西华大学传感器原理与技术A试卷(含答案)

西华大学课程考核试题卷试卷编号：A（2016至2017学年第2学期）课程名称：传感器原理与技术考试时间：110分钟课程代码：150106139试卷总分：100分考试形式：闭卷学生自带普通计算器：不允许一、选择题（在每个小题四个备选答案中选出一个正确答案）（本大题共20小题，每小题2分，总计20分）1.仪表的精度等级是用仪表的（A）来表示的。A.绝对误差B.相对误差C.粗大误差D.随机误差2.下列哪一个不属于传感器的静态特性（B）A.线性度B.传递函数C.精度D.灵敏度3.压电式传感器的前置放大器的作用是（B）A.将输出电流放大，并与输入电压或输入电流成正比B.将输出电压放大，并与输入电压或输入电流成正比C.将输入电压放大，并与输出电压或输出电流成正比D.将输入电流放大，并与输出电压或输出电流成正比4.光纤的数值孔径的定义是（D）A.22210321sinnnnNAcB.22210cosnnnNAcC.323101tannnnNAcD.222101sinnnnNAc5.小气隙电感式传感器与小气隙电容式传感器的主要区别是（D）A.电容式有电场边界效应，而电感式则没有。B.电容式的可动部分是有摩檫支撑，而电感式则是无摩擦支撑。C.电容式的基本输入量是较小的位移，而电感式则是较小的速度。D.电容式抗干扰能力差，而电感式则抗干扰能力强。6.关于电涡流传感器，下列说法不正确的是（C）A.电涡流传感器工作必须有一个交变磁场的激励源。B.电涡流传感器既是一个电感式传感器，又是一个特别的电感式传感器。C.电涡流传感器的测量属于接触性测量。D.电涡流传感器属于主动式传感器，即主动发射能量。7.下列不属于热电偶传感器的特点的是（A）A.输出信号为电流，因此测量可不要外加电源年级专业：教学班号：学号：姓名：装订线B.结构简单，制作容易，使用方便。C.测量精度高，热电偶与被测对象直接接触，不受中间介质影响。D.便于远距离测量，自动记录及多点测量。8.下列哪项不属于热敏电阻温度传感器的基本类型（D）A.负温度系（NTC）数热敏电阻B.正温度系数（PTC）热敏电阻C.临界温度系数（CTC）热敏电阻D.复合温度系数（RTC）热敏电阻9.不属于霍尔元件特性的是（C）A.输入电阻和输出电阻B.额定控制电流C.等位电动势D.霍耳电压10.根据法拉第效应调制的光纤传感器方法是（A）A.偏振态调制法B.相位调制法C.强度调制法D.频率调制法二、填空题（本大题共10空，每空1分，总计10分）1、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，传感器通常由直接响应于被测量的敏感元件和产生可用信号输出的转换元件组成。(3分)2、电容式传感器按其工作原理可分为变介质型、变面积型、和变极距型三种。（3分）3、半导体气敏传感器是利用待测气体与半导体表面接触时，产生的电导率等物理性质变化来检测气体的。按照半导体与气体相互作用时产生的变化只限于半导体表面或深入到半导体内部，可分为表面控制型和体控制型，按照半导体变化的物理特性，又可分为电阻型和非电阻型。（4分）1、三、判断题（请在正确命题后括号内划“√”，错误命题后括号内划“×”）（10分，每题1分）1、纵波只能在固体介质中传播。（×）2、在同一测量条件下，多次测量被测量时，绝对值和符号保持不变，或在条件改变时，按一定规律变化的误差称为系统误差。（√）3、电涡流式传感器不能对一些参数进行非接触的连续测量。（×）4、热电偶正向串联，可获得较大的热电势输出和提高灵敏度。（√）5、沿石英晶体的电轴施加压力，而在垂直于电轴晶面上产生电荷的现象称为“横向压电效应”。（×）6、一般希望光纤模式数量越多越好。（×）7、基于光生伏特效应的光电器件有光电池和光敏电阻。（×）8、在对同一被测量的多次测量过程中，随机误差的变化是可预测的。（×）9、压电式传感器更适用于静态测量。（×）10、电阻应变式传感器是以热敏电阻为电阻转换元件的传感器。（×）四、简答题（本大题共5小题，共30分）1、什么是传感器的动态特性和静态特性？（6分）答：传感器的静态特性是指被测量的值处于稳定状态时的输出与输入的关系。通常，要求传感器在静态情况下的输出输入关系保持线性。