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思考题与习题

Chap.1 思考题与习题

1-1 什么叫传感器?它由哪几部分组成?它们的作用与相互关系怎样?

1-2 何为传感器的基本特性?

1-3 传感器的静态特性是如何定义的?其主要技术指标有哪些?如何测出它们的数据?

1—4 传感器的动态特性是如何定义的?如何研究传感器的动态特性?

1—5 某传感器给定精度为2%F·S ,满度值为50mV ,零位值为10mV ,求可能出现的最大误差δ(以mV 计)。当传感器使用在满量程的1/2和1/8时,计算可能产生的测量百分误差。由你的计算结果能得出什么结论?

1—6 有两个传感器测量系统,其动态特性可以分别用下面两个微分方程描述,试求这两个系统的时间常数τ和静态灵敏度K 。

1) T y dt

dy 5105.1330-?=+ 式中,y —输出电压,V ;T —输入温度,℃。

2) x y dt

dy 6.92.44.1=+ 式中,y —输出电压,μV ;x —输入压力,Pa 。

1—7 已知一热电偶的时间常数τ=10s ,如果用它来测量一台炉子的温度,炉内温度在540℃至500℃之间接近正弦曲线波动,周期为80s ,静态灵敏度K=1。试求该热电偶输出的最大值和最小值。以及输入与输出之间的相位差和滞后时间。

1—8 一压电式加速度传感器的动态特性可以用如下的微分方程来描述,即

x y dt dy dt

y d 1010322100.111025.2100.3?=?+?+ 式中,y —输出电荷量,pC ;x —输入加速度,m/s 2。试求其固有振荡频率ωn 和阻尼比ζ。

1—9 某压力传感器的校准数据如下表所示,试分别用端点连线法和最小二乘法求非线性误差,并计算迟滞和重复性误差;写出最小二乘法拟合直线方程。

校准数据列表

思考题与习题

思考题与习题

1—10 用一个一阶传感器系统测量100Hz的正弦信号时,如幅值误差限制在5%以内,则其时间常数应取多少?若用该系统测试50Hz的正弦信号,问此时的幅值误差和相位差为多

1—11 一只二阶力传感器系统,已知其固有频率f0=800Hz,阻尼比ζ=0.14,现用它作工作频率f=400Hz的正弦变化的外力测试时,其幅值比A(ω)和相位角?(ω)各为多少;若该传感器的阻尼比ζ=0.7时,其A(ω)和?(ω)又将如何变化?

1—12 用一只时间常数τ=0.318s的一阶传感器去测量周期分别为1s、2s和3s 的正弦信号,问幅值相对误差为多少?

1—13 已知某二阶传感器系统的固有频率f0=10kHz,阻尼比ζ=0.1,若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。

1—14 设有两只力传感器均可作为二阶系统来处理,其固有振荡频率分别为800Hz和1.2kHz,阻尼比均为0.4。今欲测量频率为400Hz正弦变化的外力,应选用哪一只?并计算将产生多少幅度相对误差和相位差。

1—15 机电模拟的基本思想是什么?其意义何在?

Chap.2 思考题与习题

2—1 何为金属的电阻应变效应?怎样利用这种效应制成应变片?

2—2 什么是应变片的灵敏系数?它与电阻丝的灵敏系数有何不同?为什么?

2—3 对于箔式应变片,为什么增加两端各自电阻条的横截面积便能减小横向灵敏度?

2—4 用应变片测量时,为什么必须采取温度补偿措施?有哪几种温度补偿方法?

2—5 一应变片的电阻R0=120Ω,K=2.05,用作应变为800μm/m的传感元件。(1)求△R与△R/R;(2)若电源电压U i=3V,求其惠斯通测量电桥的非平衡输出电压U0。

2—6 一试件的轴向应变εx=0.0015,表示多大的微应变(με)?该试件的轴向相对伸长率为百分之几?

