传感器期末题

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1、2011-2012学年 第 一学期末考试试题（A卷）课程名称：传感器原理及应用（开卷）使用班级：09060441/2, 09060241/2总分得分一.填空题（共18分，每空1分）1、 传感器一般由 和两个基本部分组成。2、 热电阻包括 和Pt100是指在0C的标准电阻值为 。3、 对于二阶传感器系统的阶跃响应，在0 ：1的情形下，阶跃信号输入时的输出信号为，其振荡角频率（阻尼振荡角频率）为 d ；幅值按 , 越大，即阻尼越，衰减越。4 、为了使测试结果能精确地再现被测信号的波形，在传感器设计时，必须使其阻尼比，固有频率 W0至少应大于被测信号频率 w的 倍。5、 直流电桥平衡条件 。6、 利

2、用激振台对加速度传感器进行灵敏度标定的方法是 。7、 涡流传感器的测量属于 测量，特别是用于测量的物体。8、 单晶硅在 晶面上有最大的压阻系数，影响压阻系数大小的主要因素是扩散杂质的，压阻系数随扩散杂质浓度的增加而 。、（共6分）设平面与X轴、Y轴、Z轴的截矩分别为-3 , -3 , 6,求晶其体的密勒指数，晶向，晶面, 晶面族。得分三、（共6分）光电效应可分为哪几个类型？简单说明各类型对应的传感器基本原理。并分别列出以之为基础的各类光电传感器。得分第2页 共17页四、（共6分）请简述热电效应，并说明热电偶测温回路的热电动势由哪两部分组成？由同一种导体组成 的闭合回路能产生热电势吗？得分五、（

3、共10分）1）、什么是传感器的静态特性和动态特性，各包含哪些方面指标？2）、简述在什么频域条件下只研究静态特性就能满足通常的需要。而在什么频域条件下一般要研究传感器的动态特性。3）、从传感器的静动态特性两个方面来考虑，请详述如何选用传感器？第3页 共17页得分六、（共10分）1为何种电容式传感器？图 1中a=根据工作原理可将电容式传感器分为哪几种类型？图8mm b= 12mm两级板间距离为 1mm 一块极板在原始位置上平移了5mm后，求该传感器的位 12移灵敏度K （已知空气相对介电常数 = 1F/m,真空时的介电常数 0= 8.854 X 10 F/m）。图1电容传感器第4页 共17页得分七

4、、（共8分）已知分析如图所示自感传感器当动铁心左右移动（x1,x2 ）发生变化时，自感L变化情况。空气所隙 的长度为x1和x2，空气隙的面积为 S，磁导率为卩，线圈匝数 W不变）。1X；Lx2/W 第5页 共17页得分八、（共10分）电阻应变片传感器与压阻式传感器的基本工作原理是什么？两者之间有什么区别和联系?第6页 共17页得分九、（共8分）请以差动电感式传感器为例，从数学关系及基本原理上分析说明差动式传感器如何提高灵敏度以及改善传感器的非线性误差。第7页 共17页得分十、（共8分）在对量程为10MPa的压力传感器进行标定时， 传感器输出电压值与压力值之间的关系如下表所示，简述最小二乘法准则

5、的几何意义，并讨论下列电压-压力直线中哪一条最符合最小二乘法准则？测量次数112345压力Xi （ MPa246810电压Yi（ V）10.04320.09330.15340.12850.072（1）y=5.00x-1.05（ 2）y=7.00x+0.09（ 3）y=50.00x-10.50（4） y=-5.00x-1.05（ 5）y=5.00x+0.07第8页 共17页得分卜一、（共 10 分）F图是石英晶体压电效应示意图,请阐述压电传感器的基本原理，并结合相关理论、物理意义与其结构进行具体分析。第9页 共17页2011-2012 学年第一学期期末考试试题答案及评分标准（A卷）课程名称：传感

