哈工大2011年秋季学期传感器A卷

哈工大2011 年秋季学期

传感器原理及应用试题

一、判断题（正确打√标记，错误打 ×标记，每题1 分，共10分）

1．（）重复性表示传感器在输入量按同一方向作全量程多次测试时所得特性曲线不一致性程度。重复性指标用输出不重复误差与满量程输出的百分比表示。

2．（）热电偶的热电势的大小与热电偶尺寸、形状及电极温度分布无关，只与导体材料及导体中间温度有关。

3．（）对于压电晶体中的多晶体压电陶瓷当沿X 轴的方向施加外作用力时，会在垂直于X 轴和Y轴两个轴的表面出现电荷。

4．（）电容式传感器在工作频率为10KHZ时工作，要考虑引线电感对电容阻抗的影响，避免引起传感器有效灵敏度的改变。

5．（）热探测器光电器件是基于光辐射与物质相互作用的光效应

6．（）电阻丝应变片存在的横向效应是纵向应变造成电阻减少，横向应变造成电阻增加而产生的。

7．（）气隙型电感式传感器采用差动结构也不能完全消除非线性误差。

8．（ × ）光敏电阻的暗电阻越小，亮电阻越大，则性能越好。

9．（√）利用超声波的多普勒频移法可测量含有悬浮颗粒或气泡流体的流量。

10．（ × ）铜热电阻在一些测量精度要求不高，且温度较低的场合，用来

测量-50～+120℃范围的温度。

、简答题（每题5分共20 分）

1．什么是传感器？包含哪些方面含义，传感器由哪三个部分组成？传感器：能感受

规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。

（3 分）常用的分类方法有两种，一种是按被测物理量来分；另一种按传感器的工作原理来分。（1 分）

按被测物理量划分的传感器如：温度传感器、湿度传感器、压力传感器、位移传感器、流量传感器等。（0.5 分）

按工作原理可划分为：电学式传感器、磁学式传感器、光电式传感器、电荷传感器等。（0.5 分）

2．分别简述利用半导体感温片的光纤温度传感器和光纤液位传感器的工作原理。

答：1）光纤温度传感器工作原理：

当光纤一端输入一恒定光强的光时，由于半导体感温薄片透射能力随温度变化，光纤另一端接收元件所接受的光强也随被测温度而改变。于是通过测量光探测器输出的电量，便能遥测到感温探头处的温度。（2 分）

2）光纤液位传感器的工作原理：

当光纤探头没有接触液面（处于空气中）时，光线在探头内发生全内反射，而返回到光电二极管；当探头接触液面，由于液体与空气折射率不同，所以全内反射被破坏，将有部分光线透入液体，使返回光电二极管的光强变。返回光强是液体折射率的函数。返回光强发生突变时，测头已接触到液位。（3 分）

3．一个均匀的线绕电阻传感器其固有电阻为R，为保证负载误差不超过1%，求电阻比

M=R/RL（RL为负载电阻）。

答：当位移x＝1总行程时，负载误差为最大（1分），即

2

4．描述并推导证明热电偶传感器中间温度定律，说明该定律应用的实际意义是什么？

三、（10

分）简述电涡流传感器的工作原理，

并举出两种传感器的测量电路，说明电路的测量原理。

答：电涡流传感器是利用电涡流效应，将位移、温度等非电量转换为阻抗的变

化（或电感的变化，或Q 值的变化），从而进行非电量电测的。r as—线圈等效外径，一个通有交变电流 I&1 的线圈，由于电流的变化，在线圈周围就产生一个交变磁

场H1，当被测导体

置于该磁场范围之内，被测导体内便产生电涡流I&2，电涡流也将产生一个新磁场

H2，

H2与H1 方向相反，因而抵消部分原磁场，从而导致线圈的电感量、阻抗和品质因数发生改变。

一般地说，传感器线圈的阻抗、电感和品质因数的变化与导体的几何形状、电

导率、磁导率有关，也与线圈的几何参数、电流的频率以及线圈到被测导体间距离有关。如果控制上述参数中一个变化，其余皆不变化，就可以构成测位移、测温度、测硬度等各种传感器。

根据传感器线圈与被测导体间的距离x 的变化可以转换为品质因数Q、阻抗E、线圈电感L 三个参数的变化。（5 分）

1. 调幅式电路

振荡器向传感器线圈L和C组成的并联谐振回路提供一个频率及振幅稳定的高频激励信号，它相当于一个恒流源。当被测导体距传感器线圈相当远时，传感器谐振回路的谐振频率为回路的固有频率，这时谐振回路的品质因数Q 值最高，阻抗最大，振荡器提供的恒定电流与其上产生的压降最大。当被测导体与传感器线圈距离在传感器测试范围内变化时，由于涡流效应使传感器的品质因数Q 值下降，传感器线圈的电感L、C0 组成谐振电路，谐振频率

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也随之发生变化，从而使谐振回路工作在失谐状态，这种失谐状态随被测导体与传感器线圈距离越来越近而变得越来越大，回路输出的电压也越来越小。谐振回路输出的信号经检波、滤

波放大后送给后继电路，可直接显示出被测无体的位移量。

2. 调频式电路

将 LC 谐振回路和放大器结合构成 LC 振荡器， 故频率始终为谐振频率， 幅值始终为

可见，在涡流增大时， L 1减小， R 1增大和谐振频率变高，而输出幅值变小。利用频 率与幅值同时变化的特点，①测出图中峰值、 （利用峰值检波器）②直接输出频率。

优点：电路简单，线性范围宽。 （7 分）

谐振曲线峰值，即：

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为使 K H 0gI H0gB K Ht gI Ht gB

K Ht I H 0 K H 0 I Ht

1 (t t 0 )

R P

R it

R P R i0

(t t 0)

R P R i0[1 (t t 0)]

R P

R i0

回路中串联的温度补偿电阻： R P R i0

四、（10分）霍尔片采用恒压源供电，为补偿温度误差，采用在输入回路串联电阻， 若已知霍尔元件灵敏度温度系数为 α，霍尔元件输入电阻温度系数为 β，温度 t 0 时的输入 电阻为 R i0，霍尔元件灵敏度系数为 K H0；温度 t 1时的输入电阻为 R it R i 0[1 （t t 0）] ， 霍尔元件灵敏度系数为 K Ht K H 0[1 （t t 0）] ,请推导串联的电阻 R P 的大小。

答：当霍尔元件采用稳压电源供电， 且霍尔输出开路状态工作时， 可在输入回路串入 适当电阻来补偿温度误差。

在温度 t0 时，KH 0 为霍尔元件灵敏度系数； Ri 0 为霍尔元件输入电阻。

R it R i 0[1 (t t 0)]

其中：

—霍尔元件灵敏度温度系数 —霍尔元件的电阻温度系数（ 4 分）

在温度 t 时，

K Ht K H0[1

(t t 0 )]

I H0 ； I Ht R P

R

i0

V R P

R it