微机原理复习题及答案-复习提纲

汽车传感器技术复习

一、判断

1．应变式压力传感器是由弹性膜片和电阻应变片组成，其中弹性膜片是敏感元件，电阻应变片是转换元件。 （ √ ）

2．因为电桥电压灵敏度正比于电桥供电电压，所以工作时我们应该使供桥电压尽可能的高。 （ × ）

3．采用差动式电容传感器后，使其灵敏度比没使用差动式前提高一倍，而非线性误差没有变化。 （ × ）

4．对于变极距型电容传感器来说，其电容值和电容极板的距离是成线性关系的。 （ × ）

5．在热电偶中插入第三种材料，只要插入材料两端的温度相等，对热电偶的总热电势没有影响。 （ √ ）

6．压电式传感器是属于有源传感器。 （ √ ） 7．在石英晶体中，电偶极矩矢量和所指的方向就是能产生正电荷的表面。 （ √ ）

8．当光线大于某一强度照射物体时，不管光线的频率多少，都会发生光电效应。 （ × ）

9．当光由光疏介质射向光密介质时，只要入射角大于某一角度，就会发生全反射。 （ × ）

10．红外光的光热效应对不同的物体是各不相同的，热能强度也不一样。 （ √ ）

1．按能量关系，压电式是无源传感器。 （ × ） 2． 因为电桥电压灵敏度正比于电桥供电电压，所以工作时我们应该使供桥电压尽可能的高。 （ × ）

3． 采用差动式电容传感器后，使其灵敏度和非线性误差都没有变化。 （ × ）

4． 对于变介质型电容传感器来说，其电容值和介电常数是成非线性关系的。 （ × ）

5． 只有化学成分不同的两种半导体材料组成的热电偶，其两端点间的温度不同时，才能产生热电势。 （ √ ）

6． 在石英晶体中，沿电轴y方向施加作用力后的压电效应为纵向压电效应。 （ × ）

7． 在压电晶片的连接方式中，如果采用两块压电片的并联连接方式，则输出的总电容为单片电容的0.5倍。 （ × ）

8． 光敏电阻是利用其受光照射时，电导率发生改变的原理来进行工作的，属于内光电效应。 （ √ ）

9． 传感器在稳态下输出量y与输入量x的比值，称为传感器的灵敏度。 （ × ）

10． 由于压电式传感器一般情况下都能产生较多的电荷，所以可以用于测量静态信号。 （ × ）

1.压力传感器是由弹性膜片和电阻应变片组成，其中弹性膜片是敏感元件，电阻应变片是转换元件。 （ √ ）

2．采用差动式电容传感器后，其灵敏度比没使用差动式前提高一倍，而非线性误差减小一个数量级。 （ √ ）

3．对于变极距型电容传感器来说，其电容值和极板距离是成线性关系的。 （ × ）

4．化学成分不同的两种材料组成的热电偶，若两个接点的温度相同，回路中的总热电势也等于零。 （ √ ）

5．在石英晶体中，电偶极矩矢量和所指的方向就是能产生正电荷的表面。 （ √ ）

6．当光线大于某一频率照射某物体时，不管光线的强度多少，都会发生光电效应。 （ √ ）

7．光电荷仅与光积分时间成正比。 （ × ） 8．光敏电阻是利用其受光照射时，电导率发生改变的原理来进行工作的，属于内光电效应。 （ √ ）

9．当光由光密介质射向光疏介质时，只要入射角大于某一角度，就会发生全发射。 （ √ ）

10．当温度恒定时，在磁场内，磁阻与磁感应强度B成正比。（ × ） 1．按能量关系，压阻式传感器是有源传感器。 （ √ ） 2． 应变式压力传感器是由弹性膜片和电阻应变片组成，其中弹性膜片是敏感元件，电阻应变片是转换元件。 （ √ ）

3． 对于变极距型电容传感器来说，其电容值和极板距离是成线性关系的。 （ × ）

4． 如果两种导体分别与第三种导体组成的热电偶所产生的热电势已知，则此两种导体组成热电偶的电势就已知。 （ √ ）

5． 在石英晶体中，沿电轴x方向施加作用力后的压电效应为纵向压电效应。 （ √ ）

6． 光电荷与光照强度和光积分时间成正比。 （ √ ）

8．红外探测器是根据热电效应和光子效应制成的。 （ √ ） 9．光电池是利用光生伏特的原理来进行工作的，其属于外光电效应的一种。 （ × ）

10．红外光的光热效应对不同的物体是各不相同的，热能强度也不一样。 （ √ ）

1．对于变极距型电容传感器来说，其电容值和极板距离是成线性关系的。 （ × ）

2．化学成分相同的材料组成的热电偶，即使两个接点的温度不同，回路的总电势也等于零。 （ √ ）

3．光敏电阻是利用其受光照射时，电导率发生改变的原理来进行工作的，属于外光电效应。 （ × ）

4．当光由光密介质射向光疏介质时，只要入射角大于某一角度，就会发生全反射。 （ √ ）

5．红外探测器是根据热电偶效应和光子效应制成的。 （ × ） 1. 采用差动式电容传感器后，使其灵敏度没有变化，而非线性误差比没使用差动式前减小一个数量级。 （ × ）

