6电容式传感器习题及解答

各种电容式传感器的习题赏析电容器的电容C决定于极板正对面积S、极板间距离d以及极板间的电介质这几个因素．如果某一物理量（如角度θ、位移S、深度h等）的变化能引起上述某个因素的变化，从而引起电容的变化，那么，通过测定电容器的电容就可以确定上述物理量的变化．作这种用途的电容器称为电容式传感器．以下结合典型例题解析四种常见电容式传感器的应用。

一、图1所示是用来测定角度θ的电容式传感器．当动片与定片之间的角度θ发生变化时，引起极板正对面积S的变化，使电容C发生变化．知道C的变化，就可以知道θ的变化情况．例1、将收音机中的可变电容器的动片旋出一些，和没有旋出时相比（）A．电容器的电容一定减小B．电容器的电容一定增加C．电容器的电容一定不变D．电容器的电容可能增大也可能减小图1一定减小。

正确选项A。

析：动片旋出时正对面积减小，由平行板电容器决定式可知C s二、图2所示是测定液面高度h的电容式传感器．在导线芯的外面涂上一层绝缘物质，放入导电液体中，导线芯和导电夜体构成电容器的两个极，导线芯外面的绝缘物质就是电介质．液面高度h发生变化时，引起正对面积发生变化，使电容C发生变化．知道C的变化，就可以知道h的变化情况．例2、传感器是把非电学量（如速度、温度、压力等）的变化转换成电学量变化的一种元件，在自动控制中有着相当广泛的应用。

如图所示是一种测定液面高度的电容式传感器的示意图。

金属芯线与导电液体形成一个电容器，从电容C大小的变化就能反映液面的升图2降情况，两者的关系是（）A. C增大表示h增大B. C增大表示h减小C. C减小表示h减小D. C减小表示h增大析：液面变化直接影响电容决定式中因素S（正对面积），C大知S大即h增大，反之亦然，答案AC。

三、图3所示是测定压力F的电容式传感器．待测压力F作用于可动膜片电极上的时候，膜片发生形变，使极板间距离d发生变化，引起电容C的变化．知道C的变化，就可以知道F的变化情况．图3例3、传感器是一种采集信息的重要器件。

第三章电容式传感器
3.1 电容式传感器可分为哪几类？各自的主要用途是什么？
3.2 试述变极距型电容传感器产生非线性误差的原因及在设计中如何减少这一误差。

3.3 为什么电容式传感器的绝缘、屏蔽和电缆问题特别重要？设计和应用中如何解决这些问题？
3.4 电容式传感器的测量电路主要有哪几种？各自的目的及特点是什么？使用这些测量电路时应注意哪些问题？
3.5 为什么高频工作的电容式传感器连接电缆的长度不能任意变动？
3.6 简述电容测厚仪的工作原理及测试步骤。

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 =C 0-εb ·△x /d （1）电容因位移而产生的变化量为ax C x dbC C C ∆-=∆-=-=∆00ε 其灵敏度为 dbx C K ε-=∆∆=可见增加b 或减小d 均可提高传感器的灵敏度。

直线位移型电容式传感器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 。

设极板面积为A ，其静态电容量为dAC ε=，当活动极板移动x 后，其电容量为22011dx d xC x d A C -+=-=ε (1) 当x <<d 时1122≈-d x 则)1(0dxC C += (2)由式（1）可以看出电容量C 与x 不是线性关系，只有当 x <<d 时，才可认为是最近似线形关系。

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b 1=b 2=b =200mm ，a 1=a 2=20mm 极距d =2mm ，极间介质为空气，测量电路u 1=3sinωt V ，且u=u 0。

