哈工大2008秋季答案20090522110027462

1、課程綜合測試，合計分數(shù) 70 分一、判斷題（正確打7標記，錯誤打渝記，每題1分，共10分）1. （7傳感器的閾值，實際上就是傳感器在零點附近的分辨力。2. （為 某位移傳感器的測量量程為1 mm,分辨力為0. 001 mm,這說明傳感器的靈敏度很高，其靈敏度為 0.1%。3. （為傳感器A采用最小二乘法擬合算得線性度為土 0.6%，傳感器B采用端點直線法算得線性度為± 0.8%，則可以肯定傳感器 A 的線性度優(yōu) 于傳感器 B。4. （%無論何種傳感器，若要提高靈敏度，必然會增加非線性誤差。5. （%幅頻特性優(yōu)良的傳感器，其動態(tài)范圍大，故可以用于高精度測量。6. （% 如果電容傳感器的

2、電纜丟失了，更換另一根電纜后，可以不必對測量系統(tǒng)重新進行標定，也可直接使用。7. （% 壓電式力傳感器既可以測量靜態(tài)力，也可以測量動態(tài)力。8. （7 熱電偶的工作機理是導體的熱電效應，而熱電勢的產(chǎn)生必須具備兩個條件，即兩種導體材質(zhì)不同且兩個節(jié)點的溫度不同。9. （% 由于光敏電阻的光照特性是非線性的，因此不宜用做測量元件。但由于光敏電阻的響應時間很短，因此可以用做高速光電開關(guān)。10. （% 光纖是利用光的折射原理工作的，光纖由纖芯和包層構(gòu)成，且纖芯的折射率小于包層的折射率。二、選擇題（請選擇一個適合的答案，每小題1分，本題共 10 分1. （）車間條件下測量大型機床工作臺的位移（行程為 20

3、m）,可采用： 光柵傳感器； 電容傳感器； 電渦流傳感器。2. （）為一個旋轉(zhuǎn)式機械分度裝置增加數(shù)顯系統(tǒng)，可采用的角度傳感器為： 增量式編碼器； 絕對式編碼器； 電容傳感器。3. （）對生產(chǎn)流水線上的塑料零件進行自動計數(shù)，可采用的傳感器為： 光電傳感器； 霍爾傳感器； 電渦流傳感器。4. （）在線測量高速回轉(zhuǎn)零件的主軸徑向偏擺量，可采用： 差動變壓器； 電渦流傳感器； 壓電式傳感器。5. （）下列哪類傳感器具有防水功能？ 電阻應變式傳感器； 電渦流傳感器； 電容式傳感器。6. （）為了在報紙印刷的高速生產(chǎn)流水線上監(jiān)測印刷缺陷，可以采用哪一種傳感器? 面陣CCD傳感器； 線陣CCD傳感器； 硅光

4、電池。7. （）一個小型光學儀器中用于測量光斑二維位置變化（x-y）的傳感器可采用： 線陣CCD傳感器； 面陣CCD傳感器；PSD傳感器。8. （）絕對式編碼器的碼制絕大多數(shù)采用：二進制碼；十進制碼；格雷碼（循環(huán)碼）。9. （）下列電感傳感器中，哪種傳感器的輸出特性是線性的？變氣隙型；變面積型；螺管型。10. （）電容式液位傳感器屬于下列哪種型式？變極距型；變面積型；變介質(zhì)型。三、簡答題（共6題，只選做其中5道題，每題4分共20分）1. 什么是傳感器？包含哪些方面含義，傳感器由哪三個部分組成？答：傳感器（Transducer/Senso）的定義是：能夠感受規(guī)定的被測量并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn) 換成可用

5、輸出信號的器件或裝置”。定義包含的意思： 傳感器是測量裝置，能完成檢測任務； 它的輸入量是某一種被測量，可能是物理量，也可能是化學量、生物量等； 它的輸出量是某種物理量，這種量應便于傳輸、轉(zhuǎn)換、處理、顯示等等，這種量不一 定是電量，還可以是氣壓、光強等物理量，但主要是電物理量； 輸出和輸入之間有確定的對應關(guān)系，且能達到一定的精度。輸出量為電量的傳感器，一般由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件、基本轉(zhuǎn)換電路三部分組成。 敏感元件：它是直接感受被測量，并輸出和被測量成確定關(guān)系的某一物理量的元件。 轉(zhuǎn)換元件：將敏感元件的輸出轉(zhuǎn)換成一定的電路參數(shù)。有時敏感元件和轉(zhuǎn)換元件的功能 是由一個元件（敏感元件）實現(xiàn)的。基本轉(zhuǎn)換

