1、小題1.能將紅外輻射量變化轉換成電量變化的裝置成為紅外探測器。紅外探測器根據熱電效應和光子效應制成。前者成為熱敏探測器，后者成為光子探測器。2.光柵是由很多等節距的透光縫隙和不透光的可先均勻相間排列構成的光電器件。按其原理和用途，它又可分為物理光柵和計量光柵。物理光柵是利用光的衍射現象制造的，主要用于光譜分析和光波長等量的測量。計量光柵主要利用莫爾現象，測量長度、角度、速度、加速度、振動等物理量。3.以光柵的柵距作為分辨單位，只能在有合適的光柵柵距的基礎上，對柵距進一步細分，才可能獲得更高的測量精度。4.編碼器按其結構可分為接觸式、光電式和電磁式三種，后兩種為非接觸式編碼器。簡答題1、有源傳感

2、器與無源傳感器有什么差別，請舉出三個不同類型的例子。答：分為有源傳感器和無源傳感器。有源一般是將非電能量轉換為電能量，稱之為能量轉換型傳感器，也稱為換能器。通常它們配有電壓測量和放大電路，如壓電式、熱點偶、光電池等。無源傳感器又稱為能量控制型傳感器。它本身不是一個換能裝置，被測非電量僅對傳感器中的能量起控制或調節作用。所以，它們必須具有輔助能源。如電阻式、電容式和電感式2、試說明如圖所示的應變式加速度傳感器的工作原理。答：在懸臂梁的一端固定質量塊，梁的另一端用螺釘固定在殼體上，在梁的上下兩面粘貼應變片，梁和質量塊的周圍充滿阻尼液（硅油），用以產生必要的阻尼。測量震動時，將傳感器殼體和被測對象剛

3、性固定在一起，因此作用在質量塊上的慣性力F=ma使懸臂梁產生變形（應變），這樣，粘貼在梁上用應變片所構成的電橋失去平衡而輸出電壓。此輸出電壓的大小正比于外界震動加速度a。3、分析電容傳感器邊緣效應產生的原因，畫圖給出消除其影響的措施，并進行論述。答：理想條件下，平行板電容器的電場均勻分布于兩極板所圍成的空間，這僅是簡化電容量計算的一種假定，實際上在電容器的邊緣力線是不均勻的，這樣就產生了邊緣效應。a 為克服邊緣效應，首先應增大初始電容量Co，即增大極板面積，減小極板間隙。b 在結構上增設等位環來消除邊緣效應原理：等位環安放在上面電極外，且與上電極絕緣組等電位，這樣就能使上電極的邊緣電力線平直，

4、兩極間電場基本均勻，而發散的邊緣電場產生在等位環的外周不影響工作。4、簡述電渦流效應的原理，并說明如何實現測距（參見圖1）。 答：在傳感器線圈中通以交變電流I，在周圍空間形成交變電磁場H1，在處于磁場內的導體中產生渦流環。該渦流環形成的反向磁場H2，并作用于傳感器線圈，從而使得線圈的參數（電感、阻抗、品質因數）發生變化。變化的成果都取決于線圈參數（尺寸大小、電流強弱）導體參數（電導率、磁導率）和線圈與導體之間的距離。 在測量過程中，只要保證上述參數中的一個參數變化，就可以實現測量。即保證傳感器線圈不變，導體不變，則傳感器線圈的參數變化只與距離有關，從而實現測距。5、熱電偶測溫時什么要進行冷端溫

5、度補償，冷端溫度補償的方法有哪些？ 答：為了熱電勢與被測溫度成單值函數關系，需要熱電偶的冷端溫度保持恒定，由于熱電偶的溫度熱電勢關系曲線是在冷端溫度等于0下得到的，已知配套的儀表也是根據這一關系曲線進行刻度的，在測量時必須滿足冷端溫度等于0的條件，否則會出現誤差，而在實際工作時冷端受外界溫度影響很難恒定也不等于0。方法：冷端溫度恒溫法計算修正法電橋補償法6、試說明圖示的霍爾式位移傳感器的工作原理。答：當控制電流不變時，霍爾輸出的電壓與磁場大小成正比，可用來測定傳感器周圍的磁場。當磁場強度固定時，則可測量霍爾片的電流、電壓等電參。利用霍爾電動勢來控制電流與磁場大小的乘積則可制成各種運算器。對非電

