傳感器復習題

1、傳 感 器 與 檢 測 技 術 試 題班級_ 姓名_ 學號_ 成績_一、填空：（20分）1.測量系統(tǒng)的靜態(tài)特性指標主要有線性_性、各種抗干擾穩(wěn)定性等。（2分）2 意義是表_大小。（2分）3.光電傳感器的理論基礎是光電效應。通常把光線照射到物體表面后產生的光電效應分為三類。第一類是利用在光線作用下光電子逸出物體表面的外光電效應,這類元件有光電管、光電倍增管；第二類是利用在光線作用下使材料內部電阻率改變的內光電 效應，這類元件有光敏電阻； 第三類是利用在光線作用下使物體內部產生一定方向電動勢的 光生伏特效應，這類元件有光電池、光電儀表。4.熱電偶所產生的熱電動勢是兩種導體的接觸電動勢和單一導體的溫

2、差電動勢組成的,其表kNAT達式為Eab（T，To）=（T T）ln上T0（ABMT。在熱電偶溫度補償中補償導線eNB法（即冷端延長線法）是在連接導線和熱電偶之間，接入延長 _它的作用是將熱電偶的參考端移至離熱源較遠并且環(huán)境溫度較穩(wěn)定的地方，以減小冷端溫度變化的影響。5.壓磁式傳感器的工作原理是：某些鐵磁物質在外界機械力作用下，其內部產生機械壓力，從而引起極化現(xiàn)象， 這種現(xiàn)象稱為正壓電效應。相反，某些鐵磁物質在外界磁場的作用下會產生機械變形，這種現(xiàn)象稱為負壓電效應。（2分）6.變氣隙式自感傳感器，當街鐵移動靠近鐵心時，鐵心上的線圈電感量（增加減小不變）（2分）7.儀表的精度等級是用儀表的（相對

3、誤差 絕對誤差 引用誤差）來表示的。（2分）8.電容傳感器的輸入被測量與輸出被測量間的關系，除（ 變面積型 變極距型 變介電常數型）外是線性的。（2分）9.電位器傳器的 （線性） ， 假定電位器全長為Xmax,其總電阻為Rmax它的滑臂間的阻值 可以用Rc =（Xmax/xRmax,x/XmaxRmaxXmax/XRnaxX/XmaXRmax）來計算， 其中電阻靈敏度R=（2p（b+h）/A,2pAt/b+h,2A（b+b）/pt,2Atp（b+h）（4分）二、用鎳鉻-鎳硅熱電偶測量某低溫箱溫度，把熱電偶直接與電位差計相連接。在某時刻，從電位差計測得熱電動勢為-1.19mV，此時電位差計所處的

4、環(huán)境溫度為15C，試求該時刻溫箱的溫度是多少攝氏度？ （20分）鎳鉻-鎳硅熱電偶分度表測量端溫度C熱八、電動勢(mV)0123456789-20-0.77-0.81-0.84-0.88-0.92-0.96-0.99-1.03-1.07-1.10-10-0.39-0.43-0.47-0.51-0.55-0.59-0.62-0.66-0.70-0.74-0-0.00-0.04-0.08-0.12-0.16-0.20-0.23-0.27-0.31-0.35+00.000.040.080.120.160.200.240.280.320.36+100.400.440.480.520.560.600.64

5、0.680.720.76+200.800.840.880.920.961.001.041.081.121.16三、什么是系統(tǒng)誤差？產生系統(tǒng)誤差的原因是什么？如何發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)誤差？減少系統(tǒng)誤差有哪幾種方法？ （20分）答：當我們對同一物理量進行多次重復測量時，如果誤差按照一定的規(guī)律性出現(xiàn)，則把這種誤差稱為系統(tǒng)誤差。系統(tǒng)誤差出現(xiàn)的原因有：1工具誤差：指由于測量儀表或儀表組成組件本身不完善所引起的誤差。2方法誤差：指由于對測量方法研究不夠而引起的誤差。3定義誤差：是由于對被測量的定義不夠明確而形成的誤差。4理論誤差：是由于測量理論本身不夠完善而只能進行近似的測量所引起的誤差。5環(huán)境誤差：是由于測量儀表工

6、作的環(huán)境（溫度、氣壓、濕度等）不是儀表校驗時的標 準狀態(tài)，而是隨時間在變化，從而引起的誤差。6安裝誤差：是由于測量儀表的安裝或放置不正確所引起的誤差。7個人誤差：是指由于測量者本人不良習慣或操作不熟練所引起的誤差。發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)誤差的方法有：1實驗對比法：這種方法是通過改變產生系統(tǒng)誤差的條件從而進行不同條件的測量， 以發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)誤差。這種方法適用于發(fā)現(xiàn)不變的系統(tǒng)誤差。2剩余誤差觀察法：是根據測量數據的各個剩余誤差大小和符號的變化規(guī)律，直接由 誤差數據或誤差曲線圖形來判斷有無系統(tǒng)誤差。這種方法適用于發(fā)現(xiàn)有規(guī)律變化的 系統(tǒng)誤差。3計算數據比較法：對同一量測量得到多組數據，通過計算比較數據比較，判斷是否 滿

7、足偶然誤差條件，以發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)誤差。減小系統(tǒng)誤差的方法：1引入更正值法2替換法3差值法4正負誤差相消法5選擇最佳測量方案四、下面是熱電阻測量電路，試說明電路工作原理并計算（5分）1.已知Rt是PtIOO鉑電阻，且其測量溫度為T=50C，試計算出Rt的值和Ra的值（10分）2.電路中已知R、R2、R3和E,試計算電橋的輸出電壓U（5分）(s)其中（R=lOkQ,R2=5kQ,R3=10kQ,E=5V）答：該熱電阻測量溫度電路由熱敏電阻、測量電阻和顯示儀表組成。圖中G為指示儀表，R、F2、R3為固定電阻，F(xiàn)a為零位調節(jié)電阻。熱電阻都通過電阻分別為2、a、R.的三個導線和電橋連接，心和rs分別接在相鄰的

