06年传感器技术试题参考答案及评分标准(A 卷)
填空题(15题,每题2分,共30分)
传感器的输入输出特性指标可分为__静态_____和动态指标两大类,线性度和灵敏度是传感器的___静态________指标,而频率响应特性是传感器的 动态 指标.
导电丝材的截面尺寸发生变化后其电阻会发生变化,用这一原理可制成的传感器 称为_电阻应变式_______式传感器,利用有料具有磁致伸缩效应可制成的__压磁式________传感器也可用以测量力,而压电式传感器则利用了一些具有离子型晶体电介质的____压电_______效应,它敏感的最基本的物理量也是力.
热电式传感器中,能将温度变化转换为___电阻_______变化的一类称为热电阻,而能将温度变化转换为电势的称为__热电偶______,其中__热电偶_____式传感器在应用时需要做温度补偿(冷端补偿).
旋转式编码器用以测量转轴的角位移,其中__绝对式编码器________在任意位置都有固定的数字编码与位置对应,线数为360线的增量式编码器分辨力为___1_________(角)度.
光电效应分为 内光电效应 和 外光电效应 两大类.
光纤的核心是由折射率 较大的纤芯 和折射率 较小的包层 构成的双层同心圆柱结构.
简答题:(20分 每小题5分)
简要说明电容式传感器的原理.
电容式传感能将被测量转换为传感器电容变化(1分).传感器有动静两个板板,板板间的电容为: ,式中:
ε0 真空介电常数:(8.854×10-12 F/m εr 介质的相对介电常数
δ 两极板间的距离有关 A 极板的有效面积(3分)
当动板板运动或极板间的介质变化就会引起传感器电容值的变化,从而构成变极距式,变面积式和变介质型的电容式传感器.(1分)
简要说明光栅尺的原理.
光栅是基于莫尔条纹现象的.当两组间隔B相同,并有一夹角θ的光栅相互错动时,会形成明暗相间的移动条纹,称为莫尔条纹.莫尔条纹的宽度W可表示为:W=B/θ,当θ角很小时,即活动光栅每移动一个W距离,莫尔条纹能移动一个B的距离,由于θ角很小,因此,W比B要大的多,有放大的作用.光栅式传感器就利用了这一原理. (叙述3分,图2分)
3,画图说明压电常数矩阵的意义.
压电矩阵表示了材料的压电效应.如图所示,将材料的受力作空间分解,表示成三个力和三个力偶.这六个分量均可在XYZ三个不同的方向上引起压电效应,因此有要用18个参数来表示,这18个参数写成矩阵称为压电矩阵.(叙述3分,图2分)
4,用图简要说明法拉弟磁光效应原理.
平面偏振光通过带磁性的物体时,其偏振光面发生偏转,这种现象称为法拉第磁光效应.(叙述2分,图3分)
5,什么是外光电效应 什么是内光电效应
在光线的作用下,物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象称为外光电效应.(2.5分 )
当光照射在物体上,使物体的电阻率ρ发生变化,或产生光生电动势的现象叫做内光电效应.根据工作原理的不同,内光电效应分为光电导效应和光生伏特效应两类(2.5分)
三,1,这是一个用应变计测量金属梁变形的一个示意图,上下两个应变片都应当按图示方向粘贴,并按图中的方法组桥,其输出为:.这种布局方式构成了差动式测量,可以有效地降低非线性误差,消除温度误差,还能提高测量的灵敏度.
答题要求:1.写出输出公式,(5分,图5分)
2.说出差动测量的优点(4分)给出相应的说明或证明(各2分)
2.答题要求:本题可有多种答案,全理的答案均可给分.可以选用直接测量直线位移的传感器如光栅等,也可以选用编码器测量丝杆轴等.(5分)但要求说明传感器的原理(5分),画出结构安装示意图(5分)较好的答案如下:
螺母每走1mm对应丝杆的转角为:1÷12×360=30度,相对应的电机的转角为:30×100=3000度,可见,只要精确电机的转数就足以按要求测量出螺母的位移.可使用接近式传感器,安装方法如图:在电机轴上装一个圆盘,盘四周装一个突出盘表需的元件,无件的个数可以只有一个,也可以有多个,根据选用传感器类型元件的材料有一定要求,如选用霍尔式传感器就要求是磁性体,电感式或涡流式就要求铁磁性物质,电容式要求元件材料相对介电常尽量大.设元件的个数为N,则测量的分辨力为:.圆盘上突起元件的安装精度及传感器的灵敏度,稳定性有关,如果误差为5度,测量误差为:5÷100÷360×12=0.0017mm.
3. 证:根据光折射和反射的斯涅尔(Snell)定律,有
对应于θ2=90°时的入射角θ1称为临界角θc
则:
要实现全反射,必须满足:
所以:
所以:
(10分 )
上式的物理意义:无论光源发射功率多大,只有2θc0张角内的光,才能被光纤接收,传播(全反射); (5分)