傳感技術(shù)及應(yīng)用試卷及答案(28年)

課程綜合考試，合計分?jǐn)?shù)70分判斷題（正確打7標(biāo)記，錯誤打x標(biāo)記，每題1分，共10分）（7）傳感器的閾值，實際上就是傳感器在零點附近的分辨力。（X）某位移傳感器的測量量程為1mm,分辨力為0.001mm,這說明傳感器的靈敏度很高，其靈敏度為0.1%。（X）傳感器A采用最小二乘法擬合算得線性度為±0.6%，傳感器B采用端點直線法算得線性度為±0.8%，貝9可以肯定傳感器A的線性度優(yōu)于傳感器B。（x）無論何種傳感器，若要提高靈敏度，必然會增加非線性誤差。（x）幅頻特性優(yōu)良的傳感器，其動態(tài)范圍大，故可以用于高精度測量。（x）如果電容傳感器的電纜丟失了，更換另一根電纜后，可以不必對測量系統(tǒng)重新進(jìn)行標(biāo)定，也可直接使用。（x）壓電式力傳感器既可以測量靜態(tài)力，也可以測量動態(tài)力。（7）熱電偶的工作機理是導(dǎo)體的熱電效應(yīng)，而熱電勢的產(chǎn)生必須具備兩個條件，即兩種導(dǎo)體材質(zhì)不同且兩個節(jié)點的溫度不同。（x）由于光敏電阻的光照特性是非線性的，因此不宜用做測量元件。但由于光敏電阻的響應(yīng)時間很短，因此可以用做高速光電開關(guān)。（x）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（請選擇一個適合的答案，每小題1分，本題共10分）（①）車間條件下測量大型機床工作臺的位移（行程為20m），可采用：光柵傳感器；②電容傳感器；③電渦流傳感器。（②）為一個旋轉(zhuǎn)式機械分度裝置增加數(shù)顯系統(tǒng)，可采用的角度傳感器為：①增量式編碼器；②絕對式編碼器；③電容傳感器。（①）對生產(chǎn)流水線上的塑料零件進(jìn)行自動計數(shù)，可采用的傳感器為：①光電傳感器；②霍爾傳感器；③電渦流傳感器。（②）在線測量高速回轉(zhuǎn)零件的主軸徑向偏擺量，可采用：①差動變壓器；②電渦流傳感器；③壓電式傳感器。（②）下列哪類傳感器具有防水功能？①電阻應(yīng)變式傳感器；②電渦流傳感器；③電容式傳感器。（①）為了在報紙印刷的高速生產(chǎn)流水線上監(jiān)測印刷缺陷，可以采用哪一種傳感器?①面陣CCD傳感器；②線陣CCD傳感器；③硅光電池。（③）一個小型光學(xué)儀器中用于測量光斑二維位置變化（x-y）的傳感器可采用：①線陣CCD傳感器；②面陣CCD傳感器；③PSD傳感器。（③）絕對式編碼器的碼制絕大多數(shù)采用：①二進(jìn)制碼；②十進(jìn)制碼；③格雷碼（循環(huán)碼）。（②）下列電感傳感器中，哪種傳感器的輸出特性是線性的？①變氣隙型；②變面積型；③螺管型。（③）電容式液位傳感器屬于下列哪種型式？①變極距型；②變面積型；③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，傳感器由哪三個部分組成？答：傳感器（Transducer/Sensor）的定義是：“能夠感受規(guī)定的被測量并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置”。定義包含的意思：傳感器是測量裝置，能完成檢測任務(wù)；它的輸入量是某一種被測量，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、光強等物理量，但主要是電物理量；輸出與輸入之間有確定的對應(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：它是直接感受被測量，并輸出與被測量成確定關(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)。有時敏感元件和轉(zhuǎn)換元件的功能是由一個元件（敏感元件）實現(xiàn)的?；巨D(zhuǎn)換電路：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，請對曲線進(jìn)行分析；用該熱敏電阻測量溫度時，應(yīng)該利用曲線的哪一段，說明原因；用該熱敏電阻測量風(fēng)速或流量時，應(yīng)該利用曲線的哪一段，說明原因。將熱敏電阻接上一個電流源，并在它兩端測得端電壓，可得到熱敏電阻的伏安特性。0—a段：電流小于Ia,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。此時熱敏電阻相當(dāng)于一個固定電阻，電壓與電流之間符合歐姆定律。