傳感器期末題

1、2011-2012學(xué)年 第 一 學(xué)期末考試試題（A卷） 課程名稱(chēng)：傳感器原理及應(yīng)用（開(kāi)卷）使用班級(jí)： 09060441/2，09060241/2 總分得分一 填空題（共18分，每空1分） 1、傳感器一般由 和 兩個(gè)基本部分組成。2、熱電阻包括 和_ 。Pt100是指在0的標(biāo)準(zhǔn)電阻值為_(kāi) 。3、對(duì)于二階傳感器系統(tǒng)的階躍響應(yīng)，在 的情形下，階躍信號(hào)輸入時(shí)的輸出信號(hào)為 ，其振蕩角頻率（阻尼振蕩角頻率）為 ；幅值按 ， 越大，即阻尼越 ，衰減越 。 4、為了使測(cè)試結(jié)果能精確地再現(xiàn)被測(cè)信號(hào)的波形，在傳感器設(shè)計(jì)時(shí)，必須使其阻尼比 ，固有頻率w0至少應(yīng)大于被測(cè)信號(hào)頻率w的 倍。5、直流電橋平衡條件 。6、利

2、用激振臺(tái)對(duì)加速度傳感器進(jìn)行靈敏度標(biāo)定的方法是 。7、渦流傳感器的測(cè)量屬于 測(cè)量，特別是用于測(cè)量 的物體。8、單晶硅在 晶面上有最大的壓阻系數(shù)，影響壓阻系數(shù)大小的主要因素是擴(kuò)散雜質(zhì)的 ，壓阻系數(shù)隨擴(kuò)散雜質(zhì)濃度的增加而 。得分 二、（共6分）設(shè)平面與X軸、Y軸、Z軸的截矩分別為-3，-3，6，求晶其體的密勒指數(shù)，晶向，晶面，晶面族。 得分三、(共6分)光電效應(yīng)可分為哪幾個(gè)類(lèi)型？簡(jiǎn)單說(shuō)明各類(lèi)型對(duì)應(yīng)的傳感器基本原理。并分別列出以之為基礎(chǔ)的各類(lèi)光電傳感器。 得分四、(共6分)請(qǐng)簡(jiǎn)述熱電效應(yīng)，并說(shuō)明熱電偶測(cè)溫回路的熱電動(dòng)勢(shì)由哪兩部分組成？由同一種導(dǎo)體組成的閉合回路能產(chǎn)生熱電勢(shì)嗎？得分 五、（共10分）1）

3、、什么是傳感器的靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性，各包含哪些方面指標(biāo)？ 2）、簡(jiǎn)述在什么頻域條件下只研究靜態(tài)特性就能滿足通常的需要。而在什么頻域條件下一般要研究傳感器的動(dòng)態(tài)特性。3）、從傳感器的靜動(dòng)態(tài)特性兩個(gè)方面來(lái)考慮，請(qǐng)?jiān)斒鋈绾芜x用傳感器？得分六、（共10分） 根據(jù)工作原理可將電容式傳感器分為哪幾種類(lèi)型？圖1 為何種電容式傳感器？圖1中a8mm，b12mm，兩級(jí)板間距離為1mm。一塊極板在原始位置上平移了5mm后，求該傳感器的位移靈敏度K（已知空氣相對(duì)介電常數(shù)1F/m，真空時(shí)的介電常數(shù)08.85410-12 F/m）。圖1 電容傳感器得分 七、（共8分）分析如圖所示自感傳感器當(dāng)動(dòng)鐵心左右移動(dòng)（x1,x2）

4、發(fā)生變化時(shí)，自感L變化情況。已知空氣所隙 的長(zhǎng)度為x1和x2，空氣隙的面積為 S，磁導(dǎo)率為，線圈匝數(shù)W不變）。 得分八、(共10分) 電阻應(yīng)變片傳感器與壓阻式傳感器的基本工作原理是什么？?jī)烧咧g有什么區(qū)別和聯(lián)系？ 得分九、（共8分）請(qǐng)以差動(dòng)電感式傳感器為例，從數(shù)學(xué)關(guān)系及基本原理上分析說(shuō)明差動(dòng)式傳感器如何提高靈敏度以及改善傳感器的非線性誤差。得分十、（共8分）在對(duì)量程為10MPa的壓力傳感器進(jìn)行標(biāo)定時(shí)，傳感器輸出電壓值與壓力值之間的關(guān)系如下表所示，簡(jiǎn)述最小二乘法準(zhǔn)則的幾何意義，并討論下列電壓-壓力直線中哪一條最符合最小二乘法準(zhǔn)則？ 測(cè)量次數(shù)I12345壓力Xi（MPa）246810電壓Yi（V）

