传感器与检测技术期末复习题
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一、填空题
1、光电效应有三种类型，光线作用下电子逸出物体表面向外发射叫做（外光电效应或光电子发射效应），在光线作用下能使物体电阻率变化的现象称为（内光电效应或光电导效应），光线作用下能使物体产生一定方向电动势的现象称为（阻挡层光电效应或光生伏特效应）。
2、电容式传感器按工作原理分为三种，分别是（变间隙式电容传感器），（变面积式电容传感器 ），（变介电系数式电容传感器）。
3、电感式传感器是利用线圈的（自感），互感或阻抗的变化来实现非电量检测的一种装置。
4、采用（交流）电源供电的电桥称为交流电桥，采用（直流）电源供电的电桥称为直流电桥。
5、传感器的灵敏度是指稳态标准条件下，（输出量）变化量与（输入量）变化量的比值。
6、如图所示，直流电桥平衡条件是（3241RRRR）。
7、在热电偶中，当引入第三个导体时，只需保持其两端的温度相同，则对总热电动势无影响，这一结论称为热电偶的（中间导体）定律。
8、接地技术是常用的硬件抗干扰技术之一，地线种类可分5种，分别是信号地、（模拟地）、（数字地）、负载地和（系统地）。
9、一般来说，系统内印刷电路板接地的基本原则是高频电路应接近（多点接地方式），低频电路应（单点接地方式）。
10、光电传感器是把（光）信号转变为（电）信号的器件。
11、把一导体（或半导体）两端通以控制电流I，在垂直方向施加磁场B，另外两侧会产生一个与控制电流和磁场成比例的电动势，这种现象称为（霍尔）效应，这个电动势称为（霍尔）电势。
12、通常传感器由（敏感元件）（转换元件）和信号调理电路组成，是能把外界（非电量）转换成（电量）的器件和装置。
13、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，这种现象称为（电阻应变）效应，半导体或固体收作用力后电阻率发生变化，这种现象称为（压阻）效应。 14、测量过程中存在测量误差，（相对）误差是偏差与真值得百分比，是对某个测量值的测量精度指标，（引用）误差是绝对误差与仪表量程的百分比，是仪表精度的评定指标。
15、干扰噪声是通过耦合通道与检测系统发生作用的，通常噪声的耦合方式有（电磁）耦合、（静电 )耦合、（共阻抗)耦合和漏电流耦合。
16、热电偶的热电动势由（接触 ）电动势和（温差 )电动势两部分组成。
17、在光线作用下能使电子逸出物体表面的物理现象称为（外光电）效应。
18、电桥是常用的测量电路，其中采用交流电源供电的电桥称为（交流 ）电桥，采用直流电源供电的电桥称为（直流）电桥。
19、衡量传感器静态特性的重要指标有（线性度）（灵敏度）和解析度等。
二、解答题
1、什么叫传感器？传感器主要由哪几部分组成？它们的作用和相互关系如何?（P15）
答：传感器是一种能感受规定的被测量，并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。传感器一般由敏感元件，转换元件和信号调理与转换电路组成。敏感元件是指传感器中能直接感受或回应被测量的部分；转换元件是指传感器中将敏感元件感受或回应的被测量转换成适用于传输或测量的电信号部分；由于传感器的输出信号一般都很微弱，因此，需要有信号调理与转换电路对其进行放大，运算和调制等。此外，信号调理与转换电路以及传感器工作时必须有辅助电源。
2、以石英晶体为例简述压电效应产生的原理(P46)
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。
3、根据你所学的传感器相关知识，请分别列出下列物理量可以使用什么传感器来测量？
（1）加速度：压电式传感器、电阻式传感器、电容式传感器、电感式传感器、霍尔传感器
（2）温度：电容式传感器、热敏感测器、红外传感器
（3）工件尺寸：电感式传感器，电容式传感器
（4）压力：压电式传感器、电阻式传感器、电容式传感器、电感式传感器
4、列出热电偶冷端的温度补偿方法。（P62）
答：0 ℃恒温法、冷端温度修正法、仪表机械零点调整法、补偿导线法、补偿电桥法
5、检测系统中干扰与噪声的主要来源有哪些。
答：干扰与噪声的来源分为内部噪声源和外部噪声源两大类。
