傳感器與檢測技術(shù)習(xí)題

1、.傳感器與檢測技術(shù)習(xí)題3 傳感器與檢測技術(shù)復(fù)習(xí)題 0.1傳感器在檢測系統(tǒng)中有什么作用和地位？ 答：傳感器處于研究對象與測試系統(tǒng)的接口位置，即檢測與控制之首。傳感器是感知、獲取與檢測信息的窗口，一切科學(xué)研究與自動化生產(chǎn)過程要獲取的信息都要通過傳感器獲取并通過它轉(zhuǎn)換成容易傳輸與處理的電信號，其作用與地位特別重要。 0.2解釋下列名詞術(shù)語： 1)敏感元件;2)傳感器; 3)信號調(diào)理器;4)變送器 答：敏感元件：指傳感器中直接感受被測量的部分。 傳感器：能感受規(guī)定的被測量并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置,通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。 信號調(diào)理器：對于輸入和輸出信號進行轉(zhuǎn)換的裝置。 變送器

2、：能輸出標(biāo)準(zhǔn)信號的傳感器。 1.1某位移傳感器，在輸入量變化5 mm時，輸出電壓變化為300 mV,求其靈敏度。 解： k?U300mV?()?X5 1.2某測量系統(tǒng)由傳感器、放大器和記錄儀組成，各環(huán)節(jié)的靈敏度為：S1=0.2mV/、S2=2.0V/mV、S3=5.0mm/V，求系統(tǒng)的總的靈敏度。 解： 1.3測得某檢測裝置的一組輸入輸出數(shù)據(jù)如下： a)試用最小二乘法擬合直線，求其線性度和靈敏度； b)用C語言編制程序在微機上實現(xiàn)。 解： ， ， 擬合直線靈敏度 0.68,線性度 ±7% 。 1.8什么是傳感器的靜特性？有哪些主要指標(biāo)？ 答：靜特性是當(dāng)輸入量為常數(shù)或變化極慢時，傳感器

3、的輸入輸出特性，其主要指標(biāo)有線性度、遲滯、重復(fù)性、分辨力、穩(wěn)定性、溫度穩(wěn)定性、各種抗干擾穩(wěn)定性。 1.9如何獲得傳感器的靜特性？ 答：傳感器的靜特性由靜特性曲線反映出來，靜特性曲線由實際測繪中獲得。 1.10傳感器的靜特性的用途是什么？ 答：人們根據(jù)傳感器的靜特性來選擇合適的傳感器。 1.11試求下列一組數(shù)據(jù)的各種線性度： 1)理論（絕對）線性度，給定方程為y=2.0x; 2)端點線性度； 3)最小二乘線性度。 解： 理論線性度： 端點線性度： 由兩端點做擬和直線 ?L?Lmax12.05?2?6?100%?0.4yFS12.05 中間四點與擬合直線誤差：0.17 0.16 0.11 0.08

4、 所以， 最小二乘線性度： y?1.97x?0. 6?182.54?21?42.23208.41所以， k?1.226?91?21?21105n?xi?(?xi)?L0.17?1.41?L? max?100%?12.05yFSn?xiyi?xi?yi b?(?xi?yi?xi?xiyi) n?xi?(?xi)222?91?42.23?21?182.549.59?0.6?91?21?21105 ?i?yi?(kxi?b) ?1?0.07?2?0.05?3?0.05 ?4?0.11?5?0.11?6?0.08 0.11?L10MPa的壓力傳感器進行標(biāo)定時，傳感器輸出電壓值與壓力值之間的關(guān)系1.12

5、 在對量程為?0.09%?L?max?100%?y12.05如下表所示，簡述最小二乘法準(zhǔn)則的幾何意義，并討論下列電壓-壓力曲線中哪條最符合最FS 小二乘法準(zhǔn)則？ 測量次數(shù)I 壓力xi（MPa） 電壓yi（V） （1）y=5.00x-1.05 （2）y=7.00x+0.09 （3）y=50.00x-10.50 （4）y=-5.00x-1.05 （5）y=5.00x+0.07 答：最小二乘法準(zhǔn)則的幾何意義在于擬和直線精密度高即誤差小。將幾組x分別帶入以上五式，與y值相差最小的就是所求，（5）為所求。 2.1在用直流電橋測量電阻的時候，若標(biāo)準(zhǔn)電阻Rn=10.0004的電橋已經(jīng)平衡（則被測電阻Rx=1

6、0.0004 ），但是由于檢流計指針偏轉(zhuǎn)在±0.3mm以內(nèi)時，人眼就很難觀測出來，因此Rn的值也可能不是10.0004 ,而是Rn=10.0004±Rn 。若已知電橋的相對靈敏度Sr=1mm/0.01% ，求對應(yīng)檢流計指針偏轉(zhuǎn)±0.3mm時，Rn ？ 解： 1 2 10.043 2 4 20.093 3 6 30.153 4 8 40.128 5 10 50.072 2.2如圖F1-1所示電路是電阻應(yīng)變儀中所用的不平衡電橋的簡化電路，圖中R2=R3=R是固定電阻，R1與R4是電阻應(yīng)變片，工作時R1y受拉，R4受壓， R表示應(yīng)變片發(fā)生應(yīng)變后，?y?Sr?100%?1

7、mm/0.01%電阻值的變化量。當(dāng)應(yīng)變片不受力，無應(yīng)變時R=0，橋路處于平衡狀態(tài)，當(dāng)應(yīng)變片受力發(fā)?R?xn?y?0.3mm,Rn?10.0004? Rn?100% 生應(yīng)變時，橋路失去了平衡，這時，就用橋路輸出電壓Ucd表示應(yīng)變片應(yīng)變后的電阻值的變化量。試證明: Ucd=（E/2）(R/R) a E 證： 略去 的第二項，即可得 Ucd? 2.3說明電阻應(yīng)變片的組成和種類。電阻應(yīng)變片有哪些主要特性參數(shù)？ 2.5一個量程為10kN的應(yīng)變式測力傳感器，其彈性元件為薄壁圓筒軸向受力，外徑20mm,內(nèi)徑18mm,在其表面粘貼八各應(yīng)變片，四個沿周向粘貼，應(yīng)變片的電阻值均為120RR,靈敏度?E?為2.0,

