传感器试题与答案

1、传感器与检测技术试题1 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 。（2 分） 2. 霍尔元件灵敏度的物理意义是 。（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 效应，这类元件有；第二类是利用在 光线作用下效应，这 类元件有；第三类是 利用在光线作用下 效应，这类元 件有。 4. 热电偶所产生的热电动势是 电动势和电动势组 成的，其表达式为Eab（ T, T0）=。在热电偶温度补偿 中补偿导线法（即冷端延长线法）是在 和之 间，接入，它的作用。 5压磁式传感器的工作原理是：某些铁

2、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 ，这种现象称 为。相反，某些铁磁物质在外界磁场的作用下会 产生，这种现象称为 。（2分） 6. 变气隙式自感法感器，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 Fk =（Xmax/x Rmaxx/Xmax Rmax, Xmax

3、/XRmaxX/XmaxRmax）来计算，其中阻灵敏度 Rr二 （ 2p（b+h）/At, 2pAt/b+h, 2A（b+b）/pt, 2Atp（b+h）。（4 分） 二、用镍铬一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-，此时电位差计 所处的环境温度为15C，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 执 八、 电 动 势 (mV) 温度C 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 -20 -10 -0 +0 + 10 +20 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

4、方法（20分） 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） (a) 1.已知Rt是PtIOO铂电阻，且其测量温度为 T=50C，试计算出Rt 的值和 Ra 的值（ 10 分） 2.电路中已知Ri、R2、R3和E,试计算电桥的输出电压 Uab。（5分） 其中（Ri=10kQ, R2=5kQ, R3=10kQ, E=5V 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） 8-2 传感器与检测技术试题1答案 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

5、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U 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

6、温差电动势组成的，其表达式为 Eab （ T， To） = k（T To）lA a bMt。在热电偶温度补偿中补偿导线法（即冷 eNb 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

7、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 Fk =（Xmax/x Rmaxx/Xmax Rmax, Xmax/XRmaxX/XmaxRmax）来计算，其中电阻灵敏度 Rr二 （ 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，

8、从电位差计测得热电动势为，此时电位差计所 处的环境温度为15C,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 执 八、 电 动 势 (mV) 温度C 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 -20 -10 -0 +0 +10 +20 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

9、。 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

10、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PtIOO铂电阻，且其测量温度为 T=50C，试计算出Rt 的值和Ra的值（10分） 2. 电路中已知Ri、R2、R3和E,试计算电桥的输出电压 Uab。（5分） (a) 其中(Ri=10kQ, R2=5kQ, R3=10kQ, E=5

11、V) 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，Ri、R2、Rs为固定电阻，Ra为零位调节电阻。 热电阻都通过电阻分别为 2、rm Rg的三个导线和电桥连接，r2和rs 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+Rto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。 Rt Ro(1 At Bt 2) 100 13.94010 350( 5.80210 7)50 2 1

12、19 .55 20 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 （ 分） 自己动手实践。 传感器与检测技术试卷 2 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

13、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 传感器通常由直接响应于被测量的和产生可用信号输出的 以及相应的成。 5. 热电偶所产生的热电动势是由电动势和 电动势组成。 6. 偏差式测量是指在 的方法；零位测量是指 的 方法；微差式测量是 的方法。 二、简答题：（50分） 1. 简述霍尔电动势产生的原理。（6分） 2. 简述热电偶的工作原理。 （6 分） 3. 以石英晶体为例简术压电效应产生的原理。 （6 分） 4. 简述电阻应变片式传感器的工作原理（ 6 分） 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

14、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） 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） 7. 如图所示，Rt是PtIOO铂电阻，分析下图所示热电阻测量温 度电路的工作原理，以及三线制测量电路的温度补偿作用。（6分） (a) 8-2 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） 2-7 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

15、况。（已知空气气隙的长度为x1和x2,空气隙的 面积为S,磁导率为，线圈匝数 W不变） （10 分） 1 xl 2 Trm i L 传感器与检测技术试卷 2答案 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），

16、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 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。 、简答题：（50 分） 1. 简述霍尔电动

17、势产生的原理。 （6 分） 答：一块长为I、宽为d的半导体薄片置于磁感应强度为磁场 （磁 场方向垂直于薄片）中，当有电流 I 流过时，在垂直于电流和磁 场的方向上将产生电动势 Uh。这种现象称为霍尔效应，也是霍 尔电动势的产生原理。 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：

18、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。 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，

19、它的电阻值相应发生变化。 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 输入一输出特性。 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。 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

20、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。 7. 如图所示，Rt是PtIOO铂电阻，分析下图所示热电阻测量温 度电路的工作原理，以及三线制测量电路的温度补偿作用。（6分） （a） 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，Ri、F2、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 匕、rm Rg的三个导线和电桥连接，r2和rs 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

21、R4=Ra+Rto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。 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 2-7 阻R_带来的负载误差，并计算它与位移 x之间的关系。（10分） 2.分析下图所示自感传感器，当动铁心左右移动（xi,x2发生变 化）时自感L变化情况。（已知空气气隙的长度为xi和X2,空气隙的 面积为S,磁导率为，线圈匝数 W不变）。（10分） 答案略 传感器与检测技术试卷 3 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: X Y

22、试用最小二乘法拟合直线，求其线性度和灵敏度。（10分） 二、下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=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表示应变片变后电阻值的 变化量。试证明：Ucd=-（日2） （ RR）。（10分） cd 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） 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

23、 是什么温度补偿的方法有哪几种请详细推导分流法。 （10 分） 五、论述CCD的工作原理，如何用设计一台摄像机 6 分） 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） 七、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 （ 8 分） 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） 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1040C, A/D转 换为 10 位

24、数字（包括硬件和软件） 。（15 分） 传感器与检测技术试卷3答案 班级：学号：姓名：成绩: 、测得某检测装置的一组输入输出数据如下: X Y 试用最小二乘法拟合直线，求其线性度和灵敏度。（10分） 解：y kx b iyi(kxb) n xyiXj % n X2( Xj)2 (Xj2 yj Xj x) 2/72 n人(为) 代入数据求得k 0.68 b 0.25 所以 y 0.68x 0.25 4 0.238 4 0.354 0.16 4 0.11 4 0.126 4 0.194 L 0.35 L 100% 7% yFS 5 拟合直线灵敏度k 0.68,线性度土 7% 二、下图所示电路是电阻

25、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=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表示应变片变后电阻值的变化量。试证明: Ucd二(E/2) ( R/R)。(10 分） 证明：R R R R4 R R U cd U cb U db 2R R 匚 2 2 E 4R R 略去R的二次项，即可得Ucd E _R 2 R 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：

26、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

27、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To时的热电动势等于 该热电偶热端为T冷端为Tn时的热电动势与同一热电偶热端为 Tn，冷端为To时 热电势的代数和。 应用：对热电偶冷端不为00C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

28、。 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 ，那么爱相同温度下， 又 A、 B 两热电极配对后的热电动势为 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 0C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

29、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SO?，再 在SQ2薄层上依次序

30、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

31、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。 七、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( 8 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