中南大學(xué)《傳感器原理及應(yīng)用》考試試卷(含答案)word版本

1、南大學(xué)傳感器原 及應(yīng)用考試試卷 （含答案）精品文檔收集于網(wǎng)絡(luò)，如有侵權(quán)請(qǐng)聯(lián)系管理員刪除中南大學(xué)考試試卷2011 - 2012學(xué)年工_學(xué)期時(shí)間100分鐘傳感技術(shù) 課程32學(xué)時(shí)25學(xué)分考試形式：也卷專(zhuān)業(yè)年級(jí)：自動(dòng)化、電氣、測(cè)控、探控 09級(jí)總分100,占總成績(jī)70_%注意：請(qǐng)將答案寫(xiě)在答題紙上，標(biāo)明大、小題號(hào)，填空題要將每個(gè)空的序號(hào)寫(xiě) 上。填空（35分，每空1分）.金屬材料的應(yīng)變電阻效應(yīng)以（1）為主,半導(dǎo)體材料的應(yīng)變電阻效應(yīng)主要基于 （2） 0金屬應(yīng)變片的應(yīng)變靈敏系數(shù)比制成該應(yīng)變片的金屬材料的應(yīng)變靈敏系數(shù) （3）。.按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)定義，傳感器是能感受（4）并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào) 的器件或裝置

2、。定義中的“一定規(guī)律”是指?jìng)鞲衅鞯模?）之間有確定的對(duì)應(yīng)關(guān)系; 傳感器最基本的作用是（6）,因此，要滿(mǎn)足要求，則前面所說(shuō)的對(duì)應(yīng)關(guān)系應(yīng)有 一定的（7）度。.在某一溫度下，混合氣體的水蒸氣壓同飽和蒸氣壓的百分比稱(chēng)為（8）。氣體傳感器能將（9）轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出。.高頻反射式電渦流傳感器實(shí)際是由（10）禾口（11）兩個(gè)部分組成的系統(tǒng)、兩者 之間通過(guò)電磁感應(yīng)相互作用，因此，在能夠構(gòu)成電渦流傳感器的應(yīng)用場(chǎng)合中必須 存在（12）材料。.非功能型光纖傳感器中的光纖僅僅起傳輸光信息的作用，功能型光纖傳感器是 把光纖作為（13）元件。光纖的NA值大表明光纖（14）。.為提高壓電器件的靈敏度，常采用兩個(gè)或多個(gè)壓電片

3、組合，其中串聯(lián)連接方式 適用于（15）輸出、測(cè)量期信號(hào)的場(chǎng)合；并聯(lián)方式適用于_07）輸出、測(cè)量418） 信號(hào)的場(chǎng)合。.光照使半導(dǎo)體電阻率變化的現(xiàn)象稱(chēng)為X19）效應(yīng)，基于此效應(yīng)的器件除光敏電阻 外還有處于（20）工作狀態(tài)的光敏二極管。光敏器件的靈敏度可用 QD特性表征，它 反映光電器件的輸入光量與輸出光電流（電壓）之間的關(guān)系。選擇光電傳感器的光 源與光敏器件時(shí)主要依據(jù)器件的 經(jīng)）特性。.熱電偶產(chǎn)生熱電勢(shì)有兩個(gè)條件，一是必須使用 磔）材料作熱電極，二是其兩端 （24）。制定熱電偶分度表的理論基礎(chǔ)是（25）定律。.霍爾元件需要進(jìn)行溫度補(bǔ)償?shù)脑蚴且驗(yàn)槠洌?6）系數(shù)和（27）率受溫度影響 大。使用霍爾

4、傳感器測(cè)量位移時(shí)，需要構(gòu)造一個(gè)（28）。精品文檔.決定一階傳感器系統(tǒng)工作頻率范圍的參數(shù)是(29)。用傳感器測(cè)試400Hz的 正弦信號(hào)時(shí)，若選用的傳感器為二階系統(tǒng)，則傳感器的固有頻率至少要大于 (30)Hz、阻尼比的最佳值為(31)。11現(xiàn)有霍爾式、電渦流式和光電式三種傳感器，設(shè)計(jì)傳送帶上塑料零件的計(jì)數(shù)系 統(tǒng)時(shí)，應(yīng)選其中的(32)傳感器。需要測(cè)量某設(shè)備的外殼溫度，已知其范圍是 300400C,要求實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)量，應(yīng)該在柏銘-柏?zé)犭娕?、珀電阻和熱敏電阻?選擇(33)。12.把變氣隙型自感傳感器和變極距型電容傳感器都做成差動(dòng)式傳感器的好處除 了(34)靈敏度外,還可以(35)非線(xiàn)性,并減小外界因素