a—b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），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，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)。用0—a段進(jìn)行測溫。電流不足以使熱敏電阻發(fā)熱，熱敏電阻的阻值變化只與被測量的環(huán)境有關(guān)。用c—d段測量風(fēng)速或流量，風(fēng)速或流量可以使熱敏電阻的熱量消耗，而消耗的熱量與風(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)，但實際上應(yīng)變片輸出電阻還和溫度有關(guān)即AR/R=F（￡,t）,請敘述電阻應(yīng)變片溫度的補償方法和補償原理。答：電阻應(yīng)變片的溫度補償方法通常有線路補償和應(yīng)變片自補償兩大類。線路補償法電橋補償是最常用且效果較好的線路補償。測量應(yīng)變時，工作應(yīng)變片R1粘貼在被測試件表面上，補償應(yīng)變片RB粘貼在與被測試件材料完全相同的補償塊上，且僅工作應(yīng)變片承受應(yīng)變。當(dāng)被測試件不承受應(yīng)變時，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，此時有當(dāng)溫度升高或降低At=t-t0時，兩個應(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)變片的自補償法這種溫度補償法是利用自身具有溫度補償作用的應(yīng)變片（稱之為溫度自補償應(yīng)變片）來補償?shù)摹８鶕?jù)溫度自補償應(yīng)變片的工作原理，要實現(xiàn)溫度自補償，必須有a=—K（P-P）00gs上式表明，當(dāng)被測試件的線膨脹系數(shù)Pg已知時，如果合理選擇敏感柵材料，即其電阻溫度系數(shù)a0、靈敏系數(shù)K0以及線膨脹系數(shù)Ps，滿足上式，則不論溫度如何變化，均有ARt/RO=O,從而達(dá)到溫度自補償?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。1.光纖的結(jié)構(gòu)，由纖芯、包層和外套三部分組成。包層外套階躍光纖的纖芯與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)的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。nneieonneieo廠n斯乃爾定理（Snell'sLaw）指出：當(dāng)光由光密物質(zhì)（折射率大）入射至光疏物質(zhì)（折射率?。r,發(fā)生折射，其折射角大于入射角。即nl>n2時，j2>jl。臨界條件是出＞^Csin0 n出＞^C0=_1sin0 nl05．分析電容傳感器邊緣效應(yīng)產(chǎn)生的原因，畫圖給出消除其影響的措施，并進(jìn)行論述。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算的一種假定。實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)。①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。②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，且與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。6．試論述熱電偶中間導(dǎo)體定律，并證明之。說明其作用。答：在熱電偶回路中接入第三種材料的導(dǎo)線，只要其兩端的溫度相等，第三導(dǎo)線的引入不會影響熱電偶的熱電勢。

