哈尔滨工业大学2008年秋季传感技术及应用考试试题

70分

课程综合考试，合计分数一、

判断题（正确打√标记，错误打×标记，每题1分，共10分）

1．（√）传感器的阈值，实际上就是传感器在零点附近的分辨力。2．（×）某位移传感器的测量量程为感

器的灵敏度很高，其灵敏度为

0.1%。

0.6%，传感器B采用

1 mm，分辨力为0. 001 mm，这说明传

3．（×）传感器A采用最小二乘法拟合算得线性度为±

端点直线法算得线性度为±0.8%，则可以肯定传感器A的线性度优于传感器B。

4．（×）无论何种传感器，若要提高灵敏度，必然会增加非线性误差。5．（×）幅频特性优良的传感器，其动态范围大，故可以用于高精度测量。6．（×）如果电容传感器的电缆丢失了，更换另一根电缆后，可以不必对测量

系统重新进行标定，也可直接使用。

7．（×）压电式力传感器既可以测量静态力，也可以测量动态力。

8．（√）热电偶的工作机理是导体的热电效应，而热电势的产生必须具备两个

条件，即两种导体材质不同且两个节点的温度不同。

9．（×）由于光敏电阻的光照特性是非线性的，因此不宜用做测量元件。但由

于光敏电阻的响应时间很短，因此可以用做高速光电开关。

10．（×）光纤是利用光的折射原理工作的，光纤由纤芯和包层构成，且纤芯

的折射率小于包层的折射率。

二、选择题（请选择一个适合的答案，每小题1分，本题共10分）

20 m)，可采用：

1．（①）车间条件下测量大型机床工作台的位移（行程为

①光栅传感器；②电容传感器；③电涡流传感器。

2．（②）为一个旋转式机械分度装置增加数显系统，可采用的角度传感器为：

①增量式编码器；②绝对式编码器；③电容传感器。

3．（①）对生产流水线上的塑料零件进行自动计数，可采用的传感器为：

①光电传感器；②霍尔传感器；③电涡流传感器。

4．（②）在线测量高速回转零件的主轴径向偏摆量，可采用：

①差动变压器；②电涡流传感器；③压电式传感器。

5．（②）下列哪类传感器具有防水功能？

①电阻应变式传感器；②

电涡流传感器；③电容式传感器。

6．（①）为了在报纸印刷的高速生产流水线上监测印刷缺陷，可以采用哪一种传感器？

①面阵CCD传感器；②线阵CCD传感器；③硅光电池。

7．（③）一个小型光学仪器中用于测量光斑二维位置变化（用：

①线阵CCD传感器；②面阵CCD传感器；③ PSD传感器。

8．（③）绝对式编码器的码制绝大多数采用：

①二进制码；②十进制码；③格雷码（循环码）。

9．（②）下列电感传感器中，哪种传感器的输出特性是线性的？

①变气隙型；②变面积型；③螺管型。

10．（③）电容式液位传感器属于下列哪种型式？

①变极距型；②变面积型；③变介质型。

x-y）的传感器可采

三、简答题（共6题，只选做其中5道题，每题4分共20分）

1．什么是传感器？包含哪些方面含义，传感器由哪三个部分组成？

答：传感器（Transducer/Sensor）的定义是：“能够感受规定的被测量并按

”。

照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置定义包含的意思：

①传感器是测量装置，能完成检测任务；

②它的输入量是某一种被测量，可能是物理量，也可能是化学量、生物量等；③它的输出量是某种物理量，这种量应便于传输、转换、处理、显示等等，这种量不一定是电量，还可以是气压、光强等物理量，但主要是电物理量；④输出与输入之间有确定的对应关系，且能达到一定的精度。

输出量为电量的传感器，一般由敏感元件、转换元件、基本转换电路三部分组成。敏感元件：它是直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的某一物理量的元件。

转换元件：将敏感元件的输出转换成一定的电路参数。有时敏感元件和转换元件的功能是由一个元件（敏感元件）实现的。

基本转换电路：将敏感元件或转换元件输出的电路参数转换、调理成一定形式的电量输出。

2．下图是热敏电阻的伏安特性曲线，

a.b.c.

