傳感器原理及應用期末復習資料

1、可編輯信息技術包括計算機技術、通信技術和傳感器技術，是現(xiàn)代信息產(chǎn)業(yè)的三大支柱。1什么是傳感器？廣義：傳感器是一種能把特定的信息按一定規(guī)律轉換成某種可用信號輸出的器件和裝置。狹義：能把外界非電信息轉換成電信號輸出的器件。國家標準：定義：能夠感受規(guī)定的被測量并按照一定規(guī)律轉換成可用輸出信號的器件或裝置。2 傳感器由哪幾個部分組成？分別起到什么作用？傳感器一般由敏感元件、轉換原件和基本電路組成。敏感元件感受被測量，轉換原件將其響應的被測量轉換成電參量，基本電路把電參量接入電路轉換成電量。傳感器的核心部分是轉換原件，轉換原件決定傳感器的工作原理。3 傳感器的總體發(fā)展趨勢是什么？傳感器的應用情況。 傳感

2、器正從傳統(tǒng)的分立式朝著集成化、數(shù)字化、多功能化，微型化、智能化、網(wǎng)絡化和光機電一體化的方向發(fā)展，具有高精度、高性能、高靈敏度、高可靠性、高穩(wěn)定性、長壽命、高信噪比、寬量程和無維護等特點。未來還會有更新的材料，如納米材料，更有利于傳感器的小型化。發(fā)展趨勢主要體現(xiàn)在這幾個方面：發(fā)展、利用新效應；開發(fā)新材料；提高傳感器性能和檢測范圍；微型化與微功耗；集成化與多功能化；傳感器的智能化；傳感器的數(shù)字化和網(wǎng)絡化。4了解傳感器的分類方法。所學的傳感器分別屬于哪一類？ 按傳感器檢測的范疇分類：物理量傳感器、化學量傳感器、生物量傳感器 按傳感器的輸出信號分類 ：模擬傳感器、數(shù)字傳感器 按傳感器的結構分類：結構型

3、傳感器、物性型傳感器、復合型傳感器 按傳感器的功能分類：單功能傳感器、多功能傳感器、智能傳感器 按傳感器的轉換原理分類：機電傳感器、光電傳感器、熱電電傳感器、磁電傳感器 電化學傳感器 按傳感器的能源分類：有源傳感器、無源傳感器 國標制定的傳感器分類體系表將傳感器分為：物理量、化學量、生物類傳感器 含12個小類：力學量、熱學量、光學量、磁學量、電學量、聲學量、射線、氣體、離子、溫度傳感器以及生化量、生理量傳感器。1傳感器的性能參數(shù)反映了傳感器的輸入輸出關系2傳感器的靜態(tài)特性是什么？由哪些性能指標描述？主要性能參數(shù)的意義是什么1線性度：傳感器的輸入-輸出校準曲線與理論擬合直線之間的最大偏離與傳感器

4、滿量程輸出之比， 線性度RL是表征實際特性與擬合直線不吻合的參數(shù)擬合方法：理論線性度(理論擬合)、 c、端基線性度(端點連線擬合)d、獨立線性度(端點平移) 最小二乘法線性度 2遲滯 ：傳感器在正、反行程期間輸入、輸出曲線不重合的現(xiàn)象稱遲滯（遲環(huán)）。 3重復性 ：傳感器輸入量按同一方向作多次測量時輸出特性不一致的程度。 4靈敏度: 在穩(wěn)定條件下輸出微小增量與輸入微小增量的比值 傳感器輸出曲線的斜率就是其靈敏度。 靈敏度 S 反映輸入變量能引起的輸出變化量 純線性傳感器靈敏度為常數(shù)，與輸入量大小無關； 非線性傳感器靈敏度與x有關。 5分辨率和閾值：分辨率 傳感器能夠檢測到的最小輸入增量； 閾值

5、輸入小到某種程度輸出不再變化的值 6 漂移是指傳感器的輸入被測量不變，而其輸出量卻發(fā)生了改變。包括零點漂移與靈敏度漂移， 7穩(wěn)定性：傳感器在一較長時間內保持性能參數(shù)的能力3 傳遞函數(shù)的定義是什么？初始條件為零時輸出的拉氏變換與輸入的拉氏變換之比。4.電渦流傳感器有較好的線性和靈敏度4 什么是傳感器的動態(tài)特性? 其特性參數(shù)有那些？其意義是什么？動態(tài)特性：輸入量隨時間變化時輸出和輸入之間的關系。固有頻率：越大曲線上升越快，時間常數(shù)：達到穩(wěn)定的時間越小，阻尼比：越大過沖現(xiàn)象越小。1什么是應變效應？什么是壓阻效應？什么是橫向效應？應變效應：導體產(chǎn)生機械形變時電阻值會發(fā)生變化。壓阻效應：某一軸向上的外力

