2007年本科生“传感技术及应用”试题(A卷) 一、填空题（每空2分，共20分）》 (1)传感器的作用是 ,其核心是 。从传感器用 于自动化系统的角度考虑，要求传感器的输出是标准的电信号，例如电压信号 1~5V,或电流信号 mA。近年来，由于微电子技术与微机械技术 的发展，传感器技术的 与智能化发展很快，但在智能化传感器技 术中，尽管微处理器具有重要的作用，但智能化传感器的关键是 (2)弹性敏感元件在阶跃载荷作用下，所产生的 并不能立刻完 成，需要经过一段时间间隔才能完成。这个过程称为弹性元件 的 ,它是引起某些传感器测量过程 误差的主要原 因之一。当外力保持恒值时，弹性元件在一个较长时间范围内仍然继续缓慢变 形的现象称为 ,它是影响某些传感器测量过程 的主要 原因之一。 二、说明应变式扭矩传感器的设计要点，并讨论可能的测量误差。(15分) 三、利用悬臂梁的应力特性测量加速度时，悬臂梁的几何结构参数应当如何设 计？(15分) 四、电容式压力传感器如何实现差动测量，试给出原理结构示意图，并对其工 作原理和优点进行必要的说明。（15分) 五、讨论谐振式传感器闭环自激系统在时域和复频域的实现条件（要求结合图 进行讨论)，并说明它们在实际应用中的特点。(15分) 六、图示为一个结构新颖的传感器，请说明其测量原理、主要应用特点：若提 高其测量灵敏度应采取什么措施（定性说明即可）。(20分)
1 2007 年本科生“传感技术及应用”试题（A 卷） 一、填空题(每空 2 分，共 20 分) (1) 传感器的作用是 ，其核心是 。从传感器用 于自动化系统的角度考虑，要求传感器的输出是标准的电信号，例如电压信号 1～5V，或电流信号 mA。近年来，由于微电子技术与微机械技术 的发展，传感器技术的 与智能化发展很快，但在智能化传感器技 术中，尽管微处理器具有重要的作用，但智能化传感器的关键是 。 (2) 弹性敏感元件在阶跃载荷作用下，所产生的 并不能立刻完 成 ， 需 要 经 过 一 段 时 间 间 隔 才 能 完 成 。 这 个 过 程 称 为 弹 性 元 件 的 ，它是引起某些传感器测量过程 误差的主要原 因之一。当外力保持恒值时，弹性元件在一个较长时间范围内仍然继续缓慢变 形的现象称为 ，它是影响某些传感器测量过程 的主要 原因之一。 二、说明应变式扭矩传感器的设计要点，并讨论可能的测量误差。（15 分） 三、利用悬臂梁的应力特性测量加速度时，悬臂梁的几何结构参数应当如何设 计？（15 分） 四、电容式压力传感器如何实现差动测量，试给出原理结构示意图，并对其工 作原理和优点进行必要的说明。（15 分） 五、讨论谐振式传感器闭环自激系统在时域和复频域的实现条件（要求结合图 进行讨论），并说明它们在实际应用中的特点。（15 分） 六、图示为一个结构新颖的传感器，请说明其测量原理、主要应用特点；若提 高其测量灵敏度应采取什么措施（定性说明即可）。（20 分）
梁搭振子1 梁指振子2 环形摸 x 真空罩 R 边界结构 题六图一种新型传感器结构示意图 2
2 题六图 一种新型传感器结构示意图
2007年本科生“传感技术及应用”试题（A卷一参考答案) 一、填空题（每空2分，共20分） (1)传感器的作用是获取信息（测量），其核心是敏感元件。从传感器用于 自动化系统的角度考虑，要求传感器的输出是标准的电信号，例如电压信号1~ 5V,或电流信号4~20mA。近年来，由于微电子技术与微机械技术的发展， 传感器技术的集成化与智能化发展很快，但在智能化传感器技术中，尽管微 处理器具有重要的作用，但智能化传感器的关键是基础（本）传感器。 (2)弹性敏感元件在阶跃载荷作用下，所产生的变形（形变）并不能立刻完成， 需要经过一段时间间隔才能完成。