全国2015年考试传感器与检测技术试卷及答案讲解

1．下列被测物理量适合于使用红外传感器进行测量的是（ C  ）

   A．压力                B．力矩           C．温度          D．厚度

2．属于传感器动态特性指标的是（  D  ）

   A．重复性              B．线性度         C．灵敏度        D．固有频率

3．按照工作原理分类，固体图象式传感器属于（  A  ）

   A．光电式传感器                          B．电容式传感器

   C．压电式传感器                          D．磁电式传感器

4．测量范围大的电容式位移传感器的类型为（  D  ）

   A．变极板面积型                          B．变极距型

   C．变介质型                              D．容栅型

5．利用相邻双臂桥检测的应变式传感器，为使其灵敏度高、非线性误差小（  C  ）

   A．两个桥臂都应当用大电阻值工作应变片

   B．两个桥臂都应当用两个工作应变片串联

   C．两个桥臂应当分别用应变量变化相反的工作应变片

   D．两个桥臂应当分别用应变量变化相同的工作应变片

6．影响压电式加速度传感器低频响应能力的是（  D  ）

   A．电缆的安装与固定方式                  B．电缆的长度

   C．前置放大器的输出阻抗                  D．前置放大器的输入阻抗

7．固体半导体摄像元件CCD是一种（  C  ）

   A．PN结光电二极管电路                   B．PNP型晶体管集成电路

   C．MOS型晶体管开关集成电路             D．NPN型晶体管集成电路

8．将电阻R和电容C串联后再并联到继电器或电源开关两端所构成的RC吸收电路，其作用是（  D  ）

   A．抑制共模噪声                          B．抑制差模噪声

   C．克服串扰                              D．消除电火花干扰

9．在采用限定最大偏差法进行数字滤波时，若限定偏差△Y≤0.01，本次采样值为0.315，上次采样值为0.301，则本次采样值Yn应选为（  A  ）

   A．0.301            B．0.303             C．0.308           D．0.315

10．若模/数转换器输出二进制数的位数为10，最大输入信号为2.5V，则该转换器能分辨出的最小输入电压信号为（  B   ）

   A．1.22mV          B．2.44mV           C．3.66mV          D．4.88mV

11．周期信号的自相关函数必为（  A   ）

   A．周期偶函数                            B．非周期偶函数

   C．周期奇函数                            D．非周期奇函数

12．已知函数x(t)的傅里叶变换为X（f），则函数y(t)=2x(3t)的傅里叶变换为（ B  ）

   A．2X()        B． X()           C． X(f)        D．2X(f)

