哈尔滨工业大学2008年秋季传感技术及应用考试试题

哈尔滨工业大学2008年秋季传感技术及应用考试试题

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．（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：

①光栅传感器；②电容传感器；③电涡流传感器。

2．（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：

①增量式编码器；②绝对式编码器；③电容传感器。

3．（①）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：

①光电传感器；②霍尔传感器；③电涡流传感器。

4．（②）在线测量高速回转零件的主轴径向偏摆量，可采用：

①差动变压器；②电涡流传感器；③压电式传感器。5．（②）下列哪类传感器具有防水功能？

①电阻应变式传感器；②电涡流传感器；③电容式传感器。6．（①）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？

①面阵CCD传感器；②线阵CCD传感器；③硅光电池。7．（③）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：

①线阵CCD传感器；②面阵CCD传感器；③ PSD传感器。8．（③）绝对式编码器的码制绝大多数采用：

①二进制码；②十进制码；③格雷码（循环码）。

9．（②）下列电感传感器中，哪种传感器的输出特性是线性的？

①变气隙型；②变面积型；③螺管型。

10．（③）电容式液位传感器属于下列哪种型式？

①变极距型；②变面积型；③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：

①传感器是测量装置，能完成检测任务；

②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；

③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；

④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。

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

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。

（2-33）

（2-30）

工程上，一般按R1 = R B = R3 = R4选取桥臂电阻。

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。

(2-31)

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，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。

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n1＞n2时，?2 ＞?1 。临界条件是：

(2-32)

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。

①为克服边缘效应，首先应增大初始电容量C0，即增大极板面积，减小极板间隙。

②在结构上增设等位环来消除边缘效应。

原理：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周不影响工作。

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。

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(T0 )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 H 是多少？ （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=20μm

B H ≈W /θ= 0.02mm/0.01=2mm

（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。 横向莫尔条纹的斜率

莫尔条纹间

距 可见莫尔条纹的宽度B H 由光栅常

数与光栅夹角决定

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t0时的输入电阻为R i0，霍尔元件灵敏度系数为K H0；温度t1时的输入电阻为

，霍尔元件灵敏度系数为，请画图并推导并联的电阻R P的大小。

答:

当t=t。灵敏度系数 K

H0输入电阻 R

I0

当t=t 灵敏度系数

输入电阻

为了使霍尔电势不随温度变化，要保证：U T0=U T

即

六、

（12

分）已

知石

英晶体压电片上的极性如图（a）所示。

（a）x方向受压力（b）x方向受拉力

（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．

C/AC f <<1，1/A<<1时，

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 f>10

（Ca+Cc+Ci）以上时，

①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。

R f（约1010～1014Ω）提供

直流反馈；

电荷放大器的时间常数

R f C f相当大（105S以上），下限截止频率f L=1/(2πR f C f) ，低达3×10-6Hz，上限频率高达100KHz，输入阻抗大于1012Ω，输出阻抗小于100Ω。

②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。