6、會引起扳道器電阻率發(fā)生變化。橫向效應：直線電阻絲繞成敏感柵后，雖然長度相同，但應變不同，圓弧部分使靈敏度下降了，這種現(xiàn)象稱為橫向效應。2 什么是應變片的靈敏系數(shù)？半導體應變片靈敏系數(shù)范圍是多少，金屬應變片靈敏系數(shù)范圍是多少？說明金屬絲電阻應變片與半導體應變片的相同點和不同點。應變片單位變化引起電阻值的改變；50-100；1.5-2；金屬應變片：電阻應變效應，優(yōu)，受溫度影響小、性能穩(wěn)定、精度比半導體高，缺，不易集成；半導體：半導體材料壓阻效應，優(yōu),靈敏度高，體積小，耗電小，動態(tài)響應好，精度高，測量范圍寬，易于微型化和集成化。缺點，受溫度影響較大，制造工藝復雜。4. 在傳感器測量電路中，直流電橋與

7、交流電橋有什么不同，如何考慮應用場合？ 直流電橋的電源穩(wěn)定，結構簡單，但存在零漂和工頻干擾，要求有較高的靈敏度，實際應用中輸出端通常會接入放大電路；交流電橋放大電路簡單，無零漂，不易受干擾，但不易取得高精度，需專用的測量儀器或電路。1電容傳感器有哪些類型？分別適合檢測什么參數(shù)？敘述變極距型電容傳感器的工作原理、輸出特性。1）變面積型電容傳感器：測量范圍大，多用于測線位移、角位移；2）變極距型電容式傳感器：適宜做小位移測量；3）變介質型電容傳感器：普遍用于液面高度測量、介質厚度測量，可制成料位計等。 變極距工作原理，通過改變兩極板間距離引起電容量的變化，因此，只要測得電筒兩的變化量就可測得極板間

8、距變化量。2 為什么電感式和電容式傳感器的結構多采用差動形式，差動結構形式的特點是什么？ 電感兩端的電壓與通過的電流的變化量成正比，流過電容的位移電流與 其兩端電壓的變化量成正比，而差分方式正好放大的是電壓或電流的變 化量，故一般采用這種結構。3 電容傳感器的測量電路有哪些？差動脈沖調寬電路用于電容傳感器測量電路具有什么特點? 交流電橋、二極管雙T型電路、差動脈沖調寬電路、運算放大器電路， 適用于任何差動電容傳感器，并有理論線性度，與雙T型相似，該電路 不需加解調、檢波，由濾波器直接獲得直流輸出，而且對矩形波純度要 求不高，只需穩(wěn)定的電源即可。4 為什么高頻工作時的電容式傳感器連接電纜的長度不

9、能任意變化？ 低頻時容抗XC較大，傳輸線的等效電感電阻可忽略，高頻時容抗減小，不可忽略。等效電感接在傳感器輸出端相當于串聯(lián)諧振電路，當工作頻率等于諧振頻率時，串聯(lián)諧振阻抗最小，電流最大，諧振對傳感器的輸出起破壞作用，使電路不能正常工作。1. 變磁阻式傳感器的工作原理和主要應用。傳感器運動部分與銜鐵部分相連接，銜鐵移動時間隙厚度發(fā)生變化，儀器磁路的磁阻Rm變化，使電感線圈的電感量發(fā)生變化。應用于壓力傳感器和測量工具中。2. 什么是零點殘余電壓？說明差動變壓器式傳感器產(chǎn)生零點殘余電壓的原因及減少此電壓的有效措施。 差動變壓器傳感器的鐵心處于中間位置是輸出電壓并不等于零，在零點附近總有一個最小輸出電

