传感器技术试题(研究生)答案.doc

山东科技大学20102011学年第一学期传感器技术考试试卷答案 （研究生）班级 姓名 学号 题号一二三总得分评卷人审核人得分一、简答题1说明什么是霍尔效应？金属导体为什么不能用来做霍尔传感器？通电的导体或半导体，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势的现象。称为霍尔现象霍耳电势VH与 I、B的乘积成正比，而与d 成反比。 霍耳系数，由载流材料物理性质决定。材料电阻率载流子迁移率,=v/E,即单位电场强度作用下载流子的平均速度。金属材料，电子很高但很小，绝缘材料，很高但很小。故为获得较强霍耳效应，霍耳片全部采用半导体材料制成。2什么是压磁效应？铁磁材料在机械力的作用下，内部产生应变和应力，导致材料的磁导率发生变化的现象，称为压磁效应。3. 电阻应变片的温度误差主要是由哪两方面的原因引起的？请解释之。，当导电丝受轴向力时，将引起（l, p, A）变化使电阻产生变化。这就是电阻应变效应。温度误差：由于温度变化引起应变片（l, p, A），从而导致应变片输出电阻的变化。引起应变片产生温度误差有两种原因：1.应变电阻丝温度系数引起的电阻变化： 2.应变电阻丝材料与被测体材料的温度系数不同引起的附加电阻变化： 温度引起的总电阻变化： 电阻丝温度系数g试件材料线膨胀系数s敏感栅材料线膨胀系数 S应变片灵敏系数4. 热电偶为什么会产生热电势？并写出热电势的表达式。由不同导体材料组成的闭合回路，当两个结点温度不相同时，回路中将产生电势，称为温差电势，即热电势。 温差电势：；接触电势：回路总电势：e单位电荷， e =1.610-19C； k波尔兹曼常数， k =1.3810-23 J/K ；NA、NB 导体A、B在温度为T 时的电子密度。T，T0高低端的绝对温度； A汤姆逊系数，表示导体A两端的温度差为1时所产生的温差电动势，例如在0时，铜的 =2V/。5. 半导体材料所制作的传感器越来越多，请举出4种以上用半导体材料做成的传感器？半导体热敏电阻；霍尔传感器；半导体压阻式传感器；半导体光电式传感器。6试分别回答传感器的静态特性和动态特性的主要指标各有哪些？传感器的静态特性：主要有线性度（非线性误差）；量程；灵敏度。另外，还有迟滞误差；重复性；精度；分辨力及分辨率；测量范围；稳定性；抗干扰能力；静态误差。传感器的动态特性指标1. 与阶跃响应有关的指标（暂态指标）1）时间常数 2）上升时间r （0.10.9） 3）建立时间s 4）过冲量 a15）衰减率 (相邻峰或谷之差比大的峰或谷) 6）衰减比 d (相邻峰或谷之比)2. 与频率响应有关的指标（稳态指标）1）截止频率L、H 2）通带宽度BW= H -L7说明什么是压电效应？对压电晶体施加外力是否一定会产生压电效应，为什么？正压电效应（顺压电效应）：某些电介质，当沿着一定方向对其施力而使它变形时，内部就产生极化现象，同时在它的一定表面上产生电荷，当外力去掉后，又重新恢复不带电状态的现象。当作用力方向改变时，电荷极性也随着改变。逆压电效应（电致伸缩效应）：当在电介质的极化方向施加电场，这些电介质就在一定方向上产生机械变形或机械压力，当外加电场撤去时，这些变形或应力也随之消失的现象。对压电晶体施加外力不一定会产生压电效应。天然结构的石英晶体的理想外形，他是一个具有各向异性的正六面体。在晶体学中，通常用笛卡尔坐标系表示方向性：z轴是通过六面体的棱线，当力加在此轴时，晶体没有压电效应。8什么是外光电效应？什么是内光电效应？什么是光生伏特效应？各列举出基于这几种效应的传感器件。在光线的作用下，物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象称为外光电效应。基于外光电效应的光电器件有光电管、光电倍增管等。当光照射在物体上，使物体的电阻率发生变化的现象叫做内光电效应。它多发生于半导体内。基于这种效应的光电器件有光敏电阻。在光线作用下能够使物体产生一定方向的电动势的现象叫做光生伏特效应。基于该效应的光电器件有光电池和光敏二极管、三极管。9光纤利用什么原理传输光线？根据折射率，光纤有哪几种类型？根据光纤所起到的作用，光纤传感器有哪几种类型？ 折射波只能在介质分界面上传播时的入射角，定义为临界角c。当入射角小于c时，入射光线将发生全反射。光纤就是利用光的全反射原理传输光纤。根据折射率：1）阶跃型：纤芯的折射率分布各点均匀一致，称为多模光纤。 2）梯度型：梯度型光纤的的折射率呈聚焦型，即在轴线上折射率最大，离开轴线则逐步降低，至纤芯区的边沿时，降低到与包层区一样。 3）单孔型光纤：纤芯直径较小（数微米）接近于被传输光波的波长，光以电磁场“模”的原理在纤芯中传导，能量损失很小，适宜于远距离传输。根据光纤所起到的作用：1. 功能型光纤传感器1）调幅型2） 调相型2. 非功能型光纤传感器10智能传感器有什么特点？