6、電路：將敏感元件或轉(zhuǎn)換元件輸出的電路參數(shù)轉(zhuǎn)換、調(diào)理成一定形式的電量輸 出。2. 下圖是熱敏電阻的伏安特性曲線，a. 請對曲線進行分析；b. 用該熱敏電阻測量溫度時，應該利用曲線的哪一段，說明原因；c. 用該熱敏電阻測量風速或流量時，應該利用曲線的哪一段，說明原因。答:a. 將熱敏電阻接上一個電流源 ，并在它兩端測得端電壓，可得到熱敏電阻的伏安特 性。0 a段：電流小于la，功耗小，電流不足以使熱敏電阻發(fā)熱，元件上的溫度基本是 環(huán)境溫度。此時熱敏電阻相當于一個固定電阻，電壓和電流之間符合歐姆定律。ab段：隨著電流增加，熱敏電阻功耗增加，導致電流加熱引起熱敏電阻自身溫度 超過環(huán)境溫度（介質(zhì)溫度），

7、其阻值降低，因此出現(xiàn)非線性正阻區(qū)，電流增長速度阻值 減小的速度。c d段：隨著電流增加，為Im時，電壓達到最大值，電流繼續(xù)增加，熱敏電阻本身加熱更為劇烈，阻值迅速減小，阻值減小的速度大于電流增加的速度，出現(xiàn)c d段負阻區(qū)。b. 用0 a段進行測溫。電流不足以使熱敏電阻發(fā)熱，熱敏電阻的阻值變化只和被測 量的環(huán)境有關(guān)。c. 用c d段測量風速或流量，風速或流量可以使熱敏電阻的熱量消耗，而消耗的熱 量和風速或流量有關(guān)。3. 理想情況下，金屬應變片的輸出電阻是應變的一元函數(shù)，但實際上應變片輸出電阻還 和溫度有關(guān)，即 R/R=F（ £，t），請敘述電阻應變片溫度的補償方法和補償原理。 答：電阻

8、應變片的溫度補償方法通常有線路補償和應變片自補償兩大類。線路補償法電橋補償是最常用且效果較好的線路補償。測量應變時，工作應變片 R1粘貼在被測試件表面上，補償應變片 RB粘貼在和 被測試件材料完全相同的補償塊上，且僅工作應變片承受應變。當被測試件不承受應變時，R1和RB又處于同一環(huán)境溫度為t的溫度場中，調(diào)整 電橋參數(shù)使之達到平衡，此時有 當溫度升高或降低 t=t-t0時，兩個應變片因 溫度而引起的電阻變化量相等，電橋仍處于平衡狀態(tài)。應變片的自補償法這種溫度補償法是利用自身具有溫度補償作用的應變片（稱之為溫度自補償應變片）來補償?shù)?。根?jù)溫度自補償應變片的工作原理，要實現(xiàn)溫度自補償，必須有 上式表

9、明，當被測試件的線膨脹系數(shù) -卸已知時，如果合理選擇敏感柵材料，即其電阻溫度系數(shù)a 0、靈敏系數(shù)K0以及線膨脹系數(shù)B s,滿足上式，則不論溫度如何變化，均有 Rt/R0=0，從而達到溫度自補償?shù)哪康摹?簡述光纖的基本結(jié)構(gòu)，并基于幾何光學的原理，以階躍光纖為例說明其傳光過程。答：1.光纖的結(jié)構(gòu)，由纖芯、包層和外套三部分組成。兒:階躍光纖的纖芯和包層間的折射率階躍變化的，即纖芯內(nèi)的折射率分布大體上是均 勻的，包層內(nèi)芯勺折射率分布也大體均勻，均可視為常數(shù)，但是纖芯和包層的折射率不同, 在界面上發(fā)生突變，如圖所示光線的傳播依靠光在纖芯和包層界面上發(fā)生的內(nèi)全反 射現(xiàn)象。斯乃爾定理（Snell's

10、 Law ）指出：當光由光密物質(zhì)（折射率大）入射至光疏物質(zhì)00答：理想條件下，平行板電容器的電場均勻分布于兩極板所圍成的空間，這僅是簡化電 容量計算的一種假定。實際上在電容器的邊緣電力線是不均勻的，這樣就產(chǎn)生了邊緣效 應。 為克服邊緣效應，首先應增大初始電容量 Co，即增大極板面積，減小極板間隙 在結(jié)構(gòu)上增設等位環(huán)來消除邊緣效應。原理：等位環(huán)安放在上面電極外，且和上電極絕緣 組等電位，這樣就能使上電極的邊緣電力線平直，兩極 間電場基本均勻。而發(fā)散的邊緣電場發(fā)生在等位環(huán)的外 周不影響工作。答： 不會影響熱電偶的熱電勢。 eAB （T, T0）二 eAB （T） A eB（T,T00）- eAC

11、（T0）- Odb 仃0）- eA（T ,T0） 糕嚴（T, 耐%両山匹CB導體兩端的電勢差得）】dTT0T-0eC（T°,T°）=匚 C（T）dT =0 田電勢：eAB（T）=U| e nB 翥nB,因為用熱電偶測溫時必須接入儀表（第三種材料）, 根據(jù)此定律，只要儀表兩接入點的溫度保持一致（T0 ）儀表的入就不會影響熱電勢。而且A、 B結(jié)點的焊接方法也可以是任意的。四、6分）若某光柵的柵線密度為50線/mm，主光柵和指示光柵之間的夾角為 O=0.01rad。（1）求其形成的莫爾條紋間距 Bh是多少？（2）說明莫爾條紋生成原理及特點。在熱電偶回路中接入第三種材料的導線，只要

