《传感器原理与应用》期中考试试卷参考答案2011

安徽师范大学安徽师范大学 2010 2011 学年第二学期学年第二学期 2008 级电子信息工程专业 传感器原理与应用传感器原理与应用 期中考试试卷参考答案期中考试试卷参考答案 A 1 根据二阶环节的幅频特性与相频特性图 分析固有频率和阻尼比的关系 答 从图中分析可看出 当 w wn 1 时 A w K w 0 近似于零阶环节 要使频带 加宽 关键是提高无阻尼固有频率 w0 当阻尼比 趋于 0 时 幅值比在固有频率附近 w w0 1 变化很大 系统发生谐振 为了避免这种情况 可增大 值 当 0 707 时 谐振就不会发生了 当 0 7 时 幅频特性的平坦段最宽 而且相频特性接近于一条斜直 线 故在检测复合周期振动时 能保证有较宽的频响范围且幅值失真与相位失真较小 所 以 0 7 称为最佳阻尼 2 一台用等强度梁作为弹性元件的电子秤 在梁的上 下面各贴两片相同的电阻应变片 K 2 如图所示 已知 l 100mm b 11mm t 3mm E 2 104N mm2 现将 4 个应变片接 入图 b 的直流桥路中 电桥电源电压 U 6V 当力 F 0 5kgf 时 求电桥输出电压 U0 解 00152 0 10102 103 1011 10100 105 0 66 64233 3 2 Ebh Fl E KRR 0182 0 00152 0 26 0 VUK R R UU 3 传感器不失真检测的条件是什么 答 希望传感器能具有良好的响应特性 输出波形无失真地复现输入波形 y t A0 x t 0 则 频域内传感器无失真检测条件是 幅频特性应当是常数 即 A A0 常数 即水平直线 相频特性则是线性关系即 0 4 根据电容传感器的工作原理说明它的分类 电容传感器能够测量哪些物理参量 答 原理 由物理学知 两个平行金属极板组成的电容器 如果不考虑其边缘效应 其电 容为 C S D 式中 为两个极板间介质的介电常数 S 为两个极板对有效面积 D 为两个 极板间的距离 由此式知 改变电容 C 的方法有三 其一为改变介质的介电常数 其二为改变形成电容的有效面积 其三为改变各极板间的距离 而得到的电参数的输出为电容值的增量这就组成了电容式传感器 类型 变极距型电容传感器 变面积型电容传感器 变介电常数型电容传感器 电容传感器的应用 可用来测量直线位移 角位移 振动振幅 尤其适合测温 高频振动振幅 精密轴系回转 精度 加速度等机械量 还可用来测量压力 差压力 液位 料面 粮食中的水分含量 非金属材料的涂层 油膜厚度 测量电介质的湿度 密度 厚度等 5 简述差动变压器式传感器的工作原理 答 差动变压器主要由铁芯 衔铁和线圈组成 线 圈又分为初级线圈 也称激磁线圈 和次级线圈 也称 输出线圈 上 下两个次级线圈是对称的 并按 电势反相串联 当初级线圈加以适当频率的电压激 励时 根据变压器的工作原理 在两个次级线圈中 就产生感应电动势 E21和 E22 初始状态时 衔铁 处于中间位置 即两边气隙相同 两次级线圈的互 感相等 即 M1 M2 由于两个次级线圈一样 磁路 对称 故 E21 E22 而两个次级线圈反相串联 U0 E21 E22 0 当衔铁偏离中间位置 即两 边气隙不相等 两次级线圈的互感发生变化 E21 E22不相等 U0不等于 0 U0是随衔铁位 移的变大而增加 即通过检测 U0变化可以判断出衔铁的变化 这就是差动变压器的工作原 理 M M E wLR MUw U S 0 2 1 2 1 0 2 2 安徽师范大学安徽师范大学 2010 2011 