1、PAGE 學號 姓名 密封線東 南 大 學 考 試 卷（A 卷）課程名稱傳感器技術考試學期05-06-2得分適用專業(yè)應用物理考試形式閉考試時間長度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可分為_和動態(tài)指標兩大類，線性度和靈敏度是傳感器的_指標，而頻率響應特性是傳感器的 指標。導電絲材的截面尺寸發(fā)生變化后其電阻會發(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可制成的_傳感器也可用以測量力，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，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)換為電勢的稱為_，其中_式傳感器在應用時需要做溫度補償(冷端補償)。旋轉(zhuǎn)式編碼器用以測量轉(zhuǎn)軸的角位移，其中_在任意位置都有固定的數(shù)字編碼與位置對應，線數(shù)為360線的增量式編碼器分辨力為_（角）度。光電效應分為 和 兩大類。光纖的核心是由折射率 和折射率 構成的雙層同心圓柱結(jié)構。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原理。5、什么是外光電效應？什么是內(nèi)光電效應？綜合題（50分）1、圖為用電阻應變式傳感器測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變片，試

3、說明這個測量系統(tǒng)的其原理。要求：1畫出測試電路的原理圖，并給出計算公式（10分） 2圖中用兩個應變片有什么好處？ （10分） FR1R22、在圖示的機械系統(tǒng)中，電機輸出轉(zhuǎn)速經(jīng)減速器減速后驅(qū)動絲桿螺母構成一個直線運動機構，已知電機轉(zhuǎn)速為3000轉(zhuǎn)/分，減速器減速比為100，絲桿的導程為12mm，今欲測量螺母的位移，并要求測量精度為1mm，暫時不考慮機械系統(tǒng)傳動誤差，請選擇傳感器并設計測量方案。 （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)射入纖芯時實現(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、技術試題參考答案及評分標準（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可分為_靜態(tài)_和動態(tài)指標兩大類，線性度和靈敏度是傳感器的_靜態(tài)_指標，而頻率響應特性是傳感器的 動態(tài) 指標。導電絲材的截面尺寸發(fā)生變化后其電阻會發(fā)生變化，用這一原理可制成的傳感器 稱為_電阻應變式_式傳感器，利用有料具有磁致伸縮效應可制成的_壓磁式_傳感器也可用以測量力，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，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)換為電勢的稱為_熱電偶_，其中_熱電偶_式傳感器在應用時需要

5、做溫度補償(冷端補償)。旋轉(zhuǎn)式編碼器用以測量轉(zhuǎn)軸的角位移，其中_絕對式編碼器_在任意位置都有固定的數(shù)字編碼與位置對應，線數(shù)為360線的增量式編碼器分辨力為_1_（角）度。光電效應分為 內(nèi)光電效應 和 外光電效應 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 構成的雙層同心圓柱結(jié)構。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量轉(zhuǎn)換為傳感器電容變化（1分）。傳感器有動靜兩個板板，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)的相對介電常數(shù) 兩極板間的距離有關 A 極板的有效面積（3分）當動板板運動或極板間的介

6、質(zhì)變化就會引起傳感器電容值的變化，從而構成變極距式、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。當兩組間隔B相同，并有一夾角的光柵相互錯動時，會形成明暗相間的移動條紋，稱為莫爾條紋。莫爾條紋的寬度W可表示為：W=B/，當角很小時，即活動光柵每移動一個W距離，莫爾條紋能移動一個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。如圖所示，將材料的受力作空間分解，表示成三個力和三個力偶。這六個分量均可在XYZ三個不同的方向上引起壓電效

7、應，因此有要用18個參數(shù)來表示，這18個參數(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原理。平面偏振光通過帶磁性的物體時，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。（敘述2分，圖3分）5、什么是外光電效應？什么是內(nèi)光電效應？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。(2.5分 )當光照射在物體上，使物體的電阻率發(fā)生變化，或產(chǎn)生光生電動勢的現(xiàn)象叫做內(nèi)光電效應。根據(jù)工作原理的不同，內(nèi)光電效應分為光電導效應和光生伏特效應兩類（2。5分）三、1、這是一個用應變計測量金屬梁變形的一個示意圖，上下兩個應變片都應當按圖示方向粘貼，并按圖中的方法

