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1、一、简答题：l.检测系统由哪几部分组成？说明各部分的作用。答：一个完整的检测系统或检测装置通常是由传感器、测量电路和显示记录装置等几部分组成，分别完成信息获取、转换、显示和处理等功能。当然其中还包括电源和传输通道等不可缺少的部分。下图给出了检测系统的组成框图。检测系统的组成框图传感器是把被测量转换成电学量的装置，显然，传感器是检测系统与被测对象直接发生联系的部件，是检测系统最重要的环节，检测系统获取信息的质量往往是由传感器的性能确定的，因为检测系统的其它环节无法添加新的检测信息并且不易消除传感器所引入的误差。测量电路的作用是将传感器的输出信号转换成易于测量的电压或电流信号。通常传感器输出信号是
2、微弱的，就需要由测量电路加以放大，以满足显示记录装置的要求。根据需要测量电路还能进行阻抗匹配、微分、积分、线性化补偿等信号处理工作。显示记录装置是检测人员和检测系统联系的主要环节，主要作用是使人们了解被测量的大小或变化的过程。2.什么是系统误差和随机误差？正确度和精密度的含义是什么? 它们各反映何种误差?答：系统误差是指在相同的条件下，多次重复测量同一量时，误差的大小和符号保持不变，或按照一定的规律变化的误差。随机误差则是指在相同条件下，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。正确度是指测量结果与理论真值的一致程度，它反映了系统误差的大小，精密度是指测量结果的分散程度，
3、它反映了随机误差的大小。3.金属电阻应变片与半导体材料的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其几何形状的变化而产生的，半导体材料的应变效应则主要取决于材料的电阻率随应变所引起的变化产生的。4.直流测量电桥和交流测量电桥有什么区别?答：它们的区别主要是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。5.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光电元件。它的重要特性是在无光照时阻值非常大，相当于断路，有光照时阻值变得很小，相当于通路。在工业应用中主要就是通过光的变化来各种电路的
4、控制。6.影响差动变压器输出线性度和灵敏度的主要因素是什么？答：影响差动变压器输出线性度和灵敏度的主要因素是：传感器几何尺寸、线圈电气参数的对称性、磁性材料的残余应力、测量电路零点残余电动势等。7.电涡流式传感器的灵敏度主要受哪些因素影响？它的主要优点是什么？答：电涡流式传感器的灵敏度主要受导体的电导率、磁导率、几何形状，线圈的几何参数，激励电流频率以及线圈到被测导体间的距离等因素影响。电涡流式传感结构简单、频率响应宽、灵敏度高、测量范围大、抗干忧能力强，特别是有非接触测量的优点，因此在工业生产和科学技术的各个领域中得到了广泛的应用。8什么是金属导体的热电效应?试说明热电偶的测温原理。答：热电
5、效应就是两种不同的导体或半导体A和B组成一个回路，其两端相互连接时，只要两结点处的温度不同，回路中就会产生一个电动势，该电动势的方向和大小与导体的材料及两接点的温度有关。热电偶测温就是利用这种热电效应进行的，将热电偶的热端插入被测物，冷端接进仪表，就能测量温度。9简述热电偶的几个重要定律，并分别说明它们的实用价值。答：一是匀质导体定律：如果热电偶回路中的两个热电极材料相同，无论两接点的温度如何，热电动势为零。根据这个定律，可以检验两个热电极材料成分是否相同，也可以检查热电极材料的均匀性。二是中间导体定律：在热电偶回路中接入第三种导体，只要第三种导体的两接点温度相同，则回路中总的热电动势不变。它
6、使我们可以方便地在回路中直接接入各种类型的显示仪表或调节器，也可以将热电偶的两端不焊接而直接插入液态金属中或直接焊在金属表面进行温度测量。三是标准电极定律：如果两种导体分别与第三种导体组成的热电偶所产生的热电动势已知，则由这两种导体组成的热电偶所产生的热电动势也就已知。只要测得各种金属与纯铂组成的热电偶的热电动势，则各种金属之间相互组合而成的热电偶的热电动势可直接计算出来。四是中间温度定律：热电偶在两接点温度t、t0时的热电动势等于该热电偶在接点温度为t、tn和tn、t0时的相应热电动势的代数和。中间温度定律为补偿导线的使用提供了理论依据。10为什么说压电式传感器只适用于动态测量而不能用于静态
7、测量?答：因为压电式传感器是将被子测量转换成压电晶体的电荷量，可等效成一定的电容，如被测量为静态时，很难将电荷转换成一定的电压信号输出，故只能用于动态测量。11压电式传感器测量电路的作用是什么?其核心是解决什么问题?答：压电式传感器测量电路的作用是将压电晶体产生的电荷转换为电压信号输出，其核心是要解决微弱信号的转换与放大，得到足够强的输出信号。12光电效应有哪几种？与之对应的光电元件各有哪些?答：光电效应有外光电效应、内光电效应和光生伏特效应三种。基于外光电效应的光电元件有光电管、光电倍增管等；基于内光电效应的光电元件有光敏电阻、光敏晶体管等；基于光生伏特效应的光电元件有光电池等。13常用的半
