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辽宁业大学试题标准答案及评分标准2二、简答题（本大题共6小题，每小题5分，共30分）1、引起零点残余电压的原因是什么？如何消除零点残余电压？答：产生零点残余电压的原因是：传感器的两个二次绕组的电气参数与几何尺寸不对称；传感器磁性材料磁化曲线的非线性；励磁电压本身含高次谐波。消除办法：尽可能保证传感器的几何尺寸、绕组线圈电气参数和磁路的对称；采用适当的测量电路，如相敏检波整流电路。2、什么是正压电效应？什么是逆压电效应？什么是纵向压电效应？什么是横向压电效应？答：正压电效应就是对某些电介质沿一定方向施以外力使其变形时，其内部将产生极化现象而使其出现电荷聚集的现象。当在片状压电材料的两个电极面上加上交流电压，那么压电片将产生机械振动，即压电片在电极方向上产生伸缩变形，压电材料的这种现象称为电致伸缩效应，也称为逆压电效应。沿石英晶体的x轴（电轴）方向受力产生的压电效应称为“纵向压电效应”。沿石英晶体的y轴（机械轴）方向受力产生的压电效应称为“横向压电效应”。3、什么是霍尔效应？霍尔电动势与哪些因素有关？如何提高霍尔传感器的灵敏度？答、当载流导体或半导体处于与电流相垂直的磁场中时，在其两端将产生电位差，这一现象被称为霍尔效应。答：霍尔电动势IBKdIBRnedIBvBbbEUHHHH霍尔电动势与霍尔电场HE、载流导体或半导体的宽度b、载流导体或半导体的厚度d、电子平均运动速度v、磁场感应强度B、电流I有关。霍尔传感器的灵敏度neddRKHH1。为了提高霍尔传感器的灵敏度，霍尔元件常制成薄片行。又因为霍尔元件的灵敏度与载流子的浓度成反比，所以可采用自由电子浓度较低时的材料作霍尔元件。4、什么是光电效应和光电器件？光电效应有哪几大类？每种光电效应对应的常用光电器件都有哪些？答：所谓光电效应，是指物体吸收了具有一定能量的光子后所产生的电效应。根据光电效应原理工作的光电转换器件称为光电器件；光电效应分为内光电效应和外光电效应，外光电效应：是指在光线作用下，电子逸出物体表面的现象。相应的光电器件主要有光电管和光电倍增管；内光电效应：是指在光线作用下，物体的导电性能发生变化或者产生光生电动势的现象，它可分为光电导效应和光生伏特效应。内光电效应常用的器件有：光敏电阻、光电池、光敏二极管和光敏晶体管。5、采用热电阻测量温度时，常用的引线方式主要有哪几种？试述这几种引线方式各自的特点及适用场合？答：热电阻常用的引线方式主要有：两线制、三线制、四线制。两线制的特点是结构简单、费用低，但是引线电阻及其变化会带来附加误差。主要适用于引线不长、测温精度要求较低的场合。三线制的特点是可较好地减小引线电阻的影响，主要适用于大多数工业测量场合。辽宁业大学试题标准答案及评分标准3四线制的特点是精度高，能完全消除引线电阻的影响，主要适用于实验室等高精度测量场合。6、分析微波传感器的主要组成及其各自的功能。答：微波传感器主要包括：微波发生器、微波天线及微波检测器。微波发生器是产生微波的装置；微波天线用于将振荡器产生的微波信号发射出去的装置；微波检测器用于探测微波信号的装置。四、分析计算题（共4题，共计35分）1、（7分）某温度传感器为时间常数s3的一阶系统，当传感器受突变温度作用后，试求传感器指示出温度最终输出值的三分之一和二分之一所需的时间。解：传感器受突变温度可以看作输入是阶跃函数，对于一阶系统，其阶跃输入响应为)1()(teAty，当输出达到输入的三分之一时，AeAtyt31)1()(，此时对应的时间st2164.132ln3)311ln(1同理，当当输出达到输入的二分之一时，AeAtyt21)1()(，此时对应的时间st08.221ln3)211ln(22、（6分）某一电容测微仪,传感器的圆形极板半径mmr4,工作初始间隙mmd3.0,问(1)工作时,如果传感器与工件的间隙变化量md2时,电容变化量是多少?(2)如果测量电路的灵敏度pFmVS/1001,读数仪表的灵敏度/mV52格S,在md2时,读数仪表的示值变化多少格?解：（1）pFmFdACr48.1103.01044/10854.83612000pFpFddCC2460010987.010310248.1（2）系统总的灵敏度为：/pF50021格SSS所以读数仪表的示值变化为：格510987.05002pFCSy3、（6分）某霍尔元件尺寸(l,b,d)为1.0cm*0.35cm*0.1cm，沿l方向通以电流I=1.0mA，在垂直lb面加有均匀磁场B=0.3T，传感器的灵敏度系数为22V/A*T,求其输出霍尔电动势和载流子浓度。解：霍尔电势为mVmVIBKUHH6.63.0100.1223辽宁业大学试题标准答案及评分标准4TVTmVBUvbvBbUHH/102.23.06.6,424193101.0102.2106.1101,nnevbdI320/1084.2mn4、（10分）用两只K型热电偶测量两点温差，其连线如图所示，已知4201t℃，300t℃，显示仪表显示的温差电势为15.24mV，（1）试问两点温差为多少；（2）后来发现1t温度下的那只热电偶错用E型热电偶，其它都正确，试求两点实际温差。