0928西南大学传感器与检测技术试题及答案解析

1、西南大学 2016 年传感器与检测技术试题 一、填空： 1、检测系统的静态特性指标主要有测量范围、精度等级、灵敏度、线性度、迟滞、重复性、 分辨力、稳定性、可靠性等。 2、霍尔元件灵敏度的物理意义是表示在单位磁感应强度和单位控制电流作用下的霍尔电势 大小。 霍尔元件的灵敏度与元件材料的霍尔常数有关，还与霍尔元件的几何尺寸有关 ; 霍尔元件的霍尔电极要求欧姆接触。 霍尔式传感器可用来测量电流，磁场，位移，压力。 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

2、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、 光敏二极管、 光敏三极管； 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。 4、热电偶的测温原理热电效应 ; 热电偶所产生的热电势是两种导体的接触电势和单一导体的温差电势组成的。 国际电工委员会推荐工业用标准热电偶 8 种 在热电偶冷端温度补偿中补偿导线法（即冷端延长线法）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、压电式传感器的工作原理是：某些晶体或多晶陶瓷，当沿着一定方向受到外力作用时， 内部就产生极化现象， 同时在某

3、两个表面上产生大小相等符号相反的电荷， 这种现象称为正 压电效应。 反之，如对晶体施加一定外电场， 晶体本身将产生机械变形，这种现象称为逆压 电效应。 压电材料可分为三大类：压电晶体 （包括石英晶体和其他单晶体材料） 、压电陶瓷、新型 压电材料（如压电半导体、有机高分子材料等 ） 。 6、变气隙长度式自感传感器，用来测量线位移，当街铁移动靠近铁芯时，铁芯上的线圈电 感量（增加减小不变） 变气隙面积式传感器，用来测量角位移，当气隙面积增大时，铁芯上的线圈电感量（ 增加减小不变） 7、检测系统 （仪表 ）产生测量误差的原因有：测量原理的局限、测量方法的不尽完善、环境 因素和外界干扰的存在以及测量过

4、程可能会影响被测对象的原有状态等 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； 根据测量误差的性质（或出现的规律） ，测量误差可分为系统误差、随机误差和粗大误 差三类。 系统误差的特点：固定的、或按一定规律变化的，可设法确定并消除。 随机误差的特点： 对每次测量而言，测量误差是没有规律的，以随机方法出现， 但在多 次重复测量中其总体是符合统计规律的。 粗大误差的特点： 误差值较大， 明显表现为测量结果异常， 可通过物理的或拉依达法或 格拉布斯法加以剔除。 工程上常用的粗大误差的判断准则有：拉伊达 （ 莱因达 ）准则和格拉布斯 （Grubbs） 准则 xi X 2 拉伊达

5、准则的鉴别值为 3 ，其中 = i 1 ，拉伊达准则只适用于测量次数 n1 较多（ n 25 ）、测量误差分布接近正态分布的情况。 8. 平行板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。 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， 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

6、长为Xmax，其总电阻为 Rmax，它的滑臂 X 间的阻值可以用 Rx= R max 来计算。 假定加在电位器 A、B 之间的电压为 Vmax，则 X max 输出电压为 Vx= V max 。 X max 10、传感器是能以一定精确度把某种被测量（主要为各种非电的物理量、 化学量、 生物量等） 按一定规律转换为（便于人们应用、处理）另一参量（通常为电参量）的器件或测量装置。 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组成。 检测是指在生产、科研、试验及服务等各个领域，为及时获得被测、被控对象的有关 信息而实时或非实时地对一些参量进行定性检查和定量测量。 11、电阻应

7、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 _ 几何尺寸变化 造成的，而的电阻变化主要是由 压阻效应 造成的。 半导体 材料传感器的灵敏度较 大。 二、简答题 1. 用 K 型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 是多少度？（ 20 分） K型热电偶分度表 测量端温 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 度 热电动势 （mv） -20 -0.77 -0.81 -0.84 -0.88 -0

8、.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 +0 0.00 0.04 0.08 0.12 0.16 0.20 0.24 0.28 0.32 0.36 +10 0.40 0.44 0.48 0.52 0.56 0.60 0.64 0.68 0.72 0.76 +20 0.80 0.84 0.88 0.92 0.96 1.0

9、0 1.04 1.08 1.12 1.16 解：查 K型热电偶分度表， EK（15,0）=0.60 mv 设被测温度为 t , 则： EK（t,0）=-1.19+0.60=-0.59 查 K 型热电偶分度表，得： t=-15 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。 2+ 简述热电偶测温系统使用补偿导线时必须注意的问题。 答： 1

