1、传感器原理与应用试题整理 一、填空： 1、测量系统的 静态特性指标 主要有线性度、迟滞、重复性、分辨力、稳定性、温度稳定 性、各种抗干扰稳定性等。通常用 输入量与输出量的对应关系来表征。 2、 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的敏感元件 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。 3、 霍尔元件 灵敏度的物理意义是表示在单位磁感应强度相单位控制电流时的霍尔电势的 大小。 4、 .光栅传感器 中莫尔条纹的一个重要特性是具有位移放大作用。如果两个光栅距相等， 即 W=0.02mm，其夹角 =0.1 ，则莫尔
2、条纹的宽度 B=11.43莫尔条纹的放大倍数 K= 573.2。 5、光电传感器的理论基础是 光电效应 。通常把光线照射到物体表面后产生的光电效应分 为三类。第一类是利用在光线作用下光电子逸出物体表面的外光电效应（材料中电子溢出 表面的_现象，即 外光电 效应）,这类元件有光电管、光电倍增管；第二类是利用在光 线作用下使材料内部电阻率改变的内光电 效应，这类元件有光敏电阻；第三类是利用在 光线作用下使物体内部产生一定方向电动势的光生伏特效应，这类元件有光电池、光电仪 表。 6.热电偶 所产生的热电势是两种导体的接触电势和单一导体的温差电势组成的，其表达式 为 Eab（ T，To）= 。在热电偶
3、温度补偿中补偿导线TBATB0 d)(Nln)(ek0 法（即冷端延长线法）是在连接导线和热电偶之间，接入延长线，它的作用是将热电偶的 参考端移至离热源较远并且环境温度较稳定的地方，以减小冷端温度变化的影响。 7.压磁式传感器 的工作原理是：某些铁磁物质在外界机械力作用下，其内部产生机械压力， 从而引起极化现象，这种现象称为正压电效应。相反，某些铁磁物质在外界磁场的作用下 会产生机械变形，这种现象称为负压电效应。 （2 分） 8.磁电式传感器 是利用导体和磁场发生相对运动而在导体两端 产生感应电势的。 而霍尔式传感器为霍尔元件在磁场中有电磁效应（霍尔效应）而输出电势的。霍尔式传感 器可用来测量
4、电流，磁场，位移，压力。 （6 分） 9. 变气隙式自感传感器 ，当街铁移动靠近铁芯时，铁芯上的线圈电感量（增加减小 不变） （2 分） 10. 仪表的 精度等级 是用仪表的（ 相对误差 绝对误差 引用误差）来表示的。 11、 电容传感器 的输入被测量与输出被测量间的关系，除（ 变面积型 变极距型 变介电常数型）外是线性的。 （2 分） 12. 电位器传器 的（线性） ，假定电位器全长为 Xmax, 其总电阻为 Rmax，它的滑臂间的阻 值可以用 Rx = （ Xmax/x Rmax,x/Xmax Rmax, Xmax/XRmax X/XmaxRmax）来计算， 其中电阻灵敏度 Rr=（ 2p
5、(b+h)/At, 2pAt/b+h, 2A(b+b)/pt, 2Atp(b+h)） 。 13、电位器或电阻传感器按特性不同，可分为线性电位器和非线性电位器。线性电位器的 理想空载特性曲线具有严格的线性关系。假定电位器全长为 Xmax，其总电阻为 Rmax，它 的滑臂间的阻值可以用 Rx= 来计算。假定加在电位器 A、B 之间的电压为maxRX Vmax，则输出电压为 Vx= 。其电阻灵敏度 RI= 。电压灵敏度V t)hb(2 RU= 。 （7 分）At)hb(2I 14、 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（增大，减小，不变） 。 15、在
6、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， （变面积型， 变极距型，变介电常数型）是线性的关系。 16、在 变压器式传感器 中，原方和副方互感 M 的大小与原方线圈的匝数成（正比，反 比，不成比例） ，与副方线圈的匝数成（正比，反比，不成比例） ，与回路中磁阻 成（正比，反比，不成比例） 。3、在变压器式传感器中，原方和副方互感 M 的大小 与 绕组匝数 成正比，与 穿过线圈的磁通_ 成正比，与磁回路中 磁阻_ 成反比，而单个空气隙磁阻的大小可用公式 _ 表示。 17、 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