试求当动极板上输入一位移量△x =5mm 时,电桥输出电压u 0。

传感器技术绪论习题一、单项选择题1、下列属于按传感器的工作原理进行分类的传感器是 B ;A. 应变式传感器B. 化学型传感器C. 压电式传感器D. 热电式传感器2、通常意义上的传感器包含了敏感元件和 C 两个组成部分;A. 放大电路B. 数据采集电路C. 转换元件D. 滤波元件3、自动控制技术、通信技术、连同计算机技术和C ,构成信息技术的完整信息链;A. 汽车制造技术B. 建筑技术C. 传感技术D.监测技术4、传感器按其敏感的工作原理,可以分为物理型、化学型和 A 三大类;A. 生物型B. 电子型C. 材料型D. 薄膜型5、随着人们对各项产品技术含量的要求的不断提高,传感器也朝向智能化方面发展,其中,典型的传感器智能化结构模式是B ;A. 传感器＋通信技术B. 传感器＋微处理器C. 传感器＋多媒体技术D. 传感器＋计算机6、近年来,仿生传感器的研究越来越热,其主要就是模仿人的D 的传感器;A. 视觉器官B. 听觉器官C. 嗅觉器官D. 感觉器官7、若将计算机比喻成人的大脑,那么传感器则可以比喻为B ;A．眼睛 B. 感觉器官 C. 手 D. 皮肤8、传感器主要完成两个方面的功能：检测和D ;A. 测量B. 感知C. 信号调节D. 转换9、传感技术与信息学科紧密相连,是C 和自动转换技术的总称;A. 自动调节B. 自动测量C. 自动检测D. 信息获取10、以下传感器中属于按传感器的工作原理命名的是 AA．应变式传感器B．速度传感器C．化学型传感器D．能量控制型传感器二、多项选择题1、传感器在工作过程中,必须满足一些基本的物理定律,其中包含ABCD;A. 能量守恒定律B. 电磁场感应定律C. 欧姆定律D. 胡克定律2、传感技术是一个集物理、化学、材料、器件、电子、生物工程等学科于一体的交叉学科,涉及ABC 等多方面的综合技术;A. 传感检测原理B. 传感器件设计C. 传感器的开发和应用D. 传感器的销售和售后服务3、目前,传感器以及传感技术、自动检测技术都得到了广泛的应用,以下领域采用了传感技术的有：ABCD ;A. 工业领域B. 海洋开发领域C. 航天技术领域D. 医疗诊断技术领域4、传感器有多种基本构成类型,包含以下哪几个ABCA. 自源型B. 带激励型C. 外源型D. 自组装型5、下列属于传感器的分类方法的是：ABCDA. 按输入量分B. 按工作原理分C. 按输出量分D. 按能量变换关系分6、下列属于传感器的分类方法的是：ABCDA. 按输入量分B. 按工作原理分C. 按构成分D. 按输出量分7、下列属于传感器的分类方法的是：ABCDA. 按基本效应分B. 按工作原理分C. 按构成分D. 按输出量分8、传感技术的作用主要体现在：ABCDA．传感技术是产品检验和质量控制的重要手段B. 传感技术在系统安全经济运行监测中得到广泛应用C．传感技术及装置是自动化系统不可缺少的组成部分D. 传感技术的完善和发展推动着现代科学技术的进步9、传感技术的研究内容主要包括：ABCA．信息获取B．信息转换C．信息处理D．信息传输10、传感技术的发展趋势主要表现在以下哪几个方面：ABCDA．提高与改善传感器的技术性能B．开展基础理论研究C．传感器的集成化D．传感器的智能化三、填空题1、传感技术与信息学科紧密相关,是自动检测和自动转换技术的总称;2、传感技术是以研究自动检测系统中的信息获取、信息转换和信息处理的理论和技术为主要内容的一门技术性学科;3、传感器要完成的两个方面的功能是检测和转换;4、传感器按构成原理,可分为物性型和结构型两大类;5、传感器一般由敏感元件、转换元件和基本转换电路等三部分组成;6、传感器能感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置;7、按输入量分类,传感器包括位移传感器、速度传感器、温度传感器压力传感器、等;8、传感器的输出量有模拟量和数字量两种;9、根据传感技术涵盖的基本效应,传感器可分为物理型、化学型和生物型;10、传感器是能感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置传感器,通常由直接响应于被测量的敏感元件、产生可用信号输出的转换元件以及相应的信号调节转换电路组成;11、传感器是能感受被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置;是实现传感功能的基本器件;12、传感器技术的共性,就是利用物理定律和物质的物理、化学或生物,将非电量输入转换成电量输出;13、由传感器的定义可知,传感器要完成两个方面的功能：检测和转换;因此传感器通常由敏感元件和转换元件组成;14、传感技术是人们为了对被测对象所包含的信息进行定性了解和定量掌握所采取的一系列技术措施;15、根据传感器的构成,可以将传感器分为物性型和结构型;四、简答题1、什么是传感器传感器的共性是什么2、解释什么是传感器传感器的基本组成包括哪两大部分这两大部分各自起什么作用3、请简述传感器技术的分类方法;4、请谈谈你对传感技术的发展趋势的一些看法;5、试述传感器的定义、共性及组成;传感器的特性习题一、单项选择题1、衡量传感器静态特性的指标不包括 C ;A. 线性度B. 灵敏度C. 频域响应D. 重复性2、下列指标属于衡量传感器动态特性的评价指标的是A ;A. 时域响应B. 线性度C. 零点漂移D. 灵敏度3、一阶传感器输出达到稳态值的50%所需的时间是 A ;A. 延迟时间B. 上升时间C. 峰值时间D. 响应时间4、一阶传感器输出达到稳态值的90%所需的时间是 B ;A. 延迟时间B. 上升时间C. 峰值时间D. 响应时间5、传感器的下列指标全部属于静态特性的是 CA．