傳感器與檢測技術(shù)期末考試試題與答案

1、1 第一章 傳感器基礎(chǔ) 1. 檢測系統(tǒng)由哪幾部分組成 ？說明各部分的作用。 答：一個完整的檢測系統(tǒng)或檢測裝置通常是由傳感器、測量電路和顯示記錄裝置等幾部分組成，分別完成 信息獲取、轉(zhuǎn)換、顯示和處理等功能。當然其中還包括電源和傳輸通道等不可缺少的部分。下圖給出了檢 測系統(tǒng)的組成框圖。 檢測系統(tǒng)的組成框圖 傳感器是把被測量轉(zhuǎn)換成電學量的裝置，顯然，傳感器是檢測系統(tǒng)與被測對象直接發(fā)生聯(lián)系的部件， 是檢測系統(tǒng)最重要的環(huán)節(jié)，檢測系統(tǒng)獲取信息的質(zhì)量往往是由傳感器的性能確定的，因為檢測系統(tǒng)的其它 環(huán)節(jié)無法添加新的檢測信息并且不易消除傳感器所引入的誤差。 測量電路的作用是將傳感器的輸出信號轉(zhuǎn)換成易于測量的電壓

2、或電流信號。 通常傳感器輸出信號是微 弱的，就需要由測量電路加以放大，以滿足顯示記錄裝置的要求。根據(jù)需要測量電路還能進行阻抗匹配、 微分、積分、線性化補償?shù)刃盘柼幚砉ぷ鳌?顯示記錄裝置是檢測人員和檢測系統(tǒng)聯(lián)系的主要環(huán)節(jié)， 主要作用是使人們了解被測量的大小或變化的 過程。 2. 傳感器的型號有幾部分組成，各部分有何意義 ？ 依次為主稱（傳感器） 被測量一轉(zhuǎn)換原理一序號 主稱 傳感器，代號 C; 被測量一一用一個或兩個漢語拼音的第一個大寫字母標記。見附錄表 2; 轉(zhuǎn)換原理一一用一個或兩個漢語拼音的第一個大寫字母標記。見附錄表 3; 序號一一用一個阿拉伯數(shù)字標記，廠家自定，用來表征產(chǎn)品設(shè)計特性、性能

3、參數(shù)、產(chǎn)品系列等。若產(chǎn) 品性能參數(shù)不變，僅在局部有改動或變動時， 其序號可在原序號后面順序地加注大寫字母 A、B、C等，（其 中I、Q不用）。 例：應變式位移傳感器： C WY-YB-20;光纖壓力傳感器：C Y-GQ-2。 3. 測量穩(wěn)壓電源輸出電壓隨負載變化的情況時，應當采用何種測量方法 ？如何進行？ 答：測定穩(wěn)壓電源輸出電壓隨負載電阻變化的情況時， 最好采用微差式測量。此時輸出電壓認可表示為 Uo, Uo=U+AU ,其中AU是負載電阻變化所引起的輸出電壓變化量， 相對U來講為一小量。如果采用偏差法測 量，儀表必須有較大量程以滿足 U0的要求，因此對 U,這個小量造成的 U0的變化就很難

4、測準。測量原 理如下圖所示： 圖中使用了高靈敏度電壓表 毫伏表和電位差計， Rr和E分別表示穩(wěn)壓電源的內(nèi)阻和電動勢， 凡表 示穩(wěn)壓電源的負載，Ei、R1和Rw表示電位差計的參數(shù)。在測量前調(diào)整Ri使電位差計工作電流Ii為標準值。 然后，使穩(wěn)壓電源負載電阻 RI為額定值。調(diào)整 RP的活動觸點，使毫伏表指示為零，這相當于事先用零位 式測量出額定輸出電壓 U。正式測量開始后，只需增加或減小負載電阻 R的值，負載變動所引起的穩(wěn)壓電 源輸出電壓U0的微小波動值 AU，即可由毫伏表指示出來。 根據(jù)U0=U+ AU ,穩(wěn)壓電源輸出電壓在各種負載 下的值都可以準確地測量出來。微差式測量法的優(yōu)點是反應速度快，測量

