传感器期末试题汇总.doc

传感器与检测技术试题班级_ 姓名 学号 成绩 一、填空：（20分）1. 测量系统的静态特性指标主要有线性度、迟滞、重复性、分辨力、稳定性、温度稳定性、各种抗干扰稳定性等。（2分）2. 霍尔元件灵敏度的物理意义是表示在单位磁感应强度相单位控制电流时的霍尔电势的大小。（2分）3. 光电传感器的理论基础是光电效应。通常把光线照射到物体表面后产生的光电效应分为三类。第一类是利用在光线作用下光电子逸出物体表面的外光电效应,这类元件有光电管、光电倍增管；第二类是利用在光线作用下使材料内部电阻率改变的内光电 效应，这类元件有光敏电阻；第三类是利用在光线作用下使物体内部产生一定方向电动势的光生伏特效应，这类元件有光电池、光电仪表。4.热电偶所产生的热电动势是两种导体的接触电动势和单一导体的温差电动势组成的，其表达式为Eab（T，To）=。在热电偶温度补偿中补偿导线法（即冷端延长线法）是在连接导线和热电偶之间，接入延长线，它的作用是将热电偶的参考端移至离热源较远并且环境温度较稳定的地方，以减小冷端温度变化的影响。5.压磁式传感器的工作原理是：某些铁磁物质在外界机械力作用下，其内部产生机械压力，从而引起极化现象，这种现象称为正压电效应。相反，某些铁磁物质在外界磁场的作用下会产生机械变形，这种现象称为负压电效应。（2分）6. 变气隙式自感传感器，当街铁移动靠近铁心时，铁心上的线圈电感量（增加减小不变）（2分）7. 仪表的精度等级是用仪表的（ 相对误差 绝对误差 引用误差）来表示的。（2分）8. 电容传感器的输入被测量与输出被测量间的关系，除（ 变面积型 变极距型 变介电常数型）外是线性的。（2分）9. 电位器传器的（线性），假定电位器全长为Xmax, 其总电阻为Rmax，它的滑臂间的阻值可以用Rx = （ Xmax/x Rmax,x/Xmax Rmax, Xmax/XRmax X/XmaxRmax）来计算，其中电阻灵敏度Rr=（ 2p(b+h)/At, 2pAt/b+h, 2A(b+b)/pt, 2Atp(b+h)）。（4分）二、用镍铬-镍硅热电偶测量某低温箱温度，把热电偶直接与电位差计相连接。在某时刻，从电位差计测得热电动势为-1.19mV，此时电位差计所处的环境温度为15，试求该时刻温箱的温度是多少摄氏度？（20分）镍铬-镍硅热电偶分度表测量端温度热电动势(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+100.400.440.480.520.560.600.640.680.720.76+200.800.840.880.920.961.001.041.081.121.16三、什么是系统误差？产生系统误差的原因是什么？如何发现系统误差？减少系统误差有哪几种方法？（20分）答：当我们对同一物理量进行多次重复测量时，如果误差按照一定的规律性出现，则把这种误差称为系统误差。系统误差出现的原因有：工具误差：指由于测量仪表或仪表组成组件本身不完善所引起的误差。方法误差：指由于对测量方法研究不够而引起的误差。定义误差：是由于对被测量的定义不够明确而形成的误差。理论误差：是由于测量理论本身不够完善而只能进行近似的测量所引起的误差。环境误差：是由于测量仪表工作的环境（温度、气压、湿度等）不是仪表校验时的标准状态，而是随时间在变化，从而引起的误差。安装误差：是由于测量仪表的安装或放置不正确所引起的误差。个人误差：是指由于测量者本人不良习惯或操作不熟练所引起的误差。发现系统误差的方法有： 实验对比法：这种方法是通过改变产生系统误差的条件从而进行不同条件的测量，以发现系统误差。这种方法适用于发现不变的系统误差。 剩余误差观察法：是根据测量数据的各个剩余误差大小和符号的变化规律，直接由误差数据或误差曲线图形来判断有无系统误差。这种方法适用于发现有规律变化的系统误差。 计算数据比较法：对同一量测量得到多组数据，通过计算比较数据比较，判断是否满足偶然误差条件，以发现系统误差。减小系统误差的方法：引入更正值法替换法 差值法正负误差相消法选择最佳测量方案四、下面是热电阻测量电路，试说明电路工作原理并计算（5分）1. 已知Rt是Pt100铂电阻，且其测量温度为T=50，试计算出Rt的值和Ra的值（10分）2. 电路中已知R1、R2、R3和E，试计算电桥的输出电压UAB。（5分）其中（R1=10k，R2=5k，R3=10k，E=5V）答：该热电阻测量温度电路由热敏电阻、测量电阻和显示仪表组成。图中G为指示仪表，R1、R2、R3为固定电阻，Ra为零位调节电阻。热电阻都通过电阻分别为r2、r3、Rg的三个导线和电桥连接，r2和r3分别接在相邻的两臂，当温度变化时，只要它们的Rg分别接在指示仪表和电源的回路中，其电阻变化也不会影响电桥的平衡状态，电桥在零位调整时，应使R4=Ra+Rt0为电阻在参考温度（如0C）时的电阻值。三线连接法的缺点之一是可调电阻的接触电阻和电桥臂的电阻相连，可能导致电桥的零点不稳。五、请设计一温度传感器，写出它的等效电路和测量电路，分析其工作原理，计算公式，并说明如何提高传感器的灵敏度和抗干扰性能？（20分） 自己动手实践。传感器与检测技术试卷班级： 学号： 姓名： 成绩： 一、选择与填空题：（30分）1. 