同济大学2008至2009学年第二学期传感器与检测技术期末考试试题A.doc

同济大学2008至2009学年第二学期传感器与检测技术期末考试试题A
同济大学课程考核试卷（A卷）
2008—2009学年第二学期
命题教师签名：               审核教师签名：
课号：102214          课名：传感器与检测技术             考试考查：考试
此卷选为：期中考试(  )、期终考试( ■ )、重考(  )试卷
年级         专业           学号            姓名         得分         

一、 选择题（每题2分，共24 分）
1. 按敏感元件与被测对象之间的能量关系，传感器可分为（   ）传感器。
A．温度型和速度型 B．物性型和结构型 C．机械型和电子型 D．能量转换型和能量控制型
2. 二阶传感器系统中，属于其动态特性的表征参数是（   ）。
A．线性度 B．灵敏度 C．超调量 D．漂移
3. 为了减小非线性误差，采用差动变隙式电感传感器，其灵敏度和单线圈式传感器相比，(   )。
A. 降低二倍 B. 降低一倍 C. 提高二倍 D. 提高一倍
4. 电感式传感器采用变压器式交流电桥作为测量电路时，如想分辨出衔铁位移的方向，则应在电路中加（   ）电路。
A．加法器 B．检波 C．相敏检波 D．鉴频
5. 若两个应变量变化完全相同的应变片接入测量电桥的相对桥臂，则电桥的输出将（  ）。
A．增大 B．减小 C．不变 D．可能增大，也可能减小
6. 压电传感器的等效电路，（   ）。
A．可以等效为电压源，不可等效为电荷源 B．可以等效为电压源，不可等效为电荷源
C．既不可等效为电压源，也不可等效为电荷源 D．既可等效为电压源，也可等效为电荷源
7. 电涡流在金属导体中的形成范围为（   ）
A.传感器线圈外径附近 B.传感器线圈内径附近 C.表面 D.表面且传感器线圈外径附近
8. 光电耦合器件由发光元件和光电接收元件组成，（  ）。
A. 可实现电路隔离，不可进行电平转换 B. 不可实现电路隔离，可进行电平转换
C. 可实现电路隔离，可进行电平转换 D. 不可实现电路隔离，不可进行电平转换
9. 压电陶瓷与天然石英的压电性能比较，通常（  ）。
A．压电常数大，居里点低 B．压电常数小，居里点高 C．压电常数大，居里点高
D．压电常数和居里点都差不多
10. 应变式传感器用电桥做转换电路，理论上电桥输出带有非线性误差的是（   ）
A．单臂电桥 B．半桥 C．全桥 D．半桥和全桥
11. 对热电耦传感器，形成热电势的必要条件是： (   )
A．两种导体材料不同；节点所处的温度不同
B．两种导体材料相同；节点所处的温度不同；
C．两种导体材料不同；节点所处的温度相同
D．两种导体材料相同；节点所处的温度相同
12. 在差动变压器实验中，当衔铁过零位时，输出电压(  )。
A. 幅值：变小，相位：不变 B. 幅值：大→小→大，相位：不变
C. 幅值：变大，相位:反相 D. 幅值：大→小→大，相位：反相
二、            填空题（每题2分，共16分）
1．传感器的输入输出特性指标可分为   静态   和   动态   指标两大类，线性度和灵敏度是传感器的__ _  _ __指标，而频率响应特性是传感器的          指标。
2．旋转式编码器可以测量转轴的角位移，其中               在任意位置都有固定的数字编码与位置对应，线数为360线的增量式编码器分辨力为___ ___（角）度。
3．  光电效应分为                    和                   两大类。
4．  湿敏传感器的工作电源要求采用                信号源。
5．  霍尔元件一般采用                       材料。
6．.利用电涡流位移传感器测量转速时，被测轴齿盘的材料必须是_ __    ___。
7．热电偶电动势由           _电动势和接触电动势两部分组成。
8．莫尔条文的光强度变化近似正弦变化，因此，便于将电信号作进一步细分，即采用              技术
三 简答题 （10分）
1．压电传感器分别用两片完全相同的压电元件串联（不同极性端互联）和单片使用，如图所示，所受压力相同，试比较其输出电压、电荷、电容的关系。(5分)

