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传感器与虚拟仪器期末试题一、填空题（15分）1.传感器的定义：能感受规定的被测量，并按照一定的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。2.半导体材料、陶瓷材料和有机材料等称为新型敏感材料。3.传感技术与通信技术和微计算机技术一起分别构成信息技术系统的“感官”、“神经”和“大脑”，它们是现代信息产业的三大支柱。4.人们形象地把传感器比喻为“电五官”。5.电阻应变片是一种能将被测试件的应变变化转换成电阻变化的敏感元件。电阻应变片有金属电阻应变片和半导体应变片；而金属电阻应变片又分为金属丝应变片和箔式应变片。6.金属丝式电阻应变片结构由引线、覆盖层、基片和电阻丝式敏感栅组成。7.电阻式传感器的温度补偿有自补偿法和桥路补偿法。8.电容式传感器的分类：变极距型（变间隙型）、变面积型和变介质型。9.电感式传感器分为：自感式传感器、互感式传感器和电涡流式传感器。10.热电式传感器分为：热电阻、热电偶和PN结型热电式传感器。11.热电偶就是将温度转换为电势值的传感器，其热偶工作的基本条件：两电极材料不同，两接点温度不同。12.根据功能的不同，集成霍尔器件分为霍尔线性集成器件和霍尔开关集成器件两类。13.磁电式传感器的分类:恒定磁通式和变磁通式。14.外光电效应：当光线照射在某些物体上，使物体内的电子逸出物体表面的现象称为外光电效应，也称为光电发射，逸出的电子称为光电子。基于外光电效应的光电器件有：光电管和光电倍增管。15.当光照射在物体上。使物体的电阻率发生变化或产生光生电动势的现象称为内光电效应。内光电效应又分为光电导效应和光生伏特效应。16.基于光电导效应的光电器件有光敏电阻。17.在光线作用下，能使物体产生一定方向电动势的现象称为光生伏特效应。基于光生伏特效应的光电器件有光电池和光敏晶体管。18.所谓的虚拟仪器，就是在以通用计算机为核心的硬件平台上，由用户设计定义，具有虚拟面板，测试功能由测试软件实现的一种计算机仪器系统。19.Labview开发环境包括三个部分：前面板、框图程序和图标/连接口。三、简答题（6道）1.什么是直接转换型传感器和间接转换型传感器?直接转换型传感器：是把输入给传感器的非电量直接转换为电信号输出。间接转换型传感器：是把输入给传感器的非电量先转换为另外一种非电量，然后再转换为电信号输出。2.什么是传感器的分辨率?分辨力是传感器在规定测量范围内所能检测出被测输入量的最小变化量ΔXmin。用该值相对满量程输入值的百分数(ΔXmin/yFS)×100%表示，称之为分辨率。3.应变片与压阻膜片的电阻相对变化量dR／R各由什么决定?电阻相对变化量由两方面因素决定：一是几何尺寸变化（应变）引起的；二是电阻率变化引起的。对金属材料，前一项是主要的，而对半导体材料，后一项是主要的。4.应变式加速度传感器的工作原理?当被测物体以加速度a运动时，质量块受到一个与加速度方向相反的惯性力的作用，使悬梁臂变形，该变性被被粘贴在悬梁臂上的应变片感受到并随之产生应变，从而使应变片的电阻发生变化，电阻的变化引起应变片组成的桥路出现不平衡，从而输出电压，即可得到加速度a值的大小。其基本工作原理是：物体运动的加速度与作用在它上面的力成正比，与物体的质量成反比，即a=F/m。5.电容式传感器加云母片的目的?当初始极板间距d0较小时，可提高电容传感器的灵敏度，但d0过小会引起电容传感器被击穿或短路，因此，添加云母片可防止被击穿且同时可提高传感器的灵敏度。6.电涡流式传感器的工作原理？一个扁平线圈置于金属导体附近，当线圈中通有交变电流I1时，线圈周围就产生一个交变磁场H1。置于这一磁场中的金属导体就产生电涡流I2，电涡流也将产生一个新磁场H2，H2与H1方向相反，因而抵消部分原磁场，使通电线圈的有效阻抗发生变化。7.什么是金属导体的“热电效应”?简述半导体热敏电阻的类型(利用电阻随温度变化特性的不同）。热电阻效应：物质的电阻率随温度变化的现象。正温度系数热敏电阻):温度控制，限流元件；负温度系数热敏电阻):温度测量，补偿元件；在某一特定温度下电阻值会发生突变的临界电阻器):温度开关元件。图5-28无触点恒温控制器电路图8.无触点恒温控制器：无触点自动温控电路如图5-28所示。其控温范围从室温到150℃，精度为±0.1℃。测温用的热敏电阻RT作为偏置电阻接在T1、T2组成的差分放大器电路内，当温度变化时，热敏电阻阻值变化，引起T1集电极电流变化，影响二极管D支路电流，从而使电容C充电电流发生变化，则电容电压达到单结晶体管BT峰点电压的时刻发生变化，即单结晶体管的输出脉冲产生相移，改变了可控硅SCR的导通角，改变了加热丝的电源电压，从而达到自动控温的目的。