传感器试题资料

填空题1.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。（2分）2.霍尔元件灵敏度的物理意义是表示在单位磁感应强度相单位控制电流时的霍尔电势的大小。（2分）3.光电传感器的理论基础是光电效应。通常把光线照射到物体表面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表面的外光电效应,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，光敏二极管及光敏三极管_。4.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。（7分）5.压磁式传感器的工作原理是：某些铁磁物质在外界机械力作用下，其内部产生机械压力，从而引起磁导率的变化，这种现象称为压磁效应。相反，某些铁磁物质在外界磁场的作用下会产生有些伸张，有些则压缩，这种现象称为磁致伸缩。6.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。8.偏差式测量是指在测量过程中，用仪表指针的位移（即偏差）决定被测量的方法；零位测量是指在测量过程中，用指零仪表的零位指示，检测测量系统的平衡状态；在测量系统达到平衡时，用已知的基准量决定被测未知量的方法；微差式测量是综合了偏差式测量法与零位式测量法的优点而提出的方法。10.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材料传感器的灵敏度较大___造成的。11.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______表示。12.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多次测量结果求平均的方法来减小它对测量结果的影响。13.电位器或电阻传感器按特性不同，可分为线性电位器和非线性电位器。线性电位器的理想空载特性曲线具有严格的线性关系。假定电位器全长为Xmax，其总电阻为Rmax，它的滑臂间的阻值可以用Rx=来计算。假定加在电位器A、B之间的电压为Vmax，则输出电压为Vx=。其电阻灵敏度RI=。电压灵敏度RU=。（7分）14.磁电式传感器是利用导体和磁场发生相对运动而在导体两端产生感应电势的。而霍尔式传感器为霍尔元件在磁场中有电磁效应（霍尔效应）而输出电势的。霍尔式传感器可用来测量电流，磁场，位移，压力。（6分）15.测量过程中存在着测量误差。绝对误差是指测量值与被测量真实值之间的差值其表达式为；相对误差是指绝对误差与被测量真实值的比值其表达式为；引用误差是指绝对误差与测量仪表的上量限（满度）值A的百分比其表达式为。（7分）16.测量系统的静态特性指标通常用输入量与输出量的对应关系来表征。（5分）选择题1.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②减小③不变）（2分）2.仪表的精度等级是用仪表的（①相对误差②绝对误差③引用误差）来表示的。（2分）3.电容传感器的输入被测量与输出被测量间的关系，除（①变面积型②变极距型③变介电常数型）外是线性的。（2分）4.电位器传器的（线性），假定电位器全长为Xmax,其总电阻为Rmax，它的滑臂间的阻值可以用Rx=（①Xmax/xRmax,②x/XmaxRmax,③Xmax/XRmax④X/XmaxRmax）来计算，其中电阻灵敏度Rr=（①2p(b+h)/At,②2pAt/b+h,③2A(b+b)/pt,④2Atp(b+h)）。（4分）5.变面积式自感传感器，当衔铁移动使磁路中空气缝隙的面积增大时，铁心上线圈的电感量（①增大，②减小，③不变）。6.在平行极板电容传感器的输入被测量与输出电容值之间的关系中，（①变面积型，②变极距型，③变介电常数型）是线性的关系。7.在变压器式传感器中，原方和副方互感M的大小与原方线圈的匝数成（①正比，②反比，③不成比例），与副方线圈的匝数成（①正比，②反比，③不成比例），与回路中磁阻成（①正比，②反比，③不成比例）。三、判断题1.系统的系统响应带宽与传感器的响应带宽无关，请问这种说法正确吗？试述理由。答：不正确。传感器的响应带宽会限制系统的系统响应带宽。