7、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。 18、电阻 应变片式传感器 按制造材料可分为 _金属_ 材料和_半导体_体 材料。它们在受到外力作用时电阻发生变化，其中的电阻变化主要是由 _电阻应变效 应_ 形成的，而的电阻变化主要是由 _ 造成的。 材料传感器的灵敏度较大。 19、测量过程中存在着 测量误差 ，按性质可被分为 _绝对误差_ 、 相对误差 _ 、和 引用误差 _ 三类，其中 _绝对误差 _ 可以通过对多次测量 结果求 平均 _ 的方法来减小它对测量结果的影响。
8、 20 绝对误差 是指测量值与被测量真实值之间的差值其表达式为 ； 相对误差 是LX 指绝对误差与被测量真实值的比值其表达式为 ； 引用误差 是指绝对误差与%10 测量仪表的上量限（满度）值 A 的百分比其表达式为 。Ar 二、简答题： 1、 Pt100 和 Cu50 各代表什么传感器？分析热电阻传感器测量电桥之三线、四线连接法的 主要作用。 分别代表铂电阻热电式传感器（100） ，铜电阻热电式传感器(50). 热电阻传感器测量电 桥之三线、四线连接法的主要作用是消除在热电阻安装的地方与仪表相距远时，环境温度 变化时其连接导线电阻也变化所造成的测量误差。 2、 Pt100 和 Cu50 各代表
9、什么传感器？分析热电阻传感器测量电桥之三线、四线连接法的 主要作用。 答：铂电阻和铜电阻热电势传感器。 三线连接法的作用是使电桥不会产生温度误差；四线连接法使调零电位器的接触电阻和指 示电表串联，接触电阻的不稳定不会破坏电桥的的平衡和正常的工作状态。 3、 用镍铬-镍硅热电偶测量炉温，其仪表示值为 600，而冷端温度 t0 为 65，则实际 温度为 665，对不对？为什么？应如何计算？ 答：对。查表知镍铬-镍硅热电偶 K=1，T=Tz+KTn=600+165=665 4、 压电式传感器的 前置放大器 的作用是什么？电压式与电荷式前置放大器各有何特点？ 答：作用是将输出电压放大，并与输入电压或输
10、入电流成正比。 电压放大器将压电式传感器的高输出阻抗经放大器变换为低阻抗输出，并将微弱的电压信 号进行适当放大，但其所接配的压电式传感器的电压灵敏度将随电缆分布电容及传感器自 身电容的变化而变化，而且电缆的的更换得引起重新标定的麻烦。 电荷放大器是一种具有深度电容负反馈的高增益运算放大器，其虽然允许使用很长的电缆， 并且电容 Ce 变化不影响灵敏度，但它比电压放大器价格高，电路较复杂，调整也比较困 难。 5、 系统的 系统响应 带宽与传感器的响应带宽无关，请问这种说法正确吗？试述理由。 答：不正确。传感器的响应带宽会限制系统的系统响应带宽。 6、 温度对光电流影响不大，所以光电传感器在使用中不
11、需要进行温度补偿，此观点正确 否，为什么？ 答：不正确。因为半导体材料容易受温度影响，而其直接影响光电流的值，所以还需要温 度补偿装置。 7、 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
12、感元件才能组成传感器。 8、什么是 光电效应 ？试说明 光纤传感器 的工作原理。(15 分) 答：当用光照射物体时，物体受到一连串具有能量的光子的轰击，于是物体材料中的电子 吸收光子能量而发生相应的电效应（如电阻率变化、发射电子或产生电动势等） 。这种现象 称为光电效应。 工作原理：利用外界物理因素改变光纤中光的强度，相位，偏振态或波长从而对外界因 素进行测量和数据传输。 9、 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
13、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。按其传输模式分为单模和多模传感型（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。. 10、按照传感型（功能型）和传输型光纤传感器的特点应该选用哪种光纤（单模/多模） ， 为什么？ 答：功能型(或称物性型、传感型 )光纤不仅作为光传播的波导而且具有测量的功能。它可 以利用外界物理因素改变光纤中光的强度、相位、偏振态或波长，从而对外界因素进行测 量和数据传输。可分为振幅调制型、相位调制型及偏振态调制型。多模单模皆可 非功能型(或称结构型、传光型 ) 其光纤只是作为传光的媒介，还需加上其它敏感元件才
14、能 组成传感器。多模。 11、 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 12、 光电池 的工作原理，指出它应工作在电流源还是电压源状态。 答：光电池是基于光生伏特效应制成的，是自发电式；是有源器件。它有较大面积的 P 一 N 结，当光照射在 P 一 N 结上时则在结的两端出现电动势。它应工作在
