0928西南大學傳感器與檢測技術(shù)試題及答案解析

1、西南大學2016年傳感器與檢測技術(shù)試題一、填空：1、檢測系統(tǒng)的靜態(tài)特性指標主要有測量范圍、精度等級、靈敏度、線性度、遲滯、重復性、 分辨力、穩(wěn)定性、可靠性等。2、霍爾元件靈敏度的物理意義是表示在單位磁感應(yīng)強度和單位控制電流作用下的霍爾電勢 大小?；魻栐撵`敏度與元件材料的霍爾常數(shù)有關(guān)，還與霍爾元件的幾何尺寸有關(guān)；霍爾元件的霍爾電極要求歐姆接觸?；魻柺絺鞲衅骺捎脕頊y量電流，磁場，位移，壓力。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光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效應(yīng)，

2、這類元件有光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管;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)，這類元件有光電池。4、熱電偶的測溫原理熱電效應(yīng) ；熱電偶所產(chǎn)生的熱電勢是兩種導體的接觸電勢和單一導體的溫差電勢組成的。國際電工委員會推薦工業(yè)用標準熱電偶_8_種在熱電偶冷端溫度補償中補償導線法（即冷端延長線法）的作用是將熱電偶的參考端移至離熱源較遠并且環(huán)境溫度較穩(wěn)定的地方，以減小冷端溫度變化的影響。5、壓電式傳感器的工作原理是：某些晶體或多晶陶瓷，當沿著一定方向受到外力作用時，內(nèi)部就產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時在某兩個表面上產(chǎn)生大小相等符號相反的電荷， 這種現(xiàn)象稱為正 壓電效應(yīng)。反之，如對晶

3、體施加一定外電場， 晶體本身將產(chǎn)生機械變形，這種現(xiàn)象稱為逆壓_ 電效應(yīng)。壓電材料可分為三大類：壓電晶體（包括石英晶體和其他單晶體材料）、壓電陶瓷、新型壓電材料（如壓電半導體、有機高分子材料等）。6、變氣隙長度式自感傳感器，用來測量線位移，當街鐵移動靠近鐵芯時，鐵芯上的線圈電感量（增加減小不變）變氣隙面積式傳感器，用來測量角位移，當氣隙面積增大時，鐵芯上的線圈電感量（增加減小不變）7、檢測系統(tǒng)（儀表）產(chǎn)生測量誤差的原因有：測量原理的局限、測量方法的不盡完善、環(huán)境因素和外界干擾的存在以及測量過程可能會影響被測對象的原有狀態(tài)等儀表的精度等級是用儀表的（相對誤差絕對誤差引用誤差）來表示的;根據(jù)測量誤差

4、的性質(zhì)（或出現(xiàn)的規(guī)律）,測量誤差可分為系統(tǒng)誤差、隨機誤差和粗大誤差三類。系統(tǒng)誤差的特點：固隨機誤差的特點：對每次測量而言，測量誤差是沒有規(guī)律的，以隨機方法出現(xiàn)，但在多次重復測量中其總體是符合統(tǒng)計規(guī)律的。粗大誤差的特點： 誤差值較大，明顯表現(xiàn)為測量結(jié)果異常，可通過物理的或拉依達法或格拉布斯法加以剔除。工程上常用的粗大誤差的判斷準則有：拉伊達（萊因達）準則和格拉布斯（Grubbs）準則_仗-X 2拉伊達準則的鑒別值為 3扌，其中石珂鳥，拉伊達準則只適用于測量次數(shù)一I n-1較多（n > 25 ）、測量誤差分布接近正態(tài)分布的情況。8. 平行板電容傳感器的輸入被測量與輸出被測量間的關(guān)系，除（ 變

5、面積型 變極距型 變介電常數(shù)型）外是線性的。9. 電位器傳器的（線性），假定電位器全長為 Xmax,其總電阻為Rmax它的滑臂間的阻值可以用 Rx =（ Xmax/x Rmax,x/Xmax Rmax, Xmax/XRmax X/XmaxRmaX 來計算，電位器或電阻傳感器按特性不同，可分為線性電位器和非線性電位器。線性電位器的理想空載特性曲線具有嚴格的線性關(guān)系。假定電位器全長為Xmax其總電阻為 Rmax它的滑臂X間的阻值可以用 Rx=R max來計算。假定加在電位器 A B之間的電壓為 Vmax則X max輸出電壓為Vx=V max。X max按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換為（便于人們應(yīng)用、處理）另一參量