线性度、灵敏度、阻尼系数B．幅频特性、相频特性、稳态误差C．迟滞、重复性、漂移D．精度、时间常数、重复性6、传感器的下列指标全部属于动态特性的是 BA．迟滞、灵敏度、阻尼系数B．幅频特性、相频特性C．重复性、漂移D．精度、时间常数、重复性7、不属于传感器静态特性指标的是 BA．重复性B．固有频率C．灵敏度D．漂移8、传感器的静态特性,是指当传感器输入、输出不随 A 变化时,其输出-输入的特性;AA.时间B.被测量C.环境D.地理位置9、非线性度是测量装置的输出和输入是否保持 C 关系的一种度量;A.相等B.相似C.理想比例D.近似比例10、回程误差表明的是在 C 期间输出-输入特性曲线不重合的程度;A.多次测量B.同次测量C.正反行程D.不同测量二、多项选择题1．阶跃输入时表征传感器动态特性的指标有哪些ABCA.上升时间B.响应时间C.超调量D.重复性2．动态响应可以采取多种方法来描述,以下属于用来描述动态响应的方法是：BCDA.精度测试法B.频率响应函数C.传递函数D.脉冲响应函数3. 传感器静态特性包括许多因素,以下属于静态特性因素的有ABCD ;A．迟滞 B.重复性 C.线性度 D.灵敏度4. 传感器静态特性指标表征的重要指标有：ABCDA.灵敏度B.非线性度C.回程误差D.重复性5．一般而言,传感器的线性度并不是很理想,这就要求使用一定的线性化方法,以下属于线性化方法的有: ABDA.端点线性B.独立线性C.自然样条插值D.最小二乘线性三、填空题1、灵敏度是传感器在稳态下输出量变化对输入量变化的比值;2、系统灵敏度越高,就越容易受到外界干扰的影响,系统的稳定性就越差;3、漂移是指传感器在输入量不变的情况下,输出量随时间变化的现象;4、传感器的灵敏度是指在稳态信号下输出量变化对输入量变化的比值;6、衡量传感器的静态特性的指标包含线性度、灵敏度、迟滞、重复性和漂移;7、一个高精度的传感器必须有良好的静态特性和__ 动态特性__,才能完成信号无失真的转换;9、阶跃响应特性是指在输入为阶越函数时,传感器的输出随时间的变化特性;常用响应曲线的上升时间、响应时间、超调量作为评定指标;11、某位移传感器,当输入量变化5mm时,输出电压变化300mv ,其灵敏度为60mv/mm ;四、简答题1、什么是传感器的静态特性它有哪些性能指标如何用公式表征这些性能指标2、什么是传感器的动态特性其分析方法有哪几种3、什么是传感器的静特性主要指标有哪些有何实际意义4、什么是传感器的基本特性传感器的基本特性主要包括哪两大类解释其定义并分别列出描述这两大特性的主要指标;要求每种特性至少列出2种常用指标五、计算题1、试求下列一组数据的端点线性度：2、试计算某压力传感器的迟滞误差和重复性误差一组测试数据如下表示;电阻式传感器习题一、单项选择题1、为减小或消除非线性误差的方法可采用B ;A. 提高供电电压B. 提高桥臂比C. 提高桥臂电阻值D. 提高电压灵敏度2、全桥差动电路的电压灵敏度是单臂工作时的 C ;A.不变B. 2倍C. 4倍D. 6倍3、通常用应变式传感器测量 C ;A. 温度B．密度C．加速度D．电阻4、影响金属导电材料应变灵敏系数K的主要因素是A ;A．导电材料电阻率的变化B．导电材料几何尺寸的变化C．导电材料物理性质的变化D．导电材料化学性质的变化5、产生应变片温度误差的主要原因有A ;A．电阻丝有温度系数B．试件与电阻丝的线膨胀系数相同C．电阻丝承受应力方向不同D．电阻丝与试件材料不同6、电阻应变片的线路温度补偿方法有 B ;A．差动电桥补偿法B．补偿块粘贴补偿应变片电桥补偿法C．补偿线圈补偿法D．恒流源温度补偿电路法7、利用相邻双臂桥检测的应变式传感器,为使其灵敏度高、非线性误差小 C ;A．两个桥臂都应当用大电阻值工作应变片B．两个桥臂都应当用两个工作应变片串联C．两个桥臂应当分别用应变量变化相反的工作应变片8、关于电阻应变片,下列说法中正确的是 DA．应变片的轴向应变小于径向应变B．金属电阻应变片以压阻效应为主C．半导体应变片以应变效应为主D．金属应变片的灵敏度主要取决于受力后材料几何尺寸的变化9、金属丝的电阻随着它所受的机械变形拉伸或压缩的大小而发生相应的变化的现象称为金属的B ;A.电阻形变效应B.电阻应变效应C.压电效应D.压阻效应10、 D 是采用真空蒸发或真空沉积等方法,将电阻材料在基底上制成一层各种形式敏感栅而形成应变片;这种应变片灵敏系数高,易实现工业化生产,是一种很有前途的新型应变片;A.箔式应变片B.半导体应变片C.沉积膜应变片D.薄膜应变片11、由 A 和应变片．以及一些附件补偿元件、保护罩等组成的装置称为应变式传感器;A.弹性元件B.调理电路C.信号采集电路D.敏感元件12、直流电桥平衡的条件是 A ;A 相临两臂电阻的比值相等B 相对两臂电阻的比值相等C相临两臂电阻的比值不相等D 所有电阻都相等13、直流电桥的平衡条件为 BA．相邻桥臂阻值乘积相等B．相对桥臂阻值乘积相等C．相对桥臂阻值比值相等D．