传感器原理及应用期末复习资料.docx

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传感器原理及应用期末复习资料

信息技术包括计算机技术、通信技术和传感器技术，是现代信息产业的三大支柱。

1．什么是传感器？

广义：

传感器是一种能把特定的信息按一定规律转换成某种可用信号输出的器件和装置。

狭义：

能把外界非电信息转换成电信号输出的器件。

国家标准：

定义：

能够感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。

2．传感器由哪几个部分组成？

分别起到什么作用？

传感器一般由敏感元件、转换原件和基本电路组成。

敏感元件感受被测量，转换原件将其响应的被测量转换成电参量，基本电路把电参量接入电路转换成电量。

传感器的核心部分是转换原件，转换原件决定传感器的工作原理。

3．传感器的总体发展趋势是什么？

传感器的应用情况。

传感器正从传统的分立式朝着集成化、数字化、多功能化，微型化、智能化、网络化和光机电一体化的方向发展，具有高精度、高性能、高灵敏度、高可靠性、高稳定性、长寿命、高信噪比、宽量程和无维护等特点。

未来还会有更新的材料，如纳米材料，更有利于传感器的小型化。

发展趋势主要体现在这几个方面：

发展、利用新效应；开发新材料；提高传感器性能和检测范围；微型化与微功耗；集成化与多功能化；传感器的智能化；传感器的数字化和网络化。

4．了解传感器的分类方法。

所学的传感器分别属于哪一类？

按传感器检测的范畴分类：

物理量传感器、化学量传感器、生物量传感器

按传感器的输出信号分类：

模拟传感器、数字传感器

按传感器的结构分类：

结构型传感器、物性型传感器、复合型传感器

按传感器的功能分类：

单功能传感器、多功能传感器、智能传感器

按传感器的转换原理分类：

机—电传感器、光—电传感器、热—电电传感器、磁—电传感器

电化学传感器

按传感器的能源分类：

有源传感器、无源传感器

国标制定的传感器分类体系表将传感器分为：

物理量、化学量、生物类传感器

含12个小类：

力学量、热学量、光学量、磁学量、电学量、声学量、射线、气体、离子、温度传感器以及生化量、生理量传感器。

1．传感器的性能参数反映了传感器的输入输出关系

2．传感器的静态特性是什么？

由哪些性能指标描述？

主要性能参数的意义是什么

1线性度：

传感器的输入-输出校准曲线与理论拟合直线之间的最大偏离与传感器满量程输出之比，线性度RL是表征实际特性与拟合直线不吻合的参数

拟合方法：

理论线性度（理论拟合）、c、端基线性度（端点连线拟合）d、独立线性度（端点平移）

最小二乘法线性度

2迟滞：

传感器在正、反行程期间输入、输出曲线不重合的现象称迟滞（迟环）。

3重复性：

传感器输入量按同一方向作多次测量时输出特性不一致的程度。

4灵敏度:

在稳定条件下输出微小增量与输入微小增量的比值

传感器输出曲线的斜率就是其灵敏度。

灵敏度S反映输入变量能引起的输出变化量

①纯线性传感器灵敏度为常数，与输入量大小无关；②非线性传感器灵敏度与x有关。

5分辨率和阈值：

分辨率——传感器能够检测到的最小输入增量；

阈值——输入小到某种程度输出不再变化的值

6漂移是指传感器的输入被测量不变，而其输出量却发生了改变。

包括零点漂移与灵敏度漂移，

7稳定性：

传感器在一较长时间内保持性能参数的能力

3．传递函数的定义是什么？

初始条件为零时输出的拉氏变换与输入的拉氏变换之比。

4.电涡流传感器有较好的线性和灵敏度

4．什么是传感器的动态特性?

