傳感器與自動檢測技術(shù)仿真試題二

試卷一（閉卷）

（考試時間90分鐘，總分80分）

題號一二三總分

分數(shù)

評卷人

一、單項選擇題（本大題共10小題，每小題2分，共20分）

在每小題列出的四個選項中只有一個選項是符合題目要求的，請

將正確選項前的字母填在題后的括號內(nèi)。錯選、多選和未選均不

得分。

1、隨著人們對各項產(chǎn)品技術(shù)含量的要求的不斷提高，傳感器也朝向智能化

方面發(fā)展，其中，典型的傳感器智能化結(jié)構(gòu)模式是（）o

A.傳感器+通信技術(shù)B.傳感器+微處理器

C.傳感器+多媒體技術(shù)D.傳感器+計算機

2、在整個測量過程中，如果影響和決定誤差大小的全部因素（條件）始終

保持不變，對同一被測量進行多次重復(fù)測量，這樣的測量稱為（）

A.組合測量B.靜態(tài)測量

C.等精度測量D.零位式測量

3、磁電式傳感器測量電路中引入積分電路是為了測量（）o

A.位移B.速度

C.加速度D.光強

4、一個熱電偶產(chǎn)生的熱電勢為EO,當打開其冷端串接與兩熱電極材料不

同的第三根金屬導(dǎo)體時，若保證已打開的冷端兩點的溫度與未打開時相

同，則回路中熱電勢（）o

A.增加B.減小

C.增加或減小不能確定D.不變

5、下列光電式傳感器中屬于有源光敏傳感器的是（）o

A.光電效應(yīng)傳感器B.紅外熱釋電探測器

C.固體圖像傳感器D.光纖傳感器

6、關(guān)于紅外傳感器，下述說法不正確的是（）

A.紅外傳感器是利用紅外輻射實現(xiàn)相關(guān)物理量測量的一種傳感器

B.紅外傳感器的核心器件是紅外探測器

C.光子探測器在吸收紅外能量后，將直接產(chǎn)生電效應(yīng)

D.為保持高靈敏度，熱探測器一般需要低溫冷卻

7、下列關(guān)于微波傳感器的說法中正確的是（）

A.不能用普通電子管與晶體管構(gòu)成微波振蕩器

B.不能用特殊結(jié)構(gòu)的天線發(fā)射微波

C.用電流一一電壓特性呈線性的電子元件做探測微波的敏感探頭

D.分為反射式、遮斷式和繞射式三類

8、以下不屬于超聲波測流量的方法的有：（）

A.時差法B.相位差法C.頻率差法D.反射法

9、一個6位的二進制光電式編碼器，其測量精度約為（）

A.5.6°B.0.17°C.0.016°D.60°

10、當H2吸附到MoCh上時，下列說法正確的是（）o

A.載流子數(shù)下降，電阻增加B.載流子數(shù)增加，電阻減小

C.載流子數(shù)增加，電阻減小D.載流子數(shù)下降，電阻增加

二、簡答題（本大題共5小題，每小題6分，共30分）

1、什么是直接測量、間接測量和組合測量？

2、畫出壓電式元件的并我接法，試述其輸出電壓、輸出電荷和輸出電容的

關(guān)系，并說明它的適用場合？

3、熱電偶冷端溫度對熱旦偶的熱電勢有什么影響？為消除冷端溫度影響可

采用哪些措施？

4、什么是全反射？光纖的數(shù)值孔徑有何意義?

5、透射式光柵傳感器的莫爾條紋是怎樣產(chǎn)生的？條紋間距、柵距和夾角的

關(guān)系是什么？

三、分析計算題（本大題共3小題，每小題10分，共30分）

注奇：自動化、電與專業(yè)的學(xué)生第1小題必做，并從第2-4小題

中選做兩個小題；測控專業(yè)的學(xué)生左4個小題中任選3個小題。

1、已知某金屬棒的長度和溫度之間的關(guān)系為￡,=4（1+二?，）。在不同溫度

下，測得該金屬棒的長度如下表所示。請用最小二乘法估計0℃時金屬

棒的長度和金屬的線膨脹系數(shù)ao

r,./℃10.040.070.0100.0

Lti/mtn

20.021.023.024.0

2、當被測介質(zhì)溫度為白，測溫傳感器示值溫度為〃時，有下列方程式成立:

