传感器与检测技术山科考试参考.docx
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传感器与检测技术山科考试参考
1.3传感器一般由哪几部分组成？
答：
传感器的基本组成分为敏感元件和转换元件两部分，分别完成检测和转换两个基本功能。
另外还需要信号调理与转换电路，辅助电源。
☆1.5传感器技术的发展趋势
答：
1.提高与改善传感器的技术性能2.开展基础理论研究，寻找新原理、开发新材料、采用新工艺或探索新功
能3.传感器的集成化4.传感
器的智能化5.传感器的网络化6.传感器的微型化。
2.1什么是传感器的静态特性？
描述传感器静态特性的主要指标有哪些？
答：
传感器的静态特性是它在稳态信号作用下的输入、输出关系。
静态特性所描述的传感器的输入-输出关系中不含时间变量。
主要指标是线性度、灵敏度、分辨率、迟滞、重复性和漂移。
2.4什么是传感器的动态特性？
如何分析传感器的动态特性？
答：
动态特性是指对动态激励（输入）的响应（输出）特性，即其输出对随时间变化的输入量的响应特性。
分析：
可从时域和频域两方面分别采用瞬态响应法和频率响应法来分析。
常采用阶跃信号和正弦信号作为输入信号，采用阶跃输入研究传感器的动态特性时，常用延时时间、上升时间、响应时间、超标量等来表征传感器的动态特性。
采用正弦输入信号研究传感器的频域动态特性时，常用幅频特性和相频特性来描述传感器的动态特性。
2.6解释线性时不变系统的叠加性和频率保持特性的含义及其意义。
答：
叠加性就是N个激励同时作用时，它的响应就等于这N个激励单独作用的响应之和，即各个输入所引起的输入时互不影响的。
频率保持特性是当定常系统的输入为某一频率的简谐信号x（t）=X。
cos（wt）时，则系统的稳态输出必定是与输入同频率的简谐信号，即y（t）=Y。
cos（wt+φ。
）,但其幅值和初始相位将可能发生变化。
意义：
当检测系统的输入信号是由多个信号叠加而成的复杂信号时，根据叠加性可以把复杂信号的作用看成若干简单信号的单独作用之和，从而简化问题。
如果已知线性系统的输入频率，根据频率保持特性，可确定该系统输出信号只有与输入同频率的成分才可能是该输入信号引起的输出，其他频率成分的输出都是噪声干扰，继而采用滤波提取有用信息。
拓展：
传感器的静态标定是在输入信号不随时间变化的静态标准条件下确定传感器的静态特性指标
动态标定主要是研究传感器的动态响应特性。
常用的标准激励信号源是正弦信号和阶跃信号。
最小二乘法求传感器输入输出关系式中的待定系数：
3.1应变电阻式传感器工作原理
答：
当被测物理量作用在弹性元件上，弹性元件在力、力矩或压力等作用下发生形变，产生相应的应变或位移，然后传递给与相连的电阻应变片，引起应变敏感元件的电阻值发生变化，通过测量电路变成电压等电量输出。
输出的电压大小反映了被测物理量的大小。
3.3电阻应变片温度误差原因？
补偿方法？
答：
一是电阻温度系数，二是线膨胀系数不同。
单丝自补偿应变片，双丝组合式自补偿应变片，补偿电路。
3.4试分析差动测量电路在应变电阻式传感器测量中的好处。
答：
1.单臂电桥测量电路存在非线性误差，而半桥差动和全桥差动电路均无非线性误差。
2.半桥差动电路的电压输出灵敏度比单臂电桥提高了一倍。
全桥差动电路的电压输出灵敏度是单臂电桥的4倍。
4.1根据工作原理不同，电感式传感器可分为哪些种类?
