2013传感器原理与应用试题AB答案

《传感器原理与应用》试卷(AB)共4页第1页《传感器原理与应用》试卷(AB)共4页第2页学院：年级/班级：姓名：学号：装订线内不要答题安徽师范大学2012－2013学年第二学期2010级电子信息工程专业《传感器原理与应用》期中考试试卷(时间90分钟)一、简述题（每小题10分，共30分，学号为单数做1、3、5；学号为双数做2、4、6）1．简述高频反射式电涡流传感器测厚度的工作原理。答：（1）电涡流式传感器的工作原理是电涡流效应，即当一块金属导体放置在一变化的磁场中时，导体内就会产生感应电流，这种电流像水中漩涡那样在导体内旋转的现象。本传感器即在金属导体上产生的涡流，其渗透深度与传感器线圈的激磁电流的频率有关而设计的。（2）线圈和被测金属导体之间存在磁性联系，且在金属导体上产生的涡流，其渗透深度与传感器线圈的激磁电流的频率有关的特点，高频反射式是只利用一个通有正弦交变电流1I的线圈，由于电流的变化，在线圈周围产生一个正弦交变磁场1H。当被测导体置于该磁场内时，在被测导体内产生电涡流2I，电涡流也将产生交变磁场2H，该磁场的方向与1H的方向相反。由于磁场2H的反作用，抵消部分原磁场，从而导致线圈的电感量、阻抗和品质因数发生变化，以此获得线圈与导体之间的距离。本传感器先固定和基准面的距离x，再将被测物体放在基准面上以后，可测出传感器与被测物体之间的距离d，于是可求出被测物体的厚度h=x-d。2．简述低频透射式电涡流传感器测厚度的工作原理。答：（1）电涡流式传感器的工作原理是电涡流效应，即当一块金属导体放置在一变化的磁场中时，导体内就会产生感应电流，这种电流像水中漩涡那样在导体内旋转的现象。本传感器即在金属导体上产生的涡流，其渗透深度与传感器线圈的激磁电流的频率有关而设计的。（2）线圈和被测金属导体之间存在磁性联系，且在金属导体上产生的涡流，其渗透深度与传感器线圈的激磁电流的频率有关的特点，其测量厚度的原理不同：测厚度的低频透射式电涡流传感器如图所示由两个线圈组成，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。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。3．简述压电式传感器分别与电压放大器和电荷放大器相连时各自的特点。答：传感器与电压放大器连接的电路,其输出电压与压电元件的输出电压成正比,但容易受电缆电容的影响。传感器与电荷放大器连接的电路,其输出电压与压电元件的输出电荷成正比,电缆电容的影响小。4．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/wn1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。5．什么是压电效应？压电材料有哪些？答：某些电介质在沿一定的方向上受到外力的作用而变形时，内部会产生极化现象，同时在其表面上产生电荷，当外力去掉后，又重新回到不带电的状态，这种现象称为压电效应。这种机械能转化成电能的现象，称为正压电效应。反之，在电介质的极化方向上施加交变电场或电压，它会产生机械变形，当去掉外加电场时，电介质变形随之消失，这种现象称为逆压电效应。应用于压电式传感器中的压电材料通常有三类：一类是压电晶体，它是单晶体，如石英晶体、酒石酸钾钠等；另一类是经过极化处理的压电陶瓷，它是人工合成的多晶体，如钛酸钡等；第三类是有机压电材料，是新型的压电材料，如聚偏二氯乙烯等。6．为什么要对传感器进行标定和校准？举例说明传感器静态标定和动态标定的方法。答：静态标定主要用于检测、测试传感器（或传感器系统）的静态特性指标，如静态灵敏度、非线性、回差和重复性等。静态标定首先要建立标定系统。静态标定的关键在于被测非电量的标准发生器及标准测试系统。动态标定主要用于检测。测试传感器的动态特性，如动态灵敏度、频率响应、固有频率等。对传感器动态标定，需要对它输入一标准激励信号。方法是手动调整使振动台输出的被测参量保持恒定，然后画出频响曲线。二、计算题（每小题10分，共20分）1．已知某转速传感器输出电动势的频率f=72Hz，测量齿盘的齿数Z=36，求：（1）被测轴的转速是每分钟多少转？