西南大学2015年《传感器与检测技术》试题

一、填空：（20分）

1，检测系统的静态特性指标主要有测量范围、精度等级、灵敏度、线性度、迟滞、重复性、分辨力、稳定性、可靠性等。（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和单位控制电流作用下的霍尔电势大小。

霍尔元件的灵敏度与元件材料的霍尔常数有关，还与霍尔元件的几何尺寸有关; 霍尔元件的霍尔电极要求欧姆接触。

霍尔式传感器可用来测量电流，磁场，位移，压力。

3、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、光敏二极管、光敏三极管；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。 4.

热电偶的测温原理热电效应;

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。 国际电工委员会推荐工业用标准热电偶 8 种

在热电偶冷端温度补偿中补偿导线法（即冷端延长线法）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.压电式传感器的工作原理是：某些晶体或多晶陶瓷，当沿着一定方向受到外力作用时，内部就产生极化现象，同时在某两个表面上产生大小相等符号相反的电荷，这种现象称为正压电效应。反之，如对晶体施加一定外电场，晶体本身将产生机械变形，这种现象称为逆压电效应。（2分）

压电材料可分为三大类：压电晶体（包括石英晶体和其他单晶体材料）、压电陶瓷、新型压电材料（如压电半导体、有机高分子材料等)。

6. 变气隙长度式自感传感器，用来测量线位移，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）

变气隙面积式传感器，用来测量角位移，当气隙面积增大时，铁芯上的线圈电感量（①增加②减小③不变）

7. 检测系统(仪表)产生测量误差的原因有：测量原理的局限、测量方法的不尽完善、环境 因素和外界干扰的存在以及测量过程可能会影响被测对象的原有状态等

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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； 根据测量误差的性质（或出现的规律），测量误差可分为系统误差、随机误差和粗大误差三类。

系统误差的特点：固定的、或按一定规律变化的，可设法确定并消除。

随机误差的特点：对每次测量而言，测量误差是没有规律的，以随机方法出现，但在多次重复测量中其总体是符合统计规律的。

粗大误差的特点：误差值较大，明显表现为测量结果异常，可通过物理的或拉依达法或格拉布斯法加以剔除。

工程上常用的粗大误差的判断准则有：拉伊达(莱因达)准则和格拉布斯(Grubbs)准则

拉伊达准则的鉴别值为3?，其中?=

??x?X?ii?1n2n?1，拉伊达准则只适用于测量次数

较多（n > 25）、测量误差分布接近正态分布的情况。

8. 平行板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）外是线性的。（2分）

9. 电位器传器的（线性），假定电位器全长为Xmax, 其总电阻为Rmax，它的滑臂间的阻值可以用Rx = （① Xmax/x Rmax,②x/Xmax Rmax,③ Xmax/XRmax ④X/XmaxRmax）来计算， 电位器或电阻传感器按特性不同，可分为线性电位器和非线性电位器。线性电位器的理想空载特性曲线具有严格的线性关系。假定电位器全长为Xmax，其总电阻为Rmax，它的滑臂间的阻值可以用Rx=输出电压为Vx=

X?Rmax来计算。假定加在电位器A、B之间的电压为Vmax，则

XmaxX?Vmax。

Xmax10、传感器是能以一定精确度把某种被测量（主要为各种非电的物理量、化学量、生物量等）按一定规律转换为（便于人们应用、处理）另一参量（通常为电参量）的器件或测量装置。

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组成。

检测是指在生产、科研、试验及服务等各个领域，为及时获得被测、被控对象的有关信息而实时或非实时地对一些参量进行定性检查和定量测量。

11、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 _几何尺寸变化 造成的，而②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。

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二、简答题

1. 用K型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）

K型热电偶分度表

测量端温度℃ -20 -10 -0 +0 +10 +20 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 热电动势(mv) -0.77 -0.81 -0.84 -0.88 -0.92 -0.96 -0.99 -1.03 -1.07 -1.10 -0.39 -0.43 -0.47 -0.51 -0.55 -0.59 -0.62 -0.66 -0.70 -0.74 -0.00 -0.04 -0.08 -0.12 -0.16 -0.20 -0.23 -0.27 -0.31 -0.35 0.00 0.40 0.80 0.04 0.44 0.84 0.08 0.48 0.88 0.12 0.52 0.92 0.16 0.56 0.96 0.20 0.60 1.00 0.24 0.64 1.04 0.28 0.68 1.08 0.32 0.72 1.12 0.36 0.76 1.16 解：查K型热电偶分度表，EK(15,0)=0.60 mv

