傳感器技術(shù) _試卷1

1、PAGE 學(xué)號(hào) 姓名 密封線東 南 大 學(xué) 考 試 卷（A 卷）課程名稱傳感器技術(shù)考試學(xué)期05-06-2得分適用專業(yè)應(yīng)用物理考試形式閉考試時(shí)間長度120分鐘填空題（15題，每題2分，共30分）傳感器的輸入輸出特性指標(biāo)可分為_和動(dòng)態(tài)指標(biāo)兩大類，線性度和靈敏度是傳感器的_指標(biāo)，而頻率響應(yīng)特性是傳感器的 指標(biāo)。導(dǎo)電絲材的截面尺寸發(fā)生變化后其電阻會(huì)發(fā)生變化，用這一原理可制成的傳感器 稱為_式傳感器，利用有料具有磁致伸縮效應(yīng)可制成的_傳感器也可用以測(cè)量力，而壓電式傳感器則利用了一些具有離子型晶體電介質(zhì)的_效應(yīng)，它敏感的最基本的物理量也是力。熱電式傳感器中，能將溫度變化轉(zhuǎn)換為_變化的一類稱為熱電阻，而能將

2、溫度變化轉(zhuǎn)換為電勢(shì)的稱為_，其中_式傳感器在應(yīng)用時(shí)需要做溫度補(bǔ)償(冷端補(bǔ)償)。旋轉(zhuǎn)式編碼器用以測(cè)量轉(zhuǎn)軸的角位移，其中_在任意位置都有固定的數(shù)字編碼與位置對(duì)應(yīng)，線數(shù)為360線的增量式編碼器分辨力為_（角）度。光電效應(yīng)分為 和 兩大類。光纖的核心是由折射率 和折射率 構(gòu)成的雙層同心圓柱結(jié)構(gòu)。簡答題：（30分）簡要說明電容式傳感器的原理。簡要說明光柵尺的原理。3、畫圖說明壓電常數(shù)矩陣的意義。4、用圖簡要說明法拉弟磁光效應(yīng)原理。5、什么是外光電效應(yīng)？什么是內(nèi)光電效應(yīng)？綜合題（50分）1、圖為用電阻應(yīng)變式傳感器測(cè)量金屬材料的彎曲變形的原理圖，簡支梁在力F的作用下發(fā)性彎曲，在梁的上下表面各貼一片應(yīng)變片，試

3、說明這個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的其原理。要求：1畫出測(cè)試電路的原理圖，并給出計(jì)算公式（10分） 2圖中用兩個(gè)應(yīng)變片有什么好處？ （10分） FR1R22、在圖示的機(jī)械系統(tǒng)中，電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速經(jīng)減速器減速后驅(qū)動(dòng)絲桿螺母構(gòu)成一個(gè)直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，已知電機(jī)轉(zhuǎn)速為3000轉(zhuǎn)/分，減速器減速比為100，絲桿的導(dǎo)程為12mm，今欲測(cè)量螺母的位移，并要求測(cè)量精度為1mm，暫時(shí)不考慮機(jī)械系統(tǒng)傳動(dòng)誤差，請(qǐng)選擇傳感器并設(shè)計(jì)測(cè)量方案。 （15分） 3、根據(jù)光折射和反射的斯涅爾(Snell)定律，證明光線由折射率為n0的外界介質(zhì)(空氣n0=1)射入纖芯時(shí)實(shí)現(xiàn)全反射的臨界角(始端最大入射角)為：并說明上式的物理意義。 （15分）06年傳感器

4、技術(shù)試題參考答案及評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)（A 卷）填空題（15題，每題2分，共30分）傳感器的輸入輸出特性指標(biāo)可分為_靜態(tài)_和動(dòng)態(tài)指標(biāo)兩大類，線性度和靈敏度是傳感器的_靜態(tài)_指標(biāo)，而頻率響應(yīng)特性是傳感器的 動(dòng)態(tài) 指標(biāo)。導(dǎo)電絲材的截面尺寸發(fā)生變化后其電阻會(huì)發(fā)生變化，用這一原理可制成的傳感器 稱為_電阻應(yīng)變式_式傳感器，利用有料具有磁致伸縮效應(yīng)可制成的_壓磁式_傳感器也可用以測(cè)量力，而壓電式傳感器則利用了一些具有離子型晶體電介質(zhì)的_壓電_效應(yīng)，它敏感的最基本的物理量也是力。熱電式傳感器中，能將溫度變化轉(zhuǎn)換為_電阻_變化的一類稱為熱電阻，而能將溫度變化轉(zhuǎn)換為電勢(shì)的稱為_熱電偶_，其中_熱電偶_式傳感器在應(yīng)用時(shí)需要

