经典传感器与检测技术的复习资料带答案

2007年10月高等教育自学考试全国统一命题考试 传感器与检测技术试卷

第一部分 选择题 (共24分)

一、单项选择题(本大题共12小题．每小题2分，共24分)

1．传感器的分辨力越高，表示传感器 A．迟滞越小 B．重复性越好

C．线性度越好 D。能感知的输入变化量越小 2．属于传感器静态特性指标的是、 A．量程 B．阻尼比

C．临界频率 D．固有频率

3．适合于使用红外传感器进行测量的被测物理量是

A．转速 B．温度 C．厚度 D．加速度

4．在下述位移传感器中．既适宜于测量大的线位移，又适宜于测量大的角位移的是

A．电容式传感器 B．电感式传感器 C．光栅式传感器 D．电阻应变式传感器 5．测量范围小的电容式位移传感器的类型为

A．容栅型 B．变介质型 C．变极距型 D．变极板面积型

6．当某些晶体沿一定方向受外力作用而变形时，其相应的两个相对表面产生极性相反 的电荷。去掉外力时电荷消失，这种现象称为 ，

A．压阻效应 B。压电效应 C．应变效应 D．霍尔效应 7．热敏电阻式湿敏元件能够直接检测

A．温度 B．温度差 C。绝对湿度 D．相对湿度

8．红外光导摄像管中，红外图像所产生的温度分布可以在靶面上感应出相应电压分布 图像的物理基础是

A．压电效应 B．电磁感应 C．光电效应 D．热电效应

第二部分 非选择题 (共76分)

二、填空题(本大题共12小题。每小题1分．共12分) 请在每小题的空格中填上正确答案。错填、不填均无分。

13．在不致引起规定性能指标永久改变的条件下，传感器允许超过测量范围的能力称为_______过载能力_______。

14．检測系统中，模拟式显示在读数时易引起______主观___误差。

16.传感器在同一工作条件下，对同一被测量进行多次连续测量所得结果之间不一致程度的指标， 称为_____重复性___

17。气敏传感器是一种将检測到的气体成份和___浓度______转换为电信号的传感器。 18。设一圆形截面绕线式位移传感器的线圈半径为5mm，共绕制100圈，线圈总电阻为1kΩ，则传感器的灵敏度为_____1/πmm_____ 。

21．热敏电阻常数小于零的是_____正_____温度系数的热敏电阻。（正温度系数PTC,负温度系数NTC，临界温度热敏电阻）

23．当信号的标准差变为原来信号的2倍时，信号的方差变为原来信号的___4______ 倍。24.周期信号频谱的特点是离散性、谐波性和_______收敛性_____ 。

三、问答题(本大题共6小题．每小题4分．共24分)

25．一般情况下，如何表示传感器的稳定性?

答：稳定性一般以室温条件下。经过一定的时间间隔后，传感器的输出与起始标定时输出的差异来表示。 (4分)

26．简述电荷放大器的特点及电荷放大器与压电式传感器相连时的特点。 答：电荷放大器的特点是：增益高，输入阻抗大。 (2分)

与压电式传感器相连时，其输出电压与压电元件的输出电荷成正比；电缆电容的影 响小。 (2分)

29．写出采样定理的数学表达式，并简要回答采样定理在实际应用中的意义。 答： 式中： fH-采样信号频谱中的最高频率分量。

(注：如答出“采样频率应大于采样信号频谱中的最高频率分量的2倍”同样 给3分)

在实际信号采集中，若不满足采样定理，将会丢失信息或使信号失真。 (1分)

四、计算题(本大题共3小题，每小题8分．共24分)

32．一种测温电路的测溫范围为0℃～200℃．其电路图如图所示。 图中

为感温热电阻；R0=10kΩ，工作电压E=10V，M、N两点的电位差

为输出电压UMN．(1)写出UMN的数学表达式。(2)求0℃到100℃时测量电路的灵敏度。

解：(1)

(3分)

(1分) (2)①当测量温度为O℃时，所对应的输出电压为

(1分)

②当测量温度为100℃时，所对应的输出电压为

(1分)

③0℃到100℃时的灵敏度为：

(1分)

(1分)

五、应用题(本大题共2小题，每小题8分。共16分)

34。某一转速测量装置由一个霍尔传感器和一个带齿圆盘组成，其输出信号经放大器放大后由记录仪记录，记录纸记录的信号如图所示。

(1)当带齿圆盘的齿数为Z=12，求被测转速为每分钟多少转? (2)带齿圆盘的材料采用铜材是否可行?为什么?