相邻桥臂阻值之和相等二、填空题1、单位应变引起的电阻值变化量称为电阻丝的灵敏度系数;2、产生电阻应变片温度误差的主要因素有电阻温度系数的影响和试件材料和电阻丝材料的线膨胀系数的影响;3、直流电桥平衡条件是相邻两臂电阻的比值相等;4、直流电桥的电压灵敏度与电桥的供电电压的关系是正比关系;5、电阻应变片的温度补偿中,若采用电桥补偿法测量应变时, 工作应变片粘贴在被测试件表面上,补偿应变片粘贴在与被测试件完全相同的补偿块上,且补偿应变片不承受应变;6、半导体应变片工作原理是基于压阻效应,它的灵敏系数比金属应变片的灵敏系数大;7、电阻应变片的配用测量电路采用差动电桥时,不仅可以消除非线性误差同时还能起到提高灵敏度的作用;8、电阻应变式传感器的核心元件是电阻应变片,其工作原理是基于应变效应;9、应变式传感器中的测量电路是式将应变片的电阻变化量转换成电量的变化,以便方便地显示被测非电量的大小;10、电阻应变片的配用测量电路采用差动电桥时,不仅可以消除非线性误差, 同时还能起到温度补偿的作用;11、应变式传感器是由弹性元件和电阻应变片及一些附件组成的;12、金属丝在外力作用下发生机械形变时它的电阻值将发生变化,这种现象称应变效应；固体受到作用力后电阻率要发生变化,这种现象称压阻效应;13、应变片可以把应变的变化转换为电阻的变化,为显示与记录应变的大小,还要把电阻的变化再转换为电压或电流的变化,完成上述作用的电路称为电阻应变式传感器的_ __ 信号调节电路_,一般采用测量电桥;14、电阻应变片的温度误差是由环境温度的改变给测量带来的附加误差,其产生的原因有电阻温度系数的影响和试件材料和电阻丝材料的线膨胀系数的影响;15、要把微小应变引起的微小电阻变化精确的测量出来,需采用特别设计的测量电路,通常采用直流电桥或交流电桥;16、减小或消除非线性误差的方法有提高桥臂比和采用差动电桥;其中差动电桥可分为半桥差动和全桥差动两种方式;三、简答题1、什么叫应变效应利用应变效应解释金属电阻应变片的工作原理;2、试简要说明电阻应变式传感器的温度误差产生的原因;3、什么是直流电桥若按桥臂工作方式不同,可分为哪几种各自的输出电压如何计算4、简述电阻应变计产生热输出温度误差的原因及其补偿方法;5、试述应变电桥产生非线性的原因及消减非线性误差的措施;6、金属应变片与半导体应变片在工作原理上有何不同7、简要说明电阻应变式传感器的工作原理;8、请简要一下解释压阻效应;四、计算题1、在半导体应变片电桥电路中,其一桥臂为半导体应变片,其余均为固定电阻,该桥路受到ε=4300μ应变作用;若该电桥测量应变时的非线性误差为1%,n=R2/R1=1,则该应变片的灵敏系数为多少2、图中,设负载电阻为无穷大开路,图中E=4V, R1=R2=R3=R4=100Ω;1R1为金属应变片,其余为外接电阻,当R1的增量为△R1=Ω时,试求电桥的输出电压Uo;2R1,R2都是应变片,且批号相同,感应应变的极性和大小都相同,其余为外接电阻,试求电桥的输出电压Uo;3R1,R2都是应变片,且批号相同,感应应变的大小为△R1=△R2=Ω,但极性相反,其余为外接电阻,试求电桥的输出电压Uo;3、图中,设电阻应变片R1的灵敏度系数K=,未受到应变时,R1=120Ω;当试件受力F时,应变片承受平均应变ε=800μm/m;试求：1应变片的电阻变化量△R1和电阻相对变化量△R1/R1;2将电阻应变片R1置于单臂测量电桥,电桥电源电压为直流3V,求电桥输出的电压及其非线性误差; 3如果要减小非新性误差,应采取何种措施并分析其电桥输出电压及非线性误差大小;4、一应变片的电阻R=120 Ω,k=,用作应变片为800μm/m的传感元件;①.求ΔR/R和ΔR；②.若电源电压U=3V,惠斯登电桥初始平衡,求输出电压U0;11、一个直流应变电桥如图5-38;已知：R1=R2=R3=R4=R=120Ω,E=4V,电阻应变片灵敏度S=2;求：1当R1为工作应变片,其余为外接电阻,R1受力后变化R1/R=1/100时,输出电压为多少2当R2也改为工作应变片,若R2的电阻变化为1/100时,问R1和R2是否能感受同样极性的应变,为什么5、一个直流应变电桥如图a所示,已知R1=R2=R3=R4=R=100Ω, E=4V,电阻应变片灵敏度S=2;求：1当R1为工作应变片,其余为外接电阻,R1受力后变化ΔR1/R=1/100时,输出电压为多少2当R2也改为工作应变片,若R2的电阻变化为1/100时,问R1和R2能否感受同样极性的应变,为什么3若要测量图b所示悬臂梁的受力F, 四个臂全部为应变片,请在梁上标出R1、R2、R3、R4应变片粘贴的位置;6、已知一等强度梁测力系统,Rx为电阻应变片,应变片灵敏系数K=2,未受应变时,Rx = 100;当试件受力F时,应变片承受平均应变ε= 1000μm/m,求：1应变片电阻变化量Rx和电阻相对变化量Rx/Rx ;2将电阻应变片Rx置于单臂测量电桥,电桥电源电压为直流3V,求电桥输出电压及电桥非线性误差; 3若要使电桥电压灵敏度分别为单臂工作时的两倍和四倍,应采取哪些措施分析在不同措施下的电桥输出电压及电桥非线性误差大小;电感式传感器习题一、单项选择题1、电感式传感器的常用测量电路不包括 C ;A. 交流电桥B. 变压器式交流电桥C. 脉冲宽度调制电路D. 谐振式测量电路2、电感式传感器采用变压器式交流电桥测量电路时,下列说法不正确的是 C ;A. 衔铁上、下移动时,输出电压相位相反B. 衔铁上、下移动时,输出电压随衔铁的位移而变化C. 根据输出的指示可以判断位移的方向D. 当衔铁位于中间位置时,电桥处于平衡状态3、对于差动变压器,采用交流电压表测量输出电压时,下列说法正确的是 D ;A. 既能反映衔铁位移的大小,也能反映位移的方向B. 既能反映衔铁位移的大小,也能消除零点残余电压C. 既不能反映位移的大小,也不能反映位移的方向D. 既不能反映位移的方向,也不能消除零点残余电压5、差动螺线管式电感传感器配用的测量电路有 B ;A．直流电桥B．变压器式交流电桥C．差动相敏检波电路D．运算放大电路6、通常用差动变压器传感器测量 C ;A．位移B．振动C．加速度D．厚度7、差动螺线管式电感传感器配用的测量电路有 C ;A．直流电桥B．变压器式交流电桥C．差动相敏检波电路D．