5、做溫度補(bǔ)償(冷端補(bǔ)償)。旋轉(zhuǎn)式編碼器用以測(cè)量轉(zhuǎn)軸的角位移，其中_絕對(duì)式編碼器_在任意位置都有固定的數(shù)字編碼與位置對(duì)應(yīng)，線數(shù)為360線的增量式編碼器分辨力為_1_（角）度。光電效應(yīng)分為 內(nèi)光電效應(yīng) 和 外光電效應(yīng) 兩大類。光纖的核心是由折射率 較大的纖芯 和折射率 較小的包層 構(gòu)成的雙層同心圓柱結(jié)構(gòu)。簡答題：（20分 每小題5分）簡要說明電容式傳感器的原理。電容式傳感能將被測(cè)量轉(zhuǎn)換為傳感器電容變化（1分）。傳感器有動(dòng)靜兩個(gè)板板，板板間的電容為： ，式中： 0 真空介電常數(shù):(8.8541012 F/m r 介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù) 兩極板間的距離有關(guān) A 極板的有效面積（3分）當(dāng)動(dòng)板板運(yùn)動(dòng)或極板間的介

6、質(zhì)變化就會(huì)引起傳感器電容值的變化，從而構(gòu)成變極距式、變面積式和變介質(zhì)型的電容式傳感器。（1分）簡要說明光柵尺的原理。光柵是基于莫爾條紋現(xiàn)象的。當(dāng)兩組間隔B相同，并有一夾角的光柵相互錯(cuò)動(dòng)時(shí)，會(huì)形成明暗相間的移動(dòng)條紋，稱為莫爾條紋。莫爾條紋的寬度W可表示為：W=B/，當(dāng)角很小時(shí)，即活動(dòng)光柵每移動(dòng)一個(gè)W距離，莫爾條紋能移動(dòng)一個(gè)B的距離，由于角很小，因此，W比B要大的多，有放大的作用。光柵式傳感器就利用了這一原理。 （敘述3分，圖2分）3、畫圖說明壓電常數(shù)矩陣的意義。壓電矩陣表示了材料的壓電效應(yīng)。如圖所示，將材料的受力作空間分解，表示成三個(gè)力和三個(gè)力偶。這六個(gè)分量均可在XYZ三個(gè)不同的方向上引起壓電效

7、應(yīng)，因此有要用18個(gè)參數(shù)來表示，這18個(gè)參數(shù)寫成矩陣稱為壓電矩陣。（敘述3分，圖2分）4、用圖簡要說明法拉弟磁光效應(yīng)原理。平面偏振光通過帶磁性的物體時(shí)，其偏振光面發(fā)生偏轉(zhuǎn)，這種現(xiàn)象稱為法拉第磁光效應(yīng)。（敘述2分，圖3分）5、什么是外光電效應(yīng)？什么是內(nèi)光電效應(yīng)？在光線的作用下，物體內(nèi)的電子逸出物體表面向外發(fā)射的現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)。(2.5分 )當(dāng)光照射在物體上，使物體的電阻率發(fā)生變化，或產(chǎn)生光生電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象叫做內(nèi)光電效應(yīng)。根據(jù)工作原理的不同，內(nèi)光電效應(yīng)分為光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)兩類（2。5分）三、1、這是一個(gè)用應(yīng)變計(jì)測(cè)量金屬梁變形的一個(gè)示意圖，上下兩個(gè)應(yīng)變片都應(yīng)當(dāng)按圖示方向粘貼，并按圖中的方法

8、組橋，其輸出為：。這種布局方式構(gòu)成了差動(dòng)式測(cè)量，可以有效地降低非線性誤差、消除溫度誤差，還能提高測(cè)量的靈敏度。答題要求：1。寫出輸出公式，（5分、圖5分） 2說出差動(dòng)測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)（4分）給出相應(yīng)的說明或證明（各2分） 2答題要求：本題可有多種答案，全理的答案均可給分?？梢赃x用直接測(cè)量直線位移的傳感器如光柵等，也可以選用編碼器測(cè)量絲桿軸等。（5分）但要求說明傳感器的原理（5分），畫出結(jié)構(gòu)安裝示意圖（5分）較好的答案如下：螺母每走1mm對(duì)應(yīng)絲桿的轉(zhuǎn)角為：112360=30度，相對(duì)應(yīng)的電機(jī)的轉(zhuǎn)角為：30100=3000度，可見，只要精確電機(jī)的轉(zhuǎn)數(shù)就足以按要求測(cè)量出螺母的位移?？墒褂媒咏絺鞲衅?，安裝方

