传感器与测试技术电大复习指导

传感器与测试技术是机械制造及其自动化专业学生必修的一门技术基础课。本课程的教学内容主要包括：测试系统的基本概念，传感器的一般特性与分析方法，传感器的工作原理，特性及应用，传感器在机电系统中的应用等四部分。通过本课程的学习，使学生掌握测试系统的设计和分析方法，能够根据工程需要选用合适的传感器，并能够对测试系统的性能进行分析、对测得的数据进行处理。 一、课程的基本教学基本要求 1了解测试系统的基本概念和系统组成、传感器的定义和分类。 2掌握传感器的静特性、动特性的性能指标概念、定义和 分析处理方法，了解提高传感器性能的方法。 3了解常用传感器的工作原理，掌握常用传感器的性能特点和应用。 4掌握机电系统中选用传感器的原则，能根据需要选用合适的传感器。 课程各章的基本内容和学习要求、重点内容在课程的教学大纲及教材各章节前的“学习重点与教学要求”中都已经明确指出，本复习提要在此基础上进一步说明如下： 第一章绪论 了解测试的基本概念、系统的结构及组成，掌握传感器的定义、理解传感器的分类方法和要求，了解测试的应用及发展。 第二章传感器的一般特性 掌握传感器静 特性各性能指标的定义，传感器的无失真检测条件，理解传感器静态模型和动态模型的建立与分析方法，了解提高传感器性能的方法和非线性校正方法。 第三章电阻式传感器 理解电阻应变式、压阻式传感器和电位计的工作原理，掌握它们的性能特点，了解其常用结构形式及应用。 第四章电容式传感器 理解各种形式电容传感器的工作原理，掌握其性能特点，了解其应用。 第五章电感式传感器 理解自感式、差动变压器式、涡流传感器的工作原理，掌握其性能特点，了解其应用。了解压磁式传感器和感应同步器。 第六章磁电式传感器 理解磁电感应式传感器、霍尔元件的工作原理，转换电路，掌握其性能性点，了解其应用，了解磁栅式传感器。 第七章压电式传感器 了解压电式传感器的工作原理，掌握常用压材料及其性能特点，理解其转换电路。 第八章光电式 了解光电器件的原理、应用及光纤传感器、 CCD、 PSD、光栅、激光传感器的原理、特点及应用，掌握光码盘的工作原理及应用、光电器件典型应用。 第九章超声波传感器 理解超声波传感器的工作原理，了解其性能特点及应用。 第十章传感器与测试技术在机电系统中的典型应用实例 了解传感 器与测试技术在机电系统中的典型应用，掌握机电系统中传感器的选用原则。 二、课程的考核方式说明 本课程总成绩由形成性考核成绩和期末考试成绩两部分组成。其中形成性考核成绩占 20%，期末考试成绩占 80%。 形成性考核成绩由学习内容（平时作业、课程实验）和学习情况两部分成绩组成。 平时作业共布置 4 次记分作业，每次作业满分 2.5 分，共 10 分。 本课程安排有 6 学时的实验，要求从 5 个实验中选做 3 个实验 , 每个实验 1 分，共 3 分。未完成实验不能参加期末考试。 学习情况考核内容包括辅导课到课情况 、观看 IP 课的记录情况、学习笔记等，共 7 分。 按照开放教育试点有关规定，作业完成少于 2 次或实验未做，则形成性考核成绩无效，并且不能参加期末考试。 期末考试采用闭卷考试方法。根据 2006 年中央电大关于考试时间改革的要求，本课程的考试时间为 1 小时 30 分钟。并对考试的题型、分值及题量作了相应的调整。考核要求分为“了解、理解、掌握”三个层次，在试题中各部分的比例大致为：掌握层次占 70%左右，了解层次占 20%左右，理解层次占 10%左右。 三、试题的类型举例说明 试题的类型为：简答题、选择题、问 答题及综合题等四种类型。下面结合具体例题说明。 