《传感器与自动检测技术》试卷

《传感器与自动检测技术》试题纸（第1页共1页）**********学号：**********学号：姓名：****************系部：专业年级：*********************************************************课程名称传感器与自动检测技术考试方式考试类型考试所属系部印刷份数适用班级附答题纸2页名词解释（30分）(a)什么叫传感器？有哪几部分组成？其分类方法有哪两种？答：传感器的定义是：“能感受（或响应）规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置”。组成：敏感元器件、转换元器件、转换电路及辅助电源。分类：传感器常用的分类方法有两种，一种是按被测输入量来分，另一种是按传感器的工作原理来分。(b)热电偶传感器的工作原理什么？热电势有几部分组成？答：热电偶温度传感器的工作原理是热电效应。即两种不同材料的导体A和B组成一个闭和回路，若两接点的温度不同，则在该回路中将会产生电动势，两个接点的温差越大，所产生的电动势也越大。组成回路的导体材料不同，所产生的电动势也不一样，这种现象称为热电效应。热电势的组成：由两种导体的接触电势和单一导体的温差电势组成。(c)应变效应答：金属和半导体材料的电阻值随它承受的机械变形大小而发生变化的现象，称为应变效应”。(d)压电效应答：某些晶体受一定方向外力作用而发生机械变形时，相应地在一定的晶体表面产生符号相反的电荷，外力去掉后，电荷消失。力的方向改变时，电荷的符号也随之改变，这种现象称为压电效应。(e)什么叫光电效应？分几类？相应的光电器件有哪些？答：光照射在某一物体上，可以看作物体受到一连串能量为的光子所轰击，被照射物体的材料吸收了光子的能量而发生相应电效应的物理现象，称为光电效应。光电效应大致可以分为三类：外光电效应、内光电效应和光生伏特效应。对应的光电元件：用外光电效应制成的光电元件有光电管、光电倍增管、光电摄像管等；内光电效应制成的光电元器件有光敏电阻、光敏二极管、光敏晶体管和光敏晶闸管等；基于光生伏特效应的光电元器件是光电池。(f)试说明爱因斯坦光电效应方程的含义答：爱因斯坦光电方程:根据爱因斯坦的假设：一个光子的能量只能给一个电子，因此一个单个的光子把全部能量传给物体中的一个自由电子，使自由电子的能量增加为，这些能量一部分用于克服逸出功，另一部分作为电子逸出时的初动能。计算题（70分）（1）用阻值R=120Ω，灵敏系数K=2的金属电阻应变片与阻值R=120Ω的固定电阻组成电桥，供桥电压为10V。当应变片应变为1000με时，若要使输出电压大于10mV，则可采用何种接桥方式（设输出阻抗为无穷大）？图1-1直流应变电桥解答：如图1-1所示应变电桥，电桥的三种输出大小为：图1-1直流应变电桥单臂电桥：差动双臂电桥：差动全电桥：根据计算可知要使输出电压大于10mV，则可采用差动全桥方式连接。（2）有一个金属热电阻，分度号为Pt100，采用三线制电桥，R1=R2=R3=100Ω，供电电压为5V。试画出测试电路。2)该电阻是何种材料。0℃时的阻值4)–40℃及+40℃时的电阻值（查分度表）计算t=+40℃时电桥的开路输出电压UO（不考虑调零电位器和调满度电位器的影响）图2-1图2-1三线制电桥测量电路2)该电阻是铂金属材料。3）0℃时的阻值为100Ω。4)–40℃时的电阻值84.27Ω；+40℃时的电阻值115.54Ω5）t=+40℃时测量臂电阻的变化电桥的输出：（3）变间隙电容传感器的测量电路为运算放大器电路，如图3-1所示。传感器的起始电容量CX0=20pF，定动极板距离d0=1.5㎜，运算放大器为理想放大器，Rf极大，输入电压ui=5sinωt（V）。求当电容传感器动极板上输入一位移量△x=0.15㎜使d0减少时，电路输出电压uO为多少？解答：由运算放大器工作原理可得对于平板式电容器来说，,则则将代入上式计算得:（4）压电式单向脉动力传感器测一正弦变化的力，压电元件用两片压电陶瓷并联，压电常数为200x10-12C/N，电荷放大器反馈电容Cf=2000pF，测的输出电压uo=5sinωt（V）。求：1）该压电传感器产生的电荷Q为多少？2）此时作用在其上的正弦脉动力为多少？解答：根据题意压电元件是两片压电陶瓷并联，所以总电荷是单个压电元件电荷的两倍，即,根据电荷放大器的输出，得，,得压电传感器受到的作用力（5）如图5-1所示为镍铬—镍硅热电偶测温电路，A＇、B＇为补偿导线，Cu为铜导线，已知t1=40℃，t2=0℃，t3=40℃。1）当E3=39.314mV时计算被测点温度t；2）如果A＇、B＇换成铜导线，此时E2=37.702mV，再求被测点温度t。3）将热电偶直接插到熔融金属同一高度来测量此点的温度，是利用了热电偶的什么定律？