08级测控传感器技术复习题修正版

一、填空：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.霍尔元件灵敏度的物理意义是表示在单位磁感应强度单位控制电流时的霍尔电势的大小。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材料中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，这类元件有光电二极管、光电三极管及光电池。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。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，从而引起磁导率的改变，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机械变形，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。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；在测量系统达到平衡时用已知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已知的标准量进行比较，并取得差值，然后用偏差法测得此差值的测量方法。8.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。②材料传感器的灵敏度较大。9.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。10.电位器传感器按特性不同，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kR=。电压灵敏度ku=。11.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。根据上述原理人们设计了两种类型的结构：一种是=1\*GB3①变磁通式；另一种是=2\*GB3②恒定磁通式。而结构=2\*GB3②中又分为动圈式和动铁式。12.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。13.如果光栅传感器中两个光栅距相等，即W=0.02mm，其夹角θ=0.1°，则莫尔条纹的宽度B=11.43㎜莫尔条纹的放大倍数K=573.2。14.光栅式传感器的基本工作原理是用光栅的摩尔条纹现象进行测量的。其具有如下几个特性：=1\*GB3①摩尔条纹运动与光栅具有对应关系；=2\*GB3②摩尔条纹具有位移放大作用；=3\*GB3③摩尔条纹具有平均光栅误差作用。15.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。二、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）①增加②减小③不变2.仪表的精度等级是用仪表的（③引用误差）来表示的。①相对误差②绝对误差③引用误差3.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）外是线性的。①变面积型②变极距型③变介电常数型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=（②x/XmaxRmax）来计算，其中电阻灵敏度Rr=（①2p(b+h)/At）。①Xmax/xRmax,②x/XmaxRmax,③Xmax/XRmax④X/XmaxRmax2p(b+h)/At,②2pAt/b+h,③2A(b+b)/pt,④2Atp(b+h)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）。①增大，②减小，③不变三、简述题1.试列出你所学过的不同工作原理传感器哪些可用于非接触式测量，哪些用于接触式测量，测量何种物理量？（各≥3种）答：非接触式测量：=1\*GB2⑴光纤传感器：测量位移=2\*GB2⑵光栅传感器:测量位移=3\*GB2⑶霍尔传感器:测量位移接触式测量：=1\*GB2⑴热电式传感器：测量温度=2\*GB2⑵压电式传感器：测量压力=3\*GB2⑶应变片式电阻传感器：测量应变2.说明光纤传感器的工作原理。答：光导纤维工作的基础是光的全内反射，当射入的光线的入射角大于纤维包层间的临界角时，就会在光纤的接口上产生全内反射，并在光纤内部以后的角度反复逐次反射，直至传递到另一端面。光纤传感器利用光导纤维，按其工作原理来分有功能型（或称物性型、传感型）与非功能型（或称结构型、传光型）两大类。功能型光纤传感器其光纤不仅作为光传播的的波导，而且具有测量的功能。非功能型光纤传感器其光纤只是作为传光的媒介，还需加上其他敏感元件才能组成传感器。3.光纤损耗是如何产生的？答：①吸收性损耗：吸收损耗与组成光纤的材料的中子受激和分子共振有关，当光的频率与分子的振动频率接近或相等时，会发生共振，并大量吸收光能量，引起能量损耗。②散射性损耗：是由于材料密度的微观变化、成分起伏，以及在制造过程中产生的结构上的不均匀性或缺陷引起。一部分光就会散射到各个方向去，不能传输到终点，从而造成散射性损耗。③辐射性损耗：当光纤受到具有一定曲率半径的弯曲时，就会产生辐射磁粒。4.什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。5.压电式传感器的前置放大器的作用是什么？电压式与电荷式前置放大器各有何特点？答：作用是将输出电压放大，并与输入电压或输入电流成正比。电压放大器将压电式传感器的高输出阻抗经放大器变换为低阻抗输出，并将微弱的电压信号进行适当放大，但其所接配的压电式传感器的电压灵敏度将随电缆分布电容及传感器自身电容的变化而变化，而且电缆的的更换得引起重新标定的麻烦。电荷放大器是一种具有深度电容负反馈的高增益运算放大器，其虽然允许使用很长的电缆，并且电容Ce变化不影响灵敏度，但它比电压放大器价格高，电路较复杂，调整也比较困难。6.简述霍尔电动势产生的原理。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。7.Pt100和Cu50各代表什么传感器？分析热电阻传感器测量电桥之三线、四线连接法的主要作用。