解：(1)由图可知，两时标线之间的脉冲数为15个，带齿圆盘的齿数Z=12，设带齿圆盘的轴的转速为n，

(2分)

(1分)

(2)不可以用铜材做带齿圆盘。 (1分) 因铜为非导磁性金属。 (2分)

(2分)

是能感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置(GB7665—87)。

1—1 传感器一般由哪几部分组成?试说明各部分的作用。

传感器一般由敏感元件、转换元件及基本转换电路三部分组成，如图1-1所示。

①敏感元件是直接感受被测物理量，并以确定关系输出另一物理量的元件(如弹性敏感元件将力、力矩转换为位移或应变输出)；

②转换元件是将敏感元件输出的非电量转换成电路参数(电阻、电感、电容)及电流或电压等电信号；

③基本转换电路则将该电信号转换成便于传输、处理的电量。

1—8 某测温系统由铂电阻温度传感器、电桥、放大器和记录仪四个环节组成，各自的灵敏度分别为：0.40／℃、0.02V／Ω、100(放大倍数)、0.2cm／V。(1)求该测温系统的总灵敏度；(2)已知记录仪笔尖位移为8cm时，求所对应的温度变化值。

2008年1月高等教育自学考试全国统一命题考试

传感器与检测技术 试卷

第一部分 选择题(共24分)

一、单项选择题 (本大题共12小题，每小题2分，共24分)

1．常用于测量大位移的传感器是 A．应变电阻式 B．涡流式

C．霍尔式 D．感应同步器 2．压电式传感器适合于测量

(当沿着一定方向施加力时，内不会产生极化的现象，同时在它的两个表面会产生符号相反的电荷，当去掉外力时，又重新回复不带电的状态，这种现象就是压电效应)

A．静态量 B．动态量

C．电荷量 D．位移量

3．下列关于涂覆膜型Fe3O4湿敏元件特性的描述正确的是 A．精度高 B．响应快

C．无湿滞效应 D．负感湿 4．变间隙式电容传感器的灵敏度与 A．间隙成反比 B．间隙成正比

C．间隙平方成反比 D．间隙平方成正比

5．半导体应变片的灵敏系数比电阻应变片的灵敏系数大 A．(10～30)倍 B．(30～50)倍 C．(50～70)倍 D．(70～90)倍

6．下列测力传感器中，属于发电型测力传感器的是 A。电容式 B．磁电感应式

C。自感式 D．应变式

7．为了抑制干扰，常采用的电路是 A．D／A转换器 B．A／D转换器

C．变压器耦合电路 D、调谐电路 10．铜电阻传感器在温度为0℃时的阻值有

A.1Ω、150Ω两种 B．50Ω、1OOΩ两种

C．100Ω、150Ω两种 D．150Ω、200Ω两种 第二部分 非选择题(共76分)

二、填空题 (本大题共12小题．每小题1分。共12分)

13．变磁通式速度传感器测速时，磁通周期变化，线圈产生感应电动势的_频率_与转速成正比。

14．传感器按输出信号的性质可分为_开关型(二值型)_、模拟型和数字型。 15．气敏元件按结构可分为_烧结型_、薄膜型和厚膜型。

19．当传感器的被测量有微小变化时，输出就有较大变化．表明该传感器的_灵敏度_较高。

20．利用差动更压器测量位移时．如果要求区别位移方向(或正负)可采用_相敏检波电路_。

21．在某些晶体的极化方向施加外电场，晶体本身将产生机械变形，当外电场撤去后，变形也随之消失，这种物理现象称_逆压电效应_。

22．红外图像传感器通常由红外敏感元件和电子_扫描_电路组成： 23．热电偶电动势由_温度差_电动势和接触电动势两部分组成。 24．采样定理可表述为__fs>2fH___。

27．试根据电容传感器的工作原理说明其分类： 答：（1）忽略边缘效应，两平行金属极板组成的电容器的电容C=(εS)/δ,ε：介电常数，S：极板间 覆盖面积。δ：极板距离。(2分)

(2)由上式知改变C的方法有三，故可分为：变极距型、变角积型、变介电常数型电容传感器。(2分)

