传感器与检测技术试卷试题包括答案.doc
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相单位控制电流时的霍尔电势大小。
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。
4、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，从而引起极化现象，这种现
象称为正压电效应。相反，某些铁磁物质在外界磁场的作用下会产生机械变形，这种现象称为负压电效应。
5、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）
6、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
7、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。
8、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）。
9、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。
10、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）。
11、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。
12、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。
13、 . 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。
14、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
15、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）
简答题
1、以石英晶体为例简述压电效应产生的原理。
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。
石英晶体整个晶体是中性的，受外力作用而变形时，没有体积变形压电效应，但它具有良好的厚度变形和长度变形压电效应。2、简述电阻应变片式传感器的工作原理
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。
3、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基本特性，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
4、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U H。
5、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。
答：在外界温度变化的条件下，由于敏感栅温度系数t 及栅丝与试件膨胀系数（g 与s）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。
6、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。
7、霍尔元件能够测量哪些物理参数？温度补偿的方法有哪几种？请详细推导分流法。
答：霍尔组件可测量磁场、电流、位移、压力、振动、转速等。
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
8、传感器的频率响应特性，必须在所测信号频率范围内，保持不失真测量条件。
9、在电阻应变片公式，dR/R=(1+2μ) ε+λEε中，λ 代表材料压阻系数。
10、当磁头相对于磁尺不动时，仍有感应电动势输出的是静态磁头，且输出电势的幅值由磁头所处的位置_所决定。
11、差动电桥由环境温度变化引起的误差为0。
12、非线性度是表示校准曲线偏离拟合直线的程度。
13、半导体应变片具有灵敏度高等优点。
14、将电阻应变片贴在弹性元件上，就可以分别做成测力、位移、加速度等参数的传感器。
一、简答题
1、从传感器的静态特性和动态特性考虑，详述如何选用传感器。
答：考虑传感器的静态特性的主要指标，选用线性度大、迟滞小、重复性好、分辨力强、稳定性高、抗干扰稳定性高的传感器。考虑动态特性，所选的传感器应能很好的追随输入量的快速变化，即具有很短的暂态响应时间或者应具有
很宽的频率响应特性。
2、在静态测量中，根据测量系统输入量与对应输出值所绘制的定度曲线可以确定那些静态特性?
答：在静态测量中，根据绘制的定度曲线，可以确定测量系统的三个静态特性：灵敏度，非线性度，回程误差。
3、简述应变片在弹性元件上的布置原则，及哪几种电桥接法具有温度补偿作用。
答：布置原则有：(1) 贴在应变最敏感部位，使其灵敏度最佳；
(2)在复合载荷下测量，能消除相互干扰；
(3)考虑温度补偿作用；
单臂电桥无温度补偿作用，差动和全桥方式具有温度补偿作用
4、涡流式传感器测量位移与其它位移传感器比较，其主要优点是什么?涡流传感器能否测量大位移量 ?为什么 ?
答：优点：能实现非接触测量，结构简单，不怕油等介质污染。
涡流传感器不能测量大位移量，只有当测量范围较小时，才能保证一定的线性度。
5、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，通常由敏感元件和转换元件组成。
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。
组成框图：自动控制系统原理框图：
传感器的作用：感受被测
量并转换成可用输出信号被测量传送给控制对象。
敏感元件
传感元件信号调节转换电路
e
给定 +
辅助电源
﹣
6、光电效应可分为哪三种类型。
答：光电效应可分为：外光电效应，内光电效应，光生伏特效应。
7、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。
8、压电式传感器的前置放大器的作用是什么？电压式放大器有何特点？
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。
9、压电式传感器更适用于静态测量，此观点是否正确，分析原因。
答：不正确。其工作原理是基于压电材料的压电效应，具有使用频率宽，灵敏度高、信噪比高、结构简单、工作可靠、测量范围广等优点，因此在压力冲击和震动等动态参数测试中是主要的传感器品种，它可以把加速度、位移、压
力、温度、湿度等许多非电量转换为电量。
10、为什么要对应变片式电阻传感器进行温度补偿，分析说明该类型传感器温度误差补偿方法。
答：①在外界温度变化的条件下，由于敏感栅温度系数
t 及栅丝与试件膨胀系数（g 与s）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。
②方法：自补偿法 线路补偿法
11、 温度对光电流影响不大，所以光电传感器在使用中不需要进行温度补偿，此观点正确否，为什么？
答：不正确。因为半导体材料容易受温度影响，而其直接影响光电流的值，所以还需要温度补偿装置。
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，
R=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 ）(
R/R) 。
证明： R
R
R R
R
R
1 4
R
R
2R R
c
U cd U cb
U db
E
E
2
E
R
2
R 1
R R R R
4R 2
R a
b U cd
R
R
R 的二次项 , 即可得
U cd
E R
R 3
R 4
略去
d
2
R
2、设 7 次测量某物体的长度，其测量的结果分别为：
15
厘米，若忽略粗大误差和系统误差，试求在
%的置信
E
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
x 9.8 10 10.1 9.9 10.3 10.1 10.03
，
6
n
p 1
9.8 10.03
0.23, p 2
0.03, p 3
0.07, p 4
0.13, p 5
0.27, p 6
0.07
5 i p i ，
1 0.18
4 n
1
2
则最小估计区间 x x 3 10.03
3 0.18 9.49 ~ 10.57
。
3、光纤传感器的主要优点是什么？求 n1=，n2=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。
(n 12 n 22 ) 1 (1.462 1
NA 2
1.452 ) 2
0.17
NA n 0 sin
c
, sin c NA 0.17,
C 9.82 °
4、（ 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× × cm 3 , 当方向通以电流 I= mA, 在垂直 lb 方向加有均匀磁场 B=, 传感器的灵敏系
数为 22 V/A T, 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） U H
k H IB 0.0066V
U H IB
p IB
U H ed 2.84 1020
ped
5、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， R 表示应变片发生应变后， 电阻值的变化量。 当应变片不受力， 无应变时 R=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 表示应变片应变后电阻值的变化量。试证明： Ucd=-(E/2)( R/R) 。
c
R 2
R 1
a
b
U cd
R 3
R 4
d
E
证： R 1
R R, R 4
R R
U cd
U
cb
U
db
R E
R 2R R E
R
E
2
2
R
RR R R 4R
R
E R 略去
R
的第二项，即可得
U cd
R
2
一、测得某检测装置的一组输入输出数据如下：
X
y
试用最小二乘法拟合直线，求其线性度和灵敏度
y
kx b, i y i (kx i b) 答：
n x i y i
x i
y i
( x i
2
y i
x i
x i y i )
k
, b
n x i 2 (
2
n x i 2
( 2
x i )
x i )
带入数据得： k= b=
y
0.67 x 0.25
1
0.238, 2
0.35, 3
0.16, 4
0.11,
5
0.126,
6
0.914
L
L
max
100% 0.35
7%
y
FS
5
, 线性度 ± 7%
拟合直线灵敏度