1、中南大學考試試卷 2011 - 2012 學年 1 學期 時間100分鐘 傳感技術 課程 32 學時 2.5 學分 考試形式：開 卷 專業(yè)年級：自動化、電氣、測控、探控09級 總分100，占總成績 70 %注意：請將答案寫在答題紙上，標明大、小題號，填空題要將每個空的序號寫上。一、 填空（35分，每空1分）1. 金屬材料的應變電阻效應以（1）為主，半導體材料的應變電阻效應主要基于（2）。金屬應變片的應變靈敏系數(shù)比制成該應變片的金屬材料的應變靈敏系數(shù)（3）。2. 按國家標準定義，傳感器是能感受（4）并按照一定規(guī)律轉換成可用輸出信號的器件或裝置。定義中的“一定規(guī)律”是指傳感器的（5）之間有確定的對

2、應關系；傳感器最基本的作用是（6），因此，要滿足要求，則前面所說的對應關系應有一定的（7）度。3. 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為（8）。氣體傳感器能將（9）轉換成電信號輸出。4. 高頻反射式電渦流傳感器實際是由（10）和（11）兩個部分組成的系統(tǒng)，兩者之間通過電磁感應相互作用，因此，在能夠構成電渦流傳感器的應用場合中必須存在（12）材料。5. 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）。6. 為提高壓電器件的靈敏度，常采用兩個或多個壓電片組合，其中串聯(lián)連接方式適用于（15）輸出、測量(1

3、6)信號的場合；并聯(lián)方式適用于 (17) 輸出、測量 (18) 信號的場合。7. 光照使半導體電阻率變化的現(xiàn)象稱為(19)效應，基于此效應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(21)特性表征，它反映光電器件的輸入光量與輸出光電流(電壓)之間的關系。選擇光電傳感器的光源與光敏器件時主要依據(jù)器件的(22)特性。8. 熱電偶產生熱電勢有兩個條件，一是必須使用(23)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是（25）定律。9. 霍爾元件需要進行溫度補償?shù)脑蚴且驗槠洌?6）系數(shù)和（27）率受溫度影響大。使用霍爾傳感器測量位移時，需要構造一個（

4、28）。10. 決定一階傳感器系統(tǒng)工作頻率范圍的參數(shù)是（29）。用傳感器測試400Hz的正弦信號時，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，設計傳送帶上塑料零件的計數(shù)系統(tǒng)時，應選其中的（32）傳感器。需要測量某設備的外殼溫度，已知其范圍是300400，要求實現(xiàn)高精度測量，應該在鉑銠-鉑熱電偶、鉑電阻和熱敏電阻中選擇（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式傳感器的好處除了（34）靈敏度外，還可以（35）非線性，并減小外界因素的影響。二、 簡答題（前三小題必答，每題7分

5、，后五小題任選三題，每題6分，共39）1. 列舉四種計算傳感器線性度的方法，說明各種方法的特點。2. 以差動電容傳感器為例，簡要分析說明差動結構型傳感器差動測量的原理與獲得的益處。3. 下表為某熱電偶的分度表，測量電路如圖所示，數(shù)字電壓表的讀數(shù)為4.10mV，熱電偶與電壓表用補償導線連接，請問被測溫度Tx是多少，給出計算依據(jù)。溫度/203040508090100110120130140熱電勢/mV0.801.201.602.023.263.384.104.514.905.305.734. 壓電傳感器為何不能測靜態(tài)量？用它來測量慢速變化信號時，對傳感器電路有何要求？5. 簡要說明差動變壓器中零點

