傳感器期末題

1、2011-2012學(xué)年 第 二 學(xué)期末考試試題（A卷）課程名稱：傳感器原理及應(yīng)用（開卷）使用班級：09060441/2, 0906024*2總分得分一.填空題（共18分，每空1分）1、傳感器一般由 和 兩個基本部分組成。2、熱電阻包括 和。 Pt100是指在 0 c的標(biāo)準(zhǔn)電阻值為O3、對于二階傳感器系統(tǒng)的階躍響應(yīng)，在 01的情形下，階躍信號輸入時的輸出信號為,其振蕩角頻率（阻尼振蕩角頻率） 為 d ；幅值按 , 越 大，即阻尼越,衰減越。4、為了使測試結(jié)果能精確地再現(xiàn)被測信號的波形，在傳感器設(shè)計時，必須使其阻尼比 ,固有頻率 W0至少應(yīng)大于被測信號頻率 W的 倍。5、直流電橋平衡條件 。6、利

2、用激振臺對加速度傳感器進(jìn)行靈敏度標(biāo)定的方法是 。7、渦流傳感器的測量屬于 測量，特別是用于測量 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 是擴散雜質(zhì)的,壓阻系數(shù)隨擴散雜質(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)可分為哪幾個類型？簡單說明各類型對應(yīng)的傳感器基本原理。并分別列出以之為基礎(chǔ)的各類光電傳感器。得分四、（共6分）請簡述熱電效應(yīng)，并說明熱電偶測溫回路的熱電動勢由哪兩部分組成？由同一種導(dǎo)體組成的閉合回路能產(chǎn)生熱電勢嗎？得分五、（共10分）1）、

3、什么是傳感器的靜態(tài)特性和動態(tài)特性，各包含哪些方面指標(biāo)？2）、簡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態(tài)特性。3）、從傳感器的靜動態(tài)特性兩個方面來考慮，請詳述如何選用傳感器？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型？圖1為何種電容式傳感器？圖 1中a=8mm, b = 12mm ,兩級板間距離為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 （已知空氣相對介電常數(shù)&=1F/m,真空時的介電常數(shù)e 0= 8.854X10-12F/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)

4、動鐵心左右移動（x1,x2）發(fā)生變化時，自感 L變化情況。已知空氣所隙 的長度為x1和x2,空氣隙的面積為 S,磁導(dǎo)率為科，線圈匝數(shù) W不變）。1xl m2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？兩者之間有什么區(qū)別和聯(lián)系?得分九、（共8分）請以差動電感式傳感器為例，從數(shù)學(xué)關(guān)系及基本原理上分析說明差動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）在對量程為10MPa的壓力傳感器進(jìn)行標(biāo)定時， 傳感器輸出電壓值與壓力值之間的關(guān)系如下表所示，簡述最小二乘法準(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？測量次數(shù)I12345壓

5、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=5.00x+0.07得分（共10分）卜圖是石英晶體壓電效應(yīng)示意圖，請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分標(biāo)準(zhǔn)（A卷）課程名稱：傳感器原理及應(yīng)用試卷（開卷）使用班級：09060441/2, 0906024、二.填空題（每空1分，

6、共18分）1、傳感器一般由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件兩個基本部分組成。2、熱電阻包括鉗電阻 禾銅電阻。Pt100是指在0 c的標(biāo)準(zhǔn)電阻值為 100QO3、對于二階傳感器系統(tǒng)的階躍響應(yīng)，在 01的情形下，階躍信號輸入時的輸出信號為 衰減振蕩，其振蕩角頻率（阻尼振蕩角頻率）為d ;幅值按 指數(shù)衰減 ， 越大，即 阻尼越 大，衰減越 快 。4、為了使測試結(jié)果能精確地再現(xiàn)被測信號的波形，在傳感器設(shè)計時，必須使其阻尼比<L ,固有頻率 W0至少應(yīng)大于被測信號頻率 w的35倍。5、直流電橋平衡條件相對兩臂電阻的乘積相等。6、利用激振臺對加速度傳感器進(jìn)行靈敏度標(biāo)定的方法是比較標(biāo)定法。7、渦流傳感器的測量屬于非

