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1、 .传感器原理复习题及参考答案 1.什么是传感器？按照国标定义，“传感器”应该如何说明含义？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。我们对传感器定义是：一种能把特定的信息（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。从狭义角度对传感器定义是：能把外界非电信息转换成电信号输出的器件。我国标准（GB7665 87）对传感器（Sensor/transducer）的定义是：“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和装置”。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；能按一定规律将被测量转换成电信号输出；传感器
2、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。2.传感器应满足的必要条件？（1）输出信号与被测量之间具有唯一确定的因果关系；（2）输出信号信号处理系统匹配；（3）具有尽可能宽的动态围、良好的响应特性、足够高的分辨率和信号噪声比；（4）对被测量的干扰尽可能小，尽可能不消耗被测系统的能量，不改变被测系统原有的状态；（5）性能稳定可靠，抗干扰能力强；（6）适应性强，具有一定的过载能力；（7）便于加工制造，具有互换性；（8）输成本低，寿命长，使用维护方便。3.画出传感器组成框图，叙述各部分作用。被测量 输出 敏感元件 转换元件 信号调理电路 辅助电源 （1）敏感
3、元件:直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的某一物理量的元件，如位移、应变、光强等。（2）转换元件：把输入转换成适于传输或测量的可用信号，如电阻、电压、电荷等。（3）信号调理电路：对可以信号进行转换、放大、运算、调制、滤波等。4.传感器按工作机理分类有哪些类型？（1）物理型：利用敏感元件的物理结构或功能材料的物理特性及效应制成的传感器。（2）化学型：利用电化学反应原理，将各种化学物质（如电解质、化合物、分子、离子）的状态、成分、浓度等转化成可用信号的传感器。（3）生物型：利用生物反应（酶反应、微生物反应、免疫学反应等）原理，将生物体的葡萄糖、DNA 等转换成可用信号的传感器。5.传感器的发
4、展趋势？Word 资料 .（1）开发新材料 （2）新工艺的采用 （3）集成化、多功能化 （4）智能化 6.传感器的静态特性是什么？由哪些性能指标描述？静态特性是当输入量为常数或变化极慢时，传感器的输入输出特性。描述输入输出特性的通用静 态数学模型为：y a0 a1 x a2 x2 a3 x3 an xn ，通过标定得到实测数据，进而可求得数 学模型中的系数。主要性能指标有线性度、灵敏度、迟滞、重复性、精度、分辨力、测量围、稳定性、温度稳定性、抗干扰能力。人们根据传感器的静特性来选择合适的传感器。7.叙述传感器的静态标定过程。（1）将传感器、标定设备及测量仪器连接好。（2）把传感器超载 20%的
5、全量程分成若干等份，保持一定时间均匀地进行逐级加载和卸载，记录输入、输出数据；（3）将标定数据列表或绘出标定曲线，以便确定传感器的静态特性。8.确定拟合直线有哪些方法？（1）端点直线法 （2）过零旋转法 （3）端点平移法 （4）平均法 （5）最小二乘法 （6）分段拟合法 9.描述传感器的精度指标？传感器测量精度反映传感器测量值与真值的接近程度。与之有关的指标有三个：精密度、准确度和精确度。（1）精密度：反映测量结果中随机误差的影响程度。表示多次重复测量中，测量结果分散性的程度。多次测量结果求平均可减小随机误差。（2）准确度：反映测量结果中系统误差的影响程度。即多次测量结果平均值与真值接近的程度
6、。定期标定可减小系统误差。（3）精确度：反映测量结果中随机误差和系统误差的综合的影响程度。精密度高准确度不一定高，准确度高而精密度也不一定高，精确度高表示精密度和准确度都很高。10.传感器动态特性的数学描述方法有哪些？（1）微分方程（线性常系数微分方程）（2）传递函数（3）频率特性 11.传感器的动态特性参数有哪些？它们的意义是什么？（1）传感器动态特性参数主要有：时间常数；固有频率 n；阻尼系数 。（2）含义：越小系统需要达到稳定的时间越少；固有频率 n 越高响应曲线上升越快；当 n 为 Word 资料 .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，1时无过冲，不存在振荡，阻
