20111020感测技术A(期中试卷)答案.doc

2011 2012学年第一学期感测技术期中考试试卷试 题 卷： A （闭卷）适用年级：2009级 适用专业： 电子信息工程 考试时间： 90 分钟题 号一二三四五六七总分得 分阅卷人一、简答题（每题5分，共40分）1举例说明什么是传感器，它的特点是什么传感器是一种以测量为目的，以一定的精度把被测量转换为与之有确定关系的便于处理的另一种物理量的测量器件，其输出信号大多为易于处理的电量，如电压、电流等。从狭义上讲可以认为传感器是实现非电量到电量转换的器件。例如热电阻测量温度2说明什么是系统误差和随机误差。在重复性条件下，对同一被测量进行无限多次测量所得结果的平均值与被测量的真值之差，称为系统误差。凡误差的数值固定或按一定规律变化者，均属于系统误差。 测量结果与在重复条件下，对同一被测量进行无限多次测量所得结果的平均值之差称为随机误差。也可以采用如下的表达：在同一条件下，多次测量同一被测量，有时会发现测量值时大时小，误差的绝对值及正、负以不可预见的方式变化，该误差称为随机误差。3说明灵敏度对测量的影响灵敏度是指传感器在稳态下输出变化值与输入变化值之比，用k来表示，即：k对于线性传感器，它的灵敏度就是它的静态特性的斜率，即kyx，那么，斜率越大，输出直线就越倾斜，这种传感器反应比较灵敏，能够准确测量微小变化。对于非线性传感器kdydx不是一个固定常数，因而其灵敏度在测量范围内并不固定，测量精度不易保持稳定。当被测量变化均为Dx时，即Dx1Dx2Dx，其相应的变化Dy2 Dy1，这时对于仪表标度就存在一些困难，影响测量的准确性。图 灵敏度的定义a）线性传感器 b）非线性传感器一般来说都希望传感器输入输出曲线是一直线，灵敏度（即斜率）较大，这种测量输出比较准确。4举例说明那些传感器可以进行非接触检测，有什么特点。 例如超声波、涡流传感器等。 非接触检测不影响被测物的运行工况；不产生机械磨损和疲劳损伤，工作寿命长；响应快，一般响应时间可达几毫秒或十几毫秒；采用全密封结构，防潮、防尘性能较好，工作可靠性强；无触点、无火花、无噪声，所以适用于要求防爆的场合（防爆型）；输出信号大，易于与计算机或可编程控制器（PLC）等接口；体积小，安装、调整方便。它的缺点是触点容量较小，输出短路时易烧毁。5说明三种类型电容传感器的名称及优点变面积式，线性输出，常用于直线、角位移测量变极距式，非线性，精度高，范围小变介电常数式，线性常用于液位测量1）较大的相对变化量2）能在恶劣条件下工作 3）功率小4）响应快6说明什么是二线制仪表。所谓二线制仪表是指仪表与外界的联系只需两根导线。多数情况下，其中一根（红色）为+24V电源线，另一根（黑色）既作为电源负极引线，又作为信号传输线。在信号传输线的末端通过一只标准负载电阻（也称取样电阻）接地（也就是电源负极），将电流信号转变成电压信号。7为什么压电传感器只能应用于动态测量由于外力作用在压电元件上产生的电荷只有在无泄漏的情况下才能保存，即需要测量回路具有无限大的输入阻抗，这实际上是不可能的，因此压电式传感器不能用于静态测量。压电元件在交变力的作用下，电荷可以不断补充，可以供给测量回路以一定的电流，故只适用于动态测量（一般必须高于100Hz，但在30kHz以上时，灵敏度下降）8差动变压器式压力传感器，其压力与膜盒挠度的关系、差动变压器衔铁的位移与输出电压的关系如图所示。求：1） 当输出电压为50mV时，压力p为多少千帕？2）在图a、b上分别标出线性区，综合判断整个压力传感器的压力测量范围? 3）灵敏度分别是多少?50KPa-5050KPa。K1=5/50 mm/kpa k2=50/5mV/mm二、分析题（30分）1（15分）如图所示为电容式油量表，请说明工作原理。图 电容式油量表示意图1油箱 2圆柱形电容器 3减速器 4伺服电机当油箱中无油时，电容传感器的电容量为Cx o，调节匹配电容使Co Cx o，并使可变电阻RP的滑动臂位于0点，即RP的电阻为0。