8、兩臂，當溫度變化時，只要它們的R分別接在指示儀表和電源的回路中，其電阻變化也不會影響電橋的平衡狀態(tài)，電橋在 零位調整時，應使F4=Fa+Fto為電阻在參考溫度（如0 C）時的電阻值。三線連接法的缺點之 一是可調電阻的接觸電阻和電橋臂的電阻相連，可能導致電橋的零點不穩(wěn)。Rt Ro（1 At Bt2）100 13.94010350（ 5.802107）502119 .55五、請設計一溫度傳感器，寫出它的等效電路和測量電路，分析其工作原理，計算公式，并 說明如何提高傳感器的靈敏度和抗干擾性能？ （20分）自己動手實踐。傳感器與檢測技術試卷班級：_ 學號：_ 姓名：_ 成績：一、選擇與填空題：（30分

9、）1.變面積式自感傳感器，當銜鐵移動使磁路中空氣縫隙的面積增大時，鐵心上線圈的電感量（增大，減小，不變）。2.在平行極板電容傳感器的輸入被測量與輸出電容值之間的關系中，（變面積型，2變極距型，變介電常數型）是線性的關系。3.在變壓器式傳感器中，一次側和二次側互感M的大小與一次側線圈的匝數成（正比，反比，不成比例），與二次側線圈的匝數成（ 正比，反比，不成比例），與 回路中磁阻成（正比，反比，不成比例）。4.傳感器是能感受規(guī)定的被測量并按照一定規(guī)律轉換成可用輸出信號的器件或裝置，傳感器通常由直接響應于被測量的敏感元件和產生可用信號輸出的轉換元件以及相應的信號調節(jié)轉換電路組成。的熱電動勢是由兩種導

10、體的接觸電動勢和單一導體的溫差電動勢組成。6.偏差式測量是指在測量過程中，用儀表指針的位移（即偏差）決定被測量的方法;零位測量是指在測量過程中，用指零儀表的零位指示，檢測測量系統(tǒng)的平衡狀態(tài)；在測量系統(tǒng)達到平衡時，用已知的基準量決定被測未知量的方法;微差式測量是綜合了偏差式測量法與零位式測量法的優(yōu)點而提出的方法二、簡答題：（50分）2.簡述熱電偶的工作原理。（6分）答：熱電偶的測溫原理基于物理的“熱電效應”。所謂熱電效應，就是當不同材料的導體組成一個閉合回路時，若兩個結點的溫度不同，那么在回路中將會產生電動勢的 現(xiàn)象。兩點間的溫差越大，產生的電動勢就越大。引入適當的測量電路測量電動勢的 大小，就

11、可測得溫度的大小。3.以石英晶體為例簡述壓電效應產生的原理。（6分）答：石英晶體在沿一定的方向受到外力的作用變形時，由于內部電極化現(xiàn)象同時在兩 個表面上產生符號相反的電荷，當外力去掉后，恢復到不帶電的狀態(tài)；而當作用力方 向改變時，電荷的極性隨著改變。晶體受力所產生的電荷量與外力的大小成正比。這 種現(xiàn)象稱為正壓電效應。反之，如對石英晶體施加一定變電場，晶體本身將產生機械 變形，外電場撤離，變形也隨之消失，稱為逆壓電效應。石英晶體整個晶體是中性的，受外力作用而變形時，沒有體積變形壓電效應，但它具 有良好的厚度變形和長度變形壓電效應。5.什么是傳感器動態(tài)特性和靜態(tài)特性，簡述在什么頻域條件下只研究靜態(tài)

12、特性就能夠滿足通常的需要，而在什么頻域條件下一般要研究傳感器的動態(tài)特性。（10分）答：傳感器的動態(tài)特性是指當輸入量隨時間變化時傳感器的輸入一輸出特性。靜態(tài)特 性是指當輸入量為常量或變化極慢時傳感器輸入一輸出特性。在時域條件下只研究靜態(tài)特性就能夠滿足通常的需要，而在頻域條件下一般要研究傳感器的動態(tài)特性。6.繪圖并說明在使用傳感器進行測量時，相對真值、測量值、測量誤差、傳感器輸入、輸出特性的概念以及它們之間的關系。（10分）答：框圖如下：測量值是通過直接或間接通過儀表測量出來的數值。測量誤差是指測量結果的測量值與被測量的真實值之間的差值。當測量誤差很小時，可以忽略，此時測量值可稱為相對真值。三、分

13、析、計算題：（20分）1.分析（線性）電位器式傳感器由于測量線的線路中的負載電阻RL帶來的負載誤差，并計算它與位移x之間的關系。（10分）傳感器與檢測技術試卷班級：學號：姓名：_成績:、測得某檢測裝置的一組輸入輸出數據如下:X0.92.53.34.55.76.7Y1.11.62.63.24.05.0試用最小二乘法擬合直線，求其線性度和靈敏度。（10分）解：y kx biyi(kxib)三、什么叫做熱電動勢、接觸電動勢和溫差電動勢？說明熱電偶測溫原理及其工作定律的應用。分析熱電偶測溫的誤差因素，并說明減小誤差的方法。（10分）答：熱電動勢：兩種不同材料的導體（或半導體）A、B串接成一個閉合回路，

14、并使兩個結點處于不同的溫度下， 那么回路中就會存在熱電動勢。 因而有電流產生相應的熱電動勢稱 為溫差電動勢或塞貝克電動勢，通稱熱電動勢。2接觸電動勢：接觸電動勢是由兩種不同導體的自由電子，其密度不同而在接觸處形成的熱電動勢。 它的大小取決于兩導體的性質及接觸點的溫度， 而與導體的形狀和尺寸無關。3溫差電動勢：是在同一根導體中，由于兩端溫度不同而產生的一種電動勢。4熱電偶測溫原理：熱電偶的測溫原理基于物理的“熱電效應”。所謂熱電效應，就是當不同材料的導體組成一個閉合回路時， 若兩個結點的溫度不同， 那么在回路中將會產生 電動勢的現(xiàn)象。 兩點間的溫差越大， 產生的電動勢就越大。 引入適當的測量電路

