2009下检测与转换ABC卷标准答案

装 订 线装 订 线 内 不 要 答 题学 号姓 名班 级东 北 大 学 秦 皇 岛 分 校一、填空题：（20分，每空1分）1、传感器一般由 敏感元件、 转换元件 、 基本转换电路 三部分组成。2、可以把压电元件等效为一个 电荷源 和一个电容器3、电感式传感器按结构分为 变气隙 、 变截面 和螺管式。4、感应同步传感器是利用两个平面形绕组的互感随 位置 不同而变化的原理组成的可用来测量直线和或 转角 的位移。5、电容传感器将被测非电量的变化转换为 电容量 变化的传感器。6、对于负特性湿敏半导体陶瓷，它的电阻率随湿度的增加而 下降 。7、横向效应使电阻丝应变片的灵敏系数 减小 8、热电偶工作原理是基于 热电 效应，其热电势包括 温差 电势和 接触 电势。9、光在光纤中无损耗传输是利用光在光纤中的 全反射 原理实现的。光纤的数值孔径越大，表明光纤的集光本领越 大 。10、射线式传感器主要由 放射源 和探测器组成，常用的探测器有 电离室 、闪烁计数器和盖革计数管。11、传感器的静态特性主要包括 线性度 、 迟滞 、重复性、稳定性和静态误差。二、简答题（共20分，每小题5分）1. 什么叫应变效应？利用应变效应解释金属电阻应变片的工作原理？2.金属电阻应变片与半导体应变片的工作原理有何区别？各自有何优点和缺点 3.有一个金属电阻应变片，其灵敏度为K=2.5，R=120,设工作时其应变为1200，则R是多少？若将此应变片与2V直流电源组成回路，试求无应变时和有应变时回路的电流？4.应变片称重传感器，其弹性体为圆柱体，直径为D=10cm，材料的弹性模量为E=205109N/m2，用它来称50t重物体，若用电阻丝应变片，应变片的灵敏系数为K=2，R=120，问电阻变化为多少？5.试述应变片温度误差的概念，产生误差的原因和补偿方法？6.什么是直流应变电桥？按桥臂工作方式不同，可分为哪几种？各自输出电压如何计算？7.在等截面的悬臂梁上粘贴4个完全相同的电阻应变片组成差动全桥电路，试问：（1）4个应变片应该怎样粘贴在悬臂梁上？（2）画出相应的电桥电路图。8、如图1为一直流应变电桥。图中U=4V，R1=R2=R3=R4=120，试求：(1)R1为金属应变片，其余为外接电阻。当R1的增量为R=1.2时,电桥输出电压U。(2)R1、R2都是金属应变片，且特性一致，感受应变的极性和大小相同，其余为外接电阻，电桥的输出电压U0为多少？(3)第（2）问中，如果R2与R1的极性相反，且R1=1.2，R2=1.2电桥的输出电压U0为多少？C R1R2AADR3R4U0B二、简答题：（每题5分，共20分）1、简述电阻应变片温度误差产生的原因及补偿方法。 产生原因：（1）应变片电阻丝有电阻温度系数。温度变化造成应变片阻值变化。（2）应变片电阻丝的线膨胀系数与试件的线膨胀系数不同，温度变化时，造成有附加电阻。 2分补偿方法：方法1：应变片自补偿。选用温度系数小的应变片，温度变化时，造成电阻变化小。方法2：桥路补偿。用与工作片特性一样的补偿片，将它们接于电桥相临两臂，并置于同一温度场，温度变化时，工作片与补偿片阻值变化相同值。对电桥输出无影响。方法3：接成半桥或全桥电路，可实现温度补偿。 3分（可答一种方法）2、简述形成莫尔条文的光学原理，说明莫尔条文有何重要特性？当指示光栅和标尺光栅的刻线相交一个微小的夹角时, 光源照射光栅尺，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，而两光栅透光部分分别与另一光栅不透光部分叠加，互相遮挡，光线透不过形成暗带。这种由于光栅重叠形成的光学图案成为“莫尔条纹”。