8、波松比為0.3,材料彈性模量E=2.1×1011Pa。要求：R? ?R?RR?R?R 1) 繪出彈性元件貼片位置及全橋電路； 2) U計算傳感器在滿量程時，各應(yīng)變片電阻變化； ?Ucb?3) 當(dāng)橋路的供電電壓為10Vdb時，計算傳感器的輸出電壓。 解： E?R?2RR ?R?1R4?R?R 圖2-32(c) 圓桶截面積A?R2?r2?59.7?10?6 應(yīng)變片1,2,3,4感受的是縱向應(yīng)變,有 ?1?2?3?4?x 應(yīng)變片5,6,7,8感受的是縱向應(yīng)變,有 ?5?6?7?8?y ?U? U?R1?R5?R2?R6?U?K?1?5?2?6? 4?R?4 滿量程時： ?UUUFK?x?y

9、?K?1?x?K?1?222AE ?R1?R2?R3?R4?K?xR?K 3FRAE10,?10?為泊桑比,E?為彈性模量,A為圓桶的截面積?2.0?1200.191 ? F為外加負(fù)載力,K為靈敏系數(shù).59.7?10?6?2.1?1011 ?R5?R6?R7?R8?R1?0.3?0.191?0.057 2.9應(yīng)變片產(chǎn)生溫度誤差的原因及減小或補償溫度誤差的方法是什么？ 答：在外界溫度變化的條件下，由于敏感柵溫度系數(shù)及柵絲與試件膨脹系數(shù)（）之差異性而產(chǎn)生虛假應(yīng)變輸出，有時會產(chǎn)生與真實應(yīng)變同數(shù)量級的誤差。 方法：自補償法 線路補償法 2.10今有一懸臂梁，在其中上部上、下兩面各貼兩片應(yīng)變片，組成全橋

10、，如圖F1-5所示。UF該梁在其懸臂梁一端受一向下力F=0.5N,試求此時這四個應(yīng)變片的電阻值。已知：應(yīng)變片靈?U?K?1?2AE敏系數(shù)K=2.1;應(yīng)變片空載電阻R0=120。 10F?6 ?2.0?1?0.3?1.03710F4?66(l?x)2?59?3mmF.7?10?2.1?t10 x2WEt E?70?105Pal?25cm W?6cm1x?l2 解： 0.25)?0.56?l?x?F?0.10?x?WEt20.06?70?105?(0.003)26?(0.25? ?R?kR0?x?2.1?120?0.10?25.2? 130 2.11圖F1-6所示一受拉的10#優(yōu)質(zhì)碳素鋼桿。試用允

11、許通過的最大電流為30mA的康銅絲應(yīng)R2?R4?R0?R?120?25.2?94.8?變片組成一單臂受感電橋。試求出此電橋空載時的最大可能的輸出電壓（應(yīng)變片的電阻為120）。 R?R?R?R?120?25.2?145.2? 解： ?6l?x?F12.5?0.63WEt2 12.5350 ?R?kR?2.1?20?3.1電感式傳感器有哪些種類？它們的工作原理是什么？ 0.630. U答：種類：自感式、渦流式、差動式、變壓式、壓磁式、感應(yīng)同步器 ?30mA?120?3.6V，U?7.2V2 原理：自感、互感、渦流、壓磁 U?R7.23501 ?17.5VU?4R40.31203.3試分析差動變壓器

12、相敏檢測電路的工作原理。 答：相敏檢測電路原理是通過鑒別相位來辨別位移的方向，即差分變壓器輸出的調(diào)幅波經(jīng)相敏檢波后，便能輸出既反映位移大小，又反映位移極性的測量信號。經(jīng)過相敏檢波電路，正位移輸出正電壓，負(fù)位移輸出負(fù)電壓，電壓值的大小表明位移的大小，電壓的正負(fù)表明位移的方向。 3.4分析電感傳感器出現(xiàn)非線性的原因，并說明如何改善？ 答：原因是改變了空氣隙長度 改善方法是讓初始空氣隙距離盡量小，同時靈敏度的非線性也將增加，這樣的話最好使用差動式傳感器， 其靈敏度增加非線性減少。 3.5圖F1-7所示一簡單電感式傳感器。尺寸已示于圖中。磁路取為中心磁路，不記漏磁， 2設(shè)鐵心及銜鐵的相對磁導(dǎo)率為104

13、，空氣的相對磁導(dǎo)率為1，真空的磁導(dǎo)率為4×10-7H?2L0?l?l?1?2mm?時的電感量。圖中所注尺寸單位均為S?m-1,試計算氣隙長度為零及為mm. ?.?l0?l0?l?0? 解： ?W? W2IW ?，L? IIRmR 又Rm? i?1 n lil ?20?R?R0 ?iSi?0S0 ln0.002i?R0?20?l2?7.07? ?0S0?S4?10?7?30?15i?1ii 0.0450.0160.045空氣氣隙為零時：?4?4?410?20.002?0 ?2.00310?0.015?0.00310?0.010?0.003 L? W200 ?3.2?104HR1.256

14、 ?1.256 空氣氣隙為2mm時： L? R?R0 ? 1.256?7.07 ax?b 3.6今有一種電渦流式位移傳感器。特性方程形式為f?e?f?,今知其?200?2其輸出為頻率。W23 ?4.8?10H 中f?2.333MHz及一組標(biāo)定數(shù)據(jù)如下：, 試求該傳感器的工作特性方程及符合度（利用曲線化直線的擬合方法，并用最小二乘法作直線擬合）。 解：設(shè) y?ax?b 又有 f?eax?b?f?,f?2.333 重寫表格如下: 最小二乘法做直線擬和： a?n?xiyi?xi?yi nxi2?(xi)2?9?(?83.133)?23.3?(?25.6)?0.51 9?93.59?542.89 b?

