1、第 1 页 共 31 页 传感器 与自动检测技术 仿真试 题 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、 下列不属于按传感器的工作原理进行分类的传感器是（ B ）。 A. 应变式传感器 B. 化学型传感器 C. 压电式传感器 D. 热电式传感器 2、 传感器的下列指标全部属于静态特性的是（ C ） A线性度、灵敏度、阻尼系数 B幅 频特性、相频特性、稳态误差 C迟滞、重复性、漂移 D精度、时间常数、重复性 3、 测量者在处理误差时，下列哪一种
2、做法是无法实现的（ A ） A消除随机误差 B减小或消除系统误差 C修正系统误差 D剔除粗大误差 4、 电感式传感器采用变压器式交流电桥测量电路时，下列说法不正确的是（ C ）。 A. 衔铁上、下移动时，输出电压相位相反 B. 衔铁上、下移动时，输出电压随衔铁的位移而变化 C. 根据输出的指示可以判断位移的方向 D. 当衔铁位于中间位 置时，电桥处于平衡状态 5、 关于压电式传感器中压电元件的连接，以下说法正确的是（ A ） A与单片相比，并联时电荷量增加 1 倍、电容量增加 1 倍、输出电压不变 B. 与单片相比，串联时电荷量增加 1 倍、电容量增加 1 倍、输出电压增大 1 倍 C与单片相
3、比，并联时电荷量不变、电容量减半、输出电压增大 1 倍 第 2 页 共 31 页 D. 与单片相比，串联时电荷量不变、电容量减半、输出电压不变 6、 在红外技术中，一般将红外辐射分为四个区域，即近红外区、中红外区、远红外区和 （ D ） 。这里所说的 “ 远近 ” 是相对红外辐射在电磁波谱中与可见光的距离而言。 A.微波区 B.微红外区 C.X 射线区 D.极远红外区 7、 下列关于微波传感器的说法中错误的是（ A ） A.可用普通电子管与晶体管构成微波振荡器 B.天线具有特殊结构使发射的微波具有尖锐的方向性 C.用电流 电压特性呈非线性的电子元件做探测微波的敏感探头 D.可分为反射式和遮断式
4、两类 8、 若已知超声波传感器垂直安装在被测介质底部，超声波在被测介质中的传播速度为 1480m/s，测量时间间隔为 200us，则物位高 度为（ B ） A 296mm B 148mm C 74mm D条件不足，无法求出 9、 现有一个采用 4 位循环码码盘的光电式编码器，码盘的起始位置对应的编码是 0011，终止位置对应的编码是 0101，则该码盘转动的角度可能会是（ C ） A 45 B.60 C.90 D.120 10、 用 N 型材料 SnO2 制成的气敏电阻在空气中经加热处于稳定状态后，与氧 气接触后（ B ） A电阻值变小 B电阻值变大 C电阻值不变 D不确定 二、简答题（本大题
5、共 5 小题，每小题 6 分，共 30 分） 1、 什么是传感器？ 传感器的共性是什么？ 答：传感器是能够感受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。传感器是实现传感功能的基本部件。 传感器的共性就是利用物理定律和物质的物理、化学或生物特性，将非电量（如位移、速度、加速度、力等）转换成电量（电压、电流、电容、电第 3 页 共 31 页 阻等）。 2、 试推导差动变隙式电感传感器的灵敏度，并与单极式相比较。 答：设两差动线圈初始气隙厚度均为 0 ，初始电感均为 0L ，且 00020 2 AWL 当衔铁向上移动 时，则 )(2 0 002101 AWLLL，)(2 0 002202
6、AWLLL 2121 LLLLL 200000020002)(112)(2)(2 LAWAW 当 0 时，002 LL 灵敏度为：002 LLK 由此可见，与单极式相比，其灵敏度提高了一倍（单极式为00 LLK ）。 3、 结合下图说明霍尔式微位移传感器是如何实现微位移测量的？ S N N S z z z霍尔元件第 4 页 共 31 页 答： 霍尔元件处于中间位置时，同时受到大小相等、方向相反的磁通作用，磁感应强度 B=0， 因此霍尔元件输出的霍尔电势 UH 0，位移 Z=0。若霍尔元件沿 Z 向移动，在两磁铁中产生相对位移， 霍尔元件感受到的磁感应强度0B ， 0 zKIBKU HH ，其量
