传感器试题(2007秋本科B卷).doc

上 海 交 通 大 学 试 卷（ B 卷）
（ 2006 至 2007 学年 第 1 学期 ）

班级号_______________________ 学号______________ 姓名

课程名称 传感器原理 成绩

（满分80分）
一、判断对错（正确：√，错误：×， 每题1分，共15分）
1. 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. 由于光敏电阻的光照特性是非线性的，因此不宜用作精密测量元件。 [ ]
3. 光栅位移传感器具有较高的测量精度，主要原因是栅线密集而且加工精度高，所以保证了测量精度。[ ]
4. 光纤的纤芯的折射率小于包层的折射率。 [ ]
5. 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。[ ]
6. 电感式位移传感器由于属于接触式测量，所以不适于高频动态位移的测量。[ ]
7. 某传感器给定的精度为0.1%，这意味着在满量程内测量任意值的最大相对误差不会超过0.1%。[ ]
8. 传感器A采用最小二乘法拟合算得线性度为±0.8%，传感器B采用端点连线法算得线性度为±0.6%，则可以肯定传感器B的线性度优于传感器A。 [ ]
9. 接触式传感器将会产生测量力，从而带来测量误差，影响测量精度。[ ]
10. 幅频特性优良的传感器，其动态范围大，故可用于高精度动态测量。[ ]
11. 半导体应变传感器的灵敏度远远高于金属应变传感器，主要是因为半导体材料的压阻效应占主要地位。[ ]
12. 用于测量金属板材厚度的电涡流传感器，常采用两个测头和较高的激励频率，以便满足大多数板材厚度的测量需求。[ ]
13. 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并不受分布电容的影响，因而收到欢迎。[ ]
14. 压电式力传感器既可以测量静态力，也可以测量动态力。[ ]
15. 热敏电阻的电阻值将随着温度的升高而下降。[ ]

题号
一
二
三
四
五

得分

批阅人(流水阅
卷教师签名处)

我承诺，我将严格遵守考试纪律。

承诺人：

二、选择题（请选择一个你认为最为适合的答案，每题1分，共15分）
1. 一小型光学仪器中用于控制光斑二维位置变化的传感器可采用：[ C ]
（a）线阵CCD传感器 （b）面阵CCD传感器 （c）PSD传感器
2. 实现三维动态力测量的最佳方法，是采用：[ C ]
（a）应变片传感器 （b）压阻传感器 （c）压电传感器
3. 测量油库储油罐内油的液位高度，适于采用：[ A ]
（a）超声波测距传感器 （b）电容液位传感器 （c）光纤液位开关
4. 家用空调中的测温元件采用何种传感器最好？[ B ]
（a）热电阻 （b）热敏电阻 （c）热电偶
5. 电容式液位传感器属于下列那一种型式：[ C ]
（a）变极距型 （b）变面积型 （c）变介质型
6. 测量微位移工作台的位移量（行程200μm，分辨力1μm），可选用：[ C ]
a. 应变传感器 b. 电感传感器 c. 电容传感器
7. 测量炮弹发时炮筒内壁的压力且不影响安全发射，可采用的传感器为：[ B ]
a. 压电式传感器 b. 应变式传感器 c. 压阻式传感器
8. 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：[ B ]
a. 增量式编码器 b. 绝对码编码器 c. 电容传感器
9. 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：[ A ]
a. 光电传感器 b. 霍尔传感器 c. 电容传感器
10. 你认为自动感应式干手机中的人手感应器应为：[ A ]
a. 红外传感器 b. 超声波传感器 c. 图像传感器
11. 差动变压器一般具有几个线圈：[ C ]
a. 1个线圈 b. 2个线圈 c. 3个线圈
12. 在线测量高速金属回转零件的主轴径向偏摆量，可选用：[ B ]
（a）差动变压器 （b）电涡流传感器 （c）压电式传感器
13. 下列那类传感器可以具有防水功能：[ B ]
（a）电阻应变式传感器 （b）电涡流传感器 （c）电容式传感器
14. 为了在报纸印刷的生产流水线上监测印刷缺陷，可以采用哪一种传感器：[ B ]
（a）面阵CCD传感器 （b）线阵CCD传感器 （c）硅光电池
15. 数码照相机中用于自动调焦的测距传感器为：[ A ]
（a）红外传感器 （b）超声波传感器 （c）CCD传感器