10、）补偿导线只能在规定的温度范围内（一般为0 100）与热电偶的热电势相等或 相近； 2）不同型号的热电偶有不同的补偿导线； 3）热电偶和补偿导线的二个接点要保持同温； 4）补偿导线有正负极，分别与热电偶的正负极相连； 5）补偿导线的特性只是延伸热电偶的自由端，当自由端温度 T00 时，还需进行其他补 偿和修正。 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

11、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。 4 简述电阻应变片式传感器的工作原理（ 6 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、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

12、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。 6、分析应变片式传感器产生温度效应的原因，并阐述进行温度补偿的方法。（10 分） 答：原因： 1. 温度变化引起应变片敏感栅电阻变化而产生附加应变； 2. 试件材料与敏感材料的线膨胀系数不同，使应变片产生附加应变。 温度补偿的方法： 1. 应变片自补偿法 2. 桥路补偿法 3. 热敏电阻补偿法 、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。（ 15 分） 电容传感器测量系统中要消除和减小寄生电容

13、可采用如下方法： 1. 采用“驱动电线”技术 2. 采用组合式与集成技术 3. 整体屏蔽法 、电容传感器工作在高温、高湿及高频激励条件下，电容的附加损耗等影响将不可忽视， 试分析这时电容传感器的等效电路及等效电容，并说明为什么电容传感器在使用过程中 改变激励频率或更换传输电缆，必须对测量系统重新进行标定。 答：这时电容传感器的等效电路如图所示： 图中 C为传感器电容， RP为低频损耗并联电阻，它包括极板间漏电和介质损耗等影响； RS 为高温、高湿及高频激励工作时串联损耗电阻，它包括导线、极板间和金属支座等损耗 电阻； L 为电容器及引线电感； CP为寄生电容。在实际工作中，特别在高频激励下，L

14、 的影 响尤其重要，因此其等效电路可简化为： 其等效电容为：C C e2 e 1 w2 LC 由此可看出，电容传感器在使用过程中改变激励频率或更换传输电缆，其等效电容将发 生变化，因此必须对测量系统重新进行标定。 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。（ 15） 三、 光纤传感器的工作原理。 （ 4 分） 答：光纤工作的基础是光的全反射， 当射入的光线的入射角小于临界角时， 光在纤芯和包层 的界面上就会产生全反射，并在光纤内部反复逐次反射，直至传递到另一端面。 光纤传感器按其工作原理来分有功

15、能型与非功能型两大类。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。 四、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。 三、什么叫做热电动势、 接触电动势和温差电动势？说明势电偶测温原理。 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，那么回路中就会产生热电势。热电势主要由接触电势和温 差电势两部分组成。

16、 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。 误差因素：参考端温度受周围环境的影响 措施：补偿导线法 计算修正法 自由端恒温法 自动补偿法 四、

17、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？（ 10 分） 答：霍尔组件可测量磁场、电流、位移、角度、转速、压力、功率等。 霍尔组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 恒流源供电的分流电阻法； b 热敏电阻法 一、简答题（ 30 分，6 分/题） 1、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，是自发电式的有源器件。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

18、压源状态。 2、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？ 它主要 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。 靠被测对象调制或改变光纤的传输特性， 从而对被测量进行测量和数据传输， 所以只能用单 模光纤。对非功能型 ( 或称结构型、传光型 ) 光纤传感器， 其光纤只是作为传光的媒介，要 求传输的光亮越多越好，所以它主要用多模光纤，也可用单模光纤。 3、传感器的定义和组成？画出自动检测系统原理框图，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

19、置，通常由敏感元件和转换元件组成。 自动检测系统原理框图： 传感器直接与被测对象联系， 即传感器是检测系统的信号源， 是检测系统中十分重要的 部分，其性能的好坏直接影响检测系统的精度和其他指标。 传感器的作用是感受被测量并转换成可用输出信号传送给信号调理单元。 4、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：测量位移 c) 应变式扭矩传感

20、器：测量扭矩 5、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。 6、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

21、）和传输 型光纤传感器按照其特点应该选用哪种光纤？ 答：光纤工作的基础是光的全反射， 当射入的光线的入射角小于纤芯与包层间的临界角 时，就会在光纤的接口上产生全反射， 并在光纤内部反复逐次反射， 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。 7、什么是应变片的灵敏系数？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，在其轴线方向的单 向应力作用下，应变计阻值的相对变化与试件表面轴向应变之比即为应变片的灵敏系数。 应变片的灵敏系数与相应长度单根应变丝的灵

