《傳感器與檢測(cè)技術(shù)》試題及答案

1、傳感器與檢測(cè)技術(shù)試題一、填空：（20 分）1，測(cè)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 分）2. 霍爾元件靈敏度的物理意義是表示在單位磁感應(yīng)強(qiáng)度相單位控制電流時(shí)的霍爾電勢(shì)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光電子逸出物體表面的外光電效應(yīng)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(dòng)勢(shì)的光生伏特效應(yīng)，這類元件有光電池、光電儀表。, 這4.

2、熱電偶所產(chǎn)生的熱電勢(shì)是兩種導(dǎo)體的接觸電勢(shì)和單一導(dǎo)體的溫差電勢(shì)組成的，其表達(dá)式為 Eab（T， To） = k (TT0 ) ln N ATT0 ( AB )d T 。在熱電偶溫度補(bǔ)償中eN B補(bǔ)償導(dǎo)線法（即冷端延長(zhǎng)線法）是在連接導(dǎo)線和熱電偶之間，接入延長(zhǎng)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。5. 壓磁式傳感器的工作原理是：某些鐵磁物質(zhì)在外界機(jī)械力作用下，其內(nèi)部產(chǎn)生機(jī)械壓力，從而引起極化現(xiàn)象，這種現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)。相反，某些鐵磁物質(zhì)在外界磁場(chǎng)的作用下會(huì)產(chǎn)生機(jī)械變形，這種現(xiàn)象稱為負(fù)壓電效應(yīng)。（2 分）6.變氣隙式自感傳感器，當(dāng)街鐵移動(dòng)靠近

3、鐵芯時(shí)，鐵芯上的線圈電感量（增加減小不變） （2 分）7.儀表的精度等級(jí)是用儀表的（相對(duì)誤差 絕對(duì)誤差 引用誤差 ）來(lái)表示的（ 2 分）8.電容傳感器的輸入被測(cè)量與輸出被測(cè)量間的關(guān)系，除（變面積型 變極距型 變介電常數(shù)型）外是線性的。 （2 分）1、變面積式自感傳感器，當(dāng)銜鐵移動(dòng)使磁路中空氣縫隙的面積增大時(shí)，鐵心上線圈的電感量（增大 ，減小，不變） 。2、在平行極板電容傳感器的輸入被測(cè)量與輸出電容值之間的關(guān)系中，（ 變面積型 ，變極距型，變介電常數(shù)型）是線性的關(guān)系。3、在變壓器式傳感器中，原方和副方互感M的大小與原方線圈的匝數(shù)成（正比， 反比 ，不成比例），與副方線圈的匝數(shù)成（正比 ，反比，不

4、成比例），與回路中磁阻成（正比，反比，不成比例 ）。4、傳感器是能感受規(guī)定的被測(cè)量并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置， 傳感器通常由直接響應(yīng)于被測(cè)量的敏感元件 和產(chǎn)生可用信號(hào)輸出的轉(zhuǎn)換元件以及相應(yīng)的信號(hào)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換電路組成。5、熱電偶所產(chǎn)生的熱電熱是由兩種導(dǎo)體的接觸電熱和單一導(dǎo)體的溫差電熱組成。2、電阻應(yīng)變片式傳感器按制造材料可分為_(kāi)金屬 _材料和_半導(dǎo)體_體材料。它們?cè)谑艿酵饬ψ饔脮r(shí)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溫度效應(yīng)造成的。半導(dǎo)體材料傳感器的靈敏度較大。3、在變壓器式傳感器中，原方和副方互感M的大小與繞組匝數(shù)成正比，與 穿過(guò)線圈的磁通

5、 _成正比，與磁回路中 磁阻成反比，而單個(gè)空氣隙磁阻的大小可用公式 _ 表示。1. 熱電偶所產(chǎn)生的熱電勢(shì)是由兩種導(dǎo)體的接觸電勢(shì)和單一導(dǎo)體的溫差電勢(shì)組成的，其表達(dá)式為Eab （T,T o）= k ( TT0 ) ln N ATT0 (AB )d T 。在熱電偶溫度補(bǔ)償eN B中，補(bǔ)償導(dǎo)線法（即冷端延長(zhǎng)線法）是在連接導(dǎo)線和熱電偶之間，接入延長(zhǎng)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。 （ 7 分）3. 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(yán)格的線性關(guān)系。假定電位器全長(zhǎng)為Xmax，其總電阻為

