传感器试题(2005本科).doc

上海交通大学2005年 传感器 期末考试试题 (A卷)班级： 学号： 姓名： 成绩： .（答案必须写在答题纸上，写在试题纸上的一律不给分）一、判断对错（正确：，错误：， 每题1分，共15分）1. 传感器的阈值，实质上就是传感器在零点附近的分辨力。2. 某位移传感器的测量量程为1mm，分辨力为0.001mm，这说明传感器的灵敏度很高，其灵敏度为0.1%。 3. 传感器A采用最小二乘法拟合算得线性度为0.6%，传感器B采用端点连线法算得线性度为0.8%，则可以肯定传感器A的线性度优于传感器B。4. 无论何种传感器，若要提高灵敏度，必然会增加非线性误差。5. 幅频特性优良的传感器，其动态范围大，故可以用于高精度测量。6. 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。7. 调频式电感传感器转换电路由于输出信号是脉冲信号，因此抗干扰能力强，易于数字化和远距离传输信号。8. 如果电容传感器的电缆丢失了，更换另一个电缆后，可以不必对测量系统重新进行标定，也可直接使用。 9. 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，因而得到广泛应用。 10. 压电式力传感器既可以测量静态力，也可以测量动态力。11. 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。12. 由于光敏电阻的光照特性是非线性的，因此不宜用作测量元件。但由于光敏电阻的响应时间很短，因此可以用作高速光电开关。 13. 光纤是利用光的折射原理工作的，光纤由纤芯和包层构成，且纤芯的折射率小于包层的折射率。 14. 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。15. CCD图像传感器是由电荷耦合器件CCD与光敏二极管阵列集成为一体的具有自扫描功能的固态传感器。共 4 页 第 1 页二、选择题（请选择你认为最为适合的答案，每题1分，共15分） 1. 车间条件下检定大型机床工作台的位移（行程20米），可选用： （a）光栅传感器 （b）感应同步器 （c）激光干涉测量系统 2. 测量炮弹发时炮筒内壁的压力且不影响火炮发射，可采用的压力传感器为： （a）压电式 （b）应变式 （c）压阻式 3. 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： （a）增量式编码器 （b）绝对码编码器 （c）电容传感器 4. 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）光电传感器 （b）霍尔传感器 （c）电容传感器 5. 你认为自动感应式干手机中的人手感应器应为： （a）红外传感器 （b）超声传感器 （c）激光传感器 6. 自动车库门的感应器应选用何种传感器比较理想？ （a）激光传感器 （b）超声传感器 （c）辐射传感器 7. 在线测量高速回转零件的主轴径向偏摆量，可选用： （a）差动变压器 （b）电涡流传感器 （c）压电式传感器 8. 下列那类传感器可以具有防水功能： （a）电阻应变式传感器 （b）电涡流传感器 （c）电容式传感器 9. 为了在报纸印刷的高速生产流水线上监测印刷缺陷，可以采用哪一种传感器： （a）面阵CCD传感器 （b）线阵CCD传感器 （c）硅光电池 10. 数码照相机中用于自动调焦的测距传感器为： （a）红外传感器 （b）超声波传感器 （c）CCD传感器11. 一小型光学仪器中用于测量光斑二维位置变化（x-y）的传感器可采用： （a）线阵CCD传感器 （b）面阵CCD传感器 （c）PSD传感器12. 绝对式编码器的码制绝大多数采用： （a）二进制码 （b）十进制码 （c）格雷码13. 高精度激光测距传感器是通过以下哪一种方法来测量距离的： （a）时间差法 （b）相位差法 （c）外差法14. 下列电感传感器中，哪一种传感器的输出特性是线性的： （a）变气隙型 （b）变面积型 （c）螺管型15. 电容式液位传感器属于下列那一种型式： （a）变极距型 （b）变面积型 （c）变介质型共 4 页 第 2 页三、简答题（简单叙述下列传感器的工作原理，每题5分，共30分）1. 差动变压器式压力传感器 2. 电涡流式介质温度传感器 线圈基体磁芯线圈膜盒铝板3. 