答:
变磁阻电感式传感器，差动变压器电感式传感器，电涡流电感式传感器。
4.6交流电桥测量电路工作原理
答：
电桥两臂Z1,Z2为传感器线圈阻抗
当传感器衔铁上移：
如Z1=Z+ΔZ，Z2=Z－ΔZ，
当传感器衔铁下移：
如Z1=Z－ΔZ，Z2=Z+ΔZ，此时
可知：
衔铁上下移动相同距离时，输出电压相位相反，大小随衔铁的位移而变化。
由于是交流电压，输出指示无法判断位移方向，必须配合相敏检波电路来解决
4.9引起零点残余电压的原因是什么？
如何消除零点残余电压？
答：
零点残余电压的产生原因：
1.（线圈）传感器的两个二次绕组的电气参数和几何尺寸不对称，导致它们产生的感生电动势幅值不等、相位不同，构成了零点残余电压的基波；2.（铁心）由于磁性材料磁化曲线的非线性（磁饱和、磁滞），产生了零点残余电压的高次谐波（主要是三次谐波）；3.（电源）励磁电压本身含高次谐波。
零点残余电压的消除方法：
1.尽可能保证传感器的几何尺寸、线圈电气参数和磁路的对称；2.采用适当的测量电路，如差动整流电路。
4.11如何通过相敏检波电路实现对位移大小和方向的判定？
相敏检波电路的原理是通过鉴别相位来辨别位移的方向，即差分变压器输出的调幅波经相敏检波后，便能输出既反映位移大小，又反映位移极性的测量信号。
经过相敏检波电路，正位移输出正电压，负位移输出负电压，电压值的大小表明位移的大小，电压的正负表明位移的方向。
4.14举例说明变磁阻电感式传感器、变压器电感式传感器、螺线管电感式传感器和电涡流电感式传感器的应用并分析工作原理。
（需修正）
答：
变磁阻电感式应用：
变气隙厚度电感式压力传感器，电感测微仪、差动变气隙厚度电感式压传。
变气隙厚度电感式压力传感器工作原理：
当压力进入膜盒时，膜盒的顶端在压力p的作用下产生于压力p大小成正比的位移。
于是衔铁也发生移动，使气隙厚度发生变化，流过线圈的电流也发生相应的变化，电流表指示值将反映被测压力的大小。
5.1根据电容式传感器工作时变换参数的不同，可以将电容式传感器分为哪几种类型？
各有何特点？
答：
变面积型、变介质型、变极距型。
变面积型：
平板电容式传感器的电容改变量ΔC与水平位移Δx成线性关系。
圆通电容式传感器的电容改变量ΔC与轴向位移ΔX成线性关系。
角位移变面积型ΔC与角位移θ成线性关系。
适合测量线位移和角位移。
变介质型:
平板结构中串联型结构介质改变后电容增量与所加介质的介电常数ε1成非线性关系；并联型结构则为线性关系。
圆筒结构电容增量△C与被测液位的高度h成线性关系。
特点是利用不同介质的介电常数各不相同，通过改变介质的介电常数实现对被测量的检测，并通过电容式传感器的电容量反映出来。
适合于介质的介电常数发生改变的场合。
变极距型：
传感器输入输出量存在非线性关系。
特点是电容量与极板间距成反比，适合测量位移量。
5.5试分析电容式厚度传感器的工作原理。
电容式厚度传感器用于测量金属带材在轧制过程中的厚度，在被测带材的上下两边各放一块面积相等、与带材中心等距离的极板，极板与带材就构成两个电容器。
用导线将两个极板连接起来作为一个极板，带材作为电容器的另一极，相当于两个电容并联，其总电容C=C1+C2
金属带材在轧制过程中不断前行，如果带材厚度有变化，将导致它与上下两个极板间的距离发生变化，从而引起电容量的变化。
将总电容量作为交流电桥的一个臂，电容的变化将使得电桥产生不平衡输出，从而实现对带材厚度的检测。
扩展：
测量啤酒瓶内液位高低
电容式传感器圆筒结构变介质型电容式传感器，总的电容值为
在圆筒结构变介质式电容传感器中的液位达到一定高度的对应位置时，电容值达到一个特定值，接入测量电路，就可以在液位达固定值时输出一个触发信号，关闭阀门，停止注酒。
6.3试分析石英晶体的压电效应原理
答：
石英晶体的化学成分是SiO2，是单晶结构，理想形状六角锥体。
石英晶体是各向异性材料，不同晶向具有各异的物理特性，用x、y、z轴来描述。
z轴：
