《传感器与检测技术》练习题.docx
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《传感器与检测技术》练习题
一、填空题
1、传感器的一般定义：
“能把外界非电信息转换成电信号输出的器件或装置”或“能把非电量转换成电量的器件或装置”。
2、标准误差的估算一般采用称贝塞尔公式， 此公式为：
。
3、根据测量误差的性质及产生的原因，可分为三类：
系统误差、
随机误差与粗大误差。
4、传感器（变送器）输出的标准信号，即国际电工委员会确定为过程控制系统电模拟信号的统一标准是：
4-20mADC的直流电流信号和1~5VDC的直流电压信号。
5、对某一量进行一系列等精度测量，一般以全部测得值的算术平均值作为最后测量结果。
算术平均值的计算公式为：
6、随机误差分布的特点是：
（1）对称性、
（2）抵偿性、（3）单峰性、（4）有界性。
7、修正值与误差值大小相等符号相反。
8、测量误差有以下三的表示方法：
绝对误差、相对误差和引用误差。
9、在测量中作为测量对象的特定量，也就是需要确定量值的量，称为被测量。
10、从技术的层面看，检测技术研究的主要内容是测量原理、测量方法、
测量系统和数据处理四个方面。
11、在电阻应变片的桥式测量电路中，全桥电路的灵敏度是单臂电桥电路的4倍
12、半导体材料受到应力作用时，其电阻率会发生变化，这种现象称为压阻效应。
13、电感式传感器可分为：
自感式传感器、互感式传感器和电涡流式传感器三类
14、单一式变气隙型自感式传感器的输入——输出特性可表示为：
P54。
15、差动式变气隙型自感式传感器的输入——输出特性可表示为：
P55。
16、电容式传感器的等效电路如图：
其中RP为并联损耗电阻，RS为引线电阻，L为电容器本身的电感与外部引线电感。
17、自感式传感器的等效电路如图：
其中RS为总的等效损耗电阻，C为电容，
L为自感线圈自身的纯电感。
18、如图能产生压电效应的石英晶体切片，
纵向轴z称为光轴，
垂直于光轴的x轴称为电轴，
与z轴和x轴同时垂直的y轴称为机械轴。
19、能产生压电效应的石英晶体切片沿X轴方向施加作用力，晶体表面产生电荷，这种压电效应称为纵向压电效应。
20、能产生压电效应的石英晶体切片沿Y轴方向施加作用力，晶体表面产生电荷，这种压电效应称为横向压电效应。
21、压电元件采用并联的连接方式，其电容是单片电容的2倍，其电荷量是单片电荷量的2倍，其电压与单片电压相等。
22、光敏电阻在不受光照射的电阻值称为暗电阻，此时流过的电流称为暗电流。
23、光敏电阻在受光照射的电阻值称为亮电阻，此时流过的电流称为亮电流。
24、由于光照射时光敏三极管产生的光电流相当于三极管的基极电流，所以集电极电流是光电流的β倍。
因此光敏三极管比光敏二极管的灵敏度高。
25、光栅测量系统包括三大部分：
光栅光学系统、实现细分、辨向和显示等功能的电子系统、相应的机械结构。
26、若热电偶两电极材料相同，则所产生的热电势为0。
27、若热电偶两接点温度相同，则所产生的热电势为0。
28、500C=1220F=323.15K
29、过程控制系统包括：
控制器、执行器、被控过程和测量变送四个基本部分。
30、频率高于20KHZ的声波称为超声波，频率低于20HZ的声波称为次声波。
31、光敏二极管在电路中处于反向工作状态。
32、把置信区间和置信概率两者结合起来称之为随机变量的置信度，即在置信区间内随机变量取值的概率。
33、在置信区间外随机变量取值的概率称为置信概率。
34、置信区间为2倍的标准误差的宽度，即
时，置信概率为2/3。
35、按测量手段分类，测量方法可分为三类：
直接测量、间接测量
和联立测量。
36、现代信息技术的三大支柱技术是：
传感器技术、通信技术
和计算机技术。
二、单项选择题
1、实验与理论证明：
热电偶回路的总热电势主要是（B）。
A温差电势B接触电势
C感应电势D霍尔电势