5、精度高，特別適合于在線控制參 數(shù)的測量。2 用微差式測量方法測量穩(wěn)壓電源輸出電壓隨負載的變化 4.某線性位移測量儀，當被測位移由 4.5mm4.5mm變到5.0mm5.0mm時，位移測量儀的輸出電壓由 3.5V3.5V減至2.5V ,2.5V , 求該儀器的靈敏度。 解：該儀器的靈敏度為 S=235 = -2mV/mm 5.0 4.5 求：（1）測溫系統(tǒng)的總靈敏度； （2）記錄儀筆尖位移4cmcm時，所對應的溫度變化值。 解：（1）測溫系統(tǒng)的總靈敏度為 S = 0.450.02X100X0.2 =0.18 cm/ c （2）記錄儀筆尖位移4cm時，所對應的溫度變化值為 4 t= =22.22

6、c 0.18 6. 有三臺測溫儀表，量程均為 0800C0800C，精度等級分別為 2.52.5級、 要求相對誤差不超過 2.5%2.5%，選那臺儀表合理? 解：2.5級時的最大絕對誤差值為 20C，測量500 C時的相對誤差為 測量500C時的相對誤差為 3.2%; 1.5級時的最大絕對誤差值為 因此，應該選用1.5級的測溫儀器。 7. 什么是系統(tǒng)誤差和隨機誤差 ？正確度和精密度的含義是什么 ？它們各反映何種誤差？ 答：系統(tǒng)誤差是指在相同的條件下，多次重復測量同一量時，誤差的大小和符號保持不變，或按照一定的 規(guī)律變化的誤差。隨機誤差則是指在相同條件下，多次測量同一量時，其誤差的大小和符號以不

7、可預見的 方式變化的誤差。正確度是指測量結(jié)果與理論真值的一致程度，它反映了系統(tǒng)誤差的大小，精密度是指測 量結(jié)果的分散程度，它反映了隨機誤差的大小。 8. 服從正態(tài)分布規(guī)律的隨機誤差有哪些特性 ？ 答：服從正態(tài)分布規(guī)律的隨機誤差的特性有：對稱性 現(xiàn)的機會相等。也就是說 f（滬3曲線對稱于縱軸。有界性 過一定的范圍，即絕對值很大的隨機誤差幾乎不出現(xiàn)。抵償性 體隨機誤差的代數(shù)和等于零，即lim = 0。單峰性 n 5.某測溫系統(tǒng)由以下四個環(huán)節(jié)組成，各自的靈敏度如下： 鉗電阻溫度傳感器： 電橋： 放大器： 筆式記錄儀： 0.45 Q / C0.45 Q / C 0.02V/ Q0.02V/ Q 100

8、100（放大倍數(shù)） 0.2cm/V0.2cm/V 2.02.0級和1.51.5級，現(xiàn)要測量500 C500 C的溫度, 4%; 2.0級時的最大絕對誤差值為 16 C , 12 C，測量500C時的相對誤差為 2.4%。 隨機誤差可正可負，但絕對值相等的正、負誤差出 在一定測量條件下，隨機誤差的絕對值不會超 在相同條件下，當測量次數(shù) nroo時，全 絕對值小的隨機誤差比絕對值大的隨機誤差出 3 現(xiàn)的機會多，即前者比后者的概率密度大，在 弟0處隨機誤差概率密度有最大值。 9. 等精度測量某電阻1 10 0次，得到的測量列如下： R1= 167.95 QR1= 167.95 Q R R2 2= 1

9、67.45 Q= 167.45 Q R R3 = 167.60 Q= 167.60 Q R R4 4= 167.60 Q= 167.60 Q R R5 5= 167.87 Q= 167.87 Q R R6 6= 167.88 Q= 167.88 Q R7= 168.00 Q168.00 Q R R8= 167.850 Q167.850 Q R R9= 167.82 Q167.82 Q R R10= 167.61 Q167.61 Q （1） 求1010次測量的算術(shù)平均值 R，測量的標準誤差 b 和算術(shù)平均值的標準誤差 s s。 （2） 若置信概率取99.7%,99.7%,寫出被測電阻的真值和極限

