傳感器與檢測(cè)技術(shù)期末考試試題與答案-2023修改整理

千里之行，始于足下讓知識(shí)帶有溫度。第第2頁(yè)/共2頁(yè)精品文檔推薦傳感器與檢測(cè)技術(shù)期末考試試題與答案第一章傳感器基礎(chǔ)

l.檢測(cè)系統(tǒng)由哪幾部分組成?說(shuō)明各部分的作用。

答：一個(gè)完整的檢測(cè)系統(tǒng)或檢測(cè)裝置通常是由傳感器、測(cè)量電路和顯示記錄裝置等幾部分組成，分離完成信息獵取、轉(zhuǎn)換、顯示和處理等功能。固然其中還包括電源和傳輸通道等不行缺少的部分。下圖給出了檢測(cè)系統(tǒng)的組成框圖。

檢測(cè)系統(tǒng)的組成框圖

傳感器是把被測(cè)量轉(zhuǎn)換成電學(xué)量的裝置，明顯，傳感器是檢測(cè)系統(tǒng)與被測(cè)對(duì)象直接發(fā)生聯(lián)系的部件，是檢測(cè)系統(tǒng)最重要的環(huán)節(jié)，檢測(cè)系統(tǒng)獵取信息的質(zhì)量往往是由傳感器的性能確定的，由于檢測(cè)系統(tǒng)的其它環(huán)節(jié)無(wú)法添加新的檢測(cè)信息并且不易消退傳感器所引入的誤差。

測(cè)量電路的作用是將傳感器的輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換成易于測(cè)量的電壓或電流信號(hào)。通常傳感器輸出信號(hào)是微弱的，就需要由測(cè)量電路加以放大，以滿足顯示記錄裝置的要求。按照需要測(cè)量電路還能舉行阻抗匹配、微分、積分、線性化補(bǔ)償?shù)刃盘?hào)處理工作。

顯示記錄裝置是檢測(cè)人員和檢測(cè)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(cè)量的大小或變化的過(guò)程。

2.傳感器的型號(hào)有幾部分組成，各部分有何意義?

依次為主稱（傳感器）被測(cè)量—轉(zhuǎn)換原理—序號(hào)

主稱——傳感器，C；

被測(cè)量——用一個(gè)或兩個(gè)漢語(yǔ)拼音的第一個(gè)大寫字母標(biāo)記。見(jiàn)附錄表2；

轉(zhuǎn)換原理——用一個(gè)或兩個(gè)漢語(yǔ)拼音的第一個(gè)大寫字母標(biāo)記。見(jiàn)附錄表3；

序號(hào)——用一個(gè)阿拉伯?dāng)?shù)字標(biāo)記，廠家自定，用來(lái)表征產(chǎn)品設(shè)計(jì)特性、性能參數(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(dòng)或變動(dòng)時(shí)，其序號(hào)可在原序號(hào)后面挨次地加注大寫字母A、B、C等，（其中I、Q不用）。

例：應(yīng)變式位移傳感器：CWY-YB-20；光纖壓力傳感器：CY-GQ-2。

3.測(cè)量穩(wěn)壓電源輸出電壓隨負(fù)載變化的狀況時(shí)，應(yīng)該采納何種測(cè)量辦法?如何舉行?

答：測(cè)定穩(wěn)壓電源輸出電壓隨負(fù)載電阻變化的狀況時(shí)，最好采納微差式測(cè)量。此時(shí)輸出電壓認(rèn)可表示為U0，U0=U+△U，其中△U是負(fù)載電阻變化所引起的輸出電壓變化量，相對(duì)U來(lái)講為一小量。假如采納偏差法測(cè)量，儀表必需有較大量程以滿足U0的要求，因此對(duì)△U，這個(gè)小量造成的U0的變化就很難測(cè)準(zhǔn)。測(cè)量原理如下圖所示：

圖中使用了高敏捷度電壓表——毫伏表和電位差計(jì)，Rr和E分離表示穩(wěn)壓電源的內(nèi)阻和電動(dòng)勢(shì)，凡表示穩(wěn)壓電源的負(fù)載，E1、R1和Rw表示電位差計(jì)的參數(shù)。在測(cè)量前調(diào)節(jié)R1使電位差計(jì)工作電流I1為標(biāo)準(zhǔn)值。然后，使穩(wěn)壓電源負(fù)載電阻R1為額定值。調(diào)節(jié)RP的活動(dòng)觸點(diǎn)，使毫伏表指示為零，這相當(dāng)于事先用零位式測(cè)量出額定輸出電壓U。正式測(cè)量開頭后，只需增強(qiáng)或減小負(fù)載電阻RL的值，負(fù)載變動(dòng)所引起的穩(wěn)壓電源輸出電壓U0的極小波動(dòng)值ΔU，即可由毫伏表指示出來(lái)。按照U0=U+ΔU，穩(wěn)壓電源輸出電壓在各種負(fù)載下的值都可以精確?????地測(cè)量出來(lái)。微差式測(cè)量法的優(yōu)點(diǎn)是反應(yīng)速度快，測(cè)量精度高，特殊適合于在線控制參數(shù)的測(cè)量。