6、量測量則是通過改變霍爾片在磁場中的位置來改變參量，從而改變輸出霍爾電動勢來測量位移、壓力、加速度等。7、簡述超聲波無損探傷的工作原理。 答：超聲波探傷是利用超聲能透入金屬材料的深處，并由一截面進入另一截面時，在界面邊緣發生反射的特點來檢查零件缺陷的一種方法，當超聲波束自零件表面由探頭通至金屬內部，遇到缺陷與零件底面時就分別發生反射波來，在螢光屏上形成脈沖波形，根據這些脈沖波形來判斷缺陷位置和大小。8、如書上圖所示是電容式差壓傳感器結構示意圖及其轉換電路，介紹其工作原理。 答：單電容平板壓力傳感器的結構及工作原理：電容式傳感器分為極距變化型、面積變化型，當被測參數的變化通過這三種情況之一直接影響

7、電容量的大小時，檢測出電容的變化時就等于獲得了被測參數的大小，電容式壓力傳感器常采用極距變化型。壓力使傳感器唯一的可動部件即測量膜片極板產生微小的位移，造成與固定極板所形成的電容量發生變化。雙電容平板差動型壓力傳感器的結構及工作原理：為提高靈敏度和減小非線性，大多壓力傳感器休用雙電容平板差勁結構，可動極板位于兩塊固定板極之間，與兩固定極板等距離，當壓力使可動極板向上移動時，引起差動電容增大，減小。9、什么是正壓電效應和逆壓電效應？答：當某些物質沿其耨一方向被施加壓力或拉力時，會產生形變，此時這種材料的兩個表面將產生符號相反的電荷；當去掉外力后，它后重新回到不帶點狀態這種現象稱為正壓電效應。反之

8、，在某些物質的極化方向上施加電電場，它會產生機械變形，當去掉外加電場后該物質的變形隨之消失，這種電能轉變為機械能的現象稱之為逆壓電效應。10、莫爾條紋是如何形成的？它有哪些特性？答：若將兩塊光柵（主光柵、指示光柵）疊合在一起，并且使它們的刻線成角度，由于光柵的刻線相交處形成亮帶，而在一塊光柵的刻線與另一塊光柵的縫隙相交處形成暗帶，在與光柵刻線垂直的方向，將出現明暗相間的條紋，這些條紋就成為摩爾條紋。特性：運動對應關系位移放大作用。B=W/2/sin(/2) 當兩塊光柵沿著垂直于刻線方向相對移動時，莫爾條紋將沿著刻線方向移動，光柵移動一個節距W，莫爾條紋也移動一個間距B，從式可知，越小，B越大，

9、使得B>>W,即莫爾現象有使柵距放大的作用，因此獨處莫爾條紋的數目比讀光柵刻線要方便的多。誤差平均效用。簡答：1、 熱電偶為什么要進行冷端補償？補償方法？為了熱電勢與被測溫度成單值函數關系，需要熱電偶的冷端溫度保持恒定，由于熱電偶的溫度熱電勢關系曲線是在冷端溫度等于0下得到的，已知配套的儀表也是根據這一關系曲線進行刻度的，在測量時必須滿足冷端溫度等于0的條件，否則會出現誤差，而在實際工作時冷端受外界溫度影響很難恒定也不等于0。方法：冷端溫度恒溫法計算修正法電橋補償法2、什么是壓電效應？當某些物質沿其耨一方向被施加壓力或拉力時，會產生形變，此時這種材料的兩個表面將產生符號相反的電荷；

10、當去掉外力后，它后重新回到不帶點狀態這種現象稱為正壓電效應。反之，在某些物質的極化方向上施加電電場，它會產生機械變形，當去掉外加電場后該物質的變形隨之消失，這種電能轉變為機械能的現象稱之為逆壓電效應。2、 為什么壓電晶片不能做動態測量？只有在外電路負載無窮大，且內部無漏電時，受力產生的電壓U才能長期保持不變；如果負載不是無窮大，則電路就要按指數規律放電。這對于測量緩變信號極為不利，必將造成測量誤差，只有在其上加交變力電荷才能得到補充，因此壓電晶體不能做動態測量。3、 霍爾效應及其原理？在置于磁場的道題或半導體中通入電流，若電流與測長垂直，則在與磁場和電流都垂直的方向上會出現一個電勢差，此現象為

