传感器与检测技术 沈航版 复习资料重点

★一、测得某检测装置的一组输入输出数据如下:
解 : b kx y +=
(b kx y i i i +-=∆
22
(i i i i i i x x n y x y x n k ∑-∑∑∑-∑= 222 (
(i i i i i i i x x n y x x y x b ∑-∑∑∑-∑∑=
代入数据求得 68. 0=k 25. 0=b
∴ 25. 068. 0+=x y
238. 01=∆ 35. 02-=∆ 16. 03-=∆
11. 04-=∆ 126. 05-=∆ 194. 06-=∆
%75
35. 0%100max ±=±=⨯∆±=FS L y L γ 拟合直线灵敏度 68. 0=k , 线性度±7%
★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
得 -1.19V+0.6V=-0.59V
查表得为 -15℃
★三. 2、图示电荷放大器中Ca=100 PF, Ra=∞, R f = ∞, R i = ∞, C F =10 P F。

若考虑引线电
容 C C 影响,当 A 0=104时,要求输出信号衰减小于 1%,求使用 90 PF/m的电缆,其最大允
许长度为多少?
答:%1 1(0<++++=F
C a C a r C A C C C C δ 1、解得 101009. 9-⨯=C C m L 1. 1010
901009. 91210
=⨯⨯=∴-- ★四、将一只灵敏度为 0.08mv/℃的热电偶与毫伏表相连 , 已知接线端温度为 50℃ , 毫伏表的
输出为 60 mv, 求热电偶热端的温度为多少 ? 答:20005008
. 060=+=∆T ℃★五. 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:1绝对误差为:75. 0%5. 0150=⨯℃
-20℃时相对误差为:%75. 3%10020
75. 0=⋅=δ 100℃时相对误差为:%75. 0%100100
75. 0=⋅=δ 2绝对误差为:V 25. 1%5. 0250=⨯005. 0250
25. 1=∴即选用精度为 0.5级的 250V 电压表。

0025. 0500
25. 1, 004. 030025. 1== 则量程为 300V 的应用精度为 0.4级,量程为 500V 的精度为 0.25级。

3 第一只绝对误差为 V 5. 7%5. 1500=⨯相对误差为 %875. 1%100400
5. 7=⨯第二只绝对误差为 V 5%5. 01000=⨯相对误差为 %25. 1%100400
5=⨯所以应用第二只表。

★六.用镍铬 -镍硅热电偶测量炉温,其仪表示值为 600℃,而冷端温度 t 0为 65℃,则实际温
度为 665℃,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
(见 P178页表 8-2, 8-3
★七.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 表示应变片发生应变后,电阻
值的变化量。

当应变片不受力,无应变时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/2(ΔR/R。

(15分
E
a
cd
证:R R R R R R ∆-=∆+=41,
=
-=db cb cd U U U E R R R R E R R R R E R R R R 2
242∆-∆-=+∆--+∆+ 略去R ∆的第二项,即可得 R
R E U cd ∆⋅-=2 ★简答题
★一. 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
器。

什么是光电效应?
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。

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, 物体内部产生一当用光照
射物体时, 物体受到一连串具有能量的光子的轰击, 于是物体材料中的电子吸收光子能量而发
生相应的电效应(如电阻率变化、发射电子或产生电动势等。

这种现象称为光电效应。

★二.什么是系统误差?产生系统误差的原因是什么?如何发现系统误差?减少系统误差有
哪几种方法?(20分
答:当我们对同一物理量进行多次重复测量时,如果误差按照一定的规律性出现,则把这种
误差称为系统误差。

