传感技术及应用试题

传感技术及应用 传感技术及应用 试 题 课程综合考试,合计分数70分 一、 判断题,正确打?标记～错误打×标记～每题1分～共5分, 1(( )变间隙电感传感器采用差动结构也不能完全消除非线性误差。 2(( )在压电式传感器的测量线路中，电荷放大器的低频特性要比电压放大器 好的多。 3(( )热电偶传感器的中间导体定律保证了接入热电偶回路中的第三甚至第四 种导体只要它们几端的温度相同就一定不会影响回路的总电势。 4(( )通常外光电效应有红限频率，而内光电效应无红限频率。 5(( )一个均匀绕制的电位器式电阻式传感器，共100匝，两端输入电压为10V， 则其视在分辨力为0.1V。 二、简答题(每题5分共20分) 1(什么是传感器,传感器由哪三个部分组成, 2(什么是热电偶的接触电势和温差电势? 3(什么是涡流传感器的电涡流效应? 4(简述霍尔元件不等位电势产生的原因和补偿方法。 霍尔元件 三、(10分)选做下列两题中之一。 1(什么是热电偶的补偿导线,证明补偿导线的补偿原理。 2(叙述超声波传感器传播时间法测流量的原理。并结合下图推导被测流体的平均流速v的计算公式(时差法)。(图中:D—管道直径;c—超声波在静止流体中的速度;v—被测流体的平均流速) 传感器2 θ Dv 传感器1 超声波传感器安装位置 四、(10分)说明变极距式电容传感器位移变化与电容变化量的非线性关系，并说 明如何在结构和电路上采取措施加以改善。 五、(10分)说明什么是霍尔效应及推导出霍尔电压的达形式。 六、(15分)对于光栅传感器请回答下列问题: (1)说明长光栅莫尔条纹形成的光学原理。 (2)有一光栅副，形成光栅横向莫尔条纹，设光栅常数皆为W=0.02mm，接收元 2件用硅光电池，面积为11.46 x 11.46 mm，两光栅栅线的夹角应为多少, (3)评价莫尔条纹质量有那些指标，并简要说明之。 传感技术及应用试题答案 课程综合考试,合计分数70分 一、 判断题,正确打?标记～错误打×标记～每题1分～共5分, 1(( ? )变间隙电感传感器采用差动结构也不能完全消除非线性误差。 2(( ? )在压电式传感器的测量线路中，电荷放大器的低频特性要比电压放大 器好的多。 3(( ? )热电偶传感器的中间导体定律保证了接入热电偶回路中的第三甚至第 四种导体只要它们几端的温度相同就一定不会影响回路的总电势。 4((× )通常外光电效应有红限频率，而内光电效应无红限频率。 5(( ? )一个均匀绕制的电位器式电阻式传感器，共100匝，两端输入电压为 10V，则其视在分辨力为0.1V。 二、简答题(每题5分共20分) 1(什么是传感器,传感器由哪三个部分组成, 答:传感器是一种以一定的精确度把被测量转换为与之有确定对应关系的便于应用的某 种物理量的测量装置。 传感器的组成: 敏感元件——直接感受被测量(非电量)能产生有确定关系的输出量 传感元件——又称为变换器，一般情况它不直接感受被测量，而是将敏感元件的输出量转换为电量输出的元件。 变换电路——能把传感元件输出的电量转换为便于处理、传输、记录、显示和控制的有用电信号的电路。 2(什么是热电偶的接触电势和温差电势? 答:接触电势:各种导体中都存在大量的自由电子，不同的导体自由电子密度也不同，当两种导体接触时结点处要发生电子扩散，电子密度大的导体，向电子密度小的导体扩散，电子密度大的导体，失去电子具有正电位，相反电子密度小的导体带负电位，当这种扩散达到一定平衡时，结点处将具有一定的接触电动势，这个接触电动势与导体材料及结点温度有关。 N(T)RTAE(T),ln 接触电动势: ABeN(T)B 式中:R——玻尔兹曼常数 e——电子电荷 N、N——材料A、B在T时的电子自由密度 AB 对于同一导体，当两端温度不同时，两端也将产生一定大小的电动势。产生这个电动势的原因，主要是在不同温度下自由电子具有不同的动能，温度高时，动能大的电子就会向温度低的一端跑去，所以，同一导体内两端温度不同时，两端会产生一定大小的电位差，导体所具有的这一温差电现象称为汤姆逊效应。 Tk1温差电动势的大小可表示为: ETT,d,,NTT，，(),,AA,,T，，eNTA 3(什么是涡流传感器的电涡流效应? 答:电涡流效应:金属导体置于变化的磁场中，导体内就会产生感应电流，这种电流像水中漩涡那样在导体内旋转这种现象称为涡流效应。 形成涡流具备的条件: 1. 存在交变磁场 2. 导电体处于交变磁场 4(简述霍尔元件不等位电势产生的原因和补偿方法。 霍尔元件 答: 当控制磁感应强度为零，控制电流为额定值IH时，霍尔电极间的空载电势称为不等位电势(或零位电势)。 产生不等位电势的原因主要是: ? 霍尔电极安装位置不正确(不对称或不在同一等电位面上); ? 半导体材料不均匀造成了电阻率不均匀或是几何尺寸不均匀; ? 控制电极接触不良造成控制电流不均匀分布等。 (均是制造工艺造成的) 三、(10分) 1(叙述超声波传感器传播时间法测流量的原理。并结合下图推导被测流体的平均流速v的计算公式(时差法)。(图中:D—管道直径;c—超声波在静止流体中的速度;v—被测流体的平均流速) 传感器2 θ Dv 传感器1 超声波传感器安装位置 答: 时差法测量流量: cv，sin, 设传感器1为发射探头，传感器2为接收探头时，超声波传播的速度为 t，于是顺流传播时间为: cv，sin,1 D/cos,, t1，cvsin, 传感器2为发射探头，传感器1为接收探头时，超声波传播的速度为，cv,sin, t于是逆流传播时间为: 2 D/cos, ,t2,cvsin, 2vD时差为: ,,,,ttt21222,,cvcos 2Dv由于，于是上式可近似表示为: ,,tcv2c 2cvt,,则流体的平均流速为 2D 四、(10分)说明变极距式电容传感器位移变化与电容变化量的非线性关系，并说 明如何在结构和电路上采取措施加以改善。 答: 变极距(,)型: ,,,,,,,SSS,SSr0 ,C,,,,,C,,,,,,,,,,,, ,, C,0,,,, ,,,,1,,,,,C,C,C00 ,,,,,1,,,,,,,, 23 ，，,,,,,,,,,,,,,,，，,,,CC1,,,,,,,, 0,,,,,,,,,,，， 为了改善非线性可以采用差动形式: 24，，,,,,,, ,,,,,,，，，,,,C2C1,,,,,,0 ,,,,,,,,,，， 五、(10分)说明什么是霍尔效应及推导出霍尔电压的表达形 答:霍尔效应: 金属或半导体薄片置于磁场中，当有电流流过时，在垂直于电流和磁场的方向 上将产生电动势，这种现象称为霍尔效应。 , 设为N型半导体， 载流子为电子 IBIBU,,,R,KIBHHH nedd1R,称为霍尔系数，它是由基片材料的物理性质决定常数; Hne RH灵敏度系数，表示在单位磁感应强度和单位控制电流时的霍尔电K,Hd 势大小。 当磁场感应强度B和霍尔片平面法线成角度θ时, 霍尔电势为: U,KIBcos,HH 六、(15分)对于光栅传感器请回答下列问题: (1)说明长光栅莫尔条纹形成的光学原理。 (2)有一光栅副，形成光栅横向莫尔条纹，设光栅常数皆为W=0.02mm，接收元 2件用硅光电池，面积为11.46 x 11.46 mm，两光栅栅线的夹角应为多少, (3)评价莫尔条纹质量有那些指标，并简要说明之。 答: 1、 长光栅莫尔条纹通常是两块光栅叠加形成的，莫尔条纹的形成可以近似地看 作是两块光栅栅线相互挡光作用的结果。两光栅以很近的距离重叠，在a-a线上，两 光栅的栅线透光部分与透光部分叠加，光线透过透光部分形成亮带;在b-b线上，一 光栅的透光部分与另一光栅的不透光部分叠加，互相遮挡，光线透不过形成暗带，这 种由光栅重叠形成的光学图案称为莫尔条纹。 B,W,2、 由光栅的位移放大作用可知: ，其中是光栅常数，是两光栅的W, ,,,WB,0.0211.46,0.001745rad,0.1栅线夹角。 3、 莫尔条纹评价的指标:(1)信号的正弦性，(2)信号直流电平漂移，(3) 信号的对比度，(4)信号幅度的稳定性，(5)信号的正交性和等幅性 传感技术及应用 试 题 课程综合考试,合计分数70分 一、判断题,正确打?标记～错误打×标记～每题1分～共5分, 1(( )传感器是一种测量器件或装置，它将被测量按一定规律转换成可用输出， 一般系统有输入和输出，所以均可看作传感器。 2(( )对变间隙的电容式传感器而言，即使采用差动结构也不能完全消除非线 性误差。 3(( )压电晶体有三个互相垂直的轴，分别为X轴(电轴)、Y轴(力轴)、Z 轴(光轴)，当沿某一轴的方向施加外作用力时，会在另外两个轴的表面出现电荷。 4(( )光电池和光敏二极管都是建立在内光电效应基础上，工作电路也一样。 5(( )自感式电感传感器改变空气隙等效截面积类型变换器转换关系为非线形 的，改变空气隙长度类型的为线形的。 二、简答题,每题5分共20分, 1(什么是传感器,传感器由哪三个部分组成, 2(简述热电偶热电势产生的原因。 3(简要说明金属应变片与半导体应变片在工作原理上的区别? 4(什么是电容传感器的“驱动电缆技术”，采用它的目的是什么, 三、(8分)影响电容传感器精度的主要因素是边缘效应和寄生电容，试分别详细说明减少这两种影响的措施(建议以图示进行辅助说明)。 