15、測量電動勢 的大小，就可測得溫度的大小。2n xiXjx)(N)2代入數據求得k0.68 b0.25所以y 0.68x0.250.23840.350.160.1140.1260.194Lmax100%0.357%yFS擬合直線靈敏度k 0.68,線性度7%5熱電偶三定律a中間導體定律 熱電偶測溫時，若在回路中插入中間導體，只要中間導體兩端的溫度相同，則對熱電 偶回路總的熱電動勢不產生影響。 在用熱電偶測溫時， 連接導線及顯示一起等均可看成中間 導體。b中間溫度定律任何兩種均勻材料組成的熱電偶，熱端為T,冷端為T0時的熱電動勢等于該熱電偶熱端為T冷端為Tn時的熱電動勢與同一熱電偶熱端為Tn，冷端

16、為To時熱電勢的代數和。應用：對熱電偶冷端不為00C時，可用中間溫度定律加以修正。熱電偶的長度不夠時，可根據中間溫度定律選用適當的補償線路。c參考電極定律如果A、B兩種導體（熱電極）分別與第三種導體C（參考電極）組成的熱電偶在結點溫度為（T，To）時分別為EACT,To，EBCT,T。，那么愛相同溫度下，又A B兩熱電 極配對后的熱電動勢為EABT,ToEAcT,ToEBcT,To實用價值：可大大簡化熱電偶的選配工作。在實際工作中，只要獲得有關熱電極與標 準鉑電極配對的熱電動勢，那么由這兩種熱電極配對組成熱電偶的熱電動勢便可由上式求 得，而不需逐個進行測定。6誤差因素：參考端溫度受周圍環(huán)境的影

17、響。措施：a 0C恒溫法b計算修正法（冷端溫度修正法）c儀表機械零點調整法d熱電偶補償法e電橋補償法f冷端延長線法四、霍爾元件能夠測量哪些物理參數？霍爾元件的不等位電動勢的概念是什么？溫度補償的方法有哪幾種？請詳細推導分流法。 （10分） 答：霍爾組件可測量磁場、電流、位移、壓力、振動、轉速等?；魻柦M件的不等位電動勢是霍爾組件在額定控制電流作用下，在無外加磁場時，兩輸出電極之間的空載電動勢，可用輸出的電壓表示。溫度補償方法：a分流電阻法：適用于恒流源供給控制電流的情況。b電橋補償法。推導分流法略。五、論述CCD勺工作原理，如何用設計一臺攝像機。(6分)答：CCD是一種半導體器件，在N型或P型硅

18、襯底上生長一層很薄的SiO2，再在SQ2薄層 上依次序沉積金屬電極，這種規(guī)則排列的MOS電容數組再加上兩端的輸入及輸出二極管就構 成了CCD芯片。CCD可以把光信號轉換成電脈沖信號。每一個脈沖只反映一個光敏元的受光 情況，脈沖幅度的高低反映該光敏元受光的強弱，輸出脈沖的順序可以反映光敏元的位置， 這就起到圖像傳感器的作用。六、人們說，SMARTS感器代表著今后傳感器發(fā)展的總趨勢，為什么？(6分)答：從SMARTS感器的功能和優(yōu)點兩方面來看1功能a)自補償功能：如非線性、溫度誤差響應時間等的補償b)自診斷功能：如在接通電源時自檢c)微處理器和基本傳感器之間具有雙向通信功能，構成一死循環(huán)工作系統(tǒng)d

19、)信息存儲和記憶功能e)數字量輸出和顯示2優(yōu)點：a)精度高， 可通過軟件來修正非線性， 補償溫度等系統(tǒng)誤差， 還可補償隨機誤差， 從而使精度大為提高b)有一定的可編程自動化能力。包括指令和數據存儲、自動調零、自檢等c)功能廣。智能傳感器可以有多種形式輸出，通過串口、并口、面板數字控制數或CRT顯示，并配打印機保存資料d)功能價格比大。 在相同精度條件下， 多功能智能傳感器比一功能普通的傳感器 性能價格比大可見，SMARTS感器代表著今后傳感器發(fā)展的總趨勢。八、什么是傳感器的可靠性？可靠性設計程序和原則是什么？什么是傳感器的失效？失效有 哪幾種？失效分析方法有哪幾種？（10分） 答：傳感器的可靠

20、性是指傳感器在規(guī)定條件、 規(guī)定時間， 完成規(guī)定功能的能力?？煽啃栽O計 程序：1建立系統(tǒng)可靠性模型2可靠性分配3可靠性分析4可靠性預測5可靠性設計評審6試制品的可靠性試驗7最終的改進設計可靠性設計原則：1盡量簡單、組件少、結構簡單2工藝簡單3使用簡單4維修簡單5技術上成熟6選用合乎標準的原材料和組件7采用保守的設計方案 產品喪失完成規(guī)定功能能力所有狀態(tài)及事件的總和叫失效。 失效的分類：1按失效發(fā)生場合分：試驗失效、現(xiàn)場失效2按失效的程度分：完全失效、局部失效3按失效前功能或參數變化的性質分：突然失效、退化失效4按失效排除的性質分：穩(wěn)定性失效、間歇失效5按失效的外部表現(xiàn)分：明顯失效、隱蔽失效6按失

21、效發(fā)生的原因分：設計上的失效、工藝上的失效、使用上的失效7按失效的起源分：自然失效、人為失效8按與其他失效的關系分：獨立失效、從屬失效9按失效浴盆曲線上不同階段分：早期失效、偶然失效、耗損失效等 失效分析的方法：1失效模式、效應及危害度分析2工藝過程FMME及質量反饋分析3失效樹分析方法九、利用所學知識，設計一套濕度傳感器（包括敏感元件的選擇、測量電路的設計、采用溫 度補償及抗干擾措施） 。（15分）十、設計一套智能測溫傳感器。要求：測溫范圍1040C,A/D轉換為10位數字（包括硬件和軟件）。（15分）答案略。傳感器與檢測技術試卷班級：學號：姓名：_成績：一、填空題：（40分）1.傳感器是