（2分）重要特性：运动对应关系、位移放大关系、误差平均效应。（3分）3、涡流存在的条件？怎样利用涡流效应进行位移测量？涡流存在的条件：存在交变磁场导电体处于交变磁场中 （2分）涡流传感器测量的基本原理是当传感器的线圈与被测体之间的距离发生变化时，将引起线圈的等效阻抗变化，电涡流影响时的等效阻抗Z的函数关系式为 在通电电流和被测材料确定的情况下，阻抗Z成为位移X的单值函数，由Z可知X，因此实现位移测量。 （3分）4、试比较纵向压电效应与横向压电效应工作原理的异同。 相同点：两种压电效应均为双向压电效应。加动态力后均在垂直于电轴表面上产生电荷。 2分 不同点：纵向压电效应与横向压电效应所产生的电荷极性相反。纵向压电效应产生的电荷与压电片的几何尺寸无关，而横向压电效应产生的电荷与压电片的几何尺寸有关。 3分三、分析计算题（4小题，共30分）1、（1）与简单变间隙电容传感器相比，差动变间隙电容传感器有何优点？（4分）（2）若差动电容传感器动极板与定极板之间的起始距离为d0，动极板向上移动d。试用台劳公式推导电容值的相对变化量。（6分）（1） 优点：提高灵敏度，减小非线性 （4分）（2）（6分）2、图1为半波电压输出型差动整流电路。（10分）（1） 试说明电路的作用。（4分）（2）简述衔铁上移时电路的辨向原理。（6分）(1)电路的作用：判别衔铁的位移大小和方向，消除零点残余电压。（4分）(2)上移时，差动变压器互感M1M2Ui正半周，D1,D2导通，U20Ui负半周，D1,D2截止，U2=0经半波整流，只要衔铁上移U20，通过U2的极性判断衔铁的位移方向。（6分）3、霍尔元件、b、d尺寸分别为1.0cm0.35cm0.1cm，沿方向通以电流I1.0mA，在垂直面方向加有均匀磁场，传感器的灵敏度系数为试求其输出霍尔电动势及载流子浓度。(电子电荷量e=1.602*10-19C) （3分） （2分）4、一应变片的电阻，用作应变为800um/m的传感元件。求和（5分） （3分） （2分）四、综合题（10分）一柱式应变传感器，圆柱侧面纵向贴两个应变片，受力产生应变为，横向贴两个应变片，产生应变为（0.3），将这四个应变片接于电桥电路如图2（b）。若桥路输出电压为：（1）试在电桥电路中标出应变片的标号。（2）写出全桥输出电压与应变关系式。（3）说明此电路能否实现温度补偿？为什么？（4）采用并联调零电路调零，试将调零电路接于电桥电路如图，并说明调零原理。（1）标号如图2（b）。 2分（2） 2分（3）能实现温度补偿。相临两桥臂应变片受温度影响增加相同阻值电阻，对电桥的输出无影响。 3分（4）接线如图2（C）。调节电位器，微调相临两桥臂电阻，使对角线电阻乘积相等，达到电桥平衡。 3分 2、传感器的静态特性是指被测量的值处于稳定状态时的 输出输入 关系。3、某一线性位移传感器，量程为0100 cm，对应输出电压为0300mV，最大输出偏差为3mV，则传感器的灵敏度为 0.3 ，非线性误差为 1% 。4、应变式传感器是利用金属的 电阻应变效应 ，将测量物体变形转换为电阻变化，通过测量电路（电桥）转换为输出电压的传感器。5、电感式传感器按转换原理分为 互感 和自感两种。6、电容式传感器分为变极距型、 变面积型和 变介电常数型三种。7、霍尔传感器的零位误差主要由 不等位 电动势和寄生直流电动势引起的。8、热电偶的热电势由接触电势和 温差电势 组成。9、超声波发射探头工作原理是基于 逆压电 效应，接收探头是基于 压电 效应。10、激光器具有 单色性好 、方向性好 和亮度高的优点。11、CCD图像传感器的作用是将 图像的光信号 转换为 输出的电信号 。其中MOS单元负责电荷的存储，MOS单元电荷在三相脉冲的作用下实现电荷的转移，通过输出装置实现电荷的 输出 。