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1、2 简述热电偶的工作原理。(6分)答:热电偶的测温原理基于物理的“热电效应”。所谓热电效应,就是当不同材料的导体组成一个闭合回路时,若两个结点的温度不同,那么在回路中将会产生电动势的现象。两点间的温差越大,产生的电动势就越大。引入适当的测量电路测量电动势的大小,就可测得温度的大小。3 以石英晶体为例简述压电效应产生的原理。(6分)答:石英晶体在沿一定的方向受到外力的作用变形时,由于内部电极化现象同时在两个表面上产生符号相反的电荷,当外力去掉后,恢复到不带电的状态;而当作用力方向改变时,电荷的极性随着改变。晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比。这种现象称为正压电效应。反之,如对石英晶体施加一
2、定变电场,晶体本身将产生机械变形,外电场撤离,变形也随之消失,称为逆压电效应。石英晶体整个晶体是中性的,受外力作用而变形时,没有体积变形压电效应,但它具有良好的厚度变形和长度变形压电效应。4 简述电阻应变片式传感器的工作原理(6分)答:电阻应变片的工作原理是基于电阻应变效应,即在导体产生机械变形时,它的电阻值相应发生变化。1、什么是传感器动态特性和静态特性,简述在什么频域条件下只研究静态特就能够满足通常的需要,而在什么频域条件下一般要研究传感器的动态特性?(10分)答:传感器的特性是指传感器所特有性质的总称。而传感器的输入输出特性是其基本特性,一般把传感器作为二端网络研究时,输入输出特性是二端
3、网络的外部特性,即输入量和输出量的对应关系。由于输入量的状态(静态、动态)不同分静态特性和动态特性。静态特性是指当输入量为常量或变化极慢时传感器输入-输出特性。动态特性指当输入量随时间变化时传感器的输入-输出特性。可以从时域和频域来研究动态特性2、简述霍尔电动势产生的原理。(5分)答:一块半导体薄片置于磁感应强度为B的磁场(磁场方向垂直于薄片)中,当有电流I流过时,电子受到洛仑兹力作用而发生偏转。结果在半导体的后端面上电子有所积累。而前端面缺少电子,因此后端面带负电,前端面带正电,在前后端面形成电场,该电场产生的力阻止电子继续偏转当两力相平衡时,电子积累也平衡,这时在垂直于电流和磁场的方向上将
4、产生电场,相应的电势称为霍尔电势UH。3、分析应变片式传感器在使用单臂电桥测量电路时由于温度变化而产生测量误差的过程。(10分)答:在外界温度变化的条件下,由于敏感栅温度系数及栅丝与试件膨胀系数()之差异性而产生虚假应变输出有时会产生与真实应变同数量级的误差。二、寄生电容与电容传感器相关联影响传感器的灵敏度,它的变化为虚假信号影响传感器的精度。试阐述消除和减小寄生电容影响的几种方法和原理。(15分)三、在生产过程中测量金属板的厚度,非金属板材的镀层厚度时常用涡流传感器。试简要叙述说明利用涡流传感器测量金属板厚度的工作原理及实现工艺。(15)1 光纤传感器的工作原理。(4分)答:光导纤维工作的基
5、础是光的全内反射,当射入的光线的入射角大于纤维包层间的临界角时,就会在光纤的接口上产生全内反射,并在光纤内部以后的角度反复逐次反射,直至传递到另一端面。光纤传感器利用光导纤维,按其工作原理来分有功能型(或称物性型、传感型)与非功能型(或称结构型、传光型)两大类。功能型光纤传感器其光纤不仅作为光传播的的波导,而且具有测量的功能。非功能型光纤传感器其光纤只是作为传光的媒介,还需加上其他敏感元件才能组成传感器。5、什么是传感器静态特性。(4分)答:传感器的静态特性是指当输入量为常量或变化极慢时传感器输入输出特性。三、什么叫做热电动势、接触电动势和温差电动势?说明势电偶测温原理及其工作定律的应用。分析