22、能感受規(guī)定的被測量并按照一定規(guī)律轉換成可用輸出信號的器件或裝置傳感器通常由直接響應于被測量的敏感元件和產生可用信號輸出的轉換元件_以及相應的信號調節(jié)轉換電路組成。感器按制造材料可分為_金屬材料和_半導體_ 體材料。它們在受到外力作用時電阻發(fā)生變化，其中的電阻變化主要是由_電阻 應變效應_ _形成的，而的電阻變化主要是由造成的。_ 材料傳感器的靈敏度較大。3.在變壓器式傳感器中，一次側和二次側互感M的大小與 繞組匝數成正比，與穿過線圈的磁通_成正比，與磁回路中磁阻成反比，而單個空氣隙磁阻的大小可用公式_表示。4.測量過程中存在著測量誤差，按性質可被分為_絕對誤差_一、 相對誤差_和 引用誤差_三

23、類，其中 絕對誤差 可以通過對多次測量結 果求 平均.的方法來減小它對測量結果的影響。5.光電傳感器的工作原理是基于物質的光電效應，目前所利用的光電效應大致有三大類：第一類是利用在光線作用下 材料中電子溢出表面的_ 現(xiàn)象，即 外光電_ 效應，_ 光電管以及光電倍增管傳感器屬于這一類；第二類是利用在光線作用下 材料電阻率發(fā)生改變的_ 現(xiàn)象，即 內光電 效應。 光敏電阻傳感器屬于這一類。第三類是利用在光線作用下光勢壘現(xiàn)象，即_光生伏特_ 效應，光敏二極管及光敏三極管_ 傳感器屬于這一類。7.偏差式測量是指測量過程中，用儀表指針的位移（即偏差）決定被測量的測量方法；零位測量是指測量過程中， 用指零儀

24、表的零位指示， 檢測測量系統(tǒng)的平衡狀態(tài)；在測量 系統(tǒng)達到平衡時用已知的基準量決定被測未知量的測量方法；微差式測量是指將被測的未知量與已知的標準量進行比較，并取得差值，然后用偏差法測得此差值的_ 方法。二、問答題：（25分）2.簡述霍爾電動勢產生的原理。（5分）答：一塊半導體薄片置于磁感應強度為B的磁場（磁場方向垂直于薄片）中，當有電流I流過時，電子受到洛倫茲力作用而發(fā)生偏轉。結果在半導體的后端面上電子有所積累。而 前端面缺少電子，因此后端面帶負電，前端面帶正電，在前后端面形成電場，該電場產生的 力阻止電子繼續(xù)偏轉當兩力相平衡時，電子積累也平衡，這時在垂直于電流和磁場的方向上將產生電場，相應的電

25、勢稱為霍爾電動勢UH3.分析應變片式傳感器在使用單臂電橋測量電路時由于溫度變化而產生測量誤差的過程。（10分）答：在外界溫度變化的條件下，由于敏感柵溫度系數t及柵絲與試件膨脹系數（g與s）之差異性而產生虛假應變，輸出有時會產生與真實應變同數量級的誤差。三、分析、計算題：（35分）1.分析如圖1所示自感傳感器當動鐵心左右移動（x1,x2發(fā)生變化時自感L變化情況。已知空氣隙的長度為x1和x2,空氣隙的面積為S,磁導率為卩線圈匝數W不變）。（10分）空氣隙的長度x1和x2各自變，而其和不變，另外其他變量都不變，故L不變。2.設5次測量某物體的長度，其測量的結果分別為：9.8 10.0 10.1 9.

26、9 10.2cm若忽略粗大誤差和系統(tǒng)誤差，試求在99.73%的置信概率下，對被測物體的最小估計區(qū)間。（5分）1n（9.8 10.0 10.19.9 10.2）xxi10ni 15x1x分別為-0.2 0 0.1 -0.1 0.2&IWw解：，L -RmIwIW2Rmnl11n又Rm亠-1x11x2lii 1 iS0S00S0i 1 iSlo0&j七Vi20.16.n 1i 1x 3 ,x 3 9.5210.483.在對量程為10MPa的壓力傳感器進行標定時，傳感器輸出電壓值與壓力值之間的 關系如下表所示，簡述最小二乘法準則的幾何意義，并討論下列電壓-壓力直線中哪一條最符合最小二

27、乘法準則？（10分）測量次數112345壓力Xj/MPa245810電壓yi/V10.04320.09330.15340.12850.072（1）y=5.00 x1.05（2）y=7.00 x+0.09（3）y=50.00 x10.50（4）y=-5.00 x1.05（5）y=5.00 x+0.07答：最小二乘法準則的幾何意義在于擬和直線精密度高即誤差小。將幾組x分別帶入以上五式，與y值相差最小的就是所求，很明顯（5）為所求。傳感器與檢測技術試卷班級：學號：姓名：_成績：一、填空：（50分）2.光電傳感器的工作原理是基于物質的光電效應，目前所利用的光電效應大致有三大類：第一類是利用在光線作用下

28、光電子逸出物體表面的外光電效應，這類器件有光電管、 光電倍增管等；第二類是利用在光線作用下使材料內部電阻率改變的內光電效應，這類器件有光敏電阻等；第三類是利用在光線作用下使物體內部產生一定方向電動勢的光生伏特效應，這類器件有光電池、光電儀表。（6分）3.電位器或電阻傳感器按特性不同， 可分為線性電位器和非線性電位器。線性電位器的理想空載特性曲線具有嚴格的線性關系。假定電位器全長為Xmax其總電阻為Rmax它的滑臂5.磁電式傳感器是利用導 _產生感應電勢的。 而霍爾式傳感器為霍爾元件在磁場中有電磁效應（霍爾效應）而輸出電勢的?；魻柺絺鞲衅?可用來測量電流，磁場，位移，壓力_ （6分）6.測量過程

