西南石油大学级传感器原理与设计期末考试试题第一套（精品）

西南石油大学2003级传感器原理与设计期末考试试题第一套
西南石油大学《传感器原理与设计》考试试卷（第一套）课程号考试时间120分钟
适用专业年级（方向）：测控技术与仪器2003级
考试方式及要求：闭卷笔试
题号一二三四五六总分
得分
阅卷人
一、问题解答（6×5=30分）
1．什么叫传感器？传感器主要由哪几部分组成？它们的作用和相互关系如
何？
2．什么是金属导体的电阻－应变效应和热电阻效应？
3．请说明高频反射式电涡流传感器的基本结构和工作原理。

4．压电式传感器的工作原理是什么？压电式传感器的信号调理为什么必须
要设置前置放大器？
其作用是什么？主要采用哪些类型的前置放大器？
5．什么叫莫尔条纹?为什么利用莫尔条纹现象可以测微小位移？
二、填空题（20分）
1．有一温度传感器，其微分方程为
其中T为输入温度（℃），u为输出电压（mV），则该传感器的时间常数τ= ，
静态灵敏度K= 。

若用此传感器去测量周期为50s的正弦信
号，
其幅值动态误差γ= 。

相位差ϕ= 。

（6分）2．通常情况下，半导体NTC热敏电阻的阻值随温度的升高而；光敏电阻的阻值随光强的
增加而；LiCl湿敏电阻的阻值随湿度的减小而。

（3分）3．分度号为Cu100的工业铜热电阻，其百度电阻比W（100）=1.42。

当此热电阻置于50℃热水中时，
其电阻值R50= Ω；若用其测量某天然气集输管线内天然气的温度时，
其电阻值为112Ω，则此管道内天然气的温度为℃。

（4分）4．热电偶的工作原理是，热电偶的热电势包括和两部分。

（4分）
5．二阶传感器系统动态特性标定主要是试验确定其动态响应的两个基本参数
和；输入的动态标定信号通常为。

（3分）
三、（15分）如图1所示柱式力传感器，实心圆柱体钢试件直径d=10mm，材料的弹性模量E=2×1011N/m2，
泊松比μ=0.285。

试件上贴四片相同的电阻应变片，其灵敏系数K=2.0，
并采用直流电桥线路进行测量。

为了提高测量精度和灵敏度，这四片电阻应变片应如何粘贴和怎样接入电桥线路，请画出相应的粘贴
方式图和电桥电路图；若所受力F=3×104N，供桥电压U i=6V，此时电桥的输出电压U o为多少?
(a) 实心圆柱体钢试件 (b) 圆柱体钢试件側面展开图
图1 柱式力传感器
四、（15分）一台变间隙式平板电容传感器，其极板直径D=8mm，极板间初始间距d0=1mm.，
极板间介质为空气，其介电常数ε0=8.85×10-12F/m。

试求：
（1）初始电容C0；
（2）当传感器工作时，间隙减小∆d=10µm，则其电容量变化∆C；
（3）如果测量电路的灵敏K u=100mV/pF，则在∆d=±1µm时的输出电压U0。

五、（10分）三段式螺管差动变压器电感液位传感器测量系统的结构和电
气线路图如图2所示。

请简要说明其测液位的工作原理和及其测量过程。

(a)结构图 (b)电气线路图
图2 三段式螺管差动变压器电感液位传感器测量系统（两次级线圈结构相同)
六、（10分）请设计一数字转速计，画出其结构示意图并说明其工作原理
和工作过程。

（传感器和方法不限）
参考答案
适用专业年级：测控技术与仪器2003级
一、问题解答（6×5=30分）
1．什么叫传感器？传感器主要由哪几部分组成？它们的作用和相互关系如何？
答：传感器——能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。

传感器通常由敏感元件和转换元件组成。

敏感元件的作用：能直接感受或响应被测量并输出与被测量成确定关系的其他量（一般为非电
量）部分。

转换元件作用：将敏感元件感受或响应的可用输出信号（一般为电信号）。

敏感元件是转换元件的前提。

2．什么是金属导体的电阻－应变效应和热电阻效应？
答：金属电阻的应变电阻效应——当金属导体在外力作用下发生机械变形时，其电阻值将相应地发生
变化。

热电阻效应——金属导体的电阻随温度的变化而变化。

3．请说明高频反射式电涡流传感器的基本结构和工作原理。

答：基本结构主要由金属导体板与相邻处线圈构成。

当线圈中通以交变电流i1时，线圈周围空间产生交变磁场H1。

此时，金属板中将产生感应电动势，从而形成电涡流i2，
此电涡流又产生一个磁场H2。

由于H2对线圈的反作用，从而导致线圈的电感量、阻抗、品质因数发生变化。

4．压电式传感器的工作原理是什么？压电式传感器的信号调理为什么必须要设置前置放大器？
其作用是什么？主要采用哪些类型的前置放大器？
答：压电式传感器的工作原理是压电效应。

