传感器与测试技术复习题与答案

传感器与测试技术复习题与答案一、选择题1.下列哪一种传感器不属于有源传感器（）A.压电式传感器B.热电偶传感器C.霍尔传感器D.光电式传感器答案：D。有源传感器是将非电量转换为电能量的传感器，压电式传感器利用压电效应将力转换为电荷，热电偶传感器基于热电效应将温度差转换为电动势，霍尔传感器利用霍尔效应将磁场转换为电压，它们都属于有源传感器；而光电式传感器需要外部光源照射，本身不产生电能量，属于无源传感器。2.金属电阻应变片的工作原理是基于（）A.压电效应B.热电效应C.应变效应D.霍尔效应答案：C。金属电阻应变片的工作原理是基于应变效应，即金属导体在外力作用下发生机械变形时，其电阻值会随之发生变化；压电效应是压电材料受力产生电荷的现象；热电效应是不同导体连接形成回路，在两连接点温度不同时产生电动势的现象；霍尔效应是在磁场中，通有电流的半导体薄片产生横向电压的现象。3.变极距型电容传感器的灵敏度与极距（）A.成正比B.成反比C.成平方反比D.成线性关系答案：C。变极距型电容传感器的电容表达式为C=，对其求导可得灵敏度K4.电感式传感器采用变压器式交流电桥测量电路时，下列说法正确的是（）A.衔铁上移时，电桥输出电压为正B.衔铁下移时，电桥输出电压为正C.衔铁上移或下移时，电桥输出电压的大小和方向都不变D.衔铁上移或下移时，电桥输出电压的大小不变，但方向改变答案：D。电感式传感器采用变压器式交流电桥测量电路时，衔铁上移或下移会使电感发生变化，电桥输出电压的大小与电感变化量有关，而方向取决于衔铁移动方向，当衔铁上移或下移时，电桥输出电压的大小不变，但方向改变。5.热电偶的冷端补偿方法中，冷端温度修正法适用于（）A.冷端温度恒定的情况B.冷端温度变化不大的情况C.冷端温度变化较大的情况D.任何情况答案：B。冷端温度修正法是根据热电偶的热电特性，在测量结果中加上冷端温度对应的热电势，这种方法适用于冷端温度变化不大的情况，因为如果冷端温度变化较大，修正值会不准确。6.光电效应中，光电子逸出物体表面的现象称为（）A.外光电效应B.内光电效应C.光生伏特效应D.光电导效应答案：A。外光电效应是指在光的作用下，物体内的电子逸出物体表面的现象；内光电效应是指光照射在半导体材料上，使材料内部的载流子浓度增加，从而导致材料的电学性质发生变化的现象；光生伏特效应是指光照射在半导体PN结上，产生电动势的现象；光电导效应是内光电效应的一种，是指半导体材料在光的照射下，其电导率发生变化的现象。7.超声波在介质中传播时，遇到障碍物会发生反射，反射波与入射波的关系取决于（）A.障碍物的大小B.障碍物的形状C.障碍物的材料D.以上都是答案：D。超声波在介质中传播时，遇到障碍物会发生反射，反射波与入射波的关系取决于障碍物的大小、形状和材料等因素。障碍物的大小会影响反射波的强度，形状会影响反射波的方向，材料会影响反射波的幅度和相位等。8.传感器的静态特性指标中，线性度是指（）A.传感器输出与输入之间的线性关系程度B.传感器输出与输入之间的比例关系程度C.传感器输出与输入之间的非线性误差程度D.传感器输出与输入之间的迟滞误差程度答案：C。线性度是指传感器输出与输入之间的非线性误差程度，通常用最大非线性误差与满量程输出值的百分比来表示。9.下列哪种传感器可以用于测量加速度（）A.应变式传感器B.电容式传感器C.压电式传感器D.以上都是答案：D。应变式传感器可以通过测量质量块在加速度作用下产生的应变来测量加速度；电容式传感器可以利用质量块在加速度作用下引起电容变化来测量加速度；压电式传感器利用压电效应，在加速度作用下产生电荷来测量加速度。10.传感器的动态特性指标中，上升时间是指（）A.传感器输出从稳态值的10%上升到90%所需的时间B.传感器输出从稳态值的0%上升到100%所需的时间C.传感器输出从初始值上升到稳态值所需的时间D.传感器输出从初始值上升到最大值所需的时间答案：A。上升时间是指传感器输出从稳态值的10%上升到90%所需的时间，它是衡量传感器动态响应速度的一个重要指标。二、填空题1.传感器一般由敏感元件、转换元件和__________三部分组成。答案：测量电路。传感器的敏感元件直接感受被测量并输出与被测量有确定关系的其他量；转换元件将敏感元件输出的非电量转换为电信号；测量电路则对转换元件输出的电信号进行处理和转换，以便后续的显示、记录和控制等。2.金属电阻应变片的灵敏度系数是指单位应变引起的__________变化率。答案：电阻。金属电阻应变片的灵敏度系数K=，其中ΔR/3.变面积型电容传感器的输出与输入成__________关系。答案：线性。