2. 在热电偶中插入第三种材料，只要插入材料两端的温度相等，对热电偶的总热电势没有影响。 （ √ ）

3. 光电池是利用光生伏特的原理来进行工作的，其属于外光电效应的一种。 （ × ）

4. 斯忒潘－波尔兹曼定律是指物体温度越高，它辐射出来的能量越大。 （ √ ） 二、填空

1． 一般说来，传感器应由敏感元件、转换元件和其他辅助部件组成。 2． 传感器在稳态下输出增量△y与输入增量△x的比值，称为传感器的灵敏度。

3． 传感器的输出量与输入量之间的实际关系曲线偏离直线的程度，称为传感器的线性度（非线性误差）。

4． 按能量关系，可将传感器分为有源传感器和无源传感器。压电式、热电式和压阻式传感器是有源传感器。电阻式、电容式和电感式是无源传感器。

5． 应变式压力传感器是由弹性膜片和电阻应变片组成，其中弹性膜片是敏感元件，电阻应变片是转换元件。

6． 在电阻应变片的电桥测量电路中，要减小或消除非线性误差的方

法有：提高桥臂比；采用差动电桥；采用高内阻的恒流源电桥。尽可能提高供桥电源的利弊：电桥电压灵敏度正比于电桥供电电压，供桥电压愈高，电桥电压灵敏度愈高，但是供桥电压的提高，受到应变片允许功耗的限制，所以一般供桥电压应适当选择。