15、电压源状态。 13、 直流电桥和交流电桥 有何区别？直流电桥的平衡条件是什么？应变片式电阻传感器、 自感式、互感式、涡流式、电容式、热电阻式传感器分别可采用哪种电桥作为测量电路？ 答：根据电源不同分为直流和交流电桥。直流电桥优点：高稳定度直流电源容易获得，电 桥平衡电路简单，传感器至测量仪表的连接导线分布参数影响小。但是后续要采用直流放 大器，容易产生零点漂移，线路也较复杂。交流电桥在这些方面都有改进。直流电桥平衡 条件：R1/R2=R3/R4 ，R1R4=R2R3。 14、 从传感器的静态特性和动态特性考虑，详述如何 选用传感器 。 答：考虑传感器的静态特性的主要指标，选用线性度大、迟滞小、
16、重复性好、分辨力强、 稳定性高、抗干扰稳定性高的传感器。考虑动态特性，所选的传感器应能很好的追随输入 量的快速变化，即具有很短的暂态响应时间或者应具有很宽的频率响应特性. 15、传感器（或测试仪表）在第一次使用前和长时间使用后需要进行 标定 工作，请问标定 的意义？ 答：确定传感器静态特性指标和动态特性参数(传感器的标定分为静态标定和动态标定两种。 静态标定的目的是确定传感器静态特性指标，如线性度、灵敏度、滞后和重复性等。动态 标定的目的是确定传感器的动态特性参数，如频率响应、时间常数、固有频率和阻尼比等。 ) 16、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
17、偿 方法。 答：在外界温度变化的条件下，由于敏感栅温度系数及栅丝与试件膨胀系数之 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。 方法：自补偿法 线路补偿法 17、简述 霍尔电动势 产生的原理。 （6 分） 答：一块长为 l、宽为 d 的半导体薄片置于磁感应强度为磁场（磁场方向垂直于薄片）中， 当有电流 I 流过时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势 Uh。这种现象称为霍尔效 应，也是霍尔电动势的产生原理。 （一块半导体薄片置于磁感应强度为 B 的磁场(磁场方向 垂直于薄片)中，当有电流 I 流过时，电子受到洛仑兹力作用而发生偏转。结果在半导体的 后端面上电子有所积累。而前端
18、面缺少电子，因此后端面带负电，前端面带正电，在前后 端面形成电场，该电场产生的力阻止电子继续偏转当两力相平衡时，电子积累也平衡，这 时在垂直于电流和磁场的方向上将产生电场，相应的电势称为霍尔电势 UH。 ） 18、 制作霍尔元件 应采用什么材料？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 夹角，那么 UH=kHIBcos,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
19、以长宽比 l/b 一般为 2：1 1）制作霍尔元件应采用什么材料，为什么？ 2）为何霍尔元件都比较薄，而且长宽比一般为 2 ：1？ 3）某霍尔元件 l b d 为 1.0 0.35 0.1 cm3, 当方向通以电流 I=1.0 mA, 在垂直 lb 方向加有均匀磁场 B=0.3T, 传感器的灵敏系数为 22 V/A T, 试求其霍尔电势及载流子浓度。 答：1）采用半导体材料。因为其灵敏度高，输出霍尔电势大。 2）因为元件越薄，灵敏度系数越大。 3） VIBkUH06. 20184.edUIBpedIUHH 19、 霍尔元件 能够测量哪些物理参数？霍尔元件的不等位电势的概念是什么？温度补偿的 方
20、法有哪几种？请详细推导分流法。 （10 分） 答：霍尔组件可测量磁场、电流、位移、压力、振动、转速等。 霍尔组件的不等位电势是霍尔组件在额定控制电流作用下，在无外加磁场时，两输出电 极之间的空载电势，可用输出的电压表示。 温度补偿方法： a 分流电阻法：适用于恒流源供给控制电流的情况。b 电桥补偿法 20、简述 热电偶 的工作原理。 （6 分） 答：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
21、小。 21、热电偶产生的热电势由哪几种电势组成， 答：热电动势接触电动势温差电动势 22、 1）试证明热电偶的中间导体定律。 2）将一只灵敏度为 0.08mv/ 的热电偶与毫伏表相连,已知接线端温度为 50,毫伏 表的输出为 60 mv, 求热电偶热端的温度为多少? 3） 热敏电阻的电阻-温度特性有什么不同? 答：1）证明： ),(),(00TETABABC ),(),()( 0000 TETElBlACB = ),(0AB 2) 2508.6T 3）热敏电阻的电阻温度系数大，电阻与温度的关系近似于线性或为平滑曲线。 23、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
