传感器与自动检测技术 试卷及答案 试题三

传感器与自动检测技术仿真试题三

试卷一（闭卷）

（考试时间90分钟，总分80分）

题号一二三总分

分数

评卷人

一、单项选择题（本大题共10小题，每小题2分，共20分）

在每小题列出的四个选项中只有一个选项是符合题目要求的，请

将正确选项前的字母填在题后的括号内。错选、多选和未选均不

得分。

1、传感技术与信息学科紧密相连，是（）和自动转换技术的总称。

A.自动调节B.自动测量C.自动检测D.信息获取

2、下列测量方法属于组合测量的是（）o

A.用电流表测量电路的电流

B.用弹簧管压力表测量压力

C.用电压表和电流表测量功率

D.用电阻值与温度关系测量电阻温度系数

3、传感器的静态特性，是指当传感器输入、输出不随（）变化时，其输

出-输入的特性。

A.时间B.被测量C.环境D.地理位置

4、已知某温度传感器为时间常数了=3秒的一阶系统，当受到突变温度作

用后，传感器输出指示温差的三分之一所需的时间为（）秒

A.3B.1C.1.2D.1/3

5、利用相邻双臂桥检测的应变式传感器，为使其灵敏度高、非线性误差小

（）o

A.两个桥臂都应当用大电阻值工作应变片

B.两个桥臂都应当用两个工作应变片串联

C.两个桥臂应当分别用应变量变化相反的工作应变片

D.两个桥臂应当分别用应变量变化相同的工作应变片

6、下列说法正确的是（）。

A.差动整流电路可以消除零点残余电压，但不能判断衔铁的位置。

B.差动整流电路可以判断衔铁的位置，但不能判断运动的方向。

C.相敏检波电路可以判断位移的大小，但不能判断位移的方向。

D.相敏检波电路可以判断位移的大小，也可以判断位移的方向。

7、下列对红外传感器的描述错误的是（）。

A.红外辐射是-一种人眼不可见的光线

B.红外线的波长范围大致在0.761000um之间

C.红外线是电磁波的一种形式，但不具备反射、折射特性

D.红外传感器是利用红外辐射实现相关物理量测量的一种传感器。

8、微波传感器测量物体含水量主要利用下述微波的哪一个特点（）

A.微波波长很短，频率很高B.水对微波的反射作用很强

C.微波的传输特性很好D.水对微波的吸收作用很强

9、在理想介质中，超声波的衰减来自于超声波的（）。

A.扩散B.散射C.吸收D.投射

10、半导体气体传感器，是利用半导体气敏元件同气体接触，造成（）

发生变化，借此检测特定气体的成分及其浓度。

A.半导体电阻B.半导体上电流C.半导体上电压D.半导体性质

二、简答题（本大题共5小题，每小题6分，共30分）

1、解释什么是传感器？传感器的基本组成包括哪两大部分？这两大部分各

自起什么作用？

2、什么叫正压电效应和逆压电效应？什么叫纵向压电效应和横向压电效

应？

3、霍尔元件能够测量哪些物理参数？霍尔元件的不等位电势的概念是什

么？温度补偿的方法有哪几种？

4、试述热电偶与热电阻的基本测温原理。

5、简述什么是光电导效应？光生伏特效应？外光电效应？这些光电效应的

典型光电器件各自有哪些？

三、分析计算题（本大题共3小题，每小题10分，共30分）

注意：自动化、也先专业的学生第1小题必做，并从第2-4小

题中选做两个小题；测控专业的学生在4个小题中任选3个小题。

1、试求下列一组数据的各种线性度：

①端点线性度；

②最小二乘线性度。

X12345

y2.204.005.987.9010.10

2、如下图所示为一简单电感式传感器。尺寸已示于图中。磁路取为中心磁

路，不计漏磁，设铁心及衔铁的相对磁导率为104,空气的相对磁导率为1,

真空的磁导率为4”X107H・/,试计算气隙长度为零及为2mm时的电感

量。（图中所注尺寸单位均为mm）

3、一个用于位移测量的电容式传感器，两个极板是边长为5cm的正方形,

间距为1mm,气隙中恰好放置一个边长5cm、厚度1mm、相对介电常数为4

的正方形介质板，该介质板可在气隙中自由滑动。试计算当输入位移(即

介质板向某一方向移出极板相互覆盖部分的距离)分别为0.0cm、2.5cm、

5.0cm时，该传感器的输出电容值各为多少？

4、若某光栅的栅线密度为50线/mm,主光栅与指标光栅之间夹角

0=O.Olrad。求：

(1)求其形成的莫尔条纹间距3〃是多少？

(2)若采用四只光敏二极管接收莫尔条纹信号，并且光敏二极管响应时间为

10«s,问此时光栅允许最快的运动速度u是多少？

试卷二（开卷）