2．何为热电偶的热电效应？问如图所示的热电偶热电动势的组成，并写出回路总电势的表达式。

三、如图所示差动式同心圆电容传感器，其可动极筒外径为r=9.8mm，固定极筒内径为R=10mm，上下遮盖长各为10mm时；试求电容值C1和C2。当供电电源频率为60Hz时。求其容抗值。（10分）
四、在你所做的形变实验系统中，采用弹性悬臂梁贴应变片的方法配合桥路测量位移。用千分尺读得位移数x值，然后记录单臂、半桥和全桥三种桥路的输出电压u。（20分）
(1)简述何谓“应变效应”                                     
(2)画出三种桥路并说明各桥路之间测量灵敏度的关系。           
(3)画出此传感器的组成方块图并标出各部分组成名称。         
(4)若传感器静态方程近似u=ex,求用端基法在(0<x<1)区间拟合直线方程。
五、有四个性能完全相同的应变片（K=2），将其贴在如图所示压力传感器圆板形感压膜片上。已知：膜片r=20mm，h=0.3mm，E=2×1011N/m2，μ=0.285。现将四个应变片组成全桥测量电路，桥路电源U=6V，求：（20分）
(1)   确定应变片在感压膜片上的位置；
(2)   画出相应全桥测量电路图；
(3)   当被测压力为0.1Mpa时，求各应变片的应变值及桥路输出电压值；
(4)   该压力传感器是否具有温度补偿作用？为什么？
(5)   桥路输出量电压与被测压力之间是否存在线性关系？
参考答案
同济大学课程考核试卷（A卷）
2008—2009学年第二学期
命题教师签名：               审核教师签名：
课号：102214          课名：传感器与检测技术             考试考查：考试
此卷选为：期中考试(  )、期终考试( ■ )、重考(  )试卷
年级         专业           学号            姓名         得分         

二、 选择题（每题2分，共24 分）
1. 按敏感元件与被测对象之间的能量关系，传感器可分为（ D ）传感器。
A．温度型和速度型 B．物性型和结构型 C．机械型和电子型 D．能量转换型和能量控制型
2. 二阶传感器系统中，属于其动态特性的表征参数是（ C ）。
A．线性度 B．灵敏度 C．超调量 D．漂移
3. 为了减小非线性误差，采用差动变隙式电感传感器，其灵敏度和单线圈式传感器相比，( D )。
A. 降低二倍 B. 降低一倍 C. 提高二倍 D. 提高一倍
4. 电感式传感器采用变压器式交流电桥作为测量电路时，如想分辨出衔铁位移的方向，则应在电路中加（ C ）电路。
A．加法器 B．检波 C．相敏检波 D．鉴频
5. 若两个应变量变化完全相同的应变片接入测量电桥的相对桥臂，则电桥的输出将（ A ）。
A．增大 B．减小 C．不变 D．可能增大，也可能减小
6. 压电传感器的等效电路，（ D ）。
A．可以等效为电压源，不可等效为电荷源 B．可以等效为电压源，不可等效为电荷源
C．既不可等效为电压源，也不可等效为电荷源 D．既可等效为电压源，也可等效为电荷源
7. 电涡流在金属导体中的形成范围为（ D ）
A.传感器线圈外径附近 B.传感器线圈内径附近 C.表面 D.表面且传感器线圈外径附近
8. 光电耦合器件由发光元件和光电接收元件组成，（ C ）。
A. 可实现电路隔离，不可进行电平转换 B. 不可实现电路隔离，可进行电平转换
C. 可实现电路隔离，可进行电平转换 D. 不可实现电路隔离，不可进行电平转换
9. 压电陶瓷与天然石英的压电性能比较，通常（ A ）。
A．压电常数大，居里点低 B．压电常数小，居里点高 C．压电常数大，居里点高
D．压电常数和居里点都差不多
10. 应变式传感器用电桥做转换电路，理论上电桥输出带有非线性误差的是（ A ）
A．单臂电桥 B．半桥 C．全桥 D．半桥和全桥
11. 对热电耦传感器，形成热电势的必要条件是： ( A )
A．两种导体材料不同；节点所处的温度不同 B．两种导体材料相同；节点所处的温度不同；
C．两种导体材料不同；节点所处的温度相同 D．两种导体材料相同；节点所处的温度相同
12. 在差动变压器实验中，当衔铁过零位时，输出电压( D )。
A. 幅值：变小，相位：不变 B. 幅值：大→小→大，相位：不变
C. 幅值：变大，相位:反相 D. 幅值：大→小→大，相位：反相
二、              填空题（每题2分，共16分）
1．传感器的输入输出特性指标可分为   静态   和   动态   指标两大类，线性度和灵敏度是传感器的__ _静态_ __指标，而频率响应特性是传感器的   动态       指标。
2．旋转式编码器可以测量转轴的角位移，其中   绝对式编码器    在任意位置都有固定的数字编码与位置对应，线数为360线的增量式编码器分辨力为___1___（角）度。
3．    光电效应分为 内光电效应    和  外光电效应     两大类。
4．    湿敏传感器的工作电源要求采用    交流   信号源。
5．    霍尔元件一般采用         半导体          材料。
6．.利用电涡流位移传感器测量转速时，被测轴齿盘的材料必须是__金属_____。
7．热电偶电动势由_温度差______电动势和接触电动势两部分组成。
8．莫尔条文的光强度变化近似正弦变化，因此，便于将电信号作进一步细分，即采用“倍频技术”技术
三 简答题 （10分）
1．压电传感器分别用两片完全相同的压电元件串联（不同极性端互联）和单片使用，如图所示，所受压力相同，试比较其输出电压、电荷、电容的关系。(5分)

