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传感器与检测技术考题及答案

发布日期:2020-06-20 19:00

  传感器与检测技术考题及答案_工学_高等教育_教育专区。传感器与检测技术考试试题 一、填空: (20 分) 1,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。 (2 分) 2.霍尔元件灵敏度的物理意义

  传感器与检测技术考试试题 一、填空: (20 分) 1,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。 (2 分) 2.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 电流时的霍尔电势大小。 4.热电偶所产生的热电势是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 Eab (T, To) = (T ? T0 ) ln k e NA ? ?T T0 (? A ? ? B )d T 。 NB 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。 5.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, 其内部产生机械压力, 从而引起极化现象, 这种现象称为正压电效应。 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 称为负压电效应。 (2 分) 6. 变气隙式自感传感器,当街铁移动靠近铁芯时,铁芯上的线圈电 感量(①增加②减小③不变) (2 分) 7. 仪表的精度等级是用仪表的 (① 相对误差 ② 绝对误差 ③ 引用 误差)来表示的(2 分) 8. 电容传感器的输入被测量与输出被测量间的关系,除(① 变面积 型 ② 变极距型 ③ 变介电常数型)外是线、变面积式自感传感器,当衔铁移动使磁路中空气缝隙的面积 增大时,铁心上线圈的电感量(①增大,②减小,③不变) 。 2、在平行极板电容传感器的输入被测量与输出电容值之间的关 系中, (①变面积型,②变极距型,③变介电常数型)是线、在变压器式传感器中,原方和副方互感 M 的大小与原方线圈 的匝数成(①正比,②反比,③不成比例) ,与副方线圈的匝数成(① 正比,②反比,③不成比例) ,与回路中磁阻成(①正比,②反比, ③不成比例) 。 4、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。 5、热电偶所产生的热电热是由两种导体的接触电热和单一导体 的温差电热组成。 2、电阻应变片式传感器按制造材料可分为① _金属_ 材料和 ②____半导体__体材料。它们在受到外力作用时电阻发生变化,其中 ①的电阻变化主要是由 _电阻应变效应 形成的,而②的电阻变化 主要是由 温度效应造成的。 半导体 材料传感器的灵敏度较大。 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。而霍尔式传感器为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 分) 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(5 分) 简答题 二、用镍铬-镍硅热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势为-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) 镍铬-镍硅热电偶分度表 测 量 端 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 温度℃ 热 电 动 势 (mv) -20 -0.7 -0.8 -0.8 -0.8 -0.9 -0.9 -0.9 -1.0 -1.0 -1.1 7 1 4 8 2 6 9 3 7 0 -10 -0.3 -0.4 -0.4 -0.5 -0.5 -0.5 -0.6 -0.6 -0.7 -0.7 9 3 7 1 5 9 2 6 0 4 -0 -0.0 -0.0 -0.0 -0.1 -0.1 -0.2 -0.2 -0.2 -0.3 -0.3 0 4 8 2 6 0 3 7 1 5 +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 简述热电偶的工作原理。 (6 分) 答:热电偶的测温原理基于物理的“热电效应” 。所谓热电效应, 就是当不同材料的导体组成一个闭合回路时,若两个结点的温度不 同,那么在回路中将会产生电动势的现象。两点间的温差越大,产生 的电动势就越大。引入适当的测量电路测量电动势的大小,就可测得 温度的大小。 3 以石英晶体为例简述压电效应产生的原理。 (6 分) 答:石英晶体在沿一定的方向受到外力的作用变形时,由于内部 电极化现象同时在两个表面上产生符号相反的电荷,当外力去掉后, 恢复到不带电的状态; 而当作用力方向改变时, 电荷的极性随着改变。 晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比。 