请对曲线进行分析；

用该热敏电阻测量温度时，应该利用曲线的哪一段，说明原因；用该热敏电阻测量风速或流量时，应该利用曲线的哪一段，说明原因。

答：

a. 将热敏电阻接上一个电流源的伏安特性。

，并在它两端测得端电压，可得到热敏电阻

0－a段：电流小于Ia，功耗小，电流不足以使热敏电阻发热，元件上的温度基本是环境温度。此时热敏电阻相当于一个固定电阻，电压与电流之间符合欧姆定律。

a－b段：随着电流增加，热敏电阻功耗增加，导致电流加热引起热敏电阻自身温度超过环境温度（介质温度），其阻值降低，因此出现非线性正阻区，电流增长速度＞阻值减小的速度。

c－d段：随着电流增加，为

Im时，电压达到最大值，电流继续增加，热

敏电阻本身加热更为剧烈，阻值迅速减小，阻值减小的速度大于电流增加的速度，出现c－d段负阻区。

b. 用0－a段进行测温。电流不足以使热敏电阻发热，热敏电阻的阻值变化只与被测量的环境有关。

c. 用c－d段测量风速或流量，风速或流量可以使热敏电阻的热量消耗，而消耗的热量与风速或流量有关。

3．理想情况下，金属应变片的输出电阻是应变的一元函数，但实际上应变片输出电阻还和温度有关，即ΔR/R=F(ε，t)，请叙述电阻应变片温度的补偿方法和补偿原理。

答：电阻应变片的温度补偿方法通常有线路补偿和应变片自补偿两大类。

线路补偿法

电桥补偿是最常用且效果较好的线路补偿。

测量应变时，工作应变片R1粘贴在被测试件表面上，补偿应变片RB粘贴在与被测试件材料完全相同的补偿块上，且仅工作应变片承受应变。当被测试件不承受应变时，R1和RB又处于同一环境温度为t的温度场中，调整电桥参数使之达到平衡，此时有当温度升高或降低Δt=t-t0时，两个应变片因温度而引起的电阻变化量相等，电桥仍处于平衡状态。应变片的自补偿法

这种温度补偿法是利用自身具有温度补偿作用的应变片(称之为温度自

补偿应变片)来补偿的。根据温度自补偿应变片的工作原理，要实现温度自补偿，必须有

上式表明，当被测试件的线膨胀系数βg已知时，如果合理选择敏感栅材料，即其电阻温度系数α0、灵敏系数K0以及线膨胀系数βs，满足上式，则不论温度如何变化，均有ΔRt/R0=0，从而达到温度自补偿的目的。

（2-33）

（2-30）

工程上，一般按R1 = RB = R3 = R4选取桥臂电阻。

4．简述光纤的基本结构，并基于几何光学的原理，以阶跃光纤为例说明其传光过程。答：

1. 光纤的结构，由纤芯、包层和外套三部分组成。

(2-31)

阶跃光纤的纤芯与包层间的折射率阶跃变化的，

即纤芯内的折射率分布大体

上是均匀的，包层内的折射率分布也大体均匀，均可视为常数，但是纤芯和包层的折射率不同，在界面上发生突变，如图所示。光线的传播，依靠光在纤芯和包层界面上发生的内全反射现象。斯乃尔定理（Snell's Law临界条件是：

）指出：当光由光密物质（折射率大）入射至光疏物

2 ＞

1 。

质（折射率小）时，发生折射，其折射角大于入射角。即n1＞n2时，

(2-32)

5．分析电容传感器边缘效应产生的原因，画图给出消除其影响的措施，并进行

论述。

答：理想条件下，平行板电容器的电场均匀分布于两极板所围成的空间，简化电容量计算的一种假定。实际上在电容器的边缘电力线是不均匀的，产生了边缘效应。

①为克服边缘效应，首先应增大初始电容量板间隙。

②在结构上增设等位环来消除边缘效应。

这仅是这样就

C0，即增大极板面积，减小极

原理：等位环安放在上面电极外，且与上电极绝缘组等电位，这样就能使上电极的边缘电力线平直，两极间电场基本均匀。而发散的边缘电场发生在等位环的外周不影响工作。

6．试论述热电偶中间导体定律，并证明之。说明其作用。

答：在热电偶回

路中接入第三种材料的导线，只要其两端的温度相等，第三导线的引入不会影响热电偶的热电势。

此定律具有特别重要的实用意义，因为用热电偶测温时必须接入仪表种材料)，根据此定律，只要仪表两接入点的温度保持一致影响热电势。而且A、B结点的焊接方法也可以是任意的。四、（6分）若某光栅的栅线密度为角为θ=0.01rad。

