成都理工大学传感器期末考试试题.docx

1、成都理工大学传感器期末考试试题成都理工大学传感器原理与应用试题1一填空(每空1分,共20分)1通常传感器由敏感元件、转换元件、基本转换电路三部分组成， 是能把外界非电量转换成电量的器件和装置。.金属丝在外力作用下发生机械形变时它的电阻值将发生变化,这种现象称应变效应;半导体或固体受到作用力后电阻率要发生变化,这种现象称压阻效应。直线的电阻丝绕成敏感栅后长度相同但应变不同，圆弧部分使灵敏度K下降了,这种现象称为横向效应。.螺线管式差动变压器式传感器理论上讲，衔铁位于中心位置时输出电压为零,而实际上差动变压器输出电压不为零,我们把这个不为零的电压称为零点残余电压；利用差动变压器测量位移时如果要求区

2、别位移方向(或正负)可采用相敏检波电路。4.把一导体(或半导体)两端通以控制电流,在垂直方向施加磁场B，在另外两侧会产生一个与控制电流和磁场成比例的电动势,这种现象称霍尔效应，这个电动势称为霍尔电势。外加磁场使半导体（导体)的电阻值随磁场变化的现象成磁阻效应。5.某些电介质当沿一定方向对其施力而变形时内部产生极化现象，同时在它的表面产生符号相反的电荷,当外力去掉后又恢复不带电的状态，这种现象称为正压电效应；在介质极化方向施加电场时电介质会产生形变，这种效应又称逆压电效应。6.在光线作用下电子逸出物体表面向外发射称外光电效应;入射光强改变物质导电率的现象称光电导效应;半导体材料吸收光能后在PN结

3、上产生电动式的效应称光生伏特效应。7、块状金属导体置于变化的磁场中或在磁场中作切割磁力线运动时,导体内部会产生一圈圈闭合的电流，利用该原理制作的传感器称电涡流传感器；这种传感器只能测量金属物体。8、不同的金属两端分别连在一起构成闭合回路，如果两端温度不同，电路中会产生电动势，这种现象称热电效应;若两金属类型相同两端温度不同，加热一端时电路中电动势E 0。二 选择题(每空1分,共0分)电阻应变片 磁敏电阻 霍尔元件 气敏传感器 湿敏传感器光电耦合器 压电传感器电容传感器热敏电阻CD电荷耦合器压阻式传感器 光纤传感器 磁电传感器 光电二极管 差动变压器热释电器件 磁敏晶体管 电涡流传感器 光电池

4、超声波传感器热电偶 红外传感器色敏传感器正确选择以上传感器填入以下空内:1可以进行位移测量的传感器有光纤传感器、差动变压器、电阻传感器；可以完成温度测量的有热电偶、热敏电阻;热释电;3半导体式传感器是磁敏、霍尔元件、气敏传感器、压阻传感器；光电传感器有光电耦合器、色敏传感器、光纤传感器、光电二极管;5用于磁场测量的传感器霍尔器件、磁敏晶体管;6进行振动(或加速度)测量的传感器磁电传感器、压电传感器；利用物体反射进行非电量检测的传感器超声波传感器、红外传感器；三计算(每题5分，共0分)、图为一直流应变电桥,E = 4V，1=R2R3R43，求:R为应变片其余为外接电阻，R1增量为R=3.5时输出

5、U0？。1、R是应变片,感受应变极性大小相同其余为电阻，电压输出0=？。R1、R2感受应变极性相反,输出0=?。R1、R、R3、R都是应变片,对臂同性,邻臂异性,电压输出0=?。解：2石英晶体加速计及电荷放大器测量机械振动，已知加速度计灵敏度为5pc/,电荷放大器灵敏度为50pc,当机器达到最大加速度时的相应输出电压幅值为V,试求机械的振动加速度(单位g)。解：四 问答题(每题分，共1分）1压力传感器测量砝码数据如下,试解释这是一种什么误差,产生这种误差的原因是什么。N（g） 0 .0 正行程(mv)01.5 2.5 3 3.5反行程(v).51 2 2.53.解:迟滞误差;静态误差；传感器本

6、身材料的缺陷造成。2解释下列磁敏传感器：磁敏电阻与磁敏晶体管有哪些不同?磁敏晶体管与普通晶体管的不同之处是什么？磁敏电阻与霍尔元件属同一类磁电转换元件，在本质上有什么不同?解：磁敏晶体管有放大作用; 普通晶体管无磁灵敏度;3磁敏电阻不能区别磁极性。五 电路分析（每题5分,共2分）1。下图左是电容式差压传感器，金属膜片与两盘构成差动电容C1、2 ,两边压力分别为P、P2。下图右为二极管双T型电路,电路中电容是左图中差动电容,UE电源是占空比为50%的方波。试分析:当两边压力相等1=P2时负载电阻RL上的电压U0值； 当1P2时负载电阻L上电压0大小和方向(正负）。 解:U0=0 U=fM（1C2