其特性参数有那些？

其意义是什么？

动态特性：

输入量随时间变化时输出和输入之间的关系。

固有频率：

越大曲线上升越快，时间常数：

达到稳定的时间越小，阻尼比：

越大过冲现象越小。

1．什么是应变效应？

什么是压阻效应？

什么是横向效应？

应变效应：

导体产生机械形变时电阻值会发生变化。

压阻效应：

某一轴向上的外力会引起扳道器电阻率发生变化。

横向效应：

直线电阻丝绕成敏感栅后，虽然长度相同，但应变不同，圆弧部分使灵敏度下降了，这种现象称为横向效应。

2．什么是应变片的灵敏系数？

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？

说明金属丝电阻应变片与半导体应变片的相同点和不同点。

应变片单位变化引起电阻值的改变；50-100；1.5-2；金属应变片：

电阻应变效应，优，受温度影响小、性能稳定、精度比半导体高，缺，不易集成；半导体：

半导体材料压阻效应，优,灵敏度高，体积小，耗电小，动态响应好，精度高，测量范围宽，易于微型化和集成化。

缺点，受温度影响较大，制造工艺复杂。

4.在传感器测量电路中，直流电桥与交流电桥有什么不同，如何考虑应用场合？

直流电桥的电源稳定，结构简单，但存在零漂和工频干扰，要求有较高的灵敏度，实际应用中输出端通常会接入放大电路；交流电桥放大电路简单，无零漂，不易受干扰，但不易取得高精度，需专用的测量仪器或电路。

1．电容传感器有哪些类型？

分别适合检测什么参数？

叙述变极距型电容传感器的工作原理、输出特性。

1）变面积型电容传感器：

测量范围大，多用于测线位移、角位移；

2）变极距型电容式传感器：

适宜做小位移测量；

3）变介质型电容传感器：

普遍用于液面高度测量、介质厚度测量，可制成料位计等。

变极距工作原理，通过改变两极板间距离引起电容量的变化，因此，只要测得电筒两的变化量就可测得极板间距变化量。

2．为什么电感式和电容式传感器的结构多采用差动形式，差动结构形式的特点是什么？

电感两端的电压与通过的电流的变化量成正比，流过电容的位移电流与

其两端电压的变化量成正比，而差分方式正好放大的是电压或电流的变

化量，故一般采用这种结构。

3．电容传感器的测量电路有哪些？

差动脉冲调宽电路用于电容传感器测量电路具有什么特点?

交流电桥、二极管双T型电路、差动脉冲调宽电路、运算放大器电路，

适用于任何差动电容传感器，并有理论线性度，与双T型相似，该电路

不需加解调、检波，由滤波器直接获得直流输出，而且对矩形波纯度要

求不高，只需稳定的电源即可。

4．为什么高频工作时的电容式传感器连接电缆的长度不能任意变化？

低频时容抗XC较大，传输线的等效电感电阻可忽略，高频时容抗减小，不可忽略。

等效电感接在传感器输出端相当于串联谐振电路，当工作频率等于谐振频率时，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。

