傳感器原理復習題

1、傳感器原理復習題一、填空題1、測量方法從不同的角度有不同的分類方法，根據獲得測量值的方法可分為直接測量、間接測量和組合測量，按測量方式可分為偏差式測量、零位式測量和微差式測量，按測量條件不同可分為等精度測量和不等精度測量，根據被測量變化快慢可分為靜態(tài)測量和動態(tài)測量，根據測量敏感元件是否與被測介質接觸可分為接觸式測量與非接觸式測量，根據測量系統(tǒng)是否向被測對象施加能量可分為主動式測量和被動式測量。2、測量結果的完整描述包括估計值、測量單位和不確定度。3工程上傳感器的動態(tài)特性通常采用標準信號函數來進行研究，常用的標準信號函數是階躍信號函數和正弦信號函數。4、典型的測量系統(tǒng)分為三級敏感元件-傳感器級、

2、信號調理級和讀出記錄級。5、根據測量數據中的誤差所呈現的規(guī)律級產生的原因，可將誤差分為隨機誤差、系統(tǒng)誤差和粗大誤差。6、常用的粗大誤差判斷準則包括3準則、肖維勒準則和格拉布斯準則。7、傳感器的靜態(tài)特性指標主要有靈敏度、線性度、遲滯、重復性、漂移等。8、傳感器線性度直線擬合方法主要有理論擬合、過零旋轉擬合、端點連線擬合、端點平移擬合和最小二乘法擬合。9、金屬應變片由敏感柵、基片、覆蓋層和引線組成，其核心部分為敏感柵，敏感柵分為絲式、箔式和薄膜式等。10、電阻應變片式傳感器按制造材料可分為金屬材料和半導體材料。11電荷耦合器件（CCD）是一種大規(guī)模金屬氧化物半導體（MOS）集成電路光電器件，其基本

3、單元是MOS光敏元，由金屬導體、氧化物和半導體三部分組成。12、電感式傳感器主要分為自感式、互感式和電渦流式三種。13、差動變壓器式傳感器結構較多，其中最主要的三種是變隙式、變面積式和螺線管式，其中應用最多的是螺線管式。14、電渦流式傳感器按電渦流在導體內的貫穿情況可分為高頻反射式和低頻透射式兩類，但其基本工作原理是相似的。15、電容量的計算公式為，所以根據影響電容式傳感器電容變化的參數，電容式傳感器可分為變極距型、變面積型和變介電常數三種。16、壓電材料主要分為兩大類：壓電晶體和壓電陶瓷。17、磁電式傳感器是通過磁電作用將被測量轉換成電信號的一種傳感器，通常分為磁電感應式傳感器和霍爾式傳感器

4、。18、變磁通式傳感器按其結構分為開磁路式和閉磁路式，恒磁通式傳感器按其結構分為動圈式和動鐵式。19、霍爾元件的基本特性包括額定激勵電流和最大允許激勵電流、輸入電阻和輸出電阻、不等位電勢和不等位電阻、寄生直流電勢和霍爾電勢溫度系數等。20、光電傳感器的理論基礎是光電效應。通常把光線照射到物體表面后產生的光電效應分為兩類。第一類是利用在光線作用下光電子逸出物體表面的外光電效應,這類元件有光電管、光電倍增管；第二類是在光線作用下物體的導電性能發(fā)生變化或產生光生電動勢的效應稱為內光電效應。21、光敏電阻的基本特性包括伏安特性、光照特性、光譜特性、頻率特性和溫度特性。22、光纖傳感器的基本特性包括數值

5、孔徑、光纖模式和光纖傳輸損耗，光纖傳感器一般分為兩大類即：功能型和非功能型。23半導體氣敏傳感器一般由敏感元件、加熱器和外殼組成。按其制造工藝分有燒結型、薄膜型和厚膜型，其中厚膜型半導體氣敏傳感器元件機械強度高，離散度小，適合大批生產。24半導體色敏傳感器利用光敏二極管的PN結不同結深對不同光波長的靈敏度不同來實現光線顏色的判斷，其基本特征包括光譜特性、短路電流比-波長特性和溫度特性等。二、簡答題1、什么是檢測技術，它研究的主要內容包括哪及部分？答：檢測技術：利用物理、化學和生物的方法來獲取被測對象的組成、狀態(tài)、運動和變化的信息，通過轉換和處理，使這些信息成為易于人們閱讀和識別的量化形式。它研