12、光在光纤中无损耗传输是利用光在光纤中的全反射原理实现的。二、简述题：（每题5分，共20分）1、 比较金属应变片与半导体应变片在工作原理上的相同电与不同点。相同点：都是将被测力转换为应变片的电阻变化。（1分）不同点：金属应变片是利用电阻应变效应，在外力的作用下发生机械变形，其电阻值发生变化。（2分）半导体应变片是利用压阻效应，受到作用力后其电阻率发生变化。（2分）半导体应变片的灵敏系数远大于电阻丝应变片的灵敏系数。2、 霍尔元件温度误差产生原因及补偿方法。霍尔元件是采用半导体材料制成的, 因此它们的许多参数都具有较大的温度系数。当温度变化时, 霍尔元件的载流子浓度、迁移率、电阻率及霍尔系数都将发生变化,致使霍尔电动势变化，产生温度误差。 （1分）补偿方法：（1）采用恒流源供电和输入回路并联电阻（2）合理选取负载电阻的阻值（3）采用恒压源和输入回路串联电阻（4）采用温度补偿元件(如热敏电阻、电阻丝等)（5）霍尔元件不等位电势采用桥路温度补偿补偿方法答对两个即可（每个2分共4分）三、计算分析题（3小题，共30分）1、压电传感器的电荷放大器的基本电路如图1，试画出电荷放大器等效电路图，并推导出压电传感器的电荷放大器的输出电压表达式，说明电荷放大器特点（10分） （4分） 反馈电容上的电荷为 （4分）特点：输出电压与电缆电容无关，即与电缆长度无关，更换电缆不影响传感器灵敏度，且输出电压与输出电荷成正比。 （2分）2、推导差动电容传感器的变压器电桥的输出空载电压表达式。如图2（10分）3、用石英晶体加速度计及电荷放大器测量机器的振动，已知加速度计灵敏度为5PC/g，电荷放大器灵敏度为50mv/PC当机器达到最大加速度值时相应的输出电压幅值为2V，试求该机器的振动加速度。（5分）4、组式变面积型平板形线位移电容传感器，两极板相互覆盖的宽度为4mm。两极板的间隙为0.5mm，极板间介质为空气，试求其静态灵敏度？若极板相对移动2mm，求其电容变化量？（5分）四、综合题（10分）若将四片特性一致的半导体应变片平行贴在悬臂梁上，电阻值均为100，试件初载等截面积为，悬臂梁弹性模量，由50的压力引起的应变片电阻变化为，把应变片接入图（b）所示的电桥电路，电桥电源电压为1V。（1）在图3（b）中标出对应的应变片标号。（2分） （2）若采用并联调零电路调零，如图3（c），试用连线将调零电路接于电桥电路。 （2分） （3）应变片灵敏系数是多少？（4分） （4）电桥输出电压是多少？（2分）(3)(4)对于全桥C10.热导式气体分析仪根据混合气体 导热能力的差异 ，实现气体组分的含量分析。三：简答题（4小题，每小题5分，共20分）1.利用电涡流式传感器测量物体位移。试问：如果被测物体是塑料材料制成，此时位移测量是否可行？为什么？答：不行。 因为电涡流只能在铁磁性材料上产生。2.电阻应变片温度误差产生的原因及补偿方法。答：原因：（1）电阻温度系数的影响； （2）试件材料和电阻丝材料的线膨胀系数的影响。 补偿方法：（1）电桥补偿法；（2）应变片自补偿法；（3）热敏电阻补偿法3.什么是霍尔效应，并写出霍尔电势与电流强度和磁感应强度的关系。答：半导体薄片置于磁场中，当它的电流方向与磁场方向不一致时，半导体薄片上平行于电流和磁场方向的两个面之间上产生电动势，此此现象为霍尔效应。霍尔电动势与电流强度和磁场强度成正比，与载流体厚度成反比。4.简述热电偶测温原理，说明在热电偶回路中可引入连接导线和仪表的依据是什么？热电效应，将两种不同材料的导体或半导体串接成一个闭合回路，两个接点置于不同温度场，会产生电动势。冷端温度恒定，工作端置于被测温度场，由测得热电势可确定被测体温度。