2011 2012學(xué)年第一學(xué)期感測(cè)技術(shù)期中考試試卷試 題 卷： A （閉卷）適用年級(jí)：2009級(jí) 適用專(zhuān)業(yè)： 電子信息工程 考試時(shí)間： 90 分鐘題 號(hào)一二三四五六七總分得 分閱卷人一、簡(jiǎn)答題（每題5分，共40分）1舉例說(shuō)明什么是傳感器，它的特點(diǎn)是什么傳感器是一種以測(cè)量為目的，以一定的精度把被測(cè)量轉(zhuǎn)換為與之有確定關(guān)系的便于處理的另一種物理量的測(cè)量器件，其輸出信號(hào)大多為易于處理的電量，如電壓、電流等。從狹義上講可以認(rèn)為傳感器是實(shí)現(xiàn)非電量到電量轉(zhuǎn)換的器件。例如熱電阻測(cè)量溫度2說(shuō)明什么是系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差。在重復(fù)性條件下，對(duì)同一被測(cè)量進(jìn)行無(wú)限多次測(cè)量所得結(jié)果的平均值與被測(cè)量的真值之差，稱(chēng)為系統(tǒng)誤差。凡誤差的數(shù)值固定或按一定規(guī)律變化者，均屬于系統(tǒng)誤差。 測(cè)量結(jié)果與在重復(fù)條件下，對(duì)同一被測(cè)量進(jìn)行無(wú)限多次測(cè)量所得結(jié)果的平均值之差稱(chēng)為隨機(jī)誤差。也可以采用如下的表達(dá)：在同一條件下，多次測(cè)量同一被測(cè)量，有時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)測(cè)量值時(shí)大時(shí)小，誤差的絕對(duì)值及正、負(fù)以不可預(yù)見(jiàn)的方式變化，該誤差稱(chēng)為隨機(jī)誤差。3說(shuō)明靈敏度對(duì)測(cè)量的影響靈敏度是指?jìng)鞲衅髟诜€(wěn)態(tài)下輸出變化值與輸入變化值之比，用k來(lái)表示，即：k對(duì)于線性傳感器，它的靈敏度就是它的靜態(tài)特性的斜率，即kyx，那么，斜率越大，輸出直線就越傾斜，這種傳感器反應(yīng)比較靈敏，能夠準(zhǔn)確測(cè)量微小變化。對(duì)于非線性傳感器kdydx不是一個(gè)固定常數(shù)，因而其靈敏度在測(cè)量范圍內(nèi)并不固定，測(cè)量精度不易保持穩(wěn)定。當(dāng)被測(cè)量變化均為Dx時(shí)，即Dx1Dx2Dx，其相應(yīng)的變化Dy2 Dy1，這時(shí)對(duì)于儀表標(biāo)度就存在一些困難，影響測(cè)量的準(zhǔn)確性。圖 靈敏度的定義a）線性傳感器 b）非線性傳感器一般來(lái)說(shuō)都希望傳感器輸入輸出曲線是一直線，靈敏度（即斜率）較大，這種測(cè)量輸出比較準(zhǔn)確。4舉例說(shuō)明那些傳感器可以進(jìn)行非接觸檢測(cè)，有什么特點(diǎn)。 例如超聲波、渦流傳感器等。 非接觸檢測(cè)不影響被測(cè)物的運(yùn)行工況；不產(chǎn)生機(jī)械磨損和疲勞損傷，工作壽命長(zhǎng)；響應(yīng)快，一般響應(yīng)時(shí)間可達(dá)幾毫秒或十幾毫秒；采用全密封結(jié)構(gòu)，防潮、防塵性能較好，工作可靠性強(qiáng)；無(wú)觸點(diǎn)、無(wú)火花、無(wú)噪聲，所以適用于要求防爆的場(chǎng)合（防爆型）；輸出信號(hào)大，易于與計(jì)算機(jī)或可編程控制器（PLC）等接口；體積小，安裝、調(diào)整方便。它的缺點(diǎn)是觸點(diǎn)容量較小，輸出短路時(shí)易燒毀。5說(shuō)明三種類(lèi)型電容傳感器的名稱(chēng)及優(yōu)點(diǎn)變面積式，線性輸出，常用于直線、角位移測(cè)量變極距式，非線性，精度高，范圍小變介電常數(shù)式，線性常用于液位測(cè)量1）較大的相對(duì)變化量2）能在惡劣條件下工作 3）功率小4）響應(yīng)快6說(shuō)明什么是二線制儀表。