12、其兩端的溫度相等，第三導線的引入TeT0eAaT >T0e此定律具有特別重要的6.試論述熱電偶中間導體定律，并證明之。說明其作 用。答:(1)分辨力：=柵距 W=1mm/50=0.02mm=20mBh 心W/ 0 = 0.02mm/0.01=2mm在透射式直線光柵中，把主光柵和指示光柵的刻線面相對疊合在一起，中間留有很橫向0莫爾條 和光柵小的形成線保持彳啲錯開處9。在兩光柵的刻線重合處，光從縫隙透過, 由于相互擋光作用而形成暗帶。:丁 可見莫爾條紋的寬度Bh由光柵常數(shù)光學放大作用：由上式可知，雖然光柵常數(shù) W很小，但只要調(diào)整夾角9,即可得到 很大的莫爾條紋的寬度B,起了放大作用。放大倍數(shù)

13、：1/9均衡誤差作用：由大量柵線共同形成的莫爾條紋對光柵柵線的刻線誤差有均衡作用， 提高了測量精度。連續(xù)變倍作用：光柵的柵距是固定的，不同的傾斜角9將可獲得相應寬度的莫爾條紋， 當9連續(xù)變化時，考慮到光學放大作用，莫爾條紋的寬度也是連續(xù)變倍地變化。因此， 可用改變9的大小來選擇任意粗細的莫爾條紋。五、(12分)試論述(1) 霍爾片不等位電勢產(chǎn)生的原因及其補償方法；(2) 若霍爾片采用恒流源供電，為補償溫度誤差，采用在輸入回路并聯(lián)電阻，若已知霍爾元件靈敏度溫度系數(shù)為a，霍爾元件輸入電阻溫度系數(shù)為B,溫度to時的輸入電阻為Rio，霍爾元件靈敏度系數(shù)為 Kho;溫度ti時的輸入電阻為R二R01(t

14、-t。)，霍爾元件靈敏度系數(shù)為KHt二Kho1 (t -t。)，請畫圖并推導并聯(lián)的電阻 Rp的大小。答：當t=t。靈敏度系數(shù)Kho當t=t靈敏度系數(shù)輸入電阻輸入電阻R io+田-卩為了使霍爾電勢不隨溫度變化，要保證：一 1 Uto=Ut即=+ a(I +P(- )+_a六、(12分)已知石英晶體壓電片上的極性如圖(a)所示X (a) x方向受壓力)y方向受壓力yx (b) x方向受拉力xA(d) y方向受拉力請回答: 1石英晶體的壓電效應有何特點？2試標出圖（b）、（c）、（d）所示的石英晶體壓電片上電荷的極性，并結(jié)合圖說明什么 叫縱向壓電效應？什么叫橫向壓電效應？3.壓電傳感器配用電路常采用

15、電荷放大器， 根據(jù)壓電材料的等效模型推導電荷放大器輸 出電壓和電荷的關(guān)系；并說明電荷放大器有何特點。答：某些電介質(zhì)物質(zhì)，在沿一定方向上受到外力的作用而變形時，內(nèi)部會產(chǎn)生極化現(xiàn)象， 同時在其表面上產(chǎn)生電荷；當外力去掉后，又重新回到不帶電的狀態(tài)，這種將機械能轉(zhuǎn) 變?yōu)殡娔艿默F(xiàn)象，稱為 正（順）壓電效應”相反，在電介質(zhì)的極化方向上施加電場， 它會產(chǎn)生機械變形，當去掉外加電場時，電介質(zhì)的變形隨之消失。這種將電能轉(zhuǎn)換為機 械能的現(xiàn)象，稱為逆壓電效應”石英晶體屬六方晶系，是一個正六面體，有右旋和左旋石英晶體之分，在晶體學中 用三根互相 垂直的軸Z、X、Y表示它的坐標。Z軸為光軸（中性軸），它是晶體的對稱軸，

16、光線沿Z軸通過晶體不產(chǎn)生雙折射現(xiàn)象, 因而它的貢獻是作為基準軸。X軸為電軸（垂直于光軸），該軸壓電效應最顯著，它通過正六棱柱相對的兩個棱線 且垂直于光軸乙顯然X軸共有三個。在此軸上加力產(chǎn)丫軸為機械軸（力軸），顯然也有三個，它垂直于兩個相對的表面， 生的變形最大?？v向壓電效應” 橫向壓電效應。”2這種沿X軸作用力，而在垂直于此軸晶面上產(chǎn)生電荷的現(xiàn)象，稱為 這種沿丫軸作用力，而在垂直于X軸的晶面上產(chǎn)生電荷的現(xiàn)象，稱為3.LCaCcnI=U； u f一LuQUoCiUfT卜C/ACU<1，-A/A<<1 時， Q=UjfCu（1uA）CUi 1 L c （1 A）CfU0C'電荷放大器的輸出電壓僅和電荷量和反饋電容有關(guān)寸丨（Ca+電荷放大器的輸出電壓僅和電荷量和反饋電容有 輸入電壓就正比于輸入電荷量