6、热电偶测温的误差因素,并说明减小误差的方法(10分)答:热电动势:两种不同材料的导体(或半导体)A、B串接成一个闭合回路,并使两个结点处于不同的温度下,那么回路中就会存在热电势。因而有电流产生相应的热电势称为温差电势或塞贝克电势,通称热电势。 接触电动势:接触电势是由两种不同导体的自由电子,其密度不同而在接触处形成的热电势。它的大小取决于两导体的性质及接触点的温度,而与导体的形状和尺寸无关。温差电动势:是在同一根导体中,由于两端温度不同而产生的一种电势。热电偶测温原理:热电偶的测温原理基于物理的“热电效应”。所谓热电效应,就是当不同材料的导体组成一个闭合回路时,若两个结点的温度不同,那么在回路
7、中将会产生电动势的现象。两点间的温差越大,产生的电动势就越大。引入适当的测量电路测量电动势的大小,就可测得温度的大小。热电偶三定律a中间导体定律热电偶测温时,若在回路中插入中间导体,只要中间导体两端的温度相同,则对热电偶回路总的热电势不产生影响。在用热电偶测温时,连接导线及显示一起等均可看成中间导体。b中间温度定律任何两种均匀材料组成的热电偶,热端为T,冷端为时的热电势等于该热电偶热端为T冷端为时的热电势与同一热电偶热端为,冷端为时热电势的代数和。应用:对热电偶冷端不为时,可用中间温度定律加以修正。热电偶的长度不够时,可根据中间温度定律选用适当的补偿线路。c参考电极定律如果A、B两种导体(热电
8、极)分别与第三种导体C(参考电极)组成的热电偶在结点温度为(T,)时分别为,那么爱相同温度下,又A、B两热电极配对后的热电势为实用价值:可大大简化热电偶的选配工作。在实际工作中,只要获得有关热电极与标准铂电极配对的热电势,那么由这两种热电极配对组成热电偶的热电势便可由上式求得,而不需逐个进行测定。误差因素:参考端温度受周围环境的影响措施:a 恒温法 b计算修正法(冷端温度修正法)c仪表机械零点调整法d热电偶补偿法e电桥补偿法f冷端延长线法四、霍尔元件能够测量哪些物理参数?霍尔元件的不等位电势的概念是什么?温度补偿的方法有哪几种?请详细推导分流法。(10分)答:霍尔组件可测量磁场、电流、位移、压
9、力、振动、转速等。 霍尔组件的不等位电势是霍尔组件在额定控制电流作用下,在无外加磁场时,两输出电极之间的空载电势,可用输出的电压表示。 温度补偿方法: a 分流电阻法:适用于恒流源供给控制电流的情况。 b 电桥补偿法五、论述CCD的工作原理,如何用设计一台摄像机。7.4(6分)答:CCD是一种半导体器件,在N型或P型硅衬底上生长一层很薄的SiO2,再在SiO2薄层上依次序沉积金属电极,这种规则排列的MOS电容数组再加上两端的输入及输出二极管就构成了CCD芯片。CCD可以把光信号转换成电脉冲信号。每一个脉冲只反映一个光敏元的受光情况,脉冲幅度的高低反映该光敏元受光的强弱,输出脉冲的顺序可以反映光
10、敏元的位置,这就起到图像传感器的作用。一、 简答题(30分,6分/题)1、 从传感器的静态特性和动态特性考虑,详述如何选用传感器。答:考虑传感器的静态特性的主要指标,选用线性度大、迟滞小、重复性好、分辨力强、稳定性高、抗干扰稳定性高的传感器。考虑动态特性,所选的传感器应能很好的追随输入量的快速变化,即具有很短的暂态响应时间或者应具有很宽的频率响应特性。2、 直流电桥和交流电桥有何区别?直流电桥的平衡条件是什么?应变片式电阻传感器、自感式、互感式、涡流式、电容式、热电阻式传感器分别可采用哪种电桥作为测量电路?答:根据电源不同分为直流和交流电桥。直流电桥优点:高稳定度直流电源容易获得,电桥平衡电路