7、值大小反映出霍尔元件与磁铁之间相对位置的变化量。 所以， 霍尔电势 UH 与位移量 Z 成线性关系，且 霍尔电势的极性反映了霍尔片的移动方向（位移方向）。磁场变化率越大，灵敏度越高，可测 12mm 的小位移，动态范围达 5mm。 4、 光在 光纤 中是怎样传输的？对光纤及入射光的入射角有什么要求 ？ 答：光在同一种介质中是直线传播的，当光线以不同的角度入射到光纤端面时，在端面发生折射进入光纤 后，又入射到折射率较大的光密介质（纤芯）与折射率较小的光疏介质（包层）的交界面，光线在该处有一部分投射到光疏介质，一部分反射回光密介质。 对光纤的要求是包层和纤芯的折射率不同，且纤芯的折射率大于包层的折射
8、率。对入射角的要求是入射角小于临界角。 5、 简述计量光栅的结构和基本原理。 答：计量 光栅传感器的结构包括两个部分：光电转换装置和光栅数显表，其中前者又包括以下四个部分：主光栅 (又称标尺光栅 ) ，均匀地刻划有透光和不透光的线条；指示光栅，刻有与主光栅同样刻线密度的条纹；光路2 ciin0n2n1纤 芯包 层第 5 页 共 31 页 系统，包括光源 和透镜；光电元件。计量光栅主要利用了莫尔条纹现象。主光栅与指示光栅的栅线叠合在一起，中间保持很小的夹角 ，在大致垂直于栅线的方向上会出现明暗相间的条纹，称为莫尔条纹。光栅测量原理就是以移动的莫尔条纹的数量来确定位移量，其分辨率为光栅栅距。 三、
9、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、 铜电阻的电阻值 R 与温度 t 之间的关系为 )1(0 tRRt ，在不同温度下，测得铜电阻的电阻值如下表所示。请用最小二乘法求 0时的铜电阻的电阻值 0R 和铜电阻的电阻温度系数 。 Cti / 20.0 30.0 40.0 50.0 /tir 76.5 80.0 82.5 85.0 解 ：误差方程 iiti vtrr )1(0 4,3,2,1i 令 01 rx ， 02 rx 系数矩
10、阵0.5010.4010.3010.201A , 直接测得值矩阵0.855.820.805.76L , 被测量估计矩阵 21 xxX由最小二乘法： LAXAA ，则 5 4 0 01 4 0 1 4 040.5010.4010.3010.2010.500.400.300.201111AA 114803240.855.820.805.760.500.400.300.201111LA 02000 AA 第 6 页 共 31 页 4140 1405 4 002 0 0011)( 2221 12111 AA AAAAAA 28.0 2.71114803244140 140540020001 1 LAA
11、AX )(2.7110 xr )(/1093.32.71 28.0 302 Crx 2、 试计算某压力传感器的迟滞误差和重复性误差（一组测试 数据如下表示）。 行 程 输入压力 （ 105Pa） 输出电压 (mV) 正行程 2.0 190.9 191.1 191.3 4.0 382.8 383.2 383.5 6.0 575.8 576.1 576.6 8.0 769.4 769.8 770.4 10.0 963.9 964.6 965.2 反行程 10.0 964.4 965.1 965.7 8.0 770.6 771.0 771.4 6.0 577.3 577.4 578.4 4.0 38
12、4.1 384.2 384.7 2.0 191.6 191.6 192.0 解： 迟滞误差： 迟滞误差 %1 0 021 m a x FSH yHA 第一次测量：由所给数据可得 5.1max H ， 4.964FSy , %08.0%1004.964 5.121%10021 m a x1 FSH yH第 7 页 共 31 页 B 第二次测量：由所给数据可得 3.1max H ， 1.965FSy , %07.0%1001.965 3.121%10021 m a x2 FSH yHC 第三次测量：由所给数据可得 8.1max H ， 7.965FSy , %09.0%1 0 07.9 6 58.
