传感器考试习题总结

第一章引言1传感器的定义是什么？请画出传感器的组成框图并说明各部分的作用。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。通常由敏感元件和转换元件构成。传感器一般由敏感元件、转换元件、转换电路三部分组成。测量电路I电源 II1电量输出量1. 敏感元件（Sensitive element）:直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的某一物理量的元件。2. 转换元件（Transduction element）:以敏感元件的输出为输入，把输入转换成电路参数。3. 转换电路（Transduction circuit）:将上述电路参数转换成电量输出。2、写出传感器的灵敏度的定义及意义。描述传感器的输出量（电学量）对输入量（非电学量）敏感程度的特性参数输出量的变化值输入量的变化值注：传感器校准曲线的斜率即为灵敏度第二章应变式传感器本章作业：（作业题仅是列出）1什么叫应变效应？利用应变效应解释金属电阻应变片的工作原理。2、金属电阻应变片与半导体应变片的工作原理有何区别？各有何优缺点？3、什么是传感器的静态特性？应变计的主要特性中，哪些和静态特性有关？分析之。作业：1有一金属电阻应变计，其灵敏度k=2.5，R=120欧，设工作时其应变为 1200，则是多少？若将此应变片与 2V的直流电源组成回路，试求无应变时和有应变时的回路电流。2、什么是直流电桥？若按桥臂工作方式不同，可分为哪几种？各自的输出电压如何计算？3、试述应变片温度误差的概念，产生原因和补偿方法。应变式传感器 基本上是利用金属的 电阻应变效应 将被测量转换为电量输出的一种传感器，其核心元件是电阻应变计（也称为电阻应变片），其功能是将机械构件上的应变转换为电阻应 变。电阻应变计，也称应变计或应变片，是一种能将机械构件上的应变的变化转化为电阻变化的 传感元件。电阻应变计的工作原理是基于电阻应变效应的。解释电阻应变效应： 另见PPT温度误差产生的原因把应变计安装在自由膨胀的试件上，即使试件不受任何外力作用，如果环境温度发 生变化，应变计的电阻也将发生变化。这种变化叠加在测量结果中将产生很大误差。这种由于环境温度改变而带来的误差 ，称为应变计的温度误差，又称热输出。产生温度误差的原因有二：（1）电阻本身随温度发生变化（即电阻温度系数的影响）（2 ）试件材料和电阻丝材料的线膨胀系数的影响当试件与电阻丝材料的线膨胀系数相同时，不论环境温度如何变化，电阻丝的变形仍和自由状态一样，不会产生附加变形。 当试件和电阻丝线膨胀系数不同时 ，由于环境温度的变化, 电阻丝会产生附加变形，从而产生附加电阻。温度补偿方法：电阻应变片的温度补偿方法通常有线路补偿法和应变片自补偿两大类。1电桥补偿法（利用电桥的和、差原理来达到补偿的目的）2测温元件微型计算机补偿法3 应变计自补偿法第三章光电式传感器作业：1. 什么是外光电效应？什么是内光电效应？2. 内光电效应分为哪几类？基于各原理工作的器件有哪些？光电效应 可分成外光电效应 和内光电效应 两类。热释电效应：利用热效应的光电传感器包含光 -热、热-电，两个阶段的信息变换过程。光热 阶段是物质吸收了光以后温度升高，热电阶段是利用某种效应将热转变为电信号。热释电效应就是这种效应之一。由于温度的变化，热释电晶体和压电陶瓷等会出现结构上的电荷中心相对位移，使它们的自发极化强度发生变化，从而导致电极上的自由电荷发生变化，这种现象称为热释电效应。光电倍增管 是利用二次电子释放效应，将光电流在管内部进行放大。光电池的工作原理是基于光生伏特效应”光电池的工作原理:P81光电池是一种直接将光能转换为电能的光电器件。电池的工作原理是基于光生伏特效应”。它实质上是一个大面积的 PN结，当光照射到PN结的一个面，例如p型面时，若光子能 量大于半导体材料的禁带宽度 ，那么p型区每吸收一个光子就产生一对自由电子和空穴，电子一空穴对从表面向内迅速扩散 ，在结电场的作用下，最后建立一个与光照强度有关的电动 势。热释电传感器结构及原理：热释电传感器利用热释电效应来检测受光面的温度升高值，得知光的辐射强度，工作在红外波段内。