哈爾濱工業(yè)大學(xué)2007年秋季傳感技術(shù)及應(yīng)用考試試題.doc

哈爾濱工業(yè)大學(xué)2007年秋季傳感技術(shù)及應(yīng)用考試試題課程綜合考試，合計(jì)分?jǐn)?shù)70分一、判斷題（正確打標(biāo)記，錯(cuò)誤打標(biāo)記，每題1分，共5分）1（）傳感器是一種測量器件或裝置，它將被測量按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出，一般系統(tǒng)有輸入和輸出，所以均可看作傳感器。2（）對(duì)變間隙的電容式傳感器而言，即使采用差動(dòng)結(jié)構(gòu)也不能完全消除非線性誤差。3（）壓電晶體有三個(gè)互相垂直的軸，分別為X軸（電軸）、Y軸（力軸）、Z軸（光軸），當(dāng)沿某一軸的方向施加外作用力時(shí)，會(huì)在另外兩個(gè)軸的表面出現(xiàn)電荷。4（）光電池和光敏二極管都是建立在內(nèi)光電效應(yīng)基礎(chǔ)上，工作電路也一樣。5（）自感式電感傳感器改變空氣隙等效截面積類型變換器轉(zhuǎn)換關(guān)系為非線形的，改變空氣隙長度類型的為線形的。二、簡答題（每題5分共20分）1什么是傳感器？傳感器由哪三個(gè)部分組成？2簡述熱電偶熱電勢產(chǎn)生的原因。3簡要說明金屬應(yīng)變片與半導(dǎo)體應(yīng)變片在工作原理上的區(qū)別?4什么是電容傳感器的“驅(qū)動(dòng)電纜技術(shù)”，采用它的目的是什么？ 三、（8分）影響電容傳感器精度的主要因素是邊緣效應(yīng)和寄生電容，試分別詳細(xì)說明減少這兩種影響的措施（建議以圖示進(jìn)行輔助說明）。 四、（12分）什么是電感傳感器的零點(diǎn)殘余電壓？殘余電壓過大帶來哪些影響？減小零點(diǎn)殘余電壓的措施有哪些？ 五、（10分）霍爾片采用恒流源供電，為補(bǔ)償溫度誤差，采用在輸入回路并聯(lián)電阻，如下圖示，若已知霍爾元件靈敏度溫度系數(shù)為，霍爾元件輸入電阻溫度系數(shù)為，溫度t0時(shí)的輸入電阻為Ri0，霍爾元件靈敏度系數(shù)為KH0；溫度t1時(shí)的輸入電阻為，霍爾元件靈敏度系數(shù)為,請(qǐng)推導(dǎo)并聯(lián)的電阻RP的大小。六、（15分）（1）說明光纖的結(jié)構(gòu)和傳輸光的原理。（2）光纖傳感器的數(shù)值孔徑如何定義的？它有何物理意義？（3）圖示為光纖傳光示意圖，若空氣的光折射率為n0，要使光纖的入射光在光纖纖芯內(nèi)全反射，則q0至多為多少？寫出推導(dǎo)過程。哈爾濱工業(yè)大學(xué)2007年秋季傳感技術(shù)及應(yīng)用考試試題答案課程綜合考試，合計(jì)分?jǐn)?shù)70分一、判斷題（正確打標(biāo)記，錯(cuò)誤打標(biāo)記，每題1分，共5分）1（）傳感器是一種測量器件或裝置，它將被測量按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出，一般系統(tǒng)有輸入和輸出，所以均可看作傳感器。2（）對(duì)變間隙的電容式傳感器而言，即使采用差動(dòng)結(jié)構(gòu)也不能完全消除非線性誤差。3（）壓電晶體有三個(gè)互相垂直的軸，分別為X軸（電軸）、Y軸（力軸）、Z軸（光軸），當(dāng)沿某一軸的方向施加外作用力時(shí)，會(huì)在另外兩個(gè)軸的表面出現(xiàn)電荷。