传感器与检测技术试题与答案 ()

第2章 电阻式传感器思考题答案

1.金属电阻应变片与半导体材料的电阻应变效应有什么不同? 答：金属电阻的应变效应主要是由于其几何形状的变化而产生的，半导体材料的应变效应则主要取决于材料的电阻率随应变所引起的变化产生的。

2.直流测量电桥和交流测量电桥有什么区别?

答：它们的区别主要是直流电桥用直流电源，只适用于直流元件，交流电桥用交流电源，适用于所有电路元件。

3.热电阻测量时采用何种测量电路?为什么要采用这种测量电路?说明这种电路的工作原理。 答：通常采用电桥电路作为测量电路。为了克服环境温度的影响常采用下图所示的三导线四分之一电桥电路。由于采用这种电路，热电阻的两根引线的电阻值被分配在两个相邻的桥臂中，如果R1?R2，则由于环境温度变化引起的引线电阻值变化造成的误差被相互抵消。

R1R2Rˊ1RtˊR2ttR4R3热电阻的测量电路

4.采用阻值为120Ω灵敏度系数K=2.0的金属电阻应变片和阻值为120Ω的固定电阻组成电桥，供桥电压为4V，并假定负载电阻无穷大。当应变片上的应变分别为1和1 000时，试求单臂、双臂和全桥工作时的输出电压，并比较三种情况下的灵敏度。

K?U4?2?10?6K?U??2?10?6/V，应变为解：单臂时U0?，所以应变为1时U0?444K?U4?2?10?3K?U??2?10?3/V；双臂时U0?1000时应为U0?，所以应变为1442时

K?U4?2?10?6U0???4?10?622/V，应变为1000时应为

K?U4?2?10?3U0???4?10?3/V；全桥时U0?K?U，所以应变为1时

22U0?8?10?6/V，应变为1000时应为U0?8?10?3/V。从上面的计算可知：单臂时灵敏度

最低，双臂时为其两倍，全桥时最高，为单臂的四倍。

5.采用阻值R=120Ω灵敏度系数K=2.0的金属电阻应变片与阻值R=120Ω的固定电阻组成电桥，供桥电压为10V。当应变片应变为1000时，若要使输出电压大于10mV，则可采用何种工作方式（设输出阻抗为无穷大）？

解：由于不知是何种工作方式，可设为n，故可得：

K?U2?10?10?3U0???10mV

nn得n要小于2，故应采用全桥工作方式。

6.如图所示为一直流电桥，供电电源电动势E=3V，R3=R4=100Ω，R1和R2为同型号的电阻应变片，其电阻均为50Ω，灵敏度系数K=2.0。两只应变片分别粘贴于等强度梁同一截面的正反两面。设等强度梁在受力后产生的应变为5 000，试求此时电桥输出端电压U0。

R4R3Ｕ０R1R2R2R1ＦＥ题6图

K?U2?3?5?10?3??15/mV 解：此电桥为输出对称电桥，故U0?227.光敏电阻有哪些重要特性，在工业应用中是如何发挥这些特性的？

答：光敏电阻是采用半导体材料制作，利用内光电效应工作的光电元件。它的重要特性是在无光照时阻值非常大，相当于断路，有光照时阻值变得很小，相当于通路。在工业应用中主要就是通过光的变化来各种电路的控制。

第3章 电容式传感器思考题答案

1.试分析变面积式电容传感器和变间隙式电容的灵敏度?为了提高传感器的灵敏度可采取什么措施并应注意什么问题?

答：如图所示是一直线位移型电容式传感器的示意图。

当动极板移动△x后，覆盖面积就发生变化，电容量也随之改变，其值为

C=εb（a-△x）/d=C0-εb·△x/d （1）

电容因位移而产生的变化量为

?C?C?C0??其灵敏度为 K??bd?x??C0?x a?C?b?? ?xdΔxx可见增加b或减小d均可提高传感器的灵敏度。

da直线位移型电容式传感器

b

2.为什么说变间隙型电容传感器特性是非线性的?采取什么措施可改善其非线性特征?

答：下图为变间隙式电容传感器的原理图。图中1为固定极板，2为与被测对象相连的活动极板。当活动极板因被测参数的改变而引起移动时，两极板间的距离d发生变化，从而改变了两极板之间的电容量C。

1d21–固定极板 2--活动极板

设极板面积为A，其静态电容量为C??Adx1??Ad (1) C??C0d?xx21?2dx2x1?2?1 则C?C0(1?) (2)

dd，当活动极板移动x后，其电容量为

当x<

由式（1）可以看出电容量C与x不是线性关系，只有当 x<

关系。同时还可以看出，要提高灵敏度，应减小起始间隙d过小时。但当d过小时，又容易引起击穿，同时加工精度要求也高了。为此,一般是在极板间放置云母、塑料膜等介电常数高的物质来改善这种情况。在实际应用中，为了提高灵敏度，减小非线性，可采用差动式结构。

3.有一平面直线位移差动传感器特性其测量电路采用变压器交流电桥，结构组成如图所示。电容传感器起始时b1=b2=b=200mm，a1=a2=20mm极距d=2mm，极间介质为空气，测量电路u1=3sinωtV，且u=u0。试求当动极板上输入一位移量△x=5mm时,电桥输出电压u0。

ΔxdC1C2uuiuC1C2u0b1a1a2题3图

b2

解：根据测量电路可得

u?u0?

?C?x5ui?ui??3sin?t?750sin?t/mV C0a204.变间隙电容传感器的测量电路为运算放大器电路，如图所示。C0=200pF，传感器的起始电

容量Cx0=20pF,定动极板距离d0=1.5mm,运算放大器为理想放大器(即K→∞,Zi→∞),Rf极大,输入电压u1=5sinωtV。求当电容传感动极板上输入一位移量△x=0.15mm使d0减小时,电路输出电压u0为多少?

RfＣ0uiＣx+-Ｎu0

解：由测量电路可得

u0??C0C0200ui??ui??5sin?t?45sin?/V

Cx0d020?1.5Cx1.5?0.15d0??x

5.如图3-22所示正方形平板电容器,极板长度a=4cm,极板间距离δ=0.2mm.若用此变面积型传感器测量位移x,试计算该传感器的灵敏度并画出传感器的特性曲线.极板间介质为空