29、中存在著測量誤差。絕對誤差是指測量值與被測量真實值之間的差值其表達式為X L:相對誤差是指絕對誤差與被測量真實值的比值其表達式為用誤差是指絕對誤差與測量儀表的上量限（滿度）值A的百分比其表達式為r 100%。間的阻值可以用FX=XX maxRmax來計算。假定加在電位器A、B之間的電壓為Umax,則輸出電壓為Ux=XX maxV max。其電阻靈敏度R=2 (b h)At電壓靈敏度2 (b h)At(7分)X1。；引- A（7分）7.光柵傳感器中莫爾條紋的一個重要特性是具有位移放大作用。如果兩個光柵距相等，即W=0.02mm,其夾角0=0.1，則莫爾條紋的寬度B=11.43 mm莫爾條紋的放大

30、倍數K= 573.2。（6分）8.測量系統(tǒng)的靜態(tài)特性指標通常用輸入_來表征。（5分）二、寄生電容與電容傳感器相關聯(lián)影響傳感器的靈敏度，它的變化為虛假信號影響傳感器的精度。試闡述消除和減小寄生電容影響的幾種方法和原理。（25分）答案略。三、在生產過程中測量金屬板的厚度，非金屬板材的鍍層厚度時常用渦流傳感器。試簡要敘述說明利用渦流傳感器測量金屬板厚度的工作原理及實現(xiàn)工藝。（25分）答案略。傳感器與檢測技術試卷班級：學號：姓名：_ 成績：一、選擇與填空題：（12分）2.平行極板電容傳感器的輸入被測量與輸出電容值之間的關系中，（變面積型 變極距型3變介電常數型）是線性的關系。3.在變壓器式傳感器中，一

31、次側和二次側互感M的大小與一次側線圈的匝數成（正比反比不成比例）4.傳感器是能感受規(guī)定的被測量并按照一定規(guī)律轉換成可用輸出信號的器件或裝置，傳感器通常由直接響應于被測量敏感元件和產生可用信號輸出的轉換元件以及相應的信號調 _節(jié)轉換電路組成。5.熱電偶所產生的熱電動勢是由兩種導體的接觸電動勢和 _ 動勢組成。6.偏差式測量是指在測量過程中，用儀表指針的位移（即偏差）決定被測量的方法；零位測量是指_統(tǒng)達到平衡時，用已知的基準量決定被測未知量的方法；微差式測量是指綜合了偏 _測量法與零位式測量法的優(yōu)點而提出的方法。二、簡答題：（44分）1.光纖傳感器的工作原理。（4分）答：光導纖維工作的基礎是光的全

32、內反射，當射入的光線的入射角大于纖維包層間的臨界角時，就會在光纖的接口上產生全內反射，并在光纖內部以后的角度反復逐次反射，直至傳遞到另一端面。光纖傳感器利用光導纖維，按其工作原理來分有功能型（或稱物性型、傳感型）與非功能型（或稱結構型、傳光型）兩大類。功能型光纖傳感器其光纖不僅作為光傳播的的波導，而且具有測量的功能。非功能型光纖傳感器其光纖只是作為傳光的媒介，還需加上其他敏感元件才能組成傳感器。5.什么是傳感器靜態(tài)特性？ （4分）答：傳感器的靜態(tài)特性是指當輸入量為常量或變化極慢時傳感器輸入一輸出特性。6.改善傳感器性能的技術途徑有哪些？（4分）答：進行可靠性設計。其典型的設計程序如下：首先是明

33、確可靠性指標，產品的可靠性指標應與產品的功能、性能一起被確定?？煽啃灾笜藨袭a品的特點，它可以是單一的可靠性特征值，也可以是由多個可靠性特征值構成 的可靠性指標體系，確定產品可靠性指標以后的可靠性設計程序依次：建立系統(tǒng)可靠性 模型；可靠性分配；可靠性分析；可靠性預測；可靠性設計和評審；試制品的可靠性試 驗和最終的改進設計。可靠性設計的原則是：首先要盡量簡單，元件少、結構簡單、工藝簡單、使用簡單、維修簡 單，其次是技術上成熟、選用合乎標準的原材料和元件、采用保守的設計方案。對于看 似先進但不夠成熟的產品或技術應持慎重的態(tài)度。采用局部失效不致對全局造成嚴重后 果和預測可靠性高的方案。三、分析、計

34、算題：（24分）1.分析 （線性） 電位器式傳感器由于測量線路中的負載電阻R帶來的負載誤差,并計算它與位移x之間的關系。（8分）答案略。2.分析下圖所示自感傳感器當動鐵心左右移動（x1,x2發(fā)生變化）時自感L變化情況。已知空氣氣隙的長度為x1，x2,空氣隙的面積為S,磁導率為 戲圈匝數W不變。（8分）*-Aw-9-A -ofLp01四設計題（30分）1.利用所學知識，設計一套濕度傳感器（包括敏感元件的選擇、測量電路的設計、采用溫度補償及抗干擾措施）。（10分）2.設計一套智能測溫傳感器。要求：測溫范圍1040C,A/D轉換為10位數字（包括硬件和軟件）。（20分）答案略。傳感器與檢測技術試題班

35、級：_ 學號：_ 姓名：_ 成績：_一、簡答題（30分，6分/題）2.從傳感器的靜態(tài)特性和動態(tài)特性考慮，詳述如何選用傳感器。答：考慮傳感器的靜態(tài)特性的主要指標，選用線性度大、遲滯小、重復性好、分辨力 強、穩(wěn)定性高、抗干擾穩(wěn)定性高的傳感器?？紤]動態(tài)特性，所選的傳感器應能很好的追隨輸 入量的快速變化，即具有很短的暫態(tài)響應時間或者應具有很寬的頻率響應特性。3.直流電橋和交流電橋有何區(qū)別？直流電橋的平衡條件是什么？應變片式電阻傳感 器、自感式、互感式、渦流式、電容式、熱電阻式傳感器分別可采用哪種電橋作為測量 電路？答：根據電源不同分為直流和交流電橋。直流電橋優(yōu)點：高穩(wěn)定度直流電源容易獲得， 電橋平衡電