变面积型电容传感器的电容表达式为C=，当极距d不变，面积S变化时，电容C与面积S4.电感式传感器可分为自感式和__________两大类。答案：互感式。电感式传感器根据电感的变化方式可分为自感式和互感式两大类，自感式传感器是通过改变自身电感来测量被测量，互感式传感器是通过改变互感来测量被测量。5.热电偶的热电势由__________和温差电势两部分组成。答案：接触电势。热电偶的热电势由接触电势和温差电势两部分组成，接触电势是由于两种不同导体的自由电子密度不同，在接触处形成的电势差；温差电势是由于同一导体两端温度不同，自由电子的扩散速度不同而产生的电势差。6.光电传感器按工作原理可分为外光电效应传感器、内光电效应传感器和__________传感器。答案：光生伏特效应。光电传感器按工作原理可分为外光电效应传感器、内光电效应传感器和光生伏特效应传感器，它们分别基于不同的光电效应来工作。7.超声波在液体和固体中传播时，主要有纵波和__________两种波型。答案：横波。超声波在液体和固体中传播时，主要有纵波和横波两种波型，纵波是质点振动方向与波的传播方向一致的波，横波是质点振动方向与波的传播方向垂直的波。8.传感器的静态特性指标主要有线性度、灵敏度、迟滞和__________等。答案：重复性。传感器的静态特性指标主要有线性度、灵敏度、迟滞和重复性等，线性度反映了传感器输出与输入之间的线性程度；灵敏度表示传感器对被测量变化的敏感程度；迟滞是指传感器在正、反行程中输出输入曲线不重合的现象；重复性是指传感器在同一工作条件下，输入量按同一方向作全量程连续多次变化时，所得特性曲线的不一致程度。9.测量系统的基本组成包括传感器、__________和显示记录装置。答案：信号调理电路。测量系统的基本组成包括传感器、信号调理电路和显示记录装置，传感器将被测量转换为电信号，信号调理电路对传感器输出的电信号进行放大、滤波、线性化等处理，显示记录装置将处理后的信号进行显示和记录。10.传感器的动态特性主要研究传感器的输出对__________的响应特性。答案：随时间变化的输入。传感器的动态特性主要研究传感器的输出对随时间变化的输入的响应特性，它反映了传感器对快速变化的被测量的跟踪能力。三、简答题1.简述传感器的定义和作用。答：传感器是能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。其作用主要体现在以下几个方面：信息获取：传感器是获取各种信息的重要手段，它可以将自然界中的各种非电物理量（如温度、压力、位移、速度等）转换为电信号，为后续的处理和分析提供基础。自动控制：在自动控制系统中，传感器作为系统的“感觉器官”，实时监测系统的运行状态和环境参数，并将这些信息反馈给控制器，控制器根据这些信息对系统进行调整和控制，以实现系统的自动化运行。科学研究：在科学研究中，传感器可以帮助科学家获取各种实验数据，从而深入了解自然现象和规律。例如，在物理学、化学、生物学等领域的研究中，传感器被广泛应用于测量各种物理量和化学量。工业生产：在工业生产中，传感器可以对生产过程中的各种参数进行监测和控制，提高生产效率和产品质量。例如，在自动化生产线中，传感器可以实时监测生产设备的运行状态和产品的质量参数，及时发现和解决问题。2.简述金属电阻应变片的工作原理和特点。答：工作原理：金属电阻应变片的工作原理基于应变效应。当金属导体在外力作用下发生机械变形时，其长度L、横截面积S和电阻率ρ都会发生变化，从而导致电阻值R发生变化。根据电阻定律R=ρ，对其进行全微分可得=+−。在弹性范围内，为应变ε特点：精度高：可以测量微小的应变变化，测量精度可达量级。响应速度快：能够快速响应应变的变化，适用于动态测量。测量范围广：可以测量从微小应变到较大应变的范围。结构简单：体积小、重量轻，易于安装和使用。稳定性好：在一定的温度和湿度范围内，性能稳定，可靠性高。3.简述电容式传感器的优缺点。答：优点：高灵敏度：对于微小的位移、压力等变化，电容式传感器能够产生较大的电容变化，从而具有较高的灵敏度。动态响应好：电容式传感器的可动部分质量小，惯性小，因此具有良好的动态响应特性，能够测量快速变化的被测量。结构简单：电容式传感器的结构相对简单，制造工艺成熟，成本较低。抗干扰能力强：电容式传感器的输出信号为电容量，对磁场、电场等干扰具有一定的抗干扰能力。测量范围广：可以测量多种物理量，如位移、压力、液位、湿度等。缺点：输出阻抗高：电容式传感器的输出阻抗很高，因此需要采用高输入阻抗的测量电路，否则会影响测量精度。寄生电容影响大：电容式传感器的电容值很小，容易受到寄生电容的影响，从而导致测量误差。