22、敏系数不同， 一般情况下， 应变片的灵敏 系数小于相应长度单根应变丝的灵敏系数 , 原因有 : 第一 , 单向应力作用下产生的应变 , 在传 递到敏感栅的过程中会产生失真； 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，但由于存在横向效应 , 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，使灵敏系数下降。 二、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。压电式传感器的工作原理是基于压电材料的压电效应。 故它相 1）压电式传感器对被测量的变化是通过其压电元件产生电荷量的大小来

23、反映的， 当于一个电荷源。 容量为： 2） 压电 它又相当于一个以压电材料为电介质的电容器， 其电 如图所示。 在开路状态， 输出 因此压电传感器可以等效成一个与电容相并联的电荷源， 端电荷为： 压电传感器也可以等效为一个与电容相串联的电压源，如图所示。在开路状态下， 容器上的电压 U 为： 由等效电路可见 ,由于压电传感器的内部信号电荷存在泄露, 对于静态或低频准静态测 量存在误差 , 只适用于动态测量。 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。 分别代表铂电阻传感器（温度为 0时电阻为 100 ），铜电阻传感器 （ 温度为 0

24、时电 阻为 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，连接导线电阻所造成的测量误差。 3、用 K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？ K型热电偶分度表 测量端温 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 度 热电动势 (mv) +20 0.80 0.84 0.88 0.92 0.96 1.00 1.04 1.08 1.12 1.16 +60 2.44 2.48 2.52 2.56 2.60 2.64 2.70 2.73 2.77 2.81 +600 24.

25、91 24.95 24.99 25.03 25.08 25.12 25.16 25.20 25.25 25.29 +620 25.76 25.80 25.84 25.88 25.92 25.97 26.01 26.05 26.09 26.12 +640 26.60 26.64 26.69 26.73 26.77 26.81 26.86 26.90 26.94 26.98 +660 27.45 27.50 27.53 27.57 27.62 27.66 27.70 27.74 27.78 27.83 答：不对。因一般热电偶测温仪表冷端补偿温度为室温(即 20), 此例冷端温度为 65, 应 以下

26、计算 : E(t,0)= E(600,0)+ E(65,20) 查 K 分度表得 : E(600,0)=24.91mV E(65,0)=2.64 mV E(20,0)=0.80 mV 因此 E(t,0)= 24.91+2.64-0.80 =26.75 (mV) 查 K分度表得 : t=643 12 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。 4、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

27、要 温度补偿装置。 测量电桥和显示电表组成。 图中 G 为指示电表， R1、 R2、 R3 为固定电阻， Ra 为零位调节电阻。热电阻都通过电阻 三、下面是热电阻测量电路，电路中已知R1、R2、R3和 E，且 R1=R3，Rt 是热电阻 ,说明电路工 作原理 , 且说明 Ra 应如何调整。 答： 1） 该热电阻测量电路由热电阻、 图中 R2=R3=R 是固定电阻， 桥路处于平衡状态，当应变片受力 Ucd表示应变片应变后电阻值的变化 U cd U cb Udb 略去 R的二次项 , 即可得 Ucd E R E R R R R R R ER 2R 2R R E 2 2 E 4R2 R2 分别为 r

28、 2、 r 3、 Rg的三个导线和电桥连接， r2和 r 3分别接在相邻的两臂，当温度变化时，只 要它们和 Rg 分别接在指示电表和电源的回路中，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 R2=Ra+Rt0, R t0为热敏电阻在参考温度（如 0 C）时的电阻值。 四、分析、计算题： （ 20 分） 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， R1与 R4是电阻应变片，工作时 R1受拉， R4受压， R=0， 发生应变时，桥路失去平衡，这时，就用桥路输出电压 量。试证明： Ucd E R。（10 分） cd cd 2 R 证明： R1 R R R4 R R

29、三、分析、计算题： （ 35 分） 1、设 5 次测量某物体的长度， 若忽略粗大误差和系统误差，试求在 （ 5 分） x 1xi ni1 其测量的结果分别为： 9.8cm 、10.0m、10.1cm、9.9cm、10.2cm， 99.73 的置信概率下，对被测物体的最小估计区间。 (9.8 10.0 10.1 9.9 10.2) 10 vi x1 x,分别为 -0.2 、 0、0.1 、-0.1 、0.2 1n2 vi0.16 n 1i 1 i x 3 ,x 3 9.52,10.48 1、 设 6 次测量某物体的长度， 其测量的结果分别为： 9.8cm、10.0cm、10.1cm 、9.9cm、10.2cm、 10.1cm ，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：平均值 x 9.8 10 10.1 9.9 10.3 10.1 10.03， 6 vi x1 x,分别为