运算放大电路二、多项选择题BCDE2、电感式传感器可以对 A BCDE 等物理量进行测量;A位移B振动C压力D流量E比重3、零点残余电压产生的原因是ABCA传感器的两次级绕组的电气参数不同B传感器的两次级绕组的几何尺寸不对称C磁性材料磁化曲线的非线性D环境温度的升高三、填空题1、电感式传感器是建立在电磁感应基础上的,电感式传感器可以把输入的物理量转换为线圈的自感系数或线圈的自感系数的变化,并通过测量电路进一步转换为电量的变化,进而实现对非电量的测量;2、对变隙式差动变压器,当衔铁上移时,变压器的输出电压与输入电压的关系是反相;3、对螺线管式差动变压器,当活动衔铁位于中间位置以上时,输出电压与输入电压的关系是同频同相;4、产生电涡流效应后,由于电涡流的影响,线圈的等效机械品质因数下降;5、把被测非电量的变化转换成线圈互感变化的互感式传感器是根据变压器的基本原理制成的,其次级绕组都用顺向串接形式连接,所以又叫差动变压器式传感器;6、变隙式差动变压器传感器的主要问题是灵敏度与衔铁位移量的矛盾;这点限制了它的使用,仅适用于微小位移的测量;三、填空题7、螺线管式差动变压器传感器在活动衔铁位于中间位置时,输出电压应该为零;实际不为零,称它为零点残余电压;8、与差动变压器传感器配用的测量电路中,常用的有两种：差动整流电路和相敏检波电路电路;9、变磁阻式传感器的敏感元件由线圈、铁芯和衔铁等三部分组成;10、当差动变压器式传感器的衔铁位于中心位置时,实际输出仍然存在一个微小的非零电压,该电压称为零点残余电压;11、电感式传感器可以把输入的物理量转换为线圈的自感系数或互感系数的变化,并通过测量电路将自感系数或互感系数的变化转换为或电流的变化,从而将非电量转换成电信号的输出,实现对非电量的测量;12、电涡流传感器的测量电路主要有调频式和调幅式;电涡流传感器可用于位移测量、振幅测量、转速测量和无损探伤;13、变气隙式自感传感器,当街铁移动靠近铁芯时,铁芯上的线圈电感量增加①增加,②减少;四、简答题1、说明差动变隙式电感传感器的主要组成和工作原理;2、变隙式电感传感器的输出特性与哪些因素有关怎样改善其非线性怎样提高其灵敏度3、差动变压器式传感器有几种结构形式各有什么特点4、差动变压器式传感器的零点残余电压产生的原因是什么怎样减小和消除它的影响5、何谓电涡流效应怎样利电用涡流效应进行位移测量6、说明变磁阻式电感传感器的主要组成和工作原理;7、为什么螺线管式电感传感器比变隙式电感传感器有更大的测位移范围8、试比较自感式传感器与差动变压器式传感器的异同;9、简述电感式传感器的基本工作原理和主要类型;电容式传感器习题一、单项选择题1、如将变面积型电容式传感器接成差动形式,则其灵敏度将 B ;A. 保持不变B.增大一倍C. 减小一倍D.增大两倍2、当变隙式电容传感器的两极板极间的初始距离d0增加时,将引起传感器的DA．灵敏度K0增加B．灵敏度K0不变C．非线性误差增加D．非线性误差减小3、当变间隙式电容传感器两极板间的初始距离d增加时,将引起传感器的 B ;A．灵敏度会增加B．灵敏度会减小C．非线性误差增加D．非线性误差不变4、用电容式传感器测量固体或液体物位时,应该选用 C ;A．变间隙式B．变面积式C．变介电常数式D．空气介质变间隙式5、电容式传感器通常用来测量D ;A．交流电流B．电场强度C．重量D．位移6、下列不属于电容式传感器测量电路的是DA．调频测量电路B．运算放大器电路C．脉冲宽度调制电路D．相敏检波电路7、电容式传感器做成差动结构后,灵敏度提高了A 倍A．1 B．2 C．3 D．0二、多项选择题1、电容式传感器中输入量与输出量关系为线性的有ABA.变面积型电容传感器B.变介质型电容传感器C.变电荷型电容传感器D.变极距型电容传感器2、电容式传感器信号转换电路中, AB 用于单个电容量变化的测量A．调频电路B．运算放大电路C．二极管双T型交流电桥D．脉冲宽度调制电路三、填空题1、电容式传感器利用了将非电量的变化转换为电容量的变化来实现对物理量的测量;2、电容式传感器根据其工作原理的不同可分为变极距型电容式传感器、变面积型电容式传感器和变介质型电容式传感器;3、变极距型电容式传感器的灵敏度是指单位距离改变引起的电容相对变化量;4、变极距型电容式传感器单位输入位移所引起的灵敏度与两极板初始间距成反比关系;5、电容式传感器中,变介电常数式多用于液位的测量；电容式传感器中,变面积式常用于较大的位移量的测量;6、变间距电容传感器的灵敏度与电容极板初始距离成反比,所以适合于微小位移的测量;变面积式电容传感器的灵敏度与位移量成正比,所以不适合微小位移的测量;7、电容式传感器的灵敏度是指单位距离改变引起的电容相对变化量;三、填空题8、电容式传感器利用了将非电量的变化转化为电容量的变化来实现对物理量的测量;9、电容传感器的输入被测量与输出被测量间的关系,除②①变面积型,②变极距型, ③变介电常数型外是线性的;10、电容式传感器将非电量变化转换为电容量的变化来实现对物理量的测量,广泛应用与位移、振动、角度、加速度等机械量的精密测量;11、移动电容式传感器动极板,导致两极板有效覆盖面积A发生变化时,将导致电容量变化,传感器电容改变量与动极板水平位移成线性关系、与动极板角位移成线性关系;12、忽略边缘效应,变面积型电容式传感器输入量与输出量的关系为线性线性、非线性,变介质型电容式传感器输入量与输出量的关系为线性线性、非线性,变极距型电容式传感器输入量与输出量的关系为非线性线性、非线性;13、变极距型电容传感器做成差动结构后,灵敏度提高了1 倍,而非线性误差转化为平方关系而得以大大降低;四、简答题1、根据电容式传感器工作原理,可将其分为几种类型每种类型各有什么特点各适用于什么场合2、如何改善单极式变极距电容传感器的非线性3、电容式传感器有哪几种类型差动结构的电容传感器有什么优点4、简述电容式传感器的工作原理与分类;5、影响电容式极距变化型传感器灵敏度的因素有哪些提高其灵敏度可以采取哪些措施,带来什么后果6、根据电容传感器的工作原理说明它的分类,电容传感器能够测量哪些物理参量。