6、器原理及应用试卷（开卷）使用班级：09060441/2, 09060241/2二. 填空题（每空1分，共18分）1 、传感器一般由敏感元件和转换元件两个基本部分组成。2、热电阻包括铂电阻 _和_铜电阻。Pt100是指在0 C的标准电阻值为 _100 Q。3、对于二阶传感器系统的阶跃响应，在 0 ： ：门 的情形下，阶跃信号输入时的输出信号为 衰减振荡，其振荡角频率（阻尼振荡角频率）为.d;幅值按 指数衰减.，越大，即阻尼越 大，衰减越 快 。4 、为了使测试结果能精确地再现被测信号的波形，在传感器设计时，必须使其阻尼比1固有频率W0至少应大于被测信号频率 W的35倍。5、直流电桥平衡条件相对两

7、臂电阻的乘积相等。6、 利用激振台对加速度传感器进行灵敏度标定的方法是比较标定法。7、 涡流传感器的测量属于非接触测量，特别是用于测量运动 的物体。&单晶硅在 （100）晶面上有最大的压阻系数，影响压阻系数大小的主要因素是扩散杂质的表面浓度、环境温度，压阻系数随扩散杂质浓度的增加而减小。二、（共6分）设平面与X轴、Y轴、Z轴的截矩分别为-3，-3，6,求晶其体的密勒指数，晶向，晶面， 晶面族。解：计算得到截矩的倒数为：-1/3，-1/3，1/6，化为三个没有公约数的整数-2，-2，1，-2分密勒指数为 221，-1分晶向为 221 ,-1 分晶面为 221 ,-1 分晶面族为221。-1分三、

8、（共6分）光电效应可分为哪几个类型？简单说明各类型对应的传感器基本原理。并分别列出以之为基础的各类光电传感器。答：光电效应可分为三类：（1 ）、外光电效应：指在光的照射下，材料中的电子逸出表面的现象。光电管及光电倍增管均属这类。-2分（2） 、内光电效应：指在光的照射下，材料电阻率发生改变的现象，光敏电阻 属此类。2分（3） 、光生伏特效应：利用光势垒效应，光势垒效应是指在光的照射下，物体内部产生一定方向的电势，光电池就是基于这种效应的。-2分四、（共6分）请简述热电效应，并说明热电偶测温回路的热电动势由哪两部分组成？由同一种导体组成的闭合回路能产生热电势吗？答：1） 两种不同类型的金属导体两

9、端分别接在一起构成闭合回路，当两个结点有温差时，导体回路里有电流流动会产生热电势，这种现象称为热电效应。-2分2） 热电偶测温回路中热电势主要是由接触电势和温差电势两部分组成。-2分3） 热电偶两个电极材料相同时，无论两端点温度如何变化无热电势产生。2分五、（共10分）1）、什么是传感器的静态特性和动态特性，各包含哪些方面指标？2）、简述在什么频域条件下只研究静态特性就能满足通常的需要。而在什么频域条件下一般要研究传感器的动态特性。3）、从传感器的静动态特性两个方面来考虑，请详述如何选用传感器？解：1）、传感器所测量的物理量基本有两种形式：一种是稳态（静态或准静态）的形式，这种 信号不随时间变

10、化（或变化的很缓慢）；另一种是动态（周期变化或瞬态形式）这种信号时随时 间而变化的。-2分传感器静态特性包括线性度、灵敏度、迟滞、重复性、输出输入。-2分动态特性指标：频域响应、时间常数、固有频率、阻尼比。-2分2 ）、在时域下只研究静态特性，在频域条件下研究动态特性。-2分3）、考虑传感器的静态特性的主要指标，选用线性度大，迟滞小，重复性好，分辨力强，稳定 性高，抗干扰稳定性高的传感器考虑动态特性，所选的传感器应能很好的追随输入量的快速变 化，即具有很短的暂态响应时间或者应具有很宽的频域响应。-2分六、（共10分）1为何种电容式传感器？图 1中a=根据工作原理可将电容式传感器分为哪几种类型？