四、(12分)什么是电感传感器的零点残余电压,残余电压过大带来哪些影响,减小零点残余电压的措施有哪些, 五、(10分)霍尔片采用恒流源供电，为补偿温度误差，采用在输入回路并联电阻，如 下图示，若已知霍尔元件灵敏度温度系数为α，霍尔元件输入电阻温度系数为β，温度t0 时的输入电阻为R，霍尔元件灵敏度系数为K;i0H0 RRtt,，,[1()],温度t时的输入电阻为，霍1iti00 V KKtt,，,[1()],尔元件灵敏度系数为,请HHtH00I H 推导并联的电阻R的大小。 P I R PP . . I 六、(15分) (1)说明光纤的结构和传输光的原理。 (2)光纤传感器的数值孔径如何定义的,它有何物理意义, (3)图示为光纤传光示意图，若空气的光折射率为n，要使光纤的入射光在光纤0 纤芯内全反射，则,至多为多少,写出推导过程。 0 n2 n1 , 1, 1 , 0 传感技术及应用试题答案 课程综合考试,合计分数70分 一、 判断题,正确打?标记～错误打×标记～每题1分～共5分, 1(( × )传感器是一种测量器件或装置，它将被测量按一定规律转换成可用输出， 一般系统有输入和输出，所以均可看作传感器。 2(( ? )对变间隙的电容式传感器而言，即使采用差动结构也不能完全消除非线 性误差。 3(( × )压电晶体有三个互相垂直的轴，分别为X轴(电轴)、Y轴(力轴)、Z 轴(光轴)，当沿某一轴的方向施加外作用力时，会在另外两个轴的表面出现电荷。 4(( × )光电池和光敏二极管都是建立在内光电效应基础上，工作电路也一样。 5(( × )自感式电感传感器改变空气隙等效截面积类型变换器转换关系为非线形 的，改变空气隙长度类型的为线形的。 二、简答题(每题5分共20分) 1(什么是传感器,传感器由哪三个部分组成, 答: 传感器:能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。(3分)传感器由敏感元件、转换元件和基本转换电路三部分组成。(2分) 2(简述热电偶热电势产生的原因。 答: 热电动势是由两种导体的接触电势和单一导体的温差电势所组成。 TKNA表示为 (,)()ETTnTTdddT,,，,，，00ABAB,T0eNB KNA 其中:为接触电势; nTT(),0eNB T为温差电势。 dddT,，，AB,T0 -23 式中:K—波尔兹曼常数 K,1.38×10J/K -19 e—电子电荷量 e = 1.6×10C NA(NB)为A(B)材料的自由电子密度; d(d)—A(B)材料的汤姆逊系数; AB E(T,T)表示A、B两种材料组合，两个结分别处在T(T)温度下产生的热电势。 AB00 3(简要说明金属应变片与半导体应变片在工作原理上的区别? 答:金属应变片发生应变以后，使导体的几何尺寸发生改变，因而阻值发生变化; 对半导体来说，它的电阻取决于有限数目的载流子—空穴和电子的迁移。加在一定 晶向上的外界应力，引起半导体能带的变化，使载流子的迁移率产生较大的变化，因 而使半导体电阻率产生相应的变化。 d, ,k,，，(12)kE,，，12,,应变片相对灵敏度系数代入得到 ,e, , —泊松比;—压阻系数;E—弹性模量。 ,e k,，12,对于金属丝构成的应变片，一般可改为(几何变形)，k值约为2左右，半 ,EkE,,导体材料值很大，约为60,170，因此对半导体材料而言，一般认为。 ee4(什么是电容传感器的“驱动电缆技术”，采用它的目的是什么, 答:一般电容传感器电容值很小，如果激励频率较低，则电容传感器的容抗很大， 因此对传感器绝缘电阻很高; 另一方面，变换器电容极板并联的寄生电容也会带来很大的影响，为克服其影响采用驱动电缆法。 +1 :1内层屏蔽- 前 置 级 Cx 外层屏蔽 驱动电缆法示意图 在电容传感器与测量线路前置极间采用双层屏蔽电缆。这种接法使传输电缆的芯线与内层屏蔽等电位，消除了芯线对内层屏蔽的容性漏电，从而消除了寄生电容的影响。同时放大器的高输入阻抗又起到阻抗匹配的作用。 三、(8分)影响电容传感器精度的主要因素是边缘效应和寄生电容，试分别详细说 明减少这两种影响的措施(建议以图示进行辅助说明)。 答:理想条件下，平行板电容器的电场均匀分布于两相极所围成的空间，这仅是简化电容量计算的一种假定。当考虑电场的边缘效应时，情况要复杂的多，边缘效应的影响相当于传感器并联一个附加电容，引起了传感器灵敏度下降和非线性增加。 (1)为克服边缘效应，首先应增大初始电容量C，即增大极板面积，减小极板0 间距。(结构上) (2)在结构上增设等位环来消除边缘效应。 电极等位环 均匀场 边缘场 电极 消除边缘效应的示意图 等位环安放在上面电极外，且与上电极绝缘组等电位，这样就能使上电极的边缘电力线平直，两极间电场基本均匀。而发散的边缘电场发生在等位环的外固不影响工作。 为减小和消除寄生电容的影响的措施有: (1) 增加传感器原始电容值; (2) 注意传感器的接地和屏蔽; 图中为采用接地屏蔽的圆筒形电容式传感器。图中可 动极筒与连杆固定在一起随被测量移动，并与传感器 的屏蔽壳(良导体)同为地。因此当可动极筒移动时， 它与屏蔽壳之间的电容值将保持不变，从而消除了由此产生的虚假信号。 引线电缆也必须屏蔽在传感器屏蔽壳内。为减小电缆电容的影响，应尽可能使用短的电缆线，缩短传感器至后续电路前置级的距离。 (3) 集成化; 集成化将传感器与测量电路本身或其前置级装在一个壳体内，这样寄生电容大为减小、变化也小，使传感器工作稳定。但因电子元器件的特点而不能在高、低温或环境差的场合工作。 (4) 采用驱动电缆技术; 传感器与测量电路前置级间的引线为双屏蔽层 电缆，其内屏蔽层与信号传输线(即电缆芯线)通过 1:1放大器而为等电位，从而消除了芯线与内屏蔽层 之间的电容。由于屏蔽线上有随传感器输出信号变化 而变化的电压，因此称为“驱动电缆”。采用这种技 术可使电缆线长达l0m之远也不影响传感器的性能。 外屏蔽层接大地(或接传感器地)用来防止外界电场 的干扰。内外屏蔽层之间的电容是1:1放大器的负 载。1:1放大器是一个输入阻抗要求很高、具有容性负载、放大倍数为1(准确度要求达 1/1000)的同相(要求相移为零)放大器。因此“驱动电缆”技术对1:1放大器要求很 高，电路复杂，但能保证电容式传感器的电容值小于1pF时，也能正常工作。 (5) 采用运算放大器法; 采用运算放大器法它是利用运算放大器的虚地来 减小引线电缆寄生电容Cp的影响，其原理如图所示。 电容式传感器的一个电极经引线电缆芯线接运算放大 器的虚地Σ点，电缆的屏蔽层接传感器地，这时与传感 器电容相并联的为等效电容Cp/(1+A)，因而大大地减 小了电缆电容的影响。外界干扰因屏蔽层接传感器地而对芯线不起作用。传感器的另一电极经传感器外壳(最外面的屏蔽层)接大地，以防止外电场的干扰。若采用双屏蔽层电缆，其外屏蔽层接大地，则干扰影响更小。选择A足够大时，可得到所需的测量精度。 (6) 整体屏蔽。 整体屏蔽将电容式传感器和所采用的转换 电路、传输电缆等用同一个屏蔽壳屏蔽起来， 正确选取接地点可减小寄生电容的影响和防止 外界的干扰。图示是差动电容式传感器交流电 桥所采用的整体屏蔽系统，屏蔽层接地点选择 在两固定辅助阻抗臂Z3和Z4中间，使电缆芯 线与其屏蔽层之间的寄生电容Cp1和Cp2分别与Z3和Z4相并联。如果Z3和Z4比Cp1 和Cp2的容抗小得多，则寄生电容Cp1和Cp2对电桥的平衡状态的影响就很小。 四、(12分)什么是电感传感器的零点残余电压,残余电压过大带来哪些影响,减小零点残余电压的措施有哪些, 答: 在调幅式电路中，当u0=0时，应有Z1=Z2=Z， 而Z包含两部分R和L，只有两部分分别相等时(即 R1=R2，L1=L2)，才能保证u0=0。但在实际中很难达 到，实际的u0—x曲线如图，,x=0时， u0=e0，称为 零点残余电压。 零点残余电压过大带来的影响:灵敏度下降、非 线性误差增大测量有用的信号被淹没，不再反映被测 量变化造成放大电路后级饱和，仪器不能正常工作。 产生的原因:两电感线圈的等效参数不对称。 减小零点残余电压的措施: (1)上，使上、下磁路对称，尽量减小铜损电阻 Rc，增大铁心的涡流损Re及磁滞损Rh以提高线圈的品质因数; (2)制造上，使上、下磁性材料一致。零部件配套挑选，线圈排列均匀、一致; (3)调整方法上，串(并)接电阻、并联电容方法; (4)电路上，利用相敏检波可以减小零点残余电压。 五、(10分)霍尔片采用恒流源供电，为补偿温度误差，采用在输入回路并联电阻，如下图示，若已知霍尔元件灵敏度温度系数为α，霍尔元件输入电阻温度系数为β，温度t时的输入电阻为R，霍尔元件灵敏度系数为K;温度t时的输入电阻为0i0H01 RRtt,，,[1()],KKtt,，,[1()],，霍尔元件灵敏度系数为,请推导并联的iti00HtH00 电阻R的大小。 P 答:在温度t时，K为霍尔元件灵敏度系数;R为霍尔元件输入电阻。 0H 0i 0 KKtt,，,[1()], 在温度t时， HtH00 RRtt,，,[1()], iti00 V HI H, 其中:—霍尔元件灵敏度温度系数 , —霍尔元件的电阻温度系数 I R PP 由图可知 IR,I?R， I,I，I PPHiPH . . IRPI, 在t时 0H0RR，iP0I 在t时 IRIRPP ,,IHt[1()],，，,，00RRRttRitPiP 为保证在温度变化时，即t和t时，霍尔电势相等，则 0 K?IB,KI?B H 0H 0H t H t KIRttR[1()]，,，,HtHiP000 ,,,，,,1()tt,0KIRR，HHtiP00 ,,, 展开后 RR,Pi0, , 霍尔片的R、和,值均能在产品说明书中查到，通常，所以 ,,i0 , RR,Pi0, 可根据这一公式选择输入回路并联电阻R，可使温度误差的影响减到极小。 