10、壓Uo ，將這個鐵心處于中間位置是最小不為零電壓稱為零點殘余電壓。原因，兩個次級線圈繞組的電氣系數(shù)不完全相同，幾何尺寸也不完全相同，工藝上很難保持完全一致。措施，除工藝補償外，一般要進行電路補償：串聯(lián)電阻，并聯(lián)電阻、電容，加反饋支路，相敏檢波。3. 差動自感傳感器和差動變壓器有什么區(qū)別？采用哪種轉換電路既能直接輸出與位移成正比的電壓，又能根據(jù)電壓的正負區(qū)別位移的方向？ 自感的線圈必須相同，但不繞在同一鐵心上，而差動變壓器必須要繞在同一鐵心上，線圈可以不同。4. 什么是電渦流效應？渦流的分布范圍。電渦流傳感器可以進行哪些非電量參數(shù)測量？ 一個塊狀金屬導體置于變化的磁場中或在磁場中切割磁力線運動時

11、，導體內部會產(chǎn)生閉合的電流，這種現(xiàn)象稱為渦流效應。范圍，徑向，線圈外徑金屬渦流密度最大；線圈中心為零。軸向，只在表面薄層。非接觸式測量，位移、振動、轉速、厚度、材料、溫度、電渦流探傷。5. 電渦流傳感器是由哪種電參量轉換實現(xiàn)電量輸出的？電渦流傳感器可以檢測金屬材料，也可以檢測非金屬材料嗎？電流、不可以檢測非金屬1為什么說磁電感應式傳感器是一種有源傳感器？常用的結構形式有哪些？ 工作時不需外加電源，導體和磁場發(fā)生相對運動是會在導體兩端輸出感應電動勢。恒磁通式、變磁通式。2磁電式傳感器是速度傳感器，它如何通過測量電路獲得相對應的位移和加速度信號？ 前置放大器分別接積分電路或微分電路，接入積分電路時

12、，感應電動勢輸出正比于位移信號；接入微分電路時，感應電動勢輸出正比于加速度信號。3 什么是霍爾效應？霍爾電勢的大小與方向和哪些因素有關？霍爾元件不等位電勢產(chǎn)生的原因有哪些？ 通電的導體放在磁場中，電流方向與磁場方向垂直，在導體另外兩側會產(chǎn)生感應電動勢，這種現(xiàn)象稱為 ，原因：霍爾引出電極安裝不對稱，不在同一等位面上；激勵電極接觸不良，半導體材料不均勻造成電阻率不均勻。4 霍爾元件的溫度補償方法有哪些？霍爾元件的常見應用。 外界溫度敏感元件進行補償：兩種連接方式，恒流源激勵，恒壓源激勵。測位移：極性相反磁極共同作用，形成梯度磁場；磁電編碼器：金屬齒輪計算脈沖數(shù)測轉速；測壓力壓差；交流直流鉗形數(shù)字電

13、流表。5 半導體磁敏元件有哪些？它們有哪些相同之處和不同之處？它們的電路符號怎樣?磁敏電阻：只能測大小不能測方向，磁敏二極管、磁敏三極管：既大小又方向1什么是壓電效應？壓電傳感器能否用于靜態(tài)測量？為什么？ 某些晶體，當沿著一定方向施加力時，內部產(chǎn)生極化現(xiàn)象，兩個表面會產(chǎn)生符號相 反地電荷，外力去掉后又恢復不帶電狀態(tài)。作用力方向改變電荷極性也改變。2壓電陶瓷極化過程是怎樣的？若施加一個與極化方向相同的拉力，壓電現(xiàn)象是怎樣的？給壓電陶瓷施加外加電場使電疇規(guī)則排列。3. 石英晶體和壓電陶瓷的壓電效應有何不同之處？比較幾種常用壓電材料的優(yōu)缺點，說出它們各自適用的場合。 壓電陶瓷的縱向壓電常數(shù)要比石英晶

14、體大得多。壓電晶體適用于傳感器不用維修的場合，穩(wěn)定性好，但靈敏度低；壓電陶瓷靈敏度高，穩(wěn)定性差，適用于環(huán)境穩(wěn)定，便于校準修正的場合。4壓電元件在使用時常采用多片串聯(lián)或并聯(lián)的結構形式。試述在不同接法下輸出電壓、電荷、電容的關系，它們分別適用于何種應用場合？ 并聯(lián)粘貼，引線電極輸出電容為單電容的兩倍，極板上電荷是單片的兩倍，輸出電壓與單片相等，適合測變化緩慢的信號，接電荷放大器。 串聯(lián)黏貼：C=C/2，Q=Q,U=2U，適合測量頻率較高變化快的信號，電壓放大。5. 壓電傳感器的等效電路怎樣？前置放大器起什么作用？電壓放大器和電荷放大器各有什么特點？作用，放大微弱信號，阻抗變換；電壓放大器是阻抗變換

