1、传感器复习题 李章红教学提纲传感器复习题 李章红传感器复习题1.1、什么是传感器？按国标定义，“传感器”应如何说明含义？答：从广义的角度来说，感知信号检出器件和信号处理部分总称为传感器。我们对传感器的定义：一种能把特定信息（物理、化学、生物）按一定规律转换成某种可用信号输出的器件和装置。从狭义的角度来对传感器定义是：能把外界非电信号转换成电信号输出的器件。我国国家标准（GB7665-87）对传感器的定义是：“能感受规定的被测量件并按照一定的规律(数学函数法则)转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成”。定义表明传感器有这样三层含义：它是由敏感元件和转换元件构成的一种检测装置；能
2、按一定规律将被测量转换成电信号输出：传感器的输出与输入之间存在确定的关系。按使用的场合不同传感器又称为变换器、换能器、探测器。1.2、传感器有哪几部分组成？试述它们的作用及相互关系。答：（1）组成：由敏感元件、转换元件、基本电路组成。（2）关系及作用：传感器处于研究对象与测试系统的接口位置，即检测与控制之首。传感器是感知、获取及检测信息的窗口，一切科学研究与自动化生产过程要获取的信息都要通过传感器获取并通过它转换成容易传输与处理的电信号。其作用于地位特别重要1.4、传感器如何分类？按传感器检测的范畴可分为哪几种？答：按照我国制定的传感器分类体系表，传感器分为物理传感器、化学传感器、生物量传感器
3、三大类，含12个小类。按照传感器的检测对象可分为：力学量、热学量、流体量、光学量、电量、磁学量、声学量、化学量、生物量、机器人等等。1.7、请列举出你用到或者看到的传感器，并说明其作用。如果没有传感器，应该出现哪种状况？（答案非标准，自己看着写即可。）答：（1）烟雾报警器，水位报警，温度报警，湿度报警；烟雾报警器，利用烟敏电阻来测量烟雾浓度，从而达到报警目的。（2）声光控开关控制电灯的亮和灭。在没有安装其他开关的情况下，会造成电灯常亮或者常灭状态；在安装其他开关的情况下，要人去打开或关闭开关，电灯才能照明或息灭。（3）电冰柜控制冰箱内的温度是否需要继续制冷。如果没有传感器将会导致冰箱内部温度继
4、续单级制冷，会导致冰箱内的东西冻坏，乃至冰箱损坏。2.1、传感器的静态特性是什么？由哪些性能指标描述？答：静态特性是当输入量为常数或者变化极慢时传感器的输入输出特性 其主要指标有线性度、迟滞、重复性、分辨力、稳定性、温度稳定性、各种抗干扰稳定性。传感器的静态特性由其静态特性曲线反映出来。静态特性曲线由实际测绘中获得。人们根据传感器的静态特性来选择合适的传感器。2.2、传感器线性度是如何确定的？确定拟合直线有哪些方法？答：（1）实际传感器有非线性存在，线性度是将近似后的拟合直线与实际曲线进行比较，其中存在偏差，这个最大偏差称为传感器的非线性误差，即线性度。（2）选取拟合的方法很多，主要有：理论线
5、性度（理论拟合）；端基线性度（端点连线拟合）；独立线性度（端点平移拟合）；最小二乘法线性度。（3）线性度是表征实际同学与拟合直线不吻合的参数。（4）传感器的非线性误差是以一条理论直线作为基准，即使是同一传感器基准不同时得出的线性度也不同，所以不能笼统的提出线性度，当提出线性度的非线性误差时，必须说明所依据的基准直线。2.3、传感器动态特性的主要技术指标有哪些？他的意义是什么？答：（1）传感器动态特性主要有：时间常数t；固有频率；基尼系数。（2）含义：t越小系统需要达到稳定的时间越少；固有频率越高响应曲线上升越快；当为常数时响应特性取决于阻尼比，阻尼系数越大，过冲现象减弱，当时，无过冲，不存在震