36、路簡單，傳感器至測量儀表的連接導線分布參數影響小。但是后續(xù)要采用直流放大器，容易產生零點漂移， 線路也較復雜。交流電橋在這些方面都有改進。直流電 橋平衡條件：R/F2=R/R4,5.光導纖維導光的原理是什么？按其傳輸模式分為哪兩種類型？并分別指出對應類型 光纖傳感器的典型光源。答：光導纖維工作的基礎是光的全內反射，當射入的光線的入射角大于纖維包層間的臨界角時，就會在光纖的接口上產生全內反射，并在光纖內部以后的角度反復逐次反射，直至傳遞到另一端面。按其傳輸模式分為單模和多模、計算題（20分，10分/題）三、分析/證明題（32分，8分/題）1.壓電式傳感器更適用于靜態(tài)測量，此觀點是否正確，分析原因

37、。答：不正確。其工作原理是基于壓電材料的壓電效應，具有使用頻率寬，靈敏度高、信噪比高、結構簡單、工作可靠、測量范圍廣等優(yōu)點，因此在壓力沖擊和震動等動態(tài)參數測試中是 主要的傳感器品種，它可以把加速度、位移、壓力、溫度、濕度等許多非電量轉換為電量。2.熱電偶產生的熱電動勢由哪幾種電動勢組成，試證明熱電偶的標準電極定律。答：熱電動勢：兩種不同材料的導體（或半導體）A、B串接成一個閉合回路，并使兩個結點處于不同的溫度下， 那么回路中就會存在熱電動勢。 因而有電流產生相應的熱電動勢稱 為溫差電動勢或塞貝克電動勢，通稱熱電動勢。接觸電動勢：接觸電動勢是由兩種不同導體的自由電子，其密度不同而在接觸處形成的熱

38、電動勢。它的大小取決于兩導體的性質及接觸點的溫度，而與導體的形狀和尺寸無關。溫差電動勢：是在同一根導體中，由于兩端溫度不同而產生的一種電動勢。3.固態(tài)圖像傳感器的分辨率由什么因素決定？某海關欲采用固態(tài)圖像傳感器為核心的圖像識別系統(tǒng)，但是安裝適用后發(fā)現(xiàn)顯示的圖象清晰度和準確度不能令人滿意，請從固態(tài)圖像傳感器的原理進行分析，從哪幾方面考慮重新選型？四、設計/綜述題（18分）根據你所掌握的智能傳感器的相關知識，設計一套測溫智能傳感器，測溫范圍為-1040C,要求精度達到0.05C,寫出詳細設計步驟：具備的功能；選用的器件和硬件電路，并用原理框圖表示（器件型號不明，說明其須具有的功能）；相應的數據處理

39、過程和軟件功能；你所設計的智能傳感器還有哪些尚可完善的功能。答案略。傳感器與檢測技術試題班級：_ 學號：_ 姓名：_ 成績：_五、簡答題（30分，6分/題）4.光電池的工作原理，指出它應工作在電流源還是電壓源狀態(tài)。答：光電池是基于光生伏特效應制成的，是自發(fā)電式；是有源器件。它有較大面積的P-N結，當光照射在P-N結上時則在結的兩端出現(xiàn)電動勢。它應工作在電壓源狀態(tài)。5.按照傳感型（功能型）和傳輸型光纖傳感器的特點應該選用哪種光纖 為什么？答：功能型（或稱物性型、傳感型）光纖不僅作為光傳播的波導而且具有測量的功能。利用外界物理因素改變光纖中光的強度、相位、偏振態(tài)或波長，從而對外界因素進行測量和數據

40、傳輸。可分為振幅調制型、相位調制型及偏振態(tài)調制型。多模單模皆可非功能型（或稱結構型、傳光型）其光纖只是作為傳光的媒介，還需加上其他敏感元件才能 組成傳感器。多模。六、計算題（20分，10分/題）1設6次測量某物體的長度，其測量的結果分別為：9.8 10.0 10.1 9.9 10.315cm,若忽略粗大誤差和系統(tǒng)誤差，試求在99.73%的置信概率下，對被測物體長度的最小估計區(qū)間。解：X 1nx（9.8 10.0 10.1 9.9 10.2）10ni 15V %X分別為-0.2 0 0.1 -0.1 0.2X 3 ,X 3 9.52,10.48七、分析/證明題（32分，8分/題）2. Pt100

41、和Cu50各代表什么傳感器？分析熱電阻傳感器測量電橋之三線、四線連接法 的主要作用。分別代表鉑電阻熱電式傳感器（100Q）,銅電阻熱電式傳感器（50Q）。熱電阻傳感器測量電 橋之三線、四線連接法的主要作用是消除在熱電阻安裝的地方與儀表相距遠時，環(huán)境溫度變化時其連接導線電阻也變化所造成的測量誤差。3.用鎳鉻一鎳硅熱電偶測量爐溫，其儀表示值為600C,而冷端溫度to為65C，則實際溫度為665C,對不對？為什么？應如何計算？答：對。查表知鎳鉻一鎳硅熱電偶K=1,T=T；+KT=600+1X65=6654.智能傳感器只是將被測信號數字化，意義不大，你同意此觀點否？分析說明你的理 由。答：不同意，從S

42、MARTS感器的功能和優(yōu)點兩方面來看：功能f）自補償功能：如非線性、溫度誤差響應時間等的補償。g）自診斷功能：如在接通電源時自檢。h）微處理器和基本傳感器之間具有雙向通信功能，構成一死循環(huán)工作系統(tǒng)。i）信息存儲和記憶功能。（單模/多模），0.162Vij）數字量輸出和顯示。優(yōu)點：e）精度高，可通過軟件來修正非線性， 補償溫度等系統(tǒng)誤差，還可補償隨機誤差， 從而使精度大為提高。f）有一定的可編程自動化能力。包括指令和數據存儲、自動調零、自檢等。g）功能廣。智能傳感器可以有多種形式輸出，通過串口、并口、面板數字控制數或CRT顯示，并配打印機保存資料。h）功能價格比大。在相同精度條件下，多功能智能傳