6、（通常為電參量）的器件或測量裝置。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)換元件組成。檢測是指在生產(chǎn)、科研、試驗及服務(wù)等各個領(lǐng)域，為及時獲得被測、被控對象的有關(guān)信息而實時或非實時地對一些參量進行定性檢查和定量測量。11、電阻應(yīng)變片式傳感器按制造材料可分為_金屬_材料和半導體體材料。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_幾何尺寸變化造成的，而的電阻變化主要是由壓阻效應(yīng) 造成的。半導體 材料傳感器的靈敏度較大。二、簡答題1. 用K型熱電偶測量某低溫箱溫度，把熱電偶直接與電位差計相連接。在某時刻，從電位差計測得熱電勢為-1.19mv，此時電位差計所處的環(huán)境溫度

7、為15C，試求該時刻溫箱的溫度是多少度？ （ 20分）K型熱電偶分度表測量端溫0123456789度C熱電動勢（mv）-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.

8、76+200.800.840.880.920.961.001.041.081.121.16解：查K型熱電偶分度表，Ek（15,0）=0.60 mv設(shè)被測溫度為 t C ,貝U： E«t,0）=-1.19+0.60=-0.59查K型熱電偶分度表，得：t=-15 C2 簡述熱電偶的工作原理。 （6 分）答：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)，就是當不同材料的導 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?shù)臏y量電路測量電動勢的大小， 就可測得 溫度的大小。2+ 簡述熱電偶測溫系

9、統(tǒng)使用補償導線時必須注意的問題。答：1）補償導線只能在規(guī)定的溫度范圍內(nèi)（一般為0 C100 C）與熱電偶的熱電勢相等或相近；2）不同型號的熱電偶有不同的補償導線；3）熱電偶和補償導線的二個接點要保持同溫；4）補償導線有正負極，分別與熱電偶的正負極相連；5）補償導線的特性只是延伸熱電偶的自由端，當自由端溫度T0工0時，還需進行其他補償和修正。3 以石英晶體為例簡述壓電效應(yīng)產(chǎn)生的原理。 （6 分）答：石英晶體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， 當外力去掉后， 恢復到不帶電的狀態(tài)； 而當作用力方向改變時， 電荷的極性隨著改變。 晶體受力所產(chǎn)生

10、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，如對石英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 也隨之消失，稱為逆壓電效應(yīng)。4 簡述電阻應(yīng)變片式傳感器的工作原理（ 6 分）答：電阻應(yīng)變片的工作原理是基于電阻應(yīng)變效應(yīng)， 即在導體產(chǎn)生機械變形時， 它的電阻 值相應(yīng)發(fā)生變化。5、簡述霍爾電動勢產(chǎn)生的原理。 （5分）答：一塊半導體薄片置于磁感應(yīng)強度為B的磁場（磁場方向垂直于薄片）中，當有電流I 流過時，電子受到洛侖茲力作用而發(fā)生偏轉(zhuǎn)。結(jié)果在半導體的后端面上電子有所積累。而前端面缺少電子，因此后端面帶負電，前端面帶正電，在前后端面形成電場，該電場產(chǎn)生的力阻止電子繼續(xù)偏

11、轉(zhuǎn)當兩力相平衡時，電子積累也平衡，這時在垂直于電流和磁場的方向上將產(chǎn)生電場，相應(yīng)的電勢稱為霍爾電勢UHo6、分析應(yīng)變片式傳感器產(chǎn)生溫度效應(yīng)的原因，并闡述進行溫度補償?shù)姆椒?。?0分）答：原因：1.溫度變化引起應(yīng)變片敏感柵電阻變化而產(chǎn)生附加應(yīng)變；2. 試件材料與敏感材料的線膨脹系數(shù)不同，使應(yīng)變片產(chǎn)生附加應(yīng)變。溫度補償?shù)姆椒ǎ?.應(yīng)變片自補償法2. 橋路補償法3. 熱敏電阻補償法、寄生電容與電容傳感器相關(guān)聯(lián)影響傳感器的靈敏度，它的變化為虛假信號影響傳感器的精度。試闡述消除和減小寄生電容影響的幾種方法和原理。（15分）電容傳感器測量系統(tǒng)中要消除和減小寄生電容可采用如下方法：1. 采用“驅(qū)動電線”技術(shù)