学年第二学期学年第二学期 2008 级电子信息工程专业 传感器原理与应用传感器原理与应用 期中考试试卷参考答案期中考试试卷参考答案 B 1 下图为单自由度机械振动系统 1 根据图示写出该系统的力平衡方程 2 若采用力 电流相似系统 画出其电等效系统 说明给定的参数并写出电压平衡方程 3 若采用力 电压相似系统 要求同 2 答 答 1 力平衡方程 0 0 xvdtkcv dt dv mF t 2 如左图 RCL 并联电路 由电阻 R 电感 L 和电容 C 组成的串联电路 设电源电压为 u 回路电流为 i 磁链为 由此可列出电流平衡方程 0 1 0 t udt LR u dt du Ci 对照力平衡方程和电流平衡方程 令 F 与 i 相对应 得到力 电流模拟 3 如左图 RCL 串联电路 其中电荷为 q 其它参数同 2 电压平衡方程 0 1 0 qidt C Ri dt di Lu t 令 F 与 u 相对应 得到力 电压模拟 2 两金属应变片 R1和 R2阻值均为 120 灵敏度系数 K 2 两应变片一片受拉 另一片 受压 产生的应变为 1000和 1000 两者接入直流电桥组成半桥双臂工作电桥 电 源电压 U 5V 求 1 和 2 电桥的输出电压 U0 R RR 解 1 002 0 1010002 6 KRR 24 0 120002 0 RKR 2 因为两金属应变片组成半桥双臂工作电桥 所以 005 0 2 1 0 V R R UU 3 总结电容式传感器的优缺点 主要应用场合以及使用中应注意的问题 答 优点 a 温度稳定性好 b 结构简单 适应性强 c 动响应好 缺点 a 可以实现非接触测量 具有平均效应 b 输出阻抗高 负载能力差 c 寄生电容影响大 d 输出特性非线性 电容传感器作为频响宽 应用广 非接触测量的一种传感器 在位移 压力 厚度 物位 湿度 振动 转速 流量及成分分析的测量等方面得到了广泛的应用 使用时要注意保护绝缘材料的的绝缘性能 消除和减小边缘效应 消除和减小寄生电容的 影响 防止和减小外界的干扰 4 简述低频透射式电涡流传感器测厚度的工作原理并画出其原理图 答 测厚度的低频透射式电涡流传感器由两个线圈组成 一个为发射线圈 一个为接收线圈 分别位于被测金属 材料的两侧 由振荡器产生的低频电压 U1 加到发射线 圈 L1 的两端后 线圈中流过一个同频率的交流电流 并在其周围产生一个交变磁场 若两线圈间不存在被测 物体 那么 L1 的磁力线就能直接贯穿 L2 于是 L2 的 两端就会感应出一交变电动势 E 它的大小与 U1 的幅 值 频率以及 L1 L2 的匝数 结构和两者间的相对位置有关 如果这些参数是确定的 E 就是定值 测厚度的低频透射式电涡流传感器原理图 当 L1 和 L2 之间放入金属板后 金属板内就会产生涡流 I 涡流 I 损耗了部分磁场能量 使到达 L2 上的磁力线减少 从而引起 E 的下降 金属板的厚度越大 产生的涡流就越大 损耗的磁场能量就越大 E 就越小 由此建立交变电动势 E 与厚度之间的关系 2 根据下图给出了硅膜片上的应力分布 在硅杯的 110 晶面电阻布局图上布局四个 扩散电阻 构成全桥的桥臂并在图上画出 同时画出全桥电路 简述扩散硅压阻式压力传 感器的工作原理 r0 h 膜片的工作面半径 厚度 解 1 在硅杯的 110 晶面电阻布局图上补全四 个扩散电阻 5 分 并画出全桥电路 5 分 2 工作原理 扩散硅压阻式压力传感器由外壳 硅膜片和引线组成 其核心部分是一块圆形的膜片 在 膜片上利用集成电路的工艺扩散 4 个阻值相等的电阻 构成上述电桥 膜片的两边有两个