第一类题型为简答题，每小题 5 分，约占 20 分。 （答案：传感器是一种以一定的精确度把被测量转换为与之有确定对应关系的、便于精确处理和应用的另一种量的测量装置或系统。） 第二类题型为选择题，每项选择 3 分，约占 12 分左右。 例 1当光敏元件加一定电压时，光电流 I 与光敏元件上光照度 E 之间的关系，称为。 a.温度特性 b.光照特性 c.光谱特性 d.伏安特性 （答案： b） 例 2在检测技术中，主要采用的是压电型换能 器，发射超声波利用压电材料的，而接收信号则用。 a.多普勒效应 b.多普勒频移 c.逆压电效应 d.正压电效应 （答案： c； d） 第三类题型为问答题，约有 4 道左右小题，每小题 6 分左右，共约 24 分 例 .测定频响函数的方法有哪几种 ? （答：确定频响函数的方法是以标准信号输入，测出其输出信号，从而求得需要的特性。输入的标准信号有正弦信号、脉冲信号和阶跃信号。） 第四类题型为综合题，约有三道左右题，每题根据难度不同，分值有差别，约 12 至 16 分，共约 45 分左右。 例请画出两种霍 尔元件的驱动电路，简述其优缺点。 （答：对霍尔元件可采用恒流驱动或恒压驱动，恒压驱动电路简单，但性能较差，随着磁感应强度增加，线性变坏，仅用于精度要求不太高的场合；恒流驱动线性度高，精度高，受温度影响小。两种驱动方式各有优缺点， 应根据工作要求确定驱动方式。） 为方便大家复习，根据学员们的要求，在后半学期，本课程平台上将会刊登一套往届考题及答案。需要说明的是，这套题仅供大家在复习过程参考，实际考试时试卷的题型、题目、分值及各种题型所占比例都会有一定差别，尽请注意！ 不管什么样的考试题型和题目，都是围绕课程主要教学内容的，所以学懂学通课程各章的重点和主要的教学内容才是根本。希望大家在复习过程中把重点放在课程的教学内容的理解和掌握上。 最后，预祝大家圆满完成课程学习，并且通过期末阶段的总复习，进一步巩固所学知识，顺利通过课程 期末考试！ 中央电大工学院“传感器与测试技术”课程组 传感器与测试技术往届试题选登 说明：为方便学员们进行复习，根据大家的要求，在此刊登一套往届期末考试的试题及参考答案。需要说明的是，这套样题仅供学员们在复习过程参考，实际考试时试卷的题目、题型、分值及各种题型所占比例都会有一定差别，尽请注意！ （考试时间： 1.5 小时） 一、简答题（每小题 5 分，共 20 分） 1传感器： 2静特性： 3超声波的波型有几种？是根据什么来分类的？ 4.简述电容式传感器的工作原理。 二、选择题（ 每空 3 分，共 27 分） 1码盘式传感器是建立在编码器的基础上的，它能够将角度转换为数字编码，是一种数字式的传感器。码盘按结构可以分为接触式、_和 _三种。 a.光电式 b.磁电式 c.电磁式 d.感应同步器 2当超声波在一种介质中传播到界面或遇到另一种介质，其方向不垂直于界面时，将产生声波的反射、折射及 _现象。 a.表面波 b.兰姆波 c.驻波 d.波型转换 3. 改变电感传感器的引线电缆后， _。 a.不必对整个仪器重新标定 b. 必须对整个仪 器重新调零 c. 必须对整个仪器重新标定 d. 不必对整个仪器重新调零 4应变片的选择包括类型的选择、材料的选用、 _、 _等。 a.测量范围的选择 b.电源的选择 c. 阻值的选择 d. 尺寸的选择 e.精度的选择 f.结构的选择 5应变片绝缘电阻是指已粘贴的 _应变片的之间的电阻值。 a.覆盖片与被测试件 b.引线与被测试件 c.基片与被测试件 d.敏感栅与被测试件 6在光的作用下，电子吸收光子能量从键合状态过渡到自由状态，引起物体电阻率的变化，这种 现象称为 _。 