P 六、(15分) (1)说明光纤的结构和传输光的原理。 (2)光纤传感器的数值孔径如何定义的,它有何物理意义, (3)图示为光纤传光示意图，若空气的光折射率为n，要使光纤的入射光在光纤0 纤芯内全反射，则,至多为多少,写出推导过程。 0 n2 n1 , 1, 1 , 0 答: 1、光纤是一种传输光的细丝，它能够将进入光纤一端的光线传到光线的另一端。通常光 纤有两层光学性质不同的材料组成。光纤的结构如图所示。光纤的中间部分是导光的 nn纤芯，纤芯的周围是包层。包层的折射率略小于纤芯的折射率。通常在包层外面21 还有一层起支撑保护作用的套层。光纤传光的基础是光的全反射。传输光的原理是斯 乃尔折射定律。 ,3、当光线以入射角进入光纤的端面时，在端面处发生折射，设折射角为,，然后光线01 ,以,角入射至纤芯与包层的界面。当,角大于纤芯与包层间的临界角时，即 c11 ，，,,,,arcsinnn，则射入的光线在光纤的界面上发生全反射。 c21 12 ，，nsin,,nsin,,ncos,,n1,sin,0011111 ,,当达到临界角时的入射角为 ,cc 1222则 nsin,,，，n,nc012 ,,至多为时，发生全反射。 0c nsin,2、如上式所示，称为光纤的数值孔径，用NA表示。它表示当入射光从折射率0c n,为的外部介质进入光纤时，只有入射角小于的光才能在光纤中传播。否则，光线会0c 从包层中逸出而产生漏光。NA是光纤的一个重要参数，NA值越大，光源到光纤的耦合效率越高。光纤的数值孔径仅决定于光纤的折射率，与光纤的几何尺寸无关。 传感技术及应用 试 题 课程综合考试,合计分数70分 一、 判断题,正确打?标记～错误打×标记～每题1分～共10分, 1(( )传感器的阈值，实际上就是传感器在零点附近的分辨力。 2(( )某位移传感器的测量量程为1 mm，分辨力为0. 001 mm，这说明传感 器的灵敏度很高，其灵敏度为0.1%。 3(( )传感器A采用最小二乘法拟合算得线性度为?0.6%，传感器B采用 端点直线法算得线性度为?0.8%，则可以肯定传感器A的线性度优 于传感器B。 4(( )无论何种传感器，若要提高灵敏度，必然会增加非线性误差。 5(( )幅频特性优良的传感器，其动态范围大，故可以用于高精度测量。 6(( )如果电容传感器的电缆丢失了，更换另一根电缆后，可以不必对测量 系统重新进行标定，也可直接使用。 7(( )压电式力传感器既可以测量静态力，也可以测量动态力。 8(( )热电偶的工作机理是导体的热电效应，而热电势的产生必须具备两个 条件，即两种导体材质不同且两个节点的温度不同。 9(( )由于光敏电阻的光照特性是非线性的，因此不宜用做测量元件。但由 于光敏电阻的响应时间很短，因此可以用做高速光电开关。 10(( )光纤是利用光的折射原理工作的，光纤由纤芯和包层构成，且纤芯 的折射率小于包层的折射率。 二、选择题,请选择一个适合的答案～每小题1分～本题共10分, 1(( )车间条件下测量大型机床工作台的位移(行程为20 m)，可采用: ? 光栅传感器;? 电容传感器;? 电涡流传感器。 2(( )为一个旋转式机械分度装置增加数显系统，可采用的角度传感器为: ? 增量式编码器;? 绝对式编码器;? 电容传感器。 3(( )对生产流水线上的塑料零件进行自动计数，可采用的传感器为: ? 光电传感器;? 霍尔传感器;? 电涡流传感器。 4(( )在线测量高速回转零件的主轴径向偏摆量，可采用: ? 差动变压器;? 电涡流传感器;? 压电式传感器。 5(( )下列哪类传感器具有防水功能, ? 电阻应变式传感器;? 电涡流传感器;? 电容式传感器。 6(( )为了在报纸印刷的高速生产流水线上监测印刷缺陷，可以采用哪一种传感器, ? 面阵CCD传感器;? 线阵CCD传感器;? 硅光电池。 7(( )一个小型光学仪器中用于测量光斑二维位置变化(x-y)的传感器可采用: ? 线阵CCD传感器;? 面阵CCD传感器;? PSD传感器。 8(( )绝对式编码器的码制绝大多数采用: ? 二进制码;? 十进制码;? 格雷码(循环码)。 9(( )下列电感传感器中，哪种传感器的输出特性是线性的, ? 变气隙型;? 变面积型;? 螺管型。 10(( )电容式液位传感器属于下列哪种型式, ?变极距型;?变面积型;?变介质型。 三、简答题,共6题～只选做其中5道题～每题4分共20分, 1(什么是传感器,包含哪些方面含义，传感器由哪三个部分组成, 2(下图是热敏电阻的伏安特性曲线， a. 请对曲线进行分析; b. 用该热敏电阻测量温度时，应该利用曲线的哪一段，说明原因; c. 用该热敏电阻测量风速或流量时，应该利用曲线的哪一段，说明原因。 V(电压) bc da 0III(电流)am 3(理想情况下，金属应变片的输出电阻是应变的一元函数，但实际上应变片输出电阻还和温度有关，即ΔR/R=F(ε，t)，请叙述电阻应变片温度的补偿方法和补偿原理。 4(简述光纤的基本结构，并基于几何光学的原理，以阶跃光纤为例说明其传光过程。 5(分析电容传感器边缘效应产生的原因，画图给出消除其影响的措施，并进行论述。 6(试论述热电偶中间导体定律，并证明之。说明其作用。 四、(6分)若某光栅的栅线密度为50线/mm，主光栅与指示光栅之间的夹角为θ=0.01rad。 (1) 求其形成的莫尔条纹间距B是多少, H (2) 说明莫尔条纹生成原理及特点。 五、(12分)试论述 (1)霍尔片不等位电势产生的原因及其补偿方法; (2)若霍尔片采用恒流源供电，为补偿温度误差，采用在输入回路并联电阻，若已知霍尔元件灵敏度温度系数为α，霍尔元件输入电阻温度系数为β，温度t时的输入电阻为0 RRtt,，,[1()],R，霍尔元件灵敏度系数为K;温度t时的输入电阻为，霍尔元i0H01iti00 KKtt,，,[1()],件灵敏度系数为，请画图并推导并联的电阻R的大小。 PHtH00 六、(12分)已知石英晶体压电片上的极性如图(a)所示。 xxFF x x yy + + + + ? ? ? ? FF x x (a)x方向受压力 (b)x方向受拉力 xx yy FFFF y y y y (c)y方向受压力 (d)y方向受拉力 请回答: 1(石英晶体的压电效应有何特点, 2(试标出图(b)、(c)、(d)所示的石英晶体压电片上电荷的极性，并结合图说明什么 叫纵向压电效应,什么叫横向压电效应, 3(压电传感器配用电路常采用电荷放大器，根据压电材料的等效模型推导电荷放大器输 出电压与电荷的关系;并说明电荷放大器有何特点。 传感技术及应用试题答案 课程综合考试,合计分数70分 一、 判断题,正确打?标记～错误打×标记～每题1分～共10分, 1((?)传感器的阈值，实际上就是传感器在零点附近的分辨力。 2((×)某位移传感器的测量量程为1 mm，分辨力为0. 001 mm，这说明传感 器的灵敏度很高，其灵敏度为0.1%。 3((×)传感器A采用最小二乘法拟合算得线性度为?0.6%，传感器B采用 端点直线法算得线性度为?0.8%，则可以肯定传感器A的线性度优 于传感器B。 4((×)无论何种传感器，若要提高灵敏度，必然会增加非线性误差。 5((×)幅频特性优良的传感器，其动态范围大，故可以用于高精度测量。 6((×)如果电容传感器的电缆丢失了，更换另一根电缆后，可以不必对测量 系统重新进行标定，也可直接使用。 7((×)压电式力传感器既可以测量静态力，也可以测量动态力。 8((?)热电偶的工作机理是导体的热电效应，而热电势的产生必须具备两个 条件，即两种导体材质不同且两个节点的温度不同。 9((×)由于光敏电阻的光照特性是非线性的，因此不宜用做测量元件。但由 于光敏电阻的响应时间很短，因此可以用做高速光电开关。 10((×)光纤是利用光的折射原理工作的，光纤由纤芯和包层构成，且纤芯 的折射率小于包层的折射率。 二、选择题,请选择一个适合的答案～每小题1分～本题共10分, 1((?)车间条件下测量大型机床工作台的位移(行程为20 m)，可采用: ? 光栅传感器;? 电容传感器;? 电涡流传感器。 2((?)为一个旋转式机械分度装置增加数显系统，可采用的角度传感器为: ? 增量式编码器;? 绝对式编码器;? 电容传感器。 3((?)对生产流水线上的塑料零件进行自动计数，可采用的传感器为: ? 光电传感器;? 霍尔传感器;? 电涡流传感器。 4((?)在线测量高速回转零件的主轴径向偏摆量，可采用: ? 差动变压器;? 电涡流传感器;? 压电式传感器。 5((?)下列哪类传感器具有防水功能, ? 电阻应变式传感器;? 电涡流传感器;? 电容式传感器。 6((?)为了在报纸印刷的高速生产流水线上监测印刷缺陷，可以采用哪一种传感器, ? 面阵CCD传感器;? 线阵CCD传感器;? 硅光电池。 7((?)一个小型光学仪器中用于测量光斑二维位置变化(x-y)的传感器可采用: ? 线阵CCD传感器;? 面阵CCD传感器;? PSD传感器。 8((?)绝对式编码器的码制绝大多数采用: ? 二进制码;? 十进制码;? 格雷码(循环码)。 9((?)下列电感传感器中，哪种传感器的输出特性是线性的, ? 变气隙型;? 变面积型;? 螺管型。 10((?)电容式液位传感器属于下列哪种型式, ?变极距型;?变面积型;?变介质型。 