2—7 某120Ω电阻应变片的额定功耗为40mW,如接人等臂直流电桥中,试确定所用的激励电压。

2—8 如果将120Ω的应变片贴在柱形弹性试件上,该试件的截面积S=0.5×10-4m2,材料弹性模量E=2×101l N/m2。若由5×104N的拉力引起应变片电阻变化为1.2Ω,求该应变片的灵敏系数K。

2—9 某典型应变片的技术指标如下:

(1)应变片电阻值119.5±0.4Ω;

(2)灵敏系数2.03±1.5%;

(3)疲劳寿命107次;

(4)横向灵敏系数0.3%;

(5)零漂在最高工作温度的0.7倍时为10με/h。

试解释上述各指标的含义。

2—10 以阻值R=120Ω,灵敏系数K=2.0的电阻应变片与阻值120Ω的固定电阻组成电桥,供桥电压为3V,并假定负载电阻为无穷大,当应变片的应变为2με和2000με时,分别求出单臂、双臂差动电桥的输出电压,并比较两种情况下的灵敏度。

2—11 在材料为钢的实心圆柱试件上,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,把这两应变片接人差动电桥(参看习题2-11图)。若钢的泊松比μ=0.285,应变片的灵敏系数K=2,电桥的电源电压U i=2V,当试件受轴向拉伸时,测得应变片R1的电阻变化值△R=0.48Ω,试求电桥的输出电压U0;若柱体直径d=10mm,材料的弹性模量E=2×1011N/m2,求其所受拉力大小。

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习题2-11图差动电桥电路

2—12 一台采用等强度梁的电子称,在梁的上下两面各贴有两片电阻应变片,做成称重传感器,如习题2-2图所示。已知l=10mm,b0=llmm,h=3mm,E=2.1×104N/mm2,K=2,接入直流四臂差动电桥,供桥电压6V,求其电压灵敏度(K u=U0/F)。当称重0.5kg时,

2—13 现有基长为10mm与20mm的两种丝式应变片,欲测钢构件频率为10kHz的动态应力,若要求应变波幅测量的相对误差小于0.5%,试问应选用哪一种?为什么?

2—14 有四个性能完全相同的应变片(K=2.0),将其贴在习题2-14图所示的压力传感器圆板形感压膜片上。已知膜片的半径R=20mm,厚度h=0.3mm,材料的泊松比μ=0.285,弹性模量E=2.0×1011N/m2。现将四个应变片组成全桥测量电路,供桥电压U i=6V。求:

(1)确定应变片在感压膜片上的位置,并画出位置示意图;

(2)画出相应的全桥测量电路图;

(3)当被测压力为0.1MPa时,求各应变片的应变值及测量桥路输出电压U0;

(4)该压力传感器是否具有温度补偿作用?为什么?

(5)桥路输出电压与被测压力之间是否存在线性关系?

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习题2-14图膜片式压力传感器

2—15 金属应变片与半导体应变片在工作原理上有何不同?

2—16 试分析电位器式传感器的负载特性,什么是负载误差?如何减小负载误差?

2—17 线绕电位器式传感器线圈电阻为10kΩ,电刷最大行程4mm,若允许最大消耗功率为40mW,传感器所用激励电压为允许的最大激励电压。试求当输入位移量为1.2mm 时,输出电压是多少?

2—18 一测量线位移的电位器式传感器,测量范围为0~10mm,分辨力为0.05mm,灵敏度为2.7V/mm,电位器绕线骨架外径d=5mm,电阻丝材料为铂铱合金,其电阻率为ρ=3.25×10-4Ω·mm。当负载电阻R L=10Ω时,求传感器的最大负载误差。

Chap.3 思考题与习题

3—1 试述变隙式电感传感器的结构、工作原理和输出特性。差动变隙式传感器有哪些优点?

3—2 为什么螺管式电感传感器比变隙式电感传感器有更大的位移范围?

3—3 如何提高螺管式电感传感器的线性度和灵敏度?

3—4 电感式传感器和差动变压器传感器的零点残余误差是怎样产生的?如何消除?

3—5 差动螺管式电感传感器与差动变压器传感器有哪些主要区别?

3—6 电感式传感器和差动变压器式传感器测量电路的主要任务是什么?变压器式电桥和带相敏检波的交流电桥,谁能更好地完成这一任务?为什么?

