所以它与 数字逻辑、微机及PLC兼容。而磁电感应式速度传感器不适合于测量低速运动的物体。其输出为模拟信号, 假设要输出数字信号需要附加处理电路，另外，磁电感应式速度传感器可以应用于较高温度的环境，工作

15、温度超过300度，而前者工作温度范围较小。第六章思考题与习题1、什么是压电效应答：沿着一定方向对某些电介质加力而使其变形时，在一定外表上产生电荷，当外力取消，又重新回到不 带电状态，这一现象称为正压电效应。当在某些电介质的极化方向上施加电场，这些电介质在一定方向上 产生机械变形或机械压力，当外加电场散去，这些变形和应力也随之消失，此即称为逆压电效应。2、为什么压电传感器不能测量静态物理量答：压电元件送入放大器的输入电压由上式可知，用当作用在压电元件上的力是静压力（3=0）时，前置放大器输入电压等于零。因为电荷 就会通过放大器的输入电阻和传感器本身的泄漏电阻漏掉。所以压电传感器不能测量静态物理量

16、。3、压电式传感器中采用电荷放大器有何优点为什么电压灵敏度与电缆长度有关而电荷灵敏度与电缆长度 无关答：P115第七章思考题与习题1、光电式传感器常用光源有哪几种，哪些光源可用作红外光源答：光电式传感器常用光源有自然光源和人造光源，人造光源包括热辐射光源、气体放电光源、电致发光 光源和激光光源。可作为红外光源的有白炽灯、Nd： YAG固体激光器、氢窟激光器、半导体激光器和染 料激光器等。2、光电式传感器常用接收器件有哪几种，各基于什么原理各有什么特点答：光电式传感器常用接收器件按原理可分为热探测器和光子探测器两类。热探测器是基于光辐射与物 质相互作用的热效应。它其特点是：对波长没有选择性具有宽

17、广和平坦的光谱响应），只与接收到的总 能量有关，适应于红外探测。而光子探测器是基于一些物质的光电效应，即利用光子本身能量激发载流子。 其特点是：具有一定的截止波长，只能探测短于这一波长的光线，但它们的响应速度快，灵敏度高，使用 广泛。3、电荷藕合器件有哪几种，各有那几局部组成答：电荷藕合器件有线阵电荷耦合器件和面阵电荷耦合器件。它由MOS光敏单元和读出移位存放器组成。 4、电荷藕合器件中的信号电荷是若何传输的答：以典型的三相CCD为例说明CCD电荷转移的 基本原理。三和CCD是由每三个栅为一组的间隔严 密的MOS构造组成的阵列。每相隔两个栅的栅电极连接到同一驱动信号上，亦称时钟脉冲。三相时钟脉

18、 冲的波形如以以下列图所示。在H时刻，（pl高电位，（p2（p3低电位。止匕时（pl电极下的外表势最大，势 阱最深。假设此时已有信号电荷电子）注入，则电荷就被存储在（pl电极下的势阱中。t2时刻，cpk（p2 为高电位，（p3为低电位，则（pl、（p2下的两个势阱的空阱深度一样，但因（pl下面存储有电荷，则（pl势阱 的实际深度比（p2电极下面的势阱浅，例下面的电荷将向cp2下转移，直到两个势阱中具有同样多的电荷。 t3时刻，（p2仍为高电位，（p3仍为低电位，而（pl由高到低转变。此时（pl下的势阱逐渐变浅，使（pl下的 剩余电荷继续向q）2下的势阱中转移。t4时刻，（p2为高电位，（pl、

19、（p3为低电位，（p2下面的势阱最深，信 号电荷都被转移到（p2下面的势阱中，这与tl时刻的情况相似，但电荷包向右移动了一个电极的位置。当 经过一个时钟周期T后，电荷包将向右转移三个电极位置，即一个栅周期（也称一位。因此，时钟的周 期变化，就可使CCD中的电荷包在电极下被转移到输出端，其工作过程从效果上看类似于数字电路中的 移位存放器。5、简述利用CCD进展工件尺寸测量的原理及测量系统的组成。答：利用CCD进展工件尺寸测量的原理是根据工件成像轮廓覆盖的光敏单元的数量来计算工件尺寸数据。 如果在光学系统放大率为1/M的装置中，有：式中：L工件尺寸；N一覆盖的光敏单元数；d一相邻光敏单元中心距离2