压电式加速度传感器 4. 压阻式压力传感器1-低压腔 2-高压腔 3-硅杯4-引线 5-硅膜片1-外壳 2-预紧螺母 3-质量块4-压电元件 5-底座 6-接头 5. 霍尔式磁传感器 6. 光栅位移传感器共 4 页 第 3 页四、通过下面两个曲线图叙述传感器二阶环节的幅频相频特性，以及阶跃响应特性。 （本题10分）五、图示为光纤传感器中光线传播原理，请推导入射角0的临界入射角C与空气折射率n0、纤芯折射率n1和包层折射率n2的关系式。（本题10分） n0n10n2六、拟采用电容传感器测量液位高度，请您叙述测量系统构成（图示说明）、测量原理，并推导有关的测量公式。（本题10分） 七、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，并构成桥路，如图所示。若l=50mm，b=5mm，t=1mm，E=1*105N/mm2， 应变片的灵敏系数K=2，供桥电压U=6V，问当输出电压U0=36mV时，力F为多少？（提示：）（本题10分）R2R2R1bU0FR4R4R3tlU共 4 页 第 4 页上海交通大学2005年 传感器 期末考试试题 (B卷)班级： 学号： 姓名： 成绩： .（答案必须写在答题纸上，写在试题纸上的一律不给分）一、判断对错（正确：，错误：， 每题1分，共15分）1. 压电式力传感器既可以测量静态力，也可以测量动态力。2. 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。 3. CCD图像传感器是由电荷耦合器件CCD与光敏二极管阵列集成为一体的具有自扫描功能的固态传感器。4. 无论何种传感器，若要提高灵敏度，必然会增加非线性误差。5. 幅频特性优良的传感器，其动态范围大，故可以用于高精度测量。6. 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。7. 调频式电感传感器转换电路由于输出信号是脉冲信号，因此抗干扰能力强，易于数字化和远距离传输信号。8. 如果电容传感器的电缆丢失了，更换另一个电缆后，可以不必对测量系统重新进行标定，也可直接使用。 9. 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，因而得到广泛应用。 10. 传感器的阈值，实质上就是传感器在零点附近的分辨力。11. 某位移传感器的测量量程为1mm，分辨力为0.001mm，这说明传感器的灵敏度很高，其灵敏度为0.1%。12. 由于光敏电阻的光照特性是非线性的，因此不宜用作测量元件。但由于光敏电阻的响应时间很短，因此可以用作高速光电开关。 13. 光纤是利用光的折射原理工作的，光纤由纤芯和包层构成，且纤芯的折射率小于包层的折射率。 14. 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。15. 传感器A采用最小二乘法拟合算得线性度为0.6%，传感器B采用端点连线法算得线性度为0.8%，则可以肯定传感器A的线性度优于传感器B。共 4 页 第 1 页二、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. 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）光电传感器 （b）霍尔传感器 （c）电容传感器 2. 测量炮弹发时炮筒内壁的压力且不影响火炮发射，可采用的压力传感器为： （a）压电式 （b）应变式 （c）压阻式 3. 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： （a）增量式编码器 （b）绝对码编码器 （c）电容传感器 4. 车间条件下检定大型机床工作台的位移（行程20米），可选用： （a）光栅传感器 （b）感应同步器 （c）激光干涉测量系统 5. 你认为自动感应式干手机中的人手感应器应为： （a）红外传感器 （b）超声传感器 （c）激光传感器 6. 自动车库门的感应器应选用何种传感器比较理想？ （a）激光传感器 （b）超声传感器 （c）辐射传感器 7. 在线测量高速回转零件的主轴径向偏摆量，可选用： （a）差动变压器 （b）电涡流传感器 （c）压电式传感器 8. 下列那类传感器可以具有防水功能： （a）电阻应变式传感器 （b）电涡流传感器 （c）电容式传感器 9. 