（1）内部噪声源：电路元器件产生的固有噪声、感性负载切换时产生的噪声干扰、接触噪声。（2）外部噪声源：天体和天电干扰、放电干扰、射频干扰、工频干扰。
6、光电效应可分为哪三种类型，简单说明原理并列出典型器件。
答：（1）外光电效应 ：光线作用下电子逸出物体表面向外发射的现象。此类光电器件主要有光电管、光电倍增管等。（2）内光电效应：在光线作用下能使物体电阻率变化的现象。此类光电器件主要有光敏电阻等。（3）光生伏特效应：光线作用下能使物体产生一定方向电动势的现象。此类光电器件主要有光电池、光电晶体管等。
7、什么是系统误差和随机误差？正确度和精密度的含义是什么？它们各反应何种误差？
答：系统误差：在相同条件下，多次重复测量同一量时，保持恒定、或遵循某种规律变化的误差。系统误差的大小表明测量结果的准确度，说明了测量结果偏离被测量真值的程度。随机误差：在相同条件下，多次测量同一量时，其误差的大小和符号以不可预见的方式变化的误差。用精密度表示随机误差的大小，反映测量结果的分散性。
8、金属电阻应变片与半导体材料电阻应变效应有什么不同？
答：金属电阻的应变效应主要是由于几何形状的变化而产生的；半导体材料的应变效应主要取决于材料的电阻率随应变所引起的变化产生的。半导体应变片与金属电阻应变片相比其灵敏度高50~70倍，另外，其横向效应和机械滞后小。但它的温度稳定性差，在较大应变下，灵敏度的非线性误差大。
9、直流测量电桥和交流测量电桥有什么区别 ？
答：直流电桥用直流电源，只适用于直流元件；交流电桥用交流电源，适用于所有电路元件。
10、光敏电阻有哪些重要特性，在工业应用中是如何发挥这些特性的。
答：光敏电阻是采用半导体材料制作，利用内光电效应工作的充电元件，它的重要特性是在无光照时阻值非常大，相当于断路；有光照时阻值非常小，相当于通路。在工业应用中主要就是通过光的变化条件来对各种电路进行控制。
三、大题
1、一台精度等级为0.5级，量程范围600—1200℃的传感器。现用它测量400℃的温度，求最大允许绝对误差和相对误差是多少？
答：量程：6006001200
最大允许绝对误差：3%5.0600
相对误差:%75.0%1004003
2、试分析电压输出型直流电桥的输入与输出关系。
答：如图所示，电桥各臂的电阻分别为R1、R2、R3、R4；U为电桥的直流电源电压。当四臂电阻RRRRR4321时，称为等臂电桥；当)'(',4321RRRRRRRR时，称为输出对称电桥；当)'(',3241RRRRRRRR 时，称为电源对称电桥。
当电桥输出端接有放大器时，由于放大器的输入阻抗很高，所以可以认为电桥的负载电阻为无穷大，这时电桥以电压的形式输出，输出电压即为电桥输出端的开路电压，其表达式为：
URRRRRRRRU))((432142310；（1）
设电桥单臂工作状态，即R1为应变片，其余桥臂均为固定电阻。当R1感受被测量产生电阻增量1R时，由初始平衡条件4231RRRR得：3421RRRR，代入式（1），则电桥由于1R产生不平衡引起的输出电压为：
URRRRRRURRRRU)()()(1122121122120；（2）
对于输出对称电桥，此时',4321RRRRRR，当1R臂的电阻产生变化RR1，根据（2)可得到输出电压为：
)(4)()(1120RRUURRRRRRU；(3)
对于电源对称电桥，',3241RRRRRR，当1R臂产生电阻增量RR1时，根据（2)可得到输出电压为：
URRRRRRU)()'('20 ；(4)
对于等臂电桥，RRRRR4321,当1R的电阻增量RR1时，根据（2)可得到输出电压为：
)(4)()(20RRUURRRRRRU；(5) 由以上三种结果可以看出，当桥臂应变片的电阻发生变化时，电桥的输出电压也随着发生变化，当RR时，电桥的输出电压与应变成线性关系，还可以看出在桥臂电阻产生相同变化的情况下，等臂电桥以及输出对称电桥的输出电压要比电源对称电桥的输出电压大，即它们的灵敏度要高，因此在使用中多采用等臂电桥或输出对称电桥。
在实际使用中为了进一步提高灵敏度，常采用等臂电桥，四个被测信号接成两个差动对称的全桥工作形式，R1=R+△R, R2=R-△R, R3=R+△R, R4=R-△R,将上述条件代入式（1）得：
)()](4[40RRUURRUU；(6)
由式（6)看出，由于充分利用了双差动作用，它的输出电压为单臂工作时的4倍，所以大大提高了测量的灵敏度。
