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传感器与检测技术习题集


传感器与检测技术

思考题与 思考题与习题

2006 年 8 月

第一章 传感器与检测技术概论
1、 自动检测系统定义及组成? 2、误差分几类?它们与准确度和精密度有什么关系? 3.什么是传感器?(传感器定义) 4.传感器由哪几个部分组成?分别起到什么作用? 5、检测系统的性能参数反映了系统的什么关系?静态参数有哪些?各种参数代表什么意 义?动态参数有那些?应如何选择? 6、欲测 250V 电压,要求测量示值相对误差不大于±0.5%,问选用量程为 250V 电压表,其 精度为哪级?若选用量程为 300V 和 500V 的电压表,其精度又为哪级? 7、有一台测量压力的仪表,测量范围为 0Pa~10 Pa,压力 p 与仪表输出电压之间的关系为: 2 5 5 2 u0=a0+a1p+a2p ,式中 a0=2mv, a1=10mv/(10 Pa), a2=-0.5mv/(10 Pa) 。求: (1)该仪表的输出特性方程; (2)画出输出特性曲线示意图(x 轴、y 轴均要标出单位); (3)该仪表的灵敏度表达式; (4)画出灵敏度曲线图; (5)该仪表的线性度。 8.某传感器精度为 2%FS ,满度值 50mv ,求出现的最大误差。当传感器使用在满刻度值 1/2 和 1/8 时计算可能产生的百分误差,并说出结论。 9.某二阶传感器固有频率 f0=10KHz,阻尼比 ε=0.1 若幅度误差小于 3%, 试求:决定此传感器的工作频率。 10、某位移传感器,在输入量变化 5 mm 时,输出电压变化为 300 mV,求其灵敏度。 11、某测量系统由传感器、放大器和记录仪组成,各环节的灵敏度为: S1=0.2mV/℃、S2=2.0V/mV、S3=5.0mm/V,求系统的总的灵敏度。
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常用传感器 第二章 常用传感器
电阻式 第一节 电阻式传感器
1、 应变式传感器的工作原理及应用? 2、什么是应变效应?什么是压阻效应?什么是横向效应? 3、试说明金属应变片与半导体应变片的相同和不同之处。在传感器测量电路中,直流电桥 与交流电桥有什么不同, 如何考虑应用场合?用电阻应变片组成的半桥、 全桥电路与单桥相 比有哪些改善? 4、固态压阻式传感器工作原理及应用? 5、一个量程为 10kN 的应变式测力传感器,其弹性元件为薄壁圆筒轴向受力,外径 20mm,内 径 18mm,在其表面粘贴八各应变片, 四个沿周向粘贴, 应变片的电阻值均为 120Ω,灵敏度为 2.0,波松比为 0.3,材料弹性模量 E=2.1×1011Pa。要求: ①绘出弹性元件贴片位置及全桥电路; ②计算传感器在满量程时,各应变片电阻变化; ③当桥路的供电电压为 10V 时,计算传感器的输出电压。 6、应变片产生温度误差的原因及减小或补偿温度误差的方法是什么? 7、今有一悬臂梁,如图所示,在其中上部上、下两面各贴两片应变片,组成全桥,该梁在 其悬臂梁一端受一向下力 F=0.5N,试求此时这四个应变片的电阻值。已知:应变片灵敏系数 K=2.1;应变片空载电阻 R0=120Ω。

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电感式 第二节 电感式传感器
1、电感式传感器的工作原理及分类? 2、差动变压式传感器工作原理及应用? 3、试比较电感式传感器几种常用测量电路的特点? 4.什么是零点残余电压,有哪些方法可以进行残余电压补偿? 5.用差动变压器进行位移测量时采用那种电路形式可以直接由输出电压区别位移的大小和 方向? 6.什么是电涡流效应?电涡流传感器可以进行哪些非电量参数测量? 7、电涡流式传感器的类型及应用?

第三节 电容式传感器
1、电容式传感器的工作原理与分类。 2、电容式传感器的测量电路有哪些?叙述二极管双 T 型交流电桥工作原理。 3、 已知单组式变面积型电容传感器的两极板间距离为 d=10mm;ε=50μF/m;两极板几何尺寸 一样为 30mm*20mm*5mm(长*宽*厚);在外力作用下动极板在原位置向外移动 10mm(宽); 试求 ΔC=?和静态灵敏度?。 4、差动式电容测厚传感器系统的工作原理? 5.为什么电感式和电容式传感器的结构多采用差动形式,差动结构形式的特点是什么?