22、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（10 分） 答：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势。因而有电流产生相应的热电势称 为温差电势或塞贝克电势，通称热电势。 接触电动势：接触电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。 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势。 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
23、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。 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 时的热电势等于该热电偶热端为 T0 冷端为 时的热电势与同一热电偶热端为 ，冷端为 时热电势的代数和。nTn 应用：对热电偶冷端不为 时，可用中间温度定律加以修
24、正。C0 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， ）时分别为 ， ，那么爱相同温度下，又 A、B 两热电00,TEAC0,B 极配对后的热电势为 0,TECB 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 电极配对的热电势，那么由这两种热电极配对组成热电偶的热电势便可由上式求得，而不 需逐个进行测定。 误差因素：参考端温度受周围环境的影响 措施：a 恒温法 b 计算修正法（冷端温度修正法） c 仪表机械零点调整法C0 d 热电
25、偶补偿法 e 电桥补偿法 f 冷端延长线法 24、以 石英晶体 为例简述 压电效应 产生的原理。 （6 分） 答：石英晶体在沿一定的方向受到外力的作用变形时，由于内部电极化现象同时在两个表 面上产生符号相反的电荷，当外力去掉后，恢复到不带电的状态；而当作用力方向改变时， 电荷的极性随着改变。晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比。这种现象称为正压 电效应。反之，如对石英晶体施加一定变电场，晶体本身将产生机械变形，外电场撤离， 变形也随之消失，称为逆压电效应。 石英晶体整个晶体是中性的，受外力作用而变形时，没有体积变形压电效应，但它具有良 好的厚度变形和长度变形压电效应。 25、 压电式传感器
26、 更适用于静态测量，此观点是否正确，分析原因。 答不正确。其工作原理是基于压电材料的压电效应，具有使用频率宽，灵敏度高、信噪比 高、结构简单、工作可靠、测量范围广等优点，因此在压力冲击和震动等动态参数测试中 是主要的传感器品种，它可以把加速度、位移、压力、温度、湿度等许多非电量转换为电 量。 26、简述 电阻应变片式传感器 的工作原理（6 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。 27、什么是金属应变片的 灵敏系数 ？请解释它与金属丝灵敏系数的区别。 答： 应变片一般做成丝栅状，测量应变时，将应变片贴在试件表面上，试件的变形很容易 传
27、到应变片上。金属应变片的灵敏系数与金属丝灵敏系数是不同的。第一，零件的变形是 通过剪力传到金属丝上的。第二，丝沿长度方向承受应变时，应变片弯角部分也承受应变， 其截面积变大，则应变片直线部分电阻增加时，弯角部分的电阻值减少，也使变化的灵敏 度下降。因此，应变片的灵敏系数比金属丝灵敏系数低。 28、分析 应变片式传感器 在使用单臂电桥测量电路时由于温度变化而 产生测量误差 的过程。 答：在外界温度变化的条件下，由于敏感栅温度系数 及栅丝与试件膨胀系数t （ ）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。sg与 29、什么是 传感器动态特性和静态特性 ，简述在什么频域条件下只研究
28、静态特性就能够满 足通常的需要，而在什么频域条件下一般要研究传感器的动态特性？（10 分） 答：传感器的动态特性是指当输入量随时间变化时传感器的输入输出特性。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。 在时域条件下只研究静态特性就能够满足通常的需要，而在频域条件下一般要研究传感器 的动态特性。 （传感器的特性是指传感器所特有性质的总称。而传感器的输入输出特性是其基本特性， 一般把传感器作为二端网络研究时，输入输出特性是二端网络的外部特性，即输入量和输 出量的对应关系。由于输入量的状态（静态、动态）不同分静态特性和动态特性。可以从 时域和频域来研究动态特性） 30、绘图并说明在