6、Rmax，它的滑臂間的阻值可以用Rx=XR max 來(lái)計(jì)算。假定加在電X max位器 A、 B 之間的電壓為 Vmax，則輸出電壓為 Vx=XV max。其電阻靈敏度X maxRI = 2 (bh ) 。電壓靈敏度 RU=I2 (b h) 。（7 分）AtAt5. 磁電式傳感器是利用導(dǎo)體和磁場(chǎng)發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)而在導(dǎo)體兩端產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)的。而霍爾式傳感器為霍爾元件在磁場(chǎng)中有電磁效應(yīng)（霍爾效應(yīng)）而輸出電勢(shì)的?；魻柺絺鞲衅骺捎脕?lái)測(cè)量電流，磁場(chǎng)，位移，壓力。（6 分）簡(jiǎn)答題二、用鎳鉻 - 鎳硅熱電偶測(cè)量某低溫箱溫度，把熱電偶直接與電位差計(jì)相連接。在某時(shí)刻，從電位差計(jì)測(cè)得熱電勢(shì)為-1.19mv ，此時(shí)電位差計(jì)

7、所處的環(huán)境溫度為15，試求該時(shí)刻溫箱的溫度是多少度？（20 分）鎳鉻 - 鎳硅熱電偶分度表測(cè) 量0123456789端 溫?zé)犭妱?dòng)勢(shì)(mv)度-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+100.400.440.480.520.560.600.6

8、40.680.720.76+200.800.840.880.920.961.001.041.081.121.162 簡(jiǎn)述熱電偶的工作原理。 （ 6 分）答：熱電偶的測(cè)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(gè)閉合回路時(shí)，若兩個(gè)結(jié)點(diǎn)的溫度不同，那么在回路中將會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象。兩點(diǎn)間的溫差越大，產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)就越大。引入適當(dāng)?shù)臏y(cè)量電路測(cè)量電動(dòng)勢(shì)的大小，就可測(cè)得溫度的大小。3 以石英晶體為例簡(jiǎn)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(shí)，由于內(nèi)部電極化現(xiàn)象同時(shí)在兩個(gè)表面上產(chǎn)生符號(hào)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

9、用力方向改變時(shí)，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(duì)石英晶體施加一定變電場(chǎng)，晶體本身將產(chǎn)生機(jī)械變形，外電場(chǎng)撤離，變形也隨之消失，稱為逆壓電效應(yīng)。石英晶體整個(gè)晶體是中性的，受外力作用而變形時(shí)，沒(méi)有體積變形壓電效應(yīng)，但它具有良好的厚度變形和長(zhǎng)度變形壓電效應(yīng)。4 簡(jiǎn)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(dǎo)體產(chǎn)生機(jī)械變形時(shí)，它的電阻值相應(yīng)發(fā)生變化。1、什么是傳感器動(dòng)態(tài)特性和靜態(tài)特性，簡(jiǎn)述在什么頻域條件下只研究靜態(tài)特就能夠滿足通常的需要， 而在什么頻域條件下一般要研究傳感器的動(dòng)態(tài)特性？（10 分

10、）答：傳感器的特性是指?jìng)鞲衅魉赜行再|(zhì)的總稱。而傳感器的輸入輸出特性是其基本特性，一般把傳感器作為二端網(wǎng)絡(luò)研究時(shí)，輸入輸出特性是二端網(wǎng)絡(luò)的外部特性，即輸入量和輸出量的對(duì)應(yīng)關(guān)系。由于輸入量的狀態(tài)（靜態(tài)、動(dòng)態(tài)）不同分靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性。靜態(tài)特性是指當(dāng)輸入量為常量或變化極慢時(shí)傳感器輸入 -輸出特性。 動(dòng)態(tài)特性指當(dāng)輸入量隨時(shí)間變化時(shí)傳感器的輸入-輸出特性。 可以從時(shí)域和頻域來(lái)研究動(dòng)態(tài)特性2、簡(jiǎn)述霍爾電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生的原理。（ 5 分）答：一塊半導(dǎo)體薄片置于磁感應(yīng)強(qiáng)度為B 的磁場(chǎng) (磁場(chǎng)方向垂直于薄片)中，當(dāng)有電流 I 流過(guò)時(shí)，電子受到洛侖茲力作用而發(fā)生偏轉(zhuǎn)。 結(jié)果在半導(dǎo)體的后端面上電子有所積累。而前端面缺少

