传感器模拟试卷二参考答案.pdf

第 1 页 共 11 页 传感器传感器与自动检测技术与自动检测技术 模拟模拟试试卷卷二二参考答案参考答案 试卷一 一、单项选择题（本大题共一、单项选择题（本大题共 1010 小题，每小题小题，每小题 2 2 分，共分，共 2020 分）分） 在每小题列出的四个选项中只有一个选项是符合题目要求的， 请将在每小题列出的四个选项中只有一个选项是符合题目要求的， 请将 正确选项前的字母填在题后的括号内。 错选、 多选和未选均不得分。正确选项前的字母填在题后的括号内。 错选、 多选和未选均不得分。 1、C 2、D 3、A 4、C 5、C 6、A 7、A 8、D 9、B 10、A 二、简答题（本大题共二、简答题（本大题共 5 5 小题，每小题小题，每小题 6 6 分，共分，共 3030 分）分） 1、 解释什么是传感器？传感器的基本组成包括哪两大部分？这两大部分 各自起什么作用？ 答：传感器传感器是能感受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。传感器的基本组成包括敏感元件和转换元件两部分。 敏感元件敏感元件是传感器中能直接感受（或响应）被测信息（非电量）的元 件，起检测作用。 转换元件转换元件则是指传感器中能将敏感元件的感受（或响应）信息转换为 电信号的部分，起转换作用。 2、 试对下图利用霍尔式传感器实现转速测量进行解释。 输 入 轴 转盘 霍尔式传感器 小磁铁 答：转盘的输入轴与被测转轴相连，当被测转轴转动时，转盘随之转 动；固定在转盘附近的霍尔式传感器便可在每一个小磁铁通过时产生一个 相应的脉冲；检测出单位时间的脉冲数，就可确定被测转速。 3、 简述什么是光电导效应？光生伏特效应？外光电效应？这些光电效应 的典型光电器件各自有哪些？ 答： 光电导效应是指在光线作用下， 半导体材料吸收入射光子的能量， 如果入射光子的能量大于或等于半导体材料的禁带宽度，将激发出电子 第 2 页 共 11 页 空穴对，使载流子浓度增加，导电性增加，阻值降低的现象，如光敏电阻。 光生伏特效应是指在光线作用下，能使物体产生一定方向的电动势的 现象，如光电池。 外光电效应是指在光线作用下，能使电子逸出物体表面的现象，如光 电管（光电二极管、光电晶体管） 、倍增管。 4、 简述光栅莫尔条纹测量位移的三个主要特点。 答：光栅莫尔条纹测位移的三个主要特点： （1）位移的放大作用 光栅每移动一个栅距 W 时，莫尔条纹移动一个宽度 H B，莫尔条纹的 间距 H B与两光栅夹角的关系为： 2 sin 2 H WW B 由此可见，越小， H B越大， H B相当于把 W 放大了 1/倍。即光 栅具有位移放大作用，从而可提高测量的灵敏度。 （2）莫尔条纹移动方向 当固定一个光栅时， 另一个光栅向右移动时， 则莫尔条纹将向上移动； 反之，如果另一个光栅向左移动，则莫尔条纹将向下移动。因此，莫尔条 纹的移动方向有助于判别光栅的运动方向。 （3）误差的平均效应 莫尔条纹是由光栅的大量刻线形成的，对线纹的刻划误差有平均抵消 作用。 5、 画出利用热电偶测量两点间温度差的线路图，并解释其工作原理。 答：下图是测量两点间温度差（ 12 tt）的一种线路连接方法。将两 个同型号的热电偶配用相同的补偿导线， 其接线应使两热电偶反向串联 （A 接 A、B 接 B） ，使得两热电动势方向相反，故输入仪表的是其差值，这一 差值反映了两热电偶热端的温度差，从而仪表便可测得 1 t和 2 t间的温度差 值。设回路总电动势为 T E，根据热电偶的工作原理可推得： 第 3 页 共 11 页 10201212 0 ( , )( , )( , )()ln A TABABAB B nk EEt tEt tEt ttt qn 因此测得的回路总电动势反映的是两测量工作端的温度差 12 tt。为 了减少测量误差，提高测量精度，应保证两热电偶的冷端温度相同（ 0 t） 。 热电偶测量两点温度差线路图 显示仪表 ABAB 1 t 2 t 0 t 三、分析计算题（本大题共三、分析计算题（本大题共 3 3 小题，每小题小题，每小题 1010 分，共分，共 3030 分）分） 注意：自动化、电气专业的学生第 1 小题必做，并从第 24 小 题中选做两个小题； 测控专业的学生在 4 个小题中任选 3 个小题。 