传感器试卷整合修正版

-.zA卷：一、填空题：〔40分〕1、传感器是能感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置，传感器通常由直接响应于被测量的敏感元件和产生可用信号输出的转换元件以及相应的信号调节转换电路组成。2、电阻应变片式传感器按制造材料可分为①金属材料和②_半导体_材料。它们在受到外力作用时电阻发生变化，其中①的电阻变化主要是由电阻应变效应形成的，而②的电阻变化主要是由_压阻效应_造成的。半导体材料传感器的灵敏度较大。3、在变压器式传感器中，原方和副方互感M的大小与绕组匝数成正比，与穿过线圈的磁通_成正比，与磁回路中磁阻_成反比，而单个空气隙磁阻的大小可用公式〔为空气磁导率，为气隙的截面积，为气隙的长度〕表示。4、测量过程中存在着测量误差，按性质可被分为_绝对误差_、相对误差、和引用误差_三类，其中__绝对误差_可以通过对屡次测量结果求平均的方法来减小它对测量结果的影响。5、光电传感器的工作原理是基于物质的光电效应，目前所利用的光电效应大致有三大类：第一类是利用在光线作用下_材料中电子溢出外表的_现象，即外光电效应，光电管以及光电倍增管_传感器属于这一类；第二类是利用在光线作用下材料电阻率发生改变的现象，即内光电效应。光敏电阻传感器属于这一类。第三类是利用在光线作用下光势垒现象，即_光生伏特效应，光敏二极管及光敏三极管_传感器属于这一类。6、热电偶所产生的热电势是由两种导体的接触电势和单一导体的温差电势组成的，其表达式为Eab〔T,To〕=。在热电偶温度补偿中，补偿导线法〔即冷端延长线法〕是在连接导线和热电偶之间，接入延长线它的作用是将热电偶的参考端移至离热源较远并且环境温度较稳定的地方，以减小冷端温度变化的影响。7、偏差式测量是指测量过程中，用仪表指针的位移〔即偏差〕决定被测量的测量方法；零位测量是指测量过程中，用指零仪表的零位指示，检测测量系统的平衡状态；在测量系统到达平衡时用的基准量决定被测未知量的测量方法；微差式测量是指将被测的未知量与的标准量进展比较，并取得差值，然后用偏差法测得此差值的方法。二、问答题：〔25分〕1、什么是传感器动态特性和静态特性，简述在什么频域条件下只研究静态特就能够满足通常的需要，而在什么频域条件下一般要研究传感器的动态特性.〔10分〕答：传感器的特性是指传感器所特有性质的总称。而传感器的输入输出特性是其根本特性，一般把传感器作为二端网络研究时，输入输出特性是二端网络的外部特性，即输入量和输出量的对应关系。由于输入量的状态〔静态、动态〕不同分静态特性和动态特性。静态特性是指当输入量为常量或变化极慢时传感器输入-输出特性。动态特性指当输入量随时间变化时传感器的输入-输出特性。可以从时域和频域来研究动态特性2、简述霍尔电动热产生的原理。〔5分〕答：一块半导体薄片置于磁感应强度为B的磁场(磁场方向垂直于薄片)中，当有电流I流过时，电子受到洛仑兹力作用而发生偏转。结果在半导体的后端面上电子有所积累。而前端面缺少电子，因此后端面带负电，前端面带正电，在前后端面形成电场，该电场产生的力阻止电子继续偏转当两力相平衡时，电子积累也平衡，这时在垂直于电流和磁场的方向上将产生电场，相应的电势称为霍尔电势UH。3、分析应变片式传感器在使用单臂电桥测量电路时由于温度变化而产生测量误差的过程。〔10分〕答：在外界温度变化的条件下，由于敏感栅温度系数及栅丝与试件膨胀系数〔〕之差异性而产生虚假应变输出有时会产生与真实应变同数量级的误差。三、分析、计算题：〔35分〕1、分析如图1所示自感传感器当动铁心左右移动〔*1,*2发生变化时自感L变化情况。空气隙的长度为*1和*2，空气隙的面积为S，磁导率为μ，线圈匝数W不变〕。〔10分〕解：，又空气隙的长度*1和*2各自变，而其和不变，另其他变量都不变故L不变2、分析如图2所示变介质平板电容传感器，电容〔C〕变化对液位变化〔*〕的灵敏度。长方形极板的长为l，高为h，极板间距离为d，容器内下面介质的高度为*(*h)，介电常数为ε2，容器内上面介质的介电常数为ε1。〔10分〕3、设5次测量*物体的长度，其测量的结果分别为：9.810.010.19.910.2厘米，假设忽略粗大误差和系统误差，试求在99.73％的置信概率下，对被测物体的最小估计区间。〔5分〕分别为-0.200.1-0.10.24、在对量程为10MPa的压力传感器进展标定时，传感器输出电压值与压力值之间的关系如下表所示，简述最小二乘法准则的几何意义，并讨论以下电压-压力直线中哪一条最符合最小二乘法准则.