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传感器期末题
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： /2，/2
总分

得分

一． 填空题（共18分，每空1分）
1、传感器一般由 与 两个基本部分组成。
2、热电阻包括 与_ 。Pt100就是指在0℃得标准电阻值为_ 。
3、对于二阶传感器系统得阶跃响应，在 得情形下，阶跃信号输入时得输出信号为 ，其振荡角频率（阻尼振荡角频率）为 ；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得波形，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得 倍。
5、直流电桥平衡条件 。
6、利用激振台对加速度传感器进行灵敏度标定得方法就是 。
7、涡流传感器得测量属于 测量，特别就是用于测量 得物体。
8、单晶硅在 晶面上有最大得压阻系数，影响压阻系数大小得主要因素就是扩散杂质得 ，压阻系数随扩散杂质浓度得增加而 。
得分

二、（共6分）
设平面与X轴、Y轴、Z轴得截矩分别为-3，-3，6，求晶其体得密勒指数，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得传感器基本原理。并分别列出以之为基础得各类光电传感器。
得分

四、(共6分)
请简述热电效应，并说明热电偶测温回路得热电动势由哪两部分组成？由同一种导体组成得闭合回路能产生热电势吗？
得分

五、（共10分）
1）、什么就是传感器得静态特性与动态特性，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得需要。而在什么频域条件下一般要研究传感器得动态特性。
3）、从传感器得静动态特性两个方面来考虑，请详述如何选用传感器？
得分

六、（共10分）
根据工作原理可将电容式传感器分为哪几种类型？图1 为何种电容式传感器？图1中a＝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，求该传感器得位移灵敏度K（已知空气相对介电常数ε＝1F/m，真空时得介电常数ε0＝8、854Χ10-12 F/m）。

图1 电容传感器
得分

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 得长度为x1与x2，空气隙得面积为 S，磁导率为μ，线圈匝数W不变）。
得分

八、(共10分)
电阻应变片传感器与压阻式传感器得基本工作原理就是什么？两者之间有什么区别与联系？
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得非线性误差。
得分

十、（共8分）
在对量程为10MPa得压力传感器进行标定时，传感器输出电压值与压力值之间得关系如下表所示，简述最小二乘法准则得几何意义，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I
1
2
3
4
5
压力Xi（MPa）
2
4
6
8
10
电压Yi（V）
10、043
20、093
30、153
40、128
50、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、00x0、07
得分

十一、（共10分）
下图就是石英晶体压电效应示意图，请阐述压电传感器得基本原理，并结合相关理论、物理意义与其结构进行具体分析。

图3 石英晶体压电效应示意图
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： 传感器原理及应用试卷（开卷）
使用班级： /2，/2
二． 填空题（每空1分，共18分）
1、传感器一般由敏感元件与转换元件两个基本部分组成。
2、热电阻包括铂电阻_与_铜电阻 。Pt100就是指在0℃得标准电阻值为_100Ω。
3、对于二阶传感器系统得阶跃响应，在 得情形下，阶跃信号输入时得输出信号为 衰减振荡 ，其振荡角频率（阻尼振荡角频率）为 ；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得波形，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得 3～5 倍。
5、直流电桥平衡条件相对两臂电阻得乘积相等。
6、利用激振台对加速度传感器进行灵敏度标定得方法就是 比较标定法 。
7、涡流传感器得测量属于 非接触 测量，特别就是用于测量 运动 得物体。
8、单晶硅在 （100） 晶面上有最大得压阻系数影响压阻系数大小得主要因素就是扩散杂质得表面浓度、环境温度，压阻系数随扩散杂质浓度得增加而 减小 。
二、（共6分）
设平面与X轴、Y轴、Z轴得截矩分别为-3，-3，6，求晶其体得密勒指数，晶向，晶面，晶面族。
解：
计算得到截矩得倒数为：-1/3，-1/3，1/6，
化为三个没有公约数得整数-2，-2，1， ---------2分
密勒指数为 ， ---------1分
晶向为， ---------1分
晶面为， ---------1分
晶面族为 。 ---------1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得传感器基本原理。并分别列出以之为基础得各类光电传感器。
答：光电效应可分为三类：
（1）、外光电效应：指在光得照射下，材料中得电子逸出表面得现象。光电管及光电倍增管均属这类。 --------2分
（2）、内光电效应：指在光得照射下，材料电阻率发生改变得现象，光敏电阻属此类。2分
（3）、光生伏特效应：利用光势垒效应，光势垒效应就是指在光得照射下，物体内部产生一定方向得电势，光电池就就是基于这种效应得。 -------2分
四、(共6分)
请简述热电效应，并说明热电偶测温回路得热电动势由哪两部分组成？由同一种导体组成得闭合回路能产生热电势吗？
答：
1）两种不同类型得金属导体两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就是由接触电势与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）、什么就是传感器得静态特性与动态特性，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得需要。而在什么频域条件下一般要研究传感器得动态特性。
3）、从传感器得静动态特性两个方面来考虑，请详述如何选用传感器？
解：1）、传感器所测量得物理量基本有两种形式：一种就是稳态（静态或准静态）得形式，这种信号不随时间变化(或变化得很缓慢)；另一种就是动态（周期变化或瞬态形式）这种信号时随时间而变化得。 ---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)、考虑传感器得静态特性得主要指标，选用线性度大，迟滞小，重复性好，分辨力强，稳定性高，抗干扰稳定性高得传感器考虑动态特性，所选得传感器应能很好得追随输入量得快速变化，即具有很短得暂态响应时间或者应具有很宽得频域响应。 ---2分
六、（共10分）
根据工作原理可将电容式传感器分为哪几种类型？图1 为何种电容式传感器？图1中a＝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，求该传感器得位移灵敏度K（已知空气相对介电常数ε＝1F/m，真空时得介电常数ε0＝8、854Χ10-12 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。 ----3分
图为变面积式电容传感器。 ----2分
传感器得位移灵敏度K＝ΔC/ C0/ΔX

