传感器与自动检测技术 试卷及答案 试题二

传感器与自动检测技术仿真试题二

试卷一（闭卷）

（考试时间90分钟，总分80分）

题号一二三总分

分数

评卷人

一、单项选择题（本大题共10小题，每小题2分，共20分）

在每小题列出的四个选项中只有一个选项是符合题目要求的，请

将正确选项前的字母填在题后的括号内。错选、多选和未选均不

得分。

1、随着人们对各项产品技术含量的要求的不断提高，传感器也朝向智能化

方面发展，其中，典型的传感器智能化结构模式是（）o

A.传感器+通信技术B.传感器+微处理器

C.传感器+多媒体技术D.传感器+计算机

2、在整个测量过程中，如果影响和决定误差大小的全部因素（条件）始终

保持不变，对同一被测量进行多次重复测量，这样的测量称为（）

A.组合测量B.静态测量

C.等精度测量D.零位式测量

3、磁电式传感器测量电路中引入积分电路是为了测量（）o

A.位移B.速度

C.加速度D.光强

4、一个热电偶产生的热电势为EO,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（）o

A.增加B.减小

C.增加或减小不能确定D.不变

5、下列光电式传感器中属于有源光敏传感器的是（）o

A.光电效应传感器B.红外热释电探测器

C.固体图像传感器D.光纤传感器

6、关于红外传感器，下述说法不正确的是（）

A.红外传感器是利用红外辐射实现相关物理量测量的一种传感器

B.红外传感器的核心器件是红外探测器

C.光子探测器在吸收红外能量后，将直接产生电效应

D.为保持高灵敏度，热探测器一般需要低温冷却

7、下列关于微波传感器的说法中正确的是（）

A.不能用普通电子管与晶体管构成微波振荡器

B.不能用特殊结构的天线发射微波

C.用电流一一电压特性呈线性的电子元件做探测微波的敏感探头

D.分为反射式、遮断式和绕射式三类

8、以下不属于超声波测流量的方法的有：（）

A.时差法B.相位差法C.频率差法D.反射法

9、一个6位的二进制光电式编码器，其测量精度约为（）

A.5.6°B.0.17°C.0.016°D.60°

10、当H2吸附到MoCh上时，下列说法正确的是（）o

A.载流子数下降，电阻增加B.载流子数增加，电阻减小

C.载流子数增加，电阻减小D.载流子数下降，电阻增加

二、简答题（本大题共5小题，每小题6分，共30分）

1、什么是直接测量、间接测量和组合测量？

2、画出压电式元件的并我接法，试述其输出电压、输出电荷和输出电容的

关系，并说明它的适用场合？

3、热电偶冷端温度对热旦偶的热电势有什么影响？为消除冷端温度影响可

采用哪些措施？

4、什么是全反射？光纤的数值孔径有何意义?

5、透射式光栅传感器的莫尔条纹是怎样产生的？条纹间距、栅距和夹角的

关系是什么？

三、分析计算题（本大题共3小题，每小题10分，共30分）

注奇：自动化、电与专业的学生第1小题必做，并从第2-4小题

中选做两个小题；测控专业的学生左4个小题中任选3个小题。

1、已知某金属棒的长度和温度之间的关系为£,=4（1+二・，）。在不同温度

下，测得该金属棒的长度如下表所示。请用最小二乘法估计0℃时金属

棒的长度和金属的线膨胀系数ao

r,./℃10.040.070.0100.0

Lti/mtn

20.021.023.024.0

2、当被测介质温度为白，测温传感器示值温度为〃时，有下列方程式成立:

