哈工大秋季答案20090522110027462

1、1. 課程綜合考試，合計(jì)分?jǐn)?shù)70分一、判斷題(正確打庶記，錯誤打屯記，每題1分，共10分)(5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。(為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%。2. (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3. 端點(diǎn)直線法算得線性度為土0.8%，則可以肯定傳感器A的線性度優(yōu)于傳感器Bo(為無論何種傳感器，若要提高靈敏度，必然會增加非線性誤差。4. (為幅頻特性優(yōu)良的傳感器，其動態(tài)范圍大，故可以用于高精度測量。(為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

2、進(jìn)行標(biāo)定，也可直接使用。5. (為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。(5熱電偶的工作機(jī)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(diǎn)的溫度不同。(為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(shí)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。1. 二、選擇題(請選擇一個適合的答案，每小題1分，本題共10分)()車間條件下測量大型機(jī)床工作臺的位移(行程為20m),可采用: 光柵傳感器；電容傳感器；電渦流傳感器。2. ()為一個旋轉(zhuǎn)式機(jī)械分度

3、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；絕對式編碼器；電容傳感器。3. ()對生產(chǎn)流水線上的塑料零件進(jìn)行自動計(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. ()在線測量高速回轉(zhuǎn)零件的主軸徑向偏擺量，可采用：差動變壓器；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；硅光電池。7. ()一個小型光學(xué)儀器中用丁測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；

4、PSD傳感器。8. ()絕對式編碼器的碼制絕大多數(shù)采用：二進(jìn)制碼；十進(jìn)制碼；格密碼(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. ()電容式液位傳感器屆丁下列哪種型式？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

5、、生物量等；它的輸出量是某種物理量，這種量應(yīng)便丁傳輸、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(shí)敏感元件和轉(zhuǎn)換元件的功能是由一個元件(敏感元件)實(shí)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，a. 請對曲線進(jìn)行分析；b. 用該熱

6、敏電阻測量溫度時(shí)，應(yīng)該利用曲線的哪一段，說明原因；c. 用該熱敏電阻測量風(fēng)速或流量時(shí)，應(yīng)該利用曲線的哪一段，說明原因精品文檔V（電壓）+0I（電流）a. 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：電流小丁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(shí)熱敏電阻相當(dāng)丁一個固定電阻，電壓與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），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。cd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

7、電阻本身加熱更為劇烈，阻值迅速減小，阻值減小的速度大丁電流增加的速度，出現(xiàn)c-d段負(fù)阻區(qū)。b. 用0a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)。c. 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，金屆應(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。測量應(yīng)變時(shí)，工作應(yīng)變片R1粘貼在被測試件表

8、面上，補(bǔ)償應(yīng)變片RB粘貼在與精品文檔被測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)被測試件不承受應(yīng)變時(shí)，R1和RB乂處丁同一環(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)，兩個應(yīng)變片因溫度而引起的電阻變化量相等，電橋仍處丁平衡狀態(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0=K°（七-s）上式表明，當(dāng)被測試件的線膨脹系數(shù)6g已知時(shí)，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)6s,滿足上式，

9、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)，并基丁幾何光學(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纖芯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。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(shí)，發(fā)生折射，其折射角大丁入射角。即n1>n2時(shí)，?2>

10、;平1。臨界條件是：；1-；：C=arcsinnsin口。_n1sin斗n0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丁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 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。5. 試論述熱電偶中問導(dǎo)體定律，并證明之

11、。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。AToT/To=TC-BB%精品又檔T0-LeA(T,To)Aec(To,To)CTeB(T,To)T>To<T0十eCB(T0)T0端接觸電勢：eAC(T0)=皇0ln些encT0nc0：B(T0)=lnegA導(dǎo)體兩端的電勢差：TeA(T,T°)=t二n(T)dTT0B導(dǎo)體兩端的電勢差：TeB(T,T°)=LB(T)dTT0C導(dǎo)體兩端的電勢差：T0eC(T°,T。)=L(T)dT=0I。T端接觸電勢：eAB(T)=杠In北enBeAB(T

12、,T°)=eAB(T)eB(T,T°)-eAC(T°)-血)-eA(T,T°)=eAB(T)-eAC(T°)-eCB(T0)血(丁°)-eA(T,T°)nAnAnC=Tln-"ln-T°ln-??；b(T)-r(T)】dTe旭e化emT0nt=(T-T°)ln-丁L(T)-；a(T)dTe血T0此定律具有特別重要的實(shí)用意義，因?yàn)橛脽犭娕紲y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)儀表的入就不會影響熱電勢。而且A、B結(jié)點(diǎn)的焊接方法也可以是任意的。(1) 四、(

13、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火角為O=0.01rad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)。答：分辨力=柵距W=1mm/50=0.02mm=20mBhRW/0=0.02mm/0.01=2mm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火角9。在兩光柵的刻線重合處，光從縫隙透過，精品文檔形成亮帶；在兩光柵刻線的錯開處，由丁相互擋光作用而形成暗帶橫向莫爾條紋的斜率莫爾條紋間距=-=可見莫爾條紋的寬度Bh由光柵常數(shù)與光柵火角決定'光學(xué)放大作用：由上式可知，雖然光柵常數(shù)

14、W很小，但只要調(diào)整火角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)：1/9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(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(bǔ)償方法；（2）若霍爾片采用包流源供電，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)為優(yōu)溫度t0時(shí)的輸入電阻為Ri0，

15、霍爾元件靈敏度系數(shù)為Kho;溫度ti時(shí)的輸入電阻為Rt=Ro1+E（t-1。）,霍爾元件靈敏度系數(shù)為KHt=KH01+w（t-t0）,請畫圖并推導(dǎo)并聯(lián)的電阻Rp的大小。當(dāng)t=t。靈敏度系數(shù)Kho輸入電阻Rio當(dāng)t=t靈敏度系數(shù)輸入電阻I=Ip-IH*IPRp=IHRiIH一RiRpRpIR0RpRpIRpI為了使霍爾電勢不隨溫度變化，要保證:Uto=UtIHt；:1RtRpRi。"：t-t°RpKHO、oB=KHHtB1一Hl.t't。=Ri。"t-to"RpP-0(>Rp=R。CL六、(12分)已知石英晶體壓電片上的極性如圖(a)所示Fx

16、(a)x方向受壓力(b)x方向受拉力請回答: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(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，乂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，它會產(chǎn)生機(jī)械變形，當(dāng)去掉外加電場時(shí)，電介質(zhì)的

17、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)”。石英晶體屆六方晶系，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（垂直丁光軸），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丁光軸Z,顯然X軸共有三個。Y軸為機(jī)械軸（力軸），顯然也有三個，它垂直丁兩個相對的表面，在此軸上加力產(chǎn)生的變形最大。2. 這種沿X軸作用力，而在垂直丁此軸晶面上產(chǎn)生電荷的現(xiàn)象，稱為縱向壓電效應(yīng)這種沿Y軸作用力，而在垂直丁X軸的晶面上產(chǎn)生電荷的現(xiàn)象，稱為橫向壓電效應(yīng)。3.,Uo=5-Uf精品文U0=AUUf=Ui-Uo=Ui1AC/ACf<<1,1/A<<1時(shí)，,、-Uc_-iC1Q=UiC+(1+A)Cf)=一業(yè)C+(1+A)Cfj=UoCf+1女UoC.-一-.一-.A.LAGA-電何放大器的輸出電壓僅與電何量和反饋