1、某电路的电压数值方程为 2211 RIRIU 当电流 AI2 1 , AI1 2 时，测得电压U为50 v； 当电流 AI3 1 ，AI2 2 时，测得电压U为80 v； 当电流 AI4 1 ，AI3 2 时，测得电压U为120 v； 试用最小二乘法求两只电阻 1 R、 2 R的值。 解：令 11 Rx ， 22 Rx 系数矩阵 34 23 12 A, 直接测得值矩阵 120 80 50 L, 第 4 页 共 11 页 被测量估计矩阵 2 1 x x X 由最小二乘法：LAXAA ，则 1420 2029 34 23 12 321 432 AA 570 820 120 80 50 321 432 LA 06 A A 2920 2014 6 11 )( 2221 12111 AA AA AA AA 130 80 570 820 2920 2014 6 1 1 LAAAX )(33.13 11 xR )(67.21 22 xR 2、试分析半桥差动交流电桥的平衡条件，并给出电桥的输出电压表达式。 解： 第 5 页 共 11 页 交流电桥 Z1 U o U (a) Z2 Z3Z4 R1 R2 R4 R3 o U C1 C2 U (b) 交流电桥如上图所示。工作应变片和补偿应变片分别加在桥臂 Z1和 Z2上。由于电源为交流，应变片引线分布电容使得桥臂呈现复阻抗特性， 相当于两只应变片各并联了一个电容（C1，C2） ，每个桥臂的复阻抗为： 44 33 22 2 2 11 1 1 1 1 Z RZ RZ CjwR R Z CjwR R （1） 交流电桥的开路输出电压为： )( 4321 3241 0 ZZZZ ZZZZ UU 要满足电桥平衡条件0 0 U ，则有： 0 3241 ZZZZ 将（1）式代入可得： 22 32 11 41 11CjwR RR CjwR RR 整理可得： 132132242141 CRRjwRRRCRRjwRRR 令其实部、虚部分别相等，就可得到交流电桥的平衡条件： （电容平衡条件）或 （电阻平衡条件） 2211 1 2 2 1 3 4 3241 CRCR R R C C R R RRRR 3、已知变气隙电感传感器的铁芯截面积S2cm 2，磁路长度 L20cm，相 第 6 页 共 11 页 对磁导率 1 5000，气隙 0 0.5cm, 0.1mm，真空磁导率 0 410 7H/m，线圈匝数W 1000，求单端式传感器的灵敏度L。 若将其做成差动结构形式，灵敏度将如何变化？ 解：根据变气隙电感传感器的工作原理，无论衔铁是上移或下移，作线性 化处理后均可得到： 00 L L 则 0 0 LL 而 2 0 0 0 2 WS L 因此有： 2274 0 22 2 0 10004102 10 1.65.0 2 20.5 10 WSL 若将其作成差动结构，其灵敏度将增加一倍，即3.210.0 L 。 4、已知某光纤传感器从空气中耦合光线进入光纤中，光纤的 1 n1.5， 2 2n ，则该光纤传感器的集光范围有多大？并说明为了减小光纤传输 损耗，应从哪些方面进行考虑？ 解：光纤传感器的集光范围取决于其数值孔径的大小，即： 0 2 2 2 1 sin n nn NA c 根据题意有： 0 n0， 1 n1.5， 2 2n 所以有： 第 7 页 共 11 页 22 122 0 sin1.520.5 c nn NA n 即 0 30 c 那么集光范围应为：2 0 60 c 为了减小光纤传输损耗，应从材料吸收损耗、散射损耗和光波导弯曲 损耗等方面进行考虑。 试卷二 综合设计分析综合设计分析题（本大题共题（本大题共 2020 分） 。分） 。 壳 体 固定电极 C1 C2 输 出 端 d1 d2 弹簧 质量块 绝缘垫 差动式电容加速度传感器结构 差动式电容加速度传感器结构如上图所示。它有两个固定极板（与壳 体绝缘） ， 中间有一用弹簧片支撑的质量块， 此质量块的两个端面经过磨平 抛光后作为作为动极板（与壳体电连接） 。 设计适当的测量电路，详细说明该结构配合测量电路实现加速度测量 的工作原理，所有结论的得出必须要有理论依据（给出必要的公式推导）所有结论的得出必须要有理论依据（给出必要的公式推导） 。 解：根据题意，当传感器壳体随被测对象在垂直方向作直线加速运动时， 质量块因惯性相对静止， 因此将导致固定电极与动极板间的距离发生变化， 一个增加、另一个减小。