7、尼比直接影响过冲量和振荡次数。12叙述传感器动态特性参数标定方法？（1）频率响应法测动态指标 在传感器输入端加不同频率的正弦信号，并测量对应传感器的输出信号，即可得到传感器的幅频特性。再根据传感器动态特性指标与幅频特性的关系，确定动态特性指标。（2）阶跃响应法测动态指标 在传感器输入端加阶跃信号，并测量对应传感器的输出信号，即可得到传感器的阶跃响应。再根据传感器动态特性指标与阶跃响应的关系，确定动态特性指标。13传感器不失真的条件是什么？传感器不失真时有：H(j)Y(j)ke j t 0 y(t)kx(t t0)Y(j )kej t0 X(j)X(j )幅频条件：A()k 常数 相频条件：()
8、t0 14.已知两个二阶传感器的固有频率分别为 800Hz 和 1200Hz，阻尼系数为 0.4，在测量频 率为 400Hz 的正弦信号时，应选择哪个传感器？为什么？A1(400)1 1 1 1 0.176 2 2（2 2 1 2 2（0.8 2 1 ）0.5 0.5）1(400)arctan 2 2 arctan 0.4 arctan0.5333 1 0.75 A2(400)1 1 1 1 0.0777 2 2（2 2 1 2 2 2 1 ）0.33 （0.8 0.33）1(400)arctan 2 2 arctan 0.8 3 2 arctan0.3 1 1 0.333 应选择固有频率为
9、1200Hz 的传感器，其幅值误差与相位误差都比较小。15.何为电阻应变效应？如何利用金属电阻丝实现力的测量？当外力作用时，导体的电阻率、长度 l、截面积 S 都会发生变化，从而引起电阻值 R 的变化，这种因变形而使其电阻值发生变化的现象称为电阻应变效应。用金属电阻丝制作应变片，然后将应变片粘贴到弹性体（其所受压力与应变成正比）上，保证应变片与弹性体变形相同。当外力作用于弹性体上时，弹性体发生变形，应变片也因同步变形而发生电阻变化，所以通过测量应变片的电阻值变化，就可检测出外界作用力的大小。16.什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？金属丝灵敏系数为金属丝的电阻相对
10、变化量与应变的比值，近似为(1 2 )。而实际应变片的灵 敏系数应包括基片、粘合剂以及敏感栅的横向效应。虽然长度相同，但应变状态不同，金属丝做成成品的应变片（粘贴到试件上）以后，灵敏系数降低了。17.金属应变片与半导体应变片在工作原理上有何不同？二者的灵敏系数围各是多少？金属导体应变片的电阻变化是利用金属机械形变产生的电阻应变效应，而半导体应变片主要是利 Word 资料 .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 k0 1 2 ，即 k0 1.5 2；半导体 应变片灵敏系数近似为 k0/E 50 100。18.在以钢为材料的实心圆柱形试件上，沿轴线和圆周方向各贴一片电阻为 120
11、 的金属 应变片 R1 和 R2（如图 1-a 所示），把这两应变片接入电桥（见图 1-b）。若钢的泊松系数 0.285，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 R1 0.48。试求：轴向应变；电桥的输出电压。图 1 R1/R1（1）k 则轴向应变为：R1/R 0.48/120 k 2 0.002 （2）电桥的输出电压为：1)1 U 0Uk (1 2 2 0.002 1.285 5.14 mV 2 2 19.电容式传感器的结构类型？（1）变极距型 （2）变面积型 （3）变介电常数型。20.某电容式液位传感器由直径为 40mm 和 8
12、mm 的两个同心圆柱体组成。储存罐也是圆 柱形，直径为 50cm，高为 1.2m。被储存液体的 r 2.1。计算传感器的最小电容和最大 电容以及当用在储存灌传感器的灵敏度 (pF/L)Cmin 2 0 H 2(8.85 pF/m)1.2m 41.46 pF ln R r ln 5 Cmax 2 0 r H 41.46 pF 1.2 87.07 pF ln R r V d 2 (0.5 m)2 1.2 m 235 .6 L 4 H 4 21.电容式传感器的设计要点有哪些？Word 资料 .（1）消除和减小温度、湿度的影响 （2）消除和减小边缘效应 （3）消除和减小寄生电容的影响 （4）防止和减小
13、外界干扰 22.论述“驱动电缆”(双层屏蔽等位传输)技术 1：1 芯线 内 屏 蔽 测量 传 电路 感 外 屏 蔽 器 “驱动电缆”技术原理图 当电容式传感器的电容值很小，测量电路只能与传感器分开时，可采用“驱动电缆”技术。传感器与 测量电路前置级间的引线为双屏蔽层电缆，其屏蔽层与信号传输线 (即电缆芯线)通过 1:1 放大器成为等电位，从而消除了芯线与屏蔽层之间的电容。由于屏蔽线上有随传感器输出信号变化而变化的电压，因此称为“驱动电缆”。采用这种技术可使电缆线长达 10m 之远也不影响仪器的性能。23.何谓电感式传感器？电感式传感器分为哪几类？各有何特点？电感式传感器是利用线圈自感和互感的变
