傳感器原理及應用期末復習

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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換原件和基本電路組成。敏感元件感受被測量，轉(zhuǎn)換原件將其響應的被測量轉(zhuǎn)換成電參量，基本電路把電參量接入電路轉(zhuǎn)換成電量。傳感器的核心部分是轉(zhuǎn)換原件，轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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反映輸S靈敏度傳感器輸出曲線的斜率就是其靈敏度。入變量能引起的輸出變化量①純線性傳感器靈敏度為常數(shù)，與輸入量大小無關；②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——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(nèi)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(zhì)型電容傳感器：普遍用于液面高度測量、介質(zhì)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(diào)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(diào)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(diào)、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能任意變化？高頻傳輸線的等效電感電阻可忽略，較大，XC低頻時容抗時容抗減小，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壓ΔUo，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(zhuǎn)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，導體內(nèi)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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，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(cè)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(zhuǎn)速；測壓力壓差；交流直流鉗形數(shù)字電流表。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(nèi)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(nèi)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(nèi)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(nèi)光電效應。入射光強改變物質(zhì)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(nèi)進行放大。靈敏度比普通光電管高得多。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，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。1．PSD、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(zhuǎn)移結構CCD、行間轉(zhuǎn)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θ減小到某一角度θc時，光線全部反射。光線全部被反射時的入射角θc稱臨界角;c.因此只要滿足全反射條件即θ＜θc，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：①數(shù)值孔徑（NA）②光纖模式（V）③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(diào)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，待測對象的調(diào)制功能是由其它光電轉(zhuǎn)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。ytyxy為輸出+3其中=0.15，微分方程為2．有一溫度傳感器，30d/dx為輸入溫度（℃）。試求該傳感器的時間常數(shù)和靜mV)電壓（,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k=0.05τ=10，靈敏度數(shù)R=120Ω，3.一應變片的電阻k，用作應變靈敏系數(shù)=2.05的傳感元件。為?mm800/；②若電求：①和RR/?R?VU初始平衡時電橋=3源電壓，U。的輸出電壓0解：集成溫度傳感器的原理及分類可大致劃分為三大類：數(shù)字式溫度傳感器、邏輯輸輸出信號的模式,出溫度傳感器、模擬式溫度傳感器。、R3R1、R2、4.有一吊車的拉力傳感器如圖所示，其中電阻應變片Ω，R4標稱阻值均為120、R4貼在等截面軸上。已知R1、R2、R31.2Ω。引起R1、R2變化增量為M橋路電壓為2V，物重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；、R3R4起到什么作用？③說明應變片組成半橋電路，如下圖所示；②計算出測得的輸出電壓和電橋輸出靈敏度。起到什么作用？、③說明R3R4可以進行溫度補償。R4、R3．型電路，所示，傳感器接入二極管雙T壓差傳感器結構如圖4-30af=U=10V，頻率所示。已知電源電壓電路原理示意圖如圖4-30bE=20kΩR=R1MHz，R=40kΩC=C=10pF。試分析，當壓，壓差電容，L1221ΔC=1pFP＞P時，一個周期內(nèi)負載電使電容變化力傳感器有壓差LHU平均值的大小與方向。阻上產(chǎn)生的輸出電壓RL解：當時，；C??C?2C?PP?CC?12LH21由于，電壓UE的負半周占優(yōu)勢，故的方向下正上負。UC?CRL21一壓電加速度計，供它專用電纜的長度為，電纜電容為，pF100m1.2壓電片本身電容為。出廠標定電壓靈敏度為，若使用gV1000pF/100中改用另一根長電纜，其電容量為，問其電壓靈敏度如pF300m2.9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：①GP—IS01是什么器件，內(nèi)部由哪兩種器件組成？②當用物體遮擋光路時，發(fā)光二極管LED有什么變化？R是什么電阻，在電路中起到什么③1V二極管的最大額定作用？如果DmAR電流為60，應該如何選擇？1．V二極管反向連接，電路狀態(tài)如何？晶體管中的—IS01④如果GPDVT、LED如何變化？1）GP—IS01是光電開關器件，內(nèi)部由發(fā)光二極管和光敏晶體管組成；VgVT截止，發(fā)光二極管無光電流2）當用物體遮擋光路時，LE