非线性问题：变极距型电容传感器存在非线性问题，需要进行线性化处理。温度影响大：电容式传感器的电容值会受到温度的影响，需要进行温度补偿。4.简述热电偶的工作原理和冷端补偿的必要性。答：工作原理：热电偶是基于热电效应工作的。两种不同的导体（或半导体）A和B组成一个闭合回路，当两个接点的温度不同时，回路中就会产生热电势。热电势由接触电势和温差电势两部分组成。接触电势是由于两种不同导体的自由电子密度不同，在接触处形成的电势差；温差电势是由于同一导体两端温度不同，自由电子的扩散速度不同而产生的电势差。冷端补偿的必要性：热电偶的热电势与热端和冷端的温度差有关，在实际应用中，冷端温度往往会发生变化，而测量仪表通常是在冷端温度为C的条件下进行刻度的。如果冷端温度不为C，则会导致测量结果产生误差。因此，为了保证测量精度，需要对热电偶的冷端进行补偿，使冷端温度保持恒定或对测量结果进行修正。5.简述光电传感器的分类和应用。答：分类：外光电效应传感器：基于外光电效应工作，如光电管、光电倍增管等。当光照射到这些传感器的阴极时，会使阴极表面的电子逸出，形成光电流。内光电效应传感器：基于内光电效应工作，包括光电导效应传感器和光生伏特效应传感器。光电导效应传感器如光敏电阻，当光照射到光敏电阻上时，其电导率会发生变化；光生伏特效应传感器如光电池，当光照射到光电池上时，会产生电动势。其他类型光电传感器：如基于光纤的光电传感器，利用光纤的传光特性和光与物质的相互作用来测量各种物理量。应用：工业检测：用于产品的尺寸检测、形状检测、表面质量检测等。例如，在自动化生产线上，利用光电传感器检测产品的有无、位置和尺寸等。自动控制：在自动控制系统中，光电传感器可以作为检测元件，实时监测系统的运行状态和环境参数，并将这些信息反馈给控制器，实现系统的自动化控制。例如，在机器人控制系统中，光电传感器可以用于检测机器人的位置和姿态。安防监控：用于门禁系统、防盗报警系统等。例如，在门禁系统中，光电传感器可以检测人员的进出情况；在防盗报警系统中，光电传感器可以检测非法入侵。环境监测：用于测量光照强度、大气污染程度等。例如，利用光电传感器测量光照强度，实现智能照明控制；利用光电传感器测量大气中的污染物浓度，进行环境监测。通信领域：在光纤通信中，光电传感器用于光信号的检测和转换。例如，光接收机中的光电探测器将光信号转换为电信号。四、计算题1.有一金属电阻应变片，其灵敏度系数K=2，初始电阻=120Ω。当它受到的应变解：根据金属电阻应变片的灵敏度系数公式K=Δ将K=2，=120Δ2.有一变极距型电容传感器，初始极距=1mm，极板面积S=，介质为空气（=8.85×F解：变极距型电容传感器的电容表达式为C=，对其求导可得=−，当Δd已知=1mm=1×m，S将上述值代入ΔCΔ3.已知某热电偶的热电势(t,)=3.97mV解：根据热电偶的热电特性，(t已知(t,)=3.97然后查该热电偶的分度表，找到热电势为4.1mV对应的温度值，即为热端温度t。假设通过查分度表得到对应的温度为C，则热端温度五、综合题1.设计一个基于应变式传感器的电子秤系统，简述系统的组成和工作原理。答：系统组成：应变式传感器：作为电子秤的核心部件，将物体的重量转换为应变信号，进而转换为电信号。通常采用多个应变式传感器组成传感器组，以提高测量精度和稳定性。信号调理电路：对传感器输出的微弱电信号进行放大、滤波、线性化等处理，以提高信号的质量和稳定性。信号调理电路一般包括放大器、滤波器、线性化电路等。A/D转换器：将经过调理后的模拟信号转换为数字信号，以便后续的微处理器进行处理。微处理器：对A/D转换器输出的数字信号进行处理和计算，根据传感器的标定系数将数字信号转换为物体的重量值，并进行显示和存储。微处理器还可以实现一些其他功能，如去皮、置零、过载报警等。显示装置：将微处理器计算得到的物体重量值显示出来，方便用户读取。显示装置可以采用数码管、液晶显示屏等。电源模块：为整个系统提供稳定的电源，保证系统的正常运行。工作原理：当物体放置在电子秤的秤台上时，秤台受到物体的重力作用而产生变形，应变式传感器中的应变片也随之发生变形，其电阻值发生变化。传感器将电阻变化转换为电信号输出，信号调理电路对该电信号进行放大、滤波等处理，使其成为合适的模拟信号。A/D转换器将模拟信号转换为数字信号，微处理器对数字信号进行处理和计算，根据传感器的标定系数将数字信号转换为物体的重量值。最后，显示装置将物体的重量值显示出来。同时，微处理器可以根据设定的参数对系统进行控制和管理，如判断是否过载、是否需要去皮等。2.分析测量系统的误差来源，并说明