变面积式自感传感器，当衔铁移动使磁路中空气缝隙的面积增大时，铁心上线圈的电感量（增大，减小，不变）。2. 在平行极板电容传感器的输入被测量与输出电容值之间的关系中，（变面积型，变极距型，变介电常数型）是线性的关系。3. 在变压器式传感器中，一次侧和二次侧互感M的大小与一次侧线圈的匝数成（正比，反比，不成比例），与二次侧线圈的匝数成（正比，反比，不成比例），与回路中磁阻成（正比，反比，不成比例）。4. 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 和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。5. 热电偶所产生的热电动势是由两种导体的接触电动势和单一导体的温差电动势组成。6. 偏差式测量是指在测量过程中，用仪表指针的位移（即偏差）决定被测量的方法；零位测量是指在测量过程中，用指零仪表的零位指示，检测测量系统的平衡状态；在测量系统达到平衡时，用已知的基准量决定被测未知量的方法；微差式测量是综合了偏差式测量法与零位式测量法的优点而提出的方法。二、简答题：（50分）2. 简述热电偶的工作原理。（6分）答：热电偶的测温原理基于物理的“热电效应”。所谓热电效应，就是当不同材料的导体组成一个闭合回路时，若两个结点的温度不同，那么在回路中将会产生电动势的现象。两点间的温差越大，产生的电动势就越大。引入适当的测量电路测量电动势的大小，就可测得温度的大小。3. 以石英晶体为例简述压电效应产生的原理。（6分）答：石英晶体在沿一定的方向受到外力的作用变形时，由于内部电极化现象同时在两个表面上产生符号相反的电荷，当外力去掉后，恢复到不带电的状态；而当作用力方向改变时，电荷的极性随着改变。晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比。这种现象称为正压电效应。反之，如对石英晶体施加一定变电场，晶体本身将产生机械变形，外电场撤离，变形也随之消失，称为逆压电效应。石英晶体整个晶体是中性的，受外力作用而变形时，没有体积变形压电效应，但它具有良好的厚度变形和长度变形压电效应。5. 什么是传感器动态特性和静态特性，简述在什么频域条件下只研究静态特性就能够满足通常的需要，而在什么频域条件下一般要研究传感器的动态特性。（10分）答：传感器的动态特性是指当输入量随时间变化时传感器的输入输出特性。静态特性是指当输入量为常量或变化极慢时传感器输入输出特性。在时域条件下只研究静态特性就能够满足通常的需要，而在频域条件下一般要研究传感器的动态特性。输出相对真值测量误差测量值输入6. 绘图并说明在使用传感器进行测量时，相对真值、测量值、测量误差、传感器输入、输出特性的概念以及它们之间的关系。（10分）答：框图如下： 测量值是通过直接或间接通过仪表测量出来的数值。 测量误差是指测量结果的测量值与被测量的真实值之间的差值。 当测量误差很小时，可以忽略，此时测量值可称为相对真值。三、分析、计算题：（20分）1. 分析（线性）电位器式传感器由于测量线的线路中的负载电阻RL带来的负载误差，并计算它与位移x之间的关系。（10分）传感器与检测技术试卷班级： 学号： 姓名： 成绩： 一、测得某检测装置的一组输入输出数据如下：X0.92.53.34.55.76.7Y1.11.62.63.24.05.0试用最小二乘法拟合直线，求其线性度和灵敏度。（10分）解: 代入数据求得 所以 拟合直线灵敏度,线性度7%。三、什么叫做热电动势、接触电动势和温差电动势？说明热电偶测温原理及其工作定律的应用。分析热电偶测温的误差因素，并说明减小误差的方法。（10分）答：热电动势：两种不同材料的导体（或半导体）A、B串接成一个闭合回路，并使两个结点处于不同的温度下，那么回路中就会存在热电动势。因而有电流产生相应的热电动势称为温差电动势或塞贝克电动势，通称热电动势。 接触电动势：接触电动势是由两种不同导体的自由电子，其密度不同而在接触处形成的热电动势。它的大小取决于两导体的性质及接触点的温度，而与导体的形状和尺寸无关。温差电动势：是在同一根导体中，由于两端温度不同而产生的一种电动势。热电偶测温原理：热电偶的测温原理基于物理的“热电效应”。所谓热电效应，就是当不同材料的导体组成一个闭合回路时，若两个结点的温度不同，那么在回路中将会产生电动势的现象。两点间的温差越大，产生的电动势就越大。引入适当的测量电路测量电动势的大小，就可测得温度的大小。热电偶三定律a中间导体定律热电偶测温时，若在回路中插入中间导体，只要中间导体两端的温度相同，则对热电偶回路总的热电动势不产生影响。在用热电偶测温时，连接导线及显示一起等均可看成中间导体。b中间温度定律任何两种均匀材料组成的热电偶，热端为T，冷端为时的热电动势等于该热电偶热端为T冷端为时的热电动势与同一热电偶热端为，冷端为时热电势的代数和。应用：对热电偶冷端不为时，可用中间温度定律加以修正。热电偶的长度不够时，可根据中间温度定律选用适当的补偿线路。c参考电极定律如果A、B两种导体（热电极）分别与第三种导体C（参考电极）组成的热电偶在结点温度为（T，）时分别为，那么爱相同温度下，又A、B两热电极配对后的热电动势为实用价值：可大大简化热电偶的选配工作。