设被测温度为t℃,则：EK(t,0)=-1.19+0.60=-0.59 查K型热电偶分度表，得：t=-15℃ 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。

2+ 简述热电偶测温系统使用补偿导线时必须注意的问题。

答：1）补偿导线只能在规定的温度范围内（一般为0℃～100℃）与热电偶的热电势相等或

相近；

2）不同型号的热电偶有不同的补偿导线； 3）热电偶和补偿导线的二个接点要保持同温； 4）补偿导线有正负极，分别与热电偶的正负极相连；

5）补偿导线的特性只是延伸热电偶的自由端，当自由端温度T0≠0时，还需进行其他补偿和修正。

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

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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。

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。

5、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。

6、分析应变片式传感器产生温度效应的原因，并阐述进行温度补偿的方法。（10分）

答：原因：1. 温度变化引起应变片敏感栅电阻变化而产生附加应变；

2. 试件材料与敏感材料的线膨胀系数不同，使应变片产生附加应变。 温度补偿的方法：1.应变片自补偿法 2.桥路补偿法 3. 热敏电阻补偿法

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） 电容传感器测量系统中要消除和减小寄生电容可采用如下方法：

1. 采用“驱动电线”技术 2. 采用组合式与集成技术 3. 整体屏蔽法

二、电容传感器工作在高温、高湿及高频激励条件下，电容的附加损耗等影响将不可忽视，试分析这时电容传感器的等效电路及等效电容，并说明为什么电容传感器在使用过程中改变激励频率或更换传输电缆，必须对测量系统重新进行标定。 答：这时电容传感器的等效电路如图所示：

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图中C为传感器电容，RP为低频损耗并联电阻，它包括极板间漏电和介质损耗等影响；RS为高温、高湿及高频激励工作时串联损耗电阻，它包括导线、极板间和金属支座等损耗电阻；L为电容器及引线电感；CP为寄生电容。在实际工作中，特别在高频激励下，L的影响尤其重要，因此其等效电路可简化为： 其等效电容为：

Ce?C1?w2LC由此可看出，电容传感器在使用过程中改变激励频率或更换传输电缆，其等效电容将发生变化，因此必须对测量系统重新进行标定。

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）

三、 光纤传感器的工作原理。（4分）

答：光纤工作的基础是光的全反射，当射入的光线的入射角小于临界角时，光在纤芯和包层

的界面上就会产生全反射，并在光纤内部反复逐次反射，直至传递到另一端面。 光纤传感器按其工作原理来分有功能型与非功能型两大类。功能型光纤传感器其光纤不仅作为光传播的的波导，而且具有测量的功能。非功能型光纤传感器其光纤只是作为传光的媒介，还需加上其他敏感元件才能组成传感器。 四、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。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，那么回路中就会产生热电势。热电势主要由接触电势和温差电势两部分组成。

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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 误差因素：参考端温度受周围环境的影响 措施：补偿导线法 计算修正法 自由端恒温法 自动补偿法

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？（10分）

答：霍尔组件可测量磁场、电流、位移、角度、转速、压力、功率等。

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 恒流源供电的分流电阻法； b 热敏电阻法

一、简答题（30分，6分/题）

1、 光电池的工作原理，指出它应工作在电流源还是电压源状态。

答：光电池是基于光生伏特效应制成的，是自发电式的有源器件。它有较大面积的P一

N结，当光照射在P一N结上时则在结的两端出现电动势。 它应工作在电压源状态。

2、 按照传感型（功能型）和传输型光纤传感器的特点应该选用哪种光纤（单模/多模），为

什么？

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答：功能型(或称物性型、传感型)光纤不仅作为光传播的波导而且具有测量的功能。它主要靠被测对象调制或改变光纤的传输特性，从而对被测量进行测量和数据传输，所以只能用单模光纤。对非功能型(或称结构型、传光型)光纤传感器， 其光纤只是作为传光的媒介，要求传输的光亮越多越好，所以它主要用多模光纤，也可用单模光纤。