红外光黑色膜电极（透明）强电介质-图3.64热释电传感器原理图图3.65热释电传感器结构示意图什么是外光电效应？什么是内光电效应？外光电效应 指在光的照射下，电子逸出物体表面向外发射的现象内光电效应 指受光照后物体（通常为半导体材料）电导率发生变化或产生光电动势的效应。内光电效应分为两类： 光电导效应和光生伏特效应。光电导效应 指入射光强改变物质电导率的现象。光生伏特效应 指半导体材料吸收光能后，在PN结上产生电动势的效应。第四章光纤传感器作业1. 说明光导纤维的组成并分析其导光原理，指出光纤导光的必要条件是什么？计算n1=1.64，n2=1.45的阶跃折射率光纤的数值孔径值。如果外部媒质为空气，求 该光纤的最大入射角。光纤的导光能力取决于纤芯和包层的光学性能。NA，即反映纤芯接收光量的多少数值孔径NA :（概念和计算题） 说明光纤集光本领的术语叫数值孔径定义：光从空气入射到光纤输入端面时，在纤芯内，此光锥半角的正弦称为数值孔径处在某一角锥内的光线一旦进入光纤,NA X 忙）就将被截留数值孔径反映纤芯接收光量的多少。其意义是：无论光源发射功率有多大，只有入射光处于20 c的光锥内，光纤才能导光。如入射角过大，则经折射后，光线会从包层逸出而产生漏光。所以NA是光纤的一个重要参数。一般希望有大的数值孔径，这有利于耦合效率的提高，但数值孔径过大，会造成光信号畸变，所以要适当选择数值孔径的数值。4.2强度型（振幅型）光纤传感器（听阿阳说可能考设计题以及工作原理，具体情况不详）兀杵此禅-挥头到破测圉4. 7比纤位访传巒器的结构和工件谦豐可能考结合图说原理原理：根据被测目标表面反射至接收光纤束的光强度的变化来测量被测表面距离的变化。迈克尔逊（Michels on ）干涉仪（解释原理）图4*19迈克尔逊干涉仪分束器：部分反射、部分透射的平面镜 如果光往返于固定平面镜和活动平面镜的光程差小于激光器的相干长度，则透射到光监测 器的两束光就会发生干涉。每当移动平面镜移动半波长的时候，监测器的输出就会变化一 个周期。3.萨格奈克（Sagnac）干涉仪（原理）萨格奈克激光器输出的两束光沿着一条由一个分束器和三个平面镜构成的闭合光路反方向传输，它们重新合路后再入射到光检测器，同时 一部分光返回到激光器。如果某块平面镜沿着与反射面垂直的方向移动，两个光程必然改 变相同的数量，检测器不会检测到干涉过程的变化；若使干涉仪沿着垂直于光束平面的轴 作顺时针旋转，则顺时针方向传输的光束必然滞后于逆时针传输的光束，其光程差为：L 4Ac说明光导纤维的组成并分析其导光原理，指出光纤导光的必要条件是什么？光纤目前基本上还是采用石英玻璃，是由中心的圆柱体（纤芯）和围绕着纤芯的圆形外层 （包层）组成的双层同心圆柱结构。 纤芯和包层主要由不同掺杂的石英玻璃制成。纤芯的折射率n1（光密介质）略大于包层的折射率 n2 （光疏介质），在包层外面还常有一层保护套，多为尼龙材 料。光纤的导光能力取决于纤芯和包层的性质，而光纤的机械强度由保护套维持。光在空间沿着直线传播，在光纤中，光的传输限制在光纤中并能随光纤传送到很远的距离，光纤的传输是基于光的全内反射。当光线射入一个端面并与圆柱的轴线成B角时，根据斯涅耳光的折射定律，在光纤内折射成,然后以$角入射至纤芯与包层的界面。若要在 界面上发生全反射，则纤芯与界面的光线入射角$应大于临界角$ c,即carcs/ni并在光纤内部以同样的角度反复逐次反射,直至传播到另一端为满足光在光纤内的全内反射,光入射到光纤端面的临界入射角B c应满足下式n1 sinn1 sin(2c) ni cos cni (1 sin2 c)(n： n；)所以no sin c (n； n；)第五章电感式传感器作业：1. 电感式传感器的结构组成以及测量原理是什么？2. 试讨论螺管型差动变压器的输出特性电感式传感器的结构组成以及测量原理是什么？电感式传感器由线圈、铁芯和衔铁三部分组成。铁芯和衔铁由导磁材料如硅钢片或坡莫合金 制成，在铁芯和衔铁之间有气隙，气隙厚度为3,传感器的运动部分与衔铁相连。当衔铁移动时，气隙厚度3发生改变，引起磁路中磁阻变化，从而导致电感线圈的电感值变化，因此只要能测出这种电感量的变化，就能确定衔铁位移量的大小和方向。