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传感器与检测技术试题及其答案12


传感器与检测技术 试题答案 班级 学号 姓名 成绩

一、 1) 压电式传感器的前置放大器的作用是什么?电压式与电荷式前置放大器各有何 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。 电荷放大器是一种具有深度电容负反馈的高增益运算放大器,其虽然允 许使用很长的电缆, 并且电容 Ce 变化不影响灵敏度, 但它比电压放大器价格 高,电路较复杂,调整也比较困难。 2) 用石英晶体加速度计测量机器的振动,已知加速度计的灵敏度为 5 PC/g(g 为重 力加速度) ,电荷放大器的灵敏度为 50 mv/PC,当机器振动达到最大加速度时, 相应的输出幅值为 2V,求机器的振动加速度。 (1PC=10-12 库仑) 2V 答: = 40 PC 50mv / PC
a= 40 PC = 8 g = 88.2m / s 2 5 PC / g

3) 图示电荷放大器中 Ca=100 PF,Ra=∞,RF= ∞,CF=10 PF。若考虑引线电容 CC 影响,当 A0=104 时,要求输出信号衰减小于 1%,求使用 90 PF/m 的电缆,其最 大允许长度为多少?

答: δ r =

C a + CC < 1% C a + C C + (1 + A0 )C F
9.09 × 10 ?10 = 10.1m 90 × 10 ?12

解得 C C = 9.09 × 10 ?10 F

∴L =

1

二、什么是金属应变片的灵敏系数?请解释它与金属丝灵敏系数的区别。 答: 应变片一般做成丝栅状,测量应变时,将应变片贴在试件表面上,试件的 变形很容易传到应变片上。金属应变片的灵敏系数与金属丝灵敏系数是不同的。第 一,零件的变形是通过剪力传到金属丝上的。第二,丝沿长度方向承受应变时,应 变片弯角部分也承受应变,其截面积变大,则应变片直线部分电阻增加时,弯角部 分的电阻值减少,也使变化的灵敏度下降。因此,应变片的灵敏系数比金属丝灵敏 系数低。 三、光纤传感器的主要优点是什么?求 n1=1.46,n2=1.45 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。
2 NA = (n12 ? n 2 ) 1 2

= (1.46 2 ? 1.45 2 )

1

2

= 0.17

NA = n0 sin θ c , ∴ sin θ c = NA = 0.17,∴ θ C = 9.82 ° 四、什么是传感器的可靠性?可靠性设计程序和原则是什么? 答:传感器的可靠性是指传感器在规定条件、规定时间,完成规定功能的能力。 可靠性设计原则: ①尽量简单、组件少、结构简单 ②工艺简单 ③使用简单 ④维修简单 ⑤技术上成熟 ⑥选用合乎标准的原材料和组件 ⑦采用保守的设计方案 五、产生系统误差的原因有哪些?减少系统误差的方法有哪些? 答: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。
2

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。 六、用温度传感器对某温度进行 12 次等精度测量,获得测量数据如下(单位℃) 20.46、20.52、20.50、20.52、20.48、20.47、 20.50、20.49、20.47、20.49、20.51、20.51 要求对测量数据进行加工整理,并写出最后结果(取置信系数为 2) 。 答: x = 20.49

δ = 0.02

x = x ± 3δ = 20.43 ~ 20.55
七、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? 某霍尔元件 l ×b ×d 为 1.0× 0.35 ×0.1 cm3, 当方向通以电流 I=1.0 mA, 在 3) 垂直 lb 方向加有均匀磁场 B=0.3T, 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 Q U H = IB ∴ p = IB = 2.84 × 10 20 ped U H ed 八、 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 ) AB

= E AB (T , T0 ) 2) ?T =
60 + 50 = 2000 ℃ 0.08

3

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。 九、下图为变极距型平板电容电容传感器的一种测量电路,其中 CX 为传感器电容, C 为固定电容,假设运放增益 A=∞,输入阻抗 Z=∞;试推导输出电压 U0 与极板间 距的关系,并分析其工作特点。

十、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 ℃ 0.75 -20℃时相对误差为: δ = ? 100% = 3.75% 20 0.75 100℃时相对误差为: δ = ? 100% = 0.75% 100 1.25 2)绝对误差为: 250 × 0.5% = 1.25V ∴ = 0.005 250 即选用精度为 0.5 级的 250V 电压表。 1.25 1.25 = 0.004, = 0.0025 300 500 则量程为 300V 的应用精度为 0.4 级,量程为 500V 的精度为 0.25 级。 7 .5 3)第一只绝对误差为 500 × 1.5% = 7.5V 相对误差为 × 100% = 1.875% 400
4

第二只绝对误差为 1000 × 0.5% = 5V 相对误差为 所以应用第二只表。

5 × 100% = 1.25% 400

十一、推导差动自感式传感器的灵敏度,并与单极式相比较。

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