热电极与标准铂电极配对的热电势，那么由这两种热电极配对组成热电偶的热电势便可由上式求得，而不需逐个进行测定。=6\*GB3⑥误差因素：参考端温度受周围环境的影响措施：a恒温法b计算修正法（冷端温度修正法）c仪表机械零点调整法d热电偶补偿法e电桥补偿法f冷端延长线法8.霍尔元件能够测量哪些物理参数？霍尔元件的不等位电势的概念是什么？温度补偿的方法有哪几种？请详细推导分流法。（10分）答：霍尔组件可测量磁场、电流、位移、压力、振动、转速等。霍尔组件的不等位电势是霍尔组件在额定控制电流作用下，在无外加磁场时，两输出电极之间的空载电势，可用输出的电压表示。温度补偿方法：a分流电阻法：适用于恒流源供给控制电流的情况。b电桥补偿法9.传感器的定义和组成框图？画出自动控制系统原理框图并指明传感器在系统中的位置和作用。答：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。传感器的作用：感受被测量并转换成可用输出信号传送给控制对象。传感器处于研究对象与测试系统的接口位置，即检测与控制之首。传感器是感知、获取与检测信息的窗口，一切科学研究与自动化生产过程要获取的信息都要通过传感器获取并通过它转换成容易传输与处理的电信号，其作用与地位特别重要。10.直流电桥和交流电桥有何区别？直流电桥的平衡条件是什么？应变片式电阻传感器、自感式、互感式、涡流式、电容式、热电阻式传感器分别可采用哪种电桥作为测量电路？答：根据电源不同分为直流和交流电桥。直流电桥优点：高稳定度直流电源容易获得，电桥平衡电路简单，传感器至测量仪表的连接导线分布参数影响小。但是后续要采用直流放大器，容易产生零点漂移，线路也较复杂。交流电桥在这些方面都有改进。直流电桥平衡条件：R1/R2=R3/R4，R1R4=R2R3。11.光电效应可分为哪三种类型，简单说明其原理并分别列出以之为基础的光电传感器。答：当用光照射物体时，物体受到一连串具有能量的光子的轰击，于是物体材料中的电子吸收光子能量而发生相应的电效应（如电阻率变化、发射电子或产生电动势等）。这种现象称为光电效应。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表面的现象，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。以自感式传感器为例说明差动式传感器可以提高灵敏度的原理。解：差动式灵敏度:与单极式传感器灵敏度比较灵敏度提高一倍，非线性大大减少。12.传感器（或测试仪表）在第一次使用前和长时间使用后需要进行标定工作，请问标定的意义？答：传感器的标定分为静态标定和动态标定两种。静态标定的目的是确定传感器静态特性指标，如线性度、灵敏度、滞后和重复性等。动态标定的目的是确定传感器的动态特性参数，如频率响应、时间常数、固有频率和阻尼比等。13.什么是光电效应？答：当用光照射物体时，物体受到一连串具有能量的光子的轰击，于是物体材料中的电子吸收光子能量而发生相应的电效应（如电阻率变化、发射电子或产生电动势等）。这种现象称为光电效应。14.什么是金属应变片的灵敏系数？请解释它与金属丝灵敏系数的区别。答：应变片一般做成丝栅状，测量应变时，将应变片贴在试件表面上，试件的变形很容易传到应变片上。金属应变片的灵敏系数与金属丝灵敏系数是不同的。第一，零件的变形是通过剪力传到金属丝上的。第二，丝沿长度方向承受应变时，应变片弯角部分也承受应变，其截面积变大，则应变片直线部分电阻增加时，弯角部分的电阻值减少，也使变化的灵敏度下降。因此，应变片的灵敏系数比金属丝灵敏系数低。15.1）制作霍尔元件应采用什么材料，为什么？2）为何霍尔元件都比较薄，而且长宽比一般为2：1？3）某霍尔元件l×b×d为1.0×0.35×0.1cm3,当方向通以电流I=1.0mA,在垂直lb方向加有均匀磁场B=0.3T,传感器的灵敏系数为22V/AT,试求其霍尔电势及载流子浓度。答：1）采用半导体材料。因为其灵敏度高，输出霍尔电势大。2）因为元件越薄，灵敏度系数越大。3）16.电路中已知R1、R2、R3和E，试计算电桥的输出电压VAB。（5分）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0C）时的电阻值。三线连接法的缺点之一是可调电阻的接触电阻和电桥臂的电阻相连，可能导致电桥的零点不稳。计算题1.测得某检测装置的一组输入输出数据如下： XY3.24.05.0试用最小二乘法拟合直线，求其线性度和灵敏度（10分）解:，，代入数据求得∴拟合直线灵敏度,线性度±7%2.如图所示电路是电阻应变仪中所用的不平衡电桥的简化电路，图中R2=R3=R是固定电阻，R1与R4是电阻应变片，工作时R1受拉，R4受压，ΔR=0，桥路处于平衡状态，当应变片受力发生应变时，桥路失去平衡，这时，就用桥路输出电压Ucd表示应变片变后电阻值的变化量。