28。简述半导体温度传感器测温原理。

答：半导体温度传感器以P—N结的温度特性为理论基础。(2分)

当P—N结的正向压降或反向压降保持不变时，正向电流和反向电流都随温度的改变而变化，而当正向电流保持不变时，P-N结的正向压降随温度的变化而近似线性变化。(2分)

29．为什么要对传感器信号进行线性化及温度补偿；

答：(1)环境温度对传感器的输出信号有较大影响，为消除其影响，故需进行温度补偿。(2分)

(2)传感器的输出信号与被测量之间的关系，并非线性，故在温度补偿前需进行线性化处理。(2分)

五，应用題 (本大题共2小题，每小题8分，共16分) 35．应用电容传感器测量金属带材在轧制过程中的厚度。要求： (1)画出原理图； (2)说明其工作原理。

答：． (1)

(4分)

(注：只画出上极板或下极板给两分，同时画出上、下极板给4分。)(2)在带材上下表面各置一块面积相等，与带材距离相等的极板，(1分)与板材形成两 个电容器，把两块极板用导线连接起来，成为一个极板，带材则是一个流动极板，其

C=C上+C下。(1分)金属带材在向前送进过程中，若厚度发生变化，将引起上、下

间隙变化，从而引起C上、C下变化，(1分)将其接入后续测量电路，可得与厚度变化

一致的电压信号(或直接从仪表上显示厚度变化)。(1分)

2007年1月高等教育自学考试全国统一命题考试 传感器与检测技术 试卷

第一部分 选择题(共24分)

一、单项选择题 (本大题共12小题．每小题2分．共24分)

在每小题列出的四个备选项中只有一个是符合题目要求的，请将其选出并将“答题卡”的相应代码涂黑。错涂、多涂或未涂均无分。 1．能感受被测信号并实现信号转换的装置称

A。传感器 B．记录仪器 C．试验装置 D．数据处理 2．表示传感器的静态输入与输出之间关系的实验曲线称为

A．理论直线 B．标定曲线 C．理论标定曲线 D．幅频特性曲线 3.变极距型电容传感器只适用于测量小位移是因为

A．电容量微弱，灵敏度太低 B．需要做非接触测量

C．传感器灵敏度与极板间距的平方成反比、D．灵敏度太高

5．压电材料按一定方向放置在电场小，其几何尺寸随之发生变化的现象称为 A．逆压电效应 B．压阻效应

C．压电效应 D．压磁效应 6．固体半导体摄像元件CCD是一种

A．PN结光电二极管电路 B．PNP型晶体管集成电路

C．MOS型晶体管开关集成电路 D．NPN型晶体管集成电路

7．在尘埃、油污、温度变化较大且伴有振动等干扰的恶劣环境下测量时。传感器的选用必须优

先考虑的因素是

A．响应特性 B．灵敏度 C．稳定性 D．精确度

8．测量不能直接接触的高温物体的溫度，可采用的温度传感器是 A．热电偶 B。热敏电阻 C．半导体二极管 D.亮度计

第二部分 非选择题(共76分)

二、填空题、 (本大题共12小题．每小题1分．共12分) 请在每小题的空格中填上正确答案。错填、不填均无分。

13．在机械力作用下。铁磁材料内部产生应力或应力变化，使磁导率发生变化，磁阻也相应发生变化的现象称为___压磁效应_____

14．半导体应变片的灵敏度比金属电阻应变片的灵敏度要____高____ 。

15差动变压器式电感传感器是将被测量的变化转换成_互感系数_的变化的一种传感器。 16．调制可以看成是调制信号与载波信号_相成_。

17．已知某传感器的灵敏度为ko，且灵敏度变化量为△ko，则该传感器的灵敏度误差计算公式为rs=__△k0/k0×100％___

22.交流电桥各桥臂的复阻抗分别为Z1、Z2、Z3、Z4，各阻抗的相位角分别为φ1、φ2、φ3、φ4，电桥平衡条件为Z1／Z4=Z2／Z3，那么相位平衡条件应力__φ1+φ3=φ2+φ4 ____：。 23.SnO2半导体气敏器件适宜检测浓度较_低_的微量气体。 三、问答题 (本大题共6小题。每小题4分，共24分)

