传感器简答题.doc

1-2 什么是测量误差？测量误差有几种表达方式？它们通常应用在什么场合？测量误差是测得值减去被测值的真值。测量误差有五种表达方式分别是：（1） 绝对误差:当被测量大小相同时，常用绝对误差来评定准确度。（2） 实际相对误差:相对误差常用来表示和比较测量的准确度。（3） 引用误差:引用误差是仪表中通用的一种误差表示方法。（4） 基本误差（5） 附加误差:基本误差和附加误差常用于仪表和传感器中。1-6 什么是随机误差？系统误差可以分为哪几类？系统误差有哪些检验方法？如何减小和消除系统误差？ 在同一测量条件下，多次测量同一量值时，绝对值和符号保持不变，或在条件改变时，按一定规律变化的误差称为系统误差。系统误差可分为恒值（定值）系统误差和变值系统误差。误差的绝对值和符号已确定的系统误差称为恒值（定值）系统误差；绝对值和符号变化的系统误差称为变值系统误差，变值系统误差又可分为线性系统误差、周期性系统误差和复杂规律系统误差等。检验方法：实验对比法；残余误差观察法；准则检查法系统误差的消除：1. 从产生误差根源上消除系统误差；2.用修正方法消除系统误差的影响；3.在测量系统中采用补偿措施；4.可用实时反馈修正的办法，来消除复杂的变化系统误差。 1-8什么是粗大误差？如何判断监测数据中存在的粗大误差？超出在规定条件下的预期的误差成为粗大误差，粗大误差又称为疏忽误差。判断粗大误差的原则是看测量值是否满足正态分布，要对测量数据进行必要的检验。通常用来判断粗大误差的准则有：3s准则（莱以特准则）；肖维勒准则；格拉布斯准则。2-1什么叫传感器？它由哪几部分组成？他们的作用及相互关系如何？答：传感器是能感受（或响应）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。通常传感器有敏感元件和转换元件组成。其中，敏感元件是指传感器中能直接感受或响应被测量的部份；转换元件是指传感器中能将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于传输或测量的电信号部份。由于传感器输出信号一般都很微弱，需要有信号调理与转换电路，进行放大、运算调制等，此外信号调理转换电路以及传感器的工作必须要有辅助的电源，因此信号调理转换电路以及所需的电源都应作为传感器组成的一部份。2-2什么是传感器的静态特性？它有哪些性能指标？分别说明这些性能指标的含义。传感器的静态特性是指被测量的值处于稳定状态时的输出输入关系。传感器的静态特性可以用一组性能指标来描述，有灵敏度、迟滞、线性度、重复性和漂移。灵敏度是指传感器输出量增量y与引起输出量增量y的相应输入量增量x的之比。用S表示灵敏度，即S=y/x传感器的线性度是指在全量程范围内实际特性曲线与拟合直线之间的最大偏差值与满量程输出值之比。线性度也称为非线性误差，用表示，即迟滞是指传感器在相同的条件下，输入量由小到大（正行程）及输入量由大到小（反行程）变化期间其输入输出特性曲线不重合的现象。即传感器在全量程范围内最大的迟滞差值与满量程输出值之比称为迟滞误差，用表示，即：重复性是指传感器在相同的工作条件下，输入量按同一方向作全量程连续多次变化时，所得特性曲线不一致的程度。重复性误差属于随机误差，常用标准差计算，也可用正反行程中最大重复差值计算，即:漂移是指输入量不变的情况下，传感器输出量会随着时间变化的现象。最常见的是温度漂移，即周围环境温度变化而引起的输出变化。3-1什么是应变效应？什么是压阻效应？利用应变效应和压阻效应解释金属电阻应变片和半导体应变片的工作原理。