《传感器与测量技术》试卷3卷答案 班级： 学号： 姓名： 成绩： 一、测得某检测装置的一组输入输出数据如下： 0.9 2.5 3.3 4.5 5.7 6.7 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(10分) 解：y=kx+b △，=y,-(kx+b) k=n必xy-2xy n8,2-(x)2 6=②，y-2x2xy) n2x,2-(x,)2 代入数据求得k=0.68b=0.25 y=0.68x+0.25 △1=0.238△2=-0.35△3=-0.16 △4=-0.11△=-0.126△6=-0.194 74=±x10%=±035 7% yEs 拟合直线灵敏度k=0.68,线性度±7% 二、如图所示电路是电阻应变仪中所用的不平衡电桥的简化电路，图中R2=R3=R是固定电阻， R1与R4是电阻应变片，工作时R1受拉，R4受压，△R=O,桥路处于平衡状态，当应变片受 力发生应变时，桥路失去平衡，这时，就用桥路输出电压Ucd表示应变片变后电阻值的变化 量。试证明：Ucd=-(E/2)(△R/R)。(10分) R R 证明：R=R+ARR=R-△R R R 2RAR U-Uo-Ua-R+AR+RE-R-AR+RE--4R-ARE
《传感器与测量技术》试卷 3 卷 答案 班级： 学号： 姓名： 成绩： 一、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（10 分） 解: y = kx + b y (kx b) i = i − i + 2 2 ( ) i i i i i i n x x n x y x y k − − = 2 2 2 ( ) ( ) i i i i i i i n x x x y x x y b − − = 代入数据求得 k = 0.68 b = 0.25 ∴ y = 0.68x + 0.25 1 = 0.238 2 = −0.35 3 = −0.16 4 = −0.11 5 = −0.126 6 = −0.194 7% 5 0.35 max 100% = = = FS L y L 拟合直线灵敏度 k = 0.68,线性度±7% 二、如图所示电路是电阻应变仪中所用的不平衡电桥的简化电路，图中 R2=R3=R 是固定电阻， R1 与 R4 是电阻应变片，工作时 R1 受拉，R4 受压，ΔR=0，桥路处于平衡状态，当应变片受 力发生应变时，桥路失去平衡，这时，就用桥路输出电压 Ucd 表示应变片变后电阻值的变化 量。试证明：Ucd=-（E/2）(ΔR/R)。（10 分） 证明： R1 = R + R R4 = R − R E R R R R E R R R R E R R R R Ucd Ucb Ud b 2 2 4 2 − = − − + − + + = − = R2 R1 R3 R4 E a b d c Ucd
E△R Ued=- 略去△R的二次项，即可得 2R 三、什么叫做热电动势、接触电动势和温差电动势？说明势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(10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。 ②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。 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·时的热电势等于该热电偶热端为T 冷端为T时的热电势与同一热电偶热端为T,冷端为T0时热电势的代数和。 应用：对热电偶冷端不为O°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（①，T)时分别为E,(亿，T）,E亿，T）,那么爱相同温度下，又A、B两热电极配 对后的热电势为 EB(T,To)=Exc(T,To)-Enc(T,To) 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
略去 R 的二次项,即可得 R E R Ucd = − 2 三、什么叫做热电动势、接触电动势和温差电动势？说明势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（10 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。 ②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。 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 时的热电势等于该热电偶热端为 T 冷端为 Tn 时的热电势与同一热电偶热端为 Tn ，冷端为 T0 时热电势的代数和。 应用：对热电偶冷端不为 C 0 0 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 ( ) 0 EAC T,T ， ( ) 0 EBC T,T ，那么爱相同温度下，又 A、B 两热电极配 对后的热电势为 ( ) ( ) ( ) 0 0 0 EAB T,T = EAC T,T − EBC T,T 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。 ⑥误差因素：参考端温度受周围环境的影响 措施：a0°C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 d热电偶补偿法 e电桥补偿法 f冷端延长线法 四、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 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 五、论述CCD的工作原理，如何用设计一台摄像机。7.4(6分) 答：CCD是一种半导体器件，在N型或P型硅衬底上生长一层很薄的Si02,再在Si02薄层 上依次序沉积金属电极，这种规则排列的MOS电容数组再加上两端的输入及输出二极管就构 成了CCD芯片。C①可以把光信号转换成电脉冲信号。每一个脉冲只反映一个光敏元的受光 情况，脉冲幅度的高低反映该光敏元受光的强弱，输出脉冲的顺序可以反映光敏元的位置， 这就起到图像传感器的作用。 六、人们说，SMART传感器代表着今后传感器发展的总趋势，为什么？ (6分) 答：从SMART传感器的功能和优点两方面来看 ①功能 自补偿功能：如非线性、温度误差响应时间等的补偿 自诊断功能：如在接通电源时自检
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：a C 0 0 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 d 热电偶补偿法 e 电桥补偿法 f 冷端延长线法 四、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 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 五、论述 CCD 的工作原理，如何用设计一台摄像机。7.4（6 分） 答：CCD 是一种半导体器件，在 N 型或 P 型硅衬底上生长一层很薄的 SiO2，再在 SiO2 薄层 上依次序沉积金属电极，这种规则排列的 MOS 电容数组再加上两端的输入及输出二极管就构 成了 CCD 芯片。CCD 可以把光信号转换成电脉冲信号。每一个脉冲只反映一个光敏元的受光 情况，脉冲幅度的高低反映该光敏元受光的强弱，输出脉冲的顺序可以反映光敏元的位置， 这就起到图像传感器的作用。 六、人们说，SMART 传感器代表着今后传感器发展的总趋势，为什么？ （6 分） 答：从 SMART 传感器的功能和优点两方面来看 ①功能 自补偿功能：如非线性、温度误差响应时间等的补偿 自诊断功能：如在接通电源时自检
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 信息存储和记忆功能 数字量输出和显示 ②优点： 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 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 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CT显示， 并配打印机保存资料 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 可见，SMART传感器代表着今后传感器发展的总趋势。 七、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？(8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。 (7)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
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 信息存储和记忆功能 数字量输出和显示 ②优点： 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 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 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 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 可见，SMART 传感器代表着今后传感器发展的总趋势。 七、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？（8 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。 八、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： 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 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
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。 八、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： 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 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 九、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)。(15分) 十、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)。(15分)
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 九、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）。（15 分） 十、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）。（15 分）