13、121%1 0 021 m ax3 FSH yH 重复性误差： 由所给数据可得， 正行程： 3.1max1 R ，反行程： 3.1max2 R 3.1),m a x ( m ax2m ax1m ax RRR 又 7.965FSy 重复性误差 %13.0%1 0 07.9 6 53.1%1 0 0m ax FSR yR3、 电阻应变片阻值为 120 ，灵敏系数 2K ，沿纵向粘贴于直径为 m05.0的圆形钢柱表面，钢材的弹性模量 211 /102 mNE ， 3.0 ，（ 1）求钢柱受 N4108.9 拉力作用时应变片电阻的变化量 R 和相对变化量RR ；（ 2）又若应变片沿钢柱圆周方向粘贴，问
14、受同样拉力作用时应变片电阻的相对变化量为多少？ 解 ：（ 1） SEFKRR xx 且 第 8 页 共 31 页 )(06.0%05.0120%05.0%05.0102)205.0(14.3108.921142xxRRErFKRR（ 2） %0 1 5.0%05.03.0 xyy yRR 4、 已知分度号为 S 的热电偶冷端温度为 t0=20，现测得热电势为11.710mV，求 被测 温度为多少度？ (E(20,0)=0.113mv) 工作端 温度 ( ) 0 20 40 60 70 80 90 热电动势 (mv) 1100 10.754 10.991 11.229 11.467 11.587
15、 11.707 11.827 解 ： E（ t,t0） =11.710 E（ t,0 ） =E(t,t0)+E(t0,0 ) 11.710=E(t,0 )-E(20 ,0)=E(t,0 )-0.113 所以 E（ t,0 ） =11.823mV 查表： E(1180 ,0 )=11.707mV, E(1190 ,0 )=11.827mV 所以 MLM L H LHLE -Et = t + ( t t )E -E =1180 +11.823 11.70711.827 11.823 10 =1470 综合设计分析 题（本大题共 20 分） 如图为二极管环形检波测量电路。 1C 和 2C 为差动式电
16、容传感器， 3C 为滤波电容， LR 为负载电阻， 0R 为限流电阻， PU 为正弦波信号源。设 LR 很大，并且 13 CC ， 23 CC 。 (1)试分析此电路工作原理； (2)画出输出端电压 ABU 在 212121 CCCCCC 、 三种情况下波形； (3)推导 ),( 21 CCfU AB 的数学表达式。 第 9 页 共 31 页 解 ： (1)工作原理： pU 为交流信号源，在正、负半周内电流的流程如下 正半周： 点点点 ）点（点）（、点 BREDCF IBARCDCF L 032 1311负半周： 点点点 ）点（点、点 FCDERB IFCDARCB L 140 2223由以上
17、分析可知：在一个周期内，流经负载 LR 的电流 1I 与 1C 有关， 2I 与 2C有关。因此每个周期内流过负载电流是 21 II 的平均值，并随 1C 和 2C 而变化。输出电压 ABU 可以反映 1C 和 2C 的大小。 (2) 输出端电压 ABU 在 212121 CCCCCC 、 三种情况下波形如下图所示 （ 3） PUCjI 11 因 13 CC 、 23 CC ， 3C 阻抗可忽略 则 PUCjI 22 第 10 页 共 31 页 ABAB ZIIU )( 21 3321 11)(CjRCjRUCCjLLP LR 很大， 所以分母31Cj 可忽略 PLLPUCCCRCjRUCCj3213211)( 输出电压平均值PAB UC CCKU 3 21 K 为滤波系数
