傳感器原理復(fù)習(xí)題

1、傳感器原理復(fù)習(xí)題一、填空題1、測(cè)量方法從不同的角度有不同的分類方法，根據(jù)獲得測(cè)量值的方法可分為直接測(cè)量、間接測(cè)量和組合測(cè)量，按測(cè)量方式可分為偏差式測(cè)量、零位式測(cè)量和微差式測(cè)量，按測(cè)量條件不同可分為等精度測(cè)量和不等精度測(cè)量，根據(jù)被測(cè)量變化快慢可分為靜態(tài)測(cè)量和動(dòng)態(tài)測(cè)量，根據(jù)測(cè)量敏感元件是否與被測(cè)介質(zhì)接觸可分為接觸式測(cè)量與非接觸式測(cè)量，根據(jù)測(cè)量系統(tǒng)是否向被測(cè)對(duì)象施加能量可分為主動(dòng)式測(cè)量和被動(dòng)式測(cè)量。2、測(cè)量結(jié)果的完整描述包括估計(jì)值、測(cè)量單位和不確定度。3工程上傳感器的動(dòng)態(tài)特性通常采用標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)函數(shù)來(lái)進(jìn)行研究，常用的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)函數(shù)是階躍信號(hào)函數(shù)和正弦信號(hào)函數(shù)。4、典型的測(cè)量系統(tǒng)分為三級(jí)敏感元件-傳感器級(jí)、

2、信號(hào)調(diào)理級(jí)和讀出記錄級(jí)。5、根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)中的誤差所呈現(xiàn)的規(guī)律級(jí)產(chǎn)生的原因，可將誤差分為隨機(jī)誤差、系統(tǒng)誤差和粗大誤差。6、常用的粗大誤差判斷準(zhǔn)則包括3準(zhǔn)則、肖維勒準(zhǔn)則和格拉布斯準(zhǔn)則。7、傳感器的靜態(tài)特性指標(biāo)主要有靈敏度、線性度、遲滯、重復(fù)性、漂移等。8、傳感器線性度直線擬合方法主要有理論擬合、過(guò)零旋轉(zhuǎn)擬合、端點(diǎn)連線擬合、端點(diǎn)平移擬合和最小二乘法擬合。9、金屬應(yīng)變片由敏感柵、基片、覆蓋層和引線組成，其核心部分為敏感柵，敏感柵分為絲式、箔式和薄膜式等。10、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。11電荷耦合器件（CCD）是一種大規(guī)模金屬氧化物半導(dǎo)體（MOS）集成電路光電器件，其基本

3、單元是MOS光敏元，由金屬導(dǎo)體、氧化物和半導(dǎo)體三部分組成。12、電感式傳感器主要分為自感式、互感式和電渦流式三種。13、差動(dòng)變壓器式傳感器結(jié)構(gòu)較多，其中最主要的三種是變隙式、變面積式和螺線管式，其中應(yīng)用最多的是螺線管式。14、電渦流式傳感器按電渦流在導(dǎo)體內(nèi)的貫穿情況可分為高頻反射式和低頻透射式兩類，但其基本工作原理是相似的。15、電容量的計(jì)算公式為，所以根據(jù)影響電容式傳感器電容變化的參數(shù)，電容式傳感器可分為變極距型、變面積型和變介電常數(shù)三種。16、壓電材料主要分為兩大類：壓電晶體和壓電陶瓷。17、磁電式傳感器是通過(guò)磁電作用將被測(cè)量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的一種傳感器，通常分為磁電感應(yīng)式傳感器和霍爾式傳感器

4、。18、變磁通式傳感器按其結(jié)構(gòu)分為開磁路式和閉磁路式，恒磁通式傳感器按其結(jié)構(gòu)分為動(dòng)圈式和動(dòng)鐵式。19、霍爾元件的基本特性包括額定激勵(lì)電流和最大允許激勵(lì)電流、輸入電阻和輸出電阻、不等位電勢(shì)和不等位電阻、寄生直流電勢(shì)和霍爾電勢(shì)溫度系數(shù)等。20、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)分為兩類。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；第二類是在光線作用下物體的導(dǎo)電性能發(fā)生變化或產(chǎn)生光生電動(dòng)勢(shì)的效應(yīng)稱為內(nèi)光電效應(yīng)。21、光敏電阻的基本特性包括伏安特性、光照特性、光譜特性、頻率特性和溫度特性。22、光纖傳感器的基本特性包括數(shù)值

