哈工大2008秋季答案20090522110027462

1、課程綜合測(cè)試，合計(jì)分?jǐn)?shù) 70 分一、判斷題（正確打7標(biāo)記，錯(cuò)誤打渝記，每題1分，共10分）1. （7傳感器的閾值，實(shí)際上就是傳感器在零點(diǎn)附近的分辨力。2. （為 某位移傳感器的測(cè)量量程為1 mm,分辨力為0. 001 mm,這說明傳感器的靈敏度很高，其靈敏度為 0.1%。3. （為傳感器A采用最小二乘法擬合算得線性度為土 0.6%，傳感器B采用端點(diǎn)直線法算得線性度為± 0.8%，則可以肯定傳感器 A 的線性度優(yōu) 于傳感器 B。4. （%無論何種傳感器，若要提高靈敏度，必然會(huì)增加非線性誤差。5. （%幅頻特性優(yōu)良的傳感器，其動(dòng)態(tài)范圍大，故可以用于高精度測(cè)量。6. （% 如果電容傳感器的

2、電纜丟失了，更換另一根電纜后，可以不必對(duì)測(cè)量系統(tǒng)重新進(jìn)行標(biāo)定，也可直接使用。7. （% 壓電式力傳感器既可以測(cè)量靜態(tài)力，也可以測(cè)量動(dòng)態(tài)力。8. （7 熱電偶的工作機(jī)理是導(dǎo)體的熱電效應(yīng)，而熱電勢(shì)的產(chǎn)生必須具備兩個(gè)條件，即兩種導(dǎo)體材質(zhì)不同且兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的溫度不同。9. （% 由于光敏電阻的光照特性是非線性的，因此不宜用做測(cè)量元件。但由于光敏電阻的響應(yīng)時(shí)間很短，因此可以用做高速光電開關(guān)。10. （% 光纖是利用光的折射原理工作的，光纖由纖芯和包層構(gòu)成，且纖芯的折射率小于包層的折射率。二、選擇題（請(qǐng)選擇一個(gè)適合的答案，每小題1分，本題共 10 分1. （）車間條件下測(cè)量大型機(jī)床工作臺(tái)的位移（行程為 20

3、m）,可采用： 光柵傳感器； 電容傳感器； 電渦流傳感器。2. （）為一個(gè)旋轉(zhuǎn)式機(jī)械分度裝置增加數(shù)顯系統(tǒng)，可采用的角度傳感器為： 增量式編碼器； 絕對(duì)式編碼器； 電容傳感器。3. （）對(duì)生產(chǎn)流水線上的塑料零件進(jìn)行自動(dòng)計(jì)數(shù)，可采用的傳感器為： 光電傳感器； 霍爾傳感器； 電渦流傳感器。4. （）在線測(cè)量高速回轉(zhuǎn)零件的主軸徑向偏擺量，可采用： 差動(dòng)變壓器； 電渦流傳感器； 壓電式傳感器。5. （）下列哪類傳感器具有防水功能？ 電阻應(yīng)變式傳感器； 電渦流傳感器； 電容式傳感器。6. （）為了在報(bào)紙印刷的高速生產(chǎn)流水線上監(jiān)測(cè)印刷缺陷，可以采用哪一種傳感器? 面陣CCD傳感器； 線陣CCD傳感器； 硅光

4、電池。7. （）一個(gè)小型光學(xué)儀器中用于測(cè)量光斑二維位置變化（x-y）的傳感器可采用： 線陣CCD傳感器； 面陣CCD傳感器；PSD傳感器。8. （）絕對(duì)式編碼器的碼制絕大多數(shù)采用：二進(jìn)制碼；十進(jìn)制碼；格雷碼（循環(huán)碼）。9. （）下列電感傳感器中，哪種傳感器的輸出特性是線性的？變氣隙型；變面積型；螺管型。10. （）電容式液位傳感器屬于下列哪種型式？變極距型；變面積型；變介質(zhì)型。三、簡答題（共6題，只選做其中5道題，每題4分共20分）1. 什么是傳感器？包含哪些方面含義，傳感器由哪三個(gè)部分組成？答：傳感器（Transducer/Senso）的定義是：能夠感受規(guī)定的被測(cè)量并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn) 換成可用