8、組橋，其輸出為：。這種布局方式構成了差動式測量，可以有效地降低非線性誤差、消除溫度誤差，還能提高測量的靈敏度。答題要求：1。寫出輸出公式，（5分、圖5分） 2說出差動測量的優(yōu)點（4分）給出相應的說明或證明（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。可以選用直接測量直線位移的傳感器如光柵等，也可以選用編碼器測量絲桿軸等。（5分）但要求說明傳感器的原理（5分），畫出結(jié)構安裝示意圖（5分）較好的答案如下：螺母每走1mm對應絲桿的轉(zhuǎn)角為：112360=30度，相對應的電機的轉(zhuǎn)角為：30100=3000度，可見，只要精確電機的轉(zhuǎn)數(shù)就足以按要求測量出螺母的位移。可使用接近式傳感器，安裝方

9、法如圖：在電機軸上裝一個圓盤，盤四周裝一個突出盤表需的元件，無件的個數(shù)可以只有一個，也可以有多個，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介電常盡量大。設元件的個數(shù)為N，則測量的分辨力為：。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，如果誤差為5度，測量誤差為：510036012=0。0017mm。3. 證：根據(jù)光折射和反射的斯涅爾(Snell)定律，有 對應于2=90時的入射角1稱為臨界角c則：要實現(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）傳感器與檢測技術試題 A卷參考答案及評分標準一、 1靜態(tài) 靜態(tài) 2電阻應變式 變形 壓磁式 壓電 3電阻 鉑Pt 100 勢電偶 熱電偶 4絕對式編碼器 增量式 絕對式編碼器 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量轉(zhuǎn)化成電量的裝置，由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件和測量電路組成(3分 )。加速度傳感器一般由質(zhì)量塊、彈性元件和機電轉(zhuǎn)換元件組成，質(zhì)量塊裝在彈性元件上，起到對加速度的敏感作用，因此是敏感元件。(2分 )根據(jù)不同的機電原理可以構成電阻應變式傳感器、電容式或電感式加速度傳感器，這些機電元件是轉(zhuǎn)換元件（2

11、分）。對轉(zhuǎn)換元件的測量裝置構成測量電路。（圖3分略）2.答：壓電元件能夠方便地組合應用，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特點（2分）。組合的基本方式有串聯(lián)和并聯(lián)。并聯(lián)的特點是：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，適用于電荷輸出場合（3分，圖1分）。串聯(lián)的特點是總電荷量不變，電壓相加，電容減小，因此，電靈敏度提高，適用于電壓輸出場合（3分，圖1分）。三、差動傳感器的三個優(yōu)點：靈敏度提高一倍，非線性誤差降低一級，補償溫度誤差。評分標準：畫圖正確（3分），每一種優(yōu)點的說4分，其中：說出優(yōu)點2分，證明或能說明為什么有這種優(yōu)點(2分)四、1評分標準：（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量電路。普通電橋輸出的極性不能反映銜鐵的運動方向，為此，須采用相敏檢波電路辨別銜鐵的運動方向。(2分 )相敏檢測波的電路如圖所示（5分）：若銜鐵上移，Z1增大, Z2減小。如A點電位高于B點，二極管D1、D4導通，D2、D3截止。在AECB支路中C點電位由于Z1增大而降低；在AFDB支路中，D點電位由于Z2減小而增高。因此D點電位高于C點，輸出信號為DC。如B點電位高于A點，二極管D2、D3導通，D1、D4截止。在BCFA支路中C點電位由于Z2減小而降低；在BDEA支路中，D點電位由于Z1增大而升高。因此D點電位高于C點，輸出信號DC。（6分）同理，當銜鐵下移時，C點的電位高于D點，因此，根據(jù)UDC的極性可辨別銜鐵的移動方向。（2分）2b光柵的位移變成莫爾條紋的移動后，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換就成電信號輸出。但在一點觀察時，無論主光柵向左或向右移動，莫爾條紋均作明暗交替變化。若只有一條莫爾條紋的信號，則只能用于計數(shù)，無法辨別光柵的移動方向。為了能辨向，尚需提供另一路莫爾條紋信號，并使兩信號的相位差為/2 。(