第二部分  非选择题（共76分）

二、填空题（本大题共12小题，每小题1分，共12分）不写解答过程，将正确的答案写在每小题的空格内。错填或不填均无分。

13．对传感器进行动态   标定(或校准或测试)   的主要目的是检测传感器的动态性能指标。

14．传感器的过载能力是指传感器在不致引起规定性能指标永久改变的条件下，允许超过                 __测量范围___的能力。

15．传感检测系统目前正迅速地由模拟式、数字式，向  智能化  方向发展。

16．已知某传感器的灵敏度为K0，且灵敏度变化量为△K0，则该传感器的灵敏度误差计算公式为rs=   (△K0/K0)×100%    。

17．为了测得比栅距W更小的位移量，光栅传感器要采用    细分    技术。

18．在用带孔圆盘所做的光电扭矩测量仪中，利用孔的透光面积表示扭矩大小，透光面积减小，则表明扭矩   增大       。

19．电容式压力传感器是变   极距(或间隙)    型的。

20．一个半导体应变片的灵敏系数为180，半导体材料的弹性模量为1.8×105Mpa,其中压阻系数πL为   1×10－9    Pa-1。

21．图像处理过程中直接检测图像灰度变化点的处理方法称为  微分法    。

22．热敏电阻常数B大于零的是   负    温度系数的热敏电阻。

23．若测量系统无接地点时，屏蔽导体应连接到信号源的   对地低阻抗端(或接地端)   。

24．交流电桥各桥臂的复阻抗分别为Z1，Z2，Z3，Z4，各阻抗的相位角分别为若电桥平衡条件为Z1/Z4=Z2/Z3，那么相位平衡条件应为       。

三、问答题（本大题共6小题，每小题4分，共24分）

25．简述压电式传感器分别与电压放大器和电荷放大器相连时各自的特点。

答：传感器与电压放大器连接的电路,其输出电压与压电元件的输出电压成正比,但容易受电缆电容的影响。

传感器与电荷放大器连接的电路,其输出电压与压电元件的输出电荷成正比,电缆电容的影响小。

26．回答与直线式感应同步器有关的下列问题：

（1）它由哪两个绕组组成？

（2）鉴相式测量电路的作用是什么？

答：（1）由固定绕组和滑动绕组组成。

（2）检测感应电动势的相位，从而根据相位确定位移量的大小和方向。   

27．简述压磁式扭矩仪的工作原理。

   答：压磁式扭矩仪的轴是强导磁材料。根据磁弹效应，当轴受扭矩作用时，轴的磁导率发生变化，从而引起线圈感抗变化，通过测量电路即可确定被测扭矩大小。

28．说明薄膜热电偶式温度传感器的主要特点。

   答：主要特点是：热容量小（或热惯性小），时间常数小，反应速度快。

29．简述激光视觉传感器将条形码的信息传输的信号处理装置的工作过程。

答：（1）多面棱镜高速旋转，将激光器发出的激光束反射到条形码上作一维扫描。

   （2）条形码反射的光束经光电转换及放大元件接收并放大后再传输给信号处理装置。

30．采用逐次逼近法的模/数转换器主要由哪几部分组成？

   答：由电压比较器、数/模转换器、顺序脉冲发生器、数码寄存器和逐次逼近寄存器组成。

四、计算题（本大题共3小题，每小题8分，共24分）

31．已知变磁通式转速传感器输出电动势的频率f=72Hz，测量齿盘的齿数Z=36，求：

（1）被测轴的转速是每分钟多少转？

（2）在上述情况下，如果计数装置的读数误差为±1个数字，其最大转速误差是多少？

解：（1）

   （2）频率计的计数装置读数误差为±1个数字，对应的角位移为±转=±转故其最大转速误差为±（转/分）

32．一热敏电阻在0℃和100℃时，电阻值分别为200kΩ和10kΩ。试计算该热敏电阻在20℃时的电阻值。

解：热敏电阻的一般表达式为：

       式中：RT为温度T=t+273.15(K)时的热敏电阻的电阻值；R0为温度T0=t0+273.15(K)          时的热敏电阻的电阻值；

       设t0=20℃,T0=t0+273.15=293.15(K)。则上式中的R0即为所求的值。

       根据题中所给条件，有

          （1）

                      （2）

（1）、（2）两式两边取对数有

33．求正弦信号x(t)=x0sinωt的自相关函数。

 解： 

五、应用题（本大题共2小题，每小题8分，共16分）

34．图示为电阻网络D/A转换电路。                                

（1）写出电流i与电压VREF的关系式。                          

（2）若VREF=10V

输入信号D3D2D1D0=1000，

试计算输出电压V0=？

①

②当D3D2D1D0=1000时，

35．已知某信号的傅里叶级数展开式为

      x(t)= sincosnω0t  

试求该信号的直流分量、第一至第五次谐波分量的幅值，并绘出其幅值谱图。

解：直流分量A0＝0

一次谐波分量  A1＝

二次谐波分量  A2＝0

三次谐波分量  A3＝

四次谐波分量  A4＝0

五次谐波分量  A5＝

其幅值谱如右图所示。

一、填空题(每空1分，共15分)