11、简单,传感器至测量仪表的连接导线分布参数影响小。但是后续要采用直流放大器,容易产生零点漂移,线路也较复杂。交流电桥在这些方面都有改进。直流电桥平衡条件:R1/R2=R3/R4 ,R1R4=R2R3。3、 以自感式传感器为例说明差动式传感器可以提高灵敏度的原理。解:差动式灵敏度:与单极式传感器灵敏度比较灵敏度提高一倍,非线性大大减少。4、 光电池的工作原理,指出它应工作在电流源还是电压源状态。答:光电池是基于光生伏特效应制成的,是自发电式;是有源器件。它有较大面积的P一N结,当光照射在P一N结上时则在结的两端出现电动势。它应工作在电压源状态。5、 按照传感型(功能型)和传输型光纤传感器的特点应该
12、选用哪种光纤(单模/多模),为什么?答:功能型(或称物性型、传感型)光纤不仅作为光传播的波导而且具有测量的功能。它可以利用外界物理因素改变光纤中光的强度、相位、偏振态或波长,从而对外界因素进行测量和数据传输。可分为振幅调制型、相位调制型及偏振态调制型。多模单模皆可非功能型(或称结构型、传光型) 其光纤只是作为传光的媒介,还需加上其它敏感元件才能组成传感器。多模。6、 传感器的定义和组成框图?画出自动控制系统原理框图并指明传感器在系统中的位置和作用。答:传感器是能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,通常由敏感元件和转换元件组成。传感器处于研究对象与测试系统的接口位置,即
13、检测与控制之首。传感器是感知、获取与检测信息的窗口,一切科学研究与自动化生产过程要获取的信息都要通过传感器获取并通过它转换成容易传输与处理的电信号,其作用与地位特别重要。辅助电源信号调节转换电路传感元件被测量敏感元件组成框图:自动控制系统原理框图:传感器的作用:感受被测量并转换成可用输出信号传送给控制对象。扰动e给定 +对象传感器反馈装置7、 试列出你所学过的不同工作原理传感器哪些可用于非接触式测量,哪些用于接触式测量,测量何种物理量?(各3种)答:非接触式测量:a) 热电式传感器:测量温度b) 光纤传感器:测量光信号c) 核辐射传感器:测量核辐射粒子接触式测量:a) 电位器式压力传感器:测量
14、压力b) 应变片式电阻传感器:测量电阻值c) 应变式扭矩传感器:测量扭矩8、 光电效应可分为哪三种类型,简单说明传感器的原理并分别列出以之为基础的光电传感器。答:光电效应可分为:a) 外光电效应:指在光的照射下,材料中的电子逸出表面的现象。光电管及光电倍增管均属这一类。它们的光电发射极,即光明极就是用具有这种特性的材料制造的。b) 内光电效应:指在光的照射下,材料的电阻率发生改变的现象。光敏电阻即属此类。c) 光生伏特效应:利用光势垒效应,光势垒效应指在光的照射下,物体内部产生一定方向的电势。光电池是基于光生伏特效应制成的,是自发电式有源器件。9、 光导纤维导光的原理是什么?按其传输模式分为哪
15、两种类型?传感型(功能型)和传输型光纤传感器按照其特点应该选用哪种光纤?答:光导纤维工作的基础是光的全内反射,当射入的光线的入射角大于纤维包层间的临界角时,就会在光纤的接口上产生全内反射,并在光纤内部以后的角度反复逐次反射,直至传递到另一端面。 按其传输模式可分为单模和多模两种。 传感型(功能型)光纤传感器应该选用单模光纤,传输型光纤传感器应选用多模光纤。10、 传感器(或测试仪表)在第一次使用前和长时间使用后需要进行标定工作,请问标定的意义?答:传感器的标定分为静态标定和动态标定两种。静态标定的目的是确定传感器静态特性指标,如线性度、灵敏度、滞后和重复性等。动态标定的目的是确定传感器的动态特性参数,如频率响应、时间常数、固有频率和阻尼比等。11、 压电式传感器的前置放大器的作用是什么?电压式与电荷式前置放大器各有何特点?答:作用是将输出电压放大,并与输入电压或输入电流成正比。电压放大器将压电式传感器的高输出阻抗经放大器变换为低阻抗输出,并将微弱的电压信号进行适当放大,但其所接配的压电式传感器的电压灵敏度将随电缆分布电容及传感器自身电容的变化而变化,而且电缆的的更换得引起重新标定的麻烦。电荷放大器是一种具有深度电容负反馈的高增益运算放大器,其虽然允许使用很长的电缆,并且电