第四节 磁电式传感器
1、简述磁电式传感器工作原理。 2、磁电式传感器的类型及其应用? 3.变磁阻式传感器有哪几种结构形式?可以检测哪些非电量? 4.磁电式传感器是速度传感器,它如何通过测量电路获得相对应的位移和加速度信号?

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压电式 第五节 压电式传感器
1、能否用压电传感器测量变化比较缓慢的力信号?试说明其理由? 2、试拟出用多个压电片组成的测量三度空间力的压电传感器方案方框图? 3、如何采用结构措施,来提高压电传感器的灵敏度? 4、什么是正压电效应?什么是逆压电效应? 5、说明电压放大器与电荷放大器的优缺点。 6、用石英晶体加速度计及电荷放大器测量机器振动,已知,加速度计灵敏度为 5pc/g;电荷 放大器灵敏度为 50mv/p,最大加速度时输出幅值 2v,试求机器振动加速度。

霍尔式 第六节 霍尔式传感器
1、什么是霍尔效应 ? 2、霍尔传感器结构及工作原理? 3、试绘出用热敏电阻法在霍尔传感器输出回路进行补偿温度的线路,并分析之? 4、有一测量转速装置,调制盘上有 100 对永久磁极,N、S 极交替放置,调制盘由转轴带动 旋转, 在磁极上方固定一个霍尔元件, 每通过一对磁极霍尔元件产生一个方脉冲送到计数器。 假定 t=5min 采样时间内,计数器收到 N=15 万个脉冲,求转速 n=?转/分。

第七节 光电式传感器
1.什么是外光电效应?内光电效应?光生伏特效应?光电导效应? 2.光电器件中的光照特性、光谱特性分别描述的是光电器件的什么性能? 3.试述光敏电阻、光敏晶体管、光电池的器件结构和工作原理。 4.当光源波长为 0.8—0.9μm 时宜采用哪种材料的光敏元件进行测量? 5.叙述电荷耦合器件(CCD)的结构和存储电荷与转移电荷的工作过程。 6、光纤传感器在位移测量中有哪些特点?反射光的光强弱对测量有哪些影响?

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7、求光纤 n1=1.46, n2=1.45 的 NA 值;外部 n0=1 时,求最大入射角 θ=?。 8、功能型光纤传感器与非功能型光纤传感器有什么区别?各有哪些功能? 9、 光纤损耗是如何产生的?它对光纤传感器有哪些影响? 10、 光导纤维为什么能够导光?光导纤维有哪些优点?光纤式传感器中光纤的主要优点有哪 些? 11、作为光波 5μm 红外线的传感器材料有哪些? 12、CCD 图像传感器的工作原理?

超声波传感器和微波传感器 第八节 超声波传感器和微波传感器
1、超声波传感器的分类与工作原理? 2、简述微波传感器检测原理和类型。 3、利用超声波进行厚度检测的基本方法是什么?能否用微波代替超声波进行厚度检测?为 什么?

热电式传感器 式传感器偶 第九节 热电式传感器偶
1、试用热电偶的基本原理证明热点偶回路的几点结论? 2、试比较热电阻、热敏电阻以及热点偶三种测温传感器的特点及其对测量线路的要求? 3.热电偶冷端温度对热电偶的热电势有什么影响?为消除冷端温度影响可采用哪些措施? 4、半导体热敏电阻的主要优缺点是什么?在电路中是怎样克服的? 5、PN 结为什么可以用来作为温敏元件? 6、 什么叫热电动势、 接触电动势和温差电动势?说明热电偶测温原理及其工作定律的应用。 7、分析热电偶测温的误差产生因素,并说明减小误差的方法。 8、将一灵敏度为 0.08mv/℃的热电偶与电压表相连接,电压表接线端是 50℃,若电位计上 的读数是 60mv,热电偶的热端温度是多少?

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第十节智能式传感器 第十节智能式传感器
1、什么是智能式传感器?智能式传感器有哪些功能? 2、传感器智能化的技术途径有哪些? 3、智能式传感器的发展前景如何?