三、简答题,共6题～只选做其中5道题～每题4分共20分, 1(什么是传感器,包含哪些方面含义，传感器由哪三个部分组成, 答:传感器(Transducer/Sensor)的定义是:“能够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”。 定义包含的意思: ? 传感器是测量装置，能完成任务; ? 它的输入量是某一种被测量，可能是物理量，也可能是化学量、生物量等; ? 它的输出量是某种物理量，这种量应便于传输、转换、处理、显示等等，这种量不一定是电量，还可以是气压、光强等物理量，但主要是电物理量; ? 输出与输入之间有确定的对应关系，且能达到一定的精度。 输出量为电量的传感器，一般由敏感元件、转换元件、基本转换电路三部分组成。 敏感元件:它是直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的某一物理量的元件。 转换元件:将敏感元件的输出转换成一定的电路参数。有时敏感元件和转换元件的功能是由一个元件(敏感元件)实现的。 基本转换电路:将敏感元件或转换元件输出的电路参数转换、调理成一定形式的电量输出。 2(下图是热敏电阻的伏安特性曲线， a. 请对曲线进行分析; b. 用该热敏电阻测量温度时，应该利用曲线的哪一段，说明原因; c. 用该热敏电阻测量风速或流量时，应该利用曲线的哪一段，说明原因。 V(电压) bc da 0III(电流)am 答: a. 将热敏电阻接上一个电流源 ，并在它两端测得端电压，可得到热敏电阻的伏安特性。 0,a段:电流小于Ia，功耗小，电流不足以使热敏电阻发热，元件上的温度基本是环境温度。此时热敏电阻相当于一个固定电阻，电压与电流之间符合欧姆定律。 a,b段:随着电流增加，热敏电阻功耗增加，导致电流加热引起热敏电阻自身温度超过环境温度(介质温度)，其阻值降低，因此出现非线性正阻区，电流增长速度,阻值减小的速度。 c,d段:随着电流增加，为Im时，电压达到最大值，电流继续增加，热敏电阻本身加热更为剧烈，阻值迅速减小，阻值减小的速度大于电流增加的速度，出现c,d段负阻区。 b. 用0,a段进行测温。电流不足以使热敏电阻发热，热敏电阻的阻值变化只与被测量的环境有关。 c. 用c,d段测量风速或流量，风速或流量可以使热敏电阻的热量消耗，而消耗的热量与风速或流量有关。 3(理想情况下，金属应变片的输出电阻是应变的一元函数，但实际上应变片输出电阻还和温度有关，即ΔR/R=F(ε，t)，请叙述电阻应变片温度的补偿方法和补偿原理。 答:电阻应变片的温度补偿方法通常有线路补偿和应变片自补偿两大类。 线路补偿法 电桥补偿是最常用且效果较好的线路补偿。 测量应变时，工作应变片R1粘贴在被测试件表面上，补偿应变片RB粘贴在与 被测试件材料完全相同的补偿块上，且仅工作应变片承受应变。 当被测试件不承受应变时，R1和RB又处于同一环境温度为t的温度场中，调整 电桥参数使之达到平衡，此时有 当温度升高或降低Δt=t-t0时，两个应变片因 温度而引起的电阻变化量相等，电桥仍处于平衡状态。 应变片的自补偿法 这种温度补偿法是利用自身具有温度补偿作用的应变片(称之为温度自补偿应变片)来补偿的。根据温度自补偿应变片的工作原理，要实现温度自补偿，必须有 ,,,K(,,,)00gs 上式表明，当被测试件的线膨胀系数βg已知时，如果合理选择敏感栅材料， 即其电阻温度系数α0、灵敏系数K0以及线膨胀系数βs，满足上式，则不论温度如何变化，均有ΔRt/R0=0，从而达到温度自补偿的目的。 4(简述光纤的基本结构，并基于几何光学的原理，以阶跃光纤为例说明其传光过程。 答: 1. 光纤的结构，由纤芯、包层和外套三部分组成。 包层 外套 (2-31) 纤芯 阶跃光纤的纤芯与包层间的折射率阶跃变化的，即纤芯内的折射率分布大体上是均匀的，包层内的折射率分布也大体均匀，均可视为常数，但是纤芯和包层的折射率不同，(2-33) 在界面上发生突变，如图所示。光线的传播，依靠光在纤芯和包层界面上发生的内全反射现象。 (2-32) (2-30) n2 工程上，一般按R = R = R = R 选取桥臂电阻。 1B34 ,,1 n1 1 ,0 n0 斯乃尔定理(Snell's Law)指出:当光由光密物质(折射率大)入射至光疏物质(折射率小)时，发生折射，其折射角大于入射角。即1,2时， 2 , 1 。 nn,,临界条件是: sin,n n,,012,,,arcsin,,,,C1nsinn1,,, 10 5(分析电容传感器边缘效应产生的原因，画图给出消除其影响的措施，并进行论述。 答:理想条件下，平行板电容器的电场均匀分布于两极板所围成的空间，这仅是简化电容量计算的一种假定。实际上在电容器的边缘电力线是不均匀的，这样就产生了边缘效应。 ? 为克服边缘效应，首先应增大初始电容量C，即增大极板面积，减小极板间隙。 0 ? 在结构上增设等位环来消除边缘效应。 等位环 电极 均匀电场 原理:等位环安放在上面电极外，且与上电极绝缘边边组等电位，这样就能使上电极的边缘电力线平直，两极缘缘间电场基本均匀。而发散的边缘电场发生在等位环的外电电周不影响工作。 场 场 电极 6(试论述热电偶中间导体定律，并证明之。说明其作用。 答:在热电偶回路中接入第三种材料的导线，只要其两端的温度相等，第三导线的引入不会影响热电偶的热电势。 TA0 A T CT 0 T T0 B B T 0 A导体两端的电势差:eTT(,)A0 eT()TAC0(,)(),,eTTTdTA 0AA, T0eTT(,)C C00T B B导体两端的电势差:eT()ABeTT(,)B0T (,)(),,eTTTdT0BB,T0eT()T >T CB00 T C导体两端的电势差:0 T0 (,)()0,,,eTTTdT00CC,T0 ,Tn0ATeT端接触电势:()ln,00AC enn,TCA端接触电势:()ln,TeTABTn en,0CB()ln,eTCB0enB eTTeTeTTeTeTeTT(,)()(,)()()(,),，,,,ABABBACCBA00000 ,,,，,eTeTeTeTTeTT()()()(,)(,)ABACCBBA0000 T,,,nnnAAC ,,,，,TTTTTdTlnlnln()(),,,,00BA,T0enenenBCB Tn,A ,,，,()ln()()TTTTdT,,,,0BA,T0enB 此定律具有特别重要的实用意义，因为用热电偶测温时必须接入仪表(第三种材料)，根据此定律，只要仪表两接入点的温度保持一致(T )仪表的入就不会影响热电势。而且A、0 B结点的焊接方法也可以是任意的。 四、(6分)若某光栅的栅线密度为50线/mm，主光栅与指示光栅之间的夹角为θ=0.01rad。 (1) 求其形成的莫尔条纹间距B是多少, H (2) 说明莫尔条纹生成原理及特点。 答: (1)分辨力, =栅距W =1mm/50=0.02mm=20,m B?W/θ= 0.02mm/0.01=2mm H (2)在透射式直线光栅中，把主光栅与指示光栅的刻线面相对叠合在一起，中间留有很小的间隙，并使两者的栅线保持很小的夹角θ。在两光栅的刻线重合处，光从缝隙透过，形成亮带;在两光栅刻线的错开处，由于相互挡光作用而形成暗带。 ,tantan,,横向莫尔条纹的斜率 2 BCWW,,,,BAB莫尔条纹间距 可见莫尔条纹的宽度B由光栅常数HH,,,sin2sin与光栅夹角决定 22 光学放大作用:由上式可知，虽然光栅常数W很小，但只要调整夹角θ，即可得到很大的莫尔条纹的宽度B，起了放大作用。放大倍数:1/θ 均衡误差作用:由大量栅线共同形成的莫尔条纹对光栅栅线的刻线误差有均衡作用，提高了测量精度。 连续变倍作用:光栅的栅距是固定的，不同的倾斜角θ将可获得相应宽度的莫尔条纹，当θ连续变化时，考虑到光学放大作用，莫尔条纹的宽度也是连续变倍地变化。因此，可用改变θ的大小来选择任意粗细的莫尔条纹。 五、(12分)试论述 (1)霍尔片不等位电势产生的原因及其补偿方法; (2)若霍尔片采用恒流源供电，为补偿温度误差，采用在输入回路并联电阻，若已知霍尔元件灵敏度温度系数为α，霍尔元件输入电阻温度系数为β，温度t时的输入电阻为0 RRtt,，,[1()],R，霍尔元件灵敏度系数为K;温度t时的输入电阻为，霍尔元i0H01iti00 KKtt,，,[1()],件灵敏度系数为，请画图并推导并联的电阻R的大小。 PHtH00 答: 当t=t。灵敏度系数 K 输入电阻 R H0I0 当t=t 灵敏度系数 ,,，，K,K1，,t,tHtH00 输入电阻 ,,，，R,R1，,t,titi00 RIRIPPI,I，II,I,IR,IRPHH0HPPHi R，RR，RiPi0P RIRIPPI,,Ht,,，，R，RR1，,t,t，RitPi00P 为了使霍尔电势不随温度变化，要保证: U=U T0T 即 KIB,KIBH0H0HtHt ,,R，t,t，R,,，，1,,i00P，，，t,t,1RR,,0Pi0R，R,i0P 六、(12分)已知石英晶体压电片上的极性如图(a)所示。 xxFF x x yy + + + + ? ? ? ? FF x x (a)x方向受压力 (b)x方向受拉力 xx yy FFFF y y y y (c)y方向受压力 (d)y方向受拉力 请回答: 1(石英晶体的压电效应有何特点, 2(试标出图(b)、(c)、(d)所示的石英晶体压电片上电荷的极性，并结合图说明什么 叫纵向压电效应,什么叫横向压电效应, 3(压电传感器配用电路常采用电荷放大器，根据压电材料的等效模型推导电荷放大器输 出电压与电荷的关系;并说明电荷放大器有何特点。 