5、10.04320.09330.15340.12850.072（1）y=5.00x-1.05 （2）y=7.00x+0.09 （3）y=50.00x-10.50 （4）y=-5.00x-1.05 （5）y=5.00x+0.07得分十一、（共10分）下圖是石英晶體壓電效應(yīng)示意圖，請(qǐng)闡述壓電傳感器的基本原理，并結(jié)合相關(guān)理論、物理意義與其結(jié)構(gòu)進(jìn)行具體分析。圖3 石英晶體壓電效應(yīng)示意圖 2011-2012 學(xué)年 第 一 學(xué)期期末考試試題答案及評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)（A卷） 課程名稱(chēng)： 傳感器原理及應(yīng)用試卷（開(kāi)卷）使用班級(jí)： 09060441/2，09060241/2 二 填空題（每空1分，共18分） 1、傳感器一般由

6、敏感元件和轉(zhuǎn)換元件兩個(gè)基本部分組成。 2、熱電阻包括鉑電阻_和_銅電阻 。Pt100是指在0的標(biāo)準(zhǔn)電阻值為_(kāi)100。3、對(duì)于二階傳感器系統(tǒng)的階躍響應(yīng)，在 的情形下，階躍信號(hào)輸入時(shí)的輸出信號(hào)為 衰減振蕩 ，其振蕩角頻率（阻尼振蕩角頻率）為 ；幅值按 指數(shù)衰減 ， 越大，即阻尼越 大 ，衰減越 快 。 4、為了使測(cè)試結(jié)果能精確地再現(xiàn)被測(cè)信號(hào)的波形，在傳感器設(shè)計(jì)時(shí)，必須使其阻尼比 <1 ，固有頻率w0至少應(yīng)大于被測(cè)信號(hào)頻率w的 35 倍。5、直流電橋平衡條件相對(duì)兩臂電阻的乘積相等。6、利用激振臺(tái)對(duì)加速度傳感器進(jìn)行靈敏度標(biāo)定的方法是 比較標(biāo)定法 。7、渦流傳感器的測(cè)量屬于 非接觸 測(cè)量，特別是用

7、于測(cè)量 運(yùn)動(dòng) 的物體。8、單晶硅在 （100） 晶面上有最大的壓阻系數(shù)，影響壓阻系數(shù)大小的主要因素是擴(kuò)散雜質(zhì)的表面濃度、環(huán)境溫度，壓阻系數(shù)隨擴(kuò)散雜質(zhì)濃度的增加而 減小 。二、（共6分）設(shè)平面與X軸、Y軸、Z軸的截矩分別為-3，-3，6，求晶其體的密勒指數(shù)，晶向，晶面，晶面族。解：計(jì)算得到截矩的倒數(shù)為：-1/3，-1/3，1/6，化為三個(gè)沒(méi)有公約數(shù)的整數(shù)-2，-2，1， -2分密勒指數(shù)為 ， -1分晶向?yàn)椋?-1分晶面為， -1分晶面族為 。 -1分三、(共6分)光電效應(yīng)可分為哪幾個(gè)類(lèi)型？簡(jiǎn)單說(shuō)明各類(lèi)型對(duì)應(yīng)的傳感器基本原理。并分別列出以之為基礎(chǔ)的各類(lèi)光電傳感器。 答：光電效應(yīng)可分為三類(lèi)：（1）、

8、外光電效應(yīng)：指在光的照射下，材料中的電子逸出表面的現(xiàn)象。光電管及光電倍增管均屬這類(lèi)。 -2分（2）、內(nèi)光電效應(yīng)：指在光的照射下，材料電阻率發(fā)生改變的現(xiàn)象，光敏電阻屬此類(lèi)。2分（3）、光生伏特效應(yīng)：利用光勢(shì)壘效應(yīng)，光勢(shì)壘效應(yīng)是指在光的照射下，物體內(nèi)部產(chǎn)生一定方向的電勢(shì)，光電池就是基于這種效應(yīng)的。 -2分四、(共6分)請(qǐng)簡(jiǎn)述熱電效應(yīng)，并說(shuō)明熱電偶測(cè)溫回路的熱電動(dòng)勢(shì)由哪兩部分組成？由同一種導(dǎo)體組成的閉合回路能產(chǎn)生熱電勢(shì)嗎？答：1）兩種不同類(lèi)型的金屬導(dǎo)體兩端分別接在一起構(gòu)成閉合回路，當(dāng)兩個(gè)結(jié)點(diǎn)有溫差時(shí)，導(dǎo)體回路里有電流流動(dòng)會(huì)產(chǎn)生熱電勢(shì)，這種現(xiàn)象稱(chēng)為熱電效應(yīng)。 -2分2）熱電偶測(cè)溫回路中熱電勢(shì)主要是由接

