《傳感器與檢測技術(shù)》試題及答案已做.doc

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《傳感器與檢測技術(shù)》試題 一、填空：（20分） 1，測量系統(tǒng)的靜態(tài)特性指標(biāo)主要有線性度、遲滯、重復(fù)性、分辨力、穩(wěn)定性、溫度穩(wěn)定性、各種抗干擾穩(wěn)定性等。（2分） 2.霍爾元件靈敏度的物理意義是表示在單位磁感應(yīng)強度相單位控制電流時的霍爾電勢大小。 4.熱電偶所產(chǎn)生的熱電勢是兩種導(dǎo)體的接觸電勢和單一導(dǎo)體的溫差電勢組成的，其表達(dá)式為Eab（T，To）=。在熱電偶溫度補償中補償導(dǎo)線法（即冷端延長線法）是在連接導(dǎo)線和熱電偶之間，接入延長線，它的作用是將熱電偶的參考端移至離熱源較遠(yuǎn)并且環(huán)境溫度較穩(wěn)定的地方，以減小冷端溫度變化的影響。 5.壓磁式傳感器的工作原理是：某些鐵磁物質(zhì)在外界機械力作用下，其內(nèi)部產(chǎn)生機械壓力，從而引起極化現(xiàn)象，這種現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)。相反，某些鐵磁物質(zhì)在外界磁場的作用下會產(chǎn)生機械變形，這種現(xiàn)象稱為負(fù)壓電效應(yīng)。（2分） 6. 變氣隙式自感傳感器，當(dāng)街鐵移動靠近鐵芯時，鐵芯上的線圈電感量（①增加②減?、鄄蛔儯?分） 7. 儀表的精度等級是用儀表的（① 相對誤差 ② 絕對誤差 ③ 引用誤差）來表示的（2分） 8. 電容傳感器的輸入被測量與輸出被測量間的關(guān)系，除（① 變面積型 ② 變極距型 ③ 變介電常數(shù)型）外是線性的。（2分） 1、變面積式自感傳感器，當(dāng)銜鐵移動使磁路中空氣縫隙的面積增大時，鐵心上線圈的電感量（①增大，②減小，③不變）。 2、在平行極板電容傳感器的輸入被測量與輸出電容值之間的關(guān)系中，（①變面積型，②變極距型，③變介電常數(shù)型）是線性的關(guān)系。 3、在變壓器式傳感器中，原方和副方互感M的大小與原方線圈的匝數(shù)成（①正比，②反比，③不成比例），與副方線圈的匝數(shù)成（①正比，②反比，③不成比例），與回路中磁阻成（①正比，②反比，③不成比例）。 4、傳感器是能感受規(guī)定的被測量并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置，傳感器通常由直接響應(yīng)于被測量的敏感元件 和產(chǎn)生可用信號輸出的轉(zhuǎn)換元件以及相應(yīng)的信號調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換電路組成。 5、熱電偶所產(chǎn)生的熱電熱是由兩種導(dǎo)體的接觸電熱和單一導(dǎo)體的溫差電熱組成。 2、電阻應(yīng)變片式傳感器按制造材料可分為① _金屬_ 材料和②____半導(dǎo)體__體材料。它們在受到外力作用時電阻發(fā)生變化，其中①的電阻變化主要是由 _電阻應(yīng)變效應(yīng) 形成的，而②的電阻變化主要是由 溫度效應(yīng)造成的。 半導(dǎo)體 材料傳感器的靈敏度較大。 5.磁電式傳感器是利用導(dǎo)體和磁場發(fā)生相對運動而在導(dǎo)體兩端 產(chǎn)生感應(yīng)電勢的。而霍爾式傳感器為霍爾元件在磁場中有電磁效應(yīng)（霍爾效應(yīng)）而輸出電勢的?；魻柺絺鞲衅骺捎脕頊y量電流，磁場，位移，壓力。（6分） 8.