第一篇：傳感器-習(xí)題

傳感器原理：習(xí)題

第一章 引言

1.國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的傳感器定義是什么。它一般有哪兩種元件組成。各舉兩個(gè)有和中間環(huán)節(jié)的傳感器的例子。

2.概述傳感器的發(fā)展趨勢(shì)。

3.概述傳感器的分類。

4.什么是傳感器的靈敏度和線性度。5.什么是傳感器的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)響應(yīng)

6.給出零階，一階，二階系統(tǒng)的傳遞函數(shù)及響應(yīng)的公式，并指出基本特征參數(shù)。7.某位移傳感器描述為0.03dxdt，y是壓力（N/m），求?3x?15y，x是位移（m）其靜態(tài)靈敏度和時(shí)間常數(shù)。

d2xdxx?800y，x是位移（m）8.某加速度傳感器描述為42?1000?40000，y是力

dtdt（N），求其靜態(tài)靈敏度、固有頻率和阻尼比。

第二章 應(yīng)變式傳感器

1.應(yīng)變式傳感器依據(jù)什么物理效應(yīng)？推導(dǎo)單根導(dǎo)電絲的靈敏度。為什么半導(dǎo)體絲的靈敏度比金屬絲的大，大多少？

2.用基長(zhǎng)L=0.5mm應(yīng)變計(jì)測(cè)量應(yīng)變，應(yīng)變絲用鋼材料，其聲速v=5000m/s，若要使測(cè)量應(yīng)變波幅的相對(duì)誤差e=1%，求其允許測(cè)量的最高工作頻率。3.應(yīng)變式傳感器的轉(zhuǎn)換元件是什么？導(dǎo)出它的（1）平衡條件；（2）電壓靈敏度 4.簡(jiǎn)述應(yīng)用電橋作溫度補(bǔ)償?shù)姆椒ǖ幕舅枷搿?.概述（1）柱式傳感器；（2）筒式壓力傳感器；（3）應(yīng)變式加速度傳感器的基本原理。（各畫結(jié)構(gòu)圖說(shuō)明）6.什么是（1）薄膜技術(shù)；（2）微細(xì)加工技術(shù)；（3）各有哪幾種基本加工方法。

第三章：光電式傳感器

1．光電式傳感器根據(jù)哪些物理效應(yīng)或光的性質(zhì)，分別概述其原理，并各舉兩個(gè)應(yīng)用的例子。

2．書中圖3.7是什么曲線。它對(duì)傳感器設(shè)計(jì)有何意義？

3．概述光電池的工作原理。最受重視的是何種光電池，它有何優(yōu)點(diǎn)？ 4．概述光電耦合器件的基本結(jié)構(gòu)和工作原理。它有哪些突出的優(yōu)點(diǎn)。

第四章 光纖傳感器

1.概述光纖傳感器的分類，并各舉兩例。2.光纖的結(jié)構(gòu)及其特點(diǎn)（畫結(jié)構(gòu)圖說(shuō)明）。

3.光纖所用材料的折射率是如何設(shè)計(jì)的？數(shù)值孔徑是如何定義的，其意義是什么？ 階躍型折射率光纖的V值如何定義的，其意義是什么？ 4.光纖的衰減率是如何定義的。3dB/km的意義是什么？ 5.概述彎曲損耗的類型。

6.概述微彎光纖壓力傳感器的原理（畫結(jié)構(gòu)圖說(shuō)明）。7.概述邁克爾干涉儀原理（畫結(jié)構(gòu)圖說(shuō)明）。

8.概述馬赫—澤德干涉儀基本原理（畫結(jié)構(gòu)圖說(shuō)明）。9.概述薩格奈克干涉儀的原理。為什么薩格奈克干涉儀中激光器和光檢測(cè)器必需與光學(xué)系統(tǒng)一起旋轉(zhuǎn)（畫結(jié)構(gòu)圖說(shuō)明）。10.概述法布里—珀羅干涉儀的原理。推導(dǎo)法布里—珀羅干涉儀中下一個(gè)輸出光束的強(qiáng)度時(shí)上一個(gè)的多少倍（畫結(jié)構(gòu)圖說(shuō)明）。

第五章 變磁阻式傳感器

1．概述電動(dòng)式傳感器測(cè)量位移、壓力的基本原理（畫結(jié)構(gòu)圖說(shuō)明）

第六章 壓電傳感器

1.什么叫壓電效應(yīng)？為什么說(shuō)壓電效應(yīng)是可逆的？ 2.主要的壓電材料。

3.概述壓電加速度傳感器的工作原理，推導(dǎo)出它的電荷靈敏度和電壓靈敏度公式，以及傳感器的固有頻率公式。

4.討論壓電加速度傳感器的兩種等效電路，為什么這種傳感器要用電荷放大器？ 5.概述SAW傳感器的基本結(jié)構(gòu)和原理（畫叉指結(jié)構(gòu)圖說(shuō)明）。6.概述SAW氣敏傳感器的基本結(jié)構(gòu)和原理（畫結(jié)構(gòu)圖說(shuō)明）。

第七章 壓電聲傳感器

1.概述圓柱形壓電水聽器的基本結(jié)構(gòu)和原理（畫結(jié)構(gòu)圖說(shuō)明）。

2.概述壓電陶瓷雙疊片彎曲振動(dòng)換能器的基本結(jié)構(gòu)和原理（畫結(jié)構(gòu)圖說(shuō)明）。3.概述壓電陶瓷雙疊片彎曲振動(dòng)空氣超生換能器的基本結(jié)構(gòu)（各部件的作用）和原理（畫結(jié)構(gòu)圖說(shuō)明）。

第八章 半導(dǎo)體傳感器

1.晶體二級(jí)管PN結(jié)熱敏器件的溫度靈敏度是如何導(dǎo)出的？給出數(shù)值的結(jié)果。2.根據(jù)黑體輻射的維恩位移定律，求出人體紅外輻射的峰值波長(zhǎng)。紅外輻射傳感器分為哪兩大類型，各期基本原理是什么？

3.提高半導(dǎo)體氣敏傳感器的氣敏選擇性有哪些方法？ 4.什么是納米技術(shù)？納米技術(shù)的兩大效應(yīng)。

5.什么是霍爾效應(yīng)？概述其的基本原理（畫結(jié)構(gòu)圖說(shuō)明）。6.什么是磁阻（MR）器件？概述其基本原理（畫結(jié)構(gòu)圖說(shuō)明）。

第二篇：傳感器原理習(xí)題

第四章 傳感器原理習(xí)題

4-1以阻值R=120?，靈敏系數(shù)K=2.0的電阻應(yīng)變片與阻值120?的固定電阻組成電橋，供橋電壓為3V，并假定負(fù)載電壓為無(wú)窮大，當(dāng)應(yīng)變片的應(yīng)變?yōu)?με和2000με時(shí)，分別求出單臂、雙臂差動(dòng)電橋的輸出電壓，并比較兩種情況下的靈敏度。

4-2 在材料為鋼的實(shí)心圓柱試件上，沿軸線和圓周方向各貼一片電阻為120Ω的金屬應(yīng)變片R1和R2，把這兩片應(yīng)變片接入差動(dòng)電橋(題圖4-2)。若鋼的泊松比μ=0.285，應(yīng)變片的靈敏系數(shù)K=2，電橋的電源電壓Ui=2V，當(dāng)試件受軸向拉伸時(shí)，測(cè)得應(yīng)變片R1的電阻變化值?R=0.48?，試求電橋的輸出電壓U0；若柱體直

112徑d=10mm，材料的彈性模量E?2?10N/m，求其所受拉力大小。

題圖4-2 差動(dòng)電橋電路

4-3 一臺(tái)采用等強(qiáng)度的梁的電子稱，在梁的上下兩面各貼有兩片電阻應(yīng)變片，做成稱重量的傳感器，如習(xí)題圖4-3所示。已知l=10mm，b0=11mm，h=3mm，E?2.1?104N/mm2，K=2，接入直流四臂差動(dòng)電橋，供橋電壓6V，求其電壓靈敏度(Ku=U0/F)。當(dāng)稱重0.5kg時(shí)，電橋的輸出電壓U0為多大?

題圖4-3懸臂梁式力傳感器

4-4 有四個(gè)性能完全相同的應(yīng)變片(K=2.0)，將其貼在習(xí)題圖4-4所示的壓力傳感器圓板形感壓膜片上。已知膜片的半徑R=20mm，厚度 h=0.3mm，材料的泊松

112比μ=0.285，彈性模量E?2?10N/m。現(xiàn)將四個(gè)應(yīng)變片組成全橋測(cè)量電路，供

橋電壓Ui=6V。求：

(1)確定應(yīng)變片在感壓膜片上的位置，并畫出位置示意圖；(2)畫出相應(yīng)的全橋測(cè)量電路圖；

(3)當(dāng)被測(cè)壓力為0.1MPa時(shí)，求各應(yīng)變片的應(yīng)變值及測(cè)量橋路輸出電壓U0；(4)該壓力傳感器是否具有溫度補(bǔ)償作用?為什么?(5)橋路輸出電壓與被測(cè)壓力按是否存在線性關(guān)系?

題圖4-4 膜片式壓力傳感器

4-5一測(cè)量線位移的電位器式傳感器，測(cè)量范圍為0~10mm，分辨力為0.05mm，靈敏度為2.7V/mm，電位器繞線骨架外徑d=0.5mm，電阻絲材料為鉑銥合金，其?4ρ?3.25?10Ω?mm。當(dāng)負(fù)載電阻RL=10k?時(shí)，求傳感器的最大負(fù)載誤電阻率為差。

4-6 某差動(dòng)螺管式電感傳感器(題圖4-6)的結(jié)構(gòu)參數(shù)為單個(gè)線圈匝數(shù)W=800匝，l=10mm，lc=6mm，r=5mm，rc=1mm，設(shè)實(shí)際應(yīng)用中鐵芯的相對(duì)磁導(dǎo)率μr=3000，試求：

(1)在平衡狀態(tài)下單個(gè)線圈的電感量L0=?及其電感靈敏度足KL?(2)若將其接入變壓器電橋，電源頻率為1000Hz，電壓E=1.8V，設(shè)電感線圈有效電阻可忽略，求該傳感器靈敏度K。

(3)若要控制理論線性度在1%以內(nèi)，最大量程為多少?

題圖4-6 差動(dòng)螺管式電感傳感器

4-7 有一只差動(dòng)電感位移傳感器，已知電源電壓Usr=4V，?=400Hz，傳感器線圈銅電阻與電感量分別為R=40?，L=30mH，用兩只匹配電阻設(shè)計(jì)成四臂等阻抗電橋，如題圖4-7所示，試求：(1)匹配電阻R3和R4的值；

(2)當(dāng)?Z=10時(shí)，分別接成單臂和差動(dòng)電橋后的輸出電壓值；(3)用相量圖表明輸出電壓Usc與輸入電壓Usr之間的相位差。

??