答：在外力作用下，导体或半导体材料产生机械变形，从而引起材料电阻值发生相应变化的现象，称为应变效应。半导体的电阻率随作用应力的变化而发生变化的现象，称为压阻效应。工作原理：应变效应表达式为，式中K为材料的应变灵敏系数，当应变材料为金属或合金时，在弹性极限内K为常数。金属电阻应变片的电阻相对变化量与金属材料的轴向应变成正比，因此，利用电阻应变片，可以将被测物体的应变转换成与之成正比关系的电阻相对变化量，这就是金属电阻应变片的工作原理。压阻效应表达式为E，在外力作用下，被测对象产生应变时，应变片随之发生相同的变化，同时应变片电阻也发生相应的变化。当测得的应变片电阻值变化量为R时，便可得到被测对象的应变值，根据应力与应变的关系，得到应力值正比于应变，而试件应变正比于电阻值的变化，所以应力正比于电阻值的变化，这就是利用应变片测量应变的基本原理4-1说明差动变隙电压传感器的主要组成，工作原理和基本特性答：主要组成：主要由铁芯，衔铁，线圈三部分组成。工作原理：传感器由两个完全相同的电压线圈合用一个衔铁和相应磁路。工作时，衔铁与被测件相连，当被测体上下移动时，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。输出特性：若忽略上式中的高次项，可得为了使输出特性能得到有效改善，构成差动的两个变隙式电感传感器在结构尺寸、材料、电气参数等方面均应完全一致.4-3差动变压器式传感器有几种结构形式？各有什么特点？答：结构形式：差动变压器式传感器有变气隙式差动变压器式和螺线管式差动变压器式传感器二种结构形式。特点：变隙式差动变压器传感器的输出特性为，输出电压与比值成正比，然而比值与变压器的体积与零点残余电压有关。应综合考虑；成反比关系.因此要求越小越好，但较小的使测量范围受到约束，通常在0.5mm左右。螺线管式差动变压器式传感器的输出特性是激励电压U和激磁频率f的函数，理论上，灵敏度K与U、f成正比关系，而实际上由于传感器结构的不对称、铁损、磁漏等因素影响，K与f不成正比关系，一般在400Hz10KHz范围内K有较大的稳定值，K与U不论在理论上和实际上都保持较好的线性关系。一般差动变压器的功率控制在1瓦左右围为线圈骨架长度的到因此可以测量大位移围。4-10何谓涡流效应？怎样利用涡流效应进行位移测量？答：块状金属导体置于变化着的磁物中，或在磁场中作切割磁力线运动时，导体内将产生呈旋涡状的感应电流，此电流叫电涡流，所产生电涡流的现象称为电涡流效应。电涡流式传感器的测试系统由电涡流式传感器和被测金属两部分组成。当线圈中通以交变电流时,其周围产生交变磁物，置于此磁物中的导体将感应出交变电涡流，又产生新的交变磁物,的作用将反抗原磁物，导致线圈阻抗Z发生变化，Z的变化完全取决于导体中的电涡流效应，而电涡流效应既与导体的电阻率，磁导率，几何尺寸有关，又与线圈的几何参数、线圈中的激磁电流频率f有关，还与线圈和导体间的距离x有关，因此，可得等效阻抗Z的函数差系式为 Z=F（、r、f、x）式中r为线圈与被测体的尺寸因子。以上分析可知，若保持，r，f参数不变，而只改变x参数。则Z就仅仅是关于x单值函数。测量出等效阻抗Z，就可实现对位移量x的测量。5-1根据工作原理可将电容式传感器分为那几种类型？每种类型各有什么特点？各适用于什么场合？答：类型：根据电容式传感器的工作原理，电容式传感器有三种基本类型，即变极距(d)型（又称变间隙型）、变面积(A)型和变介电常数()型。场合：变间隙型可测量位移，变面积型可测量直线位移、角位移、尺寸，变介电常数型可测量液体液位、材料厚度。