5、輸出信號(hào)的器件或裝置”。定義包含的意思： 傳感器是測(cè)量裝置，能完成檢測(cè)任務(wù)； 它的輸入量是某一種被測(cè)量，可能是物理量，也可能是化學(xué)量、生物量等； 它的輸出量是某種物理量，這種量應(yīng)便于傳輸、轉(zhuǎn)換、處理、顯示等等，這種量不一 定是電量，還可以是氣壓、光強(qiáng)等物理量，但主要是電物理量； 輸出和輸入之間有確定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，且能達(dá)到一定的精度。輸出量為電量的傳感器，一般由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件、基本轉(zhuǎn)換電路三部分組成。 敏感元件：它是直接感受被測(cè)量，并輸出和被測(cè)量成確定關(guān)系的某一物理量的元件。 轉(zhuǎn)換元件：將敏感元件的輸出轉(zhuǎn)換成一定的電路參數(shù)。有時(shí)敏感元件和轉(zhuǎn)換元件的功能 是由一個(gè)元件（敏感元件）實(shí)現(xiàn)的?；巨D(zhuǎn)換

6、電路：將敏感元件或轉(zhuǎn)換元件輸出的電路參數(shù)轉(zhuǎn)換、調(diào)理成一定形式的電量輸 出。2. 下圖是熱敏電阻的伏安特性曲線，a. 請(qǐng)對(duì)曲線進(jìn)行分析；b. 用該熱敏電阻測(cè)量溫度時(shí)，應(yīng)該利用曲線的哪一段，說明原因；c. 用該熱敏電阻測(cè)量風(fēng)速或流量時(shí)，應(yīng)該利用曲線的哪一段，說明原因。答:a. 將熱敏電阻接上一個(gè)電流源 ，并在它兩端測(cè)得端電壓，可得到熱敏電阻的伏安特 性。0 a段：電流小于la，功耗小，電流不足以使熱敏電阻發(fā)熱，元件上的溫度基本是 環(huán)境溫度。此時(shí)熱敏電阻相當(dāng)于一個(gè)固定電阻，電壓和電流之間符合歐姆定律。ab段：隨著電流增加，熱敏電阻功耗增加，導(dǎo)致電流加熱引起熱敏電阻自身溫度 超過環(huán)境溫度（介質(zhì)溫度），

7、其阻值降低，因此出現(xiàn)非線性正阻區(qū)，電流增長速度阻值 減小的速度。c d段：隨著電流增加，為Im時(shí)，電壓達(dá)到最大值，電流繼續(xù)增加，熱敏電阻本身加熱更為劇烈，阻值迅速減小，阻值減小的速度大于電流增加的速度，出現(xiàn)c d段負(fù)阻區(qū)。b. 用0 a段進(jìn)行測(cè)溫。電流不足以使熱敏電阻發(fā)熱，熱敏電阻的阻值變化只和被測(cè) 量的環(huán)境有關(guān)。c. 用c d段測(cè)量風(fēng)速或流量，風(fēng)速或流量可以使熱敏電阻的熱量消耗，而消耗的熱 量和風(fēng)速或流量有關(guān)。3. 理想情況下，金屬應(yīng)變片的輸出電阻是應(yīng)變的一元函數(shù)，但實(shí)際上應(yīng)變片輸出電阻還 和溫度有關(guān)，即 R/R=F（ £，t），請(qǐng)敘述電阻應(yīng)變片溫度的補(bǔ)償方法和補(bǔ)償原理。 答：電阻

8、應(yīng)變片的溫度補(bǔ)償方法通常有線路補(bǔ)償和應(yīng)變片自補(bǔ)償兩大類。線路補(bǔ)償法電橋補(bǔ)償是最常用且效果較好的線路補(bǔ)償。測(cè)量應(yīng)變時(shí)，工作應(yīng)變片 R1粘貼在被測(cè)試件表面上，補(bǔ)償應(yīng)變片 RB粘貼在和 被測(cè)試件材料完全相同的補(bǔ)償塊上，且僅工作應(yīng)變片承受應(yīng)變。當(dāng)被測(cè)試件不承受應(yīng)變時(shí)，R1和RB又處于同一環(huán)境溫度為t的溫度場中，調(diào)整 電橋參數(shù)使之達(dá)到平衡，此時(shí)有 當(dāng)溫度升高或降低 t=t-t0時(shí)，兩個(gè)應(yīng)變片因 溫度而引起的電阻變化量相等，電橋仍處于平衡狀態(tài)。應(yīng)變片的自補(bǔ)償法這種溫度補(bǔ)償法是利用自身具有溫度補(bǔ)償作用的應(yīng)變片（稱之為溫度自補(bǔ)償應(yīng)變片）來補(bǔ)償?shù)?。根?jù)溫度自補(bǔ)償應(yīng)變片的工作原理，要實(shí)現(xiàn)溫度自補(bǔ)償，必須有 上式表