（考试时间30分钟，总分20分）

题号评卷人得分

综合设计分析题

综合设计分析题（本大题共20分）

二----------------->

二1

二

二—।RiR______（

二

--1R2,R4f

F

如上图所示为一悬臂梁式测力传感器结构示意图，在其中部的上、下两

面各贴两片电阻应变片。已知弹性元件各参数分别为：/=25cm；t=

x=-hW=6cmxE=7OxlO5Ptz：电阻应变片灵敏度系数K=2.1,

2

且初始电阻阻值（在外力F为。时）均为&=120。。

（1）设计适当的测量电路，画出相应电路图；

（2）分析说明该传感器测力的工作原理（配合所设计的测量电路）；

（3）当悬臂梁一端受一向下的外力产=O.5N作用时，试求此时四个应

变片的电阻值（提示：砥="二）的）；

WEt2

（4）若桥路供电电压为直流10v时，计算传感器的输出电压及其非线性

误差。

传感器与自动检测技术仿真试题三参考答案

试卷一

一、单项选择题（本大题共10小题，每小题2分，共20分）

在每小题列出的四个选项中只有一个选项是符合题目要求的,请将正

确选项前的字母填在题后的括号内。错选、多选和未选均不得分。

1、C2、D3、A4、C5、C

6、D7、C8、D9、A10、D

二、简答题（本大题共5小题，每小题6分，共30分）

1、解释引么是传感器？传感器的基本组成包括哪两大部分？这两大部分各自

起什么作用？

答：传感器是能感受被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装

置。

传感器的基本组成包括敏感元件和转换元件两部分。

敏感元件是传感器中能直接感受（或响应）被测信息（非电量）的元件,

起检测作用。

转换元件则是指传感器中能将敏感元件的感受（或响应）信息转换为电信号

的部分，起转换作用。

2、什么叫正压电效应和逆压电效应？什么叫纵向压电效应和横向压电效应？

答：正压电效益就是对某些电介质沿一定方向施以外力使其变形时，其内部

将产生极化现象而使其出现电荷集聚的现象。

当在片状压电材料的两个电极面上加上交流电压，那么压电片将产生机

械振动，即压电片在电极方向上产生伸缩变形，压电材料的这种现象称为电

致伸缩效应，也称为逆压电效应。

沿石英晶体的x轴（目轴）方向受力产生的压电效应称为“纵向压电效

应二

沿石英晶体的y轴（机械轴）方向受力产生的压电效应称为“横向压电

效应”。

3、霍尔元件能够测量哪些物理参数？霍尔元件的不等位电势的概念是什么？

温度补偿的方法有哪几种？

答：

a.霍尔元件可测量磁场、电流、位移、压力、振动、转速等。

b.霍尔组件的不等位电势是霍尔组件在额定控制电流作用下，在无外加磁场

时，两输出电极之间的空载电势，可用输出的电压表示。

c.温度补偿方法：分流电阻法：适用于恒流源供给控制电流的情况。电桥补

偿法。

4、试述热电偶与热电阻的基本测温原理。

答：热电偶测温基本原理：热电偶测温是基于热电效应的基本原理。根据热

电效应，任何两种不同的导体或半导体组成的闭合回路，如果将它们的两个

接点分别置于温度不同的热源中，则在该回路中会产生热电动势，在一定条

件下，产生的热电动势与被测温度成单值函数关系。因此，我们只需测得热

电动势值，就可间接获得被测温度。

热电阻测温基本原理：热电阻测温是基于热效应的基本原理。所谓热效

应，就是金属导体的阻值会随温度的升高而增加或减小的现象。因此，我们

只需测得金属导体电阻的变化就可间接获得被测温度。

5、简述什么是光电导效应？光生伏特效应？外光电效应？这些光电效应的典

型光电器件各自有哪些？

答：光电导效应是指在光线作用下，半导体材料吸收入射光子的能量，如果

入射光子的能量大于或等于半导体材料的禁带宽度，将激发出电子一空穴对,

使载流子浓度增加，导电性增加，阻值降低的现象，如光敏电阻。

光生伏特效应是指在光线作用下，能使物体产生一定方向的电动势的现

象，如光电池。

外光电效应是指在光线作用下，能使电子逸出物体表面的现象，如光电

管（光电二极管、光电晶体管）、倍增管。

三、分析计算题（本大题共3小题，每小题10分，共30分）

注意：自动化、电气专业的学生第1小题必做，并从第2-4小题

中选做两个小题；测控专业的学生在4个小题中任选3个小题。

1、试求下列一组数据的各种线性度：

③端点线性度；

④最小二乘线性度。

X12345

y2.204.005.987.9010.10