25．压电式传感器的前置放大器的作用是什么?电压式与电荷式前置放大器各有何特点? 答：(1)作用是放大压电元件输出的微弱信号，并把高阻抗变换为低阻抗输出。(2分) (2)电压放大器电路简单、成本低廉，但其灵敏度易受电缆分布电容的影响。(1分) 电荷放大器灵敏度受电缆分布电容的影响很小，可忽略不计，但价格较高，电路较复 杂，调整较困难。(1分)

26．什么是传感器的静态特性?有哪些主要指标? 答：(1)当传感器的输入量为常量或随时间作缓慢变化时，传感器的输出与输入之间的关系，称为传感器的静态特性。(2分)

(2)表征传感器静态特性的主要指标有：灵敏度、线性度、重复性、分辨率、回程误差、精确度等。

27．金属电阻丝应变片与半导体应变片的工作原理是什么? 答：金属电阻丝应变片的工作原理是在力的作用下，主要由敏感丝栅的几何尺寸变化引起的电阻值的变化(2分)。半导体应变片的工作原理是基于压阻效应，即在力的作用下 主要由敏感丝栅的电阻率变化而引起的电阻值的变化。(2分)

28．热电偶测温为什么要进行参考端温度补偿?有哪几种参考端温度补偿方法?

答：(1)因为热电偶的输出电动势仅反映出两个结点的温度差，为了使输出电动势能正确

反映被测温度的真实值，要求参考端恒为0℃，而实际热电偶使用的环境不能保证这 点，所以要进行补偿。(2分)

(2)补偿方法：0℃恒温法、计算修正法、仪表机械零点调整法、电位补偿法、电桥补偿法， 冷端延长线法．(注：答对3个即可)(2分)

四、计算题 (本大题共3小题，每小题8分，共24分)

31．如题3l图所示正方形平板电容器，极板长度b=4Cm，极板间距离δ0=0.2mm，若用此传感器测量位移X，试计算此传感器的灵敏度．(极板间介质为空气，

题31图

31．解：等效电路如答3l图所示 (1分)

(注：直接指出总电容等效为四个电容的并联也可给分)

答31图

五、应用题 (本大题共2小题，每小题8分。共16分)

34．设计利用涡流位移传感器测量转速的装置，并说明其工作原理．

34．1-电涡流位移传感器 2-带齿圆盘 答34图

答：装置如答34图所示(3分)。

在被测物上设定有等矩标记(如凸齿)，当被测物转动时，传感器线圈阻抗变化，产生 脉冲信号，测得单位时间内的脉冲个数即可求得转速和角速度。(3分)

其中n-被测转速，f-传感器输出周期信号的频率，z-齿轮齿数 35．用电阻应变片及双臂电桥测悬臂梁应变ε(贴片及电桥线路如题35图）。已知R1=R1′= R2=R z′=120Ω，上下贴片位置对称；应变片灵敏度系数K=2，应变为ε=10000×10-6电桥电源电压e0=3V．

求：(1)求图(b)中电桥输出电压ey和△R．(6分) (2)求图(c)中电桥输出电压e′y。(2分)

题35图

35．解：(1)由题意可知

2—5 一应变片的电阻R0=120Ω，K=2.05，用作应变为800μm/m的传感元件。(1)求△R与△R/R；(2)若电源电压Ui=3V，求其惠斯通测量电桥的非平衡输出电压U0。 解：由 K=

?R/R? ，得

?R800?m?K??2.05?6?1.64?10?3 R10?m则

ΔR=1.64×10?3 ×R=1.64×10?3 ×120Ω=0.197Ω

其输出电压为

U0?Ui?R3???1.64?10?3?1.23?10?3?V?=1.23(mV) 4R42—6 一试件的轴向应变εx=0.0015，表示多大的微应变(με)？该试件的轴向相对伸长率

为百分之几?