11、電子，因此后端面帶負(fù)電，前端面帶正電，在前后端面形成電場(chǎng)，該電場(chǎng)產(chǎn)生的力阻止電子繼續(xù)偏轉(zhuǎn)當(dāng)兩力相平衡時(shí)，電子積累也平衡，這時(shí)在垂直于電流和磁場(chǎng)的方向上將產(chǎn)生電場(chǎng)，相應(yīng)的電勢(shì)稱為霍爾電勢(shì)UH。3、分析應(yīng)變片式傳感器在使用單臂電橋測(cè)量電路時(shí)由于溫度變化而產(chǎn)生測(cè)量誤差的過(guò)程。（ 10 分）答：在外界溫度變化的條件下，由于敏感柵溫度系數(shù)t 及柵絲與試件膨脹系數(shù)（ g與 s ）之差異性而產(chǎn)生虛假應(yīng)變輸出有時(shí)會(huì)產(chǎn)生與真實(shí)應(yīng)變同數(shù)量級(jí)的誤差。二、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(hào)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）三、在生產(chǎn)過(guò)程中測(cè)量金

12、屬板的厚度，非金屬板材的鍍層厚度時(shí)常用渦流傳感器。試簡(jiǎn)要敘述說(shuō)明利用渦流傳感器測(cè)量金屬板厚度的工作原理及實(shí)現(xiàn)工藝。（ 15）1 光纖傳感器的工作原理。 （ 4 分）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(shí)，就會(huì)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。光纖傳感器利用光導(dǎo)纖維，按其工作原理來(lái)分有功能型（或稱物性型、傳感型）與非功能型（或稱結(jié)構(gòu)型、傳光型）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(dǎo)，而且具有測(cè)量的功能。非功能型光纖傳感器其光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。5、什么

13、是傳感器靜態(tài)特性。 （ 4 分）答：傳感器的靜態(tài)特性是指當(dāng)輸入量為常量或變化極慢時(shí)傳感器輸入輸出特性。三、什么叫做熱電動(dòng)勢(shì)、接觸電動(dòng)勢(shì)和溫差電動(dòng)勢(shì)？說(shuō)明勢(shì)電偶測(cè)溫原理及其工作定律的應(yīng)用。分析熱電偶測(cè)溫的誤差因素，并說(shuō)明減小誤差的方法（10 分）答：熱電動(dòng)勢(shì)：兩種不同材料的導(dǎo)體（或半導(dǎo)體） A、 B 串接成一個(gè)閉合回路，并使兩個(gè)結(jié)點(diǎn)處于不同的溫度下，那么回路中就會(huì)存在熱電勢(shì)。因而有電流產(chǎn)生相應(yīng)的熱電勢(shì)稱為溫差電勢(shì)或塞貝克電勢(shì)，通稱熱電勢(shì)。接觸電動(dòng)勢(shì)：接觸電勢(shì)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(shì)。它的大小取決于兩導(dǎo)體的性質(zhì)及接觸點(diǎn)的溫度，而與導(dǎo)體的形狀和尺寸無(wú)關(guān)。溫差電動(dòng)勢(shì)

14、：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(shì)。熱電偶測(cè)溫原理： 熱電偶的測(cè)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(gè)閉合回路時(shí)，若兩個(gè)結(jié)點(diǎn)的溫度不同，那么在回路中將會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象。兩點(diǎn)間的溫差越大，產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)就越大。引入適當(dāng)?shù)臏y(cè)量電路測(cè)量電動(dòng)勢(shì)的大小，就可測(cè)得溫度的大小。熱電偶三定律a 中間導(dǎo)體定律熱電偶測(cè)溫時(shí)，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(duì)熱電偶回路總的熱電勢(shì)不產(chǎn)生影響。在用熱電偶測(cè)溫時(shí)，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 T0 時(shí)的熱電勢(shì)等于該熱電偶熱端

15、為T 冷端為 Tn 時(shí)的熱電勢(shì)與同一熱電偶熱端為Tn ，冷端為 T0 時(shí)熱電勢(shì)的代數(shù)和。應(yīng)用：對(duì)熱電偶冷端不為00 C 時(shí)，可用中間溫度定律加以修正。熱電偶的長(zhǎng)度不夠時(shí)，可根據(jù)中間溫度定律選用適當(dāng)?shù)难a(bǔ)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(diǎn)溫度為（ T， T0 ）時(shí)分別為 EAC T ,T0 ， EBC T ,T0 ，那么愛(ài)相同溫度下，又A、B 兩熱電極配對(duì)后的熱電勢(shì)為實(shí)用價(jià)值：可大大簡(jiǎn)化熱電偶的選配工作。在實(shí)際工作中，只要獲得有關(guān)熱電極與標(biāo)準(zhǔn)鉑電極配對(duì)的熱電勢(shì)，那么由這兩種熱電極配對(duì)組成熱電偶的熱電勢(shì)便可由上式求得，而不需逐個(gè)

