傳感器與自動檢測技術(shù) 試卷及答案 模擬試卷二

傳感器與自動檢測技術(shù)全真模擬試卷二

試卷一（閉卷）

（考試時(shí)間90分鐘，總分80分）

專

一二三

業(yè)題號總分

分?jǐn)?shù)

評卷人

I一、單項(xiàng)選擇題（本大題共10小題，每小題2分，共20分）

密在每小題列出的四個(gè)選項(xiàng)中只有一個(gè)選項(xiàng)是符合題目要求的，請

級.將正確選項(xiàng)前的字母填在題后的括號內(nèi)。錯選、多選和未選均不

1得分。

I1、在整個(gè)測量過程中，如果影響和決定誤差大小的全出因素（條件）始終

I保持不變，對同一被測量進(jìn)行多次重復(fù)測量，這樣的測量稱為（）

'A.組合測量B.靜態(tài)測量

封

姓|C.等精度測量D.零位式測量

名I2、已知某傳感器屬于一階環(huán)節(jié)，現(xiàn)用于測量100Hz的正弦信號，如幅值誤

I差限制在±10%范圍內(nèi)，時(shí)間常數(shù)匯應(yīng)不大于（）

A.1.2B.1.44C.628D.0.0019

I3、關(guān)于壓電式傳感器中壓電元件的連接，以下說法正確的是（）

'A.與單片相比，并送時(shí)電荷量增加1倍、電容量增加1倍、輸出電壓

紋

?不變

IB.與單片相比，串聯(lián)時(shí)電荷量增加1倍、電容量增加1倍、輸出電壓

學(xué)

號增大1倍

?

C.與單片相比，并供時(shí)電荷量不變、電容量減半、輸出電壓增大1倍

D.與單片相比，串聯(lián)時(shí)電荷量不變、電容量減半、輸出電壓不變

4、磁電式傳感器測量電路中引入微分電路是為了測量（）

A.位移B,速度

C.加速度D.磁場強(qiáng)度

5、硫化鎘光敏電阻的伏安特性如下圖所示，以下說法正確的是（）

A.在一定滕度下，流過硫化鎘光敏電阻的電流與其兩端的電壓的關(guān)系

是不確定的

B.照度越小，硫化鎘光敏電阻的阻值越小

C.lOOlx照度時(shí)，硫化鎘光敏電阻的阻值約為5千歐

D.照度越大，電流越小

6、用N型材料SnOz制成的氣敏電阻在空氣中經(jīng)加熱處于穩(wěn)定狀態(tài)后，

與氧氣接觸后（）

A.電阻值變大B.電阻值變小

C.電阻值不變D.不確定

7、采用下圖所示的超聲波傳感器安裝位置測量管道中流體的流量，圖中I，

代表流體的流速，如昊6=0,以下說法正確的是（）

A.不能實(shí)現(xiàn)對管道中流體流量的測量

B.可測出管道中流體的流量等于0

C.可測出管道中流體的流量很大

D.0=0不影響對管道中流體流量的測量

8、微波濕度傳感器的工作原理是基于（）

A.微波的波長很短

B.天線具有特殊結(jié)柢使發(fā)射的微波具有尖銳的方向性

C.微波遇到障礙物易于反射

D.水對微波的吸收作用很強(qiáng)

9、依賴于“鐵電體”的極化強(qiáng)度與溫度有關(guān)的特性制成的傳感器是（）

A.熱電阻型熱探測器B.熱釋電型紅外傳感器

C.熱電偶D.光子探測器

10、個(gè)6位的二進(jìn)制光電式編碼器，其測量精度約為（）

A.5.6°B.0.17°C.0.016°D.60

二、簡答題（本大題共5小題，每小題6分，共30分）

1、解釋什么是傳感器？傳感器的基本組成包括哪兩大加分？這兩大部分各

自起什么作用？

2、試對下圖利用霍爾式傳感器實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速測量進(jìn)行解釋。