5、的影響。簡(jiǎn)答題(前三小題必答，每題7分，后五小題任選三題，每題6分，共39).列舉四種計(jì)算傳感器線(xiàn)性度的方法，說(shuō)明各種方法的特點(diǎn)。.以差動(dòng)電容傳感器為例，簡(jiǎn)要分析說(shuō)明差動(dòng)結(jié)構(gòu)型傳感器差動(dòng)測(cè)量的原理與 獲得的益處。3.下表為某熱電偶的分度表，測(cè)量電路如圖所示，數(shù)字電壓表的讀數(shù)為4.10mV,熱電偶與電壓表用補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)連接，請(qǐng)問(wèn)被測(cè)溫度 Tx是多少，給出 計(jì)算依據(jù)。溫度/C203040508090100110120130140熱電勢(shì)/mV0.801.201.602.023.263.384.104.514.905.305.73.壓電傳感器為何不能測(cè)靜態(tài)量？用它來(lái)測(cè)量慢速變化信號(hào)時(shí)，對(duì)傳感器電路 有何要

6、求？.簡(jiǎn)要說(shuō)明差動(dòng)變壓器中零點(diǎn)殘余電壓的產(chǎn)生原因，并指出減小和消除它的有 效措施。.簡(jiǎn)述熱電偶為何存在冷端補(bǔ)償問(wèn)題？使用熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)延伸熱電極基于什 么定律？7、試說(shuō)明光纖的導(dǎo)光原理。8.霍爾元件為何存在不等位電勢(shì)？請(qǐng)說(shuō)明補(bǔ)償不等位電勢(shì)的方法。、分析和方案設(shè)計(jì).分析（12分）：有四片完全相同的金屬應(yīng)變片（靈敏系數(shù)為2、泊松比 為0.3、電阻120 ）和一個(gè)等截面懸臂梁（長(zhǎng)l=15cm、寬b=2cm、厚h=0.5cm,彈 性模量E為：2X107N/cm2）,要構(gòu)成一個(gè)稱(chēng)重傳感器。問(wèn)：（1）懸臂梁上如何布置應(yīng)變片、如 何接成電橋，能使得應(yīng)變最大且傳感器的輸出電壓靈敏度最高；畫(huà)出相應(yīng)的布片 示意圖

7、和接橋電路。（2）分析說(shuō)明環(huán)境溫度變化時(shí)，這個(gè)方案的測(cè)量結(jié)果是否 變化。（3）電橋供電電壓為5V時(shí)，若電橋輸出電壓為2.25mV,被測(cè)重量為多,，口，6l x L 少？（不計(jì)橫向效應(yīng)影響，應(yīng)變X 2F ,其中l(wèi)x為應(yīng)變片粘貼處到梁的自由bh E端的距離。應(yīng)變片長(zhǎng)度相對(duì)于lx可忽略。）.簡(jiǎn)單方案設(shè)計(jì)（任選二題，每題 7分，共14分）1）設(shè)計(jì)一種可用于在有油污、灰塵或雨水等的環(huán)境下能測(cè)量車(chē)輪軸轉(zhuǎn)速的傳感 器系統(tǒng)方案。請(qǐng)說(shuō)明選用何種工作原理的傳感元件，給出系統(tǒng)組成簡(jiǎn)略示意圖， 說(shuō)明測(cè)量方法及改善測(cè)量精度的措施。2）需要用間接測(cè)量方式來(lái)測(cè)量一個(gè)大直徑金屬圓柱體的直徑，請(qǐng)選擇適當(dāng)原理 的傳感器件、設(shè)計(jì)組

8、合傳感器測(cè)量系統(tǒng)方案。畫(huà)出系統(tǒng)組成示意圖、說(shuō)明系統(tǒng)工 作原理。3） 一個(gè)簡(jiǎn)單的家居智能系統(tǒng)要求：有盜賊從大門(mén)進(jìn)入時(shí)可及時(shí)發(fā)現(xiàn)，并能提示 盜賊可能攜帶有刀、槍等金屬器械；當(dāng)玻璃窗被砸壞時(shí)能及時(shí)報(bào)警；當(dāng)廚房失火時(shí)能及時(shí)報(bào)警；試：選擇合適的傳感器進(jìn)行合理的安裝完成以上功能；說(shuō)明各傳感器如何完成相應(yīng)的功能。2011年傳感技術(shù)考試參考答案與評(píng)分要點(diǎn)收集于網(wǎng)絡(luò)，如有侵權(quán)請(qǐng)聯(lián)系管理員刪除精品文檔收集于網(wǎng)絡(luò)，如有侵權(quán)請(qǐng)聯(lián)系管理員刪除三、填空（35分，每空1分）（1）幾何尺寸變化；（2）電阻率變化or壓阻效應(yīng)；（3）小；（4）規(guī)定的被測(cè) 量；（5）輸出與輸入；（6）測(cè)量；（7）精確；（8）相對(duì)濕度；（9）濃度；