16、進(jìn)行測(cè)定。誤差因素：參考端溫度受周圍環(huán)境的影響措施： a00 C 恒溫法 b 計(jì)算修正法（冷端溫度修正法）c 儀表機(jī)械零點(diǎn)調(diào)整法d 熱電偶補(bǔ)償法e 電橋補(bǔ)償法f 冷端延長(zhǎng)線法四、霍爾元件能夠測(cè)量哪些物理參數(shù)？霍爾元件的不等位電勢(shì)的概念是什么？溫度補(bǔ)償?shù)姆椒ㄓ心膸追N？請(qǐng)?jiān)敿?xì)推導(dǎo)分流法。（10 分）答：霍爾組件可測(cè)量磁場(chǎng)、電流、位移、壓力、振動(dòng)、轉(zhuǎn)速等。霍爾組件的不等位電勢(shì)是霍爾組件在額定控制電流作用下，在無(wú)外加磁場(chǎng)時(shí)，兩輸出電極之間的空載電勢(shì)，可用輸出的電壓表示。溫度補(bǔ)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(bǔ)償法五、論述 CCD的工作原理，如何用設(shè)計(jì)一臺(tái)攝像機(jī)。7.4

17、（6 分）答： CCD是一種半導(dǎo)體器件，在N 型或 P 型硅襯底上生長(zhǎng)一層很薄的SiO2，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(hào)轉(zhuǎn)換成電脈沖信號(hào)。 每一個(gè)脈沖只反映一個(gè)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(qiáng)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。一、簡(jiǎn)答題（ 30分，6 分/題）1、從傳感器的靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性考慮，詳述如何選用傳感器。答：考慮傳感器的靜態(tài)特性的主要指標(biāo)，選用線性度大、遲滯小、重復(fù)性好、分辨力強(qiáng)、穩(wěn)定性高、抗干擾穩(wěn)定性高的傳感器?？紤]動(dòng)態(tài)特性

18、，所選的傳感器應(yīng)能很好的追隨輸入量的快速變化，即具有很短的暫態(tài)響應(yīng)時(shí)間或者應(yīng)具有很寬的頻率響應(yīng)特性。2、直流電橋和交流電橋有何區(qū)別？直流電橋的平衡條件是什么？應(yīng)變片式電阻傳感器、自感式、互感式、渦流式、電容式、熱電阻式傳感器分別可采用哪種電橋作為測(cè)量電路？答：根據(jù)電源不同分為直流和交流電橋。直流電橋優(yōu)點(diǎn)：高穩(wěn)定度直流電源容易獲得，電橋平衡電路簡(jiǎn)單，傳感器至測(cè)量?jī)x表的連接導(dǎo)線分布參數(shù)影響小。但是后續(xù)要采用直流放大器，容易產(chǎn)生零點(diǎn)漂移，線路也較復(fù)雜。交流電橋在這些方面都有改進(jìn)。直流電橋平衡條件：R1/R 2=R3 /R 4 ， R1 R4 =R2 R3 。3、以自感式傳感器為例說(shuō)明差動(dòng)式傳感器可以

19、提高靈敏度的原理。解： L0W 20 S02l02L0 1ll2差動(dòng)式靈敏度 : S.l 0l0l0L0ll2與單極式傳感器靈敏度 S1. 比較l 0l0l 0靈敏度提高一倍，非線性大大減少。4、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；是有源器件。它有較大面積的 P 一 N 結(jié)，當(dāng)光照射在P 一 N 結(jié)上時(shí)則在結(jié)的兩端出現(xiàn)電動(dòng)勢(shì)。它應(yīng)工作在電壓源狀態(tài)。5、按照傳感型（功能型）和傳輸型光纖傳感器的特點(diǎn)應(yīng)該選用哪種光纖（單模 / 多模），為什么？答：功能型 (或稱物性型、傳感型 )光纖不僅作為光傳播的波導(dǎo)而且具有測(cè)量的功能。它可以利用外

20、界物理因素改變光纖中光的強(qiáng)度、相位、偏振態(tài)或波長(zhǎng)，從而對(duì)外界因素進(jìn)行測(cè)量和數(shù)據(jù)傳輸?？煞譃檎穹{(diào)制型、相位調(diào)制型及偏振態(tài)調(diào)制型。多模單模皆可非功能型(或稱結(jié)構(gòu)型、傳光型) 其光纖只是作為傳光的媒介，還需加上其它敏感元件才能組成傳感器。多模。6、傳感器的定義和組成框圖？畫(huà)出自動(dòng)控制系統(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(cè)量并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。傳感器處于研究對(duì)象與測(cè)試系統(tǒng)的接口位置，即檢測(cè)與控制之首。傳感器是感知、獲取與檢測(cè)信息的窗口，一切科學(xué)研究與自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程要獲取的信息都要通過(guò)傳感器獲取并通過(guò)它轉(zhuǎn)換成容