15、(?xi2?yi?xi?xiyi) nxi2?(xi)2?93.59?(?25.6)?23.3?(?83.133)?1.53 9?93.59?542.89 y?ax?b?0.51x?1.53 ?i?yi?(axi?b) ?1?0.023 ?2?0.005 ?3?0.02 ?4?0.015 ?5?0.01 ?6?0.00 ?7?0.03 ?8?0.06 ?9?0.02 ?L?Lmax0.06?100%?0.02% yFS2.95 f?e?0.51x?1.53?2.333 3.7簡述電渦流效應(yīng)及構(gòu)成電渦流傳感器的可能的應(yīng)用場合。 答：應(yīng)用場合有低頻透射渦流測厚儀，探傷，描述轉(zhuǎn)軸運動軌跡軌跡儀。 3

16、.8簡述壓磁效應(yīng)，并與應(yīng)變效應(yīng)進行比較。 答：壓磁效應(yīng)：某些鐵磁物質(zhì)在外界機械力的作用下，其內(nèi)部產(chǎn)生機械應(yīng)力，從而引起磁導(dǎo)率的改變的現(xiàn)象。只有在一定條件下壓磁效應(yīng)才有單位特性，但不是線性關(guān)系。 應(yīng)變效應(yīng)：導(dǎo)體產(chǎn)生機械變形時，它的電阻值相應(yīng)發(fā)生變化。在電阻絲拉伸比例極限內(nèi)，電阻的相對變化與應(yīng)變成正比。 4.2根據(jù)電容傳感器的工作原理說明它的分類，電容傳感器能夠測量哪些物理參量？ 答：原理：由物理學(xué)知，兩個平行金屬極板組成的電容器。如果不考慮其邊緣效應(yīng)，其電容為C=S/D 式中為兩個極板間介質(zhì)的介電常數(shù)，S為兩個極板對有效面積，D為兩個極板間的距離。由此式知，改變電容C的方法有三： 其一為改變介質(zhì)

17、的介電常數(shù)；其二為改變形成電容的有效面積；其三為改變各極板間的距離，而得到的電參數(shù)的輸出為電容值的增量 這就組成了電容式傳感器。 類型：變極距型電容傳感器、變面積型電容傳感器、變介電常數(shù)型電容傳感器。 電容傳感器可用來測量直線位移、角位移、振動振幅。尤其適合測溫、高頻振動振幅、精密軸系回轉(zhuǎn)精度、加速度等機械量。還可用來測量壓力、差壓力、液位、料面、糧食中的水分含量、非金屬材料的涂層、油膜厚度、測量電介質(zhì)的濕度、密度、厚度等 4.4總結(jié)電容式傳感器的優(yōu)缺點，主要應(yīng)用場合以及使用中應(yīng)注意的問題。 答：優(yōu)點：a溫度穩(wěn)定性好 b結(jié)構(gòu)簡單、適應(yīng)性強 c動響應(yīng)好 缺點：a可以實現(xiàn)非接觸測量，具有平均效應(yīng)

18、b輸出阻抗高、負(fù)載能力差 c寄生電容影響大 輸出特性非線性： 電容傳感器作為頻響寬、應(yīng)用廣、非接觸測量的一種傳感器，在位移、壓力、厚度、物位、濕度、振動、轉(zhuǎn)速、流量及成分分析的測量等方面得到了廣泛的應(yīng)用。 使用時要注意保護絕緣材料的的絕緣性能；消除和減小邊緣效應(yīng)；消除和減小寄生電容的影響；防止和減小外界的干擾。 4.7簡述電容式傳感器用差動脈沖調(diào)寬電路的工作原理及特點。 答：工作原理：假設(shè)傳感器處于初始狀態(tài)，即 且A點為高電平，即Ua=U; 而B點為低電平，即Ub=0 差分脈沖調(diào)寬型電路的特點就在于它的線性變換特性。 5.1磁電式傳感器與電感式傳感器有哪些不同？磁電式傳感器主要用于測量哪些物理

19、參數(shù)？ 答：磁電式傳感器是通過磁電作用將被測量轉(zhuǎn)換為電信號的一種傳感器。 電感式傳感器是利用線圈自感或互感的變化來測量的一種裝置。 磁電式傳感器具有頻響寬、動態(tài)范圍大的特點。而電感式傳感器存在交流零位信號，不宜于高頻動態(tài)信號檢測；其響應(yīng)速度較慢，也不宜做快速動態(tài)測量。 磁電式傳感器測量的物理參數(shù)有：磁場、電流、位移、壓力、振動、轉(zhuǎn)速。 5.2霍爾元件能夠測量哪些物理參數(shù)？霍爾元件的不等位電勢的概念是什么？溫度補償?shù)姆椒ㄓ心膸追N？ 答：霍爾組件可測量磁場、電流、位移、壓力、振動、轉(zhuǎn)速等。 霍爾組件的不等位電勢是霍爾組件在額定控制電流作用下，在無外加磁場時，兩輸出電極之間的空載電勢，可用輸出的電壓

20、表示。 溫度補償方法： a分流電阻法： 適用于恒流源供給控制電流的情況。 b電橋補償法 6.1什么是壓電效應(yīng)？壓電效應(yīng)有哪些種類？壓電傳感器的結(jié)構(gòu)和應(yīng)用特點是什么？能否用壓電傳感器測量靜態(tài)壓力？ 答：某些電介質(zhì)在沿一定的方向受到外力的作用變形時，由于內(nèi)部電極化現(xiàn)象同時在兩個表面上產(chǎn)生符號相反的電荷，當(dāng)外力去掉后，恢復(fù)到不帶電的狀態(tài)；而當(dāng)作用力方向改變時，電荷的極性隨著改變。晶體受力所產(chǎn)生的電荷量與外力的大小成正比。這種現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)。反之，如對晶體施加一定變電場，晶體本身將產(chǎn)生機械變形，外電場撤離，變形也隨Cx1?Cx2 之消失，稱為逆壓電效應(yīng)。 壓電材料有：石英晶體、一系列單晶硅、多晶陶

21、瓷、有機高分子聚合材料 結(jié)構(gòu)和應(yīng)用特點： 在壓電式傳感器中，為了提高靈敏度，往往采用多片壓電芯片構(gòu)成一個壓電組件。其中最常用的是兩片結(jié)構(gòu)；根據(jù)兩片壓電芯片的連接關(guān)系，可分為串聯(lián)和并聯(lián)連接，常用的是并聯(lián)連接，可以增大輸出電荷，提高靈敏度。 使用時，兩片壓電芯片上必須有一定的預(yù)緊力，以保證壓電組件在工作中始終受到壓力作用，同時可消除兩片壓電芯片因接觸不良而引起的非線性誤差，保證輸出信號與輸入作用力間的線性關(guān)系，因此需要測量電路具有無限大的輸入阻抗。但實際上這是不可能的，所以壓電傳感器不宜作靜態(tài)測量，只能在其上加交變力，電荷才能不斷得到補充，并給測量電路一定的電流。故壓電傳感器只能作動態(tài)測量。 6.