1.变磁阻式传感器的工作原理和主要应用。

传感器运动部分与衔铁部分相连接，衔铁移动时间隙厚度发生变化，仪器磁路的磁阻Rm变化，使电感线圈的电感量发生变化。

应用于压力传感器和测量工具中。

2.什么是零点残余电压？

说明差动变压器式传感器产生零点残余电压的原因及减少此电压的有效措施。

差动变压器传感器的铁心处于中间位置是输出电压并不等于零，在零点附近总有一个最小输出电压ΔUo，将这个铁心处于中间位置是最小不为零电压称为零点残余电压。

原因，两个次级线圈绕组的电气系数不完全相同，几何尺寸也不完全相同，工艺上很难保持完全一致。

措施，除工艺补偿外，一般要进行电路补偿：

串联电阻，并联电阻、电容，加反馈支路，相敏检波。

3.差动自感传感器和差动变压器有什么区别？

采用哪种转换电路既能直接输出与位移成正比的电压，又能根据电压的正负区别位移的方向？

自感的线圈必须相同，但不绕在同一铁心上，而差动变压器必须要绕在同一铁心上，线圈可以不同。

4.什么是电涡流效应？

涡流的分布范围。

电涡流传感器可以进行哪些非电量参数测量？

一个块状金属导体置于变化的磁场中或在磁场中切割磁力线运动时，导体内部会产生闭合的电流，这种现象称为涡流效应。

范围，径向，线圈外径金属涡流密度最大；线圈中心为零。

轴向，只在表面薄层。

非接触式测量，位移、振动、转速、厚度、材料、温度、电涡流探伤。

5.电涡流传感器是由哪种电参量转换实现电量输出的？

电涡流传感器可以检测金属材料，也可以检测非金属材料吗？

电流、不可以检测非金属

1．为什么说磁电感应式传感器是一种有源传感器？

常用的结构形式有哪些？

工作时不需外加电源，导体和磁场发生相对运动是会在导体两端输出感应电动势。

恒磁通式、变磁通式。

2．磁电式传感器是速度传感器，它如何通过测量电路获得相对应的位移和加速度信号？

前置放大器分别接积分电路或微分电路，接入积分电路时，感应电动势输出正比于位移信号；接入微分电路时，感应电动势输出正比于加速度信号。

3．什么是霍尔效应？

霍尔电势的大小与方向和哪些因素有关？

霍尔元件不等位电势产生的原因有哪些？

通电的导体放在磁场中，电流方向与磁场方向垂直，在导体另外两侧会产生感应电动势，这种现象称为，原因：

霍尔引出电极安装不对称，不在同一等位面上；激励电极接触不良，半导体材料不均匀造成电阻率不均匀。

4．霍尔元件的温度补偿方法有哪些？

霍尔元件的常见应用。

外界温度敏感元件进行补偿：

两种连接方式，恒流源激励，恒压源激励。

测位移：

极性相反磁极共同作用，形成梯度磁场；磁电编码器：

金属齿轮计算脉冲数测转速；测压力压差；交流直流钳形数字电流表。

5．半导体磁敏元件有哪些？

它们有哪些相同之处和不同之处？

它们的电路符号怎样?

磁敏电阻：

只能测大小不能测方向，磁敏二极管、磁敏三极管：

既大小又方向

1．什么是压电效应？

压电传感器能否用于静态测量？

为什么？

某些晶体，当沿着一定方向施加力时，内部产生极化现象，两个表面会产生符号相

反地电荷，外力去掉后又恢复不带电状态。

作用力方向改变电荷极性也改变。

2．压电陶瓷极化过程是怎样的？

若施加一个与极化方向相同的拉力，压电现象是怎样的？

给压电陶瓷施加外加电场使电畴规则排列。

3.石英晶体和压电陶瓷的压电效应有何不同之处？

比较几种常用压电材料的优缺点，说出它们各自适用的场合。

压电陶瓷的纵向压电常数要比石英晶体大得多。

压电晶体适用于传感器不用维修的场合，稳定性好，但灵敏度低；压电陶瓷灵敏度高，稳定性差，适用于环境稳定，便于校准修正的场合。

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？

并联粘贴，引线电极输出电容为单电容的两倍，极板上电荷是单片的两倍，输出电压与单片相等，适合测变化缓慢的信号，接电荷放大器。

串联黏贴：

C'=C/2，Q'=Q,U'=2U，适合测量频率较高变化快的信号，电压放大。

5.压电传感器的等效电路怎样？

前置放大器起什么作用？

电压放大器和电荷放大器各有什么特点？

作用，放大微弱信号，阻抗变换；电压放大器是阻抗变换器，输入量是电压；电荷放大器是有深度反馈的高增益放大器，输入量是电荷。

1．什么是外光电效应？

内光电效应？

（光生伏特效应、光电导效应）。

光电器件中的光照特性、光谱特性分别描述的是光电器件的什么性能？

在光线作用下，物体内的点子溢出物体表面向外发射的现象称为外光电效应。

光线照在物体上使物体电导率发生变化或产生光生电动势的现象叫内光电效应。

入射光强改变物质电导率的现象称为光电导效应；光照时物体能产生一定方向电动势的现象叫光生伏特效应。

照度与光电流光电压的关系；波长与灵敏度的关系。

2.简述光电倍增管的工作原理。

说明它有何特点？

高速电子撞击固体表面，再发出二次电子，将光电信号在管内进行放大。

灵敏度比普通光电管高得多。

3．试述光敏电阻、光敏二极管、光电池的工作原理，各基于哪种光电效应?

其电路符号怎样?