中间导体定律，在热电偶回路中接入仪表或导线，只要两接点温度相同，不影响热电势的大小。四、分析计算题（2小题，每小题10分，共20分）1.单组式变面积型平板形线位移电容传感器，两极板相互覆盖的宽度为4mm。两极板的间隙为0.5mm，极板间介质为空气，试求其静态灵敏度？若极板相对移动2mm，求其电容变化量？已知2、分析差动变压器的相敏检波电路工作原理。当衔铁在零位以上时(1)载波信号在（0）时 U与U0同相，变压器A次级输出电压U1上正下负，U2上正下负；变压器B次级输出电压U01左正右负，U02左正右负。U1正端接节点4，U01正端接节点1，由于，所以4点电位低于1点，D1截止；U1正端接节点4，U01负端接3，3点电压低于4点，D4截止；U2负端接2，U01正端接1，1点电位高于2点，D2导通；U2负端接2，U02负端接3，由于U02U2，3点比4点电位更负，D3导通。此时，D2回路 相敏检波电路，方向自下而上流经D3回路，方向自上而下流经由于，因此，流经的电流方向为自下而上，电压方向为下正上负，设，此时的电压为正。 （2）载波信号为下半周（）时U1上正下负，U2上正下负；变压器B次级输出电压U01左负右正，U02左负右正。U1负端接节点4，U01负端接节点1，由于4点电位高于1点，D1导通；U1负端接节点4，U01正端接3，3点电压高于4点，D4导通；U2正端接2，U01负端接1，1点电位低于2点，D2截止；U2正端接2，U02正端接3，由于U02U2，2点比3点电位低，D3截止。 D1回路，方向自上而下流经D4回路，方向自下而上流经由于，因此，此时上电流为自下而上，电压为正2）当衔铁为零位以下时，分析情况同上此时，上的电流始终为自上而下，因此，上电压为负因此，当衔铁在零位以上时，上电压始终为正，当衔铁在零位以下时，上电压始终为负。以次来判断衔铁移动的极性，并且消除了零点残余电压。四、分析计算题（2小题，每小题10分，共20分）1.单组式变面积型平板形线位移电容传感器，两极板相互覆盖的宽度为4mm。两极板的间隙为0.5mm，极板间介质为空气，试求其静态灵敏度？若极板相对移动2mm，求其电容变化量？已知五、设计题（10分）一个悬臂梁受力作用弯曲，现在用电阻应变片测量作用力F。当考虑采用电阻应变片温度线路补偿法时，请画图表示应变片粘贴位置和测量线路的接法，画出调零电阻，并说明调零电阻在测量线路中的作用。答：采用全桥测量电路消除温度对测量结果的影响，、分别为阻值相等的应变片，粘贴位置和测量电路如图所示。调零电阻使对角线电阻乘积相等，电桥平衡。 R1R2R3R4F 粘贴位置 测量电路 R1R2R3R4F 粘贴位置 三、简答题（每题6分，共计30分）1 简述电涡流的趋肤效应的基本内容。电涡流式传感器在金属导体内产生的涡流存在趋肤效应。即涡流的渗透深度与激磁电流的频率有关。（2分）频率越高，渗透深度越浅，趋肤效应越明显，频率越低，（4分）渗透深度越深，趋肤效应越弱。（5分）2试分析电容传感器中误差的主要来源以及减少和消除的方法。（1）温度影响： a）温度主要影响传感器的结构尺寸。 （1分）减少和消除方法：尽量选择温度系数小且稳定的金属材料作电容器极板。 采用差动对称结构，在测量电路中加以补偿。 b）对某些介质的介电常数有一定的影响。 （2分）减少和消除方法：这种变化引入的误差只有在测量电路中进行补偿。（2）电场的边缘效应影响：边缘效应使电容传感器测量精度下降，非线性上升。 （3分）减少和消除方法：增加极板面积和减少极板间距离可减少边缘效应的影响。当检测要求很高时，可考虑加装等位环，即在极板周边外围同一平面上加装一个同心圆环。（3）寄生电容的影响：电容传感器的电容值通常很小。