1.如果仅仅检测是否与对象物体接触，可使用___ ON-OFF型微动开关____作为传感器。

2.红外图像传感器由红外敏感元件和___电子扫描____电路组成。

3.在电阻应变片公式， =(1+2μ)ε+λEε中，λ代表___材料压阻系数____。

4.利用电涡流位移传感器测量转速时，被测轴齿盘的材料必须是___金属____。

5.当磁头相对于磁尺不动时，仍有感应电动势输出的是静态磁头，且输出电势的幅值由__磁头所处的位置_____所决定。

6.动态标定的目的，是检验测试传感器的___动态性能____指标。

7.确定静态标定系统的关键是选用被测非电量(或电量)的标准信号发生器和___标准测试系统____。

8.传感器的频率响应特性，必须在所测信号频率范围内，保持___不失真测量____条件。

9.热电偶电动势由_ 温度差 _电动势和接触电动势两部分组成。

10.SnO2型半导体气敏器件非常适宜检测浓度较___低____的微量气体。

11.有源滤波器由集成运放和___ RC网络____组成。

12.采用___交流____电源供电的电桥称为交流电桥。

13.多路模拟开关由___地址译码器___和多路双向模拟开关组成。

14.为了提高检测系统的分辨率，需要对磁栅、容栅等大位移测量传感器输出信号进行_细分。

15.若随机信号x(t)、y(t)的均值都为零，当τ→∞时，它们的互相关函数Rxy(τ)=___0____。

二、单项选择题(在每小题的四个备选答案中，选出一个正确答案，并将正确答案的序号填在题干的括号内。每小题1分，共15分)

1.对压电式加速度传感器，希望其固有频率(  C   )

  A.接近零                                B.尽量低些

  C.尽量高些                                D.任意

2.(  C   )传感器可用于医疗上-50℃～150℃之间的温度测量。

  A.金属辐射式                            B.热电偶

  C.半导体三极管                            D.比色计

3.信号传输过程中，产生干扰的原因是(  C   )

  A.信号是缓变的                            B.信号是快变的

  C.干扰的耦合通道                        D.信号是交流的

4.差动电桥由环境温度变化引起的误差为(  D   )

  A.                                B. 

  C.                            D.0

5.概率密度函数提供了随机信号(  B   )的信息。

  A.沿频率轴分布                            B.沿幅值域分布

  C.沿时域分布                            D.沿尺度分布

6.非线性度是表示校准曲线(  B   )的程度。

  A.接近真值                            B.偏离拟合直线

  C.正反行程不重合                    D.重复性

7.非周期信号的频谱是(  A   )

  A.连续的                            B.离散的

  C.基频的整数倍                        D.脉冲函数

8.莫尔条纹光栅传感器的输出是(  A   )

  A.数字脉冲式                        B.调幅式

  C.调频式                            D.正弦波

9.半导体应变片具有(   A  )等优点。

  A.灵敏度高                            B.温度稳定性好

  C.可靠性高                            D.接口电路复杂

10.一阶系统的动态表征参数是(  D   )

  A.线性度                            B.固有频率

  C.阻尼比                            D.时间常数

11.常用于测量大位移的传感器有(  A   )

  A.感应同步器                        B.应变电阻式

  C.霍尔式                            D.涡流式

12.将电阻应变片贴在(   C  )上，就可以分别做成测力、位移、加速度等参数的传感器。

  A.质量块                            B.导体

  C.弹性元件                            D.机器组件

13.半导体热敏电阻率随着温度上升，电阻率(  B   )

  A.上升                                B.迅速下降

  C.保持不变                            D.归零

14.结构型传感器是依靠传感器(  C   )的变化实现信号变换的。

  A.材料物理特性                        B.体积大小

  C.结构参数                            D.电阻值

15.阻抗头是测量振动系统(  D   )的拾振器。

  A.振动位移                            B.振动加速度

  C.激振力                            D.激振力及其响应

三、问答题(每小题5分，共30分)

1.在静态测量中，根据测量系统输入量与对应输出值所绘制的定度曲线可以确定那些静态特性?