思考题与习题参考答案第1章1-1 什么叫传感器？它由哪几部分组成？它们的相互作用及相互关系如何？ 答：传感器是把被测量转换成电化学量的装置，由敏感元件和转换元件组成。

其中，敏感元件是指传感器中能直接感受或响应被测量的部分；转换元件是指传感器中能将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于传输或测量的电信号部分。

由于传感器输出信号一般都很微弱，需要信号调理与转换电路进行放大、运算调制等，此外信号调理转换电路以及传感器的工作必须有辅助电源，因此信号调理转换电路以及所需的电源都应作为传感器组成的一部分。

1-2 什么是传感器的静态特性？它有哪些性能指标？分别说明这些指标的含义？答：传感器的静态特性是指被测量的值处于稳定状态时的输入与输出的关系。

衡量静态特性的重要指标是线性度、 灵敏度，迟滞和重复性等。

灵敏度是输入量∆y 与引起输入量增量∆y 的相应输入量增量∆x 之比。

传感器的线性度是指传感器的输出与输入之间数量关系的线性程度。

迟滞是指传感器在输入量由小到大（正行程）及输入量由大到小（反行程）变化期间其输入输出特性曲线不重合的现象。

重复性是指传感器在输入量按同一方向作全量程连续多次变化时，所得特性曲线不一致的程度。

漂移是指在输入量不变的情况下，传感器输出量随时间变化的现象。

精度是用来评价系统的优良程度。

1-3 某线性位移测量仪，当被测位移X 由3.0mm 变到4.0mm 时，位移测量仪的输出电压V 由3.0V 减至2.0V ，求该仪器的灵敏度。

解：该仪器的灵敏度为10.30.40.30.2X V -=--=∆∆=S （V/mm ） 1-4 用测量范围为-50～150KPa 的压力传感器测量140KPa 压力时，传感器测得示值为142KPa ，求该示值的绝对误差、实际相对误差、标称相对误差和引用误差。

解：绝对误差：X L ∆=-=142-140=2 相对误差100%L δ∆=⨯=2100% 1.4285%140⨯= 标称相对误差即%100⨯∆=x ξ=2100% 1.4084%142⨯= 引用误差100%-γ∆=⨯测量范围上限测量范围下限 =22100%1%150(50)200=⨯=--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)。

电容式传感器习题
1、图1为电容式液位计测量原理图。

请为该测量装置设计匹配的测量电路，要求输出电压0U 与液位h 之间呈线性关系。

图5-7
2、图2为电容式传感器的双T 电桥测量电路，已知Ω===k R R R 4021，Ω=k R L 20，
V e 10=，MHz f 1=，pF C 100=，pF C 101=，pF C 11=∆。

求L U 的表达式及对于
上述已知参数的L U 值。

图2
3、图3为二极管环形电桥检波测量电路，p U 为恒压信号源，1C 和2C 是差动式电容传感
器，0C 是固定电容，其值10C C >>，20C C >>，设二极管41~D D V V 正向电阻为零，反向电阻为无穷大，信号输出经低通滤波器取出直流信号AB e 。

要求：
V e
R R 2
R L ＋
R 1
＋
I 1
I 2(a )
(b )
(c )
C 1
C 2U R 1
R L ＋
R 2
＋
C 1C 2I 'I '
U L
d D
h C C ln
)
(210εεπ-+
=
① 分析检波电路测量原理；
② 求桥路输出信号()21,C C f e AB =的表达式；
③ 画出桥路中A U 、B U 、AB e 在21C C =、21C C >、21C C <三种情况下的波形图（提
示：画出p U 正负半周的等效电路图，并标出工作电流即可求出AB e 的表达式）。

U p
D t
图3。

第6章电容式传感器一、单项选择题1、如将变面积型电容式传感器接成差动形式，则其灵敏度将（）。

A. 保持不变B.增大一倍C. 减小一倍D.增大两倍2、差动电容传感器采用脉冲调宽电路作测量电路时，其输出电压正比于（）。

A．C1-C2 B. C1-C2/C1+C2C. C1+C2/C1-C2D. ΔC1/C1+ΔC2/C23、当变隙式电容传感器的两极板极间的初始距离d0增加时，将引起传感器的（）A．灵敏度K0增加 B．灵敏度K0不变C．非线性误差增加 D．非线性误差减小4、当变间隙式电容传感器两极板间的初始距离d增加时，将引起传感器的（）。