为了在报纸印刷的高速生产流水线上监测印刷缺陷，可以采用哪一种传感器： （a）面阵CCD传感器 （b）线阵CCD传感器 （c）硅光电池 10. 数码照相机中用于自动调焦的测距传感器为： （a）红外传感器 （b）超声波传感器 （c）CCD传感器11. 一小型光学仪器中用于测量光斑二维位置变化（x-y）的传感器可采用： （a）线阵CCD传感器 （b）面阵CCD传感器 （c）PSD传感器12. 电容式液位传感器属于下列那一种型式： （a）变极距型 （b）变面积型 （c）变介质型13. 高精度激光测距传感器是通过以下哪一种方法来测量距离的： （a）时间差法 （b）相位差法 （c）外差法14. 下列电感传感器中，哪一种传感器的输出特性是线性的： （a）变气隙型 （b）变面积型 （c）螺管型15. 绝对式编码器的码制绝大多数采用： （a）二进制码 （b）十进制码 （c）格雷码共 4 页 第 2 页三、简答题（简单叙述下列传感器的工作原理，每题5分，共30分）1. 压电式加速度传感器 2. 压阻式压力传感器1-低压腔 2-高压腔 3-硅杯4-引线 5-硅膜片1-外壳 2-预紧螺母 3-质量块4-压电元件 5-底座 6-接头 3. 霍尔式磁传感器 4. 光栅位移传感器5. 差动变压器式压力传感器 6. 电涡流式介质温度传感器 线圈基体磁芯线圈膜盒铝板共 4 页 第 3 页四、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，并构成桥路，如图所示。若l=50mm，b=5mm，t=1mm，E=1*105N/mm2， 应变片的灵敏系数K=2，供桥电压U=6V，问当输出电压U0=36mV时，力F为多少？（提示：）（本题10分）R2R2R1bU0FR4R4R3tlU五、通过下面两个曲线图叙述传感器二阶环节的幅频相频特性，以及阶跃响应特性。 （本题10分）六、图示为光纤传感器中光线传播原理，请推导入射角0的临界入射角C与空气折射率n0、纤芯折射率n1和包层折射率n2的关系式。（本题10分） n0n10n2 七、拟采用电容传感器测量液位高度，请您叙述测量系统构成（图示说明）、测量原理，并推导有关的测量公式。（本题10分） 共 4 页 第 4 页上海交通大学2005年 传感器 期末考试试题答案（A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. b 3. b 4. a 5. a 6. c 7. b 8. b 9. b 10. a11. c 12. c 13. b 14. b 15. c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）1. 差动变压器式压力传感器 在无压力时，膜盒处于初始状态，固连于膜盒中心的磁芯位于差动变压器线圈的中部，输出电压为零。当被测压力经接头进入膜盒后，膜盒产生变形，并推动磁芯移动，从而使差动变压器输出正比于被测压力的电压信号。2.电涡流式介质温度传感器 根据电涡流效应，当线圈中通以交变电流时，将产生一个交变的磁场，并在导体（即铝板）内产生电涡流，进而影响线圈的电感量、阻抗和品质因数等变化，这些参数的变化与导体的几何形状、电导率、磁导率等有关。当被测温度变化时，将是铝板的电阻率发生变化，而其他参数保持不变，则传感器的输出只随被测温度变化而改变，从而实现温度测量。3. 压电式加速度传感器 当壳体1随被测物体运动时，质量块3感受加速度作用而产生惯性力，并作用在压电元件4上，根据压电效应，将产生正比与惯性力的电荷，从而输出正比于加速度的电信号。4. 压阻式压力传感器 在无压力时，高压腔与低压腔相互平衡，硅膜片处于初始状态，硅膜片上四个扩散电阻相等，电桥平衡，输出电压为零。当被测压力经接头进入高压腔后，硅膜片产生变形，使得扩散电阻的阻值发生变化，电桥失去平衡，从而输出正比于被测压力的电压信号。 5霍尔式磁传感器 当导体通过电流I，同时受到垂直方向的磁场B作用时，在导体的两侧形成感应电势，即霍尔电势E。到导体不变，通过的电流恒定时，该电势大小与磁场强度成正比，由此可以实现磁场强度测量。6. 光栅传感器 当定栅与动栅叠合在一起时，在移动方向的垂直方向上产生明暗相间的条纹，即莫尔条纹。当定栅与动栅之间产生相对移动时，摩尔条纹沿垂直方向快速移动，而且摩尔条纹的一定速度远远大于动尺的移动速度，因此可以实现位移的高精度测量。