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《传感器与检测技术》试题及答案


《传感器与检测技术》试题 传感器与检测技术》 一、填空 填空: 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.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)=

N k (T ? T0 ) ln A + ∫ T0 (σ A ? σ B )d T 。在热电偶温度补偿中补偿导线法(即 T e NB

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.压电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。 6. 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) 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。 9.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的唵阻变化主要是由 _电阻应变效应 形成的, 而②的电阻变化主要是由 温度效应造成的。 半导体 材料传感器的灵敏度较大。 10.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 产生感应电傿的。而霍尔 式传感器为霍尔允件在磁场中有?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。 二.简答题 简答题 1、用镍铬-镍硅热电偶测量某但温箱温度,把热电偲直接与电位差计相连接 ? ?某时刻,从 电位差计测得热电势为-1.19lv,此时电位差? 所处的环境温度为 15?,试求该时刻温箱的温 度是多少度? 镍铬-镍硅热电偶分度表 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 测 量 端 温 (mv) 热 电 动 势 度℃ -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 +0 0.00 0.04 0.08 0.12 0.16 0.20 0.24 0.28 0.32 0.36 +10 0.40 0.44 0.48 0.52 0.56 0.60 0.64 0.68 0.72 0.76 +20 0.80 0.84 0.88 0.92 0.96 1.00 1.04 1.08 1.12 1.16 2 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皀大將,就可测得 温庤的大小。 3 以石英晶体为例简述压电效应产焟的原理。

答:石英晶体嘨沿一定的方向受到外力的作用变形时,由于内部电极化厰象同时在两个 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 电荷的极性銏着改变。 晶体受劙所产生的电荷量与外力的大小戀正比。 这种现象称为正压 电效应。反之,如对睳英晶体施加一? 勘电场,晶体本身将产生机械变形,外电场撤离,变 形也随之消失,称为逆压电效庐。 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? 良好的厚度变形同长度变形压甕效应。 4 简述电阻应变片式传感器的工?冟理 答:电阻应变片的工作原理是基于电阻嚔变效应,即在导?产生机械变幢时,它的电阹 值相应叐焛又化。 5、什么叫做热电?势、接触琵动?和温峮电动势?说明热电偶测温原理及兖工作定律的应 用。分析热由偶测温的误差因素,并说明减小误差的方法 筐:①炭电动势: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, 那么回路中就会存在热电势。 因而有电流产生相应的热电势称为温 差电势或塞贝克电势,通称热电势。 ②接触电? 势:接触由傿是由两种不同导体的自由电子,其密度不同而匨接触处形成 的热电势。它犄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。 。所谓热电效应,就 ④热电偶测温原理:烬电偶的测温原理基于物理的 热电效应” 是当?同材料的导体组成一 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,产焟的电动势就越大。引入适当的测 电路测量电动 势的大小,就可测得温庆的大小 ⑤热电偶三定律 a 中间导体定律 热电偶测温时,若在回路不插入中间导体,只要中间导体两端的温度相同,则对热电 偶回路总的热电势不产生影响。 在用热电偶测温时, 连接导皿及昶礲一起等均可看成中间? 体。 b 中间温度宒律 任何两种均匀材料组成的热电偶, 热端为 T, 冷端为 T0 时犄热电劷等于该热电偶热端 T 冷端为 Tn 时的热电势与同一热琵偶热端为 Tn ,冷端为 T0 时热电功的仃数? 。 应用:对热电偶冷端不为 0 C 时,可用中间温度定 ?加以修正。 热攵偶的长度丅够时,可根据中间温度定律选甠适当的补偿线路。 c 参考电极定律 墂果 A、B 两种导体(热电极)分别与第三种导体 C(参考电极 组成的热电偶在结 点温度为(T, T0 )时分别为 E AC (T , T0 ) , E BC (T , T0 ) ,那么爱相同温度下,又 A、B 两热 电极配对后的热电势为
0

E AB (T , T0 ) = E AC (T , T0 ) ? E BC (T , T0 )
实用价值:可大大简化热电偶的选配工作。在实际工作中,只要获得有关热电极与标 准铂电极配对的热电势, 那么由这两种热电极配对组成热电偶的热电势便可由上式求得, 而 不需逐个进行测定。 ⑥误差因素:参考端温度受周围环境的影响

措施:a 0 C 恒温法 b 计算修正法(冷端温度修正法)c 仪表机械零点调整法 d 热电偶补偿法 e 电桥补偿法 f 冷端延长线法 7、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?请详细推导分流法。 (10 分) 答:霍尔组件可测量磁场、电流、位移、压力、振动、转速等。 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 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

0

8.直流电桥和交流电桥有何区别?直流电桥的平衡条件是什么?应变片式电阻传感器、自感 式、互感式、涡流式、电容式、热电阻式传感器分别可采用哪种电桥作为测量电路? 答:根据电源不同分为直流和交流电桥。直流电桥优点:高稳定度直流电源容易获得, 电桥平衡电路简单, 传感器至测量仪表的连接导线分布参数影响小。 但是后续要采用直 流放大器,容易产生零点漂移,线路也较复杂。交流电桥在这些方面都有改进。直流电 桥平衡条件:R1/R2=R3/R4 ,R1R4=R2R3。 9.以自感式传感器为例说明差动式传感器可以提高灵敏度的原理。 解:

差动式灵敏度:

与单极式传感器灵敏度

比较

灵敏度提高一倍,非线性大大减少。 10.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: a) 热电式传感器:测量温度 b) 光纤传感器:测量光信号 c) 核辐射传感器:测量核辐射粒子 接触式测量: a) 电位器式压力传感器:测量压力 b) 应变片式电阻传感器:测量电阻值 c) 应变式扭矩传感器:测量扭矩 11.光电效应可分为哪三种类型,简单说明传感器的原理并分别列出以之为基础的光电传感 器。

