自动检测技术及应用期终考试试卷 一卷

1、自动检测技术及应用期终考试试卷 一卷班级 姓名 学号 教师 题号一二三四五六七八得分得分得分评卷人复核人一、填空题（每空1分，共 40分）1、一个完整的检测系统或检测装置通常由 传感器 、 测量电路 、 传出单元 和 显示装置 等部分组成。2、若已知某直流电压的大致范围，选择测量仪表时，应尽可能选用那些其量程大于被测电压而又小于 被测电压的1.5倍 的电压表。3、导体或半导体材料在 外界力 的作用下，会产生 机械变形 ，其 电阻值 也将随着发生变化，这种现象称为应变效应。应变片传感器由_电阻应变片_和_测量电路_ _两部分组成。4、电桥按读数方法可分为两种，_平衡电桥_仅适合测量静态参数，而_

2、不平衡电桥_对静、动态参数都可测量；双臂电桥 比单臂电桥提高一倍，而且还具有 作用。5、金属热电阻的阻值随温度的升高而 ，为 ；半导体热电阻按其阻值与温度之间的变化关系可分为 和 两大类。6、电感式传感器利用 原理，将被测的非电量转换成 的 或 变化的一种装置。在实际工作中常采用 电感式传感器，既可以提高传感器的灵敏度，又可以减小测量误差。电感式传感器测量转换电路有： 、 和 等。6、电容式传感器的测量转换电路种类很多，常用的有_ _、_、_ _、_ _。7、热电偶定律包括 、 和 ，它们对热电偶的实际应用十分重要。8、物体受到光照以后，物体内部的原子释放出电子，这些电子仍留在物体内部，使物体

3、的 或产生 的现象称为 。9、霍尔元件一般采用 材料制成，霍尔电动势的大小正比于 和 ，霍尔元件的零位误差主要是 。得分评卷人复核人二、选择题（每空2分，共20分）1.某台测温仪表的测温范围是200600，而该仪表的最大绝对误差为3，该仪表的精度等级是（ D ）。A0.5级 B0.75级 C0.8级 D1.0级2.构成一个传感受器必不可少的部分是( B )。A转换元件 B敏感元件 C转换电路 D嵌入式微处理器3.湿敏电阻用交流电作为激励电源是为了( B )。 A. 提高灵敏度 B. 防止产生极化、电解作用 C. 减小交流电桥平衡难度 D. 节约用电4.（ A ）电容传感器的输出特性是线性的，灵

4、敏度是常数。A.变面积式 B.变极距式 C.变介电常数 D. 变面积式和变介电常数5.利用涡流传感器测量齿数Z=60的齿轮的转速，测得f=400Hz，则该齿轮的转速n等于（ A ）r/min。 A. 400 B. 3600 C. 24000 D. 606.天平属于( C )检测方法。A偏差法 B微差法 C零位法 D平衡法7.霍尔元件（ B ）霍尔传感器的灵敏度越高。A.越厚 B.越薄 C.没有关系 D.越大8.磁场垂直于霍尔薄片，磁感应强度为B，但磁场方向与原磁场强度相反（180）时，霍尔电动势( A )，因此霍尔元件可用于测量交变磁场。A绝对值相同，符号相反 B绝对值相同，符号相同C绝对值相

5、反，符号相同 D绝对值相反，符号相反9.绝对误差与被测量的真值Ax之比是（ B ）误差 。A.实际相对误差 B示值相对误差 C引用相对误差 D系统相对误差10.可听声波的频率范围一般为( C )。A20Hz200Hz B20Hz50Hz C20Hz20kHz D20Hz500Hz 得分评卷人复核人三、判断题（每空1.5分，共 15 分）1.精密度是指测量仪表值不一致程度的量。 （ ）2.传感器中弹性敏感元件的输出量是电量。（ ）3.变极距式电容传感器的输出特性是线性的。（ ）4.光敏二极管和光敏三极管都属于外光电效应元器件。（ ）5.霍尔元件的不等位电动势是霍尔零位误差中最主要的一种。（ ）6