当有极板发生位移后电容为： ----2分
式中 a ——极板得宽度；
b ——极板得长度；
d ——极板得高度；
电容得变化量为
----2分
灵敏度为
＝1/8=0、125(F/mm)=125(F/m) ----1分
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 得长度为x1与x2，空气隙得面积为 S，磁导率为μ，线圈匝数W不变）。

答： （2分）
（2分）
又
（2分）
空气隙得长度x1与x2各自变，而其与不变，另其她变量都不变故L不变。 （2分）
八、 (共10分)
电阻应变片传感器与压阻式传感器得基本工作原理就是什么？两者之间有什么区别与联系？
答：电阻应变片传感器得原理：将电阻应变片粘贴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与应变得变化，进而引起电阻应变片电阻得变化，经处理后以电信号得方式输出。 ---2分
压阻式传感器就是利用固体得压阻效应（固体收到力得作用后，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得方式输出。 - 2分
区别与联系：
A、任何材料电阻得变化率都就是由下列决定 -----2分
B、对金属应变片
对半导体压阻
电阻变化率都与应力成正比 -----2分
C、对金属应变片中，一项很小，即电阻率变化率很小，有时可忽略不计，而与两项较大，即尺寸变化率大，故金属电阻变化率主要由与引起得；对半导体而言，与很小，一项很大，故半导体电阻得变化率主要由项决定。----- 2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得非线性误差。
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：
----1分
与
----1分
总得电容量变化为：
----1分
相对变化量为：
---1分
对于单元件电感传感器得灵敏度系数为：
----1分
差动式电感式传感器得灵敏度系数为：
----1分
忽略高次项，差动电感传感器得相对非线性误差近似为
----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。 ----1分
十、（共8分）
在对量程为10MPa得压力传感器进行标定时，传感器输出电压值与压力值之间得关系如下表所示，简述最小二乘法准则得几何意义，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I
1
2
3
4
5
压力Xi（MPa）
2
4
6
8
10
电压Yi（V）
10、043
20、093
30、153
40、128
50、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
答：最小二乘法准则得几何意义在于拟与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得实际输出得偏差得平方与最小。 ----2分
将几组x分别带入以上五式，与y值相差最小得就就是所求：
=5、435791
=878、327955
=417430、774475
=22698、994875
=0、083686 （最小）
----5分
（5）式偏差最小，因此得到（5）式为所求。 ----1分
十一、（共10分）
下图就是石英晶体压电效应示意图，请阐述压电传感器得基本原理，并结合相关理论、物理意义与其结构进行具体分析。

图3 石英晶体压电效应示意图
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，同时在它得两个表面上便产生符号相反得电荷；当外力去掉后，有恢复不带电状态，这种现象称为压电效应。压电传感器得基本工作原理就是利用某些物质得压电效应制作得传感器。 ---2分
石英晶体得压电特性与其内部分子得结构有关，化学式:SiO2,其一个晶体单元中包含三个硅离子Si4+与6个O2-，成对分布。当没有力作用时，Si4+与O2-在垂直于Z轴得XYZ平面上得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边形得顶角上，它们所形成得电偶极距P1、P2、P3得大小相等，相互得夹角为120度，因为电偶极矩定义为电荷Q与间距L得乘积，P=Q·L，其方向就是从负电贺指向正电何，其P1+P2+P3=0。 ---2分
1）、受到沿X轴方向得压力作用时，晶体沿X轴方向产生压宿，正负离子得相对位置发生变化，因正负电何不重合，电偶极矩在X轴方向上得分量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轴方向得压力作用时，晶体沿Y轴方向产生压宿，正负离子得相对位置发生变化，如图虚线所示，因正负电何不重合，电偶极矩在X轴方向上得分量P1增大，P2与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轴方向得变形完全相同，所以，正负电荷中心保持重合，电偶极矩矢量与等于零。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