6、荡基尼比直接影响过冲量和振荡次数。2.5、有一温度传感器微分方程为，其中为输出电压（V），为输入温度（），试求该传感器的时间常数和静态灵敏度。解：对微分方程两边进行拉氏变换，则该传感器系统的传递函数为： 该传递函数的时间常数t=10，灵敏度k=0.052.6、有一温度传感器，当被测介质温度为t1，测温传感器显示为t2时可用下列方程表示：。当被测介质温度从25突然变化到300时。测温传感器的时间常数0=120s，试求经过350s后该传感器的动态误差。解：动态误差由稳态误差暂态误差组成，先求稳态误差：对方程两边去拉氏变换得： 则传递函数为：对于一阶系统，阶跃输入下的稳态 误差，再求暂态误差：当t=
7、350s时，暂态误差为： 故所求动态误差为:3.1、何为电阻应变效应？怎样利用这种效应制成应变片？答：导体在受到拉力或压力的外界作用时，会产生机械变形，同时机械变形会引起导体阻值的变化，这种导体材料因变形而使其电阻值发生变化的现象称为电阻应变效应。当外力作用时，导体的电阻率，长度，截面积都会发生变化，从而引起电阻值R的变化，通过测量电阻值的变化，检测出外界作用力的大小。3.2、什么是应变片的灵敏系数？它与金属电阻丝的灵敏系数有何不同？为什么？答：金属丝灵敏系数主要由材料的几何尺寸决定的，受力后材料的几何尺寸变化为，电阻率的变化为，而实际应变片的灵敏系数应包括基片、粘合剂以及灵敏栅的横向效应，虽
8、然长度相同，但应变状态不同，金属丝做成成品的应变片（粘合剂试件上）以后，灵敏系数降低了。3.4、金属应变片与半导体应变片在工作原理上有何不同？半导体应变片灵敏系数范围是多少？金属应变片灵敏系数范围是多少？为什么有这种差别，说明其优缺点。举例说明金属电阻丝应变片与半导体应变片的相同的和不同点。答：金属导体应变片的电阻变化是利用机械形变产生的应变效应，对于半导体而言，应变传感器主要是利用半导体材料的压阻效应，金属电阻丝的灵敏系数可近似写为：，即；半导体灵敏系数近似为 ：。 3.5、一应变片的电阻R=120，灵敏系数k=2.05,用作应变为传感元件。求： ；若电源电压U=3V，初始平衡时电桥的输出电
9、压U0。3.6、在以钢为材料的实心圆柱试件上，沿轴线和圆周方向各贴一片电阻为120的金属应变片R1和R2（如图3-28a所示），把这两应变片接入电桥（见图3-28bb）。若钢的泊松系数应变片的灵敏系数K=2，电桥电源电压U=2V，当试件受轴向拉伸时，测得应变片R1的电阻变化值。试求：向应变；电桥的输出电压。4.1、如何改善单级式变极距型电容传感器的非线性？答：非线性随相对位移的增加而增加，为保证线性度应限制相对位移的大小；起始极距与灵敏度、线性度相矛盾，所以变极距式电容传感器只适合小位移测量；为提高传感器的灵敏度和改善非线性关系，变极距式电容传感器一般采用差动结构。4.2、为什么高频工作时的电
10、容式传感器连接电缆的长度不能任意变化？ 答： 低频时容抗 较大，传输线的等效电感和电阻R可忽略。而高频时容抗减小，等效电感和电阻不可忽略，这时候在传感器输出端相当于一个串联谐振，有一个谐振频率存在，当工作频率谐振频率时，串联谐振阻抗最小，电流最大，谐振对传感器的输出起破坏作用，使电路不能正常工作，通常工作频率以上就要考虑电缆线等效电感的影响。4.4、电容式传感器有哪几类测量电路？各有什么特点？差动脉冲宽度调制电路用于电容传感器测量电路具有什么特点？（前2问）答：（书本51页）1（1）交流不平衡电桥；（2）二级管环形检波电路；（3）差动脉冲宽度调制电路；（4）运算法测量电路；2（1）非平衡电桥的