答:某些电介质物质，在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，内部会产生极化现象，同时在其表面上产生电荷;当外力去掉后，又重新回到不带电的状态，这种将机械能转变为电能的现象，称为“正(顺)压电效应”。相反，在电介质的极化方向上施加电场，它会产生机械变形，当去掉外加电场时，电介质的变形随之消失。这种将电能转换为机械能的现象，称为“逆压电效应”。 石英晶体属六方晶系，是一个正六面体，有右旋和左旋石英晶体之分，在晶体学中用三根互相 垂直的轴 Z、X、Y 表示它的坐标。 Z 轴为光轴(中性轴)，它是晶体的对称轴，光线沿Z轴通过晶体不产生双折射现象，因而它的贡献是作为基准轴。 X 轴为电轴(垂直于光轴)，该轴压电效应最显著，它通过正六棱柱相对的两个棱线且垂直于光轴Z，显然X轴共有三个。 Y 轴为机械轴(力轴)，显然也有三个，它垂直于两个相对的表面，在此轴上加力产生的变形最大。 2(这种沿X轴作用力，而在垂直于此轴晶面上产生电荷的现象，称为“纵向压电效应”。 这种沿Y轴作用力，而在垂直于X轴的晶面上产生电荷的现象，称为“横向压电效应。” 3( Ra Ri Ca Cc Ci Q Uf C fUi, AQ ，UC0 UUU,,,0if, UAU,,0i, UUUUA,,,，,1 ，，,fii0,QCU,Ci , ,QCUUAC,,，(1)fffif ,QQQ,，,Cf, C/AC<<1，1/A<<1时， f ,,UC10，，，，QUCACCACUCUC,，，,,，，,,，，,,(1)(1)1,, 00ifff，，，，,,AACAf,,电荷放大器的输出电压仅与电荷量和反馈电容有关，只要保持反馈电容的数值不变，输入电压就正比于输入电荷量，且当(1+K)C >10(Ca+Cc+Ci)以上时， f ? 可认为传感器的灵敏度与电缆电容无关，更换电缆和使用较长电缆(数百米)时，无需重新校正传感器灵敏度。 1014 R(约10,10Ω)提供直流反馈; f 5 电荷放大器的时间常数RC相当大(10S以上)，下限截止频率f=1/(2πRC) ，低ffLff -612达3×10Hz，上限频率高达100KHz，输入阻抗大于10Ω，输出阻抗小于100Ω。 ? 压电式传感器配用电荷放大器时，低频响应比配用电压放大器要好得多，可对准静态的物理量进行有效的测量。 传感技术及应用 试 题 课程综合考试,合计分数70分 一、 判断题(正确打?标记，错误打×标记，每题1分，共10分) 1(( )迟滞(或称迟环)特性表明传感器在正(输入量增大)反(输入量减小)行程 期间输出和输入特性曲线不重合的程度。 2(( )由均质材料构成的热电偶，热电势的大小与导体材料及导体中间温度有 关，与热电偶尺寸、形状及电极温度分布无关。 3(( )对于压电晶体中的多晶体压电陶瓷当沿X轴的方向施加外作用力时，会 在垂直于X轴和Y轴两个轴的表面出现电荷。 4(( )造成电感传感器零点残余电压的原因是由于电感线圈受外界磁场的干扰。 5(( )光纤是利用光的折射原理工作的，光纤由纤芯、包层和套管组成，且纤 芯的折射率小于包层的折射率。 6(( )超声波传感器的发射探头是利用正压电效应、接收探头是利用负压电效 应基础上实现对被测量进行测量的。 7(( )螺管型电感传感器采用差动结构也不能完全消除非线性误差。 8(( )光电器件的光谱特性就是指它们的输出电信号与调制光频率变化的关系。 9(( )在压电式传感器的测量线路中，电压放大器能够测量静态量更换电缆后 需要重新标定灵敏度。 10(( )某光栅每毫米刻线100条，光学放大倍数为1000，当光栅移动一个栅 距时，就移动一个莫尔条纹，产生的莫尔条纹宽度为10mm。 二、简答题(每题5分共20分) 1(什么是传感器,包含哪些方面含义，传感器由哪三个部分组成, 2(从原理上分析应变式传感器与压阻式传感器的区别。 3(简述外光电效应及红限的含义。 。 4(请说明差动气隙电感传感器的工作过程和差动形式的作用。 三、(10分)为了将测量仪表接入热电偶回路中而不对回路中的热电势产生影响利 用的是热电偶的哪个定律，证明该定律。 五、(10分)霍尔片采用恒压源供电，为补偿温度误差，采用在输入回路串联电阻，若已知霍尔元件灵敏度温度系数为α，霍尔元件输入电阻温度系数为β，温度t时的输入0 RRtt,，,[1()],电阻为R，霍尔元件灵敏度系数为K;温度t时的输入电阻为，i0H01iti00 KKtt,，,[1()],霍尔元件灵敏度系数为,请推导串联的电阻R的大小。。 PHtH00 I H V H R P E 六、(10分)当前激光位移传感器很多是利用三角测距原理，采用位置敏感器件(PSD) 工作的，试述(注意:第六题、第七题任选一题) (1) PSD的工作原理，画简图说明; (2) 由图示的位移传感器工作原理图中，推导出被测距离的计算公式。 Ln 4B fL 1 I2XnI1 32 位移传感器工作原理图 1-投光透镜 2-红外LED 3-一维PSD 4-聚光透镜 七((10分)如图所示，说明电容差动脉冲调宽电路的工作原理，画出波形图， 推导出输出电压的表达式。(注意:第六题、第七题任选一题) R,C八((10分)设压电式传感器的等效电容和电阻分别为，连接放大器导线的aa 电容为C，放大器的输入电阻和输入电容为R, C，反馈电阻和电容为R C ， ciIFF 1、 画出电荷放大器的等效电路; 2、 推到电荷放大器输出电压表达式，说明压电式传感器电荷放大器为什么不用配固 定的电缆。 传感技术及应用试题答案 课程综合考试,合计分数70分 一、 判断题(正确打?标记，错误打×标记，每题1分，共10分) 1( ( ? )迟滞(或称迟环)特性表明传感器在正(输入量增大)反(输入量减小)行程期间输出和 输入特性曲线不重合的程度。 2( ( × )由均质材料构成的热电偶，热电势的大小与导体材料及导体中间温度有关，与热电 偶尺寸、形状及电极温度分布无关。 3( ( × )对于压电晶体中的多晶体压电陶瓷当沿X轴的方向施加外作用力时，会在垂直于X 轴和Y轴两个轴的表面出现电荷。 4( ( × )造成电感传感器零点残余电压的原因是由于电感线圈受外界磁场的干扰。 5( ( × )光纤是利用光的折射原理工作的，光纤由纤芯、包层和套管组成，且纤芯的折射率 小于包层的折射率。 6( ( × )超声波传感器的发射探头是利用正压电效应、接收探头是利用负压电效应基础上实 现对被测量进行测量的。 7( ( ? )螺管型电感传感器采用差动结构也不能完全消除非线性误差。 8( ( × )光电器件的光谱特性就是指它们的输出电信号与调制光频率变化的关系。 9( ( × )在压电式传感器的测量线路中，电压放大器能够测量静态量更换电缆后需要重新标 定灵敏度。 10( ( ? )某光栅每毫米刻线100条，光学放大倍数为1000，当光栅移动一个栅距时，就移动 一个莫尔条纹，产生的莫尔条纹宽度为10mm。 二、简答题(每题5分共20分) 1(什么是传感器,包含哪些方面含义，传感器由哪三个部分组成, 答:传感器(Transducer/Sensor)的定义是:“能够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”。 定义包含的意思: ? 传感器是测量装置，能完成检测任务; ? 它的输入量是某一种被测量，可能是物理量，也可能是化学量、生物量等; ? 它的输出量是某种物理量，这种量应便于传输、转换、处理、显示等等，这种量不一定是电量，还可以是气压、光强等物理量，但主要是电物理量; ? 输出与输入之间有确定的对应关系，且能达到一定的精度。 输出量为电量的传感器，一般由敏感元件、转换元件、基本转换电路三部分组成。 敏感元件:它是直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的某一物理量的元件。 转换元件:将敏感元件的输出转换成一定的电路参数。有时敏感元件和转换元件的功能是由一个元件(敏感元件)实现的。 基本转换电路:将敏感元件或转换元件输出的电路参数转换、调理成一定形式的电量输出。 2(从原理上分析应变式传感器与压阻式传感器的区别。 答:金属应变片发生应变以后，使导体的几何尺寸发生改变，因而阻值发生变化; 对半导体来说，它的电阻取决于有限数目的载流子—空穴和电子的迁移。加在一定晶向上的外界应力， 引起半导体能带的变化，使载流子的迁移率产生较大的变化，因而使半导体电阻率产生相应的变化。 d, ,k,，，(12)kE,，，12.,,应变片相对灵敏度系数代入得到 ,e, , —泊松比;—压阻系数;E—弹性模量。 ,e ,Ek,，12,对于金属丝构成的应变片，一般可改为(几何变形)，k值约为2左右，半导体材料值e kE,,很大，约为60,170，因此对半导体材料而言，一般认为。 e 3(简述外光电效应及红限的含义。 答:当物质受到外界光线照射时，内部电子由于吸收了光子的能量而产生电子溢出物体表面的现象叫做外光电效应。 