A．灵敏度会增加 B．灵敏度会减小C．非线性误差增加 D．非线性误差不变5、用电容式传感器测量固体或液体物位时，应该选用（）。

A．变间隙式 B．变面积式C．变介电常数式 D．空气介质变间隙式6、电容式传感器通常用来测量（）。

A．交流电流 B．电场强度 C．重量 D．位移7、电容式传感器可以测量（）。

A．压力 B．加速度 C．电场强度 D．交流电压8、电容式传感器等效电路不包括（）。

A. 串联电阻B. 谐振回路C. 并联损耗电阻D. 不等位电阻9、关于差动脉冲宽度调制电路的说确的是（）。

A. 适用于变极板距离和变介质型差动电容传感器B. 适用于变极板距离差动电容传感器且为线性特性C. 适用于变极板距离差动电容传感器且为非线性特性D. 适用于变面积型差动电容传感器且为线性特性10、下列不属于电容式传感器测量电路的是（）A．调频测量电路 B．运算放大器电路C．脉冲宽度调制电路 D．相敏检波电路11、在二极管双T型交流电桥中输出的电压U的大小与（）相关A．仅电源电压的幅值和频率B．电源电压幅值、频率及T型网络电容C1和C2大小C．仅T型网络电容C1和C2大小D．电源电压幅值和频率及T型网络电容C1大小12、电容式传感器做成差动结构后，灵敏度提高了（）倍A．1 B．2 C．3 D．0二、多项选择题1、极距变化型电容式传感器，其灵敏度与极距（）。

第6章电容式传感器一、单项选择题1、如将变面积型电容式传感器接成差动形式，则其灵敏度将（）。

A. 保持不变B.增大一倍C. 减小一倍D.增大两倍2、差动电容传感器采用脉冲调宽电路作测量电路时，其输出电压正比于（）。

A．C1-C2 B. C1-C2/C1+C2C. C1+C2/C1-C2D. ΔC1/C1+ΔC2/C23、当变隙式电容传感器的两极板极间的初始距离d0增加时，将引起传感器的（）A．灵敏度K0增加B．灵敏度K0不变C．非线性误差增加D．非线性误差减小4、当变间隙式电容传感器两极板间的初始距离d增加时，将引起传感器的（）。

A．灵敏度会增加 B．灵敏度会减小C．非线性误差增加 D．非线性误差不变5、用电容式传感器测量固体或液体物位时，应该选用（）。

A．变间隙式 B．变面积式C．变介电常数式 D．空气介质变间隙式6、电容式传感器通常用来测量（）。

A．交流电流 B．电场强度 C．重量 D．位移7、电容式传感器可以测量（）。

A．压力 B．加速度 C．电场强度 D．交流电压8、电容式传感器等效电路不包括（）。

A. 串联电阻B. 谐振回路C. 并联损耗电阻D. 不等位电阻9、关于差动脉冲宽度调制电路的说法正确的是（）。

A. 适用于变极板距离和变介质型差动电容传感器B. 适用于变极板距离差动电容传感器且为线性特性C. 适用于变极板距离差动电容传感器且为非线性特性D. 适用于变面积型差动电容传感器且为线性特性10、下列不属于电容式传感器测量电路的是（）A．调频测量电路 B．运算放大器电路C．脉冲宽度调制电路 D．相敏检波电路11、在二极管双T型交流电桥中输出的电压U的大小与（）相关A．仅电源电压的幅值和频率B．电源电压幅值、频率及T型网络电容C1和C2大小C．仅T型网络电容C1和C2大小D．电源电压幅值和频率及T型网络电容C1大小12、电容式传感器做成差动结构后，灵敏度提高了（）倍A．1 B．2 C．3 D．0二、多项选择题1、极距变化型电容式传感器，其灵敏度与极距（）。

第6章压电式传感器6.1什么是正压电效应？什么是逆压电效应？答：一些离子型晶体的电介质不仅在电场力作用下，而且在机械力作用下，都会产生极化现象。

在这些电介质的一定方向上施加机械力二产生变形时，就会引起它内部正负电荷中心相对转移而产生电的极化，从而导致其两个相对表面（极化面）上出现符号相反的束缚电荷，且其电位移D(在MKS单位制中即电荷密度σ)与外应力张量T成正比。