6、殘余電壓的產生原因，并指出減小和消除它的有效措施。6. 簡述熱電偶為何存在冷端補償問題？使用熱電偶補償導線延伸熱電極基于什么定律？7、試說明光纖的導光原理。8. 霍爾元件為何存在不等位電勢？請說明補償不等位電勢的方法。三、分析和方案設計（12+7+7=26）1分析（12分）：有四片完全相同的金屬應變片（靈敏系數(shù)為2、泊松比m為0.3、電阻120W）和一個等截面懸臂梁（長l=15cm、寬b=2cm、厚h=0.5cm，彈性模量E為：2107N/cm2），要構成一個稱重傳感器。問:（1）懸臂梁上如何布置應變片、如何接成電橋，能使得應變最大且傳感器的輸出電壓靈敏度最高；畫出相應的布片示意圖和接橋電路。

7、（2）分析說明環(huán)境溫度變化時，這個方案的測量結果是否變化。（3）電橋供電電壓為5V時，若電橋輸出電壓為2.25mV，被測重量為多少? (不計橫向效應影響，應變 ，其中l(wèi)x為應變片粘貼處到梁的自由端的距離。應變片長度相對于lx可忽略。)2簡單方案設計（任選二題，每題7分，共14分）1）設計一種可用于在有油污、灰塵或雨水等的環(huán)境下能測量車輪軸轉速的傳感器系統(tǒng)方案。請說明選用何種工作原理的傳感元件，給出系統(tǒng)組成簡略示意圖，說明測量方法及改善測量精度的措施。2）需要用間接測量方式來測量一個大直徑金屬圓柱體的直徑，請選擇適當原理的傳感器件、設計組合傳感器測量系統(tǒng)方案。畫出系統(tǒng)組成示意圖、說明系統(tǒng)工作原理

8、。3）一個簡單的家居智能系統(tǒng)要求：有盜賊從大門進入時可及時發(fā)現(xiàn)，并能提示盜賊可能攜帶有刀、槍等金屬器械； 當玻璃窗被砸壞時能及時報警； 當廚房失火時能及時報警；試：選擇合適的傳感器進行合理的安裝完成以上功能；說明各傳感器如何完成相應的功能。2011年傳感技術考試參考答案與評分要點三、 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；（3）?。唬?）規(guī)定的被測量；（5）輸出與輸入；（6）測量；（7）精確；（8）相對濕度；（9）濃度；（10）線圈；（11）被測體or 導體；（12）金屬；（13）敏感元件；（14）集光能力強 or 允許入射到光纖內傳播的光的入射角大；（

9、15）電壓；（16）高頻；（17）電荷；（18）低頻；（19）內光電效應；（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；（29）時間常數(shù)；（30）1200；（31）0.6-0.8 or 0.7；（32）光電；（33）鉑電阻；（34）提高；（35）減小 or 降低。四、 簡答題（前三題每題7分，后五題選三，每題6分，答出相應要點得對應分值）1 理論/理想直線法：方法最簡，與被擬合曲線的端基點無關，誤差最大；端基線法：方法簡單，短基點的誤差為零，中間誤差偏

10、大；最小二乘法擬合：可用計算機求解，在全量程范圍內的平均誤差最小，但最大正、負誤差不相等，誤差也可能偏大；最佳直線法（獨立線性度）：求解相對復雜，但最大正、負誤差相等，偏差小。（列出四種方法得4分，少一種特點扣1分，最多3分）2 以變極距式電容傳感器為例：設傳感器初始電容為C，極距為d。d增大、減小Dd導致C變化DC。所以，（1分）因，所以（2分）。電容變化與被測極距變化成非線性關系。采用差動工作方式時，初始時兩電容的參數(shù)全相等，當兩極距一增、一減變化時，取兩電容之差為輸出量，由上式可導出：（2分）。可見，差動工作使電容傳感器獲得靈敏度增大一倍、非線性明顯減小的益處（2分）。3 Tx為110度