6、.超声波频率越低，衰减就越快。（ ）7.在电涡流式传感器的设计和使用中不必考虑被测物的性质和结构。（ ）8.将两种不同材料的导体串接成一个闭合回路，如果两接合点的温度相同，则在两者间也将会产生电动势(热电势)。（ ）9.光电传感器是将被测量的变化转换成光信号的变化，然后通过光电元件转换成电信号，光电传感器属于非接触测量。（ ）10.某些电介质在沿一定方向上受到力的作用而变形时，内部会产生极化，同时在其表面有电荷产生，当外力去掉后，表面电荷应存在。（ ）得分评卷人复核人四、简答分析计算（共 25 分）1.为什么说压电式传感器只适用于动态测量而不能用于静态测量？（7分）答：当作用在压电元件上的力是

7、静态力时，前置放大器的输入电压等于零，其根本原因在于静态力所产生的电荷会立即通过前置放大器的输入电阻和传感器本身的漏掉，所以压电式传感器只适用于动态测量而不能用于静态测量。2.热电偶传感器冷端补偿一般有哪些方法？（8分）答： 1）冷端恒温法 2）冷端温度校正法 3）补偿导线法 ）电桥补偿法 5）采用结温度传感器作冷端补偿法3.下图是霍尔电流传感器的结构示意图，请分析填空。（10分）1）夹持在铁心中的导线电流越大，根据右手定律，产生的磁感应强度B就越 强 ，霍尔元件产生的霍尔电动势就越 大 。因此该霍尔式电流传感器的输出电压与被测导线中的电流 成正比 。2）由于被测导线与铁心、铁心与霍尔元件之间

8、是绝缘的，所以霍尔式电流传感器不但能传输电流信号，而且还能起到 隔离 作用，使后续电路不受强电的影响，例如击穿、麻电等。3） 如果被测电流小于30A，该电流产生的磁场可能太小，可采取 将被测导线缠绕几圈进行测量的措施，使穿过霍尔元件的磁场成倍增加，以增加霍尔元件的输出电压 。 参考答案（试卷一）一、填空题1、传感器 测量电路 输出单元 显示装置2、被测电压1.5倍（因为U2/3Umax）3、外界力 机械变形 电阻值 电阻应变片 测量电路4、平衡电桥 不平衡电桥 灵敏度 温度误差补偿5、增加 正温度系数 负温度系数热敏电阻 正温度系数热敏电阻6、电磁感应 电磁线圈 自感量 互感量 差动式 调幅电

9、路 调频电路 调相电路6、电桥电路 调频电路 运算放大器式电路 二极管T型网络7、中间导体定律 中间温度定律 参考电极定律8、电阻率发生变化；光电动势；内光电效应9、N型半导体 输入电流I 磁感应强度B 不等位电动势二、选择题1.D 2.B 3.B 4.A 5.A 6.C 7.B 8.A 9.B 10.C 三、判断题1、（ ）2、（）3、（）4、（） 5、（ ）6、（）7、（）8、（）9. （ ） 10（）四、简答分析计算1答：当作用在压电元件上的力是静态力时，前置放大器的输入电压等于零，其根本原因在于静态力所产生的电荷会立即通过前置放大器的输入电阻和传感器本身的漏掉，所以压电式传感器只适用于

10、动态测量而不能用于静态测量。2. 答： 1）冷端恒温法 2）冷端温度校正法 3）补偿导线法 ）电桥补偿法 5）采用结温度传感器作冷端补偿法（回答其中4个就算全对）3. 1）强 大 成正比。 2）隔离。 3）将被测导线缠绕几圈进行测量的措施，使穿过霍尔元件的磁场成倍地增加，以增加霍尔元件的输出电压。 2 处理、测量和控制等。 （5）电信号的放大与处理：这一部分主要是由各种电子线路所组成。光电检测系统中处理电路的任务主要是解决两个问题：实现对微弱信号的检测；实现光源的稳定化。 （6）存储、显示与控制系统：许多光电检测系统只要求给出待测量的具体值，即将处理好的待测量电信号直接经显示系统显示。 2、在