特点：电容式传感器具有以下特点：功率小，阻抗高，由于电容式传感器中带电极板之间的静电引力很小，因此，在信号检测过程中，只需要施加较小的作用力，就可以获得较大的电容变化量及高阻抗的输出；动态特性良好，具有较高的固有频率和良好的动态响应特性；本身的发热对传感器的影响实际上可以不加考虑；可获取比较大的相对变化量；能在比较恶劣的环境条件下工作；可进行非接触测量；结构简单、易于制造；输出阻抗较高，负载能力较差；寄生电容影响较大；输出为非线性。6.1什么叫做正压电效应和逆压电效应？什么叫做纵向电压效应和横向电压效应？答：某些电介质在沿一定的方向上受到外力的作用而变形时，内部会产生极化现 象，同时在其表面上产生电荷，当外力去掉后，又重新回到不带电的状态， 这种现象称为压电效应。这种机械能转化成电能的现象，称为“顺压电效应”。 反之，在电介质的极化方向上施加交变电场或电压，它会产生机械变形，当 去掉外加电场时，电介质变形随之消失，这种现象称为“逆压电效应”。在 石英晶体中，通常把沿电轴x方向的力作用下产生电荷的压电效应称为“纵 向压电效应”，而把沿机械轴y方向的力作用下产生电荷的压电效应称为“横 向压电效应”。6.6简述压电式加速度传感器的工作原理。答：其原理利用压电晶体的电荷输出与所受的力成正比，而所受的力在敏感质量 一定的情况下与加速度值成正比。在一定条件下，压电晶体受力后产生的电 荷量与所感受到的加速度值成正比。7.1简述变磁通式和恒磁通式传感器的工作原理。答1.变磁通式传感器工作原理：产生磁场的永久磁铁和线圈都固定不动，通过磁 通的变化产生感应电动势e。变磁通式又称磁阻式常用于角速度的测量。 2.恒磁通式传感器工作原理：气隙磁通保持不变，感应线圈与磁铁作相对运 动，线圈切割磁力线产生感应电势。7.4什么是霍尔效应？霍尔电势与哪些因素有关？答：1.通电的导体或半导体，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势，这 种现象称霍尔效应。该电势称霍尔电势。 2.霍尔电势正比于激励电流及磁感应强度，其灵敏度与霍尔系数RH成正比 而与霍尔片厚度d成反比。为了提高灵敏度，霍尔元件常制成薄片形状。8.1光电效应有哪几种？相对应的光继电器件各有哪些？答：1.光电效应分为外光电效应和内光电效应两大类。内光电效应又可分为光电 导效应和光生伏特效应。 2.光电器件 （1）基于外光电效应的光电元件有光电管、光电倍增管、光电摄像管等。 （2）基于光电导效应的光电器件有光敏电阻。 （3）基于光生伏特效应的光电器件有光电池、光敏二极管、三极管。8.2试述光敏电阻、光敏二极管、光敏晶体管和光电池的工作原理，在实际应用时各有什么特点？答：1.光敏电阻的工作原理 其工作原理是基于光电导效应，其阻值随光照增强而减小。光敏电阻没有极 性，纯粹是一个电阻器件，使用时既可加直流电压，也可以加交流电压。无 光照时，光敏电阻值（暗电阻）很大，电路中电流（暗电流）很小。当光敏 电阻受到一定波长范围的光照时，它的阻值（亮电阻）急剧减小，电路中电 流迅速增大。一般希望暗电阻越大越好，亮电阻越小越好，此时光敏电阻的 灵敏度高。实际光敏电阻的暗电阻值一般在兆欧量级，亮电阻值在几千欧以下。2.光敏二极管的工作原理 在无光照时，处于反偏的光敏二极管工作在截止状态，其反向电阻很大， 反向电流很小，这种反向电流称为暗电流。当有光照射到光敏二极管的PN结 时，PN结附近受光子轰击，吸收其能量而产生电子-空穴对，它们在反向电压 和内电场的作用下，漂移越过PN结，形成比无光照时大得多的反向电流，该 反向电流称为光电流，此时，光敏二极管的反向电阻下降。