〔10分〕测量次数I12345压力*i〔MPa〕245810电压yi〔V〕10.04320.09330.15340.12850.072〔2〕y=7.00*+0.09〔5〕y=5.00*+0.07答：最小二乘法准则的几何意义在于拟和直线精细度高即误差小。将几组*分别带入以上五式，与y值相差最小的就是所求，很明显〔5〕为所求。B卷：一、填空题(每空0.5分，共20分)1、传感器是能感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置传感器通常由直接响应于被测量的敏感元件和产生可用信号输出的转换元件以及相应的信号调节转换电路组成。2、测量系统的静态特性指标主要有线性度、迟滞、重复性、分辨力、稳定性、温度稳定性、各种抗干扰稳定性等。3、测量过程中存在着测量误差，按性质可被分为绝对误差_、相对误差、和引用误差三类，其中_绝对误差_可以通过对屡次测量结果求平均的方法来减小它对测量结果的影响。4、电阻应变片式传感器按制造材料可分为①金属_材料和②_半导体_体材料。它们在受到外力作用时电阻发生变化，其中①的电阻变化主要是由电阻应变效应形成的，而②的电阻变化主要是由压阻效应_造成的。5、在变压器式传感器中，原边和副边互感M的大小与绕组匝数成正比，与穿过线圈的磁通_成正比，与磁回路中磁阻_成反比，而单个空气隙磁阻的大小可用公式〔为空气磁导率，为气隙的截面积，为气隙的长度〕表示。6、电容传感器可分为①变面积型②变极距型和③变介电常数型，只有的输入被测量与输出被测量间的关系是非线性的。7、光电传感器的工作原理是基于物质的光电效应，目前所利用的光电效应大致有三大类：外光电效应、内光电效应和光生伏特_效应，光电管以及光电倍增管属于外光电效应光电传感器。8、热电偶所产生的热电势是两种导体的接触电势和单一导体的温差电势组成的，其表达式为Eab〔T，To〕=。在热电偶温度补偿中补偿导线法〔即冷端延长线法〕是在连接导线和热电偶之间，接入延长线，它的作用是将热电偶的参考端移至离热源较远并且环境温度较稳定的地方，以减小冷端温度变化的影响。9、 霍尔元件有两对电极，它们是控制电极和霍尔电极，在控制电流一定的情况下，霍尔元件的输出电势大小与磁感应强度呈线性关系，霍尔元件的灵敏度的物理意义是表示在单位磁感应强度下单位控制电流时的霍尔电势的大小。10、常用的超声流量测量方法主要有：时差法、涡流法和超声多普勒方法，超声多普勒方法测量的流速是沿声线方向上的速度分量。二、简答题(每题6分，共24分)1、什么是传感器动态特性和静态特性，简述在什么频域条件下只研究静态特就能够满足通常的需要，而在什么频域条件下一般要研究传感器的动态特性.答：传感器的特性是指传感器所特有性质的总称。而传感器的输入输出特性是其根本特性，一般把传感器作为二端网络研究时，输入输出特性是二端网络的外部特性，即输入量和输出量的对应关系。由于输入量的状态〔静态、动态〕不同分静态特性和动态特性。静态特性是指当输入量为常量或变化极慢时传感器输入-输出特性。动态特性指当输入量随时间变化时传感器的输入-输出特性。可以从时域和频域来研究动态特性。2、应变片式传感器在使用单臂电桥测量电路时由于温度变化而产生测量误差的主要原因是什么.答：在外界温度变化的条件下，由于敏感栅温度系数及栅丝与试件膨胀系数〔〕之差异性而产生虚假应变输出有时会产生与真实应变同数量级的误差。3、产生系统误差的原因是什么.如何发现系统误差.减少系统误差有哪几种方法.答：系统误差出现的原因有：=1\*GB3①工具误差；=2\*GB3②方法误差；=3\*GB3③定义误差；=4\*GB3④理论误差；=5\*GB3⑤环境误差；=6\*GB3⑥安装误差；⑦个人误差。发现系统误差的方法有：=1\*GB3①实验比照法；=2\*GB3②剩余误差观察法；=3\*GB3③计算数据比较法。减小系统误差的方法：=1\*GB3①引入更正值法；=2\*GB3②替换法；=3\*GB3③差值法；=4\*GB3④正负误差相消法。4、什么是MEMS.MEMS技术的特点是什么.答：MEMS是微机电系统〔Micro-Electro-MechanicalSystems〕的英文缩写，它是指可批量制作的，集微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路、直至接口、通信和电源等于一体的微型器件或系统。它涵盖多种学科，如机械、电子、生物、化学、物理、材料等。