（2）在上述情况下，如果计数装置的读数误差为±1个数字，其最大转速误差是多少？解：（1）nfZ60607236120(/转分）题号一二三四五六七八总分得分《传感器原理与应用》试卷(A)共4页第3页《传感器原理与应用》试卷(A)共4页第4页装订线内不要答题（2）频率计的计数装置读数误差为±1个数字，对应的角位移为±1Z转=±136转故其最大转速误差为±136（转/分）2．一台用等截面梁作为弹性元件的电子秤，在梁的上、下面各两片相同的金属电阻应变片，其阻值均为100Ω，灵敏度系数K=2。若金属应变片受拉，则产生的应变为1000；若受压，则产生的应变为-1000。现要求四个桥臂都接应变片，组成直流全桥电路，电源电压U=10V。求：(1)画出直流全桥电路的工作原理图；(2)R和RR/；(3)电桥电路的输出电压U0。解：(1)直流电桥工作原理图如右图（4分）(2)002.01010002/6KRR（2分）)(20.0100002.0RKR（2分）(3)因为金属应变片组成全桥电桥，所以)(20)(020.00mVVRRUU（2分）三、设计题（每小题25分，共50分，学号为单数做1、3；学号为双数做2、4）1．利用高频反射式电涡流传感器检测金属板厚度的工作原理，指出用单个探头测量的缺陷原因，改为差动结构并叙述其测量原理。答：当金属板的厚度变化时，传感器与金属板间距离改变，从而引起输出电压的变化。由于在工作过程中金属板会上下波动，这将影响其测量精度，因此常用比较的测量方法测量，在板的上下各安装一个电涡流式传感器，如右图所示，其距离位D，而它们与板的上下表面分别相距为d1和d2，这样板厚h为h=D-（d1+d2），当两个传感器在工作时分别测得d1和d2，转换成电压值后送加法器，相加后的电压值再与两传感器间距离D相应的设定电压相减，则就得到与板厚度相对应的电压值。2．画出霍尔效应原理图并叙述霍尔电势的极性。为何霍尔元件设计选用半导体材料，而不是金属或绝缘材料？根据霍尔电势的表达式，来说明霍尔传感器可测量对象的哪些参数。答：当电流垂直于外磁场通过导体时，在导体的垂直于磁场和电流方向的两个端面之间会出现电势差，这一现象便是霍尔效应。这个电势差也被叫做霍尔电势差。霍尔器件工作产生的霍尔电势为IBKdIBRUHHH，由表达式可知，霍尔电势HU正比于激励电流I及磁感应强度B，其灵敏度HK与霍尔系数HR成正比，而与霍尔片厚度d成反比。利用霍尔效应可测量大电流、微气隙磁场、微位移、转速、加速度、振动、压力、流量和液位等；用以制成磁读头、磁罗盘、无刷电机、接近开关和计算元件等等。3．根据硅膜片上的应力分布，（1）在硅杯的(110)晶面电阻布局图上补画出四个扩散电阻的位置，同时画出测量电路；（2）简述扩散硅压阻式压力传感器的组成及工作原理；（3）在实验标定时，供压系统主要有哪些部分组成。（r0、h——膜片的工作面半径、厚度）解：1）在硅杯的晶面电阻布局图上补全四个扩散电阻（4分），并画出全桥电路。（4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。膜片的两边有两个压力腔，一个是和被测系统相连接的高压腔，另一个是低压腔，通常和大气相通，当膜片两边存在压力差时，膜片上各点存在应力。4个电阻在应力作用下阻值发生变化，电桥失去平衡，输出相应的电压，该电压和膜片两边的压力差成正比，这样测出不平衡电桥的输出电压就能求得膜片所受的压力差。（4分）3）扩散硅压阻式压力传感器在实验标定时构建的供压系统由标准压力表、手压皮囊、三通管及皮管组成。（2分）4．请设计一位移传感器，画出其结构示意图并说明其工作原理和工作过程。（传感器和方法不限）解：（1）主要由1为线圈（1个初级线圈和2个次级线圈）、2为衔铁和3为弹性元件组成。其工作原理：通过差动变压器式传感器与弹性元件相结合用来测量力。当力作用于传感器时，具有缸体状空心截面的弹性元件变形，衔铁相对线圈上下移动使互感变化，产生正比于力F的输出电压。这种传感器的优点是承受轴向力时，应力分布均匀；当长径比较小时，受横向偏心分力的影响也较小。（6分）（2）两个线圈在电桥电路中的接法如下图。（6分）在理想情况下的开路输出电压：MMEwLRMUwUS0212102)(2（2分）