线圈；2铁芯（定铁芯）* 3-衔铁（动铁芯）图5-1变磁阻武传感器差动变隙式电感传感器： 两只完全相同电感式传感器合用一个活动衔铁便构成了差动式电感传感器。传感器的两只电感线圈接成交流电桥的相邻的两臂，另外的另个桥臂由电阻组成。比较差动电感传感器和差动变压器式传感器的异同：待议！两只完全相同电感式传感器合用一个活动衔铁便构成了差动式电感传感器。测量时，衔铁通过导杆与被测位移量相连，当被测体上下移动时， 导杆带动衔铁也以相同的位移上下移动，使两个磁回路中磁阻发生大小相等，方向相反的变化，导致一个线圈的电感量增加，另一个线圈的电感量减小，形成差动形式。比较单线圈和差动两种变间隙式电感传感器的特性，可以得到如下结论： 差动式比单线圈式的灵敏度高一倍。 差动式的非线性项等于单线圈非线性项乘以（/ 0）因子，因为（/ 0）1,所以，差动式的线性度得到明显改善差动变压器式传感器：把被测的非电量变化转换为线圈互感量变化的传感器称为互感式传感 器。这种传感器是根据变压器的基本原理制成的，并且次级绕组都用差动形式连接，故称差动变压器式传感器。 差动变压器结构形式较多，有变隙式、变面积式和螺线管式等，但其工 作原理基本一样。差动变压器是一个有可动铁芯和两个次级线圈组成的变压器，传感器的可动铁芯和待 测物相连，两个次级线圈接成差动形式，可动铁芯的位移利用线圈的互感作用转换成感应电动式的变化，从而得到待测位移。第六章压电传感器作业：1、什么是压电效应？说明石英晶体的压电特性。2、压电加速度传感器的工作原理是什么？1、 用石英晶体加速度计及电荷放大器测量机器的振动，已知：加速度计灵敏度为5pc/g，电荷放大器灵敏度为 50mv/pc，当机器达到最大加速度值时相应的输出电压幅值等于2V，试计算该机器的振动加速度。2、声表面波传感器的基本原理是什么？当某些晶体沿一定方向伸长或压缩时，在其表面上会产生电荷（束缚电荷） ，这种效应称为 压电效应压电式加速度传感器的工作原理： P138 压电式加速度传感器主要由压电元件、质量块、预压弹簧、基座及外壳等组成。整个部件装 在外壳内 , 并用螺栓加以固定。当加速度传感器和被测物一起受到冲击振动时 , 压电元件受 质量块惯性力的作用，此时惯性力 F 作用于压电元件上 , 因而产生交变电荷。SAW 传感器的基本原理 P148 在压电材料表面形成叉指换能器，构成 SAW 振荡器或谐振器， 使待测量作用 SAW 的传播 路径，引起 SAW 的传播速度发生变化，从而使得振荡频率发生变化，通过频率的变化检测 待测量。最后是本章作业和 SAW 加速度的传感器有关计算（具体不详） 第七章压电声传感器机电等效图：等效线路法，等效电路法，是把机械振动、电振荡以及机电转换过程用机电 类比的原理，形象的组合在一个等效图中，该等效图和它所代表的压电振子等效。厚度振动换能器原理： P157 利用压电陶瓷的厚度振动模式，厚度换能器主要是由压电陶瓷 晶片、保护膜和背衬组成圆柱形压电换能器原理：圆柱形压电换能器的转换元件为一压电陶瓷圆管， 极化方向常沿着半径方向 （径向极化） 和 长度方向 （纵向极化） ，做接收换能器时， 有时极化方向也沿着圆周的切线方向 （切向极化） 。 当换能器工作于发射状态时， 压电陶瓷圆管在电场的作用下， 借助反向压电效应， 发生伸张 或收缩， 从而向媒质发射声波。 当换能器工作于接收状态时， 压电陶瓷圆管在声信号的作用 下发生伸张或收缩，借助正压电效应，转换为电信号输出。第八章半导体传感器 热敏电阻的分类：1. 正温度系数型（ Positive Temperature Coefficient ）（简称 PTC 型）2. 负温度系数型（ Negative Temperature Coefficient ）（简称 NTC 型）3. 临界温度系数型（ Critical Temperature Resistor ）（简称 CTR 型）。电宓率随温度升高较均匀减小.（NTO 热 敏电阻硬咒 最早，生产最 成熟是应用 敏电魁之一， 特别适合于 -100 300* C之间 前温度测量, 其色标様记为绿営。SUic10s10e105o3IO21004090120ifZ图8.1半导体热敏电阻的温度特性温度升高到接近茶一 温度时，电阻率大大 下降,产生突变的特 性-曲线斜率在此区 段特射陡悄,灵敏度 极肓，其角标标记为 白角。