11、基本原理是通过桥式电路来测量电阻,根据电桥输出的不平衡电压,再进行运算处理,从而得到引起电阻变化的其它物理量,如温度、压力、形变等；（2）书本56页；（3）书本57页；（4）估计在57页底部。5.1、何谓电感式传感器？电感式传感器分为哪几类？各有何特点？答： 电感式传感器是一种机-电转换装置，电感式传感器是利用线圈自感和互感的变化实现非电量电测的一种装置，传感器利用电磁感应定律将被测非电量转换为电感或互感的变化，它可以用来测量位移、振动、压力、应变、流量、密度等参数。电感式种类：自感式、涡流式、差动式、变压式、压磁式、感应同步器。工作原理：自感、互感、涡流、压磁。5.2、提高电感式传感器线性度
12、有哪些有效的方法。答： 电感式传感器采用差动形式，转换电路采用相敏检波电路可有效改善线性度。5.4、说明产生差动电感式传感器零位残余电压的原因及减小此电压的有效措施。答：差动变压器式传感器的铁芯处于中间位置时，在零点附近总有一个最小的输出电压，铁芯处于中间位置时，最小不为零的电压称为零点残余电压，产生零点残余电压的主要原因是由于两个次级线圈绕组电气系数（互感M 、电感L、内阻R）不完全相同，几何尺寸也不完全相同，工艺上很难保证完全一致。为减小零点残余电压的影响，除工业上采取措施外，一般要用电路进行补偿：串联电阻：并联电阻，电容，消除基波分量的相位差异，减小谐波分量；加反馈支路，初、次级间加入反
13、馈，减小谐波分量；相敏检波电路对零点残余误差有很好的抑制作用。5.10、什么叫电涡流效应？说明电涡流式传感器的基本结构与工作原理。电涡流式传感器的基本特性有哪些？它是基于何种模型得到的？答： 1）块状金属导体属于变化的磁场中或 在磁场中作用切割磁力线运动时，导体内部会产生一圈圈闭合的电流，这种电流叫电涡流，这种现象叫做电涡流效应。2）形成涡流必须具备两个条件：第一存在交变磁场；第二导电体处于交变磁场中，电涡流式传感器通电后线圈周围产生交变磁场，金属导体置于线圈附近。当金属导体靠近交变磁场中时，导体内部就好产生涡流，这个涡流同样产生交变磁场，由于磁场的反作用使线圈的等效电感和等效阻抗发生变化，使
14、流过线圈的电流大小、相位都发生变化，通过检测与阻抗有关的参数进行非电量检测。3）因为金属存在趋肤效应，电涡流只存在于金属导体的表面薄层内，实际上涡流的分布是不均匀的，涡流区内各处的涡流密度不同，存在径向分布和轴向分布。所以电涡流传感器的检测范围与传感器的尺寸（线圈直径）有关。4）回路方程的建立是吧金属上涡流所在范围内、近似看成一个单匝短路线圈作为等效模型。5.11、电涡流式传感器可以进行哪些物理量的检测？能否可以测量非金属物体，为什么？答： 1）是能引起、变化的物理量，均可以引起传感器线圈、的变化，可以进行非电量的检测；如被测体（金属）的电阻率，导磁率，厚度，线圈与被测体之间的距离，激励线圈的
15、角频率w等都可以通过涡流效应和磁效应与线圈阻抗Z发生关系，使、变化；若控制某些参数不变，只改变其中一个参数，便可使阻抗Z成为这个参数的单值函数。 2）电涡流传感器不可以直接测量非金属物体，这是由于传感器本身特性决定的。6.1、试述磁电感应式传感器的工作原理和结构形式。答：工作原理：根据电磁感应定律，N匝线圈在磁场中运动切割磁力线，线圈内产生感应电动势e，e的大小与穿过线圈的磁通变化率有关。结构形式：变磁通式和恒磁通式两种结构型式6.4、什么是霍尔效应？答：通电的导体（半导体）放在磁场中，电流与磁场垂直，在导体另外两侧会产生感应电动势，这种现象称霍尔效应。6.5、霍尔元件常用材料有哪些？为什么不