红限的含义:只有光子的频率达到某一频率f以上时，电子吸收光子能量克服逸出功，获得动能0 才能逸出物体表面，若fT CB00C导体两端的电势差:T 0 T0(,)()0,,,eTTTdT00CC ,T,Tn00ATeT端接触电势:()ln,00AC enC Tn,0C()ln,eTCB0enB n,TA端接触电势:()ln,TeTAB enB eTTeTeTTeTeTeTT(,)()(,)()()(,),，,,,ABABBACCBA00000 ,,,，,eTeTeTeTTeTT()()()(,)(,)ABACCBBA0000 T,,,nnnAAC,,,，,TTTTTdTlnlnln()(),,,,00BA,T0enenenBCB Tn,A,,，,()ln()()TTTTdT,,,,0BA,T0enB 此定律具有特别重要的实用意义，因为用热电偶测温时必须接入仪表(第三种材料)，根据此定律，只要仪表两接入点的温度保持一致(T )仪表的入就不会影响热电势。而且A、B结点的焊接方法也可以0 是任意的。 四、(10分)霍尔片采用恒压源供电，为补偿温度误差，采用在输入回路串联电阻，若已知霍尔元件灵敏度温度系数为α，霍尔元件输入电阻温度系数为β，温度t时的输入0 RRtt,，,[1()],电阻为R，霍尔元件灵敏度系数为K;温度t时的输入电阻为，i0H01iti00 KKtt,，,[1()],霍尔元件灵敏度系数为,请推导串联的电阻R的大小。 PHtH00 答: 当t=t。灵敏度系数 K，输入电阻R H0I0 ，，，，KKtt,，,1,RRtt,，,1, 当t=t 灵敏度系数 ，输入电阻 ，，，，HtH00iti00，，，， RIRIPPIII,，IRIR,I,I,，，， PHPPHiH0HRR，RR，iP0iP RIRIPPI 。为了使霍尔电,,IHHt，1,，，RR，,，RttR，，00itPiP，， V H 势不随温度变化，应保证U=U。 T0T KIBKIB,即，得到 HHHtHt00 ，，RttR1，,，,R ，，PiP00，，，化简后得到1，,,tt,，，0RR，iP0 E ,,,RR。 ,Pi0, 五、(10分)当前激光位移传感器很多是利用三角测距原理，采用位置敏感器件(PSD) 工作的，试述(注意:第五题、六题任选一题) (1) PSD的工作原理，画简图说明; (2) 由图示的位移传感器工作原理图中，推导出被测距离的计算公式。 Ln 4B f L 1 I2XnI1 32 位移传感器工作原理图 1-投光透镜 2-红外LED 3-一维PSD 4-聚光透镜 答:(1)PSD的基本结构如下图所示。PSD为PIN结构，在P和N电组层之间注入离子而产生I 本征层。当光点从垂直于P的方向照射到PSD的I层时，光点2 11 I I21X 附件就会产生电子空穴对，在PN结电场的作用下，空穴进入PA 区，电子进入N区。由于P区杂质浓度相对较高，空穴迅速沿 P P区表面向两侧扩散，导致P层空穴横向浓度呈梯度变化，形 I 12,,IXI,,1III,，成一定的电位差。此时，且，,,10A012N 2L,, I 0L 121II,,,21IXI,，1XL,，，由此得到。可见，,,20AA3 2L2II，,,21PSD测量结果X与I、I的比值有关。 A12 ,2,根据几何光学进行计算，并根据PSD原理公式得到入射位置计算为 BfL,IIxBf,22ILxL,211N，进而得到。 ,,,,11,,IILLL，IILL，12N12 六((10分)如图所示，说明电容差动脉冲调宽电路的工作原理，画出波形图， 推导出输出电压的表达式。(注意:第五题、第六题任选一题) 答:差动脉冲调宽线路的基本出发点是构成一个频率稳定的方波发生器，以电容变化来调节占空比，由此引起平均直流分量的变化。 TT12VV,VV, ，;V—触发器输出高电平 1AP1BP1TT，TT，1212 TT,VV1211TRC,VVVV,,,TRC, ;; 222mSCAPBP1111mVV,TT，VV,1F121F CC,12VV, 设充电电阻R=R=R，则 12SC1CC，12 不论对于变面积或变间隙式电容器，均能获得线性输出。 R,C七((10分)设压电式传感器的等效电容和电阻分别为，连接放大器导线的aa 电容为C，放大器的输入电阻和输入电容为R, C，反馈电阻和电容为R ，C ， ciIFF 1、 画出电荷放大器的等效电路; 2、 推到电荷放大器输出电压表达式，说明压电式传感器电荷放大器为什么不用配固 定的电缆。 答:1、 电荷放大器的等效电路为 CaVsr-A RCVa-Vsc RRaiR,上图为电压放大器电路简化等效电路图，图中; C,C，C。 ciRR，ai 2、 Uf C fUi, AQ ，UC0 UUU,,,0if, UAU,,0i, UUUUA,,,，,1 ，，,fii0,QCU,Ci , ,QCUUAC,,，(1)fffif ,QQQ,，,Cf, C/AC<<1，1/A<<1时， f ,,UC10，，，，QUCACCACUCUC,，，,,，，,,，，,,(1)(1)1,, 00ifff，，，，,,AACAf,,电荷放大器的输出电压仅与电荷量和反馈电容有关，只要保持反馈电容的数值不变，输入电压就 正比于输入电荷量，且当(1+K)C >10(Ca+Cc+Ci)以上时， f ? 可认为传感器的灵敏度与电缆电容无关，更换电缆和使用较长电缆(数百米)时，无需重新 校正传感器灵敏度。 1014 R(约10,10Ω)提供直流反馈; f 5-6 电荷放大器的时间常数RC相当大(10S以上)，下限截止频率f=1/(2πRC) ，低达3×10Hz，ffLff 12上限频率高达100KHz，输入阻抗大于10Ω，输出阻抗小于100Ω。 ? 压电式传感器配用电荷放大器时，低频响应比配用电压放大器要好得多，可对准静态的物理量进行有效的测量。 “传感技术及应用”作业与习题 一、 绪论 作业习题 1.什么是传感器,(传感器定义) 传感器由哪几个部分组成,分别起到什么作用, 2.解释下列名词术语: 敏感元件;2)传感器; 3)信号调理器;4)变送器。 讨论习题 1.什么是传感器,常用的分类方法有哪两种, 思考题 1. 传感器特性在检测系统中起到什么作用, 二、 传感器的一般特性 作业习题 判断以下各题正确与否: 1.传感器是一种测量器件或装置，它将被测量按一定规律转换成可用输出，一般系统有输入和输出，所以均可看作传感器。 2.传感器的静态特性曲线表示法一般有方程表示法，曲线表示法，列表表示法三种，但是它们严格意义上是等效的。 3.迟滞误差、非线性误差和重复性误差都会给测量结果带来误差，但它们都可用统计平均的办法减少。 4.传感器的阈值，实际上就是传感器在零点附近的分辨力。 5.某位移传感器的测量量程为1mm，分辨力为0.001 mm，这说明传感器的灵敏度很高，其灵敏度为0.1 %。 6.传感器A采用最小二乘法拟合算得线性度为土0.6%，传感器B采用端点直线法算得线性度为?0.8%，则可以肯定传感器A的线性度优于传感器B。 7.无论何种传感器，若要提高灵敏度必然会增加非线性误差。 8.幅频特性优良的传感器，其动态范围大，故可以用于高精度测量。 讨论习题 1.传感器的性能参数反映了传感器的什么关系, 2.静态参数有哪些,各种参数代表什么意义, 3.动态参数有那些,应如何选择, 思考题 1.对于一阶传感器而言，传感器的时间常数越小，工作频域越宽，动态响应越好。 2.对于二阶传感器而言，可以通过减小传感器运动部分质量和增加弹性敏感元件的刚度来提高传感器的固有频率。 三、 电阻式传感器 作业习题 1(什么是应变效应,什么是压阻效应,什么是横向效应, 2. 说明电阻应变片的组成和种类。电阻应变片有哪些主要特性参数, 3(一个量程为10kN的应变式测力传感器，其弹性元件为薄壁圆筒轴向受力，外径20mm,内径18mm,在其表面粘贴八各应变片，四个沿周向粘贴，应变片的电阻值均为120Ω,灵敏度为2.0,波松比为0.3,材料弹性模量E=2.1×1011Pa。要求: ?绘出弹性元件贴片位置及全桥电路; ?计算传感器在满量程时，各应变片电阻变化; ?当桥路的供电电压为10V时，计算传感器的输出电压。 4.应变片产生温度误差的原因及减小或补偿温度误差的方法是什么, 5.某次测定金属丝电阻—温度关系的实验数据如下表 t(?) 17.8 20.9 37.7 48.2 58.8 R () 3.554 3.687 3.827 3.969 4.105 ,t 试正确绘制R-t关系并求出0?时的电阻阻值。 6.有一测量吊车起吊物质量的拉力传感器如图(a)所示。电阻应变片R1、R2、R3、R4贴在等轴截面上。 2112已知等截面轴的截面积为0.00196m，弹性模量E,2，10N/m，泊松比为0.3，R1、R2、R3、R4 标称值均为120、灵敏度为2.0，它们组成全桥如图(b)所示，桥路输入电压为2V，输出电压为1.0mV，, 求:?等截面袖的纵向应变及横向应变;?重物m有多少吨, 7.半桥测量时两片不同受力状态的电阻应变片介入电桥时，应放在邻边。 8.桥路(差动电桥)测量存在非线性误差，是因为_____________________。 9.应变式传感器可用于温度测量吗, 10.一阻值120的应变式电阻传感器灵敏系数，将该应变片用阻值为12的导线连接到测,,K,2.0 '量系统，求应变片灵敏系数K=1.82。 11.设计一只测量线位移的精密线绕电位器，测量范围0~10mm，分辨力为50μm，灵敏度为2.7V/mm， -4电阻丝材料选用铂铱金丝，其电阻率ρ=3.15×10Ω.mm，当电位器的负载电阻R=10kΩ。求电位器f的最大负载误差。 12.