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传感器原理复习题一、填空题1、测量方法从不同的角度有不同的分类方法，根据获得测量值的方法可分为直接测量、间接测量和组合测量，按测量方式可分为偏差式测量、零位式测量和微差式测量，按测量条件不同可分为等精度测量和不等精度测量，根据被测量变化快慢可分为静态测量和动态测量，根据测量敏感元件是否与被测介质接触可分为接触式测量与非接触式测量，根据测量系统是否向被测对象施加能量可分为主动式测量和被动式测量。2、测量结果的完整描述包括估计值、测量单位和不确定度。3工程上传感器的动态特性通常采用标准信号函数来进行研究，常用的标准信号函数是阶跃信号函数和正弦信号函数。4、典型的测量系统分为三级敏感元件-传感器级、信号调理级和读出记录级。5、根据测量数据中的误差所呈现的规律级产生的原因，可将误差分为随机误差、系统误差和粗大误差。6、常用的粗大误差判断准则包括3准则、肖维勒准则和格拉布斯准则。7、传感器的静态特性指标主要有灵敏度、线性度、迟滞、重复性、漂移等。8、传感器线性度直线拟合方法主要有理论拟合、过零旋转拟合、端点连线拟合、端点平移拟合和最小二乘法拟合。9、金属应变片由敏感栅、基片、覆盖层和引线组成，其核心部分为敏感栅，敏感栅分为丝式、箔式和薄膜式等。10、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材料。11电荷耦合器件（CCD）是一种大规模金属氧化物半导体（MOS）集成电路光电器件，其基本单元是MOS光敏元，由金属导体、氧化物和半导体三部分组成。12、电感式传感器主要分为自感式、互感式和电涡流式三种。13、差动变压器式传感器结构较多，其中最主要的三种是变隙式、变面积式和螺线管式，其中应用最多的是螺线管式。14、电涡流式传感器按电涡流在导体内的贯穿情况可分为高频反射式和低频透射式两类，但其基本工作原理是相似的。15、电容量的计算公式为，所以根据影响电容式传感器电容变化的参数，电容式传感器可分为变极距型、变面积型和变介电常数三种。16、压电材料主要分为两大类：压电晶体和压电陶瓷。17、磁电式传感器是通过磁电作用将被测量转换成电信号的一种传感器，通常分为磁电感应式传感器和霍尔式传感器。18、变磁通式传感器按其结构分为开磁路式和闭磁路式，恒磁通式传感器按其结构分为动圈式和动铁式。19、霍尔元件的基本特性包括额定激励电流和最大允许激励电流、输入电阻和输出电阻、不等位电势和不等位电阻、寄生直流电势和霍尔电势温度系数等。20、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两类。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；第二类是在光线作用下物体的导电性能发生变化或产生光生电动势的效应称为内光电效应。21、光敏电阻的基本特性包括伏安特性、光照特性、光谱特性、频率特性和温度特性。22、光纤传感器的基本特性包括数值孔径、光纤模式和光纤传输损耗，光纤传感器一般分为两大类即：功能型和非功能型。23半导体气敏传感器一般由敏感元件、加热器和外壳组成。按其制造工艺分有烧结型、薄膜型和厚膜型，其中厚膜型半导体气敏传感器元件机械强度高，离散度小，适合大批生产。24半导体色敏传感器利用光敏二极管的PN结不同结深对不同光波长的灵敏度不同来实现光线颜色的判断，其基本特征包括光谱特性、短路电流比-波长特性和温度特性等。二、简答题1、什么是检测技术，它研究的主要内容包括哪及部分？答：检测技术：利用物理、化学和生物的方法来获取被测对象的组成、状态、运动和变化的信息，通过转换和处理，使这些信息成为易于人们阅读和识别的量化形式。它研究的主要内容包括：被测对象的测量原理、测量方法、测量系统和数据处理。2、传感器的定义是什么？（任意一种解释都正确）画出传感器的组成框图，并简述各部分的作用？