3、簡述什么是光電導(dǎo)效應(yīng)？光生伏特效應(yīng)？外光電效應(yīng)？這些光電效應(yīng)

的典型光電器件各自有哪些？

4、簡述光柵莫爾條紋測量位移的三個(gè)主要特點(diǎn)。

5、畫出利用熱電偶測量兩點(diǎn)間溫度差的線路圖，并解釋其工作原理。

三、分析計(jì)算題（本大題共3小題，每小題10分，共30分）

注意：自動化、長與專業(yè)的學(xué)生第1小題必做，并從第2-4小

題中選做兩個(gè)小題；測控專業(yè)的學(xué)生在4個(gè)小題中任選3個(gè)小題。

1、某電路的電壓數(shù)值方程為

U=I}R}+I2R2

當(dāng)電流/,=2A,"=1A時(shí)，測得電壓U為50v；

當(dāng)電流/|=3A,，2=2A時(shí)，測得電壓U為80v；

當(dāng)電流/,=4A,，2=3A時(shí)，測得電壓U為120v；

試用最小二乘法求兩只電阻&、R2的值。

2、分析半橋差動交流電橋的平衡條件，并給出電橋的輸出電壓表達(dá)式。

3、已知變氣隙電感傳感器的鐵芯截面積S=2cm：磁路長度L=20cm,

相對磁導(dǎo)率〃1=5000,氣隙3°=0.5cm,=±0.1mm,真空磁導(dǎo)率為

=4/XlO-H/m,線圈匝數(shù)W=1000,求單端式傳感器的靈敏度

若將其做成差動結(jié)構(gòu)形式，靈敏度將如何變化？

4、已知某光纖傳感器從空氣中耦合光線進(jìn)入光纖中，光纖的％=1.5,

%=垃,則該光纖傳感器的集光范圍有多大？并說明為了減小光纖傳

輸損耗，應(yīng)從哪些方面進(jìn)行考慮？

試卷二（開卷）

（考試時(shí)間30分鐘，總分20分）

題號評卷人得分

綜合設(shè)計(jì)分析題

綜合設(shè)計(jì)分析題（本大題共20分）

差動式電容加速度傳感器結(jié)構(gòu)如上圖所示。它有兩個(gè)固定極板（與殼體

絕緣），中間有一用彈簧片支撐的質(zhì)量塊，此質(zhì)量塊的兩個(gè)端面經(jīng)過磨平拋光

后作為作為動極板（與殼體電連接）。

設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)臏y量電路，詳細(xì)說明該結(jié)構(gòu)配合測量電路實(shí)現(xiàn)加速度測量的

工作原理，所有結(jié)論的得出必須要有理論依據(jù)（給出必要的公式推導(dǎo)）。

傳感器與自動檢測技術(shù)模擬試卷二參考答案

試卷一

一、單項(xiàng)選擇題（本大題共10小題，每小題2分，共20分）

在每小題列出的四個(gè)選項(xiàng)中只有一個(gè)選項(xiàng)是符合題目要求的,請將正

確選項(xiàng)前的字母填在題后的括號內(nèi)。錯選、多選和未選均不得分。

1、C2、D3、A4、C5、C

6、A7、A8、D9、B10、A

二、簡答題（本大題共5小題，每小題6分，共30分）

1、解釋什么是傳感器？傳感器的基本組成包括哪兩大部分？這兩大部分各

自起什么作用？

答：傳感器是能感受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。傳感器的基本組成包括敏感元件和轉(zhuǎn)換元件兩部分。

敏感元件是傳感器中能直接感受（或響應(yīng)）被測信息（非電量）的元件,

起檢測作用。

轉(zhuǎn)換元件則是指傳感器中能將敏感元件的感受（或響應(yīng)）信息轉(zhuǎn)換為電

信號的部分，起轉(zhuǎn)換作用。

2、試對下圖利用霍爾式傳感器實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速測量進(jìn)行解釋。

