高考申論題
112年
[農業機械] 農業機電與控制
第 一 題
📖 題組：
圖二為將一應變計（Strain gauge）設計成自動量測應力或應變之量測系統。首先將應變計（假設此為電阻式應變計）連接至橋接電路上；之後接上儀表放大器（Instrumentation amplifier），儀表放大器內含三顆一般放大器（Operational amplifier, OPA）；最後再透過數據擷取系統（Data acquisition systems）內之類比轉數位轉換器（A/D converter）轉換成數位訊號，並由數據採集系統內之程式，將應變計上量測的應力或應變值顯示出來。試說明：（每小題5分，共20分）
圖二為將一應變計（Strain gauge）設計成自動量測應力或應變之量測系統。首先將應變計（假設此為電阻式應變計）連接至橋接電路上；之後接上儀表放大器（Instrumentation amplifier），儀表放大器內含三顆一般放大器（Operational amplifier, OPA）；最後再透過數據擷取系統（Data acquisition systems）內之類比轉數位轉換器（A/D converter）轉換成數位訊號，並由數據採集系統內之程式，將應變計上量測的應力或應變值顯示出來。試說明：（每小題5分，共20分）
📝 此題為申論題，共 4 小題
小題 (一)
應變計量測應力或應變之原理。
思路引導 VIP
看到此題，應直覺聯想電阻的基本物理定義式（R = ρL/A）與「壓阻效應」。說明當受測物受外力產生變形（應變）時，貼附其上的應變計內部金屬導線會隨之拉長或縮短，導致截面積與長度改變，進而引起電阻值（ΔR）的變化。最後點出電阻變化率與應變之間可透過應變係數（Gauge Factor, GF）建立線性關係，再藉由虎克定律（σ = E·ε）求得應力。
小題 (二)
橋接電路之平衡原理。
思路引導 VIP
看到惠斯登電橋（Wheatstone bridge）的平衡原理，應直覺想到利用「分壓定理」分別寫出兩量測節點（A與B）的電壓方程式。接著設定輸出電壓差為零（即兩節點電位相等），即可推導出對角線電阻乘積相等的平衡條件。
小題 (三)
儀表放大器之原理，其與一般放大器有何不同。
思路引導 VIP
看到儀表放大器與一般OPA的比較題，首先回想其『三顆OPA』經典架構：前級兩顆負責高輸入阻抗緩衝，後級負責差動放大。答題關鍵必須緊扣『高輸入阻抗（避免負載效應）』、『高共模拒斥比（CMRR，抗雜訊）』以及『增益調整容易（只需單一電阻）』這三大特性。
小題 (四)
說明此整合電路之整體運作方式。
思路引導 VIP
看到此類系統運作題，應運用「訊號鏈（Signal Chain）」的邏輯進行拆解分析。將系統分為「感測器擷取物理量」、「電橋轉換為電壓」、「儀表放大器放大訊號與抗干擾」、「ADC數位化與後端顯示」四個階段，循序漸進說明訊號型態的轉換過程。