2009下检测与转换ABC卷标准答案1

1、东北大学秦皇岛分校、填空题：(20分，每空1分)装 订 线 内 不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&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

2、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？各自有何优点和缺占八、3有一个金属电阻应变片，其灵敏度为 K=2.5，R=120Q，设工作时其应变为 1200卩，则厶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

3、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=10c m,材料的弹性模量为E=205X 109N/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 Q,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。&如图1为一直流应变电桥。图中 U=4V，R1=R2=R3=R4=120Q，试求：(1)

4、R1为金属应变片，其余为外接电阻。当R1的增量为 R=1.2Q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？第(2)问中，如果R2与R1的极性相反，且 R1=1.2Q， R2= 1.2Q电桥的输 出电压U0为多少？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

5、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分匚d 1 dod = Co(1 忑广上)2do do(6 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

6、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？Z = f （ P,巴 x,m）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

7、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Ad Ad 2：C = G-C2 = 2Co( )2 ,dodoC Jd2 -Codo2、图1为半波电压输出型差动整流电路。（1o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）(2)doUH =KH IB = 22 1.o 1o o.3 = 6.6 1oV(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

8、容传感器动极板与定极板之间的起始距离为do,动极板向上移动Ad。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）（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，U2oUi负半周，D1,D2截止，U2=o经半波整流，只要衔铁上移 U2o,通过U2的极性判断衔铁的位移方向。（6 分）3、霍尔元件I、b、d尺寸分别为1.ocmx o.35cmX o.1cm,沿I方向通以电流1= 1.omA， 在垂直lb面方向加有均匀磁场8 = 0.3T，传感器的灵敏度系数为22V / AT试

9、求其输出 霍尔电动势及载流子浓度。（电子电荷量e=1.6o2*1o-19C）1ed122 1.62 10J9 0.1 102（2 分）20= 2.8 10 U0 上（k k k k ） U k（1 1）424、一应变片的电阻R=120, k=：0.05用作应变为800um/m的传感元件。求R和R R (5分) R 0.1968R 120= 0.00164 :R=k；R=2.05 800 106 120 =0.1968(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)o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

10、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 ，非线性误差为土 1%R ,R k（3分）：R=k；R=2.05 800 10” 120 =0.19684、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。R _ 0.1968R 120= 0.00164（2 分

11、）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，产生应变为卩& (卩=0.3 ),将这四个应变片接于电桥 电路如图2( b) o若桥路输出电压为：口二U i 也R也R2 /金R40 4 R1R2R3&(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) o 2分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

12、 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，MO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

13、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

14、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）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）c2 = c0c（4 分）Z21j （Co- ：c）1j （Co ：C）Uo=U 生 1UZ1 Z2 2U C2 Co净输入电荷Qi二Q - Qf反馈电容上的电荷为Qf（Ui -Uo）Cf -U-Uo）CfA3、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

15、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）K = 5 50mV / gK = 5 50mV / g23ga=U5 50 10K25 50 10二 8gQi =Cu广-C 血1 A（1 A）CfA UoAQ4、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）UoS?C （1 A）CfQCf（4 分）特点：输出电压与电缆电容 Cc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）ab ；(a

16、 a)b ba-: C 二6 6 6 _8.85 10J2 4 102 2 10； -0.5TnTo）时回路电势的代数和。 即 Eab（T,To）=E AB（T,Tn）+ E AB（Tn,To）（ 5 分）x100%=Xmx100%= ：A 100%=5.0%（ 8 分）3X3X320A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

17、。（10分）解：求15个数据的平均值：X =10.41 ,（ 1 分）每个测量值Xi的残差Vi =Xi -乂（ 2分）及其平均值V（ 3分）列成表格，由 贝塞尔公式可求出标准偏差：0.014314-0.03196（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V4 =0.10 3 0.09588,故可确认X4 =10.31数据中含有粗大误差,（5 分）X4应从数组中剔出。（6 分）X 4剔出后,剩下的14个数据的平均值X后=10.417 ,（7 分）将此时每次测量 Xi的残差及其平方值再次列成表格, 差为：由贝塞尔公

