传感器与检测技术试卷6答案.docx

《传感器与检测技术》试卷
班级： 学号： 姓名： 成绩：
一、选择与填空题：（12分）
1. 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. 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。
3. 在变压器式传感器中，一次侧和二次侧互感M的大小与一次侧线圈的匝数成（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动势是由两种导体的接触电动势和 单一导体的温差电动势组成。
6. 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；微差式测量是指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。
二、简答题：（44分）
1. 光纤传感器的工作原理。（4分）
答：光导纤维工作的基础是光的全内反射，当射入的光线的入射角大于纤维包层间的临界角时，就会在光纤的接口上产生全内反射，并在光纤内部以后的角度反复逐次反射，直至传递到另一端面。
光纤传感器利用光导纤维，按其工作原理来分有功能型（或称物性型、传感型）与非功能型（或称结构型、传光型）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。
2. 什么叫做热电动势、接触电动势和温差电动势？说明热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。（5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动势。因而有电流产生相应的热电动势称为温差电动势或塞贝克电动势，通称热电动势。
②接触电动势：接触电动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动势。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动势。
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时的热电动势等于该热电偶热端为T，冷端为Tn时的热电动势与同一热电偶热端为Tn，冷端为T0时热电动势的代数和。
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EAC(T,T0)，EBC(T,T0)，那么在相同温度下，又A、B两热电极配对后的热电动势为
EAB(T,T0)= EAC(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动势，那么由这两种热电极配对组成热电偶的热电动势便可由上式求得，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：①0°C恒温法
②计算修正法（冷端温度修正法）
③仪表机械零点调整法
④热电偶补偿法
⑤电桥补偿法
⑥冷端延长线法
3. 人们说，SMART传感器代表着今后传感器发展的总趋势，为什么？
（5分）
答：传感器在经历了模拟量信息处理和数字量交换这两个阶段后，正朝着智能化、集成一体化、小型化方向发展，利用微处理机技术使传感器智能化是在20世纪80年代新型传感器的一大进展，通常称之为SMART传感器。它有如下功能和特点：
①功能
a) 自补偿功能：如非线性、温度误差响应时间等的补偿。
b) 自诊断功能：如在接通电源时自检。
c) 微处理器和基本传感器之间具有双向通信功能，构成一死循环工作系统。
d) 信息存储和记忆功能。
e) 数字量输出和显示。

②优点：
a) 精度高，可通过软件来修正非线性，补偿温度等系统误差，还可补偿随机误差，从而使精度大为提高。
b) 有一定的可编程自动化能力。包括指令和数据存储、自动调零、自检等。
c) 功能广。智能传感器可以有多种形式输出，通过串口、并口、面板数字控制数或CRT显示，并配打印机保存资料。
d) 功能价格比大。在相同精度条件下，多功能智能传感器比功能普通的传感器性能价格比大。
由此可见，智能（SMART）化设计是传感器传统设计中的一次革命，是世界传感器的发展趋势。
4. 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。
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。
6. 改善传感器性能的技术途径有哪些？（4分）
答：进行可靠性设计。其典型的设计程序如下：
首先是明确可靠性指标，产品的可靠性指标应与产品的功能、性能一起被确定。可靠性指标应符合产品的特点，它可以是单一的可靠性特征值，也可以是由多个可靠性特征值构成的可靠性指标体系，确定产品可靠性指标以后的可靠性设计程序依次：建立系统可靠性模型；可靠性分配；可靠性分析；可靠性预测；可靠性设计和评审；试制品的可靠性试验和最终的改进设计。
可靠性设计的原则是：首先要尽量简单，元件少、结构简单、工艺简单、使用简单、维修简单，其次是技术上成熟、选用合乎标准的原材料和元件、采用保守的设计方案。对于看似先进但不够成熟的产品或技术应持慎重的态度。采用局部失效不致对全局造成严重后果和预测可靠性高的方案。
7. 什么是系统误差？系统误差产生的原因是什么？如何减小系统误差？（6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。
⑺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。

减小系统误差的方法：
①引入更正值法：若通过对测量仪表的校准，知道了仪表的更正值，则将测量结果的指示值加上更正值，就可得到被测量的实际值。
②替换法：是用可调的标准量具代替被测量接入测量仪表，然后调整标准量具，使测量仪表的指针与被测量接入时相同，则此时的标准量具的数值即等于被测量。
③差值法：是将标准量与被测量相减，然后测量二者的差值。
④正负误差相消法：是当测量仪表内部存在着固定方向的误差因素时，可以改变被测量的极性，作两次测量，然后取二者的平均值，以消除固定方向的误差因素。
⑤选择最佳测量方案：是指总误差为最小的测量方案，而多数情况下是指选择合适的函数形式及在函数形式确定之后，选择合适的测量点。

8. 什么是传感器的可靠性？可靠性设计程序和原则是什么？（6分）
答：传感器的可靠性是指传感器在规定条件、规定时间，完成规定功能的能力。
可靠性设计程序：
①建立系统可靠性模型
②可靠性分配
③可靠性分析
④可靠性预测
⑤可靠性设计评审
⑥试制品的可靠性试验
⑦最终的改进设计
可靠性设计原则：
①尽量简单、组件少、结构简单
②工艺简单
③使用简单
④维修简单
⑤技术上成熟
⑥选用合乎标准的原材料和组件
⑦采用保守的设计方案

9. 什么是传感器的失效？失效有哪几种？失效分析方法有哪几种？（6分）
答：产品丧失完成规定功能能力所有状态及事件的总和叫失效。
失效的分类：
①按失效发生场合分：试验失效、现场失效
②按失效的程度分：完全失效、局部失效
③按失效前功能或参数变化的性质分：突然失效、退化失效
④按失效排除的性质分：稳定性失效、间歇失效
⑤按失效的外部表现分：明显失效、隐蔽失效
⑥按失效发生的原因分：设计上的失效、工艺上的失效、使用上的失效
⑦按失效的起源分：自然失效、人为失效
⑧按与其它失效的关系分：独立失效、从属失效
⑨按失效浴盆曲线上不同阶段分：早期失效、偶然失效、耗损失效等
失效分析的方法：
①失效模式、效应及危害度分析
②工艺过程FMMEA及质量反馈分析
③失效树分析方法

三、分析、计算题：（24分）
1. 分析（线性）电位器式传感器由于测量线路中的负载电阻RL带来的负载误差，并计算它与位移x之间的关系。（8分）

答案略。

2. 分析下图所示自感传感器当动铁心左右移动（x1，x2发生变化）时自感L变化情况。已知空气气隙的长度为x1，x2，空气隙的面积为S，磁导率为μ线圈匝数W不变。（8分）

3. 测得某检测装置的一组输入输出数据如下：
X
0.9
2.5
3.3
4.5
5.7
6.7
Y
1.1
1.6
2.6
3.2
4.0
5.0
试用最小二乘法拟合直线，求其线性度和灵敏度（8分）
解:

代入数据求得
所以

拟合直线灵敏度,线性度±7%。
四. 设计题（30分）
1. 利用所学知识，设计一套湿度传感器（包括敏感元件的选择、测量电路的设计、采用温度补偿及抗干扰措施）。（10分）
2. 设计一套智能测温传感器。要求：测温范围－10～40℃，A/D转换为10位数字（包括硬件和软件）。（20分）
答案略。