如果被测液体不是金属，还能用此方法测量吗？为什么？答：1）当A′、B′为补偿导线，Cu为铜导线时。热电偶的冷端温度为t2=0.0℃，此时仪表的指示39.314mV即为热端温度t相对于0.0℃热电势，即,查分度表可得被测点温度t≈950℃。图5-1热电偶测量炼钢炉熔融金属某一点温度2）如果将A′、B′换成铜导线，此时热电偶的冷端温度即变为t1=40℃，此时仪表的指示为，根据中间温度定律即可求得测量端相对于0℃的热电势：图5-1热电偶测量炼钢炉熔融金属某一点温度测量端温度0C分度0测量端温度0C分度0C热电势mV3）将热电偶直接插到熔融金属同一高度来测量此点的温度，是利用了热电偶的中间导体定律，如果被测液体不是金属，就不能用此方法来测量？因为不满足热电偶的基本定律要求。附1:铂热电阻分度表分度号Pt100R（0℃）=100Ω温度(℃)电阻值(Ω)温度(℃)电阻值(Ω)温度(℃)电阻值(Ω)温度(℃)电阻值(Ω)－5080.31－1096.0930111.6770127.08－4084.270100.0040115.5480130.90－3088.2210103.9050119.4090134.71－2092.1620107.7960123.24100138.51附2:K型（镍铬—镍硅）热电偶分度表（参考端温度为0℃）0102030405060708090-0-0.000-0.392-0.777-1.156-1.527-1.889-2.243-2.586-2.920-3.242+00.0000.3970.7981.2031.6112.0222.4362.8503.2663.6811004.0954.5084.9195.3275.7336.1376.5396.9397.387.73780033.27733.68634.09534.50234.90935.31435.71836.12136.52436.92590037.32537.72438.12238.51938.81739.31039.70340.09640.48840.897

考试评分标准及答案课程名称传感器与自动检测技术（卷）考试方式考试类型所属系部命题教师开设学期适用班级填空（每空1分，共25分）1．传感器是一种将被测量转换成电量的装置。２.传感器的常用分类方法有按被测物理量、按传感器工作原理两种。３.两种不同材料的导体组成一个闭合回路，若两个接点的温度不同，则在该回路中会产生电动势，这种现象称为热电效应。组成回路的材料不同，所产生的电动势也不同；电动势由两种导体的接触电势和单一导体的温差电势组成。两种导体所组成的回路称为热电偶；组成该回路的导体称为热电极；4．湿度的表示方法有绝对湿度、相对湿度、和露点三种。5．电感传感器的基本原理是电磁感应。其分类有自感式和互感式。6．热电偶的冷端温度补偿方法常有：0℃恒温法、冷端恒温法、补偿导线法、电桥补偿法四种方法。7.压差式液位传感器是根据液面的高度与液压成比例的原理制成的。8．雷达测速的原理是多普勒效应。9.光在光纤中能远距离传播是利用了光的全反射原理。二．简答题（共35分）1．电阻应变片是根据什么基本原理来测量应力的？请画出具体测试原理框图（15分）电阻应变片式传感器是利用了金属和半导体材料的“应变效应”。金属和半导体材料的电阻值随它承受的机械变形大小而发生变化的现象就称为“应变效应”。………5分测试时，将应变片用粘接剂牢固的粘贴在被测试件的表面上，随着试件受力变形，应变片的敏感栅也获得同样的变形，从而使其电阻随之发生变化，而此电阻的变化是与试件应变成比例的，因此如果通过一定的测量线路将这种电阻的变化转换为电压或电流变化，然后再用显示记录仪表将其显示记录下来，就能知道被测试件应变量的大小。其原理图如图2-1所示。………5分图2-1电阻应变片测试与原理图图2-1电阻应变片测试与原理图………5分2.什么是压电效应？压电材料有哪几种类型？（10分）某些晶体受一定方向外力作用而发生机械变形时，相应地在一定的晶体表面产生符号相反的电荷，外力去掉后，电荷消失。力的方向改变时，电荷的符号也随之改变，这种现象称为压电效应.…5分用于传感器的压电材料或元件可分三类：一类是单晶压电晶体(如石英晶体)---天然存在；另一类是极化的多晶压电陶瓷，如钛酸钡、锆钛酸钡---人工制造。第三类是高分子压电材料---近年来发展的新型材料。…5分3.请写出爱因斯坦光电效应方程，并说明其含义（10分）爱因斯坦光电方程:…5分含义：一个光子的能量只能给一个电子，因此一个单个的光子把全部能量传给物体中的一个自由电子，使自由电子的能量增加为，这些能量一部分用于克服逸出功，另一部分作为电子逸出时的初动能。…5分三．分析与解答题（40分）1．试分析变间隙式差动电容式位移传感器是如何提高灵敏度的。（10分）如图3-1所示为变间隙式差动电容式位移传感器结构图。