《传感器与测量技术》试卷3卷答案 班级: 学号: 姓名: 成绩: 、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 Y 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 △1=y1-(kx1+b) (Σx) b 代入数据求得k=068b=025 0.68x+0.2 △1=0238△2=-035A3=-0.16 △4=-0.l△s=-0.126△6=-0.194 y2=±×100%=±=±7% 拟合直线灵敏度k=0.68,线性度±7% 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)(△R/R)。(10 分) 证明:R=R+ARR=R-AR U-U E E=-- 2RAR E R+△R+RR-△R+R 4R2-△R 略去ΔR的二次项,即可得
《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 − = − − + − + + = − = 略去 R 的二次项,即可得 R E R Ucd = − 2 R2 R1 R3 R4 E a b d c Ucd
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 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冷端为冖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 应用:对热电偶冷端不为0C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,T)时分别为En(,),Em(,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, T=E(T, To)-EBCT, 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:a0C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
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：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SO2,再 在SO2薄层上依次序沉积金属电极,这种规则排列的MS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 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 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 ②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
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 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 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 ②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 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
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 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 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℃,AD转换为10位数
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)
字（包括硬件和软件）。（15 分）