4（）光電池和光敏二極管都是建立在內(nèi)光電效應(yīng)基礎(chǔ)上，工作電路也一樣。5（）自感式電感傳感器改變空氣隙等效截面積類型變換器轉(zhuǎn)換關(guān)系為非線形的，改變空氣隙長度類型的為線形的。二、簡答題（每題5分共20分）1什么是傳感器？傳感器由哪三個(gè)部分組成？答：傳感器：能感受規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置。（3分）傳感器由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件和基本轉(zhuǎn)換電路三部分組成。（2分）2簡述熱電偶熱電勢產(chǎn)生的原因。答：熱電動(dòng)勢是由兩種導(dǎo)體的接觸電勢和單一導(dǎo)體的溫差電勢所組成。表示為其中：為接觸電勢； 為溫差電勢。式中：K波爾茲曼常數(shù)K1.3810-23J/Ke電子電荷量e= 1.610-19CNA(NB)為A(B)材料的自由電子密度；dA(dB)A(B)材料的湯姆遜系數(shù)；EAB(T,T0)表示A、B兩種材料組合，兩個(gè)結(jié)分別處在T(T0)溫度下產(chǎn)生的熱電勢。3簡要說明金屬應(yīng)變片與半導(dǎo)體應(yīng)變片在工作原理上的區(qū)別?答：金屬應(yīng)變片發(fā)生應(yīng)變以后，使導(dǎo)體的幾何尺寸發(fā)生改變，因而阻值發(fā)生變化；對(duì)半導(dǎo)體來說，它的電阻取決于有限數(shù)目的載流子空穴和電子的遷移。加在一定晶向上的外界應(yīng)力，引起半導(dǎo)體能帶的變化，使載流子的遷移率產(chǎn)生較大的變化，因而使半導(dǎo)體電阻率產(chǎn)生相應(yīng)的變化。應(yīng)變片相對(duì)靈敏度系數(shù)代入得到泊松比；壓阻系數(shù)；E彈性模量。對(duì)于金屬絲構(gòu)成的應(yīng)變片，一般可改為（幾何變形），k值約為2左右，半導(dǎo)體材料值很大，約為60170，因此對(duì)半導(dǎo)體材料而言，一般認(rèn)為。4什么是電容傳感器的“驅(qū)動(dòng)電纜技術(shù)”，采用它的目的是什么？答：一般電容傳感器電容值很小，如果激勵(lì)頻率較低，則電容傳感器的容抗很大，因此對(duì)傳感器絕緣電阻要求很高；另一方面，變換器電容極板并聯(lián)的寄生電容也會(huì)帶來很大的影響，為克服其影響采用驅(qū)動(dòng)電纜法。驅(qū)動(dòng)電纜法示意圖在電容傳感器與測量線路前置極間采用雙層屏蔽電纜。這種接法使傳輸電纜的芯線與內(nèi)層屏蔽等電位，消除了芯線對(duì)內(nèi)層屏蔽的容性漏電，從而消除了寄生電容的影響。同時(shí)放大器的高輸入阻抗又起到阻抗匹配的作用。三、（8分）影響電容傳感器精度的主要因素是邊緣效應(yīng)和寄生電容，試分別詳細(xì)說明減少這兩種影響的措施（建議以圖示進(jìn)行輔助說明）。答：理想條件下，平行板電容器的電場均勻分布于兩相極所圍成的空間，這僅是簡化電容量計(jì)算的一種假定。當(dāng)考慮電場的邊緣效應(yīng)時(shí)，情況要復(fù)雜的多，邊緣效應(yīng)的影響相當(dāng)于傳感器并聯(lián)一個(gè)附加電容，引起了傳感器靈敏度下降和非線性增加。