1、傳感器與檢測技術題庫1. 金屬電阻應變片與半導體材料的電阻應變效應有什么不同答：金屬電阻的應變效應主要是由于其幾何形狀的變化而產生的， 半導體材料的應變效應則主要取決于材料的電阻率隨應變所引起的變化產生的。2. 為什么說壓電式傳感器只適用于動態測量而不能用于靜態測量答：因為壓電式傳感器是將被子測量轉換成壓電晶體的電荷量，可等效成一定的電容，如被測量為靜態時，很難將電荷轉換成一定的電壓信號輸出，故只能用于動態測量。3. 試分析變面積式電容傳感器和變間隙式電容的靈敏度為了提高傳感器的靈敏度可采取什么措施并應注意什么問題答：如圖所示是一直線位移型電容式傳感器的示意圖。當動極板移動 x 后，覆蓋面積就

2、發生變化，電容量也隨之改變，其值為C=b（a- x） / d=C0 - b· x/ d（1）電容因位移而產生的變化量為CCC0b xC0xda其靈敏度為CbKdx可見增加 b 或減小 d 均可提高傳感器的靈敏度。xbxda直線位移型電容式傳感器4. 變間隙電容傳感器的測量電路為運算放大器電路，如圖 4 所示。 C0=200pF，傳感器的起始電容量 Cx0=20pF,定動極板距離 d0=1.5mm,運算放大器為理想放大器 ( 即 K , Zi ), Rf 極大 , 輸入電壓 u1 =5sin t V。求當電容傳感動極板上輸入一位移量x=0.15mm使 d0 減小時 , 電路輸出電壓 u

3、0 為多少Rf0x+ui-u0圖 4 運算放大器電路解：由測量電路可得u0C0uiC0ui200/VC xC x0 d 0205 sin t 45sin1.5d 0x1.50.155. 如圖 5 所示正方形平板電容器 , 極板長度 a =4cm,極板間距離 =0.2mm.若用此變面積型傳感器測量位移x, 試計算該傳感器的靈敏度并畫出傳感器的特性曲線. 極板間介質為空氣,08.8510-12F/m 。ax圖 5 所示正方形平板電容器解：這是個變面積型電容傳感器，共有4 個小電容并聯組成。4 0a 2416 1048.851012C 0210 328.32 /pFC x40 a( ax)C 0kx

4、28.3270.8x (x的單位為米 )CC x40 ax)C 0C x C 04 0 a4 8.85 10 124 102K2 10370.8 /pFxCxpF4030201001234xcm6.有一平面直線位移差動傳感器特性其測量電路采用變壓器交流電橋，結構組成如圖6 所示。電容傳感器起始時b1=b2=b=200mm， a1 =a2=20mm極距 d=2mm，極間介質為空氣，測量電路 u1=3sin t V，且 u=u0。試求當動極板上輸入一位移量x=5mm時, 電橋輸出電壓 u0。xCdu1C1uiC2ub 1C2u0b 2a1a2圖 6 平面直線位移差動傳感器解：根據測量電路可得u u

5、0C uix ui53sin t 750sin t /mVC 0a207. 熱電阻傳感器的測量電路有哪些說明每種測量電路的特點。答：通常采用電橋電路作為測量電路。 為了克服環境溫度的影響常采用下圖所示的三導線四分之一電橋電路。 由于采用這種電路， 熱電阻的兩根引線的電阻值被分配在兩個相鄰的橋臂中，如果 R1t R2t ，則由于環境溫度變化引起的引線電阻值變化造成的誤差被相互抵消。8. 試分析金屬導體產生接觸電動勢和溫差電動勢的原因。答：當 A 和 B兩種不同材料的導體接觸時，由于兩者內部單位體積的自由電子數目不同 ( 即電子密度不同 ) ，因此，電子在兩個方向上擴散的速率就不一樣。 現假設導體

6、 A 的自由電子密度大于導體 B 的自由電子密度，則導體 A 擴散到導體 B 的電子數要比導體 B 擴散到導體 A 的電子數大。所以導體 A 失去電子帶正電荷，導體 B 得到電子帶負電荷，于是，在 A、B 兩導體的接觸界面上便形成一個由 A 到 B 的電場。該電場的方向與擴散進行的方向相反， 它將引起反方向的電子轉移， 阻礙擴散作用的繼續進行。當擴散作用與阻礙擴散作用相等時，即自導體 A 擴散到導體 B 的自由電子數與在電場作用下自導體 B 到導體 A 的自由電子數相等時， 便處于一種動態平衡狀態。在這種狀態下， A 與 B 兩導體的接觸處就產生了電位差，稱為接觸電動勢。對于導體 A 或 B，