有几种实现方式？二、分析题1下图是两个不同类型的自感式传感器，分别说明其类型并简单叙述其工作原理。 图a是差动变面积式自感传感器；图b是差动变气隙式自感传感器；，可见自感L与气隙宽度成反比，与气隙截面积成正比。图a中的衔铁B以O为轴左右摆动，使其与衔铁A左中右三部分的对应气隙截面积发生变化。一边增加一边减小，且增加量与减小量相同。即线圈L1与L2所产生的磁通回路的磁通量发生变化，而使自感变化图b中的衔铁B左右运动，使其与衔铁A1、A2之间的气隙间隔发生变化，一边增加一边减小，且增加量与减小量相同。即线圈L1与L2所产生的磁通回路的磁通量发生变化，而使自感变化2.写出电容值表达式，并推导变极距型电容传感器的灵敏度，说明其是否是线性的。-两个极板间介质的介电常数；0真空介电常数；r相对介电常数。=0*rA- 两个极板相对有效面积；d- 两个极板间的距离。变极距型电容传感器即C=f(d)。初始状态： 当极距减小d 时，；当d/d0很小时， 灵敏度：即C0时的灵敏度非线性误差：；d/d0很小时，成线性关系。若不满足此条件，其是非线性的3. 桥路是一种典型的传感器转换电路，在很多类型的传感器中都有应用，试举出不少于3种类型的能用桥路进行信号转换的传感器，并以其中一种类型为例，画出其差分桥电路。电容式传感器的信号调节电路；热电偶传感器的电桥补偿法；应变式电阻传感器的测量电路。热电偶传感器的电桥补偿法：不平衡电桥中R1、R2、R3为锰铜丝、RCu为铜丝；设计时，在0下使电桥平衡，Uab=0 ，电桥对仪表读数无影响。 冷端补偿器的作用mVEAB(T,T0)T0T0TAB+-abUUabRCuR1R2R3R注意：1）桥臂RCu必须和热电偶的冷端靠近，使处于同一温度之下。2）不同材质的热电偶所配的冷端补偿器，其中的限流电阻R不一样， 互换时必须重新调整。或者应变式电阻传感器的测量电路：平衡条件：；灵敏度：；非线性误差：；当=，时，4下图是利用涡流效应测厚的原理图，试说明其工作原理。当导体置于变化的磁场中或在固定磁场中运动时，导体内都要产生感应电动势形成电流，这种电流在导体内闭合的，称为涡流。其穿透导体深度为：。可见若想穿过导体，频率f应该较低。而此图即为低频透射式。低频投射式传感器有两个线圈组成。他们分别置于被测体两侧，其中L1为发射线圈，L2为接收线圈，中间位被测体M。（1）当无被测体M时：激励电压U1产生电流i1在线圈L1中流动产生磁场i与接收线圈L2建连产生感应电动势U2=max。（2）当L1和L2之间放置被测体M时：激励电压U1产生电流i1在线圈L1中流动产生磁场i穿过被测体M（在M中产生电涡流效应而消耗一部分磁能）-i下降-产生U2U2-被测体厚度越大，U2越小-感应电动势U2是M厚度的函数，即U2=f（厚度）。由此关系式就可以测得中间物体厚度。5.写出气隙型自感式传感器中自感的表达式和灵敏度表达式，并说明其是否是线性的？自感表达式为：；灵敏度表达式： ；当时，将上式展为级数，得由式可见，电感值的相对变化量由高次多项式给出，故是非线性特性。另有差动变间隙自感式传感器：自感表达式：-； ；灵敏度表达式：当时，将上式级数展开，得可见其仍有非线性误差，但是非线性误差减小。6.请给出应变片式传感器直流差分桥的开路输出和灵敏度。差分桥可以起到温度补偿的作用（假设两个传感器所处温度相同），请用直流桥进行推导。应变式电阻传感器的测量电路：平衡条件：；灵敏度：；非线性误差：；当=，时，上图中，R1，R2都是应变片传感器，其余两个是固定电阻，则实现温度补偿。原理如下：R1的函数为：；式中由温度引起的R1电阻的变化；由应变引起的R1电阻变化。而R2只有温度作用，不受应变作用，所以R2的作用函数为：且两个传感器所处温度相同，所以所以，电桥的输出电压为：结果消除了温度的影响。7光敏电阻开关电路如下图所示，请分析其工作原理（继电器可以看作是电阻，VDW2是二极管）。8压电材料的压电方程可表示成矩阵形式：Q=DF，现已知某个传感器其压电常数矩阵为：，。试从压电常数矩阵分析应该沿哪个轴施力，从哪2个面取电荷？，由矩阵D可知，在x ,y轴面上均施加有应力作用。最后仅在x轴正向出现正电荷，负向出现负电荷。三、计算题用镍铬-镍硅热电偶测量某低温箱温度，把热电偶直接与电位差计相连接。在某时刻，从电位差计测得热电动势为-1.19mv，此时电位差计所处的环境温度为15，试求该时刻温箱的温度是多少度？（下表是镍铬-镍硅热电偶的分度表）镍铬-镍硅 热电偶分度表测量端温度热电动势 (mv)0123456789-20-0.77-0.81-0.84-0.88-0.92-0.96-0.99-1.03-1.07-1.10-10-0.39-0.43-0.47-0.51-0.55-0.59-0.62-0.66-0.70-0.74-0-0.00-0.04-0.08-0.12-0.16-0.20-0.23-0.27-0.31-0.35+00.0