15、器，輸入量是電壓；電荷放大器是有深度反饋的高增益放大器，輸入量是電荷。1什么是外光電效應？內光電效應？（光生伏特效應、光電導效應）。光電器件中的光照特性、光譜特性分別描述的是光電器件的什么性能？ 在光線作用下，物體內的點子溢出物體表面向外發(fā)射的現(xiàn)象稱為外光電效應。光線照在物體上使物體電導率發(fā)生變化或產(chǎn)生光生電動勢的現(xiàn)象叫內光電效應。入射光強改變物質電導率的現(xiàn)象稱為光電導效應；光照時物體能產(chǎn)生一定方向電動勢的現(xiàn)象叫光生伏特效應。照度與光電流光電壓的關系；波長與靈敏度的關系。2. 簡述光電倍增管的工作原理。說明它有何特點？ 高速電子撞擊固體表面，再發(fā)出二次電子，將光電信號在管內進行放大。靈敏度比普

16、通光電管高得多。3 試述光敏電阻、光敏二極管、光電池的工作原理，各基于哪種光電效應? 其電路符號怎樣? 光敏電阻的工作原理基于光電導效應，光照導電性增加，電阻下降電流增加，光照越強電流越大，無光照恢復。 光敏二極管基于光生伏特效應，工作時加反向電壓，無光照時處于截止狀態(tài)，光強與電流成正比。光敏三極管把二極管產(chǎn)生電流進一步放大。 光電池：光生伏特效應。4. 什么是光敏電阻的亮電阻和暗電阻？暗電阻電阻值通常在什么范圍？ 無光照時的電阻，0.4-500M歐，光照時電阻，0.5-200K歐。5. 說明光敏二極管與光電池的結構有什么不同？它們是如何工作的？ 光電池有一個大的PN結，上電極為柵裝受光電極，

17、下電極是一層鋁襯底，光照時電子空穴對迅速擴散，在PN結電場作用下產(chǎn)生電動勢。1PSD、CCD等英文縮寫是什么傳感器？各有什么用途？光電位置傳感器 圖像傳感器應用于激光光束對準、位移、振動測量、平面度檢測、坐標、平面度檢測、二維坐標檢測系統(tǒng)2. CCD器件主要由哪兩個部分組成？CCD器件可分為哪幾類？ MOS光敏元陣列； 讀出移位寄存器。 CD器件分為線陣CCD和面陣CCD； 結構上有多種不同形式，如單溝道CCD、雙溝道CCD、 幀轉移結構CCD、行間轉移結構CCD。3. 光纖的結構和傳光原理。光纖的性能和分類。光纖的光導材料基本采用石英玻璃，其中有不同摻雜a.光纖的傳播基于光的全反射原理。當光

18、線以不同角度入射到光纖端面時，在端面發(fā)生折射后進入光纖；b.光線在光纖端面入射角減小到某一角度c時，光線全部反射。光線全部被反射時的入射角c稱臨界角;c.因此只要滿足全反射條件即c，光在纖芯和包層界面上經(jīng)若干次全反射向前傳播，最后從另一端面射出。性能： 數(shù)值孔徑（NA） 光纖模式（V） 傳播損耗（A）4. 光纖傳感器由哪幾部分組成？光纖傳感器可分為哪兩大類？各有何特點？ 組成：光源、透鏡、入射光纖、調制器、出射光纖、光敏器件等。 光纖的類型較多致可分為功能型和非功能型兩大類。 功能性：對外界被測對象具有敏感能力和檢測功能，光纖不僅起到傳光作用，而且有傳感能力。 非功能性：只當作傳播光的媒介，待

19、測對象的調制功能是由其它光電轉換元件實現(xiàn)的；1溫度傳感器有哪些類型？了解不同溫度傳感器的工作原理和結構特征以及測溫范圍。 熱電偶：兩種不同類型金屬導體兩端分別接在儀器構成閉合回路，兩節(jié)點有溫差時，導體回路有電流流動，產(chǎn)生熱電勢。普通熱電偶、薄膜熱電偶、鎧裝熱電偶。最高鉑銠，1600.耐高溫，精度高。 熱電阻：電阻值隨溫度變化成呈函數(shù)關系，-200至+850，將金屬芯線繞制在云母板、玻璃或陶瓷上。中溫 熱敏電阻：半導體阻值與溫度呈函數(shù)關系，結構簡單，圓片、薄膜、管、平板、珠體積小，熱慣性小，可進行點溫測量，40-1000K。2 什么是熱電效應，產(chǎn)生熱電勢的必要條件是什么？熱電偶測溫回路的熱電動勢