22、2為什么壓電傳感器通常都用來測量動態(tài)或瞬態(tài)參量？ 答：如作用在壓電組件上的力是靜態(tài)力，則電荷會泄露，無法進行測量。所以壓電傳感器通常都用來測量動態(tài)或瞬態(tài)參量。 6.3試比較石英晶體和壓電陶瓷的壓電效應(yīng)。 答：石英晶體整個晶體是中性的，受外力作用而變形時，沒有體積變形壓電效應(yīng)，但它具有良好的厚度變形和長度變形壓電效應(yīng)。壓電陶瓷是一種多晶鐵電體。原始的壓電陶瓷材料并不具有壓電性，必須在一定溫度下做極化處理，才能使其呈現(xiàn)出壓電性。所謂極化，就是以強電場使“電疇”規(guī)則排列，而電疇在極化電場除去后基本保持不變，留下了很強的剩余極化。 當(dāng)極化后的鐵電體受到外力作用時，其剩余極化強度將隨之發(fā)生變化，從而使一

23、定表面分別產(chǎn)生正負(fù)電荷。 在極化方向上壓電效應(yīng)最明顯。鐵電體的參數(shù)也會隨時間發(fā)生變化老化，鐵電體老化將使壓電效應(yīng)減弱。 6.4設(shè)計壓電式傳感器檢測電路的基本考慮點是什么？為什么？ 答：基本考慮點是如何更好的改變傳感器的頻率特性，以使傳感器能用于更廣泛的領(lǐng)域。 6.5 在測量電路中，引入前置放大器有什么作用？ 引入前置放大器作用：一是放大壓電元件的微弱電信號；二是把高阻抗輸入變換為低阻抗輸出。 7.1什么是光電效應(yīng)？ 答：當(dāng)用光照射物體時，物體受到一連串具有能量的光子的轟擊，于是物體材料中的電子吸收光子能量而發(fā)生相應(yīng)的電效應(yīng)（如電阻率變化、發(fā)射電子或產(chǎn)生電動勢等）。這種現(xiàn)象稱為光電效應(yīng)。 7.2

24、光纖損耗是如何產(chǎn)生的？它對光纖傳感器有哪些影響？ 答：吸收性損耗：吸收損耗與組成光纖的材料的中子受激和分子共振有關(guān)，當(dāng)光的頻率與分子的振動頻率接近或相等時，會發(fā)生共振，并大量吸收光能量，引起能量損耗。 散射性損耗：是由于材料密度的微觀變化、成分起伏，以及在制造過程中產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)上的不均勻性或缺陷引起。一部分光就會散射到各個方向去，不能傳輸?shù)浇K點，從而造成散 射性損耗。 輻射性損耗：當(dāng)光纖受到具有一定曲率半徑的彎曲時，就會產(chǎn)生輻射磁粒。 a彎曲半徑比光纖直徑大很多的彎曲 b微彎曲：當(dāng)把光纖組合成光纜時，可能使光纖的軸線產(chǎn)生隨機性的微曲。 7.3光導(dǎo)纖維為什么能夠?qū)Ч?？光?dǎo)纖維有哪些優(yōu)點？光纖式傳感

25、器中光纖的主要優(yōu)點有哪些？ 答：光導(dǎo)纖維工作的基礎(chǔ)是光的全內(nèi)反射，當(dāng)射入的光線的入射角大于纖維包層間的臨界角時，就會在光纖的接口上產(chǎn)生全內(nèi)反射，并在光纖內(nèi)部以后的角度反復(fù)逐次反射，直至傳遞到另一端面。 優(yōu)點： a具有優(yōu)良的傳旋光性能，傳導(dǎo)損耗小 b頻帶寬，可進行超高速測量，靈敏度和線性度好 c能在惡劣的環(huán)境下工作，能進行遠(yuǎn)距離信號的傳送 功能型光纖傳感器其光纖不僅作為光傳播的波導(dǎo)，而且具有測量的功能。它可以利用外界物理因素改變光纖中光的強度、相位、偏振態(tài)或波長，從而對外界因素進行測量和數(shù)據(jù)傳輸。 7.4論述CCD的工作原理。 答：CCD是一種半導(dǎo)體器件，在N型或P型硅襯底上生長一層很薄的SiO

26、2，再在SiO2薄層上依次序沉積金屬電極，這種規(guī)則排列的MOS電容數(shù)組再加上兩端的輸入及輸出二極管就構(gòu)成了CCD芯片 CCD可以把光信號轉(zhuǎn)換成電脈沖信號。每一個脈沖只反映一個光敏元的受光情況，脈沖幅度的高低反映該光敏元受光的強弱，輸出脈沖的順序可以反映光敏元的位置，這就起到圖像傳感器的作用。 8.1熱電阻傳感器主要分為幾種類型？它們應(yīng)用在什么不同場合？ 答：熱電阻傳感器分為以下幾種類型： 鉑電阻傳感器：特點是精度高、穩(wěn)定性好、性能可靠。主要作為標(biāo)準(zhǔn)電阻溫度計使用，也常被用在工業(yè)測量中。此外，還被廣泛地應(yīng)用于溫度的基準(zhǔn)、標(biāo)準(zhǔn)的傳遞，是目前測溫復(fù)現(xiàn)性最好的一種。 銅電阻傳感器：價錢較鉑金屬便宜。在

