传感与测控技术试题

硕士研究生试题考试科目：传感与测控技术总2页第1页一、名词解释（20分，每空4分）传感与测控技术：基于传感器的计算机测控技术。所谓传感器是指能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。该定义包含以下几方面的意思：a.传感器是测量装置，能完成检测任务；b.它的输入量是某一被测量，可能是物理量，也可能是化学量、生物量等；c.输出量是某种物理量，这种量要便于传输、转换、处理、显示等等，这种量可以是气、光、电量，但主要是电量；d.输入输出有对应关系，且应有一定的精确度。而计算机测控技术是从事自动化、控制系统工程、计算机应用技术人员应该掌握的一门新型技术，是分析、研究、设计控制系统的强有力工具，是自动控制、计算机及其相关专业的一门重要的专业应用技术课程。热电效应:是当受热物体中的电子(空穴)，因随着温度梯度由高温区往低温区移动时，所产生电流或电荷堆积的一种现象。而这个效应的大小，则是用称为thermopower(Q)的参数来测量，其定义为Q=E/-dT(E为因电荷堆积产生的电场，dT则是温度梯度)。DSP:即数字信号处理，是利用计算机或专用处理设备，以数字形式对信号进行采集、变换、滤波、估值、增强、压缩、识别等处理，得到符合人们需要的信号形式的过程。相对于模拟方式来讲，数字方式可以采用更先进的算法，易于实现更高的性能、更多的功能，同时也使系统具有更好的灵活性。压电效应：某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷。当外力去掉后，它又会恢复到不带电的状态，这种现象称为正压电效应。当作用力的方向改变时，电荷的极性也随之改变。相反，当在电介质的极化方向上施加电场，这些电介质也会发生变形，电场去掉后，电介质的变形随之消失，这种现象称为逆压电效应，或称为电致伸缩现象。依据电介质压电效应研制的一类传感器称为为压电传感器。5、内外光电效应:是指物体吸收了光能后转换为该物体中某些电子的能量，从而产生的电效应。光电传感器的工作原理基于光电效应。光电效应分为外光电效应和内光电效应两大类：(1)外光电效应:在光线的作用下，物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象称为外光电效应。向外发射的电子叫做光电子。基于外光电效应的光电器件有光电管、光电倍增管等；(2)内光电效应:当光照射在物体上，使物体的电阻率ρ发生变化，或产生光生电动势的现象叫做内光电效应，它多发生于半导体内。根据工作原理的不同，内光电效应分为光电导效应和光生伏特效应两类：a、光电导效应：在光线作用，电子吸收光子能量从键合状态过渡到自由状态，而引起材料电导率的变化，这种现象被称为光电导效应。基于这种效应的光电器件有光敏电阻；b、光生伏特效应：在光线作用下能够使物体产生一定方向的电动势的现象叫做光生伏特效应。基于该效应的光电器件有光电池和光敏二极管、三极管。二、填空：（26分，每空2分）1、光电传感器的理论基础是光电效应。通常把光线照射到物体表面后产生的光电效应分为三类。第一类是利用在光线作用下光电子逸出物体表面的外光电效应,这类元件有光电管、光电倍增管；第二类是利用在光线作用下使材料内部电阻率改变的内光电效应，这类元件有光敏电阻；第三类是利用在光线作用下使物体内部产生一定方向电动势的光生伏特效应，这类元件有光电池、光敏二极管、三极管。2.压磁式传感器的工作原理是：某些铁磁物质在外界机械力作用下，其内部产生机械压力，从而引起极化现象，这种现象称为压磁效应。相反，某些铁磁物质在外界磁场的作用下会产生机械变形，这种现象称为磁致伸缩效应。变气隙式自感传感器，当街铁移动靠近铁芯时，铁芯上的线圈电感量增大。变面积型电容传感器的输入被测量与输出被测量间的关系是线性的。5．压电陶瓷是人工制造的多晶体，是由无数细微的电畴组成。电畴具有自己方向，经过极化处理的压电陶瓷才具有压电效应。6．单线圈螺线管式电感传感器主要由线圈、铁磁性壳体和可沿线圈轴向活动铁芯组成。77．湿敏电阻是一种湿敏元件的电气特性（如电阻值）随环境相对湿度变化而变化的敏感元件。8．电涡流式传感器的测量系统由传感器和被测体两部分组成。总2页第2页三、简答题（40分，每题10分）1、简要说明电容式传感器的原理。利用它可以测量哪些参数？答：电容式传感器的工作原理：用两块金属平板作电极可构成电容器，当忽略边缘效应时，其电容C为SSCr0s—极板相对覆盖面积；—极板间距离；—相对介电常数；r—真空介电常数，＝8.85pF/m； 0 0—电容极板间介质的介电常数。、s和中的某一项或几项有变r化时，就改变了电容C0、δ或S的变化可以反映线位移或角位移的变化，也可以间接反映压力、加速度等的变化；εr的变化则可反映液面高度、材料厚度等的变化。利用它可以测量的参数：压力、位移、厚度、加速度、液位、物位、湿度和成分含量等简述TMS320LF2401A的系统配置和中断系统。答：TMS320LF2401A的系统配置和中断操作的内容包括:系统配置寄存器、中断优先级和中断向量表、外设中断扩展控制器(PIE)、中断向量、中断响应的流程、中断响应的时间、CPU中断寄存器、外设中断寄存器、复位、无效地址检测、外部中断控制寄存器。