3—7 电感传感器测量的基本量是什么?请说明差动变压器加速度传感器和电感式压力 传感器的基本原理? 3—8 差动变压器传感器的激励电压与频率应如何选择? 3—9 什么叫电涡流效应?什么叫线圈一导体系统? 3—10 概述高频反射式电涡流传感器的基本结构和工作原理?并说明为什么电涡流传 感器也属于电感式传感器? 3—11 使用电涡流传感器测量位移或振幅时,对被测物体要考虑哪些因素?为什么? 3—12 电涡流的形成范围包括哪些内容?它们的主要特点是什么? 3—13 被测物体对电涡流传感器的灵敏度有何影响? 3—14 简述电涡流传感器三种测量电路(恒频调幅式、变频调幅式和调频式)的工作原理。 3—15 某差动螺管式电感传感器(参见习题3-15图)的结构参数为单个线圈匝数W=800匝,l =10mm ,l c =6mm ,r=5mm ,r c =1mm ,设实际应用中铁芯的相对磁导率μr =3000,试求:

螺管式线圈

插棒式铁芯

线圈1

线圈2铁芯(a)(b)

习题3-15图 差动螺管式电感传感器

(1)在平衡状态下单个线圈的电感量L 0=?及其电感灵敏度足K L =?

(2)若将其接人变压器电桥,电源频率为1000Hz ,电压E=1.8V ,设电感线圈有效电阻可忽略,求该传感器灵敏度K 。

(3)若要控制理论线性度在1%以内,最大量程为多少?

3—16 有一只差动电感位移传感器,已知电源电U sr =4V ,f=400Hz ,传感器线圈铜电阻与电感量分别为R=40Ω,L=30mH ,用两只匹配电阻设计成四臂等阻抗电桥,如习题3-16图所示,试求:

(1)匹配电阻R 3和R 4的值;

(2)当△Z=10时,分别接成单臂和差动电桥后的输出电压值;

(3)用相量图表明输出电压sc U ?与输入电压sr U ?

之间的相位差。

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习题3-16图习题3-17图气隙型电感式传感器(变隙式)3—17 如习题3-17图所示气隙型电感传感器,衔铁截面积S=4×4mm2,气隙总长度δ=0.8mm,衔铁最大位移?δ=±0.08mm,激励线圈匝数W=2500匝,导线直径d=0.06mm,电阻率ρ=1.75×10-6Ω.cm,当激励电源频率f=4000Hz时,忽略漏磁及铁损,求:

(1)线圈电感值;

(2)电感的最大变化量;

(3)线圈的直流电阻值;

(4)线圈的品质因数;

(5)当线圈存在200pF分布电容与之并联后其等效电感值。

3—18 如习题3-15图所示差动螺管式电感传感器,其结构参数如下:l=160mm,r=4mm,r c=2.5mm,l c=96mm,导线直径d=0.25mm,电阻率ρ=1.75×10-6Ω·cm,线圈匝数W1=W2=3000匝,铁芯相对磁导率μr=30,激励电源频率f=3000Hz。要求:

(1)画出螺管内轴向磁场强度H~x分布图,根据曲线估计当△H<0.2(W/l)时,铁芯移动工作范围有多大?

(2)估算单个线圈的电感值L=?直流电阻R=?品质因数Q=?

(3)当铁芯移动±5mm时,线圈的电感的变化量△L=?

(4)当采用交流电桥检测时,其桥路电源电压有效值E=6V,要求设计电路具有最大输出电压值,画出相应桥路原理图,并求输出电压值。

3—19 某线性差动变压器式传感器用频率为1kHz,峰-峰值为6V的电源激励,设衔铁的运动为100Hz的正弦运动,其位移幅值为±2mm,已知传感器的灵敏度为2V/mm,试画出激励电压、输入位移和输出电压的波形。

Chap.4思考题与习题

4—1 试述电容式传感器的工作原理与分类。

4—2 试计算习题4-2图所示各电容传感元件的总电容表达式。

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习题4-2图

4—3 在压力比指示系统中采用差动式变间隙电容传感器和电桥测量电路,如习题4-3图所示。已知:δ0=0.25mm ;D=38.2mm ;R=5.1k Ω;U sr =60V(交流),频率f =400Hz 。试求:

(1)该电容传感器的电压灵敏度K u (V/μm);

(2)当电容传感器的动极板位移△δ=10μm 时,输出电压U sc 值。

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习题4-3图

4—4 有一台变间隙非接触式电容测微仪,其传感器的极板半径r=4mm ,假设与被测工件的初始间隙d 0=0.3mm 。试求:

(1)如果传感器与工件的间隙变化量△d=±10μm ,电容变化量为多少?

(2)如果测量电路的灵敏度足K u =100mV/pF ,则在△d=±1μm 户时的输出电压为多少?

