1、上海交通大學2005年 傳感器 期末考試試題 (A卷)班級： 學號： 姓名： 成績： .（答案必須寫在答題紙上，寫在試題紙上的一律不給分）一、判斷對錯（正確：，錯誤：×， 每題1分，共15分）1. 傳感器的閾值，實質上就是傳感器在零點附近的分辨力。2. 某位移傳感器的測量量程為1mm，分辨力為0.001mm，這說明傳感器的靈敏度很高，其靈敏度為0.1%。 3. 傳感器A采用最小二乘法擬合算得線性度為±0.6%，傳感器B采用端點連線法算得線性度為±0.8%，則可以肯定傳感器A的線性度優于傳感器B。4. 無論何種傳感器，若要提高靈敏度，必然會增加非線性誤差。5. 幅頻

2、特性優良的傳感器，其動態范圍大，故可以用于高精度測量。6. 半導體應變傳感器的靈敏度遠遠高于金屬應變傳感器，主要是因為半導體材料的壓阻效應占主要地位。7. 調頻式電感傳感器轉換電路由于輸出信號是脈沖信號，因此抗干擾能力強，易于數字化和遠距離傳輸信號。8. 如果電容傳感器的電纜丟失了，更換另一個電纜后，可以不必對測量系統重新進行標定，也可直接使用。 9. 電荷放大器是將傳感器輸出的電荷進行放大的前置放大器，由于它可以使用較長的電纜，因而得到廣泛應用。 10. 壓電式力傳感器既可以測量靜態力，也可以測量動態力。11. 熱電偶的工作機理是導體的熱電效應。而熱電勢的產生必須具備兩個條件，即兩種導體材質

3、不同且兩個節點的溫度不同。12. 由于光敏電阻的光照特性是非線性的，因此不宜用作測量元件。但由于光敏電阻的響應時間很短，因此可以用作高速光電開關。 13. 光纖是利用光的折射原理工作的，光纖由纖芯和包層構成，且纖芯的折射率小于包層的折射率。 14. 由于光電池的開路輸出電壓與光強成正比，因此可以用于測量光強。15. CCD圖像傳感器是由電荷耦合器件CCD與光敏二極管陣列集成為一體的具有自掃描功能的固態傳感器。共 4 頁 第 1 頁二、選擇題（請選擇你認為最為適合的答案，每題1分，共15分） 1. 車間條件下檢定大型機床工作臺的位移（行程20米），可選用： （a）光柵傳感器 （b）感應同步器 （

4、c）激光干涉測量系統 2. 測量炮彈發時炮筒內壁的壓力且不影響火炮發射，可采用的壓力傳感器為： （a）壓電式 （b）應變式 （c）壓阻式 3. 為一個旋轉式機械分度裝置增加數顯系統，可采用的角度傳感器為： （a）增量式編碼器 （b）絕對碼編碼器 （c）電容傳感器 4. 對生產流水線上的塑料零件進行自動計數，可采用的傳感器為： （a）光電傳感器 （b）霍爾傳感器 （c）電容傳感器 5. 你認為自動感應式干手機中的人手感應器應為： （a）紅外傳感器 （b）超聲傳感器 （c）激光傳感器 6. 自動車庫門的感應器應選用何種傳感器比較理想？ （a）激光傳感器 （b）超聲傳感器 （c）輻射傳感器 7. 在

5、線測量高速回轉零件的主軸徑向偏擺量，可選用： （a）差動變壓器 （b）電渦流傳感器 （c）壓電式傳感器 8. 下列那類傳感器可以具有防水功能： （a）電阻應變式傳感器 （b）電渦流傳感器 （c）電容式傳感器 9. 為了在報紙印刷的高速生產流水線上監測印刷缺陷，可以采用哪一種傳感器： （a）面陣CCD傳感器 （b）線陣CCD傳感器 （c）硅光電池 10. 數碼照相機中用于自動調焦的測距傳感器為： （a）紅外傳感器 （b）超聲波傳感器 （c）CCD傳感器11. 一小型光學儀器中用于測量光斑二維位置變化（x-y）的傳感器可采用： （a）線陣CCD傳感器 （b）面陣CCD傳感器 （c）PSD傳感器12