題圖4-7 差動(dòng)電感位移傳感器四臂等阻抗電橋

2S?4?4mm4-8如題圖4-8所示氣隙型電感傳感器，銜鐵截面積,氣隙總長(zhǎng)度δ=0.8mm，銜鐵最大位移?δ=±0.08mm，激勵(lì)線圈匝數(shù)W=2500匝，導(dǎo)線直徑d=0.06mm，電阻率ρ?1.75?10?6Ω?cm，當(dāng)激勵(lì)電源頻率?=4000Hz時(shí)，忽略漏磁及鐵損，求：

(1)線圈電感量；(2)電感的最大變化量；(3)線圈的直流電阻值；(4)線圈的品質(zhì)因數(shù)；

(5)當(dāng)線圈存在200pF分布電容與之并聯(lián)后其等效電感值。

題圖4-8 氣隙型電感式傳感器(變隙式)4-9 試計(jì)算題圖4-9所示各電容傳感元件的總電容表達(dá)式。

圖4-9 4-10 在壓力比指示系統(tǒng)中采用差動(dòng)式變間隙電容傳感器和電橋測(cè)量電路，如題圖4-10所示。已知：δ0=0.25mm，D=38.2mm，R=5.1k?；Usr=60V(交流)，頻率?=400Hz。試求：

(1)該電容傳感器的電壓靈敏度Ku(V/μm)；

(2)當(dāng)電容傳感器的動(dòng)極板位移?δ=10μm時(shí)，輸出電壓Usc值。

題圖4-10 4-11 有一臺(tái)變間隙非接觸式電容測(cè)微儀，其傳感器的極板半徑r=4mm，假設(shè)與被測(cè)工件的初始間隙d0=0.3mm。試求：

(1)如果傳感器與工件的間隙變化量?d=±10μm，電容變化量為多少?(2)如果測(cè)量電路的靈敏度足Ku=100mV/Pf,則在?d=±1μm時(shí)的輸出電壓為多少? 4-12 有一變間隙式差動(dòng)電容傳感器，其結(jié)構(gòu)如圖13所示。選用變壓器交流電橋作測(cè)量電路。差動(dòng)電容器參數(shù)：r=12mm，d1=d2=d0=0.6mm，空氣介質(zhì)，即

ε?ε0?8.85?10?12F/m。測(cè)量電路參數(shù)：usr=u=Usr?3sinωinωt。試求當(dāng)動(dòng)板上輸

?入位移(向上位移)?x=0.05mm時(shí)，電橋輸出端電壓Usc?

題圖4-12

4-13 一只電容位移傳感器如圖14所示，由四塊置于空氣中的平行平板組成。板A、C和D是固定極板；板B式活動(dòng)極板，其厚度為t，它與固定極板的間距為d。B、C和D極板的長(zhǎng)度均為 a，A板的長(zhǎng)度為2a，各板的寬度為b。忽略板C和D的間隙及各板的邊緣效應(yīng)，試推導(dǎo)活動(dòng)極板刀從中間位置移動(dòng)x=±a/2時(shí)電容CAC和CAD的表達(dá)式(x=0時(shí)為對(duì)稱位置)。

題圖4-13 4-14已知平板電容傳感器極板間介質(zhì)為空氣，極板面積S?a?a?(2?2)cm2，間隙d0=0.1mm。求：傳感器的初始電容值：若由于裝配關(guān)系，使傳感器極板一側(cè)間隙d0，而另一側(cè)間隙d0+b(b=0.01mm)，此時(shí)傳感器的電容值。

4-15 如圖4-15a所示差動(dòng)式同心圓筒柱形電容傳感器，其可動(dòng)內(nèi)電極圓筒外徑d=9.8mm，固定電極外圓筒內(nèi)徑D=10mm，初始平衡時(shí)，上、下電容器電極覆蓋長(zhǎng)度L1=L2=L0=2mm，電極間為空氣介質(zhì)。試求：

(1)初始狀態(tài)時(shí)電容器C1、C2的值；

(2)當(dāng)將其接入圖4-15b所示差動(dòng)變壓器電橋電路，供橋電壓E=10V(交流)，傳感器工作時(shí)可動(dòng)電極筒最大位移?x=±0.2mm，電橋輸出電壓的最大變化范圍為多?

題圖4-15(a)

(b)

4-16 有一 壓電晶體，其面積為20mm2，厚度為10mm，當(dāng)受到壓力p=10MPa作用時(shí)，求產(chǎn)生的電荷量及輸出電壓：

(1)零度X切的縱向石英晶體；(2)利用縱向效應(yīng)的BaTiO3。

4-17 某壓電晶體的電容為1000pF，kq=2.5C/cm，電纜電容CC=3000pF，示波器的輸入阻抗為1M?和并聯(lián)電容50 pF，求：

(1)壓電晶體的電壓靈敏度足Ku；(2)測(cè)量系統(tǒng)的高頻響應(yīng)；

(3)如系統(tǒng)允許的測(cè)量幅值誤差為5%，可測(cè)最低頻率是多少?(4)如頻率為10Hz，允許誤差為5%，用并聯(lián)連接方式，電容式多大? 4-18 分析壓電加速度傳感器的頻率響應(yīng)特性。若測(cè)量電路為電壓前量放大器C總=1000 pF，R總=500M?；傳感器固有頻率?0=30kHz，阻尼比ζ=0.5，求幅值誤差在2%以內(nèi)的使用頻率范圍。

4-19 用石英晶體加速度計(jì)及電荷放大器測(cè)量機(jī)器的振動(dòng)個(gè)，已知：加速度計(jì)靈敏度為5Pc/g，電荷放大器靈敏度為50mV/pC，當(dāng)機(jī)器達(dá)到最大加速度值時(shí)相應(yīng)的輸出電壓幅值為2V，試求該機(jī)器的振動(dòng)加速度。(g為重力加速度)4-20 用壓電式傳感器測(cè)量最低頻率為1Hz的振動(dòng)，要求在1Hz時(shí)靈敏度下降不超過(guò)5%。若測(cè)量回路的總電容為500pF，求所有電壓前置放大器的輸入電阻為多大? 4-21已知壓電式加速度傳感器的阻尼比ζ=0.1，其無(wú)阻尼固有頻率?0=32kHz，若要求傳感器的輸出幅值誤差在5%以內(nèi)，試確定傳感器的最高響應(yīng)頻率。4-22 某壓電式壓力傳感器為兩片石英晶片并聯(lián)，每片厚度h=0.2mm，圓片半徑r=1cm，εr=4.5，X切型d11?2.31?10?12C/N。當(dāng)0.1MPa壓力垂直作用于PX平面時(shí)，求傳感器輸出電荷Q和電極間電壓Ua的值。

4-23 已知銅熱電阻—Cu100的百度電阻比W(100)=1.42，當(dāng)用此熱電阻測(cè)量50oC溫度時(shí)，其電阻值時(shí)多少?若測(cè)溫時(shí)的電阻值為92?，則被測(cè)溫度是多少? 4-24 用分度號(hào)為Pt100鉑電阻測(cè)溫，在計(jì)算時(shí)錯(cuò)用了Cu100的分度表，查得的溫度為140oC，問(wèn)實(shí)際溫度為多少? 4-25 鎳鉻-鎳硅熱電偶靈敏度為0.04mV/oC，把它放在溫度為1200oC處，若以指示儀表作為冷端，此處溫度為50oC，試求熱電勢(shì)大小。

4-26 用K型熱電偶測(cè)某設(shè)備的溫度，測(cè)得的熱電勢(shì)為20mV，冷端(室溫)為25mV，求設(shè)備溫度?如果改用E型熱電偶來(lái)測(cè)溫，在相同的條件下，E熱電偶測(cè)得的熱電勢(shì)為多少? 4-27 現(xiàn)用一只鎳鉻-銅鎳熱電偶測(cè)某換熱器內(nèi)的溫度，其冷端溫度為30oC，顯示儀表的機(jī)械零位在0oC時(shí)，這時(shí)指示值為400oC，則認(rèn)為換熱器內(nèi)的溫度為340oC

對(duì)不對(duì)?為什么?正確值為多少? 4-28 有一臺(tái)數(shù)字電壓表，其分辨率為100μV/1個(gè)字，現(xiàn)與Cu100熱電阻配套應(yīng)用，測(cè)量范圍為0~100oC，試設(shè)計(jì)一個(gè)標(biāo)度變換電路，使數(shù)字表直接顯示溫度數(shù)值。

4-29 試述光電倍增管的結(jié)構(gòu)和工作原理與光電管的異同點(diǎn)。若入射光子為103個(gè)(一個(gè)光子等效于一個(gè)電子電量)。光電倍增管共有16個(gè)倍增級(jí)，輸出陽(yáng)極電流為20A，且16個(gè)倍增級(jí)二次發(fā)射電子數(shù)按自然數(shù)的平方遞增，試求光電倍增管的電流放大倍數(shù)和倍增系數(shù)。

4-30.求光纖n1=1.46，n2=1.45的NA值；如果外部n0=1，求光纖的臨界入射角。4-31 四個(gè)應(yīng)變片粘貼在扭軸上，安排得到的最大靈敏度，應(yīng)變片阻值為121?而應(yīng)變靈敏系數(shù)K=2.04，并接成全橋測(cè)量電路。當(dāng)用750k?的電阻器并聯(lián)在一個(gè)應(yīng)變片上分流以得到標(biāo)定時(shí)，電橋輸出在示波器上記錄到2.20cm的位移。如果變形的軸引起示波器3.2cm的偏移，求指示的最大應(yīng)變?設(shè)軸為鋼制的，求應(yīng)力(鋼的扭轉(zhuǎn)彈性模量E?1.623?1011N/m2)? 4-32 為防止電容傳感器擊穿，在兩極之間加入厚度為a的兩片云母片，如圖14所示，其相對(duì)介電常數(shù)為εr，空氣接點(diǎn)常數(shù)εo（空氣介電常數(shù)近似于真空介電常數(shù)），求傳感器總?cè)萘浚ㄔO(shè)圓形極板直徑為D兩片云母片之間的距離為δ0）。

題圖4-32 4-33 設(shè)題圖4-33所示電感位移傳感器的鐵心相對(duì)磁導(dǎo)率為104，空氣的相對(duì)磁導(dǎo)率為1，已知真空中的磁導(dǎo)率?0?4π?10?7H/m。試對(duì)下述情況計(jì)算該傳感器的輸出電感：（1）氣隙為0；（2）氣隙為2mm。

題圖4-33

第三篇：《傳感器及其應(yīng)用》第二章習(xí)題答案

第2.1章 思考題與習(xí)題

1、何為金屬的電阻應(yīng)變效應(yīng)？怎樣利用這種效應(yīng)制成應(yīng)變片？ 答：（1）當(dāng)金屬絲在外力作用下發(fā)生機(jī)械變形時(shí)，其電阻值將發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為金屬的電阻應(yīng)變效應(yīng)。（2）應(yīng)變片是利用金屬的電阻應(yīng)變效應(yīng)，將金屬絲繞成柵形，稱為敏感柵。并將其粘貼在絕緣基片上制成。把金屬絲繞成柵形相當(dāng)于多段金屬絲的串聯(lián)是為增大應(yīng)變片電阻，提高靈敏度，2、什么是應(yīng)變片的靈敏系數(shù)？它與電阻絲的靈敏系數(shù)有何不同？為什么？ 答：（1）應(yīng)變片的靈敏系數(shù)是指應(yīng)變片安裝于試件表面，在其軸線方向的單向應(yīng)力作用下，應(yīng)變片的阻值相對(duì)變化與試件表面上安裝應(yīng)變片區(qū)域的軸向應(yīng)變之比。

k??R/R?