所謂二線制儀表是指儀表與外界的聯(lián)系只需兩根導(dǎo)線。多數(shù)情況下，其中一根（紅色）為+24V電源線，另一根（黑色）既作為電源負(fù)極引線，又作為信號(hào)傳輸線。在信號(hào)傳輸線的末端通過(guò)一只標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載電阻（也稱(chēng)取樣電阻）接地（也就是電源負(fù)極），將電流信號(hào)轉(zhuǎn)變成電壓信號(hào)。7為什么壓電傳感器只能應(yīng)用于動(dòng)態(tài)測(cè)量由于外力作用在壓電元件上產(chǎn)生的電荷只有在無(wú)泄漏的情況下才能保存，即需要測(cè)量回路具有無(wú)限大的輸入阻抗，這實(shí)際上是不可能的，因此壓電式傳感器不能用于靜態(tài)測(cè)量。壓電元件在交變力的作用下，電荷可以不斷補(bǔ)充，可以供給測(cè)量回路以一定的電流，故只適用于動(dòng)態(tài)測(cè)量（一般必須高于100Hz，但在30kHz以上時(shí)，靈敏度下降）8差動(dòng)變壓器式壓力傳感器，其壓力與膜盒撓度的關(guān)系、差動(dòng)變壓器銜鐵的位移與輸出電壓的關(guān)系如圖所示。求：1） 當(dāng)輸出電壓為50mV時(shí)，壓力p為多少千帕？2）在圖a、b上分別標(biāo)出線性區(qū)，綜合判斷整個(gè)壓力傳感器的壓力測(cè)量范圍? 3）靈敏度分別是多少?50KPa-5050KPa。K1=5/50 mm/kpa k2=50/5mV/mm二、分析題（30分）1（15分）如圖所示為電容式油量表，請(qǐng)說(shuō)明工作原理。圖 電容式油量表示意圖1油箱 2圓柱形電容器 3減速器 4伺服電機(jī)當(dāng)油箱中無(wú)油時(shí)，電容傳感器的電容量為Cx o，調(diào)節(jié)匹配電容使Co Cx o，并使可變電阻RP的滑動(dòng)臂位于0點(diǎn)，即RP的電阻為0。此時(shí)Cx o Co R4R3，電橋滿足平衡條件，電橋輸出為零。伺服電機(jī)不轉(zhuǎn)動(dòng)，油量表指針偏轉(zhuǎn)角q0。當(dāng)油箱中油量增加，液位上升至h處時(shí)，Cx Cx o DCx，而DCx與h成正比，此時(shí)電橋失去平衡，電橋輸出電壓放大后驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)，經(jīng)減速后帶動(dòng)指針偏轉(zhuǎn)，同時(shí)使可變電阻RP的滑動(dòng)臂移動(dòng)，從而使RP阻值增大。當(dāng)RP阻值達(dá)到一定值時(shí)，電橋又達(dá)到新的平衡狀態(tài)，于是電機(jī)停轉(zhuǎn)，指針停留在轉(zhuǎn)角q 處。由于指針及可變電阻的滑動(dòng)臂同時(shí)為伺服電機(jī)所帶動(dòng)，因此，R與q 間存在著確定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，即q 正比于R，而R又正比于液位高度h。因此可直接從刻度盤(pán)上讀得液位高度h。2（15分）分析如圖所示脈沖調(diào)寬型電路工作原理答：如圖所示為差動(dòng)脈沖調(diào)寬型電路。圖中A1、A2為電壓比較器， 在兩個(gè)比較器的同相輸入端接有穩(wěn)壓電源E作為比較電壓，F(xiàn)F為雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器（圖中以基本RS觸發(fā)器代替），C1、C2為一組差動(dòng)式電容傳感器的傳感元件，R1 R2R，VD1、VD2為兩個(gè)特性相同的二極管。 在電容傳感器的初始狀態(tài)時(shí)，有C1C2 C0，設(shè)雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的R端為高電平、S端為低電平，使Q端輸出為高電平（VAU1）、端輸出為低電平（VB0）。