4—5 有一变间隙式差动电容传感器,其结构如习题4-5图所示。选用变压器交流电桥作测量电路。差动电容器参数:r=12mm ;d 1=d 2=d 0=0.6mm ;空气介质,即

习题4-5图

ε=ε0=8.85×10-12F/m 。测量电路参数:u sr =u=sr U ?

= 3sin ωt (V)。试求当动极板上输入位移(向上位移) △x=0.05mm 时,电桥输出端电压U sc ?

4—6 如习题4-6图所示的一种变面积式差动电容传感器,选用二极管双厂网络测量电路。差动电容器参数为:a=40mm ,b=20mm ,d l =d 2=d 0=1mm ;起始时动极板处于中间位置,C l =C 2=C 0,介质为空气,ε=ε0=8.85×10-12F/m 。测量电路参数:D 1、D 2为理想二极管;

及R1=R2=R=10KΩ;R f=1MΩ,激励电压U i=36V,变化频率f=1MHz。试求当动极板向右位移△x=10mm时,电桥输出端电压U sc?

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习题4-6图

4—7 一只电容位移传感器如习题4-7图所示,由四块置于空气中的平行平板组成。板A、C和D是固定极板;板B是活动极板,其厚度为t,它与固定极板的间距为d。B、C和D极板的长度均为a,A板的长度为2a,各板宽度为b。忽略板C和D的间隙及各板的边缘效应,试推导活动极板刀从中间位置移动x=±a/2时电容C AC和C AD的表达式(x=0时为对称位置)。

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习题4-7图

4—8 已知平板电容传感器极板间介质为空气,极板面积S=a×a=(2x2)cm2,间隙d0=0.1mm。求:传感器的初始电容值;若由于装配关系,使传感器极板一侧间隙d0,而另一侧间隙为d0+b(b=0.01mm),此时传感器的电容值。

4—9 为什么电容式传感器易受干扰?如何减小干扰?

4—10 电容式传感器的温度误差的原因是什么?如何补偿?

4—11 电容式传感器常用的测量电路有哪几种?各有什么特点?

4—12 根据电容传感器的工作原理,试分析其所能测的机械量和化工量都有哪些?并简述其基本测量原理。

4—13 能否用电容传感器测量金属工件表面的非金属涂层厚度?试设计一种可能的测量方案。

4—14 设计一个油料液位监测系统。当液位高于y1时,振铃报警并点亮红色LED指示灯;当液位低于y2时,振铃报警并点亮黄色LED指示灯;当液位处于y1和y2之间时,点亮绿色LED安全灯。

Chap.5 思考题与习题

5—1 用压电式传感器能测量静态和变化缓慢的信号吗?为什么?而其阻尼比很小,为

什么可以响应很高频率的输入信号而失真却很小?

5—2 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?而电荷灵敏度无关?

5—3 有一压电晶体,其面积为20mm2,厚度为10mm,当受到压力P=10MPa作用时,求产生的电荷量及输出电压:

(1)零度X切的纵向石英晶体;

(2)利用纵向效应的BaTiO3。

5—4 某压电晶体的电容为1000pF,k q=2.5C/cm,电缆电容C C=3000pF,示波器的输入阻抗为1MΩ和并联电容为50pF,求:

(1)压电晶体的电压灵敏度足K u;

(2)测量系统的高频响应;

(3)如系统允许的测量幅值误差为5%,可测最低频率是多少?

(4)如频率为10Hz,允许误差为5%,用并联连接方式,电容值是多大?

5—5 分析压电加速度传感器的频率响应特性。若测量电路为电压前量放大器C总=1000pF,R总=500MΩ;传感器固有频率f0=30kHz,阻尼比ζ=0.5,求幅值误差在2%以内的使用频率范围。

5—6 石英晶体压电式传感器,面积为100mm2,厚度为1mm,固定在两金属板之间,用来测量通过晶体两面力的变化。材料的弹性模量为9×1010Pa,电荷灵敏度为2pC/N,相对介电常数是5.1,材料相对两面间电阻是1014Ω。一个20pF的电容和一个100MΩ的电阻与极板并联。若所加力F=0.01sin(1000t)N,求:

(1)两极板间电压峰—峰值;

(2)晶体厚度的最大变化。

5—7 用石英晶体加速度计及电荷放大器测量机器的振动,已知:加速度计灵敏度为5pC/g,电荷放大器灵敏度为50mV/pC,当机器达到最大加速度值时相应的输出电压幅值为2V,试求该机器的振动加速度。(g为重力加速度)

5—8 用压电式传感器测量最低频率为1Hz的振动,要求在1Hz时灵敏度下降不超过5%。若测量回路的总电容为500pF,求所用电压前置放大器的输入电阻应为多大?