27、測溫范圍比較小的情況下，有很好的穩(wěn)定性。溫度系數(shù)比較大，電阻值與溫度之間接近線性關(guān)系。材料容易提純，價格便宜。不足之處是測量精度較鉑電阻稍低、電阻率小。 鐵電阻和鎳電阻：鐵和鎳兩種金屬的電阻溫度系數(shù)較高、電阻率較大，故可作成體積小、靈敏度高的電阻溫度計，其缺點是容易氧化，化學(xué)穩(wěn)定性差，不易提純，復(fù)制性差，而且電阻值與溫度的線性關(guān)系差。目前應(yīng)用不多 8.2什么叫熱電動勢、接觸電動勢和溫差電動勢？說明熱電偶測溫原理及其工作定律的應(yīng)用。分析熱電偶測溫的誤差因素，并說明減小誤差的方法。 答：熱電動勢：兩種不同材料的導(dǎo)體（或半導(dǎo)體）A、B串接成一個閉合回路，并使兩個結(jié)點處于不同的溫度下，那么回路中就會存

28、在熱電勢。有電流產(chǎn)生相應(yīng)的熱電勢稱為溫差電勢或塞貝克電勢，通稱熱電勢。 接觸電動勢：接觸電勢是由兩種不同導(dǎo)體的自由電子，其密度不同而在接觸處形成的 熱電勢。它的大小取決于兩導(dǎo)體的性質(zhì)及接觸點的溫度，而與導(dǎo)體的形狀和尺寸無關(guān)。 溫差電動勢：是在同一根導(dǎo)體中，由于兩端溫度不同而產(chǎn)生的一種電勢。 熱電偶測溫原理：熱電偶的測溫原理基于物理的"熱電效應(yīng)"。所謂熱電效應(yīng)，就是當(dāng)不同材料的導(dǎo)體組成一個閉合回路時，若兩個結(jié)點的溫度不同，那么在回路中將會產(chǎn)生電動勢的現(xiàn)象。 兩點間的溫差越大，產(chǎn)生的電動勢就越大。引入適當(dāng)?shù)臏y量電路測量電動勢的大小，就可測得溫度的大小。 熱電偶三定律： a 中間

29、導(dǎo)體定律： 熱電偶測溫時，若在回路中插入中間導(dǎo)體，只要中間導(dǎo)體兩端的溫度相同，則對熱電偶回路總的熱電勢不產(chǎn)生影響。在用熱電偶測溫時，連接導(dǎo)線及顯示一起等均可看成中間導(dǎo)體。 b 中間溫度定律： 任何兩種均勻材料組成的熱電偶，熱端為T，冷端為T 時的熱電勢等于該熱電偶熱端為T冷端為Tn時的熱電勢與同一熱電偶熱端為Tn，冷端為T0 時熱電勢的代數(shù)和。 應(yīng)用：對熱電偶冷端不為0度時，可用中間溫度定律加以修正。熱電偶的長度不夠時，可根據(jù)中間溫度定律選用適當(dāng)?shù)难a償線路。 c參考電極定律： 如果A、B兩種導(dǎo)體（熱電極）分別與第三種導(dǎo)體C（參考電極）組成的熱電偶在結(jié)點溫度為（T，T0 ）時分別為 又A、B兩熱

30、電極配對后的熱電勢為 EBC?T,T0 實用價值：可大大簡化熱電偶的選配工作。在實際工作中，只要獲得有關(guān)熱電極與標(biāo)準(zhǔn) 鉑電極配對的熱電勢，那么由這兩種熱電極配對組成熱電偶的熱電勢便可由上式求得，而不需逐個進行測定。 誤差因素：參考端溫度受周圍環(huán)境的影響 減小誤差的措施有： a 0oC恒溫法 EABT,T0?EAC?T,T0?EBC?T,T0? b 計算修正法（冷端溫度修正法） c 儀表機械零點調(diào)整法 d 熱電偶補償法 e 電橋補償法 f 冷端延長線法 8.4試比較電阻溫度計與熱電偶溫度計的異同點 答：電阻溫度計利用電阻隨溫度變化的特性來測量溫度。熱電偶溫度計是根據(jù)熱電效應(yīng)原理設(shè)計而成的。前者將

31、溫度轉(zhuǎn)換為電阻值的大小，后者將溫度轉(zhuǎn)換為電勢大小。 相同點：都是測溫傳感器，精度及性能都與傳感器材料特性有關(guān)。 8.5什么是測溫用的平衡電橋、不平衡電橋和自動平衡電橋，各有什么特點？ 答：在不平衡電橋中，"檢流計"改稱為"電流計"，其作用而不是檢查有無電流而是測量電流的大小?？梢?，不平衡電橋和平衡電橋的測量原理有原則上的 區(qū)別。利用電橋除可精確測量電阻外，還可測量一些非電學(xué)量。例如，為了測量溫度變化，只需用一種"熱敏組件"把它AC 和 ，那么受相同溫度下， ET,T0? 轉(zhuǎn)化為電阻的變化，然后用電橋測量。不平衡電橋往往用于測量非電學(xué)量

32、，此外還可用于自動控制和遠(yuǎn)距離聯(lián)動機構(gòu)中。 8.6試解釋負(fù)電阻溫度系數(shù)熱敏電阻的伏安特性，并說明其用途。 答：伏安特性表征熱敏電阻在恒溫介質(zhì)下流過的電流I與其上電壓降U之間的關(guān)系。當(dāng)電流很小時不足以引起自身發(fā)熱，阻值保持恒定，電壓降與電流間符合歐姆定律。當(dāng)電流I>Is時，隨著電流增加，功耗增大，產(chǎn)生自熱，阻值隨電流增加而減小，電壓降增加速度逐漸減慢，因而出現(xiàn)非線性的正阻區(qū)ab。電流增大到Is時，電壓降達到最大值Um。此后，電流繼續(xù)增大時，自熱更為強烈，由于熱敏電阻的電阻溫度系數(shù)大，阻值隨電流增加而減小的速度大于電壓降增加的速度，于是就出現(xiàn)負(fù)阻區(qū)bc段。 研究伏安特性，有助于正確選