在实际工作中，只要获得有关热电极与标准铂电极配对的热电动势，那么由这两种热电极配对组成热电偶的热电动势便可由上式求得，而不需逐个进行测定。误差因素：参考端温度受周围环境的影响。措施：a 0恒温法b计算修正法（冷端温度修正法）c仪表机械零点调整法d热电偶补偿法e电桥补偿法f冷端延长线法四、霍尔元件能够测量哪些物理参数？霍尔元件的不等位电动势的概念是什么？温度补偿的方法有哪几种？请详细推导分流法。（10分）答：霍尔组件可测量磁场、电流、位移、压力、振动、转速等。 霍尔组件的不等位电动势是霍尔组件在额定控制电流作用下，在无外加磁场时，两输出电极之间的空载电动势，可用输出的电压表示。 温度补偿方法： a 分流电阻法：适用于恒流源供给控制电流的情况。 b 电桥补偿法。 推导分流法略。五、论述CCD的工作原理，如何用设计一台摄像机。（6分）答：CCD是一种半导体器件，在N型或P型硅衬底上生长一层很薄的，再在薄层上依次序沉积金属电极，这种规则排列的MOS电容数组再加上两端的输入及输出二极管就构成了CCD芯片。CCD可以把光信号转换成电脉冲信号。每一个脉冲只反映一个光敏元的受光情况，脉冲幅度的高低反映该光敏元受光的强弱，输出脉冲的顺序可以反映光敏元的位置，这就起到图像传感器的作用。六、人们说，SMART传感器代表着今后传感器发展的总趋势，为什么？（6分）答：从SMART传感器的功能和优点两方面来看功能a) 自补偿功能：如非线性、温度误差响应时间等的补偿b) 自诊断功能：如在接通电源时自检c) 微处理器和基本传感器之间具有双向通信功能，构成一死循环工作系统d) 信息存储和记忆功能e) 数字量输出和显示优点：a) 精度高，可通过软件来修正非线性，补偿温度等系统误差，还可补偿随机误差，从而使精度大为提高b) 有一定的可编程自动化能力。包括指令和数据存储、自动调零、自检等c) 功能广。智能传感器可以有多种形式输出，通过串口、并口、面板数字控制数或CRT显示，并配打印机保存资料d) 功能价格比大。在相同精度条件下，多功能智能传感器比一功能普通的传感器性能价格比大可见，SMART传感器代表着今后传感器发展的总趋势。八、什么是传感器的可靠性？可靠性设计程序和原则是什么？什么是传感器的失效？失效有哪几种？失效分析方法有哪几种？（10分）答：传感器的可靠性是指传感器在规定条件、规定时间，完成规定功能的能力。可靠性设计程序：建立系统可靠性模型可靠性分配可靠性分析可靠性预测可靠性设计评审试制品的可靠性试验最终的改进设计可靠性设计原则：尽量简单、组件少、结构简单工艺简单使用简单维修简单技术上成熟选用合乎标准的原材料和组件采用保守的设计方案产品丧失完成规定功能能力所有状态及事件的总和叫失效。失效的分类：按失效发生场合分：试验失效、现场失效按失效的程度分：完全失效、局部失效按失效前功能或参数变化的性质分：突然失效、退化失效按失效排除的性质分：稳定性失效、间歇失效按失效的外部表现分：明显失效、隐蔽失效按失效发生的原因分：设计上的失效、工艺上的失效、使用上的失效按失效的起源分：自然失效、人为失效按与其他失效的关系分：独立失效、从属失效按失效浴盆曲线上不同阶段分：早期失效、偶然失效、耗损失效等失效分析的方法：失效模式、效应及危害度分析工艺过程FMMEA及质量反馈分析失效树分析方法 九、利用所学知识，设计一套湿度传感器（包括敏感元件的选择、测量电路的设计、采用温度补偿及抗干扰措施）。（15分）十、设计一套智能测温传感器。要求：测温范围1040，A/D转换为10位数字（包括硬件和软件）。（15分）答案略。传感器与检测技术试卷班级： 学号： 姓名： 成绩： 一、填空题：（40分）1. 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和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。2. 电阻应变片式传感器按制造材料可分为 _金属_ 材料和_半导体_体材料。它们在受到外力作用时电阻发生变化，其中的电阻变化主要是由 _电阻应变效应_ 形成的，而的电阻变化主要是由 _ 造成的。 材料传感器的灵敏度较大。3. 在变压器式传感器中，一次侧和二次侧互感M的大小与 绕组匝数 成正比，与 穿过线圈的磁通_成正比，与磁回路中 磁阻_ 成反比，而单个空气隙磁阻的大小可用公式 _ 表示。4. 测量过程中存在着测量误差，按性质可被分为 _绝对误差_ 、 相对误差 _ 和 引用误差 _ 三类，其中 _绝对误差_ 可以通过对多次测量结果求 平均 _ 的方法来减小它对测量结果的影响。5. 光电传感器的工作原理是基于物质的光电效应，目前所利用的光电效应大致有三大类：第一类是利用在光线作用下 _材料中电子溢出表面的_现象，即 外光电 效应， _光电管以及光电倍增管_ 传感器属于这一类；第二类是利用在光线作用下 材料电阻率发生改变的 _ 现象，即 内光电 效应。 光敏电阻 传感器属于这一类。第三类是利用在光线作用下 光势垒 现象，即 _光生伏特_ 效应， 光敏二极管及光敏三极管_ 传感器属于这一类。7. 