MEMS(微电子机械系统)十分有效地将微电子技术与微机械技术结合，赋予了传统机械新的特性。MEMS技术的根本特点：〔1〕微型化：MEMS器件体积小、精度高、重量轻、耗能低、惯性小、响应时间短。其体积可达亚微米以下，尺寸精度达纳米级，重量可至纳克；

〔2〕以硅为主要材料，机械电气性能优良，硅材料的强度、硬度和杨氏模量与铁相当，密度类似铝，热传导率接近钼和钨；〔3〕能耗低、灵敏度和工作效率高：很多的微机械装置所消耗的能量远小于传统机械的十分之一，但却能以十倍以上的速度来完成同样的工作；〔4〕批量生产：用硅微加工工艺在一片硅片上可以同时制造成百上千个微机械部件或完整的MEMS，批量生产可以大大降低生产本钱；〔5〕集成化：可以把不同功能、不同敏感和致动方向的多个传感器或执行器集成于一体，形成微传感器阵列或微执行器阵列，甚至可以把器件集成在一起以形成更为复杂的微系统。微传感器、执行器和IC集成在一起可以制造出高可靠性和高稳定性的MEMS；〔6〕学科上的穿插综合：以微电子及机械加工技术为依托，*围涉及微电子学、机械学、力学、自动控制学、材料学等多种工程技术和学科；〔7〕应用上的高度广泛：MEMS的应用领域包括信息、生物、医疗、环保、电子、机械、航空、航天、军事等等。它不仅可形成新的产业，还能通过产品的性能提高、本钱降低，有力地改造传统产业。三、计算题(每题8分，共16分)1、设5次测量*物体的长度，其测量的结果分别为：9.810.010.19.910.2厘米，假设忽略粗大误差和系统误差，试求在99.73％的置信概率下，对被测物体的最小估计区间。解：分别为-0.200.1-0.10.22、在对量程为10MPa的压力传感器进展标定时，传感器输出电压值与压力值之间的关系如下表所示，简述最小二乘法准则的几何意义，并讨论以下电压-压力直线中哪一条最符合最小二乘法准则.测量次数I12345压力*i〔MPa〕245810电压yi〔V〕10.04320.09330.15340.12850.072〔1〕y=5.00*-1.05；〔2〕y=7.00*+0.09；〔3〕y=50.00*-10.50；〔4〕y=-5.00*-1.05；〔5〕y=5.00*+0.07答：最小二乘法准则的几何意义在于拟和直线精细度高即误差小。将几组*分别带入以上五式，与y值相差最小的就是所求，很明显〔5〕为所求。四、分析计算题(每题20分，共20分)下面是热电阻测量电路，试说明电路工作原理并计算Rt是Pt100铂电阻，且其测量温度为T=50℃电路中R1、R2、R3和E，试计算电桥的输出电压VAB。其中〔R1=10KΩ，R2=5KΩ，R3=10KΩ，E=5伏〕答：该热电阻测量温度电路由热敏电阻、测量电阻和显示电表组成。图中G为指示电表，R1、R2、R3为固定电阻，Ra为零位调节电阻。热电阻都通过电阻分别为r2、r3、Rg的三个导线和电桥连接，r2和r3分别接在相邻的两臂，当温度变化时，只要它们的Rg分别接在指示电表和电源的回路中，其电阻变化也不会影响电桥的平衡状态，电桥在零位调整时，应使R4=Ra+Rt0为电阻在参考温度〔如0五、设计分析题(每题20分，共20分)1.请设计一个位移传感器，写出它的等效电路和测量电路，分析其工作原理，计算公式，并说明如何提高传感器的灵敏度和抗干扰性能.答：电容式位移传感器以电容器为敏感元件，将机械位移量转换为电容量变化的传感器称为电容式传感器。电容传感器的形式很多，常使用变极距式电容传感器和变面式电容传感器进展位移测量。