答：轉(zhuǎn)盤的輸入軸與被測轉(zhuǎn)軸相連，當(dāng)被測轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動時(shí)，轉(zhuǎn)盤隨之轉(zhuǎn)動;

固定在轉(zhuǎn)盤附近的霍爾式傳感器便可在每一個(gè)小磁鐵通過時(shí)產(chǎn)生一個(gè)相應(yīng)的

脈沖；檢測出單位時(shí)間的脈沖數(shù)，就可確定被測轉(zhuǎn)速。

3、簡述什么是光電導(dǎo)效應(yīng)？光生伏特效應(yīng)？外光電效應(yīng)？這些光電效應(yīng)的

典型光電器件各自有哪些？

答：光電導(dǎo)效應(yīng)是指在光線作用下，半導(dǎo)體材料吸收入射光子的能量，

如果入射光子的能量大于或等于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度，將激發(fā)出電子一空

穴對，使載流子濃度增加，導(dǎo)電性增加，阻值降低的現(xiàn)象，如光敏電阻。

光生伏特效應(yīng)是指在光線作用下，能使物體產(chǎn)生一定方向的電動勢的現(xiàn)

象，如光電池。

外光電效應(yīng)是指在光線作用下，能使電子逸出物體表面的現(xiàn)象，如光電

管（光電二極管、光電晶體管）、倍增管。

4、簡述光柵莫爾條紋測量位移的三個(gè)主要特點(diǎn)。

答：光柵莫爾條紋測位移的三個(gè)主要特點(diǎn)：

（1）位移的放大作用

光柵每移動一個(gè)柵距W時(shí)，莫爾條紋移動一個(gè)寬度3”，莫爾條紋的間

距BH與兩光柵夾角0的關(guān)系為：

n2WW

（，/萬

sin—

2

由此可見，。越小，與越大，（相當(dāng)于把W放大了1/6倍。即光柵

具有位移放大作用，從而可提高測量的靈敏度。

（2）莫爾條紋移動方向

當(dāng)固定一個(gè)光柵時(shí)，另一個(gè)光柵向右移動時(shí)，則莫爾條紋將向上移動；

反之，如果另一個(gè)光柵向左移動，則莫爾條紋將向下移動。因此，莫爾條紋

的移動方向有助于判別光柵的運(yùn)動方向。

（3）誤差的平均效應(yīng)

莫爾條紋是由光柵的天量刻線形成的，對線紋的刻劃誤差有平均抵消作

用。

5、畫出利用熱電偶測量兩點(diǎn)間溫度差的線路圖，并解釋其工作原理。

答：下圖是測量兩點(diǎn)間溫度差（。-％）的一種線路連接方法。將兩個(gè)

同型號的熱電偶配用相同的補(bǔ)償導(dǎo)線，其接線應(yīng)使兩熱電偶反向串聯(lián)（A接A、

B接B）,使得兩熱電動勢方向相反，故輸入儀表的是其差值，這一差值反映

了兩熱電偶熱端的溫度差，從而儀表便可測得乙和，2間的溫度差值。設(shè)回路

總電動勢為斗，根據(jù)熱電偶的工作原理可推得：

nA

號=EAB（%JO）—EAB（/2#O）=EAB（，1，，2）=監(jiān)-，2）ln

因此測得的回路總電動勢反映的是兩測量工作端的溫度差4-芍。為了

減少測量誤差，提高測量精度，應(yīng)保證兩熱電偶的冷端溫度相同（%）。

熱電偶測量兩點(diǎn)溫度差線路圖

三、分析計(jì)算題（本大題共3小題，每小題10分，共30分）

注意：自動化、也專專業(yè)的學(xué)生第1小題必做，并從第2-4小題

中選做兩個(gè)小題；測控專業(yè)的學(xué)生在4個(gè)小題中任選3個(gè)小題。

1、某電路的電壓數(shù)值方程為U=I[R]+I2R2

當(dāng)電流4=2A,4=1A時(shí)，測得電壓U為50v：

當(dāng)電流，1=3A,4=2A時(shí)，測得電壓U為8（）v；

當(dāng)電流/,=4A,/2=3A時(shí)，測得電壓U為120v；

試用最小二乘法求兩只電0R]、/?2的值。

解：令$=打，x2=R2

~2r'50'

