电大《传感器与检测技术》期末复习考试参考答案【直接打印.doc

【最新】电大传感器与检测技术期末复习考试小抄1.传感器的定义；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是感知各种化学和物理的非电量并按照一定规律将其转换为可用电信号输出的装置或器件。感应器组成 敏感元件 传感元件 信号调节与转换电路传感器一般按测定量和转换原理两种方法来进行分类2.变送器：当传感器的输出为标准信号DC 4-20mA时， 则称作变送器。3线性度（非线性误差）：输出-输入校准曲线与某一选定拟合直线不吻合的程度 。 4迟滞：迟滞表示传感器在正 、反 行程期间，输出-输入曲线不重合的程度。5重复性：重复性表示传感器在同一工作条件下，被测输入量按同一方向作全程连续多次重复测量时，所得输出值（或校准曲线）的一致程度。6精度：精度是反映系统误差和随机误差的综合误差指标。一般用重复性、线性度、迟滞三项的方和根或简单代数和表示。7灵敏度：灵敏度是传感器输出量增量与输入量增量之比。8阈值：一个传感器的输入从零开始缓慢地增加时，只有在达到某一最小值后才测得出输出变化，这个最小值就称为传感器的阈值。9分辨率（力）：是指当一个传感器的输入从非零的任意值缓慢地增加时，只有在超过某一输入增量后输出才显示有变化， 这个输入增量称为传感器的分辨力。 有时用该值相对满量程输入值之百分比表示，则称为分辨率。 10时漂：时间漂移通常是指传感器零位随时间变化而变化的现象。11零点温漂：通常是指传感器零位随温度变化而变化的现象12灵敏度温漂：是指传感器灵敏度随温度变化而变化的现象。传感器产生漂移的原因有两个方面：一是传感器自身结构参数；二是周围环境(如温度、湿度等)。最常见的漂移是温度漂移，即周围环境温度变化而引起输出量的变化，温度漂移主要表现为温度零点漂移和温度灵敏度漂移。13最小二乘法原理的核心思想是：校准数据与拟合直线上相应值之间的残差平方和最小。可简述为“估计应满足残差（剩余）平方和为最小”14通常在阶跃函数作用下测定传感器动态性能的时域指标。通常在正弦函数作用下测定传感器动态性能的频域指标。（动态特性时域，频域）15通常用哪四个指标来表示传感器动态性能的时域指标？答：(1) 时间常数：输出值上升到稳态值y()的63所需的时间。 (2) 上升时间：输出值从稳态值y()的10上升到90%所需的时间。 (3) 响应时间t5、t2：输出值达到稳态值的95或98所需的时间。 (4) 超调量：4.1 简述半导体压阻效应及其特性。答：对半导体施加应力时，半导体的电阻率会发生改变，这种现象称为压阻效应。半导体压阻效应一个很重要的特点是效应的各向异性。2对比全桥压阻压力传感器的恒压、恒流供电的特点。当无外加应力时，电桥的输出为R1R2R3R4R，当膜片受到应力作用时，R1、R3与R2、R4有相反的等量变化，即R1R1R1，R3R3R3，R2R2-R2，R4R4-R4。于是在压力的作用下，电桥失去平衡， 产生的电压输出为 若设计上保证R1R2R3R4R，并且在受到应力作用时满足R1R2R3R4R，则上式表明，当以恒压源方式供电时，电桥的输出与因压阻效应引起的电阻变化的相对量以及电源电压成正比。因此，传感器的输出精度直接受电源电压精度的限制。同时，因桥臂电阻对温度敏感，所以输出也会受温度的影响。 采用恒流源供电时的零输出电压为 若设计上保证R1R2R3R4R，并且在受到应力作用时满足R1R2R3R4R，则上式表明，恒流源供电时，输出电压与力敏电阻的增量以及恒流源电流成正比。恒流源精度会影响到传感器的精度。这种供电方式的优点是电桥的输出与桥臂电阻无关，所以比恒压源供电方式的温度稳定性好。