（2）實(shí)驗(yàn)表明，電阻應(yīng)變片的靈敏系數(shù)恒小于電阻絲的靈敏系數(shù)其原因除了粘貼層傳遞變形失真外，還存在有恒向效應(yīng)。

3、對(duì)于箔式應(yīng)變片，為什么增加兩端各電阻條的截面積便能減小橫向靈敏度？

答：對(duì)于箔式應(yīng)變片，增加兩端圓弧部分尺寸較柵絲尺寸大得多（圓弧部分截面積大），其電阻值較小，因而電阻變化量也較小。所以其橫向靈敏度便減小。

4、用應(yīng)變片測(cè)量時(shí)，為什么必須采用溫度補(bǔ)償措施？ 答：用應(yīng)變片測(cè)量時(shí)，由于環(huán)境溫度變化所引起的電阻變化與試件應(yīng)變所造成的電阻變化幾乎有相同的數(shù)量級(jí)，從而產(chǎn)生很大的測(cè)量誤差，所以必須采用溫度補(bǔ)償措施。

5、一應(yīng)變片的電阻 R=120Ω，k=2.05。用作應(yīng)變?yōu)?00μm/m的傳感元件。①求△R和△R/R；②若電源電壓U=3V，求初始平衡時(shí)惠斯登電橋的輸出電壓U0。已知：R=120Ω，k=2.05，ε=800μm/m；

求：①△R=？，△R/R=？②U=3V時(shí)，U0=？ 解①：

∵ k??R/R?

∴

?R/R?k??2.05?800?1.64?10?3?R?k?R?2.05?800?120?0.1968?1?R??U 4R

解②：初始時(shí)電橋平衡（等臂電橋）

∵ U0?∴ U0?1?R1??U??1.64?10?3?3?1.23mV 4R46、在材料為鋼的實(shí)心圓柱形試件上，沿軸線和圓周方向各貼一片電阻為120Ω的金屬應(yīng)變片R1和R2，把這兩應(yīng)變片接入差動(dòng)電橋（參看圖2-9a）。若鋼的泊松系數(shù)μ=0.285，應(yīng)變片的靈敏系數(shù)k=2，電橋電源電壓U=2V，當(dāng)試件受軸向拉伸時(shí)，測(cè)得應(yīng)變片R1的電阻變化值△R =0.48Ω,試求電橋的輸出電壓U0。

圖2-9a 差動(dòng)電橋

已知：R1= R2=120Ω，μ=0.285，k=2，U=2V，△R1 =0.48Ω，△R1 / R1=0.48/120=0.004 求：U0=？ 解：

∵

k?∴ ?1??R/R?

?R1/R10.004??0.002?200?0m/m k2?L?r?????1 Lr又∵

?2?∴

?R2?k?2??k??1??2?0.285?0.002??0.001 14R2R1R4?R2R3U

(R1?R2)(R3?R4)設(shè)：R1=R2=R3=R4=R，對(duì)電橋若四臂電阻都變其輸出為：

∵

U0?則有：

U0?(1??(R1??R1)(R4??R4)?(R2??R2)(R3??R3)U(R1??R1?R2??R2)(R3??R3?R4??R4)?R3?R1?R4?R2)(1?)?(1?)(1?)R1R4R2R3U?R3?R4?R1?R2(2??)(2??)R1R2R3R4?R1?R4?R1?R4?R2?R3?R2?R3???????R1R4R1R4R2R3R2R3?U?R3?R1?R2?R4?R1?R3?R1?R4?R2?R3?R2?R44?2?2?2?2????????R1R2R3R4R1R3R1R4R2R3R2R4?R1?R4?R2?R3???R1R4R2R3?R4?R2?R31?R?U??(1???)U?R3?R1?R2?R44R1R4R2R34?2?2?2?2R1R2R3R4本題：?R3?R4??0 R3R4U0?1?R1?R21?(?)U??(0.004?0.00114)?2?2.57mV 4R1R24

7、金屬應(yīng)變片與半導(dǎo)體應(yīng)變片在工作原理上有何不同？

答：金屬應(yīng)變片的工作原理是：金屬應(yīng)變片在外力的作用下，應(yīng)變片的幾何尺寸（長(zhǎng)度和截面積）發(fā)生變化（機(jī)械形變）而引起應(yīng)變片的電阻改變，運(yùn)用它們的對(duì)應(yīng)關(guān)系實(shí)現(xiàn)測(cè)量目的。其靈敏系數(shù)（k≈1+2μ）主要是材料幾何尺寸變化引起的。

半導(dǎo)體應(yīng)變片的工作原理是：半導(dǎo)體應(yīng)變片受到作用力后，應(yīng)變片的電阻率ρ發(fā)生變化，而引起應(yīng)變片的電阻值改變。其靈敏系數(shù)（k=△ρ/ρε）主要是半導(dǎo)體材料的電阻率隨應(yīng)變變化引起的。●補(bǔ)充題：

已知四個(gè)相同的應(yīng)變片，靈敏度為k，泊松系數(shù)為μ，在試件上粘貼如圖。接入電橋如圖（A）（B）（C）（D）求：

UBUCUD、、UAUAUA

解：各應(yīng)變片電阻的相對(duì)變化 1號(hào)應(yīng)變片：

?1????R1?k?1?k? R1?R2?k?2??k?? R2?R3?k?3??k?? R32號(hào)應(yīng)變片：?2?????3號(hào)應(yīng)變片：?3?????4號(hào)應(yīng)變片：?4????R4?k?4?k? R4由式：U0?1?R1?R4?R2?R3?(???)U 4R1R4R2R31?R1U?()U?k? 4R141?R1?R4U?(?)U?k? 4R1R42對(duì)圖（a）：UA?對(duì)圖（b）：UB?對(duì)圖（c）：

UC?1?R1?R4?R2?R3UU?(???)U?(k??k??k???k??)?k?(1??)4R1R4R2R342對(duì)圖（d）：

UD?所以： 1?R1?R4?R2?R3U?(???)U?(k??k???k???k?)?0 4R1R4R2R34Uk?UB?2?2UUAk?4Uk?(1??)UC?2?2(1??)

UUAk?4UD0??0UAUk?4第2.2章 思考題與習(xí)題

1、何謂電感式傳感器？它是基于什么原理進(jìn)行檢測(cè)的？ 答：電感式傳感器是利用電磁感應(yīng)原理將被測(cè)量轉(zhuǎn)換成線圈自感量或互感量的變換，再由測(cè)量電路轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化量輸出的一種裝置。它是基于電磁感應(yīng)原理進(jìn)行檢測(cè)的。

2、減小零殘電壓的有效措施有哪些？ 答：（1）盡量使兩個(gè)線圈對(duì)稱

設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)使上下磁路對(duì)稱，制造時(shí)應(yīng)使上下磁性材料特性一致，磁筒、磁蓋、磁芯要配套挑選，線圈排列要均勻，松緊要一致，最好每層的匝數(shù)都相等。（2）減小磁化曲線的非線性

由于磁化曲線的非線性產(chǎn)生零殘電壓的高次諧波成分，所以選用磁化曲線為線性的磁芯材料或調(diào)整工作點(diǎn)，使磁化過(guò)程在磁化曲線的線性區(qū)。（3）使振蕩變壓器二次側(cè)對(duì)稱，兩個(gè)二次電壓的相位相同

在一次側(cè)線圈上并聯(lián)一個(gè)電容，并調(diào)整電容大小使兩個(gè)二次電壓的相位相同。

3、渦流式傳感器有何特點(diǎn)?它有哪些應(yīng)用： 答：渦流式傳感器的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于進(jìn)行非接觸的連續(xù)測(cè)量，靈敏度較高，適應(yīng)性強(qiáng)。它的應(yīng)用有四個(gè)方面：（1）利用位移為變換量，可做成測(cè)量位移、厚度、振幅、振擺、轉(zhuǎn)速等傳感器，也可做成接近開關(guān)、計(jì)數(shù)器等；（2）利用材料的電阻率作為變換量，可做成測(cè)量溫度、材質(zhì)判別等傳感器；（3）利用磁導(dǎo)率作為變換量，可做成測(cè)量應(yīng)力、硬度等傳感器；（4）利用三個(gè)變換量的綜合影響，可做成探傷裝置。

4、試比較渦流傳感器的幾種應(yīng)用電路的優(yōu)缺點(diǎn)？

答：交流電橋電路：線性好、溫度穩(wěn)定性高，但存在零點(diǎn)殘余電壓?jiǎn)栴}及測(cè)量范圍較小；諧振電路：電路簡(jiǎn)單，靈敏度高，但線性度差及范圍更小；正反饋電路：測(cè)量范圍較大，是電橋的2至3倍，但電路復(fù)雜。

5、有一4極感應(yīng)感應(yīng)同步器，設(shè)h=5mm、θ=150、δ=0.15mm、r=6.5mm、N1=N2=900匝，勵(lì)磁電流I1=35mA、f=400Hz,試求： ①輸出信號(hào)的靈敏度k（mV/deg）=? ②勵(lì)磁電壓u=?