7、）因为 1 C2所以 U0 0 ，输出负电压。图为酒精测试仪电路,A是显示驱动器。问:TGS812是什么传感器？2、脚是传感器哪个部分,有什么作用?分析电路工作原理,调节电位器P有什么意义?解：气敏传感器；利用半导体表面因吸附气体引起半导体元件电阻值变化，根据这一特性，从阻值的变化检测出气体的种类和浓度加热电极，可加速还原反应提高气敏传感器灵敏度;调节测量系统的测量范围和满度值。3。图为光电传感器电路,S1是光电断路器。分析电路工作原理:当用物体遮挡光路时晶体三极管T状态是导通还是截止?二极管是一个什么器件，在电路中起到什么作用？如果二极管反相连接晶体管VT状态如何？解:截止； 红外发射管,起

8、控制作用； 截止。下图是电阻应变仪电路框图，电桥采用交流供电,应变信号为一正弦变化的信号频率为2H,振荡频率Kz。请画出放大器、相敏检波器、低通滤波器的输出波形示意图。成都理工大学传感器原理与应用试题2（80分)1在右下图所示的电桥中，R11000,R3=00，2=F时电桥平衡。电容C4是多少?（5分) 答:根据平衡条件，C4 C2 R1/ R3=1001500.7F。2作为光波m红外线的传感器材料有哪些？（5分)答：有ISb，Hg0.8d0Te等材料。在用光开关检测物体的系统中，指出输出电压的时间波形。（5分)答:光进入受光器输出电压为0V,光不进入,输出6V,所以右图为所示波形。4由光电二

9、极管二维阵列组成面型传感器进行图像检测,对图像的分辨率由光电二极管的个数决定,试说明理由。（5分)答：面型传感器由许多销的单元构成二维平面，其中每一个小单元都是一个光电二极管，称为像素。用面型传感器测量物体的形状所得的图像的分辨率最高只能是一个像素。如果所测得图像长为l ，对应N个像素,分辨率为l/N。假设为200，则分辨率最高只能使1/20。5高温加热的钢板为红色,当温度继续升高时变为白色，试说明原因。(5分)答:与温度相对应，物体放射出具有一定波长分布的光,高温时，所有波长的能量增大，波长分布的峰值向短波长方向移动。对应于黑体的波长分布可由普朗克分布规则求得。100。的钢板，波长分布的峰值

10、在近红外区域，发出的光波长在0以上，属于可视光的红光区域，因此看到的光呈现红色。温度升高使得波长分布的峰值向短波方向移动。可视光的短波成分增加，可视光所有波长成分混合使钢板颜色接近白色。6.试举坑内甲烷气体量传感器的例子。(5分）试举工厂排水污浊监视用传感器的例子。试举汽车排气成分调整用传感器的例子。答：接触燃烧式气体传感器。氧气传感器。氧气气体传感器。7.已知某压力传感器的测定范围为0100P,输入特性表示为y=10（x-0.00002+0)请问这种传感器能使用吗？(5分）答:dy/dx=1-004x。微分值在x743Pa时为负,故不能使用。8某C2气体传感器在20。，浓度范围为0100pm

11、时的输入特性表示为Rxx+250（k),用差动法回答以下问题（其中R10，E=2）: （15分)利用最简单的电阻-电压变换电路，绘出X,的关系图。 利用电桥进行电阻-电压变换电路,绘出20 。C时X,V0的关系图。另外，当30。C时，Rx=x+0(k)，在同一张图上再加上，V0的关系图，然后进行比较。 采用两个差动法的传感器电路绘出2。C,30。C时X,的关系,然后与（2）中的图形进行比较。 答:2。C时,00ppm对应得电阻变化为20350 k。o 在478663mV之间变化。 如果R210M,R=2 k，20。C时,在18.8mV之间变化。30。C时0在46.46(pm）64.4mV(0p