測量系統(tǒng)的靜態(tài)特性指標(biāo)通常用輸入量與輸出量的對應(yīng)關(guān)系來表征（5分） 簡答題 二、用鎳鉻-鎳硅熱電偶測量某低溫箱溫度，把熱電偶直接與電位差計相連接。在某時刻，從電位差計測得熱電勢為-1.19mv，此時電位差計所處的環(huán)境溫度為15℃，試求該時刻溫箱的溫度是多少度？（20分） 鎳鉻-鎳硅熱電偶分度表 測量端溫度℃ 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 熱 電 動 勢 (mv) -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 簡述熱電偶的工作原理。（6分） 答：熱電偶的測溫原理基于物理的“熱電效應(yīng)”。所謂熱電效應(yīng)，就是當(dāng)不同材料的導(dǎo)體組成一個閉合回路時，若兩個結(jié)點的溫度不同，那么在回路中將會產(chǎn)生電動勢的現(xiàn)象。兩點間的溫差越大，產(chǎn)生的電動勢就越大。引入適當(dāng)?shù)臏y量電路測量電動勢的大小，就可測得溫度的大小。 3 以石英晶體為例簡述壓電效應(yīng)產(chǎn)生的原理。（6分） 答：石英晶體在沿一定的方向受到外力的作用變形時，由于內(nèi)部電極化現(xiàn)象同時在兩個表面上產(chǎn)生符號相反的電荷，當(dāng)外力去掉后，恢復(fù)到不帶電的狀態(tài)；而當(dāng)作用力方向改變時，電荷的極性隨著改變。晶體受力所產(chǎn)生的電荷量與外力的大小成正比。這種現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)。反之，如對石英晶體施加一定變電場，晶體本身將產(chǎn)生機械變形，外電場撤離，變形也隨之消失，稱為逆壓電效應(yīng)。 石英晶體整個晶體是中性的，受外力作用而變形時，沒有體積變形壓電效應(yīng)，但它具有良好的厚度變形和長度變形壓電效應(yīng)。 4 簡述電阻應(yīng)變片式傳感器的工作原理（6分） 答：電阻應(yīng)變片的工作原理是基于電阻應(yīng)變效應(yīng)，即在導(dǎo)體產(chǎn)生機械變形時，它的電阻值相應(yīng)發(fā)生變化。 1、什么是傳感器動態(tài)特性和靜態(tài)特性，簡述在什么頻域條件下只研究靜態(tài)特就能夠滿足通常的需要，而在什么頻域條件下一般要研究傳感器的動態(tài)特性？（10分） 答：傳感器的特性是指傳感器所特有性質(zhì)的總稱。而傳感器的輸入輸出特性是其基本特性，一般把傳感器作為二端網(wǎng)絡(luò)研究時，輸入輸出特性是二端網(wǎng)絡(luò)的外部特性，即輸入量和輸出量的對應(yīng)關(guān)系。由于輸入量的狀態(tài)（靜態(tài)、動態(tài)）不同分靜態(tài)特性和動態(tài)特性。靜態(tài)特性是指當(dāng)輸入量為常量或變化極慢時傳感器輸入-輸出特性。動態(tài)特性指當(dāng)輸入量隨時間變化時傳感器的輸入-輸出特性?？梢詮臅r域和頻域來研究動態(tài)特性 2、簡述霍爾電動勢產(chǎn)生的原理。（5分） 答：一塊半導(dǎo)體薄片置于磁感應(yīng)強度為B的磁場(磁場方向垂直于薄片)中，當(dāng)有電流I流過時，電子受到洛侖茲力作用而發(fā)生偏轉(zhuǎn)。結(jié)果在半導(dǎo)體的后端面上電子有所積累。而前端面缺少電子，因此后端面帶負(fù)電，前端面帶正電，在前后端面形成電場，該電場產(chǎn)生的力阻止電子繼續(xù)偏轉(zhuǎn)當(dāng)兩力相平衡時，電子積累也平衡，這時在垂直于電流和磁場的方向上將產(chǎn)生電場，相應(yīng)的電勢稱為霍爾電勢UH。 