5—9 已知压电式加速度传感器的阻尼比ζ=0.1,其无阻尼固有频率f0=32kHz,若要求传感器的输出幅值误差在5%以内,试确定传感器的最高响应频率。

5—10 某压电式压力传感器的灵敏度为80pC/Pa,如果它的电容量为1nF,试确定传感器在输入压力为1.4Pa时的输出电压。

5—11 一只测力环在全量程范围内具有灵敏度3.9pC/N,它与一台灵敏度为10mV/pC 的电荷放大器连接,在三次试验中测得以下电压值:(1) -100mV;(2)10V;(3) -75V。试确定三次试验中的被测力的大小及性质。

5—12 什么叫正压电效应和逆压电效应?石英晶体和压电陶瓷的压电效应原理有何不同之处?

5—13 压电元件在使用时常采用多片串接或并接的结构形式,试述在不同接法下输出电压、输出电荷、输出电容的关系,以及每种接法适用于何种场合。

5—14 某压电式压力传感器为两片石英晶片并联,每片厚度h=0.2mm,圆片半径

r=1cm,εr=4.5,X切型d11=2.31X10-12C/N。当0.1MPa压力垂直作用于P X平面时,求传感器输出电荷Q和电极间电压U a的值。

5—15 电荷放大器和电压放大器各有何特点?它们分别适用于什么场合?

5—16 在装配力一电转移型压电传感器时,为什么要使压电元件承受一定的预应力?根据正压电效应,施加预应力必定会有电荷产生,试问该电荷是否会给以后的测量带来系统误差?为什么?

5—17 某压电晶片的输出电压幅值为200mV,若要产生一个大于500mV的信号,需采用什么样的连接方法和测量电路达到该要求。

Chap.6 思考题与习题

6—1 试述磁电式传感器的简单工作原理及其基本结构和磁路分类。

6—2 简述恒磁通式和变磁通式磁电传感器的工作原理。

6—3 磁电式传感器的误差及其补偿方法是什么?

6—4 试分析磁电式测振传感器的工作频率范围,若要扩展其测量频率范围的上限和下限,各有什么措施可以采取?

6—5 某动圈式速度传感器弹簧系统的刚度k=3200N/m,测得其固有频率为20Hz,今欲将其固有频率减小为10Hz,问弹簧刚度应为多大?

6—6 已知恒磁通磁电式速度传感器的固有频率为10Hz,质量块重2.08N,气隙磁感应强度为1T,单匝线圈长度为4mm,线圈总匝数1500匝,试求弹簧刚度k值和电压灵敏度K u值(mV/(m/s))。

6—7 某磁电式传感器要求在最大允许幅值误差2%以下工作,若其相对阻尼系数ξ=0.6,试求ω/ωn的范围。

6—8 磁电式振动传感器为什么必须满足,ω/ωn≥1的条件?

Chap.7 思考题与习题

7—1 什么叫热电阻效应?试述金属热电阻效应的特点和形成原因。

7—2 制造热电阻体的材料应具备哪些特点?常用的热电阻材料有哪几种?

7—3 WZP和WZC各表示什么含意?它们的标准分度表适用范围与百度电阻比各为多少?此表如何使用?

7—4 用热电阻传感器测温时,经常采用哪种测量线路?热电阻与测量线路有几种连接方式?通常采用哪种连接方式?为什么?

7—5 半导体和金属的电阻率与温度关系有何差别?原因是什么?

7—6 试述热敏电阻的三种类型、它们的特点及应用范围。

7—7 NTC 热敏电阻热电特性和伏安特性的特点是什么?

7—8 热敏电阻温度系数的定义是什么?热敏电阻的主要参数有哪些?

7—9 什么叫热电效应?热电偶的热电势是怎样形成的?

7—10 热电偶工作的基本条件是什么?

7—11 热电偶有哪些基本定律?

7—12 热电偶为什么能测量温度?

