传感器试卷及答案5

1、传感器与检测技术试题 一、填空：（20分） 1, 测量系统的静态特性指标主要有线性度、迟滞、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 电流时的霍尔电势大小。 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 233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

2、仪表。 4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，其表达式为Eab（T，To） =-（T TO）1 n山a B）dT。 eNb 在热电偶温度补偿中补偿导线法（即冷端延长线法）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，当街铁移动靠近铁芯时

3、，铁芯上的线圈电 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 Rx =（Xmax/x Rmaxx/Xmax Rmax, Xmax/XRmaxX/XmaxRmax）来计算，其中电阻灵敏度 Rr=（ 2p（b+h）/At, 2pAt/b+h, 2A（b+b）/pt, 2Atp（b+h） 1、变面积式自感传感器，当衔铁移

4、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，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），与副方线圈的匝数成（ 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、热电偶所产牛的热电热是由两种导体的接触电热和

5、单一导体 的温差电热组成。 2、 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 _电阻应变效应 形成的，而的电阻变化 主要是由 温度效应造成的。 半导体 材料传感器的灵敏度较大。 3、在变压器式传感器中，原方和副方互感M的大小与绕组匝 数 成正比，与 穿过线圈的磁通_成正比，与磁回路中 磁阻成反比， 而单个空气隙磁阻的大小可用公式 表示。 1. 热电偶所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，其表达式为Eab（T,T） =k（T To）lT0（ A B）dT。 eNb 在热电偶温度补偿中，补

6、偿导线法（即冷端延长线法）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。（7 分） 3.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 电位器全长为Xmax，其总电阻为 Rmax,它的滑臂间的阻值可以用 Rx=- R max来计算。假定加在电位器A、B之间的电压为Vmax， X max X max At 则输出电压为Vx二 一 V max。其电阻灵敏度R=h）。电压灵 敏度如晋。（7分） 5.磁电式传感器是利用导体和磁场发生相对运动而在导体

7、两端 产生感应电势的。而霍尔式传感器为霍尔元件在磁场中有电磁效应 （霍尔效应）而输出电势的。霍尔式传感器可用来测量电流，磁场, 位移，压力。（6分） 1 增大时，驾 中，（ 圈的匝数 简答题 8测量系统的静态特性指标通常用输入量与输出量的对应关系来 表征（5分） 变）。 4 ? 铁积上式圈感传感量 （当衔增动使磁空 y圈减 3、在 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，从电位差计测得热电势为，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度（20分） 镍铬-镍硅热电偶分度表 测量端 温度C 0 1 2 1 3 4 5 6 7 8 9

8、 执 八、 电 动 势 (mv) -20 -10 -0 +0 + 10 +20 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：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

9、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，它的电阻值相应发生变化。 1、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、（ 10 分） 答：传感器的特性是指传感器所特有性质的总称。 而传感器的输 入输出特性是其基本特性， 一般把传感器作为二端网络研究时， 输入 输出特性是二端网络的外部特性， 即输入量和输出量的对应关系。 由 于输入量的状态（静态、动态）不同分静态特性和动态特性。静态特 性是指当输入量为常量或变化极慢时传感器输入 -输出特性。动态特 性指当输入量随时间变化时传感器的输入 - 输出特性。可以从时域和 频域来研究动态特性 2、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

11、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。 3、分析应变片式传感器在使用单臂电桥测量电路时由于温度变 化而产生测量误差的过程。 （10 分） 答：在外界温度变化的条件下， 由于敏感栅温度系数 t 及栅丝与试件 膨胀系数（g与s）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。 二、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。

12、 试阐述消除和减小寄生电容影响的几种 方法和原理。（ 15 分） 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） 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

13、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。 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。 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：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

14、：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，

15、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To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。 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，To ）时分别为Eac T,To ，Ebc T,T。， 那么爱相同温度下，又 A、B 两

16、热电极配对后的热电势为 EAB T,T0 E AC 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：a ooc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。 （ 1o 分） 答：霍尔组件可测量磁场、电流、位移、压力、振动、转

17、速等。 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 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、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

18、映光敏元的位置，这就起到图像传感器的作用。 一、 简答题（ 3o 分， 6 分/题） 1、从传感器的静态特性和动态特性考虑，详述如何选用传感器。 答：考虑传感器的静态特性的主要指标，选用线性度大、迟滞 小、重复性好、分辨力强、稳定性高、抗干扰稳定性高的传感器。考 虑动态特性，所选的传感器应能很好的追随输入量的快速变化，即具 有很短的暂态响应时间或者应具有很宽的频率响应特性。 2、直流电桥和交流电桥有何区别直流电桥的平衡条件是什么应 变片式电阻传感器、自感式、互感式、涡流式、电容式、热电阻 式传感器分别可采用哪种电桥作为测量电路 答：根据电源不同分为直流和交流电桥。直流电桥优点：高稳定 度直流电

19、源容易获得，电桥平衡电路简单，传感器至测量仪表的 连接导线分布参数影响小。但是后续要采用直流放大器，容易产 生零点漂移，线路也较复杂。交流电桥在这些方面都有改进。直 流电桥平衡条件：R1/R2二R3/R4，RiRa=RzR3o 解：Lo 3、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 W2 o W2 oSo 2(1。 l) 2lo W2 0S0 2lo L LLo W2 oS。lo 2lo lo l 2 差动式灵敏度:S 组1 lolo lo 比较 2 与单极式传感器灵敏度S-to 1- lo lolo 灵敏度提高一倍，非线性大大减少。 4、光电池的工作原理，指出它应工作在电流源还是

20、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

21、上其它敏感元件 才能组成传感器。多模。 6、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。 传感器处于研究对象与测试系统的接口位置，即检测与控制 之首。传感器是感知、获取与检测信息的窗口，一切科学研究与 自动化生产过程要获取的信息都要通过传感器获取并通过它转换 成容易传输与处理的电信号，其作用与地位特别重要。 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。 测量，哪些用于接触式测量，测量何种物理量（各

22、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 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 C150C，精度级，求 当示值分别为-20C ,100C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 士 ，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，一只级，测量范围 0500V;另一只级，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：150 0.5% 0.75 C -20 C时相对误差为： 0.75 20 100% 3.75% 100C时相对误差为: 0.75 100%0.75%