（1）為克服邊緣效應(yīng)，首先應(yīng)增大初始電容量C0，即增大極板面積，減小極板間距。（結(jié)構(gòu)上）（2）在結(jié)構(gòu)上增設(shè)等位環(huán)來消除邊緣效應(yīng)。消除邊緣效應(yīng)的示意圖等位環(huán)安放在上面電極外，且與上電極絕緣組等電位，這樣就能使上電極的邊緣電力線平直，兩極間電場基本均勻。而發(fā)散的邊緣電場發(fā)生在等位環(huán)的外固不影響工作。為減小和消除寄生電容的影響的措施有：（1）增加傳感器原始電容值；（2）注意傳感器的接地和屏蔽；圖中為采用接地屏蔽的圓筒形電容式傳感器。圖中可動(dòng)極筒與連桿固定在一起隨被測量移動(dòng)，并與傳感器的屏蔽殼（良導(dǎo)體）同為地。因此當(dāng)可動(dòng)極筒移動(dòng)時(shí)，它與屏蔽殼之間的電容值將保持不變，從而消除了由此產(chǎn)生的虛假信號(hào)。引線電纜也必須屏蔽在傳感器屏蔽殼內(nèi)。為減小電纜電容的影響，應(yīng)盡可能使用短的電纜線，縮短傳感器至后續(xù)電路前置級(jí)的距離。（3）集成化；集成化將傳感器與測量電路本身或其前置級(jí)裝在一個(gè)殼體內(nèi)，這樣寄生電容大為減小、變化也小，使傳感器工作穩(wěn)定。但因電子元器件的特點(diǎn)而不能在高、低溫或環(huán)境差的場合工作。（4）采用驅(qū)動(dòng)電纜技術(shù)；傳感器與測量電路前置級(jí)間的引線為雙屏蔽層電纜，其內(nèi)屏蔽層與信號(hào)傳輸線（即電纜芯線）通過1:1放大器而為等電位，從而消除了芯線與內(nèi)屏蔽層之間的電容。由于屏蔽線上有隨傳感器輸出信號(hào)變化而變化的電壓，因此稱為“驅(qū)動(dòng)電纜”。采用這種技術(shù)可使電纜線長達(dá)l0m之遠(yuǎn)也不影響傳感器的性能。外屏蔽層接大地（或接傳感器地）用來防止外界電場的干擾。內(nèi)外屏蔽層之間的電容是1:1放大器的負(fù)載。1:1放大器是一個(gè)輸入阻抗要求很高、具有容性負(fù)載、放大倍數(shù)為1（準(zhǔn)確度要求達(dá)1/1000）的同相（要求相移為零）放大器。因此“驅(qū)動(dòng)電纜”技術(shù)對(duì)1:1放大器要求很高，電路復(fù)雜，但能保證電容式傳感器的電容值小于1pF時(shí)，也能正常工作。（5）采用運(yùn)算放大器法；采用運(yùn)算放大器法它是利用運(yùn)算放大器的虛地來減小引線電纜寄生電容Cp的影響，其原理如圖所示。電容式傳感器的一個(gè)電極經(jīng)引線電纜芯線接運(yùn)算放大器的虛地點(diǎn)，電纜的屏蔽層接傳感器地，這時(shí)與傳感器電容相并聯(lián)的為等效電容Cp/(1+A)，因而大大地減小了電纜電容的影響。外界干擾因屏蔽層接傳感器地而對(duì)芯線不起作用。傳感器的另一電極經(jīng)傳感器外殼（最外面的屏蔽層）接大地，以防止外電場的干擾。若采用雙屏蔽層電纜，其外屏蔽層接大地，則干擾影響更小。選擇A足夠大時(shí)，可得到所需的測量精度。（6）整體屏蔽。整體屏蔽將電容式傳感器和所采用的轉(zhuǎn)換電路、傳輸電纜等用同一個(gè)屏蔽殼屏蔽起來，正確選取接地點(diǎn)可減小寄生電容的影響和防止外界的干擾。圖示是差動(dòng)電容式傳感器交流電橋所采用的整體屏蔽系統(tǒng)，屏蔽層接地點(diǎn)選擇在兩固定輔助阻抗臂Z3和Z4中間，使電纜芯線與其屏蔽層之間的寄生電容Cp1和Cp2分別與Z3和Z4相并聯(lián)。