传感器原理及应用 试题答案 5.docx

传感器原理及应用 试题答案 ( 哈工大“传感技术及应用”试卷 哈工大“传感技术及应用”试卷隐藏 窗体顶端窗体底端哈工大 传感器原理及应用 课程综合考试， 课程综合考试，合计分数 70 分 试题答案 试题答案 判断题（正确打标记 错误打标记 标记， 标记，一、 判断题（正确打 标记，错误打 标记，每题 1 分，共 5 分1.( ）变间隙电感传感器采用差动结构也不能完全消除非线性误差。 2（ ）在压电式传感器的测量线路中，电荷放大器的低频特性要比电压放大器好的多。 3（ ）热电偶传感器的中间导体定律保证了接入热电偶回路中的第三甚至第 四种导体只要它们几端的温度相同就一定不会影响回路的总电势。 4（ ）通常外光电效应有红限频率，而内光电效应无红限频率。 5（ ）一个均匀绕制的电位器式电阻式传感器，共 100 匝，两端输入电压为 10V，则其视在分辨力为 0.1V。 二、简答题（每题 5 分共 20 分） 1什么是传感器？传感器由哪三个部分组成？ 答：传感器是一种以一定的精确度把被测量转换为与之有确定对应关系的便于应用的某 种物理量的测量装置。 传感器的组成： 敏感元件直接感受被测量(非电量)能产生有确定关系的输出量 传感元件又称为变换器，一般情况它不直接感受被测量，而是将敏感元件的输出量 转换为电量输出的元件。 变换电路能把传感元件输出的电量转换为便于处理、传输、记录、显示和控制的有 用电信号的电路。 2什么是热电偶的接触电势和温差电势? 答:接触电势：各种导体中都存在大量的自由电子，不同的导体自由电子密度也不同，当 两种导体接触时结点处要发生电子扩散，电子密度大的导体，向电子密度小的导体扩散， 电子密度大的导体，失去电子具有正电位，相反电子密度小的导体带负电位，当这种扩 散达到一定平衡时，结点处将具有一定的接触电动势，这个接触电动势与导体材料及结 点温度有关。接触电动势： E AB (T ) = RT N A (T ) ln e N B (T ) 式中：R玻尔兹曼常数 e电子电荷 N A 、N B 材料 A、B 在 T 时的电子自由密度 对于同一导体，当两端温度不同时，两端也将产生一定大小的电动势。产生这个电动势 的原因，主要是在不同温度下自由电子具有不同的动能，温度高时，动能大的电子就会 向温度低的一端跑去，所以，同一导体内两端温度不同时，两端会产生一定大小的电位 差，导体所具有的这一温差电现象称为汤姆逊效应。 温差电动势的大小可表示为： E A (T , To ) = 3什么是涡流传感器的电涡流效应? 答:电涡流效应：金属导体置于变化的磁场中，导体内就会产生感应电流，这种电流像水 中漩涡那样在导体内旋转这种现象称为涡流效应。 形成涡流具备的条件： 1. 2. 存在交变磁场 导电体处于交变磁场 k T 1 d N A (T )T e T o N A (T ) 4简述霍尔元件不等位电势产生的原因和补偿方法。 霍 答: 当控制磁感应强度为零，控制电流为额定值 IH 时，霍尔电极间的空载电势 称为不等位电势（或零位电势） 。 产生不等位电势的原因主要是： 霍尔电极安装位置不正确（不对称或不在同一等电位面上） ； 半导体材料不均匀造成了电阻率不均匀或是几何尺寸不均匀； 控制电极接触不良造成控制电流不均匀分布等。 第 2 页 （ 共 5 页） 试 题： 班号： 姓名： （均是制造工艺造成的） 三、 10 分 1叙述超声波传感器传播时间法测流量的原理。并结合下图推导被测流体的平均 流速 v 的计算公式（时差法） （图中：D管道直径；c超声波在静止流体中的速 。 度；v被测流体的平均流速）传感器2 v D 传感器1 超声波传感器安装位置 答： c + v sin 时差法测量流量： 设传感器 1 为发射探头，传感器 2 为接收探头时，超声波传播的速度为 c + v sin ，于是顺流传播时间 t1 为： D / cos c + v sin 传感器 2 为发射探头， 传感器 1 为接收探头时， 超声波传播的速度为 c ? v sin ， t1 = 于是逆流传播时间 t2 为： t2 = D / cos c ? v sin 2vD c ? v 2 cos 2 2 时差为： ?t t2 ? t1 = 由于 c v ，于是上式可近似表示为： ?t c2 ?t 2D 2 Dv c2 则流体的平均流速为 v 四、 （10 分）说明变极距式电容传感器位移变化与电容变化量的非线性关系，并说 明如何在结构和电路上采取措施加以改善。 答: 变极距（）型： C = S r 0 S = ?C = S ? ? ? = C0 ? ? ? S S ? = ? ? ?C = C0 ? ? ? ? 1 ? ? = C0 ? ? 1 ? ? ? ? 2 3 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?C = C 0 +? ? m? ? + ? ? ? ?1 m ? ? ? ? ? ? ? ? 为了改善非线性可以采用差动形式： 2 4 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?C = 2C 0 ? +? ? + ? ? ? ?1 + ? ? ? ? ? ? ? ? ? 五、 （10 分）说明什么是霍尔效应及推导出霍尔电压的表达形 答：霍尔效应： 金属或半导体薄片置于磁场中，当有电流流过时，在垂直于电流和磁场的方向 上将产生电动势，这种现象称为霍尔效应。设为 N 型半导体， 载流子为电子 称为霍尔系数， IB 称为霍尔系数，它是由基片材料的物理性质决 IB UH = ? ned = RH d = K H IB 势大小。 定常数； 定常数； 1 称为霍尔系数，它是由基片材料的物理性质决定常数； ne R KH = H 灵敏度系数，表示在单位磁感应强度和单位控制电流时的霍尔电 d RH = 当磁场感应强度 B 和霍尔片平面法线成角度时, 霍尔电势为： U H = K H IB cos 六、 （15 分）对于光栅传感器请回答下列问题： （1）说明长光栅莫尔条纹形成的光学原理。 （2）有一光栅副，形成光栅横向莫尔条纹，设光栅常数皆为 W=0.02mm，接收元 件用硅光电池，面积为 11.46 x 11.46 mm ，两光栅栅线的夹角应为多少？ （3）评价莫尔条纹质量有那些指标，并简要说明之。 答： 1、 长光栅莫尔条纹通常是两块光栅叠加形成的，莫尔条纹的形成可以近似地看 作是两块光栅栅线相互挡光作用的结果。两光栅以很近的距离重叠，在 a-a 线上，两 光栅的栅线透光部分与透光部分叠加，光线透过透光部分形成亮带；在 b-b 线上，一 光栅的透光部分与另一光栅的不透光部分叠加，互相遮挡，光线透不过形成暗带，这 种由光栅重叠形成的光学图案称为莫尔条纹。 2、 3、 由光栅的位移放大作用可知