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1、2011-2012學(xué)年 第 一 學(xué)期末考試試題(A卷) 課程名稱:傳感器原理及應(yīng)用(開卷)使用班級: 09060441/2,09060241/2 總分得分一 填空題(共18分,每空1分) 1、傳感器一般由 和 兩個基本部分組成。2、熱電阻包括 和_ 。Pt100是指在0的標準電阻值為_ 。3、對于二階傳感器系統(tǒng)的階躍響應(yīng),在 的情形下,階躍信號輸入時的輸出信號為 ,其振蕩角頻率(阻尼振蕩角頻率)為 ;幅值按 , 越大,即阻尼越 ,衰減越 。 4、為了使測試結(jié)果能精確地再現(xiàn)被測信號的波形,在傳感器設(shè)計時,必須使其阻尼比 ,固有頻率w0至少應(yīng)大于被測信號頻率w的 倍。5、直流電橋平衡條件 。6、利

2、用激振臺對加速度傳感器進行靈敏度標定的方法是 。7、渦流傳感器的測量屬于 測量,特別是用于測量 的物體。8、單晶硅在 晶面上有最大的壓阻系數(shù),影響壓阻系數(shù)大小的主要因素是擴散雜質(zhì)的 ,壓阻系數(shù)隨擴散雜質(zhì)濃度的增加而 。得分 二、(共6分)設(shè)平面與X軸、Y軸、Z軸的截矩分別為-3,-3,6,求晶其體的密勒指數(shù),晶向,晶面,晶面族。 得分三、(共6分)光電效應(yīng)可分為哪幾個類型?簡單說明各類型對應(yīng)的傳感器基本原理。并分別列出以之為基礎(chǔ)的各類光電傳感器。 得分四、(共6分)請簡述熱電效應(yīng),并說明熱電偶測溫回路的熱電動勢由哪兩部分組成?由同一種導(dǎo)體組成的閉合回路能產(chǎn)生熱電勢嗎?得分 五、(共10分)1)

3、、什么是傳感器的靜態(tài)特性和動態(tài)特性,各包含哪些方面指標? 2)、簡述在什么頻域條件下只研究靜態(tài)特性就能滿足通常的需要。而在什么頻域條件下一般要研究傳感器的動態(tài)特性。3)、從傳感器的靜動態(tài)特性兩個方面來考慮,請詳述如何選用傳感器?得分六、(共10分) 根據(jù)工作原理可將電容式傳感器分為哪幾種類型?圖1 為何種電容式傳感器?圖1中a8mm,b12mm,兩級板間距離為1mm。一塊極板在原始位置上平移了5mm后,求該傳感器的位移靈敏度K(已知空氣相對介電常數(shù)1F/m,真空時的介電常數(shù)08.85410-12 F/m)。圖1 電容傳感器得分 七、(共8分)分析如圖所示自感傳感器當(dāng)動鐵心左右移動(x1,x2)

4、發(fā)生變化時,自感L變化情況。已知空氣所隙 的長度為x1和x2,空氣隙的面積為 S,磁導(dǎo)率為,線圈匝數(shù)W不變)。 得分八、(共10分) 電阻應(yīng)變片傳感器與壓阻式傳感器的基本工作原理是什么?兩者之間有什么區(qū)別和聯(lián)系? 得分九、(共8分)請以差動電感式傳感器為例,從數(shù)學(xué)關(guān)系及基本原理上分析說明差動式傳感器如何提高靈敏度以及改善傳感器的非線性誤差。得分十、(共8分)在對量程為10MPa的壓力傳感器進行標定時,傳感器輸出電壓值與壓力值之間的關(guān)系如下表所示,簡述最小二乘法準則的幾何意義,并討論下列電壓-壓力直線中哪一條最符合最小二乘法準則? 測量次數(shù)I12345壓力Xi(MPa)246810電壓Yi(V)

5、10.04320.09330.15340.12850.072 (2)y=7.00x+0.09 (5)y=5.00x+0.07得分十一、(共10分)下圖是石英晶體壓電效應(yīng)示意圖,請闡述壓電傳感器的基本原理,并結(jié)合相關(guān)理論、物理意義與其結(jié)構(gòu)進行具體分析。圖3 石英晶體壓電效應(yīng)示意圖 2011-2012 學(xué)年 第 一 學(xué)期期末考試試題答案及評分標準(A卷) 課程名稱: 傳感器原理及應(yīng)用試卷(開卷)使用班級: 09060441/2,09060241/2 二 填空題(每空1分,共18分) 1、傳感器一般由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件兩個基本部分組成。 2、熱電阻包括鉑電阻_和_銅電阻 。Pt100是指在0的標準電

