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传感器与智能检测标准考试题库答案要点

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2020年4月19日
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练习一
一、填空
1、传感器一般又称为 变换器 、转换器等，是一种能够感受 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。
2、最小二乘法作为一种数据处理手段，如用于求解一元线性回归方程的系数，应使各测量值与回归直线上相应值的 偏差的平方和 最小。
3、电阻应变片的温度补偿方法，一般可采用 自补偿 法和 电路测量补偿 法。
4、差动变压器式传感器采用相敏检波电路正常工作，其参考信号Us与输入信号U2需要满足的两个条件： Us>>U2 、 同频同相或者反相 。
5、压电材料石英晶体具有各向异性，使用时应注意沿 Z轴 方向不产生压电效应。若单片压电片的等效电容为C；输出电荷为Q；输出电压为U；若将相同两片并接后，则其总参数C1= 2 C，Q1= 2 Q。
6、电涡流传感器的整个测量系统由 激励线圈 和 块状导体 两部分组成，由电涡流贯穿深度与频率的关系知，其透射式传感器采用 低频 激励。（填高频/低频激励）。
7、在光线作用下电子逸出物体表面向外发射电子的现象称 外光电 效应；相应的器件如 光电管、光电倍增管 。
8、光导纤维是一种利用光的 全反射 原理而传输光的器件，其纤芯的折射率应 大于包层的折射率。
9、光敏二极管一般处于 反向偏置 工作状态，由其光谱特性如下图1可知，若用光敏二极管设计可依据光线亮、暗情况自动开关的路灯控制电路，应选用 硅 材料的较好。