（已知K型热电偶e（420，0）=17.241mV，e（30，0）=1.203mV，e（49.5，0）=2.001mV，e（40，0）=1.611mV，e（360，0）=14.708mV，e（440，0）=18.088mV；E型热电偶e（420，0）=30.546mV，e（30，0）=1.801mV；）解：（1）由测温原理知：eAB（t1，t0）-eAB（t2，t0）=15.24eAB（t1，0）-eAB（t2，0）=15.24eAB（t2，0）=eAB（t1，0）-15.24=eAB（420，0）-15.24=17.241-15.24=2.001mV（4分）由e（49.5，0）=2.001mV，t2=49.5℃，△t=420-49.5=370.5℃（2）（2）：eABE（t1，t0）-eABK（t2，t0）=15.24[eABE（t1，0）-eABE（t0，0）]-[eABK（t2，0）-eABK（t0，0）]=15.24eAB（t2，0）=[eABE（t1，0）-eABE（t0，0）]+eABK（t0，0）-15.24=[eABE（420，0）-eABE（30，0）]+eABK（30，0）-15.24=30.546-1.801+1.203-15.24=14.708（4分）由e（360，0）=14.708mV，t2=360℃，△t=420-360=60℃（2分）5、（6分）试计算45.1,46.121nn的阶跃折射率光纤的数值孔径值。如果光纤外部介质的10n，求最大入射角c的值。辽宁业大学试题标准答案及评分标准5解：2221222101sinnnnnnc17.045.146.1sin222221nnNAcradnnc8.917.0arcsinarcsin2221四、综合设计分析题（本大题共15分）在如图所示的悬梁测力系统中，可能用到的四个相同特性的电阻应变片为4321,,,RRRR，各应变片灵敏系数2K，初值为100。当试件受力F时，若应变片要承受应变，则其平均应变为mm/1000。测量电路的电源电压直流3V。（1）若只用一个电阻应变片构成单臂测量电桥，求电桥输出电压及电桥非线性误差。（2）若要求用两个电阻应变片测量，且既要保持与单臂测量电桥相同的电压灵敏度，又要实现温度补偿，请在图中标出两个应变片在悬梁上所贴的位置；绘出转换电桥，标明这两个应变片在桥臂中的位置。（3）要使测量电桥电压灵敏度提高为单臂工作时的4倍，请在图中标出各应变片在悬梁上所贴的位置；绘出转换电桥，标明各应变片在各桥臂中的位置；并给出此时电桥输出电压及电桥非线性误差的大小。解：解：（1）设用电阻应变片R1作测量电桥的测量臂，其他桥臂电阻初值为100。KRR112.0100/1000211mmRKR%2.01002.011RR设当R1有1R变化时，电桥输出电压为01UVVERRRRU0015.0)212.02002.0100(3)212(111101非线性误差：%1.0%1002/12/1111RRRRL辽宁业大学试题标准答案及评分标准6（2）应该在悬梁臂的正（或反）面沿梁的向贴测量应变片R1，沿着与梁的轴向垂直的方向贴温度补偿应变片R2，使得测量应变片和温度补偿应变片处于同一温度场中，如下图所示。（3）要使电桥电压灵敏度为单臂工作时的四倍，则应该在悬梁的正反面对于贴上四个相同的应变片，两个受拉应变，两个受压应变，形成全桥差动电桥，如下图所示。此时，VRREU006.011020L（1）全桥电路如图所示。所以电桥输出电压为iiURRRRRRRRURRRRRRU))(()(324142313224110初始状态（F=0）时，04321RRRRR所以00U；辽宁业大学试题标准答案及评分标准7当0F时，404303202101,,,RRRRRRRRRRRR，所以，iURRRRRRRRRRRRRRRRU))(())(())((30204010402030100因为RR所以对上式作近似处理，略去分母中的R项及分子中R的高次项，则iiURRRRRURRRRRRRRRRRU0423120402020301020044设轴向应变为x，则径向应变为x，由传感器的结构示意图可知，当传感器受力F时，应变片R1和R3产生的应变效应为x31，而应变片R2和R4的应变为x42。又应力SF，所以，应变ESFEx所以，ESFKRKRRRx000031，ESFKRKRRRx000042代入U0计算公式中可得FESUKESFKUURESFKRESFKRUiii2)1()1(2422000000002、工作原理：当传感器弹性元件受到沿轴向的外力F时，将产生一定形变从而引起粘贴在弹性元件上的四个应变片（两个沿轴向粘贴，另两个沿径向粘贴）发生相应应变，致使其中两个应变片阻值增加，另两个应变片阻值减小。将四个应变片接入所设计的全桥电路中，经推导，测量电路输出电压FESUKUi2)1(00由上式可见，当SEK,,,0及桥路电源iU一定时，输出电压0U与外力F成正比，即输出电压0U的大小反映了被测力F的大小，如此实现了对外力F的测量。（注：试卷中学生因四舍五入原因计算结果与答案不一致不扣分，公式对而结果错误的酌情给分）