答：按GB7665-87，传感器是能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置；广义定义：指能感知某一物理量（或化学量、生物量等）的信息，并将该信息转换为有用输出信号的器件或装置；狭义定义：能将各种非电量转换为电信号的部件。被测量敏感元件转换元件信号调整转换电路辅助电源敏感元件：直接感受和相应被测量；转换元件：将敏感元件的输出转换为适用于传输和测量的电信号；信号调整转换电路：将转换元件过来的信号进行放大、运算调制等；辅助电源：为信号调整转换电路供电，同时为能量控制型传感器供电。3、简述电阻应变片式传感器的工作原理。答：电阻应变片的工作原理是基于电阻应变效应，即在导体产生机械变形时，它的电阻值相应发生变化。4、简述金属电阻应变片的结构？答：金属电阻应变片由敏感栅、基片、覆盖层和引线组成，其核心部分是敏感栅，一般由某种金属细丝绕成栅型，将其一侧粘贴在绝缘的基片上，另一侧粘贴上起保护作用的覆盖层，两端焊接引线与检测装置连接。5、什么事金属电阻应变片的横向效应？答：将直的电阻丝绕成敏感栅后，敏感栅是由n条长度为l的直线和n-1个半径为r的半圆组成，当应变片受到轴向拉力时，直线段的轴向效应会使敏感栅的电阻发生变化，而半圆弧段的电阻会由于横向应变也使半圆弧部分的电阻发生变化，而圆弧段电阻的变化小于沿轴向同长度电阻丝电阻的变化，所以应变片既受轴向应变的影响，又受横向应变的影响而引起电阻变化的现象称为横向效应。6、简述电涡流式传感器？答：根据法拉第电磁感应定律，块状金属导体置于变化的磁场中或在磁场中作切割磁力线运动时，导体内将产生旋涡状的感应电流，此电流叫电涡流，这种现象称为电涡流效应，根据此效应制成的传感器称为电涡流式传感器。7、什么叫“压电效应”，“正/负压电效应”各指的是什么？答：“压电效应”是某些电介质若沿一定方向对其施力而使其变形时，内部产生极化现象，同时在它的两个表面上便产生符号相反的电荷，当外力去掉后，又重新恢复到不带电的状态。“正压电效应”指压电效应中机械能转换为电能的现象，“负压电效应”则是对电介质极化方向施加电场时，电介质会产生几何变形现象。8、什么是霍尔效应，其元件一般可用两种符号表示，请画出任意一种图形符号？答：置于磁场中的静止载流导体，当它的电流方向与磁场方向不一致时，载流导体上平行与电流磁场方向上的两个面之间产生电动势，这种现象称为霍尔效应。211H2211元件图形符号：29、磁电式传感器的误差及补偿方法？答：磁电式传感器误差分为非线性误差和温度误差两种。当线圈内有电流流过时，会产生一定的交变磁通，此交变磁通叠加到永磁铁所产生的工作磁铁上，使恒定的气隙磁铁变化而引起非线性误差，可在传感器中加入补偿线圈抵消变磁通干扰；温度的变化会导致磁感应强度、导体有效长度和电阻的变化，可通过热磁分流器补偿。10、什么是“光生伏特效应”，基于该效应的典型器件有哪些？答：在光线的作用下能够使物体产生一定方向的电动势的现象称为光电效应，基于此效应的典型器件有光电池、光敏二极管、光敏三极管等。11、光敏电阻的主要参数有哪些，并对各个参数作出解释？答：光敏电阻的主要参数有：l 暗电阻与暗电流：光敏电阻在不受光照射使得阻值称为暗电阻，此时流过的电流称为暗电流。l 亮电阻与亮电流：光敏电阻在受光照射时的电阻称为亮电阻，此时流过的电流称为亮电流。l 光电流：亮电流与暗电流之差称为光电流。12、论述CCD的工作原理。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SiO2，再在SiO2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。13、光纤传感器的工作原理。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。14、什么是光纤的数值孔径，其意义是什么？答：数值孔径（NA）是光纤集光本领的一个重要参数，反映光纤接收光能量的多少，其定义为:。其意义是：无论光源发射功率有多大只有入射角处于2c的光椎角内，光纤才能导光。