用微差式測(cè)量辦法測(cè)量穩(wěn)壓電源輸出電壓隨負(fù)載的變化

4.某線性位移測(cè)量?jī)x，當(dāng)被測(cè)位移由4.5mm變到

5.0mm時(shí)，位移測(cè)量?jī)x的輸出電壓由3.5V減至2.5V，求該儀器的敏捷度。解：該儀器的敏捷度為

25

.40.55

.35.2-=--=

SmV/mm

5.某測(cè)溫系統(tǒng)由以下四個(gè)環(huán)節(jié)組成，各自的敏捷度如下：鉑電阻溫度傳感器：0.45Ω/℃電橋：0.02V/Ω放大器：100(放大倍數(shù))筆式記錄儀：0.2cm/V求：(1)測(cè)溫系統(tǒng)的總敏捷度；

(2)記錄儀筆尖位移4cm時(shí)，所對(duì)應(yīng)的溫度變化值。解：（1）測(cè)溫系統(tǒng)的總敏捷度為

18.02.010002.045.0=???=Scm/℃

（2）記錄儀筆尖位移4cm時(shí)，所對(duì)應(yīng)的溫度變化值為

22.2218

.04

==

t℃6.有三臺(tái)測(cè)溫儀表，量程均為0~800℃，精度等級(jí)分離為2.5級(jí)、2.0級(jí)和1.5級(jí)，現(xiàn)要測(cè)量500℃的溫度，要求相對(duì)誤差不超過(guò)2.5％，選那臺(tái)儀表合理?

解：2.5級(jí)時(shí)的最大肯定誤差值為20℃，測(cè)量500℃時(shí)的相對(duì)誤差為4％；2.0級(jí)時(shí)的最大肯定誤差值為16℃，測(cè)量500℃時(shí)的相對(duì)誤差為3.2％；1.5級(jí)時(shí)的最大肯定誤差值為12℃，測(cè)量500℃時(shí)的相對(duì)誤差為2.4％。因此，應(yīng)當(dāng)選用1.5級(jí)的測(cè)溫儀器。

7.什么是系統(tǒng)誤差和隨機(jī)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(fù)測(cè)量同一量時(shí)，誤差的大小和符號(hào)保持不變，或根據(jù)一定的邏輯變化的誤差。隨機(jī)誤差則是指在相同條件下，多次測(cè)量同一量時(shí)，其誤差的大小和符號(hào)以不行預(yù)見(jiàn)的方式變化的誤差。正確度是指測(cè)量結(jié)果與理論真值的全都程度，它反映了系統(tǒng)誤差的大小，精密度是指測(cè)量結(jié)果的簇?fù)沓潭?，它反映了隨機(jī)誤差的大小。8.聽從正態(tài)分布邏輯的隨機(jī)誤差有哪些特性?

答：聽從正態(tài)分布邏輯的隨機(jī)誤差的特性有：對(duì)稱性隨機(jī)誤差可正可負(fù)，但肯定值相等的正、負(fù)誤差浮現(xiàn)的機(jī)會(huì)相等。也就是說(shuō)f(δ)-δ曲線對(duì)稱于縱軸。有界性在一定測(cè)量條件下，隨機(jī)誤差的肯定值不會(huì)超過(guò)一定的范圍，即肯定值很大的隨機(jī)誤差幾乎不浮現(xiàn)。抵償性在相同條件下，當(dāng)測(cè)量次數(shù)n→∞時(shí)，全體隨機(jī)誤差的代數(shù)和等于零，即0lim

1

=∑=∞

→n

ii

nδ

。單峰性肯定值小的隨機(jī)誤差比肯定值大的隨機(jī)誤差出

現(xiàn)的機(jī)會(huì)多，即前者比后者的概率密度大，在δ=0處隨機(jī)誤差概率密度有最大值。9.等精度測(cè)量某電阻10次，得到的測(cè)量列如下：