10、值。 解：（i）求io次測量的算術(shù)平均值 R ,測量的標準誤差 b 和算術(shù)平均值的標準誤差 so 1 Rl R2 Rn R = j 10 _ 167.95 167.45 167.60 167.60 167.87 167.88 168.00 167.85 167.82 167.61 一 10 = 167.763 少- 1 ： (x xf _ 1 ： v2 K， - nJ(Xi-X)- n1jVi -9jVi =j：(0.1872 +0.3132 +2尺0.1632 +0.1072 十 0.1082 十0.2372 +0.0872 +0.0572 + 0.1532) = 0.1824 二 0.18

11、24 八 s = = 0.0577，) n ,10 （2）若置信概率取99.7%，被測電阻的真值為： R0 =167.763 3s = （167.763 0.173）Q 極限值為：Rm =167.763_3。=(167.763 _ 0.547) 10. 試分析電壓輸出型直流電橋的輸入與輸出關(guān)系。 答：如圖所示，電橋各臂的電阻分別為 凡、R2、R3、R4。U為電橋的直流電源電壓。當四臂電阻 R1=R=R3=R4=R時，稱為等臂電橋；當R1=R2=R,R3=R4 = R （ R乒R）時，稱為輸出對稱電橋；當R1=R4=R , R2=R3 . . . ，,一 =R（R玉）時，稱為電源對稱電橋。 當電

12、橋輸出端接有放大器時，由于放大器的輸入阻抗很高，所以可以認為電橋的負載電阻為無窮大, 這時電橋以電壓的形式輸出。輸出電壓即為電橋輸出端的開路電壓，其表達式為4 第二章電阻式傳感器 1.1. 金屬電阻應變片與半導體材料的電阻應變效應有什么不同 ？ 答：金屬電阻的應變效應主要是由于其幾何形狀的變化而產(chǎn)生的，半導體材料的應變效應則主要取決于材 料的電阻率隨應變所引起的變化產(chǎn)生的。 2.2. 直流測量電橋和交流測量電橋有什么區(qū)別 ？ 答：它們的區(qū)別主要是直流電橋用直流電源，只適用于直流元件，交流電橋用交流電源，適用于所有電路 元件。 3.3. 熱電阻測量時采用何種測量電路 ？為什么要采用這種測量電路

13、？說明這種電路的工作原理。 答：通常采用電橋電路作為測量電路。為了克服環(huán)境溫度的影響常采用下圖所示的三導線四分之一電橋電 路。由于采用這種電路，熱電阻的兩根引線的電阻值被分配在兩個相鄰的橋臂中，如果 R = R2，則由于 環(huán)境溫度變化引起的引線電阻值變化造成的誤差被相互抵消。 R1R3 -R2R43 = (Ri R2XR3 R4) 設(shè)電橋為單臂工作狀態(tài)， 即Ri為應變片，其余橋臂均為固定電阻。 當Ri感受被測量產(chǎn)生電阻增量 ARi 時，由初始平衡條件 RIR3=R2R4得也 R2 色，代入式(1),則電橋由于ARi產(chǎn)生不平衡引起的輸出電壓 R3 fU=R(f (Ri R2)2 (R R2)2

14、Ri 對于輸出對稱電橋，此時 RI = R2=R,R3=R4=R，當Ri臂的電阻產(chǎn)生變化 &=&根據(jù)(2)可得到輸 出電壓為 Uo R2 Uo=U (R R)2 對于電源對稱電橋,RI=R4=R,R2=R3=R。當 RR Uo =U .R、 U ,.：R 成(下 Ri臂產(chǎn)生電阻增量 F 成) )(3) ARI=AR時，由式(2)得 對于等臂電橋RI = R2=R3 = R4=R,當 Uo =U (R R) R Ri的電阻增量次i=*時， RR R U R 2( )- -T( 由式(2)可得輸出電壓為 (5) (R R)。R，4 R 由上面三種結(jié)果可以看出， 當橋臂應變片的電阻發(fā)

15、生變化時， 電橋的輸出電壓也隨著變化。 當ARR 時，電橋的輸出電壓與應變成線性關(guān)系。還可以看出在橋臂電阻產(chǎn)生相同變化的情況下，等臂電橋以及輸 出對稱電橋的輸出電壓要比電源對稱電橋的輸出電壓大，即它們的靈敏度要高。因此在使用中多采用等臂 電橋或輸出對稱電橋。 在實際使用中為了進一步提高靈敏度，常采用等臂電橋，四個被測信號接成兩個差動對稱的全橋工作 形式，RI=R+AR,R2=R-AR,R3=R+AR,R4=R-AR,將上述條件代入式 (i)得 fAR) I 10 /V, 2 2 3 . . 應變?yōu)?000時應為U0 = 810 /Vo從上面的計算可知：單臂時靈敏度最低，雙臂時為其兩倍，全橋 時