5、孔徑、光纖模式和光纖傳輸損耗，光纖傳感器一般分為兩大類即：功能型和非功能型。23半導(dǎo)體氣敏傳感器一般由敏感元件、加熱器和外殼組成。按其制造工藝分有燒結(jié)型、薄膜型和厚膜型，其中厚膜型半導(dǎo)體氣敏傳感器元件機(jī)械強(qiáng)度高，離散度小，適合大批生產(chǎn)。24半導(dǎo)體色敏傳感器利用光敏二極管的PN結(jié)不同結(jié)深對(duì)不同光波長(zhǎng)的靈敏度不同來(lái)實(shí)現(xiàn)光線顏色的判斷，其基本特征包括光譜特性、短路電流比-波長(zhǎng)特性和溫度特性等。二、簡(jiǎn)答題1、什么是檢測(cè)技術(shù)，它研究的主要內(nèi)容包括哪及部分？答：檢測(cè)技術(shù)：利用物理、化學(xué)和生物的方法來(lái)獲取被測(cè)對(duì)象的組成、狀態(tài)、運(yùn)動(dòng)和變化的信息，通過(guò)轉(zhuǎn)換和處理，使這些信息成為易于人們閱讀和識(shí)別的量化形式。它研

6、究的主要內(nèi)容包括：被測(cè)對(duì)象的測(cè)量原理、測(cè)量方法、測(cè)量系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理。2、傳感器的定義是什么？（任意一種解釋都正確）畫出傳感器的組成框圖，并簡(jiǎn)述各部分的作用？答：按GB7665-87，傳感器是能感受規(guī)定的被測(cè)量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置；廣義定義：指能感知某一物理量（或化學(xué)量、生物量等）的信息，并將該信息轉(zhuǎn)換為有用輸出信號(hào)的器件或裝置；狹義定義：能將各種非電量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的部件。被測(cè)量敏感元件轉(zhuǎn)換元件信號(hào)調(diào)整轉(zhuǎn)換電路輔助電源敏感元件：直接感受和相應(yīng)被測(cè)量；轉(zhuǎn)換元件：將敏感元件的輸出轉(zhuǎn)換為適用于傳輸和測(cè)量的電信號(hào)；信號(hào)調(diào)整轉(zhuǎn)換電路：將轉(zhuǎn)換元件過(guò)來(lái)的信號(hào)進(jìn)行放大、運(yùn)算調(diào)制等；輔助

7、電源：為信號(hào)調(diào)整轉(zhuǎn)換電路供電，同時(shí)為能量控制型傳感器供電。3、簡(jiǎn)述電阻應(yīng)變片式傳感器的工作原理。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。4、簡(jiǎn)述金屬電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)？答：金屬電阻應(yīng)變片由敏感柵、基片、覆蓋層和引線組成，其核心部分是敏感柵，一般由某種金屬細(xì)絲繞成柵型，將其一側(cè)粘貼在絕緣的基片上，另一側(cè)粘貼上起保護(hù)作用的覆蓋層，兩端焊接引線與檢測(cè)裝置連接。5、什么事金屬電阻應(yīng)變片的橫向效應(yīng)？答：將直的電阻絲繞成敏感柵后，敏感柵是由n條長(zhǎng)度為l的直線和n-1個(gè)半徑為r的半圓組成，當(dāng)應(yīng)變片受到軸向拉力時(shí)，直線段的軸向效應(yīng)會(huì)使敏感柵的電阻發(fā)生變化，而半