图1 图2 图3
10、同型号的热电偶可串联或并联使用，如上图2（a）、（b）两种线路中，测两点平均温度的是 b ；测两点温度差的是 a 。
11、霍尔传感器测量转速，如上图3，若转盘上粘帖磁极对数Z=4，测得霍尔传感器输出电压脉冲频率f=8Hz,则转速n= 120 r/min。F=（n*Z）/60
12、某光栅传感器，栅线密度50线/mm，主光栅与指示光栅的夹角0.01rad,则形成的莫尔条纹宽度BH= 2 mm/rad，莫尔条纹具有 位移 放大的作用。Bh=1/（W*夹角）
13、编码型数字传感器测角位移，一个5位二进制码盘，其最小能分辨的角度是 11.25 度。
二、选择
1、下列特性不是用来描述传感器静态特性的是（C ）。
A、迟滞性 B、重复性 C、频率响应特性 D、漂移
2、测量误差按其性质和产生原因分三大类，下列关于误差的说法错误的是（D ）。
A、系统误差能够采用修正或补偿的方法处理。
B、随机误差不可能避免，总体服从统计的正态分布规律。
C、含有粗大误差的数据应剔除，不可采用。
D、含有粗大误差的数据，可经过多次测量，取平均值后采用。
3、若差动变压器式电感传感器初、次级均由两个绕组构成，则其具体连接方式是（ A ）
A、两初级绕组同名端顺次串联，两次级绕组同名端反向串联
B、两初级绕组同名端反向串联，两次级绕组同名端顺次串联
C、两初、次级绕组同名端均顺次串联 D、两初、次级绕组同名端均反向串联
4、某压力仪表厂生产的压力表最大引用误差控制在 0.5%~0.7%，该压力表的精度等级应定为（C）级。
A、 0.2 B、 0.5 C、 1.0 D、 1.5
5、下列传感器中，不属于有源器件的是(D )
A、压电式传感器 B、热电偶传感器 C、磁电感应式传感器 D、差动变压器式传感器
6、光敏电阻在给定工作电压下（ B ），说明其性能好、灵敏度高。
A、暗电阻大 B、暗电阻与亮电阻的差值大
C、亮电阻大 D、暗电阻与亮电阻的差值小
7、封装在光电耦合器件内部的是( C )
A、一个发光二极管和一个发光三极管 B、一个光敏二极管和一个光敏三极管
C、一个发光二极管和一个光敏三极管 D、两个发光二极管或两个光敏三极管
8、压电材料将超声波（机械振动波）转换成电信号是利用 （ C ）；蜂鸣器压电片中发出“嘀……嘀……”声的发声原理是利用压电材料的（ D ）。
A、 应变效应 B、 电涡流效应 C、正压电效应 D、 逆压电效应
9、能够减小霍尔元件的输出不等位电势的办法是（ C ）。
A、增加激励电流 B、 增强磁感应强度 C、 使用电桥调零电位器
10、半导体传感器是经过材料的电特性变化实现被测量的转换，下列关于气敏传感器工作机理的描述，不正确的是（　D　）。
A、氧化性气体吸附到N型半导体上，使半导体载流子减少，电阻值增加。
B、氧化性气体吸附到P型半导体上，使半导体载流子增多，电阻值减少。
C、还原性气体吸附到P型半导体上，使半导体载流子减少，电阻值增加。
D、还原性气体吸附到N型半导体上，使半导体载流子减少，电阻值增加。
三、分析简答
1、压电式传感器前置放大器的作用是什么？有哪两种形式？
答：作用：（1）放大（2）阻抗变换 形式：（1）电流源（2）电压源
2、 零点残余电压是评定差动变压器性能的主要指标之一，它的存在使传感器在零点附近灵敏度下降和测量误差增大，试说明零点残余电压的产生原因及其消除方法。
答：原因：（1）次级绕组电气参数不对称（2）铁芯的非线性
方法：(1)提高框架和线圈的对称性
(2) 采用适当的测量线路
(3)采用适当的补偿电路
3、 一台精度等级为0.5级，量程范围600—1 C的温度传感器，其最大允许绝对误差是多少？检验某点最大绝对误差是40C，问此表是否合格？
答：最大绝对误差为：X=0.005*（1200-600）=3，因此合格
四、计算
1、测量电阻R消耗的功率时，可间接测量电阻值R、电阻上的电压U、流过电阻的电流I，然后计算功率。 请给出几种不同的测量方案；假设电阻、电压、电流测量的相对误差分别为γR=±2%，γu=±3%，γI＝±1.5%，并确定最佳测量方案。
答：由于电阻和电流的相对误差较之电压小，能够根据P=I*I*R来计算功率，避免电压大误差。
2、压电加速度传感器与电荷放大器连接的等效电路如下图所示。图中为传感器固有电容、电缆等效电容和放大等效电容之和。已知传感器电荷灵敏度=100,反馈电容=1000，当测得输出电压为U0等于0.05V时，试求此时被测加速度是多少?(为重力加速度)
Uo=Q/Cf，a=Q/Sg a=（Uo*Cf）/Sg=(0.05*1000)/100=0.5g
1
R1
R2
F
3、 R1和R2 为相同型号的电阻应变片，其初始电阻均为100Ω，灵敏度系数K=2.0。如图两只应变片分别粘贴于等强度梁同一截面的正反两面。该等强度梁在受力后产生应变εx，若采用直流半桥差动测量电路，供电电源电动势E=3V,平衡电阻 R3=R4=100Ω，
要求：
（1） 画出应变片半桥差动测量电路图。
（2） 若测得输出电压为15mV，求电阻的相对变化量ΔR1/R1=？对应应变εx=？
答：（1）半桥：R1和R2相邻
（2）由Uo=0.5*E*ΔR1/R1 ，则ΔR1/R1 =2Uo/E=2*0.015/3=0.01
εx=ΔR1/R1 /K=0.005
4、如下附表1、2（注：为热电偶部分数据），分度号为K、E两种热电偶，问：
（1）K、E两种热电偶,30℃时的热电势E(30℃,0℃)分别为多大？
（2）用E热电偶测某设备温度，冷端为30℃，测得热电势为E(t,30℃)=17.680mV，则该设备温度t=?
答：（1）分别为1.203V和1.801V
（2）E(t，0℃)=E(t，30℃)+E(30℃，0℃)=19.481mV 则t=280℃
5、一只同心圆筒形电容式位移传感器如下简图，L=30cm两个外筒A、B直径D=2R=27.2cm，内筒C直径d=2r=10cm；内电极连屏蔽套管与A构成可变电容Cx，BC构成固定电容CF，同心圆筒电容公式，(ε=1)。
采用理想运放测量电路，信号源ui=6V。
1）推导输出电压与被测位移成正比时的表示式，并在图中标明Cx、CF的连接位置。
2）求该传感器输出电容—位移灵敏度Kcx=?
3) 求该测量电路输出电压—位移灵敏度Kux=?
答：（1）反馈为Cx 固定为Cf
（2）Cf=（2*pi*l）/ln（D/d） Cx=（2*pi*（l-x））/ln（D/d）
Uo=（（x-l）*Ui）/l kcx=dcx/dx kux=dUo/dx
ui