16、最高，為單臂的四倍。 5.5. 采用阻值 R R=120Q120Q靈敏度系數(shù) K K=2.2.。的金屬電阻應變片與阻值 R R=120Q120Q的固定電阻組成電橋，供橋電壓 為10V10V。當應變片應變?yōu)?00100。時，若要使輸出電壓大于 10mV10mV，則可采用何種工作方式（設(shè)輸出阻抗為無 窮大）？ 解：由于不知是何種工作方式，可設(shè)為 n,n,故可得： _ J3 2 10 10 n 得n要小于2,故應采用全橋工作方式。 6.6. 如圖所示為一直流電橋，供電電源電動勢 均為50 Q50 Q，靈敏度系數(shù) K K=2.02.0O O兩只應變片分別粘貼于等強度梁同一截面的正反兩面。設(shè)等強度梁在受

17、力 后產(chǎn)生的應變?yōu)?-10 mV E E =3V , R3V , R3=R R4=100Q , R100Q , R1和R R2為同型號的電阻應變片，其電阻 77 U R2 0 O 6 K U 2 3 5 10 解：此電橋為輸出對稱電橋，故 U0 = = 5 =15/mV 2 2 7.7. 光敏電阻有哪些重要特性，在工業(yè)應用中是如何發(fā)揮這些特性的？ 答：光敏電阻是采用半導體材料制作，利用內(nèi)光電效應工作的光電元件。它的重要特性是在無光照時阻值 非常大，相當于斷路，有光照時阻值變得很小，相當于通路。在工業(yè)應用中主要就是通過光的變化來各種 電路的控制。 第三章電容式傳感器 1.1. 試分析變面積式電容

18、傳感器和變間隙式電容的靈敏度 ？為了提高傳感器的靈敏度可采取什么措施并應注 意什么問題？ 答：如圖所示是一直線位移型電容式傳感器的示意圖。 當動極板移動 x后，覆蓋面積就發(fā)生變化，電容量也隨之改變，其值為 C=b (& x) /d=C0- b x/d (1) 電容因位移而產(chǎn)生的變化量為 八 八八 b . 八 x LC = C - C0 = - x - -C0 d a 其靈敏度為 K =匹=-上 x d 可見增加b或減/J、d均可提高傳感器的靈敏度。 直線位移型電容式傳感器 2.2. 為什么說變間隙型電容傳感器特性是非線性的 ？采取什么措施可改善其非線性特征 ？ 答：下圖為變間隙式電容傳

19、感器的原理圖。圖中 1為固定極板，2為與被測對象相連的活動極板。當活動 極板因被測參數(shù)的改變而引起移動時，兩極板間的距離 d發(fā)生變化，從而改變了兩極板之間的電容量 C。 1 -固定極板 2-活動極板 A 設(shè)極板面積為 A,其靜態(tài)電谷重為 C = - ,當活動極板移動 d 1 - -Co C2 x后，其電容量為 7 1-工 1 d2 當xd時 x 則 C =Co(1 ) d8 由式（1）可以看出電容量 C與x不是線性關(guān)系，只有當 x t0)o在導體內(nèi)部，熱端的自由電子具 有較大的動能，向冷端移動，從而使熱端失去電子帶正電荷，冷端得到電子帶負電荷。這樣，導體兩端便 產(chǎn)生了一個由熱端指向冷端的靜電場

20、。該電場阻止電子從熱端繼續(xù)跑到冷端并使電子反方向移動，最后也 達到了動態(tài)平衡狀態(tài)。這樣，導體兩端便產(chǎn)生了電位差，我們將該電位差稱為溫差電動勢。 3.3. 簡述熱電偶的幾個重要定律，并分別說明它們的實用價值。 答：一是勻質(zhì)導體定律：如果熱電偶回路中的兩個熱電極材料相同，無論兩接點的溫度如何，熱電動勢為 零。根據(jù)這個定律，可以檢驗兩個熱電極材料成分是否相同，也可以檢查熱電極材料的均勻性。 二是中間導體定律：在熱電偶回路中接入第三種導體，只要第三種導體的兩接點溫度相同，則回路中 總的熱電動勢不變。它使我們可以方便地在回路中直接接入各種類型的顯示儀表或調(diào)節(jié)器，也可以將熱電 偶的兩端不焊接而直接插入液態(tài)