3、 传感器的定义和组成？画出自动检测系统原理框图，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。

自动检测系统原理框图：

传感器直接与被测对象联系，即传感器是检测系统的信号源，是检测系统中十分重要的部分，其性能的好坏直接影响检测系统的精度和其他指标。

传感器的作用是感受被测量并转换成可用输出信号传送给信号调理单元。

4、 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：测量位移 c) 应变式扭矩传感器：测量扭矩

5、 光电效应可分为哪三种类型，简单说明传感器的原理并分别列出以之为基础的光电传感

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器。

答：光电效应可分为：

a) 外光电效应：指在光的照射下，材料中的电子逸出表面的现象。光电管及光电

倍增管均属这一类。它们的光电发射极，即光明极就是用具有这种特性的材料制造的。

b) 内光电效应：指在光的照射下，材料的电阻率发生改变的现象。光敏电阻即属

此类。

c) 光生伏特效应：利用光势垒效应，光势垒效应指在光的照射下，物体内部产生

一定方向的电势。光电池是基于光生伏特效应制成的，是自发电式有源器件。

6、 光导纤维导光的原理是什么？按其传输模式分为哪两种类型？传感型（功能型）和传输

型光纤传感器按照其特点应该选用哪种光纤？

答：光纤工作的基础是光的全反射，当射入的光线的入射角小于纤芯与包层间的临界角时，就会在光纤的接口上产生全反射，并在光纤内部反复逐次反射，直至传递到另一端面。

按其传输模式可分为单模和多模两种。

传感型（功能型）光纤传感器应该选用单模光纤，传输型光纤传感器应选用多模光纤。

7、 什么是应变片的灵敏系数？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，在其轴线方向的单向应力作用下，应变计阻值的相对变化与试件表面轴向应变之比即为应变片的灵敏系数。 应变片的灵敏系数与相应长度单根应变丝的灵敏系数不同，一般情况下，应变片的灵敏系数小于相应长度单根应变丝的灵敏系数,原因有:第一 ,单向应力作用下产生的应变,在传递到敏感栅的过程中会产生失真；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，但由于存在横向效应,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，使灵敏系数下降。 二、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。压电式传感器的工作原理是基于压电材料的压电效应。

1) 压电式传感器对被测量的变化是通过其压电元件产生电荷量的大小来反映的，故它相当于一个电荷源。

2) 压电元件电极表面聚集电荷时，它又相当于一个以压电材料为电介质的电容器，其

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电容量为：

因此压电传感器可以等效成一个与电容相并联的电荷源，如图所示。在开路状态，输出端电荷为：

压电传感器也可以等效为一个与电容相串联的电压源，如图所示。在开路状态下，电容器上的电压U?为：

由等效电路可见,由于压电传感器的内部信号电荷存在泄露,对于静态或低频准静态测量存在误差,只适用于动态测量。

2、 Pt100和Cu50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。

分别代表铂电阻传感器（温度为0℃时电阻为100Ω），铜电阻传感器(温度为0℃时电阻为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，连接导线电阻所造成的测量误差。

3、 用K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℃，

对不对？为什么？应如何计算？

K型热电偶分度表

测量端温度℃ +20 +60 +600 +620 +640 +660 0.80 2.44 0.84 2.48 0.88 2.52 0.92 2.56 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 热电动势(mv) 0.96 2.60 1.00 2.64 25.12 25.97 26.81 27.66 1.04 2.70 25.16 26.01 26.86 27.70 1.08 2.73 25.20 26.05 26.90 27.74 1.12 2.77 25.25 26.09 26.94 27.78 1.16 2.81 25.29 26.12 26.98 27.83 24.91 24.95 24.99 25.03 25.08 25.76 26.60 27.45 25.80 26.64 27.50 25.84 26.69 27.53 25.88 26.73 27.57 25.92 26.77 27.62 第 9 页 共 12 页

答：不对。因一般热电偶测温仪表冷端补偿温度为室温(即20℃),此例冷端温度为65℃,应以下计算:

E(t,0)= E(600,0)+ E(65,20)

查K分度表得: E(600,0)=24.91mV E(65,0)=2.64 mV E(20,0)=0.80 mV 因此 E(t,0)= 24.91+2.64-0.80 =26.75 (mV) 查K分度表得: t=643 ℃