3困扰硅压阻传感器设计的难题是 传感器温度漂移的补偿。4电容压力传感器的工作原理？答：敏感电容器的电容量由两个极板的面积和间距决定。当膜片两侧存在压力差时，硅膜片发生形变，电容器极板间的间距发生变化，从而引起电容器容量的变化。电容的变化量与压力差有关，因此可以作为压力检测元件5简述图示带温度补偿电路的压力传感器的温度补偿原理？ 6压阻全桥压力传感器零位失调的原因与解决方法？答：压阻全桥的四个电阻值存在误差造成零位失调。失调补偿方法：测量零位失调电压已，根据失调电压的正负，在适当的桥臂上串（并）联一个电阻Rz。7列举几个压力传感器使用的实例。电子血压计，气压传感器，气压高度计，液位计，加速度计5.1.热电效应：当两种不同的导体两端相接，组成一个闭合回路，如两个接头处具有不同的温度T和T0，则回路中便有电流，产生电流的电动势称为温差电动势。这种现象称为热电效应。2.接触电势：由于两种导体自由电子密度不同而在其接触处形成的电动势。 3 热电偶理论的部分结论-用于判断题1. 若两电极材料相同，不论温度如何，总电势为零2. 若热电偶两节点温度相同，不论材料，回路中电势为零3. 热电势仅与材料和接点温度有关。及热电极材料相同的热电偶可以互换热电偶三大定律中间导体定律 中间温度定律 标准电极定律4.简述冷端补偿方法(列出4种即可)答: 1 0恒温法; 2 冷端恒温法; 3 冷端补偿器法; 4 补偿导线法; 5 采用不需要冷端补偿的热电偶; 6 补正系数修正法; 7 冷端温度的智能补5.构成热电偶回路的电势？温差电势和接触电势6简述金属测温电阻测温电路的2种接线方式？并画出接线图。7金属测温电阻在使用过程中主要产生哪2种误差？分别是怎样解决的？答:自热误差一般限制电流，规定其职不超过6MA引线误差-测量电阻的引线采用三线式或四线式接法。8半导体热敏电阻温度传感器按其特性有哪三种分类？答：负温度系数热敏电阻（NTC）、正温度系数热敏电阻（PTC）和临界温度电阻器（CTR）。 9.温敏二极管工作原理？答：在一定的电流下，温敏二极管的正向电压将随温度的变化而呈线性规律变化。 10.温敏三极管工作原理-当集电极电流恒定时，温敏晶体管的基极-发射极电压随温度的变化而呈线性规律变化。6.1.霍尔（Hall）效应：长方形半导体材料中，在长度X方向通以直流电流Ic，在厚度Z方向施加磁场B，在宽度Y方向上便产生电位差UH，这种现象称为霍尔效应。2.磁阻效应：由于磁场而引起的半导体或导体电阻的变化。包括物理磁阻效应和几何磁阻3.霍尔器件的技术性能 ：额定控制电流、输入电阻、输出电阻、乘积灵敏度、不等位电势、霍尔电压温度系数。4.简述霍尔器件的供电方式，认识器件符号，有哪些应用？答：恒压和恒流供电，应用：电流传感器 电极控制 位置传感器 振动检测 压力传感器 速度检测制作霍尔元件应采用什么材料，为什么？因为元件越薄，灵敏度系数越大为何霍尔元件都比较薄，而且长宽比一般为2 ：1采用半导体材料。因为其灵敏度高，输出霍尔电势大。5.简述磁电编码（磁敏编码器）器工作原理。答：马达带动齿轮向某一确定方向转动，齿轮的齿顶和齿根将有序的依次扫过磁敏电阻引起磁敏电阻阻值的交替变化，这种电阻值的变化被转换电路转变成规则的脉冲序列，则该脉冲的频率可以表征转速的大小；如果设置两路完全相同的磁敏电阻及其检测电路，则这两路电路将输出频率一样但存在固定相位差的信号，这种相位差即可表征齿轮的转向。故这种磁电编码（磁敏编码器）器既可以测量转速，又可以测量转动方向。 3画出霍尔器件的恒压恒流驱动电路，说明各自的优缺点。 恒压工作性能较差与恒流，适应对精度要求不高的场合，不利于在弱磁场下工作。原因是霍尔器件输入电阻随温度变化和磁阻效应的影响恒流没有霍尔器件输入电阻随温度变化和磁阻效应的影响但其偏移电压的稳定性比恒压工作室稍差一些。