7—13 为什么在实际应用中要对热电偶进行温度补偿?主要有哪些补偿方法?

7—14 已知铜热电阻Cul00的百度电阻比W(100)=1.42,当用此热电阻测量50℃温度时,其电阻值为多少?若测温时的电阻值为92Ω,则被测温度是多少?

7—15 将一灵敏度为0.08mV/℃的热电偶与电位计相连接测量其热电势,电位计接线端是30℃,若电位计上读数是60mV ,热电偶的热端温度是多少?

7—16 参考电极定律有何实际意义?已知在某特定条件下材料A 与铂配对的热电势为13.967mV ,材料B 与铂配对的热电势是8.345mV ,求出在此特定条件下,材料A 与材料B 配对后的热电势。

7—17 欲测量变化迅速的200℃的温度应选用何种传感器?测量2000℃的高温又应选用何种传感器?

7—18 请设计一热电偶冷端温度自动补偿电路。画出测量电路,并简述其补偿原理。 7—19 镍铬-镍硅热电偶灵敏度为0.04mV/℃,把它放在温度为1200℃处,若以指示仪表作为冷端,此处温度为50℃,试求热电势大小。

7—20 热电偶温度传感器的输入电路如习题7-20图所示,已知铂铑-铂热电偶在温度0~100℃之间变化时,其平均热电势波动为6μV/℃,桥路中供桥电压为4V ,三个锰铜电阻

思考题与习题

习题7-20图

(R l 、R 2、R 3)的阻值均为1Ω,铜电阻的电阻温度系数为α=0.004/℃,已知当温度为0℃时电桥平衡,为了使热电偶的冷端温度在0~50℃范围其热电势得到完全补偿,试求可调电阻的阻值只R 5。

7—21 在某一瞬间,电阻温度计上指示温度θ2=50℃,而实际温度θ1=100℃,设电阻温度计的动态关系为

)(212θθθ-=k dt

d 其中k=0.2/s 。试确定温度计达到稳定读数(0.995θ1)所需时间。

7—22 某热敏电阻,其B 值为2900K ,若冰点电阻为500k Ω,求热敏电阻在100℃时的阻值。

7—23 热电偶的热电特性与热电极的长度和直径是否有关?为什么?

7—24 在热电偶回路中接人测量仪表时,会不会影响热电偶回路的热电势数值?为什么?

7—25 以热敏电阻做温度敏感元件,设计一个水温测量仪表,测量范围-20℃~+90℃,非线性误差≤1%。

附表1铂热电阻分度表(分度号为Ptl00)

思考题与习题

050

铂热电阻的计算公式为

R t=R0[1+At+Bt2+Ct3(t-100)],(-200~0℃)

R t=R0 (1+At+Bt2),(0~850℃)

式中A=3.90902×10-3/℃;B=-5.802×10-7/℃2;C=- 4.2735×10-12/℃3

Chap.8 思考题与习题

8—1 什么叫外光电效应?由爱因斯坦光电效应方程式得出的两个基本概念是什么?

8—2 什么叫内光电效应?什么叫内光电导效应和光生伏特效应?

8—3 试述光电管的简单结构及其光谱特性、伏安特性、光电特性和暗电流的特点。

8—4 试述光电倍增管的结构和工作原理与光电管的异同点。若入射光子为103个(1个光子等效于1个电子电量)。光电倍增管共有16个倍增极,输出阳极电流为20A,且16个倍增极二次发射电子数按自然数的平方递增,试求光电倍增管的电流放大倍数和倍增系数。

8—5 试比较光敏电阻、光电池、光敏二极管和光敏三极管的性能差异,给出什么情况应选用哪种器件最为合适的评述。

8—6 光电效应器件中哪种响应快?比较内光电效应器件的频率特性。

8—7 当采用波长为800~900nm的红外光源时,宜采用哪几种光电器件作为测量元件?为什么?

8—8 试分别使用光敏电阻、光电池、光敏二极管和光敏三极管设计一个适合TTL 电平输出的光电开关电路,并叙述其工作原理。

8—9 假如打算设计一种光电传感器,用于控制路灯的自动亮灭(天黑自动点亮,天明自动熄灭)。试问可以选择那种光电器件?这里利用该光电器件什么特性?