图1 电涡流效应
三、简答题（每题5分，共25分）
1、简述电涡流效应的原理，并说明如何实现测距（参见图1）。（5分）

2、根据图2简述霍尔效应的基本原理，并说明如何实现电子罗盘。（5分）
图2 霍尔效应

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图3 压电效应
3、简述正压电效应和逆压电效应的原理（见图3）。（5分）

图4 传感器差动布局
4、简述图4传感器差动布局消除环境影响的原理 。（5分）

图5 相敏检波电路
5、解释图示差动电感传感器相敏检波电路的辨向原理（图中Z1、Z2为差动电感传感器的两个线圈感抗）。（5分）

四、已知某二阶系统传感器的幅频特性如右图所示，其固有频率fn=20kHz，阻尼比ξ=0.6，若要求传感器的输出信号幅值误差小于5%，试确定该传感器的工作频率范围。（本题10分）
（提示：二阶环节幅频特性）

五、有一测力传感器利用等强度梁制成，梁的上下面各粘贴两片相同的电阻应变片，并构成全等臂桥路，如下图所示。
(1) 请在电桥的四个桥臂上填写正确的应变片符号；
(2) 请推导全等臂电桥输出公式：；
(3) 若l=50mm，b=5mm，t=1mm，E=1*105N/mm2，应变片的灵敏系数K=2.5，供桥电压U=6V，问当输出电压U0=54mV时，被测力F为多少？（已知等强度梁的应力为：）（15分）

U0

U

b

R1 R2
F
t
R3 R4
l

上海交通大学
2007年 传感器原理 期末考试试题答案 （B卷）

一、判断对错（正确：√，错误：×， 每题1分，共15分）
1. √ 2. √ 3. × 4. × 5. ×
6 √ 7. × 8. √ 9. √ 10. ×
11. √ 12. √ 13. √ 14. × 15. ×

二、选择题（请选择最为适合的答案，每题1分，共15分）
1. c 2. c 3. a 4. b 5. c
6. c 7. b 8. b 9. a 10. a
11. c 12. b 13. b 14. b 15. a

三、简答题（简单叙述下列传感器的工作原理，每题5分，共30分）
图1 电涡流效应
1、 简述电涡流效应的原理，并说明如何实现测距（参见图1）。
答：在传感器线圈中通以交变电流I1，在周围空间形成交变电磁场H1，在处于磁场内的导体中产生涡流环，该涡流环形成的反向磁场H2，并作用于传感器线圈，从而使得线圈的参数（电感、阻抗、品质因数）发生变化。变化的成都取决于线圈参数（尺寸大小、电流强弱）、导体参数（电导率、磁导率）和线圈与导体之间的距离。
在测量过程中，只要保证上述参数中的一个参数变化，就可以实现测量。即保证传感器线圈不变，导体不变，则传感器线圈的参数变化只与距离有关，从而实现测距。

图2 霍尔效应
2、根据图2，简述霍尔效应的基本原理，并说明如何实现电子罗盘。
答：在导体中沿图示方向通以电流I，同时将导体处于一个磁场(B)中，并保证磁场方向、导体和电流方向三者正交（相互垂直）。此时，导体内的
多数载流子（电子）沿电流相反方向运动（B面→A面），因而收到
洛仑兹力作用，根据左手定律，
正电荷将向C面运动，负电荷将向D面运动。
平衡后，在导体两侧面C面和D面形成电贺积聚而产生横向电势。这种现象称为霍尔效应，产生的电势称为霍尔电势。其大小与通过的电流成正比，也与磁场强度成正比。
利用霍尔元件的特性可以制作电子罗盘，在电流不变的情况下，霍尔电势大小与磁场强度成正比。因此由霍尔元件直接测量罗盘所处地磁场的方位，根据霍尔电势的大小与方向不同，判断方位。