12、)之间变化。 20。C时，V0为08.85V,30。C时V0为0179V，如果零点不随温度变化，灵敏度约降低9%。但相对（2）得情况来说有很大的改善。9.设阻抗Rs为1俄信号源与100的动力线有0m的并行走线距离,静电感应所产生的噪声电压为多少?分布电容设为10pF/m。(10分)答：感应电压=2fSV，以56z,S=1k, VN=1代入,并保证单位一致,得：感应电压=260*0*112*1000V=1.8*2V1(）采用超声波或光脉冲信号，由从对象反射回来的脉冲的时间进行距离检测，空气中的音速为40/，软钢中纵波的因素为5900 m/s，光的速度为*108 m/s，求这三种情况下1 ms的往

13、复时间对应得距离。根据计算结果,比较采用光脉冲所需要系统得信号处理速度要比采用超声波脉冲时的系统速度快几倍？（2)根据（1）的结果,讨论利用脉冲往复时间测距,采用超声波和光波各有什么特点。(10分）答：(1)ms的时间内超声波在空气和软钢中的传播距离分别为0.m和3.0m，而光的传播距离为.5* ，故要求有1倍高的处理速度。（2）采用光时,1的处理速度只能测量10m以上的距离，不能进行近距离测量。如果要求分辨力为1m，则要求1n的处理速度。所以光脉冲法用于远距离分辨率要求不高的场合，而超声波用于近距离测量。11为了实现以下目的，试从低通、高通、带通和带阻滤波中选择最合适的一种:(10分)除去麦

14、克风中混入的广播电波信号;从天线接收的电视波中仅选择第三频道; 除去混入所取出的脑电波信号中的电力线频率（频率为0Hz）干扰。 答：(1）因为要除去高频成分，故选用低通滤波器。(2）要消除第二通道以下和第三通道以上的频率成分,故选用带通滤波器。（)要消除特定成分的频率成分,故选用带阻滤波器。成都理工大学传感器原理与应用试题3一、填空：(20分每题2分）2.测量系统的静态特性指标主要有。线性度、迟滞、重复性、分辨力、稳定性、温度稳定性、各种抗干扰稳定性等霍尔元件灵敏度的物理意义是。表示在单位磁感应强度相单位控制电流时的霍尔电势的大小。4光电传感器的理论基础是光电效应。通常把光线照射到物体表面后产

15、生的光电效应分为三类。第一类是利用在光线作用下光电子逸出物体表面的外光电效应,这类元件有光电管、光电倍增管；第二类是利用在光线作用下使材料内部电阻率改变的内光电效应,这类元件有光敏电阻;第三类是利用在光线作用下使物体内部产生一定方向电动势的光生伏特效应,这类元件有光电池、光电仪表。2.热电偶所产生的热电势是由两种导体的接触电势和单一导体的温差电势组成的,其表达式为E(,T)=。在热电偶温度补偿中，补偿导线法(即冷端延长线法)是在连接导线和热电偶之间，接入延长线它的作用是将热电偶的参考端移至离热源较远并且环境温度较稳定的地方，以减小冷端温度变化的影响。变气隙式自感法感器,当街铁移动靠近铁芯时,铁

16、芯上的线圈电感量(增加减小不变）8仪表的精度等级是用仪表的( 相对误差 绝对误差 引用误差）来表示的。. 电容传感器的输入被测量与输出被测量间的关系,除( 变面积型 变极距型 变介电常数型）外是线性的。10差动变压器式传感器理论上讲，衔铁位于中心位置时输出电压为零,而实际上差动变压器输出电压不为零，我们把这个不为零的电压称为零点残余电压;利用差动变压器测量位移时如果要求区别位移方向（或正负）可采用相敏检波电路。二、用镍铬镍硅势电偶测量某低温箱温度，把热电偶直接与电位差计相连接。在某时刻,从电位差计测得热电热为1.19mv，此时电位差计所处的环境温度为15，试求该时刻温箱的温度是多少度？(20分

17、)镍铬镍硅热电偶分度表测量端温度0234569热电动势(mv)0-0.7-0.81084-0880.920.-0.99-103-107-11010-.9-0.430.7-0.51-.550.59-.62-0.66-.70-0.74-0-0.0-0.4-0.-0.1-0.6-020-0.3-0.7-0.305+0.00.040.080.20.6020.240280.32.36+100.0.480520.560.60.60680.72.76+20800840.0.92.961.01.1081121.1解:现在设温箱的温度是t 那么E（ )-1.19mv,（t 5）=E( 0）-E（15 ), 其中

18、查表可知:E(1 0)=0.0mv,则E（t 0）=-.1+.60.59mv, 查表可知:t=5三、电路分析(每题10分,共20分)o下图左是电容式差压传感器,金属膜片与两盘构成差动电容1、C2 ,两边压力分别为P、P2。下图右为二极管双T型电路,电路中电容是左图中差动电容,U电源是占空比为5的方波。试分析：当两边压力相等=2时负载电阻RL上的电压U0值;当PP2时负载电阻上电压U0大小和方向(正负）。 解：U0 U0=UfM（C1-）因为 C1 2所以 U0 ,输出负电压。o图为酒精测试仪电路,是显示驱动器。问： TGS1是什么传感器？ 2、5脚是传感器哪个部分,有什么作用？ 分析电路工作原