第三章常见非电参数的检测方法
第一节 力、压力和转矩的测量
1、试述压磁式力传感器的结构及工作特点。 2、简述光电式传感器测量转矩的原理。 3、试举两种测量转矩的方法。 4、试用差动型电感式传感器作成一个测力传感器。 5、分别画出应变式传感器和霍尔式传感器测量压力的结构简图,并简述其测量原理。 6、今有一简单拉伸试件,其上贴有两个应变片,如图所示。已知试件材料的弹性模数 E=25X10 Pa,泊桑比 ?=0.2,应变片的灵敏度 K=2,求: (1)绘出其测量电路(电桥电路) ; (2)若电桥供桥电压 Ui=6V,测得电桥的输出电压 U0=5mv,求试件的轴向应力.
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R1

R2

7、一压电式力传感器,其灵敏度 K1=15pC/MPa,将它与一灵敏度为 K2=0.005V/pC 的电荷放大 器相连,放大器输出端接到一台灵敏度为 K3=30mm/V 的笔式记录仪上,计算此系统得总灵敏 度。当压力变化为Δp=20MPa 时,记录笔在纸上的偏移量是多少?

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第二节 位移、物位和厚度的测量 位移、
1、试绘出应用电阻、电感和电容传感器测量小功率位移的可能方案的原理图,进行比较, 并说明其优缺点? 2、简述超声波测距原理。 3、比较电涡流测厚和超声波测厚原理。 4、简述用电容式传感器测量液位原理。 5、简述光栅式位移传感器的工作原理。采用辨向电路和细分电路的目的是什么? 6、(1)采用超声波或光脉冲信号,由从对象反射回来的脉冲的时间进行距离检测,空气中 的音速为 340m/s,软钢中纵波的因素为 5900 m/s,光的速度为 3*108 m/s,求这三种情况 下 1 ms 的往复时间对应得距离。根据计算结果,比较采用光脉冲所需要系统得信号处理速 度要比采用超声波脉冲时的系统速度快几倍?(2)根据(1)的结果,讨论利用脉冲往复时 间测距,采用超声波和光波各有什么特点。

速度、 第三节 速度、加速度与振动的测量
1、试举两种测量线速度的方法。 2、简述差动变压器式传感器测速原理。 3、试比较霍尔式、电涡流式和磁电式传感器测转速的异同点。 4、试举例说明测量加速度的方法。 5、简述振动测试仪的原理。

6、如何用超声波传感器测量震动?画出框图。

第四节 温度的测量
1、温度测量的方法有哪些?它们的原理有何不同?各适应于什么场合? 2、简述用热电偶如何测量两点温度之和和两点温度之差? 3、全辐射式温度传感器依据的是什么机理?
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4、叙述比色温度传感器的工作过程。 5、半导体温度传感器和热电阻式传感器根据什么测温度? 6、试拟定一个自动测量某温度场的方案,绘出其方框图。

第五节 流量的测量
1、流量测量方法有哪些? 2、简述光纤测量流量的原理。 3、能否用超声波和光电式传感器测量流量?若能,简述其测量原理,并比较两者的区别。 4、简述涡轮流量传感器的原理。

第六节 成分量的测量
1.气敏传感器有哪几种类型?其工作原理有什么不同? 2.为什么多数气敏传感器要加加热器工作?加热器有哪些作用。 3.湿敏电阻有哪些类型?说明其特点。 4、试拟出一个用光电比色原理测量水质混浊度的光电传感器框图及线路图,并分析其误差 来源及消除方法? 5、想一想,如何利用光电传感器检测颜色? 6、试绘出检测不同物质中含水量的电容传感器的可能结构? 7、试拟出一个检查人体呼出的气体中是否含有酒气的酒精探测器的原理图,并简述其工作 原理? 8、绘出湿敏监测装置原理图,并分析工作原理? 9.设计一个用湿敏电阻进行土壤湿度测量的电路,并说明原理。 10.色敏传感器利用什么原理进行颜色识别?

第四章传感器信号调制电路
1、试说明传感器数据采集系统的组成。

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2、简要说明传感器输出信号的特点。 3、简要说明传感器信号预处理方法。 4、简要说明仪表放大器的选择。 5、非调制信号直接与输入量对应,对于测量来说十分方便。为什么要采用调制信号,试解 释其原因。 6、滤波方式有几种?各有何特点? 7、什么叫低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器和带阻通滤波器?分别画出它们的理想幅 频特性。 8、在检测系统中,为什么通常要加入调制与解调环节? 9、测量放大器有什么特点? 10、影响多路模拟开关对信号传递精度的因素是什么?如何加以改善? 11、试分析采样保持器的工作原理。 12、传感器与微机接口的作用是什么? 13、传感器与微机的基本接口方式有哪些? 14、简要说明 A/D 转换器的性能与选择原则。 15、为何对传感器信号进行线性化及温度补偿? 16、采用计算机软件进行温度补偿时,常用的方法有哪两种?说明其步骤。 17、说明采用计算机软件进行线性化处理的方法及步骤。