压电式传感器本身的内阻很高(R a ≥1010Ω)，而输出的能量信号又非常微弱，因此它的信号调理电路通常需要一个
高输入阻抗的前置放大器。

其基本作用：1．把压电式传感器的高输出阻抗变换为低阻抗输出；2．对压电式传感器输出的
微弱信号进行放大。

前置放大器类型为：电压放大器与电荷放大器。

5．什么叫莫尔条纹?为什么利用莫尔条纹现象可以测微小位移？
答：光栅常数相同的两块光栅相互叠合在一起时，若两光栅刻线之间保持很小的夹角θ，由于遮光效
应，两块光栅刻线
的相交处形成亮带，而在刻线彼此错开处形成暗带。

在近于垂直栅线方向出现若干明暗相间的
条纹，即莫尔条纹。

光栅副相对移动一个栅距W，Moire条纹移动一个间距B，由B=W/θ知，B对光栅副的位移有
放大作用，
因此，利用Moire条纹可以测微小位移。

二、填空题（20分）
1．10(s)，0.05（mV//℃），37.7﹪，－51.47°。

2．降低；减小；升高。

3．121Ω，28.6ºC。

4．热电效应，温差电势，接触电势。

5．固有频率，阻尼比；正弦信号，阶跃信号。

（15分）如图1所示柱式力传感器，实心圆柱体钢试件直径d=10mm，材料的弹性模量E=2×1011N/m2，三、
泊松比μ=0.285。

试件上贴四片相同的电阻应变片，其灵敏系数K=2.0，并采用直流电桥线路进行测
量。

为了提高测量精度和灵敏度，这四片电阻应变片应如何粘贴和怎样接入电桥线路，请画出相应的粘贴
方式图和电桥电路图；若所受力F=3×104N，供桥电压U i=6V，此时电桥的输出电压U o为多少?
解：（1）粘贴方式图如下图（a），电桥电路图如下图（b）。

（a）（b）
（2）解法如下：
四、（15分）一台变间隙式平板电容传感器，其极板直径D=8mm，极板间初始间距d0=1mm.，
极板间介质为空气，其介电常数ε0=8.85×10-12F/m。

试求：
（1）初始电容C0；
（2）当传感器工作时，间隙减小∆d=10µm，则其电容量变化∆C；
（3）如果测量电路的灵敏K u=100mV/pF，则在∆d=±1µm时的输出电压U0。

解：由题意可求
（1）初始电容：
(2)由，则当Δd=±10um时，有
如果考虑d1=1mm+10µm与d2=1mm﹣10µm之间的电容变化量ΔC′，则应为
ΔC′=2|ΔC|=2×4.45×10-3=8.9×10-3pF
(3) 当Δd=±1µm时，有
由 K u=100mV/pF=U0/ΔC，则
U0=K uΔC=100mV/pF×(±0.445×10-3pF)=±0.0445(mV)
五、（10分）三段式螺管差动变压器电感液位传感器测量系统的结构和电气线路图如图2所示。

请简要说明其测液位的工作原理和及其测量过程。

解：差动变压器的两个次级线圈反相串接。

其差动变压器式传感器的工作原理正是建立在互感变化的基础上。

当某一设定液位使铁心处于中心位置时，差动变压器输出信号Es=0；当液位上升或下降时，
Es≠0。

通过相应的测量电路便能确定液位的高低。

六、（10分）请设计一数字转速计，画出其结构示意图并说明其工作原理和工作过程。

（传感器和方法不限）
解：结构示意图如下：
在转轴（或飞轮）上开一键槽，靠近轴表面安装电涡流传感器，轴转动时便能检出传感器与轴表面的间隙变化，从而得到相对于键槽的脉冲信号，经放大、整形后，获得相对于键槽的脉冲方波信号，
然后可由频率计计数并指示频率值即转速（其脉冲信号频率与轴的转速成正比）。