系统误差出现的原因有:
①工具误差:指由于测量仪表或仪表组成组件本身不完善所引起的误差。

②方法误差:指由于对测量方法研究不够而引起的误差。

③定义误差:是由于对被测量的定义不够明确而形成的误差。

④理论误差:是由于测量理论本身不够完善而只能进行近似的测量所引起的误差。

⑤环境误差:是由于测量仪表工作的环境(温度、气压、湿度等不是仪表校验时的标准状
态,而是随时间在变化,从而引起的误差。

⑥安装误差:是由于测量仪表的安装或放置不正确所引起的误差。

⑦个人误差:是指由于测量者本人不良习惯或操作不熟练所引起的误差。

发现系统误差的方法有:
实验对比法:这种方法是通过改变产生系统误差的条件从而进行不同条件的测量,以发现系统误差。

这种方法适用于发现不变的系统误差。

剩余误差观察法:是根据测量数据的各个剩余误差大小和符号的变化规律,直接由误差数据或误差曲线图形来判断有无系统误差。

这种方法适用于发现有规律变化的系统误差。

计算数据比较法:对同一量测量得到多组数据,通过计算比较数据,判断是否满足偶然误差条件,以发现系统误差。

减小系统误差的方法:
①引入更正值法
②替换法
③差值法
④正负误差相消法
⑤选择最佳测量方案
★三.简述霍尔电动势产生的原理。

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 U H 。

四、★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。

★五.简述电阻应变片式传感器的工作原理。

(4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。

★六、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?请详细推导分流电阻法。

(15分
答:霍尔元件可测量磁场、电流、位移、压力、振动、转速等。

霍尔元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
★七、 1制作霍尔元件应采用什么材料,为什么?
2为何霍尔元件都比较薄,而且长宽比一般为 2 :1?
3某霍尔元件 l ×b ×d 为 1.0×0.35 ×0.1 cm 3, 当方向通以电流 I=1.0 mA, 在垂直lb 方向加有均匀磁场 B=0.3T, 传感器的灵敏系数为 22 V/A T, 试求其霍尔电势及载流子浓度。

答:1采用半导体材料。

因为其灵敏度高,输出霍尔电势大。

2因为元件越薄,灵敏度系数越大。

3 V IB k U H H 0066. 0=⋅= 201084. 2⨯==∴=ed
p ped U H H ★八、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。

★九、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 0T 时的热电势等于该热电偶热端为
T 冷端为 n T 时的热电势与同一热电偶热端为 n T ,冷端为 0T 时热电势的代数和。

应用:对热电偶冷端不为 C 00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 , 0T 时分别为 (0, T T E AC , (0, T T E BC ,那么爱相同温度下,又 A 、B 两热电极配
对后的热电势为
(((000, , , T T E T T E T T E BC AC AB -=
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。

★十三.填空
1、各种抗干扰稳定性等。

(2分
2、大小。

(2分
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; 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、光电仪表。

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 N k Eab（T，To）=。

在热电偶温度补偿中补偿导线法（即冷端 e NB 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、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。

７、偏差式测量是指在测量过程中，用仪表指针的位移（即偏差）决定被测量的方法；零位测量是指在测量过程中，用指零仪表的零位指示，检测测量系统的平衡状态；在测量系统达到平衡时，用已知的基准量决定被测未知量的方法；微差式测量是综合了偏差式测量法与零位式测量法的优点而提出的方法。

８、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___ 造成的。

材料传感器的灵敏度较大。

９、在变压器式传感器中，原方和副方互感 M 的大小与绕组匝数成正比，与穿过线圈的磁通____成正比，与磁回路中磁阻____ 成反比，而单个空气隙磁阻的大小可用公式 ______ 表示。

１０、测量过程中存在着测量误差，按性质可被分为 _绝对误差____ 、相对误差 _______ 、
和引用误差 _____ 三类，其中 ___绝对误差__ 可以通过对多次测量结果求平均
____ 的方法来减小它对测量结果的影响。

１１.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来计算。

假定加在电位器 A、B 之间的电压为 Vmax， X m ax 则输出电压为。

其电阻灵敏度 RI= 。

电压
灵敏度。

X m ax At At （7 分）１２.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，其内部产生机械应力，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。

（6 分）１３ .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）１４.测量过程中存在着测量误差。

绝对误差是指测量值与被测量真实值之间的差值其表达式为；相对误差是指绝对误差与被测量真实值的比值其表达式为；引用 X
误差是指绝对误差与测量仪表的上量限（满度）值 A 的百分比其表达式为 r
分）１５.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分）。

（7 A 来表征。

（5 １6. 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）１7. 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）１8. 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）１9. 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，其中电阻灵敏度 Rr=（① 2p(b+h/At, ② 2pAt/b+h, ③ 2A(b+b/pt, ④ 2Atp(b+h）。

（4 分）２0、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）。

２1、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
线性的关系。

２2、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）。

23.电容式传感器的设计要点：（1）保证绝缘材料的绝缘性能（2）消除和减小边缘效应（3）消除和减小寄生电容的影响（4）防止和减小外界干扰 24.某些磁铁物质在外界机械力的作用下，其内部产生机械应力，从而引起磁导率的改变，这种现象称为“压磁效应” 。

相反，某些磁铁物质在外界磁场的作用下会产生形变，有些伸长，有些则压缩，这种现象称为“磁致伸缩” 。