[0928]《传感器与测试技术》

[0928]《传感器与测试技术》

1、超声波传感器的波型有:(纵波)

2、属于传感器动态特性指标的是（固有频率）

3、下列被测物理量适合于使用红外传感器进行测量的是（温度）

4、利用相邻双臂桥检测的应变式传感器，为使其灵敏度高、非线性误差小（两个桥臂应当分别用应变量变化相反的工作应变片）

5、测量范围大的电容式位移传感器的类型为（容栅型）

6、按照工作原理分类，固体图象式传感器属于（光电式传感器）

7、在变压器式传感器中，一次侧和二次侧互感M的大小回路中磁阻成（不成比例）

8、在变压器式传感器中，一次侧和二次侧互感M的大小与二次侧线圈的匝数成（正比）

9、在变压器式传感器中，一次侧和二次侧互感M的大小与一次侧线圈的匝数成（反比）

10、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，（变面积型）是线性的关系

11、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（增大）

12、电容传感器的输入被测量与输出被测量间的关系，除（变极距型）外是线性的

13、将电阻R 和电容C 串联后再并联到继电器或电源开关两端所构成的RC吸收电路，其作用是（消除电火花干扰）

14、测量范围大的电容式位移传感器的类型为（容栅型）

15、属于传感器动态特性指标的是（固有频率）

16、在下列光电器件中，属于外光电效应的器件是（光电管）

17、导体或半导体材料在外界力的作用下产生机械变形时，其电阻值发生相应变化的现象，称（应变效应）

18、半导体应变片具有（灵敏度高）等优点

19、利用相邻双臂桥检测的应变式传感器，为使其灵敏度高、非线性误差小（两个桥臂应当分别用应变量变化相反的工作应变片）

20、结构型传感器是依靠传感器(结构参数)的变化实现信号变换的

21、常用于测量大位移的传感器有(感应同步器)

22、半导体应变片具有(灵敏度高)等优点

23、非线性度是表示校准曲线(偏离拟合直线)的程度

24、信号传输过程中，产生干扰的原因是(干扰的耦合通道)

25、常用于测量大位移的传感器有(感应同步器)

26、结构型传感器是依靠传感器(结构参数)的变化实现信号变换的

27、影响压电式加速度传感器低频响应能力的是（前置放大器的输入阻抗）

28、测量范围大的电容式位移传感器的类型为（容栅型）

29、属于传感器动态特性指标的是（固有频率）

30、利用相邻双臂桥检测的应变式传感器，为使其灵敏度高、非线性误差小（两个桥臂应当分别用应变量变化相反的工作应变片）

31、按照工作原理分类，固体图象式传感器属于（光电式传感器）

32、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（增大）

33、在变压器式传感器中，一次侧和二次侧互感M的大小与一次侧线圈的匝数成（A1正比，B1反比，C1不成比例），与二次侧线圈的匝数成（A2正比，B2反比，C2不成比例）选(A2正比)

34、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，（变面积型）是线性的关系。

35、导体或半导体材料在外界力的作用下产生机械变形时，其电阻值发生相应变化的现象，称（应变效应）

36、当半导体材料某一轴向受外力作用时，其电阻率发生变化的现象，称（压阻效应）

37、半导体应变片具有（灵敏度高）等优点。

38、下图是圆光栅莫尔条纹原理：答：用两片栅距相同的光栅，一片固定，称为：主光栅，一片可以滑动，称为：指示光栅，两者刻面相对，栅线之间成一定的夹角θ，这种结构就构成了圆形光栅副，其结构如下图所示：

(错)

39、下图表示的内容为传感器闭环系统的非线性补偿示意图。

（错）

40、直线式感应同步器的结构原理及示意图如下：

原理：

直线感应同步器的定尺和滑尺由基板、绝缘绕组三部分组成。滑尺绕组的外面包有一层与绕组绝缘的接地屏蔽层，基板采用导磁材料，绕组用电解铜箔腐蚀制成，绝缘材料一般选用酚醛玻璃环氧丝布和聚乙烯醇缩丁醛胶或用聚酰胺作固化剂的环氧树脂，屏蔽层用铝箔或铝膜制成。

