《傳感器與檢測技術(shù)》習題集6及答案

《傳感器與檢測技術(shù)》習題6

一、選擇與填空題：（12分）

1、變面積式自感傳感器，當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?、鄄蛔儯?。

2、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）

4、傳感器是傳感器通常

由直接響應于被測量和產(chǎn)生可用信號輸出的

以及相應的組成。

5、熱電偶所產(chǎn)生的熱電熱勢是由電勢和

電勢組成。

6、偏差式測量是指在的方法;

零位測量是指的方法；微差式測量

是指的方法o

二、簡答題：（44分）

1、光纖傳感器的工作原理。（4分）

2、什么叫做熱電動勢、接觸電動勢和溫差電動勢？說明熱電偶

測溫原理及其工作定律的應用。分析熱電偶測溫的誤差因素，并說明

減小誤差的方法（5分）

3、人們說，SMART傳感器代表著今后傳感器發(fā)展的總趨勢，為

什么？（5分）

4、簡述電阻應變片式傳感器的工作原理。（4分）

5、什么是傳感器靜態(tài)特性。（4分）

6、改善傳感器性能的技術(shù)途徑？（4分）

7、什么是系統(tǒng)誤差？系統(tǒng)誤差產(chǎn)生的原因是什么？如何減小系

統(tǒng)誤差？（6分）

8、什么是傳感受器的可靠性？可靠性設(shè)計程序和原則是什么？

（6分）

9、什么是傳感器的失效？失效有哪幾種？失效分析方法有哪幾

種？（6分）

三、分析、計算題：（24分）

1、分析（線性）電位器式傳感器由于測量線路中的負載電阻RL

帶來的負載誤差，并計算它與位移x之間的關(guān)系：（8分）

2、分析如圖1所示自感傳感器當動鐵心左右移動（xl,x2發(fā)生

變化）時自感L變化情況。已知空氣氣隙的長度為xlx2,空氣隙的

面積為S,磁導率為H線圈匝數(shù)W不變。（8分）

1

3、測得某檢測裝置的一組輸入輸出數(shù)據(jù)如下:

X0.92.53.34.55.76.7

Y1.11.62.63.24.05.0

試用最小二乘法擬合直線，求其線性度和靈敏度（8分）

四、設(shè)計題（30分）

1、利用所學知識，設(shè)計一套濕度傳感器（包括敏感元件的選擇、

測量電路的設(shè)計、采用溫度補償及抗干擾措施）。（10分）

2、設(shè)計一套智能測溫傳感器。要求：測溫范圍-10—40℃,A/D

轉(zhuǎn)換為10位數(shù)字（包括硬件和軟件）。（20分）

《傳感器與檢測技術(shù)》習題6答案

一、選擇與填空題：（12分）

1、變面積式自感傳感器，當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?、鄄蛔儯?。

2、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）

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于被測量敏感元件和產(chǎn)

生可用信號輸出的轉(zhuǎn)換元件以及相應的信號調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換電路組成。

5、熱電偶所產(chǎn)生的熱電熱勢是由兩種導體的接觸電勢和

單一導體的溫差電勢組成。

6、偏差式測量是指在測量過程中，用儀表指針的位移（即偏差）

決定被測量的方法:零位測量是指在測量過程中，用指零儀表的零位

指示，檢測測量系統(tǒng)的平衡狀態(tài)；在測量系統(tǒng)達到平衡時，用已知的

基準量決定被測未知量的方法;微差式測量是指綜合了偏差式測量法

與零位式測量法的優(yōu)點而提出的方法。

二、簡答題：（44分）

1、光纖傳感器的工作原理。（4分）

答：光導纖維工作的基礎(chǔ)是光的全內(nèi)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(chǎn)生全內(nèi)反射，

并在光纖內(nèi)部以后的角度反復逐次反射，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(jié)構(gòu)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。

2、什么叫做熱電動勢、接觸電動勢和溫差電動勢？說明熱電偶

測溫原理及其工作定律的應用。分析熱電偶測溫的誤差因素，并說明

減小誤差的方法（5分）

答：①熱電動勢：兩種不同材料的導體（或半導體）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體的性質(zhì)及接