下图是热敏电阻温度传感器的线性化电路，设T、T、T分别为测温的下限、上限和测温范围的中LHM 点，其对应的热敏电阻值已知为R、R、R，为保证热敏电阻输出的线性，请推导串联在热敏电阻中LHM 的R的最佳值是多少, 讨论习题 1(试说明金属应变片与半导体应变片的相同和不同之处。 思考题 1(在传感器测量电路中，直流电桥与交流电桥有什么不同，如何考虑应用场合,用电阻应变片组成的半桥、全桥电路与单桥相比有哪些改善, 四、 电感式传感器 作业习题 1.叙述变磁阻式传感器的工作原理。 2.说明差动变压器(螺线管式)传感器的结构形式与输出特性。 3.什么是零点残余电压，有哪些方法可以进行残余电压补偿, 4.用差动变压器进行位移测量时采用那种电路形式可以直接由输出电压区别位移的大小和方向, 5.什么是电涡流效应,电涡流传感器可以进行哪些非电量参数测量,分别利用哪些物理量进行检测，由哪个电参量转换进行电量输出的, 6(电感式传感器有哪些种类,它们的工作原理是什么, 7(如图所示一简单电感式传感器。尺寸已示于图中。磁路取为中心磁路，不记漏磁，设铁心及衔铁的相对磁导率为104，空气的相对磁导率为1，真空的磁导率为4π×10-7H)m-1,试计算气隙长度为零及为2mm时的电感量。图中所注尺寸单位均为mm. 8(问振幅是5V，频率是1000Hz的正弦波交流的有效值为多少,周期为多少, 9.在膜厚传感器上，厚度l 越大，线圈的自感系数是变大还是变小, 10.将非电量的变化转换成线圈______ (或______)变化，这种测量装置叫做电感式传感器。该传感器按转换原理不同可分为_______式或_______式两大类。 11.判断题: ?. 对变间隙的电容式传感器而言即使采用差动结构也不能完全消除非线性误差。 ?. 差动电感传感器不能完全消除非线性误差。 ?. 电感式传感器和涡流式传感器都是通过电感量的变化检测信号的，所以它们结构和工作原理 没有任何不同。 ?. 自感式电感传感器改变空气隙等效截面积类型变换器转换关系为非线形的，改变空气隙长度 类型的为线形的。 ?. 变压器式电感传感器多采用差动结构，并用线圈间互感M的大小确定被测非电量的数值。 讨论习题 1.请简述电涡流传感器的工作原理，并举出两种传感器的测量电路，说明电路的测量原理。 调频式电感传感器转换电路由于输出信号是脉冲信号，因此抗干扰能力强，易于数字化和远距离传输信号。 2.分析电感传感器出现非线性的原因，并说明如何改善, 思考题 1(差动电感结构有什么优点，采用什么电路可有线形输出, 2(简述电涡流效应及构成电涡流传感器的可能的应用场合。 五、 电容式传感器 作业习题 1.电容传感器有哪些类型, 2.叙述电容传感器的工作原理，输出特性。 3.电容传感器的测量电路有哪些,叙述二极管双T型交流电桥工作原理。 4(差动式电容测厚传感器系统的工作原理, 5(推导差动式电容传感器的灵敏度，并与单极式电容传感器相比较。 6(试推导变电介质电容式位移传感器的特性方程C=f(x)。设真空的介电系数为ε0, ε2,ε1 ，以及极板宽度为W。 7. 在上题中，设δ=d=1mm，极板为正方形(边长50mm)。ε1 =1,ε2=4试在x=0到50mm范围内，输出磁位移传感器的特性曲线，并给以适当说明。 8. 简述电容式传感器用差动脉冲调宽电路的工作原理及特点。 9.电容传感器有哪三种类型，试从输入输出关系的角度说明各自的特点，对于非线性类型采用什么方法来改善, 10.由于电容传感器的初始电容________，因此，该传感器的关键问题是_________的影响极其严重，这不仅会造成传输效率_______，灵敏度_______，而且会产生很大的________。 11.变面积电容式传感器如图(a)所示，BC形成恒定电容C，绝缘导杆D伸入圆柱极板A中使得AC电F r,6mm,r,5.7mm,r,4.5mm,l,25mm,容C变化，运算放大器如图(b)所示，求:?导杆D每X123 ,12,,8.85，10F/m,,,1伸入1mm引起的电容变化量;? U=6V时，求U。() io0r CF CXAU-iCUoB+ (a) (b) 12.电容传感器外圆半径R=8mm,内圆柱外半径r=7.25mm,外圆筒与内圆筒覆盖部分长度l=16mm,计算 C电容传感器电容量=_________，当移动0.5mm时的电容变化量________。 0 13.对变间隙的电容式传感器而言即使采用差动结构也不能完全消除非线性误差吗, 14.电容传感器有哪三种类型，试从输入输出关系的角度说明各自的特点，对于非线性类型采用什么方法来改善, 讨论习题 1(根据电容传感器的工作原理说明它的分类，电容传感器能够测量哪些物理参量, 2.如果电容传感器的电缆丢失了，更换另一根电缆后，可以不必对测量系统重新进行标定，也可直接使用。 思考题 1.为什么电感式和电容式传感器的结构多采用差动形式，差动结构形式的特点是什么, 2(总结电容式传感器的优缺点，主要应用场合以及使用中应注意的问题。 六、 磁电式传感器 作业习题 1.为什么说磁电感应式传感器是一种有源传感器, 2.变磁阻式传感器有哪几种结构形式,可以检测哪些非电量, 3.什么是霍尔效应,霍尔电势的大小与方向和哪些因素有关,影响霍尔电势的因素有哪些, 4.集成霍尔器件有哪几种类型,试画出其输出特性曲线。 5.有一测量转速装置，调制盘上有100对永久磁极，N、S极交替放置，调制盘由转轴带动旋转，在磁极上方固定一个霍尔元件，每通过一对磁极霍尔元件产生一个方脉冲送到计数器。假定t=5min采样时 间内，计数器收到N=15万个脉冲，求转速n=,转/分。 6.磁敏元件有哪些,(磁敏电阻、磁敏二极管、磁敏晶体管)什么是磁阻效应,简述磁敏二极管、晶体管工作原理。 7.磁敏电阻与磁敏晶体管有哪些不同,与霍尔元件在本质上的区别是什么, 8(试证明霍尔式位移传感器的输出与位移成正比。 9.磁电式传感器通常用于测量速度，这是由于它的质量块的位移与速度成正比。 10.简答:写出霍尔电压的表达式，并给出消除不等位电势的方法。 11.当控制磁感应强度为零，控制电流为额定值时，霍尔电极间的空载电势称为不等位电势(或零位电势)。 Rt12.如何采用恒流源和输入并联电阻对霍尔元件进行温度补偿，求出并联电阻。(设温度时，霍p0 kRkR尔元件的灵敏度系数为，输入电阻为，温度上升到 时，它们分别为、。tH0i0Htitk,k[1，,(t,t)]R,R[1，,(t,t)],，，其中为霍尔元件灵敏度系数;,为元件的输入HtH00iti00 R电阻温度系数。(假设不随温度变化)。霍尔片采用恒流源供电，为补偿温度误差，采用在输入回p 路并联电阻，如下图示，若已知霍尔元件灵敏度温度系数为α，霍尔元件输入电阻温度系数为β，温度t时的输入电阻为R，请推导并联的电阻R的大小。 0i0P V HI H I R PP . . I 13.霍尔元件用于测量磁场，它通常不用金属而由磁性半导体材料如锗、砷化铟等制成。 14.不管霍尔效应还是磁阻效应都是洛伦磁力作用的结果。 15.简述霍尔传感器测量磁场的原理。 16.霍尔片采用恒压源供电，为补偿温度误差，采用在输入回路串联电阻R，如下图示，若已知霍尔P元件灵敏度温度系数为α，霍尔元件输入电阻温度系数为β，温度t时的输入电阻为R，请推导并0i0联的电阻R的大小。 P I VHH R P V 讨论习题 1. 霍尔元件能够测量哪些物理参数,霍尔元件的不等位电势的概念是什么,温度补偿的方法有哪几种, 2(磁电式传感器与电感式传感器有哪些不同, 3. 简述霍尔效应及构成以及霍尔传感器可能的应用场合。 思考题 1.磁电式传感器是速度传感器，它如何通过测量电路获得相对应的位移和加速度信号, 2.发电机是利用导线在永久磁铁的磁场中作旋转运动而发电的。无论负载怎样消耗这个电能，永久磁铁不会变弱，这是什么道理, 七、 压电式传感器 作业习题 1. 判断题: 1)沿机械轴(Y-Y)方向施加作用力时，产生的电荷量与压电晶片的几何尺寸有关。 2)压电式传感器如果使用电荷放大器作为前置放大器，在一定条件下，传感器的灵敏度与电缆长度无关。 3)电荷放大器是将传感器输出的电荷进行放大的前置放大器，由于它可以使用较长的电缆，因而得到广泛应用。 4)石英晶体和压电陶瓷均呈压电现象，压电机理也一样，但后者的压电常数要大的多。 5)在压电式传感器的测量线路中，电荷放大器的低频特性要比电压放大器的好的多。 6)压电晶体有三个互相垂直的轴，分别为X轴(电轴)、Y轴(力轴)、Z轴(光轴)，当沿某一轴的方向施加外作用力时，会在另外两个轴的表面出现电荷。 2.什么是正压电效应,什么是逆压电效应,压电效应有哪些种类,压电传感器的结构和应用特点是什么,能否用压电传感器测量静态压力, 3.石英晶体X、Y、Z轴的名称是什么,有哪些特征, 4.说明电压放大器与电荷放大器的优缺点，各自要解决什么问题, 5.用石英晶体加速度计及电荷放大器测量机器振动，已知，加速度计灵敏度为5pc/g;电荷放大器灵敏度为50mv/p，最大加速度时输出幅值2v，试求机器振动加速度。 6(超声波传感器利用压电材料制成发射器和接收器，说明它们各利用哪种压电效应, 7(简述压电式加速传感器的工作原理, 8. 一个等效电容为450pF的压电式水听器与同相放大器相连，试确定为获得100的增益及在5Hz处增益误差小于10%的电路无源元件之值。 9.有一个振动频率为10K的被测体需要测量其振动参数，应选用压电式传感器进行测量。 R2 - Uo R1U++ Rb Cs 10.