（满分80分）
一、判断对错（正确：√，错误：×，每题1分，共15分）
热电偶的工作机理是导体的热电效应。而热电势的产生必须具备两个条件，即两种导体材质不同且两个节点的温度不同。[]
由于光敏电阻的光照特性是非线性的，因此不宜用作精密测量元件。[]
光栅位移传感器具有较高的测量精度，主要原因是栅线密集而且加工精度高，所以保证了测量精度。[]
光纤的纤芯的折射率小于包层的折射率。[]
由于光电池的开路输出电压与光强成正比，因此可以用于测量光强。[]
电感式位移传感器由于属于接触式测量，所以不适于高频动态位移的测量。[]
某传感器给定的精度为0.1%，这意味着在满量程内测量任意值的最大相对误差不会超过0.1%。[]
传感器A采用最小二乘法拟合算得线性度为±0.8%，传感器B采用端点连线法算得线性度为±0.6%，则可以肯定传感器B的线性度优于传感器A。[]
接触式传感器将会产生测量力，从而带来测量误差，影响测量精度。[]
幅频特性优良的传感器，其动态范围大，故可用于高精度动态测量。[]
半导体应变传感器的灵敏度远远高于金属应变传感器，主要是因为半导体材料的压阻效应占主要地位。[]
用于测量金属板材厚度的电涡流传感器，常采用两个测头和较高的激励频率，以便满足大多数板材厚度的测量需求。[]
电荷放大器是将传感器输出的电荷进行放大的前置放大器，由于它可以使用较长的电缆并不受分布电容的影响，因而收到欢迎。[]
压电式力传感器既可以测量静态力，也可以测量动态力。[]
热敏电阻的电阻值将随着温度的升高而下降。[]
二、选择题（请选择一个你认为最为适合的答案，每题1分，共15分）
1.一小型光学仪器中用于光斑二维位置变化的传感器可采用：
（a）线阵CCD传感器（b）面阵CCD传感器（c）PSD传感器
2.实现三维动态力测量的最佳方法，是采用：
（a）应变片传感器 （b）压阻传感器（c）压电传感器
3.：
（a） （b）传感器 （c）
4.家用空调中的测温元件采用何种传感器最好？
（a）热电阻（b）热敏电阻（c）热电偶
5.电容式液位传感器属于下列那一种型式：
（a）变极距型（b）变面积型（c）变介质型
.测量微位移工作台的位移量（行程200μm，分辨力1μm），可选用 a.应变传感器b.电感传感器c.电容传感器
.测量炮弹发时炮筒内壁的压力且不影响安全发射，可采用的传感器为：
a.压电式b.应变式c.压阻式
8.为一个旋转式机械分度装置增加数显系统，可采用的角度传感器为：
a.增量式编码器b.绝对码编码器c.电容传感器
.对生产流水线上的塑料零件进行自动计数，可采用的传感器为：
a.光电传感器b.霍尔传感器c.电容传感器
.你认为自动感应式干手机中的人手感应器应为： a.红外传感器b.超声传感器c.图像传感器
.差动变压器一般具有几个线圈：[C]
a.1个线圈 b.2个线圈 c.3个线圈
12.在线测量高速回转零件的主轴径向偏摆量，可选用：
（a）差动变压器（b）电涡流传感器（c）压电式传感器
.下列那类传感器可以具有防水功能：
（a）电阻应变式传感器（b）电涡流传感器（c）电容式传感器
.为了在报纸印刷的生产流水线上监测印刷缺陷，可以采用哪一种传感器：（a）面阵CCD传感器（b）线阵CCD传感器（c）硅光电池
1.数码照相机中用于自动调焦的测距传感器为：
（a）红外传感器（b）超声波传感器（c）CCD传感器
1、简述电涡流效应的原理，并说明如何实现测距（参见图1）。（5分）
2、根据图2简述霍尔效应的基本原理，并说明如何实现电子罗盘。（5分）
3、简述正压电效应和逆压电效应的原理（见图3）。（5分）
4、简述图4传感器差动布局消除环境影响的原理。（5分）
5、解释图示差动电感传感器相敏检波电路的辨向原理（图中Z1、Z2为差动电感传感器的两个线圈感抗）。（5分）
四、已知某二阶系统传感器的幅频特性如右图所示，其固有频率fn=20kHz，阻尼比ξ=0.6，若要求传感器的输出信号幅值误差小于5%，试确定该传感器的工作频率范围。（本题10分）
（提示：二阶环节幅频特性）
五、有一测力传感器利用等强度梁制成，梁的上下面各粘贴两片相同的电阻应变片，并构成全等臂桥路，如下图所示。
(1)请在电桥的四个桥臂上填写正确的应变片符号；
(2)请推导全等臂电桥输出公式：；
(3)若l=50mm，b=5mm，t=1mm，E=1105N/mm2，应变片的灵敏系数K=2.5，供桥电压U=6V，问当输出电压U0=54mV时，被测力F为多少？（已知等强度梁的应力为：）（15分）
上海交通大学
2007年 传感器原理期末考试试题答案（B卷）
一、判断对错（正确：√，错误：×，每题1分，共15分）
1.√ 2.√ 3.× 4.× 5.×
6√ 7. × 8.√ 9.√ 10.×
11.√ 12.√ 13.√ 14.× 15.×
二、选择题（请选择最为适合的答案，每题1分，共15分）
1.c 2.c 3.a 4.b 5.c
6.c 7.b 8.b 9.a 10.a
11.c 12.b 13.b 14.b 15.a
三、简答题（简单叙述下列传感器的工作原理，每题5分，共30分）
1、简述电涡流效应的原理，并说明如何实现测距（参见图1）。
