08传感器B卷答案

12007—2008学年第4学期传感器原理课程期末考试试卷（B卷）答案及评分标准授课专业班级：得分：本试卷共六道大题，满分100分。一、填空题（本大题20分，每空1分）1、传感器静态特性的一个重要指标。传感器输出量增量Δy与引起输出量增量Δy的相应输入量增量Δx之比称为传感器的灵敏度，是传感器静态特性的一个重要指标。2、传感器动态特性可将传感器分为零阶系统、一阶系统、二阶系统。3、桥式应变测量电路，使用两个应变片（对臂）时，输出电压与应变之间关系xSKEU20。4、变面积型电容传感器分为_直线位移型、_扇型、柱面板型三种结构。5、电涡流传感器应用分为高频反射式和低频透射式两种形式。6、一个热电偶产生的热电势为0E，当打开其冷端串接与两热电极材料不同的第三根金属导体时，若保证已打开的冷端两点的温度与未打开时相同，则回路中热电势保持不变。7、利用热电偶测温时，只有保持冷端温度不变的条件下才能进行。8、压电效应分为内压电效应和外压电效应。9、内光电效应器件包括光电池、光敏电阻和光敏二极管、光敏三极管。10、射线与物质相互作用会产生光电效应和康普顿效应。11、大气窗口波段分别为2-2.6m、3-5m及8-14m。二、名词解释（本大题30分，每小题2分）（部分正确得1分，全部正确得2分）1、传感器：传感器是能感受规定的被测量并按照一定的规律将其转换成可用输出信号的器件或装置。2、压阻效应：沿半导体的某一轴向施加一定的载荷力，而产生形变，其电阻率就发生变化，这种现象称压阻效应3、希尔霍夫定律：一个物体向周围辐射能量的同时，也吸收周围物体的辐射能，物体辐射发射量和吸收率之比与物体的性质无关，总等以同一温度下绝对黑体的辐射能量。4、接触电势：两种导体在温度T中接触，在接触点产生的电动势称接触电势。5、横向压电效应：沿压电晶体机械轴方向施加力，使压电晶体产生电信号的压电效应称横向压电效应。6、内光电效应：当光照射在物体上，使物体的电阻率发生变化或产生光生电动势的效应称内光电效应7、光生伏特效应：在光线作用下能够使物体产生一定方向电动势的现象称光生伏特效应8、结光电效应：接触的半导体PN结中，当光线照射器接触区域时，便引起光电动势，这就是结光电效应。9、暗电流：光传感器接入电路后，即使没有光照射没有余热电子发射、场致发射和晶格振荡激发载流子，使电路有电流输出，此电流称为暗电流。10、传光型光纤传感器：光纤仅仅起传输光的作用，它在光线端面或中间加装其他敏感元件感受被测量的变化，这种光纤传感器称传光型光纤传感器11、大气窗口：在大气窗口之内，大气对红外光几乎不吸收，具有比较大的“透明度”，即这些波长的红外光能较好的穿透大气层，在大气窗口之外，大气对红外光几乎不透明，大气窗口波段为2-2.6m、3-5m及8-14m。212、超声波的衰减：超声波在介质中传播时，随着传播距离的增加，能量逐渐衰减，其衰减程度与声波的扩散、散射、吸收等因素有关。13、普朗克定律：黑体的辐射发射量的光谱特征以严格的数学关系给出：12511TCEXPCE14、衰变：某种物质在没有任何外界作用时，原子核向外辐射出某种射线而变成另外一种元素的现象。15、射线：是一种粒子流，质量为0.00059u，能量为100KeV-几兆KeV，在气体中射程达2m。三、简答题（本大题24分，每小题4分）1、分析串联平面板变介质型电容传感器电容量C与初始电容0C及L、1、2、x间关系式。解：xscxsc2211,，20CC（1分）LxCLxLsccccC1120112221211111（3分）2、分析变面积型自感传感器电感值与x、初始电感0L间关系。解：铁心与衔铁间气隙厚度忽略)(xabLxALRm，LbaL0（1分）axLLxabNRNxLm1)(022（3分）3、通过回路分析推导热电偶工作基本定律中的中间导体定律。解：列回路热电势方程：（根据分析过程给分）000000,)()(lnln)(lnlnln,0000000000000TTEdtTETEdtnnnneKTnneKTdtnneKTnneKTnneKTdtdtTETETETTEABTTABBAABTTABATCTCTBTBTATTTABATCTCTBTBTATTTBTTACABCABABC4、说明光电管工作原理。