觸點的溫度，而與導體的形狀和尺寸無關(guān)。

③溫差電動勢：是在同一根導體中，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“熱電效應二

所謂熱電效應，就是當不同材料的導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?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中間導體定律

熱電偶測溫時，若在回路中插入中間導體，只要中間導體兩端的

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，連接導線及顯示一起等均可看成中間導體。

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To時的熱

電勢等于該熱電偶熱端為T冷端為L時的熱電勢與同一熱電偶熱端

為Tn，冷端為To時熱電勢的代數(shù)和。

應用：對熱電偶冷端不為0℃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?shù)难a償線

路。

C參考電極定律

如果A、B兩種導體(熱電極)分別與第三種導體C(參考電極)

組成的熱電偶在結(jié)點溫度為(T,To)時分別為EAC(T,T°),EBC(T,T0),

那么在相同溫度下，又A、B兩熱電極配對后的熱電勢為

EAB(T,T0)=EAC(T,T0)-EBC(T,T0)

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)熱電極與標準箱電極配對的熱電勢，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，而不需逐個進行測定。

⑥誤差因素：參考端溫度受周圍環(huán)境的影響

措施：①0℃恒溫法

②計算修正法（冷端溫度修正法）

③儀表機械零點調(diào)整法

④熱電偶補償法

⑤電橋補償法

⑥冷端延長線法

3、人們說，SMART傳感器代表著今后傳感器發(fā)展的總趨勢，為

什么？（5分）

答：傳感器在經(jīng)歷了模擬量信息處理和數(shù)字量交換這兩個階段

后，正朝著智能化、集成一體化、小型化方向發(fā)展，利用微處理機技

術(shù)使傳感器智能化是在80年代新型傳感器的一大進展，通常稱之為

SMART傳感器。它有如下功能和特點：

①功能

a）自補償功能：如非線性、溫度誤差響應時間等的補償。

b）自診斷功能：如在接通電源時自檢。

c）微處理器和基本傳感器之間具有雙向通信功能，構(gòu)成一死

循環(huán)工作系統(tǒng)。

d）信息存儲和記憶功能

e）數(shù)字量輸出和顯示

②優(yōu)點：

a）精度高，可通過軟件來修正非線性，補償溫度等系統(tǒng)誤差,

還可補償隨機誤差，從而使精度大為提高。

b）有一定的可編程自動化能力。包括指令和數(shù)據(jù)存儲、自動

調(diào)零、自檢等。

c）功能廣。智能傳感器可以有多種形式輸出，通過串口、并

口、面板數(shù)字控制數(shù)或CRT顯示，并配打印機保存資料。

d）功能價格比大。在相同精度條件下，多功能智能傳感器比

一功能普通的傳感器性能價格比大。

由此可見，智能（SMART）化設(shè)計是傳感器傳統(tǒng)設(shè)計中的一次

革命，是世界傳感器的發(fā)展趨勢。

4、簡述電阻應變片式傳感器的工作原理。（4分）

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(chǎn)生

機械變形時，它的電阻值相應發(fā)生變化。

5、什么是傳感器靜態(tài)特性。（4分）

答：傳感器的靜態(tài)特性是指當輸入量為常量或變化極慢時傳感器

輸入一輸出特性。

6、改善傳感器性能的技術(shù)途徑？（4分）

答：進行可靠性設(shè)計。其典型的設(shè)計程序如下：

首先是明確可靠性指標，產(chǎn)品的可靠性指標應與產(chǎn)品的功能、性

能一起被確定?？煽啃灾笜藨袭a(chǎn)品的特點，它可以是單一的可靠

性特征值，也可以是由多個可靠性特征值構(gòu)成的可靠性指標體系，確

定產(chǎn)品可靠性指標以后的可靠性設(shè)計程序依次：建立系統(tǒng)可靠性模

型；可靠性分配；可靠性分析；可靠性預測；可靠性設(shè)計和評審；試

制品的可靠性試驗和最終的改進設(shè)計。

可靠性設(shè)計的原則是：首先要盡量簡單，元件少、結(jié)構(gòu)簡單、工

藝簡單、使用簡單、維修簡單，其次是技術(shù)上成熟、選用合乎標準的

原材料和元件、采用保守的設(shè)計方案。對于看似先進但不夠成熟的產(chǎn)