20、由哪兩部分組成? 兩種不同類型金屬導體兩端分別接在儀器構成閉合回路，兩節(jié)點有溫差時，導體回路有電流流動，產(chǎn)生熱電勢。溫差。接觸電勢和溫差電勢。3 熱電偶的基本定律和分類。 中間導體定律，參考電極定律；貴金屬熱電偶，普通熱電偶。4. 常用熱電阻都有哪些？阻值規(guī)格如何？熱電阻在電橋中采用三線制接線法的目的是什么？ 鉑熱電阻，10歐和100歐，5試比較說明金屬熱電阻和半導體熱敏電阻的異同。 熱敏電阻一般是半導體材料，半導體材料的導電性能也就是電阻率受光、熱等因素的影響一般很劇烈的，專業(yè)點的說法就是，光和熱可以作為半導體的激發(fā)源，半導體受光，或者熱的作用，其載流子的濃度也能會增加好幾個數(shù)量級，導電性能

21、或者阻抗發(fā)生很大變化。反過來可以用這些效應來確定光或者溫度的參數(shù)。金屬當熱電阻的意思是，金屬的電阻會隨溫度的增加而變大，主要是溫度使得金屬原子的振動增加，對電子的散射作用增加。2 有一溫度傳感器，微分方程為30dy/dt+3y=0.15x，其中y為輸出電壓（mV) , x為輸入溫度（）。試求該傳感器的時間常數(shù)和靜態(tài)靈敏度。對微分方程兩邊進行拉氏變換，Y(s)(30s+3)=0.15X(s) 則該傳感器系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為： 該傳感器的時間常數(shù)=10，靈敏度k=0.053. 一應變片的電阻R=120，靈敏系數(shù)k=2.05，用作應變?yōu)榈膫鞲性?。求：和?若電源電壓U=3V，初始平衡時電橋的輸出電壓U

22、0。解： 集成溫度傳感器的原理及分類輸出信號的模式,可大致劃分為三大類：數(shù)字式溫度傳感器、邏輯輸出溫度傳感器、模擬式溫度傳感器。4.有一吊車的拉力傳感器如圖所示，其中電阻應變片 R1、R2、R3、R4 貼在等截面軸上。已知 R1、R2、R3、R4標稱阻值均為120，橋路電壓為2V，物重M引起R1、R2變化增量為1.2。畫出應變片組成的電橋電路，標出各應變片；計算電橋輸出電壓和電橋的輸出靈敏度； 說明R3、R4起到什么作用？應變片組成半橋電路，如下圖所示； 計算出測得的輸出電壓和電橋輸出靈敏度。 說明R3、R4起到什么作用？ R3、R4可以進行溫度補償。 壓差傳感器結構如圖4-30a所示，傳感器

23、接入二極管雙T型電路，電路原理示意圖如圖4-30b所示。已知電源電壓UE =10V，頻率f = 1MHz，R1=R2=40k，壓差電容C1=C2=10pF，RL=20k。試分析，當壓力傳感器有壓差PHPL使電容變化C=1pF時，一個周期內負載電阻上產(chǎn)生的輸出電壓URL平均值的大小與方向。 解：當時，；由于，電壓UE的負半周占優(yōu)勢，故的方向下正上負。 一壓電加速度計，供它專用電纜的長度為，電纜電容為，壓電片本身電容為。出廠標定電壓靈敏度為，若使用中改用另一根長電纜，其電容量為，問其電壓靈敏度如何改變？解： 可見電纜加長后電壓靈敏度下降。 光電傳感器控制電路如圖8-53所示，試分析電路工作原理： GPIS01是什么器件，內部由哪兩種器件組成？ 當用物體遮擋光路時，發(fā)光二極管LED有什么變化？ R1是什么電阻，在電路中起到什么作用？如果VD二極管的最大額定電流為60mA， R1應該如何選擇？ 如果GPIS01中的VD二極管反向連接，電路狀態(tài)如何？晶體管VT 、LED如何變化？1）GPIS01是光電開關器件，內部由發(fā)光二極管和光敏晶體管組成；2）當用物體遮擋光路時，Vg無光電流VT截止，發(fā)光二極管LED不發(fā)光；3）R1是限流電阻，