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 o（ 2 分）2. 霍尔元件灵敏度的物理意义是 o（ 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 CT, 7D） =。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

2、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 , 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 o （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Xnax,其总电阻为Rmax,它的滑臂间的阻值可以用 Rx =（ 而iax/x 73nax，x/Ufnax 7

3、3nax, 而iax/"nax脂而iax73nax）来计算，其中阻灵敏度 Rr=（2/?（辨方）/ 班， 2pAt/bAh, 2A （净 0 / pt,）。（4 分）二、用镣铭一镣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一 1.19初此时电 位差计所 处的环境温度为15°C,试求该时刻温箱的温度是多少摄氏度？ （ 20分）镣倍-镣硅热电偶分度表测量端八、电动势(mV)温度。C0123456789-20-0.77-0.81-0.84-0.88-0.92-0.96-0.99-1.03-1.07-1.10-10-0.39-0.4

4、3-0.47-0.51-0.55-0.59-0.62-0.66-0.70-0.74-0-0.00-0.04-0.08-0.12-0.16-0.20-0.23-0.27-0.31-0.35+00.000.040.080.120.160.200.240.280.320.36+ 100.400.440.480.520.560.600.640.680.720.76+200.800.840.880.920.961.001.041.081.121.16三、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）8-2四、下面是热电阻测量电路，试说明电路工作原理并计算

5、（5分）(a)1.已知Rt是PtIOO伯电阻，且其测量温度为 T=50°C ,试计算出危的值和屐的值 （10 分）2, 电路中已知义、此、艮和 E,试计算电桥的输出电压 uab。 （5分）作原其中（R=10kQ, R2=5kQ，艮=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）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

6、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导体的温差电动势组成的，其表达式为 Eab（ T , To）业（T-7L）In坦+ 。在热电偶温度补偿中补偿导线法（即冷eNb端延

7、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

8、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 Xnax,其总电阻为 Rmax,它的 滑臂间的阻值可以用Rx =（ 而iax/x Tttoax,x9ax 78nax, 品 iax/j73nax"八fnaxTSiiax）来计算，其中电阻灵敏度 Rr=（ 2（辨方）/ 班,"h,/pt, 2Atp（ M/z）o（4分）二、用镣铭-镣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-1.19m V,此时电 位差计所处的环境温度为15°C,试求该时刻温箱的温度是多少摄氏度？ （ 20分）镣铭-镣硅热电偶分度

9、表测量端温度。C执、电动势(mV)0123456789-20-0.77-0.81-0.84-0.88-0.92-0.96-0.99-1.03-1.07-1.10-10-0.39-0.43-0.47-0.51-0.55-0.59-0.62-0.66-0.70-0.74-0-0.00-0.04-0.08-0.12-0.16-0.20-0.23-0.27-0.31-0.35+00.000.040.080.120.160.200.240.280.320.36+ 100.400.440.480.520.560.600.640.680.720.76+200.800.840.880.920.961.001.

10、041.081.121.16三、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。 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

11、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

12、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钳电阻，且其测量温度为 T=50°C,试计算出Rt的值和屐 的值（10分）2, 电路中已知义、电、凡和瓦试计算电桥的输出电压uab。 （5分）(a)其中( R=10kQ, R2=5k Q , R=10kQ, E=5V) 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、彪、穴3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、,3、冬的三个导线和电桥连接，,2 和尸 3 分别接在相邻的两臂，当温度变化时，只要它们的冬分别接在指示

13、 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 0。 0 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 = 7? 0 (1 + At + Bt 2)=100 1 + 3.940 x 10 一 3 x 50 + (-5.802 x 10 -7) x 50 2Q =119 .55 Q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)自己动手实践传感器与检测技术试卷 2班级：学

14、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），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 组成。5. 热电偶所产生的热电动势是由 电动势

15、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）只研究研究传感器的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 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 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、10 分）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7.如图所示,Rt是P

16、tIOO伯电阻，分析下图所示热电阻测量温EARR8-2o6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）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三、分析、计算题:（20 分）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, 分析下图所示自感传感器，当动铁心左右移动（xl,x2发生变 化）时自感Z变化情况。（已知空气气隙的长度为xl和x2,空气隙的面积为S,磁导率为，线圈匝数牧不变 ）o （10分）1工1i2传感器与检测技术试卷 2答案班级：学号：姓名：成绩：一一、 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

17、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），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

18、温差电动势组成。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：（50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 / 流过时，在垂直于电流和磁 场的方向上将产 生电动势麝。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

19、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

20、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。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般要研究传感静态特性就能够满足通常的需要，而在什么频域条件下一器的动态特性。（10分）一输出输出特条件下测量误答：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 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性。在时域条件下只研究静态特性

21、就能够满足通常的需要，而在频域 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、 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：输入片测暈值相对“值输出1测谴谋卑 测量值是通过直接或间接通过仪表测量出来的数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。（6 分）7, 如图所示，Rt是PtIOO钳电阻，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（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、

22、电、凡为固定电阻，Ra为零位调节电阻。热电阻都通过电阻分别为，2、，3、此的三个导线和电桥连接，2和尸3分别接在相邻的两 臂，当温度变化时，只要它们的此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+Rt为电阻在参考温度（如 0。0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R 八 maxt/ +o化）时面积为U2-7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分析下图所示自感传感

23、器，当动铁心左右移动（xg发生变自感变化情况。（已知空气气隙的长度为X1和X2 ,空气隙的S,磁导率为，线圈匝数牧不变 ）o （10分）X1 x2QI答案略传感器与检测技术试卷3班级：一学号：一姓名：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。（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与四是电阻应变片，工作时 R1受拉，R4受 压， R0,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

24、出电压伙 d表示应变片变后电阻值的 变化量。试证 明：Ucd二-（矽 2） （屏扪。（10分）cb Ucd原理 误差的方念是三、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 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 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

25、）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：测温范围一10? 40°C, A/D 转 换为 10位数字（包括硬件和软件）。 （15 分）传感器与检测技术试卷3答案班级：一学号：一姓名：成绩：、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。（10分）解

26、：y二kx + bA,- = v, (kx i +A)k =心况-古勺（Lx；）2b =(勺为-勺£“.)-(Lx, )2代入数据求得上=0.68 3 = 0.25所以 v = 0.68% + 0.254 = 0.238 J2 = -0.354 = -0.164 = 0.11 4 = -0.126 4, = -0.194/l = X100% = + = 7%NFS5拟合直线灵敏度S0.68,线性度±7%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固定电阻，A1与A4是电阻应变片，工作时 A1受拉，夫4受压，桥路 处于平衡状态，当应 变片受力发

27、生应变时，桥路失去平衡，这时，就用桥路输出电压化d表示应变片变后电阻值的变化量。试证明：化d=- （&2） （ 0用。（10证明：R=R+ AR % = R _ ARETTUg= Ucb Ujb =R RE E R + AR + R R-AR + R2RAR 厂- E 47?2-A7?2略去 M 的二次项，即可得 Sd = -与?等三、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：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

28、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

29、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,冷端为扃时的热电动势等于该热电偶热端为T冷端为7;时的热电动势与同一热电偶热端为Tn,冷端为T。时 热电势的代数和。应用：对热电偶冷端不为 0°。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, T。）时分别为

30、氐（T,To）, EB#，L），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，L）= E,4C（T，L）-EBC（T，L）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 与标准伯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： aO°C 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动势的概念是什么？ 温度补偿的方法有哪几种？请详细

31、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f人一台摄像机。（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 S,Q,再在§0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

32、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

33、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