这个过程称为弹性元件的弹性后效，它是 引起某些传感器测量过程重复性（随机）误差的主要原因之一。当外力保持恒 值时，弹性元件在一个较长时间范围内仍然继续缓慢变形的现象称为蠕变， 它是影响某些传感器测量过程稳定性的主要原因之一。 二、说明应变式扭矩传感器的设计要点，并讨论可能的测量误差。(15分) 回答要点： 1.应变式扭矩传感器的敏感元件可以是圆柱杆，其关键参数为直径。由于扭矩 作用于圆柱杆的端面，在沿杆轴线的45度与135度方向上引起的正应变最大， 而且一个方向为正的，另一个方向为负的。因此须在上述方向上各设置两个应 变元件(9分)。 2.可能的误差为：应变元件的方向误差、四个应变元件的一致性误差、构成 检测电路时电源的稳定性误差、温度误差等(6分)。 3.可用图表示。 三、利用悬臂梁的应力特性测量加速度时，悬臂梁的几何结构参数应当如何设 计？(15分) 回答要点： 3
3 2007 年本科生“传感技术及应用”试题（A 卷－参考答案） 一、填空题(每空 2 分，共 20 分) (1) 传感器的作用是 获取信息（测量），其核心是 敏感元件 。从传感器用于 自动化系统的角度考虑，要求传感器的输出是标准的电信号，例如电压信号 1～ 5V，或电流信号 4～20 mA。近年来，由于微电子技术与微机械技术的发展， 传感器技术的 集成化 与智能化发展很快，但在智能化传感器技术中，尽管微 处理器具有重要的作用，但智能化传感器的关键是 基础(本)传感器 。 (2) 弹性敏感元件在阶跃载荷作用下，所产生的 变形(形变) 并不能立刻完成， 需要经过一段时间间隔才能完成。这个过程称为弹性元件的 弹性后效 ，它是 引起某些传感器测量过程 重复性（随机）误差的主要原因之一。当外力保持恒 值时，弹性元件在一个较长时间范围内仍然继续缓慢变形的现象称为 蠕变 ， 它是影响某些传感器测量过程 稳定性 的主要原因之一。 二、说明应变式扭矩传感器的设计要点，并讨论可能的测量误差。（15 分） 回答要点: 1. 应变式扭矩传感器的敏感元件可以是圆柱杆，其关键参数为直径。由于扭矩 作用于圆柱杆的端面，在沿杆轴线的 45 度与 135 度方向上引起的正应变最大， 而且一个方向为正的，另一个方向为负的。因此须在上述方向上各设置两个应 变元件 (9 分) 。 2. 可能的误差为：应变元件的方向误差、四个应变元件的一致性误差、构成 检测电路时电源的稳定性误差、温度误差等 (6 分) 。 3. 可用图表示。 三、利用悬臂梁的应力特性测量加速度时，悬臂梁的几何结构参数应当如何设 计？（15 分） 回答要点：
1.画出悬臂梁的结构示意图，包括敏感质量(3分)。 2.画出应力敏感原件（应为4个压阻元件或若干个压电元件）在悬臂梁上的政确 位置(3分)。 3.指出悬臂梁敏感结构参数为：长度、宽度和厚度，且基本上满足100：10： 1的关系(3分)。 4.设计结构参数时，主要考虑传感器的测量范围、动态响应特性等：依敏感质 量块和加速度的范围可知在悬臂梁端部所受集中力的范围(3分)。 5.利用悬臂梁根部所受最大应力、应变的要求确定悬臂梁的几何结构参数(3 分)。 四、电容式压力传感器如何实现差动测量，试给出原理结构示意图，并对其工 作原理和优点进行必要的说明。(15分) 回答要点： 1.正确画出电容式压力传感器实现差动测量的原理结构示意图。具体的形式可 以多样，但应符合传感器的设计思路，特别应包括差动敏感结构、两个电容的 结构形式，并对有关结构参数进行简要说明(7分)。 2.说明传感器的工作原理时，压力作用到电容的活动极板，与两个固定极板形 成一对差动电容，并指出要通过一定的电路来转换(4分)。 3.优点：可以消除共模干扰，如温度、横向随机振动等干扰因素的影响。(4 分)。 五、讨论谐振式传感器闭环自激系统在时域和复频域的实现条件（要求结合图 进行讨论)，并说明它们在实际应用中的特点。(15分) 回答要点： 1.正确画出谐振式传感器闭环自激系统在时域和复频域的结构图(4分)。 2.正确给出谐振式传感器闭环自激系统在时域和复频域的幅值、相位条件(6 4
