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第 1 页 共 9 页 传感器 与自动检测技术 模拟 试 卷 五 参考答案 试卷一 一、单项选择题（本大题共 10小题，每小题 2 分，共 20分） 在每小题列出的四个选项中只有一个选项是符合题目要求的，请将 正确选项前的字母填在题后的括号内。错选、多选和未选均不得分。 1、 A 2、 B 3、 C 4、 C 5、 D 6、 A 7、 D 8、 A 9、 A 10、 B 二、简答题（本大题共 5小题，每小题 6分，共 30分） 1、 什么是传感器动态特性和静态特性？简 述在什么条件下只研究静态特就 能够满足通常的需要，而在什么条件下一般要研究传感器的动态特性？ 实现不失真测量的条件是什么？ 答：传感器的动态特性，是指传感器对动态激励（输入）的响应（输出） 特性，即其输出对随时间变化的输入量的响应特性。 传感器的静态特性，是指它在稳态（静态或准静态）信号作用下的输 入 -输出关 系。静态特性所描述的传感器的输入、输出关系式中不含有时间 变量。 当输入量为常量或变化极慢时只研究静态特性就能够满足通常的需 要。 当输入量随时间变化时一般要研究传感器的动态特性。 实现不失真测量的条件是 ： 幅频特性： 常数）(A)j(H)(A 相频特性： )(t)( 0 线性 2、分析如图所示自感传感器当动铁心左右移动时自感 L变化情况（已知空 气隙的长度为 x1 和 x2，空气隙的面积为 S，磁导率为，线圈匝数 W不变）。 第 2 页 共 9 页 l X 1 X 2 W 答：线圈中自感量： m 2 RWIWIL 磁路总磁阻： S2lS2xS2xA2R 2100m 空气隙 x1 和 x2 各自变而其 和不变，其他变量都不变，所以自感量 L 不变。 3、 试从材料特性、灵敏度、稳定性等角度比较石英晶体和压电陶瓷的压电 效应。 答：石英晶体是单晶结构，且不同晶向具有各异的物理特性。石英晶体受 外力作用而变形时，产生压电效应 。 压电陶瓷是人工制造的多晶体压电材料，原始的压电陶瓷材料并不具 有压电性，必须在一定温度下做极化处理，才能使其呈现出压电性。 压电陶瓷的压电系数比石英晶体大得多（即压电效应更明显），因此 用它做成的压电式传感器的灵敏度较高。但稳定性、机械强度等不如石英 晶体。 4、什么是霍 尔效应？霍尔电势与哪些因素有关？如何提高霍尔传感器的灵 敏度？ 答： 当载流导体或半导体处于与电流相垂直的磁场中时，在其两端将产生 电位差，这一现象被称为霍尔效应。 霍尔电势 IBKdIBRn e dIB-v B bbEU HHHH 第 3 页 共 9 页 霍尔电势与霍尔电场 EH、载流导体或半导体的宽度 b、载流导体或半 导体的厚度 d、电子平均运动速度 v、磁场感应强度 B、电流 I有关。 霍尔传感器的灵敏度 ned1dRK H H 。为了提高霍尔传感器的灵 敏度，霍尔元件常制成薄片形状。又霍尔元件的灵敏度与载流子浓度成 反 比，所以可采用自由电子浓度较低的材料作霍尔元件。 5、光导纤维是利用哪种光学现象进行导光的？光纤的数值孔径有何意义？ 答：光导纤维是利用光的全反射现象进行导光的 。 光纤的数值孔径： 2221c nns inNA c 临界角 n1 纤芯折射率 n2 包层折射率 数值孔径是光纤的一个重要参数，它能反映光纤的集光能力，光纤的 NA越大，表面它可以在较大入射角范围内输入全反射光，集光能力就越强， 光纤与光源的耦合能力越容易，且保证实现全反射向前传播。但 NA 越大， 光信号的畸变也越大， 所以要适当选择 NA 的大小。 三、分析计算题（本大题共 3 小题，每小题 10 分，共 30分） 注意：自动化、电气专业的学生第 1 小题必做，并从第 2 4 小 题中选做两个小题；测控专业的学生 在 4 个小 题 中任选 3 个 小题 。 1、已知某金属棒的长度和温度之间的关系为 )1(0 tLLt 。在不同温 度下，测得该金属棒的长度如下表所示。请用最小二乘法估计 0时金属 棒的长度和金属的线膨胀系数 。 Cti / 10.0 40.0 70.0 100.0 mmLti/ 20.0 21.0 23.0 24.0 解 ：误差方程 iiti vtll )1(0 4321 ,i 第 4 页 共 9 页 令 01 lx ， 02 lx 系数矩阵 0.1001 0.701 0.401 0.101 A , 直接测得值矩阵 24 23 21 20 L , 被测量估计矩阵 21xxX 由最小二乘法： LAXAA ，则 1 6 6 0 02 2 0 2 2 04 1 0 01 701 401 101 1 0 0704010 1111AA 5 0 5 0 88 24 23 21 20 1 0 0704010 1111LA 018000 AA 42 2 0 2 2 01 6 6 0 01 8 0 0 011)( 2221 12111 AA AAAAAA 0 4 6 7.0 4 3 3 3.195 0 5 08842 2 0 2 2 01 6 6 0 01 8 0 0 01 1 LAAAX )(4.1910 mmxl )(/104.2 43.190 4 6 7.0 302 Clx 2、 有一台变间隙非接触式电容测微仪，其传感器的极板半径 r=5mm，假设 与被测工件的初始间隙 d0=0.5mm。已知试真空的介电常数等于 8.854 第 5 页 共 9 页 10-12F/m，求： （ 1）如果传感器与工件的间隙变化量增大 d=10 m，电容变化量为多少？ （ 2）如果测量电路的灵敏度 Ku=100mV/pF,则在间隙增大 d=1 m时的 输 出电压为多少？ 