7、將其兩端分別置于不同的溫度場 t 、 t 0 中(t> t 0 ) 。在導體內部，熱端的自由電子具有較大的動能， 向冷端移動， 從而使熱端失去電子帶正電荷，冷端得到電子帶負電荷。 這樣，導體兩端便產生了一個由熱端指向冷端的靜電場。該電場阻止電子從熱端繼續跑到冷端并使電子反方向移動， 最后也達到了動態平衡狀態。這樣，導體兩端便產生了電位差，我們將該電位差稱為溫差電動勢。9. 已知鎳鉻 - 鎳硅 (K) 熱電偶的熱端溫度 t 800，冷端溫度 t 025，求 E(t ，to)是多少毫伏10. 解：由鎳鉻 - 鎳硅熱電偶分度表可查得 E(800，0)= ，E(25，0)= mV，故可得E(80

8、0，5)= 如圖 7 所示之測溫回路，熱電偶的分度號為K，毫伏表的示值應為多少度答：毫伏表的示值應為 ( t 1- t 2-60) 。11. 用鎳鉻 - 鎳硅 (K) 熱電偶測量溫度，已知冷端溫度為 40，用高精度毫伏表測得這時的熱電動勢為，求被測點的溫度。圖 7 熱電偶測溫回路解：由鎳鉻 - 鎳硅熱電偶分度表查出 E(40，0)= ，計算出 E(t,0) (29.188 1.638)mV 30.826mV再通過分度表查出其對應的實際溫度為(30.826 - 29.129) 100t 700740.933.27529.12912. 用鎳鉻 - 鎳硅 (K) 熱電偶測量某爐溫的測量系統如圖 8

9、所示，已知：冷端溫度固定在 0， t 030，儀表指示溫度為 210，后來發現由于工作上的疏忽把補償導線 A 和B ，相互接錯了，問：爐溫的實際溫度t 為多少度解：實際溫度應為 270，因為接反后不但沒有補償到，還抵消了30，故應該加上 60。13. 常用的半導體光電元件有哪些它們的電路符號如何答：常用的半導體光電元件有光敏二極管、光敏三極管和光電池三種。它們的電路符號如下圖所示：光敏二極管光敏三極管光電池14. 光敏電阻有哪些重要特性，在工業應用中是如何發揮這些特性的答：光敏電阻是采用半導體材料制作， 利用內光電效應工作的光電元件。 它的重要特性是在無光照時阻值非常大， 相當于斷路，有光照時

10、阻值變得很小， 相當于通路。在工業應用中主要就是通過光的變化來各種電路的控制。15. 光纖傳感器的性能有何特殊之處主要有哪些應用答：光導纖維傳感器 ( 簡稱光纖傳感器 ) 是七十年代迅速發展起來的一種新型傳感器。光纖傳感器具有靈敏度高，不受電磁波干擾，傳輸頻帶寬，絕緣性能好，耐水抗腐蝕性好，體積小，柔軟等優點。目前已研制出多種光纖傳感器，可用于位移、速度、加速度、液位、壓力、流量、振動、水聲、溫度、電壓、電流；磁場、核輻射等方面的測量。應用前景十分廣闊。16. 紅外線溫度傳感器有哪些主要類型它與別的溫度傳感器有什么顯著區別答：能把紅外輻射轉換成電量變化的裝置， 稱為紅外傳感器， 主要有熱敏型和

11、光電型兩大類。熱敏型是利用紅外輻射的熱效應制成的，其核心是熱敏元件。由于熱敏元件的響應時間長，一般在毫秒數量級以上。 另外，在加熱過程中， 不管什么波長的紅外線，只要功率相同， 其加熱效果也是相同的， 假如熱敏元件對各種波長的紅外線都能全部吸收的話，那么熱敏探測器對各種波長基本上都具有相同的響應， 所以稱其為“無選擇性紅外傳感器” 。這類傳感器主要有熱釋電紅外傳感器和紅外線溫度傳感器兩大類。光電型是利用紅外輻射的光電效應制成的，其核心是光電元件。因此它的響應時間一般比熱敏型短得多， 最短的可達到毫微秒數量級。 此外，要使物體內部的電子改變運動狀態， 入射輻射的光子能量必須足夠大， 它的頻率必須

12、大于某一值， 也就是必須高于截止頻率。由于這類傳感器以光子為單元起作用， 只要光子的能量足夠，相同數目的光子基本上具有相同的效果，因此常常稱其為“光子探測器” 。這類傳感器主要有紅外二極管、三極管等。17. 模擬式光電傳感器有哪幾種常見形式答：模擬式光電傳感器主要有四種。 （1）被測物是光源 它可以直接照射在光電元器件上，也可以經過一定的光路后作用到光電元器件上， 光電元器件的輸出反映了光源本身的某些物理參數，如圖13a 所示。如光電比色高溫計和照度計。（2）恒定光源發射的光通量穿過被測物，其中一部分由被測物吸收， 剩余的部分投射到光電元件上， 吸收量取決于被測物的某些參數， 如圖 13b 所