答:光电效应可分为: a) 外光电效应:指在光的照射下,材料中的电子逸出表面的现象。光电管及光电 倍增管均属这一类。 它们的光电发射极, 即光明极就是用具有这种特性的材料 制造的。 b) 内光电效应:指在光的照射下,材料的电阻率发生改变的现象。光敏电阻即属 此类。 c) 光生伏特效应:利用光势垒效应,光势垒效应指在光的照射下,物体内部产生 一定方向的电势。光电池是基于光生伏特效应制成的,是自发电式有源器件。 d) 分析/证明题 三.分析 证明题 分析 1、 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。 2、 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 α t 及栅丝与试件膨胀系数 )

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 3、 用镍铬-镍硅热电偶测量炉温,其仪表示值为 600℃,而冷端温度 t0 为 65℃,则实际温 度为 665℃,对不对?为什么?应如何计算? 答:对。查表知镍铬-镍硅热电偶 K=1,T=Tz+KTn=600+1×65=665 4、 制作霍尔元件应采用什么材料, 为什么?为何霍尔元件都比较薄, 而且长宽比一般为 2 : 1 ? 答 : 制 作 霍 尔 元 件 应 采 用 半 导 体 材 料 。 如 果 磁 场 与 薄 片 法 线 有 α夹 角 , 那 么 UH=kHIBcosα,霍尔元件越薄(即 d 越小) H 就越大,所以一般霍尔元件都很薄。又因 ,k 为实际测量中 UH=(kHIB/d)×f(l/b) 当 l/b=2 时,f(l/b)=0.93 为最大值,这时 UH 也可取 到最大值,所以长宽比 l/b 一般为 2:1 5.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。 6.智能传感器只是将被测信号数字化,意义不大,你同意此观点否?分析说明你的理由。 答:不同意。智能传感器具有一定的人工智能,可使用电路代替一部分脑力劳动。 和微机的结合使智能传感器不仅有视嗅味和听觉功能,还具有存储,思维和逻辑判 断,数据处理,自适应能力等功能,从而使传感器技术提高到一个新水平。 四、计算题 计算题 1.已知 Rt 是 Pt100 铂电阻,且其测量温度为 T=50℃,试计算出 Rt 的值和 Ra 的值(10 分)

Rt = R 0 ( 1 + At + Bt 2 ) = 100 [ 1 + 3 . 940 × 10 = 119 . 55
?3

× 50 + ( ? 5 . 802 × 10 ? 7 ) × 50 2 ]

2.将一只灵敏度为 0.08mv/℃ 的热电偶与毫伏表相连,已知接线端温度为 50℃,毫伏表的输 出为 60 mv, 求热电偶热端的温度为多少?答: ?T =

60 + 50 = 2000 ℃ 0.08

3、 1)试证明热电偶的中间导体定律。 2) 将一只灵敏度为 0.08mv/℃ 的热电偶与毫伏表相连,已知接线端温度为 50℃,毫伏表 的输出为 60 mv, 求热电偶热端的温度为多少? 3) 热敏电阻的电阻-温度特性有什么不同? 答:1)证明: E ABC (T , T0 ) = E AB (T , T0 )
π π l l Q E ABC (T , T0 ) = E π (T ) + E BC (T0 ) + E CA (T0 ) ? E A (T , T0 ) + E B (T , T0 ) = E AB (T , T0 ) AB 60 + 50 = 2000 ℃ 2) ?T = 0.08

3)热敏电阻的电阻温度系数大,电阻与温度的关系近似于线性或为平滑曲线。 4、1)有一数字温度计,测量范围为 –50 ℃ ~150℃,精度 0.5 级, 求当示值分别为 -20℃,100℃时的绝对误差和示值相对误差。 2)欲测量 250 V 电压,要求测量示值相对误差不大于 ±0.5%, 问选用量程为 250 V 电压表,其精度为那一级? 若选用量程为 300 V 和 500 V 的电压表,其精度又分别为那一级? 3)已知待测电压为 400V 左右,现有两只电压表,一只 1.5 级,测量范围 0~500V; 另一只 0.5 级, 测量范围 0~1000V,问选用那只表测量较好?为什么? 答 : 1 ) 绝 对 误 差 为 : 150 × 0.5% = 0.75 ℃ -20 ℃ 时 相 对 误 差 为 :

δ=

0.75 ? 100% = 3.75% 20

100 ℃ 时 相 对 误 差 为 : δ =

0.75 ? 100% = 0.75% 100

250 × 0.5% = 1.25V ∴ 2) 绝对误差为:

1.25 = 0.005 即选用精度为 0.5 级的 250V 电压表。 250

1.25 1.25 = 0.004, = 0.0025 则量程为 300V 的应用精度为 0.4 级,量程为 500V 的精度为 300 500
0.25 级。 3)第一只绝对误差为 500 × 1.5% = 7.5V 相对误差为 差为 1000 × 0.5% = 5V 相对误差为

7 .5 × 100% = 1.875% 第二只绝对误 400

5 × 100% = 1.25% 所以应用第二只表。 400

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,ΔR 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 表示应变片应变后电阻值的变化量。 试证明:Ucd=-(E/2)(ΔR/R)。(15 分)
c R2 a R3 d R4 R1 b Ucd

E

证: R1 = R + ?R, R4 = R ? ?R

U cd = U cb ? U db =

R R 2 R ?R E? E=? 2 E R + ?R + R R ? ?R + R 4 R ? ?R 2 E ?R 略去 ?R 的第二项,即可得 U cd = ? ? 2 R


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