四、通过下面两个曲线图叙述传感器二阶环节的幅频相频特性，以及阶跃响应特性。（10分） 由传感器二阶环节的伯德图可知，当信号频率较低（w/wn0.7时，谐振不再发生。当0.7时：幅频特性曲线A(w)的平坦段最宽，而相频特性j(w)接近一条斜直线，测量时可以保证交款的频响范围，而且相位失真和幅值失真最小。因此称0.7为最佳阻尼。有传感器二阶环节的阶跃特性曲线可以看出，当1时：完全没有过冲，也不产生震荡，称为过阻尼，此时曲线上升慢，响应速度低；当1时：将产生衰减震荡，称为欠阻尼，此时曲线上升块，响应速度高；当=1时：为临界状态，称为临界阻尼五、图示为光纤传感器中光线传播原理，请推导入射角0的临界入射角C与空气折射率n0、纤芯折射率n1和包层折射率n2的关系式。（本题10分）n2n1n0c 1解：假设再临界状态下入射角为C，第一次折射角为1。根据折射定律有： 由于此折射光将在光线内部发生全反射，在此临界状态下，全反射时的入射角为90-1，而折射角为90。根据折射定律，有：即： 。 则有： 带入前式，可得：六、拟采用电容传感器测量液位高度，请您叙述测量系统构成（图示说明）、测量原理和有关的测量公式。（本题10分） 解：电容式液位测量系统如图所示，它实际上是一个变介质型的液位传感器。当液位变化时，引起电容传感器内部两种不同介电质的高度产生变化，由此实现液位测量。 七、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，并构成桥路，如图所示。若l=50mm，b=5mm，t=1mm，E=1*105N/mm2，应变片的灵敏系数K=2，供桥电压U=6V，问当输出电压U0=36mV时，力F为多少？（提示： ）（本题10分）ltFR4R2bR4R3R2R1UU0解：由于该测力传感器属于差动式补偿结构，全等臂电桥，四臂工作方式，所以电桥输出电压的变化为：其中，电阻相对变化量为： 由此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5N。上海交通大学2005年 传感器 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. a 2. b 3. b 4.c 5. a 6. b 7. b 8. b 9. b 10. a11. c 12. c 13. b 14. b 15. c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）1. 压电式加速度传感器 当壳体1随被测物体运动时，质量块3感受加速度作用而产生惯性力，并作用在压电元件4上，根据压电效应，将产生正比与惯性力的电荷，从而输出正比于加速度的电信号。2. 压阻式压力传感器 在无压力时，高压腔与低压腔相互平衡，硅膜片处于初始状态，硅膜片上四个扩散电阻相等，电桥平衡，输出电压为零。当被测压力经接头进入高压腔后，硅膜片产生变形，使得扩散电阻的阻值发生变化，电桥失去平衡，从而输出正比于被测压力的电压信号。 3霍尔式磁传感器 当导体通过电流I，同时受到垂直方向的磁场B作用时，在导体的两侧形成感应电势，即霍尔电势E。到导体不变，通过的电流恒定时，该电势大小与磁场强度成正比，由此可以实现磁场强度测量。4. 光栅传感器 当定栅与动栅叠合在一起时，在移动方向的垂直方向上产生明暗相间的条纹，即莫尔条纹。当定栅与动栅之间产生相对移动时，摩尔条纹沿垂直方向快速移动，而且摩尔条纹的一定速度远远大于动尺的移动速度，因此可以实现位移的高精度测量。5. 差动变压器式压力传感器 在无压力时，膜盒处于初始状态，固连于膜盒中心的磁芯位于差动变压器线圈的中部，输出电压为零。当被测压力经接头进入膜盒后，膜盒产生变形，并推动磁芯移动，从而使差动变压器输出正比于被测压力的电压信号。6. 电涡流式介质温度传感器 根据电涡流效应，当线圈中通以交变电流时，将产生一个交变的磁场，并在导体（即铝板）内产生电涡流，进而影响线圈的电感量、阻抗和品质因数等变化，这些参数的变化与导体的几何形状、电导率、磁导率等有关。当被测温度变化时，将是铝板的电阻率发生变化，而其他参数保持不变，则传感器的输出只随被测温度变化而改变，从而实现温度测量。四、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，并构成桥路，如图所示。若l=50mm，b=5mm