29、使用传感器进行测量时，相对真值、测量值、测量误差、传感器输入、 输出特性的概念以及它们之间的关系。 （10 分） 答：框图如下： 测量值是通过直接或间接通过仪表测量出来的数值。测量误差是指测量结 果的测量值与被测量的真实值之间的差值。 当测量误差很小时，可 以忽略，此时测量值可称 为相对真值。 31、什么是 系统误差 ？产 生系统误差的原因是什么？ 如何发现系统误差？减少 系统误差有哪几种方法？（20 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： 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。
30、 方法误差：指由于对测量方法研究不够而引起的误差。 定义误差：是由于对被测量的定义不够明确而形成的误差。 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。 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。 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。 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。 发现系统误差的方法有： 实验对比法：这种方法是通过改变产生系统误差的条件从而进行不同条件的测量， 以发现系统误差。这种方法适用于发现不变的系统误差。 剩余误差观察法：是根据测量数据
31、的各个剩余误差大小和符号的变化规律，直接由 误差数据或误差曲线图形来判断有无系统误差。这种方法适用于发现有规律变化的 系统误差。 输入 输出相对真值 测量误差 测量值 计算数据比较法：对同一量测量得到多组数据，通过计算比较数据比较，判断是否 满足偶然误差条件，以发现系统误差。 减小系统误差的方法： 引入更正值法替换法 差值法正负误差相消法选择最佳测量方案 （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。 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
32、的数值即等于被测量。 差值法：是将标准量与被测量相减，然后测量二者的差值。 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。 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。 ） 33、什么是 传感器的可靠性 ？可靠性设计程序和原则是什么？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？（10 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： 建立系统可靠性模型可靠
33、性分配可靠性分析可靠性预测可靠性设计评审 试制品的可靠性试验最终的改进设计 可靠性设计 原则 ： 尽量简单、组件少、结构简单工艺简单使用简单维修简单 技术上成熟选用合乎标准的原材料和组件采用保守的设计方案 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： 按失效发生场合分：试验失效、现场失效 按失效的程度分：完全失效、局部失效 按失效前功能或参数变化的性质分：突然失效、退化失效 按失效排除的性质分：稳定性失效、间歇失效 按失效的外部表现分：明显失效、隐蔽失效 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 按失效的起源分：自然失效、人为失效 按与其它失效的关系
34、分：独立失效、从属失效 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： 失效模式、效应及危害度分析工艺过程 FMMEA 及质量反馈分析失效树分析方法 34、改善 传感器性能 的 技术途径 ？（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