(1).变极距式电容传感器图2是空气介质变极距式电容传感器的工作原理图。图中一个电极板固定不变，称为固定极板，另一极板间距离d响应变化，从而引起电容量的变化。因此，只要测出电容量的变化量⊿C，便可测得极板间距变化量，即动极板的位移量⊿d。变极距电容传感器的初始电容Co可由下式表达，即式中：ε——真空介电常数〔8.85×10-12F/m〕

A——极板面积〔m2〕

do——极板间距初始距离〔m〕传感器的这种变化关系呈非线性，如图3所示。当极板初始距离由do减少⊿d时，则电容量相应增加⊿C，即

电容相对变化量⊿C/Co为由于，在实际使用时常采用近似线性处理，即此时产生的相对非线性误差γo为

这种处理的结果，使得传感器的相对非线性误差增大，如图4所式。为改善这种情况，可采用差动变极距式电容传感器，这种传感器的构造，如图5所示。它有三个极板，其中两个固定不动，只有中间极板可产生移动。当中间活动极板处于平衡位置时，即d1=d2=do，则C1=C2=Co，如果活动极板向右移动⊿d,则d1=do-⊿d,d2=do+⊿d,采用上述一样的近似线性处理方法，可得传感器电容总的相对变化，为传感器的相对非线性误差γo为不难看出，变极距式电容传感器改成差动之后，不但非线性误差大大减小，而且灵敏度也提高了一倍。补充一什么是系统误差.产生系统误差的原因是什么.如何发现系统误差.减少系统误差有哪几种方法.〔20分〕答：当我们对同一物理量进展屡次重复测量时，如果误差按照一定的规律性出现，则把这种误差称为系统误差。系统误差出现的原因有：=1\*GB3①工具误差：指由于测量仪表或仪表组成组件本身不完善所引起的误差。=2\*GB3②方法误差：指由于对测量方法研究不够而引起的误差。=3\*GB3③定义误差：是由于对被测量的定义不够明确而形成的误差。=4\*GB3④理论误差：是由于测量理论本身不够完善而只能进展近似的测量所引起的误差。=5\*GB3⑤环境误差：是由于测量仪表工作的环境〔温度、气压、湿度等〕不是仪表校验时的标准状态，而是随时间在变化，从而引起的误差。=6\*GB3⑥安装误差：是由于测量仪表的安装或放置不正确所引起的误差。⑦个人误差：是指由于测量者本人不良习惯或操作不熟练所引起的误差。发现系统误差的方法有：=1\*GB3①实验比照法：这种方法是通过改变产生系统误差的条件从而进展不同条件的测量，以发现系统误差。这种方法适用于发现不变的系统误差。=2\*GB3②剩余误差观察法：是根据测量数据的各个剩余误差大小和符号的变化规律，直接由误差数据或误差曲线图形来判断有无系统误差。这种方法适用于发现有规律变化的系统误差。=3\*GB3③计算数据比较法：对同一量测量得到多组数据，通过计算比较数据比较，判断是否满足偶然误差条件，以发现系统误差。减小系统误差的方法：=1\*GB3①引入更正值法=2\*GB3②替换法=3\*GB3③差值法=4\*GB3④正负误差相消法=5\*GB3⑤选择最正确测量方案补充二：设密封大油罐，液位高度在2----12m答：电容液位传感器、浮球式液位〔界面〕传感器、超声波液位传感器、电磁液位传感器、雷达液位传感器……①电容液位传感器：采用筒式电容传感器采集液位的高度。主要利用其两电极的覆盖面积随被测液体液位的变化而变化，从而引起对应电容量变化的关系进展液位测量。由于从传感器得出的电压一般在0~30mv之间，太小不易测量，所以要通过放大电路进展放大。从放大电路出来的是模拟量，因此送入ADC转换成数字量，把信号送入单片机。通过单片机控制水泵的运转。显示电路连接于单片机用于显示液位的高度。该显示接口用一片和单片机连接的驱动数码管。传感器原理图②雷达液位传感器：原理：D=L-CT/2