8、导体光电元件有哪些?它们的电路符号如何?答：常用的半导体光电元件有光敏二极管、光敏三极管和光电池三种。它们的电路符号如下图所示：14什么是光电元件的光谱特性?答：光电元件的光谱特性是指入射光照度一定时，光电元件的相对灵敏度随光波波长的变化而变化，一种光电元件只对一定波长范围的人射光敏感，这就是光电元件的光谱特性。15光电传感器由哪些部分组成?被测量可以影响光电传感器的哪些部分?答：光电传感器通常由光源、光学通路和光电元件三部分组成，如图所示。图中1是光源发出的光信号，2是光电器件接受的光信号，被测量可以是x1或者x2，它们能够分别造成光源本身或光学通路的变化，从而影响传感器输出的电信号I。光电
9、传感器设计灵活，形式多样，在越来越多的领域内得到广泛的应用。16. 什么是霍尔效应？答：在置于磁场的导体或半导体中通入电流，若电流与磁场垂直，则在与磁场和电流都垂直的方向上会出现一个电势差，这种现象就是霍尔效应，是由科学家爱德文霍尔在1879年发现的。产生的电势差称为霍尔电压。17. 为什么导体材料和绝缘体材料均不宜做成霍尔元件？答：因为导体材料的虽然很大，但很小，故不宜做成元件，而绝缘材料的虽然很大，但很小，故也不宜做成元件。18. 霍尔灵敏度与霍尔元件厚度之间有什么关系？答：霍尔灵敏度与霍尔元件厚度成反比，。19. 集成霍尔传感器有什么特点？答：集成霍尔传感器的特点主要是取消了传感器和测量
10、电路之间的界限，实现了材料、元件、电路三位一体。集成霍尔传感器与分立相比，由于减少了焊点，因此显著地提高了可靠性。此外，它具有体积小、重量轻、功耗低等优点。20. 写出你认为可以用霍尔传感器来检测的物理量。答：可以用霍尔传感器来检测的物理量有力、力矩、压力、应力、位置、位移、速度、加速度、角度、转速、磁场量等等。21. 如何改变单极式变极距型电容传感器的非线性？答：为了改变单极式变极距型传感器的非线性应采取的措施：减小极距的变化量使，增加线性度。改用差动形式，提高了传感器的非线性度。二、计算：1、鉴定2.5级（即满度误差为2.5%）的全量程为100V的电压表，发现50V刻度点的示值误差2V为最
11、大误差，问该电压表是否合格？解： 2%2.5% 合格。2、测量某电路电流共5次，测得数据（单位为mA）分别为168.41，168.54，168.59，168.40，168.50。试求算术平均值和标准差。解：3、测量某物质中铁的含量为：1.52、1.46、1.61、1.54、1.55、1.49、1.68、1.46、1.83、1.50、1.56（单位略），试用3准则检查测量值中是否有坏值。解： =0.109733=0.32919 检查测量值中没有坏值。4、某线性位移测量仪，当被测位移由4.5mm变到5.0mm时，位移测量仪的输出电压由3.5V减至2.5V，求该仪器的灵敏度。解：该仪器的灵敏度为mV
12、/mm5、某测温系统由以下四个环节组成，各自的灵敏度如下： 铂电阻温度传感器： 0.45/ 电桥： 0.02V/ 放大器： 100(放大倍数) 笔式记录仪： 0.2cm/V求：(1)测温系统的总灵敏度；(2)记录仪笔尖位移4cm时，所对应的温度变化值。解：（1）测温系统的总灵敏度为 cm/（2）记录仪笔尖位移4cm时，所对应的温度变化值为6、有三台测温仪表，量程均为0800，精度等级分别为2.5级、2.0级和1.5级，现要测量500的温度，要求相对误差不超过2.5，选那台仪表合理?解：2.5级时的最大绝对误差值为20，测量500时的相对误差为4；2.0级时的最大绝对误差值为16，测量500时的
13、相对误差为3.2；1.5级时的最大绝对误差值为12，测量500时的相对误差为2.4。因此，应该选用1.5级的测温仪器。7、等精度测量某电阻10次，得到的测量列如下： R1167.95 R2167.45 R3167.60 R4167.60 R5167.87 R6167.88 R7168.00 R8167.850 R9167.82 R10167.61(1) 求10次测量的算术平均值，测量的标准误差和算术平均值的标准误差s。解：(1)求10次测量的算术平均值，测量的标准误差和算术平均值的标准误差s。8、已知某一位移传感器的测量范围为030mm，静态测量时，输入值与输出值得关系如表1.1所示，试求该传
14、感器的线性度和灵敏度。输入值（mm）151015202530输出值（mV）1.503.516.028.5311.0413.4715.989、如图所示为一直流应变电桥。图中U=4V，R1=R2=R3=R4=120，试求：（1）R1为金属应变片，其余为外接电阻。当R1的增量为R1=1.2时，电桥输出电压U0为多少？（2）R1和R2都是应变片，且批号相同，感受应变的极性和大小都相同，其余为外接电阻，电桥输出电压U0为多少？（3）题（2）中，如果R2与R1感受应变的极性相反，且，电桥输出电压U0为多少？解：（1） （2） （3）10、如图所示为等强度梁测力系统，R1为电阻应变片，应变片灵敏系数K=2.