mmg當被測介質(zhì)溫度從25℃突然變化到300CB寸，測溫傳

感器時間常數(shù)為=12作,試確定經(jīng)過480s后的動態(tài)誤差。

3、有一吊車的拉力傳感器如右圖所示。其中電阻應(yīng)變片RI、R2、R3、R4

貼在等截面軸上。已知RI、R2、R3、R4標稱阻值均為120Q,橋路電壓

為2V,物重m引起RI、R2變化增量為L2Q。

RI

1）畫出應(yīng)變片組成的電橋電路。

2）計算出測得的輸出電壓和電橋輸出靈敏度。

3）說明R3、R4起到什么作用？

4、有一臺變極距非接觸式電容測微儀，其極板間的極限半徑r=4mm,假

設(shè)與被測工件的初始間隙b=03mm,試求：

1）若極板與工件的間隙變化量△6=±10um時,電容變化量為多少？

2）若測量電路的靈敏度K=100mV/pF,則在△6=±1Um時的輸出電壓

為多少？

試卷二（開卷）

（考試時間30分鐘，總分20分）

題號評卷人得分

綜合設(shè)計分析題

綜合設(shè)計分析題（本大題共20分）

若要你需要用差動變壓器式加速度傳感器來測量某測試平臺振動的加速

度。請你：

（1）設(shè)計出該測量系統(tǒng)的框圖，并作必要的標注或說明；

（2）畫出你所選用的差動變壓器式加速度傳感器的原理圖，并簡述其基

本工作原理；

（3）給出差動變壓器式加速度的測量電路圖，并從工作原理上詳細闡明

它是如何實現(xiàn)既能測量加速度的大小，又能辨別加速度的方向的。

傳感器與自動檢測技術(shù)仿真試題二參考答案

試卷一

一、單項選擇題（本大題共10小題，每小題2分，共20分）

在每小題列出的四個選項中只有一個選項是符合題目要求的,請將正

確選項前的字母填在題后的括號內(nèi)。錯選、多選和未選均不得分。

1、B2、C3、A4、D5、D

6、D7、A8、D9、A10、D

二、簡答題（本大題共5小題，每小題6分，共30分）

1、什么是直接測量、間接測量和組合測量？

答：直接測量：首先對與被測量有確切函數(shù)關(guān)系的物理量進行直接測量，然

后通過已知的函數(shù)關(guān)系求出該未知量，即需要將被測量值經(jīng)過某種函數(shù)關(guān)系

變換才能確定被測量值的測量方法。

間接測量：測量過程復(fù)雜，測量所需時間較長，需要進行計算才能得出最

終的測量結(jié)果。

組合測量:在測量中，使各個待求未知量和被測量經(jīng)不同的組合形式出現(xiàn),

根據(jù)直接測量或間接測量所得到的被測量數(shù)據(jù)，通過解一組聯(lián)立方程求出未

知量的數(shù)據(jù)的測量方法，即這種測量方法必須經(jīng)過求解聯(lián)立方程組才能得出

最后結(jié)果。

2、畫出壓電式元件的并聯(lián)接法，試述其輸出電壓、輸出電荷和輸出電容的關(guān)