试证明：Ucd=-（E/2）(ΔR/R)。（10分）证明：略去的二次项,即可得3.设6次测量某物体的长度，其测量的结果分别为：9.810.010.19.910.215厘米，若忽略粗大误差和系统误差，试求在99.73%的置信概率下，对被测物体长度的最小估计区间。解：忽略最后一个值（为什么5次就不用忽略），分别为-0.200.1-0.10.2则4.1）试证明热电偶的中间导体定律。2）将一只灵敏度为0.08mv/℃的热电偶与毫伏表相连,已知接线端温度为50℃,毫伏表的输出为60mv,求热电偶热端的温度为多少?热敏电阻的电阻-温度特性有什么不同?答：1）证明：=2)℃3）热敏电阻的电阻温度系数大，电阻与温度的关系近似于线性或为平滑曲线。

5.1）有一数字温度计，测量范围为–50℃～150℃,精度0.5级,求当示值分别为-20℃,100℃时的绝对误差和示值相对误差。2）欲测量250V电压，要求测量示值相对误差不大于±0.5%,问选用量程为250V电压表,其精度为那一级?若选用量程为300V和500V的电压表,其精度又分别为那一级?3)已知待测电压为400V左右,现有两只电压表,一只1.5级,测量范围0～500V;另一只0.5级,测量范围0～1000V,问选用那只表测量较好?为什么?答：1）绝对误差为：℃-20℃时相对误差为：100℃时相对误差为：2）绝对误差为：，即选用精度为0.5级的250V电压表。则量程为300V的应用精度为0.4级，量程为500V的精度为0.25级。3)第一只绝对误差为相对误差为第二只绝对误差为相对误差为所以应用第二只表6.用镍铬-镍硅热电偶测量某低温箱温度，把热电偶直接与电位差计相连接。在某时刻，从电位差计测得热电势为-1.19mv，此时电位差计所处的环境温度为15℃，试求该时刻温箱的温度是多少度？镍铬-镍硅热电偶分度表测量端温度℃0123456789热电动势(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+00.000.040.000.240.280.320.36+100.400.440.480.520.560.600.640.680.720.76+200.800.840.880.920.961.001.041.081.121.167.分析（线性）电位器式传感器由于测量线的线路中的负载电阻RL带来的负载误差，并计算它与位移x之间的关系；（10分）

三、分析、计算题：（20分）1、将一只灵敏度为0.08mv/℃的热电偶与毫伏表相连,已知接线端温度为50℃,毫伏表的输出为60mv,求热电偶热端的温度为多少?答：℃用石英晶体加速度计测量机器的振动，已知加速度计的灵敏度为5PC/g（g为重力加速度），电荷放大器的灵敏度为50mv/PC，当机器振动达到最大加速度时，相应的输出幅值为2V，求机器的振动加速度。（1PC=10-12库仑）答：a=以自感式传感器为例说明差动式传感器可以提高灵敏度的原理。解：差动式灵敏度:与单极式传感器灵敏度比较灵敏度提高一倍，非线性大大减少。3、光纤传感器的主要优点是什么？求n1=1.46，n2=1.45的阶跃型光纤的数值孔径值；如果外部介质为空气n0=1，求光纤的最大入射角。答：优点：抗电磁干扰能力强；灵敏度高；几何形状具有多方面的适应性，可以制成任意形状的光纤传感器，可以制造传感各种不同物理信息的器件；光纤传感器可用于高压，电气噪声，高温，腐蚀或其他恶劣环境；而且具有与光纤遥测技术的内在相容性。°4、分析如图1所示自感传感器当动铁心左右移动（x1,x2发生变化时自感L变化情况。已知空气隙的长度为x1和x2，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x1和x2各自变，而其和不变，另其他变量都不变故L不变3、设5次测量某物体的长度，其测量的结果分别为：9.810.010.19.910.2厘米，若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。分别为-0.200.1-0.10.2设6次测量某物体的长度，其测量的结果分别为：9.810.010.19.910.215厘米，若忽略粗大误差和系统误差，试求在99.73%的置信概率下，对被测物体长度的最小估计区间。解：分别为-0.200.1-0.10.2设7次测量某物体的长度，其测量的结果分别为：9.810.010.19.910.210.115厘米，若忽略粗大误差和系统误差，试求在99.73%的置信概率下，对被测物体长度的最小估计区间。