第2.3章 思考題與習(xí)題

1、如何改善單組式變極距型電容傳感器的非線性？

答：對(duì)于變極距單組式電容器由于存在著原理上的非線性，所以在實(shí)際應(yīng)用中必須要改善其非線性。改善其非線性可以采用兩種方法。（1）使變極距電容傳感器工作在一個(gè)較小的范圍內(nèi)（0.01μm至零點(diǎn)幾毫米），而且最大△δ應(yīng)小于極板間距δ的1/5—1/10。（2）采用差動(dòng)式，理論分析表明，差動(dòng)式電容傳感器的非線性得到很大改善，靈敏度也提高一倍。

2、單組式變面積型平板形線位移電容傳感器，兩極板相對(duì)覆蓋部分的寬度為4mm，兩極板的間隙為0.5mm，極板間介質(zhì)為空氣，試求其靜態(tài)靈敏度？若兩極板相對(duì)移動(dòng)2mm，求其電容變化量。（答案為0.07pF/mm,0.142pF）

－12已知：b=4mm，δ=0.5mm，ε0=8.85×10F/m 求：（1）k=?；(2)若△a=2mm時(shí) △C=?。解：如圖所示

∵

C??C?S?ab?； k?；

?a???0ab?0(a??a)b?0b?a8.85?10?3pF/mm?4mm?2mm????0.142pF

?C????0.5mmk??C0.142pF?0.07pF/mm

?a2mm3、畫出并說(shuō)明電容傳感器的等效電路及其高頻和低頻時(shí)的等效電路。答：電容傳感器的等效電路為：

其中：

r：串聯(lián)電阻（引線、焊接點(diǎn)、板極等的等效電阻）； L：分布電感（引線、焊接點(diǎn)、板極結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的）；

CP：引線電容（引線、焊接點(diǎn)、測(cè)量電路等形成的總寄生電容）C0：傳感器本身電容；

Rg：漏電阻（極板間介質(zhì)漏電損耗極板與外界的漏電損耗電阻）低頻時(shí)等效電路和高頻時(shí)等效電路分別為圖（a）和圖(b)：

4、設(shè)計(jì)電容傳感器時(shí)主要應(yīng)考慮哪幾方面因素

答：電容傳感器時(shí)主要應(yīng)考慮四個(gè)幾方面因素：(1)減小環(huán)境溫度濕度等變化所產(chǎn)生的影響，保證絕緣材料的絕緣性能；（2）消除和減小邊緣效應(yīng)；（3）減小和消除寄生電容的影響；（4）防止和減小外界干擾。

5、何謂“電纜驅(qū)動(dòng)技術(shù)”？采用它的目的是什么？

答：電纜驅(qū)動(dòng)技術(shù)，即：傳感器與測(cè)量電路前置級(jí)間的引線為雙屏蔽層電纜，其內(nèi)屏蔽層與信號(hào)傳輸線（即電纜芯線）通過(guò)1 ：1放大器而為等電位，從而消除了芯線與內(nèi)屏蔽層之間的電容。由于屏蔽線上有隨傳感器輸出信號(hào)等大變化的電壓，因此稱為“驅(qū)動(dòng)電纜”。采用“電纜驅(qū)動(dòng)技術(shù)”的目的是減小或消除寄生電容的影響。

6、畫出電容式加速度傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖，并說(shuō)明其工作原理。答：電容式加速度傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖為：

其中：

1、5為兩個(gè)固定極板；2為殼體；3為支撐彈簧片；4質(zhì)量塊；A面和B面為固定在質(zhì)量塊上的電容器的極板。

當(dāng)測(cè)量垂直方向上直線加速度時(shí)，傳感器的殼體2固定在被測(cè)振動(dòng)體上，振動(dòng)體的振動(dòng)使殼體相對(duì)質(zhì)量塊運(yùn)動(dòng)，因而與殼體固定在一起的兩固定極板1、5相對(duì)質(zhì)量塊4運(yùn)動(dòng)，致使上固定極板5與質(zhì)量塊4的A面組成的電容器Cx1以及下固定極板與質(zhì)量塊4的B面組成的電容器Cx2隨之改變，一個(gè)增大，一個(gè)減小，它們的差值正比于被測(cè)加速度，而實(shí)現(xiàn)測(cè)量加速度的目的。

7、什么是電容式集成傳感器？它有何特點(diǎn)？ 答：運(yùn)用集成電路工藝把電容敏感元件與測(cè)量電路制作在一起構(gòu)成電容式集成傳感器。她的核心部件是一個(gè)對(duì)被測(cè)量敏感的集成電容器。集成電容傳感器的特點(diǎn)是：體積小、輸出阻抗小、可批量生產(chǎn)、重復(fù)性好、靈敏度高、工作溫度范圍寬、功耗低、寄生電容小等特點(diǎn)。●補(bǔ)充題：

已知差動(dòng)式極距型電容傳感器，原始極距δ0=0.25mm，極板直徑D=38.2mm，采用電橋作轉(zhuǎn)換電路，傳感器兩電容分別串接R=5.1KΩ的電阻作為電橋兩臂，另兩臂為固定電容C=0.001μF，電橋供電電壓為U=60V，頻率f=400Hz，求：①傳感器靈敏度；②動(dòng)極板位移△δ=10μm時(shí)，輸出電壓有效值為多大。

已知:δ0=0.25mm；D=38.2mm；R=5.1KΩ；C=0.001μF；U=60V；f=400Hz；△δ=10μm。求：k=?；U0=? ?S?(D/2)2??解：

∵ C0? ???(D/2)2??(D/2)2??(D/2)2??1?C???()?0?0????0?01???/?0?(D/2)2??????2??3?[1??()?()??]?0?0?0?0?0?(D/2)2?????0?0?Z1Z4?Z2Z3(Z1??Z1)Z4?(Z2??Z2)Z3?U0?U?U

(Z1?Z2)(Z3?Z4)(Z1?Z2)(Z3?Z4)?

Z1?Z2?R?

11、Z3?Z4?

j?Cj?C0?Z1?R?11?[R?]j?C0j?(C0??C)1?C?C1?C?()?()?22j?C0C0??C1??C/C0j?C0j?C0同理：?Z2??則有：

?C 2j?C0(Z1??Z1)Z4?(Z2??Z2)Z3?U0?U(Z1?Z2)(Z3?Z4)?(R??1?C11?C1?)?(R??)j?C0j?C02j?Cj?C0j?C02j?C?U122(R?)j?C0j?C ?C??j?C02?C/C02?U?U12(j?R?1/C0)4(R?)j?C02?C/C02(j?R?1/C0)??U222[(?R)?(1/C0)]?C(j?R?1/C0)??U2[(?RC0)2?1]所以：

U0?則： ?C2C01(?RC0)?12U?12C0(?RC0)?12C0???0U????0(?RC0)?12U

k??U0UU?????0(?RC0)2?1?0[2?fR?0(D/2)2?/?0]2?160V0.25mm[2??400Hz?5.1?103?(8.85?10?9F/mm)?(38.2mm/2)2?/0.25mm]2?1???0.4615V/mm?461.5V/mU0?

第2.4章

思考題與習(xí)題

1、什么是壓電效應(yīng)？

答：沿著一定方向?qū)δ承╇娊橘|(zhì)加力而使其變形時(shí)，在一定表面上產(chǎn)生電荷，當(dāng)外力取消，又重新回到不帶電狀態(tài)，這一現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)。當(dāng)在某些電介質(zhì)的極化方向上施加電場(chǎng)，這些電介質(zhì)在一定方向上產(chǎn)生機(jī)械變形或機(jī)械壓力，當(dāng)外加電場(chǎng)散去，這些變形和應(yīng)力也隨之消失，此即稱為逆壓電效應(yīng)。

2、為什么壓電傳感器不能測(cè)量靜態(tài)物理量？ 答：壓電元件送入放大器的輸入電壓 ?0(?RC0)2?1U?k???461.5V/m?10?10?6m?4.615?10?3V?4.615mVUim?d33Fm?R1??R(Ca?Cc?Ci)222

由上式可知，用·當(dāng)作用在壓電元件上的力是靜壓力（ω=0）時(shí)，前置放大器輸入電壓等于零。因?yàn)殡姾删蜁?huì)通過(guò)放大器的輸入電阻和傳感器本身的泄漏電阻漏掉。所以壓電傳感器不能測(cè)量靜態(tài)物理量。

3、壓電式傳感器中采用電荷放大器有何優(yōu)點(diǎn)？為什么電壓靈敏度與電纜長(zhǎng)度有關(guān)？而電荷靈敏度與電纜長(zhǎng)度無(wú)關(guān)？ 答：p115 ●補(bǔ)充題：

1、有一壓電晶體，其面積為20mm2，厚度為10mm，當(dāng)受到壓力p=10MPa作用時(shí)，求產(chǎn)生的電荷及輸出電壓：

①零度X切的縱向石英晶體；②利用縱向效應(yīng)之BaTiO3（壓電陶瓷）。已知：S=20 mm2，δ=10mm，P=10MPa，求：Q=？，V=？ 解：①

∵

Q?d11F?d11PS

而：d11?2.31?10∴

Q?d11PS?4.62?10又∵ U?Q/Ca?Q/（?10?12(c/N)

c

?0?rSQ?-1

2而：?r?4.5、?0?8.85?10(F/m))???0?rS∴

U?Q/Ca?解② Q??0?rS?5797.8(V)

∵

Q?d33F?d33PS

而：d33?90?10?12(c/N)∴

Q?d33PS?3.8?10?8c 同上：

又∵ U?Q/Ca?Q/(?0?rSQ?

而：?r?1200)?、?0?8.85?10-12(F/m)

??0?rS?1788.3(V)∴

U?Q/Ca?Q??0?rS2、某壓電晶體的電容為1000pF;Kq=2.5C/cm,Cc=3000pF,示波器的輸入阻抗為1MΩ和并聯(lián)電容為50pF,求；

①壓電晶體的電壓靈敏度；②測(cè)量系統(tǒng)的高頻響應(yīng)③如系統(tǒng)允許的測(cè)量幅值誤差為5%,可測(cè)最低頻率時(shí)多少？④如頻率為10Hz,允許誤差為5%,用并聯(lián)方式，電容值是多少？ 已知：Ca?1000pF；kq?2.5c/N；Cc?3000pF；Ri?1M?；Ci?50pF 求：

①kV??②高頻響應(yīng)，kV?Uim(?)/Fm③?L?5%時(shí)，fLC??④f?10Hz,?L?5%,并聯(lián)電容Ci??解①

∵

kV?kq/Ca

∴

kV?2.5?109(V/N)解②依據(jù)教材p113(6-14)式 ∵

kV?Uim(?)/Fm?

d33；而：kq?Q/F?d33F/F?d33

Ca?Cc?Ci∴

kV?kqCa?Cc?Ci?6.17?108(V/N)

解③依據(jù)教材p113(6-15)式 因： k(?)??R(Ca?Cc?Ci)1??R(Ca?Cc?Ci)*222

高頻響應(yīng)時(shí)：k?k(?)?1

k*?k(?)?5% 而：?L*k則：k(?)?其中： ?R(Ca?Cc?Ci)1??R(Ca?Cc?Ci)222?95%

?R?Ra//Ri?Ri?106???Ca?Cc?Ci?4050pF;???2?fL?L解得：fL?解④ ?LC?119.5Hz 2?k*?k(?)?5% 因： ?Lk*則：

k(?)?其中： ?R(Ca?Cc?Ci)1??R(Ca?Cc?Ci)222?95%

?R?Ra//Ri?Ri?106? ??f?10Hz，??2?f解得：C?Ca?Cc?C?48447pF

3、用石英晶體加速度計(jì)及電荷放大器測(cè)量機(jī)器的振動(dòng)，已知：加速度計(jì)靈敏度為5pC/g,電荷放大器靈敏度為50mV/pC,當(dāng)機(jī)器達(dá)到最大加速度值時(shí)相應(yīng)的輸出電壓幅值為2V,試求該機(jī)器的振動(dòng)加速度。

已知：ka=5pC/g，kq=50mV/pC，Vomax=2V 求：amax=？ 解：

因?yàn)椋?ka?Q/a；kq?V0/Q 則有： V0?kakqa 所以： amax?V0max?8g kakq4、石英晶體壓電式傳感器，面積為1cm2，厚度為1mm，固定在兩金屬板之間，用來(lái)測(cè)量通過(guò)晶體兩面力的變化。材料的彈性模量是9×1010Pa,電荷靈敏度為2pC/N, 相對(duì)介電常數(shù)是5.1，材料相對(duì)兩面間電阻是1014Ω。一個(gè)20pF的電容和一個(gè)100MΩ的電阻與極板相連。若所加力F=0.01sin(103t)N,求；①兩極板間電壓峰一峰值；②晶體厚度的最大變化。

已知：S=1cm2，δ=1mm，E=9×1010Pa，kq=2pC/N，εr=5.1，Ra=1014Ω，Ci=20pF，Ri=100MΩ，F(xiàn)=0.01sin(103t)N，F(xiàn)max=0.01 N，ω=103 求：①Vop-p=? ②Δδmax=？ 解①由圖知

U0??dQ?j?Q 而：I?dt??I

(Ga?Gi)?j?(Ca?Ci)?所以：U0??Q(Ga?Gi)??(Ca?Ci)222

則：U0m??Qm(Ga?Gi)??(Ca?Ci)222

又因：Qm?kqFm?2?0.01?0.02 pC

則有：Vop-p=2Uom=1.5mV 解② 因?yàn)椋篍??F/S? ???/?F? ES則有：???即有：??m?Fm? ES2Fm??2.2?10?12m ES所以：??max?2?m?