4.何谓霍尔器件的不等位电势？造成不等位电势的原因有哪些？不等位电势是一个主要的零位误差。原因受到电场合磁场的干扰1. 光电导效应-由光照引起半导体电导率变化的现象2. 光生伏特效应：用适当波长的光照射非均匀半导体（如PN结）时，由于自建场的作用，半导体内部产生光生电压。3. 外光电效应 外量子效应入射光子被物质的表面吸收并向外部释放电子的一种物理现象。(1) 在足够高的加速电压作用下，只要用一定频率的光照射在物质表面（如金属阴极），则产生正比于光强的光电流； (2) 在能够产生光电流的入射频率中，存在着一个最低频率，该频率与金属阴极的种类有关； (3) 外量子效应的光电子最大能量与入射光强度无关，与入射光频率成正比关系，4. 判断（1）对于能产生外光电效应的材料来讲，任意频率的入射光照射时都会产生外光电效应。（×）（2）外光电效应产生的光子能量只与入射光频率有关，而与光强无关。（）（3）外光电效应产生的光子能量不仅与入射光频率有关，还与光强有关。（）5. 简述光敏电阻的光照特性。答：由上图可知，光敏电阻的暗电阻可达100 k以上，而受光照射后最低电阻值只有数百欧姆。 或者，答：当没有光照时光敏电阻的暗电阻很大可达100 k以上，随着光照强度的增加，其电阻逐渐变小。最低电阻值只有数百欧姆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等。基于光生伏特效应的光电元件有光电池、光敏二极管、光敏三极管等。6. 结合光敏电阻的光谱响应特性，判断下列叙述的正误。（1）光敏电阻的对所有波长的光的灵敏度都一样。 （错）（2）光敏电阻只对特定波长的光敏感。 （错）（3）光敏电阻对特定波长的光最敏感，对其他波长的光的灵敏度要小。（）（4）使用上图所示的光敏电阻作为光探测器时，应选用频率为670nm的单色光源。（ ）8. 结合下图说明光敏电阻的光谱温度特性。答：随着温度升高，峰值波长向短波方向移动。9. 光敏二极管是一种以 光生伏特 效应为工作原理的光敏器件。10. 要使光敏二极管能在光照控制下正常工作必须接 反向 电压。11.何谓光敏二极管的暗电流?在选择这种器件时如何考虑该指标？答：在无光照条件下，加有一定反偏压的光敏二极管的反向电流称为光敏二极管的暗电流。 选择器件时暗电流越小越好。12.根据下图简述光敏二极管的光谱响应特性。答：从图中可以看出，在4001100 nm的范围内，光敏二极管对不同波长的入射光的响应是不同的。最高响应灵敏度所对应的入射光波长称为峰值波长，约为900nm。 13. 根据下图简述光敏晶体管的光谱响应特性。答：上图表明，在4001100 nm的范围内，光敏晶体管对不同波长的入射光的响应是不同的。峰值波长处于870nm附近。14，解释“热释电效应”。答：给电石、水晶或酒石酸钾钠（罗谢耳盐）等晶体加热，其晶体表面会产生自然极化而出现电荷， 把这种现象称为热释电效应。或，当强电介质的温度变化t时，其表面会呈现Ps的自然极化电荷，这种现象称为热释电效应。15. 表征某材料热释电效应大小的参数称为 热释电系数 。16.判断（1）热释电效应所产生的极化电荷是可以永存的。（× ）（2）热释电效应所产生的极化电荷不是永存的，所以，要在器件前方的透光窗口加装一个周期性遮断被测红外信号光的机械装置。（）17. 为什么要在器件前方的透光窗口加装一个周期性遮断被测红外信号光的机械装置？答：热释电效应所产生的极化电荷不是永存的， 由于处于器件表面，如果就此搁置，必然会被空气中各种离子所复合而使器件仍呈电中性，后续的检测电路将无法获得电信号，无法实现测量。18. 红外热释电光敏器件的应用-热机探测。人体探测。第八章1.