20、d为图像末端两个光敏单元 之间可能的最大误差）。CCD测量系统由光学系统、图像传感器和微处理机等组成。6、试述用一维PSD进展距离测量的原理。答：一维PSD构造图如下：由于横向光电效应，当PSD工作在反向偏压状态时（公用极3正电压），流经电极1、2的电流II和 12与入射光的强度和入射光点的位置有关。如下式：乙JLzA =L(1 + 2Xa)/0由上两式得：Xa=x人二 2 L A 4 2 A+A式中：XA为入射光点位置；L为PSD的长度。 显然，通过/i与/2可确定入射光点位置Xa。7、利用由斯乃尔定律推导出的临界角c表达式，计算水（n=1.33）与空气nl）分界面的。的值。：no=l; n

21、i=l.33o求：c= 解： / sin。= % sin夕 而：=90,。=。c /. 0c= arcsin(7t0/J = arcsin(l/1.33) = 48.75 8、求1=1.46,2=1.45的光纤的NA值；假设外部的小二1,求最大入射角夕c=?：nj=1.46； n2=1.45； no=l求：NA=？； 0m=解:NA= ()sin% = (2.13-2.10)1/2 =0.173na解：*/ NA = %sin 0c /. 6m = 0c = arcs in =9.96 %9、光纤传感器有哪几种调制方式？答：光纤传感器有3种调制方法，即：光强度调制型、光相位调制型和光偏振态调制

22、型。10、利用光纤传感器进展位移测量的方法有哪些简述其工作原理。答：利用光纤传感器进展位移测量主要有反射方式和瞬逝波方式两种方法。反射式光纤传感器工作原理是从发射光纤出射的光经被测物外表直接或间接反射后，由接收光纤传到 光电器件上，光量随反射面相对光纤端面的位移而变化而实现测量位移的目的。瞬逝波光纤传感器工作原理是两光纤端面斜切，端面对光纤轴线有一样角度，斜面抛光，以便光线再 接收光纤头内形成全反射。当两光纤距离较远时，没有光通过斜切面耦合到接收光纤。但是，当两斜切面 非常接近时，由于光是一种电磁波，全内反射时虽然没有光能进入相邻介质，但电磁波却能进入相邻介质 一定的深度，此电磁波就称为瞬逝波

23、。所以，当两切面距离小于光波波长时，将有局部光透过间隙耦合到 接收光纤，距离越近，耦合能量越大，根据此原理，可制成光纤位移传感器。11、试述光栅式传感器的 基本工作原理。答：光栅式传感器是利用光栅的莫尔条纹进展测量测。光栅式传感器一般由光源、标尺光栅、指示光 栅和光电器件组成。测量时取两块光栅常数一样的光栅，其中一块用作标尺光栅，它可以移动或固定不 动），另一块用作指示光栅，它固定不动（或可以移动），两者刻线面相对，中间留有很小的间隙相叠合， 组成光栅副。将其置于光源和透镜形成的平行光束的光路中，假设两光栅栅线之间有很小的夹角，则在近 似垂直于栅线方向上显现出比栅距宽很多的明暗相间的莫尔条纹，当标尺光栅沿垂直于栅线方向每移过一 个栅距时，莫尔条纹近似沿栅线方向移过一个条纹间距。用光电器件接收莫尔条纹信号，经电路处理后用 计数器计数，可得到标尺光栅移过的距离，实现测量位移的目的。12、莫尔条纹是若何形成的它有哪些特性答：把两光栅刻线面相对，中间留有很小的间隙相叠合，将其置于光源和透镜形成的平行光束的光路 中，假设两光栅栅线之间有很小的夹角，则由于两光栅的栅线相互挡光作用的结果，在近似垂直于栅线方 向上显现出比栅距宽很多的明暗相间的莫尔条纹。莫尔条纹具有运动有严格对应关系、位移放大作用和误差平均效应等特点。