6、究的主要內容包括：被測對象的測量原理、測量方法、測量系統(tǒng)和數據處理。2、傳感器的定義是什么？（任意一種解釋都正確）畫出傳感器的組成框圖，并簡述各部分的作用？答：按GB7665-87，傳感器是能感受規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律轉換成可用輸出信號的器件或裝置；廣義定義：指能感知某一物理量（或化學量、生物量等）的信息，并將該信息轉換為有用輸出信號的器件或裝置；狹義定義：能將各種非電量轉換為電信號的部件。被測量敏感元件轉換元件信號調整轉換電路輔助電源敏感元件：直接感受和相應被測量；轉換元件：將敏感元件的輸出轉換為適用于傳輸和測量的電信號；信號調整轉換電路：將轉換元件過來的信號進行放大、運算調制等；輔助

7、電源：為信號調整轉換電路供電，同時為能量控制型傳感器供電。3、簡述電阻應變片式傳感器的工作原理。答：電阻應變片的工作原理是基于電阻應變效應，即在導體產生機械變形時，它的電阻值相應發(fā)生變化。4、簡述金屬電阻應變片的結構？答：金屬電阻應變片由敏感柵、基片、覆蓋層和引線組成，其核心部分是敏感柵，一般由某種金屬細絲繞成柵型，將其一側粘貼在絕緣的基片上，另一側粘貼上起保護作用的覆蓋層，兩端焊接引線與檢測裝置連接。5、什么事金屬電阻應變片的橫向效應？答：將直的電阻絲繞成敏感柵后，敏感柵是由n條長度為l的直線和n-1個半徑為r的半圓組成，當應變片受到軸向拉力時，直線段的軸向效應會使敏感柵的電阻發(fā)生變化，而半

8、圓弧段的電阻會由于橫向應變也使半圓弧部分的電阻發(fā)生變化，而圓弧段電阻的變化小于沿軸向同長度電阻絲電阻的變化，所以應變片既受軸向應變的影響，又受橫向應變的影響而引起電阻變化的現象稱為橫向效應。6、簡述電渦流式傳感器？答：根據法拉第電磁感應定律，塊狀金屬導體置于變化的磁場中或在磁場中作切割磁力線運動時，導體內將產生旋渦狀的感應電流，此電流叫電渦流，這種現象稱為電渦流效應，根據此效應制成的傳感器稱為電渦流式傳感器。7、什么叫“壓電效應”，“正/負壓電效應”各指的是什么？答：“壓電效應”是某些電介質若沿一定方向對其施力而使其變形時，內部產生極化現象，同時在它的兩個表面上便產生符號相反的電荷，當外力去掉

9、后，又重新恢復到不帶電的狀態(tài)。“正壓電效應”指壓電效應中機械能轉換為電能的現象，“負壓電效應”則是對電介質極化方向施加電場時，電介質會產生幾何變形現象。8、什么是霍爾效應，其元件一般可用兩種符號表示，請畫出任意一種圖形符號？答：置于磁場中的靜止載流導體，當它的電流方向與磁場方向不一致時，載流導體上平行與電流磁場方向上的兩個面之間產生電動勢，這種現象稱為霍爾效應。211'H22'11'元件圖形符號：2'9、磁電式傳感器的誤差及補償方法？答：磁電式傳感器誤差分為非線性誤差和溫度誤差兩種。當線圈內有電流流過時，會產生一定的交變磁通，此交變磁通疊加到永磁鐵所產生的工作磁

10、鐵上，使恒定的氣隙磁鐵變化而引起非線性誤差，可在傳感器中加入補償線圈抵消變磁通干擾；溫度的變化會導致磁感應強度、導體有效長度和電阻的變化，可通過熱磁分流器補償。10、什么是“光生伏特效應”，基于該效應的典型器件有哪些？答：在光線的作用下能夠使物體產生一定方向的電動勢的現象稱為光電效應，基于此效應的典型器件有光電池、光敏二極管、光敏三極管等。11、光敏電阻的主要參數有哪些，并對各個參數作出解釋？答：光敏電阻的主要參數有：l 暗電阻與暗電流：光敏電阻在不受光照射使得阻值稱為暗電阻，此時流過的電流稱為暗電流。l 亮電阻與亮電流：光敏電阻在受光照射時的電阻稱為亮電阻，此時流過的電流稱為亮電流。l 光電