9、（10）線(xiàn)圈；（11）被測(cè)體or導(dǎo)體；（12）金屬；（13）敏感元件；（14）集光 能力強(qiáng)or允許入射到光纖內(nèi)傳播的光的入射角大；（15）電壓；（16）高頻；（17）電荷；（18）低頻；（19）內(nèi)光電效應(yīng)；（20）反向偏置or反向；（21） 光照；（22）光譜；（23）不同or兩種金屬；（24）溫度不同；（25）中間溫 度；（26）霍爾系數(shù)or靈敏系數(shù)；（27）材料電阻；（28）磁場(chǎng)；（29）時(shí)間常 數(shù)；（30）1200; （31） 0.6-0.8 or 0.7;（32）光電；（33）鋁電阻；（34）提高；（35）減小or降低。四、 簡(jiǎn)答題（前三題每題7分，后五題選三，每題6分，答出相應(yīng)要點(diǎn)得

10、對(duì)應(yīng) 分值）.理論/理想直線(xiàn)法：方法最簡(jiǎn)，與被擬合曲線(xiàn)的端基點(diǎn)無(wú)關(guān)，誤差最大；端基 線(xiàn)法：方法簡(jiǎn)單，短基點(diǎn)的誤差為零，中間誤差偏大；最小二乘法擬合：可 用計(jì)算機(jī)求解，在全量程范圍內(nèi)的平均誤差最小，但最大正、負(fù)誤差不相 等，誤差也可能偏大；最佳直線(xiàn)法（獨(dú)立線(xiàn)性度）：求解相對(duì)復(fù)雜，但最大 正、負(fù)誤差相等，偏差小。（列出四種方法得 4分，少一種特點(diǎn)扣1分，最多 3分）.以變極距式電容傳感器為例：設(shè)傳感器初始電容為C,極距為do d增大、減小 d導(dǎo)致C變化 C。所以 c c c c-d c-d-_1- , （1分）因d d d 1 d / d23d/d 1 ,所以C C 1 （2分）。電容變化與被d

11、d d d測(cè)極距變化成非線(xiàn)性關(guān)系。采用差動(dòng)工作方式時(shí)，初始時(shí)兩電容的參數(shù)全相 等，當(dāng)兩極距一增、一減變化時(shí)，取兩電容之差為輸出量，由上式可導(dǎo)出： 24C 2C 1 （2分）?？梢?jiàn)，差動(dòng)工作使電容傳感器獲得d d d靈敏度增大一倍、非線(xiàn)性明顯減小的益處（2分）。. Tx為110度。依據(jù)如下：根據(jù)中間溫度定律和延長(zhǎng)線(xiàn)補(bǔ)償原理或連接導(dǎo)體定 律，由電壓表讀數(shù)得該熱電偶在 Tx和20度溫度下的熱電勢(shì)為3.71mV,查環(huán) 境溫度為20度時(shí)該熱電偶的熱電勢(shì)為0.79mV;該熱電偶在Tx和0度下的熱 電勢(shì)為4.50mV;由此查表得Tx為110度。（結(jié)果正確得3分，說(shuō)明兩次查 表或用修正法計(jì)算得2分，理論依據(jù)得

12、2分）.因壓電元件內(nèi)部有漏損和外接電路負(fù)載不可能無(wú)窮大，靜態(tài)輸入產(chǎn)生的電荷 會(huì)以某種時(shí)間常數(shù)放電，導(dǎo)致對(duì)信號(hào)的測(cè)量誤差，當(dāng)輸入量以一定頻率不斷 作用時(shí)，信號(hào)電荷不斷補(bǔ)充，才能保持測(cè)量時(shí)被測(cè)信號(hào)穩(wěn)定（4分）。測(cè)慢速信號(hào)時(shí)，要求壓電元件所接前置放大器的輸入阻抗足夠高（2分），使測(cè)量回路時(shí)間常數(shù)大到能滿(mǎn)足允許誤差要求。.零殘電壓包括基波和諧波分量?；ǚ至恐饕且?yàn)椴顒?dòng)變壓器兩個(gè)二次繞 組的結(jié)構(gòu)和電氣參數(shù)不完全相等（不對(duì)稱(chēng)）使感應(yīng)電勢(shì)幅值不等而形成；諧 波分量主要由導(dǎo)磁材料磁化曲線(xiàn)的非線(xiàn)性引起（3分）。措施：1）從設(shè)計(jì)和 工藝上改進(jìn)結(jié)構(gòu)和電氣參數(shù)的對(duì)稱(chēng)性；2）選用合適的測(cè)量電路，3）采用補(bǔ) 償線(xiàn)路（

