传感器与检测技术期末考试试题与答案-2023修改整理

千里之行，始于足下让知识带有温度。第第2页/共2页精品文档推荐传感器与检测技术期末考试试题与答案第一章传感器基础

l.检测系统由哪几部分组成?说明各部分的作用。

答：一个完整的检测系统或检测装置通常是由传感器、测量电路和显示记录装置等几部分组成，分离完成信息猎取、转换、显示和处理等功能。固然其中还包括电源和传输通道等不行缺少的部分。下图给出了检测系统的组成框图。

检测系统的组成框图

传感器是把被测量转换成电学量的装置，明显，传感器是检测系统与被测对象直接发生联系的部件，是检测系统最重要的环节，检测系统猎取信息的质量往往是由传感器的性能确定的，由于检测系统的其它环节无法添加新的检测信息并且不易消退传感器所引入的误差。

测量电路的作用是将传感器的输出信号转换成易于测量的电压或电流信号。通常传感器输出信号是微弱的，就需要由测量电路加以放大，以满足显示记录装置的要求。按照需要测量电路还能举行阻抗匹配、微分、积分、线性化补偿等信号处理工作。

显示记录装置是检测人员和检测系统联系的主要环节，主要作用是使人们了解被测量的大小或变化的过程。

2.传感器的型号有几部分组成，各部分有何意义?

依次为主称（传感器）被测量—转换原理—序号

主称——传感器，C；

被测量——用一个或两个汉语拼音的第一个大写字母标记。见附录表2；

转换原理——用一个或两个汉语拼音的第一个大写字母标记。见附录表3；

序号——用一个阿拉伯数字标记，厂家自定，用来表征产品设计特性、性能参数、产品系列等。若产品性能参数不变，仅在局部有改动或变动时，其序号可在原序号后面挨次地加注大写字母A、B、C等，（其中I、Q不用）。

例：应变式位移传感器：CWY-YB-20；光纤压力传感器：CY-GQ-2。

3.测量稳压电源输出电压随负载变化的状况时，应该采纳何种测量办法?如何举行?

答：测定稳压电源输出电压随负载电阻变化的状况时，最好采纳微差式测量。此时输出电压认可表示为U0，U0=U+△U，其中△U是负载电阻变化所引起的输出电压变化量，相对U来讲为一小量。假如采纳偏差法测量，仪表必需有较大量程以满足U0的要求，因此对△U，这个小量造成的U0的变化就很难测准。测量原理如下图所示：

图中使用了高敏捷度电压表——毫伏表和电位差计，Rr和E分离表示稳压电源的内阻和电动势，凡表示稳压电源的负载，E1、R1和Rw表示电位差计的参数。在测量前调节R1使电位差计工作电流I1为标准值。然后，使稳压电源负载电阻R1为额定值。调节RP的活动触点，使毫伏表指示为零，这相当于事先用零位式测量出额定输出电压U。正式测量开头后，只需增强或减小负载电阻RL的值，负载变动所引起的稳压电源输出电压U0的极小波动值ΔU，即可由毫伏表指示出来。按照U0=U+ΔU，稳压电源输出电压在各种负载下的值都可以精确     地测量出来。微差式测量法的优点是反应速度快，测量精度高，特殊适合于在线控制参数的测量。

用微差式测量办法测量稳压电源输出电压随负载的变化

4.某线性位移测量仪，当被测位移由4.5mm变到

5.0mm时，位移测量仪的输出电压由3.5V减至2.5V，求该仪器的敏捷度。解：该仪器的敏捷度为

25

.40.55

.35.2-=--=

SmV/mm

5.某测温系统由以下四个环节组成，各自的敏捷度如下：铂电阻温度传感器：0.45Ω/℃电桥：0.02V/Ω放大器：100(放大倍数)笔式记录仪：0.2cm/V求：(1)测温系统的总敏捷度；

(2)记录仪笔尖位移4cm时，所对应的温度变化值。解：（1）测温系统的总敏捷度为

18.02.010002.045.0=???=Scm/℃

（2）记录仪笔尖位移4cm时，所对应的温度变化值为

22.2218

.04

==

t℃6.有三台测温仪表，量程均为0~800℃，精度等级分离为2.5级、2.0级和1.5级，现要测量500℃的温度，要求相对误差不超过2.5％，选那台仪表合理?

解：2.5级时的最大肯定误差值为20℃，测量500℃时的相对误差为4％；2.0级时的最大肯定误差值为16℃，测量500℃时的相对误差为3.2％；1.5级时的最大肯定误差值为12℃，测量500℃时的相对误差为2.4％。因此，应当选用1.5级的测温仪器。

7.什么是系统误差和随机误差?正确度和精密度的含义是什么?它们各反映何种误差?