系，并說明它的適用場合？

答：從作用力看，壓電元件是串接的，因而每片受到的作用力相同、產(chǎn)生的

變形和電荷數(shù)量大小都與當片時相同。

并聯(lián)接法如圖

與單片相比，外力作用下正負電

極上的電荷量增加了1倍，電容量也增加了1倍，輸出電壓與單片時相同。

并聯(lián)接法輸出電荷大，本身電容大，時間常數(shù)大，適宜用在測量慢變信號并

且以電荷作為輸出量的場合。

3、熱電偶冷端溫度對熱電偶的熱電勢有什么影響？為消除冷端溫度影響可采

用哪些措施？

答：由熱電偶的測溫原理可以知道，熱電偶產(chǎn)生的熱電動勢大小與兩端溫度

有關(guān)，熱電偶的輸出電動勢只有在冷端溫度不變的條件下，才與工作溫度成

單值函數(shù)關(guān)系。實際應(yīng)用時，由于熱電偶冷端離工作端很近，且又處于大氣

中，其溫度受到測量對象和周圍環(huán)境溫度波動的影響，因而冷端溫度難以保

持恒定，這樣會帶來測量誤差。

為消除冷端溫度影響，常用的措施有：

①補償導(dǎo)線法：將熱電偶配接與其具有相同熱電特性的補償導(dǎo)線，使自

由端遠離工作端，放置到恒溫或溫度波動較小的地方。

②冷端恒溫法：把熱電偶的冷端置于某些溫度不變的裝置中，以保證冷

端溫度不受熱端測量溫度的影響。

③冷端溫度校正法。

④自動補償法。

4、什么是全反射？光纖的數(shù)值孔徑有何意義？

答：當入射角大丁?臨界角時，光線就不會透過其界面而全部反射到光密介質(zhì)

內(nèi)部，即發(fā)生全反射。

光纖的數(shù)值孔徑是光纖的一個重要參數(shù)，它能反映光纖的集光能力，光

纖的NA越大，表面它可以在較大入射角范圍內(nèi)輸入全反射光，集光能力就越

強，光纖與光源的耦合越容易，且保證實現(xiàn)全反射向前傳播。但NA越大，光

信號的畸變也越大，所以要適當選擇NA的大小。

5、透射式光柵傳感器的莫爾條紋是怎樣產(chǎn)生的？條紋間距、柵距和夾角的關(guān)

系是什么？

答：①把兩塊柵距相等的光柵（光柵1、光柵2）疊合在一起，中間留有很

小的間隙，并使兩者的柵線之間形成一個很小的夾角心這樣就可以看到在

近于垂直柵線方向上出現(xiàn)明暗相間的條紋，這些條紋叫莫爾條紋。在d-d

線上，兩塊光柵的柵線重合，透光面積最大，形成條紋的亮帶，它是由一

系列四棱形圖案構(gòu)成的；在f線上，兩塊光柵的柵線錯開，形成條紋的

暗帶，它是由一些黑色叉線圖案組成的。因此莫爾條紋的形成是由兩塊光柵

的遮光和透光效應(yīng)形成的。

②莫爾條紋的間距為與兩光柵線紋夾角。之間的關(guān)系為：

nW/2W

=——x-

三、分析計算題（本大題共3小題，每小題10分，共30分）

注意：自動化、電氣專業(yè)的學(xué)生第1小題必做，并從第2-4小題

中選做兩個小題；測控專業(yè)的學(xué)生在4個小題中任選3個小題。

1、已知某金屬棒的長度和溫度之間的關(guān)系為"rAa+a"）。在不同溫度下,

測得該金屬棒的長度如下表所示。請用最小二乘法估計0℃時金屬棒的長度

和金屬的線膨脹系數(shù)ao

/z-/℃10.040.070.0100.0

Ll；/mm

20.021.023.024.0

解：誤差方程/〃一/o（l+aW）=4f=l,2,3,4

令X]=I。，A=a?I。

110.0--20-

140.021

系數(shù)矩陣4=,直接測得值矩陣乙=

170.023

1100.024

x

被測量估計矩陣X\

X2

由最小二乘法：AfAX=A!L,則

10

11111404220

104070100j1

7022016600

100

20

1111121_F88-

104070100J23-[5050

24

;照=18000/0

1F16600-220-

A22-18000-2204

1Fl6600-220188_19.4333-

:.X=[A,ATlA,L=18000[-2204(5050

0.0467

/.4)=Xj=1

3

。=&=0：0467=2.4x1(r(/℃)

h19.43

2、當被測介質(zhì)溫度為“，測溫傳感器示值溫度為乃時，有下列方程式成立：

%=%+%(力2)/37)當被測介質(zhì)溫度從25℃突然變化到30。℃時，測溫傳感器

時間常數(shù)q=12。一試確定經(jīng)過480s后的動態(tài)誤差。

解：把輸入看作從0到275的階躍輸入信號，則

x(r)=0,Z<0；x(0=275,r>0

輸入信號的拉氏變換為：X(5)=—

S

T7，

又干d2■+‘2=4

ar

即(2S+1?2S=4(S)