13、3分）。.原因：熱電偶的熱電勢(shì)是熱端溫度和冷端溫度的函數(shù)差，冷端溫度保持恒定 使熱電勢(shì)為被測(cè)溫度的單值函數(shù)；熱電偶分度表示在冷端溫度為0c是制定的，實(shí)用中若冷端溫度不為0 c會(huì)產(chǎn)生誤差（2+2分）。依據(jù)：連接導(dǎo)體定律，或者，當(dāng)補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)與熱電偶有相近熱電特性、并保持補(bǔ)償電極與熱電偶 電極兩接點(diǎn)溫度相等時(shí)，基于中間溫度定律有總熱電勢(shì)等于熱電偶工作在被 測(cè)溫度和冷端溫度下的熱電勢(shì)（2分）。.光纖導(dǎo)光基于入射到光纖內(nèi)的光能夠?qū)崿F(xiàn)全反射。由于纖芯的折射率比包層的大，當(dāng)入射角大于臨界角時(shí)，其折射角大于 90度，形成全反射，使得光不 會(huì)進(jìn)入包層而只在纖芯內(nèi)傳播（3分）；為使進(jìn)入光纖的光能夠在纖芯內(nèi)全反 射，

14、必須使從外部入射的光線(xiàn)限制在一定的入射角內(nèi)，從而使入射到纖芯和 包層界面的光的入射角大于臨界角,即在某個(gè)臨界角內(nèi)的入射進(jìn)入光纖的光才能實(shí)現(xiàn)全反射（3分）。.原因：霍爾電極安裝位置不對(duì)稱(chēng)或不在同一等電位面上；半導(dǎo)體材料不 均勻造成電阻率不均勻或幾何尺寸不均勻；激勵(lì)電極接觸不良造成激勵(lì)電流不均勻分布等（3分）?；魻栐傻刃橐粋€(gè)四臂電橋（圖省略），給其 中與某一霍爾電勢(shì)輸出端相鄰的兩個(gè)橋臂并聯(lián)可調(diào)電阻的方式，通過(guò)調(diào)節(jié)電X阻是電橋平衡，從而消除不等為電勢(shì)。（3分）三、分析和方案設(shè)計(jì)（16+10=26）1）布片（4分）如右圖所示（R1和R3在梁的上表面，R2和R4在對(duì)應(yīng)R1和R3位值的下表 面）、接

15、線(xiàn)（4分）如下圖所示時(shí)，形成差動(dòng)全橋時(shí)傳感器有最高靈敏度。2）根據(jù)全等臂差動(dòng)電橋的輸出：Uo匕（烏 衛(wèi)火 B） U上一 2 3 4）知，環(huán)境溫度變化造成4 R1 R2 R3 R44各應(yīng)變片的熱應(yīng)變相等，在電橋的輸出中相互抵消，不影響電橋輸出，使結(jié)果不變（4分）。3）因 x 6215F,由 U UK（4 x） 5 2 9 10 6 F 2.25 10 3得5=25 2 0.52 2 1074（N）（只要給出的表達(dá)式正確，未計(jì)算出結(jié)果也可給4分）2.簡(jiǎn)單方案設(shè)計(jì)（三題中任選一題，10分）1）選用電渦流或霍爾傳感器（3）。如圖所示，在待測(cè)轉(zhuǎn)軸上安裝一調(diào)制盤(pán)，齒數(shù)為 Z （2分）。采用電渦流傳感器（若

16、采用霍爾傳感器，則需要在霍爾元件前面或后面安裝一片磁鋼），將電渦流傳感器輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)放大、整形后送頻率計(jì)，測(cè)出頻率f （2分），轉(zhuǎn)速為:60f/Z（轉(zhuǎn)/分）。（圖3分）2）選兩只電渦流傳感器（3分），分別布置在被測(cè)體兩側(cè)，分別測(cè)量?jī)蓚鞲衅骶嘀w表面的間距（3分），由兩傳感器之間的間距減去兩傳感器與柱面的距離可 得被測(cè)體直徑（3分）。圖（1分）略?；蛘?，選兩個(gè)直射式光電傳感器，選用光敏二極管（3分），兩傳感器平行布置 在被測(cè)體兩側(cè)，確定兩傳感器直射光中心線(xiàn)之間的距離和各自的光通路寬度，同 時(shí)使兩光電傳感器的直射光各有一部分被與圓柱體遮擋（3分）。由光敏二極管輸出的光電信號(hào)強(qiáng)度分別得到柱體所遮擋的陰影深度，計(jì)算由兩