解：①端点线性度：

设拟合直线为：y=kx+h,

根据两个端点（1,2.20）和（5,10.10）,则拟合直线斜率

々—X15—1

・・・1.975x1+6=2.20

・・.Z?=0.225

・•・端点拟合直线为y=1.975x+0.225

X12345

y实际2.204.005.987.9010.10

y理论2.204.1756.158.12510.10

△=y实际・y理论0-0.175-0.17-0.2250

AL.nax=-0.225

=±义业x100%=土”x100%=±2.23%

加10.10

②最小二乘线性度：

设拟合直线方程为y=%+axx

由已知输入输出数据，根据最小二乘法，有:

旬

LX=

515

A2=

1555

515

=50工0・・・方程有解

1555

1.1-0.3

"-'=血［::I：」；：-0.30.1

2.20

14.00

1111130.18

A'L=5.98

12345110.24

」7.90

10.10

-0.330.180.126

・•.X=(AA)TAfL="

-0.3110.24~1.97

a0=0.126,a.=1.97

拟合直线为y=0.126+1.97x

输入工：12345

输出y:2.204.005.987.9010.10

理论值y:2.0964.0666.0368.0069.976

AL=|y-y|：0.1040.0660.0560.1060.124

・・・ALmax=0.124

・・・非线性误差为：

=±^_jnaLxl00%=±0^1xl00%=±123%

心YFS10.10

2、如下图所示为一简单电感式传感器。尺寸已示于图中。磁路取为中心磁路,

不计漏磁，设铁心及衔铁的相对磁导率为IO,,空气的相对磁导率为1,真

空的磁导率为4刀Xl()TH・m\试计算气隙长度为零及为2mm时的电感量。

(图中所注尺寸单位均为mm)

28卬2〃°S。

解：;心

40so

-7-33

又・・•W=200,//0=4^xl0,So=30X10X15X10-

当S=0时，L«oo

当6=2x10-时，

2002x4^-xIO-7x30x10~3x15x10~3

=0.005655⑻

2x2x10-3

3、一个用于位移测量的电容式传感器，两个极板是边长为5cm的正方形，间

距为1mm,气隙中恰好放置一个边长5cm、厚度1mm、相对介电常数为4的正

方形介质板，该介质板可在气隙中自由滑动。试计算当输入位移（即介质板

向某一方向移出极板相互覆盖部分的距离）分别为0.Ocm、2.5cm、5.0cm时,

该传感器的输出电容值各为多少？

解：⑴0.0cm时:

8.854X10-12X4X5X5X10-4

=8.854x10+

-IO-

(2)2.5cm时：

8.854xl012x4x5x2.5xlQ-4

=4.427xlOnF

G二lx1。-

8.854xlQ-12xlx5x2.5xlQ-4

=1.107xl0HF

-IO-

,,

C=C1+C2=5.534XWF

(3)5.Ocm时:

8.854x1072x5x5x1()7

=2.21xlOnF

dlxIO-3

4、若某光栅的栅线密度为50线/mm,主光栅与指标光栅之间夹角

0=O.O\rad0求：

（D求其形成的莫尔条纹间距B〃是多少?

（2）若采用四只光敏二极管接收莫尔条纹信号，并且光敏二极管响应时间为

10^5,问此时光栅允许最快的运动速度U是多少？

解：（1）由光栅密度50线/mm,可知其光栅栅距

W=—=0.02mm

50

W

根据公式可求莫尔条纹间距3〃=方，式中夕为主光栅与指标光栅夹角，得

W0.02

n=—=---=-2mm

Heo.oi

（2）光栅运动速度与光敏二极管响应时间成反比，即

一0.02

=20m/5

所以最大允许速度为20m/s。

试卷一

综合设计分析题（本大题共20分）。

一

二

二

二x

]R],R3t

一

二

R2R4

F

如上图所示为一悬臂梁式测力传感器结构示意图，在其中部的上、下两

面各贴两片电阻应变片。已知弹性元件各参数分别为：/=25cm；t=3mm；

x=-l；W=6cm；E=10xl05Pa；电阻应变片灵敏度系数K=2.1,

2

且初始电阻阻值（在外力尸为。时）均为&=120C。

（1）设计适当的测量电路，画出相应电路图；