u0

L
A
L
B

R
C
x

2、在在选购线性仪表时，必须在同一系列的仪表中选择适当的量程，即应尽量使选购的仪表量程为欲测量的 1.5 倍为宜。
4、光电池的照度特性曲线可知：输出开路电压与照度存在饱和现象呈非线性，光电流与照度成正比。因此用它作开关元件时，应将其作 电压源使用；因此用它作测量元件时，应将其作 电流源使用。
7、单片压电片的等效电容为C；输出电荷为Q；输出电压为U；若将相同两片串接后，则其总参数C1= 0.5 C，U1= 2 U。
8、电阻应变式传感器测量电路采用差动电桥时，不但具有消除 非线性 误差，减少 共模 干扰，还能够提高 灵敏度 等优点。
9、差动变压器式传感器中， 零点残余电压 是评定其性能的主要指标之一，它的存在会造成传感器在零位附近 灵敏度 降低而测量误差加大，消除其影响的有效方法是尽可能保证传感器的 次级绕组电气参数相互对称。
10、编码型数字传感器测角位移，一个6位二进制码盘，其最小能分辨的角度是 5.625 度。
12、半导体传感器是经过材料的电特性变化实现被测量的转换，当氧化性气体吸附到N型半导体上，使半导体载流子减少，电阻值 增大 ；当氧化性气体吸附到P型半导体上，使半导体载流子 增大 ，电阻值减少。
13、热电偶测温度时，同型号的热电偶可串联（顺串/反串）或并联使用，当各电极依次反向串联时，可测各点 温度差 ；当各电极顺次串连时可测各点 温度和 ；当各电极并连时可测多点 平均温度 。
二、选择
1、用万用表交流电压档(频率上限仅为 5kHz) 测量频率5MHz 、12V的电压，发现示值还不到2V，该误差属于（ B ）。
A、系统误差 B、粗大误差 C、随机误差 D、动态误差
2、为减少变极距型电容传感器的非线性误差，提高灵敏度,应选用具有下列( D)类型的传感器为最好。
A、大间距 B、小间距 C、高介电常数 D、差动式
4、自感传感器采用差动结构是为了（ C ）。
A、加长线圈的长度从而增加线性范围 B、降低成本
C、提高灵敏度，减小温漂 D、增加线圈对衔铁的吸引力
5、某客户需要购买压力表，希望压力表的满度相对误差小于0.6%，应购买（ B ）级的压力表最合适。
A、0.2 B、 0.5 C、1.0 D、1.5
6、光纤的纤芯是用( A )材料制成的。
A、高折射率的玻璃 B、高折射率的塑料 C、低折射率的玻璃 D、低折射率的塑料
7、下列传感器中，不属于有源器件的是( B )
A、压电式传感器 B、电容式传感器 C.霍尔传感器 D热电偶传感器
8、压电材料石英晶体具有各向异性，下列说法正确的是（ A ）。
A、沿电轴、机械轴方向产生压电效应 B、沿电轴、机械轴方向不产生压电效应
C、沿机械轴、光轴方向产生压电效应 D、沿光轴、电轴方向都不产生压电效应
三、分析简答
1、随机误差在测量中不可避免，试说明其分布规律？具有哪些特点？
答：分布规律有正态分布、t分布、三角分布和均匀分布等，但测量值大多数都服从正态分布，特点：大小性、对称性、有界性、补偿性
2、 什么是霍尔效应？影响霍尔电势的因素有哪些？
答：当电流垂直于外磁场经过导体时，在导体的垂直于磁场和电流方向的两个端面之间会出现电势差，这一现象就是霍尔效应。
因素：控制电流、磁感应强度、薄片的厚度、半导体材料中的电子浓度
3、下图所示在悬臂梁距端部L位置上下面各贴两完全相同的电阻应变片R1、R2、R3、R4，其初始电阻相等R1=R2=R3=R 4=R，若将测量电路(b)图中1、2、3、4的4个桥臂分别做（c）、（d）、（e）图的替换，试分析（c）、（d）、（e） 三种桥臂接法的输出电压对b输出电压的比值分别是多少？
（c）2:1 （d）2:1 （e） 4:1
R1
R2
R1、R3
R2 R4
R1、R3
L
R1
R3
R2R4