此时Cx o Co R4R3，电桥满足平衡条件，电桥输出为零。伺服电机不转动，油量表指针偏转角q0。当油箱中油量增加，液位上升至h处时，Cx Cx o DCx，而DCx与h成正比，此时电桥失去平衡，电桥输出电压放大后驱动伺服电机，经减速后带动指针偏转，同时使可变电阻RP的滑动臂移动，从而使RP阻值增大。当RP阻值达到一定值时，电桥又达到新的平衡状态，于是电机停转，指针停留在转角q 处。由于指针及可变电阻的滑动臂同时为伺服电机所带动，因此，R与q 间存在着确定的对应关系，即q 正比于R，而R又正比于液位高度h。因此可直接从刻度盘上读得液位高度h。2（15分）分析如图所示脉冲调宽型电路工作原理答：如图所示为差动脉冲调宽型电路。图中A1、A2为电压比较器， 在两个比较器的同相输入端接有稳压电源E作为比较电压，FF为双稳态触发器（图中以基本RS触发器代替），C1、C2为一组差动式电容传感器的传感元件，R1 R2R，VD1、VD2为两个特性相同的二极管。 在电容传感器的初始状态时，有C1C2 C0，设双稳态触发器的R端为高电平、S端为低电平，使Q端输出为高电平（VAU1）、端输出为低电平（VB0）。此时VA经R1对C1充电，使C1两端电压按指数规律上升，充电时间常数为t1 R1 C1。当C点电位VC略高于E时，比较器A1输出为负值（输出负脉冲），双稳态触发器翻转，Q端由高电平变为低电平，而端由低变高。此时C1将通过VD1放电，由于放电时间常数很小，使VC迅速降为零，比较器A1输出变为正值；当变为高电平时，B点电位VB上升，通过R2对C2充电，充电时间常数为t2 R2 C2。当VD略高于E时，比较器A2输出由正变负，这一负跳变使触发器FF又一次翻转，使端输出由高变低，Q端输出由低变高。于是C2经VD2放电，使D点电位迅速降为零，比较器A2又输出正值，回到初始状态。如此周而复始，在触发器FF的两输出端各自产生一宽度受C1、C2调制的脉冲波形。当C1 C2 C0、R1R2R时，t1t2R C0、T1 T2，其电路各点电压波形如图所示。UAB是宽度相等的对称方波（t1t4）。脉冲调宽型电路具有如下特点：输出电压与被测位移量成线性关系；触发器的输出信号一般为100Hz1MHz的矩形波，所以不需要解调电路，只需经过低通滤波器就可得到较大的直流输出电压；电源只需采用直流电压，不需要载波频率发生器；调宽频率的变化对输出没有影响。这些都是其它电容式传感器的测量电路无法比拟的，因而应用极为广泛。三、计算题（20分） 1（10分）某压力表准确度为2.5级，量程为01.5MPa，求1）可能出现的最大满度相对误差m。2）可能出现的最大绝对误差m为多少kPa? 3)测量结果显示为0.7MPa时，可能出现的最大示值相对误差x? 4)是否仪表精度等级越高，测量的相对误差越小？为什么？解：由精度可得m=2.5% m=m*Am=2.5%*1.5MPa=37.5kPax=m/ Ax*100%=5.36%不是，仪表的相对误差与精度和量程密切相关。2（10分）应变片的标称阻值R0为100W，灵敏度K=2，粘贴在横截面积为9.8mm2的钢质圆柱体上，钢的弹性模量E=21011N/m2，所受拉力F=0.2t，受拉后应变片的阻值R 的变化量是多少,当传感器灵敏度Kf=2mV/V时，电源电压10V，额定负荷为2t时，输出电压为多少？ 解： R=2*0.2*1000*9.8*100/9.8*10-6*2*1011=0.2W Uo=0.2*2*10/2=2mv四、设计题（10分） 设计一种能够测量流速的传感器线路，画图说明工作原理。参考：设静止流体中的音速为c，流体流动速度为v，若超声波的传播方向与流体的流向一致时，超声波的传播速度为cv；反之，为cv。现将两个超声波转换器（发收器）按图所示方法置于流体管道中。首先从转换器T1发射与流体流向一致的超声波，该超声波从T1发送到转换器T2（接收）的时间间隔为t1；再从转换器T2发送超声波脉冲到T1（接收，逆向传输），其传播时间间隔为t2，则传播时间间隔t1和t2可分别表示为t1