这种现象称为正压电 效应。反之,如对石英晶体施加一定变电场,晶体本身将产生机械变 形,外电场撤离,变形也随之消失,称为逆压电效应。 石英晶体整个晶体是中性的,受外力作用而变形时,没有体积变 形压电效应,但它具有良好的厚度变形和长度变形压电效应。 4 简述电阻应变片式传感器的工作原理(6 分) 答:电阻应变片的工作原理是基于电阻应变效应,即在导体产生 机械变形时,它的电阻值相应发生变化。 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 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 2、简述霍尔电动势产生的原理。 (5 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,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。 3、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 ? t 及栅丝与试件 膨胀系数( ? g 与? s )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。 二、寄生电容与电容传感器相关联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电容影响的几种 方法和原理。 (15 分) 三、在生产过程中测量金属板的厚度,非金属板材的镀层厚度时常用 涡流传感器。 试简要叙述说明利用涡流传感器测量金属板厚度的工作 原理及实现工艺。 (15) 5、什么是传感器静态特性。 (4 分) 答: 传感器的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。 三、什么叫做热电动势、接触电动势和温差电动势?说明势电偶测温 原理及其工作定律的应用。分析热电偶测温的误差因素,并说明减小 误差的方法(10 分) 答:①热电动势:两种不同材料的导体(或半导体)A、B 串接成一 个闭合回路,并使两个结点处于不同的温度下,那么回路中就会存在 热电势。因而有电流产生相应的热电势称为温差电势或塞贝克电势, 通称热电势。 ②接触电动势:接触电势是由两种不同导体的自由电子,其密 度不同而在接触处形成的热电势。 它的大小取决于两导体的性质及接 触点的温度,而与导体的形状和尺寸无关。 ③温差电动势:是在同一根导体中,由于两端温度不同而产生 的一种电势。 ④热电偶测温原理: 热电偶的测温原理基于物理的 “热电效应” 。 所谓热电效应,就是当不同材料的导体组成一个闭合回路时,若两个 结点的温度不同,那么在回路中将会产生电动势的现象。两点间的温 差越大,产生的电动势就越大。引入适当的测量电路测量电动势的大 小,就可测得温度的大小。 ⑤热电偶三定律 a 中间导体定律 热电偶测温时, 若在回路中插入中间导体, 只要中间导体两端的 温度相同,则对热电偶回路总的热电势不产生影响。在用热电偶测温 时,连接导线及显示一起等均可看成中间导体。 b 中间温度定律 任何两种均匀材料组成的热电偶,热端为 T,冷端为 T0 时的热电 势等于该热电偶热端为 T 冷端为 Tn 时的热电势与同一热电偶热端为 Tn ,冷端为 T0 时热电势的代数和。 0 应用:对热电偶冷端不为 0 C 时,可用中间温度定律加以修正。 热电偶的长度不够时,可根据中间温度定律选用适当的补偿线 路。 c 参考电极定律 如果 A、B 两种导体(热电极)分别与第三种导体 C(参考电极) 组成的热电偶在结点温度为(T, T0 )时分别为 E AC ?T , T0 ? , EBC ?T , T0 ? , 那么爱相同温度下,又 A、B 两热电极配对后的热电势为 E AB ?T , T0 ? ? E AC ?T , T0 ? ? EBC ?T , T0 ? 实用价值:可大大简化热电偶的选配工作。在实际工作中,只要 获得有关热电极与标准铂电极配对的热电势, 那么由这两种热电极配 对组成热电偶的热电势便可由上式求得,而不需逐个进行测定。 ⑥误差因素:参考端温度受周围环境的影响 措施:a 0 0 C 恒温法 b 计算修正法(冷端温度修正法)c 仪表机械零 点调整法 d 热电偶补偿法 e 电桥补偿法 f 冷端延长线法 四、 霍尔元件能够测量哪些物理参数?霍尔元件的不等位电势的概念 是什么?温度补偿的方法有哪几种?请详细推导分流法。 (10 分) 答:霍尔组件可测量磁场、电流、位移、压力、振动、转速等。 霍尔组件的不等位电势是霍尔组件在额定控制电流作用下,在无 外加磁场时,两输出电极之间的空载电势,可用输出的电压表示。 温度补偿方法: a 分流电阻法:适用于恒流源供给控制电流的情况。 b 电桥补偿法 一、 简答题(30 分,6 分/题) 1、 从传感器的静态特性和动态特性考虑,详述如何选用传感器。 答: 考虑传感器的静态特性的主要指标, 选用线性度大、 迟滞小、 重复性好、分辨力强、稳定性高、抗干扰稳定性高的传感器。考虑动 态特性,所选的传感器应能很好的追随输入量的快速变化,即具有很 短的暂态响应时间或者应具有很宽的频率响应特性。 2、 直流电桥和交流电桥有何区别?直流电桥的平衡条件是什 么?应变片式电阻传感器、自感式、互感式、涡流式、电容式、 热电阻式传感器分别可采用哪种电桥作为测量电路? 答:根据电源不同分为直流和交流电桥。