光纤通常由纤芯、 包层及外套组成。其中纤芯的折射率要稍大于包层的折射率。2.按纤芯到包层折射率变化的规律，可 分为 阶跃 型梯度型3.从传输模式上分类可把光纤分为多模光纤和 单模 光纤两类。4.根据下图，简述斯乃尔（Snell）法则。答：光线入射角小于临界角时界面上发生反射和折射现象。入射角1和折射角2满足：n1 sin1=n2 sin2光线入射角等于临界角时界面上发生的反射和折射现象。此时，折射角2=90度。入射角满足：光线入射角大于临界角时界面上发生全反射。 5. 光的全反射现象是光纤传光原理的基础。6.简述光纤传光原理。设光线在A点入射，根据斯乃尔法则， 有 要使入射光线在界面发生全反射，应满足由三角函数公式，得这就是能产生全反射的最大入射角范围。 入射角的最大值c满足，7计算上图光纤的数值孔径。 8. 在非功能型光纤传感器中光纤仅仅是传光通道9. 在功能型 -光纤不仅仅是传光通道还是被测量的敏感元件。10. 应用光纤传感器可以测量哪些物理量？答：压力、温度、电压、电流、位移、速度、液位等。9.1.气敏传感器的检测对象有哪些？答: (1) 可燃性气体； (2) 有毒气体； (3)惰性气体或窒息性气体。 1. 简述电阻型气敏传感器的工作原理。答：分为两种类型：表面电阻控制型和体电阻控制型。表：当被测气体在该半导体表面吸附后，引起其表面电阻发生变化。体 ：当被测气体在该半导体表面吸附后，引起其体电阻发生变化。3.湿度有哪几种表示？ 答：绝对湿度、相对湿度、露（霜）点温度、比湿度、饱和度等。 4.解释绝对湿度和相对湿度。-答：绝对湿度表示单位体积的空气中所含水汽的质量。相对湿度定义为待测空气的水汽分压与相同温度下水的饱和水汽压比值的百分第十一章1.压电效应 -某些电介物质。在沿一定方向对其施力使之变形时，内部会产生极化现象，同时表面产生电荷。当压力去掉，物质又回到不带电状态，这种现象就是压电效应（机械能转电能正压电）2.横向压电效应-当石英晶体受到沿Y轴方向压力作用时，而在垂直于X轴晶体面产生电荷现象称为.横向压电效应3.纵向压电效应-当石英晶体受到沿X轴方向压力作用时，而在垂直于X轴晶体面产生电荷现象称为.纵向压电效应4.压电陶瓷必须经过 极化处理 后，才具有压电效应。5.简述如何建立用于研究压电材料的空间坐标系？答：在结晶学中，把晶体的性质用三根互相垂直的轴来表示， 其中纵向轴Z称为光轴，经过六棱柱棱线并垂直于光轴的X轴称为电轴，与X轴和Z轴同时垂直的Y轴（垂直于棱面）称为机械轴。 6.压电式传感器不能用于静态 测量。7.压电式传感器只适用于对 动态 和 准静态 信号的测量。8.由于压电式传感器的内阻极高，故要求其前置放大器要有非常 的输入阻抗。10.压电式传感器的测量电路是什？其作用？并说明它们的异同点？答：有2种：电荷放大器和电压放大器。相同点是其作用相同：一、信号放大；二、阻抗变换。不同点：电荷放大器电路的低频特性要优于电压放大器电路，除可以测量动态量外，还可以测量准静态量。电压放大器电路只可以对动态量测量。第十三章1.传统传感器与微控制器 的结合就称为智能传感器。2.智能传感器所具备的基本功能有哪些？自补偿功能 自校准功能 自诊断功能 数值处理功能 双向通信功能3.画出一种智能传感器的原理框图。某热敏电阻，其B值为2900K，若冰点电阻训500k，求热敏电阻在100时的阻值？T00273K T100373K R0500kk设6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 10.3 15cm，若忽略粗大误差和系统误差，试求在99.73%的置信概率下，对被测物体长度的最小估计区间。解： 分别为-0.2 0 0.1 -0.1 0.2二乘法