答：在传感器线圈中通以交变电流I1，在周围空间形成交变电磁场H1，在处于磁场内的导体中产生涡流环，该涡流环形成的反向磁场H2，并作用于传感器线圈，从而使得线圈的参数（电感、阻抗、品质因数）发生变化。变化的成都取决于线圈参数（尺寸大小、电流强弱）、导体参数（电导率、磁导率）和线圈与导体之间的距离。
在测量过程中，只要保证上述参数中的一个参数变化，就可以实现测量。即保证传感器线圈不变，导体不变，则传感器线圈的参数变化只与距离有关，从而实现测距。
2、根据图2，简述霍尔效应的基本原理，并说明如何实现电子罗盘。
答：在导体中沿图示方向通以电流I，同时将导体处于一个磁场(B)中，并保证磁场方向、导体和电流方向三者正交（相互垂直）。此时，导体内的
多数载流子（电子）沿电流相反方向运动（B面→A面），因而收到
洛仑兹力作用，根据左手定律，
正电荷将向C面运动，负电荷将向D面运动。
平衡后，在导体两侧面C面和D面形成电贺积聚而产生横向电势。这种现象称为霍尔效应，产生的电势称为霍尔电势。其大小与通过的电流成正比，也与磁场强度成正比。
利用霍尔元件的特性可以制作电子罗盘，在电流不变的情况下，霍尔电势大小与磁场强度成正比。因此由霍尔元件直接测量罗盘所处地磁场的方位，根据霍尔电势的大小与方向不同，判断方位。
3、简述正压电效应和逆压电效应（见图3）（4分）
答：正压电效应：离子型晶体电介质施加机械力后，将产生极化现象，在表面产生电荷。当
外力消失后，电介质重新恢复无电荷状态。当外力改变方向时，电荷的极性随之改变。这就是正压电效应，产生的电荷密度与外力成正比，即，其中
σ-电荷密度，T-外应力，d-压电常数。
逆压电效应：将
电场作用于某些离子型晶体电介质，其内部电荷将产生位移，导致电介质变形。当外部电场消失后，电介质重新恢复原状态。当电场方向改变后，电介质的变形方向也随之改变。这就是逆压电效应。其变形量与电厂强度成正比，即
，其中
S-应变，E-电场强度，d-逆压电常数。
4、简述图4传感器差动布局消除环境影响的原理（5分）
答：两个传感器或者一个传感器的两个敏感元件分别感受被测量，但感受被测量的方向（极性）不同，因此输出的信号大小相等，但极性相反。在输出端，将两个信号相减，则总输出信号的灵敏度将提高一倍。另一方面，由于两个传感器（敏感元件）同时感受环境的影响，因此在相减后，环境的影响将被消除。从而地点减少了环境对测量的影响。
5、解释图示差动电感传感器相敏检波电路的辨向原理（Z1、Z2为差动电感传感器的两个线圈感抗）。
答：初始状态：
Z1=Z2=Z3=Z4，输出U0=0
若衔铁上移：Z1变大，Z2减小，
在U正半周：UA>UB，D1、D4导通，D2、D3截止，UC
在U负半周：UA
若衔铁下移：Z1减小，Z2增大，
U正半周：D1、D4导通，D2、D3截止，UC>UD，输出正电压
U负半周：D1、D4截止，D2、D3导通，UC>UD，输出正电压
因此，若衔铁上移，则输出负电压；若衔铁下移，则输出正电压。根据输出电压的极性可以判断衔铁移动方向。
四、已知某二阶系统传感器的幅频特性如图所示，其固有频率fn=20kHz，阻尼比ξ=0.6，若要求传感器的输出信号幅值误差小于5%，试确定该传感器的工作频率范围。
（本题10分）
解：根据二阶环节的特性，其频率范围应从直流至某上限频率fmax。
精度要求：
幅频特性：
将ξ=0.6和代入，得：
计算得：
，或-0.49（舍去）
由此得：，频率范围：
将ξ=0.6和代入，得：（无解）
计算得：
，不合理，无解。
五、有一测力传感器利用等强度梁制成，梁的上下面各粘贴两片相同的电阻应变片，并构成全等臂桥路，如图所示。
(1)请在电桥的四个桥臂上填写正确的应变片符号；
(2)请推导全等臂电桥输出公式：；
(3)若l=50mm，b=5mm，t=1mm，E=1105N/mm2，应变片的灵敏系数K=2.5，供桥电压U=6V，问当输出电压U0=54mV时，被测力F为多少？（已知：电阻变化率：，等强度梁的应力为：）（20分）
解：
因此电桥输出电压为：
对于全等臂电桥，初始情况下R1＝R2＝R3＝R4＝R，输出为零。
工作状态下，，带入上式：
(3)根据电桥输出电压、电阻相对变化量、以及等强度梁的应力，可以导出不同输出电压对应的被测力大小为：
将以上已知参数带入，可得输出电压U0=36mV时，力F为：
答：输出电压U0=36mV时，力F为6N。
6
B卷总5页第页
上海交通大学试卷（B卷）
（2006至2007学年第1学期）
班级号_______________________学号______________姓名
课程名称传感器原理成绩
题号 一 二 三 四 五 得分 批阅人(流水阅
卷教师签名处)
我承诺，我将严格遵守考试纪律。
承诺人：
图1电涡流效应
图2霍尔效应
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图3压电效应
图4传感器差动布局
图5相敏检波电路
U0
U
b
R1R2
F
t
R3R4
l
图1电涡流效应
图2霍尔效应
图3压电效应
图4传感器差动布局
图5相敏检波电路
R1
R3
b
U0
R1R2
F
R4
R2
t
R3R4
U
l
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