16、用金属做霍尔元件材料？答：1）任何材料在一定条件下都能产生霍尔电势，但不是都可以制造霍尔元件，只有半导体材料适于制作霍尔元件，又因一般电子迁移率大于空穴的迁移率，所以霍尔元件多采用N型半导体制造。 2）金属材料电子浓度虽然很高，但电阻率很小很小，试霍尔电势很小，因此不适于做霍尔元件材料。6.6、霍尔元件不等位电势产生的原因有哪些？答： 霍尔电势不为零的原因是，霍尔引出电极安装不对称，不在同一等电位面上，激励电极接触不良，半导体材料不均匀造成电阻率不均匀等原因。7.1、什么是压电效应？什么是正压电效应和互压电效应？答：某些电介质在沿一定的方向受到外力在作用变形时，由于内部电极化现象同时在两个表面
17、上产生符号相反的电荷，当外力去掉后，恢复到不带电的状态；而当作用力方向改变时，电荷的极性随着改变，晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比，这种现象称为正压电效应，如对晶体施加一定变电场，晶体本身将产生机械变形，外电场撤离，变形也随之消失，称为逆压电效应。7.4、压电元件在使用时常采用多片串联或并联的结构形式，试述在不同接法下输出电压、电荷。电容的关系，它们分别适用于何种应用场合？答：1）在压电式传感器中，为了提高灵敏度，往往采用多片压电芯片构成一个压电组件。其中最常用的是两片结构；根据两片压电芯片的连接关系，可分为串联和并联连接，常用的是并联连接，可以增大输出电荷，提高灵敏度。2）如果按相同
18、极性粘贴，相当两个压电片（电容）串联，输出总电容为单片电容的一半，输出电荷与单片电荷相等，输出电压是单片的两倍，极板上电荷量是单片的两倍，但输出电压与单片相等。7.5、电压放大器和电荷放大器本质上有什么不同，电荷放大器和电压放大器各有何特点？它们各自适用于什么情况？答：（答案见书上P107至P108）8.1、什么是内光电效应？什么是外光电效应？说明其工作原理并指出相应的典型光电器件。答：1）当用光照射物体时，物体受到一连串具有能量的光子的轰击，于是物体材料中的电子吸收光子能量而发生相应的电效应（如电阻率变化、发射电子或产生电动势等），这种现象称为光电效应。当光线照在物体上，使物体的电导率发生变
19、化，或产生光生电动势的现象叫做内光电效应，内光电效应又分为光电导效应和光生伏特效应。入射光强改变物质导电率的物理现象称为光电导效应，典型的光电器件有光敏电阻；光照时物体中能产生一定方向电动势的现象叫光生伏特效应，光电池、光敏晶体管。2）在光线作用下，物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象称为外光电效应，典型的光电器件有光电管、光电倍增管。10.1、什么是半导体气体传感器？它有哪些基本类型？气体传感器的发展动态如何？答：（1）（2）书本226页(3) 随着科学技术和工艺制造的发展、安全意识的提高，气体传感器在家庭生活和工艺中起到越来越重要的作用。10.2、半导体气体传感器主要有哪几种结构？各种结
20、构气体传感器的特点如何？答：1）按构成气敏传感器的材料可分为半导体和非半导体两大类；按半导体的物理特性，气敏传感器可分为电阻型和非电阻型。2）早期电化学和光学方法，其检测速度慢、设备复杂、使用不方便；新型金属氧化物体半导体传感器由于灵敏度高、体积小、使用方便，已广泛用于检测、分析领域、电阻型气敏传感器是利用气体在半导体表面的氧化还原反应，导致敏感元件阻值变化，电阻型气敏传感器是目前使用较广泛的一种气敏元件，传感器主要由敏感元件、加热器、外壳三部分组成，非电阻型气敏传感器有不同类型，如利用MOS二极管的电容电压特性变化，利用MOS场效应管的间值电压的变化，利用肖特基金属半导体二级管的势垒变化进行