35、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。 35、人门说， SMART 传感器代表着今后传感器发展的总趋势，为什么？（ 智能传感器 只是将被测信号数字化，意义不大，你同意此观点否？分析说明你的理由。 ） （答：不同意，从 SMART 传感器的功能和优点两方面来看） 答：智能传感器具有一定的人工智能，可使用电路代替一部分脑力劳动。和微机的结合使 智能传感器不仅有视嗅
36、味和听觉功能，还具有存储，思维和逻辑判断，数据处理，自适应 能力等功能，从而使传感器技术提高到一个新水平。与传统传感器相比，它有精度高，可 靠性和稳定性高，信噪比与分辨率高，自适应强及性价比低等优点。因此，智能化设计的 传感器是传感器传统设计的一次革命，是世界传感器的发展趋势 （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 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： 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
37、。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 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 功能智能传感器比一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。
38、） 36、 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。 （通常由直接响应于被测量的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。 传感器处于研究对象与测试系统的接口位置，即检测与控制之首。传感器是感知、获取与 检测信息的窗口，一切科学研究与自动化生产过程要获取的信息都要通过传感器获取并通 过它转换成容易传输与处理的电信号，其作用与地位特别重要） 组成框图： 自动控制系统原理框图： 传感器的作用：感受被测量并转换成可用
39、输出信号传送给控制对象。 被测量 敏感元件 信号调节转换电路 辅助电源 传感元件 传感器 对象 给定 + e 扰动 37、 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： 200lL1lS 差动式传感器的灵敏度为： 200l1l2 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。 四、下面是热电阻测量电路，试说明电路工作原理并计算（5 分） 1. 已知 Rt 是 Pt100 铂电阻，且其测量温度为 T=50，试计算出 Rt 的值和 Ra 的值（10 分） 2. 电路中已知 R1、R 2、R 3 和 E，试计算电桥的输出电压 VAB。 （5
40、分） 其中（R 1=10K，R 2=5K，R 3=10K，E=5 伏） 答：该热电阻测量温度电路由热敏电阻、测量电阻和显示电表组成。 图中 G 为指示电表，R 1、R 2、R 3 为固定电阻，Ra 为零位调节电阻。热电阻都通过电阻分 别为 r2、 r3、R g 的三个导线和电桥连接， r2 和 r3 分别接在相邻的两臂，当温度变化时，只 要它们的 Rg 分别接在指示电表和电源的回路中，其电阻变化也不会影响电桥的平衡状态， 电桥在零位调整时，应使 R4=Ra+Rt0 为电阻在参考温度（如 0C）时的电阻值。三线连接 法的缺点之一是可调电阻的接触电阻和电桥臂的电阻相连，可能导致电桥的零点不稳。 （
41、分 析下图所示热电阻测量温度电路的工作原理，以及三线制测量电路的温度补偿作用） 反馈装置 5.19 50)1802.5(0140.30)BtA(Rt 2732 三、分析、计算题：（20 分） 1、将一只灵敏度为 0.08mv/ 的热电偶与毫伏表相连,已知接线端温度为 50,毫伏表的 输出为 60 mv, 求热电偶热端的温度为多少? 答： 2058.6T 1) 用石英晶体加速度计测量机器的振动，已知加速度计的灵敏度为 5 PC/g（g 为重力加 速度） ，电荷放大器的灵敏度为 50 mv/PC，当机器振动达到最大加速度时，相应的输 出幅值为 2V，求机器的振动加速度。 （1PC=10 -12 库
42、仑） 答： a=PCmvV40/522/.8/540smg 2、 以 自感式传感器 为例说明差动式传感器可以提高灵敏度的原理。 解： 0 20lSWL 12)(20020 llSWll 差动式灵敏度: .100llLS 与单极式传感器灵敏度 比较.200ll 灵敏度提高一倍，非线性大大减少。 3、 光纤传感器 的主要优点是什么？求 n1=1.46，n2=1.45 的阶跃型光纤的数值孔径值；如 果外部介质为空气 n0=1，求光纤的最大入射角。 答：优点：抗电磁干扰能力强；灵敏度高；几何形状具有多方面的适应性，可以制成任 意形状的光纤传感器，可以制造传感各种不同物理信息的器件；光纤传感器可用于高压