偏差式测量是指测量过程中，用仪表指针的位移（即偏差）决定被测量的测量方法；零位测量是指测量过程中，用指零仪表的零位指示，检测测量系统的平衡状态；在测量系统达到平衡时用已知的基准量决定被测未知量的测量方法；微差式测量是指将被测的未知量与已知的标准量进行比较，并取得差值，然后用偏差法测得此差值的 方法。二、问答题：（25分）2. 简述霍尔电动势产生的原理。（5分）答：一块半导体薄片置于磁感应强度为B的磁场(磁场方向垂直于薄片)中，当有电流I流过时，电子受到洛伦兹力作用而发生偏转。结果在半导体的后端面上电子有所积累。而前端面缺少电子，因此后端面带负电，前端面带正电，在前后端面形成电场，该电场产生的力阻止电子继续偏转当两力相平衡时，电子积累也平衡，这时在垂直于电流和磁场的方向上将产生电场，相应的电势称为霍尔电动势UH。3. 分析应变片式传感器在使用单臂电桥测量电路时由于温度变化而产生测量误差的过程。（10分）答：在外界温度变化的条件下，由于敏感栅温度系数及栅丝与试件膨胀系数（）之差异性而产生虚假应变，输出有时会产生与真实应变同数量级的误差。三、分析、计算题：（35分）1. 分析如图1所示自感传感器当动铁心左右移动（x1,x2发生变化时自感L变化情况。已知空气隙的长度为x1和x2，空气隙的面积为S，磁导率为，线圈匝数W不变）。（10分）图1解：， 又空气隙的长度x1和x2各自变，而其和不变，另外其他变量都不变，故L不变。2. 设5次测量某物体的长度，其测量的结果分别为：9.8 10.0 10.1 9.9 10.2cm，若忽略粗大误差和系统误差，试求在99.73的置信概率下，对被测物体的最小估计区间。（5分） 分别为-0.2 0 0.1 -0.1 0.23. 在对量程为10MPa的压力传感器进行标定时，传感器输出电压值与压力值之间的关系如下表所示，简述最小二乘法准则的几何意义，并讨论下列电压-压力直线中哪一条最符合最小二乘法准则？（10分）测量次数I12345压力/MPa245810电压/V10.04320.09330.15340.12850.072（1）y=5.00x1.05（2）y=7.00x0.09（3）y=50.00x10.50（4）y=-5.00x1.05（5）y=5.00x0.07答：最小二乘法准则的几何意义在于拟和直线精密度高即误差小。将几组x分别带入以上五式，与y值相差最小的就是所求，很明显（5）为所求。传感器与检测技术试卷班级： 学号： 姓名： 成绩： 一、填空：（50分）2.光电传感器的工作原理是基于物质的光电效应，目前所利用的光电效应大致有三大类：第一类是利用在光线作用下光电子逸出物体表面的外光电效应，这类器件有光电管、光电倍增管等；第二类是利用在光线作用下使材料内部电阻率改变的内光电效应，这类器件有光敏电阻等；第三类是利用在光线作用下使物体内部产生一定方向电动势的光生伏特效应，这类器件有光电池、光电仪表。（6分）3.电位器或电阻传感器按特性不同，可分为线性电位器和非线性电位器。线性电位器的理想空载特性曲线具有严格的线性关系。假定电位器全长为Xmax，其总电阻为Rmax，它的滑臂间的阻值可以用Rx=来计算。假定加在电位器A、B之间的电压为Umax，则输出电压为Ux=。其电阻灵敏度RI=。电压灵敏度RU=。（7分）5.磁电式传感器是利用导体和磁场发生相对运动而在导体两端 产生感应电势的。而霍尔式传感器为霍尔元件在磁场中有电磁效应（霍尔效应）而输出电势的。霍尔式传感器可用来测量电流，磁场，位移，压力。（6分）6.测量过程中存在着测量误差。绝对误差是指测量值与被测量真实值之间的差值其表达式为；相对误差是指绝对误差与被测量真实值的比值其表达式为；引用误差是指绝对误差与测量仪表的上量限（满度）值A的百分比其表达式为。（7分）7.光栅传感器中莫尔条纹的一个重要特性是具有位移放大作用。如果两个光栅距相等，即W=0.02mm，其夹角=0.1，则莫尔条纹的宽度B=11.43莫尔条纹的放大倍数K= 573.2。（6分）8.测量系统的静态特性指标通常用输入量与输出量的对应关系 来表征。（5分）二、寄生电容与电容传感器相关联影响传感器的灵敏度，它的变化为虚假信号影响传感器的精度。试阐述消除和减小寄生电容影响的几种方法和原理。（25分）答案略。三、在生产过程中测量金属板的厚度，非金属板材的镀层厚度时常用涡流传感器。试简要叙述说明利用涡流传感器测量金属板厚度的工作原理及实现工艺。（25分）答案略。传感器与检测技术试卷班级： 学号： 姓名： 成绩： 一、选择与填空题：（12分） 2. 平行极板电容传感器的输入被测量与输出电容值之间的关系中，（变面积型变极距型变介电常数型）是线性的关系。3. 在变压器式传感器中，一次侧和二次侧互感M的大小与一次侧线圈的匝数成（正比反比不成比例）4. 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敏感元件和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。5. 热电偶所产生的热电动势是由两种导体的接触电动势和 单一导体的温差电动势组成。6. 