若入射光的强度 增强，产生的电子-空穴对数量也随之增加，光电流也响应增大，即光电流与 光照度成正比。 如果外电路接上负载，便可获得随光照强弱变化的信号。光敏二极管的光电 流I与照度之间呈线性关系。光敏二极管的光照特性是线性的，所以适合检测 等方面的应用。光敏晶体管的工作原理 大多数光敏晶体管的基极无引出线，当集电极加上相对于发射极为正的电压而 不接基极时，集电结就是反向偏压。当光照射在集电结时，就会在结附近产生 电子空穴对，光生电子被拉到集电极，基区留下空穴，使基极与发射极间的电压升高，这样便会有大量的电子流向集电极，形成输出电流，且集电极电流为光电流的倍，所以光敏晶体管有放大作用。4.光电池的工作原理 硅光电池是在一块N型硅片上用扩散的办法掺入一些P型杂质(如硼)形成PN 结。当光照到PN结区时，如果光子能量足够大，将在结区附近激发出电子- 空穴对，在N区聚积负电荷，P区聚积正电荷，这样N区和P区之间出现电位 差。若将PN结两端用导线连起来，电路中有电流流过，电流的方向由P区流 经外电路至N区。若将外电路断开，就可测出光生电动势。8.6光在光纤中是怎样传输的？对光纤及入射光的入射角有什么要求？答：1.光在光纤内的全内反射进行传输的，实际工作时需要光纤弯曲，但只要满 足全反射条件，光线仍然继续前进。可见这里的光线“转弯”实际上是由光 的全反射所形成的。 2.为满足光在光纤内的全内反射，光入射到光纤端面的入射角i应满足 一般光纤所处环境为空气，则n0=1，这样上式可表示为 9-1简述气敏传元件的工作原理。 半导体气敏传感器的敏感部分是金属氧化物半导体微结晶粒子烧结体，当它的表面吸附被测气体时，半导体微结晶粒子接触表面的导电电子比例就会发生变化，从而使气敏元件的电阻值随被测气体的浓度而改变。这种反应是可逆的，因而是可重复使用的。 当氧化型气体吸附到N型半导体上，还原型气体吸附到P型半导体上时，将使半导体载流子减少，而使半导体电阻值增大。 当还原型气体吸附到N型半导体上，氧化型气体吸附到P型半导体上时，则半导体载流子增多，使半导体电阻值下降。9-3什么叫湿敏电阻？湿敏电阻有哪些类型？各有什么特点?湿敏电阻是利用湿敏材料吸收空气中的水分而导致本身电阻值发生变化的电阻。氯化锂湿敏电阻 半导体陶瓷湿敏电阻（3）前者优点滞后小，不受测试环境风速影响，检测精度高达5，但耐热性差，不能用于露点以下测量，器件性能重复性不理想，使用寿命短。 后者可分为负特性湿敏半导体陶瓷和正特性湿敏半导体陶瓷。前者电阻率随湿度的增加而下降，后者的表面电阻随湿度的增加而加大10-1超声波在介质中传播具有哪些特性？（1）超声波的波型：声源在介质中施力方向与波在介质中传播方向的不同，声波的波型也不同。通常有：纵波、横波和表面波。（2）超声波的传播速度：在固体中，纵波、横波及其表面波三者的声速有一定的关系，通常可认为横波声速为纵波的一半，表面波声速为横波声速的90%；气体中纵波声速为344m/s。；液体中纵波声速在9001900m/s。（3）超声波的反射和折射：声波从一种介质传播到另一种介质，在两个介质的分界面上一部分声波被反射,另一部分透射过界面，在另一种介质内部继续传播。这样的两种情况称之为声波的反射和折射。（4）超声波的衰减，声波在介质中传播时，随着传播距离的增加，能量逐渐衰减，其衰减的程度与声波的扩散、散射及吸收等因素有关。10-3超声波物位测量有几种方式？各有什么特点？ 传感器可分为单换能器和双换能器。