12、2. 采用組合式與集成技術(shù)3. 整體屏蔽法、電容傳感器工作在高溫、高濕及高頻激勵條件下，電容的附加損耗等影響將不可忽視， 試分析這時電容傳感器的等效電路及等效電容，并說明為什么電容傳感器在使用過程中 改變激勵頻率或更換傳輸電纜，必須對測量系統(tǒng)重新進行標定。答：這時電容傳感器的等效電路如圖所示：圖中C為傳感器電容，RP為低頻損耗并聯(lián)電阻，它包括極板間漏電和介質(zhì)損耗等影響；RS為高溫、高濕及高頻激勵工作時串聯(lián)損耗電阻，它包括導線、極板間和金屬支座等損耗電阻；L為電容器及引線電感； CP為寄生電容。在實際工作中，特別在高頻激勵下，L的影響尤其重要，因此其等效電路可簡化為：其等效電容為：廠CC e21

13、 - w2 LC由此可看出，電容傳感器在使用過程中改變激勵頻率或更換傳輸電纜，其等效電容將發(fā)生變化，因此必須對測量系統(tǒng)重新進行標定。三、在生產(chǎn)過程中測量金屬板的厚度，非金屬板材的鍍層厚度時常用渦流傳感器。試簡要敘述說明利用渦流傳感器測量金屬板厚度的工作原理及實現(xiàn)工藝。（15）三、光纖傳感器的工作原理。（4分）答:光纖工作的基礎(chǔ)是光的全反射，當射入的光線的入射角小于臨界角時，光在纖芯和包層的界面上就會產(chǎn)生全反射，并在光纖內(nèi)部反復逐次反射，直至傳遞到另一端面。光纖傳感器按其工作原理來分有功能型與非功能型兩大類。功能型光纖傳感器其光纖不僅作為光傳播的的波導，而且具有測量的功能。非功能型光纖傳感器其光

14、纖只是作為傳光的 媒介，還需加上其他敏感元件才能組成傳感器。四、 什么是傳感器靜態(tài)特性。（4分）答：傳感器的靜態(tài)特性是指當輸入量為常量或變化極慢時傳感器輸入一輸出特性。三、什么叫做熱電動勢、 接觸電動勢和溫差電動勢？說明勢電偶測溫原理。分析熱電偶測溫的誤差因素，并說明減小誤差的方法（10分）答：熱電動勢：兩種不同材料的導體（或半導體）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，那么回路中就會產(chǎn)生熱電勢。熱電勢主要由接觸電勢和溫 差電勢兩部分組成。 接觸電動勢：接觸電勢是由兩種不同導體的自由電子，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體的性質(zhì)及接觸點的溫度，而與導體的

15、形狀和尺寸無關(guān)。 溫差電動勢：是在同一根導體中，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 是當不同材料的導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?shù)臏y量電路測量電動勢 的大小，就可測得溫度的大小。 誤差因素：參考端溫度受周圍環(huán)境的影響 措施：補償導線法計算修正法自由端恒溫法自動補償法四、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?法有哪幾種？（ 10 分）答：霍爾組件可測量磁場、電流、位移、角度、

16、轉(zhuǎn)速、壓力、功率等。 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，可用輸出的電壓表示。溫度補償方法：a 恒流源供電的分流電阻法；b 熱敏電阻法一、簡答題（ 30 分， 6 分/題）1、光電池的工作原理，指出它應(yīng)工作在電流源還是電壓源狀態(tài)。答：光電池是基于光生伏特效應(yīng)制成的，是自發(fā)電式的有源器件。它有較大面積的P 一N結(jié)，當光照射在 P一 N結(jié)上時則在結(jié)的兩端出現(xiàn)電動勢。它應(yīng)工作在電壓源狀態(tài)。2、 按照傳感型（功能型）和傳輸型光纖傳感器的特點應(yīng)該選用哪種光纖（單模/ 多模），為什么？它主要答：功能型（或稱物性型、傳感型）光纖不僅作為光傳播的波導

17、而且具有測量的功能。靠被測對象調(diào)制或改變光纖的傳輸特性，從而對被測量進行測量和數(shù)據(jù)傳輸，所以只能用單模光纖。對非功能型（或稱結(jié)構(gòu)型、傳光型）光纖傳感器，其光纖只是作為傳光的媒介，要求傳輸?shù)墓饬猎蕉嘣胶?，所以它主要用多模光纖，也可用單模光纖。3、傳感器的定義和組成？畫出自動檢測系統(tǒng)原理框圖，并指明傳感器在系統(tǒng)中的位置和作用。答：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，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。自動檢測系統(tǒng)原理框圖：傳感器直接與被測對象聯(lián)系， 即傳感器是檢測系統(tǒng)的信號源， 是檢測系統(tǒng)中十分重要的 部分，其性能的好壞直接影響檢測系統(tǒng)的精度和其他指標。傳感器的作用