F

(b) (c) (d) (e)
四、计算
1、已知待测压力约80N。现有两只测力计，一只为0.5级，测量范围为0—500N；另一只为1.0级，测量范围为0—100N，为尽量减少测量误差，问选用哪一只压力计较好？为什么？
答：X1=2.5N X2=1N 故1.0级的比较好
2、 利用电涡流传感器测板材厚度。已知激励源频率f=20MHz，被测材料相对磁导率μr=1电阻率，。若被测板厚约2mm，试求电涡流的贯穿深度h=? 该测量应采用反射式还是透射式？并说明理由。
答：h=sqrt（p/(n*u0*u1*f)） 透射式
3、用压电式单向脉动力传感器测量一正弦变化的力，压电常数为 200pC /N ，电荷放大器的反馈电容C f = pF ，测得输出电压u0 =5sin w t（V）。求：
1 ）该压电传感器产生的总电荷 Q （峰值）为多少 pC ？
2 ）此时作用在其上的正弦脉动力（瞬时值）为多少？
答：（1）Q=Uo*Cf=10-8C（2）F=Q/d=50N
4、用变面积型平行板电容传感器测位移x，传感器电容；提供固定电容，采用理想运放测量电路如下图3。
(1) 请推导输出电压U0与被测位移x成正比的表示式，并在图3中标明Cx、C0的连接位置。（2）若，求该传感器输出电容—位移灵敏度KCx=? 测量电路输出电压—位移灵敏度Kux=?
ui
A
u0
图3