8、圓弧段的電阻會(huì)由于橫向應(yīng)變也使半圓弧部分的電阻發(fā)生變化，而圓弧段電阻的變化小于沿軸向同長(zhǎng)度電阻絲電阻的變化，所以應(yīng)變片既受軸向應(yīng)變的影響，又受橫向應(yīng)變的影響而引起電阻變化的現(xiàn)象稱為橫向效應(yīng)。6、簡(jiǎn)述電渦流式傳感器？答：根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，塊狀金屬導(dǎo)體置于變化的磁場(chǎng)中或在磁場(chǎng)中作切割磁力線運(yùn)動(dòng)時(shí)，導(dǎo)體內(nèi)將產(chǎn)生旋渦狀的感應(yīng)電流，此電流叫電渦流，這種現(xiàn)象稱為電渦流效應(yīng)，根據(jù)此效應(yīng)制成的傳感器稱為電渦流式傳感器。7、什么叫“壓電效應(yīng)”，“正/負(fù)壓電效應(yīng)”各指的是什么？答：“壓電效應(yīng)”是某些電介質(zhì)若沿一定方向?qū)ζ涫┝Χ蛊渥冃螘r(shí)，內(nèi)部產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在它的兩個(gè)表面上便產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷，當(dāng)外力去掉

9、后，又重新恢復(fù)到不帶電的狀態(tài)?！罢龎弘娦?yīng)”指壓電效應(yīng)中機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的現(xiàn)象，“負(fù)壓電效應(yīng)”則是對(duì)電介質(zhì)極化方向施加電場(chǎng)時(shí)，電介質(zhì)會(huì)產(chǎn)生幾何變形現(xiàn)象。8、什么是霍爾效應(yīng)，其元件一般可用兩種符號(hào)表示，請(qǐng)畫出任意一種圖形符號(hào)？答：置于磁場(chǎng)中的靜止載流導(dǎo)體，當(dāng)它的電流方向與磁場(chǎng)方向不一致時(shí)，載流導(dǎo)體上平行與電流磁場(chǎng)方向上的兩個(gè)面之間產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。211'H22'11'元件圖形符號(hào)：2'9、磁電式傳感器的誤差及補(bǔ)償方法？答：磁電式傳感器誤差分為非線性誤差和溫度誤差兩種。當(dāng)線圈內(nèi)有電流流過(guò)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一定的交變磁通，此交變磁通疊加到永磁鐵所產(chǎn)生的工作磁

10、鐵上，使恒定的氣隙磁鐵變化而引起非線性誤差，可在傳感器中加入補(bǔ)償線圈抵消變磁通干擾；溫度的變化會(huì)導(dǎo)致磁感應(yīng)強(qiáng)度、導(dǎo)體有效長(zhǎng)度和電阻的變化，可通過(guò)熱磁分流器補(bǔ)償。10、什么是“光生伏特效應(yīng)”，基于該效應(yīng)的典型器件有哪些？答：在光線的作用下能夠使物體產(chǎn)生一定方向的電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象稱為光電效應(yīng)，基于此效應(yīng)的典型器件有光電池、光敏二極管、光敏三極管等。11、光敏電阻的主要參數(shù)有哪些，并對(duì)各個(gè)參數(shù)作出解釋？答：光敏電阻的主要參數(shù)有：l 暗電阻與暗電流：光敏電阻在不受光照射使得阻值稱為暗電阻，此時(shí)流過(guò)的電流稱為暗電流。l 亮電阻與亮電流：光敏電阻在受光照射時(shí)的電阻稱為亮電阻，此時(shí)流過(guò)的電流稱為亮電流。l 光電

11、流：亮電流與暗電流之差稱為光電流。12、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(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。13、光纖傳感器的工作原理。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

12、，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。14、什么是光纖的數(shù)值孔徑，其意義是什么？答：數(shù)值孔徑（NA）是光纖集光本領(lǐng)的一個(gè)重要參數(shù)，反映光纖接收光能量的多少，其定義為:。其意義是：無(wú)論光源發(fā)射功率有多大只有入射角處于2c的光椎角內(nèi)，光纖才能導(dǎo)光。三、大題1、對(duì)某一電壓進(jìn)行12次等精度測(cè)量，測(cè)量值如下表所示，若這些測(cè)量值已消除系統(tǒng)誤差，試用格拉布斯準(zhǔn)則判斷有誤粗