18、是感受被測量并轉(zhuǎn)換成可用輸出信號傳送給信號調(diào)理單元。4、試列出你所學過的不同工作原理傳感器哪些可用于非接觸式測量，哪些用于接觸式測 量，測量何種物理量？（各3種）答：非接觸式測量：a）熱電式傳感器：測量溫度b）光纖傳感器：測量光信號c）核輻射傳感器：測量核輻射粒子接觸式測量：a）電位器式壓力傳感器：測量壓力b）應(yīng)變片式電阻傳感器：測量位移c）應(yīng)變式扭矩傳感器：測量扭矩5、光電效應(yīng)可分為哪三種類型， 簡單說明傳感器的原理并分別列出以之為基礎(chǔ)的光電傳感器。答：光電效應(yīng)可分為：a）外光電效應(yīng)： 指在光的照射下， 材料中的電子逸出表面的現(xiàn)象。 光電管及光電 倍增管均屬這一類。 它們的光電發(fā)射極， 即光

19、明極就是用具有這種特性的材料 制造的。b）內(nèi)光電效應(yīng)： 指在光的照射下， 材料的電阻率發(fā)生改變的現(xiàn)象。 光敏電阻即屬 此類。c）光生伏特效應(yīng)： 利用光勢壘效應(yīng)， 光勢壘效應(yīng)指在光的照射下， 物體內(nèi)部產(chǎn)生 一定方向的電勢。光電池是基于光生伏特效應(yīng)制成的，是自發(fā)電式有源器件。6、光導纖維導光的原理是什么？按其傳輸模式分為哪兩種類型？傳感型（功能型）和傳輸 型光纖傳感器按照其特點應(yīng)該選用哪種光纖？答：光纖工作的基礎(chǔ)是光的全反射， 當射入的光線的入射角小于纖芯與包層間的臨界角 時，就會在光纖的接口上產(chǎn)生全反射， 并在光纖內(nèi)部反復逐次反射， 直至傳遞到另一端 面。按其傳輸模式可分為單模和多模兩種。 傳感

20、型（功能型）光纖傳感器應(yīng)該選用單模光纖，傳輸型光纖傳感器應(yīng)選用多模光 纖。7、什么是應(yīng)變片的靈敏系數(shù)？請解釋它與金屬絲靈敏系數(shù)的區(qū)別。答： 應(yīng)變片一般做成絲柵狀，測量應(yīng)變時，將應(yīng)變片貼在試件表面上，在其軸線方向的單 向應(yīng)力作用下，應(yīng)變計阻值的相對變化與試件表面軸向應(yīng)變之比即為應(yīng)變片的靈敏系數(shù)。應(yīng)變片的靈敏系數(shù)與相應(yīng)長度單根應(yīng)變絲的靈敏系數(shù)不同， 一般情況下， 應(yīng)變片的靈敏 系數(shù)小于相應(yīng)長度單根應(yīng)變絲的靈敏系數(shù) , 原因有 : 第一 , 單向應(yīng)力作用下產(chǎn)生的應(yīng)變 , 在傳 遞到敏感柵的過程中會產(chǎn)生失真； 第二， 絲沿長度方向承受應(yīng)變時， 應(yīng)變片彎角部分也承受 應(yīng)變，但由于存在橫向效應(yīng) , 其截面

21、積變大，則應(yīng)變片直線部分電阻增加時，彎角部分的電 阻值減少，使靈敏系數(shù)下降。二、分析/證明題（32分，8分/題）1、壓電式傳感器更適用于靜態(tài)測量，此觀點是否正確，分析原因。故它相答：不正確。壓電式傳感器的工作原理是基于壓電材料的壓電效應(yīng)。1）壓電式傳感器對被測量的變化是通過其壓電元件產(chǎn)生電荷量的大小來反映的,當于一個電荷源。容量為:2） 壓電它又相當于一個以壓電材料為電介質(zhì)的電容器,其電如圖所示。在開路狀態(tài)，輸出因此壓電傳感器可以等效成一個與電容相并聯(lián)的電荷源, 端電荷為:壓電傳感器也可以等效為一個與電容相串聯(lián)的電壓源，如圖所示。在開路狀態(tài)下, 容器上的電壓Q由等效電路可見，由于壓電傳感器的內(nèi)

22、部信號電荷存在泄露，對于靜態(tài)或低頻準靜態(tài)測量存在誤差，只適用于動態(tài)測量。2、PtIOO和Cu50各代表什么傳感器？分析熱電阻傳感器測量電橋之三線、四線連接法的主要作用。分別代表鉑電阻傳感器（溫度為0C時電阻為100Q ）,銅電阻傳感器（溫度為0C時電阻為50 Q ）。熱電阻傳感器測量電橋之三線、四線連接法的主要作用是消除在熱電阻安裝的地方與儀表相距遠時，連接導線電阻所造成的測量誤差。3、用K熱電偶測量爐溫，其儀表示值為600C,而冷端溫度to為65C,則實際溫度為665 C, 對不對？為什么？應(yīng)如何計算？K型熱電偶分度表測量端溫0123456789度C熱電動勢(mv)+200.800.840.