第四篇：無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)課后習(xí)題答案

1-2.什么是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)? 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是大量的靜止或移動(dòng)的傳感器以自組織和多跳的方式構(gòu)成的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。目的是協(xié)作地探測(cè)、處理和傳輸網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域內(nèi)感知對(duì)象的監(jiān)測(cè)信息,并報(bào)告給用戶。1-4.圖示說(shuō)明無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)架構(gòu)。

1-5.傳感器網(wǎng)絡(luò)的終端探測(cè)結(jié)點(diǎn)由哪些部分組成?這些組成模塊的功能分別是什么?(1)傳感模塊（傳感器、數(shù)模轉(zhuǎn)換）、計(jì)算模塊、通信模塊、存儲(chǔ)模塊電源模塊和嵌入式軟件系統(tǒng)

(2)傳感模塊負(fù)責(zé)探測(cè)目標(biāo)的物理特征和現(xiàn)象，計(jì)算模塊負(fù)責(zé)處理數(shù)據(jù)和系統(tǒng)管理，存儲(chǔ)模塊負(fù)責(zé)存放程序和數(shù)據(jù)，通信模塊負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)管理信息和探測(cè)數(shù)據(jù)兩種信息的發(fā)送和接收。另外，電源模塊負(fù)責(zé)結(jié)點(diǎn)供電，結(jié)點(diǎn)由嵌入式軟件系統(tǒng)支撐，運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)的五層協(xié)議。

1-8.傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)包括哪些部分?各部分的功能分別是什么?

(1)網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議：類似于傳統(tǒng)Internet網(wǎng)絡(luò)中的TCP/IP協(xié)議體系。它由物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和應(yīng)用層組成。

(2)網(wǎng)絡(luò)管理平臺(tái)：主要是對(duì)傳感器結(jié)點(diǎn)自身的管理和用戶對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)的管理。包括拓?fù)淇刂啤⒎?wù)質(zhì)量管理、能量管理、安全管理、移動(dòng)管理、網(wǎng)絡(luò)管理等。

(3)應(yīng)用支撐平臺(tái)：建立在網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)管理技術(shù)的基礎(chǔ)之上。包括一系列基于監(jiān)測(cè)任務(wù)的應(yīng)用層軟件，通過(guò)應(yīng)用服務(wù)接口和網(wǎng)絡(luò)管理接口來(lái)為終端用戶提供各種具體應(yīng)用的支持。

1-9.傳感器網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)有哪些類型?分別說(shuō)明各種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的特征及優(yōu)缺點(diǎn)。

（1）根據(jù)結(jié)點(diǎn)數(shù)目的多少，傳感器網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)可以分為平面結(jié)構(gòu)和分級(jí)結(jié)構(gòu)。如果網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模較小，一般采用平面結(jié)構(gòu)；如果網(wǎng)絡(luò)規(guī)模很大，則必須采用分級(jí)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。（2）平面結(jié)構(gòu)：

特征：平面結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)比較簡(jiǎn)單，所有結(jié)點(diǎn)的地位平等，所以又可以稱為對(duì)等式結(jié)構(gòu)。優(yōu)點(diǎn)：源結(jié)點(diǎn)和目的結(jié)點(diǎn)之間一般存在多條路徑，網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷由這些路徑共同承擔(dān)。一般情況下不存在瓶頸，網(wǎng)絡(luò)比較健壯。

缺點(diǎn)：①影響網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的傳輸速率，甚至造成網(wǎng)絡(luò)崩潰。②整個(gè)系統(tǒng)宏觀上會(huì)損耗巨大能量。③可擴(kuò)充性差，需要大量控制消息。分級(jí)結(jié)構(gòu)：

特征：傳感器網(wǎng)絡(luò)被劃分為多個(gè)簇，每個(gè)簇由一個(gè)簇頭和多個(gè)簇成員組成。這些簇頭形成了高一級(jí)的網(wǎng)絡(luò)。簇頭結(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)簇間數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，簇成員只負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集。

優(yōu)點(diǎn)：①大大減少了網(wǎng)絡(luò)中路由控制信息的數(shù)量，具有很好的可擴(kuò)充性。②簇頭可以隨時(shí)選舉產(chǎn)生，具有很強(qiáng)的抗毀性。

缺點(diǎn)：簇頭的能量消耗較大，很難進(jìn)人休眠狀態(tài)。

1-13.討論無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在實(shí)際生活中有哪些潛在的應(yīng)用。

(1)用在智能家具系統(tǒng)中，將傳感器嵌入家具和家電中，使其與執(zhí)行單元組成無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，與因特網(wǎng)連接在一起。(2)用在智能醫(yī)療中，將傳感器嵌入醫(yī)療設(shè)備中，使其能接入因特網(wǎng)，將患者數(shù)據(jù)傳送至醫(yī)生終端。(3)用在只能交通中，運(yùn)用無(wú)線傳感器監(jiān)測(cè)路面、車流等情況。2-2.傳感器由哪些部分組成?各部分的功能是什么?

2-5.集成傳感器的特點(diǎn)是什么? 體積小、重量輕、功能強(qiáng)、性能好。2-7.傳感器的一般特性包括哪些指標(biāo)? 靈敏度、響應(yīng)特性、線性范圍、穩(wěn)定性、重復(fù)性、漂移、精度、分辨（力）、遲滯。2-15.如何進(jìn)行傳感器的正確選型？

1.測(cè)量對(duì)象與環(huán)境：分析被測(cè)量的特點(diǎn)和傳感器的使用條件選擇何種原理的傳感器。2.靈敏度：選擇較高信噪比的傳感器，并選擇適合的靈敏度方向。

3.頻率響應(yīng)特性:根據(jù)信號(hào)的特點(diǎn)選擇相應(yīng)的傳感器響應(yīng)頻率，以及延時(shí)短的傳感器。4.線性范圍：傳感器種類確定后觀察其量程是否滿足要求，并且選擇誤差小的傳感器。

5.穩(wěn)定性：根據(jù)使用環(huán)境選擇何時(shí)的傳感器或采用適當(dāng)?shù)拇胧p小環(huán)境影響，盡量選擇穩(wěn)定性好的傳感器。6.精度：選擇滿足要求的，相對(duì)便宜的傳感器。2-17.簡(jiǎn)述磁阻傳感器探測(cè)運(yùn)動(dòng)車輛的原理。

磁阻傳感器在探測(cè)磁場(chǎng)的通知探測(cè)獲得車輪速度、磁跡、車輛出現(xiàn)和運(yùn)動(dòng)方向等。使用磁性傳感器探測(cè)方向、角度或電流值，可以間接測(cè)定這些數(shù)值。因?yàn)檫@些屬性變量必須對(duì)相應(yīng)的磁場(chǎng)產(chǎn)生變化，一旦磁傳感器檢測(cè)出場(chǎng)強(qiáng)變化，則采用一些信號(hào)處理辦法，將傳感器信號(hào)轉(zhuǎn)換成需要的參數(shù)值。3-2.無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)為什么要進(jìn)行調(diào)制和解調(diào)?調(diào)制有哪些方法?（1）調(diào)制和解調(diào)技術(shù)是無(wú)線通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。調(diào)制對(duì)通信系統(tǒng)的有效性和可靠性有很大的影響。采用什么方法調(diào)制和解調(diào)往往在很大程度上決定著通信系統(tǒng)的質(zhì)量。

調(diào)制技術(shù)通過(guò)改變高頻載波的幅度、相位或頻率，使其隨著基帶信號(hào)幅度的變化而變化。

解調(diào)是將基帶信號(hào)從載波中提取出來(lái)以便預(yù)定的接收者(信宿)處理和理解的過(guò)程。（2）根據(jù)調(diào)制中采用的基帶信號(hào)的類型。可以將調(diào)制分為模擬調(diào)制和數(shù)字調(diào)制。

根據(jù)原始信號(hào)所控制參量的不同，調(diào)制分為幅度調(diào)制、頻率調(diào)制和相位調(diào)制。3-4.試描述無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的物理層幀結(jié)構(gòu)。

3-6.根據(jù)信道使用方式的不同。傳感器網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議可以分為哪幾種類型? 時(shí)分復(fù)用無(wú)競(jìng)爭(zhēng)接入方式、隨機(jī)競(jìng)爭(zhēng)接入方式、競(jìng)爭(zhēng)與固定分配相結(jié)合的接入方式。3-7.設(shè)計(jì)基于競(jìng)爭(zhēng)的MAC協(xié)議的基本思想是什么？

當(dāng)結(jié)點(diǎn)需要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，通過(guò)競(jìng)爭(zhēng)方式使用無(wú)線信道。如果發(fā)送的數(shù)據(jù)產(chǎn)生了碰撞，就按照某種策略重發(fā)數(shù)據(jù)，直到數(shù)據(jù)發(fā)送成功或放棄發(fā)送。

3-8.試寫(畫）出CSMA/CA的基木訪問(wèn)機(jī)制。并說(shuō)明隨機(jī)退避時(shí)間的計(jì)算方法。

3-9.IEEE802.11MAC協(xié)議有哪兩種訪問(wèn)控制方式?每種方式是如何工作的?（1）分布式協(xié)調(diào)功能（DCF）、點(diǎn)協(xié)調(diào)功能（PCF），期中DCF是基本訪問(wèn)控制方式。

3-10.通常有哪些原因?qū)е聜鞲衅骶W(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生無(wú)效能耗? 空閑偵聽、數(shù)據(jù)沖突、串?dāng)_、控制開銷 3-11.敘述無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)S-MAC協(xié)議的主要特點(diǎn)和實(shí)現(xiàn)機(jī)制。