11、流：亮電流與暗電流之差稱為光電流。12、論述CCD的工作原理。答：CCD是一種半導體器件，在N型或P型硅襯底上生長一層很薄的SiO2，再在SiO2薄層上依次序沉積金屬電極，這種規(guī)則排列的MOS電容數組再加上兩端的輸入及輸出二極管就構成了CCD芯片。CCD可以把光信號轉換成電脈沖信號。每一個脈沖只反映一個光敏元的受光情況，脈沖幅度的高低反映該光敏元受光的強弱，輸出脈沖的順序可以反映光敏元的位置，這就起到圖像傳感器的作用。13、光纖傳感器的工作原理。答：光導纖維工作的基礎是光的全內反射，當射入的光線的入射角大于纖維包層間的臨界角時，就會在光纖的接口上產生全內反射，并在光纖內部以后的角度反復逐次反射

12、，直至傳遞到另一端面。光纖傳感器利用光導纖維，按其工作原理來分有功能型（或稱物性型、傳感型）與非功能型（或稱結構型、傳光型）兩大類。功能型光纖傳感器其光纖不僅作為光傳播的的波導，而且具有測量的功能。非功能型光纖傳感器其光纖只是作為傳光的媒介，還需加上其他敏感元件才能組成傳感器。14、什么是光纖的數值孔徑，其意義是什么？答：數值孔徑（NA）是光纖集光本領的一個重要參數，反映光纖接收光能量的多少，其定義為:。其意義是：無論光源發(fā)射功率有多大只有入射角處于2c的光椎角內，光纖才能導光。三、大題1、對某一電壓進行12次等精度測量，測量值如下表所示，若這些測量值已消除系統(tǒng)誤差，試用格拉布斯準則判斷有誤粗

13、大誤差，并寫出測量結果。（當置信概率Pa=0.95時，n=11時，G=2.23，n=12時，G=2.28。）序號123456789101112測量值（Ui/mV）20.4220.4320.4020.3920.4120.3320.4220.3920.4120.4020.4020.43解：1) 求算術平均值及標準差估計值：算術平均值(mV)標準差估計值（mV）2) 求最大殘差的絕對值和對應的可疑值：（mV） (mV)3) 因為測量次數只有12次，次數較少所以適合用格拉布斯準則進行判斷，求格拉布斯準則判斷值：在Pa=0.95時，當n=12時，G=2.28>0.073因此，U6為粗大誤差應剔除，

14、并重新計算算術平均值和標準差估計值。4) 重新計算算術平均值和標準差估計值：算術平均值(mV)標準差估計值（mV）再次求格拉布斯準則，并判斷是否有粗大誤差：當在Pa=0.95時，n=11時，G=2.23，求得剩下11次測量值所有殘差均小于，因此，剩余值中無壞值。5) 計算算術平均值的標準差：（mV）6) 最后測量結果可表示為：（mV） Pa=99.73%2、什么是系統(tǒng)誤差？產生系統(tǒng)誤差的原因是什么？如何發(fā)現系統(tǒng)誤差？減少系統(tǒng)誤差有哪幾種方法？（20分）答：當我們對同一物理量進行多次重復測量時，如果誤差按照一定的規(guī)律性出現，則把這種誤差稱為系統(tǒng)誤差。系統(tǒng)誤差出現的原因有：工具誤差：指由于測量儀表

15、或儀表組成組件本身不完善所引起的誤差。方法誤差：指由于對測量方法研究不夠而引起的誤差。定義誤差：是由于對被測量的定義不夠明確而形成的誤差。理論誤差：是由于測量理論本身不夠完善而只能進行近似的測量所引起的誤差。環(huán)境誤差：是由于測量儀表工作的環(huán)境（溫度、氣壓、濕度等）不是儀表校驗時的標準狀態(tài)，而是隨時間在變化，從而引起的誤差。安裝誤差：是由于測量儀表的安裝或放置不正確所引起的誤差。個人誤差：是指由于測量者本人不良習慣或操作不熟練所引起的誤差。發(fā)現系統(tǒng)誤差的方法有： 實驗對比法：這種方法是通過改變產生系統(tǒng)誤差的條件從而進行不同條件的測量，以發(fā)現系統(tǒng)誤差。這種方法適用于發(fā)現不變的系統(tǒng)誤差。 剩余誤差觀