21、易傳輸與處理的電信號(hào)，其作用與地位特別重要。被測(cè)傳 感 元信號(hào)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換電敏 感 元組成框圖：自動(dòng)控制系統(tǒng)原理框圖：傳感器的作用：感受被測(cè)量并轉(zhuǎn)換成可用輸給定 +輔 助 電擾動(dòng)e出信號(hào)傳送給控制對(duì)象。傳 感對(duì)象7、反饋裝置試列出你所學(xué)過(guò)的不同工作原理傳感器哪些可用于非接觸式測(cè)量，哪些用于接觸式測(cè)量，測(cè)量何種物理量？（各3 種）答：非接觸式測(cè)量：a) 熱電式傳感器：測(cè)量溫度b) 光纖傳感器：測(cè)量光信號(hào)c) 核輻射傳感器：測(cè)量核輻射粒子接觸式測(cè)量：a) 電位器式壓力傳感器：測(cè)量壓力b) 應(yīng)變片式電阻傳感器：測(cè)量電阻值c) 應(yīng)變式扭矩傳感器：測(cè)量扭矩8、光電效應(yīng)可分為哪三種類型，簡(jiǎn)單說(shuō)明傳感器的原理并

22、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(shì)壘效應(yīng)，光勢(shì)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(shì)。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。9、光導(dǎo)纖維導(dǎo)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(diǎn)應(yīng)該選用哪種光纖？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

23、射角大于纖維包層間的臨界角時(shí)， 就會(huì)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。按其傳輸模式可分為單模和多模兩種。傳感型（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。10、 傳感器（或測(cè)試儀表） 在第一次使用前和長(zhǎng)時(shí)間使用后需要進(jìn)行標(biāo)定工作，請(qǐng)問(wèn)標(biāo)定的意義？答：傳感器的標(biāo)定分為靜態(tài)標(biāo)定和動(dòng)態(tài)標(biāo)定兩種。靜態(tài)標(biāo)定的目的是確定傳感器靜態(tài)特性指標(biāo)，如線性度、靈敏度、滯后和重復(fù)性等。動(dòng)態(tài)標(biāo)定的目的是確定傳感器的動(dòng)態(tài)特性參數(shù)，如頻率響應(yīng)、時(shí)間常數(shù)、固有頻率和阻尼比等。11、 壓電式傳感器的前置放大器的作用是什么？電壓式與電荷式前置放大器各有

24、何特點(diǎn)？答：作用是將輸出電壓放大，并與輸入電壓或輸入電流成正比。電壓放大器將壓電式傳感器的高輸出阻抗經(jīng)放大器變換為低阻抗輸出，并將微弱的電壓信號(hào)進(jìn)行適當(dāng)放大，但其所接配的壓電式傳感器的電壓靈敏度將隨電纜分布電容及傳感器自身電容的變化而變化，而且電纜的的更換得引起重新標(biāo)定的麻煩。電荷放大器是一種具有深度電容負(fù)反饋的高增益運(yùn)算放大器，其雖然允許使用很長(zhǎng)的電纜，并且電容 Ce變化不影響靈敏度，但它比電壓放大器價(jià)格高，電路較復(fù)雜，調(diào)整也比較困難。12、 什么是金屬應(yīng)變片的靈敏系數(shù)？請(qǐng)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(cè)量應(yīng)變時(shí)，將應(yīng)變片貼在試件表面上，試件的變形很容易傳到應(yīng)變片

25、上。金屬應(yīng)變片的靈敏系數(shù)與金屬絲靈敏系數(shù)是不同的。第一，零件的變形是通過(guò)剪力傳到金屬絲上的。第二，絲沿長(zhǎng)度方向承受應(yīng)變時(shí)，應(yīng)變片彎角部分也承受應(yīng)變，其截面積變大，則應(yīng)變片直線部分電阻增加時(shí)，彎角部分的電阻值減少，也使變化的靈敏度下降。因此，應(yīng)變片的靈敏系數(shù)比金屬絲靈敏系數(shù)低。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(cè)量，此觀點(diǎn)是否正確，分析原因。答不正確。其工作原理是基于壓電材料的壓電效應(yīng)，具有使用頻率寬，靈敏度高、信噪比高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、測(cè)量范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，因此在壓力沖擊和震動(dòng)等動(dòng)態(tài)參數(shù)測(cè)試中是主要的傳感器品種，它可以把加速度、位移、壓力、溫度、濕度等許