7． 直流电桥的平衡条件是什么？（R1，R2为相邻，R1，R4为相对）R1R4?R2R3。

8． 在变极距型电容式传感器中，当极板距离变化量Δd满足

?d??d0时，变化后的电容值C1和Δd近似成线性关系。

9． 在电容的两个极板之间放置云母片的好处是：改善击穿条件。

10． 差动式电容（变磁阻式自感传感器－>差动自感传感器等）传感器相比非差动式，其灵敏度有和变化：提高一倍；其非线性误差有和变化：

?d?d?100%??()2?100%。 d0d011． 电容传感器可以分为：变极距型，变极板面积型，变介质型三大类。

12． 热电偶产生的热电势由接触电势和温差电势两部分组成。 13． 在热电偶中插入第三种金属，如何保证对总电势没有影响：插入材料的两端温度相等。

14． 对热敏电阻进行线性化处理的最简单方法是：用温度系数很小的精密电阻与热敏电阻串联或并联构成电阻网络代替单个热敏电阻。

15． 集成温度传感器最大的优点是直接给出正比于绝对温度的理想的线性输出。

16． 石英晶体中，电偶极矩的值为：P＝ql。

17． 在石英晶体的x方向施加作用力Fx，则在与电轴垂直的平面上将产生电荷qx，其大小为qx＝d11Fx。

18． 在压电晶片的连接方式中，如果采用两块压电片的并联连接方式，则输出的总电容为单片电容的2倍。

19． 在压电晶片的连接方式中，如果采用两块压电片的串联连接方式，则输出的总电容为单片电容的0.5倍。

20． 压磁式传感器利用铁磁材料的压磁效应，在受外力作用时，铁磁材料内部产生应力或应力变化，引起铁磁材料导磁率的变化而制成。

12?A0。 21． 爱因斯坦的光电效应方程是h??mv0222． 光纤传感器按其原理可以分为两大类：一类是传光型，另一类是 传导型。

23． 光纤按传输模数，可以分为单模光纤和多模光纤。

24． 当平面偏振光在磁场作用下，使偏振光的振动面发生旋转，这种现象称为法拉第效应。

25． 利用外界因素改变光纤中光波的相位，通过检测光波相位变化来测量物理量的原理称为相位调制。

26． 利用被测量的一些因素改变光纤中光的强度，再通过光强的变化来测量外界物理量，称为强度调制。

27． 根据光纤的折射率的分布函数，普通光纤可分为阶跃型和梯度型两类。

28． 光电荷与光照强度和光积分时间成正比。

29． 面型CCD图像传感器由感光区、信号存储区和输出转移部分组成。

30． 光敏电阻在未受到光照射时的阻值称为暗电阻，此时流过的电流称为暗电流。在受到光照射时的电阻称为亮电阻，此时的电流称为亮电流。亮电流与暗电流之差称为光电流。

31． 在光电倍增管中，一个光子在阴极上能够打出的平均电子数叫做光电阴极的灵敏度。一个光子在阳极上产生的平均电子数叫做光电倍增管的总灵敏度。

32． 当温度恒定时，在磁场内，磁阻与磁感应强度B的平方成正比。 33． 霍尔元件在加控制电流单不加外磁场时出现的霍尔电势称为零位误差。

34． 当一载流导体置于磁场中时，其电阻会随磁场而变化，这种现象称为磁阻效应。

35． 气敏传感器通常由气敏元件、加热器和封装体等三部分组成。 36． 半导体气敏传感器按照半导体与气体的相互作用时在其表面，还是在内部，可分为表面控制型和体控制型。

37． 红外探测器一般由光学系统、敏感元件、前置放大器和信号调制器组成。

38． 用超声波使物体或物性变化的功率应用，称之谓功率超声；用超声波获取若干信息，称之谓检测超声。

39． 闪烁计数器由闪烁晶体和光电倍增管组成。

40． 若投射到探测器上的红外辐射功率所产生的输出电压正好等于探测器本身的噪声电压，这个辐射功率就叫做噪声等效功率。

41． 一个物体向周围辐射热能的同时也吸收周围物体的辐射能，我们

把这种现象称之为希尔霍夫定律。

42． 在外来光的激发下，如果受激辐射大于受激吸收，原子在某高能级的数目就多于低能级的数目，相对于原子正常分布状态来说，称之为粒子数反转。

43． 光栅的基本元件是主光栅和指示光栅（从光栅）。

44． 编码器主要分为脉冲盘式和码盘式（绝对编码器）两大类。 45． 对于一个四位的码盘式编码器，其所能分辨的最小角度是22.5°。

46． 对于一个八位的码盘式编码器，其所能分辨的最小角度是1.4°。

三、名词解释

1． 传感器。传感器是指那些对被测对象的某一确定的信息具有感受（或响应）与检出功能(1分)，并使之按照一定规律转换(1分)成与之对应的有用输出信号的元器件或装置(1分)。

2． 灵敏度。传感器在稳态下输出增量△y(1分)与输入增量△x的比值(1分)，称为传感器的灵敏度(1分)。

3． 应变效应。导体或半导体材料在受到外界力（拉力或压力）作用时(1分)，产生机械变形(1分)，机械变形导致其阻值变化(1分)，这种因形变而使其阻值发生变化得现象称之为“应变效应”。

4． 压阻效应是指对于半导体材料(1分)，当某一轴向受外力作用时(1分)，其电阻率ρ发生变化的现象(1分)。

5． 电涡流。电感线圈产生的磁力线经过金属导体时(1分)，金属导体就会产生感应电流(1分)，该电流的流线呈闭合曲线，类似于水涡形状，称之为电涡流。(1分)

6． 热电偶的第三导体定律。在热电偶中插入第三种材料(1分)，只要插入材料两端的温度相同(1分)，对热电偶的总热电势没有影响(1分)。

7． 压电效应。对某些材料沿一定方向施力而使其变形，内部产生极化现象(1分)，在其两表面将产生极性相反的电荷(1分)，当外力去掉后，表面又回到不带电状态。这种现象就是“压电效应”。 (1分)

8． 压磁效应。在外力的作用下，引起铁磁材料内部发生应变(1分)，则产生应力或应力的变化(1分)，使各磁畴之间的界线发生移动，从而使磁畴磁化强度也发生相应的变化，这种现象称之为压磁效应。(1分)

9． 光敏电阻的工作原理。光敏电阻是基于光电导效应的工作原理(1分)。光电导效应是指在光线的作用下(1分)，电子吸收光子能量从键合状态过渡导自由状态，而引起材料电导率的变化(1分)。

10． 光电导效应。光电导效应是指在光线的作用下(1分)，电子吸收光子能量从键合状态过渡导自由状态(1分)，而引起材料电导率的变化(1分)。

11． 光电效应中的红限频率。在外光电效应中，光电子能否产生，取决于光子的能量是否大于盖物体表面电子逸出功A0(1分)。不同的物质具有不同的逸出功，这意味着每一种物质都有一个对应的光频域值，称为红限频率。(2分)

12． 全反射。当光从光密介质传向光疏介质时(1分)，当光大于临界

n角?c?arcsin2时(1分)，光线就没有折射现象发生，而全部反射回光密

n1介质中，这就是全反射现象。(1分)