答：系统误差是指在相同的条件下，多次重复测量同一量时，误差的大小和符号保持不变，或根据一定的逻辑变化的误差。随机误差则是指在相同条件下，多次测量同一量时，其误差的大小和符号以不行预见的方式变化的误差。正确度是指测量结果与理论真值的全都程度，它反映了系统误差的大小，精密度是指测量结果的簇拥程度，它反映了随机误差的大小。8.听从正态分布逻辑的随机误差有哪些特性?

答：听从正态分布逻辑的随机误差的特性有：对称性随机误差可正可负，但肯定值相等的正、负误差浮现的机会相等。也就是说f(δ)-δ曲线对称于纵轴。有界性在一定测量条件下，随机误差的肯定值不会超过一定的范围，即肯定值很大的随机误差几乎不浮现。抵偿性在相同条件下，当测量次数n→∞时，全体随机误差的代数和等于零，即0lim

1

=∑=∞

→n

ii

nδ

。单峰性肯定值小的随机误差比肯定值大的随机误差出

现的机会多，即前者比后者的概率密度大，在δ=0处随机误差概率密度有最大值。9.等精度测量某电阻10次，得到的测量列如下：

R1＝167.95ΩR2＝167.45ΩR3＝167.60ΩR4＝167.60ΩR5＝167.87ΩR6＝167.88Ω

R7＝168.00ΩR8＝167.850ΩR9＝167.82ΩR10＝167.61Ω

(1)求10次测量的算术平均值R，测量的标准误差σ和算术平均值的标准误差s。(2)若置信概率取99.7％，写出被测电阻的真值和极限值。

解：(1)求10次测量的算术平均值R，测量的标准误差σ和算术平均值的标准误差s。

Ω=+++++++++=

++=∑

=763.16710

61.16782.16785.16700.16888.16787.16760.16760.16745.16795.1671010

1

21in

RRRRΩ=++++++?++=

=-=--=∑∑∑===1824.0)153.0057.0087.0237.0108.0107.0163.02313.0187.0(9

1

9111)(11?222222222101

2

1212iiniin

iivvnxxnσΩ=

=

0577.010

1824.0n

sσ

(2)若置信概率取99.7％，被测电阻的真值为：Ω±=?±=)173.0763.167(3763.1670sR

极限值为：Ω±=?±=)547.0763.167(3763.167σm

R

10.试分析电压输出型直流电桥的输入与输出关系。

答：如图所示，电桥各臂的电阻分离为R1、R2、R3、R4。U为电桥的直流电源电压。当四臂电阻

R1=R2=R3=R4=R时，称为等臂电桥；当R1=R2=R,R3=R4=R’(R≠R’)时，称为输出对称电桥；当R1=R4=R，R2=R3=R’(R≠R’)时，称为电源对称电桥。

D

直流电桥电路

当电桥输出端接有放大器时，因为放大器的输入阻抗很高，所以可以认为电桥的负载电阻为无穷大，这时电桥以电压的形式输出。输出电压即为电桥输出端的开路电压，其表达式为

URRRRRRRRUo)

)((432142313++-=

(1)

设电桥为单臂工作状态，即R1为应变片，其余桥臂均为固定电阻。当R1感触被测量产生电阻增量ΔR1

时，由初始平衡条件R1R3=R2R4得3

4

21RRRR=，代入式（1），则电桥因为ΔR1产生不平衡引起的输出电压

为

URRRRRRURRRRU)()()(1

12

2121122120?+=?+=

(2)对于输出对称电桥，此时R1=R2=R,R3=R4=R’，当R1臂的电阻产生变化ΔR1=ΔR，按照（2）可得到输

出电压为

)(4)()(20RR

UR

RRRRRU

U?=?+=(3)

对于电源对称电桥，R1=R4=R,R2=R3=R’。当R1臂产生电阻增量ΔR1=ΔR时，由式（2）得

)()(20R

R

RRRRU

U?'+'=(4)对于等臂电桥R1=R2=R3=R4=R，当R1的电阻增量ΔR1=ΔR时，由式（2）可得输出电压为

)(4)()(20RRUR

RRRRRU

U?=?+=(5)

由上面三种结果可以看出，当桥臂应变片的电阻发生变化时，电桥的输出电压也随着变化。当ΔR<<R

时，电桥的输出电压与应变成线性关系。还可以看出在桥臂电阻产生相同变化的状况下，等臂电桥以及输出对称电桥的输出电压要比电源对称电桥的输出电压大，即它们的敏捷度要高。因此在使用中多采纳等臂电桥或输出对称电桥。

在实际使用中为了进一步提高敏捷度，常采纳等臂电桥，四个被测信号接成两个差动对称的全桥工作形式，R1=R+ΔR,R2=R-ΔR,R3=R+ΔR,R4=R-ΔR，将上述条件代入式(1)得

?