a.磁电效应 b.声光效应 c.光生伏特效应 d.光电导效应 7. 如图所示的结构由线圈、铁芯、衔铁三部分组成的。线圈套在铁芯上的，在铁芯与衔铁之间有一个空气隙，空气隙厚度为 。传感器的运动部分与衔铁相连。当 外部作用力作用在传感器的运动部分时，衔铁将会运动而产生位移，使空气隙 发生变化。这种结构可作为传感器用于 _。 a. 静态测量 b. 动态测量 c. 静态测量和动态测量 d. 既不能用于静态测量，也不能用于动态测量 三、激光干涉传感器的作用是测量长度，其基本原理就是光的干涉原理，测量精度高、分辨力高。如图所示是迈克尔逊双光束干涉系统，图中 S 是光源， B 是分光镜， M1 是固定反射镜， M2 是可动反射镜， P 是观察屏处，试介绍其工作原理。（ 14 分） 四画出测试系统的组成框图，并说明各组成部分的作用。（ 12 分） 五粘贴到试件上的电阻应变片，环境温度变化会引起电阻的相对变化，产生虚假应变，这种现象称为温度效应，简述产生这种现象的原因。（ 12 分） 六如图所示是电容式 差压传感器结构示意图及其转换电路，图中 1 为玻璃盘， 2 为镀金层， 3 为金属膜片，介绍其工作原理。（ 15 分） 传感器与测试技术参考答案 一、简答题（每小题 5 分，共 20 分） 1传感器：传感器是一种以一定的精确度把被测量转换为与之有 确定对应关系的、便于精确处理和应用的另一种量的测量装置或系统。 2 3超声波的波型有几种？是根据什么来分类的？ 超声波的波型有纵波、横波、表面波（亦称瑞利波）、兰姆波。 依据超声场中质点的振动与声能量传播方向之间的关系来分。 4.简述电容式传感器的工作原理。 两平行极板组成的电容器，如果不考虑边缘效应，其电容量为 式中 : 极板间介质的介电常数 ， 极板间的距离。 当被测量的变化使式中的 、 或 任一参数发生变化时，电容量 C 也就随之变化。 二、 选择题（每空 3 分，共 27 分） 1 a； c2 d3. c4 c； d 5 b6 d7. c 三、激光干涉传感器的作用是测量长度，其基本原理就是光的干涉原理，测量精度高、分辨力高。如图所示是迈克尔逊双光束干涉系统，图中 S 是光源， B 是分光镜， M1 是固定反射镜， M2 是可动反射镜， P 是观察屏处，试介绍其工作原理。（ 14 分） 答案要点： 来自光源 S 的光经半反半透分光镜 B 后分成两路，一路由固定反射镜 M1 反射，另一路经可动反射镜 M2 和 B 反射，在观察屏 P 处相遇产生干涉。当 M2 每移动半个光波波长时，干涉条纹亮暗变化一次，因 此被测长度为 式中， x 被测长度； N 干涉条纹亮暗变化次数； 真空中光波波长； n 空气折射率。 四画出测试系统的组成框图，并说明各组成部分的作用。（ 12 分） 答案要点： 传感器作为测试系统 的第一环节，将被测量转化为人们所熟悉的各种信号，通常传感器将被测量转换成电信号；信号变换部分是对传感器所送出的信号进行加工，如信号的放大、滤波、补偿、校正、模数转换、数模转换等，经过处理使传感器输出的信号便于传输、显示或记录；显示与记录部分将所测信号变为便于人们理解的形式，以供人们观测和分析。 五粘贴到试件上的电阻应变片，环境温度变化会引起电阻的相对变化，产生虚假应变，这种现象称为温度效应，简述产生这种现象的原因。（ 12 分） 答案要点： 环境温度变化时，由于敏感栅材料的电阻温度系数的存在，引起应变片 电阻相对变化； 环境温度变化时，敏感栅材料和试件材料的膨胀系数不同，应变片产生附加的拉长 (或压缩 ) 六如图所示是电容式差压传感器结构示意图及其转换电路，图中 1 为玻璃盘， 2 为镀金层