2、莫尔条纹的移动量、移动方向与光栅尺的位移量、位移方向具有（A）。
A对应关系B何不关联的关系
C指数规律关系D反比例关系
3、对于不同的被测量以及不同的物理量，要评定其测量精度的高低，应采用
（B）来评定较为确切。
A绝对误差B相对误差
C引用误差D系统误差
4、在电阻应变片的桥式测量电路中，要提高灵敏度应采用（C）
A单臂电桥电路B双臂电桥（半桥）电路
C全桥电路D只要是电桥电路都可以
5、电感式传感器的测量电路中，带相敏整流的交流电桥与变压器电桥相比较，其优点是：
（D）
A误差较小B精度较高
C比较方便D既能判别位移的大小又能判别位移的方向
6、电涡流式传感器的优点是（C）。
A误差较小B精度较高
C可实现非接触式测量D可提高分辨率
7、如图的电容式传感器二极管环形电桥测量电路，其激励信号（输入信号）与输出信号分别是（C）
A直流电压、直流电压
B工频交流电压、直流电压
C数百KHZ的交流电压、直流电压
D交流电压、交流电压
8、使用两个压电元件，要提高其输出电压，应采用的连接方式是（B）
A并联连接B串联连接
C反向并联D串、并联连接都可以
9、在热电偶回路中，若中间导体两端的两端温度相同，那么接入中间导体后，热电偶回路的总热电势（A）。
A不变B减小
C增大D无法预料
10、如图的反射式光电传感器测转速的实验装置示意图，调制盘上有4个反射点，若频率计显示的频率为200HZ，则调制盘的转速为（）
A100转/分B200转/分
C3000转/分D1800转/分
11、如图的AD590基本测温电路，当温度为770C时AD590的输出电流为350μA若电位器调节至50Ω，则输出电压为（）
A300毫伏B0.3伏
C35伏D0.35伏
12、与热电偶的热电势有关的因素是：
（D）。
A热电偶的材料有关，接点温度无关
B热电偶的材料无关，接点温度有关
C热电偶的材料无关，接点温度无关
D热电偶的材料有关，接点温度也有关
13、构成热电偶必须用（A）
A两种性质不同的导体B电子—空穴对浓度大的半导体
C纯净的半导体D电阻率小的金属
14、用来表示检测仪器精度等级（准确度等级）的是（C）。
A绝对误差B相对误差
C标准偏差D引用误差
15、光栅移动一个栅距，莫尔条纹的光强变化规律也经历了一个周期，为一近似的（C）。
A指数规律B正比例规律
C正弦规律D反比例规律
三、简答题
1、画出非电量检测系统的组成框图，并简要说明各部分的功能。
P4
2、什么是传感器？
传感器由哪几部分组成？
P26
传感器是将外界信息按一定规律转换成电量的装置。
由敏感元件、转换元件和测量电路三部分组成。
3、传感器的静态特性是什么？
试列举描述传感器静态特性的三个指标（参数），并详细说明其含义。
P28~30
静态特性表示测量仪表在被测物理量处于稳定状态时的输入—输出特性。
线性度：
表征传感器输出-输入校准曲线与所选定的拟合直线之间的吻合（或偏离）程度的指标。
灵敏度：
传感器输出量增量与被测输入量增量之比。
分辨力：
传感器在规定测量范围内所能检测出的被测输入量的最小变化量。
4、电阻式传感器是如何定义的？
试列举一种电阻式传感器的测量电路（画出电路图，并说明其工作原理）。
电阻式传感器的基本原理是将被测的非电量转换成电阻值，通过测量此电阻值达到测量非电量的目的。
电位器式传感器。
P35~36
5、常用的温度单位（温标）有哪些？
请详细说明。
P118~119
经验温标：
根据某些物质的体积膨胀与温度的关系，用实验方法或经验公式确定的温标。
又分为华氏温标（T）和摄氏温标（t），它们的关系为T=1.8t+32。
热力学温标：
是一种理想而不能真正实现的温标，它是国际单位制中7个基本物理单位之一，用符号T表示，单位是开（K），它与摄氏温度的关系为t=T-273.15。
绝对气体温标：
从理想气体状态方程入手，复现的热力学温标称为绝对气体温标。
由波义耳定律有PV=RT，一定质量的气体压强（P）该气体的体积（V）普适常数（R）热力学温度（T），当气体的体积为恒定时，其压强就是温度的单值函数，即有T2/T1=P2/P1=nR/V。