13． 光电池的工作原理（光生电势）。其原理就是光生伏特效应。当光线照射到PN结上后，产生了电子空穴对(1分)，由于内建电场的作用，被光激发的电子移向N区外侧，被光激发的空穴移向P区外侧，(1分)从而使P区带正电，N区带负电，形成光电动势。(1分)

14． 单模光纤。单模光纤通常是指跃变光纤中内芯尺寸很小(1分)，光纤传输模数很少(1分)，原则上只能传送一种模数的光纤，常用于光纤传感器。(1分)

15． 多模光纤。多模光纤的纤芯直径远大于光的波长(1分)。通常指跃变光纤中内芯尺寸较大(1分)，传输模数很多的光纤(1分)。

16． 霍尔效应。一块半导体薄片，置于磁感应强度为B的磁场中(1分)，在它相对的两边通以控制电流I，且磁场方向与电流方向正交(1分)，则在另外两边将产生一个和I及B成正比的电势(1分)，称为霍尔电势。

17． 磁阻效应。当一载流导体(1分)置于磁场(1分)中，其电阻会随磁场而变化(1分)，这种现象称为磁阻效应。

18． 绝对湿度和相对湿度。绝对湿度是单位空间中所含水蒸气的绝对含量或者浓度或者密度(1.5分)；相对湿度是指被测气体中的水蒸气压和该气体在相同温度下饱和水蒸气压的百分比(1.5分)。

19． 放射性同位素。在核辐射传感器中(1分)，常有用α、β、γ和X射线的核辐射源，产生这些射线的物质通常是放射性同位素(1分)。所谓放射性同位素就是原子序列相同，原子质量不同的元素(1分)。

20． 希尔霍夫定律。一个物体向周围辐射热能的同时也吸收周围物体的辐射能，这就是希尔霍夫定律。(3分)

21． 斯忒潘－波尔兹曼定律。物体温度越高，它辐射出来的能量越大(1分)。可用公式表示：E???T2(2分)

22． 粒子数反转。在外来光的激发下(1分)，如果受激辐射大于受激吸收(1分)，原子在某高能级的数目就多于低能级的数目(1分)，相对于原子正常分布状态来说，称之为粒子数反转。

23． 莫尔条纹。将两块光栅（主光栅、指示光栅）叠合在一起(1分)，并使它们的刻线之间成一个很小的角度(1分)，在与光栅刻线垂直的方向，将出现明暗相间的条纹，这些条纹就称为莫尔条纹(1分)。 四、简答

1． 什么是传感器的动态特性？其分析方法有哪几种？

传感器的动态特性是传感器对输入激励的输出响应特性(3分)。具体研究时，通常从时域或频域两方面采用瞬态响应法核频率响应法来分析(3分)。

2． 什么是线绕电位器式传感器的阶梯特性？

当电刷在变阻器的线圈上移动时(1分)，电位器的阻值随电刷从一圈移动到另一圈是不连续变化的(2分)，输出电压也不连续变化，而是阶跃式的变化(3分)。这就是线绕电位器式传感器的阶梯特性。

3． 什么是金属材料的应变效应，什么是半导体材料的压阻效应，试比较其相同点与不同点？

应变效应就是使作用在试件上的应变变化转变为电阻变化。金属材料的应变效应试由金属丝的几何尺寸变化和电阻率随应变而引起的变化两部分引起。(2分)

单晶硅材料在受到应力作用后，其电阻率发生明显变化，这种现象称为压阻效应。(2分)

相同点：都是将试件上的应变变化转换为电阻的变化。都具有如下优点：精度高；频率响应特性好；易于实现小型化；都具有非线性。

不同点：金属丝应变片的电阻变化主要是由金属丝的几何尺寸变化引起，一般金属的电阻率变化较小，对金属丝应变片的影响较小。

半导体应变片的电阻变化主要是由于压阻效应引起，压阻效应引起的变化叫应变效应的更为明显。(2分)

4． 为什么电容式传感器易受干扰，如何减小干扰？

因为连接电容极板的导线电容和传感器本身的泄漏电容很容易影响到电容的输出值中去(3分)。减小干扰的最主要方法是可以把电容传感器做成差动式。这样可以消除外界因素所造成的测量误差。(3分)

5． 试说明差动式变极距电容传感器和非差动式变极距电容传感器的工作原理的区别，并比较其灵敏度和非线性度的区别。

先写出非差动式变极距电容传感器的公式(2分)。差动式工作时，极距变化时，上下两个电容量一个增大一个减小，输出结构扩大为非差动式的两倍(2分)。所以差动式灵敏度要扩大一倍，且非线性度减小一个数量级。 (2分)