解： εx =0.0015=1500×10-6 =1500(?ε) 由于

εx =Δl/l

所以

Δl/l=εx =0.0015=0.15%

2—7 某120Ω电阻应变片的额定功耗为40mW，如接人等臂直流电桥中，试确定所用的激励电压。

解：由电阻应变片R=120?，额定功率P=40mW，则其额定端电压为

U=PR?120?40?10?3?2.19V

当其接入等臂电桥中时，电桥的激励电压为

Ui =2U=2×2.19=4.38V≈4V

2—8 如果将120Ω的应变片贴在柱形弹性试件上，该试件的截面积S=0.5×10-4m2，材料弹性模量E=2×101lN/m2。若由5×104N的拉力引起应变片电阻变化为1.2Ω，求该应变片的灵敏系数K。

解：应变片电阻的相对变化为

?R1.21???0.01 R120100 柱形弹性试件的应变为

F5?104?????0.005；

ESE0.5?10?4?2?1011? 应变片的灵敏系数为

K??R/R??0.01?2 0.0052—11 在材料为钢的实心圆柱试件上，沿轴线和圆周方向各贴一片电阻为120Ω的金属应变片R1和R2，把这两应变片接人差动电桥(参看习题图2—11)。若钢的泊松比μ=0.285，应变片的灵敏系数K=2，电桥的电源电压Ui=2V，当试件受轴向拉伸时，测得应变片R1的电阻变化值△R=0.48Ω，试求电桥的输出电压U0；若柱体直径d=10mm，材料的弹性模量E=2×1011N/m2，求其所受拉力大小。

习题图2-11 差动电桥电路 解：由?R1/R1=K?1，则

?1?所以电桥输出电压为

?R/R10.48/120??0.002 K2?2= ???1= ?0.285?0.002= ?0.00057

UiK??1??2?4 2??2?(0.002?0.00057)4?0.00257(V)?2.57mV?F当柱体直径d=10mm时，由 ?1?，得 ?ES?EU0?F??1ES?0.002?2?1011??3.14?104(N)???10?10?3?42

3—16 有一只差动电感位移传感器，已知电源电Usr=4V，f=400Hz，传感器线圈铜电阻与电感量分别为R=40Ω，L= 30mH，用两只匹配电阻设计成四臂等阻抗电桥，如习题图3—16所示，试求：

(1)匹配电阻R3和R4的值；

(2)当△Z=10时，分别接成单臂和差动电桥后的输出电压值；

?与输入电压U?之间的相位差。 (3)用相量图表明输出电压Usrsc

习题图3-16 解：（1） 线圈感抗

XL=?L=2?fL=2??400?30?10?3=75.4（?） 线圈的阻抗

Z?R2?XL?402?75.42?85.4???

2 故其电桥的匹配电阻(见习题图3-16)

R3 = R4 =Z=85.4（?）

（2）当ΔZ=10?时，电桥的输出电压分别为

单臂工作： Usc?Usr?Z410???0.117?V?

4Z485.4双臂差动工作：

Usc?Usr?Z410???0.234?V?

2Z285.4R40?tan?1?27.9? ?L75.4?1 （3） ??tan

4—2 试计算习题图4-2所示各电容传感元件的总电容表达式。

(a) (b) (c)

习题图4-2

解：由习题图4-2可见

（1）图(a)等效为三个平板电容器串联 C1?总电容量为

?1Sd1， C2??2Sd2， C3??3Sd3

ddd1111????1?2?3C串C1C2C3?1S?2S?3S

d1?2?3?d2?1?3?d3?1?2??1?2?3S故

C串??1?2?3SS?d1?2?3?d2?1?3?d3?1?2d1/?1?d2/?2?d3/?3C1?C2?C?

（2）图(ba)等效为两个平板电容器并联

?Sd；C并?C1?C2?2C?2?S d （3）图(c)等效为两柱形电容器并联，总电容量为

C?2??0(L?H)2??0L2?(???0)2??H???H

ln?d2/d1?ln(d2/d1)ln(d2/d1)ln(d2/d1)7—16 已知铜热电阻—Cul00的百度电阻比W(100)=1.42，当用此热电阻测量50℃温

度时，其电阻值为多少?若测温时的电阻值为92Ω，则被测温度是多少? 解：由 W（100）=R100 /R0 =1.42，则其灵敏度为

K?R100?R01.42R0?R00.42R0100?0.42????0.42?/oC

100?0100100100??则温度为50℃时，其电阻值为

R50 = R0 +K×50=100+0.42×50=121(?)

