《传感检测技术》试题和答案2.doc

七、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） 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、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，原方和副方互感M的大小与原方线圈的匝数成（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热势是由两种导体的接触电势和 单一导体的温差电势组成。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。2、 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（5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势。因而有电流产生相应的热电势称为温差电势或塞贝克电势，通称热电势。 接触电动势：接触电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T0时的热电势等于该热电偶热端为T冷端为Tn时的热电势与同一热电偶热端为Tn，冷端为T0时热电势的代数和。应用：对热电偶冷端不为0C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，T0）时分别为EAC(T,T0)，EBC(T,T0)，那么在相同温度下，又A、B两热电极配对后的热电势为EAB(T,T0)= EAC(T,T0)EBC(T,T0)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势，那么由这两种热电极配对组成热电偶的热电势便可由上式求得，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：0C恒温法计算修正法（冷端温度修正法）仪表机械零点调整法热电偶补偿法电桥补偿法冷端延长线法3、人们说，SMART传感器代表着今后传感器发展的总趋势，为什么？（5分）答：传感器在经历了模拟量信息处理和数字量交换这两个阶段后，正朝着智能化、集成一体化、小型化方向发展，利用微处理机技术使传感器智能化是在80年代新型传感器的一大进展，通常称之为SMART传感器。它有如下功能和特点：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。由此可见，智能（SMART）化设计是传感器传统设计中的一次革命，是世界传感器的发展趋势。4、简述电阻应变片式传感器的工作原理。（4分）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。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？（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。7、什么是系统误差？系统误差产生的原因是什么？如何减小系统误差？（6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。减小系统误差的方法：引入更正值法：若通过对测量仪表的校准，知道了仪表的更正值，则将测量结果的指示值加上更正值，就可得到被测量的实际值。替换法：是用可调的标准量具代替被测量接入测量仪表，然后调整标准量具，使测量仪表的指针与被测量接入时相同，则此时的标准量具的数值即等于被测量。 差值法：是将标准量与被测量相减，然后测量二者的差值。正负误差相消法：是当测量仪表内部存在着固定方向的误差因素时，可以改变被测量的极性，作两次测量，然后取二者的平均值，以消除固定方向的误差因素。选择最佳测量方案：是指总误差为最小的测量方案，而多数情况下是指选择合适的函数形式及在函数形式确定之后，选择合适的测量点。8、什么是传感器的可靠性？可靠性设计程序和原则是什么？（6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9、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？（6分）答：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、人为失效按与其它失效的关系分：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）2、 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。已知空气气隙的长度为x1x2，空气隙的面积为S，磁导率为线圈匝数W不变。（8分）3、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（8分）解: 代入数据求得 拟合直线灵敏度,线性度7%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） 八、 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）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：确定传感器静态特性指标和动态特性参数2、 以自感式传感器为例说明差动式传感器可以提高灵敏度的原理。解：差动式灵敏度:与单极式传感器灵敏度比较灵敏度提高一倍，非线性大大减少。3、 简述霍尔电动势产生的原理。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，电子受到洛仑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势UH。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P一N结，当光照射在P一N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，还需加上其它敏感元件才能组成传感器。多模。二、 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 15厘米，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 0.22、测得某检测装置的一组输入输出数据如下：x0.92.53.34.55.76.8y1.11.62.63.24.05.0试用最小二乘法拟合直线，求其线性度和灵敏度。解: 代入数据求得 拟合直线灵敏度,线性度7%三、 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：不完全正确。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，意义重大四、 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）。九、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）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：自动控制系统原理框图：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动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： 差动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。六、 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 15厘米，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 七、 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、 热电偶产生的热电势由哪几种电势组成，试证明热电偶的中间导体定律。答：热电偶产生的热电势是由两种导体的接触电势和单一导体的温差电势组成的。接触电势有时又称为珀尔帖电势；而单一导体的温差电势也称汤姆逊电势。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) 线路补偿法八、 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。十、传感器与检测技术 试题答案班级： 学号： 姓名： 成绩： 九、 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。2、 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。3、 简述霍尔电动势产生的原理。答：将一块半导体薄片置于磁感应强度为B的磁场中，当有垂直于磁场的电流I通过时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势UH，称为霍尔电动势。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、 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 10.3 10.1 15厘米，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。答：忽略最后一个值，平均值，则最小估计区间。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?答：十一、 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电表串联，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。十二、 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 十一、 传感器与检测技术 试题答案班级 学号 姓名 成绩一、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。1) 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=10-12库仑）答： a=2) 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 二、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。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。四、什么是传感器的可靠性？可靠性设计程序和原则是什么？ 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。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,其精度又分别为那一级?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、推导差动自感式传感器的灵敏度，并与单极式相比较。十二、传感器与检测技术考题 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(15分)答：带入数据得：，拟合直线灵敏度 0.68,线性度 7%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。四、霍尔元件能够测量哪些物理参数？霍尔元件的不等位电势的概念是什么？温度补偿的方法有哪几种？请详细推导分流电阻法。(15分)答：霍尔元件可测量磁场、电流、位移、压力、振动、转速等。 霍尔元件的不等位电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电桥补偿法五、人门说，SMART 传感器代表着今后传感器发展的总趋势，为什么？ (10分)答：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。与传统传感器相比，它有精度高，可靠性和稳定性高，信噪比与分辨率高，自适应强及性价比低等优点。因此，智能化设计的传感器是传感器传统设计的一次革命，是世界传感器的发展趋势。六、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 按与其它失效的关系分：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、耗损失效等七、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）。（20分）00121班 传感 十三、传感器与检测技术 试题 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：X0.62.43