是通过锥顶端的轴线，是纵向轴，称为光轴，沿该方向受力不会产生压电效应。
x轴：
经过六面体的棱线并垂直于z轴的轴为x轴，称为电轴（压电效应只在该轴的两个表面产生电荷集聚），沿该方向受力产生的压电效应称为“纵向压电效应”。
y轴：
与x、z轴同时垂直的轴为y轴，称为机械轴（该方向只产生机械变形，不会出现电荷集聚）。
沿该方向受力产生的压电效应称为“横向压电效应”。
石英晶体在沿一定的方向受到外力的作用变形时，由于内部电极化现象同时在两个表面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。
反之，如对石英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。
6.7分析压电式传感器的等效电路（缺图）
答：
根据压电元件的工作原理，压电式传感器等效为一个电容器，正负电荷聚集的两个表面相当于电容的两个极板，极板间物质相当于一种介质。
电容量为Ca=εrε。
A/d，当压电元件受外力作用时，开路电压U=Q/Ca 因此压电式传感器可以等效为一个电荷源Q和一个电容器Ca并联。
也可以等效为一个与电容相串联的电压源。
6.11分析压电式加速度传感器工作原理
答：
测量时，将传感器基座与试件刚性固定在一起。
当传感器与被测物体一起受到冲击振动时，由于弹簧的刚度相当大，而质量块的质量相对较小，可以认为质量块的惯性很小，因此质量快与传感器基座感受到相同的振动，并受到与加速度方向相反的惯性力的作用，F块=ma。
由于压电片的压电效应，在他的两个表面上产生交变电荷Q，当振动频率远低于传感器的固有频率时，传感器的输出电荷与作用力成正比，即与试件的加速度成正比Q=d11f=d11ma,d11为压电系数。
输出电量由传感器的输出端引出，输入到前置放大器后就可以用普通的测量仪器测出试件的加速度。
7.1简述变磁通式和恒磁通式磁电感应式传感器工作原理
答：
变磁通：
靠改变磁路的磁通Φ的大小进行测量的。
.即通过改变测量磁路中气隙的大小改变磁路的磁阻，从而改变磁路的磁通。
变磁通式又分为开磁路和闭磁路。
恒磁通：
是指在测量过程中使导体位置相对于恒定磁通Φ变化而实现测量的一类磁电感应式传感器。
将恒磁通磁电感应式传感器与被测振动体绑定在一起，当壳体随被测振动体一起振动时，由于弹簧较软，而运动部件质量相对较大，当振动频率足够高时，运动部件会由于惯性很大而来不及跟随振动物体一起振动，近乎静止不动，振动能量几乎全被弹簧吸收，于是永久磁铁与线圈之间的相对运动速度接近于振动体的振动速度，线圈与磁铁的相对运动将切割磁力线，从而产生于运动速度成正比的感应电动势E=-NBLv
7.3试解释霍尔式位移传感器的输出电压与位移成正比关系。
在极性相反，磁场强度相同的两个磁钢气隙中放入一片霍尔片，当霍尔片处于中间位置时，霍尔片同时收到大小相等方向相反的磁通作用，则有B=0，此时霍尔电动势发生变化为U=KIB=k·Δz，式中，k为火儿式位移传感器的输出灵敏度。
可见，霍尔电动势与位移量Δz呈线性关系，并且霍尔电动势的极性还会反映霍尔片的移动方向。
扩展：
试推导霍尔电动势公式？
霍尔电势
☆8.1什么是热电效应、接触电动势、温差电动势？
答：
1.两个不同的导体两端相互紧密地连在一起，组合一个闭合回路。
当两接点温度不等时，回路中就会产生大小和方向与导体材料及两接点的温度有关的电动势，从而形成电流，此现象称为热电效应。
2.两种导体自由电子密度不同，而在其接触形成的电动势称为接触电动势。
3.对单一金属导体，如果将导体两端分别置于不同的温度场中，在导体内部，热端的自由电子具有较大的动能，将向冷端移动，导致热端失去电子带正电，冷端得到电子带负电，从而导体两端产生一个热端指向冷端的静电场，该电场阻止电子从热端继续向冷端转移，并使电子反方向移动，最终达到动态平衡状态。
这样，在导体两端产生电位差，称为温差电动势。
8.2热电偶的工作原理是什么?