11、霍爾效應，其本質是固體材料中載流子在外加磁場中運動時因為受到洛侖茲力的作用，而使軌跡發生偏移并在材料兩側產生電荷積累形成垂直于電流方向的電場，最終使載流子受到洛侖茲力的與電場力相平衡從而在兩側建立起一個穩定的電勢差及霍爾電壓。4、 霍爾元件不等位電勢產生的原因？當磁感應強度為0時，控制電流為額定值，霍爾電極間的空載電勢成為不等位電勢。產生原因：霍爾電極安裝位置不正確，不對稱或不在同一等電位量上。半導體材料不均勻造成了電阻率不均勻或使幾何尺寸不均勻。控制電極接觸不良造成控制電流不均勻分布。5、 莫爾條紋是如何形成的？有哪些特性？若將兩塊光柵（主光柵、指示光柵）疊合在一起，并且使它們的刻線成角度，

12、由于光柵的刻線相交處形成亮帶，而在一塊光柵的刻線與另一塊光柵的縫隙相交處形成暗帶，在與光柵刻線垂直的方向，將出現明暗相間的條紋，這些條紋就成為摩爾條紋。特性：運動對應關系位移放大作用。B=W/2/sin(/2) 當兩塊光柵沿著垂直于刻線方向相對移動時，莫爾條紋將沿著刻線方向移動，光柵移動一個節距W，莫爾條紋也移動一個間距B，從式可知，越小，B越大，使得B>>W,即莫爾現象有使柵距放大的作用，因此獨處莫爾條紋的數目比讀光柵刻線要方便的多。誤差平均效用。計算題1、某溫度傳感器為時間常數=3s的一階系統，當傳感器受突變溫度作用后，試求傳感器指示出溫差的三分之一和二分之一所需的時間。解：對

13、傳感器施加突變信號屬于階躍輸入：單位階躍信號：進行拉氏變換：一階系統傳遞函數：所以：對上式進行拉氏逆變換：設溫差為R，則此溫度傳感器的階躍響應為：當時，則；當時，則。 2、一只二階力傳感器系統，已知其固有頻率f0=800Hz，阻尼比z=0.14，現用它作工作頻率f=400Hz的正弦變化的外力測試時，其幅值比A(w)和相位角j(w)各為多少；若該傳感器的阻尼比z=0.7時，其A(w)和j(w)又將如何變化?解: 所以，當=0.14時 當=0.7時3、在材料為鋼的實心圓柱試件上，沿軸線和圓周方向各貼一片電阻為120的金屬應變片R1和R2，把這兩應變片接人差動電橋。若鋼的泊松比µ=0.28

14、5，應變片的靈敏系數K=2，電橋的電源電壓Ui=2V，當試件受軸向拉伸時，測得應變片R1的電阻變化值R=0.48，試求電橋的輸出電壓U0；若柱體直徑d=10mm，材料的彈性模量E=2×1011N/m2，求其所受拉力大小。 差動電橋電路 解：由DR1/R1=Ke1，則 e2= -me1= -0.285´0.002= -0.00057所以電橋輸出電壓為當柱體直徑d=10mm時，由 ，得4、一臺采用等強度梁的電子稱，在梁的上下兩面各貼有兩片電阻應變片，做成稱重傳感器，如習題圖212所示。已知l=10mm，b0=llmm，h=3mm，E=2.1×104N/mm2，K=2，

15、接入直流四臂差動電橋，供橋電壓6V，求其電壓靈敏度(Ku=Uo/F)。當稱重0.5kg時，電橋的輸出電壓Uo為多大? (a) (b)習題圖2-12 懸臂粱式力傳感器解：等強度梁受力F時的應變為當上下各貼兩片應變片，并接入四臂差動電橋中時，其輸出電壓：則其電壓靈敏度為 =3.463×10-3 (V/N)=3.463(mV/N) 當稱重 F=0.5kg=0.5×9.8N=4.9N時，輸出電壓為U0 =Ku F=3.463×4.9=16.97(mV)5、有一懸臂梁，在其中部上、下兩面各貼兩片應變片，組成全橋，如圖所示。 請給出由這四個電阻構成全橋電路的示意圖。 若該梁懸