3、分析應(yīng)變片式傳感器在使用單臂電橋測量電路時由于溫度變化而產(chǎn)生測量誤差的過程。（10分） 答：在外界溫度變化的條件下，由于敏感柵溫度系數(shù)及柵絲與試件膨脹系數(shù)（）之差異性而產(chǎn)生虛假應(yīng)變輸出有時會產(chǎn)生與真實應(yīng)變同數(shù)量級的誤差。 二、寄生電容與電容傳感器相關(guān)聯(lián)影響傳感器的靈敏度，它的變化為虛假信號影響傳感器的精度。試闡述消除和減小寄生電容影響的幾種方法和原理。（15分） 三、在生產(chǎn)過程中測量金屬板的厚度，非金屬板材的鍍層厚度時常用渦流傳感器。試簡要敘述說明利用渦流傳感器測量金屬板厚度的工作原理及實現(xiàn)工藝。（15） 5、什么是傳感器靜態(tài)特性。（4分） 答：傳感器的靜態(tài)特性是指當(dāng)輸入量為常量或變化極慢時傳感器輸入—輸出特性。 三、什么叫做熱電動勢、接觸電動勢和溫差電動勢？說明勢電偶測溫原理及其工作定律的應(yīng)用。分析熱電偶測溫的誤差因素，并說明減小誤差的方法（10分） 答：①熱電動勢：兩種不同材料的導(dǎo)體（或半導(dǎo)體）A、B串接成一個閉合回路，并使兩個結(jié)點處于不同的溫度下，那么回路中就會存在熱電勢。因而有電流產(chǎn)生相應(yīng)的熱電勢稱為溫差電勢或塞貝克電勢，通稱熱電勢。 ②接觸電動勢：接觸電勢是由兩種不同導(dǎo)體的自由電子，其密度不同而在接觸處形成的熱電勢。它的大小取決于兩導(dǎo)體的性質(zhì)及接觸點的溫度，而與導(dǎo)體的形狀和尺寸無關(guān)。 ③溫差電動勢：是在同一根導(dǎo)體中，由于兩端溫度不同而產(chǎn)生的一種電勢。 ④熱電偶測溫原理：熱電偶的測溫原理基于物理的“熱電效應(yīng)”。所謂熱電效應(yīng)，就是當(dāng)不同材料的導(dǎo)體組成一個閉合回路時，若兩個結(jié)點的溫度不同，那么在回路中將會產(chǎn)生電動勢的現(xiàn)象。兩點間的溫差越大，產(chǎn)生的電動勢就越大。引入適當(dāng)?shù)臏y量電路測量電動勢的大小，就可測得溫度的大小。 ⑤熱電偶三定律 a中間導(dǎo)體定律 熱電偶測溫時，若在回路中插入中間導(dǎo)體，只要中間導(dǎo)體兩端的溫度相同，則對熱電偶回路總的熱電勢不產(chǎn)生影響。在用熱電偶測溫時，連接導(dǎo)線及顯示一起等均可看成中間導(dǎo)體。 b中間溫度定律 任何兩種均勻材料組成的熱電偶，熱端為T，冷端為時的熱電勢等于該熱電偶熱端為T冷端為時的熱電勢與同一熱電偶熱端為，冷端為時熱電勢的代數(shù)和。 應(yīng)用：對熱電偶冷端不為時，可用中間溫度定律加以修正。 熱電偶的長度不夠時，可根據(jù)中間溫度定律選用適當(dāng)?shù)难a償線路。 c參考電極定律 如果A、B兩種導(dǎo)體（熱電極）分別與第三種導(dǎo)體C（參考電極）組成的熱電偶在結(jié)點溫度為（T，）時分別為，，那么愛相同溫度下，又A、B兩熱電極配對后的熱電勢為 實用價值：可大大簡化熱電偶的選配工作。在實際工作中，只要獲得有關(guān)熱電極與標(biāo)準(zhǔn)鉑電極配對的熱電勢，那么由這兩種熱電極配對組成熱電偶的熱電勢便可由上式求得，而不需逐個進(jìn)行測定。 ⑥誤差因素：參考端溫度受周圍環(huán)境的影響 措施：a 恒溫法 b計算修正法（冷端溫度修正法）c儀表機械零點調(diào)整法 d熱電偶補償法e電橋補償法f冷端延長線法 四、霍爾元件能夠測量哪些物理參數(shù)？霍爾元件的不等位電勢的概念是什么？溫度補償?shù)姆椒ㄓ心膸追N？請詳細(xì)推導(dǎo)分流法。