答：
热电偶测温基本原理：
热电偶测温是基于热电效应的基本原理。
根据热电效应，任何两种不同的导体或半导体组成的闭合回路，如果将它们的两个接点分别置于温度不同的热源中，则在该回路中会产生热电动势，在一定条件下，产生的热电动势与被测温度成单值函数关系。
因此，我们只需测得热电动势值，就可间接获得被测温度。
8.5热电偶的冷端温度补偿有哪些方法？
各自原理是什么？
答：
为消除冷端温度的影响，常用的措施有：
1 补偿导线法：
将热电偶配接与其具有相同热电特性的补偿导线，使自由端远离工作端，放置到恒温或温度波动较小的地方。
2 冷端恒温阀：
把热电偶的冷端置于某些温度不变的装置中，以保证冷端温度不受热端测量温度的影响。
3 冷端温度校正法：
如果热电偶的冷端温度偏离0℃，但稳定在t0℃，则按中间温度定律对仪表指示值进行修正。
4 自动补偿法：
也称为电桥补偿法，它是在热电偶与仪表之间加上一个补偿电桥，当热电偶冷端温度升高，导致回路总电动势降低时，这个电桥感受自由端温度的变化，产生一个电位差，其数值刚好与热电偶降低的电动势相同，两者互相补偿。
8.15分析三线制和四线制接法在热电阻测量中的原理及其不同特点。
（原理画图公式）
答：
三线制的特点是可较好地减小引线电阻的影响，一般精度。
主要适用于大多数工业测量场合。
四线制的特点是精度高，能完全消除引线电阻对测量的影响。
主要适用于实验室等高精度测量场合。
拓展：
热电偶测铁水温度，框图，工作原理。
答：
框图：
热电偶》输入》初级放大》温度补偿》主放大器》运算放大器》输出
工作原理是两种不同成份的材质导体组成闭合回路,当两端存在温度梯度时,回路中就会有电流通过，此时两端之间就存在电动势——热电动势，这就是所谓的塞贝克效应。
9.2光电式传感器：
光电效应传感器，红外热释电探测器，固体图像传感器，光纤传感器
9.4什么是光电效应、内光电效应、外光电效应？
这些光电效应的典型光电器件各自有哪些？
答：
光照射到物体上使物体发射电子，或电导率发生变化，或产生光生电动势等，这些因光照引起物体电学特性改变的现象称为光电效应。
当光照射到金属或金属氧化物的光电材料上时，光子的能量传给光电材料表面的电子，如果入射到表面的光能使电子获得足够的能量，电子会克服正离子对它的吸引力，脱离材料表面进入外界空间，这种现象称为外光电效应。
根据外光电效应制作的光电器件有光电管和光电倍增管。
内光电效应是指物体受到光照后所产生的光电子只在物体内部运动，而不会逸出物体的现象。
内光电效应多发生在半导体内，可分为因光照引起半导体电阻率变化的光电导效应和因光照产生电动势的光生伏特效应两种。
光电导效应是指物体在入射光能量的激发下，其内部产生光生载流子（电子-空穴对），使物体中载流子数量显著增加而电阻减小的现象。
基于光电导效应的光电器件有光敏电阻。
基于光生伏特效应的光电器件典型的有光电池；此外，光敏二极管、光敏晶体管
9.7简述光电倍增管的工作原理，主要参数有哪些?
答：
当光照射到光阴极时，光阴极向真空中激发出光电子。
这些光电子按聚焦极电场进入倍
增系统，并通过进一步的二次发射得到的倍增放大。
然后把放大后的电子用阳极收集作为信号输出。
具有极高的灵敏度和极低的噪声。
参数：
倍增系数M、光电阴极灵敏度和光电倍增管总灵敏度、暗电流、光电倍增管的光谱特性。
9.11试介绍MOS光敏单元的工作原理
答：
一个MOS电容器就是一个光敏单元，可以感应一个像素点。
传递一幅图像需要许多MOS光敏单元大规模集成器件，CCD基本功能是信号电荷的产生、存储、传输和输出。
9.12CCD的电荷转移原理
答：
CCD器件基本结构是一系列彼此非常靠近的MOS光敏单元，这些光敏单元使用同一半导体衬底；氧化层均匀、连续；相邻的金属电极间隔极小。
任何可移动的电荷都将力图向表面势大的位置移动。
为保证信号电荷按确定的方向和路线移动，在MOS光敏单元阵列上所加的各路电压脉冲要求严格满足相位要求。
9.18试解释波长调制型光纤传感器的工作原理。
答：
单色光照射到物体上后，反射回来时，由于多普勒效应，其频率将发生变化，频移后的频率为
将此频率的光与参考光作用于光探测器上，并产生差拍，经频谱分析处理求出频率变化，即可推知物体的运动速度。
9.21试解释光电式编码器的工作原理
答：
光电编码器，是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器，是目前应用最多的传感器。
一般的光电编码器主要由光栅盘和光电探测装置组成。
在伺服系统中，由于光电码盘与电动机同轴，电动机旋转时，光栅盘与电动机同速旋转．经发光二极管等电子元件组成的检测装置检测输出若干脉冲信号。