33、擇熱敏電阻的工作狀態(tài)。對于測溫、控溫和溫度補償，應(yīng)工作于伏安特性的線性區(qū)，這樣就可以忽略自熱的影響，使電阻值僅取決于被測溫度。對于利用熱敏電阻的耗散 原理工作的場合，例如測量風(fēng)速、流量、真空等，則應(yīng)工作于伏安特性的負(fù)阻區(qū)。 8.7 使用K型熱電偶，基準(zhǔn)接點為0、測量接點為30和900時，溫差電動勢分別為 1.203mV和37.326mV。當(dāng)基準(zhǔn)接點為30，測溫接點為900時的溫差電動勢為多少？ 答：現(xiàn)t2=900 ，t1=30 ，基準(zhǔn)接點溫度為30 ， 測溫接點溫度為900時的溫差電動勢設(shè)為 E， 則37.326=1.203+ E，所以E=36.123mV。 8.8 0時鉑金熱電阻的阻值為10

34、0。按下圖所示進行溫度測量。 R1=100,R2=200,R3=300時橋路達到平衡。此時溫度為多少？假設(shè)鉑金電阻的溫度系數(shù)為0.003851-1，電阻與溫度成線性關(guān)系，另外導(dǎo)線的電阻可忽略不計。 答：電橋平衡的條件為Rt* R2= R1* R3，所以 另一方面，t()時的電阻阻值表示式為 Rt= 100（1+0.003851*t）Rt=150 所以t =129.8 8.9 將一靈敏度為0.08mV/的熱電偶與電壓表相連接，電壓表接線端是50，若電位計上讀數(shù)是60mV，熱電偶的熱端溫度是什么？ 解： 50?60mv 0.08mv= 800 c 8.10 0時的電阻為100的鉑熱電阻。300時的

35、阻值按下面兩種方法計算，其結(jié)果之差換算成溫度差是多少？ 電阻用溫度的一次方程表示，RT=R0（1+At+Bt2）式中B=0，A=0.003851-1；B=-0.0000059。（此時100時的電阻值為138.51）電阻值與溫度為二次函數(shù)關(guān)系。用一次方程近似時，溫度誤差為多少？ 答： （1）RT=100（1+0.003851*t），以t=300代入，得RT=215.53。 （2）RT=R0（1+At+Bt2）式中以t=300代入，得RT=212.05。 （3）同（2），算得t=310時電阻值為215.61， 即溫度上升10電阻增加3.56。 因此，由（215.53-212.05）/0.356=9

36、.8算得誤差為9.8。 8.11 某熱敏電阻0時電阻為30k,若用來測量100物體的溫度，其電阻為多少？設(shè)熱敏電阻的系數(shù)B為3450K。 答： 式中以R0=3*104，B=3450，T=373.15和T0=273.15代入得RT=1.017k。 10.1 什么是智能傳感器？ 答：智能傳感器集信息采集，信息的記憶、辨別、存儲、處理于一體，是一種將普通傳感器與微處理器一體化，兼有檢測和信息處理功能的新型傳感器，具有一定的自適應(yīng)能力。 10.2 SMART傳感器應(yīng)有哪些主要功能？有哪些優(yōu)點？ 答：功能分為： a 自補償功能：如非線性、溫度誤差響應(yīng)時間等的補償 b 自診斷功能：如在接通電源時自檢 c

37、微處理器和基本傳感器之間具有雙向通信功能，構(gòu)成一死循環(huán)工作系統(tǒng) d 信息存儲和記憶功能 e 數(shù)字量輸出和顯示 優(yōu)點有： a 精度高，可通過軟件來修正非線性，補償溫度等系統(tǒng)誤差，還可補償隨機誤差，從而使精度大為提高。 b 有一定的可編程自動化能力。包括指令和數(shù)據(jù)存儲、自動調(diào)零、自檢等。 c 功能廣。智能傳感器可以有多種形式輸出，通過串口、并口、面板數(shù)字控制數(shù)或CRT顯示，并配打印機保存資料。 d 功能價格比大。在相同精度條件下，多功能智能傳感器比單功能普通傳感器性能價格比大。 10.3 智能傳感器的實現(xiàn)途徑有哪些？ 答：三條途徑：非集成化實現(xiàn)、集成化實現(xiàn)和混合實現(xiàn)。 10.4 智能傳感器的數(shù)據(jù)處

38、理包括哪些內(nèi)容？ 答：包括以下內(nèi)容： 資料收集：匯集所需要的信息 資料轉(zhuǎn)換：把信息轉(zhuǎn)換成適用于微處理器使用的方式 資料分組：按有關(guān)信息進行有效的分組 資料組織：整理資料或用其它方法安排資料，以便進行處理和誤差修正 資料計算：進行各種算術(shù)和邏輯運算，以便得到進一步的信息 資料存儲：保存原始資料和計算結(jié)果，供以后使用 資料搜索：按要求提供有用格式的信息，然后將結(jié)果按用戶要求輸出。 10.5 標(biāo)度變換有哪些方法？ 答：線性參數(shù)的標(biāo)度變換，其變換公式為： 非線性參數(shù)的標(biāo)度變換，公式為： 多項式變換法 x?N0y?y0?ym?y0?Nm?N0 10.6 智能傳感器是如何對溫度進行補償?shù)模?答：線性溫度特

39、性補償方法： 溫度特性曲線擬合法 溫度特性查表法 非線性溫度特性補償方法：一般采用分段線性插值法（列表法） 10.7 如何設(shè)計智能傳感器的硬件？ 答：硬件設(shè)計： 正確選擇微處理器：常用單片機作為智能傳感器的中央處理器。 除了中央處理器CPU外，還必須引入輸入輸出的各種功能要求。故它又可看成一個微處理器小系統(tǒng)，廣泛采用鍵盤、LED顯示器、打印、串并口輸出等，一起構(gòu)成了人機對話的工具。 11.1 傳感器靜態(tài)校準(zhǔn)的條件是什么？ 答：條件：沒有加速度、振動、沖擊（除非這些參數(shù)本身就是被測物理量）及環(huán)境溫度一般為室溫(20±5)相對濕度 不大于85%，大氣壓力為107Kpa的情況。 11.2

40、如何確定標(biāo)定儀器設(shè)備的精度等級？ 答：對傳感器進行標(biāo)定，是根據(jù)試驗資料確定傳感器的各項性能指針，實際上也是確定傳感器的測量精度，所以在標(biāo)定傳感器時，所用的測量儀器的精度至少要比被標(biāo)定傳感器的精度高一個等級。 11.3 靜態(tài)特性標(biāo)定方法是什么？ 答：標(biāo)定方法：首先是創(chuàng)造一個靜態(tài)標(biāo)準(zhǔn)條件，其次是選擇與被標(biāo)定傳感器的精度要求相適應(yīng)的一定等級的標(biāo)定用儀器設(shè)備。然后開始對傳感器進行靜態(tài)特性標(biāo)定。 13.1 什么是測量原理？測量方法有哪幾種？ 答：測量原理是指用什么樣的原理去測量被測量。 測量方法： 按測量手段分類：直接測量、間接測量和聯(lián)立測量 按測量方式分類：偏差式測量、零位式測量和微差式測量。 13.