系數(shù)矩陣4=32,直接測得值矩陣乙=80

43120

被測量估"矩陣

由最小二乘法：AAX=ALt則

21

2342920-

AA=32

232014

43

50

23820-

ArL=80

123570

1120

?.?|AN=6WO

A|2U14-20-

林-20

4229

1[14-2082080

?,.X=[AZ6(_-20

29570130

/.R}=X[=13.33(。)

R2=勺=21.67(0)

2、試分析半橋差動交流電橋的平衡條件，并給出電橋的輸出電壓表達(dá)式。

/解Tri.?

交流電橋

交流電橋如上圖所示。工作應(yīng)變片和補(bǔ)償應(yīng)變片分別加在橋臂Z|和Z2

±o由于電源為交流，應(yīng)變片引線分布電容使得橋臂呈現(xiàn)復(fù)阻抗特性，相當(dāng)

于兩只應(yīng)變片各并聯(lián)了一人電容（C，C2）,每個(gè)橋臂的復(fù)阻抗為：

Z]=R

1十jwRiCl

R

z2(1)

21+iwR^C^

Z3=/C

Z4=/?4

交流電橋的開路輸出電壓為:

要滿足電橋平衡條件Uo=0,則有:

——0

將（1）式代入可得:

R]/?4_&R3

1+jwRiC]1+jwR2C2

整理可得：

R]7?4+jwR[R述4c2=R2R3+jwRlR2R3Cl

令其實(shí)部、虛部分別相等，就可得到交流電橋的平衡條件:

與/?4=氏2"（電阻平衡條件）

毒=叁=2或RC=R2c2（電容平衡條件）’

尺3C2R

3、已知變氣隙電感傳感器的鐵芯截面積S=2cm：磁路長度L=20cm,相對

磁導(dǎo)率從=5000,氣隙瓦=0.5cm,=±0.1mm,真空磁導(dǎo)率=4%X

10-7H/m,線圈匝數(shù)W=1000,求單端式傳感器的靈敏度A〃Ab。若將其做

成差動結(jié)構(gòu)形式，靈敏度將如何變化？

解：根據(jù)變氣隙電感傳感器的工作原理，無論銜鐵是上移或下移，作線性化

處理后均可得到：

△L_卜3

門?ALL

則=Uo

\84

而LQ=

24

因此有:

AL_W2〃oS1o（x）2.4萬.10々.2x1（）Y

=1.6〃?5.0

△52宏2.（0.5x10-2J

若將其作成差動結(jié)構(gòu)，其靈敏度將增加一倍，即絲=3.2萬\10.0。

△3

4、已知某光纖傳感器從空氣中耦合光線進(jìn)入光纖中，光纖的巧=1.5,

&=叵,則該光纖傳感器的集光范圍有多大？并說明為了減小光纖傳輸損

耗，應(yīng)從哪些方面進(jìn)行考慮？

解：光纖傳感器的集光范圍取決于其數(shù)值孔徑的大小，即：

Jn?-nj

NA=sin0c二山——-

根據(jù)題意有：nQ=0,々=1.5,%

所以有：

NA=sh\0cA%.%=4.52-2=。.5

%

即Q=30°

那么集光范圍應(yīng)為：24=60°

為了減小光纖傳輸損耗，應(yīng)從材料吸收損耗、散射損耗和光波導(dǎo)彎曲損

耗等方面進(jìn)行考慮。

試卷二

綜合設(shè)計(jì)分析題（本大題共20分）。

彈簧

輸

出

瑞

絕緣墊

固定電極

差動式電容加速度傳感器結(jié)構(gòu)