R1＝167.95ΩR2＝167.45ΩR3＝167.60ΩR4＝167.60ΩR5＝167.87ΩR6＝167.88Ω

R7＝168.00ΩR8＝167.850ΩR9＝167.82ΩR10＝167.61Ω

(1)求10次測(cè)量的算術(shù)平均值R，測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)誤差σ和算術(shù)平均值的標(biāo)準(zhǔn)誤差s。(2)若置信概率取99.7％，寫出被測(cè)電阻的真值和極限值。

解：(1)求10次測(cè)量的算術(shù)平均值R，測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)誤差σ和算術(shù)平均值的標(biāo)準(zhǔn)誤差s。

Ω=+++++++++=

++=∑

=763.16710

61.16782.16785.16700.16888.16787.16760.16760.16745.16795.1671010

1

21in

RRRRΩ=++++++?++=

=-=--=∑∑∑===1824.0)153.0057.0087.0237.0108.0107.0163.02313.0187.0(9

1

9111)(11?222222222101

2

1212iiniin

iivvnxxnσΩ=

=

0577.010

1824.0n

sσ

(2)若置信概率取99.7％，被測(cè)電阻的真值為：Ω±=?±=)173.0763.167(3763.1670sR

極限值為：Ω±=?±=)547.0763.167(3763.167σm

R

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，電橋各臂的電阻分離為R1、R2、R3、R4。U為電橋的直流電源電壓。當(dāng)四臂電阻

R1=R2=R3=R4=R時(shí)，稱為等臂電橋；當(dāng)R1=R2=R,R3=R4=R’(R≠R’)時(shí)，稱為輸出對(duì)稱電橋；當(dāng)R1=R4=R，R2=R3=R’(R≠R’)時(shí)，稱為電源對(duì)稱電橋。

D

直流電橋電路

當(dāng)電橋輸出端接有放大器時(shí)，因?yàn)榉糯笃鞯妮斎胱杩购芨?，所以可以認(rèn)為電橋的負(fù)載電阻為無(wú)窮大，這時(shí)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(dá)式為

URRRRRRRRUo)

)((432142313++-=

(1)

設(shè)電橋?yàn)閱伪酃ぷ鳡顟B(tài)，即R1為應(yīng)變片，其余橋臂均為固定電阻。當(dāng)R1感觸被測(cè)量產(chǎn)生電阻增量ΔR1

時(shí)，由初始平衡條件R1R3=R2R4得3

4

21RRRR=，代入式（1），則電橋因?yàn)棣1產(chǎn)生不平衡引起的輸出電壓

為

URRRRRRURRRRU)()()(1

12

2121122120?+=?+=

(2)對(duì)于輸出對(duì)稱電橋，此時(shí)R1=R2=R,R3=R4=R’，當(dāng)R1臂的電阻產(chǎn)生變化ΔR1=ΔR，按照（2）可得到輸

出電壓為

)(4)()(20RR

UR

RRRRRU

U?=?+=(3)

對(duì)于電源對(duì)稱電橋，R1=R4=R,R2=R3=R’。當(dāng)R1臂產(chǎn)生電阻增量ΔR1=ΔR時(shí)，由式（2）得

)()(20R

R

RRRRU

U?'+'=(4)對(duì)于等臂電橋R1=R2=R3=R4=R，當(dāng)R1的電阻增量ΔR1=ΔR時(shí)，由式（2）可得輸出電壓為

)(4)()(20RRUR

RRRRRU

U?=?+=(5)

由上面三種結(jié)果可以看出，當(dāng)橋臂應(yīng)變片的電阻發(fā)生變化時(shí)，電橋的輸出電壓也隨著變化。當(dāng)ΔR<<R

時(shí)，電橋的輸出電壓與應(yīng)變成線性關(guān)系。還可以看出在橋臂電阻產(chǎn)生相同變化的狀況下，等臂電橋以及輸出對(duì)稱電橋的輸出電壓要比電源對(duì)稱電橋的輸出電壓大，即它們的敏捷度要高。因此在使用中多采納等臂電橋或輸出對(duì)稱電橋。

在實(shí)際使用中為了進(jìn)一步提高敏捷度，常采納等臂電橋，四個(gè)被測(cè)信號(hào)接成兩個(gè)差動(dòng)對(duì)稱的全橋工作形式，R1=R+ΔR,R2=R-ΔR,R3=R+ΔR,R4=R-ΔR，將上述條件代入式(1)得

?

??

???=??????????