??

???=??????????

??=RRURRUU440(6)

由式(6)看出，因为充分利用了双差动作用，它的输出电压为单臂工作时的4倍，所以大大提高了测量的敏捷度。

其次章电阻式传感器

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因为其几何外形的变化而产生的，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.直流测量电桥和沟通测量电桥有什么区分?

答：它们的区分主要是直流电桥用直流电源，只适用于直流元件，沟通电桥用沟通电源，适用于全部电路元件。

3.热电阻测量时采纳何种测量电路?为什么要采纳这种测量电路?说明这种电路的工作原理。

答：通常采纳电桥电路作为测量电路。为了克服环境温度的影响常采纳下图所示的三导线四分之一电桥电路。因为采纳这种电路，热电阻的两根引线的电阻值被分配在两个相邻的桥臂中，假如tt

RR21=，则因为

环境温度变化引起的引线电阻值变化造成的误差被互相抵消。

4.采纳阻值为120Ω敏捷度系数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离为1和1000时，试求单臂、双臂和全桥工作时的输出电压，并比较三种状况下的敏捷度。

解：单臂时40U

KUε=

，所以应变为1时66

01024

10244--?=??==UKUε/V，应变为1000时应为33

010*******--?=??==UKUε/V；双臂时

2

0U

KUε=

，所以应变为1时

6

6

01042

10242--?=??==UKUε/V

，应变为1000时应为

33

01042

10242--?=??==UKUε/V；全桥时U

KUε=0，所以应变为1时60

108-?=U/V，

应变为1000时应为30

108-?=U/V。从上面的计算可知：单臂时敏捷度最低，双臂时为其两倍，全桥

时最高，为单臂的四倍。

5.采纳阻值R=120Ω敏捷度系数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，则可采纳何种工作方式（设输出阻抗为无穷大）？

解：因为不知是何种工作方式，可设为n，故可得：

10101023

0n

nUKU-??==εmV

得n要小于2，故应采纳全桥工作方式。

6.如图所示为向来流电桥，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，敏捷度系数K=2.0。两只应变片分离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5000，试求此时电桥输出端电压U0。

R2

题6图

解：此电桥为输出对称电桥，故152

1053223

0=???==-UKUε/mV

7.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：光敏电阻是采纳半导体材料制作，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

十分大，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。

第三章电容式传感器

1.试分析变面积式电容传感器和变间隙式电容的敏捷度?为了提高传感器的敏捷度可实行什么措施并应注重什么问题?

答：如图所示是向来线位移型电容式传感器的暗示图。

当动极板移动△x后，笼罩面积就发生变化，电容量也随之转变，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

a

xCxd

b

CCC?-=?-

=-=?0

0ε其敏捷度为

d

b

xCKε-=??=

可见增强b或减小d均可提高传感器的敏捷度。

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?实行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转变而引起移动时，两极板间的距离d发生变化，从而转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d

ACε=

，当活动极板移动x后，其电容量为

2

2

011d

xdx

CxdAC-+

=-=ε(1)

当x<<d时

1122≈-dx则)1(0d

x

CC+=(2)

由式（1）可以看出电容量C与x不是线性关系，惟独当x<<d时，才可认为是最近似线形关系。同时还可以看出，要提高敏捷度，应减小起始间隙d过小时。但当d过小时，又简单引起击穿，同时加工精度要求也高了。为此,普通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状况。在实际应用中，为了提高敏捷度，减小非线性，可采纳差动式结构。

3.有一平面直线位移差动传感器特性其测量电路采纳变压器沟通电桥，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。

ui

题3图

解：按照测量电路可得

ttuaxuCCuuii??sin750sin320

5

00=?=?=?=

=/mV4.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,运算放大器为抱负放大器(即K→∞,Zi→∞),Rf极大,输入电压u1=5sinωtV。求当电容传激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?

i

解：由测量电路可得

?

?sin

45

sin

5

15

.0

5.1

5.1

20

200

=

?

-

?

=

?

-

-

=

-

=t

u

x

d

d

C

C

u

C

C

u

i

x

i

x

/V

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,试计算该传感器的敏捷度并画出传感器的特性曲线.极板间介质为空气,F/m

10

85.812-

?

=

ε。

解：这是个变面积型电容传感器，共有4个小电容并联组成。

32

.

28

10