13、示。如測量透明度、渾濁度等。（3）恒定光源發出的光投射到被測物上，再從被測物體反射到光電元器件上。反射光通量取決于反射表面的性質、 狀態和與光源之間的距離， 如圖 13c 所示。如測量工件表面粗糙度、紙張白度等。（4）從恒定光源發射出的光通量在到達光電元件的途中受到被測物的遮擋，使投恒光源被測物被測物光電光電元件元件a) 被測物是光源b) 被測物吸收光通量恒光源被測物恒光源被測物光電元件光電元件c) 被測物是有反射能力的表面d) 被測物遮蔽光通量圖 13 模擬式光電傳感器常見形式射到光電元件上的光通量減弱，光電元件的輸出反映了被測物的尺寸或位置，如圖13d 所示。如工件尺寸測量、振動測量等。1

14、8. 說明為什么導體材料和絕緣體材料均不宜做成霍爾元件答：因為導體材料的 雖然很大，但 很小，故不宜做成元件，而絕緣材料的 雖然很大，但 很小，故也不宜做成元件。19. 為什么霍爾元件一般采用 N型半導體材料答：因為在 N型半導體材料中，電子的遷移率比空穴的大，且 n>p ，所以霍爾元件一般采用 N型半導體材料。20. 霍爾集成傳感器有哪幾種類型其工作特點是什么答：霍爾集成傳感器有霍爾線性集成傳感器和霍爾開關型集成傳感器兩種類型。集成霍爾傳感器的特點主要是取消了傳感器和測量電路之間的界限，實現了材料、元件、電路三位一體。集成霍爾傳感器與分立相比，由于減少了焊點，因此顯著地提高了可靠性。此

15、外，它具有體積小、重量輕、功耗低等優點。21. 設計一個采用霍爾傳感器的液位控制系統， 要求畫出磁路系統示意圖和電路原理簡圖，并說明其工作原理。答：液位控制系統原理如圖所示，霍爾元件固定不動，磁鐵與探測桿固定在一起，連接到裝液體的容器旁邊， 通過管道與內部連接。 當液位達到控制位置時霍爾元件輸出控制信號， 通過處理電路和電磁閥來控制液壓閥門的開啟和關閉， 如液位低于控制位置時開啟閥門，超過控制位置時則關閉閥門。控制電源處理電路開關型霍爾片液體源磁鐵電磁閥最高位儲存罐最低位22. 思考有哪些可以用霍爾傳感器檢測的物理量以及霍爾傳感器應用的領域。答：可以用霍爾傳感器來檢測的物理量有力、力矩、壓力、

16、應力、位置、位移、速度、加速度、角度、轉速、磁場量等等。23. 超聲波有哪些傳播特性答：超聲波是一種在彈性介質中的機械振蕩， 它是由與介質相接觸的振蕩源所引起的。振蕩源在介質中可產生兩種形式的振蕩， 即橫向振蕩和縱向振蕩。 橫向振蕩只能在固體中產生，而縱向振蕩可在固體、液體和氣體中產生。超聲波的一種傳播特性是在通過兩種不同的介質時，產生折射和反射現象，超聲波的另一種傳播特性是在通過同種介質時， 隨著傳播距離的增加， 其強度因介質吸收能量而減弱。24. 應用超聲波傳感器探測工件時， 在探頭與工件接觸處要涂有一層耦合劑， 請問這是為什么答：主要是為了使超聲波更好地穿透到工件內， 減少反射量，達到更

17、好的測量效果。25. 根據你已學過的知識設計一個超聲波探傷使用裝置（畫出原理框圖） ，并簡要說明它探傷的工作過程答：可采用穿透法探傷， 原理框圖如下圖。 穿透法探傷是根據超聲波穿透工件后的能量變化狀況，來判別工件內部質量的方法。 穿透法用兩個探頭， 置于工件相對面，一個發射超聲波，一個接收超聲波。發射波可以是連續波，也可以是脈沖。在探測中，當工件內無缺陷時，接收能量大，儀表指示值大；當工件內有缺陷時，因部分能量被反射，接收能量小，儀表指示值小。根據這個變化，就可以把工件內部缺陷檢測出來。高頻發生器發射探頭工件接收探頭放大器顯示26. 對傳感器輸出的微弱電壓信號進行放大時，為什么要采用測量放大器答：因為測量放大器不但具有很高的放大倍數， 而且具有十分穩定的輸出特性， 符合傳感器微弱信號放大的要求。27. 檢測裝置中常見的干擾有幾種采取何種措施予以防止答：檢測裝置中常見的干擾有外部噪聲和內部噪聲兩大類。 外部噪聲有自然界噪聲源( 如電離層的電磁現象產生的噪聲 ) 和人為噪聲源 ( 如電氣設備、 電臺干擾等 ) ；內部