2014年浙江省中国计量大学传感器技术考研真题.doc-资料库

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2014 年浙江省中国计量大学传感器技术考研真题 30=30 分）传感器技术 1 一、填空（每空 1 分，共 1 1、根据传感器的能量转换情况，可以分为有源型和无源型，请写出两种有源型传感器：________________，________________，请写出两种无源型传感器： ________________，________________。 2、一阶传感器的动态特性主要与参数________________有关，二阶传感器的动态特性主要与参数________________和________________有关。 3、应变片测量时由于环境温度变化会引起测量误差，补偿温度误差可采用的方法有________________和________________。 4、电感式传感器是利用线圈的________________或________________的变化实现测量的一种装置。感应同步器也是电感式传感器的一种，其信号处理方式可分为________________ 和________________两种。 5、为消除和减小电容式传感器的边缘效应，可采用方法有________________和 ________________。 6、磁电感应式传感器两个基本元件是________________和________________；当用变磁通式传感器测轴转速时，若轴上齿轮齿数为 z，输出信号变化频率为 f（单位：Hz），则轴的转速为________________（单位：r/min）。 7、光电器件按探测原理可分为热探测器和光子探测器两种。热探测器常用的有测辐射热电偶，________________和________________。 8、原始的压电陶瓷材料没有压电性，陶瓷烧结后有自发的电偶极矩，称为________________，经极化处理后才具有压电效应，极化处理方法是________________。 9、当光栅常数和栅线夹角不同时，可以得到不同的莫尔条纹图案，长光栅中应用较多的莫尔条纹是________________和________________两种。 10、光纤的结构通常是三层：________________、________________和________________ 套层。光纤的传光基础是________________。 11、磁敏电阻是基于________________进行测量的，其原理是指________________，磁敏电阻形状通常是________________。二、选择题（每题 2 分，共 2 1、压电传感器电荷放大器可以通过________________扩展低频测量下限。 A．增加连接电缆电容 B．减小连接电缆电容 C．增加反馈电容 D．减小反馈电容 2、超声波测量金属零件厚度常用脉冲回波法，即把厚度变化转化为________________变化进行测量。 A．时间间隔 B.超声波频率 C.超声波强度 D.声速 3、半导体气敏电阻的导电机理可用吸附效应来解释，对于 N 型半导体，当形成负离子吸附时，________________。 A．材料电阻率增大 B．材料电阻率减小 C．材料载流子增加 D．气体向材料释放电子 4、传感器输入逐渐增加与逐渐减小到同一输入值，传感器输出不一致，这是传感器的 ________________特性。 A．线性度 B．灵敏度 C．重复性 D．迟滞 5、________________传感器可以用于大位移测量。 10=20 分）

A．电涡流 B．变极距型电容 C．霍尔式 D．感应同步器 6、容栅式传感器是在________________电容传感器基础上发展起来的一种新型传感器。 A．变极距型 B．变面积型 C．变介电常数型 D．圆柱型 7、电感式传感器的转换电路中采用相敏检波电路主要是为了________________。 A．提高灵敏度 B．补偿温度误差 C．判断位移方向和整流 D．降低非线性 8、为扩展动圈式磁电式振动速度传感器的低频响应范围，一般通过________________来实现。 A．提高磁感应强度 B．增加磁铁的质量 C．增大固有频率 D．减小弹簧的刚度 9、光电效应中，入射光的波长________________临界波长时，才可能产生光电子。 A．大于等于 B．小于等于 C．大于 D．任何情况 10、电涡流传感器的激励频率高，则________________。 A．产生的涡流贯穿深度厚 B．产生的涡流贯穿深度小 C．常用于透射式涡流传感器 D．测量的厚度范围更大三、简答题（每题 6 分，共 6 1、简述电阻应变片的零漂和蠕变。 2、简述热电偶的接触电动势和温差电动势，并说明其大小分别与哪些因素相关。 3、说明电荷耦合器件（CCD）的 MOS 光敏单元结构及感光原理。 4、电阻型气敏器件按其结构可分为哪些类型，加热器在测量时起何作用。 5、简述电感式传感器的零点残余电压，并说明产生原因及对测量的影响。四、综合题（共计 70 分） 1、（10 分）已知某一阶传感器的频率特性 H(jω)=1/(1+jω)，求输入信号 x(t)=sin3t 时，输出信号 y(t)的表达式。 2、（10 分）分别推导单一和差动变极距型电容传感器的灵敏度，并说明采用差动式结构的优势。 3、（10 分）为补偿霍尔元件的温度误差，采用如图所示恒流源供电的电路。设霍尔元件电阻室温时为 RH0，电阻温度系数为β，霍尔元件灵敏度为 kH，灵敏度温度系数为α，请计算输入回路并联电阻 R 的值，使输出霍尔电动势 UH 不随温度变化。 5=30 分） 4、（15 分）有一压电传感器，由两片石英晶片并联而成，其面积 S=3cm2，厚度 t=0.3mm，石英晶体压电系数 d11=2.31×10-12C/N，真空介电常数ε0=8.85×10-12F/m，石英晶体相对介电常数εr =4.5，受到沿电轴方向压力 p=10 MPa 作用。（1）求产生的电荷 Q 及输出电压 U0。（2）画出压电元件的等效电路图。（3）拟采用何种前置放大器，简要说明理由。 5、（15 分）采用四片相同的金属丝应变片，电阻为 120Ω，灵敏系数 k=2，将其贴在实心圆