T端接觸電勢：0(t)kTine(T)=—inaAC0enC(t)T端接觸電勢：0(t)kTine(T)=—inaAC0enC(t)kTin(T)=——inCCB0enBB導(dǎo)體兩端的電勢差：e(T,T)=JTb(T)dTB0TBT0C導(dǎo)體兩端的電勢差：e(T,T)=fTob(T)dT=0C00TCT0T端接觸電勢：e(T)=kTinZABenBe(T,T)=e(T)+e(T,T)-e(T)-e(T)-e(T,T)AB0AB B0AC0CB0A0e(T)-e(T)-e(T)+e(T,T)-e(T,T)AB AC0CB0B0A0=TKin竺-TKin佇-TKin匕+JT[b(T)-b(T)]dTen0en0enTBAB C B0=(T-T)Kin2a+Jt[b0enTBAB0此定律具有特別重要的實用意義，因為用熱電偶測溫時必須接入儀表(第三種材料)，根據(jù)此定律，只要儀表兩接入點的溫度保持一致(TO)儀表的入就不會影響熱電勢。而且A、B結(jié)點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,主光柵與指示光柵之間的夾角為0=0.01rad。求其形成的莫爾條紋間距BH是多少？說明莫爾條紋生成原理及特點。答：(1)分辨力D=柵距W=1mm/50=0.02mm=20mmBH~W/0=0.02mm/0.01=2mm(2)在透射式直線光柵中,把主光柵與指示光柵的刻線面相對疊合在一起,中間留有很小的間隙,并使兩者的柵線保持很小的夾角0。在兩光柵的刻線重合處，光從縫隙透過，形成亮帶；在兩光柵刻線的錯開處，由于相互擋光作用而形成暗帶。橫向莫爾條紋的斜率 tana=tan-BC -W W莫爾條紋間距定BH由光柵常數(shù)與光柵夾角決BH=AB= 0= Q可見莫爾條紋的寬度莫爾條紋間距定BH由光柵常數(shù)與光柵夾角決sin—2sin—226/9第66/9第6頁(共9頁)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0,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)：1/0均衡誤差作用：由大量柵線共同形成的莫爾條紋對光柵柵線的刻線誤差有均衡作用，提高了測量精度。連續(xù)變倍作用：光柵的柵距是固定的，不同的傾斜角0將可獲得相應(yīng)寬度的莫爾條紋，當(dāng)0連續(xù)變化時，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0的大小來選擇任意粗細(xì)的莫爾條紋。五、（12分）試論述（1） 霍爾片不等位電勢產(chǎn)生的原因及其補償方法；（2） 若霍爾片采用恒流源供電，為補償溫度誤差，采用在輸入回路并聯(lián)電阻，若已知霍爾元件靈敏霍爾元件靈敏度系數(shù)為度溫度系數(shù)為a霍爾元件輸入電阻溫度系數(shù)為卩，溫度tO時的輸入電阻為RiO,霍爾元件靈敏度系霍爾元件靈敏度系數(shù)為數(shù)為KH0；溫度t1時的輸入電阻為R-R[1+0（t—t）]，it iO OK—K[1K—K[1+a(t—t)]，HtHO O請畫圖并推導(dǎo)并聯(lián)的電阻RP的大小。答:當(dāng)t=t當(dāng)t=t。靈敏度系數(shù)KH0當(dāng)t=t靈敏度系數(shù)輸入電阻輸入電阻RIOk-k「E+a(t—a)]RH-RHO+0 —t)iit iO OI-I+IPHRII-I+IPHRI為了使霍爾電勢不隨溫度變化要保證0+0(/—t)1+RUT0=U0T PRI P R+RiPRI—p H0 R+Ri0 PKIB-KIBH0KIB-KIBH0H0 HtHt1 ( )R11+0(t—t丿」+R1+a—t丿—io op0oR+Ri0Pi0六、（12分）已知石英晶體壓電片上的極性如圖（a）所示。]牛▲ Fx]?！?FxFyyFyyFyyFyyFyf軋（c）y方向受壓力 （d）y方向受拉力請回答：1．石英晶體的壓電效應(yīng)有何特點？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與電荷的關(guān)系；并說明電荷放大器有何特點。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，內(nèi)部會產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時在其表面上產(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，它會產(chǎn)生機械變形，當(dāng)去掉外加電場時，電介質(zhì)的變形隨之消失。這種將電能轉(zhuǎn)換為機械能的現(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），它是晶體的對稱軸，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的兩個棱線且垂直于光軸乙顯然X軸共有三個。Y軸為機械軸（力軸），顯然也有