可表示为下式Y=a0+a1X+a2X2+···+anXn式中，Y为输出量；X为输入量；a0为零位输出；a1为传感器的灵敏度，常用K表示；a2，a3，···，an为非线性项待定常数。传感器的动态特性是指其输出对随时间变化的输入量的响应特性。传感器所检测道德非电量信号大多数是时间的函数。为了使传感器输出信号和输入信号随时间的变化曲线一致或者相近，传感器不仅要有良好的静态特性，而且应该具有良好的动态特性。2、请阐述电阻应变式传感器工作原理。（6分）答：电阻应变式传感器，就是由于某些物理量的变化引起应变，应变引起电阻变化的一种传感器。电阻应变式传感器主要是由弹性敏感元件和电阻应变片组成，弹性敏感元件的材料是弹性物质，其作用是在感受被测量是将产生形变，其表面产生应变；而粘贴在弹性敏感元件表面的电阻应变片将随着弹性敏感元件产生应变，因此电阻应变片的电阻值也产生相应的变化，即测量电阻应变片的电阻值的变化，就可以确定被测量的大小。3、请详细阐述压电效应。（6分）答：某些电介质,当沿着一定方向对其施力而使它变形时,其内部就产生极化现象,同时在它的两个表面上便产生符号相反的电荷,当外力去掉后,其又重新恢复到不带电状态，这种现象称压电效应。当作用力方向改变时,电荷的极性也随之改变。把这种机械能转为电能的现象,称为“正压电效应”。相反,当在电介质极化方向施加电场,这些电介质也会产生变形,外电场撤离，变形也随着消失，这种现象称为“逆压电效应”（电致伸缩效应）。4、什么是霍尔电动势产生的原理？（6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产生电场，相应的电势称为霍尔电势UH。5、什么是光敏电阻的亮电流、暗电流？何为光电流？（6分）暗电流：光敏电阻在不受光照射时的阻值称为暗电阻，此时流过的电流称为暗电流。亮电流：光敏电阻在受光照射时的电阻称为亮电阻，此时流过的电流称为亮电流。光电流：亮电流与暗电流之差称为光电流。五、计算题（本大题共3个小题，共30分）1、如图所示电路是电阻应变仪中所用的不平衡电桥的简化电路，图中R3=R4=R是固定电阻，R1与R2是电阻应变片，工作时R1受拉，R2受压，ΔR=0，桥路处于平衡状态，当应变片受力发生应变时，桥路失去平衡，这时，就用桥路输出电压Ucd表示应变片变后电阻值的变化量。试证明：Ucd=-（E/2）(ΔR/R)。（8分）证明：RRRRRR21,433212RRRERRRUcd（2分）因为R2R1+R2=R−ΔR2R，𝑘3𝑅3+𝑅4=𝑅2𝑘（4分）所以RREERRERRRUcd222（2分）3R4R2R1R+-cdUabdcE2、设有一段圆柱形光纤如图所示，试述光纤的传光原理，并推导光在光纤内发生全反射时，入射角θi应满足的条件。（10分）2ciin0n2n1纤芯包层答：（1）当光线射入一个端面并与圆柱的轴线成θi角时，在端面发生折射进入光纤后,又以φi角入射至纤芯与包层的界面，光线有一部分透射到包层，一部分反射回纤芯。但当入射角θi小于临界入射角θc时，光线就不会透射界面，而全部被反射，光在纤芯和包层的界面上反复逐次全反射，呈锯齿波形状在纤芯内向前传播，最后从光纤的另一端面射出，这就是光纤的传光原理。（4分）（2）根据斯涅耳（Snell）光的折射定律，由图可得：'sinsin'sinsin2110nnnnii若要在纤芯和包层的界面上发生全反射，则界面上的光线临界折射角90c，即90c。而2'12121111sin1sin1cos2sin'sinnnnnnnniii当90c时，有22211'sinnnn因为'sinsin10nni（4分）所以，为满足光在光纤内的全内反射，光入射到光纤端面的入射角θi应满足222101arcsinnnnci（2分）3、推导差动自感式传感器的灵敏度，并与单极式相比较。（12分）解：设电感传感器初始气隙为δ0，初始电感量为L0，衔铁位移引起的气隙变化量为Δδ.当衔铁上移Δδ时，传感器气隙减小Δδ，即δ=δ0-Δδ，则此时输出电感为L=L0+ΔL，00000201)(2LSWLLL（2分）当Δδ/δ01时，2000011LL（2分）同理，当衔铁随被测体的初始位置向下移动Δδ时，302000021LL（2分）差动式灵敏度：40200021012LLLLK单极式传感器灵敏度：3020000201LLK（4分）比较后可见灵敏度提高一倍，非线性大大减少。（2分）