6． 试说明差动式电感传感器与差动变压器式传感器工作原理的区别，并说明其灵敏度和非线性度的区别？

差别在于前者是自感型传感器 ，利用的是自感系数的变化，而后者是互感型传感器，利用的是互感系数的变化。(3分)二者的灵敏度都比非差动型的要高一倍，而非线性度都要比非差动型的低一个数量级。(3分)

7． 什么是电涡流？电涡流传感器为什么也属于电感传感器？ 电感线圈产生的磁力线经过金属导体时，金属导体就会产生感应电流，该

电流的流线呈闭合曲线，类似于水涡形状，称之为电涡流。(3分) 由于电涡流式传感器等效电路参数均是互感系数M和电感L、L1的函数，故把这类传感器归为电感式传感器。(3分)

8．热电偶测温原理是什么，其测温时为什么要进行冷端温度补偿？ 热电偶测温的原理是利用热电效应产生的热电势。而热电势由接触电势和温差电势组成。无论是接触电势还是温差电势，都是两点的电势的差值，因此，在实际测量中，我们只要固定冷端的温度，那么热端的变化值就体现了被测端温度的变化。(3分)但是实际测量中，冷端也会受被测温度的影响，所以我们要通过冷端温度补偿来抵消这种影响。(3分)

9． 试证明在热电偶中接入第三种材料，只要接入的材料两端的温度相同，对热电势没有影响这一结论。

E?eAB(T)?eBC(T0)?eCA(T0)各回路温度相同时，E?eAB(T0)?eBC(T0)?eCA(T0)＝0eBC(T0)?eCA(T0)＝－eAB(T0)将上面两式带入最上面的式子中E?eAB(T)?eAB(T0)?eAB(T)?eBA(T0)如果按照图b的方式接入第三种材料，则E?eAB(T)＋eBC(T1)?eCB(T1)?eBA(T0)最终有：E?eAB(T)＋eBA(T0)答出其中的一种方式即可。(6分)

10． 什么叫热电效应，热电势由哪几部分组成，热电偶产生热电势的必要条件是什么？

将两种不同的金属两端分别相连，并使其两端处于不同的温度之中，

此时在金属中就会有电流产生，这种现象就是热电效应。(2分)

热电势由接触电势和温差电势两部分组成。(2分)

热电偶产生热电势的必要条件是：两种金属化学成分不同，两个端点工作温度不同。(2分)

11． 比较热电阻和半导体热敏电阻的异同。

热电阻和半导体热敏电阻都是例如温度与导体的电阻之间存在的一定的关系来进行测温的。二者在一定的温度范围之内，温度与电阻值之间存在着较好的线性关系。(3分)

不同的是：首先材料不同，热敏电阻的材料主要对于金属而言，而半导体热敏电阻则主要是一些氧化物；其次半导体热敏电阻的温度特性有三种（分别为负电阻温度系数、正电阻温度系数和临界温度电阻器），而热电阻只有一种关系。(3分)

12． 石英晶体的压电效应的产生过程。石英晶体的横向和纵向压电效应的产生与外力作用的关系是什么？

当石英晶体未受到外力作用时，电偶极距矢量和为零。当受到外界作用力时，石英晶体发生变形，从而电偶极距的矢量和发生了改变，不再为零，那么在电偶极距所指的方向的表面上将会产生正电荷，而在另一表面将产生负电荷。(4分)

所谓纵向压电效应是指在x轴方向施加作用力，而在x轴方向上产生电荷。(1分)

而横向压电效应是指在y轴方向施力，同样在x轴方向产生电荷。(1分)

13． 压磁式传感器与电阻应变片式传感器在应用上有什么异同？ 不同点： 电阻应变片常用于应变比较小的场合，其在大应变状态下有较明显的非线性。压磁式常用于冶金、矿山、运输等工业部门作为测力和称重传感器，测量的作用力往往很大。(4分)

相同点：结构都比较简单，都能在比较恶劣的条件下工作。(2分) 14． 用压电式传感器能测量静态或变化很缓慢的信号吗？为什么？ 不能。(2分)用压电式传感器时，如果要使负载无穷大，或者保持电荷没有泄漏，那么测量的信号就比较准确，但是，通常情况下，这两种情况是没办法达到的，(2分)所以，只有不停的补充电荷，也就是通过测量动态的信号的形式来补充电荷。(2分)

15． 试比较光电传感器和光纤传感器工作原理的不同点。 16． 比较光电池和光敏电阻工作原理的异同。

光电池和光敏电阻的工作原理都是属于内光电效应。(2分)所不同的

是光电池通过光照射PN结后在PN结的两侧产生正负电荷，(2分)而光敏电阻则是通过光照射进来以后改变了导体的电导率，从而改变其电阻来进行工作的。(2分)