单换能器的传感器发射和接收超声波使用同一个换能器，而双换能器的传感器发射和接收各由一个换能器担任。超声波发射和接收换能器可设置在液体介质中，让超声波在液体介质中传播，由于超声波在 液体中的衰减比较小，所以即使发射的超声脉冲幅度较小也可以传播。超声波发射和接收换能器也可以安装在液面的上方，让超声波在空气中传播，这种方式便于安装和维修，但超声波在空气中的衰减比较厉害。11-1简述微波传感器的测量机理。由发射天线发出微波，此波遇到被测物体时将被吸收或反射，使微波功率发生变化。若利用接收天线，接收到通过被测物体或由被测物体反射回来的微波，并将它转换为电信号，再经过信号调理电路，即可以显示出被测量，实现了微波检测。11-2微波传感器有哪些特点？微波传感器如何分类？1、微波传感器作为一种新型的非接触传感器具有如下特点：（1）有极宽的频谱（波长=1.0mm1.0m）可供选用，可根据被测对象的特点选择不同的测量频率；（2）在烟雾、粉尘、水汽、化学气氛以及高、低温环境中对检测信号的传播影响极小，因此可以在恶劣环境下工作；（3）介质对微波的吸收与介质的介电常数成比例，水对微波的吸收作用最强；（4）时间常数小，反应速度快，可以进行动态检测与实时处理，便于自动控制；（5）测量信号本身就是电信号，无须进行非电量的转换，从而简化了传感器与微处理器间的接口，便于实现遥测和遥控；（6）微波无显著辐射公害。微波传感器存在的主要问题是零点漂移和标定尚未得到很好的解决。其次，使用时外界环境因素影响较多，如温度、气压、取样位置等。12-1红外探测器有哪些类型？说明它们的工作原理。（1）红外探测器的种类很多，按探测机理的不同，分为热探测器和光子探测器两大类。（2）热探测器的工作机理是：利用红外辐射的热效应，探测器的敏感元件吸收辐射能后引起温度升高，进而使某些有关物理参数发生相应变化，通过测量物理参数的变化来确定探测器所吸收的红外辐射。（3）光子探测器的工作机理是：利用人射光辐射的光子流与探测器材料中的电子互相作用，从而改变电子的能量状态，引起各种电学现象这种现象称为光子效应。13-1数字式传感器有什么特点？可分为哪几种类型？(1)能够直接将非电量转换位数字量，不需要A/D转换，直接用数字显示。(2) 以编码方式产生代码型的数字信号;输出记数型的离散脉冲信号13-5码盘式转角数字传感器的工作原理是什么？其基本组成部分有哪些？答：1）、接触式编码器由码盘和电刷组成。接触式码盘工作原理：以一个四位8421码制的编码器的码盘为例。用四个同心圆码道和四个电刷构成；每个码道分成若干个导电和不导电的区域，将所有导电区连接到高电位（“1”）；绝缘区连到低电平（“0”）。四个电刷沿某一径向安装，四位二进制码盘上有四圈码道，每个码道有一个电刷，电刷经电阻接地。当码盘转动到某一角度后，电刷就输出一个数码；码盘转动一周，电刷就输出16种不同的四位二进制数码。后续电路通过判别输出数据就可以知道转到什么角度了。2）、光电式码盘主要由安装在旋转轴上的编码圆盘（码盘）、窄缝以及安装在圆盘两边的光源和光敏元件等组成。码盘由光学玻璃制成，其上刻有许多同心码道，每位码道上都有按一定规律排列的透光和不透光部分，即亮区和暗区。工作原理：当光源将光投射在码盘上时，转动码盘，通过亮区的光线经窄缝后，由光敏元件接收。光敏元件的排列与码道一一对应，对应于亮区和暗区的光敏元件输出的信号，前者为“1”，后者为“0”。当码盘旋至不同位臵时，光敏元件输出信号的组合，反映出按一定规律编码的数字量，代表了码盘轴的角位移大小。3）、电磁式编码器主要由磁鼓与磁阻探头组成。