??=RRURRUU440(6)

由式(6)看出，因?yàn)槌浞掷昧穗p差動(dòng)作用，它的輸出電壓為單臂工作時(shí)的4倍，所以大大提高了測(cè)量的敏捷度。

其次章電阻式傳感器

1.金屬電阻應(yīng)變片與半導(dǎo)體材料的電阻應(yīng)變效應(yīng)有什么不同?

答：金屬電阻的應(yīng)變效應(yīng)主要是因?yàn)槠鋷缀瓮庑蔚淖兓a(chǎn)生的，半導(dǎo)體材料的應(yīng)變效應(yīng)則主要取決于材料的電阻率隨應(yīng)變所引起的變化產(chǎn)生的。2.直流測(cè)量電橋和溝通測(cè)量電橋有什么區(qū)分?

答：它們的區(qū)分主要是直流電橋用直流電源，只適用于直流元件，溝通電橋用溝通電源，適用于全部電路元件。

3.熱電阻測(cè)量時(shí)采納何種測(cè)量電路?為什么要采納這種測(cè)量電路?說(shuō)明這種電路的工作原理。

答：通常采納電橋電路作為測(cè)量電路。為了克服環(huán)境溫度的影響常采納下圖所示的三導(dǎo)線四分之一電橋電路。因?yàn)椴杉{這種電路，熱電阻的兩根引線的電阻值被分配在兩個(gè)相鄰的橋臂中，假如tt

RR21=，則因?yàn)?/p>

環(huán)境溫度變化引起的引線電阻值變化造成的誤差被互相抵消。

4.采納阻值為120Ω敏捷度系數(shù)K=2.0的金屬電阻應(yīng)變片和阻值為120Ω的固定電阻組成電橋，供橋電壓為4V，并假定負(fù)載電阻無(wú)窮大。當(dāng)應(yīng)變片上的應(yīng)變分離為1和1000時(shí)，試求單臂、雙臂和全橋工作時(shí)的輸出電壓，并比較三種狀況下的敏捷度。

解：?jiǎn)伪蹠r(shí)40U

KUε=

，所以應(yīng)變?yōu)?時(shí)66

01024

10244--?=??==UKUε/V，應(yīng)變?yōu)?000時(shí)應(yīng)為33

010*******--?=??==UKUε/V；雙臂時(shí)

2

0U

KUε=

，所以應(yīng)變?yōu)?時(shí)

6

6

01042

10242--?=??==UKUε/V

，應(yīng)變?yōu)?000時(shí)應(yīng)為

33

01042

10242--?=??==UKUε/V；全橋時(shí)U

KUε=0，所以應(yīng)變?yōu)?時(shí)60

108-?=U/V，

應(yīng)變?yōu)?000時(shí)應(yīng)為30

108-?=U/V。從上面的計(jì)算可知：?jiǎn)伪蹠r(shí)敏捷度最低，雙臂時(shí)為其兩倍，全橋

時(shí)最高，為單臂的四倍。

5.采納阻值R=120Ω敏捷度系數(shù)K=2.0的金屬電阻應(yīng)變片與阻值R=120Ω的固定電阻組成電橋，供橋電壓為10V。當(dāng)應(yīng)變片應(yīng)變?yōu)?000時(shí)，若要使輸出電壓大于10mV，則可采納何種工作方式（設(shè)輸出阻抗為無(wú)窮大）？

解：因?yàn)椴恢呛畏N工作方式，可設(shè)為n，故可得：

10101023

0n

nUKU-??==εmV

得n要小于2，故應(yīng)采納全橋工作方式。

6.如圖所示為向來(lái)流電橋，供電電源電動(dòng)勢(shì)E=3V，R3=R4=100Ω，R1和R2為同型號(hào)的電阻應(yīng)變片，其電阻均為50Ω，敏捷度系數(shù)K=2.0。兩只應(yīng)變片分離粘貼于等強(qiáng)度梁同一截面的正反兩面。設(shè)等強(qiáng)度梁在受力后產(chǎn)生的應(yīng)變?yōu)?000，試求此時(shí)電橋輸出端電壓U0。

R2

題6圖

解：此電橋?yàn)檩敵鰧?duì)稱電橋，故152

1053223

0=???==-UKUε/mV

7.光敏電阻有哪些重要特性，在工業(yè)應(yīng)用中是如何發(fā)揮這些特性的？

答：光敏電阻是采納半導(dǎo)體材料制作，利用內(nèi)光電效應(yīng)工作的光電元件。它的重要特性是在無(wú)光照時(shí)阻值

十分大，相當(dāng)于斷路，有光照時(shí)阻值變得很小，相當(dāng)于通路。在工業(yè)應(yīng)用中主要就是通過(guò)光的變化來(lái)各種電路的控制。

第三章電容式傳感器

1.試分析變面積式電容傳感器和變間隙式電容的敏捷度?為了提高傳感器的敏捷度可實(shí)行什么措施并應(yīng)注重什么問(wèn)題?