15、05，未受应变时，R1=120。当试件受力F时，应变片承受平均应变=810-4，求：（1）应变片电阻变化量R1和电阻相对变化量R1/R1。（2）将电阻应变片R1置于单臂测量电桥，电桥电源电压为直流3V，求电桥输出电压及电桥非线性误差。（3）若要减小非线性误差，应采取何种措施？并分析其电桥输出电压及非线性误差大小。解：（1） （2） （3）为了减小非线性误差，应采用差动电路或全桥电路。当采用差动电路时，输出电压U0为原来的2倍，消除了非线性误差；当采用全桥电路时，输出电压U0为原来的4倍，非线性误差得以消除。11、采用阻值为120灵敏度系数K=2.0的金属电阻应变片和阻值为120的固定电阻组成电
16、桥，供桥电压为4V，并假定负载电阻无穷大。当应变片上的应变分别为1和1 000时，试求单臂、双臂和全桥工作时的输出电压，并比较三种情况下的灵敏度。解：单臂时，所以应变为1时/V，应变为1000时应为/V；双臂时，所以应变为1时/V，应变为1000时应为/V；全桥时，所以应变为1时/V，应变为1000时应为/V。从上面的计算可知：单臂时灵敏度最低，双臂时为其两倍，全桥时最高，为单臂的四倍。12、采用阻值R=120灵敏度系数K=2.0的金属电阻应变片与阻值R=120的固定电阻组成电桥，供桥电压为10V。当应变片应变为1000时，若要使输出电压大于10mV，则可采用何种工作方式（设输出阻抗为无穷大）
17、？解：由于不知是何种工作方式，可设为n，故可得：mV得n要小于2，故应采用全桥工作方式。13、如图所示为一直流电桥，供电电源电动势E=3V，R3=R4=100，R1和R2为同型号的电阻应变片，其电阻均为50，灵敏度系数K=2.0。两只应变片分别粘贴于等强度梁同一截面的正反两面。设等强度梁在受力后产生的应变为5 000，试求此时电桥输出端电压U0。解：此电桥为输出对称电桥，故/mV14、有一平面直线位移差动传感器特性其测量电路采用变压器交流电桥，结构组成如图所示。电容传感器起始时b1=b2=b=200mm，a1=a2=20mm极距d=2mm，极间介质为空气，测量电路u1=3sintV，且u=u0
18、。试求当动极板上输入一位移量x=5mm时,电桥输出电压u0。题3图解：根据测量电路可得/mV15、如图3-22所示正方形平板电容器,极板长度a=4cm,极板间距离=0.2mm.若用此变面积型传感器测量位移x,试计算该传感器的灵敏度并画出传感器的特性曲线.极板间介质为空气,。解：这是个变面积型电容传感器，共有4个小电容并联组成。 /pF (x的单位为米) /pF16、一压电式传感器的灵敏度K110pCMPa，连接灵敏度K2=0.008VpC的电荷放大器，所用的笔式记录仪的灵敏度K3=25mmV，当压力变化p=8MPa时，记录笔在记录纸上的偏移为多少?解：记录笔在记录纸上的偏移为 S=100.00
19、8258=16/mm17、某加速度计的校准振动台，它能作50Hz和1g的振动，今有压电式加速度计出厂时标出灵敏度K100mVg，由于测试要求需加长导线，因此要重新标定加速度计灵敏度，假定所用的阻抗变换器放大倍数为1，电压放大器放大倍数为100，标定时晶体管毫伏表上指示为9.13V，试画出标定系统的框图，并计算加速度计的电压灵敏度。解：此加速度计的灵敏度为 mV/g标定系统框图如下：三、分析：1.试分析变面积式电容传感器和变间隙式电容的灵敏度?为了提高传感器的灵敏度可采取什么措施并应注意什么问题?答：（1）对于变极距型电容传感器，由式得： 则变极距型电容传感器静态灵敏度为： 因为，上式可按泰勒级