11、“反向偏置”电路中，有两种取得输出电压U0的方法：一种是从负载电阻RL上取得电压U0，另一种是从二极管两端取得电压U0。叙述两种方法的特点及它们之间的联系。（10分） (1)对于图a）所示的电路，光电信号是直接取出的，即U0=ILRL，而对于b）图，光电信号是间接取出的，U0=UC-ILRL； (2)两种电路输出的光电信号电压的幅值相等，但相位是相反的； (3)这两种方法只适合照射到PN结上的光强 变化缓慢和恒定光的情况，这时光电二极管的结电容不起作用，二极管本身的串联电阻很小，实际上可以略去不计。 (4)当二极管的光电流与暗电流接近时，光电信号难以取出，因此，运用反偏法检测微弱的恒定光时不利

12、的。 3、如果硅光电池的负载为RL，画出它的等效电路图，写出流过负载IL的电流方程及Uoc、Isc的表达式，说明其含义（图中标出电流方向）。（12分 硅光电池的工作原理和等效电路为下图： （a）光电池工作原理图 （b）光电池等效电路图 （c）进一步简化 从图（b）中可以得到流过负载RL的电流方程为： )1()1(/0/0-=-=KT qVsEKT qVspDpe iESe iiiii （1） 其中，SE为光电池的光电灵敏度，E为入射光照度，Is0是反向饱和电流，是光电池加反向偏压后出现的暗电流。 当i0时，RL（开路），此时曲线与电压轴交点的电压通常称为光电池开路时两端的开路电压，以VOC表示

13、，由式（1）解得： += 1ln0IIq kTVpOC （2）（4分） 当IpIo时，)/ln()/(0IIqkTVpOC 当RL0（即特性曲线与电流轴的交点）时所得的电流称为光电流短路电流，以Isc表示，所以 3 IscIpSeE （3）（4分） 从式（2）和（3）可知，光电池的短路光电流Isc与入射光照度成正比，而开路电压Voc与光照度的对数成正比。 1、为什么发光二极管的PN结要加正向电压才能发光？而光电二极管要零偏或反偏才能有光生伏特 效应？ 答：1. p-n结在外加正向偏压时,外加电压削弱内建电场,使空间电荷区变窄,载流子的扩散运动加强,构成少数载流子的注入,从而在p-n结附近产生导

14、带电子和价带空穴的复合。一个电子和一个空穴的一次复合将释放出与材料性 质有关的一定复合能量，这些能量会以热能、光能或部分热能和部分光能的形式辐射出来，产生电致发光现象，这就是LED的发光机理。 因为p-n结在外加正向偏压时，即使没有光照，电流也随着电压指数级在增加，所以有光照时，光电效应不明显。p-n结必须在反向偏压的状态下，有明显的光电效应产生，这是因为p-n结在反偏电压下产生的电流要饱和，所以光照增加时，得到的光生电流就会明显增加。 2、简述三种主要光电效应的基本工作原理 答： 当半导体材料受光照时，由于对光子的吸收引起载流子浓度增大，因而导致材料电导率增大，这种现象称为光电导效应，是一种

15、内光电效应。材料对光的吸收有本征型和非本征型，所以光电导效应也有本征型和非本征型两种。当光照射PN结时，只要入射光子能量大于材料禁带宽度，就会在结区产生电子空穴对。光生电子空穴对就被内建电场分离开来，空穴留在P区，电子通过扩散流向N区,这种光照零偏PN结产生开路电压的效应，称为光伏效应.当光照射到某种物质时，若入射的光子能量nh足够大，那么它和物质中的电子相互作用，可致使电子逸出物质表面，这种现象称为光电发射效应，又称为外光电效应。 3、光电探测器与热电探测器在工作原理、性能上有什么区别？ 答：所谓光电效应是指，光辐射入射到光电材料上时，光电材料发射电子，或者其电导率发生变化，或者产生感生电动