41、2 什么是測量誤差？研究測量誤差的意義是什么？ 答：測量誤差就是測量值與真實值之間的差值，它反映了測量的精度。 當(dāng)測量誤差超過一定限度時，測量工作和測量結(jié)果就失去意義，甚至?xí)o工作帶來危害。 13.3 什么是系統(tǒng)誤差和隨機誤差？它們有什么區(qū)別和聯(lián)系？ 答：在一定條件下，對同一被測量進行多次重復(fù)測量，如果誤差按照一定的規(guī)律變化，則把這種誤差稱為系統(tǒng)誤差。 由于大量偶然因素的影響而引起的測量誤差稱為隨機誤差。 區(qū)別與聯(lián)系：系統(tǒng)誤差可通過修正給以消除，隨機誤差不可消除但總體上服從一定的統(tǒng)計規(guī)律 13.4 什么是標(biāo)準(zhǔn)誤差？如何理解其數(shù)值大小的含義？ 答：標(biāo)準(zhǔn)誤差反映隨機誤差的分布范圍。其數(shù)值越大，測量

42、數(shù)據(jù)的分散范圍也越大，所以標(biāo)準(zhǔn)誤差可描述測量數(shù)據(jù)和測量結(jié)果的精度，是評價隨機誤差的重要指標(biāo)。 13.5 什么是系統(tǒng)誤差？系統(tǒng)誤差產(chǎn)生的原因是什么？如何減小系統(tǒng)誤差？ 答：當(dāng)我們對同一物理量進行多次重復(fù)測量時，如果誤差按照一定的規(guī)律性出現(xiàn)，則把這種誤差稱為系統(tǒng)誤差。 系統(tǒng)誤差出現(xiàn)的原因有： 工具誤差：指由于測量儀表或儀表組成組件本身不完善所引起的誤差。 方法誤差：指由于對測量方法研究不夠而引起的誤差。 定義誤差：是由于對被測量的定義不夠明確而形成的誤差。 理論誤差：是由于測量理論本身不夠完善而只能進行近似的測量所引起的誤差。 環(huán)境誤差：是由于測量儀表工作的環(huán)境（溫度、氣壓、濕度等）不是儀表校驗時

43、的標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)，而是隨時間在變化，從而引起的誤差。 安裝誤差：是由于測量儀表的安裝或放置不正確所引起的誤差。 個人誤差：是指由于測量者本人不良習(xí)慣或操作不熟練所引起的誤差。 減小系統(tǒng)誤差的方法： 引入更正值法：若通過對測量儀表的校準(zhǔn)，知道了儀表的更正值，則將測量結(jié)果的指示值加上更正值，就可得到被測量的實際值。 替換法：是用可調(diào)的標(biāo)準(zhǔn)量具代替被測量接入測量儀表，然后調(diào)整標(biāo)準(zhǔn)量具，使測量儀表的指針與被測量接入時相同，則此時的標(biāo)準(zhǔn)量具的數(shù)值即等于被測量。 差值法：是將標(biāo)準(zhǔn)量與被測量相減，然后測量二者的差值。 正負(fù)誤差相消法：是當(dāng)測量儀表內(nèi)部存在著固定方向的誤差因素時，可以改變被測量的極性，作兩次測量，然

44、后取二者的平均值以消除固定方向的誤差因素。 選擇最佳測量方案：是指總誤差為最小的測量方案，而多數(shù)情況下是指選擇合適的函數(shù)形式及在函數(shù)形式確定之后，選擇合適的測量點。 13.7 檢定一只精度為1.0級100mA的電流表，發(fā)現(xiàn)最大誤差在50mA處為1.4mA，試問這只表是否合格？ 解：檢測儀表示值絕對誤差與儀表量程L之比值，稱之為儀表示值的引用誤差，最大引用誤差去掉百分號即為儀表精度。顯然此儀表的最大引用誤差為： 故不合格 13.8 被測電壓的實際值為10V，現(xiàn)有150V,0.5級和15V,2.5級兩只電壓表，選擇哪一只表誤差較??？ 解： 150V表的最大誤差為： 15V表的最大誤差為： 1.4m

45、A0100.5%?0.75%?1.4%?1 故選擇15V表誤差較小 150V?100mA 15V?2.5%?0.375 13.9 用晶體管毫伏表30V擋，分別測量6V和20V電壓，已知該擋的滿量程誤差為±2%，求示值的相對誤差。 解：毫伏表示值的絕對誤差為 測6V電壓時示值的相對誤差為： 測20V電壓時示值的相對誤差為： 30V?2%?0.6 0.6V13.10 有一測量范圍為0?至1000kPa100%?10的壓力計，由制造廠進行校準(zhǔn)時，發(fā)現(xiàn)±15kPa的絕對6V誤差，試計算：a)該壓力計的引用誤差；b)在測量壓力中讀數(shù)為200kPa時，可能產(chǎn)生的示值相對誤差。 解：引用

46、誤差： 0.6V?100% ?3 可能產(chǎn)生的示值相對誤差：20V15KPa?100%?1.51000KPa 13.11 用MF-30型普通萬用表的DC.5V擋及25V擋分別測量高內(nèi)阻等效電路（25k與5V電壓源串聯(lián)）的輸出電壓。已知DC.V.擋的電壓靈敏度20k /V,精度為2.5級，試計算：a)由于儀表本身精度造成的相對誤差；b)由于儀表內(nèi)阻對被測電路的影響引起的相對誤差；c)綜合最大相對誤差；d)分析誤差因素的影響。 解：儀表本身精度造成的相對誤差： 15KPa?100%?7.5 5V檔： 200KPa 25V檔： 2.5%?5V?100%?2.55V 由于儀表內(nèi)阻對被測電路的影響引起的相