三、大题1、对某一电压进行12次等精度测量，测量值如下表所示，若这些测量值已消除系统误差，试用格拉布斯准则判断有误粗大误差，并写出测量结果。（当置信概率Pa=0.95时，n=11时，G=2.23，n=12时，G=2.28。）序号123456789101112测量值（Ui/mV）20.4220.4320.4020.3920.4120.3320.4220.3920.4120.4020.4020.43解：1) 求算术平均值及标准差估计值：算术平均值(mV)标准差估计值（mV）2) 求最大残差的绝对值和对应的可疑值：（mV） (mV)3) 因为测量次数只有12次，次数较少所以适合用格拉布斯准则进行判断，求格拉布斯准则判断值：在Pa=0.95时，当n=12时，G=2.280.073因此，U6为粗大误差应剔除，并重新计算算术平均值和标准差估计值。4) 重新计算算术平均值和标准差估计值：算术平均值(mV)标准差估计值（mV）再次求格拉布斯准则，并判断是否有粗大误差：当在Pa=0.95时，n=11时，G=2.23，求得剩下11次测量值所有残差均小于，因此，剩余值中无坏值。5) 计算算术平均值的标准差：（mV）6) 最后测量结果可表示为：（mV） Pa=99.73%2、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3、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,其中、是固定电阻，与是电阻应变片，工作时受拉，受压，当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，就用桥路输出电压表示应变片变后电阻值的变化量。试证明： 。证明： 当的负载为正无穷时当，时，则4、根据下图说明变隙式差动变压器的工作原理？ABC图中：A、B为两个铁芯，C为衔铁，=、=分别为初级和次级绕组，=为铁芯与衔铁间的间隙，、分别为输入和输出电压，为输入电流。答：变隙式差动变压器传感器基于变压器基本原理制成。根据图中所示，因为初级绕组=，次级绕组=，且两个初级绕组的同名端顺向串联，次级绕组同名端反向串联，当没有位移时，衔铁C处于初始平衡位置，与两个铁芯间=，所以此时初级绕组和间的互感等于次级绕组和间的互感，这时两个次级的互感电势=，差动变压器输出电压=-=0。当被测物体有位移时，与被测物体相连的衔铁的位置将发生变化，使，互感，两次级绕组的互感电势，输出电压=-0，此时差动变压器有电压输出，此电压的大小与极性反映被测物体位移的大小和方向。5、根据下图描述三节螺线管式变压器工作原理？活动衔铁导磁外壳骨架匝数为W2a的次级绕组匝数为W1的初级绕组匝数为W2b的次级绕组答：三节螺线管式差动变压器由一个初级绕组、两个次级绕组和插入线圈中央的圆柱形铁芯组成，两个次级线圈反向串联。当初级线圈加以激励电压时，根据变压器工作原理，在两个次级绕组上会分别产生感应电势，若此时活动衔铁处于初始平衡位置，则初级线圈和次级绕组间形成的两组互感系数相等，由此，变压器两个次级绕组反向串联时，产生的感应电势相等，差值为零，即变压器输出电压为零。当活动衔铁上移时由于磁阻影响，W2a中的磁通将大于W2b，使初级线圈与次级绕组W2a的互感大于与W2b形成的互感，因而在W2a端产生的感应电势大于W2b端，反之，衔铁下移时则情况相反，所以输出电压即两个次级绕组间感应电势的差值不为零，通过电压差值的大小和正负关系可判断衔铁位移的大小和方向。基座质量块外壳预压弹簧压电元件螺栓6、根据下图描述压电式加速度传感器工作原理？答：如图所示，压电式传感器主要由压电元件、质量块、预压弹簧、基座及外壳组成，整个部件装在外壳内，并由螺栓加以固定。当加速度传感器和被测物一起受到冲击振动时，压电元件受质量块惯性力的作用，根据牛顿第二定律，此惯性力是加速度的函数，即： 式中： F质量块产生的惯性力； m质量块的质量； a加速度。此时，惯性力F作用于压电元件上，因而产生电荷q，当传感器选定后，m为