26、多非電量轉(zhuǎn)換為電量。2、固態(tài)圖象傳感器的分辨率由什么因素決定？某海關(guān)欲采用固態(tài)圖象傳感器為核心的圖象識(shí)別系統(tǒng)，但是安裝適用后發(fā)現(xiàn)顯示的圖象清晰度和準(zhǔn)確度不能令人滿意，請(qǐng)從固態(tài)圖象傳感器的原理進(jìn)行分析，從哪幾方面考慮重新選型？3、為什么要對(duì)應(yīng)變片式電阻傳感器進(jìn)行溫度補(bǔ)償，分析說(shuō)明該類型傳感器溫度誤差補(bǔ)償方法。答：在外界溫度變化的條件下，由于敏感柵溫度系數(shù)t 及柵絲與試件膨脹系數(shù)（ g與 s ）之差異性而產(chǎn)生虛假應(yīng)變輸出有時(shí)會(huì)產(chǎn)生與真實(shí)應(yīng)變同數(shù)量級(jí)的誤差。方法：自補(bǔ)償法線路補(bǔ)償法4、系統(tǒng)的系統(tǒng)響應(yīng)帶寬與傳感器的響應(yīng)帶寬無(wú)關(guān)，請(qǐng)問(wèn)這種說(shuō)法正確嗎？試述理由。答：不完全正確。5、Pt100 和 Cu50

27、各代表什么傳感器？分析熱電阻傳感器測(cè)量電橋之三線、四線連接法的主要作用。分別代表鉑電阻熱電式傳感器（100），銅電阻熱電式傳感器(50 ).熱電阻傳感器測(cè)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(yuǎn)時(shí)，環(huán)境溫度變化時(shí)其連接導(dǎo)線電阻也變化所造成的測(cè)量誤差。6、用鎳鉻 - 鎳硅熱電偶測(cè)量爐溫， 其儀表示值為600，而冷端溫度t 0 為 65，則實(shí)際溫度為665，對(duì)不對(duì)？為什么？應(yīng)如何計(jì)算？答：對(duì)。查表知鎳鉻 - 鎳硅熱電偶 K=1， T=Tz+KTn =600+1×65=6657、自動(dòng)控制系統(tǒng)的系統(tǒng)響應(yīng)帶寬與傳感器的響應(yīng)帶寬有何關(guān)系？如果選用傳感器的動(dòng)態(tài)特性達(dá)不

28、到要求怎么辦？8、制作霍爾元件應(yīng)采用什么材料，為什么？為何霍爾元件都比較薄，而且長(zhǎng)寬比一般為2 ：1？答：制作霍爾元件應(yīng)采用半導(dǎo)體材料。 如果磁場(chǎng)與薄片法線有 夾角，那么 UH=kHIBcos , 霍爾元件越?。?d 越小），kH 就越大，所以一般霍爾元件都很薄。又因?yàn)閷?shí)際測(cè)量中U =(k IB/d) ×f(l/b)當(dāng) l/b=2 時(shí)，HHf(l/b)=0.93為最大值，這時(shí) UH 也可取到最大值，所以長(zhǎng)寬比l/b 一般為 2：112 系統(tǒng)的系統(tǒng)響應(yīng)帶寬與傳感器的響應(yīng)帶寬無(wú)關(guān)，請(qǐng)問(wèn)這種說(shuō)法正確嗎？試述理由。答：不正確。傳感器的響應(yīng)帶寬會(huì)限制系統(tǒng)的系統(tǒng)響應(yīng)帶寬。14 溫度對(duì)光電流影響

29、不大，所以光電傳感器在使用中不需要進(jìn)行溫度補(bǔ)償，此觀點(diǎn)正確否，為什么？答：不正確。因?yàn)榘雽?dǎo)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(bǔ)償裝置。15 智能傳感器只是將被測(cè)信號(hào)數(shù)字化，意義不大，你同意此觀點(diǎn)否？分析說(shuō)明你的理由。答：不同意。智能傳感器具有一定的人工智能，可使用電路代替一部分腦力勞動(dòng)。和微機(jī)的結(jié)合使智能傳感器不僅有視嗅味和聽(tīng)覺(jué)功能，還具有存儲(chǔ)，思維和邏輯判斷，數(shù)據(jù)處理，自適應(yīng)能力等功能，從而使傳感器技術(shù)提高到一個(gè)新水平。計(jì)算題四、下面是熱電阻測(cè)量電路，試說(shuō)明電路工作原理并計(jì)算（5 分）1.已知 Rt 是 Pt100 鉑電阻，且其測(cè)量溫度為T=50，試計(jì)算出值（ 10