柱形测力弹性元件上，横截面积 S=3cm2，材料弹性模量 E=2×107N/cm2，泊松比μ=0.3。设受到如图所示力的作用，F=100kN。（1）正确标出 4 片应变片在圆柱形弹性元件上的粘贴位置，并接入直流电桥，组成四臂差动电桥，请画出电路图。（2）求各应变片的应变ε和电阻变化量ΔR。（3）若电桥电源电压 U=6V，求电桥输出电压 U0＝？（4）此种测量方式能否补偿环境温度对测量的影响？说明原因。 10=30 分） 6、（10 分）试设计一个装在车上的测量车辆行驶速度的传感器，说明传感器安装位置，测量原理及速度计算表达式，简要分析误差来源。传感器技术 2 一、物理概念或名词解释（每题 3 分，共 3 1.光纤的数值孔径 2.霍尔效应 3.传感器的频率特性 4.电容式传感器的寄生电容 5.分辨力 6.零点残余电压 7.热电效应 8.压磁效应 9.光生伏特效应 10.压电晶体的居里点二、填空题（每空 0.5 分，共 0.5 1.传感器一般由________________、________________、________________三部分组成，按能量转换方式，可分为型和型两大类。 2.电感式传感器按构成原理可分为、________________和________________。其转换电路有 ________________、________________、________________。在自感式传感器的转换电路中，用的较多。 3.莫尔条纹有________________、________________、________________三个重要特性，长光栅有________________和________________两种莫尔条纹。光栅传感器一般由 ________________、________________、________________和________________组成。 4.磁电式传感器按工作原理可以分为________________式和________________式两类，它们只适用用于测量，直接测量的量是物体的________________或________________。若要测量位移或加速度，则要在测量电路中接入或。 5.晶体的物理特性与方向有关。石英晶体有三条晶轴，分别是________________、 ________________和________________，在其中一个方向是没有压电效应的。压电传感器的压电元件可以等效为一个________________或________________。前置放大器的作用是 40=20 分）

________________和________________。 6．电容式传感器可分为________________、________________和________________三种形式，其中，和的静态灵敏度为常数。三、选择题（每题 2 分，共 2 1.光电倍增管的工作原理是（）。 A.热电效应 B.外光电效应 C.内光电效应 D．趋肤效应 2.直流电桥的平衡条件可以概括为（）。 A．对臂阻抗之积相等 B．对臂阻抗之比相等 C．相邻臂阻抗之积相等 D．相邻臂阻抗之和相等 3.裂相光栅四个部分的透射光的相位依次相差（）。 10=20 分） 4.下列传感器中不属于按传感器的工作原理进行分类的传感器是（）。 A．应变式传感器 B．化学型传感器 C．压电式传感器 D．热电式传感器 5.锆钛酸铅系压电陶瓷的代号为（）。 A.PSD B.CCD C.PZT D.PMT 6.为了提高磁电式加速度传感器的频响范围，一般通过（）来实现。 A．减小弹簧片的刚度 B.减小磁铁的质量 C.减小系统的阻尼力 D.提高磁感应强度 7.差动电容传感器采用脉冲调宽电路作测量电路时，其输出电压正比于（）。 A．C1-C2B.(C1-C2)/(C1+C2) C.(C1+C2)/(C1-C2)D.ΔC1/C1+ΔC2/C2 8.挑担剪切式压电加速度传感器能有效地减少（）的影响。 A.热电效应 B.逆压电效应 C.霍尔效应 D.热释电效应 9.热电阻传感器的测量引线采用 3 线制是为了（）。 A．消除引线电阻的影响 B．消除接触电动势的影响 C．减少绝缘电阻的影响 D．减少寄生电动势的影响 11.在运算放大器放大倍数很大时，压电传感器输入电路中的电荷放大器的输出电压与（）成正比。 A．放大倍数 B．反馈电容 C．电缆电容 D．输入电荷四、（10 分）将一灵敏度为 0.08mV/℃的热电偶与电压表相连接，电压表接线端是 50℃，若电位计上读数是 60mV，热电偶的热端温度是多少？（6 分）为什么在实际应用中要对热电偶进行温度补偿？（4 分）五、（15 分）一标称电阻值为 120W 的合金应变片，其灵敏系数 K＝2，弹性模量 E＝2´1011N/m2，粘接在钢制工件上。钢和合金的线膨胀系数分别为 16 ´ 10-6、 12 ´ 10-6。合金的电阻温度系数为 20 ´ 10-6 1）当所受应力为 40MN/ m2 时，计算应变片的电阻变化量。（6 分） 2）计算当温度变化为 20°C 时所引起的应变片的电阻变化量。（6 分） 3）以上计算结果说明什么问题？（3 分）六、（15 分）已知一光栅的光栅常数为 0.02mm，主光栅与指示光栅之间的夹角为θ=0.01rad。问： 1）光栅的栅线密度是多少？（3 分） W/W·°C。问：

2）所得到的莫尔条纹的间距是多少？（6 分） 3）如用 4 个光敏二极管接收莫尔条纹信号，光敏二极管的响应时间为 10-6s，则光栅所允许的运动速度最大为多少？（6 分）七、（15 分）根据图 1 所示应用于差动电容式传感器测量电路的二极管双 T 形交流电桥，简述其工作原理。八、（15 分）一传感器的幅频特性为。要求测量的信号频率上限为 8kHz 时，最大振幅误差不超过 3%。若传感器阻尼系数 x = 0.5，问传感器的固有频率 f0 应为多大合适？九、（10 分）试设计一个用于汽车倒车时障碍物检测的传感器系统，要求：1）说明其工作原理；2）画出其结构原理图；3）讨论提高其测量准确度的途径。

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