石英晶体的压电效应有何特点,已知石英晶体压电片上的极性如图(a)所示，试标出图(b)、(c)、 Us(d)所示的石英晶体压电片上电荷的极性，并结合图说明什么叫纵向压电效应,什么叫横向压电效应, xxFF x x yy + + + + ? ? ? ? FF x x (a)x方向受压力 (b)x方向受拉力 xx yy FFFF y y y y (c)y方向受压力 (d)y方向受拉力 11.压电传感器配用电路常采用电荷放大器，问: ?根据压电材料的等效模型推导电荷放大器输出电压与电荷的关系; ?说明电荷放大器有何特点。 讨论习题 1(电荷放大器所要解决的核心问题是什么,试推导其输入输出关系。 2.简述压电陶瓷特性，作为压电元件比较他与石英晶体有哪些特点, 思考题 1.为什么压电传感器通常都用来测量动态或瞬态参量, 2.设计压电式传感器检测电路的基本考虑点是什么,为什么, 八、 热电式传感器 作业习题 1.判断题: a) 热电偶使用时，常配用冷端延长线，延长线可以采用任何一种金属材料制造。 b) 把N支相同型号的热电偶依次将正、负极连接，则串联线路的相对误差会减少。 c) 两种金属相接触时会产生接触电势，两种半导体也会产生接触电势，但金属和半导体间 不会产生接触电势。 d) 热电偶传感器的中间导体定律保证了接入热电偶回路中的第三甚至第四种导体只要它 们几端的温度相同就一定不会影响回路的总电势。 e) 热电偶的补偿导线法与零度恒温法一样，可完全消除冷端温度变化带来的测温误差。 f) 热电偶的工作机理是导体的热电效应。而热电势的产生必须具备两个条件，即两种导体 材质不同且两个节点的温度不同。 2.已知铜热电阻Cu100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_______欧;若测温时的电阻值为83欧，则被测温度是_______?(保留小数点后两位) 3. 叙述并证明热电偶参考电极定律，其中k为玻尔兹曼常数;e为电子电荷量;n、n、 n分别为材ABC ,,,料A、B、C的自由电子密度;、、分别为材料A、B、C的汤姆逊系数。且已知在某特定条ABC 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。(材料A在前，材料B在后) A A TT0 TT T 0 B C 4.将一灵敏度为0.08 mV/?的热电偶与电压表相连接，电压表接线端是50?，若电位计上读数是60mV，热电偶的热端温度是___________________。 # # 5.用两个AD590测量两点温度差的电路如图所示，设1和2AD590处的温度分别为t(?)和t(?)。12图中电位器R用于调零，电位器R用于调整运放LF355的增益。试求出输出电压V与温差t-t的关24o12系。 6.下图是热敏电阻的伏安特性曲线， 1)请对曲线进行分析; 2)用该热敏电阻测量温度时，应该利用曲线的哪一段，说明原因; 3)用该热敏电阻测量风速或流量时，应该利用曲线的哪一段，说明原因。 V(电压) bc da 0III(电流)am 7(集成温度传感器的测温原理，有何特点, 8(如果需要测量1000?和20?温度时，分别宜采用哪种类型的温度传感器, 9(什么叫热电动势、接触电动势和温差电动势,说明热电偶测温原理及其工作定律的应用。分析热电偶测温的误差因素，并说明减小误差的方法。 10(试述热电偶测温的基本原理和基本定理。 11(试解释负电阻温度系数热敏电阻的伏安特性并说明其用途。 12(使用k型热电偶，基准接点为0?、测量接点为30?和900?时，温差电动势分别为1.203mV和37.326mV。当基准接点为30?。C，测温接点为900?时的温差电动势为多少, 13. 0?时铂金热电阻的阻值为100Ω。按下图所示进行温度测量。R1=100Ω,R2=200Ω,R3=300Ω时 -1桥路达到平衡。此时温度为多少,假设铂金电阻的温度系数为0.003851?，电阻与温度成线性关系，另外导线的电阻可忽略不计。 14(0?时的电阻为100Ω的铂金热电阻。300?时的阻值按下面两种方法计算，其结果之差换算成温度差是多少, -115.电阻用温度的一次方程表示，RT=R0(1+At+Bt2)式中B=0，A=0.003851?。(此时100?时的电阻值为138.51Ω)电阻值与温度为二次函数关系。用一次方程近似时，温度误差为多少, 讨论习题 1(热电阻传感器主要分为几种类型,它们应用在什么不同场合, 半导体热敏电阻的主要优缺点是什么,在电路中是怎样克服的, 2(试比较电阻温度计与热电偶温度计的异同点。 思考题 1(要测1000。C左右的高温，用什么类型的热电偶好,要测1500。C左右的高温呢, 2(热电偶冷端温度对热电偶的热电势有什么影响,为消除冷端温度影响可采用哪些措施, 九、 光电式传感器 作业习题 1.判断题: 1)光栅利用莫尔条纹可以测量长度、角度和进行光谱分析。 2)功能型光纤传感器是利用光纤的敏感特性进行测量，比如光纤液位传感器。 3)光敏二极管和磁敏二极管使用时与光电池不同，二者均在反向偏置下工作。 4)硫化镉光敏电阻和硫化铅光敏电阻的尺寸一样时可相互替代。 5)光电池和光敏二极管都是建立在内光电效应基础上，工作电路也一样。 6)通常外光电效应有红限频率，而内光电效应无红限频率。.由于光敏电阻的光照特性是非线性的，因此不宜用做测量元件。但由于光敏电阻的响应时间很短，因此可以用做高速光电开关。 7)光纤是利用光的折射原理工作的，光纤由纤芯和包层构成，且纤芯的折射率小于包层的折射率。 8)由于光电池的开路输出电压与光强成正比，因此可以用于测量光强。 9)CCD图像传感器是由电荷耦合器件CCD与光敏二极管阵列集成为一体的具有自扫描功能的固态传感器。 10)由于光敏电阻的光照特性是非线性的，因此不宜用做测量元件。但由于光敏电阻的响应时间很短，因此可以用做高速光电开关。 11)光纤是利用光的折射原理工作的，光纤由纤芯和包层构成，且纤芯的折射率小于包层的折射率。 12)由于光电池的开路输出电压与光强成正比，因此可以用于测量光强。 13) CCD图像传感器是由电荷耦合器件CCD与光敏二极管阵列集成为一体的具有自扫描功能的固态传感器。 14)光导管是内光电效应的典型代表器件。 2.什么是外光电效应,内光电效应,光生伏特效应,光电导效应, 3.光电器件中的光照特性、光谱特性分别描述的是光电器件的什么性能, 4.试述光敏电阻、光敏晶体管、光电池的器件结构和工作原理。 5.叙述电荷耦合器件(CCD)的结构和存储电荷与转移电荷的工作过程。 6.光纤传感器在位移测量中有哪些特点,反射光的光强弱对测量有哪些影响, 7.求光纤n1=1.46， n2=1.45的NA值;外部n0=1时，求最大入射角θ=,。 8.在用光开关检测物体的系统中，由受光器的受光次数，可计算通过输送带上物体的个数，那么，用输送带搬运两种高度的物体时，画出能分别计算两种高度的物体个数的系统组成图。 9(图示为光纤传光示意图，若空气的光折射率为n，要使光纤的入射光在光纤纤芯内全反射，则,00至多为多少,写出推导过程。并表述数值孔径的意义。 n2 ,n1 1 ,1 10(下图为CCD读出移位寄存器结构原理图和三个电极,、,、,上所施加的脉冲波形。请根据t,1231t各时刻波形情况，简单描述读出移位寄存器工作原理，即信息电荷转移过程。 4 ,1 ,2 ,1 ,3 金属 ,氧2 化 物 ,3 P型硅 t t2 t1 t3 t4 遮光层 11.光纤纤芯的折射率n1=1.48，包层的折射率n2=1.46，求它的NA值;如外部的n0=1，求最大入射角θm=, 12.简述光纤的基本结构，并基于几何光学的原理，以阶跃光纤说明其传光过程。 13.简述光电增量码盘辩向的原理。 14.光栅传感器基于何种原理制造,有何特点, 若某光栅的栅线密度为50线/mm，主光栅与指示光栅之间的夹角为θ=0.01rad。 (1) 求其形成的莫尔条纹间距B是多少, H -6(2) 若采用四只光敏二极管接收莫尔条纹的信号，并且光敏二极管的响应时间为10s，问此时允 许最快的运动速度v是多少, 讨论习题 1.光电增量码盘和绝对值光电码盘有何不同, 2.功能型光纤传感器与非功能型光纤传感器有什么区别,各有哪些功能, 思考题 1. 光纤损耗是如何产生的,它对光纤传感器有哪些影响, 2. 光导纤维为什么能够导光,光导纤维有哪些优点,光纤式传感器中光纤的主要优点有哪些, 23.TSL251将光电二极管和I/V变换器集成在一起，并具有45mV/(mW/cm)的灵敏度和3mV的暗电压， 2输出与ADC相连。若ADC有5V的输入范围且希望在黑暗时有零数字输出，输入辐照度为50mW/cm时有最大数字输出，试确定放大器的增益和ADC位数。若传感器的温度系数为1mV/K，试确定在不影响ADC输出的情况下，传感器可能承受的最大温度变化。 一零、 超声波传感器数字化传感器 作业习题 1.超声波在介质中传播有那些特性, 2.超声波物位测量有几种方式，各有什么特点, 3.超声波传感器的吸收块的作用是什么, 4.简述超声波测量流量的工作原理。 ? 横波只在固体内传播吗, ? 叙述超声波传感器传播时间法测流量的原理。并结合下图推导被测流体的平均流速v的计算公式。(推导出流速即可)(D—管道直径;c—超声波在静止流体中的速度;v—被测流体的平均流速) 传感器2 θ Dv ,0 传感器1 超声波传感器安装位置 讨论习题 1(超声波传感器能用于哪些非电量的测量,试举例说明之。 思考题 1.如何利用超声波的多普勒频移法测量含有悬浮颗粒或气泡流体的流量,