八(s)r05+l

1275

Y(s)=H(S)X(S)=

r0S+1S

進行拉氏反變換后，有y")=275(l-J*)

480

，動態(tài)誤差A(yù)=y(480)-275=-275J詢=5.04(℃)

3、有一吊車的拉力傳感器如右圖所示。其中電阻應(yīng)變片RI、R2、R3、R4貼

在等截面軸上。已知RI、R2、R3、R4標稱阻值均為120。，橋路電壓為2V,

物重m引起RI、R2變化增量為1.2。。

1）畫出應(yīng)變片組成的電橋電路。

4）計算出測得的輸出電壓和電橋輸出靈敏度。

5）說明R3、R4起到什么作用？

解：①應(yīng)變片組成半橋電路：

U°=E.[(R1+ARJ]=--=-^^-=0.01V

_

(Rj4AR!)+R4+(R^-J-AR-))2R2120Q

ITF

②Ku=-^=-=l

uAR/R2

③R3、R4可以進行溫度補償。

4、有一臺變極距非接觸式電容測微儀，其極板間的極限半徑r=4mm,假設(shè)

與被測工件的初始間隙3=03mm,試求:

1）若極板與工件的間隙變化量△6=±10um時，電容變化量為多少？

2）若測量電路的靈敏度K=100mV/pF,則在△8=±1um時的輸出電壓為多

少？

解：1)C。二包子△

d。

%?彳?A8.854X10',2X^-X42X10-6

AC=—~~[——=--------------------7-----------=44.48pF

AdlOxIO-6

2)Ad=±l〃m時，輸出電容變化為444.8pF

c0=網(wǎng)史塔薩此=L48X10T2FU48PF

C=C0±AC=1.48±444.8

U,=CK=446.28xlOO=44.6V

U2=C-K=-442.32xl00=-44.2V

試卷二

綜合設(shè)計分析題（本大題共20分）。

若要你需要用差動變壓器式加速度傳感器來測量某測試平臺

振動的加速度。請你：

（1）設(shè)計出該測量系統(tǒng)的框圖，并作必要的標注或說明；

（2）畫出你所選用的差動變壓器式加速度傳感器的原理圖，并簡述其基

本工作原理；

（3）給出差動變壓器式加速度的測量電路圖，并從工作原理上詳細闡明

它是如何實現(xiàn)既能測量加速度的大小，又能辨別加速度的方向的。

解：

(1)

信號

差動變壓器式l測量電路電壓表

加速度傳感吟|調(diào)理

測試平臺

振動-電源

測試平臺振動加速度的測量系統(tǒng)框圖

(2)差動變壓器式加速度傳感器的原理圖

心Em

一

一

一器

師TT~

*Ax〃)

(3)差動變壓器式加速度的測量電路圖

為了達到能辨別移動方向和消除零點殘余電壓的目的，實際測量時，常

常采用差動整流電路或相敏檢波電路。

法一：差動整流電路

把差動變壓器的兩個次級輸出電壓分別整流，然后將整流的電壓或電流

的差值作為輸出。下面給出全波電壓輸出的差動整流電路:

全波巨壓輸出的差動整流電路圖

從上圖電路結(jié)構(gòu)可知，不論兩個次級線圈的輸出瞬時電壓極性如何，流

經(jīng)電容G的電流方向總是從2到4,流經(jīng)電容Q的電流方向總是從6到8,

故整流電路的輸出電壓為

上應(yīng)-九

當銜鐵在零位時，因為傷4二%8,所以上=0；當銜鐵在零位以上時，因為傷4>

%8，則①>0；而當銜鐵在零位以下時，則有分4<%8，則給<0。

/.%的有效值大小反映了位移的大小，從而利用①式可以反求加速度的

大?。?/p>