6、. 絕對式編碼器的碼制絕大多數采用： （a）二進制碼 （b）十進制碼 （c）格雷碼13. 高精度激光測距傳感器是通過以下哪一種方法來測量距離的： （a）時間差法 （b）相位差法 （c）外差法14. 下列電感傳感器中，哪一種傳感器的輸出特性是線性的： （a）變氣隙型 （b）變面積型 （c）螺管型15. 電容式液位傳感器屬于下列那一種型式： （a）變極距型 （b）變面積型 （c）變介質型共 4 頁 第 2 頁三、簡答題（簡單敘述下列傳感器的工作原理，每題5分，共30分）1. 差動變壓器式壓力傳感器 2. 電渦流式介質溫度傳感器 線圈基體磁芯線圈膜盒鋁板3. 壓電式加速度傳感器 4. 壓阻式壓力傳感

7、器1-低壓腔 2-高壓腔 3-硅杯4-引線 5-硅膜片1-外殼 2-預緊螺母 3-質量塊4-壓電元件 5-底座 6-接頭 5. 霍爾式磁傳感器 6. 光柵位移傳感器共 4 頁 第 3 頁四、通過下面兩個曲線圖敘述傳感器二階環節的幅頻相頻特性，以及階躍響應特性。 （本題10分）五、圖示為光纖傳感器中光線傳播原理，請推導入射角0的臨界入射角C與空氣折射率n0、纖芯折射率n1和包層折射率n2的關系式。（本題10分） n0n10n2六、擬采用電容傳感器測量液位高度，請您敘述測量系統構成（圖示說明）、測量原理，并推導有關的測量公式。（本題10分） 七、有一測力傳感器利用等強度梁制成，梁的上下面各粘貼兩片

8、相同的電阻應變片，并構成橋路，如圖所示。若l=50mm，b=5mm，t=1mm，E=1*105N/mm2， 應變片的靈敏系數K=2，供橋電壓U=6V，問當輸出電壓U0=36mV時，力F為多少？（提示：）（本題10分）R2R2R1bU0FR4R4R3tlU共 4 頁 第 4 頁上海交通大學2005年 傳感器 期末考試試題 (B卷)班級： 學號： 姓名： 成績： .（答案必須寫在答題紙上，寫在試題紙上的一律不給分）一、判斷對錯（正確：，錯誤：×， 每題1分，共15分）1. 壓電式力傳感器既可以測量靜態力，也可以測量動態力。2. 熱電偶的工作機理是導體的熱電效應。而熱電勢的產生必須具備兩個

9、條件，即兩種導體材質不同且兩個節點的溫度不同。 3. CCD圖像傳感器是由電荷耦合器件CCD與光敏二極管陣列集成為一體的具有自掃描功能的固態傳感器。4. 無論何種傳感器，若要提高靈敏度，必然會增加非線性誤差。5. 幅頻特性優良的傳感器，其動態范圍大，故可以用于高精度測量。6. 半導體應變傳感器的靈敏度遠遠高于金屬應變傳感器，主要是因為半導體材料的壓阻效應占主要地位。7. 調頻式電感傳感器轉換電路由于輸出信號是脈沖信號，因此抗干擾能力強，易于數字化和遠距離傳輸信號。8. 如果電容傳感器的電纜丟失了，更換另一個電纜后，可以不必對測量系統重新進行標定，也可直接使用。 9. 電荷放大器是將傳感器輸出的

10、電荷進行放大的前置放大器，由于它可以使用較長的電纜，因而得到廣泛應用。 10. 傳感器的閾值，實質上就是傳感器在零點附近的分辨力。11. 某位移傳感器的測量量程為1mm，分辨力為0.001mm，這說明傳感器的靈敏度很高，其靈敏度為0.1%。12. 由于光敏電阻的光照特性是非線性的，因此不宜用作測量元件。但由于光敏電阻的響應時間很短，因此可以用作高速光電開關。 13. 光纖是利用光的折射原理工作的，光纖由纖芯和包層構成，且纖芯的折射率小于包層的折射率。 14. 由于光電池的開路輸出電壓與光強成正比，因此可以用于測量光強。15. 傳感器A采用最小二乘法擬合算得線性度為±0.6%，傳感器B