（1）S-MAC協(xié)議的適用條件是傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸量不大，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部能夠進(jìn)

行數(shù)據(jù)的處理和融合以減少數(shù)據(jù)通信量，網(wǎng)絡(luò)能容忍一定程度的通信延遲。它的設(shè)計(jì)目標(biāo)是提供良好的擴(kuò)展性，減少結(jié)點(diǎn)能耗。

（2）周期性偵聽和睡眠機(jī)制、流量自適應(yīng)機(jī)制、沖突和串音避免機(jī)制、消息傳遞機(jī)制。3-12.簡(jiǎn)述路由選擇的主要功能。

（1）尋找源結(jié)點(diǎn)和目的結(jié)點(diǎn)間的優(yōu)化路徑。（2）將數(shù)據(jù)分析沿著優(yōu)化路徑正確轉(zhuǎn)發(fā)。

3-14.常見的傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議有哪些類型?并說(shuō)明各種類型路由協(xié)議的主要特點(diǎn)。（1）能量感知路由協(xié)議、基于查詢的路由協(xié)議、地理位置協(xié)議、可靠的路由協(xié)議。

（2）能量感知路由協(xié)議：從數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪芰肯某霭l(fā)，討論最少能量消耗和最長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生存期等問(wèn)題。

基于查詢的路由協(xié)議：主要用于需要不斷查詢傳感器結(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)，通過(guò)減少通信流量來(lái)節(jié)省能量，即數(shù)據(jù)融合技術(shù)與路由協(xié)議的設(shè)計(jì)相結(jié)合。

地理位置協(xié)議：主要應(yīng)用于需要知道目的結(jié)點(diǎn)的精確或大致地理位置的問(wèn)題中，把結(jié)點(diǎn)的位置信息作為路由選擇的依據(jù)，從而完成結(jié)點(diǎn)的路由選擇功能，并且降低維護(hù)路由協(xié)議的能耗。可靠的路由協(xié)議：應(yīng)用在對(duì)可靠性和實(shí)時(shí)性等方面有特別要求的問(wèn)題中。3-15.如何設(shè)計(jì)傳感器網(wǎng)絡(luò)的定向擴(kuò)散路由協(xié)議? 4-2.傳感器網(wǎng)絡(luò)常見的時(shí)間同步機(jī)制有哪些? RBS、Ting/Mini-Sync、TPSN 4-3.簡(jiǎn)述TPSN時(shí)間同步協(xié)議的設(shè)計(jì)過(guò)程。

TPSN時(shí)間同步協(xié)議采用層次結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)的時(shí)間同步。所有結(jié)點(diǎn)按照層次結(jié)構(gòu)進(jìn)行邏輯分級(jí)。表示結(jié)點(diǎn)到根結(jié)點(diǎn)的距離，通過(guò)基于發(fā)送者-接收者的結(jié)點(diǎn)對(duì)方式。每個(gè)結(jié)點(diǎn)與上一級(jí)的一個(gè)結(jié)點(diǎn)進(jìn)行同步。從而最終所有結(jié)點(diǎn)都與根結(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步。TPSN協(xié)議包括兩個(gè)階段: 第一個(gè)階段生成層次結(jié)構(gòu)，每個(gè)結(jié)點(diǎn)賦予一個(gè)級(jí)別。根結(jié)點(diǎn)賦予最高級(jí)別第0級(jí)。第i 級(jí)的結(jié)點(diǎn)至少能夠與一個(gè)第(i-1)級(jí)的結(jié)點(diǎn)通信;第二個(gè)階段實(shí)現(xiàn)所有樹結(jié)點(diǎn)的時(shí)間同步。第1級(jí)結(jié)點(diǎn)同步到根結(jié)點(diǎn)。第i級(jí)的結(jié)點(diǎn)同步到第(i-1)級(jí)的一個(gè)結(jié)點(diǎn)，最終所有結(jié)點(diǎn)都同步到根結(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間同步。

4-6.簡(jiǎn)述以下概念術(shù)語(yǔ)的含義:錨點(diǎn)、測(cè)距、連接度、到達(dá)時(shí)間差、接收信號(hào)強(qiáng)度指示、視線關(guān)系。

錨點(diǎn)：指通過(guò)其他方式預(yù)先獲得位置坐標(biāo)的結(jié)點(diǎn)，有時(shí)也稱作信標(biāo)結(jié)點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò)中相應(yīng)的其余結(jié)點(diǎn)稱為非錨點(diǎn)。測(cè)距：指兩個(gè)相互通信的結(jié)點(diǎn)通過(guò)測(cè)量方式來(lái)估計(jì)出彼此之間的距離或角度。

連接度：包括結(jié)點(diǎn)連接度和網(wǎng)絡(luò)連接度兩種含義。結(jié)點(diǎn)連接度是指結(jié)點(diǎn)可探測(cè)發(fā)現(xiàn)的鄰居結(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)。網(wǎng)絡(luò)連接度是所有結(jié)點(diǎn)的鄰結(jié)點(diǎn)數(shù)目的平均值，它反映了傳感器配置的密集程度。

到達(dá)時(shí)間差：兩種不同傳播速度的信號(hào)從一個(gè)結(jié)點(diǎn)傳播到另一個(gè)結(jié)點(diǎn)所需要的時(shí)間之差。接收信號(hào)強(qiáng)度指示：結(jié)點(diǎn)接收到無(wú)線信號(hào)的強(qiáng)度大小。

視線關(guān)系：如果傳感器網(wǎng)絡(luò)的兩個(gè)結(jié)點(diǎn)之間沒(méi)有障礙物，能夠?qū)崿F(xiàn)直接通信，則稱這兩個(gè)結(jié)點(diǎn)問(wèn)存在視線關(guān)系。4-9.RSSI測(cè)距的原理是什么?

4-10.簡(jiǎn)述ToA測(cè)距的原理。

4-11.舉例說(shuō)明TDoA的測(cè)距過(guò)程。

4-12.舉例說(shuō)明AoA測(cè)角的過(guò)程。

4-13.試描述傳感器網(wǎng)絡(luò)多邊定位法的原理。

4-14.簡(jiǎn)述Min-max定位方法的原理。

4-15.簡(jiǎn)述質(zhì)心定位算法的原理及其特點(diǎn)。

★4-16.舉例說(shuō)明DV-Hop算法的定位實(shí)現(xiàn)過(guò)程。

4-17.什么是數(shù)據(jù)融合技術(shù)?它在傳感器網(wǎng)絡(luò)中的主要作用是什么?（1）數(shù)據(jù)融合也被稱作信息融，是一種多源信息處理技術(shù)。它通過(guò)對(duì)來(lái)自同一目標(biāo)的多源數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化合成，獲得比單一信息源更精確、完整的估計(jì)或判斷。

（2）①節(jié)省整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的能量②增強(qiáng)所收集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性③提高收集數(shù)據(jù)的效率 4-18.簡(jiǎn)述數(shù)據(jù)融合技術(shù)的不同分類方法及其類型。

(1)依據(jù)融合前后數(shù)據(jù)的信息含量進(jìn)行分類：無(wú)損失融合、有損失融合

(2)依據(jù)數(shù)據(jù)融合與應(yīng)用層數(shù)據(jù)語(yǔ)義的關(guān)系進(jìn)行分類：依賴于應(yīng)用的數(shù)據(jù)融合、獨(dú)立于應(yīng)用的數(shù)據(jù)融合、結(jié)合以上兩種技術(shù)的數(shù)據(jù)融合

(3)依據(jù)融合操作的級(jí)別進(jìn)行分類：數(shù)據(jù)級(jí)融合、特征級(jí)融合、決策級(jí)融合 4-19.什么是數(shù)據(jù)融合的綜合平均法?

4-20.常見的數(shù)據(jù)融合方法有哪些? 綜合平均法、卡爾曼濾波法、貝葉斯估計(jì)法、D-S證據(jù)推理法、統(tǒng)計(jì)決策理論、模糊邏輯法、產(chǎn)生式規(guī)則法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法。

4-21.無(wú)線通信的能量消耗與距離的關(guān)系是什么?它反映出傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)氖裁刺攸c(diǎn)?（1）通常隨著通信距離的曾加，能耗急劇增加。

（2）在傳感器網(wǎng)絡(luò)中要減少單跳通信距離，盡量使用多跳短距離的無(wú)線通信方式。4-22.簡(jiǎn)述節(jié)能策略休眠機(jī)制的實(shí)現(xiàn)思想。

當(dāng)結(jié)點(diǎn)周圍沒(méi)有感興趣的事件發(fā)生時(shí)，計(jì)算與通信單元處十空閑狀態(tài)，把這些組件關(guān)鐘或調(diào)到更低能耗的狀態(tài)，即休眠狀態(tài)。該機(jī)制對(duì)于延長(zhǎng)傳感器結(jié)點(diǎn)的生存周期非常重要。但休眠狀態(tài)與工作狀態(tài)的轉(zhuǎn)換需要消耗一定的能量。并且產(chǎn)生時(shí)延。所以狀態(tài)轉(zhuǎn)換策略對(duì)于休眠機(jī)制比較重要。如果狀態(tài)轉(zhuǎn)換策略不合適，不僅無(wú)法節(jié)能，反而會(huì)導(dǎo)致能耗的增加。

4-23.簡(jiǎn)述傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)各單元能量消耗的特點(diǎn)

傳感器結(jié)點(diǎn)中消耗能量的模塊有傳感器模塊、處理器模塊和通信模塊。隨著集成電路工藝的進(jìn)步。處理器和傳感器模塊的功耗都很低。無(wú)線通信模塊可以處于發(fā)送、接收、空閑或睡眠狀態(tài)。空閑狀態(tài)就是偵聽無(wú)線信道上的信息，但不發(fā)送或接收。睡眠狀態(tài)就是無(wú)線通信模塊處于不工作狀態(tài)。4-24.動(dòng)態(tài)電源管理的工作原理是什么? 當(dāng)結(jié)點(diǎn)周圍沒(méi)有感興趣的事件發(fā)生時(shí)，部分模塊處于空閑狀態(tài)。應(yīng)該把這些組件關(guān)掉或調(diào)到更低能耗的狀態(tài)(即休眠狀態(tài))。從而節(jié)省能量。

4-25.傳感器網(wǎng)絡(luò)的安全性需求包括哪些內(nèi)容? 結(jié)點(diǎn)的安全保證、被動(dòng)抵御入侵的能力、主動(dòng)反擊入侵的能力。4-26.什么是傳感器網(wǎng)絡(luò)的信息安全?