答：在静态测量中，根据绘制的定度曲线，可以确定测量系统的三个静态特性：灵敏度，非线性度，回程误差。

2.设载波的中心频率为f0试根据图a、图b所示调制信号定性画出相应调频波波形。

调频波波形频率f与中心频率f0和调制波幅值的关系f=f0±Δf,Δf为频率偏移，与X(t)幅值成正比。

3.回答下列函数哪些是周期函数、哪些是非周期函数：

  x1(t)=sin3ωt，x2(t)=e-t，x3(t)=esinωt，x4(t)=δ(t)，  x5(t)=sin

答：x1(t) x3(t) x5(t)周期函数，x2(t) x4(t)非周期函数。

4.简述两类扭矩的测量原理及举例说明相应的扭矩传感器。

答：1)轴类零件受扭矩作用时，在其表面产生切应变，可通过测量该应变检测扭矩，如电阻应变式扭矩传感器。

2)弹性转轴受扭后，两端面的相对转角只与所承受的扭矩有关，且呈比例关系，可通过测量扭转角测量扭矩，如电容式或光电式扭矩传感器。

5.简述应变片在弹性元件上的布置原则，及哪几种电桥接法具有温度补偿作用。

答：布置原则有：

(1)贴在应变最敏感部位，使其灵敏度最佳；

(2)在复合载荷下测量，能消除相互干扰；

(3)考虑温度补偿作用；

单臂电桥无温度补偿作用，差动和全桥方式具有温度补偿作用。

6.涡流式传感器测量位移与其它位移传感器比较，其主要优点是什么?涡流传感器能否测量大位移量?为什么?

答：优点：

能实现非接触测量，结构简单，不怕油等介质污染。

涡流传感器不能测量大位移量，只有当测量范围较小时，才能保证一定的线性度。

四、计算题(每小题8分，共24分)

1.已知测量齿轮齿数Z=18，采用变磁通感应式传感器测量工作轴转速(如图所示)。若测得输出电动势的交变频率为24(Hz)，求：被测轴的转速n(r/min)为多少?当分辨误差为±1齿时，转速测量误差是多少?

解：(1)测量时，齿轮随工作轴一起转动，每转过一个齿，传感器磁路磁阻变化一次，磁通也变化一次，因此，线圈感应电动势的变化频率f等于齿轮的齿数Z与转速n的乘积。

f=nZ/60

n===80(r/min)

(2)读数误差为±1齿，所以应为转，即：

n=80±(r/min)

2.由RC组成无源低通滤波器，已知R=500(Ω)，C=10(μF)，试求：

(1)截止频率f0，并画出该滤波器的幅频示意图。

(2)设输入信号x(t)=0.2cos,判断其是否在该滤波器的通频带内。

解：(1)f0=

幅频示意图：

(2)周期信号x(t)的角频率ω=125.6

f1=

信号x(t)的频率在该滤波器的通频带内。

3.试绘出x(t)=2cos(2πf0t)+3的时域图和频域图。

由于1δ(f)     33δ(f)

又    2cos(2πf0t)δ(f-f0)+δ(f+f0)

根据傅里叶变换的线性叠加原理：

2cos(2πf0t)+3δ(f-f0)+3δ(f)+δ(f+f0)

时域图见图a，频域图见图b

五、应用题(每小题8分，共16分)

1.试用双螺管线圈差动型电感传感器做成一个测力传感器。

(1)用简图说明该传感器的结构，并简要说明其作用原理；

(2)用图说明两个线圈在电桥电路中的接法。

解：(1)传感器的结构如图a所示，它由传力块、弹性圆桶、双螺管线圈、衔铁、传感器座等几部分组成。

原理：被测力F通过传力块作用在弹性圆桶上，弹性圆桶的变形带动衔铁移动，使双螺管线圈的电感量发生变化，从而实现力的测量。

(2)电桥的接法如图b所示：

2.如图所示，轴工件用前后顶尖支承纵向磨削外园表面，在加工过程中，径向力Py和切向力Pz大小基本不变，但着力点位置沿轴向移动，现在前后顶尖上粘贴电阻应变片测量工件所受的Pz。

(1)在图中标明应变片的位置及Pz的测量电桥。

(2)着力点移动对测量结果有无影响?为什么?

解：(1)应变片(R1、R2、R3、R4)粘贴位置如图a所示；测量电桥如图b所示。

(2)根据以上位置布片和电桥接法，着力点位置的变化不会影响Pz的大小，因为在顶尖上的分力Pz1、Pz2，Pz=Pz1+Pz2，由Pz1、Pz2引起的电阻R1、R3的变化值之和保持不变，故Pz的测量不受着力点的移动而改变。