雷达液位计采用发射-反射-接收的工作模式。雷达液位计的天线发射出电磁波，这些波经被测对象外表反射后，再被天线接收，电磁波从发射到接收的时间与到液面的距离成正比。补充三：工业管道及容器压力测量可采用的压力传感器有哪些。举例说明输出信号与压力的关系，并画出压力信号转换过程的框图答：电容式压力传感器、压阻式压力传感器、压电式压力传感器、霍尔式压力传感器……流程框图：压阻式管道压力传感器的工作原理是介质的压力直接作用在传感器的膜片上，使膜片产生与介质压力成正比的微位移，使传感器的电阻发生变化，和用电子线路检测这一变化，并转换输出一个对应于这个压力的标准信号。压力和电压或电流的大小成线性关系，一般是正比关系。所以，变送器输出的电压或电流随压力增大而增大。压力变送器根据测压*围可分成一般压力变送器和微差压变送器，负压变送器三种压力变送器.霍尔式压力传感器：任何非电量只要能转换成位移量的变化，均可利用霍尔式位移传感器的原理变换成霍尔电势。霍尔式压力传感器就是其中的一种，如以下列图，它首先由弹性元件〔可以是波登管或膜盒〕将被测压力变换成位移，由于霍尔元件固定在弹性元件的自由端上，因此弹性元件产生位移时将带动霍尔元件，使它在线性变化的磁场中移动，从而输出霍尔电势。补充四：有两种压力传感器，其局部性能指标如表所示，请问你认为哪一种传感器的性能较好.为什么.如果你设计一压力测量系统，你将如何选用。压力传感器型号YL-AYICG-B测量精度±0.25%FS±0.4%FS长期稳定性±0.1%FS±0.2%FS零点温度漂移±0.02%FS/℃±0.05%FS/℃灵敏度温度漂移±0.02%FS/℃最大：0.05%FS/℃工作温度-40～85-40～85答：压力传感器YL-A比较好原因：因为压力传感器YL-A精度高、性能稳定可靠，使用寿命长、零点温度漂移小、灵敏度温度漂移小在设计压力测量系统时，应该选用压力传感器YL-A，精度高〔使所测的数据更加准确，出现的系统误差更低〕，稳定性高〔稳定性高可以使使用寿命更长，使所测的数据不会出现太大的波动〕，零点温度漂移小〔零点温度漂移小可以提高测量精度，在实际系统中可以参加温度补偿、零点消减、物理性或软件性地减小零点温度漂移〕，灵敏度温度漂移小〔灵敏度温度漂移小可以提高灵敏度，使所测的数据更加具有时效性〕。补充五：请用霍尔传感器、太阳能电池板、线性负载、数据采集器及单片机系统设计一个太阳能发电量电量检测系统，并说明其工作过程。蓄电池蓄电池答：工作过程：太阳能电池接收光照是，产生电流，给蓄电池充电，单片机通过稳压装置由蓄电池提供驱动电压，对太阳能电池产生的电量进展实时信号采集。由于单片机只能接收信号，所以在信号接收钱A/D转换模块将信号调制适合的电压，经内部运算处理，结果送至显示装置显示电池发电量。补充六：应变片〔单臂、全桥〕系统测量性能。答：电桥的灵敏度：电桥的输出电压〔或输出电流〕与被测应变在电桥的一个桥臂上引起的电阻变化率之间的比值，称为电桥的灵敏度。系统灵敏度S＝ΔU/ΔW〔ΔU输出电压变化量，ΔW重量变化量〕和非线性误差δ，δ=Δm/yFS×100％式中Δm为输出值〔屡次测量时为平均值〕与拟合直线的最大偏差：yFS满量程输出平均值。如图1是直流电桥，它的四个桥臂由电阻R1、R2、R3、R4组成，U0是供桥电压，输出电压为：