2．何为热电偶的热电效应？问如图所示的热电偶热电动势的组成，并写出回路总电势的表达式。

答：如图所示，两种不同性质的导体或半导体材料A、B 串接成一个闭合回路，如果两接合点处的温度不同，即T≠T0，则在两导体间产生热电势，也称热电动势。同时在回路中有一定大小的电流，这种现象称为热电效应。（2分）
热电动势组成：两导体的接触电势 ＋ 单一导体的温差电势。（1分）

三、（10分）如图所示差动式同心圆电容传感器，其可动极筒外径为r=9.8mm，固定极筒内径为R=10mm，上下遮盖长各为10mm时；试求电容值C1和C2。当供电电源频率为60Hz时。求其容抗值。（10分）

解： C1 = C2 = ==2.75( pF)     （5分）
       Z1=Z2===965(kΩ) （5分）

四、在你所做的形变实验系统中，采用弹性悬臂梁贴应变片的方法配合桥路测量位移。用千分尺读得位移数x值，然后记录单臂、半桥和全桥三种桥路的输出电压u。（20分）
(1)简述何谓“应变效应”                                    （4分）
(2)画出三种桥路并说明各桥路之间测量灵敏度的关系。          （6分）
（3）画出此传感器的组成方块图并标出各部分组成名称。        （4分）
  (4)若传感器静态方程近似u=ex,求用端基法在(0<x<1)区间拟合直线方程。（6分）
解答：（1）简述何谓“应变效应”                                    （4分）
金属电阻的相对变化与金属应变之间存在比例关系称为金属的电阻应变效 应。金属丝的应变灵敏系数物理意义为单位应变引起的电阻相对变化。
      （2）画出三种桥路并说明各桥路之间测量灵敏度的关系。          （6分）

            K1=0.25E(ΔR/R)        K2=0.5E(ΔR/R)            K3=E(ΔR/R)

（3）画出此传感器的组成方块图并标出各部分组成名称。    

（4）若传感器的静态方程近似为 u = ex ，求用端基法在 (0 < x <1 )区间拟合直线方程。                                                   （6分）
U = a0+kx    a0=1  k=(e-1)/(1-0)=1.78   U=1+1.78x   每小点2分
五、综合题（20分）有四个性能完全相同的应变片（K=2），将其贴在如图所示压力传感器圆板形感压膜片上。已知：膜片r=20mm，h=0.3mm，E=2×1011N/m2，μ=0.285。现将四个应变片组成全桥测量电路，桥路电源U=6V，求：
1)                      确定应变片在感压膜片上的位置；
2)                      画出相应全桥测量电路图；
3)                      当被测压力为0.1Mpa时，求各应变片的应变值及桥路输出电压值；
4)                      该压力传感器是否具有温度补偿作用？为什么？
5)                     

桥路输出量电压与被测压力之间是否存在线性关系？
解：(1)应变片在感压膜片上的位置如下图所示：（4分）         (2) 全桥测量电路图（4分）

   (3)  ε1=ε4=εr|x=r = - = -
                   = -1.53x10-3（1分）
       ε2=ε3=εl|x=0 = =-
                   = 7.66 x10-4（1分）
        (V) （2分）
   (4)该压力传感器具有温度补偿作用，因为R1、R2的性能完全相同，即它们的α、β、K都相同，且应变片处于同一温度环境中，满足温度补偿的条件。（4分）
  (5) 因为：ΔR1 =Kε1 R1;  Kε1=2×0.002 = 0.004
     所以：   ΔR1 =0.004R1
       因为：  R1 »ΔR1   又Ug∝ε 又ε∝ F
          所以：Ug∝ F
  即：桥路输出量电压与被测压力之间存在线性关系。（4分）