13、大誤差，并寫出測(cè)量結(jié)果。（當(dāng)置信概率Pa=0.95時(shí)，n=11時(shí)，G=2.23，n=12時(shí)，G=2.28。）序號(hào)123456789101112測(cè)量值（Ui/mV）20.4220.4320.4020.3920.4120.3320.4220.3920.4120.4020.4020.43解：1) 求算術(shù)平均值及標(biāo)準(zhǔn)差估計(jì)值：算術(shù)平均值(mV)標(biāo)準(zhǔn)差估計(jì)值（mV）2) 求最大殘差的絕對(duì)值和對(duì)應(yīng)的可疑值：（mV） (mV)3) 因?yàn)闇y(cè)量次數(shù)只有12次，次數(shù)較少所以適合用格拉布斯準(zhǔn)則進(jìn)行判斷，求格拉布斯準(zhǔn)則判斷值：在Pa=0.95時(shí)，當(dāng)n=12時(shí)，G=2.28>0.073因此，U6為粗大誤差應(yīng)剔除，

14、并重新計(jì)算算術(shù)平均值和標(biāo)準(zhǔn)差估計(jì)值。4) 重新計(jì)算算術(shù)平均值和標(biāo)準(zhǔn)差估計(jì)值：算術(shù)平均值(mV)標(biāo)準(zhǔn)差估計(jì)值（mV）再次求格拉布斯準(zhǔn)則，并判斷是否有粗大誤差：當(dāng)在Pa=0.95時(shí)，n=11時(shí)，G=2.23，求得剩下11次測(cè)量值所有殘差均小于，因此，剩余值中無(wú)壞值。5) 計(jì)算算術(shù)平均值的標(biāo)準(zhǔn)差：（mV）6) 最后測(cè)量結(jié)果可表示為：（mV） Pa=99.73%2、什么是系統(tǒng)誤差？產(chǎn)生系統(tǒng)誤差的原因是什么？如何發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)誤差？減少系統(tǒng)誤差有哪幾種方法？（20分）答：當(dāng)我們對(duì)同一物理量進(jìn)行多次重復(fù)測(cè)量時(shí)，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(cè)量?jī)x表

15、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(duì)測(cè)量方法研究不夠而引起的誤差。定義誤差：是由于對(duì)被測(cè)量的定義不夠明確而形成的誤差。理論誤差：是由于測(cè)量理論本身不夠完善而只能進(jìn)行近似的測(cè)量所引起的誤差。環(huán)境誤差：是由于測(cè)量?jī)x表工作的環(huán)境（溫度、氣壓、濕度等）不是儀表校驗(yàn)時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)，而是隨時(shí)間在變化，從而引起的誤差。安裝誤差：是由于測(cè)量?jī)x表的安裝或放置不正確所引起的誤差。個(gè)人誤差：是指由于測(cè)量者本人不良習(xí)慣或操作不熟練所引起的誤差。發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)誤差的方法有： 實(shí)驗(yàn)對(duì)比法：這種方法是通過(guò)改變產(chǎn)生系統(tǒng)誤差的條件從而進(jìn)行不同條件的測(cè)量，以發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)誤差。這種方法適用于發(fā)現(xiàn)不變的系統(tǒng)誤差。 剩余誤差觀

16、察法：是根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)的各個(gè)剩余誤差大小和符號(hào)的變化規(guī)律，直接由誤差數(shù)據(jù)或誤差曲線圖形來(lái)判斷有無(wú)系統(tǒng)誤差。這種方法適用于發(fā)現(xiàn)有規(guī)律變化的系統(tǒng)誤差。 計(jì)算數(shù)據(jù)比較法：對(duì)同一量測(cè)量得到多組數(shù)據(jù)，通過(guò)計(jì)算比較數(shù)據(jù)比較，判斷是否滿足偶然誤差條件，以發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)誤差。減小系統(tǒng)誤差的方法：引入更正值法替換法 差值法正負(fù)誤差相消法選擇最佳測(cè)量方案3、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,其中、是固定電阻，與是電阻應(yīng)變片，工作時(shí)受拉，受壓，當(dāng)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)，就用橋路輸出電壓表示應(yīng)變片變后電阻值的變化量。試證明： 。證明： 當(dāng)?shù)呢?fù)載為正無(wú)窮時(shí)