16、察法：是根據測量數據的各個剩余誤差大小和符號的變化規(guī)律，直接由誤差數據或誤差曲線圖形來判斷有無系統(tǒng)誤差。這種方法適用于發(fā)現有規(guī)律變化的系統(tǒng)誤差。 計算數據比較法：對同一量測量得到多組數據，通過計算比較數據比較，判斷是否滿足偶然誤差條件，以發(fā)現系統(tǒng)誤差。減小系統(tǒng)誤差的方法：引入更正值法替換法 差值法正負誤差相消法選擇最佳測量方案3、如圖所示電路是電阻應變儀中所用的不平衡電橋的簡化電路，圖中,其中、是固定電阻，與是電阻應變片，工作時受拉，受壓，當R=0，橋路處于平衡狀態(tài)，當應變片受力發(fā)生應變時，橋路失去平衡，這時，就用橋路輸出電壓表示應變片變后電阻值的變化量。試證明： 。證明： 當的負載為正無窮時

17、當，時，則4、根據下圖說明變隙式差動變壓器的工作原理？ABC圖中：A、B為兩個鐵芯，C為銜鐵，=、=分別為初級和次級繞組，=為鐵芯與銜鐵間的間隙，、分別為輸入和輸出電壓，為輸入電流。答：變隙式差動變壓器傳感器基于變壓器基本原理制成。根據圖中所示，因為初級繞組=，次級繞組=，且兩個初級繞組的同名端順向串聯，次級繞組同名端反向串聯，當沒有位移時，銜鐵C處于初始平衡位置，與兩個鐵芯間=，所以此時初級繞組和間的互感等于次級繞組和間的互感，這時兩個次級的互感電勢=，差動變壓器輸出電壓=-=0。當被測物體有位移時，與被測物體相連的銜鐵的位置將發(fā)生變化，使，互感，兩次級繞組的互感電勢，輸出電壓=-0，此時差

18、動變壓器有電壓輸出，此電壓的大小與極性反映被測物體位移的大小和方向。5、根據下圖描述三節(jié)螺線管式變壓器工作原理？活動銜鐵導磁外殼骨架匝數為W2a的次級繞組匝數為W1的初級繞組匝數為W2b的次級繞組答：三節(jié)螺線管式差動變壓器由一個初級繞組、兩個次級繞組和插入線圈中央的圓柱形鐵芯組成，兩個次級線圈反向串聯。當初級線圈加以激勵電壓時，根據變壓器工作原理，在兩個次級繞組上會分別產生感應電勢，若此時活動銜鐵處于初始平衡位置，則初級線圈和次級繞組間形成的兩組互感系數相等，由此，變壓器兩個次級繞組反向串聯時，產生的感應電勢相等，差值為零，即變壓器輸出電壓為零。當活動銜鐵上移時由于磁阻影響，W2a中的磁通將大

19、于W2b，使初級線圈與次級繞組W2a的互感大于與W2b形成的互感，因而在W2a端產生的感應電勢大于W2b端，反之，銜鐵下移時則情況相反，所以輸出電壓即兩個次級繞組間感應電勢的差值不為零，通過電壓差值的大小和正負關系可判斷銜鐵位移的大小和方向。基座質量塊外殼預壓彈簧壓電元件螺栓6、根據下圖描述壓電式加速度傳感器工作原理？答：如圖所示，壓電式傳感器主要由壓電元件、質量塊、預壓彈簧、基座及外殼組成，整個部件裝在外殼內，并由螺栓加以固定。當加速度傳感器和被測物一起受到沖擊振動時，壓電元件受質量塊慣性力的作用，根據牛頓第二定律，此慣性力是加速度的函數，即： 式中： F質量塊產生的慣性力； m質量塊的質量； a加速度。此時，慣性力F作用于壓電元件上，因而產生電荷q，當傳感器選定后，