结构如下图：

（对）

41、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。（错）

42、电阻应变片式传感器按制造材料可分为_金属___ 材料和____半导体_____体材料（错）

43、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。（对）

44、根据电容传感器的工作原理说明它的分类，电容传感器能够测量哪些物理参量？

答：原理：由物理学知，两个平行金属极板组成的电容器。如果不考虑其边缘效应，其电容为C=εS/σ，式中ε为两个极板间介质的介电常数，S为两个极板对有效面积，σ为两个极板间的距离。由此式知，改变电容C的方法有三：其一为改变介质的介电常数；其二为改变形成电容的有效面积；其三为改变各极板间的距离，便得到输出电参数为电容值的增量，这就组成了电容式传感器。类型：变极距型电容传感器、变面积型电容传感器、变介电常

数型电容传感器。电容传感器可用来测量直线位移、角位移、振动振幅。尤其适合测温、高频振动振幅、精密轴系回转精度、加速度等机械量。根本不可以用来测量压力、差压力、

液位、料面、粮食中的水分含量、非金属材料的涂层、油膜厚度、测量电介质的湿度、密度、厚度等。（对）

45、磁栅式传感器信号处理方法有哪些？

答：静态磁头的信号处理方法：鉴幅法和鉴相法。动态磁头的信号处理方法：记录周期函数的方法来计算。（对）

46、（1）压电式传感器与电压放大器连接的电路,其输出电压与压电元件的输出电压成正比，但容易受电缆电容的影响。

（2）压电式传感器与电荷放大器连接的电路,其输出电压与压电元件的输出电荷成正比，可是,电缆电容的影响小。（对）

47、把一导体（或半导体）两端通以控制电流I，在垂直方向施加磁场B，在另外两侧会产生一个与控制电流和磁场成比例的电动势，这种现象称霍尔效应，这个电动势称为霍尔电势。外加磁场使半导体（导体）的电阻值随磁场变化的现象成磁阻效应。（对）

48、回答与直线式感应同步器有关的下列问题：

（1）它由哪两个绕组组成？

答：由固定绕组和滑动绕组组成。

（2）鉴相式测量电路的作用是什么？

答：检测感应电动势的相位，从而根据相位确定位移量的大小和方向。（对）

49、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。

50、简述压磁式扭矩仪的工作原理。

答：压磁式扭矩仪的轴是强导磁材料。根据磁弹性效应，当轴受扭矩作用时，轴的磁导率发生变化，从而引起线圈感抗变化，通过测量电路即可确定被测扭矩大小。

51、6. 变气隙式自感传感器，当街铁移动靠近铁心时，铁心上的线圈电感量（①增加②减小③不变）（2分）

7. 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）

8. 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）

9. 电位器传器的（线性），假定电位器全长为X max, 其总电阻为R max，它的滑臂间的阻值可以用R x = （①X max/xR max,②x/X max R max,③X max/XR max ④X/X max R max）来计

算，其中电阻灵敏度R r=（① 2p(b+h)/A t, ② 2pAt/b+h, ③ 2A(b+b)/pt, ④ 2At p(b+h)）。答：6. 变气隙式自感传感器，当街铁移动靠近铁心时，铁心上的线圈电感量（①增加②减小③不变）（2分）

7. 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）

8. 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）

9. 电位器传器的（线性），假定电位器全长为X max, 其总电阻为R max，它的滑臂间的阻值可以用R x = （①X max/xR max,②x/X max R max,③X max/XR max ④X/X max R max）来计算，其中电阻灵敏度R r=（①2p(b+h)/A t, ②2pAt/b+h, ③2A(b+b)/pt, ④2At p(b+h)）。（4分）

52、把一导体（或半导体）两端通以控制电流I，在垂直方向施加磁场B，在

另外两侧会产生一个与控制电流和磁场成比例的电动势，这种现象称为___________________________________

，这个电动势称为__________________________________。外加磁场使半导体（导体）

53、在应变片的转换电路中，桥式转换电路输出电压最高的电路是：（四臂电桥电路，但是

55、光栅传感器中莫尔条纹的一个重要特性是具有位移放大作用。如果两个光栅距相等，

即W=0.02mm，其夹角θ=0.1°，则莫尔条纹的宽度B=（11.43㎜）(提示：θ值要用弧度计

算！)