偏差式测量是指在测量过程中，用仪表指针的位移（即偏差）决定被测量的方法；零位测量是指在测量过程中，用指零仪表的零位指示，检测测量系统的平衡状态；在测量系统达到平衡时，用已知的基准量决定被测未知量的方法；微差式测量是指综合了偏差式测量法与零位式测量法的优点而提出的方法。二、简答题：（44分）1. 光纤传感器的工作原理。（4分）答：光导纤维工作的基础是光的全内反射，当射入的光线的入射角大于纤维包层间的临界角时，就会在光纤的接口上产生全内反射，并在光纤内部以后的角度反复逐次反射，直至传递到另一端面。光纤传感器利用光导纤维，按其工作原理来分有功能型（或称物性型、传感型）与非功能型（或称结构型、传光型）两大类。功能型光纤传感器其光纤不仅作为光传播的的波导，而且具有测量的功能。非功能型光纤传感器其光纤只是作为传光的媒介，还需加上其他敏感元件才能组成传感器。5. 什么是传感器静态特性？（4分）答：传感器的静态特性是指当输入量为常量或变化极慢时传感器输入输出特性。6. 改善传感器性能的技术途径有哪些？（4分）答：进行可靠性设计。其典型的设计程序如下：首先是明确可靠性指标，产品的可靠性指标应与产品的功能、性能一起被确定。可靠性指标应符合产品的特点，它可以是单一的可靠性特征值，也可以是由多个可靠性特征值构成的可靠性指标体系，确定产品可靠性指标以后的可靠性设计程序依次：建立系统可靠性模型；可靠性分配；可靠性分析；可靠性预测；可靠性设计和评审；试制品的可靠性试验和最终的改进设计。可靠性设计的原则是：首先要尽量简单，元件少、结构简单、工艺简单、使用简单、维修简单，其次是技术上成熟、选用合乎标准的原材料和元件、采用保守的设计方案。对于看似先进但不够成熟的产品或技术应持慎重的态度。采用局部失效不致对全局造成严重后果和预测可靠性高的方案。三、分析、计算题：（24分）1. 分析（线性）电位器式传感器由于测量线路中的负载电阻RL带来的负载误差，并计算它与位移x之间的关系。（8分）答案略。2. 分析下图所示自感传感器当动铁心左右移动（x1，x2发生变化）时自感L变化情况。已知空气气隙的长度为x1，x2，空气隙的面积为S，磁导率为线圈匝数W不变。（8分）四. 设计题（30分）1. 利用所学知识，设计一套湿度传感器（包括敏感元件的选择、测量电路的设计、采用温度补偿及抗干扰措施）。（10分）2. 设计一套智能测温传感器。要求：测温范围1040，A/D转换为10位数字（包括硬件和软件）。（20分）答案略。 传感器与检测技术 试题班级： 学号： 姓名： 成绩： 一、 简答题（30分，6分/题）2. 从传感器的静态特性和动态特性考虑，详述如何选用传感器。答：考虑传感器的静态特性的主要指标，选用线性度大、迟滞小、重复性好、分辨力强、稳定性高、抗干扰稳定性高的传感器。考虑动态特性，所选的传感器应能很好的追随输入量的快速变化，即具有很短的暂态响应时间或者应具有很宽的频率响应特性。3. 直流电桥和交流电桥有何区别？直流电桥的平衡条件是什么？应变片式电阻传感器、自感式、互感式、涡流式、电容式、热电阻式传感器分别可采用哪种电桥作为测量电路？答：根据电源不同分为直流和交流电桥。直流电桥优点：高稳定度直流电源容易获得，电桥平衡电路简单，传感器至测量仪表的连接导线分布参数影响小。但是后续要采用直流放大器，容易产生零点漂移，线路也较复杂。交流电桥在这些方面都有改进。直流电桥平衡条件：R1/R2=R3/R4 ，R1R4=R2R3。5. 光导纤维导光的原理是什么？按其传输模式分为哪两种类型？并分别指出对应类型光纤传感器的典型光源。答：光导纤维工作的基础是光的全内反射，当射入的光线的入射角大于纤维包层间的临界角时，就会在光纤的接口上产生全内反射，并在光纤内部以后的角度反复逐次反射，直至传递到另一端面。按其传输模式分为单模和多模.二、 计算题（20分，10分/题）三、 分析/证明题（32分，8分/题）1. 压电式传感器更适用于静态测量，此观点是否正确，分析原因。答：不正确。其工作原理是基于压电材料的压电效应，具有使用频率宽，灵敏度高、信噪比高、结构简单、工作可靠、测量范围广等优点，因此在压力冲击和震动等动态参数测试中是主要的传感器品种，它可以把加速度、位移、压力、温度、湿度等许多非电量转换为电量。2. 热电偶产生的热电动势由哪几种电动势组成，试证明热电偶的标准电极定律。答：热电动势：两种不同材料的导体（或半导体）A、B串接成一个闭合回路，并使两个结点处于不同的温度下，那么回路中就会存在热电动势。因而有电流产生相应的热电动势称为温差电动势或塞贝克电动势，通称热电动势。 接触电动势：接触电动势是由两种不同导体的自由电子，其密度不同而在接触处形成的热电动势。它的大小取决于两导体的性质及接触点的温度，而与导体的形状和尺寸无关。温差电动势：是在同一根导体中，由于两端温度不同而产生的一种电动势。3. 固态图像传感器的分辨率由什么因素决定？某海关欲采用固态图像传感器为核心的图像识别系统，但是安装适用后发现显示的图象清晰度和准确度不能令人满意，请从固态图像传感器的原理进行分析，从哪几方面考虑重新选型？四、 设计/综述题（18分）根据你所掌握的智能传感器的相关知识，设计一套测温智能传感器，测温范围为1040，要求精度达到0.05，写出详细设计步骤：具备的功能；选用的器件和硬件电路，并用原理框图表示（器件型号不明，说明其须具有的功能）；相应的数据处理过程和软件功能；你所设计的智能传感器还有哪些尚可完善的功能。