差動式電容加速度傳感器結(jié)構(gòu)如上圖所示。它有兩個(gè)固定極板（與殼體

絕緣），中間有一用彈簧片支撐的質(zhì)量塊，此質(zhì)量塊的兩個(gè)端面經(jīng)過磨平拋光

后作為作為動極板（與殼體電連接）。

設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)臏y量電路，詳細(xì)說明該結(jié)構(gòu)配合測量電路實(shí)現(xiàn)加速度測量的

工作原理，所有結(jié)論的得出必須要有理論依據(jù)（給出必要的公式推導(dǎo)）。

解：根據(jù)題意，當(dāng)傳感器殼體隨被測對象在垂直方向作直線加速運(yùn)動時(shí)，質(zhì)

量塊因慣性相對靜止，因此將導(dǎo)致固定電極與動極板間的距離發(fā)生變化，一

個(gè)增加、另一個(gè)減小。從而影響兩個(gè)電容器的電容量，形成差動結(jié)構(gòu)。

對于差動平板電容，通過分析有：

AC--?2--

C。

又根據(jù)位移與加速度的關(guān)系可得出：

10

S=AJ=-a廠

2

式中：S一位移；〃一加速度；f—運(yùn)動時(shí)間。

聯(lián)立上兩式得到：

AC-AJat2

----?2----=----

Gd。d0

由此可見，此電容增量正比于被測加速度。

測量電路可選用：

方法一：采用脈沖寬度調(diào)制電路

G

c2

脈沖寬度調(diào)制電路原理圖

脈沖寬度調(diào)制電路如上圖所示。圖中G、g為差動式電容傳感器。

雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器在某一狀態(tài)有：Q=i（高電平）、2=0（低電平），此

時(shí)，A點(diǎn)高電位，孫經(jīng)凡對電容G充電，使升高。當(dāng)忽略雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器

的輸出電阻，并認(rèn)為二極管6的反向電阻無窮大時(shí)，充電時(shí)間常數(shù)為

=KG。

充電直到M點(diǎn)電位高于參比電位處,即〃比較器A輸出正跳變

信號，激勵觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)，將使。=0（低電平）、e=l（高電平），這時(shí)A

點(diǎn)為低電位，G通過以迅速放電至0電平；與此同時(shí)，B點(diǎn)為高電位，通過

/?2對g充電，時(shí)間常數(shù)變?yōu)楣?=與。2,直至N點(diǎn)電位高于參比電位與,

即使比較器&輸出正跳變信號，激勵觸發(fā)器發(fā)生翻轉(zhuǎn)，重復(fù)前述

過程。如此周而復(fù)始，。和0端（即A、B兩點(diǎn)間）輸出方波。

對電容、。2分別充電至與時(shí)所需的時(shí)間分別為：

7；=/?1C1ln—

u/.i—u

T）=R2c21n%-=R2c2c"八

UB-UrUA-Ur

當(dāng)差動電容G=G時(shí)，由于凡=尺2,因此，（=4，兩個(gè)電容器的充

電過程完全一樣，A、B間的電壓"AS為對稱的方波，其直流分量（平均電壓

值）為0。

當(dāng)差動電容G。。2時(shí)，假設(shè)C]>。2，則G充電過程的時(shí)間要延長、c2

充電過程的時(shí)間要縮短，導(dǎo)致時(shí)間常數(shù).>r2,此時(shí)“A5的方波不對稱。當(dāng)

矩形電壓波通過低通濾波器后，可得出〃居的直流分量（平均電壓值）不為

0,而應(yīng)為：

=UU7；一R|C|"A〃】-R2c

“0=B，n

A-BA,NRG+R2c2

T1+T2工+《

式中：

“A加、”.一分別為%的幅值。

由于K=/?2，設(shè)〃則上式變?yōu)椋?/p>

C-Q

〃0=（〃.）—=

對于變極距型:

—d,

u=-------u

am

°d]+d2

當(dāng)差動電容G=G=G）時(shí)，即4=4=4）時(shí)，〃o=o