6、阻值為_100。3、對于二階傳感器系統(tǒng)的階躍響應(yīng),在 的情形下,階躍信號輸入時的輸出信號為 衰減振蕩 ,其振蕩角頻率(阻尼振蕩角頻率)為 ;幅值按 指數(shù)衰減 , 越大,即阻尼越 大 ,衰減越 快 。 4、為了使測試結(jié)果能精確地再現(xiàn)被測信號的波形,在傳感器設(shè)計時,必須使其阻尼比 <1 ,固有頻率w0至少應(yīng)大于被測信號頻率w的 35 倍。5、直流電橋平衡條件相對兩臂電阻的乘積相等。6、利用激振臺對加速度傳感器進行靈敏度標定的方法是 比較標定法 。7、渦流傳感器的測量屬于 非接觸 測量,特別是用于測量 運動 的物體。8、單晶硅在 (100) 晶面上有最大的壓阻系數(shù),影響壓阻系數(shù)大小的主要因素是

7、擴散雜質(zhì)的表面濃度、環(huán)境溫度,壓阻系數(shù)隨擴散雜質(zhì)濃度的增加而 減小 。二、(共6分)設(shè)平面與X軸、Y軸、Z軸的截矩分別為-3,-3,6,求晶其體的密勒指數(shù),晶向,晶面,晶面族。解:計算得到截矩的倒數(shù)為:-1/3,-1/3,1/6,化為三個沒有公約數(shù)的整數(shù)-2,-2,1, -2分密勒指數(shù)為 , -1分晶向為, -1分晶面為, -1分晶面族為 。 -1分三、(共6分)光電效應(yīng)可分為哪幾個類型?簡單說明各類型對應(yīng)的傳感器基本原理。并分別列出以之為基礎(chǔ)的各類光電傳感器。 答:光電效應(yīng)可分為三類:(1)、外光電效應(yīng):指在光的照射下,材料中的電子逸出表面的現(xiàn)象。光電管及光電倍增管均屬這類。 -2分(2)、

8、內(nèi)光電效應(yīng):指在光的照射下,材料電阻率發(fā)生改變的現(xiàn)象,光敏電阻屬此類。2分(3)、光生伏特效應(yīng):利用光勢壘效應(yīng),光勢壘效應(yīng)是指在光的照射下,物體內(nèi)部產(chǎn)生一定方向的電勢,光電池就是基于這種效應(yīng)的。 -2分四、(共6分)請簡述熱電效應(yīng),并說明熱電偶測溫回路的熱電動勢由哪兩部分組成?由同一種導(dǎo)體組成的閉合回路能產(chǎn)生熱電勢嗎?答:1)兩種不同類型的金屬導(dǎo)體兩端分別接在一起構(gòu)成閉合回路,當(dāng)兩個結(jié)點有溫差時,導(dǎo)體回路里有電流流動會產(chǎn)生熱電勢,這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)。 -2分2)熱電偶測溫回路中熱電勢主要是由接觸電勢和溫差電勢兩部分組成。 -2分3)熱電偶兩個電極材料相同時,無論兩端點溫度如何變化無熱電勢產(chǎn)生

9、。2分五、(共10分)1)、什么是傳感器的靜態(tài)特性和動態(tài)特性,各包含哪些方面指標? 2)、簡述在什么頻域條件下只研究靜態(tài)特性就能滿足通常的需要。而在什么頻域條件下一般要研究傳感器的動態(tài)特性。3)、從傳感器的靜動態(tài)特性兩個方面來考慮,請詳述如何選用傳感器?解:1)、傳感器所測量的物理量基本有兩種形式:一種是穩(wěn)態(tài)(靜態(tài)或準靜態(tài))的形式,這種信號不隨時間變化(或變化的很緩慢);另一種是動態(tài)(周期變化或瞬態(tài)形式)這種信號時隨時間而變化的。 -2分傳感器靜態(tài)特性包括線性度、靈敏度、遲滯、重復(fù)性、輸出輸入。 -2分動態(tài)特性指標:頻域響應(yīng)、時間常數(shù)、固有頻率、阻尼比。 -2分 2)、在時域下只研究靜態(tài)特性,

10、在頻域條件下研究動態(tài)特性。 -2分3)、考慮傳感器的靜態(tài)特性的主要指標,選用線性度大,遲滯小,重復(fù)性好,分辨力強,穩(wěn)定性高,抗干擾穩(wěn)定性高的傳感器考慮動態(tài)特性,所選的傳感器應(yīng)能很好的追隨輸入量的快速變化,即具有很短的暫態(tài)響應(yīng)時間或者應(yīng)具有很寬的頻域響應(yīng)。 -2分 六、(共10分)根據(jù)工作原理可將電容式傳感器分為哪幾種類型?圖1 為何種電容式傳感器?圖1中a8mm,b12mm,兩級板間距離為1mm。一塊極板在原始位置上平移了5mm后,求該傳感器的位移靈敏度K(已知空氣相對介電常數(shù)1F/m,真空時的介電常數(shù)08.85410-12 F/m)。圖1 電容傳感器解:根據(jù)工作原理可將電容式傳感器分為:變面