21、气体检测。10.4、半导体气体传感器为什么要在高温状态下工作？加热方式有哪几种？加热丝可以起到什么作用？答：1）因为在常温下，电导率变化不大，达不到检测目的，因此以上结构的气敏元件都有电阻丝加热器，加热时间2-3分钟，最佳工作温度为200-4002）加热方式分为直热式和旁热式，电阻型气敏传感器加热的目的有两个方面的因素，一是为了加速气体吸附和上诉氯化锂还原反应，提高灵敏度和响应速度，另外使附着在传感器元件表面上的油雾、尘埃烧掉。10.6、什么是绝对湿度？什么是相对湿度？表示空气湿度的物理量有哪些？如何表示？答：绝对湿度指单位体积空气内所含水汽的质量，一般用每立方米空气中所含水汽的克数表示（2）
22、相对湿度是指被测气体中，实际所含水汽蒸气压和该气体在相同湿度下饱和水蒸气压的百分比，一般用符合%RH表示，无量纲。（3）除用绝对湿度，相对湿度表示空气的水汽含量外，露点温度是一个与温度相关的 重要物理量，简称露点，当空气中温度下降到某一温度时，空气中的水汽就有可能转化为液相而凝结成露珠，这一特定温度称为空气的露点或露点温度。10.7、湿度传感器 的种类有哪些？主要参数有哪些？简述氯化锂湿度传感器的感湿原理。答：（1）书本234页；（2）书本236页；（3）书本237页11.1、什么是超声波？其频率范围是多少？答：（1）超声波是人耳无法听到的声波，人耳听见的声波称机械波，频率在20HZ20KHZ
23、，一般说话的范围在100HZ8KHZ之间，低于20HZ频率的波称为次声波，高于20KHZ频率的波称为超声波，频率在300MHZ-300GHZ之间的波称为微波。（2）超声波频率范围在几十千赫兹到几十兆赫兹。11.2、超声波在通过两种介质界面时，将会发生什么现象？答： 当超声波从一种介质入射到另一种介质时，在界面上会产生反射，折射和波形转换。11.3、超声波传感器的发射与接收分别利用什么效应，检测原理是什么？常用的超声波传感器有哪几种形式？简述超声波测距原理。 答： 1）超声波传感器主要利用压电材料（晶体、陶瓷）的压电效应，其中超声波发射器利用逆压电效应制成发射元件，将高频电振动转换为机械振动产生
24、超声波；超声波接受器利用正压电效应制成接受元件，将超声波机械振动转换为电信号。2）按工作形式简单超声波传感器有专用型和兼用型两种形式，兼用型传感器是将发射（TX）和接受（RX）元件制作在一起，器件可同时完成超声波的发射与接收；专用型传感器的发送和接受器件各自独立，按结构形式有密封性和开放性，超声波传感器一般标有中心频率（23KHZ 40KHZ 75KHZ 200KHZ 400KHZ），表示传感器工作频率。12.1、什么是热电效应？热电偶测温回路的热电动势由哪两部分组成？由同一种导体组成的闭合回路能产生热电势吗？ 答： 1）两种不同类型的金属导体两端分别连接在一起构成闭合回路，当两个结点有温差时
25、，导体回路里有电流流动会产生热电势，这种现象称为热电效应。 2）热电偶测温回路中热电势主要是由接触电势和温差电势两部分组成。 3）热电偶两个电极材料相同时，无论两端点温度如何变化无热电势产生。12.4、试比较热电偶、热电阻、热敏电阻三种热电势传感器的特点。答：热电偶、热电阻、热敏电阻三种热电势传感器的特点如下：热电偶可以测量上千度高温，并且精度高，性能好，这是其他温度传感器无法替代。热电阻结构简单，金属热电阻材料多为纯铂金属丝，也有铜、镍金属。金属热电阻广泛测量-200 +850温度范围，少量可以测量1000热敏电阻由半导体材料制成，外形大小与电阻的功率有关，差别较大。热敏电阻用途很广，几乎所有家用电器产品都装有微处理器，这些温度传感器多使用热敏电阻。