答案略。 传感器与检测技术 试题班级： 学号： 姓名： 成绩： 五、 简答题（30分，6分/题）4. 光电池的工作原理，指出它应工作在电流源还是电压源状态。答：光电池是基于光生伏特效应制成的，是自发电式；是有源器件。它有较大面积的PN结，当光照射在PN结上时则在结的两端出现电动势。它应工作在电压源状态。5. 按照传感型（功能型）和传输型光纤传感器的特点应该选用哪种光纤（单模/多模），为什么？答：功能型(或称物性型、传感型)光纤不仅作为光传播的波导而且具有测量的功能。它可以利用外界物理因素改变光纤中光的强度、相位、偏振态或波长，从而对外界因素进行测量和数据传输。可分为振幅调制型、相位调制型及偏振态调制型。多模单模皆可非功能型(或称结构型、传光型) 其光纤只是作为传光的媒介，还需加上其他敏感元件才能组成传感器。多模。六、 计算题（20分，10分/题）1. 设6次测量某物体的长度，其测量的结果分别为：9.8 10.0 10.1 9.9 10.3 15cm，若忽略粗大误差和系统误差，试求在99.73%的置信概率下，对被测物体长度的最小估计区间。解： 分别为-0.2 0 0.1 -0.1 0.2七、 分析/证明题（32分，8分/题）2. Pt100和Cu50各代表什么传感器？分析热电阻传感器测量电桥之三线、四线连接法的主要作用。分别代表铂电阻热电式传感器（100），铜电阻热电式传感器(50)。 热电阻传感器测量电桥之三线、四线连接法的主要作用是消除在热电阻安装的地方与仪表相距远时，环境温度变化时其连接导线电阻也变化所造成的测量误差。3. 用镍铬镍硅热电偶测量炉温，其仪表示值为600，而冷端温度t0为65，则实际温度为665，对不对？为什么？应如何计算？答：对。查表知镍铬镍硅热电偶K=1，T=Tz+KTn=600+165=6654. 智能传感器只是将被测信号数字化，意义不大，你同意此观点否？分析说明你的理由。答：不同意，从SMART传感器的功能和优点两方面来看：功能f) 自补偿功能：如非线性、温度误差响应时间等的补偿。g) 自诊断功能：如在接通电源时自检。h) 微处理器和基本传感器之间具有双向通信功能，构成一死循环工作系统。i) 信息存储和记忆功能。j) 数字量输出和显示。优点：e) 精度高，可通过软件来修正非线性，补偿温度等系统误差，还可补偿随机误差，从而使精度大为提高。f) 有一定的可编程自动化能力。包括指令和数据存储、自动调零、自检等。g) 功能广。智能传感器可以有多种形式输出，通过串口、并口、面板数字控制数或CRT显示，并配打印机保存资料。h) 功能价格比大。在相同精度条件下，多功能智能传感器比一功能普通的传感器性能价格比大。可见，SMART传感器代表着今后传感器发展的总趋势，意义重大。八、 设计题（18分）根据你所掌握传感器知识，设计一套测湿传感器（包括敏感元件的选择、测量电路的设计、采用的温度补偿及抗干扰措施）。答案略。传感器与检测技术 试题班级： 学号： 姓名： 成绩： 九、 简答题（30分，6分/题）1. 传感器的定义和组成框图？画出自动控制系统原理框图并指明传感器在系统中的位置和作用。答：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，通常由敏感元件和转换元件组成。辅助电源信号调节转换电路传感元件被测量敏感元件组成框图如下：自动控制系统原理框图如下：传感器的作用：感受被测量并转换成可用输出信号传送给控制对象。扰动e给定 +对象传感器反馈装置2. 试列出你所学过的不同工作原理传感器哪些可用于非接触式测量，哪些用于接触式测量，测量何种物理量？（各大于3种）答：非接触式测量：a) 热电式传感器：测量温度b) 光纤传感器：测量光信号c) 核辐射传感器：测量核辐射粒子接触式测量：a) 电位器式压力传感器：测量压力b) 应变片式电阻传感器：测量电阻值c) 应变式扭矩传感器：测量扭矩3. 以自感式传感器为例说明差分式传感器可以提高其灵敏度的原理。答：单极式自感传感器的灵敏度为： 差分式传感器的灵敏度为：由此可见，与单极式比较其灵敏度提高一倍，非线性大大减小。4. 光电效应可分为哪三种类型，简单说明传感器的原理并分别列出以之为基础的光电传感器。答：光电效应可分为：a) 外光电效应：指在光的照射下，材料中的电子逸出表面的现象。光电管及光电倍增管均属这一类。它们的光电发射极，即光明极就是用具有这种特性的材料制造的。b) 内光电效应：指在光的照射下，材料的电阻率发生改变的现象。光敏电阻即属此类。c) 光生伏特效应：利用光势垒效应，光势垒效应指在光的照射下，物体内部产生一定方向的电动势。光电池是基于光生伏特效应制成的，是自发电式有源器件。5. 光导纤维导光的原理是什么？按其传输模式分为哪两种类型？传感型（功能型）和传输型光纤传感器按照其特点应该选用哪种光纤？答：光导纤维工作的基础是光的全内反射，当射入的光线的入射角大于纤维包层间的临界角时，就会在光纤的接口上产生全内反射，并在光纤内部以后的角度反复逐次反射，直至传递到另一端面。 按其传输模式可分为单模和多模两种。 