11、图8mm b= 12mm两级板间距离为 1mm 一块极板在原始位置上平移了5mm后，求该传感器的位移灵敏度K （已知空气相对介电常数& = 1F/m,真空时的介电常数 & o= 8.854 X 10-12 F/m）。图1电容传感器解:根据工作原理可将电容式传感器分为：变面积型传感器、变介电常数型传感器、变间隙型 传感器。图为变面积式电容传感器。传感器的位移灵敏度K= A C/ Co/ X当有极板发生位移后电容为：C ；b（a-八a）二c_ ；b.,a-2分dd式中 a 极板的宽度；b 极板的长度；d极板的高度；电容的变化量为lC = C - C = La=C 2 分da灵敏度为lxAC/C1八

12、KC= 1/8=0.125（F/mm）=125（F/m）-1 分也a a七、（共8分）分析如图所示自感传感器当动铁心左右移动（x1,x2 ）发生变化时，自感L变化情况。已知空气所隙 的长度为x1和x2，空气隙的面积为S，磁导率为卩，线圈匝数W不变）。答:,IW（2分）Rm甲 W W2L =IIRm（2分）又nllln 1 1Rmix1x2h1。（2 分）iiiSi =1 叫Si%S。空气隙的长度x1和x2各自变，而其和不变，另其他变量都不变故L不变。（2分）八、（共10分）电阻应变片传感器与压阻式传感器的基本工作原理是什么？两者之间有什么区别和联系？答：电阻应变片传感器的原理：将电阻应变片粘贴

13、在弹性元件特定表面上，当力，扭矩，速度，加速度及流量等物理量作用于弹性元件时会导致元件应力和应变的变化，进而引起电阻应变片电阻的变化，经处理后以电信号的方式输出。-2分压阻式传感器是利用固体的压阻效应（固体收到力的作用后，其电阻率就要发生变化）制成一种测量装置，将电阻变化经电路处理后以电信号的方式输出。-2分区别与联系：A、任何材料电阻的变化率都是由下列决定，R/R丄P L S-2 分第15页 共17页第#页 共17页B、对金属应变片R/R = （1. E） r对半导体压阻：R/R=（12戈E） ；2电阻变化率都与应力成正比-2分-LC、对金属应变片中，一项很小，即电阻率变化率很小，有时可忽略

14、不计，而与PL 两项较大，即尺寸变化率大，故金属电阻变化率主要由与竺引起的；对半导体而言，SL S-与一？很小，一项很大，故半导体电阻的变化率主要由项决定。-2分L S?r九、（共8分）请以差动电感式传感器为例，从数学关系及基本原理上分析说明差动式传感器如何提高灵 敏度以及改善传感器的非线性误差。答：以差动变间隙式电感传感器为例来分析:特性方程分别为：LiL :-4 L :- 5L-.:6(/(J2 L 3W()()()0 0 0第16页 共17页L2 二 L01-（ ：、）（ ：、）20L :- 3 J-()4 -( )5 (. )600-1 分总的电容量变化为:L J丄丄2()2(62(-

15、1 分第17页 共17页第#页 共17页相对变化量为:占=2 一1 (二)(丄)4)4 -Lo、：0、：0-1对于单元件电感传感器的灵敏度系数为:AL . A5 1 S = / 0 = * 1 L,”01差动式电感式传感器的灵敏度系数为：1 一竺S =占/、.0 =2 .1忽略高次项，差动电感传感器的相对非线性误差二近似为第#页 共17页第#页 共17页2( j3A62():=(二)2 100% 心o-1 分第#页 共17页第#页 共17页-1 分由此可见，与单元件比较其灵敏度提高一倍，非线性大大减小。十、（共8 分）在对量程为10MPa的压力传感器进行标定时， 传感器输出电压值与压力值之间的