4 1. 画出悬臂梁的结构示意图，包括敏感质量(3 分)。 2. 画出应力敏感原件(应为4个压阻元件或若干个压电元件)在悬臂梁上的政确 位置(3 分)。 3. 指出悬臂梁敏感结构参数为：长度、宽度和厚度，且基本上满足 100：10： 1 的关系(3 分)。 4. 设计结构参数时，主要考虑传感器的测量范围、动态响应特性等；依敏感质 量块和加速度的范围可知在悬臂梁端部所受集中力的范围(3 分)。 5. 利用悬臂梁根部所受最大应力、应变的要求确定悬臂梁的几何结构参数(3 分)。 四、电容式压力传感器如何实现差动测量，试给出原理结构示意图，并对其工 作原理和优点进行必要的说明。（15 分） 回答要点： 1. 正确画出电容式压力传感器实现差动测量的原理结构示意图。具体的形式可 以多样，但应符合传感器的设计思路，特别应包括差动敏感结构、两个电容的 结构形式，并对有关结构参数进行简要说明(7 分)。 2. 说明传感器的工作原理时，压力作用到电容的活动极板，与两个固定极板形 成一对差动电容，并指出要通过一定的电路来转换(4 分)。 3. 优点：可以消除共模干扰，如温度、横向随机振动等干扰因素的影响。(4 分)。 五、讨论谐振式传感器闭环自激系统在时域和复频域的实现条件（要求结合图 进行讨论），并说明它们在实际应用中的特点。（15 分） 回答要点： 1. 正确画出谐振式传感器闭环自激系统在时域和复频域的结构图 (4 分) 。 2. 正确给出谐振式传感器闭环自激系统在时域和复频域的幅值、相位条件 (6
分)。 3.实际应用中时域主要是调试传感器，复频域主要是设计传感器闭环系统（⑤ 分)。 六、图示为一个结构新颖的传感器，请说明其测量原理、主要应用特点：若提 高其测量灵敏度应采取什么措施（定性说明即可）。(20分) 回答要点： 1.该传感器为一种硅谐振式压力传感器(2分)。 其工作原理：被测压力—一膜片应力一谐振梁的等效刚度一谐振梁的固有 频率。实际应用时，传感器的输出为梁谐振子1与梁谐振子2的频率差(8分)。 2.应用特点为：谐振式传感器（数字式、高性能）、体积小、质量小、功耗低、 差动输出(6分)。 3.提高灵敏度措施：合理设计环形膜片与梁谐振子的几何参数是最有效的措 施。如减小膜片厚度H、适当增加环形膜片半径(R2一R1)等(4分)。 梁谐振子1 梁指振子2 环形摸 好双汉 真空罩 R1 边界结构 题六图一种新型传感器结构示意图 5
5 分) 。 3. 实际应用中时域主要是调试传感器，复频域主要是设计传感器闭环系统 (5 分) 。 六、图示为一个结构新颖的传感器，请说明其测量原理、主要应用特点；若提 高其测量灵敏度应采取什么措施（定性说明即可）。（20 分） 回答要点： 1. 该传感器为一种硅谐振式压力传感器（2 分）。 其工作原理：被测压力——膜片应力——谐振梁的等效刚度——谐振梁的固有 频率。实际应用时，传感器的输出为梁谐振子 1 与梁谐振子 2 的频率差 (8 分) 。 2. 应用特点为：谐振式传感器（数字式、高性能）、体积小、质量小、功耗低、 差动输出（6 分）。 3. 提高灵敏度措施：合理设计环形膜片与梁谐振子的几何参数是最有效的措 施。如减小膜片厚度 H、适当增加环形膜片半径（R2－R1）等 (4 分) 。 题六图 一种新型传感器结构示意图