mmg当被测介质温度从25℃突然变化到300CB寸，测温传

感器时间常数为=12作,试确定经过480s后的动态误差。

3、有一吊车的拉力传感器如右图所示。其中电阻应变片RI、R2、R3、R4

贴在等截面轴上。已知RI、R2、R3、R4标称阻值均为120Q,桥路电压

为2V,物重m引起RI、R2变化增量为L2Q。

RI

1）画出应变片组成的电桥电路。

2）计算出测得的输出电压和电桥输出灵敏度。

3）说明R3、R4起到什么作用？

4、有一台变极距非接触式电容测微仪，其极板间的极限半径r=4mm,假

设与被测工件的初始间隙b=03mm,试求：

1）若极板与工件的间隙变化量△6=±10um时,电容变化量为多少？

2）若测量电路的灵敏度K=100mV/pF,则在△6=±1Um时的输出电压

为多少？

试卷二（开卷）

（考试时间30分钟，总分20分）

题号评卷人得分

综合设计分析题

综合设计分析题（本大题共20分）

若要你需要用差动变压器式加速度传感器来测量某测试平台振动的加速

度。请你：

（1）设计出该测量系统的框图，并作必要的标注或说明；

（2）画出你所选用的差动变压器式加速度传感器的原理图，并简述其基

本工作原理；

（3）给出差动变压器式加速度的测量电路图，并从工作原理上详细阐明

它是如何实现既能测量加速度的大小，又能辨别加速度的方向的。

传感器与自动检测技术仿真试题二参考答案

试卷一

一、单项选择题（本大题共10小题，每小题2分，共20分）

在每小题列出的四个选项中只有一个选项是符合题目要求的,请将正

确选项前的字母填在题后的括号内。错选、多选和未选均不得分。

1、B2、C3、A4、D5、D

6、D7、A8、D9、A10、D

二、简答题（本大题共5小题，每小题6分，共30分）

1、什么是直接测量、间接测量和组合测量？

答：直接测量：首先对与被测量有确切函数关系的物理量进行直接测量，然

后通过已知的函数关系求出该未知量，即需要将被测量值经过某种函数关系

变换才能确定被测量值的测量方法。

间接测量：测量过程复杂，测量所需时间较长，需要进行计算才能得出最

终的测量结果。

组合测量:在测量中，使各个待求未知量和被测量经不同的组合形式出现,

根据直接测量或间接测量所得到的被测量数据，通过解一组联立方程求出未

知量的数据的测量方法，即这种测量方法必须经过求解联立方程组才能得出

最后结果。

2、画出压电式元件的并联接法，试述其输出电压、输出电荷和输出电容的关

系，并说明它的适用场合？

答：从作用力看，压电元件是串接的，因而每片受到的作用力相同、产生的

变形和电荷数量大小都与当片时相同。

并联接法如图

与单片相比，外力作用下正负电

极上的电荷量增加了1倍，电容量也增加了1倍，输出电压与单片时相同。

并联接法输出电荷大，本身电容大，时间常数大，适宜用在测量慢变信号并

且以电荷作为输出量的场合。

3、热电偶冷端温度对热电偶的热电势有什么影响？为消除冷端温度影响可采

用哪些措施？

答：由热电偶的测温原理可以知道，热电偶产生的热电动势大小与两端温度

有关，热电偶的输出电动势只有在冷端温度不变的条件下，才与工作温度成

单值函数关系。实际应用时，由于热电偶冷端离工作端很近，且又处于大气

中，其温度受到测量对象和周围环境温度波动的影响，因而冷端温度难以保

持恒定，这样会带来测量误差。

为消除冷端温度影响，常用的措施有：

①补偿导线法：将热电偶配接与其具有相同热电特性的补偿导线，使自

由端远离工作端，放置到恒温或温度波动较小的地方。

②冷端恒温法：把热电偶的冷端置于某些温度不变的装置中，以保证冷

端温度不受热端测量温度的影响。

③冷端温度校正法。

④自动补偿法。

4、什么是全反射？光纤的数值孔径有何意义？

答：当入射角大丁•临界角时，光线就不会透过其界面而全部反射到光密介质

内部，即发生全反射。

光纤的数值孔径是光纤的一个重要参数，它能反映光纤的集光能力，光

纤的NA越大，表面它可以在较大入射角范围内输入全反射光，集光能力就越

强，光纤与光源的耦合越容易，且保证实现全反射向前传播。但NA越大，光

信号的畸变也越大，所以要适当选择NA的大小。

5、透射式光栅传感器的莫尔条纹是怎样产生的？条纹间距、栅距和夹角的关

系是什么？

答：①把两块栅距相等的光栅（光栅1、光栅2）叠合在一起，中间留有很

小的间隙，并使两者的栅线之间形成一个很小的夹角心这样就可以看到在

近于垂直栅线方向上出现明暗相间的条纹，这些条纹叫莫尔条纹。在d-d

线上，两块光栅的栅线重合，透光面积最大，形成条纹的亮带，它是由一

系列四棱形图案构成的；在f线上，两块光栅的栅线错开，形成条纹的

暗带，它是由一些黑色叉线图案组成的。因此莫尔条纹的形成是由两块光栅

的遮光和透光效应形成的。

②莫尔条纹的间距为与两光栅线纹夹角。之间的关系为：

nW/2W

=——x-

三、分析计算题（本大题共3小题，每小题10分，共30分）

注意：自动化、电气专业的学生第1小题必做，并从第2-4小题