43、感器比一功能普通的傳感器 性能價格比大?？梢?，SMARTS感器代表著今后傳感器發(fā)展的總趨勢，意義重大。八、設計題（18分）根據你所掌握傳感器知識，設計一套測濕傳感器（包括敏感元件的選擇、測量電路的 設計、采用的溫度補償及抗干擾措施）。答案略。傳感器與檢測技術試題班級：_學號：_ 姓名：_ 成績：_九、簡答題（30分，6分/題）1.傳感器的定義和組成框圖？畫出自動控制系統(tǒng)原理框圖并指明傳感器在系統(tǒng)中的位 置和作用。答：傳感器是能感受規(guī)定的被測量并按照一定規(guī)律轉換成可用輸出信號的器件或裝置， 通常由敏感元件和轉換元件組成。組成框圖如下：自動控制系統(tǒng)原理框圖如下：傳感器的作用：感受被測量并轉換成可用

44、輸出信號傳送給控制對象。2.試列出你所學過的不同工作原理傳感器哪些可用于非接觸式測量，哪些用于接觸式 測量，測量何種物理量？（各大于3種）答：非接觸式測量：a）熱電式傳感器：測量溫度b）光纖傳感器：測量光信號c）核輻射傳感器：測量核輻射粒子接觸式測量：a）電位器式壓力傳感器：測量壓力b）應變片式電阻傳感器：測量電阻值c）應變式扭矩傳感器：測量扭矩3以自感式傳感器為例說明差分式傳感器可以提高其靈敏度的原理。答：單極式自感傳感器的靈敏度為：2s丄L01丄l lololo差分式傳感器的靈敏度為:由此可見，與單極式比較其靈敏度提高一倍，非線性大大減小。4.光電效應可分為哪三種類型，簡單說明傳感器的原理

45、并分別列出以之為基礎的光電 傳感器。答：光電效應可分為：a）外光電效應：指在光的照射下，材料中的電子逸出表面的現(xiàn)象。光電管及光電倍增管均屬這一類。它們的光電發(fā)射極，即光明極就是用具有這種特性的材料 制造的。b）內光電效應：指在光的照射下，材料的電阻率發(fā)生改變的現(xiàn)象。光敏電阻即屬此類。c）光生伏特效應：利用光勢壘效應，光勢壘效應指在光的照射下，物體內部產生一定方向的電動勢。光電池是基于光生伏特效應制成的，是自發(fā)電式有源器件。5.光導纖維導光的原理是什么？按其傳輸模式分為哪兩種類型？傳感型（功能型）和 傳輸型光纖傳感器按照其特點應該選用哪種光纖？答：光導纖維工作的基礎是光的全內反射，當射入的光線的

46、入射角大于纖維包層間的臨界角時，就會在光纖的接口上產生全內反射，并在光纖內部以后的角度反復逐次反射， 直至傳遞到另一端面。按其傳輸模式可分為單模和多模兩種。傳感型（功能型）光纖傳感器應該選用單模光纖，傳輸型光纖傳感器應選用多模光 纖。十、計算題（20分，10分/題）2L。1lo2l l?1設7次測量某物體的長度，其測量的結果分別為：9.8 10.0 10.1 9.9 10.210.1 15cm，若忽略粗大誤差和系統(tǒng)誤差，試求在99.73%的置信概率下，對被測物體長度的最小估計區(qū)間。解:9.8 10 10.1 9.9 10.3 10.1答：忽略最后一個值，平均值x10.03，6P19.8 10.

47、030.23, p20.03, p30.07, p40.13, p50.27, pe0.07Pi0.182.圖示電荷放大器中Ca=100 pF,Ra=m,Rf=m,R=m,G=10 pF。若考慮引線電容Q影響，當A0=104時，要求輸出信號衰減小于1%求使用90 pF/m的電纜，其最大允許長度為多少？、 分析/證明題（32分，8分/題）1.自動控制系統(tǒng)的系統(tǒng)響應帶寬與傳感器的響應帶寬有何關系？如果選用傳感器的動 態(tài)特性達不到要求怎么辦？答：2.熱電偶產生的熱電動勢由哪幾種電動勢組成，試證明熱電偶的中間導體定律。則最小估計區(qū)間x x 310.03 3 0.189.49 10.57。解得Cc1T1

48、JC1T1CCa9.09 10109.09 101090 1012 m10.1m答：熱電偶產生的熱電動勢是由兩種導體的接觸電動勢和單一導體的溫差電動勢組成 的。接觸電動勢有時又稱為珀爾帖電動勢；而單一導體的溫差電動勢也稱湯姆遜電動勢。3.制作霍爾元件應采用什么材料，為什么？為何霍爾元件都比較薄，而且長寬比一般 為2:1？答：制作霍爾元件應采用半導體材料。如果磁場與薄片法線有夾角，那么U=kHlBcos ,霍爾元件越?。磀越小），kH就越大，所以一般霍爾元件都很薄。又因為實際測量中U=（kHlB/d）xf（|/b）當1/b=2時，f（l/b）=0.93為最大值，這時UH也可取到最大值，所以長寬

49、比l/b一般為2：14.為什么要對應變片式電阻傳感器進行溫度補償，分析說明該類型傳感器溫度誤差補 償方法。答：在外界溫度變化的條件下，由于敏感柵溫度系數t及柵絲與試件膨脹系數（g及s）之差異性而產生虛假應變輸出有時會產生與真實應變同數量級的誤差，所以必須補償溫度誤差的措施。通常溫度誤差補償方法有兩類：a）自補償法：包括單絲自補償法和組合式自補償法b）線路補償法十二、設計/綜述題（18分）根據你所掌握的智能傳感器的相關知識，設計一套測溫智能傳感器，測溫范圍為-2080C,要求精度達到0.1C，寫出詳細設計步驟：具備的功能；選用的器件和硬件電路，并 用原理框圖表示（器件型號不明，說明其須具有的功能