17． 试说明光电池的工作原理，并解释何为光电池的开路电压和短路电流？

其原理就是光生伏特效应。当光线照射到PN结上后，产生了电子空穴对，由于内建电场的作用，被光激发的电子移向N区外侧，被光激发的空穴移向P区外侧，从而使P区带正电，N区带负电，形成光电动势。(3分)

开路电压就是光电池的电动势。(1分)

光电池作为测量元件时应取短路电流形式，因为其照度成线性关系，而且受光面积越大，短路电流也越大。光电池的短路电流是指外接负载相对于光电池内阻而言是很小的，光电池在不同照度下，其内阻是不同的，所以要选取适当的外接负载近似的满足短路条件。(2分)

18． 试叙述电荷耦合器件CCD的定向转移的工作原理。

任何可移动的电荷信号都力图向表明势大的位置移动。开始时——>mos3电压上升——>势阱合并——>电荷为势阱所共有——>mos2电压下降——>电荷到mos3电极下的势阱中。(4分)

为了保证信号电荷按确定方向喝确定线路转移，在MOS光敏阵列上所加的各路电压脉冲（时钟脉冲）是严格满足相位要求的时钟脉冲信号。(2分)

19． 光纤传感器测量的基本原理是什么，光纤传感器分为几类？ 测量的基本原理是全反射定理。进行介绍全反射定理。(4分) 根据不同的分类方法可以有不同的分类。如果根据光纤的折射率的分布函数来分，可分为阶跃型和梯度型。如果按传输模数分，可分为单模光纤和多模光纤。(2分)

20． 试比较光电传感器和光纤传感器工作原理的不同点。

光电传感器利用了外光电效应或内光电效应，它使物体发出了电子或者使物体内部的电导率等参数发生了改变(4分)，而光纤传感器只是使光的某些特性发生了改变。(2分)具体到原理上，主要利用了全反射定理以及光的调制的一些特性。(1分)

21． 试叙述激光产生的机理和激光束的特性。

要产生激光的话，需要形成粒子数反转、并且对光进行光放大。(3分)激光束的特性：方向性强；单色性好；相干性好。(3分)

22． 半导磁湿敏元件的工作原理是什么？

由于水分子中的氢原子具有很强的正电场(2分)，当水在半导瓷表面吸附时，就有可能从半导瓷表面俘获电子，使半导瓷表面带负电(2分)。那么由于带负电后会从半导体中吸附空穴，从而使半导瓷的表面电阻发生改变。(2分)

23． 描述超声波在介质中有哪些传播特性？

超声波传播到两种特性阻抗不同介质的平面分界面上时，一部分声波被反射，另一部分发生折射；超声波在一种介质中传播，其声压和声强按指数函数规律衰减；(3分)如果在一种介质中传播几个声波，会产生波的干涉现象；当超声波一某一角度入射到第二介质界面上时，除有纵波的反射、折射外，还会有横波的反射和折射。(3分)

24． 透射式光栅传感器的莫尔条纹是怎样形成的？条纹间距、栅距与夹角的关系是什么？

在透射式光栅中，将两块光栅（主光栅、指示光栅）叠合在一起，并使它们的刻线之间成一个很小的角度θ，在与光栅刻线垂直的方向，将出现明暗相间的条纹，这些条纹就称为莫尔条纹(3分)。条纹间距B、栅距

WW和夹角θ的关系为：B?(3分)。

?25． 试叙述光栅传感器的基本原理，同时分析光栅传感器具有较高测量精度的原因。

在透射式光栅中，将两块光栅（主光栅、指示光栅）叠合在一起，并使它们的刻线之间成一个很小的角度θ，在与光栅刻线垂直的方向，将出现明暗相间的条纹，这些条纹就称为莫尔条纹(3分)。条纹间距B、栅距

WW和夹角θ的关系为：B?(2分)。因为角度很小，就相当于对栅距进

?行了放大，因而具有较高的精度。(1分)

26． 试叙述光栅传感器的测试原理，同时说明莫尔条纹形成的原理及特点。

光栅传感器是根据莫尔条纹原理制成的。它主要用于线位移和角位移的测量。光栅传感器由照明系统、光栅副和光电接收元件组成。光栅副是光栅传感器的主要部分。在长度计量中应用的光栅通常称为计量光栅，它主要由主光栅（也称标尺光栅）和指示光栅组成。当标尺光栅相对于指示光栅移动时，形成的莫尔条纹产生亮暗交替变化，利用光电接收元件将莫尔条纹亮暗变化的光信号，转换成脉冲信号，并用数字表示，从而测出标尺光栅的移动距离。(2分)