56、电源不同分为直流和交流电桥，根据下图推导出直流电桥平衡条件是：（R1/R2=R3/R4 ，

R1R4=R2R3 ）

57、霍尔元件灵敏度的物理意义是（表示在单位磁感应强度相应的单位控制电流时的霍尔电势的大小。）。

58、第三类是利用在光线作用下_________________________________________现象，

即_____________________________效应，_____________________ 传感器属于这一类。答：第三类是利用在光线作用下光电材料的光势垒现象，即_光生伏特_____，光敏二极管及光敏三极管、光电池_ 传感器属于这一类。

59、相对误差定义及其表达式：其定义是：_________________________________；

其表达式为：__________________________或____________________________

答：相对误差定义及其表达式：其定义是：相对误差是绝对误差在真值中所占的比率,一般用百分率；

其表达式为：。

60、绝对误差是指实际测量值与被测量的真值之差的绝对值。

61、传感器由哪几部分组成的(敏感元件、转换元件和转换电路组成)

62、1. 测量系统的静态特性指标主要有

2. 霍尔元件灵敏度的物理意义是

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类元件有；第三类是利用在光线作用下这类元件有

4.热电偶所产生的热电动势是电动势和电动势组成的，其表达式为E ab（T，T o= 。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，它的作用是

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（2分），这种现象称为（2分）。相反，某些铁磁物质在外界磁场的作

用下会产（2分），这种现象称为（2分）

答：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。（4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。（4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（4分），这类元件有光敏电阻（2分）；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（4分），这类元件有光电池、光电仪表（2分）。

4.热电偶所产生的热电动势是两种导体的接触（2分）电动势和单一导体的温差（2分）电动势

组成的，其表达式为E ab（T，T o）=（2分）。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（2分），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（4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，从而引起极化现象（2分），这种现象称为正压电效应（2分）。相反，某些铁磁物质在外界磁场的作用下会产生机械变形（2分），这种现象称为负压电效应（2分）。

63、4. 传感器是__________________________________（4分），传感器通常由直接响应于被测量的______ （2分）和产生可用信号输出的______ 以及相应的_____（2分）组成。

5. 热电偶所产生的热电动势是由___（2分）电动势和___

（2分）电动势组成。

6. 偏差式测量是指在____________________________（5分）的方法；零位测量是

指 _______________________________（5分）的方法；微差式测量

是____________________________（5分）的方法。

答：4. 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（4分），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（2分）以及相应的信号调节转换电路（2分）组成。

5. 热电偶所产生的热电动势是由两种导体的接触（2分）电动势和单一导体的温差（2分）电动势组成。

6. 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（5分）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（5分）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（5分）的方法。

64、二、什么是系统误差（8分）？产生系统误差的原因是什么（10分）？如何发现系统

误差（10分）？减少系统误差有哪几种方法（10分）？（38分）

答：什么是系统误差：当我们对同一物理量进行多次重复测量时，如果误差按照一定的规律性出现，则把这种误差称为系统误差。（8分）

系统误差出现的原因有：

①工具误差：指由于测量仪表或仪表组成组件本身不完善所引起的误差。

②方法误差：指由于对测量方法研究不够而引起的误差。

③定义误差：是由于对被测量的定义不够明确而形成的误差。

④理论误差：是由于测量理论本身不够完善而只能进行近似的测量所引起的误差。

⑤环境误差：是由于测量仪表工作的环境（温度、气压、湿度等）不是仪表校验时的标准状态，而是随时间在变化，从而引起的误差。

⑥安装误差：是由于测量仪表的安装或放置不正确所引起的误差。

⑦个人误差：是指由于测量者本人不良习惯或操作不熟练所引起的误差。（10分）

发现系统误差的方法有：

①实验对比法：这种方法是通过改变产生系统误差的条件从而进行不同条件的测量，以发现系统误差。这种方法适用于发现不变的系统误差。

②剩余误差观察法：是根据测量数据的各个剩余误差大小和符号的变化规律，直接由误差数据或误差曲线图形来判断有无系统误差。这种方法适用于发现有规律变化的系统误差。

③计算数据比较法：对同一量测量得到多组数据，通过计算比较数据比较，判断是否满足偶然误差条件，以发现系统误差。

（10分）

减小系统误差的方法：

①引入更正值法

②替换法

③差值法

④正负误差相消法

⑤选择最佳测量方案（10分）

65、二、简答题：（50分）

1. 简述霍尔电动势产生的原理。（6分）

2. 简述热电偶的工作原理。（6分）

3. 以石英晶体为例简术压电效应产生的原理。（6分）

4. 简述电阻应变片式传感器的工作原理（6分）

5. 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性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。（10分）