从而影响两个电容器的电容量，形成差动结构。 对于差动平板电容，通过分析有： 第 8 页 共 11 页 00 2 Cd Cd 又根据位移与加速度的关系可得出： 2 1 2 Sdat 式中：S位移；a加速度；t运动时间。 联立上两式得到： 2 000 2 Cdat Cdd 由此可见，此电容增量正比于被测加速度。 测量电路可选用： 方法一：采用脉冲宽度调制电路 1 A 2 A 双稳 态触 发器 1 C 2 C Q Q A B M N 2 R 1 R D1 D2 0 u r u 脉冲宽度调制电路原理图 脉冲宽度调制电路如上图所示。图中 1 C、 2 C为差动式电容传感器。 双稳态触发器在某一状态有：1Q （高电平） 、0Q（低电平） ， 此时，A 点高电位， A u经 1 R对电容 1 C充电，使 M u升高。当忽略双稳态触 发器的输出电阻，并认为二极管 D1的反向电阻无穷大时，充电时间常数为 111 RC。 充电直到 M 点电位高于参比电位 r u，即 Mr uu，比较器 1 A输出正跳 变信号，激励触发器翻转，将使0Q （低电平） 、1Q（高电平） ，这 时 A 点为低电位， 1 C通过 D1迅速放电至 0 电平； 与此同时， B 点为高电位， 第 9 页 共 11 页 通过 2 R对 2 C充电， 时间常数变为 222 R C， 直至 N 点电位高于参比电位 r u，即 Nr uu，使比较器 2 A输出正跳变信号，激励触发器发生翻转，重 复前述过程。如此周而复始，Q和Q端（即 A、B 两点间）输出方波。 对电容 1 C、 2 C分别充电至 r u时所需的时间分别为： 111ln A Ar u TRC uu 22222 lnln BA BrAr uu TR CR C uuuu 当差动电容 12 CC时，由于 12 RR，因此， 12 TT，两个电容器的 充电过程完全一样，A、B 间的电压 AB u为对称的方波，其直流分量（平均 电压值）为 0。 当差动电容 12 CC时，假设 12 CC，则 1 C充电过程的时间要延长、 2 C充电过程的时间要缩短， 导致时间常数 12 ， 此时 AB u的方波不对称。 当矩形电压波通过低通滤波器后，可得出 AB u的直流分量（平均电压值） 不为 0，而应为： 112212 0 12121122 ) AmBm ABDCABAmBm RCuR C uTT uuuuuu TTTTRCR C ( 式中： Am u、 Bm u分别为 A u、 B u的幅值。 由于 12 RR，设 AmBmm uuu，则上式变为： 12 0 12 ) ABDCm CC uuu CC ( 对于变极距型： 21 0 12 m dd uu dd 当差动电容 120 CCC时，即 120 ddd时， 0 0u ；如果 1 C不 等于 2 C，假设 12 CC，即ddd 01 ，ddd 02 ，则： 0 0 m d uu d 第 10 页 共 11 页 对于 12 CC，即 10 ddd， 20 ddd，则： 0 0 m d uu d 可见： 0 u与d为线性关系。 方法二：采用二极管双 T 型交流电桥 二极管双T型交流电桥 D2 D1 e C1C2 A B R2 R1 RL U R2 RL R1 I1I2 (a) (c)(d) C1C2U R1 RL R2 C1C2 1 I 2 I E E e t 1 t 2 t T o (b) 二级管双 T 型交流电桥如上图所示。 高频电源e提供幅值为E的方波， D1、D2为两个特性完全相同的二极管， 12 RRR， 1 C、 2 C为传感器的 两个差动电容。 （1 1）当传感器没有输入时，）当传感器没有输入时， 12 CC 电路工作原理： 当电源e为正半周时， D1导通、 D2截止， 即对电容 1 C充 电，其等效电路如图c所示。然后在负半周时，电容 1 C上的电荷通过电阻 1 R、负载电阻 L R放电，流过负载的电流为 1 I。在负半周内，D2导通，D1 截止， 对电容 2 C充电， 其等效电路如图d所示。 随后出现正半周时， 2 C通 过电阻 2 R、负载电阻 L R放电，流过 L R的电流为 2 I。 根据上述条件，则电流 12 II，且方向相反，在一个周期内流过 L R的 第 11 页 共 11 页 平均电流为 0。 （2 2）当传感器有输入时，）当传感器有输入时， 12 CC 此时， 12 II