0928西南大学《传感器与检测技术》试题及答案讲解

西南大学2016年《传感器与检测技术》试题一、填空：1、检测系统的静态特性指标主要有测量范围、精度等级、灵敏度、线性度、迟滞、重复性、分辨力、稳定性、可靠性等。

2、霍尔元件灵敏度的物理意义是表示在单位磁感应强度和单位控制电流作用下的霍尔电势大小。

霍尔元件的灵敏度与元件材料的霍尔常数有关，还与霍尔元件的几何尺寸有关;霍尔元件的霍尔电极要求欧姆接触。

霍尔式传感器可用来测量电流，磁场，位移，压力。

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、光敏二极管、光敏三极管；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。

4、热电偶的测温原理热电效应;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。

国际电工委员会推荐工业用标准热电偶 8 种在热电偶冷端温度补偿中补偿导线法（即冷端延长线法）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、压电式传感器的工作原理是：某些晶体或多晶陶瓷，当沿着一定方向受到外力作用时，内部就产生极化现象，同时在某两个表面上产生大小相等符号相反的电荷，这种现象称为正压电效应。

反之，如对晶体施加一定外电场，晶体本身将产生机械变形，这种现象称为逆压电效应。

压电材料可分为三大类：压电晶体（包括石英晶体和其他单晶体材料）、压电陶瓷、新型压电材料（如压电半导体、有机高分子材料等)。

6、变气隙长度式自感传感器，用来测量线位移，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）变气隙面积式传感器，用来测量角位移，当气隙面积增大时，铁芯上的线圈电感量（①增加②减小③不变）7、检测系统(仪表)产生测量误差的原因有：测量原理的局限、测量方法的不尽完善、环境 因素和外界干扰的存在以及测量过程可能会影响被测对象的原有状态等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； 根据测量误差的性质（或出现的规律），测量误差可分为系统误差、随机误差和粗大误差三类。

系统误差的特点：固定的、或按一定规律变化的，可设法确定并消除。

随机误差的特点：对每次测量而言，测量误差是没有规律的，以随机方法出现，但在多次重复测量中其总体是符合统计规律的。

粗大误差的特点：误差值较大，明显表现为测量结果异常，可通过物理的或拉依达法或格拉布斯法加以剔除。

工程上常用的粗大误差的判断准则有：拉伊达(莱因达)准则和格拉布斯(Grubbs)准则拉伊达准则的鉴别值为3σ，其中σ=()112--∑=n X x ni i，拉伊达准则只适用于测量次数较多（n > 25）、测量误差分布接近正态分布的情况。

8. 平行板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。

9. 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 = （① Xmax/x Rmax,②x/Xmax Rmax,③ Xmax/XRmax ④X/XmaxRmax ）来计算， 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=max R maxX X⋅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=max V maxX X⋅。

10、传感器是能以一定精确度把某种被测量（主要为各种非电的物理量、化学量、生物量等）按一定规律转换为（便于人们应用、处理）另一参量（通常为电参量）的器件或测量装置。

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组成。

检测是指在生产、科研、试验及服务等各个领域，为及时获得被测、被控对象的有关信息而实时或非实时地对一些参量进行定性检查和定量测量。

11、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 _几何尺寸变化造成的，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。

二、简答题1. 用K型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？（20分）K型热电偶分度表解：查K型热电偶分度表，E K(15,0)=0.60 mv设被测温度为t℃,则：E K(t,0)=-1.19+0.60=-0.59查K型热电偶分度表，得：t=-15℃2 简述热电偶的工作原理。

（6分）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。

2+ 简述热电偶测温系统使用补偿导线时必须注意的问题。

答：1）补偿导线只能在规定的温度范围内（一般为0℃～100℃）与热电偶的热电势相等或相近；2）不同型号的热电偶有不同的补偿导线；3）热电偶和补偿导线的二个接点要保持同温；4）补偿导线有正负极，分别与热电偶的正负极相连；5）补偿导线的特性只是延伸热电偶的自由端，当自由端温度T0≠0时，还需进行其他补偿和修正。