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。

4、 温度对光电流影响不大，所以光电传感器在使用中不需要进行温度补偿，此观点正确否，为什么？

答：不正确。因为半导体材料容易受温度影响，而其直接影响光电流的值，所以还需要温度补偿装置。

三、下面是热电阻测量电路，电路中已知R1、R2、R3和E，且R1=R3，Rt是热电阻,说明电路工

作原理,且说明Ra应如何调整。

答：1) 该热电阻测量电路由热电阻、测量电桥和显示电表组成。

图中G为指示电表，R1、R2、R3为固定电阻，Ra为零位调节电阻。热电阻都通过电阻分别为r2、r3、Rg的三个导线和电桥连接，r2和r3分别接在相邻的两臂，当温度变化时，只要它们和Rg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R2=Ra+Rt0, Rt0为热敏电阻在参考温度（如0?C）时的电阻值。 四、分析、计算题：（20分） 二、如图所示电路是电阻应变仪中所用的不平衡电桥的简化电路，图中R2=R3=R是固定电阻，R1与R4是电阻应变片，工作时R1受拉，R4受压，ΔR=0，桥路处于平衡状态，当应变片受力发生应变时，桥路失去平衡，这时，就用桥路输出电压Ucd表示应变片应变后电阻值的变化量。试证明：Ucd??E??R。（10分）

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c R2 a R3 d R4 R1 b Ucd

E 证明：R1?R??R R4?R??R

RR2R?RE?E??2E 2R??R?RR??R?R4R??RE?R略去?R的二次项,即可得Ucd???

2RUcd?Ucb?Udb?三、分析、计算题：（35分）

1、设5次测量某物体的长度，其测量的结果分别为：9.8cm、10.0m、10.1cm、9.9cm、10.2cm，若忽略粗大误差和系统误差，试求在99.73％的置信概率下，对被测物体的最小估计区间。（5分）

1n(9.8?10.0?10.1?9.9?10.2)x??xi??10

ni?15vi?x1?x,分别为-0.2、0、0.1、-0.1、0.2 ??1n2vi?0.16 ?n?1i?1??[x?3?,x?3?]?[9.52,10.48]

1、 设6次测量某物体的长度，其测量的结果分别为：9.8cm、10.0cm、10.1cm、9.9cm、10.2cm、

10.1cm，若忽略粗大误差和系统误差，试求在99.73%的置信概率下，对被测物体长度的最小估计区间。

答：平均值x?9.8?10?10.1?9.9?10.3?10.1?10.03，

6vi?x1?x,分别为-0.23、-0.03、0.07、-0.13、0.27、0.07 1n2??vi?0.18 ?n?1i?1则最小估计区间：??[x?3?,x?3?]?[9.49,10.57]

六、用温度传感器对某温度进行12次等精度测量，获得测量数据如下（单位℃） 20.46、20.52、20.50、20.52、20.48、20.47、 20.50、20.49、20.47、20.49、20.51、20.51

要求对测量数据进行加工整理，并写出最后结果（取置信系数为2）。

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答：x?20.49 ??0.02 x?x?3??20.43~20.55

九、下图为变极距型平板电容传感器的一种测量电路，其中CX为传感器电容，C为固定电容，假设运放增益A=∞，输入阻抗Z=∞；试推导输出电压U0与极板间距的关系，并分析其工作特点。

十、1）有一数字温度计，测量范围为 –50 ℃ ～150℃,精度0.5级, 求当示值分别为-20℃,100℃时的绝对误差和示值相对误差。

答： 绝对误差为：150?0.5%?0.75℃

0.75?100%?3.75% 200.75?100%?0.75% 100℃时相对误差为：??100-20℃时相对误差为：??2）欲测量200V电压，要求测量示值相对误差不大于 ±0.5%, 问选用量程为250 V电压表,其精度为那一级? 若选用量程为500V或750 V的电压表,其精度又分别为那一级?

答：绝对误差为：200?0.5%?1.00V

?1.00?100%?0.4% 250即根据我国工业仪表常用精度等级，可选用精度为0.2级的250V电压表。

1.001.00?100%?0.2%，?100%?0.13% 500750则量程为500V的应用精度为0.2级，量程为750V的精度为0.1级。

3)已知待测电压为400V左右,现有两只电压表,一只1.5级,测量范围0～500V; 另一只0.5级, 测量范围0～1000V,问选用那只表测量较好?为什么?

答： 第一只绝对误差为500?1.5%?7.5V，相对误差为

7.5?100%?1.875% 4005?100%?1.25% 第二只绝对误差为1000?0.5%?5V，相对误差为400所以应用第二只表。

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