16、关系如下表所示，简述最小二乘法准则的几何意义，并讨论下列电压-压力直线中哪一条最符合最小二乘法准则？测量次数112345压力Xi （ MPa246810电压Yi（ V）10.04320.09330.15340.12850.072(1) y=5.00x-1.05(2) y=7.00x+0.09(3) y=50.00x-10.50(4) y=-5.00x-1.05(5) y=5.00x+0.07第18页 共17页第#页 共17页答：最小二乘法准则的几何意义在于拟和直线精密度高即误差小，也即找出一条直线，使得该直线各点与相应的实际输出的偏差的平方和最小。-2 分将几组x分别带入以上五式，与 y值相差

17、最小的就是所求:2 2 2(8.85 -10.043)(18.95 -20.093)(28.95 -30.153)2 2(38.95 -40.128)(48.95 -50.072)=5.435791(14.09 -10.043)2(28.09 - 20.093)2(42.09 - 30.153)2=878.327955(56.09 -40.128)2(70.09 - 50.072)2(3) ,89.5一10.043)2 丫89.5一20.093)2 1289.5 -30.153)2 =417430.774475+ (389.5 -40.128)2 +(489.5 -50.072)22 2 2丁

18、(11.05 10.043) +(21.0520.093) +(31.0530.153) (4)22=22698.994875+ (Y1.05 -40.128)2 +(-51.05-50.072)22 2 2(10.07 10.043)2 +(20.07 20.093)2 +(30.0730.153)2 (5) =22=0.083686 (最小)+ (40.07 -40.128) +(50.07 50.072)（5）式偏差最小，因此得到（5）式为所求。-5 分-1 分第#页 共17页第#页 共17页（共10分）F图是石英晶体压电效应示意图，请阐述压电传感器的基本原理，并结合相关理论、物理第#页

19、 共17页意义与其结构进行具体分析。A *十J6即B（b）石英晶体压电效应示意图第19页 共17页第#页 共17页答：当沿着一定方向对某些电介质施加力而使它变形时，其内部就产生极化现象，同时在 它的两个表面上便产生符号相反的电荷；当外力去掉后，有恢复不带电状态，这种现象称为压电效应。压电传感器的基本工作原理是利用某些物质的压电效应制作的传感器。-2分石英晶体的压电特性与其内部分子的结构有关，化学式:SiO 2,其一个晶体单元中包含三个硅离子Si 4+和 6个Q-,成对分布。当没有力作用时，Si4+与C2-在垂直于Z轴的XYZ平面上的投影恰好等效为正六边形排列，如下图a,其正负离子正好分布在正六

20、边形的顶角上，它们所形成的电偶极距Pi、P2、P3的大小相等，相互的夹角为120度，因为电偶极矩定义为电荷Q与间距L的乘积，P=Q- L,其方向是从负电贺指向正电何，其P1+F2+F3=0O-2分1） 、受到沿X轴方向的压力作用时，晶体沿X轴方向产生压宿，正负离子的相对位置发生变化，因正负电何不重合，电偶极矩在X轴方向上的分量 P1-P2-P3而增大，不等于零，在 X轴正向出现正电荷，其它方向分量为零，不出现电荷。-2分2） 、当晶体受到沿 Y轴方向的压力作用时，晶体沿Y轴方向产生压宿，正负离子的相对位置发生变化，如图虚线所示，因正负电何不重合，电偶极矩在X轴方向上的分量 R增大，P2和P3减小，不等于零，在 X轴正向出现正电荷，其它方向分量为零，不出现电荷。-2分3）、当沿Z轴方向施加力，因晶体在 X轴与Z轴方向的变形完全相同，所以，正负电荷中心保持重合，电偶极矩矢量和等于零。表明沿Z轴（光轴）方向施加作用力，晶体不会产生压电效应。-2 分第20页 共17页