当Rt=92?时，由Rt = R0 +Kt，得

t=( Rt﹣R0)/K=(92?100)/0.42=﹣19(℃)

7—21 参考电极定律有何实际意义?已知在某特定条件下材料A与铂配对的热电势为13.967mV，材料B与铂配对的热电势是8.345mV，求出在此特定条件下，材料A与材料B配对后的热电势。

解：由标准电极定律

E (T,T0 )=EA铂(T,T0 )?EB铂 (T,T0 )

=13.967?8.345=5.622(mV)

7-23 镍铬-镍硅热电偶灵敏度为0.04mV/℃，把它放在温度为1200℃处，若以指示仪表作为冷端，此处温度为50℃，试求热电势大小。 解： E(1200,50)= (1200?50)×0.04=46(mV)

8—17 利用Snell定律推导出临界角θC的表达式。计算水与空气分界面(n水=1.33)的θC

值。

解： n水sin?c =n0 sin?/2=n0

sin?c= n0 / n水

?c =arcsin1/1.33=48.76°

8—18 求光纤n1=1.46，n2=1.45的NA值；如果外部的n0=1，求光纤的临界入射角。

解：当n0 =1时

NA?n1?n2?1.462?1.452?0.1706

所以， ?c =sin-1 NA =9.82°

9—3 某霍尔元件l×b×d=10×3.5×1mm3，沿l方向通以电流I=1.0mA，在垂直于lb面方向加有均匀磁场B=0.3T，传感器的灵敏度系数为22V/A·T，试求其输出霍尔电势及载流子浓度。

解： 由 KH =1/ned，得

（1） n=1/ (KH ed)=1/(22×1.6?10?19×1×10-3 )=2.84×1020 /m3 （2）输出霍尔电压

UH = KH IB=22V/A?T×1.0mA×0.3T

=6.6×10?3 V=6.6mV

9—8 若一个霍尔器件的KH=4mV/mA·kGs，控制电流I=3mA，将它置于1Gs~5kGs变化的磁场中(设磁场与霍尔器件平面垂直)，它的输出霍尔电势范围多大?并设计一个20倍的比例放大器放大该霍尔电势。

解： UH1 = KH IB1=4mV/Ma?kGs×3mA×1Gs=12μV UH2 = KH IB2=4mV/Ma?kGs×3mA×5kGs=60mV 设计放大倍数A=20的比例放大器，略

22

1．构成现代信息技术的三大支柱是传感器技术、通信技术、计算机技术，它们分别起到信息的采集、传输、处理作用。。

2．传感器的静态特性指标主要有线性度、线性度、迟滞、重复性、阈值、灵敏

度、稳定性、噪声、漂移等，而影响动态特性指标的主要参数是相位、振幅、频率。

3．红外传感器主要有热探测器（热电型）、光子探测器（光子型）两大类型。其中热释电元件通过光→热→电＿的两次转换过程实现红外检测的。 4．红外光敏二极管只能接收红外光信号，对＿其他＿ 光没有响应。

5．电容式传感器，变极距型多用于检测＿小位移＿，变面积型主要用于检测线位移、角位移，变介电常数型可用于检测液面高度、介质厚度、料位等参数。 6、把一导体(或半导体)两端通以控制电流I，在电流垂直方向施加磁场B，在另外两侧会产生一个与控制电流和磁场成比例的电动势，这种现象称霍尔效应；利用这一效应的制作的元件一般可用于检测位移、速度、加速度、转速、功率、电流。

7．压电元件的工作原理是利用压电效应；目前使用的压电材料主要有：压电晶体、压电陶瓷、高分子乙烯、半导体。

8．半导体材料在光线作用下，入射光强改变物质导电率的现象称光电导效应，基于这种效应的器件有光敏电阻；半导体材料吸收光能后在PN结上产生电动势的效应称光生伏特效应，基于这种效应的器件有光敏二极管、光敏晶体管、光伏电池。

9．两个不同的金属导体两端分别连在一起构成闭合回路，如果两端温度(T、To)不同时，回路中会产生电动势，这种现象称热电效应；热电势主要由接触电势和温差电势两个部分组成，所以能够产生热电势的必要条件是＿两种金属两端的接触和两端的温差＿。

10．检測系统中，模拟式显示在读数时易引起__主观__误差。

11.传感器在同一工作条件下，对同一被测量进行多次连续测量所得结果之间不一致程度的指标，称为重复性

12、利用差动更压器测量位移时．如果要求区别位移方向(或正负)可采用相敏检波电路。

13、采样定理可表述为fs>2fH。

14、半导体应变片的灵敏度比金属电阻应变片的灵敏度要 高 。

15、交流电桥各桥臂的复阻抗分别为Z1、Z2、Z3、Z4，各阻抗的相位角分别为

增加，使LM3914输入端(5)即M点电压升高，LED点亮的个数增加。这种简单方法可实现气体定性或半定量测量。 (4)调节电路中电位器Rp有什么作用?