答：忽略最后一个值，平均值，，则最小估计区间。六、用温度传感器对某温度进行12次等精度测量，获得测量数据如下（单位℃）20.46、20.52、20.50、20.52、20.48、20.47、20.50、20.49、20.47、20.49、20.51、20.51要求对测量数据进行加工整理，并写出最后结果（取置信系数为2）。答：2、图示电荷放大器中Ca=100PF，Ra=∞，Rf=∞，Ri=∞，CF=10PF。若考虑引线电容CC影响，当A0=104时，要求输出信号衰减小于1%，求使用90PF/m的电缆，其最大允许长度为多少？答：解得设计酒精测试仪，说谎测试仪，肺活量测试仪，转速计，指纹锁转速计：非接触式转速计/测速仪/转速表是在被测旋转轴上贴一片铝箔作为反光体，当反光体转到光电传感器的正前方时，光电传感器发出的红外光束被反射回来，同时被光电传感器上的红外接收管接收，产生一个脉冲信号，我们利用这个信号的边沿触发单片机内部的高精度定时器进行计时，精度可达1μs，当反光体再次转到光电传感器的正前方时，利用光反射信号的边沿停止单片机计时。这样转轴的旋转周期t就被精确地测量出来了，然后单片机把周期换算成转速并通过LED数码管显示出来。磁电式传感器：开磁路变磁通式传感器，在被测旋转体上安装测量齿轮，，随被测物体一起旋转，没转过一个齿，它与软铁之间所构成的磁路磁阻和磁通会变化一次，根据电磁感应定理，线圈所产生的感应电动势的变化频率等于齿轮数乘以转速，从而可以得知被测物体的转速，但缺点是加装齿轮不方便。酒精测试仪目前普遍使用的只有燃料电池型（电化学型）和半导体型二种。这二种能够制造成便携型呼气酒精测试器，适合于现场使用。半导体型采用氧化锡半导体作为传感器，这类半导体器件具有气敏特性，当接触的气体中其敏感的气体浓度增加，它对外呈现的电阻值就降低，半导体型呼气就是利用这个原理做成的。这种半导体在不同工作温度时，对不同的气体敏感程度是不同的，因此半导体型呼气酒精测试仪中都采用加热元件，把传感器加热到一定的温度，在该温度下，该传感器对酒精具有最高的敏感度。检测原理:当具有N型导电性的氧化物暴露在大气中时，会由于氧气的吸附而减少其内部的电子数量而使其电阻增大。其后如果大气中存在某种特定的还原性气体，它将与吸附的氧气反应,从而使氧化物内的电子数增加，导致氧化物电阻减小。半导体-氧化物传感器就是通过该阻值的变化来分析气体浓度。燃料电池型呼气酒精测试仪采用燃料电池酒精传感器作为气敏元件，它属于电化学类型，因此又称为电化学型。燃料电池是当前全世界都在广泛研究的环保型能源，它可以直接把可燃气体转变成电能，而不产生污染。作为酒精传感器只是燃料电池的一个分支。燃料电池酒精传感器采用贵金属白金作为电极，在燃烧室内充满了特种催化剂，它能使进入燃烧室内的酒精充分燃烧转变为电能，也就是在二个电极上产生电压，电能消耗在外接负载上。此电压与进入燃烧室内气体的酒精浓度成正比，这就是燃料电池型呼气酒精测试仪的基本工作原理具体设计举例：（向酒精探头吹气——气体信号检测及处理——A/D转换——单片机对信号判断处理——相关装置动作）这个装置放在驾驶室司机右手位置，当司机发动汽车时，报警装置将会响起，提醒你使用酒精控制器。酒精控制器一般要加热到1分钟左右，该设备绿灯会亮，说明可以吹气。向酒精探头吹气，必须发出声音，这样才能保证测试准确。话筒作用判断是否吹气。当吹气确认后，发送到单片机，开始对气体信号进行检测。酒精含量和电压信号有一定关系——含量越高，电压越高；温度越高，灵敏度越高。检测信号经过了放大、检波电路，进行信号放大和对噪声的过滤。之后，通过A/D电路转换为数字信号，由单片机对此信号进行处理判断，假设酒精含量没有超标，指示灯亮起，可以启动汽车，继电器不起作用，酒精控制器停止工作。反之，超标指示灯亮起，报警装置同时响起，说明不能行驶，若司机强行启动，单片机开始控制继电器，30秒后继电器开关切断点火装置电源，汽车无法行驶，从而实现酒后控制驾车行驶的功能。工作流程图说话测谎仪（资料有限、不全）原理：主要是检测人在说谎时的生理反应及条件反射，如：呼吸速率和血容量异常，出现呼吸抑制和屏息；脉搏加快，血压升高，血输出量增加及成分变化，导致面部、颈部皮肤明显苍白或发红等等。现代测谎仪由传感器、主机和微机组成。传感器有3个触角：戴在人手指上的皮肤电传感器，这是一种不锈钢电极，用来测量皮肤电阻的变化；呼吸传感器是拉伸传感器，系在人的胸部，测量人呼吸的变化；脉搏和血压传感器是一种压敏传感器或血压计，戴在人腕部或臂部，测量人脉搏和血压的变化。主机是电子部件，将传感器所采集的模拟信号经过处理转换成数字信号；微机将输入的数