20、数展开得： 采取措施：为了提高灵敏度，应减小d，或者采用差动结构形式。注意问题：d过小不但影响两极板间移动的平稳性，而且容易使电容器击穿。一般可在极板间放置云母片或塑料膜，以提高电容器耐击穿性能。 （2）对于变面积型电容传感器，忽略边缘效应，其静态灵敏度为常数，即： 采取措施：增大极板宽度b、减小极板间距d可以提高灵敏度，而极板起始遮盖长度a的大小与灵敏度无关。或者采用差动结构形式。注意问题：a不能太小，必须保证，否则因边缘电场影响增大而影响传感器的非线性。2.如图所示为一差动整流电路，试分析电路的工作原理。 题5答：这是简单的电压输出型，动铁芯移动时引起上下两个全波整流电路输出差动电压，中间
21、可调整零位，输出电压与铁芯位移成正比。这种电路由二极管的非线性影响以及二极管正向饱和压降和反向漏电流的不利影响较大。3试分析金属导体产生接触电动势和温差电动势的原因。答：当A和B两种不同材料的导体接触时，由于两者内部单位体积的自由电子数目不同(即电子密度不同)，因此，电子在两个方向上扩散的速率就不一样。现假设导体A的自由电子密度大于导体B的自由电子密度，则导体A扩散到导体B的电子数要比导体B扩散到导体A的电子数大。所以导体A失去电子带正电荷，导体B得到电子带负电荷，于是，在A、B两导体的接触界面上便形成一个由A到B的电场。该电场的方向与扩散进行的方向相反，它将引起反方向的电子转移，阻碍扩散作用
22、的继续进行。当扩散作用与阻碍扩散作用相等时，即自导体A扩散到导体B的自由电子数与在电场作用下自导体B到导体A的自由电子数相等时，便处于一种动态平衡状态。在这种状态下，A与B两导体的接触处就产生了电位差，称为接触电动势。对于导体A或B，将其两端分别置于不同的温度场t、t0中(t t0)。在导体内部，热端的自由电子具有较大的动能，向冷端移动，从而使热端失去电子带正电荷，冷端得到电子带负电荷。这样，导体两端便产生了一个由热端指向冷端的静电场。该电场阻止电子从热端继续跑到冷端并使电子反方向移动，最后也达到了动态平衡状态。这样，导体两端便产生了电位差，我们将该电位差称为温差电动势。4.试分析热电偶回路的
23、总热电势。BT0TA解：按顺时针方向写出4个电势方程为： 若热电极A和B为同一种材料时，NA=NB，A=B，则。若热电偶两端处于同一温度下，即，则。因此，热电势存在必须具备两个条件：一是两种不同的金属材料组成热电偶，二是其两端存在温差。对式子重新整理为： 从式中可以看到，热电势是的温度函数差，而不是温度的函数。当时，=0，则有： 5.热电阻测量时采用何种测量电路?为什么要采用这种测量电路?说明这种电路的工作原理。热电阻的测量电路答：通常采用电桥电路作为测量电路。为了克服环境温度的影响常采用下图所示的三导线四分之一电桥电路。由于采用这种电路，热电阻的两根引线的电阻值被分配在两个相邻的桥臂中，如果
24、，则由于环境温度变化引起的引线电阻值变化造成的误差被相互抵消。6.为什么说变间隙型电容传感器特性是非线性的?采取什么措施可改善其非线性特征?答：下图为变间隙式电容传感器的原理图。图中1为固定极板，2为与被测对象相连的活动极板。当活动极板因被测参数的改变而引起移动时，两极板间的距离d发生变化，从而改变了两极板之间的电容量C。设极板面积为A，其静态电容量为，当活动极板移动x后，其电容量为 (1)当xd时 则 (2)由式（1）可以看出电容量C与x不是线性关系，只有当 xd时，才可认为是最近似线形关系。同时还可以看出，要提高灵敏度，应减小起始间隙d过小时。但当d过小时，又容易引起击穿，同时加工精度要求也高了。为此,一般是在极板间放置云母、塑料膜等介电常数高的物质来改善这种情况。在实际应用中，为了提高灵敏度，减小非线性，可采用差动式结构。四、设计题：1、设计一个采用霍尔传感器的液位控制系统。答：液位控制系统原理如图所示，霍尔元件固定不动，磁铁与探测杆固定在一起，连接到装液体的容器旁边，通过管道与内部连接。当液位达到控制位置时霍尔元件输出控制信号，通过处理电路和电磁阀来控制液压阀门的开启和关闭，如液位低于控制位置时开启阀门，超过控制位置时则关闭阀门。