7、接觸 測量,特別是用于測量運動 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散雜質(zhì)的表面濃度、環(huán)境溫度，壓阻系數(shù)隨擴散雜質(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：計算得到截矩的倒數(shù)為：-1/3, -1/3, 1/6,化為三個沒有公約數(shù)的整數(shù)-2, -2, 1,2分密勒指數(shù)為 221 ,1分1分晶向為221晶面為221 ,1分晶面族為221 。1分三、（共6分）光電效應(yīng)可分為哪幾個類型？簡單說明各類型對應(yīng)的傳感器基本原理。并分別列出以之為基礎(chǔ)的各類光電傳感器。答：

8、光電效應(yīng)可分為三類：（1）、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。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。2分（3）、光生伏特效應(yīng)：利用光勢壘效應(yīng)，光勢壘效應(yīng)是指在光的照射下，物體內(nèi)部產(chǎn)生一定方向的電勢，光電池就是基于這種效應(yīng)的。2分四、（共6分）請簡述熱電效應(yīng)，并說明熱電偶測溫回路的熱電動勢由哪兩部分組成？由同一種導(dǎo)體組成的閉合回路能產(chǎn)生熱電勢嗎？答：1）兩種不同類型的金屬導(dǎo)體兩端分別接在一起構(gòu)成閉合回路，當(dāng)兩個結(jié)點有溫差時，導(dǎo)體回路里有電流流動會產(chǎn)生熱電勢，這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)。-2分2）熱電偶測溫回

9、路中熱電勢主要是由接觸電勢和溫差電勢兩部分組成。-2分3）熱電偶兩個電極材料相同時，無論兩端點溫度如何變化無熱電勢產(chǎn)生。2分五、（共10分）1）、什么是傳感器的靜態(tài)特性和動態(tài)特性，各包含哪些方面指標(biāo)？2）、簡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態(tài)特性。3）、從傳感器的靜動態(tài)特性兩個方面來考慮，請詳述如何選用傳感器？解：1）、傳感器所測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 信號不隨時間變化（或變化的很緩慢）；另一種是動態(tài)（周期變化或瞬態(tài)形式）這種信號時隨時 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、

10、重復(fù)性、輸出輸入。-2分動態(tài)特性指標(biāo)：頻域響應(yīng)、時間常數(shù)、固有頻率、阻尼比。-2分2）、在時域下只研究靜態(tài)特性，在頻域條件下研究動態(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，穩(wěn)定 性高，抗干擾穩(wěn)定性高的傳感器考慮動態(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型？圖1為何種電容式傳感器？圖 1中a=8mm, b = 12mm ,兩級板間距離為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 （已知空氣相對介電

11、常數(shù)&=1F/m,真空時的介電常數(shù)e 0= 8.854X10-12F/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。傳感器的位移靈敏度K= AC/ Co/AX當(dāng)有極板發(fā)生位移后電容為:b（aa）八 bC add式中 a 極板的寬度;b 極板的長度;d 極板的高度;電容的變化量為b 八 a a CC/C 1Kc靈敏度為=1/8=0.125（F/mm）=125（F/m）a七、（共8分）分析如圖所示自感傳感器當(dāng)動鐵心左右移動（ x1,x2）發(fā)生變化時，自感 L變化情況。已知空氣所隙的長度為x1 和

12、x2,空氣隙的面積為S,磁導(dǎo)率為科，線圈匝數(shù) W不變）。答:IWRm（2分）W2（2分）n上 i i iSilx1 l x2 0s00 s0il。Si0 s0（2分）空氣隙的長度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？兩者之間有什么區(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會導(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)處理后以電信號的方式車出。-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