在LM3914驱动器内部有10个相同的电压比较器，比较器同相端经分压电阻获得从小到大的阶梯参考电压，该电压从0.125V～1.25V均匀分压至10个比较器输入端，相邻两比较器输入参考电压差为0.125V，当输入电压

(最高位比较器比较电压)时，LED显示器全部被点亮，当输入电压(最低位比较器比较电压)时，LED全部熄灭，调节电路中电位器Rp是用于调节UIN到合适的电位。

3、设计利用涡流位移传感器测量转速的装置，并说明其工作原理．

答： 画图如下

装置如答上图所示

1-电涡流位移传感器 2-带齿圆盘

在被测物上设定有等矩标记(如凸齿)，当被测物转动时，传感器线圈阻抗变化，产生 脉冲信号，测得单位时间内的脉冲个数即可求得转速和角速度。

其中n-被测转速，f-传感器输出周期信号的频率，z-齿轮齿数

4、某一转速测量装置由一个霍尔传感器和一个带齿圆盘组成，其输出信号经放大器放大后由记录仪记录，记录纸记录的信号如图所示。

(1)当带齿圆盘的齿数为Z=12，求被测转速为每分钟多少转? (2)带齿圆盘的材料采用铜材是否可行?为什么?

答：(1)由图可知，两时标线之间的脉冲数为15个，

(2分)

带齿圆盘的齿数Z=12，设带齿圆盘的轴的转速为n，

(2分)

(1分)

(2)不可以用铜材做带齿圆盘。 (1分) 因铜为非导磁性金属。 (2分)

四、 简述题

1、传感器的性能参数反映了传感器的什么关系?静态特性参数中线性度描述了传感器的什么特征?传递函数的定义是什么? （5分）

答：传感器的性能参数反映了传感器的输入信号与输出信号之间的关系。 静态特性参数中线性度γL是表征实际特性与拟合直线不吻合的参数。 传感器的传递函数在数学上的定义是：初始条件为零(t≤0，y=0)，输出拉氏变换与输入拉氏变换之比，故输出的拉氏变换等于输入拉氏变换乘以传递函数，表示为

2．叙述反射式光纤位移传感器的工作原理，画出传感器的输出特性(位移-相对输出)曲线示意图，并在X、Y坐标上标出近似的实验参数值。说明利用反射式光纤位移传感器输出特性的前坡、后坡和光峰值可分别进行哪些物理量的检测。

答：反射式光纤位移传感器工作原理如图9—43a所示，光源经一束多股光纤将光信号传送至末端部，并照射到被测物体上。另一束光纤接收反射的光信号，并通过光纤传送到光敏元件上。 被测物体与光纤之间距离变化时，反射到接收光纤上的光通量发生变化。再通过光敏器件检测出光强的变化，从而实现位移测量。其工作原理及输出特性如图。

利用反射式光纤位移传感器输出特性的前坡、后坡和光峰值可分别进行下列检测。 前坡区输出信号的强度增加快，这一区域位移输出曲线有较好的线性

关系，可进行小位移测量(微米级)；后坡区信号随探头和被测体之间的距离增加而减弱，该区域可用于距离较远，而灵敏度、线性度要求不高的较大位移测量(毫米级)；光峰区信号有最大值，值的大小决定被测表面的状态，光峰区域可用于表面状态测量，如工件的光洁度或光滑度。

3．CCD器件的中文全称如何描述(英文含义)?CCD器件在结构上分为哪两个部分?这两个部分在器件工作时分别起到什么作用?