4-27.簡(jiǎn)述在傳感器網(wǎng)絡(luò)中實(shí)施Wormhole攻擊的原理過(guò)程

4-28.SPINS安全協(xié)議簇能提供哪些功能? SPINS安個(gè)協(xié)議簇是最早的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的安全框架之一。包含了 SNEP和μTESLA兩個(gè)安全協(xié)議。SNEP協(xié)議提供點(diǎn)到點(diǎn)通信認(rèn)證、數(shù)據(jù)機(jī)密性、完整性和新鮮性等安全服務(wù)；μTESLA協(xié)議則提供對(duì)廣播消息的數(shù)據(jù)認(rèn)證服務(wù)。6-3.低速無(wú)線個(gè)域網(wǎng)具有哪些特點(diǎn)? 低速無(wú)線個(gè)域網(wǎng)是一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉的無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)，它使得在低電能和低吞吐量的應(yīng)用環(huán)境中使用無(wú)線連接成為可能。與無(wú)線局域網(wǎng)相比。低速無(wú)線個(gè)域網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)只需很少的基礎(chǔ)設(shè)施。甚至不需要基礎(chǔ)設(shè)施。IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)為低速無(wú)線個(gè)域網(wǎng)制定了物理層和MAC子層協(xié)議。6-7.簡(jiǎn)述ZigBee的技術(shù)特點(diǎn)

(1)數(shù)據(jù)傳輸速率低。數(shù)據(jù)率只有l(wèi)okb/s~250kb/s，專注十低速傳輸應(yīng)用。

(2)有效范圍小。有效似蓋范圍10~75m之間，具體依據(jù)實(shí)際發(fā)射功率的大小和各種不同的應(yīng)用模式而定。(3)工作頻段靈活。使用的頻段分別為2.4GHz,868MHz(歐洲)及915MHz(美國(guó))，均為無(wú)需申請(qǐng)的ISM頻段。

(4)省電。由于工作周期很短。收發(fā)信息功耗較低，以及采用了休眠模式，ZigBee可確保兩節(jié)5號(hào)電池支持長(zhǎng)達(dá)6個(gè)月至2年左右的使用時(shí)間，當(dāng)然不同應(yīng)用的功耗有所不同。

(5)可靠。采用碰撞避免機(jī)制。并為需要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預(yù)留專用時(shí)隙，避免了發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)的競(jìng)爭(zhēng)和沖突。MAC層采用完全確認(rèn)的數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制。每個(gè)發(fā)送的數(shù)據(jù)包都必須等待接收方的確認(rèn)信息。

(6)成本低。由于數(shù)據(jù)傳輸速率低，并且協(xié)議簡(jiǎn)單。降低了成本，另外使用ZigBee協(xié)議可免專利費(fèi)。

(7)時(shí)延短。針對(duì)時(shí)延敏感的應(yīng)用做了優(yōu)化。通信時(shí)延和從休眠狀態(tài)激活的時(shí)延都非常短。設(shè)備搜索時(shí)延的典型值為30ms.休眠激活時(shí)廷的典型值是15ms。活動(dòng)設(shè)備信道接入時(shí)延為15ms。(8)網(wǎng)絡(luò)容量大。一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)可容納多達(dá)254個(gè)從設(shè)備和一個(gè)主設(shè)備，一個(gè)區(qū)域內(nèi)可同時(shí)布置多達(dá)100個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)。

(9)安全。ZigBee提供了數(shù)據(jù)完整性檢查和認(rèn)證功能。加密算法采用AES-128，應(yīng)用層安全屬性可根據(jù)需求來(lái)配置。

第五篇：傳感器復(fù)習(xí)資料..

1.1、金屬電阻應(yīng)變片與半導(dǎo)體材料的電阻應(yīng)變效應(yīng)有什么不同? 答：金屬電阻的應(yīng)變效應(yīng)主要是由于其幾何形狀的變化而產(chǎn)生的，半導(dǎo)體材料的應(yīng)變效應(yīng)則主要取決于材料的電阻率隨應(yīng)變所引起的變化產(chǎn)生的。1.2、直流測(cè)量電橋和交流測(cè)量電橋有什么區(qū)別? 答：它們的區(qū)別主要是直流電橋用直流電源，只適用于直流元件，如電阻應(yīng)變片，交流電橋用交流電源，適用于所有電路元件，如電阻應(yīng)變片、電容。1.3、簡(jiǎn)述電阻應(yīng)變式傳感器產(chǎn)生橫向誤差的原因。

粘貼在受單向拉伸力試件上的應(yīng)變片 , 如圖2-3所示，其敏感柵是有多條直線和圓弧部

圖2－3 橫向效應(yīng)

分組成。這時(shí)，各直線段上的金屬絲只感受沿軸向拉應(yīng)變?x,電阻值將增加。但在圓弧段上，沿各微段軸向(即微段圓弧的切向)的應(yīng)變與直線段不相等，因此與直線段上同樣長(zhǎng)度的微段所產(chǎn)生的電阻變化就不相同，最明顯的在???/2處圓弧段上，按泊松關(guān)系，在垂直方向上產(chǎn)生負(fù)的壓應(yīng)變?y，因此該段的電阻是最小的。而在圓弧的其它各段上，其軸向感受的應(yīng)變由 +?x變化到-?y。由此可見 , 將直的電阻絲繞成敏感柵之后，雖然長(zhǎng)度相同，但應(yīng)變狀態(tài)不同，其靈敏系數(shù)降低了。這種現(xiàn)象稱橫向效應(yīng)。

應(yīng)變片橫向效應(yīng)表明 , 當(dāng)實(shí)際使用應(yīng)變片時(shí)，使用條件與標(biāo)定靈敏系數(shù) k 時(shí)的標(biāo)定規(guī)則不同時(shí),實(shí)際 k 值要改變,由此可能產(chǎn)生較大測(cè)量誤差，當(dāng)不能滿足測(cè)量精確度要求時(shí)，應(yīng)進(jìn)行必要的修正。

1.4、采用阻值為120Ω靈敏度系數(shù)K=2.0的金屬電阻應(yīng)變片和阻值為120Ω的固定電阻組成電橋，供橋電壓為4V，并假定負(fù)載電阻無(wú)窮大。當(dāng)應(yīng)變片上的應(yīng)變分別為1和1 000時(shí)，試求單臂、雙臂和全橋工作時(shí)的輸出電壓，并比較三種情況下的靈敏度。

K?UK?U4?2?10?6??2?10?6/V，應(yīng)解：?jiǎn)伪蹠r(shí)U0?，所以應(yīng)變?yōu)?時(shí)U0?444K?U4?2?10?3??2?10?3/V； 變?yōu)?000時(shí)應(yīng)為U0?44K?UK?U4?2?10?6??4?10?6/V，應(yīng)變?yōu)殡p臂時(shí)U0?，所以應(yīng)變?yōu)?時(shí)U0?222K?U4?2?10?3??4?10?3/V； 1000時(shí)應(yīng)為U0?22全橋時(shí)U0?K?U，所以應(yīng)變?yōu)?時(shí)U0?8?10?6/V，應(yīng)變?yōu)?000時(shí)應(yīng)為U0?8?10?3/V。從上面的計(jì)算可知：?jiǎn)伪蹠r(shí)靈敏度最低，雙臂時(shí)為其兩倍，全橋時(shí)最高，為單臂的四倍。1.5、差動(dòng)電橋有哪些有優(yōu)點(diǎn)？

答：差動(dòng)電橋比單臂電橋的靈敏度高，此外，還可以有效地改善電橋的溫度誤差、非線性誤差。

1.6、如圖所示為一直流電橋，供電電源電動(dòng)勢(shì)E=3V，R3=R4=100Ω，R1和R2為同型號(hào)的電阻應(yīng)變片，其電阻均為50Ω，靈敏度系數(shù)K=2.0。兩只應(yīng)變片分別粘貼于等強(qiáng)度梁同一截面的正反兩面。設(shè)等強(qiáng)度梁在受力后產(chǎn)生的應(yīng)變?yōu)?000με，試求此時(shí)電橋輸出端電壓Uo。

題2.5圖

K?U2?3?5?10?3??15mV 解：此電橋?yàn)檩敵鰧?duì)稱電橋，故U0?222.1、電容式傳感器有哪些類型？

解：電容式傳感器分為變極距型、變面積型和變介質(zhì)型三種類型。

2.2、試分析變面積式電容傳感器和變間隙式電容的靈敏度?為了提高傳感器的靈敏度可采取什么措施并應(yīng)注意什么問(wèn)題? 解：以變面積式電容傳感器為例進(jìn)行說(shuō)明，如圖所示是一直線位移型電容式傳感器的示意圖。

Δxbxda直線位移型電容式傳感器

當(dāng)動(dòng)極板移動(dòng)△x后，覆蓋面積就發(fā)生變化，電容量也隨之改變，其值為

C=εb（a-△x）/d=C0-εb·△x/d（1）

電容因位移而產(chǎn)生的變化量為

?C?C?C0??其靈敏度為 K??bd?x??C0?x a?C?b?? ?xd可見增加b或減小d均可提高傳感器的靈敏度。

2.3、為什么說(shuō)變間隙型電容傳感器特性是非線性的?采取什么措施可改善其非線性特征? 解：下圖為變間隙式電容傳感器的原理圖。圖中1為固定極板，2為與被測(cè)對(duì)象相連的活動(dòng)極板。當(dāng)活動(dòng)極板因被測(cè)參數(shù)的改變而引起移動(dòng)時(shí)，兩極板間的距離d發(fā)生變化，從而改變了兩極板之間的電容量C。

1d21–固定極板 2--活動(dòng)極板

設(shè)極板面積為A，其靜態(tài)電容量為C??Ad，當(dāng)活動(dòng)極板移動(dòng)x后，其電容量為

x?Ad(1)C??C0d?xx21?2d1?當(dāng)x<

xx21?2?1 則C?C0(1?)(2)

dd由式（1）可以看出電容量C與x不是線性關(guān)系，只有當(dāng) x<

2.4、變間隙電容傳感器的測(cè)量電路為運(yùn)算放大器電路，如題4.8圖所示。C0=200pF，傳感器的起始電容量Cx0=20pF,定動(dòng)極板距離d0=1.5mm,運(yùn)算放大器為理想放大器（即K→∞,Zi→∞）,Rf極大,輸入電壓ui=5sinωtV。求當(dāng)電容傳感動(dòng)極板上輸入一位移量△x=0.15mm使d0減小時(shí),電路輸出電壓uo為多少？

題4.8圖

解：由測(cè)量電路可得

u0??C0C0200ui??ui???5sin?t??45sin?tV Cx0d020?1.5Cx1.5?0.15d0??x2.5、如圖3-22所示正方形平板電容器,極板長(zhǎng)度a=4cm,極板間距離δ=0.2mm.若用此變面積型傳感器測(cè)量位移x,試計(jì)算該傳感器的靈敏度并畫出傳感器的特性曲線.極板間介質(zhì)為空氣,?0?8.85?10-12F/m。

ax 解：這是個(gè)變面積型電容傳感器，共有4個(gè)小電容并聯(lián)組成。

C0?4?0a2?4?16?10?4?8.85?10?12??28.32 /pF

2?10?3?C0?kx?28.32?70.8x(x的單位為米)

4?0ax)Cx?4?0a(a?x)??C?Cx?C0???