通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数就能反映当前电动机的转速。
此外，为判断旋转方向，码盘还可提供相位相差90°的2个通道的光码输出，根据双通道光码的状态变化确定电机的转向。
9.25计量光栅是如何实现测量位移的？
答：
传感器由标尺光栅、指示光栅、光路系统和测量系统四部分组成（见图）。
标尺光栅相对于指示光栅移动时，便形成大致按正弦规律分布的明暗相间的叠栅条纹。
这些条纹以光栅的相对运动速度移动，并直接照射到光电元件上，在它们的输出端得到一串电脉冲，通过放大、整形、辨向和计数系统产生数字信号输出，直接显示被测的位移量。
莫尔条纹间距Bh与两光栅夹角θ的关系：
☆10.2什么是热释电效应？
热释电效应与哪些因素有关？
答：
由于温度的变化而产生电荷的现象称为热释电效应。
与铁电体材料、灵敏面、厚度有关。
10.5根据气体对红外线有选择性吸收的特性，设计一个红外线气体分析仪。
使其能对气体成分进行分析。
（提示：
不同气体对红外能量的吸收是不同的）
答：
设有一个测量室和一个参比室。
测量室中含有一定量的被分析气体，对红外线有较强的吸收能力，而参比室中的气体不吸收红外线，因此两个气室中的红外线的能量不同，将使气室内压力不同，导致薄膜电容的两电极间距改变，引起电容量C的变化，C的变化反应被分析气体中被测气体的浓度。
10.8试分析微波传感器的主要组成及其各自功能。
答：
微波传感器的组成主要包括三个部分：
微波发生器（或称微波振荡器）、微波天线及微波检测器。
（1）微波发生器
微波发生器是产生微波的装置。
由于微波波长很短、频率很高（300MHz~300GHz），要求振荡回路有非常小的电感与电容，故不能采用普通的晶体管构成微波振荡器，而是采用速调管、磁控管或某些固态元件构成。
小型微波振荡器也可采用体效应管。
微波发生器产生的振荡信号需要用波导管（管长为10cm以上，可用同轴电缆）传输。
（2）微波天线
微波天线是用于将经振荡器产生的微波信号发射出去的装置。
为了保证发射出去的微波信号具有最大的能量输出和一致的方向性，要求微波天线有特殊的结构和形状，常用的天线如图10-17所示，包括喇叭形、抛物面形等。
前者在波导管与敞开的空间之间起匹配作用，有利于获得最大能量输出；后者类似凹面镜产生平行光，有利于改善微波发射的方向性。
（3）微波检测器
微波检测器是用于探测微波信号的装置。
微波在传播过程中表现为空间电场的微小变化，因此使用电流-电压呈非线性特性的电子元件，根据工作频率的不同，有多种电子元件可供选择（如较低频率下的半导体PN结元件、较高频率下的隧道结元件等），但都要求它们在工作频率范围内有足够快的响应速度。
10.16超声波用于探伤有哪几种方法？
试述反射法探伤的基本原理
答:
穿透法探伤和反射法探伤。
反射法：
脉冲反射法是当脉冲超声波入射至被测工件后，声波在工件内的反射状况，就会显示在荧光屏上，根据反射波的时间及形状，来判断工件内部缺陷及材料性质的方法。
其探伤原理，是当超声波在工件内传播到有声阻抗差异的界面上（如缺陷与工件的界面）时，产生反射。
一次脉冲反射法是以一次底波为依据进行探伤的方法。
其原理是脉冲波发生器产生的高频电脉冲（发射波），加在探头和放大器上，激励压电晶片振动，使之产生超声波。
超声波以一定的速度向工件内部传播，一部分声波遇到缺陷（F）时反射回来;另一部分声波继续传至工件底面（B）后，也反射回来，由缺陷及底面反射回来的声波被探头接收时，又变为电脉冲波。
发射波（T）、缺陷波（F）及底波（B）经放大器后，在荧光屏上显示，如下图所示。
荧光屏上的水平亮线为扫描线（时间基线），其长度与时间成正比。
由发射波、缺陷波及底波在扫描线上的位置，即可求出缺陷的位置。
由缺陷波的幅度，可判断缺陷的大小（缺陷面积大时，幅度高）;由缺陷波的形状（有时需移动探头，观察缺陷波的变化），结合冶金工艺特点，可分析缺陷的性质。
多次脉冲反射法是以多次底波为依据，进行探伤的方法。
声波由底部反射回至探头时，一部分声波被探头接收，另一部分声波又折回底部，这样往复反射，直至声能全部衰减完为止，若工件中无缺陷时，则荧光屏上出现呈指数曲线递减的多次反射底波，当工件内有吸收性缺陷（如疏松等）时，声波在缺陷处的衰减很大，底波反射的次数减少，甚至消失，以此判断有无缺陷及严重程度。
当工件为板材时，为了观察方便，一般常用多次脉冲反射法探测，无缺陷时，底波反射次数多，有缺陷时，底波反射次数少，且在底波之间夹有缺陷波。
当缺陷面积甚大时（非吸收性缺陷），只有缺陷的多次反射波，而无底波。
11.1气敏传感器有哪几种类型？
简述电阻式气敏传感器的工作原理。
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