答：（1）Uo=-（Cx/Co）*Ui=（x-b）*Ui/b
(2) Kcx=dux/dx Kux=dUo/dx
R1
R2
F
F
R3
R4
3、采用四片相同的金属丝应变片(k=2)，将其贴在实心圆柱形测力弹性元件上，如图；力F=1000Kg，圆柱断面半径r=1cm，杨氏模量,泊松比µ=0.3，求：
（1）画出应变片测量电桥的原理图
（2）各应变片的应变ε=？电阻相对变化量ΔR/R=？
答：（2）Uo=E*ΔR1/R1 ΔR1/R1 =Uo/E
εx=ΔR1/R1 /K=F/A*E
ΔR1/R1 =(K*F)/(pi*r*r*E)
练习三：
一、填空
1、一般传感器由敏感元件、转换元件、基本转换电路三部分组成。
2.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，这种现象称应变效应；固体受到作用力后电阻率要发生变化，这种现象称压阻效应。直线的电阻丝绕成敏感栅后长度相同但应变不同，圆弧部分使灵敏度K下降了，这种现象称为横向效应。
3.差动变压器式传感器理论上讲，衔铁位于中心位置时输出电压为零，而实际上差动变压器输出电压不为零，我们把这个不为零的电压称为零点残余电压；利用差动变压器测量位移时，如果要求区别位移方向（或正负）可采用相敏检波电路。
4.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，在另外两侧会产生一个与控制电流和磁场成比例的电动势，这种现象称霍尔效应，这个电动势称为霍尔电势。外加磁场使半导体（导体）的电阻值随磁场变化的现象成磁阻效应。
5.某些电介质当沿一定方向对其施力而变形时内部产生极化现象，同时在它的表面产生符号相反的电荷，当外力去掉后又恢复不带电的状态，这种现象称为正压电效应；在介质极化方向施加电场时电介质会产生形变，这种效应又称逆压电效应。
6.在光线作用下电子逸出物体表面向外发射称外光电效应；相应的器件如光电管、光电倍增管 入射光改变材料内部电阻率的现象称光电导效应；相应的器件如光敏电阻 半导体材料吸收光能后在PN结上产生电动式的效应称光生伏特效应。相应的器件如光电池、光电仪表。
7、块状金属导体置于变化的磁场中或在磁场中作切割磁力线运动时，导体内部会产生一圈圈闭合的电流，利用该原理制作的传感器称电涡流传感器；这种传感器只能测量金属物体。
8、最小二乘法的原理：各测量值的残余误差平方和最小。
9、随机误差的特点： 单峰性 对称性 有界性 补偿性
二、选择：
1、仪表的精度等级是用仪表的( C ) 来表示的。 A. 相对误差 B绝对误差 C. 引用误差
2、下列测力传感器中，属于发电型测力传感器的是( B )
A.自感式传感器 B压电式传感器 C.电容式传感器 D.应变式传感器
三、分析简答：
1、什么是粗大误差？如何判断测量数据中存在粗大误差？
在一定条件下，测量结果明显偏离真值时所对应的误差，称为粗大误差。如果某个数据与测量平均值之间的差大于3倍的标准差，那么认为那个数据是粗大误差。
2、 试述应变片温度误差的概念、产生原因和补偿办法?
应变片产生温度误差的原因：当测量现场环境温度变化时，由于敏感栅温度系数及栅丝与试件膨胀系数之差异性而给测量带来了附加误差。
应变片的温度补偿方法：一般有线路补偿法和应变片自补偿两大类。
应变片温度误差的概念:在使用的过成中，温度变化会产生附加的温度应变
4、 简述相敏检波电路的工作原理
模拟PSD：使用乘法器，经过与待测信号频率相同的参考信号与待测信号相乘，其结果经过低通滤波器得到与待测信号幅度和相位相关的直流信号。
数字PSD：使用与待测信号频率相同的参考信号控制同步整流电路，对待测信号的同步整流结果经过低通滤波器得到与待测信号幅度和相位相关的直流信号。
5、 简述环形二极管充放电法测电容的基本原理。
电容器的基本作用既是充电和放电，于是直接利用此充电和放电的功能便是电容器的主要用途之一 。
在此用途中的电容器，在供给能量高于需求时即予吸收并储存，而当供给能量低于需求或没有能量供给时，此储存的能量即可放出。
在整流电路，二极管仅导通下半周的电流，在导通期间把电能储存于电容器上，在负半周时，二极管不导电，此时负载所需的电能唯赖电容器供给
6、画出压电元件的两种等效电路
7、简述霍尔片不等位电势的产生原因？减少不等位电势的方法？
产生：受到了电场或磁场的干扰
方法：采用电流和磁场换向的对称测量法。
8、 什么是霍尔电势？霍尔电势与哪些因素有关？
当一块半导体薄片置于磁场中有 电流流过时，电子将受到 洛伦兹力的作用而发生偏转，在半导体薄片的另外两端将产生霍尔电动势。
因素：控制电流、磁感应强度、薄片的厚度、半导体材料中的电子浓度
9、光电效应可分几类？说明其原理及相应的光电器件？
光电效应分为：外光电效应和内光电效应。
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。 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。
一. 单项选择题
1、某压力仪表厂生产的压力表满度相对误差均控制在 0.4%~0.6% ，该压力表的精度等级应定为 B 级，另一家仪器厂需要购买压力表，希望压力表的满度相对误差小于 0.9% ，应购买 C 级的压力表。
A. 0.2 B. 0.5 C. 1.0 D. 1.5
2、某采购员分别在三家商店购买 100kg 大米、 10kg 苹果、 1kg 巧克力，发现均缺少约 0.5kg ，但该采购员对卖巧克力的商店意见最大，产生此心理作用的主要因素是 B 。
A. 绝对误差 B. 示值相对误差 C. 满度相对误差 D. 精度等级
3、在选购线性仪表时，必须在同一系列的仪表中选择适当的量程。这时必须考虑到应尽量使选购的仪表量程为欲测量的 C 左右为宜。
A.3 倍 B.10 倍 C.1.5 倍 D.0.75 倍
4、用万用表交流电压档 ( 频率上限仅为 5kHz) 测量频率高达 500kHz 、 10V 左右的高频电压，发现示值还不到 2V ，该误差属于 B 。用该表直流电压档测量 5 号干电池电压，发现每次示值均为 1.4V ，该误差属于 A 。
A. 系统误差 B. 粗大误差 C. 随机误差 D. 动态误差
5 、重要场合使用的元器件或仪表，购入后需进行高、低温循环老化试验，其目的是为了 D 。
A. 提高精度 B. 加速其衰老 C. 测试其各项性能指标 D. 提高可靠性
二.有一温度计，它的测量范围为0～200℃，精度为0.5级，试求：
1、该表可能出现的最大绝对误差为 A 。
A. 1℃ B. 0.5℃ C. 10℃ D. 200℃
2、当示值为20℃时的示值相对误差为 B ，100℃时的示值相对误差为 C 。
A. 2% B. 5％ C. 1％ D. 10％
4、欲测240V左右的电压，要求测量示值相对误差的绝对值不大于0.6%，问：若选用量程为250V电压表，其精度应选 0.5 级。若选用量程为300V，其精度应选 0.2 级，若选用量程为500V的电压表，其精度应选 0.2 级。
5、压力传感器测量砝码数据如下，试解释这是一种什么误差，产生这种误差的原因是什么。
迟滞性误差 1、原材料 2、安装条件
N(g) 0 1 2 3 4 5
正行程(mv)0     0.5      1.0    1.5    2.0    2.5
反行程(mv)0     0.9      1.3    1.8    2.3      2.5
6、 一台精度等级为0.5级，量程范围600—1 C的温度传感器，其最大允许的绝对误差是多少？若检验某点的绝对误差是40C，问此表是否合格？
X=3 不合格
7、已知某一阶传感器的传递函数，，求该传感器输入信号的工作频率范围？
8、设5次测量某物体的长度，其测量的结果分别为：9.8 10.0 10.1 9.9 10.2（厘米），若忽略粗大误差和系统误差，试求在99.73％的置信概率下的结果表示。
9、测量电阻R消耗的功率时，可间接测量电阻值R、电阻上的电压V、流过电阻的电流I，然后计算功率： 请给出几种不同的测量方案；假设电阻、电压、电流测量的相对误差分别为γR=±2%，γv=±3%，γI＝±1.5%，试确定最佳测量方案。
10、在对量程为10Kg的称重传感器进行标定时，测出传感器输出电压值与质量值之间的关系如下表所示。试说明最小二乘法的数学原理，并用最小二乘法求该传感器的电压-质量值的拟合直线经验公式，求出电压为25V时对应的质量是多少？
测量次数I
1
2
3
4
5
质量xi（Kg）
2
4
6
8
10
电压yi（V）
10.4
20.3
30.5
40.2
50.7