17、當(dāng)，時(shí)，則4、根據(jù)下圖說(shuō)明變隙式差動(dòng)變壓器的工作原理？ABC圖中：A、B為兩個(gè)鐵芯，C為銜鐵，=、=分別為初級(jí)和次級(jí)繞組，=為鐵芯與銜鐵間的間隙，、分別為輸入和輸出電壓，為輸入電流。答：變隙式差動(dòng)變壓器傳感器基于變壓器基本原理制成。根據(jù)圖中所示，因?yàn)槌跫?jí)繞組=，次級(jí)繞組=，且兩個(gè)初級(jí)繞組的同名端順向串聯(lián)，次級(jí)繞組同名端反向串聯(lián)，當(dāng)沒有位移時(shí)，銜鐵C處于初始平衡位置，與兩個(gè)鐵芯間=，所以此時(shí)初級(jí)繞組和間的互感等于次級(jí)繞組和間的互感，這時(shí)兩個(gè)次級(jí)的互感電勢(shì)=，差動(dòng)變壓器輸出電壓=-=0。當(dāng)被測(cè)物體有位移時(shí)，與被測(cè)物體相連的銜鐵的位置將發(fā)生變化，使，互感，兩次級(jí)繞組的互感電勢(shì)，輸出電壓=-0，此時(shí)差

18、動(dòng)變壓器有電壓輸出，此電壓的大小與極性反映被測(cè)物體位移的大小和方向。5、根據(jù)下圖描述三節(jié)螺線管式變壓器工作原理？活動(dòng)銜鐵導(dǎo)磁外殼骨架匝數(shù)為W2a的次級(jí)繞組匝數(shù)為W1的初級(jí)繞組匝數(shù)為W2b的次級(jí)繞組答：三節(jié)螺線管式差動(dòng)變壓器由一個(gè)初級(jí)繞組、兩個(gè)次級(jí)繞組和插入線圈中央的圓柱形鐵芯組成，兩個(gè)次級(jí)線圈反向串聯(lián)。當(dāng)初級(jí)線圈加以激勵(lì)電壓時(shí)，根據(jù)變壓器工作原理，在兩個(gè)次級(jí)繞組上會(huì)分別產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)，若此時(shí)活動(dòng)銜鐵處于初始平衡位置，則初級(jí)線圈和次級(jí)繞組間形成的兩組互感系數(shù)相等，由此，變壓器兩個(gè)次級(jí)繞組反向串聯(lián)時(shí)，產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)相等，差值為零，即變壓器輸出電壓為零。當(dāng)活動(dòng)銜鐵上移時(shí)由于磁阻影響，W2a中的磁通將大

19、于W2b，使初級(jí)線圈與次級(jí)繞組W2a的互感大于與W2b形成的互感，因而在W2a端產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)大于W2b端，反之，銜鐵下移時(shí)則情況相反，所以輸出電壓即兩個(gè)次級(jí)繞組間感應(yīng)電勢(shì)的差值不為零，通過(guò)電壓差值的大小和正負(fù)關(guān)系可判斷銜鐵位移的大小和方向。基座質(zhì)量塊外殼預(yù)壓彈簧壓電元件螺栓6、根據(jù)下圖描述壓電式加速度傳感器工作原理？答：如圖所示，壓電式傳感器主要由壓電元件、質(zhì)量塊、預(yù)壓彈簧、基座及外殼組成，整個(gè)部件裝在外殼內(nèi)，并由螺栓加以固定。當(dāng)加速度傳感器和被測(cè)物一起受到?jīng)_擊振動(dòng)時(shí)，壓電元件受質(zhì)量塊慣性力的作用，根據(jù)牛頓第二定律，此慣性力是加速度的函數(shù)，即： 式中： F質(zhì)量塊產(chǎn)生的慣性力； m質(zhì)量塊的質(zhì)量； a加速度。此時(shí)，慣性力F作用于壓電元件上，因而產(chǎn)生電荷q，當(dāng)傳感器選定后，