当R1×R3=R2×R4则输出电压U为零，电桥处于平衡状态。

如果将R4换成贴在试件上的应变片，应变片随试件的受力变形而变形，引起应变片电阻R4的变化，平衡被破坏，输出电压U发生变化。单臂工作时，电桥只有R4桥臂为应变片，电阻变为R±△R，其余各臂仍为固定阻值R,代入上式有：

1.单臂电桥输出电压Uo1=UiKε/4。2.半桥测量电路：不同受力方向的两只应变片接入电桥作为邻边，电桥输出灵敏度提高，非线性得到改善。当应变片阻值和应变量一样时，其桥路输出电压UO2＝UiKε／2。3.全桥测量电路：将受力方向一样的两应变片接入电桥对边，相反的应变片接入电桥邻边。当应变片阻值和应变量一样时，其桥路输出电压U03＝UiKε。其输出灵敏度比半桥又提高了一倍，非线性误差和温度误差均得到改善。实验证明与理论上的一致。补：一、填空：1.光电传感器的理论根底是光电效应。通常把光线照射到物体外表后产生的光电效应分为三类。第一类是利用在光线作用下光电子逸出物体外表的外光电效应,这类元件有光电管、光电倍增管；第二类是利用在光线作用下使材料内部电阻率改变的内光电效应，这类元件有光敏电阻；第三类是利用在光线作用下使物体内部产生一定方向电动势的光生伏特效应，这类元件有光电池、光电仪表。2.压磁式传感器的工作原理是：*些铁磁物质在外界机械力作用下，其内部产生机械压力，从而引起极化现象，这种现象称为正压电效应。相反，*些铁磁物质在外界磁场的作用下会产生机械变形，这种现象称为负压电效应。〔2分〕3.变气隙式自感传感器，当街铁移动靠近铁芯时，铁芯上的线圈电感量①增加〔①增加②减小③不变〕〔2分〕4.仪表的精度等级是用仪表的③引用误差〔①相对误差②绝对误差③引用误差〕来表示的。〔2分〕5.电容传感器的输入被测量与输出被测量间的关系，除②变极距型〔①变面积型②变极距型③变介电常数型〕外是线性的。〔2分〕6.电位器传器的〔线性〕，假定电位器全长为*ma*,其总电阻