（10分） 答：霍爾組件可測量磁場、電流、位移、壓力、振動、轉(zhuǎn)速等。 霍爾組件的不等位電勢是霍爾組件在額定控制電流作用下，在無外加磁場時，兩輸出電極之間的空載電勢，可用輸出的電壓表示。 溫度補償方法： a 分流電阻法：適用于恒流源供給控制電流的情況。 b 電橋補償法 一、 簡答題（30分，6分/題） 1、 從傳感器的靜態(tài)特性和動態(tài)特性考慮，詳述如何選用傳感器。 答：考慮傳感器的靜態(tài)特性的主要指標(biāo)，選用線性度大、遲滯小、重復(fù)性好、分辨力強、穩(wěn)定性高、抗干擾穩(wěn)定性高的傳感器?？紤]動態(tài)特性，所選的傳感器應(yīng)能很好的追隨輸入量的快速變化，即具有很短的暫態(tài)響應(yīng)時間或者應(yīng)具有很寬的頻率響應(yīng)特性。 2、 直流電橋和交流電橋有何區(qū)別？直流電橋的平衡條件是什么？應(yīng)變片式電阻傳感器、自感式、互感式、渦流式、電容式、熱電阻式傳感器分別可采用哪種電橋作為測量電路？ 答：根據(jù)電源不同分為直流和交流電橋。直流電橋優(yōu)點：高穩(wěn)定度直流電源容易獲得，電橋平衡電路簡單，傳感器至測量儀表的連接導(dǎo)線分布參數(shù)影響小。但是后續(xù)要采用直流放大器，容易產(chǎn)生零點漂移，線路也較復(fù)雜。交流電橋在這些方面都有改進(jìn)。直流電橋平衡條件：R1/R2=R3/R4 ，R1R4=R2R3。 3、 以自感式傳感器為例說明差動式傳感器可以提高靈敏度的原理。 解： 差動式靈敏度: 與單極式傳感器靈敏度比較 靈敏度提高一倍，非線性大大減少。 4、 傳感器的定義和組成框圖？畫出自動控制系統(tǒng)原理框圖并指明傳感器在系統(tǒng)中的位置和作用。 答：傳感器是能感受規(guī)定的被測量并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。 傳感器處于研究對象與測試系統(tǒng)的接口位置，即檢測與控制之首。傳感器是感知、獲取與檢測信息的窗口，一切科學(xué)研究與自動化生產(chǎn)過程要獲取的信息都要通過傳感器獲取并通過它轉(zhuǎn)換成容易傳輸與處理的電信號，其作用與地位特別重要。 輔助電源 信號調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換電路 傳感元件 被測量 敏感元件 組成框圖：自動控制系統(tǒng)原理框圖： 傳感器的作用：感受被測量并轉(zhuǎn)換成可用輸出信號傳送給控制對象。 擾動 e 給定 + 對象 傳感器 ﹣ 反饋裝置 5、 試列出你所學(xué)過的不同工作原理傳感器哪些可用于非接觸式測量，哪些用于接觸式測量，測量何種物理量？（各≥3種） 答：非接觸式測量： a) 熱電式傳感器：測量溫度 b) 光纖傳感器：測量光信號 c) 核輻射傳感器：測量核輻射粒子 接觸式測量： a) 電位器式壓力傳感器：測量壓力 b) 應(yīng)變片式電阻傳感器：測量電阻值 c) 應(yīng)變式扭矩傳感器：測量扭矩 6、 傳感器（或測試儀表）在第一次使用前和長時間使用后需要進(jìn)行標(biāo)定工作，請問標(biāo)定的意義？ 答：傳感器的標(biāo)定分為靜態(tài)標(biāo)定和動態(tài)標(biāo)定兩種。靜態(tài)標(biāo)定的目的是確定傳感器靜態(tài)特性指標(biāo)，如線性度、靈敏度、滯后和重復(fù)性等。動態(tài)標(biāo)定的目的是確定傳感器的動態(tài)特性參數(shù)，如頻率響應(yīng)、時間常數(shù)、固有頻率和阻尼比等。 7、 壓電式傳感器的前置放大器的作用是什么？電壓式與電荷式前置放大器各有何特點？ 