14、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。电感式传感器种类：自感式、互感式、涡流式、压磁式、感应同步器。工作原理：自感、互感、涡流、压磁。24.说明产生差动电感式传感器零位残余电压的原因。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 U 0，将铁芯 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、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。25.说明电涡流式传感器的基本结构与工作原理。形成涡流必须具备两个条件：第一存在交
15、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，导体部就会 Word 资料 .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。26.什么是压电效应？什么是正压电效应和逆压电效应？某些电介质在沿一定的方向受到外力的作用变形时，由于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
16、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 27.压电传感器能否用于静态测量？由压电传感器的等效电路可见，要保证输出信号与输入作用力间的线性关系，只有在负载电阻较大，工作频率较高时，传感器电荷才能得以保存补充，需要测量电路具有无限大的输入阻抗。但实际上这是不可能的，故压电传感器只能作动态测量，不宜作静态信号测量，只能在其上加交变力，电荷才能不断得到补充，并给测量电路一定的电流。28.试述磁电感应式传感器的工作原理和结构类型。以天然场或人工场为磁场源，被测量令磁场变化，根据法拉第电磁感应原理，测磁装置感应出电 动势，测量电动势变化就可
17、推算被测量变化。（1）恒磁通式 （2）变磁通式 29.什么是霍尔效应？产生的原因？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电动势，这种现象称霍尔效应。运动的电子受磁场力的作用发生偏转而产生的。30.什么是磁阻效应？产生的原因？若给通有电流的金属或半导体材料的薄片加以与电流垂直或平行的外磁场，则其电阻值就增加。称为磁阻效应。图 a）载流子只在电极附近偏转，电阻增加很小。在 LW 长方形磁阻材料上面制作许多平行等间距的 金属条（即短路栅格），以短路霍尔电势，这种栅格磁阻器件,如图 b）所示，就相当于许多扁条状磁阻 串联。所以栅格磁阻器件既增加了零磁场电阻值、又提高了磁阻
18、器件的灵敏度。Word 资料 .I I B B L W a)b)几何磁阻效应 31.磁敏二极管的特点？磁敏二极管是继霍尔元件和磁敏电阻之后迅速发展起来的新型磁电转换元件。它们具有磁灵敏度 高（磁灵敏度比霍耳元件高数百甚至数千倍）；能识别磁场的极性；体积小、电路简单等特点 32.什么是热电效应？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？（1）两种不同类型的金属导体两端分别接在一起构成闭合回路，当两个结点有温差时，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
19、相同时，无论两端点温度如何变化无热电势产生。33.试比较热电偶、热电阻、热敏电阻三种热电式传感器的特点。（1）热电偶可以测量上千度高温，并且精度高、性能好，这是其它温度传感器无法替代。（2）热电阻结构很简单，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 用于测量-200+850 温度围，少数可以测量 1000 。（3）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。33.某热电偶灵敏度为 0.04mV/，把它放在温度为 1200 处的温度场，若指示表（冷端）处温度为 50，试求热电
20、势的大小？中间温度为：1200-50=1150 ；热电势为：0.04 mV/1150 =46 mV 或：EAB（T,0）=EAB（T,1200）+EAB（50,0）=1200 0.04mV/-50 0.04mV/=46 mV 34.DS18B20 智能型温度传感器与集成温度传感器 AD590 的工作原理和输出信号有什么不同？如何用 DS18B20 实现多点测温的？Word 资料 .（1）DS18B20 智能型温度传感器是将温度系数通过振荡器转换为频率信号，相当于 T/f（温度/频率）转换器，将被测温度 T 转换成频率信号 f，输出为数字信号；AD590 是利用 P-N 结 电压随温度的变化进行