21、金屬中或直接焊在金屬表面進行溫度測量。 三是標準電極定律：如果兩種導體分別與第三種導體組成的熱電偶所產(chǎn)生的熱電動勢已知，則由這兩 種導體組成的熱電偶所產(chǎn)生的熱電動勢也就已知。只要測得各種金屬與純鉗組成的熱電偶的熱電動勢，則 各種金屬之間相互組合而成的熱電偶的熱電動勢可直接計算出來。 四是中間溫度定律：熱電偶在兩接點溫度 t、to時的熱電動勢等于該熱電偶在接點溫度為 t、tn和tn、to 時的相應熱電動勢的代數(shù)和。中間溫度定律為補償導線的使用提供了理論依據(jù)。 4.4. 試述熱電偶冷端溫度補償?shù)膸追N主要方法和補償原理。 答：熱電偶冷端溫度補償?shù)姆椒ㄖ饕校?一是冷端恒溫法。這種方法將熱電偶的冷端放

22、在恒溫場合， 有0C 恒溫器和其他恒溫器兩種；二是補償導線法。將熱電偶的冷端延伸到溫度恒定的場所 (如儀表室)，其實質(zhì) 是相當于將熱電極延長。根據(jù)中間溫度定律，只要熱電偶和補償導線的二個接點溫度一致，是不會影響熱 電動勢輸出的；三是計算修正法。修正公式為：EAB(t, t0) = EAB(t,t1)+EAB(t1,t0)；四是電橋補償法。 利用不平衡電橋產(chǎn)生的電動勢補償熱電偶因冷端波動引起的熱電動勢的變化，工作原理如下圖所示 U 13 圖中，e為熱電偶產(chǎn)生的熱電動勢，U為回路的輸出電壓?；芈分写恿艘粋€補償電橋。 RIR5及RCM14 均為橋臂電阻。RCM是用漆包銅絲繞制成的，它和熱電偶的冷端

23、感受同一溫度。 RlR5均用鎰銅絲繞成，阻 值穩(wěn)定。在橋路設(shè)計時，使 RI=R2,并且Ri、R2的阻值要比橋路中其他電阻大得多。這樣，即使電橋中其 他電阻的阻值發(fā)生變化，左右兩橋臂中的電流卻差不多保持不變，從而認為其具有恒流特性。線路設(shè)計使 得 11=1 2=I/2=0.5mA。 回路輸出電壓U為熱電偶的熱電動勢 e、橋臂電阻RCM的壓降URCM及另一橋臂電阻 R5的壓降UR5 三者的代數(shù)和： U = e U RCM - U R5 當熱電偶的熱端溫度一定，冷端溫度升高時，熱電動勢將會減小。與此同時，銅電阻 RCM的阻值將增 大，從而使URCM增大，由此達到了補償?shù)哪康摹?自動補償?shù)臈l件應為 c

24、e = IRcMt 5 5 .用鐐銘-鐐硅(K)(K)熱電偶測量溫度，已知冷端溫度為 40 C,40 C,用高精度毫伏表測得這時的熱電動勢為 29.188mV,29.188mV,求被測點的溫度。 解：由鐐銘-鐐硅熱電偶分度表查出 E(40, 0)=1.638mV，根據(jù)式(5-2-1)計算出 E(t,0) =(29.188 1.638)mV =30.826mV 再通過分度表查出其對應的實際溫度為 (30.826-29.129) 100 t =700 + - - =740.9 c 33.275 -29.129 6 6.已知鉗佬io-鉗(S)(S)熱電偶的冷端溫度 to = 25C,to = 25C