第五章传感器与检测技术的综合应用
1、检测系统中干扰与噪声的主要来源有哪些? 2、抑制干扰主要有哪些方法? 3、简要说明计算机检测系统的基本组成及各部分的作用。 。

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4、简要说明计算机检测系统的设计步骤。 5、CNC 机床常用的位移传感器有哪些?这些传感器哪些是数字式传感器?哪些是模拟式传 感器? 6、试举一例计算机检测系统在实际的应用。

传感器与检测技术模拟试题 1

一填空题: (每空 1 分,共 30 分) 1、传感器一般是由 、 、 组成。 2、自动检测系统的功能有 、 、 、 。 3、线性度是表示传感器的输出/输入实际曲线与 之间的偏差程度。 效应制成的。 4、电阻应变片是利用 5、热敏电阻一般按温度系数分为 、 、 。 6、电容式传感器按工作原理可分 、 、 三大类。 7、热电阻按性质不同可分为 和 两大类。 转换成电动势的。 8、热电偶传感器是将 9、感应同步器输出信号处理方式有 、 方式。 10、利用电涡流传感器测量转速时,传感器输出的脉冲频率与转速的关系为 11、集成传感器一般把 和 部分集成在一起。 12、在规定的时间内和规定的条件下,产品完成规定功能的能力,称为产品的 13、 抑制干扰的基本措有 、 、 14、采用软件实现数据线性化的方法有 、 、 。

。 性。 。

二、单选题: (每小题 2 分,共 16 分) 1、电桥测量电路的作用是把传感器的参数转变为( )的输出。 A 电阻 B 电容 C 电压或电流 2、为使电缆长度不影响压电式传感器的灵敏度,应选用( )放大器。 A 电压 B 电荷 C 测量 3、仅使频率在 fi~fj 之间的信号通过,应采用( )滤波器。 A 低通 B 高通 C 带通 4、在光栅式位移传感器的检测系统中,为辨别位移方向,需( )电路。 A 辩向 B 细分 C 放大 5、已知两单元的可靠度为 P1=0.8 P2=0.9 则 P1 与 P1 并联、P2 与 P2 并联再串联的 可靠度为( ) 。 A 0.72 B 0.92 C 0.95 6、已知电涡流式传感器的灵敏度为 20mV/mm,最大线性范围为 5mm。现用该传感器 测量轴的振动,传感器与被测金属的安装距离为( )mm 时可得到较好的测量效果。 A 5 B 0.25 C 10

10

7、属于发电式传感器的是(

) 。

A

霍尔式传感器

B 电阻式传感器

C

电涡流式传感器

8、金属应变片的应变灵敏系数比半导体应变片的灵敏系数( ) 。 A 高 B 低 C 接近 三、问答题: (每小题 5 分,共 30 分) 1、 什么是传感器? 2、 光电效应有几种?与之对应的光电元件有哪些? 3、 什么叫细分?采用细分电路的目的是什么? 4、 什么是智能传感器?智能传感器有哪些功能? 5、 在传感器信号处理中,为什么要对信号进行调制? 6、 试举三例说明差分变压器式传感器的应用。 四、计算题与分析题: (共 24 分) 1、 用应变片组成电桥测力 F,贴片位置如图所示,按要求完成下列问题: (1) 在图 a 和图 b 的情况下,试选择相应的电桥,并简述理由。 (2) 已知:无应变时,R1=R2=R3=R4=120Ω,应变片的灵敏度 K=2,当应变 为 ε=10Х10-6, 电桥电源电压为 3V, 求图 a 和图 b 的输出电压 UX 和 UY 。 (10 分) R1 F R1 R3 R2 R1 F R4 UX

R2 a)

R2 b)

US c)

R1

R2

R4

R3

Uy

US d)

11

2、用压电式加速度传感器与电荷放大器测量机器的振动, 已知传感器的灵敏 度为 100PC/g, 电荷放大器的灵敏度为 1mV/PC, 当被测加速度为 0.5g 时, 求系统的输出电压。 分) (5 3、什么标准电极定理?已知在某特定条件下材料 A 铂配对的热电势为 13.967Mv,材料 B 与铂配对的热电势为 8.345mV, 求在此特定条件下材 料 A 与材料 B 配对后的热电势。 分) (9