光敏电阻的工作原理基于光电导效应，光照导电性增加，电阻下降电流增加，光照越强电流越大，无光照恢复。

光敏二极管基于光生伏特效应，工作时加反向电压，无光照时处于截止状态，光强与电流成正比。

光敏三极管把二极管产生电流进一步放大。

光电池：

光生伏特效应。

4.什么是光敏电阻的亮电阻和暗电阻？

暗电阻电阻值通常在什么范围？

无光照时的电阻，0.4-500M欧，光照时电阻，0.5-200K欧。

5.说明光敏二极管与光电池的结构有什么不同？

它们是如何工作的？

光电池有一个大的PN结，上电极为栅装受光电极，下电极是一层铝衬底，光照时电子空穴对迅速扩散，在PN结电场作用下产生电动势。

1．PSD、CCD等英文缩写是什么传感器？

各有什么用途？

光电位置传感器图像传感器

应用于激光光束对准、位移、振动测量、平面度检测、坐标、平面度检测、二维坐标检测系统

2.CCD器件主要由哪两个部分组成？

CCD器件可分为哪几类？

MOS光敏元阵列；读出移位寄存器。

CD器件分为线阵CCD和面阵CCD；

结构上有多种不同形式，如单沟道CCD、双沟道CCD、帧转移结构CCD、行间转移结构CCD。

3.光纤的结构和传光原理。

光纤的性能和分类。

光纤的光导材料基本采用石英玻璃，其中有不同掺杂

a.光纤的传播基于光的全反射原理。

当光线以不同角度入射到光纤端面时，在端面发生折射后进入光纤；b.光线在光纤端面入射角θ减小到某一角度θc时，光线全部反射。

光线全部被反射时的入射角θc称临界角;c.因此只要满足全反射条件即θ＜θc，光在纤芯和包层界面上经若干次全反射向前传播，最后从另一端面射出。

性能：

①数值孔径（NA）②光纤模式（V）③传播损耗（A）

4.光纤传感器由哪几部分组成？

光纤传感器可分为哪两大类？

各有何特点？

组成：

光源、透镜、入射光纤、调制器、出射光纤、光敏器件等。

光纤的类型较多致可分为功能型和非功能型两大类。

功能性：

对外界被测对象具有敏感能力和检测功能，光纤不仅起到传光作用，而且有传感能力。

非功能性：

只当作传播光的媒介，待测对象的调制功能是由其它光电转换元件实现的；

1．温度传感器有哪些类型？

了解不同温度传感器的工作原理和结构特征以及测温范围。

热电偶：

两种不同类型金属导体两端分别接在仪器构成闭合回路，两节点有温差时，导体回路有电流流动，产生热电势。

普通热电偶、薄膜热电偶、铠装热电偶。

最高铂铑，1600.耐高温，精度高。

热电阻：

电阻值随温度变化成呈函数关系，-200至+850，将金属芯线绕制在云母板、玻璃或陶瓷上。

中温

热敏电阻：

半导体阻值与温度呈函数关系，结构简单，圆片、薄膜、管、平板、珠…体积小，热惯性小，可进行点温测量，40-1000K。

2．什么是热电效应，产生热电势的必要条件是什么？

热电偶测温回路的热电动势由哪两部分组成?

两种不同类型金属导体两端分别接在仪器构成闭合回路，两节点有温差时，导体回路有电流流动，产生热电势。

温差。

接触电势和温差电势。

3．热电偶的基本定律和分类。

中间导体定律，参考电极定律；贵金属热电偶，普通热电偶。

4.常用热电阻都有哪些？

阻值规格如何？

热电阻在电桥中采用三线制接线法的目的是什么？

铂热电阻，10欧和100欧，

5．试比较说明金属热电阻和半导体热敏电阻的异同。

热敏电阻一般是半导体材料，半导体材料的导电性能也就是电阻率受光、热等因素的影响一般很剧烈的，专业点的说法就是，光和热可以作为半导体的激发源，半导体受光，或者热的作用，其载流子的浓度也能会增加好几个数量级，导电性能或者阻抗发生很大变化。