8—10 光电转速传感器的测量原理是将被测轴的转速变换成相应频率的脉冲信号,然后,测出脉冲频率即可测得转速的数值。试根据这一思路画出光电转速传感器的检测变换部分的工作原理示意图,图中的光电转换元件选用那种光电器件比较合适?为什么?

8—11 利用光敏三极管和NPN硅三极管实现图8—38的控制电路,并叙述其工作过程。

8—12 简述发光二极管的工作原理及其光谱特性。

8—13 光电耦合器的基本结构是什么?光电耦合器有哪些优点?

8—14 试叙述光纤传感器所用光纤的结构和传光原理。

8—15 什么是单模光纤和多模光纤?并叙述驻波和模的关系。

8—16 在自由空间,波长λ0=500μm的光从真空进入金刚石(n d=2.4)。在通常情况下当光通过不同物质时频率是不变的,试计算金刚石中该光波的速度和波长。

8—17 利用Snell定律推导出临界角θC的表达式。计算水与空气分界面(n水=1.33)的θC 值。

8—18 求光纤n1=1.46,n2=1.45的NA值;如果外部的n0=1,求光纤的临界入射角。

8—19 一迈克尔逊干涉仪用平均波长为634.8nm、线宽0.0013nm的镉红光光源,初始位置时光程差为零,然后,慢慢移动图8-52所示系统中的可移动四面体5,直到条纹再消失。求该镜子必须移动多少距离?它相当于多少个波长?

8—20 光纤传感器有哪两大类型?它们之间有何区别?

8—21 相位调制型光纤传感器的基本检测方法是什么?该类传感器的主要技术难点是什么?

8—22 根据频率调制原理,设计一个用光纤传感器测试石油管道中原油流速的系统,并叙述其工作原理。

8—23 试说明有关辐射的基尔霍夫定律、斯忒藩-玻尔兹曼定律和维思位移定律各自所阐述的侧重点是什么?

8—24 计算一块氧化铁被加热到100℃时,它能辐射出多少瓦的热量?(铁块的比辐射率ε在100℃时为0.09,铁块表面积为0.9m2)

8—25 利用红外探测器如何检测温度场?如何检测温度差?

8—26 试述红外探测器与光敏元件和热敏电阻传感器的异同点。

8—27 试设计一个红外控制的电离开关自动控制电路,并叙述其工作原理。

8—28 如何实现线型CCD电荷的四相转移?试画出定向转移图。

Chap.9 思考题与习题

9—1 试述霍尔效应的定义与霍尔传感器简单的工作原理。

9—2 为什么霍尔元件用半导体薄片

.....制成?

9—3.某霍尔元件l×b×d=10×3.5×1mm3,沿l方向通以电流I=1.0mA,在垂直于了l b 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,试求其输出霍尔电势及载流子浓度。

9—4 试分析霍尔元件输出接有负载R L时,利用恒压源和输入回路串联电阻R进行温度补偿的条件。

9—5 霍尔元件灵敏度如何定义?

9—6 简述磁敏二极管和磁敏三极管的结构和工作原理。

9—7 磁敏二极管和磁敏三极管的主要用途是什么?

9—8 若一个霍尔器件的K H=4mV/mA·kGs,控制电流I=3mA,将它置于1Gs~5kGs 变化的磁场中(设磁场与霍尔器件平面垂直),它的输出霍尔电势范围多大?并设计一个20倍的比例放大器放大该霍尔电势。

9—9 磁感强度B在+1kGs和 1kGs两点上变化,试分别设计一个控制电流I为10mA 的磁敏二极管和磁敏三极管开关电路,其输出为0~4V的TTL电平。

9—10 简述磁阻效应和半导体磁敏电阻的原理。

9—11 有一霍尔元件,其灵敏度K H=1.2mV/mA·kGs,把它放在一个梯度为5kG s/mm 的磁场中,如果额定控制电流是20mA,设霍尔元件在平衡点附近作±0.1mm的摆动,问输出电压范围为多少?

Chap.10 思考题与习题

10—1 透射式光栅传感器的莫尔条纹是怎样形成的?它有哪些特性?

10—2 试分析光栅传感器为什么有较高的测量精度?