测量电路若处理不当，寄生电容有可能大于传感器电容，使电容传感器无法工作。减少和消除方法：尽量减少电容器极板引出线长度，且不要平行布 线。 （4分）屏蔽电容器：可对传感器及测量电路实行整体屏蔽，即电容器，电路装在同一个屏蔽壳内，保持屏蔽体有效接地。 （5分） 3简述热电偶的三个基本定律。（1） 中间导体定律：在热电偶测温时，在热电偶回路中接入第三种导体，只要其两端温度相同，则不影响热电偶回路的总电势。 （1分）数学表达式为：EAB(T,T0)=EABC(T,T0) （2分）（2）参考（标准）电极定律：当结点温度为T，T0时，导体A，B组成热电偶的回路电势EAB(T,T0)等于导体A，C和C，B组成的热电偶回路电势EAC(T,T0)与ECB(T,T0)之代数和。 （3分） 即EAB(T,T0)=EAC(T,T0)+ECB(T,T0) （4分）（3）中间温度定律：热电偶在接触点温度为T，T0时的回路总电势，等于该热电偶在接触点温度为T，Tn和Tn，T0（TTnT0）时回路电势的代数和。即EAB(T,T0)=EAB(T,Tn)+ EAB(Tn,T0) （5分） 4什么是光电效应，依其表现形式如何分类，并予以详细解释。 光照射在物体上可看成一连串具有能量的光子对物体的连续轰击，物体吸收光子能量而产生相应的电效应，称之为光电效应。这是实现光电转换的物理基础。 （2分）光电效应依据表现形式的不同，通常可分为三类：光电导效应光照射改变半导体导电率，从而引起半导体电阻值的变化效应。 （3分） 光生伏特效应光照改变半导体PN结电场，从而引起PN结电势的变化效应，又称PN结光电效应。 （4分） 光电发射效应某些物质（如金属丝）在光的照射下，能从表面向外部发射电子的现象称为光电发射效应。 （5分）5简述拉依达准则的主要内容。凡残余误差大于三倍标准偏差即被认为是粗差，它所对应的测量值就是坏值，应予以舍弃。 （3分） 数学表达式为： （5分） 四、计算题（共计40分）1某1.0级电流表，满度值，求测量值分别 时的绝对误差和示值相对误差。 （10分）解：对1.0级电流表可能产生的最大绝对误差： （2分）而测得值分别为、时的示值相对误差各不相同。 （4分） （6分） （8分）注： 单位，正负号 （10分）2某次等精度测量所得测量数据为10.40，10.41，10.43，10.31，10.39，10.44，10.42，10.40，10.40，10.43，10.44，10.39，10.42，10.41，10.43。试按拉依达准则判别这组数据中是否含有粗大误差。（10分）解：求15个数据的平均值：=10.41， （1分） 每个测量值的残差（2分）及其平均值（3分）列成表格，由贝塞尔公式可求出标准偏差： （4分） 根据拉依达准则，表中第4个数据的残差第1套课程名称：信号检测与转换 课程编号 适用专业：应电04-1-2 共5页 第4页， （5分） 故可确认数据中含有粗大误差，应从数组中剔出。 （6分）剔出后，剩下的14个数据的平均值后=10.417， （7分）将此时每次测量的残差及其平方值再次列成表格，由贝塞尔公式计算此时的标准偏差为： （8分） （9分） 剔除后剩下的14个数据的残差均满足，故再无粗大误差。 （10分）3如图1所示为等强度梁测力系统，为电阻应变片，应变片灵敏度系数，未受应变时，当试件受力时，应变片承受平均应变，求 （1）应变片电阻变化量和电阻相对变化量。（2）将电阻应变片置于单臂测量电桥，电桥电源电压为直流3，求电桥输出电压是多少。（10分）第1套课程名称：信号检测与转换 课程编号 适用专业：应电04-1-2 共5页 第5页解： （1） （3分） （6分） （2） （10分） 4已知在其特定条件下材料A与铂配对的热电势，材料B与铂配对的热电势，试求出此条件下材料A与材料B配对后的热电势。 （5分）解： （5分） 5某霍尔元件为沿方向通以电流在垂直面方向加有均匀磁场，传感器的灵敏度系数为，试求其输出霍尔电势及载流子浓度。 （5分） （）解： （2分） （5分）三、推导题（10分）许多机械设备的角度位移检测往往采用电容器传感器，其结构如图1所示。一极板为定极板，另一极板为动极板。两极板的面积为S，相互之间的距离为d，介电常数为，试推导出转动的角位移和输出电容值的表达式。FR1R3R4R2图2（第四题图）四、计算题（共23分）1.四相同的应变电阻R1R4，其阻值在未受力时为110，K=2，用作600m/m的传感器元件，如图2所示。求R，R/R。若用电桥测量电路，试画出相关测量电路, 如电桥电源U=4V，求相应的输出U0。如应变片所受应力减少，使相应的输出U0降至2mV，求此时的应变值。（13分）2.某温度传感器的测量范围为-50250oC，其允许的最大误差为3oC。问此传感器的精度等级为多少？当测量到50oC和200oC时，其最大误差分别是多少？怎样合理选择仪表的量程？（10分）五、分析题（13分）试分析图3的热电偶冷端温度补偿原理并指出热电偶的极性。 图3（第五题图）六、设计题（10分）试用光电传感器设计一个转速测量电路。要求画出相关结构图和测量电路图，并说明测量原理。一、填空题答案1.线性度、迟滞、重复性、灵敏度2.整流辨向、消除零点残余电压5.提高分辨率二、简答题答案1.霍尔传感器的工作原理是什么？（10分）1.答：如图所示的金属或半导体薄片，若在它的两端通过控制电流I，并在薄片的垂直方向上施加磁感应强度为B的磁场，那么，在垂直于电流和磁场方向上将产生电动势UH 。这种现象称为霍尔效应。（4分）霍尔效应的产生是由于运动电荷受磁场中洛伦兹力作用的结果，当电场作用在运动电子上的电场力fE与洛伦兹力fc相等时，电子积累便达到动态平衡。这时，在薄片两横断面之间建立的电场称为霍尔电场EH，相应的电动势称为霍尔电动势UH,其大小表示为：（4分） （2分）2.莫尔条纹的特点是什么？（10分）2.答：莫尔条纹的特点是：1）莫尔条纹的移动量、移动方向与光尺的位移量、位移方向具有对应关系。（3分）2），莫尔条纹间距对光栅栅距具有放大作用。当很小时，对有几百倍的放大作用（为光栅距）。（4分）3）莫尔条纹对光栅栅距局部误差具有消差作用。（3分）三、推导题答案1）当0时，此时两板的遮盖面面积为S，所以此时 （3分）2）当0时，此时两板的遮盖面积要发生变化，因为在之间变化，所以当转过角时，此时两板的遮盖面积为（4分）,则 （3分）四、计算题答案1解： 1）R2U0 （5分） 2）若用电桥测量电路，相关电路图如右图所示若电桥电源U4V，则（5分）3）若U0降至2mV，则 （3分）2解：1） （4分）2）当测量到500C和2000C时，其最大误差仍为3度，因此所测温度值越接近测量范围的上限，则相对误差越小。（3分）3）所以，测量值应选择：。（3分）五、分析题答：1）分析电桥：在某一温度时，电桥处于平衡状态，此时，电桥对仪表的读数无影响。当温度高于此温度时Rcu增加，电桥平衡被打破，a点的电位高于b点的电位，产生一不平衡电压，它与热端电势相叠加，一起送入测量仪表。适当选择桥臂电阻和电流的数值，可使电桥产生的不平衡电压正好补偿由于冷端温度变化引起的热电动势变化值，满足公式：仪表即可指示出正确的温度。（7分）2）分析热电偶：电桥作为补偿电桥工作，由中间温度定律，Uab应该补偿冷端温度不为0时的Eab（t0,0），此时热电偶的输出电压为Eab(t,t0)，加载在