19、理，调节电位器RP有什么意义? 解:气敏传感器;加热电极，可加速还原反应提高气敏传感器灵敏度；调节测量系统的测量范围和满度值。四、下面是热电阻测量电路,试说明电路工作原理并计算(5分）1 已知Rt是Pt00铂电阻,且其测量温度为T=5,试计算出Rt的值和Ra的值(0分）2. 电路中已知R、R2、R3和E，试计算电桥的输出电压VAB。（分)其中(R1=10K，2=5,R3=10,5伏)答:该热电阻测量温度电路由热敏电阻、测量电阻和显示电表组成。图中G为指示电表,R1、R、3为固定电阻,Ra为零位调节电阻。热电阻都通过电阻分别为2、r3、Rg的三个导线和电桥连接,r2和分别接在相邻的两臂，当温度变

20、化时，只要它们的R分别接在指示电表和电源的回路中,其电阻变化也不会影响电桥的平衡状态，电桥在零位调整时，应使R4=R+R0为电阻在参考温度(如0C）时的电阻值。三线连接法的缺点之一是可调电阻的接触电阻和电桥臂的电阻相连,可能导致电桥的零点不稳。成都理工大学传感器原理与应用试题一、填空题:(30分）1、传感器是能感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置传感器通常由直接响应于被测量的敏感元件和产生可用信号输出的转换元件以及相应的信号调节转换电路组成。2、电阻应变片式传感器按制造材料可分为 金属 材料和 半导体材料。它们在受到外力作用时电阻发生变化,其中金属材料的电阻变化主要是由

21、电阻应变效应形成的，而半导体材料的电阻变化主要是由 压阻效应造成的。半导体材料传感器的灵敏度较大。3、在变压器式传感器中,原方和副方互感M的大小与绕组匝数成正比，与穿过线圈的磁通成正比,与磁回路中_磁阻_成反比，而单个空气隙磁阻的大小可用公式表示。4、测量过程中存在着测量误差，按性质可被分为绝对误差、相对误差和引用误差三类,其中绝对误差_可以通过对多次测量结果求_平均_ 的方法来减小它对测量结果的影响。5、光电传感器的工作原理是基于物质的光电效应,目前所利用的光电效应大致有三大类:第一类是利用在光线作用下材料中电子溢出表面的现象,即外光电效应,光电管以及光电倍增管传感器属于这一类；第二类是利用

22、在光线作用下材料电阻率发生改变现象，即内光电效应。光敏电阻传感器属于这一类。第三类是利用在光线作用下光势垒现象,即光生伏特效应，光敏二极管及光敏三极管传感器属于这一类。6、热电偶所产生的热电势是由两种导体的接触电势和单一导体的温差电势组成。其表达式为Eb（T，T= )。在热电偶温度补偿中,补偿导线法(即冷端延长线法)是把连接导线与热电偶配接。它的作用是将热电偶的参考端移至离热源较远并且环境温度较稳定的地方,以减小冷端温度变化的影响。二、问答题：（30分）1、什么是传感器动态特性和静态特性,简述在什么频域条件下只研究静态特就能够满足通常的需要,而在什么频域条件下一般要研究传感器的动态特性？（10

23、分）答：传感器的特性是指传感器所特有性质的总称。而传感器的输入输出特性是其基本特性,一般把传感器作为二端网络研究时，输入输出特性是二端网络的外部特性，即输入量和输出量的对应关系。由于输入量的状态（静态、动态)不同分静态特性和动态特性。静态特性是指当输入量为常量或变化极慢时传感器输入输出特性。动态特性指当输入量随时间变化时传感器的输入-输出特性。可以从时域和频域来研究动态特性、简述霍尔电势产生的原理。(10分）答:一块半导体薄片置于磁感应强度为B的磁场(磁场方向垂直于薄片）中，当有电流I流过时,电子受到洛仑兹力作用而发生偏转。结果在半导体的后端面上电子有所积累。而前端面缺少电子,因此后端面带负电