把光栅常数相等的主光栅和指示光栅相对叠合在一起（片间留有很小的间隙），并使两者栅线（光栅刻线）之间保持很小的夹角θ，于是在近

于垂直栅线的方向上出现明暗相间的条纹。这种条纹称为莫尔条纹。(2分)

莫尔条纹技术的特点

①只要调整夹角θ，即可得到很大的莫尔条纹的宽度BH，起到放大作用。

②莫尔条纹的光强度变化近似正弦变化。 ③对于光栅刻线的误差起到平均作用。

④莫尔条纹技术除了用上述长度光栅进行位移测量外，还可以用径向光栅进行角度测量。(2分)

五、计算：

1． 试分析Ady(t)?By(t)?Cx(t)传感器系统的频率响应特性。 dtAdy(t)C?y(t)?x(t) 解：两侧同除以B得：

BdtB其传递函数为：

(4分)

AABS?1S?BCC那么频响函数、幅频特性和相频特性分别为：

H(S)?CB?1H(j?)?1AB(j?)?CC

A(?)?1BA()2?(?)2CC(2分)

A?(?)??arctg(?) (2分)

B2.在使用灵敏度为80nC/Mpa的压电式力传感器进行压力测量时，首先将它与增益为5mV/nC的电荷放大器相连，电荷放大器接到灵敏度为25mm/V的笔式记录仪上，试求该压力测试系统的灵敏度。当记录仪的输出变化到30mm时，压力变化为多少？ 解：该测试系统

的

灵

敏

度

为

80nC/Mpa?5mV/nC?25mm/V?10mm/MPa(5分)

因此当输出变化到30mm时，压力变化应为3Mpa。(3分)

3.把灵敏度为404×10-4pc/Pa的压电式力传感器与一台灵敏度调到0.226mV/pc的电荷放大器相接，求其总灵敏度。若要将总灵敏度调到10×106mV/Pa，电荷放大器的灵敏度应作如何调整？

解：总灵敏度为404?10?4pc/Pa?0.226mV/pc?0.0091304mV/Pa(4分)

如果总灵敏度调到10×106mV/Pa的话，电荷放大器的灵敏度为10×106mV/Pa?404×10-4pc/Pa＝2.475×108mV/pc。(4分)

4. 在半导体应变片电桥电路中，其一桥臂为半导体应变片，其余均为固

?应变作用。若该电桥测量应变时的非线性定电阻，该桥路受到??4300误差为1％，n?R2?1，则该应变片的灵敏度为多少？ R1??R1RR1解：r???1%，其中n?2?1，那么可以得到

?RRR11?1?2R1R1?R1?0.02，(5分) R1?R1?KS??4300?10?6KS?0.02 R1那么灵敏度KS?4.65(3分)

5. 如果将100Ω电阻应变片贴在弹性试件上，若试件受力横截面积S＝0.5×10-4m2，弹性模量E＝2×1011N/m2，若有F＝5×104N的拉力应变电阻变化为1Ω。试求该应变片的灵敏度系数。

?R1?解：应变片电阻相对变化量(2分) ，由材料力学理论可知： R100FF5?104??0.005，(4应变??,(??)，故应变???411ESSE0.5?10?2?10?分)

?R应变片的灵敏度系数K?1R?100?2(2分) ?0.0056. 当差动式极距变化型的电容传感器动极板相对于定极板位移了

?d?0.75mm时，若初始电容量C1＝C2＝80pF，初始距离d?4mm，试

计算其非线性误差。若将差动电容改为单只平板电容，初始值不变，其非

线性误差有多大？

解： r?(?d2)?100%?3.52%（5分） d0改为单只平板电容后r??d?100%?18.75%（3分） d07. 某电容传感器（平行极板电容器）的圆形极板半径r＝4mm，工作

1pF/cm）初始极板间距离?0?0.3mm，介质是空气。问：（其中：?0? 3.6?a） 如果极板间距离变化量????1?m，电容的变化量ΔC是多少？ b） 如果测量电路的灵敏度S1＝100mv/pF，读数仪表的灵敏度S2＝5格/mV，在????1?m时，读数仪表的变化量为多少？

?0?rS??(0.4)2解：a)初始电容值：C0????1.481pF，(2分)

d?03.6??0.03?S其中?0?1pF/cm 3.6?改变以后电容值为，以???1?m为例，

?0?rS??(0.4)2C0????1.477pF(2分)

d?03.6??0.0301?S正负改变时，改变量都是一样的。改变量为1.481pF－1.477pF＝0.004pF。(2分)

b) 在????1?m时，变化量为0.004*100*5＝2格(2分)