直流电桥优点:高稳定 度直流电源容易获得,电桥平衡电路简单,传感器至测量仪表的 连接导线分布参数影响小。但是后续要采用直流放大器,容易产 生零点漂移,线路也较复杂。交流电桥在这些方面都有改进。直 流电桥平衡条件:R1/R2=R3/R4 ,R1R4=R2R3。 3、 以自感式传感器为例说明差动式传感器可以提高灵敏度的原 理。 解: L0 ? W 2 ?0 S0 2l0 ? W 2 ? 0 S 0 W 2 ? 0 S 0 W 2 ? 0 S 0 ? l0 ? ?L ? L ? L0 ? ? ? ? 1? ? 2(l0 ? ?l ) 2l0 2l0 ? l0 ? ?l ? ? 2L 差动式灵敏度: S ? ? 0 l0 ? ?l ? ?l ? 2 ? ? ?1 ? ? ?? ? ... ? l0 ? l ? ? ? 0 ? ? ? 2 ? L0 ? ?l ? ?l ? ? ? 比较 与单极式传感器灵敏度 S ? ? ?1 ? ? ? ? ... l0 ? l0 ? l0 ? ? ? ? ? ? 灵敏度提高一倍,非线、 传感器的定义和组成框图?画出自动控制系统原理框图并指 明传感器在系统中的位置和作用。 答: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,通常由敏感元件和转换元件组成。 传感器处于研究对象与测试系统的接口位置,即检测与控制 之首。传感器是感知、获取与检测信息的窗口,一切科学研究与 自动化生产过程要获取的信息都要通过传感器获取并通过它转换 成容易传输与处理的电信号,其作用与地位特别重要。 被测量 敏感元件 传感元件 信号调节转换电路 辅助电源 组成框图:自动控制系统原理框图: 传感器的作用:感受被测量并转换成可用输出信号传送给控制对 象。 扰动 给定 + e 传感器 对象 ﹣ 反馈装置 5、 试列出你所学过的不同工作原理传感器哪些可用于非接触式 测量,哪些用于接触式测量,测量何种物理量?(各≥3 种) 答:非接触式测量: a) 热电式传感器:测量温度 b) 光纤传感器:测量光信号 c) 核辐射传感器:测量核辐射粒子 接触式测量: a) 电位器式压力传感器:测量压力 b) 应变片式电阻传感器:测量电阻值 c) 应变式扭矩传感器:测量扭矩 6、 传感器(或测试仪表)在第一次使用前和长时间使用后需要进 行标定工作,请问标定的意义? 答:传感器的标定分为静态标定和动态标定两种。静态标定的 目的是确定传感器静态特性指标,如线性度、灵敏度、滞后和 重复性等。动态标定的目的是确定传感器的动态特性参数,如 频率响应、时间常数、固有频率和阻尼比等。 7、 什么是金属应变片的灵敏系数?请解释它与金属丝灵敏系数 的区别。 答: 应变片一般做成丝栅状,测量应变时,将应变片贴在试件表面 上,试件的变形很容易传到应变片上。金属应变片的灵敏系数与金属 丝灵敏系数是不同的。 第一, 零件的变形是通过剪力传到金属丝上的。 第二,丝沿长度方向承受应变时,应变片弯角部分也承受应变,其截 面积变大,则应变片直线部分电阻增加时,弯角部分的电阻值减少, 也使变化的灵敏度下降。因此,应变片的灵敏系数比金属丝灵敏系数 低。分析/证明题(32 分,8 分/题) 1、 压电式传感器更适用于静态测量, 此观点是否正确, 分析原因。 答不正确。 其工作原理是基于压电材料的压电效应, 具有使用频率宽, 灵敏度高、信噪比高、结构简单、工作可靠、测量范围广等优点,因 此在压力冲击和震动等动态参数测试中是主要的传感器品种, 它可以 把加速度、位移、压力、温度、湿度等许多非电量转换为电量。 2、 为什么要对应变片式电阻传感器进行温度补偿, 分析说明该类 型传感器温度误差补偿方法。 答:①在外界温度变化的条件下,由于敏感栅温度系数 ? t 及栅丝与试 件膨胀系数( ? g 与? s )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。 ②方法:自补偿法 线 各代表什么传感器?分析热电阻传感器测量电 桥之三线、四线连接法的主要作用。 分别代表铂电阻热电式传感器 (100Ω ) , 铜电阻热电式传感器(50Ω ). 热电阻传感器测量电桥之三线、 四线连接法的主要作用是消除在热电 阻安装的地方与仪表相距远时, 环境温度变化时其连接导线电阻也变 化所造成的测量误差。 4、 用镍铬-镍硅热电偶测量炉温,其仪表示值为 600℃,而冷端 温度 t0 为 65℃, 则实际温度为 665℃,金沙。 对不对?为什么?应如何 计算? 答:对。查表知镍铬-镍硅热电偶 K=1,T=Tz+KTn=600+1×65=665 5、 制作霍尔元件应采用什么材料, 为什么?为何霍尔元件都比较 薄,而且长宽比一般为 2 :1?答:制作霍尔元件应采用半导体 材料。如果磁场与薄片法线有?夹角,那么 UH=kHIBcos?,霍尔元 件越薄(即 d 越小) ,kH 就越大,所以一般霍尔元件都很薄。又 因 为 实 际 测 量 中 UH=(kHIB/d) × f(l/b) 当 l/b=2 时 , f(l/b)=0.93 为最大值, 这时 UH 也可取到最大值, 所以长宽比 l/b 一般为 2:1 12 系统的系统响应带宽与传感器的响应带宽无关,请问这种说法正 确吗?试述理由。 答:不正确。传感器的响应带宽会限制系统的系统响应带宽。

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