50、）；相應的數據處理過程和軟件功能； 你所設計的智能傳感器還有哪些尚可完善的功能。答案略。傳感器與檢測技術試題答案班級：_ 學號：_ 姓名：_ 成績：_十三、 簡答題（30分，6分/題）1.傳感器（或測試儀表）在第一次使用前和長時間使用后需要進行標定工作，請問標 定的意義？答：傳感器的標定分為靜態(tài)標定和動態(tài)標定兩種。靜態(tài)標定的目的是確定傳感器靜 態(tài)特性指標，如線性度、靈敏度、滯后和重復性等。動態(tài)標定的目的是確定傳感器 的動態(tài)特性參數，如頻率響應、時間常數、固有頻率和阻尼比等。4.如何減少測量系統(tǒng)誤差，隨機誤差對傳感器性能的影響？答：（1）引入更正值法；（2）替換法；（3）差值法；（4）正負誤差相

51、消法；（5）選擇最佳測量方案。5.什么是金屬應變片的靈敏系數？請解釋它與金屬絲靈敏系數的區(qū)別。答：應變片一般做成絲柵狀，測量應變時，將應變片貼在試件表面上，試件的變形很容易傳到應變片上。 金屬應變片的靈敏系數與金屬絲靈敏系數是不同的。第一，零件的變形是通過剪力傳到金屬絲上的。第二，絲沿長度方向承受應變時，應變片 彎角部分也承受應變，其截面積變大，則應變片直線部分電阻增加時，彎角部分的 電阻值減少，也使變化的靈敏度下降。因此，應變片的靈敏系數比金屬絲靈敏系數 低。十四、 計算題（20分，10分/題）卜五、分析/證明題（32分，8分/題）1.系統(tǒng)的系統(tǒng)響應帶寬與傳感器的響應帶寬無關，請問這種說法正

52、確嗎？試述理由。 答：不正確。傳感器的響應帶寬會限制系統(tǒng)的系統(tǒng)響應帶寬。2. PtIOO和Cu50各代表什么傳感器？分析熱電阻傳感器測量電橋之三線、四線連接法 的主要作用。答：鉑電阻和銅電阻熱電動勢傳感器。三線連接法的作用是使電橋不會產生溫度誤差；四線連接法使調零電位器的接觸電阻和指示儀表串聯(lián)，接觸電阻的不穩(wěn)定不會破壞電橋的的平衡和正常的工作狀態(tài)。3.溫度對光電流影響不大，所以光電傳感器在使用中不需要進行溫度補償，此觀點正 確否，為什么？答：不正確。因為半導體材料容易受溫度影響，而其直接影響光電流的值，所以還 需要溫度補償裝置。4.智能傳感器只是將被測信號數字化，意義不大，你同意此觀點否？分析

53、說明你的理 由。答：不同意。智能傳感器具有一定的人工智能，可使用電路代替一部分腦力勞動。 和微機的結合使智能傳感器不僅有視嗅味和聽覺功能，還具有存儲，思維和邏輯判 斷，數據處理，自適應能力等功能，從而使傳感器技術提高到一個新水平。根據你所掌握傳感器知識，設計一套濕度測量傳感器（包括敏感元件的選擇、測量電路的設計、采用的溫度補償及抗干擾措施）1）壓電式傳感器的前置放大器的作用是什么？電壓式與電荷式前置放大器各有何特點？ 答：作用是將輸出電壓放大，并與輸入電壓或輸入電流成正比。電壓放大器將壓電式傳感器的高輸出阻抗經放大器變換為低阻抗輸出，并將微弱的電壓信號進行適當放大，但其所接配的壓電式傳感器的電

54、壓靈敏度將隨電纜分布電容及傳感器自身電容的變化而變化，而且電纜的的更換得引起重新標定的麻 煩。電荷放大器是一種具有深度電容負反饋的高增益運算放大器，其雖然允許使用很長的電纜，并且電容Ce變化不影響靈敏度，但它比電壓放大器價格高，電路較 復雜，調整也比較困難。2）用石英晶體加速度計測量機器的振動，已知加速度計的靈敏度為5 pC/g（g為重力加速度），電荷放大器的靈敏度為50 mV/pC,當機器振動達到最大加速度時，相應的輸出幅12值為2V,求機器的振動加速度。（1pC=10-C）2V卜六、設計題（18分）班級答案略學號傳感器與檢測技術試題答案姓名成績答:50mV/PC40PCRfAA/WcF三、

55、光纖傳感器的主要優(yōu)點是什么？求n1=1.46,n2=1.45的階躍型光纖的數值孔徑值；如果外部介質為空氣no=l，求光纖的最大入射角。答：優(yōu)點：抗電磁干擾能力強；靈敏度高；幾何形狀具有多方面的適應性，可以制成任意 形狀的光纖傳感器， 可以制造傳感各種不同物理信息的器件；光纖傳感器可用于高壓， 電氣噪聲，高溫，腐蝕或其他惡劣環(huán)境；而且具有與光纖遙測技術的內在相容性。NA (n；n(1.4621.452)% 0.17五、產生系統(tǒng)誤差的原因有哪些？減少系統(tǒng)誤差的方法有哪些？答：系統(tǒng)誤差出現(xiàn)的原因有：1工具誤差：指由于測量儀表或儀表組成組件本身不完善所引起的誤差。2方法誤差：指由于對測量方法研究不夠而

56、引起的誤差。3定義誤差：是由于對被測量的定義不夠明確而形成的誤差。4理論誤差：是由于測量理論本身不夠完善而只能進行近似的測量所引起的誤差。5環(huán)境誤差：是由于測量儀表工作的環(huán)境（溫度、氣壓、濕度等）不是儀表校驗時的 標準狀態(tài)，而是隨時間在變化，從而引起的誤差。6安裝誤差：是由于測量儀表的安裝或放置不正確所引起的誤差。7個人誤差：是指由于測量者本人不良習慣或操作不熟練所引起的誤差。 減小系統(tǒng)誤差的方法：3)40PCa=5PC/g8g288.2m/s圖示電荷放大器中Ca=100 pF,Ra=s,RF=3CF=10 pF。若考慮引線電容CC影響，當4A0=10時，要求輸出信號衰減小于1%求使用90 pF/m的電纜，其最大允許長度為多少？答:CaCaCCCC(1 A)CF1%10解得CC9.09 10F所以L9.09 1010m90 1012 m10.1mNAnosinc,所以sincNA 0.17, c 9.821.引入更正值法；2.替換法