电磁式编码器的工作原理：电磁式编码器的码盘上按照一定的编码图形，做成磁化区（导磁率高）和非磁化区（导磁率低），采用小型磁环或微型马蹄形磁芯作磁头，磁环或磁头紧靠码盘，但又不与码盘表面接触。每个磁头上绕两组绕组，原边绕组用恒幅恒频的正弦信号激励，副边绕组用作输出信号，副边绕组感应码盘上的磁化信号转化为电信号，其感应电势与两绕组匝数比和整个磁路的磁导率有关。当磁头对准磁化区时，磁路饱和，输出电压很低，如磁头对准非磁化区，它就类似于变压器，输出电压会很高，因此可以区分状态“1”和“0”。几个磁头同时输出，就形成了数码。13-8感应同步器有哪几种？试述它们的工作原理。直线式和旋转式，分别用于直线位移和角位移测量，两者原理相同。直线式由定尺和滑尺组成，旋转式由转子和定子组成，在定尺和转子上的是连续绕组，在滑尺和定子上的是分段绕组。分段绕组分为两组，在空间相差90相角，故又称为正弦、余弦绕组。工作时如果在其中一种绕组上通以交流激励电压，由于电磁耦合，在另一种绕组上就产生感应电动势，该电动势随定尺与滑尺的相对位置不同而呈正弦、余弦函数变化，再通过对此信号的检测处理，便可测量出直线或转角的位移量14-1什么是智能传感器？它包含哪几种主要形式？应从哪些方面研究开发智能传感器一种带有微处理机的，兼有信息检测、信号处理、信息记忆、逻辑思维与判断功能的传感器。一是采用微处理机或微型计算机系统以强化和提高传统传感器的功能，即传感器与微处理机可分为两个独立部分，传感器的输出信号经处理和转化后由接口送到微处理机部分进行运算处理。这就是我们指的一般意义上的智能传感器,又称传感器的智能化。 二是借助于半导体技术把传感器部分与信号预处理电路、输入输出接口、微处理器等制作在同一块芯片上，即成为大规模集成电路智能传感器，简称集成智能传感器。（3）1.物理转化机理 2.数据融合理论 3.CMOS工艺兼容的传感器制造与集成封装技术15-1简述热电偶与热电阻的测温原理。都能测温度且只能直接测量温度热电阻传感器原理为阻值大小变化对应温度大小变化热电偶传感器为热电动势大小变化对应温度变化15-11试述压力的定义。什么是大气压力、绝对压力、表压力、负压力和真空度。说明它们之间德尔关系？定义：为均匀而垂直作用于单位面积上的力大气压力：指地球表面上的空气柱重量所产生的压力绝对压力：作用于物体表面积上的全部压力，其零点以绝对真空为基准，又称总压力或全压力。表压力：指绝对压力与大气压力之差。负压力：当绝对压力小于大气压力时，则表压力为负压。真空度：负压的绝对值称为真空度。大气压力、绝对压力、相对压力和真空度之间的关系是：绝对压力=大气压力+相对压力；表压力=绝对压力-大气压力；真空度=大气压力-绝对压力。15-24测量物位传感器有哪几种类型？简述其工作原理直读式 它根据流体的连通性原理来测量液位浮力式 它根据浮子高度随液位高低而改变或液体对浸沉在液体中的浮筒的浮力随液位高度变化而变化的原理来测量液位差压式 它根据液柱或物料堆积高度变化对某点上产生的静压力的变化的原理来测量物位 电学式 它根据把物位变化转换成各种电量变化的原理来测量物位核辐射式 它根据同位素射线的核辐射透过物料时，其强度随物质层的厚度变化而变化的原理来测量物位声学式 它根据物位变化引起声阻抗和反射距离变化来测量物位其他形式 如微波式、激光式、射流式、光纤维式传感器等等15-31何为激振器？激振器的作用是什么？(1)激振器用以产生激励力，并能将这种激励力施加到其他结构和设备上的装置(2)在所要求的频率范围内提供稳定的交变力，使被测对象处于一种受迫振动的状态中，从而来达到试验的目的。