11、積型傳感器、變介電常數(shù)型傳感器、變間隙型傳感器。 -3分 圖為變面積式電容傳感器。 -2分 傳感器的位移靈敏度KC/ C0/X 當(dāng)有極板發(fā)生位移后電容為: -2分 式中 a 極板的寬度; b 極板的長度; d 極板的高度;電容的變化量為 -2分 靈敏度為 1/8=0.125(F/mm)=125(F/m) -1分七、(共8分)分析如圖所示自感傳感器當(dāng)動鐵心左右移動(x1,x2)發(fā)生變化時,自感L變化情況。已知空氣所隙 的長度為x1和x2,空氣隙的面積為 S,磁導(dǎo)率為,線圈匝數(shù)W不變)。答: (2分) (2分)又(2分)空氣隙的長度x1和x2各自變,而其和不變,另其他變量都不變故L不變。 (2分)

12、八、 (共10分) 電阻應(yīng)變片傳感器與壓阻式傳感器的基本工作原理是什么?兩者之間有什么區(qū)別和聯(lián)系? 答:電阻應(yīng)變片傳感器的原理:將電阻應(yīng)變片粘貼在彈性元件特定表面上,當(dāng)力,扭矩,速度,加速度及流量等物理量作用于彈性元件時會導(dǎo)致元件應(yīng)力和應(yīng)變的變化,進而引起電阻應(yīng)變片電阻的變化,經(jīng)處理后以電信號的方式輸出。 -2分 壓阻式傳感器是利用固體的壓阻效應(yīng)(固體收到力的作用后,其電阻率就要發(fā)生變化)制成一種測量裝置,將電阻變化經(jīng)電路處理后以電信號的方式輸出。 - 2分區(qū)別與聯(lián)系:A、任何材料電阻的變化率都是由下列決定 -2分 B、對金屬應(yīng)變片對半導(dǎo)體壓阻電阻變化率都與應(yīng)力成正比 -2分 C、對金屬應(yīng)變片

13、中,一項很小,即電阻率變化率很小,有時可忽略不計,而與兩項較大,即尺寸變化率大,故金屬電阻變化率主要由與引起的;對半導(dǎo)體而言,與很小,一項很大,故半導(dǎo)體電阻的變化率主要由項決定。- 2分九、(共8分)請以差動電感式傳感器為例,從數(shù)學(xué)關(guān)系及基本原理上分析說明差動式傳感器如何提高靈敏度以及改善傳感器的非線性誤差。答:以差動變間隙式電感傳感器為例來分析:特性方程分別為: -1分和 -1分總的電容量變化為: -1分相對變化量為: -1分對于單元件電感傳感器的靈敏度系數(shù)為: -1分 差動式電感式傳感器的靈敏度系數(shù)為: -1分忽略高次項,差動電感傳感器的相對非線性誤差近似為 -1分由此可見,與單元件比較其

14、靈敏度提高一倍,非線性大大減小。 -1分十、(共8分)在對量程為10MPa的壓力傳感器進行標定時,傳感器輸出電壓值與壓力值之間的關(guān)系如下表所示,簡述最小二乘法準則的幾何意義,并討論下列電壓-壓力直線中哪一條最符合最小二乘法準則? 測量次數(shù)I12345壓力Xi(MPa)246810電壓Yi(V)10.04320.09330.15340.12850.072 (2)y=7.00x+0.09 (5)y=5.00x+0.07答:最小二乘法準則的幾何意義在于擬和直線精密度高即誤差小,也即找出一條直線,使得該直線各點與相應(yīng)的實際輸出的偏差的平方和最小。 -2分將幾組x分別帶入以上五式,與y值相差最小的就是所

15、求:=5.435791=878.327955=417430.774475=22698.994875=0.083686 (最小) -5分(5)式偏差最小,因此得到(5)式為所求。 -1分十一、(共10分)下圖是石英晶體壓電效應(yīng)示意圖,請闡述壓電傳感器的基本原理,并結(jié)合相關(guān)理論、物理意義與其結(jié)構(gòu)進行具體分析。圖3 石英晶體壓電效應(yīng)示意圖答:當(dāng)沿著一定方向?qū)δ承╇娊橘|(zhì)施加力而使它變形時,其內(nèi)部就產(chǎn)生極化現(xiàn)象,同時在它的兩個表面上便產(chǎn)生符號相反的電荷;當(dāng)外力去掉后,有恢復(fù)不帶電狀態(tài),這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。壓電傳感器的基本工作原理是利用某些物質(zhì)的壓電效應(yīng)制作的傳感器。 -2分石英晶體的壓電特性與其內(nèi)部分子的結(jié)構(gòu)有關(guān),化學(xué)式:SiO2,其一個晶體單元中包含三個硅離子Si4+和6個O2-,成對分布。當(dāng)沒有力作用時,Si4+與O2-在垂直于Z軸的XYZ平面上的投影恰好等效為正六邊形排列,如下圖a,其正負離子正好分布在正六邊形的頂角上,它們所形成的電偶極距P1、P2、P3的大小相等,相互的夾角為120度,因為電偶極矩定義為電荷Q與間距L的乘積,P=Q·L,其方向是從負電賀指向正電何,其P1+P2+P3=0。 -2分1)、受到沿X軸方向的壓力作用時,晶體沿X軸方向產(chǎn)生壓宿,正負離子的相對位置發(fā)生變化,因正負電何不重合,電偶極矩在X軸方向上的分量P1-P2-P

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