当中间极板不受外力作用时，由于，所以，。当中间电极向上移动x时，增加，减小，总电容的变化量为图3-1差动式电容器结构图3-1差动式电容器结构输出灵敏度提高了一倍。……10分2.试分析如图1所示霍尔转速表的工作原理？请写出计算转速的表达式(10分)磁力线磁力线SNn磁铁霍尔元件齿盘图1霍尔转速表图2图2在被测转速的转轴上安装一个齿盘，，将线性形霍尔器件及磁路系统靠近齿盘。齿盘的转动使磁路的磁阻随气隙的改变而周期性地变化，霍尔器件输出的微小脉冲信号经隔直、放大、整形后就可以确定被测物的转速。…5分转速计算公式为：…5分3.试分析如图2所示负温度系数热敏电阻是如何控制电冰箱温度的？(20分)当冰箱接通电源时，由R4和R5经分压后给A1的同相端提供一固定基准电压Ui1，由温度调节电路RP1输出一设定温度电压Ui3给A2的反相输入端，这样就由A1组成开机检测电路，由A2组成关机检测电路。当冰箱内的温度高于设定温度时，由于温度传感器（热敏电阻）和R3的分压Ui2＞Ui1、Ui2＞Ui3，所以A1输出低电平，而A2输出高电平。由IC2组成的RS触发器的输出端输出高电平，使VT导通，继电器工作，其常开触点闭合，接通压缩机电动机电路，压缩机开始制冷。当压缩机工作一定时间后，冰箱内温度下降，到达设定温度时，温度传感器阻值增大，使A1的反向输入端和A2的同相输入端电位Ui2下降，Ui2＜Ui1、Ui2＜Ui3，A1的输出端变为高电平，而A2的输出端变成低电平，RS触发器的工作状态发生变化，其输出为低电平，而使VT截止，继电器K停止工作，触点K-1被释放，压缩机停止运转。若电冰箱停止制冷一段时间后，冰箱内温度慢慢升高，此时开机检测电路A1、关机检测电路A2及RS触发器又翻转一次，使压缩机重新开始制冷。这样周而复始地工作，达到控制电冰箱内温度的目的。********************学号：姓名：****************************************系部：专业年级：*********************************************************考试评分标准及答案课程名称传感器与自动检测技术考试方式考试类型所属系部命题教师开设学期适用班级填空（每空1分，共30分）敏感元件、转换元件、转换电路、电源物体受热体积膨胀。液体膨胀式、固体膨胀式、气体膨胀式温度计。静力和动力效应。接触式和非接触式。位移的方向性、位移的放大作用。变极距式、变面积式、变介电常数式电磁感应全反射物体内的电子逸出物体表面向外发射___，外光电，_光电管__；物体的导电能力发生变化的_，内光电。光敏电阻、光敏二极管；物体产生一定方向电动势，_光生伏特__，_光电池__。电流和电压。解答题：（共40分）简述热电偶的工作原理，写出热电偶回路的热电势表达式。热电势有哪几部分的组成？（15分）答：热电偶温度传感器的工作原理——热电效应。即两种不同材料的导体A和B组成一个闭和回路，若两接点的温度不同，则在该回路中将会产生电动势，两个接点的温差越大，所产生的电动势也越大。组成回路的导体材料不同，所产生的电动势也不一样。这种现象称为热电效应。热电偶就是基于热电效应的原理来测量温度的。…………（5分）热电势表达式：…（5分）热电势的组成：两种导体的接触电势、单一导体的温差电势…（5分）2、什么是压电效应？压电材料有哪些？（10分）答：某些晶体受一定方向外力作用而发生机械变形时，相应地在一定的晶体表面产生符号相反的电荷，外力去掉后，电荷消失。力的方向改变时，电荷的符号也随之改变，这种现象称为压电效应。…（5分）压电材料：石英晶体、压电陶瓷、高分子压电材料。…（5分）3、简述多普勒效应的含义，多普勒效应主要应用有哪些（10分）答：普勒效应----由于波源和接收者之间存在着相互运动而造成接收者接收到的频率与波源发出的频率不同，这种现象称为多普勒效应。多普勒效应主要应用：车速、船速、卫星速度和流体的流速、天体相对地球的运动等。4、简述电阻应变片式传感器的工作原理（5分）答：电阻应变片式传感器的工作原理——应变效应。即金属和半导体材料的电阻值随它承受的机械变形大小而发生变化的现象就称为应变效应。…（5分）分析解答题（30分）1、试说明图1所示图形可以测量什么参数，其工作原理是什么？请写出测量结果表达式。(15分)图1答：图1所示可以测量转速。直射型光电转速计的工作原理。转轴上装有带孔的圆盘，圆盘的一边设置光源，另一边设置光电元器件。圆盘随轴转动，当光线通过小孔时，光电元器件产生一个电脉冲，转轴连续转动，光电元器件就输出一系列与转速及圆盘上孔数成正比的电脉冲数，在孔数一定时，脉冲数就和转速成正比。电脉冲输入测量电路后被放大和整形，再送入频率计显示，也可专门设计一个计数器进行计数和显示。测量结果表达式：式中