8. 一个铁氧体环形磁心，平均长度为12cm，截面积为1.5cm2，平均相对磁导率μr＝2000，求：

（1） （2） 解

在上面均匀绕线500匝时电感值是多少？ 匝数增加一倍时电感值多少？

：

?0N2S?0?rN2S4??10?7?2000?5002?1.5?10?4L????785mH(

l??l/?rl12?10?25分)

匝数增加一倍时，电感值增加4倍，即3.14H。(3分)

9. 有一压电晶体，其面积S＝3 cm2，厚度t＝0.3mm，在零度，x切型纵向石英晶体压电系数d11＝2.31×10-12C/N。求受到压力p＝10Mpa作用时产生的电荷q及输出电压U0。

解：受力作用后，石英晶体产生的电荷量为：q?d11F?d11ps

代入数据有：q?2.31?10?12?10?106?3?10?4?6.93?10?9C(4分)

?0?8.85?10?12F/m,?r?4.5

所以(2分)

q6.93?10?9?174V(2分) 则输出电压为U??C3.98?10?1110．某压电式压力传感器为两片石英晶片并联，每片厚度t＝0.2mm，圆片半径r＝1cm，ε＝4.5，x切型d11＝2.31×10-12C/N。当0.1Mpa压力垂直作用于px平面时，求传感器输出电荷q和电极间电压Ua的值。

解：当两片石英晶片并联，输出电荷是单片的两倍，所以有：

'qx?2qx?2d11FX?2d11??r2?pX?2?2.31?10?12???12?0.1?102?145?10?12C?145pC(3分)

并联电容是单电容的两倍

212??4.5???13.6?C'?2C?2??125pF(3分)

t0.02'145qX??1.16V(2分) 所以电极间电压UX?C'125?0?r?r211. 叙述外光电效应的光电倍增管的工作原理。若入射光为103个光子（1个光子等效于1个电子电量），光电倍增管共有16个倍增极，输出阳极为20a，且16个倍增极二次发射电子数按自然数的平方递增，试求光电倍增管的电流放大倍数和倍增系数。（其中e?1.602?10?19C）

解：电子电量e?1.602?10?19C 电流的放大倍数即为可以求出倍增系数

I?i?in?i??i?22?i?32?i???162?i?103?1.602?10?19?4.38?1026??i?20I2017?3?1.25?10(4分) ?19i10?1.602?10(2分)

?i?2.85?10?10(2分)

12. 已知某霍尔元件尺寸为长L＝10mm，宽b＝3.5mm，厚d＝1mm。

沿L方向通以电流I＝1.0mA，在垂直于b×d两方向上加均匀磁场B＝0.3T，输出霍尔电势UH＝6.55mV。求该霍尔元件的灵敏度系数KH和载流子浓度n是多少？

解：根据霍尔元件输出电势表达式UH?KHIB，得

KH?UH6.55??21.8mV/mA?T(4分) IB1?0.31,式中电荷电量e?1.602?10?19C，故载流子浓ned而灵敏度系数KH?度n?11203(4分) ??2.86?10/m?19?3KHed21.8?1.602?10?1013. 计算一块氧化铁被加热到100℃时，能辐射出多少热量？铁块表面积为0.9m2。

解： 在温度为T时单位面积和单位时间的红外辐射总能量为：

E???T4。(5分)??5.6697?10?12W/cm2K4，氧化铁在

100℃时??0.09。

所以E?5.6697?10?12W/cm2K4?0.09?3734?0.9?104?88.9W(3分) 14．若某光栅的栅线密度为50线/mm，主光栅与指示光栅之间夹角θ＝0.01rad。求：

（1）求其形成的莫尔条纹间距BH是多少？

（2）若采用四只光敏二极管接收莫尔条纹信号，并且光敏二极管响应时间为10-6s，问此时光栅允许最快的运动速度v是多少？ 解： （1）由栅线密度为50线/mm，可知光栅常数W?根据公式苛求莫尔条纹间距BH?W?1?0.02mm， 500.02?2mm(4分)

?0.01（2）光栅运动速度与光敏二极管响应时间成反比，即 W0.02v???6?20m/s，所以最大允许速度为20m/s(4分)

t10 15．一个21码道的循环码盘，其最小分辨力θ1是多少？若一个θ角对应圆弧长度至少为0.001mm，为码盘直径多大？

360?360?解： ?1?n?21?1.717?10?4?2.99?10?6rad(5分)

221

码盘直径D＝2r＝2

L?1，式中L表示圆弧长度，已知L，则

D?2r?2?0.001?668mm(3分)

2.99?10?6

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