国际温标：
国际温标是一个国际协议温标，选择了一些纯物质的平衡态温度作为温标的基准点，规定了不同温度范围内的标准仪器，建立了标准仪器的示值与国际温标关系的补插公式，应用这些公式可以求出任何两个相邻基准点温度之间的温度值。
6、什么是测量误差？
误差的表示方法有几种？
误差如何分类？
P9~12
由于在检测过程中使用的工具本身的准确性有高低之分，检测环境等因素发生变化也会影响测量结果的准确性，使得从检测仪表获得的被测值与被测变量真实值之间会存在一定的差距，这一差距称为测量误差。
表示方法有三种：
绝对误差、相对误差、引用误差。
根据测量误差的性质及产生原因，测量误差可分为三种：
随机误差、系统误差、粗大误差。
7、简述随机误差的数值特征，并说明这些数值特征的意义。
P14~15
用于描述随机误差分布特征的数值叫做随机误差的数值特征，随机误差的数值特征主要有两个：
算术平均值和标准差。
算术平均值通常是随机误差的分布中心，可以作为等精度多次测量的结果；标准差则是分散性指标，可以描述测量数据和测量结果的精度。
8、简述热电偶工作原理。
P120
热电偶工作原理：
两种不同成份的导体（称为热电偶丝材或热电极）两端接合成回路，当接合点的温度不同时，在回路中就会产生电动势，这种现象称为热电效应，而这种电动势称为热电势。
热电偶就是利用这种原理进行温度测量的，其中，直接用作测量介质温度的一端叫做工作端（也称为测量端），另一端叫做冷端（也称为补偿端）；冷端与显示仪表或配套仪表连接，显示仪表会指出热电偶所产生的热电势。
热电偶实际上是一种能量转换器，它将热能转换为电能，用所产生的热电势测量温度。
9、简述热电偶三个基本定律：
均质导体定律、中间导体定律、标准电极定律。
P123~124
均质导体定律：
由同一种均质导体（或半导体）组合的闭合回路，不论导体（或半导体）的截面和长度如何以及各处的温度如何，都不能产生电动势。
中间导体定律：
在热电偶回路中接入中间导体（第三导体），只要中间导体两端温度相同，中间导体的引入对热电偶回路总电势没有影响。
标准电极定律：
如果将导体C（热电极，一般为纯铂丝）作为标准电极，并已知标准电极与任意导体配对时的热电势，那么在相同结点温度（T,T0）下，任意两导体A、B组成的热电偶，其热电势可由下式求得：
EAB（T,T0）=EAC（T,T0）+ECB（T,T0）。
10、简述电涡流式传感器的工作原理。
P67~68
11、名词解释：
（1）压电效应：
（P88）某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷。
当外力去掉后，它又会恢复到不带电的状态，这种现象称为正压电效应。
当作用力的方向改变时，电荷的极性也随之改变。
相反，当在电介质的极化方向上施加电场，这些电介质也会发生变形，电场去掉后，电介质的变形随之消失，这种现象称为逆压电效应。
（2）霍尔效应:
（P106）若在半导体薄片的两端通过控制电流I，并在薄片的垂直方向上施加磁感应强度为B的磁场，那么，在垂直于电流和磁场方向上（即霍尔输出端之间）将产生电动势UH（霍尔电动势或称霍尔电压），这种现象称为霍尔效应。
（3）电涡流效应：
根据法拉第电磁感应定律，金属导体置于变化的磁场中时，导体的表面就会有感应电流产生。
电流的流线在金属体内自行闭合，这种由电磁感应原理产生的漩涡状感应电流称为电涡流，这种现象称为电涡流效应。
（4）热电效应：
（P120）两种不同材料的导体或半导体A、B串接成一个闭合回路，并使结点1和2处于不同的温度T、T0,那么回路中会存在热电势EAB（T,T0）,因而就有电流产生，这一现象称为热电效应。
（5）热阻效应：
某些金属化合物在温度上升时，电阻呈有规律的上升或者下降，这一现象称为热阻效应。
四、分析计算题
1、如图为应变传感器实验模板，其中R1、R2、R3、R4为应变电阻。