18、式计算此时的标准偏0.00400613= 0.01755（8 分）3二* =3 0.01755 = 0.05265（9 分）剔除X4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，R1为电阻应变片，应变片灵敏度系数k二2.05，未受应变时尺二120门，当试件受力F时，应变片承受平均应变 ；-8 10*，求（1）应变片电阻变化量 AR1和电阻相对变化量 心R/R。（2） 将电阻应变片置于单臂测量电桥，电桥电源电压为直流3V，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R43K ；二

19、2.05 8 10=1.64 10解：（1）R（3 分）R二 R K ； = 120 1.64 忙二0.1968： 0.197.1（6 分）1-3UoK；Ui=0.25 1.64 103 = 1.23mV（2）4（10 分）4.已知在其特定条件下材料 A与铂配对的热电势EA_Pt（T，To） = 13967mV,材料B与铂配对的热电势EbbL To ） =8.345mV ,试求出此条件下材料 A 与材料B配对后的热电势。（5分）解：Eab（T, T）= Eac（T, T） Ecb（T, T。）=13.967 - 8.345mV = 5.622mV（ 5 分）35某霍尔元件丨b d为1.0 0.

20、35 0.1cm沿丨方向通以电流I = 1.0mA在垂直lb面方向加有均匀磁场B-0.3T，传感器的灵敏度系数为 22V/A.，试求其输出霍尔电势及载流子浓度。（5分）（q =1.602 10J9C ）解:U H = Rh= Kh IB = 22V A *T 1.0mA 0.3T=6.6mV（ 2 分）dD 1 11 1Rh 二_ n19 -nqRHq KHdq22V / A T 0.1cm 1.602 10 C= 2.84 1020/m3（5 分）三、推导题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

21、离为d,介电常数为，试推导出转动的 角位移B和输出电容值的表达式。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。六、设计题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。图2 （第四题图）F 四、计算题（共23分）R21.四相同的应变电阻R1R4,其阻值在未受力时为110Q, K=2,用作600卩m/m的传感器元件，如图2所示。求 R, R/R。R4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。2.某温度传感器的测量范围为-50250C,其允许的最大误差为

22、土 3C。问此 传感器的精度等级为多少？当测量到 50oC和200C时，其最大误差分别是多 少？怎样合理选择仪表的量程？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，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

23、霍尔电动势 Uh其大小表示为：（4分）RhIBd（2 分）若电桥电源U= 4V,则U。二 Uk；=4 1.2 104.8 1OV=4.8mV（5分）3）若U0降至2mV则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UokU2解:250m/ m2 4V（3 分）系。（3分）2）wW ,莫尔条纹间距对光栅栅距具有放大作用。 当/很小时，w对 d有几百倍的放大作用（d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）当二=0时，此时两板的遮盖面面积为 S,所以此时 d （3分

24、）2） 当二工0时，此时两板的遮盖面积要发生变化，因为在0二之间变1）Am 二 250C- （-50C）二 3000C% =3C100% 二30C3000C100%= 1%精度等级（4分）化，所以当转过角时，此时两板的遮盖面积为S = S-（*）S = （1-M：）S（4分），则Cx3）所以，测量值应选择:AxAm（3 分）Sd（3 分）四、计算题答案1 解：1）（5 分）-0五、分析题丿=c（1 - 二 / 二）EAB（t1,t）= EAB（t1,tn）+ EAB（tn,t）答:1）分析电桥：在某一温度时，电桥处于平衡状态 尺二R2 = R = &U，此时Uab = 0 , 电桥对仪表的读数

25、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U ab，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Uab正好补偿由2）当测量到50C和200C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）QI丄光电脉冲转换电路电路工作原理是：图中 BG为光敏三极管，当光线照射 BG时，产生光电流，使& 厂r砥T4rfit?*4光2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,tO）， 加载在毫伏表上的电压值应该反映 Eab（t,O），因此，热电偶的电压和 Uab的 方向一致，左负右正。（6分）六、设计题（10分）答：1.光电转速传感器结构（如下图）光踝+ I尢电转速传感器结构光电转速传感器的工作原理是：光电式转速传感器工作