传感器与检测技术模拟试题 2
一、填空题(每小题 1 分,共 26 分) 1、将被测量转换成与之对应的、容易传输和处理的装置,称为 。 2、按输出信号的性质可将传感器分为 型、 型、 型。 效应。 3、半导体应变片基于 、 。 4、自感式传感器采用差动连接的目的是 5、差动变压器式位移传感器的输出电压是一个调幅波,其幅值取决于 ,频率取决 于 ,相位取决于 。 效应,铁磁材料在外力作用下引起外部发生形变,产生应力, 6、压磁式传感器基于 使铁磁材料的 发生变化。 型电容传感器的基础上发展起来的,适应于 量测量。 7、容栅式传感器是在 8、霍尔式传感器基于 效应形成。霍尔元件多采用 材料。 9、在光线作用下能使电子逸出物体表面的物理现象称为 效应。 式和 式光电编码器。 10、光电编码器有 11、滤波器的功能 . 、 、 。 12、软件实现数据线性化的方法有 13、干扰形成的三个条件是 、 、 。 二、判断题(判断下列各题,正确的在题干后面括号内打“√” ,错误的打“╳” 。每小题 1 分,共 10 分) 1、传感器的作用是用来实现由非电量到电量的转换。 ) ( 2、长度计量光栅除了具有位移放大作用外,还具有误差平均效应。 ) ( 3、电涡流式传感器是发电式传感器。 ) ( 4、在测试系统采用斩波放大器是为了获得良好的时间和温度稳定性。 ) ( 5、压电式传感器不适应动态测量。 ( ) 6、电容式传感器即可以实现接触式测量也可以实现非接触式测量。 ( ) 7、将两个同型号的热电偶正向串联,其测量值是两点温度平均和。 ( ) 8、弹性模片是将压力或力转换为位移的弹性元件。 ( ) 9、光电池基于外光电效应。 ( ) 10、感应同步器是电感式传感器的一种,属于模拟式传感器。 ( ) 1、 三、简答题(每小题 5 分,共 20 分) 1、试分析为什么光栅式传感器有较高的测量精度?
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2、 什么叫细分?采用细分电路的目的是什么? 3、 在传感器信号处理中,为什么要对信号进行调制? 4、试举三例说明涡流式传感器的应用。 四、选择题(每小题 2 分,共 14 分) 1、表示测量装置的静态输入与输出之间关系的实验曲线称为( ) A.理论直线 B.标定曲线 C.理论标定曲线 2、直流电桥中( )接法的灵敏度最高。 A.单臂 B 双臂 C 全桥 3、常用于测量大位移的传感器是( )传感器。 A 参量式 B 电涡流式 C 磁栅式 4、利用电涡流式传感器测量转轴转速时,被测轴上测量齿盘的材料必须是( )材料。 A 金属导体 B 导磁 C 非金属导体 D 非导磁 5、在磁栅系统测量中,当磁头与磁栅之间无相对运动速度时,仍有输出感应电动势输出 的磁头为( )磁头。 A 静态 B 动态 6、 为使电缆长度不影响压电式传感器的灵敏度,应选择( )放大器。 A 电压 B 电荷 C 隔离 7、基于外光电效应的光电器件是( ) 。 A 光敏电阻 B 光电二极管 C 真空光电管 五、计算应用题(每小题 10 分,共 30 分) 1、 在材料为钢的实心圆柱形试件上, 沿轴线和圆周方向各贴一片电阻为 120Ω的金属应 变片 R1 和 R2,把这两个应变片合理的接入电桥。已知钢的泊松系数为 0.285,弹性模量 11 2, 2 E=2.0×10 N/m ,圆柱形试件的截面积为 0.00196m ,应变片的灵敏度为 2,电桥电源电 压为 2V,当试件受到拉伸时,测得应变片 R1 的电阻变化值?R1=0.48Ω,试求: (1)试组成相应的电桥,画出电桥接线图; (2)求试件受到的力 F。 2、将一灵敏度为 0.08Mv/?C 的热电偶与电压表相连,电压表接线端的温度是 50?C,工 作端的温度为 1000?C,求电压表的电压是多少? 3、要测量 80?С 的温度,现有 0.5 级的 0?С~300?С 和 1.0 级 0?С~100?С 的两个温 度计,试问采用哪一个温度计比较好?

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