传感型（功能型）光纤传感器应该选用单模光纤，传输型光纤传感器应选用多模光纤。 十、 计算题（20分，10分/题）1. 设7次测量某物体的长度，其测量的结果分别为：9.8 10.0 10.1 9.9 10.2 10.1 15cm，若忽略粗大误差和系统误差，试求在99.73%的置信概率下，对被测物体长度的最小估计区间。解： 答：忽略最后一个值，平均值，则最小估计区间。2. 图示电荷放大器中Ca=100 pF，Ra=，Rf= ，Ri= ，CF=10 pF。若考虑引线电容CC 影响，当A0=104时，要求输出信号衰减小于1%，求使用90 pF/m的电缆，其最大允许长度为多少？答： 解得 十一、 分析/证明题（32分，8分/题）1. 自动控制系统的系统响应带宽与传感器的响应带宽有何关系？如果选用传感器的动态特性达不到要求怎么办？ 答：2. 热电偶产生的热电动势由哪几种电动势组成，试证明热电偶的中间导体定律。答：热电偶产生的热电动势是由两种导体的接触电动势和单一导体的温差电动势组成的。接触电动势有时又称为珀尔帖电动势；而单一导体的温差电动势也称汤姆逊电动势。3. 制作霍尔元件应采用什么材料，为什么？为何霍尔元件都比较薄，而且长宽比一般为2 ：1？ 答：制作霍尔元件应采用半导体材料。如果磁场与薄片法线有a夹角，那么UH=kHIBcosa,霍尔元件越薄（即d越小），kH就越大，所以一般霍尔元件都很薄。又因为实际测量中UH=(kHIB/d)f(l/b) 当l/b=2时，f(l/b)=0.93为最大值，这时UH也可取到最大值，所以长宽比l/b一般为2：14. 为什么要对应变片式电阻传感器进行温度补偿，分析说明该类型传感器温度误差补偿方法。答：在外界温度变化的条件下，由于敏感栅温度系数at及栅丝与试件膨胀系数（bg及bs）之差异性而产生虚假应变输出有时会产生与真实应变同数量级的误差，所以必须补偿温度误差的措施。通常温度误差补偿方法有两类：a) 自补偿法：包括单丝自补偿法和组合式自补偿法b) 线路补偿法十二、 设计/综述题（18分）根据你所掌握的智能传感器的相关知识，设计一套测温智能传感器，测温范围为-2080，要求精度达到0.1，写出详细设计步骤：具备的功能；选用的器件和硬件电路，并用原理框图表示（器件型号不明，说明其须具有的功能）；相应的数据处理过程和软件功能；你所设计的智能传感器还有哪些尚可完善的功能。答案略。传感器与检测技术 试题答案班级： 学号： 姓名： 成绩： 十三、 简答题（30分，6分/题）1. 传感器（或测试仪表）在第一次使用前和长时间使用后需要进行标定工作，请问标定的意义？答：传感器的标定分为静态标定和动态标定两种。静态标定的目的是确定传感器静态特性指标，如线性度、灵敏度、滞后和重复性等。动态标定的目的是确定传感器的动态特性参数，如频率响应、时间常数、固有频率和阻尼比等。4. 如何减少测量系统误差，随机误差对传感器性能的影响？答：(1)引入更正值法；(2)替换法；(3)差值法；(4)正负误差相消法； (5)选择最佳测量方案。5. 什么是金属应变片的灵敏系数？请解释它与金属丝灵敏系数的区别。答： 应变片一般做成丝栅状，测量应变时，将应变片贴在试件表面上，试件的变形很容易传到应变片上。金属应变片的灵敏系数与金属丝灵敏系数是不同的。第一，零件的变形是通过剪力传到金属丝上的。第二，丝沿长度方向承受应变时，应变片弯角部分也承受应变，其截面积变大，则应变片直线部分电阻增加时，弯角部分的电阻值减少，也使变化的灵敏度下降。因此，应变片的灵敏系数比金属丝灵敏系数低。十四、 计算题（20分，10分/题）十五、 分析/证明题（32分，8分/题）1. 系统的系统响应带宽与传感器的响应带宽无关，请问这种说法正确吗？试述理由。答：不正确。传感器的响应带宽会限制系统的系统响应带宽。2. Pt100和Cu50各代表什么传感器？分析热电阻传感器测量电桥之三线、四线连接法的主要作用。答：铂电阻和铜电阻热电动势传感器。三线连接法的作用是使电桥不会产生温度误差；四线连接法使调零电位器的接触电阻和指示仪表串联，接触电阻的不稳定不会破坏电桥的的平衡和正常的工作状态。3. 温度对光电流影响不大，所以光电传感器在使用中不需要进行温度补偿，此观点正确否，为什么？答：不正确。因为半导体材料容易受温度影响，而其直接影响光电流的值，所以还需要温度补偿装置。4. 智能传感器只是将被测信号数字化，意义不大，你同意此观点否？分析说明你的理由。答：不同意。智能传感器具有一定的人工智能，可使用电路代替一部分脑力劳动。和微机的结合使智能传感器不仅有视嗅味和听觉功能，还具有存储，思维和逻辑判断，数据处理，自适应能力等功能，从而使传感器技术提高到一个新水平。十六、 设计题（18分）根据你所掌握传感器知识，设计一套湿度测量传感器（包括敏感元件的选择、测量电路的设计、采用的温度补偿及抗干扰措施）。答案略 传感器与检测技术 试题答案班级 学号 姓名 成绩一、1) 压电式传感器的前置放大器的作用是什么？电压式与电荷式前置放大器各有何特点？答：作用是将输出电压放大，并与输入电压或输入电流成正比。电压放大器将压电式传感器的高输出阻抗经放大器变换为低阻抗输出，并将微弱的电压信号进行适当放大，但其所接配的压电式传感器的电压灵敏度将随电缆分布电容及传感器自身电容的变化而变化，而且电缆的的更换得引起重新标定的麻烦。