23、880.920.961.001.041.081.121.16+602.442.482.522.562.602.642.702.732.772.81+60024.9124.9524.9925.0325.0825.1225.1625.2025.2525.29+62025.7625.8025.8425.8825.9225.9726.0126.0526.0926.12+64026.6026.6426.6926.7326.7726.8126.8626.9026.9426.98+66027.4527.5027.5327.5727.6227.6627.7027.7427.7827.83答：不對。因一般熱電偶

24、測溫儀表冷端補償溫度為室溫(即20C),此例冷端溫度為 65C,應(yīng)以下計算：E(t,0)= E(600,0)+ E(65,20)查 K 分度表得：E(600,0)=24.91mVE(65,0)=2.64 mVE(20,0)=0.80 mV因此 =26.75 (mV)查K分度表得：t=643 C12系統(tǒng)的系統(tǒng)響應(yīng)帶寬與傳感器的響應(yīng)帶寬無關(guān)，請問這種說法正確嗎？試述理由。答：不正確。傳感器的響應(yīng)帶寬會限制系統(tǒng)的系統(tǒng)響應(yīng)帶寬。4、溫度對光電流影響不大，所以光電傳感器在使用中不需要進行溫度補償，此觀點正確否，為什么？答：不正確。因為半導體材料容易受溫度影響，而其直接影響光電流的值，所以還需要溫度補償裝

25、置。|1測量電橋和顯示電表組成。三、下面是熱電阻測量電路，電路中已知R、R、R和E,且R=R, Rt是熱電阻，說明電路工作原理，且說明Ra應(yīng)如何調(diào)整。答：1）該熱電阻測量電路由熱電阻、圖中G為指示電表，R、R、F3為固定電阻，F(xiàn)a為零位調(diào)節(jié)電阻。熱電阻都通過電阻圖中F2=F3=R是固定電阻, 橋路處于平衡狀態(tài)，當應(yīng)變片受力 UCd表示應(yīng)變片應(yīng)變后電阻值的變化U cd U cb U db略去 R的二次項，即可得UcdE RE =R R R R R RE空2 R2R R 廠22匚4R - R分別為2、3、FF的三個導線和電橋連接，2和3分別接在相鄰的兩臂，當溫度變化時，只要它們和R分別接在指示電表

26、和電源的回路中，其電阻變化也不會影響電橋的平衡狀態(tài), 電橋在零位調(diào)整時，應(yīng)使 RfR+R。，R to為熱敏電阻在參考溫度（如 0 C）時的電阻值。四、分析、計算題：（20分）二、如圖所示電路是電阻應(yīng)變儀中所用的不平衡電橋的簡化電路, R與R是電阻應(yīng)變片，工作時 R受拉，艮受壓， R=0, 發(fā)生應(yīng)變時，橋路失去平衡，這時，就用橋路輸出電壓 量。試證明：u _ E空o （10分）d2 R證明：& = R F R4 二 R - ：R三、分析、計算題：（35分）1、設(shè)5次測量某物體的長度， 若忽略粗大誤差和系統(tǒng)誤差，試求在（5分）其測量的結(jié)果分別為：9.8cm、10.0m、10.1cm、9.9

27、cm、10.2cm，99.73 %的置信概率下，對被測物體的最小估計區(qū)間。(9.8 10.0 10.19.9 10.2)Vj =咅 _X,分別為-0.2、0、0.1、-0.1、0.21 / 2 Vj0.16n -12=X _3；,X3；訂 珂9.52,10.481、設(shè)6次測量某物體的長度， 其測量的結(jié)果分別為：9.8cm、10.0cm > 10.1cm > 9.9cm、10.2cm、10.1cm ,若忽略粗大誤差和系統(tǒng)誤差，試求在99.73%的置信概率下，對被測物體長度的最小估計區(qū)間。答：平均值 x = 9.8 10 10.19.9 10.3 10.1 =10.036 ，W =為X,分