43、， 电气噪声，高温，腐蚀或其他恶劣环境；而且具有与光纤遥测技术的内在相容性。 17.0)45.6.1()( 22221 nNA ,sin0cNA82.9,17.0i CcNA 4、分析如图 1 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 知空气隙的长度为 x1 和 x2，空气隙的面积为 S，磁导率为 ，线圈匝数 W 不变） 。 （10 分） 解： ， mRIWmRWIL2 又 niixnixi SlSlSl1002101 空气隙的长度 x1 和 x2 各自变，而其和不变，另其他变量都不变故 L 不变 3、设 5 次测量某物体的长度，其测量的结果分别为：9.8
44、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，对被测物体的最小估计区间。 105)2.91.08.9(1nix 分别为-0.2 0 0.1 -0.1 0.2vi116.12niv48.0,593,x a) 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 10.2 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： 105)2.91.08.9(1nix 分别为-0.2 0 0.1 -0.1 0.2vi116.12niv48.0,593,x b)
45、 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。 答：忽略最后一个值，平均值 ，03.16.309.108.9x 7.,2,.,7.,3.,2.03.189 6541 pppp ，18.02451nnii 则最小估计区间 。57.1049.8.03.x 六、用温度传感器对某温度进行 12 次等精度测量，获得测量数据如下（单位） 20.46、20.52、20.50、20.52、20.48、20.47、 20.50、20.49、20.47
46、、20.49、20.51、20.51 要求对测量数据进行加工整理，并写出最后结果（取置信系数为 2） 。 答： 49.20x02. 53 2、图示电荷放大器中 Ca=100 PF，Ra=，R f= ，R i= ，C F=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？ 答： %1)(0FCar A 解得 109.C mL.09.12 1、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
47、拟合直线，求其线性度和灵敏度（10 分） 解: bkxy)(iii22)(iixnyk22)(iiib 代入数据求得 68.0k5.b .xy 231.16.03 .0412594%75.maxFSLy 拟合直线灵敏度 ,线性度7%68.0k 2、在对量程为 10MPa 的压力传感器进行标定时，传感器输出电压值与压力值之间的关系 如下表所示，简述最小二乘法准则的几何意义，并讨论下列电压-压力直线中哪一条最符合 最小二乘法准则？（10 分） 测量次数 I 1 2 3 4 5 压力 xi（MPa） 2 4 5 8 10 电压 yi（V） 10.043 20.093 30.153 40.128 50
48、.072 （1）y=5.00x-1.05 （2）y=7.00x+0.09 （3）y=50.00x-10.50 （4）y=-5.00x-1.05 （5） y=5.00x+0.07 答：最小二乘法准则的几何意义在于拟和直线精密度高即误差小。 将几组 x 分别带入以上五式，与 y 值相差最小的就是所求，很明显（5）为所求。 一、测得某检测装置的一组输入输出数据如下： X 0.6 2.4 3.1 4.3 5.5 6.5 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(15 分) 答：带入数据得：k=0.67 b=0.25 拟合直线灵敏度 0.67,线性度 7% 十、1）有一数字温度计，测量范围为 50 150,精度 0.5 级, 求当示值分别为- 20,100时的绝对误差和示值相对误差。 2）欲测量 250 V 电压，要求测量示值相对误差不大于 0.5%, 问选用量程为 250 V 电压表,其精度为那