10—3 简述光栅传感器的辨向结构及其工作原理。

10—4请说明有哪些方法可以实现莫尔条纹的四细分技术。

10—5 用四个光敏二极管接收长光栅的莫尔条纹信号,如果光敏二极管的响应时间为10-6s,光栅的栅线密度为50线/mm,试计算一下光栅所允许的运动速度。

10—6 速度响应式和磁通响应式磁栅传感器有哪些不同特点。

10—7 试说明鉴幅式磁栅信号处理方式的基本原理。

10—8 感应同步器有哪两种基本类型?并简述其结构和工作原理。

10—9 接触式码盘是怎样制造的?为什么BCD码制的码盘会产生误码?采用什么方法

消除?并说明消除误码的原理。

10—10如何实现提高光电式编码器的分辨率?

10—11 一个21码道的循环码码盘,其最小分辨力θ1=?若每一个θ1角所对应的圆弧长度至少为0.001mm,且码道宽度为1mm,则码盘直径多大?

10—12 为什么要求谐振式传感器的品质因数越高越好?

10—13 简述振筒式频率传感器的结构和工作原理。

10—14 为什么振筒的固有自振频率与被测压力有对应关系?

10—15 试述振筒式传感器测量介质密度的工作原理。

10—16 根据图10-34(b),说明压电元件振膜式压力传感器的工作原理。

10—17要使振弦(或振筒)传感器的输出端得到电压或电流信号,应采取哪些措施?

10—18 试定性分析改变振筒式压力传感器的筒壁厚度和筒的长度对振筒的谐振频率f0及输出灵敏度的影响。

10—19 振弦式传感器的结构及各组件的功能是什么?

10—20 试分析环境温度变化对振弦式传感器灵敏度的影响。

10—21 试说明习题10-21图温度频率测量的原理。

思考题与习题

习题10—21图压控振荡器式频率传感器的温度测量

Chap.11 思考题与习题

1l—1 半导体气敏传感器有哪几种类型?

11—2 试叙述表面控制型半导体气敏传感器的工作原理。

11—3 试述Pd-MOS场效应晶体管(FET)和MOS二极管的气敏原理。

1l—4 为什么多数气敏器件都附有加热器?

11—5 如何提高半导体气敏传感器对气体的选择性和气体检测灵敏度?

11—6 利用热导率式气体传感器原理,设计一真空检测仪表(皮拉尼真空计),并说明其工作原理。

Chap.12 思考题与习题

12—1 什么叫绝对湿度和相对湿度?

12—2 氯化锂和半导体陶瓷湿敏电阻各有什么特点?

12—3 什么叫水分子亲和力?这类传感器的半导体陶瓷湿敏元件的工作原理是什么?

12—4 试述湿敏电容式和湿敏电阻式湿度传感器的工作原理。

12—5 请按感湿量的不同列出所学过的各类湿敏元件。

12—6 请利用LiCl电阻式湿敏元件设计一个恒湿控制装置,且恒湿的值可任意设定。

Chap.13 思考题与习题

13—1 超声波传感器的基本原理是什么?超声波探头有哪几种结构形式?

13—2 利用超声波进行厚度检测的方法是什么?

13—3 在脉冲回波法测厚时,利用何种方法测量时间间隔t能有利于自动测量?若已知超声波在工件中的声速c=5640m/s,测得的时间间隔t为22μs,试求其工件厚度。

13—4 在习题13-4图所示的微波液位计中,若发射天线与接收天线的连线不平行于液面,对测量结果有什么影响?

思考题与习题

习题13-4图微波液位计示意图

13—5 是否可以用微波代替习题13-5图中的超声波来进行厚度测量?为什么?

思考题与习题

习题13-5图脉冲回波法测厚方框图

13—6 什么叫智能传感器,智能传感器有哪些实现方式?

Chap.14思考题与习题

14—1 传感器的标定与校准的意义是什么?

14—2 传感器标定系统由哪几部分组成?标定条件是什么?

14—3 什么叫传感器的静态标定和动态标定?什么是传感器的绝对标定方法和比较标定法?

14—4 四个应变片粘贴在扭轴上,安排得到最大灵敏度,应变片阻值为121Ω,而应变敏系数K为2.04,并接成全桥测量电路。当用750kΩ的电阻器并联在一个应变片上分流以得到标定时,电桥输出在示波器上记录到2.20cm的位移。如果变形的轴引起示波器3.2cm 的偏移,求指示的最大应变?设轴为钢制的,求应力(钢的扭转弹性模量E=1.623×1011N/m2)?

14—5 激波管标定装置由哪几部分组成?各部分的作用是什么?