品或技術(shù)應持慎重的態(tài)度。采用局部失效不致對全局造成嚴重后果和

預測可靠性高的方案。

7、什么是系統(tǒng)誤差？系統(tǒng)誤差產(chǎn)生的原因是什么？如何減小系

統(tǒng)誤差？（6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(xiàn)，則把這種誤差稱為系統(tǒng)誤差。

系統(tǒng)誤差出現(xiàn)的原因有：

①工具誤差：指由于測量儀表或儀表組成組件本身不完善所引

起的誤差。

②方法誤差：指由于對測量方法研究不夠而引起的誤差。

③定義誤差：是由于對被測量的定義不夠明確而形成的誤差。

④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。

⑤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。

⑥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。

⑺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。

減小系統(tǒng)誤差的方法：

①引入更正值法：若通過對測量儀表的校準，知道了儀表的更

正值，則將測量結(jié)果的指示值加上更正值，就可得到被測量的

實際值。

②替換法：是用可調(diào)的標準量具代替被測量接入測量儀表，然

后調(diào)整標準量具，使測量儀表的指針與被測量接入時相同，則

此時的標準量具的數(shù)值即等于被測量。

③差值法：是將標準量與被測量相減，然后測量二者的差值。

④正負誤差相消法：是當測量儀表內(nèi)部存在著固定方向的誤差

因素時，可以改變被測量的極性，作兩次測量，然后取二者的

平均值，以消除固定方向的誤差因素。

⑤選擇最佳測量方案：是指總誤差為最小的測量方案，而多數(shù)

情況下是指選擇合適的函數(shù)形式及在函數(shù)形式確定之后，選擇

合適的測量點。

8、什么是傳感器的可靠性？可靠性設(shè)計程序和原則是什么？（6

分）

答：傳感器的可靠性是指傳感器在規(guī)定條件、規(guī)定時間，完成規(guī)

定功能的能力。

可靠性設(shè)計程序：

①建立系統(tǒng)可靠性模型

②可靠性分配

③可靠性分析

④可靠性預測

⑤可靠性設(shè)計評審

⑥試制品的可靠性試驗

⑦最終的改進設(shè)計

可靠性設(shè)計原則：

①盡量簡單、組件少、結(jié)構(gòu)簡單

②工藝簡單

③使用簡單

④維修簡單

⑤技術(shù)上成熟

⑥選用合乎標準的原材料和組件

⑦采用保守的設(shè)計方案

9、什么是傳感器的失效？失效有哪幾種？失效分析方法有哪幾

種？（6分）

答：產(chǎn)品喪失完成規(guī)定功能能力所有狀態(tài)及事件的總和叫失效。

失效的分類：

①按失效發(fā)生場合分：試驗失效、現(xiàn)場失效

②按失效的程度分：完全失效、局部失效

③按失效前功能或參數(shù)變化的性質(zhì)分：突然失效、退化失效

④按失效排除的性質(zhì)分：穩(wěn)定性失效、間歇失效

⑤按失效的外部表現(xiàn)分：明顯失效、隱蔽失效

⑥按失效發(fā)生的原因分：設(shè)計上的失效、工藝上的失效、使

用上的失效

⑦按失效的起源分：自然失效、人為失效

⑧按與其它失效的關(guān)系分：獨立失效、從屬失效

⑨按失效浴盆曲線上不同階段分：早期失效、偶然失效、耗

損失效等

失效分析的方法：

①失效模式、效應及危害度分析

②工藝過程FMMEA及質(zhì)量反饋分析

③失效樹分析方法

三、分析、計算題：（24分）

1、分析（線性）電位器式傳感器由于測量線路中的負載電阻RL

帶來的負載誤差，并計算它與位移x