此特性可用于 自妙揑温和舉警电路 中。合图正温度系数（PTC ）型热敏电阻是由在BaTiO3和SrTiO3为主的成分中加入少量 Y2O3和 Mn2O3构成的烧结体。其特性曲线是随温度升高而阻值增大，其色标标记为红色。开关型正温度系数热敏电阻在居里点附近阻值发生突变，有斜率最大的区段，通过成分配比和添加剂的改变，可使其斜率最大的区段处在不同的温度范围里，例如加入适量铅其居里温度升高。若将铅换成锶，其居里温度下降。临界型（CTR ）热敏电阻，它是负温度系数型，但在某个温度范围里阻值急剧下降，曲线 斜率在此区段特别陡峭，灵敏度极高，其色标标记为白色。此特性可用于自动控温和报警 电路中。负温度系数（NTC ）型半导体热敏电阻 研究最早，生产最成熟，是应用最广泛的热敏电阻 之一，通常是一种氧化物的复合烧结体，特别适合于-100300 C之间的温度测量，其色标标记为绿色 湿度的定义：在物理学和气象学中，对大气（空气）湿度的表征通常使用绝对湿度、相对湿度和露（霜） 点湿度。在一定温度和压力条件下，单位体积的混合气体中所含水蒸气的质量为绝对湿度,所谓相对湿度是指气体的绝对湿度与同一温度下达到饱和状态的绝对湿度PS的百分比，即满足如下关系：HP/ 100%Ps保持压力一定而降温，使混合气体中的水蒸气达到饱和而开始结露或结霜时的温度称为露点温度，单位为c。本章作业：只是列出1. 非接触型半导体温度传感器的测温原理是什么？2. 湿度的定义是什么？相对湿度的定义又是什么呢？1半导体湿度传感器有哪些类型？各种类型的代表性结构是什么？2 半导体气敏器件的工作原理是什么？霍尔器件(分析解释)见 PPT P206零位误差主要原因有以下几种 :(1) 不等位电势 (2) 寄生直流电势 (3)感应零电势 Ui0 以及本章作业：1. 解释霍尔式传感器的工作原理。2. 霍尔元件的不等位电势和温度影响是如何产生的?可采取哪些方法来减小之1. 磁二极管的工作原理是什么？2. 引起霍尔器件零位误差的主要原因有哪些？请解释之。作业讲解：见 PPT第九章电位器式传感器本章作业：1. 电压分辨率和行程分辨率的定义是什么？电压分辨率定义：在电刷行程内，电位器输出电压阶梯的最大值与最大输出电压Umax 之比的百分数 .行程分辨率定义 : 在电刷行程内，能使电位器产生一个可测出变化的电刷最小行程与整个 行程之比的百分数非线性电位器 : 在空载时，输出电压(或电阻)与电刷行程之间具有非线性函数关系的一种电位器，也称为函数电位器骨架变化的规律：结构参数p、 A、t不变，只改变骨架宽度 b或高度h2. 比较变骨架式非线性电位器与变节距式非线性电位器的异同。变骨架式非线性电位器 ：骨架式电位器是利用改变骨架高度或宽度的方法来实现非线性函数 特性 。变骨架高度式电位器的绕线节距是不变的， 因此其行程分辨率与线性电位器计算式相同. 但由于骨架高度是变化的，因而阶梯特性的阶梯也是变化的，最大阶梯值发生在特性 曲线斜率最大处 .变节距式(分段绕制)非线性线绕电位器：变节距式电位器是在保持p、A、b、h不变的条件下，用 改变节距 t 的方法来实现所要求的非线性特性 . 变节距式电位器的骨架截面积 不变， 因而可近似地认为每匝电阻值相等，即可以认为阶跃值相等。其阶梯误差计算公式和线性线绕电位器阶梯误差的计算公式完全相同，但行程分辨率不一样，这是由于分辨率取决于绕距，而变绕距电位器绕距是变化的 ，其最大绕距 tmax 发生在特性斜率最低处，故 行程分辨率公式与线性线绕电位器不同，不能直接用匝数n 表示 .骨架制造比较容易，只能适用于特性曲线斜率变化不大的情况，一般第 10 章 Z 半导体敏感元件温敏Z 元件的伏安特性 P234温敏Z 元件是一种两端子有限热敏元件, 出 灵敏过 现今它在-25+100何C的环境温度中具有较高的输 一种 热 敏 元 件PN1+任UfE UTh U / VERl(a)(b)(c)(d )正向反向该伏安特性具有 L ”型特征。它可分成三个工作区：M1高阻区（详细又可分为线性 区和非线性区），M2负阻区，M3低阻区。它具有四个特征参数：UTh为阀值电压, ITh为阀值电流，Uf为导通电压，If为导通电流。这种微型三端传感器按采用电路不同，可分别输出以温度为变量的模拟信号、开关信号和频率信号