此時(shí)VA經(jīng)R1對(duì)C1充電，使C1兩端電壓按指數(shù)規(guī)律上升，充電時(shí)間常數(shù)為t1 R1 C1。當(dāng)C點(diǎn)電位VC略高于E時(shí)，比較器A1輸出為負(fù)值（輸出負(fù)脈沖），雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)，Q端由高電平變?yōu)榈碗娖?，而端由低變高。此時(shí)C1將通過(guò)VD1放電，由于放電時(shí)間常數(shù)很小，使VC迅速降為零，比較器A1輸出變?yōu)檎?；?dāng)變?yōu)楦唠娖綍r(shí)，B點(diǎn)電位VB上升，通過(guò)R2對(duì)C2充電，充電時(shí)間常數(shù)為t2 R2 C2。當(dāng)VD略高于E時(shí)，比較器A2輸出由正變負(fù)，這一負(fù)跳變使觸發(fā)器FF又一次翻轉(zhuǎn)，使端輸出由高變低，Q端輸出由低變高。于是C2經(jīng)VD2放電，使D點(diǎn)電位迅速降為零，比較器A2又輸出正值，回到初始狀態(tài)。如此周而復(fù)始，在觸發(fā)器FF的兩輸出端各自產(chǎn)生一寬度受C1、C2調(diào)制的脈沖波形。當(dāng)C1 C2 C0、R1R2R時(shí)，t1t2R C0、T1 T2，其電路各點(diǎn)電壓波形如圖所示。UAB是寬度相等的對(duì)稱(chēng)方波（t1t4）。脈沖調(diào)寬型電路具有如下特點(diǎn)：輸出電壓與被測(cè)位移量成線性關(guān)系；觸發(fā)器的輸出信號(hào)一般為100Hz1MHz的矩形波，所以不需要解調(diào)電路，只需經(jīng)過(guò)低通濾波器就可得到較大的直流輸出電壓；電源只需采用直流電壓，不需要載波頻率發(fā)生器；調(diào)寬頻率的變化對(duì)輸出沒(méi)有影響。這些都是其它電容式傳感器的測(cè)量電路無(wú)法比擬的，因而應(yīng)用極為廣泛。三、計(jì)算題（20分） 1（10分）某壓力表準(zhǔn)確度為2.5級(jí)，量程為01.5MPa，求1）可能出現(xiàn)的最大滿度相對(duì)誤差m。2）可能出現(xiàn)的最大絕對(duì)誤差m為多少kPa? 3)測(cè)量結(jié)果顯示為0.7MPa時(shí)，可能出現(xiàn)的最大示值相對(duì)誤差x? 4)是否儀表精度等級(jí)越高，測(cè)量的相對(duì)誤差越?。繛槭裁?？解：由精度可得m=2.5% m=m*Am=2.5%*1.5MPa=37.5kPax=m/ Ax*100%=5.36%不是，儀表的相對(duì)誤差與精度和量程密切相關(guān)。2（10分）應(yīng)變片的標(biāo)稱(chēng)阻值R0為100W，靈敏度K=2，粘貼在橫截面積為9.8mm2的鋼質(zhì)圓柱體上，鋼的彈性模量E=21011N/m2，所受拉力F=0.2t，受拉后應(yīng)變片的阻值R 的變化量是多少,當(dāng)傳感器靈敏度Kf=2mV/V時(shí)，電源電壓10V，額定負(fù)荷為2t時(shí)，輸出電壓為多少？ 解： R=2*0.2*1000*9.8*100/9.8*10-6*2*1011=0.2W Uo=0.2*2*10/2=2mv四、設(shè)計(jì)題（10分） 設(shè)計(jì)一種能夠測(cè)量流速的傳感器線路，畫(huà)圖說(shuō)明工作原理。參考：設(shè)靜止流體中的音速為c，流體流動(dòng)速度為v，若超聲波的傳播方向與流體的流向一致時(shí)，超聲波的傳播速度為cv；反之，為cv?，F(xiàn)將兩個(gè)超聲波轉(zhuǎn)換器（發(fā)收器）按圖所示方法置于流體管道中。首先從轉(zhuǎn)換器T1發(fā)射與流體流向一致的超聲波，該超聲波從T1發(fā)送到轉(zhuǎn)換器T2（接收）的時(shí)間間隔為t1；再?gòu)霓D(zhuǎn)換器T2發(fā)送超聲波脈沖到T1（接收，逆向傳輸），其傳播時(shí)間間隔為t2，則傳播時(shí)間間隔t1和t2可分別表示為t1