30、 分）Rt的值和Ra的RtR 0 ( 1 AtBt2 )1001 3.94010350 ( 5.802 10 7) 502 2. 電119.55路中已知 R1、 R2、R3 和 E，試計(jì)算電橋的輸出電壓VAB。（ 5 分）其中（ R1 =10K， R2=5K， R3=10K， E=5 伏）答：該熱電阻測(cè)量溫度電路由熱敏電阻、測(cè)量電阻和顯示電表組成。圖中 G 為指示電表， R、R、R 為固定電阻， Ra 為零位調(diào)節(jié)電阻。熱電阻都通過(guò)電阻分別為 r、r123和 r、R 的三個(gè)導(dǎo)線和電橋連接， r分別接在相鄰的兩臂，當(dāng)溫度23g23變化時(shí)，只要它們的R 分別接在指示電表和電源的回路中，其電阻變化也不

31、會(huì)影g響電橋的平衡狀態(tài)， 電橋在零位調(diào)整時(shí)， 應(yīng)使 R4=Ra+Rt0 為電阻在參考溫度 （如 0 C）時(shí)的電阻值。 三線連接法的缺點(diǎn)之一是可調(diào)電阻的接觸電阻和電橋臂的電阻相連，可能導(dǎo)致電橋的零點(diǎn)不穩(wěn)。三、分析、計(jì)算題： （ 20 分）1、分析（線性）電位器式傳感器由于測(cè)量線的線路中的負(fù)載電阻RL 帶來(lái)的負(fù)載誤差，并計(jì)算它與位移x 之間的關(guān)系；（ 10 分）一、測(cè)得某檢測(cè)裝置的一組輸入輸出數(shù)據(jù)如下：X0.92.53.34.55.76.7Y1.11.62.63.24.05.0試用最小二乘法擬合直線，求其線性度和靈敏度（10 分）解 : y kx b iyi (kxi b)n xi yixi yi

32、( xi 2 yixixi yi )k( xi ) 2b( xi ) 2n xi 2n xi 2代入數(shù)據(jù)求得 k 0.68 b 0.25 y 0.68x0.251 0.238 20.3530.16擬合直線靈敏度 k0.68 , 線性度± 7%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(jiǎn)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(shí)R1 受拉， R4 受壓，R=0，橋路處于平衡狀態(tài)，當(dāng)應(yīng)變片受力發(fā)生應(yīng)變時(shí)，橋路失去平衡，這時(shí)，就用橋路輸出電cR2R1abUcdR3R4壓 Ucd 表示應(yīng)變片變后電阻值的變化量。試證明：Ucd=-（E/2 ）(R/R) 。（

33、10 分）證明： R1RRR4RR略去R 的二次項(xiàng) ,即可得 U cdER2R三、分析、計(jì)算題： （ 35 分）1、分析如圖1 所示自感傳感器當(dāng)動(dòng)鐵心左右移動(dòng)（x1,x2 發(fā)生變化時(shí)自感 L變化情況。已知空氣隙的長(zhǎng)度為x1 和 x2，空氣隙的面積為 S，磁導(dǎo)率為，線圈匝數(shù) W不變）。（ 10 分）解：IW， LIWW 2RmIRm又 Rmnl ilx1lx 2nlil 0i Si0S00 S0i Si0 S0i 1i 1空氣隙的長(zhǎng)度x1 和 x2各自變，而其和不變，另其他變量都不變故L 不變2、分析如圖2 所示變介質(zhì)平板電容傳感器，電容（C）變化對(duì)液位變化（ x）的靈敏度。已知長(zhǎng)方形極板的長(zhǎng)為

34、l ，高為 h，極板間距離為 d，容器內(nèi)下面介質(zhì)的高度為 x(x h)，介電常數(shù)為2，容器內(nèi)上面介質(zhì)的介電常數(shù)為1。（10 分）3、設(shè) 5 次測(cè)量某物體的長(zhǎng)度，其測(cè)量的結(jié)果分別為：9.8 10.0 10.1 9.910.2厘米，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(duì)被測(cè)物體的最小估計(jì)區(qū)間。 （ 5 分）1n(9.810.010.19.910.2)10 vix1x 分 別為 -0.20 0.1xxi5n i1-0.10.21n20.16 x3 , x3 9.52,10.48vin 1 i 14、在對(duì)量程為 10MPa的壓力傳感器進(jìn)行標(biāo)定時(shí)， 傳感器輸出電壓值與壓力值之間的關(guān)

35、系如下表所示，簡(jiǎn)述最小二乘法準(zhǔn)則的幾何意義，并討論下列電壓- 壓力直線中哪一條最符合最小二乘法準(zhǔn)則？（10 分）測(cè)量次數(shù) I12345壓力 xi （ MPa）245810電壓 yi （ V）10.04320.09330.15340.12850.072（ 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，很明顯（ 5）為所求。三、計(jì)算題（20 分， 10分/

