内蒙古大学《传感器与检测技术》习题集9及答案

传感器与检测技术习题9一、简答题（30分，6分/题）1、传感器的定义和组成框图？画出自动控制系统原理框图并指明传感器在系统中的位置和作用。2、试列出你所学过的不同工作原理传感器哪些可用于非接触式测量，哪些用于接触式测量，测量何种物理量？（各3种）3、以自感式传感器为例说明差动式传感器可以提高其灵敏度的原理。4、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。5、光导纤维导光的原理是什么？按其传输模式分为哪两种类型？传感型（功能型）和传输型光纤传感器按照其特点应该选用哪种光纤？二、计算题（20分，10分/题）1、设7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 10.1 15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，对被测物体长度的最小估计区间。2、图示电荷放大器中Ca=100 PF，Ra=，Rf= ，Ri= ，CF=10 PF。若考虑引线电容CC 影响，当A0=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？三、分析/证明题（32分，8分/题）1、自动控制系统的系统响应带宽与传感器的响应带宽有何关系？如果选用传感器的动态特性达不到要求怎么办？2、热电偶产生的热电势由哪几种电势组成，试证明热电偶的中间导体定律。3、制作霍尔元件应采用什么材料，为什么？为何霍尔元件都比较薄，而且长宽比一般为2 ：1？4、为什么要对应变片式电阻传感器进行温度补偿，分析说明该类型传感器温度误差补偿方法。四、设计/综述题（18分）根据你所掌握的智能传感器的相关知识，设计一套测温智能传感器，测温范围为-2080，要求精度达到0.1，写出详细设计步骤：具备的功能；选用的器件和硬件电路，并用原理框图表示（器件型号不明，说明其须具有的功能）；相应的数据处理过程和软件功能；你所设计的智能传感器还有哪些尚可完善的功能。传感器与检测技术习题9答案一、简答题（30分，6分/题）1、传感器的定义和组成框图？画出自动控制系统原理框图并指明传感器在系统中的位置和作用。答：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，通常由敏感元件和转换元件组成。传感器的作用：感受被测量并转换成可用输出信号传送给控制对象。组成框图、自动控制系统原理框图如下：辅助电源信号调节转换电路传感元件被测量敏感元件扰动e给定 +对象传感器反馈装置2、试列出你所学过的不同工作原理传感器哪些可用于非接触式测量，哪些用于接触式测量，测量何种物理量？（各3种）答：非接触式测量：a) 热电式传感器：测量温度b) 光纤传感器：测量光信号c) 核辐射传感器：测量核辐射粒子接触式测量：a) 电位器式压力传感器：测量压力b) 应变片式电阻传感器：测量电阻值c) 应变式扭矩传感器：测量扭矩3、以自感式传感器为例说明差动式传感器可以提高其灵敏度的原理。答：单极式自感传感器的灵敏度为： 差动式传感器的灵敏度为：由此可见，与单极式比较其灵敏度提高一倍，非线性大大减小。4、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。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。c) 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，物体内部产生一定方向的电势。光电池是基于光生伏特效应制成的，是自发电式有源器件。5、光导纤维导光的原理是什么？按其传输模式分为哪两种类型？传感型（功能型）和传输型光纤传感器按照其特点应该选用哪种光纤？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。按其传输模式可分为单模和多模两种。传感型（功能型）光纤传感器应该选用单模光纤，传输型光纤传感器应选用多模光纤。二、计算题（20分，10分/题）1、设7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 10.1 15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，对被测物体长度的最小估计区间。解：忽略最后一个值，平均值，则最小估计区间。2、图示电荷放大器中Ca=100 PF，Ra=，Rf= ，Ri= ，CF=10 PF。若考虑引线电容CC 影响，当A0=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？解： 解得 三、分析/证明题（32分，8分/题）1、自动控制系统的系统响应带宽与传感器的响应带宽有何关系？如果选用传感器的动态特性达不到要求怎么办？2、热电偶产生的热电势由哪几种电势组成，试证明热电偶的中间导体定律。答：热电偶产生的热电势是由两种导体的接触电势和单一导体的温差电势组成的。接触电势有时又称为珀尔帖电势；而单一导体的温差电势也称汤姆逊电势。3、制作霍尔元件应采用什么材料，为什么？为何霍尔元件都比较薄，而且长宽比一般为2 ：1？答：制作霍尔元件应采用半导体材料。如果磁场与薄片法线有a夹角，那么UH=kHIBcosa,霍尔元件越薄（即d越小），kH就越大，所以一般霍尔元件都很薄。又因为实际测量中UH=(kHIB/d)×f(l/b) 当l/b=2时，f(l/b)=0.93为最大值，这时UH也可取到最大值，所以长宽比l/b一般为2：14、为什么要对应变片式电阻传感器进行温度补偿，分析说明该类型传感器温度误差补偿方法。答：在外界温度变化的条件下，由于敏感栅温度系数at及栅丝与试件膨胀系数（bg及bs）之差异性而产生虚假应变输出有时会产生与真实应变同数量级的误差，所以必须补偿温度误差的措施。通常温度误差补偿方法有两类：a) 自补偿法：包括单丝自补偿法和组合式自补偿法b) 线路补偿法