13、，其電阻率就要發(fā)生變化）制成一種測量裝置，將電阻變化經(jīng)電路處理后以電信號的方式輸出。-2分區(qū)別與聯(lián)系：A、任何材料電阻的變化率都是由下列決定R/R -2分L SB、對金屬應(yīng)變片R/R （1 2E） 1對半導(dǎo)體壓阻R/R （1 2E） 2電阻變化率都與應(yīng)力成正比LSC、對金屬應(yīng)變片中,一項很小，即電阻率變化率很小,有時可忽略不計，而與一L SLLI S 兩項較大，即尺寸變化率大，故金屬電阻變化率主要由 與 引起的；對半導(dǎo)體而言,L SS與,很小， 一項很大，故半導(dǎo)體電阻的變化率主要由 項決定。-2分S九、（共8分）請以差動電感式傳感器為例，從數(shù)學(xué)關(guān)系及基本原理上分析說明差動式傳感器如何提高靈 敏

14、度以及改善傳感器的非線性誤差。答：以差動變間隙式電感傳感器為例來分析:特性方程分別為：23456L1Lo1（）（）（）（ ）（）（）-1分000000L2L01（一0）（一）20（一）30（一）4（一）5（一）601分總的電容量變化為:L02（）02（一）302（ 一 ）501分相對變化量為:2一1L004（一）（）（一）40-1 分對于單元件電感傳感器的靈敏度系數(shù)為:S -/ 0 一？ 1 一L。001/ 01分差動式電感式傳感器的靈敏度系數(shù)為:S / 02一？ 1 一L00002/ 01分忽略高次項，差動電感傳感器的相對非線性誤差近似為-）2 0100%1分1分由此可見，與單元件比較其靈敏

15、度提高一倍，非線性大大減小。十、（共8分）在對量程為10MPa的壓力傳感器進(jìn)行標(biāo)定時， 傳感器輸出電壓值與壓力值之間的關(guān)系如下表所示，簡述最小二乘法準(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？測量次數(shù)I12345壓力 Xi （ MPa）246810電壓Yi (V)10.04320.09330.15340.12850.072(3) y=50.00x-10.50(1) y=5.00x-1.05(4) y=-5.00x-1.05(2) y=7.00x+0.09(5) y=5.00x+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

16、直線各點與相應(yīng)的實際輸出的偏差的平方和最小。將幾組x分別帶入以上五式，與 y值相差最小的就是所求:(8.85 10.043)2 (18.95 20.093)2 (28.95 30.153)2=5.4357912_2(38.95 40.128)(48.95 50.072)-_2 2 _ 2(14.09 10.043)(28.09 20.093)(42.09 30.153)22=878.327955(56.09 40.128)2 (70.09 50.072)2_22_2(89.5 10.043)2 (189.5 20.093)2 (289.5 30.153)2(3) =417430.774475(

17、389.5 40.128)2 (489.5 50.072)2_22_2(11.05 10.043)2 ( 21.05 20.093)2 ( 31.05 30.153)2(4) °°=22698.994875(41.05 40.128)2 ( 51.05 50.072)2(10.07 10.043)2 (20.07 20.093)2 (30.07 30.153)2/=0.083686 (最小)(40.07 40.128)2 (50.07 50.072)2（5）式偏差最小，因此得到（5）式為所求。-1分（共10分）卜圖是石英晶體壓電效應(yīng)示意圖，請闡述壓電傳感器的基本原理，并結(jié)合

18、相關(guān)理論、物理意義與其結(jié)構(gòu)進(jìn)行具體分析。(a)(b)-+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，其內(nèi)部就產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時在 它的兩個表面上便產(chǎn)生符號相反的電荷；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,其一個晶體單元中包含三個硅離子S4+和6個O2-,成對分布。當(dāng)沒有力作用時，S4+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Pi、P2、P3的大小相等，相互的夾角為 120度，因為電偶極矩定義為電荷 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Pi+P2+P3=0o-2分1）、受到沿X軸方向的壓力作用時，晶體沿X軸方向產(chǎn)生壓宿，正負(fù)離子的相對