傳感器與檢測技術(shù)試題及答案已做

1、傳 感 器一、填空：（20分）1,測量系統(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) 而霍爾電勢(shì)大小。4 .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（T T0）inNA T°（ a bHt。在熱電偶 eN b0溫度補(bǔ)償中補(bǔ)償導(dǎo)線法（即冷端延長線法）是在連接導(dǎo)線和熱電偶之間, 接入延長線,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。機(jī)壓磁式傳感器的工作

2、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） 來表示的（2分）8 .電容傳感器的輸入被測量與輸出被測量間的關(guān)系，除（變面積型9 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

3、的輸入被測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_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

4、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。5.磁電式傳感器是利用導(dǎo)體和磁場發(fā)牛相對(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中有電磁效應(yīng) （霍爾效應(yīng)） 而輸出電勢(shì)的。霍爾式傳感器可用來測量電流，磁場，位移，壓力。（6分）8.測量系統(tǒng)的靜態(tài)特性指標(biāo)通常用輸入量與輸出量的對(duì)應(yīng)關(guān)系來表征（5分）簡答題二、用銀銘-銀硅熱電偶測量某低溫箱溫度，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)測得熱電勢(shì)為，此時(shí)電位差計(jì)所處的環(huán)境溫度 為15C,試求該時(shí)刻溫箱的溫度是多少度？ （ 20分）銀

5、銘-銀硅熱電偶分度表測量端 溫度C0123456789執(zhí) 八、電動(dòng)勢(shì)(mv)-20-10-0+0+ 10+202簡述熱電偶的工作原理。（6分）答：熱電偶的測溫原理基于物理的“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量電路測量電動(dòng)勢(shì)的大小，就可測得溫度的大小。3 以石英晶體為例簡述壓電效應(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)作用力

6、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，晶體本身將產(chǎn)生機(jī)械變形，外電場撤離，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)，沒有體積變形壓電效應(yīng)，但它具有良好的厚度變形和長度變形壓電效應(yīng)。4 簡述電阻應(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

7、分）答：傳感器的特性是指傳感器所特有性質(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?？梢詮臅r(shí)域和頻域來研究動(dòng)態(tài)特性2、簡述霍爾電動(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 （磁場方向垂直于薄片 ）中，當(dāng)有電流I 流過時(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。而前端面缺少電

8、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，該電場產(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的方向上將產(chǎn)生電場，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量電路時(shí)由于溫度變化而產(chǎn)生測量誤差的過程。（ 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)過程中測量金屬板的

9、厚度，非金屬板材的鍍層厚度時(shí)常用渦流傳感器。試簡要敘述說明利用渦流傳感器測量金屬板厚度的工作原理及實(shí)現(xiàn)工藝。（ 15）5、什么是傳感器靜態(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)？說明勢(shì)電偶測溫原理及其工作定律的應(yīng)用。分析熱電偶測溫的誤差因素，并說明減小誤差的方法（ 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

10、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)體的形狀和尺寸無關(guān)。溫差電動(dòng)勢(shì)： 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)。熱電偶測溫原理：熱電偶的測溫原理基于物理的“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量電路測量電動(dòng)勢(shì)的大小，就可測得溫度的大小。熱電偶三定律a 中間導(dǎo)體定律熱電偶測溫時(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。在用熱電偶測溫時(shí)，連接導(dǎo)線及顯

11、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To 時(shí)熱電勢(shì)的代數(shù)和。應(yīng)用：對(duì)熱電偶冷端不為 00C 時(shí)，可用中間溫度定律加以修正。熱電偶的長度不夠時(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：可大大簡化熱電偶的選配工作。在實(shí)際工作中，只

12、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)進(jìn)行測定。誤差因素：參考端溫度受周圍環(huán)境的影響措施：a 00c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 冷端延長線法四、霍爾元件能夠測量哪些物理參數(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：霍爾組件可測量磁場、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， 在無外加磁場時(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：

13、適用于恒流源供給控制電流的情況。b 電橋補(bǔ)償法一、簡答題（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。考慮動(dòng)態(tài)特性，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

14、，電橋平衡電路簡單，傳感器至測量儀表的連接導(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：Rl/R2=R3/R4 , RlR4=R2R3。3、 以自感式傳感器為例說明差動(dòng)式傳感器可以提高靈敏度的原理。2解：L0 W 0&%2差動(dòng)式靈敏度:S 組1.10 lolo2與單極式傳感器靈敏度S & 1 比較lololo靈敏度提高一倍，非線性大大減少。4、 傳感器的定義和組成框圖？畫出自動(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)定的被測量并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出 信號(hào)的器件

15、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)象與測試系統(tǒng)的接口位置，即檢測與控制之首。傳感器是感知、獲取與檢測信息的窗口，一切科學(xué)研究與自動(dòng)化生產(chǎn)過程要獲取的信息都要通過傳感器獲取并通過它轉(zhuǎn)換成容易傳輸與處理 的電信號(hào)，其作用與地位特別重要。擾動(dòng)送給控制對(duì)象。給定+傳感器對(duì)象組成框圖：自 動(dòng)控制系統(tǒng)原 理框圖：傳感器的作 用：感受被測 量并轉(zhuǎn)換成可 用輸出信號(hào)傳反饋裝置5、試列出你所學(xué)過的不同工作原理傳犀器哪些可用于非接觸式測量, 哪些用于接觸式測量，測量何種物理4?（各A 3種）答：非接觸式測量：a）熱電式傳感器：測量溫度b）光纖傳感器：測量光信號(hào)c）核輻射傳感器：測量核輻射粒子接

16、觸式測量：a）電位器式壓力傳感器：測量壓力b）應(yīng)變片式電阻傳感器：測量電阻值 c）應(yīng)變式扭矩傳感器：測量扭矩6、 傳感器（或測試儀表）在第一次使用前和長時(shí)間使用后需要進(jìn)行標(biāo)定工作，請(qǐng)問標(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。7、 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，

17、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。8、 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剪力傳到金屬絲上的。第二，絲沿長度方向承受應(yīng)變時(shí)，應(yīng)變

18、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)簡單、工作可靠、測量范圍廣等優(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、濕度等許多非電量轉(zhuǎn)換為電量。2、 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，