①将实验模板按全桥测量电路连接，在模板上画出连接的线路图。
②说明数据放大器的调零方法。
将放大器的两输入端口引线暂时脱开，再用导线将两输入端短接（Vi=0）；调节Rw3大约到中间位置（先逆时针旋到底，再顺时针旋转两圈）；将主机箱电压表的量程切换开关打到2V档，合上主机箱电源开关；调节Rw4，使电压表显示为零。
③电位器RW3在电路中的作用是什么？
调节放大器的增益。
2、分析电路
（1）如图为电容式传感器的等效电路，说明RP、RS、L所代表的具体含义。
P78
Rp为并联损耗电阻，它代表机板间的泄漏电阻和机板间的介质损耗。
这部分损耗的影响通常在低频时较大，随着频率增高，容抗减小，它的影响也就减弱了。
Rs代表引线电阻，电容器支架和机板的电阻在几兆赫以下频率工作时，这个值通常是极小的，随着频率的增高而产生趋肤效应，它的值也增大，因此只有在很高的工作频率时才要加以考虑。
L是电容器本身的电感与外部引线电感，它与电容器的结构形式和引线长度有关。
（2）如图为电容式传感器的一种测量电路，说明电路原理，列式表示输出电压与输入电压的关系。
P73、P79
（3）如图为电感式传感器的等效电路，
说明RS、L、C所代表的具体含义。
P58
Rs为总的等效损耗电阻。
L为线圈的自感。
C为并联寄生电容。
（4）如图变压器电桥电路，当负载电阻为无穷大时，输出电压表达式如何？
P59
当衔铁在中间时，输出电压如何？
，衔铁上下移动时，输出电压又如何？
（5）分析如图电阻式传感器桥式测量电路的工作原理。
P47
（6）分析如图带相敏整流的交流电桥的工作原理。
初始平衡位置时：
当差动式传感器的活动铁心处于中间位置时，传感器两个差动线圈的阻抗Z1=Z2=Z0，无论在交流电源的正半周还是负半周，电桥均处于平衡状态，桥段没有电压输出，即U0=0.
活动铁心向一边移动时：
传感器两个差动线圈的阻抗发生变化，无论在交流电源的正半周还是负半周，电桥输出电压U0均为正值。
活动铁心向相反方向移动时：
无论在Ui的正半周还是负半周，电桥输出电压均为负值
（7）分析如图差动脉冲调宽电路的工作原理。
P80~81
（8）分析如图差动整流电路的工作原理。
铁心上下移动可以改变上下线圈的绕组数，通过互感产生的感应绕组电动势也会随之改变；在绕组电动势的作用下电桥导通，给电桥中电容充电；当上线圈绕组电动势大于下线圈绕组电动势时，U21-U22为电压表的读数，反之亦然；相等时，电压表读数为零。
3、差动变压器的性能实验中测量记录的数据如下表：
表-2差动变压器位移ΔX值与输出电压V数据记录表
X（mm）
-4
-3
-2
-1
0
+1
+2
+3
+4
V（mv）
420
310
209
106
0
105
207
315
428
①根据表-2计算差动变压器的灵敏度S.
Ｓ＝ΔＶ／ΔＸ=（428-420）/（4+4）=1
②根据表-2的数据，写出输入—输出特性曲线的表达式（输出电压与位移量的关系曲线表达式）。
U=-S△X
③计算每次测量的绝对误差（列表表示）。
④计算线性度eL
eL=±△Lmax/yFS*100%=210/428*100%=49%
4、金属箔式应变片——全桥性能实验中测量记录的数据如下表：
表－１ 全桥输出电压与加负载重量值
重量（g）
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
电压（mv）
0
32
61
89
122
160
178
215
258
269
348
①根据表-1计算系统灵敏度S。
Ｓ＝ΔＶ／ΔW=1.608
②根据表-1的数据，写出全桥电路的输入—输出特性表达式（即砝码重量与输出电压关系的表达式）。
③计算每次测量的绝对误差Δvi（列表表示）。
④计算线性度eL
eL=±△m/yFS*100%=173.2/348*100%=50%
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