9、明，當(dāng)被測(cè)試件的線膨脹系數(shù) -卸已知時(shí)，如果合理選擇敏感柵材料，即其電阻溫度系數(shù)a 0、靈敏系數(shù)K0以及線膨脹系數(shù)B s,滿足上式，則不論溫度如何變化，均有 Rt/R0=0，從而達(dá)到溫度自補(bǔ)償?shù)哪康摹?簡述光纖的基本結(jié)構(gòu)，并基于幾何光學(xué)的原理，以階躍光纖為例說明其傳光過程。答：1.光纖的結(jié)構(gòu)，由纖芯、包層和外套三部分組成。兒:階躍光纖的纖芯和包層間的折射率階躍變化的，即纖芯內(nèi)的折射率分布大體上是均 勻的，包層內(nèi)芯勺折射率分布也大體均勻，均可視為常數(shù)，但是纖芯和包層的折射率不同, 在界面上發(fā)生突變，如圖所示光線的傳播依靠光在纖芯和包層界面上發(fā)生的內(nèi)全反 射現(xiàn)象。斯乃爾定理（Snell's

10、 Law ）指出：當(dāng)光由光密物質(zhì)（折射率大）入射至光疏物質(zhì)00答：理想條件下，平行板電容器的電場均勻分布于兩極板所圍成的空間，這僅是簡化電 容量計(jì)算的一種假定。實(shí)際上在電容器的邊緣電力線是不均勻的，這樣就產(chǎn)生了邊緣效 應(yīng)。 為克服邊緣效應(yīng)，首先應(yīng)增大初始電容量 Co，即增大極板面積，減小極板間隙 在結(jié)構(gòu)上增設(shè)等位環(huán)來消除邊緣效應(yīng)。原理：等位環(huán)安放在上面電極外，且和上電極絕緣 組等電位，這樣就能使上電極的邊緣電力線平直，兩極 間電場基本均勻。而發(fā)散的邊緣電場發(fā)生在等位環(huán)的外 周不影響工作。答： 不會(huì)影響熱電偶的熱電勢(shì)。 eAB （T, T0）二 eAB （T） A eB（T,T00）- eAC

11、（T0）- Odb 仃0）- eA（T ,T0） 糕嚴(yán)（T, 耐%両山匹CB導(dǎo)體兩端的電勢(shì)差得）】dTT0T-0eC（T°,T°）=匚 C（T）dT =0 田電勢(shì)：eAB（T）=U| e nB 翥nB,因?yàn)橛脽犭娕紲y(cè)溫時(shí)必須接入儀表（第三種材料）, 根據(jù)此定律，只要儀表兩接入點(diǎn)的溫度保持一致（T0 ）儀表的入就不會(huì)影響熱電勢(shì)。而且A、 B結(jié)點(diǎn)的焊接方法也可以是任意的。四、6分）若某光柵的柵線密度為50線/mm，主光柵和指示光柵之間的夾角為 O=0.01rad。（1）求其形成的莫爾條紋間距 Bh是多少？（2）說明莫爾條紋生成原理及特點(diǎn)。在熱電偶回路中接入第三種材料的導(dǎo)線，只要

12、其兩端的溫度相等，第三導(dǎo)線的引入TeT0eAaT >T0e此定律具有特別重要的6.試論述熱電偶中間導(dǎo)體定律，并證明之。說明其作 用。答:(1)分辨力：=柵距 W=1mm/50=0.02mm=20mBh 心W/ 0 = 0.02mm/0.01=2mm在透射式直線光柵中，把主光柵和指示光柵的刻線面相對(duì)疊合在一起，中間留有很橫向0莫爾條 和光柵小的形成線保持彳啲錯(cuò)開處9。在兩光柵的刻線重合處，光從縫隙透過, 由于相互擋光作用而形成暗帶。:丁 可見莫爾條紋的寬度Bh由光柵常數(shù)光學(xué)放大作用：由上式可知，雖然光柵常數(shù) W很小，但只要調(diào)整夾角9,即可得到 很大的莫爾條紋的寬度B,起了放大作用。放大倍數(shù)