Cx?C04?0a4?8.85?10?12?4?10?2K???????70.8 /pF x?2?10?3CxpF4030201004123xcm

3.1、試述影響差動(dòng)變壓器輸出線性度和靈敏度的主要因素是什么？

解：影響差動(dòng)變壓器輸出線性度和靈敏度的主要因素是：傳感器幾何尺寸、線圈電氣參數(shù)的對(duì)稱性、磁性材料的殘余應(yīng)力、測(cè)量電路零點(diǎn)殘余電動(dòng)勢(shì)等。

3.2、試述電渦流式傳感器的靈敏度主要受哪些因素影響？它的主要優(yōu)點(diǎn)是什么？ 解：電渦流式傳感器的靈敏度主要受導(dǎo)體的電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率、幾何形狀，線圈的幾何參數(shù)，激勵(lì)電流頻率以及線圈到被測(cè)導(dǎo)體間的距離等因素影響。電渦流式傳感結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、頻率響應(yīng)寬、靈敏度高、測(cè)量范圍大、抗干憂能力強(qiáng)，特別是有非接觸測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)，因此在工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)的各個(gè)領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。

4.1、為什么壓電傳感器通常都用來(lái)測(cè)量動(dòng)態(tài)或瞬態(tài)參量？

解：如作用在壓電組件上的力是靜態(tài)力，則電荷會(huì)泄露，無(wú)法進(jìn)行測(cè)量。所以壓電傳感器通常都用來(lái)測(cè)量動(dòng)態(tài)或瞬態(tài)參量。

4.2、壓電式傳感器測(cè)量電路的作用是什么?其核心是解決什么問(wèn)題?

解：壓電式傳感器的產(chǎn)生的電量非常小，內(nèi)阻很高。測(cè)量電路的作用是進(jìn)行阻抗變換和放大，即要求測(cè)量電路的輸入阻抗很高，輸出阻抗很低，通常用高輸入阻抗運(yùn)放。其核心是要解決微弱信號(hào)的轉(zhuǎn)換與放大，得到足夠強(qiáng)的輸出信號(hào)。

4.3、某加速度計(jì)的校準(zhǔn)振動(dòng)臺(tái)，它能作50Hz和1g的振動(dòng)，今有壓電式加速度計(jì)出廠時(shí)標(biāo)出靈敏度K＝100mV／g，由于測(cè)試要求需加長(zhǎng)導(dǎo)線，因此要重新標(biāo)定加速度計(jì)靈敏度，假定所用的阻抗變換器放大倍數(shù)為1，電壓放大器放大倍數(shù)為100，標(biāo)定時(shí)晶體管毫伏表上指示為9.13V，試畫出標(biāo)定系統(tǒng)的框圖，并計(jì)算加速度計(jì)的電壓靈敏度。解：此加速度計(jì)的靈敏度為 K??9130?91.3 mV/g 100標(biāo)定系統(tǒng)框圖如下：

加速度計(jì)阻抗變換器電壓放大器晶體管毫伏表

4.4、用石英晶體加速度計(jì)及電荷放大器測(cè)量機(jī)器的振動(dòng)，已知：加速度計(jì)靈敏度為5pC/g,電荷放大器靈敏度為50mV/pC,當(dāng)機(jī)器達(dá)到最大加速度值時(shí)相應(yīng)的輸出電壓幅值為2V,試求該機(jī)器的振動(dòng)加速度。

已知：ka=5pC/g，kq=50mV/pC，Vomax=2V 求：amax=？ 解：

因?yàn)椋?ka?Q/a；kq?V0/Q 則有： V0?kakqa 所以： amax?V0max?8g kakq4.5、用石英晶體加速度計(jì)及電荷放大器測(cè)量機(jī)器振動(dòng)，已知，加速度計(jì)靈敏度為5pC/g；電荷放大器靈敏度為50mV/pC，最大加速度時(shí)輸出幅值2V，試求機(jī)器振動(dòng)加速度。解：K?K1?K2?5?50?250mV/g

K?UU2000?a???4g aK2504.6、什么叫正壓電效應(yīng)？什么叫逆壓電效應(yīng)？常用壓材料有哪幾種？

答：某些電介質(zhì)在沿一定的方向上受到外力的作用而變形時(shí)，內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在其表面上產(chǎn)生電荷，當(dāng)外力去掉后，又重新回到不帶電的狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。這種機(jī)械能轉(zhuǎn)化成電能的現(xiàn)象，稱為正壓電效應(yīng)。反之，在電介質(zhì)的極化方向上施加交變電場(chǎng)或電壓，它會(huì)產(chǎn)生機(jī)械變形，當(dāng)去掉外加電場(chǎng)時(shí)，電介質(zhì)變形隨之消失，這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)。應(yīng)用于壓電式傳感器中的壓電材料通常有三類：一類是壓電晶體，它是單晶體，如石英晶體、酒石酸鉀鈉等；另一類是經(jīng)過(guò)極化處理的壓電陶瓷，它是人工合成的多晶體，如鈦酸鋇等；第三類是有機(jī)壓電材料，是新型的壓電材料，如聚偏二氯乙烯等。4.7、一只x切型的石英晶體壓電元件，其，相對(duì)介電常數(shù)，橫截面積A=5cm2，厚度t=0.5cm。求：

（1）沿石英晶體電軸方向施加力的作用，產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)稱為什么？若沿電軸方向受Fx=9.8N的壓力作用時(shí)兩電級(jí)間輸出電壓值為多大？

（2）若此元件與高輸入阻抗運(yùn)放連接時(shí)連接電纜的電容為Cc=4pF，該壓電元件的輸出電壓值為多大？

解：（1）沿石英晶體電軸方向施加力的作用，產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)稱為縱向壓電效應(yīng)。對(duì)于x切型的石英晶體壓電元件，縱向受力時(shí)，產(chǎn)生的電荷量為

壓電元件的電容量為

兩電極間的輸出電壓值為

（2）此元件與高輸入阻抗運(yùn)放連接時(shí)，連接電纜的電容與壓電元件本身的電容相并聯(lián)，輸出電壓將改變?yōu)?/p>

5.1、光電效應(yīng)有哪幾種?與之對(duì)應(yīng)的光電元件各有哪些? 答：光電效應(yīng)有外光電效應(yīng)、內(nèi)光電效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)三種。基于外光電效應(yīng)的光電元件有光電管、光電倍增管等；基于內(nèi)光電效應(yīng)的光電元件有光敏電阻、光敏晶體管等；基于光生伏特效應(yīng)的光電元件有光電池等。

5.2、常用的半導(dǎo)體光電元件有哪些?它們的電路符號(hào)如何? 答：常用的半導(dǎo)體光電元件有光敏二極管、光敏三極管和光電池三種。它們的電路符號(hào)如下圖所示：

光敏二極管 光敏三極管 光電池

5.3、什么是光電元件的光譜特性? 答：光電元件的光譜特性是指入射光照度一定時(shí)，光電元件的相對(duì)靈敏度隨光波波長(zhǎng)的變化而變化，一種光電元件只對(duì)一定波長(zhǎng)范圍的人射光敏感，這就是光電元件的光譜特性。5.4、光電傳感器由哪些部分組成?被測(cè)量可以影響光電傳感器的哪些部分? 答：光電傳感器通常由光源、光學(xué)通路和光電元件三部分組成，如圖所示。圖中Ф1是光源發(fā)出的光信號(hào)，Ф2是光電器件接受的光信號(hào)，被測(cè)量可以是x1或者x2，它們能夠分別造成光源本身或光學(xué)通路的變化，從而影響傳感器輸出的電信號(hào)I。光電傳感器設(shè)計(jì)靈活，形式多樣，在越來(lái)越多的領(lǐng)域內(nèi)得到廣泛的應(yīng)用。

光源Φ1光學(xué)通路Φ2光電元件Ix1x2x3

5.5、模擬式光電傳感器有哪幾種常見形式? 答：模擬式光電傳感器主要有四種。一是光源本身是被測(cè)物，它發(fā)出的光投射到光電元件上，光電元件的輸出反映了光源的某些物理參數(shù)，如圖a所示。這種型式的光電傳感器可用于光電比色高溫計(jì)和照度計(jì)；二是恒定光源發(fā)射的光通量穿過(guò)被測(cè)物，其中一部分被吸收，剩余的部分投射到光電元件上，吸收量取決于被測(cè)物的某些參數(shù)。如圖b所示。可用于測(cè)量透明度、混濁度；三是恒定光源發(fā)射的光通量投射到被測(cè)物上，由被測(cè)物表面反射后再投射到光電元件上，如圖c所示。反射光的強(qiáng)弱取決于被測(cè)物表面的性質(zhì)和狀態(tài)，因此可用于測(cè)量工件表面粗糙度、紙張的白度等；四是從恒定光源發(fā)射出的光通量在到達(dá)光電元件的途中受到被測(cè)物的遮擋，使投射到光電元件上的光通量減弱，光電元件的輸出反映了被測(cè)物的尺寸或位置。如圖d所示。這種傳感器可用于工件尺寸測(cè)量、振動(dòng)測(cè)量等場(chǎng)合。

31122a)a)被測(cè)量是光源b)b)被測(cè)量吸收光通量 c)被測(cè)量是有反射能力的表面2c)d)被測(cè)量遮蔽光通量d)133121-被測(cè)物 2-光電元件 3-恒光源

6.2超聲波有哪些傳播特性? 答：超聲波是一種在彈性介質(zhì)中的機(jī)械振蕩，它是由與介質(zhì)相接觸的振蕩源所引起的。振蕩源在介質(zhì)中可產(chǎn)生兩種形式的振蕩，即橫向振蕩和縱向振蕩。橫向振蕩只能在固體中產(chǎn)生，而縱向振蕩可在固體、液體和氣體中產(chǎn)生。

超聲波的一種傳播特性是在通過(guò)兩種不同的介質(zhì)時(shí)，產(chǎn)生折射和反射現(xiàn)象，超聲波的另一種傳播特性是在通過(guò)同種介質(zhì)時(shí)，隨著傳播距離的增加，其強(qiáng)度因介質(zhì)吸收能量而減弱。

9.2（1）如圖所示為光纖傳感器中光線傳播原理，請(qǐng)推導(dǎo)入射角的臨界入射角與空氣折射率n0、纖芯折射率n1及包層折射率n2的關(guān)系式。

（2）解釋光纖數(shù)值孔徑的物理意義。

解：（1）

在纖芯和包層界面A處，當(dāng)入射角逐漸增大到臨界角時(shí)，折射角等于90度，此時(shí)

光線由折射率為0n的空氣，從界面O處射入纖芯時(shí)實(shí)現(xiàn)全反射的臨界角為

9.3試計(jì)算n1=1.48和n2=1.46的階躍折射率光纖的數(shù)值孔徑。如果外部是空氣n0=1，試問(wèn)：對(duì)于這種光纖來(lái)說(shuō)，最大入射角是多少？

解：根據(jù)光纖數(shù)值孔徑NA定義