系统配置用来对DSP片内的功能模块进行用户配置，根据具体用途来进行模块定制。数字信号处理器系统与模拟信号处理器比较有什么特点。答：数字信号处理器（DSP）是一种具有特殊结构的微处理器，流水线结构和丰富的片内硬件资源，可以进行快速、大批量的数据处理。以数字信号处理为基础的DSP系统与模拟信号处理系统相比具有以下优点；（1）接口简单方便。由于数字信号的电气特性简单，不同的DSP系统相互连接时，在硬件接口上容易实现。在数据流接口上，各系统间只要遵循特定的标准协议就可以了。（2）精度高，稳定性好，抗干扰能力强。数字信号处理仅仅受量化误差和有限字长影响，处理过程不引入其它噪声，因此具有较高的信噪比。另外，模拟系统的性能受之器件参数性能影响较大，而数字系统基本不变，因此，数字系统便于测试、调试及批量生产。编程方便，容易实现复杂算法。在DSP系统中，DSP芯片提供了一个高速计算平台，系统功能依赖于软件编程实现。当其与现代信号处理理论和计算数学乡结合时，可以实现复杂的信号处理功能。集成方便。现代DSP芯片都是将DSP核及其外围电路综合集成在单一芯片上，这种结构便于设计高集成度的引信产品。目前可用于处理数字信号的芯片主要有单片机，可编程逻辑器件(CPLD/FDGA)和数字信号处理器（DSP）等。单片机的控制接口种类较多，适用于以控制为主的模数混合系统设计。CPLD/FPGA使用于计数、译码、锁存、乘加、编解码、查表等数字信号处理运算的高速数字系统中。DSP面向高速、重复性、数值运算密集型的实时处理，其处理速度比普通微处理器快的多。在成本上略高于单片机和CPLD。对于功能复杂处理数据量大的引信系统适合应用于DSP作为微处理器。信号处理是抗干扰的重要手段，要充分利用大规模的集成电路、微处理器、数字处理器的技术优势，充分利用引信可获取的广泛信息，探索新的信号处理原理。数字图像处理技术的飞速发展使得所有图像处理的问题可以用数字信号处理的形式来解决，这为实时图像处理的应用提供了广阔的空间。随着大规模集成电路的高速发展,数字信号处理器（DigitalSignalProcessor）的发展为高速的实现信号处理，为达到系统的实时性提供了可能。4、举例说明DSP系统的应用。答：DSP最典型的应用——手机，可见DSP的应用市场之大。在世界众多的DSP厂商中，德州仪器（TI）的DSP始终占有较大的市场份额（百分之六十）。全球每10部手机中就有6部采用TI的DSP，每10部手机中就有8部嵌进TI公司的模拟芯片。自20世纪70年代末诞生，得到飞速发展。已广泛应用，价格越来越低。主要应用:相关运算，谱分析，卷积，模式匹配，加密，波形产生处理器,可采用先进的神经网络和模糊逻辑控制等人工智能算法。机器人智能的视觉、听觉和四肢的灵活运动必须有DSP技术支持才能实时实现。不仅仅是控制，还有繁重的数字信号处理任务，如字符识别、图像增强、色彩调整等。网络控制及传输设备：网络功能和性能的不断提高，如视频信箱、交互式电视等，要求更宽、更灵活的传输带宽，实时传输和处理数据的网络控制器、网络服务器和网关都需要DSP的支持。自适应均衡,数据加密,数据压缩,扩频通信,纠错编码,传真,可视电话。语音合成,语音识别,语音邮件,语音存储。自动测试诊断设备及仪器仪表、虚拟仪器：现代电子系统设备中，有近百分之六十的设备及资金是用于测试设备，自动测试设备集高速数据采集、传输、存储、实时处理于一体，又一广阔应用领域。图像处理：二维三维图形处理，图像压缩、传输与增强，动画，机器人视觉，模式识别。军事:保密通信，雷达处理，导航，导弹制导。如机载空-空导弹，在有限的体积内装有红外探测仪和相应的DSP处理部分，完成目标的自动锁定与跟踪，战斗机上的目视瞄准器和步兵头盔式微光仪，需DSP完成图像的滤波与增强，智能化目标的搜索、捕获。自动控制:机器人控制，磁盘控制，自动驾驶，声控，发动机控制。医疗仪器:助听、诊断工具、超声仪,CT、核磁共振。家用电器:数字电话，数字电视，音乐合成，音调控制，玩具与游戏，高保真音响，数字收音机、数字电视。汽车:防滑刹车、引擎控制、伺服控制、振动分析、安全气囊的控制器、视像地图。四、论述（14分）1、设计一个测控金属加工切削力系统。要求：1）提出原理方案；2）画出结构简图；3）简要分析工作原理。2、编写基于DSP开发系统的LED指示灯轮流亮灭的程序#include"DSP281x_Device.h"//DSP281xHeadfileIncludeFile#include"DSP281x_Examples.h"//DSP281xExamplesIncludeFileunsignedintdata;//输出指示灯控制字unsignedintIOloop;//输出循环控制字voidIOinit(void)//IO初始化程序{EALLOW;GpioMuxRegs.GPAMUX.all=0x0000;//使能2812的GPIOA0～7为输入输出端口GpioMuxRegs.GPADIR.all=0x00FF;//使能2812的GPIOA0～7的方向为输出}voidIO(){GpioDataRegs.GPADAT.all=data;//输出控制字控制灯亮灭IOloop++;//循环次数加1次DELAY_US(1