当外力消失，电介质又恢复不带电原状；当外力变向，电荷极性随之而变。

这种现象称为正压电效应，或简称压电效应。

若对上述电介质施加电场作用时，同样会引起电介质内部正负电荷中心的相对位移而导致电介质产生变形，且其应变S与外电场强度E成正比。

这种现象称为逆压电效应，或称电致伸缩。

6.2压电材料的主要特性参数有哪些？比较三类压电材料的应用特点。

答：压电材料主要特性有：压电常数、弹性常数、介电常数、机电耦合系数、电阻、居里点。

（1）压电单晶：时间稳定性好，居里点高，在高温、强幅射条件下，仍具有良好的压电性，且机械性能，如机电耦合系数、介电常数、频率常数等均保持不变。

此外，还在光电、微声和激光等器件方面都有重要应用。

不足之处是质地脆、抗机械和热冲击性差。

（2）压电陶瓷：压电常数大，灵敏度高，制造工艺成熟，成形工艺性好，成本低廉，利于广泛应用，还具有热释电性。

（3）新型压电材料：既具有压电特性又具有半导体特性。

因此既可用其压电性研制传感器，又可用其半导体特性制作电子器件；也可以两者合一，集元件与线路于一体，研制成新型集成压电传感器测试系统。

6.3 压电元件在使用时常采用多片串联或并联的结构形式。

试述在不同接法下输出电压、电荷、电容的关系，它们分别适用于何种应用场合？答：在压电式传感器中，为了提高灵敏度，往往采用多片压电芯片构成一个压电组件。

其中最常用的是两片结构；根据两片压电芯片的连接关系，可分为串联和并联连接。

并联：将两个压电元件的负端粘结在一起，中间插入金属电极作为压电元件连接时的负极，将两边连接起来作为连接件的正极，如下图所示。

第1节传感器及其工作原理1．传感器按照一定的规律把非电学量转化为电学量，可以很方便地进行测量、传输、处理和控制。

2．光敏电阻能够把光照强弱这个光学量转换为电阻这个电学量。

3．热敏电阻和金属热电阻能把温度这个热学量转换为电阻这个电学量。

4．电容式位移传感器能把物体位移这个力学量转换为电容这个电学量。

5．霍尔元件能把磁感应强度这个磁学量转换为电压这个电学量。

一、传感器1．传感器的定义能够感受诸如力、温度、光、声、化学成分等物理量，并能把它们按照一定的规律转换为便于传送和处理的另一个物理量(通常是电压、电流等电学量)，或转换为电路的通断的元件。

2．非电学量转换为电学量的意义把非电学量转换为电学量，可以方便地进行测量、传输、处理和控制。

二、光敏电阻1．特点光照越强，电阻越小。

2．原因无光照时，载流子极少，导电性能不好；随着光照的增强，载流子增多，导电性变好。

3．作用把光照强弱这个光学量转换为电阻这个电学量。

三、热敏电阻和金属热电阻1．热敏电阻热敏电阻由半导体材料制成，其电阻值随温度的变化明显，温度升高电阻减小，如图所示为某一热敏电阻的电阻值随温度变化的特性曲线。

2．金属热电阻有些金属的电阻率随温度的升高而增大，这样的电阻也可以制作温度传感器，称为热电阻，如图所示为某金属导线电阻的温度特性曲线。

四、霍尔元件1．霍尔元件如图所示，在一个很小的矩形半导体(例如砷化铟)薄片上，制作四个电极E 、F 、M 、N ，它就成为一个霍尔元件。

霍尔元件能够把磁感应强度这个磁学量转换为电压这个电学量。

2．霍尔电压U H ＝k IB d(1)其中d 为薄片的厚度，k 为霍尔系数，其大小与薄片的材料有关。

(2)一个霍尔元件的厚度d 、霍尔系数k 为定值，再保持I 恒定，则U H 的变化就与B 成正比，因此霍尔元件又称磁敏元件。

1．自主思考——判一判(1)所有传感器的材料都是由半导体材料做成的。

(×)(2)传感器是把非电学量转换为电学量的元件。

第三章电容式传感器习题3-1 电容式传感器有哪些优点和缺点？答：优点：①测量范围大。

金属应变丝由于应变极限的限制，ΔR/R一般低于1％，。

而半导体应变片可达20％，电容传感器电容的相对变化量可大于100％；②灵敏度高。

如用比率变压器电桥可测出电容，其相对变化量可以大致10－7。

③动态响应时间短。

由于电容式传感器可动部分质量很小，因此其固有频率很高，适用于动态信号的测量。

④机械损失小。

电容式传感器电极间吸引力十分微小，又无摩擦存在，其自然热效应甚微，从而保证传感器具有较高的精度。

⑤结构简单，适应性强。

电容式传感器一般用金属作电极，以无机材料（如玻璃、石英、陶瓷等）作绝缘支承，因此电容式传感器能承受很大的温度变化和各种形式的强辐射作用，适合于恶劣环境中工作。

电容式传感器有如下不足：①寄生电容影响较大。

寄生电容主要指连接电容极板的导线电容和传感器本身的泄漏电容。

寄生电容的存在不但降低了测量灵敏度，而且引起非线性输出，甚至使传感器处于不稳定的工作状态。

②当电容式传感器用于变间隙原理进行测量时具有非线性输出特性。

3-2 分布和寄生电容的存在对电容传感器有什么影响？一般采取哪些措施可以减小其影响。

答：改变传感器总的电容量，甚至有时远大于应该传递的信号引起的电容的变化；使传感器电容变的不稳定，易随外界因素的变化而变化。

可以采取静电屏蔽措施和电缆驱动技术。

3-3 如何改善单极式变极距型电容传感器的非线性？答：采用可以差动式结构，可以使非线性误差减小一个数量级。

3－4：答：驱动电缆技术是指传感器与后边转换输出电路间引线采用双层屏蔽电缆，而且其内屏蔽层与信号传输线（芯线）通过1：1放大器实现等电位，由于屏蔽电缆线上有随传感器输出信号变化而变化的信号电压，所以称之为“电缆驱动技术”。

它能有效地消除芯线与屏蔽层之间的寄生电容。

其中，外屏蔽线则是用来接地以防止其他外部电场干扰，起到一般屏蔽层的作用。

内、外屏蔽层之间仍存在寄生电容则成为1：1放大器的负载，所以，该1：1放大器是一个具有极高输入阻抗（同相输入）、放大倍数为1、具有容性负载的同性放大器。