反过来可以用这些效应来确定光或者温度的参数。

金属当热电阻的意思是，金属的电阻会随温度的增加而变大，主要是温度使得金属原子的振动增加，对电子的散射作用增加。

2．有一温度传感器，微分方程为30dy/dt+3y=0.15x，其中y为输出电压（mV）,x为输入温度（℃）。

试求该传感器的时间常数和静态灵敏度。

对微分方程两边进行拉氏变换，Y（s）（30s+3）=0.15X（s）

则该传感器系统的传递函数为：

该传感器的时间常数τ=10，灵敏度k=0.05

3.一应变片的电阻R=120Ω，灵敏系数k=2.05，用作应变为

的传感元件。

求：

①

和

；②若电源电压U=3V，初始平衡时电桥的输出电压U0。

解：

集成温度传感器的原理及分类

输出信号的模式,可大致划分为三大类：

数字式温度传感器、逻辑输出温度传感器、模拟式温度传感器。

4.有一吊车的拉力传感器如图所示，其中电阻应变片R1、R2、R3、R4贴在等截面轴上。

已知R1、R2、R3、R4标称阻值均为120Ω，桥路电压为2V，物重M引起R1、R2变化增量为1.2Ω。

画出应变片组成的电桥电路，标出各应变片；计算电桥输出电压和电桥的输出灵敏度；

③说明R3、R4起到什么作用？

应变片组成半桥电路，如下图所示；

②计算出测得的输出电压和电桥输出灵敏度。

③说明R3、R4起到什么作用？

R3、R4可以进行温度补偿。

压差传感器结构如图4-30a所示，传感器接入二极管双T型电路，电路原理示意图如图4-30b所示。

已知电源电压UE=10V，频率f=1MHz，R1=R2=40kΩ，压差电容C1=C2=10pF，RL=20kΩ。

试分析，当压力传感器有压差PH＞PL使电容变化ΔC=1pF时，一个周期内负载电阻上产生的输出电压URL平均值的大小与方向。

解：

当

时，

；

由于

，电压UE的负半周占优势，故

的方向下正上负。

一压电加速度计，供它专用电缆的长度为

，电缆电容为

，压电片本身电容为

。

出厂标定电压灵敏度为

，若使用中改用另一根长

电缆，其电容量为

，问其电压灵敏度如何改变？

解：

可见电缆加长后电压灵敏度下降。

光电传感器控制电路如图8-53所示，试分析电路工作原理：

①GP—IS01是什么器件，内部由哪两种器件组成？

②当用物体遮挡光路时，发光二极管LED有什么变化？

③R1是什么电阻，在电路中起到什么作用？

如果VD二极管的最大额定电流为60mA，R1应该如何选择？

④如果GP—IS01中的VD二极管反向连接，电路状态如何？

晶体管VT、LED如何变化？

1）GP—IS01是光电开关器件，内部由发光二极管和光敏晶体管组成；

2）当用物体遮挡光路时，Vg无光电流VT截止，发光二极管LED不发光；

3）R1是限流电阻，在电路中可起到保护发光二极管VD的作用；如果VD二极管的最大额定电流为60mA，选择电阻大于R1=（12V-0.7）/0.6=18.8Ω。

4）如果GP—IS01中的VD二极管反向连接，Vg无光电流VT截止，发光二极管LED不发光；电路无状态变化。

6．用石英晶体加速度计及电荷放大器测量加速度，已知，加速度计灵敏度为5pC/g，电荷放大器灵敏度为50mV/pC，最大加速度时输出幅值2V，试求机器振动加速度。

解：

当输出幅值为2V时，机器振动加速度为：

6．用分度号为K型镍铬-镍硅热电偶测温度，在未采用冷端温度补偿的情况下，仪表显示500℃，此时冷端为60℃。

试问实际测量温度为多少度？

若热端温度不变，设法使冷端温度保持在20℃，此时显示仪表指示多少度？

计算以式EAB（t、0℃）＝EAB（t、tn）＋EAB（tn、0℃）为理论依据。

首先用水银温度计测出热电偶冷端温度tn，然后在该类热电偶的分度表中查出EAB（tn、0℃），再与热电偶所测得的电势EAB（t、tn）相加，其和即是补正后的热电势EAB（t、0℃），最后在分度表中查出对应的温度值，此温度就是热电偶热端的实际温度t。

解题步骤:

一、第一问：

1、查500℃分度号为K的对应数值为24.902mV

2、查60℃分度号为K的对应数值为2.436mV

3、式EAB（t、0℃）＝EAB（t、tn）＋EAB（tn、0℃）=24.902mV+2.436mV=27.338mV

4、查分度号为K的对应数值为27.338mV的温度约为：

657℃故实际测量温度为657℃度

二、第二问：

1、查20℃分度号为K的对应数值为0.798mV

2、查657℃分度号为K的对应数值为27.338mV

3、式EAB（t、tn）＝EAB（t、0℃）-EAB（tn、0℃）=27.338mV-0.798mV=26.54mV

4、查分度号为K的对应数值为26.54mV的温度约为：

639℃，故仪表显示639℃