9、觸電勢(shì)和溫差電勢(shì)兩部分組成。 -2分3）熱電偶兩個(gè)電極材料相同時(shí)，無(wú)論兩端點(diǎn)溫度如何變化無(wú)熱電勢(shì)產(chǎn)生。2分五、（共10分）1）、什么是傳感器的靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性，各包含哪些方面指標(biāo)？ 2）、簡(jiǎn)述在什么頻域條件下只研究靜態(tài)特性就能滿足通常的需要。而在什么頻域條件下一般要研究傳感器的動(dòng)態(tài)特性。3）、從傳感器的靜動(dòng)態(tài)特性兩個(gè)方面來(lái)考慮，請(qǐng)?jiān)斒鋈绾芜x用傳感器？解：1）、傳感器所測(cè)量的物理量基本有兩種形式：一種是穩(wěn)態(tài)（靜態(tài)或準(zhǔn)靜態(tài)）的形式，這種信號(hào)不隨時(shí)間變化(或變化的很緩慢)；另一種是動(dòng)態(tài)（周期變化或瞬態(tài)形式）這種信號(hào)時(shí)隨時(shí)間而變化的。 -2分傳感器靜態(tài)特性包括線性度、靈敏度、遲滯、重復(fù)性、輸出輸入。

10、 -2分動(dòng)態(tài)特性指標(biāo)：頻域響應(yīng)、時(shí)間常數(shù)、固有頻率、阻尼比。 -2分 2）、在時(shí)域下只研究靜態(tài)特性，在頻域條件下研究動(dòng)態(tài)特性。 -2分3)、考慮傳感器的靜態(tài)特性的主要指標(biāo)，選用線性度大，遲滯小，重復(fù)性好，分辨力強(qiáng)，穩(wěn)定性高，抗干擾穩(wěn)定性高的傳感器考慮動(dòng)態(tài)特性，所選的傳感器應(yīng)能很好的追隨輸入量的快速變化，即具有很短的暫態(tài)響應(yīng)時(shí)間或者應(yīng)具有很寬的頻域響應(yīng)。 -2分 六、（共10分）根據(jù)工作原理可將電容式傳感器分為哪幾種類(lèi)型？圖1 為何種電容式傳感器？圖1中a8mm，b12mm，兩級(jí)板間距離為1mm。一塊極板在原始位置上平移了5mm后，求該傳感器的位移靈敏度K（已知空氣相對(duì)介電常數(shù)1F/m，真空時(shí)的

11、介電常數(shù)08.85410-12 F/m）。圖1 電容傳感器解：根據(jù)工作原理可將電容式傳感器分為：變面積型傳感器、變介電常數(shù)型傳感器、變間隙型傳感器。 -3分 圖為變面積式電容傳感器。 -2分 傳感器的位移靈敏度KC/ C0/X 當(dāng)有極板發(fā)生位移后電容為： -2分 式中 a 極板的寬度； b 極板的長(zhǎng)度； d 極板的高度；電容的變化量為 -2分 靈敏度為 1/8=0.125(F/mm)=125(F/m) -1分七、（共8分）分析如圖所示自感傳感器當(dāng)動(dòng)鐵心左右移動(dòng)（x1,x2）發(fā)生變化時(shí)，自感L變化情況。已知空氣所隙 的長(zhǎng)度為x1和x2，空氣隙的面積為 S，磁導(dǎo)率為，線圈匝數(shù)W不變）。答： （2分

12、） （2分）又（2分）空氣隙的長(zhǎng)度x1和x2各自變，而其和不變，另其他變量都不變故L不變。 （2分）八、 (共10分) 電阻應(yīng)變片傳感器與壓阻式傳感器的基本工作原理是什么？?jī)烧咧g有什么區(qū)別和聯(lián)系？ 答：電阻應(yīng)變片傳感器的原理：將電阻應(yīng)變片粘貼在彈性元件特定表面上，當(dāng)力，扭矩，速度，加速度及流量等物理量作用于彈性元件時(shí)會(huì)導(dǎo)致元件應(yīng)力和應(yīng)變的變化，進(jìn)而引起電阻應(yīng)變片電阻的變化，經(jīng)處理后以電信號(hào)的方式輸出。 -2分 壓阻式傳感器是利用固體的壓阻效應(yīng)（固體收到力的作用后，其電阻率就要發(fā)生變化）制成一種測(cè)量裝置，將電阻變化經(jīng)電路處理后以電信號(hào)的方式輸出。 - 2分區(qū)別與聯(lián)系：A、任何材料電阻的變化率都