答：CCD ( Charge- Coupled Devices)电荷耦合器件又称图像传感器。 CCD图像传感器主要由光电转换（MOS光敏元阵列）和电荷读出（读出移位寄存器）两部分组成，光电转换的功能是把入射光转变成电荷，按像素组成电荷包存贮在光敏元件之中，电荷的电量反映该像素元的光线的强弱，电荷是通过一段时间(一场)积累起来的。产生与照在它们上面的光强成正比的光生电荷图像电荷读出是把各个电容器里的电荷依次传送到它处，再组成行和帧并经过“显影”，就实现了图像的传递。

4．热电偶测温为什么要进行参考端温度补偿?有哪几种端温度补偿方法? 答 (1)因为热电偶的输出电动势仅反映出两个结点的温度差，为了使输出电

动势能正确反映被测温度的真实值，要求参考端恒为0℃，而实际热电偶使用的环境不能保证这点，所以要进行补偿。

(2)补偿方法：0℃恒温法、计算修正法、仪表机械零点调整法、电位补偿法、电桥补偿法， 冷端延长线

5．根据图示光电开关的结构的应用图，画出其工作原理电路图

答；基本电路图如下:

1．灵敏度是指传感器在稳态下的输出变化对输入变化的比值,表达式为： 线性传感器

=y/x=k； 非线性传感器

。

2. 传感器在机器人系统中可以起到感官作用，如类似于人的视觉、听觉、嗅觉、味觉、触觉。

3．传感器最小检测量越小，则表示传感器灵敏度 越高。

4．交通警察进行酒后驾车检测时，一般通过检测＿酒精＿含量，检测系统通常采用＿气敏传感器。

5．金属应变片工作原理是利用 电阻应变 效应；半导体应变片工作原理是利用 压阻 效应。二者灵敏度系数主要区别是：金属应变片的电阻变化主要由 材料的应变 引起的，半导体应变片的电阻变化主要由 材料的电阻率变化 引起的。 6．块状金属导体置于变化的磁场中或在磁场中作切割磁力线运动时，导体内部会产生一圈圈闭合的电流，利用该原理制作的传感器称 电涡流式 传感器。当被测 金属导体 材料的物体靠近它时，利用线圈的 电流 变化进行非电量检测。

7．磁敏电阻利用 磁阻 效应；磁敏二极管是利用 半导体 在磁场中运动时受到作用的原理制成。

8．超声波的发射与接收换能器则是利用压电效应，其中超声波发射换能器是将 高频电振动 能转换为 机械振动 能，它是利用压电元件的 逆 压电效应。 9.核辐射传感器是利用放射性同位素的原子核在没有外力作用下，自动的发生衰变过程中释放出 α 、 β 、 γ 三种射线，核辐射传感器是通过核辐射与

物质间的 电离 、 吸收、散射和反射 相互作用进行测量。

10．在不致引起规定性能指标永久改变的条件下，传感器允许超过测量范围的能力称为 过载能力 。

11. 气敏传感器是一种将检測到的气体成份和 浓度 转换为电信号的传感器。 12．热敏电阻按温度特性有正温度系数(PTC)型、负温度系数(NTC)型、临界温度型三种类型。

13．当传感器的被测量有微小变化时，输出就有较大变化．表明该传感器的 灵敏度 较高。

14．在某些晶体的极化方向施加外电场，晶体本身将产生机械变形，当外电场撤去后，变形也随之消失，这种物理现象称逆压电效应。 15．热电偶电动势由温度差 电动势和 接触 电动势两部分组成。

16．已知某传感器的灵敏度为ko，且灵敏度变化量为△ko，则该传感器的灵敏度误差计算公式为rs= △k0/k0×100％

17.SnO2半导体气敏器件适宜检测浓度较 低 的微量气体。

18．为保证光在光纤端面入射时是全反射，必须满足全反射条件，即入射角θ ＜ θc。

8—17 利用Snell定律推导出临界角θC的表达式。计算水与空气分界面(n水=1.33)的θC值。

解： n水sin?c =n0 sin?/2=n0

sin?c= n0 / n水

?c =arcsin1/1.33=48.76°

8—18 求光纤n1=1.46，n2=1.45的NA值；如果外部的n0=1，求光纤的临界入射角。 解：当n0 =1时

NA?n1?n2?1.462?1.452?0.1706

所以， ?c =sin-1 NA =9.82°

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19．在光线作用下，物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象称为 外光电 效应，当光线照在物体上，使物体的电导率发生变化或产生光生电动势的现象叫做 内光电 效应

20．光栅尺移过一个栅距W=0.02mm时，栅线夹角θ=0.1°，则莫尔条纹移动一个条纹周期B= 11.4592 mm， （1°=0.0174532rad） 二、 选择填空

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