解 ： 电容式传感器的电容量： dAC r0 则初始电容量： 3 9 p F.15.0 102510108 5 4.8d AC 3-6120r00 间隙变化后的电容量： 3 6 p F.1105 0 0 102510108 5 4.8dd AC 6-6120 r0 则电容变化量： 0 .0 3 p F1 .3 6-39.1CCC 0 灵敏度 pFmV100CUK OU ，所以 pFmV100CU O 则： 7 8 m V.21 0 0)5 0 115 0 01(102510108 5 4.8 1 0 0)dd 1d 1(AU 66-12 00 r0O 3、使用镍铬 -镍硅热电偶，其基准接点为 30 ，测温接点为 400 时的 温差电动势为多少？若仍使用该热电偶，测得某接点的温差电动势为 10.275mV，则被测接点的温度为多少？ 镍铬 -镍硅热电偶分度表 （参考端温度为 0） 工作 端温 度 / 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 热电动势 /mV 0 0.000 0.397 0.798 1.203 1.611 2.022 2.436 2.850 3.266 3.681 100 4.095 4.508 4.919 5.327 5.733 6.137 6.539 6.939 7.338 7.737 200 8.137 8.537 8.938 9.341 9.745 10.151 10.560 10.969 11.381 11.793 300 12.207 12.623 13.039 13.456 13.874 14.292 14.712 15.132 15.552 15.974 400 16.395 16.818 17.241 17.664 18.088 18.513 18.938 19.363 19.788 20.214 500 20.640 21.066 21.493 21.919 22.346 22.772 23.198 23.624 24.050 24.476 第 6 页 共 9 页 解 ：由分度表查得 E（ 30， 0） =1.203mV， E（ 400， 0） =16.395mV。 由中间温度定律 E（ t,t0） =E(t,tc)+E(tc,t0)有： E（ 400， 30） =E（ 400， 0） -E（ 30， 0） =16.395-1.203=15.192mV 由分度表查得 E（ 250， 0） =10.151mV， E（ 260， 0） =10.560mV。 由插值法 )tt( EE EEtt LHLH LMLM 得： 10151.10560.10 151.10275.10250t M =253 4、 利用某循环码盘测得结果为“ 1010”，设循环码盘的电刷初始位置为 “ 0000”， 该码盘的最小分辨率是多少？其实际转过的角度是多少？如果 要求每个最小分辨率对应的码盘圆弧长度最大为 1mm，则码盘半径应有多 大？ 解 ：该循环码为 4位码盘， 则该码盘的最小分辨率为 5.222360 4 循环码“ 1010”对应的二进制码为“ 1100”。 二进制码“ 1100”对应的十进制数是“ 12”。 则码盘实际转过的角度是 12 22.5 =270 5.221360R2 ，则码盘半径 R=2.55mm 第 7 页 共 9 页 试卷二 综合设计分析 题（本大题共 20分）。 在如图所示的悬臂梁测力系统中，可能用到 4个相同特性的电阻应变 片 1R , 2R , 3R , 4R ，各应变片灵敏系数 K=2，初值为 100 。当试件受力 F 时，若应变片要承受应变，则其平均应变为 = 1000 m/m。测量电路的电 源电压为直流 3V。 （ 1）若只用 1个电阻应变片构成单臂测量电桥，求电桥输出电压及电 桥非线性误差。 （ 2）若要求用 2个电阻应变片测量，且既要保持与单臂测量电桥相同 的电压灵敏度， 又要实现温度补偿，请画图标出 2个应变片在悬 臂梁上所贴的位置 ，绘出转换电桥，标明这 2个应变片在桥臂中 的位置 ？ （ 3）要使测量电桥电压灵敏度提高为单臂工作时的 4倍，请画图标出 各个应变片在悬臂梁上所贴的位置， 绘出转换电桥，标明各应变 片在各桥臂中的位置，并给出此时 电桥输出电压及电桥非线性误 差大小？ 解 ：（ 1）设用电阻应变片 1R 作测量电桥的测量臂，其他桥臂电阻初值为 100。 KRR 11 )(2.01001 0 0 0211 RKR %2.01002.01 1 RR F 第 8 页 共 9 页 设当 1R 有 R1的变化时，电桥输出电压为 1OU ： )(0 0 1 5.0)212.02 0 0 2.01 0 0(3)212( 11 111 VERR RRU O 非线性误差： %1.0%100 2/1 2/ 11 11 RR RRrL （ 2）应该在悬臂梁的 正（反）面沿梁的长度方向轴向贴测量应变片， 沿与梁的长度方向轴垂直的方向贴温度补偿应变片，使得测量应变片和温 度补偿应变片处于同一温度场中，如图所示。 （ 3）要使电桥电压灵敏度为单臂工作时的 4倍，则应该在悬臂梁的正反面 对应贴上四个相同的应变片， 2个受拉应变， 2个受压应变，形成全桥差动 电桥，见图。 此时， )(006.0 1 12 VRREU O ， 0Lr R 2 1 应变片粘贴 R 1 R 3 R 2 R 4 U o a b U 测量电桥 第 9 页 共 9 页 R 1 R 1 A C B E D R 2 R 2 U o 2 R 3 - R 3 R 4 R 4 - 测量电桥 R 1 R 3 R 4 R 2 应变片粘贴