13、是由下列決定 -2分 B、對(duì)金屬應(yīng)變片對(duì)半導(dǎo)體壓阻電阻變化率都與應(yīng)力成正比 -2分 C、對(duì)金屬應(yīng)變片中，一項(xiàng)很小，即電阻率變化率很小，有時(shí)可忽略不計(jì)，而與兩項(xiàng)較大，即尺寸變化率大，故金屬電阻變化率主要由與引起的；對(duì)半導(dǎo)體而言，與很小，一項(xiàng)很大，故半導(dǎo)體電阻的變化率主要由項(xiàng)決定。- 2分九、（共8分）請(qǐng)以差動(dòng)電感式傳感器為例，從數(shù)學(xué)關(guān)系及基本原理上分析說(shuō)明差動(dòng)式傳感器如何提高靈敏度以及改善傳感器的非線性誤差。答：以差動(dòng)變間隙式電感傳感器為例來(lái)分析：特性方程分別為： -1分和 -1分總的電容量變化為： -1分相對(duì)變化量為： -1分對(duì)于單元件電感傳感器的靈敏度系數(shù)為： -1分 差動(dòng)式電感式傳感器的靈

14、敏度系數(shù)為： -1分忽略高次項(xiàng)，差動(dòng)電感傳感器的相對(duì)非線性誤差近似為 -1分由此可見(jiàn)，與單元件比較其靈敏度提高一倍，非線性大大減小。 -1分十、（共8分）在對(duì)量程為10MPa的壓力傳感器進(jìn)行標(biāo)定時(shí)，傳感器輸出電壓值與壓力值之間的關(guān)系如下表所示，簡(jiǎn)述最小二乘法準(zhǔn)則的幾何意義，并討論下列電壓-壓力直線中哪一條最符合最小二乘法準(zhǔn)則？ 測(cè)量次數(shù)I12345壓力Xi（MPa）246810電壓Yi（V）10.04320.09330.15340.12850.072（1）y=5.00x-1.05 （2）y=7.00x+0.09 （3）y=50.00x-10.50 （4）y=-5.00x-1.05 （5）y=5

15、.00x+0.07答：最小二乘法準(zhǔn)則的幾何意義在于擬和直線精密度高即誤差小，也即找出一條直線，使得該直線各點(diǎn)與相應(yīng)的實(shí)際輸出的偏差的平方和最小。 -2分將幾組x分別帶入以上五式，與y值相差最小的就是所求：=5.435791=878.327955=417430.774475=22698.994875=0.083686 （最?。?-5分（5）式偏差最小，因此得到（5）式為所求。 -1分十一、（共10分）下圖是石英晶體壓電效應(yīng)示意圖，請(qǐng)闡述壓電傳感器的基本原理，并結(jié)合相關(guān)理論、物理意義與其結(jié)構(gòu)進(jìn)行具體分析。圖3 石英晶體壓電效應(yīng)示意圖答：當(dāng)沿著一定方向?qū)δ承╇娊橘|(zhì)施加力而使它變形時(shí)，其內(nèi)部就產(chǎn)生極化

16、現(xiàn)象，同時(shí)在它的兩個(gè)表面上便產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷；當(dāng)外力去掉后，有恢復(fù)不帶電狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱(chēng)為壓電效應(yīng)。壓電傳感器的基本工作原理是利用某些物質(zhì)的壓電效應(yīng)制作的傳感器。 -2分石英晶體的壓電特性與其內(nèi)部分子的結(jié)構(gòu)有關(guān)，化學(xué)式:SiO2,其一個(gè)晶體單元中包含三個(gè)硅離子Si4+和6個(gè)O2-，成對(duì)分布。當(dāng)沒(méi)有力作用時(shí)，Si4+與O2-在垂直于Z軸的XYZ平面上的投影恰好等效為正六邊形排列，如下圖a,其正負(fù)離子正好分布在正六邊形的頂角上，它們所形成的電偶極距P1、P2、P3的大小相等，相互的夾角為120度，因?yàn)殡娕紭O矩定義為電荷Q與間距L的乘積，P=Q·L，其方向是從負(fù)電賀指向正電何，其P1+P2+P3=0。 -2分1）、受到沿X軸方向的壓力作用時(shí)，晶體沿X軸方向產(chǎn)生壓宿，正負(fù)離子的相對(duì)位置發(fā)生變化，因正負(fù)電何不重合，電偶極矩在X軸方向上的分量P1-P2-P3而增大，不等