(第三

(T0 )仪表的入就不会

50线/mm，主光栅与指示光栅之间的夹

（1）求其形成的莫尔条纹间距BH是多少？

（2）说明莫尔条纹生成原理及特点。

答：（1）分辨力

=栅距W =1mm/50=0.02mm=20

m

BH≈W/θ= 0.02mm/0.01=2mm

（2）在透射式直线光栅中，把主光栅与指示光栅的刻线面相对叠合

在一起，中间留有很小的间隙，并使两者的栅线保持很小的夹角θ。在两光栅的刻线重合处，光从缝隙透过，形成亮带；在两光栅刻线的错开处，由于相互挡光作用而形成暗带。横向莫尔条纹的斜率

莫尔条纹间距

可见

莫尔条纹的宽度BH由光栅常

数与光栅夹角决定

光学放大作用：由上式可知，虽然光栅常数可得到很大的莫尔条纹的宽度

W很小，但只要调整夹角θ，即

B，起了放大作用。放大倍数：1/θ

均衡误差作用：由大量栅线共同形成的莫尔条纹对光栅栅线的刻线误差有均衡作用，提高了测量精度。

连续变倍作用：光栅的栅距是固定的，不同的倾斜角θ将可获得相应宽度的莫尔条纹，当θ连续变化时，考虑到光学放大作用，莫尔条纹的宽度也是连续变倍地变化。因此，可用改变θ的大小来选择任意粗细的莫尔条纹。五、（12分）试论述

（1）霍尔片不等位电势产生的原因及其补偿方法；

（2）若霍尔片采用恒流源供电，为补偿温度误差，采用在输入回路并联电阻，若已知霍尔元件灵敏度温度系数为时的输入电阻为

α，霍尔元件输入电阻温度系数为

β，温度t0

Ri0，霍尔元件灵敏度系数为KH0；温度t1时的输入电阻为

，请画

，霍尔元件灵敏度系数为

图并推导并联的电阻RP的大小。

答:

当t=t。灵敏度系数 KH0

输入电阻 R

I0

当t=t 灵敏度系数

输入电阻

为了使霍尔电势不随温度变化，要保证：

即

UT0=U

T

六、（12分）已知石英晶

体压电片上的极性如图（a）所示。

（a）x方向受压力（b）x方向受拉力

（c）y方向受压力

请回答：

1．石英晶体的压电效应有何特点？

（d）y方向受拉力

2．试标出图（b）、（c）、（d）所示的石英晶体压电片上电荷的极性，并结

合图说明什么叫纵向压电效应？什么叫横向压电效应？

3．压电传感器配用电路常采用电荷放大器，根据压电材料的等效模型推导电荷

放大器输出电压与电荷的关系；并说明电荷放大器有何特点。答：某些电介质物质，在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，

内部会产生极

化现象，同时在其表面上产生电荷；当外力去掉后，又重新回到不带电的状态，这种将机械能转变为电能的现象，称为

“正（顺）压电效应”。相反，在电介质

的极化方向上施加电场，它会产生机械变形，当去掉外加电场时，电介质的变形随之消失。这种将电能转换为机械能的现象，称为

“逆压电效应”。

石英晶体属六方晶系，是一个正六面体，有右旋和左旋石英晶体之分，在晶体学中用三根互相垂直的轴Z、X、Y 表示它的坐标。

Z 轴为光轴（中性轴），它是晶体的对称轴，光线沿折射现象，因而它的贡献是作为基准轴。

X 轴为电轴（垂直于光轴），该轴压电效应最显著，它通过正六棱柱相对的两个棱线且垂直于光轴

Z，显然X轴共有三个。

Z轴通过晶体不产生双

Y 轴为机械轴（力轴），显然也有三个，它垂直于两个相对的表面，在此轴上加力产生的变形最大。

2．这种沿X轴作用力，而在垂直于此轴晶面上产生电荷的现象，称为

电效应”。

这种沿Y轴作用力，而在垂直于

电效应。”3．

X轴的晶面上产生电荷的现象，称为

“横向压“纵向压

C/ACf <<1，1/A<<1时，

电荷放大器的输出电压仅与电荷量和反馈电容有关，只要保持反馈电容的数值不变，输入电压就正比于输入电荷量，且当（1+K）Cf>10（Ca+Cc+Ci）以上时，①可认为传感器的灵敏度与电缆电容无关，更换电缆和使用较长电缆（数百米）时，无需重新校正传感器灵敏度。Rf（约1010～1014Ω）提供直流反馈；

电荷放大器的时间常数RfCf相当大（105S以上），

下限截止频率fL=1/(2πRfCf) ，低达3×10-6Hz，上限频率高达100KHz，输入阻抗大于1012Ω，输出阻抗小于100Ω。

②压电式传感器配用电荷放大器时，低频响应比配用电压放大器要好得多，可对准静态的物理量进行有效的测量。