21、测温，输出为模拟信号。（2）DS18B20 支持多点组网功能，多个 DS18B20 可并联在唯一的总线上实现多点测温；使用 中不需要任何外围器件，测量结果以 9 位数字量方式串行传送。35.什么是光电效应？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。（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。（2）当光线照在物体上 ,使物体的电导率发生变化，或产生光生电动势的现象叫做光电效应，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
22、象称光电导 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。（3）在光线作用下，物体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。36.光电传感器控制电路如图 2 所示，试分析电路工作原理：GPIS01 是什么器件，部由哪两种器件组成？当用物体遮挡光路时，发光二极管 LED 有什么变化？R1 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？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？图 2 （1
23、）GP IS01 是光电开关器件，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=18.8。（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。37.CCD 电荷耦合器主要由哪两个部分组成？试描述 CCD 输出信号的特点。（1）CCD 基本结构由 MOS 光敏元阵列和读出移位寄存器两部分组成。
24、（2）CCD 电极传输电荷方向 （向右或向左）是通过改变三相时钟脉冲的时序来控制的，输出的 幅值与对应的光敏元件上电荷量成正比。信号电荷的输出的方式主要有电流输出和电压输 出两种，电流输出型是输出电流与电荷成正比，在输出电路负载上形成输出电流。38.光纤传感器有哪两大类型？它们之间有何区别？Word 资料 .光纤传感器大致可分为功能型和非功能型两大类，它们的基本组成相似，有光源、入射光纤、调制器、出射光纤、光敏器件。功能型又称传感型，这类传感器利用光纤本身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，而且在被测对象作用下使光强、相位、偏振态等光学特性得到调制，调制后的信号携带了被
25、测信息。如果外界作用时光纤传播的光信号发生变化，使光的路程改变，相位改变，将这种信号接收处理后，可以得到与被测信号相关的变化电信号。非功能型又称传光型，这时光纤只作传播光媒介，待测对象的调制功能是由其它转换元件实现的，光纤的状态是不连续的，光纤只起传光作用。39.光纤可以通过哪些光的调制技术进行非电量的检测，说明原理。光强度调制：利用外界物理量改变光纤中的光强度，通过测量光强的变化测量被测信息。根据光纤传感器探头结构形式可分为透射、反射、折射等方式调制。相位调制：一般压力、力、温度可以改变光纤的几何尺寸（长度），同时由于光弹效应光纤折射率也会由于应变而改变，这些物理量可以使光纤输出端产生相位变
26、化，借助干涉仪可将相位变化转换为 光强的变化。干涉系统的种类很多，可根据具体情况采用不同的干涉系统。频率调制：当光敏器件与光源之间有相对运动时，光敏器件接收到的光频率 fs 与光源频率 f 不同，这种现象称为光的“多普勒效应”。频率调制方法可以测量运动物体（流体）的速度、流量等。40.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（探头）有哪几种形式？（3）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超声波；超声波接收器利用正压 电效应制成接收元件，将超声波机械振动转换为电信号。（4）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）和接收（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（TX）和接收（RX）器件各自独立。按结构形式有密封性和开放型，超声波传感器上一般标有中心频率（23kHz、40kHz、75kHz、200kHz、400kHz），表示传感器工作频率。Word 资料