答：分别代表铂电阻热电式传感器（100Ω），铜电阻热电式传感器(50Ω).热电阻传感器测量电桥之三线、四线连接法的主要作用是消除在热电阻安装的地方与仪表相距远时，环境温度变化时其连接导线电阻也变化所造成的测量误差。8.简述热电偶的工作原理。答：热电偶的测温原理基于物理的“热电效应”。所谓热电效应，就是当不同材料的导体组成一个闭合回路时，若两个结点的温度不同，那么在回路中将会产生电动势的现象。两点间的温差越大，产生的电动势就越大。引入适当的测量电路测量电动势的大小，就可测得温度的大小。9.简述CCD的工作原理。答：CCD是一种半导体器件，在N型或P型硅衬底上生长一层很薄的SiO2，再在SiO2薄层上依次序沉积金属电极，这种规则排列的MOS电容数组再加上两端的输入及输出二极管就构成了CCD芯片。CCD可以把光信号转换成电脉冲信号。每一个脉冲只反映一个光敏元的受光情况，脉冲幅度的高低反映该光敏元受光的强弱，输出脉冲的顺序可以反映光敏元的位置，这就起到图像传感器的作用。10.使用补偿导线应注意哪些方面？答：（1）各种补偿导线只能与相应型号的热电偶配用，而且必须在规定的温度范围（0—100℃（2）注意极性，不能接反，否则会造成更大的误差；（3）补偿导线与热电偶连接的两个接点其温度必须相同。四判断题1.检定一只精度为1.0级100mA的电流表，发现最大误差在50mA处为1.4mA，试问这只表是否合格？解：检测仪表示值绝对误差δ与仪表量程L之比值，称之为仪表示值的引用误差，最大引用误差去掉百分号即为仪表精度。显然此仪表的最大引用误差为：故不合格2.被测电压的实际值为10V，现有150V,0.5级和15V,2.5级两只电压表，选择哪一只表误差较小？解：150V表的最大误差为：15V表的最大误差为：故选择15V表误差较小五.计算题1.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表示应变片电阻值的变化量。试证明：Ucd=（E/2）(ΔR/R)。证明：略去的二次项,即可得2.一个量程为10kN的应变式测力传感器，其弹性元件为薄壁圆筒轴向受力，外径20mm,内径18mm,在其表面粘贴八各应变片，四个沿周向粘贴，应变片的电阻值均为120Ω,灵敏度为2.0,泊松比为0.3,材料弹性模量E=2.1×1011Pa。要求：绘出弹性元件贴片位置及全桥电路；计算传感器在满量程时，各应变片电阻变化；当桥路的供电电压为10V时，计算传感器的输出电压。解：满量程时：3.今有一悬臂梁，在其中上部上、下两面各贴两片应变片，组成全桥，如图所示。该梁在其悬臂梁一端受一向下力F=0.5N,试求此时这四个应变片的电阻值。已知：应变片灵敏系数K=2.1;应变片空载电阻R0=120Ω。4.如图所示一简单电感式传感器。尺寸已示于图中。磁路取为中心磁路，不记漏磁，设铁心及衔铁的相对磁导率为104，空气的相对磁导率为1，真空的磁导率为4π×10-7H﹒m-1,试计算气隙长度为零及为2mm时的电感量。图中所注尺寸单位均为mm.解：又⑴空气气隙为零时：⑵空气气隙为2mm时:5.使用K型热电偶，基准接点为0℃、测量接点为30℃和900℃时，温差电动势分别为1.203mV和37.326mV。当基准接点为30答：现t2=900℃，t1=30℃，基准接点温度为测温接点温度为900℃则37.326=1.203+E，所以E=36.123mV。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-1.76mv，此时电位差计所处的环境温度为20℃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+00.000.040.080.120.160.200.240.280.320.36+100.400.440.480.520.560.600.640.680.720.76+200.800.840.880.920.961.001.041.081.121.16答：E（T，0）=E（T，T0）+E（T0，0）E（T，0）=E（T，20）+E（20，0）=－1.76＋0.80=－0.96（mV）查表得出：T=－27.如图所示，Rt是Pt100铂电阻，分析下图所示热电阻测量温度电路的工作原理，以及三线制测量电路的温度补偿作用并计算：=1\*GB2⑴已知Rt是Pt100铂电阻，且其测量温度为T=80℃，试计算出Rt的值和Ra的值=2\*GB2⑵电路中已知R1、R2、R3和E，试计算电桥的输出电压VAB。其中（R1=10KΩ，R2=10KΩ，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0①在参考温度（如0=2\*GB3②8.今有一种电涡流式位移传感器。其输出为频率。特性方程形式为,今知其中MHz及一组标定数据如下：,位移x(mm)0.30.61.01.52.03.04.05.06.0输出f(MHz)2.5232.4912.4612.4322.4102.3802.3622.3512.343试求该传感器的工作特性方程及符合度（利用曲线化直线的拟合方法，并用最小二乘法作直线拟合）。解：设又有重写表格如下:x0.30.61.01.52.03.04.05.06.0f2.5232.4912.4612.4322.4102.3802.3622.3512.343y-1.66-1.85-2.06-2.31-2.56-3.06-3.54-4.02-4.61最小二乘法做直线拟和：9.对某电压进行了16次等精度测量，测量数据已经过修正，列于表中。要求给出包括误差在内的测量结果表达式。12345678205.30204.94205.63205.24204.97206.65205.36205.16910111213141516205.71204.70204.86205.35205.21205.19205.21205.32解：测量数据：12345678910111213141516205.30204.94205.63205.24204.97206.65205.36205.16205.71204.70204.86205.35205.21205.19205.21205.320-0.36+0.33-0.06-0.33+1.35+0.06-0.14+0.41-0.60-0.44+0.05-0.09-0.11-0.09+0.0200.12960.10890.00360.10891.82250.00360.01960.16810.36000.19360.0025