3 以石英晶体为例简述压电效应产生的原理。

（6分）答：石英晶体在沿一定的方向受到外力的作用变形时，由于内部电极化现象同时在两个表面上产生符号相反的电荷，当外力去掉后，恢复到不带电的状态；而当作用力方向改变时，电荷的极性随着改变。

晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比。

这种现象称为正压电效应。

反之，如对石英晶体施加一定变电场，晶体本身将产生机械变形，外电场撤离，变形也随之消失，称为逆压电效应。

4 简述电阻应变片式传感器的工作原理（6分）答：电阻应变片的工作原理是基于电阻应变效应，即在导体产生机械变形时，它的电阻值相应发生变化。

5、简述霍尔电动势产生的原理。

（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U H。

6、分析应变片式传感器产生温度效应的原因，并阐述进行温度补偿的方法。

（10分）答：原因：1. 温度变化引起应变片敏感栅电阻变化而产生附加应变；2. 试件材料与敏感材料的线膨胀系数不同，使应变片产生附加应变。

温度补偿的方法：1.应变片自补偿法2.桥路补偿法3. 热敏电阻补偿法二、寄生电容与电容传感器相关联影响传感器的灵敏度，它的变化为虚假信号影响传感器的精度。

试阐述消除和减小寄生电容影响的几种方法和原理。

（15分）电容传感器测量系统中要消除和减小寄生电容可采用如下方法：1. 采用“驱动电线”技术2. 采用组合式与集成技术3. 整体屏蔽法二、电容传感器工作在高温、高湿及高频激励条件下，电容的附加损耗等影响将不可忽视，试分析这时电容传感器的等效电路及等效电容，并说明为什么电容传感器在使用过程中改变激励频率或更换传输电缆，必须对测量系统重新进行标定。

答：这时电容传感器的等效电路如图所示：图中C 为传感器电容，RP 为低频损耗并联电阻，它包括极板间漏电和介质损耗等影响；RS 为高温、高湿及高频激励工作时串联损耗电阻，它包括导线、极板间和金属支座等损耗电阻；L 为电容器及引线电感；CP 为寄生电容。

在实际工作中，特别在高频激励下，L 的影响尤其重要，因此其等效电路可简化为： 其等效电容为：由此可看出，电容传感器在使用过程中改变激励频率或更换传输电缆，其等效电容将发生变化，因此必须对测量系统重新进行标定。

三、在生产过程中测量金属板的厚度，非金属板材的镀层厚度时常用涡流传感器。

试简要叙述说明利用涡流传感器测量金属板厚度的工作原理及实现工艺。

（15）三、 光纤传感器的工作原理。

（4分）答：光纤工作的基础是光的全反射，当射入的光线的入射角小于临界角时，光在纤芯和包层的界面上就会产生全反射，并在光纤内部反复逐次反射，直至传递到另一端面。

光纤传感器按其工作原理来分有功能型与非功能型两大类。

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。

四、什么是传感器静态特性。

（4分）答：传感器的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。

三、什么叫做热电动势、接触电动势和温差电动势？说明势电偶测温原理。

分析热电偶测温的误差因素，并说明减小误差的方法（10分）答：①热电动势：两种不同材料的导体（或半导体）A 、B 串接成一个闭合回路，并使两个结点处于不同的温度下，那么回路中就会产生热电势。

热电势主要由接触电势和温差电势两部分组成。

LCw C C e 21-=②接触电动势：接触电势是由两种不同导体的自由电子，其密度不同而在接触处形成的热电势。

它的大小取决于两导体的性质及接触点的温度，而与导体的形状和尺寸无关。

③温差电动势：是在同一根导体中，由于两端温度不同而产生的一种电势。

④热电偶测温原理：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。

⑤误差因素：参考端温度受周围环境的影响措施：补偿导线法计算修正法自由端恒温法自动补偿法四、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？（10分）答：霍尔组件可测量磁场、电流、位移、角度、转速、压力、功率等。

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 恒流源供电的分流电阻法；b 热敏电阻法一、简答题（30分，6分/题）1、光电池的工作原理，指出它应工作在电流源还是电压源状态。