36、題）設(shè) 6 次測(cè)量某物體的長(zhǎng)度，其測(cè)量的結(jié)果分別為：9.8 10.0 10.1 9.9 10.215 厘米，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(duì)被測(cè)物體長(zhǎng)度的最小估計(jì)區(qū)間。1n(9.810.010.19.910.2)10解： xxi5n i 1vix1x分別為 -0.2 0 0.1-0.1 0.21、設(shè) 7 次測(cè)量某物體的長(zhǎng)度，其測(cè)量的結(jié)果分別為：9.8 10.0 10.1 9.910.2 10.1 15厘米，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(duì)被測(cè)物體長(zhǎng)度的最小估計(jì)區(qū)間。答：忽略最后一個(gè)值，平均值x9.8 1010.19.910.310.1

37、10.03，6p19.810.030.23, p20.03, p30.07, p40.13, p5 0.27, p60.07n5 i 1pi0.18 ，4 n12則最小估計(jì)區(qū)間 xx310.0330.189.49 10.57。2、將一只靈敏度為0.08mv/ 的熱電偶與毫伏表相連, 已知接線端溫度為50, 毫伏表的輸出為60mv,求熱電偶熱端的溫度為多少?答：T605020000.081) 用石英晶體加速度計(jì)測(cè)量機(jī)器的振動(dòng)，已知加速度計(jì)的靈敏度為5 PC/g（ g 為重力加速度），電荷放大器的靈敏度為50 mv/PC，當(dāng)機(jī)器振動(dòng)達(dá)到最大加速度時(shí)，相應(yīng)的輸出幅值為-12庫(kù)侖）2V，求機(jī)器的振動(dòng)加

38、速度。 （ 1PC=10答：2V40PCa=40PC8g88.2m / s250mv/ PC5PC / g2) 圖示電荷放大器中 Ca=100 PF，Ra=，RF= ，CF=10 PF。若考慮引線電容 CC 影響，當(dāng) A0=104 時(shí)，要求輸出信號(hào)衰減小于 1%，求使用 90 PF/m 的電纜，其最大允許長(zhǎng)度為多少？答： rC aC C1%解得 CC 9.09 10 10 FC aCC(1A0 )CF三、光纖傳感器的主要優(yōu)點(diǎn)是什么？求 n1=1.46 ，n2=1.45 的階躍型光纖的數(shù)值孔徑值；如果外部介質(zhì)為空氣 n0=1，求光纖的最大入射角。答：優(yōu)點(diǎn)：抗電磁干擾能力強(qiáng)；靈敏度高；幾何形狀具有

39、多方面的適應(yīng)性，可以制成任意形狀的光纖傳感器，可以制造傳感各種不同物理信息的器件；光纖傳感器可用于高壓，電氣噪聲，高溫，腐蝕或其他惡劣環(huán)境；而且具有與光纖遙測(cè)技術(shù)的內(nèi)在相容性。NAn0 sinc ,sincNA0.17,C9.82 °六、用溫度傳感器對(duì)某溫度進(jìn)行12 次等精度測(cè)量，獲得測(cè)量數(shù)據(jù)如下（單位）20.46 、20.52 、 20.50 、 20.52 、20.48 、20.47 、20.50 、20.49 、 20.47 、 20.49 、20.51 、20.51要求對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行加工整理，并寫(xiě)出最后結(jié)果（取置信系數(shù)為2）。答： x 20.490.02x x 320.43

40、20.55七、 1）制作霍爾元件應(yīng)采用什么材料，為什么？2）為何霍爾元件都比較薄，而且長(zhǎng)寬比一般為2 ：1？3）某霍爾元件 l× b × d 為 1.0 × 0.35 × 0.13cm, 當(dāng)方向通以電流 I=1.0 mA,在垂直 lb 方向加有均勻磁場(chǎng)B=0.3T,傳感器的靈敏系數(shù)為 22 V/A T,試求其霍爾電勢(shì)及載流子濃度。答：1）采用半導(dǎo)體材料。因?yàn)槠潇`敏度高，輸出霍爾電勢(shì)大。2 ）因?yàn)樵奖?，靈敏度系數(shù)越大。3） U Hk H IB0.0066VU H IBp IBU H ed2.84 1020ped八、 1 ）試證明熱電偶的中間導(dǎo)體定律。2）將一只靈敏度為0.08mv/ 的熱電偶與毫伏表相連 , 已知接線端溫度為50