哈爾濱工業(yè)大學2007年秋季傳感技術及應用考試試題.doc

哈爾濱工業(yè)大學2007年秋季傳感技術及應用考試試題課程綜合考試，合計分數(shù)70分一、判斷題（正確打標記，錯誤打標記，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（）對變間隙的電容式傳感器而言，即使采用差動結構也不能完全消除非線性誤差。3（）壓電晶體有三個互相垂直的軸，分別為X軸（電軸）、Y軸（力軸）、Z軸（光軸），當沿某一軸的方向施加外作用力時，會在另外兩個軸的表面出現(xiàn)電荷。4（）光電池和光敏二極管都是建立在內光電效應基礎上，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換關系為非線形的，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？傳感器由哪三個部分組成？2簡述熱電偶熱電勢產生的原因。3簡要說明金屬應變片與半導體應變片在工作原理上的區(qū)別?4什么是電容傳感器的“驅動電纜技術”，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和寄生電容，試分別詳細說明減少這兩種影響的措施（建議以圖示進行輔助說明）。 四、（12分）什么是電感傳感器的零點殘余電壓？殘余電壓過大帶來哪些影響？減小零點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時的輸入電阻為Ri0，霍爾元件靈敏度系數(shù)為KH0；溫度t1時的輸入電阻為，霍爾元件靈敏度系數(shù)為,請推導并聯(lián)的電阻RP的大小。六、（15分）（1）說明光纖的結構和傳輸光的原理。（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全反射，則q0至多為多少？寫出推導過程。哈爾濱工業(yè)大學2007年秋季傳感技術及應用考試試題答案課程綜合考試，合計分數(shù)70分一、判斷題（正確打標記，錯誤打標記，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（）對變間隙的電容式傳感器而言，即使采用差動結構也不能完全消除非線性誤差。3（）壓電晶體有三個互相垂直的軸，分別為X軸（電軸）、Y軸（力軸）、Z軸（光軸），當沿某一軸的方向施加外作用力時，會在另外兩個軸的表面出現(xiàn)電荷。4（）光電池和光敏二極管都是建立在內光電效應基礎上，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換關系為非線形的，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)律轉換成可用輸出信號的器件或裝置。（3分）傳感器由敏感元件、轉換元件和基本轉換電路三部分組成。（2分）2簡述熱電偶熱電勢產生的原因。答：熱電動勢是由兩種導體的接觸電勢和單一導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，兩個結分別處在T(T0)溫度下產生的熱電勢。3簡要說明金屬應變片與半導體應變片在工作原理上的區(qū)別?答：金屬應變片發(fā)生應變以后，使導體的幾何尺寸發(fā)生改變，因而阻值發(fā)生變化；對半導體來說，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力，引起半導體能帶的變化，使載流子的遷移率產生較大的變化，因而使半導體電阻率產生相應的變化。應變片相對靈敏度系數(shù)代入得到泊松比；壓阻系數(shù)；E彈性模量。對于金屬絲構成的應變片，一般可改為（幾何變形），k值約為2左右，半導體材料值很大，約為60170，因此對半導體材料而言，一般認為。4什么是電容傳感器的“驅動電纜技術”，采用它的目的是什么？答：一般電容傳感器電容值很小，如果激勵頻率較低，則電容傳感器的容抗很大，因此對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)的寄生電容也會帶來很大的影響，為克服其影響采用驅動電纜法。驅動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層屏蔽等電位，消除了芯線對內層屏蔽的容性漏電，從而消除了寄生電容的影響。同時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和寄生電容，試分別詳細說明減少這兩種影響的措施（建議以圖示進行輔助說明）。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算的一種假定。當考慮電場的邊緣效應時，情況要復雜的多，邊緣效應的影響相當于傳感器并聯(lián)一個附加電容，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，首先應增大初始電容量C0，即增大極板面積，減小極板間距。（結構上）（2）在結構上增設等位環(huán)來消除邊緣效應。消除邊緣效應的示意圖等位環(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。圖中可動極筒與連桿固定在一起隨被測量移動，并與傳感器的屏蔽殼（良導體）同為地。因此當可動極筒移動時，它與屏蔽殼之間的電容值將保持不變，從而消除了由此產生的虛假信號。引線電纜也必須屏蔽在傳感器屏蔽殼內。為減小電纜電容的影響，應盡可能使用短的電纜線，縮短傳感器至后續(xù)電路前置級的距離。（3）集成化；集成化將傳感器與測量電路本身或其前置級裝在一個殼體內，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而不能在高、低溫或環(huán)境差的場合工作。（4）采用驅動電纜技術；傳感器與測量電路前置級間的引線為雙屏蔽層電纜，其內屏蔽層與信號傳輸線（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屏蔽層之間的電容。由于屏蔽線上有隨傳感器輸出信號變化而變化的電壓，因此稱為“驅動電纜”。采用這種技術可使電纜線長達l0m之遠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。內外屏蔽層之間的電容是1:1放大器的負載。1:1放大器是一個輸入阻抗要求很高、具有容性負載、放大倍數(shù)為1（準確度要求達1/1000）的同相（要求相移為零）放大器。因此“驅動電纜”技術對1:1放大器要求很高，電路復雜，但能保證電容式傳感器的電容值小于1pF時，也能正常工作。（5）采用運算放大器法；采用運算放大器法它是利用運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電極經(jīng)引線電纜芯線接運算放大器的虛地點，電纜的屏蔽層接傳感器地，這時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，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換電路、傳輸電纜等用同一個屏蔽殼屏蔽起來，正確選取接地點可減小寄生電容的影響和防止外界的干擾。圖示是差動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殘余電壓？殘余電壓過大帶來哪些影響？減小零點殘余電壓的措施有哪些？答：在調幅式電路中，當u0=0時，應有Z1=Z2=Z，而Z包含兩部分R和L，只有兩部分分別相等時（即R1=R2，L1=L2），才能保證u0=0。但在實際中很難達到，實際的u0x曲線如圖，Dx=0時，u0=e0，稱為零點殘余電壓。零點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被淹沒，不再反映被測量變化造成放大電路后級飽和，儀器不能正常工作。產生的原因：兩電感線圈的等效參數(shù)不對稱。減小零點殘余電壓的措施：（1）設計上，使上、下磁路對稱，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殘余電壓。五、（10分）霍爾片采用恒流源供電，為補償溫度誤差，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時的輸入電阻為Ri0，霍爾元件靈敏度系數(shù)為KH0；溫度t1時的輸入電阻為，霍爾元件靈敏度系數(shù)為,請推導并聯(lián)的電阻RP的大小。答：在溫度t0時，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，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 在t時 為保證在溫度變化時，即t0和t時，霍爾電勢相等，則KH0IH0BKH tIH tB 展開后 霍爾片的Ri0、和值均能在產品說明書中查到，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）說明光纖的結構和傳輸光的原理。（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全反射，則q0至多為多少？寫出推導過程。答：1、光纖是一種傳輸光的細絲，它能夠將進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性質不同的材料組成。光纖的結構如圖所示。光纖的中間部分是導光的纖芯，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作用的套層。光纖傳光的基礎是光的全反射。傳輸光的原理是斯乃爾折射定律。3、當光線以入射角進入光纖的端面時，在端面處發(fā)生折射，設折射