答：作用是將輸出電壓放大，并與輸入電壓或輸入電流成正比。 電壓放大器將壓電式傳感器的高輸出阻抗經(jīng)放大器變換為低阻抗輸出，并將微弱的電壓信號進(jìn)行適當(dāng)放大，但其所接配的壓電式傳感器的電壓靈敏度將隨電纜分布電容及傳感器自身電容的變化而變化，而且電纜的的更換得引起重新標(biāo)定的麻煩。 電荷放大器是一種具有深度電容負(fù)反饋的高增益運算放大器，其雖然允許使用很長的電纜，并且電容Ce變化不影響靈敏度，但它比電壓放大器價格高，電路較復(fù)雜，調(diào)整也比較困難。 8、 什么是金屬應(yīng)變片的靈敏系數(shù)？請解釋它與金屬絲靈敏系數(shù)的區(qū)別。 答： 應(yīng)變片一般做成絲柵狀，測量應(yīng)變時，將應(yīng)變片貼在試件表面上，試件的變形很容易傳到應(yīng)變片上。金屬應(yīng)變片的靈敏系數(shù)與金屬絲靈敏系數(shù)是不同的。第一，零件的變形是通過剪力傳到金屬絲上的。第二，絲沿長度方向承受應(yīng)變時，應(yīng)變片彎角部分也承受應(yīng)變，其截面積變大，則應(yīng)變片直線部分電阻增加時，彎角部分的電阻值減少，也使變化的靈敏度下降。因此，應(yīng)變片的靈敏系數(shù)比金屬絲靈敏系數(shù)低。 二、 分析/證明題（32分，8分/題） 1、 壓電式傳感器更適用于靜態(tài)測量，此觀點是否正確，分析原因。 答不正確。其工作原理是基于壓電材料的壓電效應(yīng)，具有使用頻率寬，靈敏度高、信噪比高、結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、測量范圍廣等優(yōu)點，因此在壓力沖擊和震動等動態(tài)參數(shù)測試中是主要的傳感器品種，它可以把加速度、位移、壓力、溫度、濕度等許多非電量轉(zhuǎn)換為電量。 2、 為什么要對應(yīng)變片式電阻傳感器進(jìn)行溫度補償，分析說明該類型傳感器溫度誤差補償方法。 答：①在外界溫度變化的條件下，由于敏感柵溫度系數(shù)及柵絲與試件膨脹系數(shù)（）之差異性而產(chǎn)生虛假應(yīng)變輸出有時會產(chǎn)生與真實應(yīng)變同數(shù)量級的誤差。 ②方法：自補償法 線路補償法 3、 Pt100和Cu50各代表什么傳感器？分析熱電阻傳感器測量電橋之三線、四線連接法的主要作用。 分別代表鉑電阻熱電式傳感器（100Ω），銅電阻熱電式傳感器(50Ω). 熱電阻傳感器測量電橋之三線、四線連接法的主要作用是消除在熱電阻安裝的地方與儀表相距遠(yuǎn)時，環(huán)境溫度變化時其連接導(dǎo)線電阻也變化所造成的測量誤差。 4、 用鎳鉻-鎳硅熱電偶測量爐溫，其儀表示值為600℃，而冷端溫度t0為65℃，則實際溫度為665℃，對不對？為什么？應(yīng)如何計算？ 答：對。查表知鎳鉻-鎳硅熱電偶K=1，T=Tz+KTn=600+165=665 5、 制作霍爾元件應(yīng)采用什么材料，為什么？為何霍爾元件都比較薄，而且長寬比一般為2 ：1？答：制作霍爾元件應(yīng)采用半導(dǎo)體材料。如果磁場與薄片法線有a夾角，那么UH=kHIBcosa,霍爾元件越?。磀越?。?，kH就越大，所以一般霍爾元件都很薄。又因為實際測量中UH=(kHIB/d)f(l/b) 當(dāng)l/b=2時，f(l/b)=0.93為最大值，這時UH也可取到最大值，所以長寬比l/b一般為2：1 12系統(tǒng)的系統(tǒng)響應(yīng)帶寬與傳感器的響應(yīng)帶寬無關(guān)，請問這種說法正確嗎？試述理由。 答：不正確。傳感器的響應(yīng)帶寬會限制系統(tǒng)的系統(tǒng)響應(yīng)帶寬。