16、势的现象。光电效应实质上是入射光辐射与物质中束缚于晶格的电子或自由电子的相互作用所引起的。光电效应就对光波频率（或波长）表现出选择性。在光子直接与电子相互作用的情况下，其响应速度一般比较快。按照是否发射电子，光电效应又分为内光电效应和外光电效应。具体有光电子发射效应、光电导效应、光生伏特效应、光子牵引效应和光电磁效应等。 光热效应的实质是探测元件吸收光辐射能量后，并不直接引起内部电子状态的改变，而是把吸收的光能变为晶格的热运动能量，引起探测元件温度上升，温度上升的结果又使探测元件与温度有关的电学性质或其他物理性质发生变化。原则上，光热效应对光波频率（或波长）没有选择性，因而物质温度的变化仅决定

17、于光功率（或其变化率），而与入射光辐射的光谱成分无关。因为温度升高是热积累的作用，所以光热效应的响应速度一般比较慢，而且容易受环境温度变化的影响。光热效应包括热释电效应、温差电效应和测热辐射计效应等 4、简述光电探测器的选用原则 答：(1).光电检测器件必须和辐射信号源及光学系统在光谱特性上匹配。(2)光电检测器件的光电转换特性必须和入射辐射能量相匹配。(3) 光电检测器件的响应特性必须和光信号的调制形式、信号频率及波形相匹配，以保证得到没有频率失真和良好的时间响应。(4) 光电检测器件必须和输入电路以及后续电路在电特性上相互匹配，以保证最大的转换系数、线性范围、信噪比以及快速的动态响应等。

18、5、简述光电池、光电二极管的工作原理及区别？ 答：光电池和光电二极管都是基于光伏特效应的原理进行工作,只不过光电池可以工作在零偏状态下,是光伏工作模式,器件内阻远低于负载电阻,相当于一个恒压源;而光电二极管必须在反偏电压下才能工作,是光电导工作模式,器件内阻远大于负载电阻,此时器件相当于一个恒流源. 1、叙述光电池低输入阻抗和高输入阻抗放大电路的特点和区别，各应用于什么场合？(10分) 答： 当光电池后接低输入阻抗放大电路时，其工作在短路或线性电流放大状态，这是一种电流变换状态，要求硅光电池送给负载电阻RL（这时RLRm，且RL0）的电流与光照度成线性关系。如果需要放大信号，则应选用电流放大器

19、。为此要求负载电阻或后续放大电路输入阻抗尽可能小，才能使输出电流尽可能大，即接近短路电流Isc，因为只有短路电流才与入射光照度有良好的线性关系。另外，在短路状态下器件的噪声电流较低，信噪比得到改善， 4 因此适用于弱光信号的检测。 当光电池后接高输入阻抗放大电路时，其工作在线性电压输出和空载电压输出（开路电压输出）状态。当负载电阻很小甚至接近于零的时候，电路工作在短路及线性电流放大状态；而当负载电阻稍微增大，但小于临界负载电阻Rm时，电路就处于线性电压输出状态，此时RLRm且RL，要求光电池应通过高输入阻抗变换器与后续放大电路连接，相当于输出开路。 2、光敏电阻工作电路的三种偏置方法有什么特点

20、？ (10分) 答：(1) 恒功率偏置: 输出电压URRRSURIRU LLpgbpLL D=DF+= D=D2 2 ) (并不随负载电阻线性变化，要使 LUD最大，须将式对RL微分，有 DF+-=D3 2 ) ()(LpLppg b L L RRRRRSU dR Ud 当负载RL与光敏电阻RP相等时，即RL=RP，表示负载匹配，L L dR U dD0，则LUD最大。此时探测器的输出功率最 大，即 PL=ILUL Ub2 /4RL 则称为匹配状态。 (2) 恒流偏置: 在基本偏置电路中，若负载电阻RL比光敏电阻RP大得多，即RLRP，则负载电流IL简化为 IL=Ub/RL 这表明负载电流与光