9、法如圖：在電機(jī)軸上裝一個(gè)圓盤，盤四周裝一個(gè)突出盤表需的元件，無件的個(gè)數(shù)可以只有一個(gè)，也可以有多個(gè)，根據(jù)選用傳感器類型元件的材料有一定要求，如選用霍爾式傳感器就要求是磁性體，電感式或渦流式就要求鐵磁性物質(zhì)，電容式要求元件材料相對(duì)介電常盡量大。設(shè)元件的個(gè)數(shù)為N，則測(cè)量的分辨力為：。圓盤上突起元件的安裝精度及傳感器的靈敏度、穩(wěn)定性有關(guān)，如果誤差為5度，測(cè)量誤差為：510036012=0。0017mm。3. 證：根據(jù)光折射和反射的斯涅爾(Snell)定律，有 對(duì)應(yīng)于2=90時(shí)的入射角1稱為臨界角c則：要實(shí)現(xiàn)全反射，必須滿足：所以：所以： （10分 ）上式的物理意義：無論光源發(fā)射功率多大，只有2c0張角

10、內(nèi)的光，才能被光纖接收、傳播(全反射)； （5分）傳感器與檢測(cè)技術(shù)試題 A卷參考答案及評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)一、 1靜態(tài) 靜態(tài) 2電阻應(yīng)變式 變形 壓磁式 壓電 3電阻 鉑Pt 100 勢(shì)電偶 熱電偶 4絕對(duì)式編碼器 增量式 絕對(duì)式編碼器 格雷碼 18 5壓電晶體 壓電陶瓷 壓電晶體 逆壓電 二、1答：傳感器是一種能將被測(cè)量轉(zhuǎn)化成電量的裝置，由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件和測(cè)量電路組成(3分 )。加速度傳感器一般由質(zhì)量塊、彈性元件和機(jī)電轉(zhuǎn)換元件組成，質(zhì)量塊裝在彈性元件上，起到對(duì)加速度的敏感作用，因此是敏感元件。(2分 )根據(jù)不同的機(jī)電原理可以構(gòu)成電阻應(yīng)變式傳感器、電容式或電感式加速度傳感器，這些機(jī)電元件是轉(zhuǎn)換元件（2

11、分）。對(duì)轉(zhuǎn)換元件的測(cè)量裝置構(gòu)成測(cè)量電路。（圖3分略）2.答：壓電元件能夠方便地組合應(yīng)用，起到提高電壓輸出靈敏度的作用，這是壓電式傳感器的一個(gè)特點(diǎn)（2分）。組合的基本方式有串聯(lián)和并聯(lián)。并聯(lián)的特點(diǎn)是：輸出電壓相等，電容相加，總電荷量相加，因此輸出的電荷量增加，適用于電荷輸出場(chǎng)合（3分，圖1分）。串聯(lián)的特點(diǎn)是總電荷量不變，電壓相加，電容減小，因此，電靈敏度提高，適用于電壓輸出場(chǎng)合（3分，圖1分）。三、差動(dòng)傳感器的三個(gè)優(yōu)點(diǎn)：靈敏度提高一倍，非線性誤差降低一級(jí)，補(bǔ)償溫度誤差。評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)：畫圖正確（3分），每一種優(yōu)點(diǎn)的說4分，其中：說出優(yōu)點(diǎn)2分，證明或能說明為什么有這種優(yōu)點(diǎn)(2分)四、1評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)：（1）每說

12、出一種傳感器給(5分)，其中：圖(2分)，原理(2分)，必要的說明(1分)2a電感式傳感受器必須彩交流電橋測(cè)量電路。普通電橋輸出的極性不能反映銜鐵的運(yùn)動(dòng)方向，為此，須采用相敏檢波電路辨別銜鐵的運(yùn)動(dòng)方向。(2分 )相敏檢測(cè)波的電路如圖所示（5分）：若銜鐵上移，Z1增大, Z2減小。如A點(diǎn)電位高于B點(diǎn)，二極管D1、D4導(dǎo)通，D2、D3截止。在AECB支路中C點(diǎn)電位由于Z1增大而降低；在AFDB支路中，D點(diǎn)電位由于Z2減小而增高。因此D點(diǎn)電位高于C點(diǎn)，輸出信號(hào)為DC。如B點(diǎn)電位高于A點(diǎn)，二極管D2、D3導(dǎo)通，D1、D4截止。在BCFA支路中C點(diǎn)電位由于Z2減小而降低；在BDEA支路中，D點(diǎn)電位由于Z1增大而升高。因此D點(diǎn)電位高于C點(diǎn)，輸出信號(hào)DC。（6分）同理，當(dāng)銜鐵下移時(shí)，C點(diǎn)的電位高于D點(diǎn)，因此，根據(jù)UDC的極性可辨別銜鐵的移動(dòng)方向。（2分）2b光柵的位移變成莫爾條紋的移動(dòng)后，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換就成電信號(hào)輸出。但在一點(diǎn)觀察時(shí)，無論主光柵向左或向右移動(dòng)，莫爾條紋均作明暗交替變化。若只有一條莫爾條紋的信號(hào)，則只能用于計(jì)數(shù)，無法辨別光柵的移動(dòng)方向。為了能辨向，尚需提供另一路莫爾條紋信號(hào)，并使兩信號(hào)的相位差為/2 。(