24、,前端面带正电,在前后端面形成电场，该电场产生的力阻止电子继续偏转当两力相平衡时，电子积累也平衡，这时在垂直于电流和磁场的方向上将产生电场，相应的电势称为霍尔电势UH。、分析应变片式传感器在使用单臂电桥测量电路时由于温度变化而产生测量误差的过程。(10分）答:在外界温度变化的条件下，由于敏感栅温度系数及栅丝与试件膨胀系数(）之差异性而产生虚假应变输出有时会产生与真实应变同数量级的误差。三、分析、计算题：(0分)、分析如图1所示自感传感器当动铁心左右移动（,x2发生变化时自感L变化情况。已知空气所隙的长度为x1和，空气隙的面积为S,磁导率为,线圈匝数W不变）。（10分）解:， 又空气隙的长度x和

25、x各自变而其和不变,其他变量都不变故L不变。2、分析如图所示变介质平板电容传感器,电容(C）变化对液位变化（)的灵敏度。已知长方形极板的长为,高为h,极板间距离为，容器内下面介质的高度为x(x h)，介电常数为2,容器内上面介质的介电常数为1。(10分)3、设5次测量某物体的长度,其测量的结果分别为:.810.10.1910.厘米，若忽略粗大误差和系统误差,试求在9.7%的置信概率下,对被测物体的最小估计区间。(1分）解:分别为-020010102、在对量程为10MP的压力传感器进行标定时,传感器输出电压值与压力值之间的关系如下表所示,简述最小二乘法准则的几何意义，并讨论下列电压-压力直线中哪

26、一条最符合最小二乘法准则？（10分)测量次数I1235压力xi(Ma）2481电压yi(V）10.4320.093015340.2850.072（)y5.0x-1.05（2）y=.0x+0.0（3)y0.00x-1.5（4）y-5.0-105（5）y.0x+00答:最小二乘法准则的几何意义在于拟和直线精密度高即误差小。将几组分别带入以上五式,与y值相差最小的就是所求,(5）为所求。成都理工大学传感器原理与应用试题5一、填空：（2分)3.光电传感器的工作原理是基于物质的光电效应,目前所利用的光电效应大致有三大类：第一类是利用在光线作用下光电子逸出物体表面的外光电效应,这类器件有光电管、光电倍增管

27、等；第二类是利用在光线作用下使材料内部电阻率改变的内光电效应,这类器件有光敏电阻等；第三类是利用在光线作下使物体内部产生一定方向电动势的光生伏特效应,这类器件有光电池、光电仪表。压磁式传感器的工作原理是：某些铁磁物质在外界机械力作用下,其内部产生机械应力,从而引起极化现象,这种现象称为_压磁效应。相反，某些铁磁物质在外界磁场的作用下会产生机械变形，这种现象称为磁致伸缩效应。5.磁电式传感器是利用导体和磁场发生相对运动而在导体两端产生感应电势的。而霍尔式传感器利用霍尔元件在磁场中有电磁效应（霍尔效应)而输出电势的。霍尔式传感器可用来测量电流，磁场，位移,压力。6.测量过程中存在着测量误差。绝对误

28、差是指测量值与被测量真实值之间的差值其表达式为；相对误差是指绝对误差与被测量真实值的比值其表达式为;引用误差是指绝对误差与测量仪表的上量限（满度)值的百分比其表达式为7.光栅传感器中莫尔条纹的一个重要特性是具有位移放大作用。如果两个光栅距相等，即W=0.02m，其夹角=0.1，则莫尔条纹的宽度=11.43莫尔条纹的放大倍数K573.2。8.测量系统的静态特性指标通常用输入量与输出量的对应关系来表征。10. 同位素的原子核在没有外力作用下自动发生衰变，衰变中释放出、射线,这种现象称为核衰变。二、寄生电容与电容传感器相联时影响传感器的灵敏度,它的变化为虚假信号影响传感器的精度。试阐述消除和减小寄生

29、电容影响的几种方法和原理。（15分）解：电容式传感器内极板与其周围导体构成的“寄生电容”却较大,不仅降低了传感器的灵敏度，而且这些电容（如电缆电容)常常是随机变化的，将使仪器工作很不稳定，影响测量精度。因此对电缆的选择、安装、接法都有要求。若考虑电容传感器在高温、高湿及高频激励的条件下工作而不可忽视其附加损耗和电效应影响时,其等效电路如图4-8所示。图中包括引线电缆电感和电容式传感器本身的电感;C0为传感器本身的电容;p为引线电缆、所接测量电路及极板与外界所形成的总寄生电容，克服其影响，是提高电容传感器实用性能的关键之一； Rg为低频损耗并联电阻,它包含极板间漏电和介质损耗；Rs为高湿、高温、高频激励工作时的串联损耗电组,它包含导线、极板间和金属支座