答：阴极撞在玻璃管内壁上，其上涂有光电发射材料，阳极通常用金属丝变成矩形或圆形，置于玻璃管的中央。当光照射在阴极上时，中央阳极可以收集从阴极上逸出的电子，在外电场作用下形成电流。32007—2008学年第4学期传感器原理课程期末考试试卷（B卷）答案及评分标准授课专业班级：得分：5、分析电离室工作原理答：在电离室两侧放置相互绝缘的板电极，电极间加适当电压，放射线进入电极间的气体中，在核辐射大作用下，电离室中的气体介质即被电离。离子沿着电场的作用线移动，这时在电离室的电路中产生电离电流，核辐射强度越大，在电离室产生的离子对越多，产生的电流越大。6、分析光电耦合器的工作原理答：光电耦合器的发光元件和接收元件都封装在一个外壳内。发光器件通常采用砷化镓发光二极管，其管芯内有一个PN结组成，随着正向电压的增大，正向电流增加，发光二极管产生的光通量也增加。四、（本大题10分）推导金属丝电阻应变传感器电阻变化量与应变间关系。解：一根金属电阻丝，在其未受力时，原始电阻值为：AlR（2分）当电阻丝受到拉力F作用时，将伸长Δl，横截面积相应减小ΔA，电阻率因材料晶格发生变形等因素影响而改变了dρ，从而引起电阻值相对变化量为：dAdAldlRdR（2分）因为ldl，dA/A为圆形电阻丝的截面积相对变化量，设r为电阻丝的半径，微分后可得dA=2πrdr，则rdrAdA2（2分）由材料力学可知，在弹性范围内，金属丝受拉力时，沿轴向伸长，沿径向缩短，令dl/l=ε为金属电阻丝的轴向应变，那么轴向应变和径向应变的关系可表示为ldlrdr（2分）整理得：dRdR)21(（2分）五、分析题（本大题8分）分析相敏检波电路工作原理，并画才出必要的波形图。(分析过程6分，图形2分)解：图中VD1、VD2、VD3、VD4为四个性能相同的二极管，以同一方向串联接成一个闭合回路，形成环形电桥。输入信号u2(差动变压器式传感器输出的调幅波电压)通过变压器T1加到环形电桥的一个对角线上。参考信号us通过变压器T2加到环形电桥的另一个对角线上。输出信号uo从变压器T1与T2的中心抽头引出。图中平衡电阻R起限流作用，以避免二极管导通时变压器T2的次级电流过大。RL为负载电阻。us的幅值要远大于输入信号u2的幅值，以便有效控制四个二极管的导通状态，且us和差动变压器式传感器激磁电压u1由同一振荡器供电，保证二者同频同相（或反相）。R(a)VD1RVD4RRVD2VD32uBAT2suus1us2u21u22CDORLMuoT1－＋us1CR＋－us2RLM＋－u22Ruo(b)－＋us1C＋－us2RLM(c)DRRD＋－u21OOuoA4根据变压器的工作原理，考虑到O、M分别为变压器T1、T2的中心抽头，则11222122122nuuunuuusss采用电路分析的基本方法，可求得输出电压uo的表达式)2(21122LLLLoRRnuRRRuRu同理当u2与us均为负半周时，二极管VD2、VD3截止，VD1、VD4导通。只要位移Δx0，不论u2与us是正半周还是负半周，负载电阻RL两端得到的电压uo始终为正。当Δx0时，u2与us为同频反相。采用上述相同的分析方法不难得到当Δx0时，不论u2与us是正半周还是负半周，负载电阻RL两端得到的输出电压uo表达式总是为)2(12LLoRRnuRu六、分析题（本大题8分）低频透射式涡流厚度传感器原理。（根据分析过程给分）解：在被测金属板的上方设有发射传感器线圈L1，在被测金属板下方设有接收传感器线圈L2。当在L1上加低频电压U1时，L1上产生交变磁通φ1，若两线圈间无金属板，则交变磁通直接耦合至L2中，L2产生感应电压U2。如果将被测金属板放入两线圈之间，则L1线圈产生的磁场将导致在金属板中产生电涡流,并将贯穿金属板，此时磁场能量受到损耗，使到达L2的磁通将减弱为φ1′，从而使L2产生的感应电压U2下降。金属板越厚，涡流损失就越大，电压U2就越小。因此，可根据U2电压的大小得知被测金属板的厚度。xoou1ttu2oK1u1xusouoottt(a)(b)(c)(d)(e)被测金属板L1L2111U2U5