11、采用端點連線法算得線性度為±0.8%，則可以肯定傳感器A的線性度優于傳感器B。共 4 頁 第 1 頁二、選擇題（請選擇一個你認為最為適合的答案，每題1分，共15分） 1. 對生產流水線上的塑料零件進行自動計數，可采用的傳感器為： （a）光電傳感器 （b）霍爾傳感器 （c）電容傳感器 2. 測量炮彈發時炮筒內壁的壓力且不影響火炮發射，可采用的壓力傳感器為： （a）壓電式 （b）應變式 （c）壓阻式 3. 為一個旋轉式機械分度裝置增加數顯系統，可采用的角度傳感器為： （a）增量式編碼器 （b）絕對碼編碼器 （c）電容傳感器 4. 車間條件下檢定大型機床工作臺的位移（行程20米），可選用：

12、 （a）光柵傳感器 （b）感應同步器 （c）激光干涉測量系統 5. 你認為自動感應式干手機中的人手感應器應為： （a）紅外傳感器 （b）超聲傳感器 （c）激光傳感器 6. 自動車庫門的感應器應選用何種傳感器比較理想？ （a）激光傳感器 （b）超聲傳感器 （c）輻射傳感器 7. 在線測量高速回轉零件的主軸徑向偏擺量，可選用： （a）差動變壓器 （b）電渦流傳感器 （c）壓電式傳感器 8. 下列那類傳感器可以具有防水功能： （a）電阻應變式傳感器 （b）電渦流傳感器 （c）電容式傳感器 9. 為了在報紙印刷的高速生產流水線上監測印刷缺陷，可以采用哪一種傳感器： （a）面陣CCD傳感器 （b）線陣C

13、CD傳感器 （c）硅光電池 10. 數碼照相機中用于自動調焦的測距傳感器為： （a）紅外傳感器 （b）超聲波傳感器 （c）CCD傳感器11. 一小型光學儀器中用于測量光斑二維位置變化（x-y）的傳感器可采用： （a）線陣CCD傳感器 （b）面陣CCD傳感器 （c）PSD傳感器12. 電容式液位傳感器屬于下列那一種型式： （a）變極距型 （b）變面積型 （c）變介質型13. 高精度激光測距傳感器是通過以下哪一種方法來測量距離的： （a）時間差法 （b）相位差法 （c）外差法14. 下列電感傳感器中，哪一種傳感器的輸出特性是線性的： （a）變氣隙型 （b）變面積型 （c）螺管型15. 絕對式編碼器

14、的碼制絕大多數采用： （a）二進制碼 （b）十進制碼 （c）格雷碼共 4 頁 第 2 頁三、簡答題（簡單敘述下列傳感器的工作原理，每題5分，共30分）1. 壓電式加速度傳感器 2. 壓阻式壓力傳感器1-低壓腔 2-高壓腔 3-硅杯4-引線 5-硅膜片1-外殼 2-預緊螺母 3-質量塊4-壓電元件 5-底座 6-接頭 3. 霍爾式磁傳感器 4. 光柵位移傳感器5. 差動變壓器式壓力傳感器 6. 電渦流式介質溫度傳感器 線圈基體磁芯線圈膜盒鋁板共 4 頁 第 3 頁四、有一測力傳感器利用等強度梁制成，梁的上下面各粘貼兩片相同的電阻應變片，并構成橋路，如圖所示。若l=50mm，b=5mm，t=1mm

15、，E=1*105N/mm2， 應變片的靈敏系數K=2，供橋電壓U=6V，問當輸出電壓U0=36mV時，力F為多少？（提示：）（本題10分）R2R2R1bU0FR4R4R3tlU五、通過下面兩個曲線圖敘述傳感器二階環節的幅頻相頻特性，以及階躍響應特性。 （本題10分）六、圖示為光纖傳感器中光線傳播原理，請推導入射角0的臨界入射角C與空氣折射率n0、纖芯折射率n1和包層折射率n2的關系式。（本題10分） n0n10n2 七、擬采用電容傳感器測量液位高度，請您敘述測量系統構成（圖示說明）、測量原理，并推導有關的測量公式。（本題10分） 共 4 頁 第 4 頁上海交通大學2005年 傳感器 期末考試試