25、,現(xiàn)測得熱電動勢 E(t, tE(t, to)= 11.712)= 11.712mV,mV,求熱端溫度是多 少度？ 解：由鉗佬10-鉗熱電偶分度表查出 E(25, 0)=0.161mV，根據(jù)式(5-2-1)計算出 E(t,0) =(11.712 0.161)mV =11.873mV 再通過分度表查出其對應的實際溫度為 (11.873-11.851) 100 13.159 11.851 7 7.已知鐐銘-鐐硅(K)(K)熱電偶的熱端溫度t= 800 C800 C，冷端溫度to= 25C,to= 25C,求E(t, to)E(t, to)是多少毫伏？ 解：由鐐銘-鐐硅熱電偶分度表可查得 E(800

26、 , 0)=33.275mV , E(25, 0)=1.024 mV,故可得 E(800, 5)=33.275-1.024=32.251mV 8.8. 現(xiàn)用一支鐐銘-康銅(E)(E)熱電偶測溫。其冷端溫度為30C30C，動圈顯示儀表(機械零位在0C0C)指示值為400 C, 400 C, 則認為熱端實際溫度為 430 C430 C，對不對為什么？正確值是多少？ 解：不對，因為儀表的機械零位在 0C,正確值為400Co 9.9. 如圖5.145.14所示之測溫回路，熱電偶的分度號為 K,K,毫伏表的示值應為多少度 ？ 答：毫伏表的示值應為(t 1-12- 60) C o 10.10. 用鐐銘-鐐

27、硅(K)(K)熱電偶測量某爐溫的測量系統(tǒng)如圖 5.155.15所示，已知：冷端溫度固定在 0 C, t0= 30 C,0 C, t0= 30 C, 儀表指示溫度為210C210C，后來發(fā)現(xiàn)由于工作上的疏忽把補償導線 A A芾日B,B,相互接錯了，問：爐溫的實際 溫度t t為多少度？ 解：實際溫度應為270C，因為接反后不但沒有補償?shù)剑€抵消了 30C，故應該加上60Cot =1200 = 1216.8 c 15 1 1 .為什么說壓電式傳感器只適用于動態(tài)測量而不能用于靜態(tài)測量 ？ 答：因為壓電式傳感器是將被子測量轉(zhuǎn)換成壓電晶體的電荷量， 可等效成一定的電容，如被測量為靜態(tài)時, 很難將電荷轉(zhuǎn)換成

28、一定的電壓信號輸出，故只能用于動態(tài)測量。 2.2. 壓電式傳感器測量電路的作用是什么 ？其核心是解決什么問題 ？ 答：壓電式傳感器測量電路的作用是將壓電晶體產(chǎn)生的電荷轉(zhuǎn)換為電壓信號輸出，其核心是要解決微弱信 號的轉(zhuǎn)換與放大，得到足夠強的輸出信號。 3.3. 一壓電式傳感器的靈敏度 Ki= 10pC/MPaKi= 10pC/MPa，連接靈敏度 K K2=0.008V/pC=0.008V/pC的電荷放大器，所用的筆式 記錄儀的靈敏度 K K3=25mm/V,=25mm/V,當壓力變化 p=8MPa p=8MPa時，記錄筆在記錄紙上的偏移為多少 ？ 解：記錄筆在記錄紙上的偏移為 S=10X 0.00

29、8 X 25X 8=16/mm 4.4. 某加速度計的校準振動臺， 它能作50Hz50Hz和1g1g的振動，今有壓電式加速度計出廠時標出靈敏度 K = 100mVK = 100mV /g,由于測試要求需加長導線，因此要重新標定加速度計靈敏度，假定所用的阻抗變換器放大倍數(shù)為 1,1, 電壓放大器放大倍數(shù)為 100,100,標定時晶體管毫伏表上指示為 9.13V9.13V，試畫出標定系統(tǒng)的框圖， 并計算加速度 計的電壓靈敏度。 解：此加速度計的靈敏度為 標定系統(tǒng)框圖如下: 1.1. 光電效應有哪幾種？與之對應的光電元件各有哪些 ？ 答：光電效應有外光電效應、內(nèi)光電效應和光生伏特效應三種?；谕夤怆娦墓怆娫泄怆姽堋⒐?電倍增管等；基于內(nèi)圖 5.155.15 第六章 電壓傳感器 9130 100 = 91.3 mV/g 圖 5.15.14 4 第七章光電傳感器 16 光電效應的光電元