图中电位器Rp用以调节不同的设定温度。9.图5-31是客房火灾报警器原理电路图。在每个客房中安装有由TT201温控晶闸管组成的火灾传感器，在每一路中又都串有发光二极管LED，其总线串接报警电路再与电源相连。为及时了解灾情，发光二极管及报警电路均设置在总监控台。若某一房间发生火灾时，房内的环境温度升高，当环境温度升高到温控晶闸管的开启电压温度时，该路的温控晶闸管导通，相应发光二极管发光显示，同时，由于温控晶闸管导通会使总线电流增大，产生报警信号，再经报警电路检测处理后，立即发出火灾警笛声响。10.霍尔元件的连接方式为了获得较大的霍尔输出电势，可以采用几片霍尔元件叠加的连接方式。如图6.4-8(a)所示，直流供电，输出电势UH为单片的两倍。图6.4-8(b)为交流供电情况，控制电流端串联，各元件输出端接输出变压器B的初级绕阻，变压器的次级便有霍尔电势信号叠加值输出。图6.4-8霍尔元件叠加连接方式(a)直流供电；(b)交流供电11.简述压电元件的两种接法的区别压电元件是有极性的，并联连接和串联连接。在这两种接法中，并联接法输出电荷量大、电容大、时间常数大，适宜用在测量慢信号并且以电荷作为输出量的情况；串联接法输出电压大、电容小，适宜用于以电压作为输出信号、并且测量电路输入阻抗很高的情况。12.分析电荷放大器的电路特点，指出其最主要的优点是什么？电荷放大器实际上是一种具有深度电容负反馈的高增益放大器。电荷放大器的输出电压只与输入电荷量和反馈电容有关，而与放大器的放大系数的变化或电缆电容（Cc）等均无关，因此，只要保持反馈电容的数值不变，就可以得到与电荷量Q变化成线性关系的输出电压。传感器的输出灵敏度就可以认为与电缆电容无关了。这是使用电荷放大器的最突出的—个优点。13.光电倍增管的结构和工作原理结构：由光电阴极、若干倍增极和阳极组成。原理：光电倍增管工作时，各倍增极（D1、D2、D3…）和阳极均加上电压，并依次升高，阴极K电位最低，阳极A电位最高。入射光照射在阴极上，打出光电子，经倍增极加速后，在各倍增极上打出更多的“二次电子”。如果一个电子在一个倍增极上一次能打出个二次电子，那么一个光电子经n个倍增极后，最后在阳极会收集到个电子而在外电路形成电流。14.Labview具有三种用来创建和运行程序的模板：工具（Tools）模板包括了程序的创建、修改和调试时使用的工具；控制模板（Controls）主要用于在前面板中添加指示器和控制器；函数模板（Functions）则用于创建框图程序，它包括了很多函数子模板。15.Labview开发环境包括三个部分：前面板、框图程序和图标/连接口。前面板主要用于输入量的设置和输出量的显示，它模拟了真实仪表的面板，包括旋钮、开关、按钮、图表、图形。用户使用虚拟仪器时所观察到的就是前面板，并在前面板中执行对仪器的操作；框图程序用图形编程语言编写，可以把它理解成传统程序的源代码；通过图标/连接口可以在其他程序中调用VI子程序。四、计算题（2道）1.应变片的电阻R＝120Ω，k＝2.05，用作应变为800μm／m的传感元件。①求ΔR和ΔR／R；②若电源电压U＝3V，求初始平衡时惠斯登电桥的输出电压U0。2.用镍铬-镍硅热电偶测炉温时，其冷端温度T0=30℃，在直流电位计上测得热电势E(T,T0)＝39.17mV,则实际炉温是多少？解：由T0=30℃查分度表得：E(30,0)＝1.2mV,则：E(T,0)＝E(T,30)＋E(30,0)＝39.17mV＋1.2mV＝40.37mV再由40.37mV查分度表，得实际炉温T＝977℃3.在图5-6中，已知A为铂铑30、C为铂、B为铂铑6。今测得EAB(1085.5℃，0℃)5.622mV，已知EAC(1084.5℃，0℃)＝13.937mV，求EBC(1084.5℃，0℃)?4.T0＝20℃，在直流电位差计上测得的热电势EAB(T，20℃)为40.099mV，试求炉温为多少?5.用一压电式传感器测一正弦变化的作用力，采用电荷放大器，压电元件用两片压电陶瓷并联，压电系数d33=190*10-12C/N,电荷放大器中的运算放大器为理想运放，反馈电容Cf=3800PF，实际测得放大器输出电压为u0=10sinwt(V)，试求此时的作用力F。五、分析题（3道，第三道是实验指导书上的）1.2.当晶体受到X方向外力作用时，晶面上产生的电荷Qx与作用力Fx成正比，而与晶片的几何尺寸无关。电荷Qx的极性视Fx是受压还是受拉而决定，如图7-4所示如果在同一晶片上，作用力是沿机械轴Y-Y方向，其电荷仍在与X轴垂直的平面上出现，极性见图7-4(c)、图7-4(d)。图7-4晶片上电荷的极性与受力方向的关系