6、解：因为仪表精度等级以最大引用误差为根据确定，
则由得
实际最大误差 大于最大允许误差在超过允许误差范围
该传感器不合格
7、解：求算术平均值及标准差：

由于忽略粗大误差和系统误差，则直接求平均值的标准差：

结果表示：
8、解：频率特性表示式：
则其幅频特性
工作下限频率：ω=0 f=0Hz
工作上限频率：
ω=1/τ=1/0.01=100 f=ω/2π=159Hz
9、解： 方案1：
方案2：
方案3：
由上可得 方案1 相对误差最小，采用方案1较好。
10、解：最小二乘法数学原理：测量结果的残差平方和最小。
假设拟合直线经验公式为： （y-电压，x-质量）
为便于区别，实际电压测量值也用表示， 真实值用表示 则残差：
解法一：代数方程
假设拟合直线经验公式为：
由满足测量结果的残差平方和最小，必须；得2个方程：

解得即
拟合直线公式：
解法二：矩阵法

由满足残差平方和最小解得：
则

即
拟合直线公式：
验证：
测量次数I
1
2
3
4
5
质量xi（MPa）
2
4
6
8
10
侧量电压yi（V）
10.4
20.3
30.5
40.2
50.7
由计算的电压值（V）
10.32
20.37
30.42
40.47
50.52

因此当电压y=25V时,由该直线公式得：