16、題答案（A卷）一、判斷對錯（正確：，錯誤：×， 每題1分，共15分） 1. 2. ×3. ×4. ×5. ×6. 7. 8. ×9. 10. × 11. 12. 13. ×14. ×15. 二、選擇題（請選擇最為適合的答案，每題1分，共15分） 1. c 2. b 3. b 4. a 5. a 6. c 7. b 8. b 9. b 10. a11. c 12. c 13. b 14. b 15. c三、簡答題（簡單敘述下列傳感器的工作原理，每題5分，共30分）1. 差動變壓器式壓力傳感器 在無壓力時，膜

17、盒處于初始狀態，固連于膜盒中心的磁芯位于差動變壓器線圈的中部，輸出電壓為零。當被測壓力經接頭進入膜盒后，膜盒產生變形，并推動磁芯移動，從而使差動變壓器輸出正比于被測壓力的電壓信號。2.電渦流式介質溫度傳感器 根據電渦流效應，當線圈中通以交變電流時，將產生一個交變的磁場，并在導體（即鋁板）內產生電渦流，進而影響線圈的電感量、阻抗和品質因數等變化，這些參數的變化與導體的幾何形狀、電導率、磁導率等有關。當被測溫度變化時，將是鋁板的電阻率發生變化，而其他參數保持不變，則傳感器的輸出只隨被測溫度變化而改變，從而實現溫度測量。3. 壓電式加速度傳感器 當殼體1隨被測物體運動時，質量塊3感受加速度作用而產生

18、慣性力，并作用在壓電元件4上，根據壓電效應，將產生正比與慣性力的電荷，從而輸出正比于加速度的電信號。4. 壓阻式壓力傳感器 在無壓力時，高壓腔與低壓腔相互平衡，硅膜片處于初始狀態，硅膜片上四個擴散電阻相等，電橋平衡，輸出電壓為零。當被測壓力經接頭進入高壓腔后，硅膜片產生變形，使得擴散電阻的阻值發生變化，電橋失去平衡，從而輸出正比于被測壓力的電壓信號。 5霍爾式磁傳感器 當導體通過電流I，同時受到垂直方向的磁場B作用時，在導體的兩側形成感應電勢，即霍爾電勢E。到導體不變，通過的電流恒定時，該電勢大小與磁場強度成正比，由此可以實現磁場強度測量。6. 光柵傳感器 當定柵與動柵疊合在一起時，在移動方向

19、的垂直方向上產生明暗相間的條紋，即莫爾條紋。當定柵與動柵之間產生相對移動時，摩爾條紋沿垂直方向快速移動，而且摩爾條紋的一定速度遠遠大于動尺的移動速度，因此可以實現位移的高精度測量。四、通過下面兩個曲線圖敘述傳感器二階環節的幅頻相頻特性，以及階躍響應特性。（10分） 由傳感器二階環節的伯德圖可知，當信號頻率較低（w/wn<<1）時，A(w)K，j(w)0，近似于零階環節。當接近無阻尼（趨于0）時：幅值比A(w)在固有頻率w=wn附近變化很大，系統產生諧振。當>0.7時，諧振不再發生。當0.7時：幅頻特性曲線A(w)的平坦段最寬，而相頻特性j(w)接近一條斜直線，測量時可以保證交

20、款的頻響范圍，而且相位失真和幅值失真最小。因此稱0.7為最佳阻尼。有傳感器二階環節的階躍特性曲線可以看出，當>1時：完全沒有過沖，也不產生震蕩，稱為過阻尼，此時曲線上升慢，響應速度低；當<1時：將產生衰減震蕩，稱為欠阻尼，此時曲線上升塊，響應速度高；當=1時：為臨界狀態，稱為臨界阻尼五、圖示為光纖傳感器中光線傳播原理，請推導入射角0的臨界入射角C與空氣折射率n0、纖芯折射率n1和包層折射率n2的關系式。（本題10分）n2n1n0c 1解：假設再臨界狀態下入射角為C，第一次折射角為1。根據折射定律有： 由于此折射光將在光線內部發生全反射，在此臨界狀態下，全反射時的入射角為90-1，而