图3 压电效应
3、简述正压电效应和逆压电效应（见图3） （4分）
答： 正压电效应：离子型晶体电介质施加机械力后，将产生极化现象，在表面产生电荷。当
外力消失后，电介质重新恢复无电荷状态。当外力改变方向时，电荷的极性随之改变。这就是正压电效应，产生的电荷密度与外力成正比，即，其中
σ-电荷密度，T-外应力，d-压电常数。
逆压电效应：将
电场作用于某些离子型晶体电介质，其内部电荷将产生位移，导致电介质变形。当外部电场消失后，电介质重新恢复原状态。当电场方向改变后，电介质的变形方向也随之改变。这就是逆压电效应。其变形量与电厂强度成正比，即
，其中
图4 传感器差动布局
S-应变，E-电场强度，d-逆压电常数。

4、简述图4传感器差动布局消除环境影响的原理 （5分）
答：两个传感器或者一个传感器的两个敏感元件分别感受被测量，但感受被测量的方向（极性）不同，因此输出的信号大小相等，但极性相反。在输出端，将两个信号相减，则总输出信号的灵敏度将提高一倍。另一方面，由于两个传感器（敏感元件）同时感受环境的影响，因此在相减后，环境的影响将被消除。从而地点减少了环境对测量的影响。

图5 相敏检波电路
5、解释图示差动电感传感器相敏检波电路的辨向原理（Z1、Z2为差动电感传感器的两个线圈感抗）。
答：初始状态：
Z1=Z2=Z3=Z4，输出U0=0

若衔铁上移：Z1变大，Z2减小，
在U正半周： UA>UB， D1、D4导通，D2、D3截止， UC<UD，输出负电压

在U负半周： UA<UB， D1、D4截止，D2、D3导通， UC<UD，输出负电压

若衔铁下移：Z1减小，Z2增大，
U正半周：D1、D4导通，D2、D3截止，UC>UD，输出正电压
U负半周：D1、D4截止，D2、D3导通，UC>UD，输出正电压

因此，若衔铁上移，则输出负电压；若衔铁下移，则输出正电压。根据输出电压的极性可以判断衔铁移动方向。

四、已知某二阶系统传感器的幅频特性如图所示，其固有频率fn=20kHz，阻尼比ξ=0.6，若要求传感器的输出信号幅值误差小于5%，试确定该传感器的工作频率范围。
（本题10分）
解： 根据二阶环节的特性，其频率范围应从直流至某上限频率fmax。
精度要求：

幅频特性：

将ξ=0.6和代入，得：
计算得：
，或 -0.49（舍去）
由此得：， 频率范围：
将ξ=0.6和代入，得： （无解）
计算得：
，不合理，无解。

五、有一测力传感器利用等强度梁制成，梁的上下面各粘贴两片相同的电阻应变片，并构成全等臂桥路，如图所示。
(1) 请在电桥的四个桥臂上填写正确的应变片符号；
(2) 请推导全等臂电桥输出公式：；
(3) 若l=50mm，b=5mm，t=1mm，E=1*105N/mm2，应变片的灵敏系数K=2.5，供桥电压U=6V，问当输出电压U0=54mV时，被测力F为多少？（已知：电阻变化率：，等强度梁的应力为：）（20分）
R1
R3

b

U0

R1 R2
F
R4
R2

t

R3 R4
U

l

解：
(1) 四个传感器布局如图所示，相对桥臂相加，相邻桥臂相减。
(2) 根据电阻分压原理，输出信号两个结点的电位分别为：

因此电桥输出电压为：

对于全等臂电桥，初始情况下R1＝R2＝R3＝R4＝R，输出为零。
工作状态下，，带入上式：

(3) 根据电桥输出电压、电阻相对变化量、以及等强度梁的应力，可以导出不同输出电压对应的被测力大小为：
将以上已知参数带入，可得输出电压U0=36mV时，力F为：

答：输出电压U0=36mV时，力F为6N。

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