同济大学课程考核试卷（B卷开卷）
2007— 2008学年第一学期
命题教师签名： 岳继光 审核教师签名：
课号：102214 课名：传感器与检测技术 考试考查： 考试
此卷选为：期中考试( )、期终考试( √ )、重考( )试卷
年级 专业 学号 姓名 得分 一、（20分）运动参数测试系统采用应变计测量压力。为校准传感器，在同一工作条件下，按同一方向在全测量
范围0—200kP内对此传感器做了20次测试，发现所得输入输出特性曲线具有一定的不一致性。经系统维修并调整成电压输出后，可得传感器方程为：
（4） 简述“应变效应”
金属电阻的相对变化与金属应变之间存在比例关系称为金属的电阻应变效 应。金属丝的应变灵敏系数物理意义为单位应变引起的电阻相对变化。
二、（10分）如图1所示圆柱形钢材试件沿轴向和径向各贴一片 R=240Ω的金属应变片，另两片接入等臂差动电桥制成测力传感器。 已知钢材μ=0.285, 应变片灵敏度系数K=2, 桥路电源电压为6V(DC)。 当受拉伸力范围?F=300N(牛顿)时测得应变片R1的电阻值变化 ?R1=0—0.48?，求桥路输出的电压范围?Ug 解：因为 K?+ε1 F
面积S -ε2 ?R1/?1 R1?R10.48/K?/2?0.001 R1240F
20dV?8?104V?1.2?102F dt所以
?1?又因为?2????1??0.001?0.285??2.85?10?4
（1） 简述这种现象反映了此传感器的什么性能，如何表示。（5分）
所以 Ug? 解：重复性。反映了结果偶然误差的大小。（2分）
nEK6?2(?1??2)?(0.001?2085?10?4)?0.00386(V)?3.86mV 44
三、（10分）如图1所示平板式电容位移传感器。已知极板
a d0 2??3??10%0 ?? ???YFS4
?(Y?Y)ii?12尺寸a=b=4mm，间隙d0 = 0.5mm，极板间介质为空气。求：
（3）
（1）沿横向x移动时该传感器敏度；（3分）
（2）沿纵向d (极板前后方向)移动0.2mm时的电容量；（3分） （3）提供一个标准电容C0请设计一个测量电路，使输出电压 与动极板位移dx板成线性关系。（4分）
b n?12
x （2） 求此传感器系统时间常数和静态灵敏度。（5分） 解：a0=80×10 a1= 20, b0=1.24×10 τ= a1/ a0=20 /80×10=2.5×10 (s) , (2分)
K= b0/ a0=1.2×10/80×10=1.5×10 (2分)
2
4
-3
4
-3
图2
解：(1)（ε0=8.85×10-12(F×m-1)）
静态灵敏度K=?C0?ab1=?r = -0.71 (pF/cm) （3分） a3.6?d0a（3） 此时重新检验测试出其最大误差为ΔFmax=0.8kP，试判断其精度等级。（5分）
(2) C0= -Ka =0.71×0.4 = 0.284(pF)
解：A???A?100%＝0.8/200×100% = 0.4%. 属0.5级。 YFS 1
Cˊ=
1?16?rab
= C1=4.7 (pF) C2=2.02 (pF) (3分) 3.6?(0.5?0.2)3.6?(d?dx)五、（10分）某液压式仿真转台内框马达需要在360°范围内控制角位移；若要分辨1.40625°拟采用二进制光电码盘测量。求：
（1）求二进制光电码盘的位数。（5分）
(3) 线性电路(2分)
Cx
C0 A C B D USC = -E×C0×dx/(εS) (2分)
四、（10分）测量位移的差动电感传感器如图2所示，激励源幅值为vp=5V； f=3000Hz的正弦波。用二极管检波法设计一个以UAB输入、UCD为输出的测量电路。 （1）画出电路的原理图。（6分） （2）简述电路工作原理。（4分） 解：电路的原理图（6分）
vp L2 B D4 C1 D3 C D
L1 A D1 D2 0 USC
解：θ= 360/1.40625 = 256度=28度；故为8位二进制光电码盘；
（2）若采用微机测量系统，CPU读到一个数字量为(60H)；求其对应显示的角度。（5分）
θi =∑Ci 2i-1θ ∑Ci 2i-1=0110 0000H = 96D θi =96×θ=96×1.4 0625= 135度
六、（10分）一冶炼系统由利用“热电效应”制成的K型热电偶测温。已知冷端环境温度为30°C而此时热表读到的被测温度为800°C
附：分度号K热电偶输出（mV）
00 0 33.28 10 0.40 33.69 20 0.80 34.10 30 1.20 34.50 40 1.61 34.91 50 2.02 35.31 60 2.44 35.72 70 2.85 36.12 80 3.27 36.52 90 3.68 36.93 800 （1）简述“热电效应”。（5分）
热电效应—两种不同的导体或半导体形成闭路，其两个节点分别置于不同温度的热源中，则该回路会产生热电动势。（5分）
（2）用计算校正法修正后的真实被测温度。（5分）
E(T,0) = E(800,30) + E(30,0) = 33.28 + 1.20 = 34.48 mV 查表：得 T = 829℃（5分）
七、（10分）用“霍尔效应”制成的电流传感器在恒磁场下测得电流IH与霍尔电势UH的实验数据如下： IH (mA) UH (mV) 5 9.6 10 19.0 15 28.4 20 37.8 25 47.8 30 58.0
R1 F R2
工作原理：二极管检波原理
Vp正半周：D2,D4通，Vp 经传感器线圈L1→A→D2→D→R2→F (1分) 另一路 Vp 经传感器线圈 L2→B→D4→C→R1→F (1分)
Vp负半周：D1,D3通， F→R1→C→D1→A →经传感器线圈L1→ Vp (1分) 另一路 F→R2→D→D3→ B →经传感器线圈L2→ Vp (1分)
(1) 简述“霍尔效应”。 （5分）
“霍尔效应”：半导体薄片在垂直磁场中，在一侧通以电流，则另一侧将产生电场。（5分） (2) 合理选择一种直线拟合方法求其零点输出与灵敏度。（5分） 端基法（扣2分）y=0+Kx
2
n?XY??X??Yiiii?1i?1i?12nnni 最小二乘法（8分）K?n?i?1nXi2?(?X)ii?1nn=1.93 n=6; X=IH ; Y=UH
传。。感。。。器 。多路转换器 多路转换器 增益可调的放大器 A/D ? a0=
i?1nXi2n??Y??X??XYiii?1nnnii。。。。。。增益可调的放大器 。。。。。。A/D ?i?1Xi2?(i?1ni?1 = -0.035
?i?1Xi)2传。。。感。。器 。 微处理器单元 显示电路 通讯电路 UH = -0.035 + 1.93 IH 零点输出：0.035mV 灵敏系数K = ΔY/ΔX ?1.93 (mV/mA)
八、（10分）用“光电效应”制成的光电耦合器在自动检测系统中常用来“隔离”I/O与MCU系统，以达到抗干扰目的。
（1）简述“光电效应”。 （5分） “光电效应”：分内、外光电效应；
外光电效应：在光电作用下，物体内的电子逸出物体表面，向外发射。（2分） 内光电效应：受光照的物体导电率发生变化或产生光生电动势的效应。（3分） （2）画出一种光电耦合器的组成形式。（5分）
解：
九、设计一个基于微处理器的多路数字采集系统并画出原理框图（10分）。 解：
每框1分
3