电荷放大器是一种具有深度电容负反馈的高增益运算放大器，其虽然允许使用很长的电缆，并且电容Ce变化不影响灵敏度，但它比电压放大器价格高，电路较复杂，调整也比较困难。2) 用石英晶体加速度计测量机器的振动，已知加速度计的灵敏度为5 pC/g（g为重力加速度），电荷放大器的灵敏度为50 mV/pC，当机器振动达到最大加速度时，相应的输出幅值为2V，求机器的振动加速度。（1pC=10-12C）答： a=3) 图示电荷放大器中Ca=100 pF，Ra=，RF= ，CF=10 pF。若考虑引线电容CC 影响，当A0=104时，要求输出信号衰减小于1%，求使用90 pF/m的电缆，其最大允许长度为多少？答： 解得F 三、光纤传感器的主要优点是什么？求n1=1.46，n2=1.45的阶跃型光纤的数值孔径值；如果外部介质为空气n0=1，求光纤的最大入射角。答：优点：抗电磁干扰能力强；灵敏度高；几何形状具有多方面的适应性，可以制成任意形状的光纤传感器，可以制造传感各种不同物理信息的器件；光纤传感器可用于高压，电气噪声，高温，腐蚀或其他恶劣环境；而且具有与光纤遥测技术的内在相容性。五、产生系统误差的原因有哪些？减少系统误差的方法有哪些？答：系统误差出现的原因有： 工具误差：指由于测量仪表或仪表组成组件本身不完善所引起的误差。 方法误差：指由于对测量方法研究不够而引起的误差。 定义误差：是由于对被测量的定义不够明确而形成的误差。理论误差：是由于测量理论本身不够完善而只能进行近似的测量所引起的误差。环境误差：是由于测量仪表工作的环境（温度、气压、湿度等）不是仪表校验时的标准状态，而是随时间在变化，从而引起的误差。 安装误差：是由于测量仪表的安装或放置不正确所引起的误差。 个人误差：是指由于测量者本人不良习惯或操作不熟练所引起的误差。 减小系统误差的方法： 1.1. 引入更正值法；2.替换法；3.差值法； 4.正负误差相消法；5.选择最佳测量方案。六、用温度传感器对某温度进行12次等精度测量，获得测量数据如下（单位）20.46、20.52、20.50、20.52、20.48、20.47、20.50、20.49、20.47、20.49、20.51、20.51要求对测量数据进行加工整理，并写出最后结果（取置信系数为2）。 答： 七、1）制作霍尔元件应采用什么材料，为什么？2）为何霍尔元件都比较薄，而且长宽比一般为2 ：1？3）某霍尔元件l b d 为1.0 0.35 0.1 cm3, 当方向通以电流I=1.0 mA, 在垂直lb方向加有均匀磁场B=0.3T, 传感器的灵敏系数为22 V/A T, 试求其霍尔电动势及载流子浓度。答：1）采用半导体材料。因为其灵敏度高，输出霍尔电动势大。 2）因为元件越薄，灵敏度系数越大。 3） 八、 1）试证明热电偶的中间导体定律。2）将一只灵敏度为0.08mV/ 的热电偶与毫伏表相连,已知接线端温度为50,毫伏表的输出为60 mV, 求热电偶热端的温度为多少?3） 热敏电阻的电阻-温度特性有什么不同? 答：1）证明： =2) 3）热敏电阻的电阻温度系数大，电阻与温度的关系近似于线性或为平滑曲线。九、下图为变极距型平板电容电容传感器的一种测量电路，其中CX为传感器电容，C为固定电容，假设运放增益A=，输入阻抗Z=；试推导输出电压U0与极板间距的关系，并分析其工作特点。 答案略。十、1）有一数字温度计，测量范围为 50 150,精度0.5级, 求当示值分别为-20,100时的绝对误差和示值相对误差。2）欲测量250 V电压，要求测量示值相对误差不大于 0.5%, 问选用量程为250 V电压表,其精度为那一级? 若选用量程为300 V和500 V的电压表,其精度又分别为哪一级?3)已知待测电压为400V左右,现有两只电压表,一只1.5级,测量范围0500V; 另一只0.5级, 测量范围01000V,问选用那只表测量较好?为什么?答：1）绝对误差为： -20时相对误差为： 100时相对误差为：2）绝对误差为： 即选用精度为0.5级的250V电压表。 则量程为300V的应用精度为0.4级，量程为500V的精度为0.25级。3)第一只绝对误差为相对误差为 第二只绝对误差为相对误差为 所以应用第二只表。十一、推导差分自感式传感器的灵敏度，并与单极式相比较。 答案略。传感器与检测技术考题 班级：_学号： 姓名： 成绩： _二、如图所示电路是电阻应变仪中所用的不平衡电桥的简化电路，图中R2=R3=R是固定电阻，R1与R4是电阻应变片，工作时R1受拉，R4受压，R表示应变片发生应变后，电阻值的变化量。当应变片不受力，无应变时R=0，桥路处于平衡状态，当应变片受力发生应变时，桥路失去平衡，这时，就用桥路输出电压Ucd表示应变片应变后电阻值的变化量。试证明：Ucd=-(E/2)(R/R)。(15分)证：略去的第二项，即可得三、什么是光电效应？试说明光纤传感器的工作原理。(15分)答：当用光照射物体时，物体受到一连串具有能量的光子的轰击，于是物体材料中的电子吸收光子能量而发生相应的电效应（如电阻率变化、发射电子或产生电动势等）。这种现象称为光电效应。工作原理：利用外界物理因