21、敏电阻值无关，并且近似保持常数，这种电路称为恒流偏置电路。随输入光通量的变化，负载电流的变化IL变为 DIL=SgUb(RP/RL)2 D 上式表明输出信号电流取决于光敏电阻和负载电阻的比值，与偏置电压成正比。还可以证明恒流偏置的电压信噪比较高，因此适用于高灵敏度测量。但由于RL很大，使光敏电阻正常工作的偏置电压则需很高（100V以上），这给使用带来不便。为了降低电源电压，通常采用晶体管作为恒流器件来代替RL。 (3) 当负载电阻RL比光敏电阻RP小得多，即RLRP时，负载电阻两端的电压为 UL 0 此时，光敏电阻上的电压近似与电源电压相等。这种光敏电阻上的电压保持不变的偏置称为恒压偏置，信号

22、电压变为 DUL=SgUbRLD 式中，SgG是光敏电阻的电导变化量，是引起信号输出的原因。 从上式中看出，恒压偏置的输出信号与光敏电阻无关，仅取决于电导的相对变化。所以，当检测电路更换光敏电阻值时，恒压偏置电路初始状态受到的影响不大，这是这种电路的一大优点。 3、叙述实现光外差检测必须满足的条件。(12分) 答：信号光波和本振光波的波前在整个光混频面上必须保持相同的相位关系。光外差检测只有在下列条件下才可能得到满足：信号光波和本征光波必须具有相同的模式结构，这意味着所用激光器应该单频基模运转。 信号光和本振光束在光混频面上必须相互重合，为了提供最大信噪比，它们的光斑直径最好相等，因为不重合的

23、部分对中频信号无贡献，只贡献噪声。 信号光波和本振光波的能流矢量必须尽可能保持同一方向，这意味着两束光必须保持空间上的角准直。 在角准直，即传播方向一致的情况下，两束光的波前面还必须曲率匹配，即或者是平面，或者有相同曲率的曲面。 在上述条件都得到满足时，有效的光混频还要求两光波必须同偏振，因为在光混频面上它们是矢量相加。 总之,要满足时间,空间条件外,还有满足频率条件和偏振条件. 4、对直接检测系统来说，如何提高输入信噪比？ (12分) 答：对于光电检测系统来说，其噪声主要有三类： （1）光子噪声 包括：A.信号辐射产生的噪声；B.背景辐射产生的噪声。 （2）探测器噪声 包括：热噪声；散粒噪声

24、；产生复合噪声； 1/f 噪声；温度噪声。 （3）信号放大及处理电路噪声 5 在实际的光电探测器中，由于光电转换机理不同，各种噪声的作用大小亦各不相同。若综合上述各种噪声源，其功率谱分布可用下图表示。由图可见：在频率很低时，1/f噪声起主导作用；当频率达到中间范围频率时，产生复合噪声比较显著；当频率较高，甚至于截至频率时，只有白噪声占主导地位，其它噪声影响很小。很明显，探测器应当工作在1/f噪声小、产生-复合噪声为主要噪声的频段上。 因此，对于直接探测系统，提高输入信噪比的措施有： （1）利用信号调制及选频技术可抑制噪声的引入 白噪声的大小与电路的频带宽度成正比，因此放大器应采用带宽尽可能窄的选频放大器或锁相放大器。 （2）将器件制冷，减小热发射，降低产生-复合噪声。 采用半导体制冷、杜瓦瓶液态气体制冷或专用制冷机制冷。 （3）采用最佳条件下的偏置电路，使信噪比（S/N）最大 图 光电探测器噪声功率谱分布示意图 5、叙述激光干涉测长的原理。(16分) 答：如图所示是双纵模双频激光干涉仪的原理示意图。 图 双纵模双频激光干涉仪原理示意图 由长度为206mm的全内腔He-Ne激光管发出一对互相垂直的双纵模线偏振光，模间隔为nLc2/=Dn（式中c为光速，L为谐振腔长，n为空气折射率，其值约728MHz），经布儒特窗取出稳频信号，进行热稳频。其余光束再经析光镜反射及