如果Z3和Z4比Cp1和Cp2的容抗小得多，則寄生電容Cp1和Cp2對(duì)電橋的平衡狀態(tài)的影響就很小。四、（12分）什么是電感傳感器的零點(diǎn)殘余電壓？殘余電壓過大帶來哪些影響？減小零點(diǎn)殘余電壓的措施有哪些？答：在調(diào)幅式電路中，當(dāng)u0=0時(shí)，應(yīng)有Z1=Z2=Z，而Z包含兩部分R和L，只有兩部分分別相等時(shí)（即R1=R2，L1=L2），才能保證u0=0。但在實(shí)際中很難達(dá)到，實(shí)際的u0x曲線如圖，Dx=0時(shí)，u0=e0，稱為零點(diǎn)殘余電壓。零點(diǎn)殘余電壓過大帶來的影響：靈敏度下降、非線性誤差增大測量有用的信號(hào)被淹沒，不再反映被測量變化造成放大電路后級(jí)飽和，儀器不能正常工作。產(chǎn)生的原因：兩電感線圈的等效參數(shù)不對(duì)稱。減小零點(diǎn)殘余電壓的措施：（1）設(shè)計(jì)上，使上、下磁路對(duì)稱，盡量減小銅損電阻Rc，增大鐵心的渦流損Re及磁滯損Rh以提高線圈的品質(zhì)因數(shù)；（2）制造上，使上、下磁性材料一致。零部件配套挑選，線圈排列均勻、一致；（3）調(diào)整方法上，串（并）接電阻、并聯(lián)電容方法；（4）電路上，利用相敏檢波可以減小零點(diǎn)殘余電壓。五、（10分）霍爾片采用恒流源供電，為補(bǔ)償溫度誤差，采用在輸入回路并聯(lián)電阻，如下圖示，若已知霍爾元件靈敏度溫度系數(shù)為，霍爾元件輸入電阻溫度系數(shù)為，溫度t0時(shí)的輸入電阻為Ri0，霍爾元件靈敏度系數(shù)為KH0；溫度t1時(shí)的輸入電阻為，霍爾元件靈敏度系數(shù)為,請(qǐng)推導(dǎo)并聯(lián)的電阻RP的大小。答：在溫度t0時(shí)，KH0為霍爾元件靈敏度系數(shù)；Ri0為霍爾元件輸入電阻。在溫度t時(shí)，其中：霍爾元件靈敏度溫度系數(shù)霍爾元件的電阻溫度系數(shù)由圖可知IPRPIHRi，IIPIH 在t0時(shí) 在t時(shí) 為保證在溫度變化時(shí)，即t0和t時(shí)，霍爾電勢相等，則KH0IH0BKH tIH tB 展開后 霍爾片的Ri0、和值均能在產(chǎn)品說明書中查到，通常，所以可根據(jù)這一公式選擇輸入回路并聯(lián)電阻RP，可使溫度誤差的影響減到極小。六、（15分）（1）說明光纖的結(jié)構(gòu)和傳輸光的原理。（2）光纖傳感器的數(shù)值孔徑如何定義的？它有何物理意義？（3）圖示為光纖傳光示意圖，若空氣的光折射率為n0，要使光纖的入射光在光纖纖芯內(nèi)全反射，則q0至多為多少？寫出推導(dǎo)過程。答：1、光纖是一種傳輸光的細(xì)絲，它能夠?qū)⑦M(jìn)入光纖一端的光線傳到光線的另一端。通常光纖有兩層光學(xué)性質(zhì)不同的材料組成。光纖的結(jié)構(gòu)如圖所示。光纖的中間部分是導(dǎo)光的纖芯，纖芯的周圍是包層。包層的折射率略小于纖芯的折射率。通常在包層外面還有一層起支撐保護(hù)作用的套層。光纖傳光的基礎(chǔ)是光的全反射。傳輸光的原理是斯乃爾折射定律。3、當(dāng)光線以入射角進(jìn)入光纖的端面時(shí)，在端面處發(fā)生折射，設(shè)折射