16、臂長L=0.25m，寬b= 0.06m，厚h=0.003m，彈性模量，應變片靈敏度系K=2，應變片空載電阻，應變片中心距固定端x= 0.4L，現受一向下力F =1N，試求此時四個應變片的電阻值。 (梁上各處應變) 對于 對于 6、在壓力比指示系統中采用差動式變間隙電容傳感器和電橋測量電路，如習題43圖所示。已知：0=0.25mm；D=38.2mm；R=5.1k；Usr=60V(交流)，頻率f=400Hz。試求： (1)該電容傳感器的電壓靈敏度Ku (V/µm)； (2)當電容傳感器的動極板位移=10µm時，輸出電壓Usc值。習題圖43 解：由傳感器結構及其測量電路可知（1）

17、初始電容由于 則 從而得 (2) U0 = Ku d=0.12V/mm×10mm=1.2V 7、所示差動式同心圓筒柱形電容傳感器，其可動內電極圓筒外經d=9.8mm，固定電極外圓筒內經D=10mm，初始平衡時，上、下電容器電極覆蓋長度L1=L2=L0=2mm，電極間為空氣介質。試求：（1）初始狀態時電容器C1、C2的值；（2）當將其接入習題圖4-14(b)所示差動變壓器電橋電路，供橋電壓E=10 V（交流），若傳感器工作時可動電極筒最大位移Dx= ±0.2mm，電橋輸出電壓的最大變化范圍為多少？ (a) (b)習題圖4-14解 （1）初始狀態時（2）當動電極筒位移Dx= +

18、0.2mm（向上）時，L1=2+0.2=2.2mm，L2=2-0.2=1.8mm，則差動變壓器電橋輸出為同理，當動電極筒位移Dx= -0.2mm（向下）時，L1=2-0.2=1.8mm，L2=2+0.2=2.2mm，則差動變壓器電橋輸出為因此，當傳感器可動電極筒最大位移Dx= ±0.2mm，電橋輸出電壓的最大變化范圍為±0.5V。8、有一只差動電感位移傳感器，已知電源電Usr=4V，f=400Hz，傳感器線圈銅電阻與電感量分別為R=40，L= 30mH，用兩只匹配電阻設計成四臂等阻抗電橋，如習題圖316所示，試求： (1)匹配電阻R3和R4的值； (2)當Z=10時，分別接

19、成單臂和差動電橋后的輸出電壓值；(3)用相量圖表明輸出電壓與輸入電壓之間的相位差。 解：（1） 線圈感抗 XL=wL=2pfL=2p´400´30´10-3=75.4（W）線圈的阻抗 故其電橋的匹配電阻(見習題圖3-16)R3 = R4 =Z=85.4（W） （2）當Z=10W時，電橋的輸出電壓分別為單臂工作： 雙臂差動工作： （3） 9、有一壓電晶體，其面積為，厚度為20mm，當受到壓力作用時，求下面兩種情況下產生的電荷及輸出電壓： 零度X切的縱向石英晶體； 利用縱向效應的BaTiO3。解：由題意知，壓電晶體受力為 零度X切割石英晶體，等效電容為 受力F產生電荷

20、輸出電壓為 利用縱向效應的BaTiO3，等效電容為受力F產生電荷輸出電壓為 10、石英晶體壓電式傳感器，面積為100mm2，厚度為1mm，固定在兩金屬板之間，用來測量通過晶體兩面力的變化。材料的彈性模量為9×1010Pa，電荷靈敏度為2pCN，相對介電常數是5.1，材料相對兩面間電阻是1014。一個20pF的電容和一個100M的電阻與極板并聯。若所加力F=0.01sin(1000t)N，求： (1)兩極板間電壓峰峰值； (2)晶體厚度的最大變化。 解：（1）石英壓電晶片的電容 =4.514 ×10-12 (F) 4.5pF 由于Ra =1014，并聯電容R并=100M=10

21、8 則總電阻R=Ra / R并 = 1014 /108 108總電容C=Ca /C并 =4.5+20=24.5(pF)又因F=0.01sin(1000t)N=Fm sin(t)N，kq =2 pC/N則電荷Q=d11 F= kq FQm = d11 Fm = kq Fm =2 pC/N×0.01N=0.02 pC所以 =0.756×10-3 (V)=0.756mV 峰峰值：Uim-im =2Uim =2×0.756=1.512mV （2）應變m =Fm /SE =0.01/(100×10-6×9×1010 )=1.11×10-9 =dm /ddm =dem = 1×1.11