21、折射角為90º。根據折射定律，有：即： 。 則有： 帶入前式，可得：六、擬采用電容傳感器測量液位高度，請您敘述測量系統構成（圖示說明）、測量原理和有關的測量公式。（本題10分） 解：電容式液位測量系統如圖所示，它實際上是一個變介質型的液位傳感器。當液位變化時，引起電容傳感器內部兩種不同介電質的高度產生變化，由此實現液位測量。 七、有一測力傳感器利用等強度梁制成，梁的上下面各粘貼兩片相同的電阻應變片，并構成橋路，如圖所示。若l=50mm，b=5mm，t=1mm，E=1*105N/mm2，應變片的靈敏系數K=2，供橋電壓U=6V，問當輸出電壓U0=36mV時，力F為多少？（提示： ）（本

22、題10分）ltFR4R2bR4R3R2R1UU0解：由于該測力傳感器屬于差動式補償結構，全等臂電橋，四臂工作方式，所以電橋輸出電壓的變化為：其中，電阻相對變化量為： 由此可以導出不同輸出電壓對應的被測力大小為： 將以上已知參數帶入，可得輸出電壓U0=36mV時，力F為：答：輸出電壓U0=36mV時，力F為5N。上海交通大學2005年 傳感器 期末考試試題答案（B卷）一、判斷對錯（正確：，錯誤：×， 每題1分，共15分） 1. ×2. 3. 4. ×5. ×6. 7. 8. ×9. 10. 11. ×12. 13. ×14.

23、×15. × 二、選擇題（請選擇最為適合的答案，每題1分，共15分） 1. a 2. b 3. b 4.c 5. a 6. b 7. b 8. b 9. b 10. a11. c 12. c 13. b 14. b 15. c三、簡答題（簡單敘述下列傳感器的工作原理，每題5分，共30分）1. 壓電式加速度傳感器 當殼體1隨被測物體運動時，質量塊3感受加速度作用而產生慣性力，并作用在壓電元件4上，根據壓電效應，將產生正比與慣性力的電荷，從而輸出正比于加速度的電信號。2. 壓阻式壓力傳感器 在無壓力時，高壓腔與低壓腔相互平衡，硅膜片處于初始狀態，硅膜片上四個擴散電阻相等，電橋平

24、衡，輸出電壓為零。當被測壓力經接頭進入高壓腔后，硅膜片產生變形，使得擴散電阻的阻值發生變化，電橋失去平衡，從而輸出正比于被測壓力的電壓信號。 3霍爾式磁傳感器 當導體通過電流I，同時受到垂直方向的磁場B作用時，在導體的兩側形成感應電勢，即霍爾電勢E。到導體不變，通過的電流恒定時，該電勢大小與磁場強度成正比，由此可以實現磁場強度測量。4. 光柵傳感器 當定柵與動柵疊合在一起時，在移動方向的垂直方向上產生明暗相間的條紋，即莫爾條紋。當定柵與動柵之間產生相對移動時，摩爾條紋沿垂直方向快速移動，而且摩爾條紋的一定速度遠遠大于動尺的移動速度，因此可以實現位移的高精度測量。5. 差動變壓器式壓力傳感器 在

25、無壓力時，膜盒處于初始狀態，固連于膜盒中心的磁芯位于差動變壓器線圈的中部，輸出電壓為零。當被測壓力經接頭進入膜盒后，膜盒產生變形，并推動磁芯移動，從而使差動變壓器輸出正比于被測壓力的電壓信號。6. 電渦流式介質溫度傳感器 根據電渦流效應，當線圈中通以交變電流時，將產生一個交變的磁場，并在導體（即鋁板）內產生電渦流，進而影響線圈的電感量、阻抗和品質因數等變化，這些參數的變化與導體的幾何形狀、電導率、磁導率等有關。當被測溫度變化時，將是鋁板的電阻率發生變化，而其他參數保持不變，則傳感器的輸出只隨被測溫度變化而改變，從而實現溫度測量。四、有一測力傳感器利用等強度梁制成，梁的上下面各粘貼兩片相同的電阻應變片，并構成橋路，如圖所示。若l=50mm，b=5mm，t=1mm，E=1*105N/mm2，應變片的靈敏系數K=2，供橋電壓U=6V，問當輸出電壓U0=36mV時，力F為多