中选做两个小题；测控专业的学生在4个小题中任选3个小题。

1、已知某金属棒的长度和温度之间的关系为"rAa+a"）。在不同温度下,

测得该金属棒的长度如下表所示。请用最小二乘法估计0℃时金属棒的长度

和金属的线膨胀系数ao

/z-/℃10.040.070.0100.0

Ll；/mm

20.021.023.024.0

解：误差方程/〃一/o（l+aW）=4f=l,2,3,4

令X]=I。，A=a♦I。

110.0--20-

140.021

系数矩阵4=,直接测得值矩阵乙=

170.023

1100.024

x

被测量估计矩阵X\

X2

由最小二乘法：AfAX=A!L,则

10

11111404220

104070100j1

7022016600

100

20

1111121_F88-

104070100J23-[5050

24

;照=18000/0

1F16600-220-

A22-18000-2204

1Fl6600-220188_19.4333-

:.X=[A,ATlA,L=18000[-2204(5050

0.0467

/.4)=Xj=1

3

。=&=0：0467=2.4x1(r(/℃)

h19.43

2、当被测介质温度为“，测温传感器示值温度为乃时，有下列方程式成立：

%=%+%(力2)/37)当被测介质温度从25℃突然变化到30。℃时，测温传感器

时间常数q=12。一试确定经过480s后的动态误差。

解：把输入看作从0到275的阶跃输入信号，则

x(r)=0,Z<0；x(0=275,r>0

输入信号的拉氏变换为：X(5)=—

S

T7，

又干d2■+‘2=4

ar

即(2S+1»2S=4(S)

八(s)r05+l

1275

Y(s)=H(S)X(S)=

r0S+1S

进行拉氏反变换后，有y")=275(l-J*)

480

，动态误差A=y(480)-275=-275J询=5.04(℃)

3、有一吊车的拉力传感器如右图所示。其中电阻应变片RI、R2、R3、R4贴

在等截面轴上。已知RI、R2、R3、R4标称阻值均为120。，桥路电压为2V,

物重m引起RI、R2变化增量为1.2。。

1）画出应变片组成的电桥电路。

4）计算出测得的输出电压和电桥输出灵敏度。

5）说明R3、R4起到什么作用？

解：①应变片组成半桥电路：

U°=E.[(R1+ARJ]=--=-^^-=0.01V

_

(Rj4AR!)+R4+(R^-J-AR-))2R2120Q

ITF

②Ku=-^=-=l

uAR/R2

③R3、R4可以进行温度补偿。

4、有一台变极距非接触式电容测微仪，其极板间的极限半径r=4mm,假设

与被测工件的初始间隙3=03mm,试求:

1）若极板与工件的间隙变化量△6=±10um时，电容变化量为多少？

2）若测量电路的灵敏度K=100mV/pF,则在△8=±1um时的输出电压为多

少？

解：1)C。二包子△

d。

%•彳・A8.854X10',2X^-X42X10-6

AC=—~~[——=--------------------7-----------=44.48pF

AdlOxIO-6

2)Ad=±l〃m时，输出电容变化为444.8pF

c0=网史塔萨此=L48X10T2FU48PF

C=C0±AC=1.48±444.8

U,=CK=446.28xlOO=44.6V

U2=C-K=-442.32xl00=-44.2V

试卷二

综合设计分析题（本大题共20分）。

若要你需要用差动变压器式加速度传感器来测量某测试平台

振动的加速度。请你：

（1）设计出该测量系统的框图，并作必要的标注或说明；

（2）画出你所选用的差动变压器式加速度传感器的原理图，并简述其基

本工作原理；

（3）给出差动变压器式加速度的测量电路图，并从工作原理上详细阐明

它是如何实现既能测量加速度的大小，又能辨别加速度的方向的。

解：

(1)

信号

差动变压器式l测量电路电压表

加速度传感吟|调理

测试平台

振动-电源

测试平台振动加速度的测量系统框图

(2)差动变压器式加速度传感器的原理图

心Em

一

一

一器

师TT~

*Ax〃)

(3)差动变压器式加速度的测量电路图

为了达到能辨别移动方向和消除零点残余电压的目的，实际测量时，常

常采用差动整流电路或相敏检波电路。

法一：差动整流电路

把差动变压器的两个次级输出电压分别整流，然后将整流的电压或电流

的差值作为输出。下面给出全波电压输出的差动整流电路:

全波巨压输出的差动整流电路图

从上图电路结构可知，不论两个次级线圈的输出瞬时电压极性如何，流

经电容G的电流方向总是从2到4,流经电容Q的电流方向总是从6到8,

故整流电路的输出电压为

上应-九

当衔铁在零位时，因为伤4二%8,所以上=0；当衔铁在零位以上时，因为伤4>

%8，则①>0；而当衔铁在零位以下时，则有分4<%8，则给<0。

/.%的有效值大小反映了位移的大小，从而利用①式可以反求加速度的

大小；