11、。依據(jù)如下：根據(jù)中間溫度定律和延長線補償原理或連接導體定律，由電壓表讀數(shù)得該熱電偶在Tx和20度溫度下的熱電勢為3.71mV，查環(huán)境溫度為20度時該熱電偶的熱電勢為0.79mV；該熱電偶在Tx和0度下的熱電勢為4.50mV；由此查表得Tx為110度。（結果正確得3分，說明兩次查表或用修正法計算得2分，理論依據(jù)得2分）4 因壓電元件內部有漏損和外接電路負載不可能無窮大，靜態(tài)輸入產生的電荷會以某種時間常數(shù)放電，導致對信號的測量誤差，當輸入量以一定頻率不斷作用時，信號電荷不斷補充，才能保持測量時被測信號穩(wěn)定（4分）。測慢速信號時，要求壓電元件所接前置放大器的輸入阻抗足夠高(2分)，使測量回路時間常數(shù)

12、大到能滿足允許誤差要求。5 零殘電壓包括基波和諧波分量?；ǚ至恐饕且驗椴顒幼儔浩鲀蓚€二次繞組的結構和電氣參數(shù)不完全相等（不對稱）使感應電勢幅值不等而形成；諧波分量主要由導磁材料磁化曲線的非線性引起（3分）。措施：1）從設計和工藝上改進結構和電氣參數(shù)的對稱性；2）選用合適的測量電路，3）采用補償線路（3分）。6 原因：熱電偶的熱電勢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為被測溫度的單值函數(shù)；熱電偶分度表示在冷端溫度為0是制定的，實用中若冷端溫度不為0會產生誤差（2+2分）。依據(jù)：連接導體定律，或者，當補償導線與熱電偶有相近熱電特性、并保持補償電極與熱電偶電極兩接點溫度相等時，

13、基于中間溫度定律有總熱電勢等于熱電偶工作在被測溫度和冷端溫度下的熱電勢（2分）。7 光纖導光基于入射到光纖內的光能夠實現(xiàn)全反射。由于纖芯的折射率比包層的大，當入射角大于臨界角時，其折射角大于90度，形成全反射，使得光不會進入包層而只在纖芯內傳播（3分）；為使進入光纖的光能夠在纖芯內全反射，必須使從外部入射的光線限制在一定的入射角內，從而使入射到纖芯和包層界面的光的入射角大于臨界角，即在某個臨界角內的入射進入光纖的光才能實現(xiàn)全反射（3分）。8 原因：霍爾電極安裝位置不對稱或不在同一等電位面上；半導體材料不均勻造成電阻率不均勻或幾何尺寸不均勻；激勵電極接觸不良造成激勵電流不均勻分布等（3分）?；魻?/p>

14、元件可等效為一個四臂電橋（圖省略），給其中與某一霍爾電勢輸出端相鄰的兩個橋臂并聯(lián)可調電阻的方式，通過調節(jié)電阻是電橋平衡，從而消除不等為電勢。（3分）三、分析和方案設計（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在對應R1和R3位值的下表面）、接線（4分）如下圖所示時，形成差動全橋時傳感器有最高靈敏度。2）根據(jù)全等臂差動電橋的輸出：知，環(huán)境溫度變化造成各應變片的熱應變相等，在電橋的輸出中相互抵消，不影響電橋輸出，使結果不變（4分）。3）因，由得F=25（N）（只要給出的表達式正確，未計算出結果也可給4分）2簡單方案設計（三題中任選一題，10分）1）選用電渦流

15、或霍爾傳感器（3）。如圖所示，在待測轉軸上安裝一調制盤，齒數(shù)為Z（2分）。采用電渦流傳感器（若采用霍爾傳感器，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經過放大、整形后送頻率計，測出頻率f（2分），轉速為：60f/Z(轉/分)。（圖3分）2）選兩只電渦流傳感器（3分），分別布置在被測體兩側，分別測量兩傳感器距柱體表面的間距（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體直徑（3分）。圖（1分）略?；蛘撸x兩個直射式光電傳感器，選用光敏二極管（3分），兩傳感器平行布置在被測體兩側，確定兩傳感器直射光中心線之間的距離和各自的光通路寬度，同時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強度分別得到柱體所遮擋的陰影深度，計算由兩傳感器之間的中心