6. 绘图并说明在使用传感器进行测量时，相对真值、测量值、测量误差、传感器输入、输出特性的概念以及它们之间的关系。（10分）

7. 如图所示，R t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。（6分）

二、简答题：（50分）

1. 简述霍尔电动势产生的原理。（6分）

答：一块长为l、宽为d的半导体薄片置于磁感应强度为磁场（磁场方向垂直于薄片）中，当有电流I流过时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势U h。这种现象称为霍尔效应，也是霍尔电动势的产生原理。

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。

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。

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。

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. 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性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。（10分）

答：传感器的动态特性是指当输入量随时间变化时传感器的输入━输出特性。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。

在时域条件下只研究静态特性就能够满足通常的需要，而在频域条件下一般要研究传感器的动态特性。

6. 绘图并说明在使用传感器进行测量时，相对真值、测量值、测量误差、传感器输入、输出特性的概念以及它们之间的关系。（10分）

答：框图如下：测量值是通过直接或间接通过仪表测量出来的数值。

测量误差是指测量结果的测量值与被测量的真实值之间的差值。

当测量误差很小时，可以忽略，此时测量值可称为相对真值。

三、下面是热电阻测量电路，试说明电路工作原理并计算（12分）

1. 已知R t 是Pt100铂电阻，且Ω=100

R 0t ,其测量温度为T =50℃，试计算出R t 的值和R a 的值,其中（R 1=10k Ω，R 2=5k Ω，R 3=10k Ω，E =5V ）（6分）

2. 电路中已知R 1、R 2、R 3和E ，试计算电桥的输出电压U AB 。（6分）

此时（R 1=R 2=R 3=5k ， E =5V ）

答：

1.该热电阻测量温度电路由热敏电阻、测量电阻和显示仪表组成。图中G 为指示仪表，R 1、R 2、R 3为固定电阻，R a 为零位调节电阻。热电

阻都通过电阻分别为r 2、r 3、R g 的三个导线和电桥连接，r 2和r 3分别接在相邻的两臂，当温度变化时，只要它们的R g 分别接在指示仪表和

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K =+=5R 0a 4t R R

则，K =Ω-K =-=9.41005R 04a t R R ,电阻在参考温度（如0?C ）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。

当T =50℃时

Ω

=Ω??-+??+=++=--55.119]50)10802.5(5010940.31[100)

1(27320Bt At R Rt 2. 根据题意此时，

K =Ω-K =-=88045.455.1195R 4a t R R 此时，0U A B = 动态测量时，E R 4R U 0

t AB ?≈，期中K 5R R R R R 43210===== 二、简答题：（6分）

1. 如图所示，R t 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。（6分）

答：该热电阻测量温度电路由热敏电阻、测量电阻和显示仪表组成。图中G为指示仪表，R1、R2、R3为固定电阻，R a为零位调节电阻。热电阻都通过电阻分别为r2、r3、R g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R g分别接在指示仪表和电源的回路中，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=R a+R t0为电阻在参考温度（如0 C）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。

三、分析、计算题：（15分）

1. 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R L 带来的负载误差（10分），并计算它与位移x之间的关系（5分）。（15分）

答：

（1）负载电阻R L带来的负载误差：如果负载电阻R L上没有分流，则，且单位长度上的电阻值是常数，则R L的大小与x成正比，

即：X R l

R max L =，但是一般情况下负载电阻R L 上都有电流，而此时的电流大小为：2x

m x m L x L R R R R R R I -+=，此时如果负载电阻R L 上没有分流，必须是：∞→L R ，所以负载电阻的接入必然给输出电压0U 带来误差。（10分）

（2）（线性）电位器式传感器中，负载电阻R L 与位移x 之间的关系为：

X R l

R max L =（5分）