13、：1/9均衡誤差作用：由大量柵線共同形成的莫爾條紋對(duì)光柵柵線的刻線誤差有均衡作用， 提高了測(cè)量精度。連續(xù)變倍作用：光柵的柵距是固定的，不同的傾斜角9將可獲得相應(yīng)寬度的莫爾條紋， 當(dāng)9連續(xù)變化時(shí)，考慮到光學(xué)放大作用，莫爾條紋的寬度也是連續(xù)變倍地變化。因此， 可用改變9的大小來選擇任意粗細(xì)的莫爾條紋。五、(12分)試論述(1) 霍爾片不等位電勢(shì)產(chǎn)生的原因及其補(bǔ)償方法；(2) 若霍爾片采用恒流源供電，為補(bǔ)償溫度誤差，采用在輸入回路并聯(lián)電阻，若已知霍爾元件靈敏度溫度系數(shù)為a，霍爾元件輸入電阻溫度系數(shù)為B,溫度to時(shí)的輸入電阻為Rio，霍爾元件靈敏度系數(shù)為 Kho;溫度ti時(shí)的輸入電阻為R二R01(t

14、-t。)，霍爾元件靈敏度系數(shù)為KHt二Kho1 (t -t。)，請(qǐng)畫圖并推導(dǎo)并聯(lián)的電阻 Rp的大小。答：當(dāng)t=t。靈敏度系數(shù)Kho當(dāng)t=t靈敏度系數(shù)輸入電阻輸入電阻R io+田-卩為了使霍爾電勢(shì)不隨溫度變化，要保證：一 1 Uto=Ut即=+ a(I +P(- )+_a六、(12分)已知石英晶體壓電片上的極性如圖(a)所示X (a) x方向受壓力)y方向受壓力yx (b) x方向受拉力xA(d) y方向受拉力請(qǐng)回答: 1石英晶體的壓電效應(yīng)有何特點(diǎn)？2試標(biāo)出圖（b）、（c）、（d）所示的石英晶體壓電片上電荷的極性，并結(jié)合圖說明什么 叫縱向壓電效應(yīng)？什么叫橫向壓電效應(yīng)？3.壓電傳感器配用電路常采用

15、電荷放大器， 根據(jù)壓電材料的等效模型推導(dǎo)電荷放大器輸 出電壓和電荷的關(guān)系；并說明電荷放大器有何特點(diǎn)。答：某些電介質(zhì)物質(zhì)，在沿一定方向上受到外力的作用而變形時(shí)，內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生極化現(xiàn)象， 同時(shí)在其表面上產(chǎn)生電荷；當(dāng)外力去掉后，又重新回到不帶電的狀態(tài)，這種將機(jī)械能轉(zhuǎn) 變?yōu)殡娔艿默F(xiàn)象，稱為 正（順）壓電效應(yīng)”相反，在電介質(zhì)的極化方向上施加電場， 它會(huì)產(chǎn)生機(jī)械變形，當(dāng)去掉外加電場時(shí)，電介質(zhì)的變形隨之消失。這種將電能轉(zhuǎn)換為機(jī) 械能的現(xiàn)象，稱為逆壓電效應(yīng)”石英晶體屬六方晶系，是一個(gè)正六面體，有右旋和左旋石英晶體之分，在晶體學(xué)中 用三根互相 垂直的軸Z、X、Y表示它的坐標(biāo)。Z軸為光軸（中性軸），它是晶體的對(duì)稱軸，

16、光線沿Z軸通過晶體不產(chǎn)生雙折射現(xiàn)象, 因而它的貢獻(xiàn)是作為基準(zhǔn)軸。X軸為電軸（垂直于光軸），該軸壓電效應(yīng)最顯著，它通過正六棱柱相對(duì)的兩個(gè)棱線 且垂直于光軸乙顯然X軸共有三個(gè)。在此軸上加力產(chǎn)丫軸為機(jī)械軸（力軸），顯然也有三個(gè)，它垂直于兩個(gè)相對(duì)的表面， 生的變形最大。縱向壓電效應(yīng)” 橫向壓電效應(yīng)。”2這種沿X軸作用力，而在垂直于此軸晶面上產(chǎn)生電荷的現(xiàn)象，稱為 這種沿丫軸作用力，而在垂直于X軸的晶面上產(chǎn)生電荷的現(xiàn)象，稱為3.LCaCcnI=U； u f一LuQUoCiUfT卜C/ACU<1，-A/A<<1 時(shí)， Q=UjfCu（1uA）CUi 1 L c （1 A）CfU0C'電荷放大器的輸出電壓僅和電荷量和反饋電容有關(guān)寸丨（Ca+電荷放大器的輸出電壓僅和電荷量和反饋電容有 輸入電壓就正比于輸入電荷量