答：如圖所示是向來(lái)線位移型電容式傳感器的暗示圖。

當(dāng)動(dòng)極板移動(dòng)△x后，籠罩面積就發(fā)生變化，電容量也隨之轉(zhuǎn)變，其值為

C=εb（a-△x）/d=C0-εb·△x/d（1）

電容因位移而產(chǎn)生的變化量為

a

xCxd

b

CCC?-=?-

=-=?0

0ε其敏捷度為

d

b

xCKε-=??=

可見(jiàn)增強(qiáng)b或減小d均可提高傳感器的敏捷度。

直線位移型電容式傳感器

2.為什么說(shuō)變間隙型電容傳感器特性是非線性的?實(shí)行什么措施可改善其非線性特征?

答：下圖為變間隙式電容傳感器的原理圖。圖中1為固定極板，2為與被測(cè)對(duì)象相連的活動(dòng)極板。當(dāng)活動(dòng)極板因被測(cè)參數(shù)的轉(zhuǎn)變而引起移動(dòng)時(shí)，兩極板間的距離d發(fā)生變化，從而轉(zhuǎn)變了兩極板之間的電容量C。

設(shè)極板面積為A，其靜態(tài)電容量為d

ACε=

，當(dāng)活動(dòng)極板移動(dòng)x后，其電容量為

2

2

011d

xdx

CxdAC-+

=-=ε(1)

當(dāng)x<<d時(shí)

1122≈-dx則)1(0d

x

CC+=(2)

由式（1）可以看出電容量C與x不是線性關(guān)系，惟獨(dú)當(dāng)x<<d時(shí)，才可認(rèn)為是最近似線形關(guān)系。同時(shí)還可以看出，要提高敏捷度，應(yīng)減小起始間隙d過(guò)小時(shí)。但當(dāng)d過(guò)小時(shí)，又簡(jiǎn)單引起擊穿，同時(shí)加工精度要求也高了。為此,普通是在極板間放置云母、塑料膜等介電常數(shù)高的物質(zhì)來(lái)改善這種狀況。在實(shí)際應(yīng)用中，為了提高敏捷度，減小非線性，可采納差動(dòng)式結(jié)構(gòu)。

3.有一平面直線位移差動(dòng)傳感器特性其測(cè)量電路采納變壓器溝通電橋，結(jié)構(gòu)組成如圖所示。電容傳感器起始時(shí)b1=b2=b=200mm，a1=a2=20mm極距d=2mm，極間介質(zhì)為空氣，測(cè)量電路u1=3sinωtV，且u=u0。試求當(dāng)動(dòng)極板上輸入一位移量△x=5mm時(shí),電橋輸出電壓u0。

ui

題3圖

解：按照測(cè)量電路可得

ttuaxuCCuuii??sin750sin320

5

00=?=?=?=

=/mV4.變間隙電容傳感器的測(cè)量電路為運(yùn)算放大器電路，如圖所示。C0=200pF，傳感器的起始電容量Cx0=20pF,定動(dòng)極板距離d0=1.5mm,運(yùn)算放大器為抱負(fù)放大器(即K→∞,Zi→∞),Rf極大,輸入電壓u1=5sinωtV。求當(dāng)電容傳激動(dòng)極板上輸入一位移量△x=0.15mm使d0減小時(shí),電路輸出電壓u0為多少?

i

解：由測(cè)量電路可得

?

?sin

45

sin

5

15

.0

5.1

5.1

20

200

=

?

-

?

=

?

-

-

=

-

=t

u

x

d

d

C

C

u

C

C

u

i

x

i

x

/V

5.如圖3-22所示正方形平板電容器,極板長(zhǎng)度a=4cm,

極板間距離δ=0.2mm.若用此變面積型傳感器測(cè)量位移x,試計(jì)算該傳感器的敏捷度并畫出傳感器的特性曲線.極板間介質(zhì)為空氣,F/m

10

85.812-

?

=

ε。

解：這是個(gè)變面積型電容傳感器，共有4個(gè)小電容并聯(lián)組成。

32

.

28

10