47、對誤差： 5V檔： 2.5%?25V?100%?12.55 V 25V檔： 綜合最大相對誤差： 5V檔： 25V檔： 儀表的精度和儀器的內(nèi)阻都會在測量時產(chǎn)生系統(tǒng)誤差。 2.5%?20%?22.5 12.5%?5%?17.5% 5005?5? 525?100%?5 5 綜合題 一、填空： 1. 測量系統(tǒng)的靜態(tài)特性指標(biāo)主要有線性度、遲滯、重復(fù)性、分辨力、穩(wěn)定性、溫度穩(wěn)定性、各種抗干擾、穩(wěn)定性等。 2. 霍爾元件靈敏度的物理意義是表示在單位磁感應(yīng)強度單位控制電流時的霍爾電勢的大小。 3. 光電傳感器的理論基礎(chǔ)是光電效應(yīng)。通常把光線照射到物體表面后產(chǎn)生的光電效應(yīng)分為 三類。第一類是利用在光線作用下材料

48、中電子逸出物體表面的外光電效應(yīng),這類元件有光電 管、光電倍增管；第二類是利用在光線作用下使材料內(nèi)部電阻率改變的內(nèi)光電 效應(yīng)，這類元件有光敏電阻；第三類是利用在光線作用下使物體內(nèi)部產(chǎn)生一定方向電動勢的光生伏特效應(yīng)，這類元件有光電二極管、光電三機關(guān)及、光電池。 4. 熱電偶所產(chǎn)生的熱電勢是兩種導(dǎo)體的接觸電勢和單一導(dǎo)體的溫差電勢組成的，其表達式 Nk(T?T0)lnA?T T0(?A?B)dTeNB為Eab（T，To）=。在熱電偶溫度補償中補償導(dǎo)線法 （即冷端延長線法）是在連接導(dǎo)線和熱電偶之間，接入延長線，它的作用是將熱電偶的參考端移至離熱源較遠(yuǎn)并且環(huán)境溫度較穩(wěn)定的地方，以減小冷端溫度變化的影響。

49、5. 壓磁式傳感器的工作原理是：某些鐵磁物質(zhì)在外界機械力作用下，其內(nèi)部產(chǎn)生機械壓力， 從而引起磁導(dǎo)率的改變，這種現(xiàn)象稱為壓磁效應(yīng)。相反，某些鐵磁物質(zhì)在外界磁場的作用下 會產(chǎn)生機械變形，這種現(xiàn)象稱為磁致伸縮。 6. 傳感器是能感受規(guī)定的被測量并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置，傳感 器通常由直接響應(yīng)于被測量的敏感元件和產(chǎn)生可用信號輸出的轉(zhuǎn)換元件以及相應(yīng)的信號調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換電路組成。 7. 偏差式測量是指測量過程中，用儀表指針的位移（即偏差）決定被測量的測量方法；零 位測量是指測量過程中，用指零儀表的零位指示，檢測測量系統(tǒng)的平衡狀態(tài)；在測量系統(tǒng)達到平衡時用已知的基準(zhǔn)量決定被測未知量的測量方法；

50、微差式測量是指將被測的未知量與已知的標(biāo)準(zhǔn)量進行比較，并取得差值，然后用偏差法測得此差值的測量方法。 8. 電阻應(yīng)變片式傳感器按制造材料可分為 _金屬_ 材料和_半導(dǎo)體_材料。 它們在受到外力作用時電阻發(fā)生變化，其中的電阻變化主要是由 _電阻應(yīng)變效應(yīng)_ 形成的，而的電阻變化主要是由 壓阻效應(yīng)_ 造成的。 材料傳感器的靈敏度較 大。 9. 測量過程中存在著測量誤差，按性質(zhì)可被分為_絕對誤差_、 相對誤差、和 引用誤 差 三類，其中 _絕對誤差_ 可以通過對多次測量結(jié)果求 平均 _ 的方法來減小它 對測量結(jié)果的影響。 10. 電位器傳感器按特性不同，可分為線性電位器和非線性電位器。線性電位器的理想空

51、載 特性曲線具有嚴(yán)格的線性關(guān)系。假定電位器全長為Xmax，其總電阻為Rmax，它的滑臂間的 X?RmaxXmax阻值可以用Rx=來計算。假定加在電位器A、B之間的電壓為Vmax，則輸出 X2?(b?h)2?(b?h)?VmaxI?AtAt電壓為Vx=Xmax。其電阻靈敏度kR=。電壓靈敏度ku=。 11. 磁電式傳感器是利用導(dǎo)體和磁場發(fā)生相對運動而在導(dǎo)體兩端產(chǎn)生感應(yīng)電勢的。根據(jù)上述 原理人們設(shè)計了兩種類型的結(jié)構(gòu)：一種是變磁通式；另一種是恒定磁通式。而結(jié)構(gòu)中 又分為動圈式和動鐵式。 12. 測量過程中存在著測量誤差。絕對誤差是指測量值與被測量真實值之間的差值其表達式為?X?L；相對誤差是指絕對誤

52、差與被測量真實值的比值其表達式為?100%X；引用誤差是指絕對誤差與測量儀表的上量限（滿度）值A(chǔ)的百分比其表達式為r?100%A。 13. 如果光柵傳感器中兩個光柵距相等，即W=0.02mm，其夾角=0.1°，則莫爾條紋的寬度B=11.43莫爾條紋的放大倍數(shù)K= 573.2。 14. 光柵式傳感器的基本工作原理是用光柵的摩爾條紋現(xiàn)象進行測量的。其具有如下幾個特性：摩爾條紋運動與光柵具有對應(yīng)關(guān)系； 摩爾條紋具有位移放大作用；摩爾條紋具有平均光柵誤差作用。 15. 測量系統(tǒng)的靜態(tài)特性指標(biāo)通常用輸入量與輸出量的對應(yīng)關(guān)系來表征。 二、選擇題 1. 變氣隙式自感傳感器，當(dāng)街鐵移動靠近鐵芯時，鐵芯上的線圈電感量（增加） 增加 減小 不變 2. 儀表的精度等級是用儀表的（ 引