传感器与测试技术专科期末复习题考试资料知识点复习考点归纳总结

1、什么是测试、信息、信号、传感器？答：测试是具有试验性质的测量。测试是人类认识自然、掌握自然规律的实践途径之一，是科学研究中获得感性材料、接受自然信息的途径，是形成、发展和检验自然科学理论的实践基础。电大考试电大小抄电大复习资料信息一般理解为消息、情报或知识。信号是信息的载体。信息总是通过某种物理量的形式表现出来，这些物理量就是信号。传感器是一种以一定的精确度把被测量转换为与之有确定对应关系的、便于应用的另一种量的测量装置。2、简述测试工作的任务。答：测试工作是为了获取有关研究对象的状态、运动和特征等方面的信息。测试工作总是根据一定的目的和要求，获取有限的、观察着感兴趣的某些特定的信息。测试工作总是要用最简捷的方法获得和研究任务相联系的、最有用的、表征特征的有关信息，而不是企图获得该事物的全部信息。3、画出测试系统（不含信号处理功能）的组成框图，并说明各组成部分的作用。被测量观测显示、记录信号变换传感器答：4、传感器是由哪几部分组成的？答：传感器一般由敏感元件、转换元件、转换电路三部分组成。5、按传感器的工作机理、能量转化方式、输入量及物理原理四种方法，传感器分别是如何分类的？答：按照传感器的工作机理，可分为结构型与物性型两大类。按照传感器的能量转化情况，可分为能量控制型传感器和能量转换型传感器。按照物理原理分类，可分为：电路参量式传感器、压电式传感器、磁电式传感器、光电式传感器、波式传感器、热点式传感器、射线式传感器、半导体式传感器、其他原理的传感器等。按照传感器的输入量分类：几何量、力学、温度、湿度、实践、电量、磁性、光学、声学、射线、化学、生理。6、为满足测试要求，对传感器的一般要求有哪些？答：1）灵敏度高、线性度好；2）输出信号信噪比高，这要求其内噪声低，同时不应引入外噪声；3）滞后、漂移小；4）特性的复现性好，具有互换性；5）动态性能好；6）对测量对象的影响小，即“负载效应”较低。作业题：1.测试技术包含测量和试验两方面，凡需要考查食物的状态变化和特征等并对他进行定量的描述时，都离不开测试工作。2.测试工作是为了获取研究对象的状态、运动和特征等方面的信息。从物理学观点出发，他的物质所固有的，是其客观存在或运动状态的特征。传输他的载体称为信号。3.信号中虽然携带信息，但是信号中既含有我们所需的信息，也常常含有大量我们不感兴趣的其他信息，后者统称为干扰。相应地对信号也有有用信号和干扰信号的提法，但这是相对的。4.传感器是测试系统的第一环节，将被测试系统或测试过程中需要观测的信息转化为人们所熟悉的各种信号。5.信号变换的具体内容很多，如用电桥将电路性参数（如电阻电容电感）转换为可供传输 处理显示和几率的电压或电流信号；利用滤波电路抑制噪声和选出有用信号；对在传感器及后续环节中出现的一些误差作必要的补偿和校正信号送入计算机以前需经模-数转换及在计算机处理后续处理时需经数-模转换等。6.根据传感器的工作机理，传感器可分为机构性和物性型两大类。结构型传感器依靠传感器的结构参数变化而实现信号变换。物性型传感器在实现变化过程中传感器的结构参数基本不变，而仅依靠传感器中元件内部物理、化学性质变化实现传感功能。7.电路参量式传感器包括电阻式、电感式、电容式三种基本形式。8.传感器可按其输入量进行分类，例如用来测力的称力传感器，测量位移的称位移传感器。这种分类方法便于使用者选用传感器。1解释下列名词1） 测量范围：由被测量或供给量的两个值限定的范围。在该范围内规定了测量仪器仪表的不确定度限。一个仪器仪表可以有几个测量范围量程。2）量程：检测上限和检测下限的代数差为量程。3）线性度：实际曲线与其两个端点连线（称理论直线）之间的偏差称为传感器的非线性误差。取其中最大值与输出满度值之比作为评价线性度（或非线性误差）的指标4）迟滞：传感器在正（输入量增大）或（输入量减小）形成中输出输入曲线不重合成为迟滞。5、重复性：重复性是用本方法在正常和正确操作情况下，由同一操作人员，在同一实验室内，使用同一仪器，并在短期内，对相同试样所作多个单次测试结果，在95概率水平两个独立测试结果的最大差值。6、灵敏度：灵敏度指示器的相对于被测量变化的位移率，灵敏度是衡量物理仪器的一个标志，特别是电学仪器注重仪器灵敏度的提高。通过灵敏度的研究可加深对仪表的构造和原理的理解7、灵敏度误差：天平灵敏度示值与约定真值之差8、分辨力：分辨力是指传感器在规定测量范围内所能检测出被测输入量的最小变化值。9 阈值：阈值是指能使传感器输出端产生可测变化量的最小被测输入量值，即零点附近的分辨能力。10漂移：漂移是指在一定时间间隔内，传感器的输出存在着与被测输入量无关的、不需要的变化。11稳定性：稳定性又称长期稳定性，即传感器在相当长时间内保持其原性能的能力。2什么是传感器的静特性、动特性？传感器的静特性是指传感器在输入量的各个值处于稳定状态时的输出与输入关系。动态特性是指传感器对随时间变化的输入量的响应特性。3不失真检测的条件是什么？传感器无失真检测条件是：幅频特性应当是常数（即水平直线）（如同a）；相频特性应该是线性关系（如图b）4传递函数、频率响应函数、脉冲响应函数是如何定义的？传递函数：零初始条件下线性系统响应(即输出)量的拉普拉斯变换(或z变换)与激励(即输入)量的拉普拉斯变换之比。频率响应函数：(1)简谐激励时，稳态输出相量与输入相量之比。(2)瞬态激励时，输出的傅里叶变换与输入的傅里叶变换之比。 (3)平稳随机激励时，输出和输入的互谱与输入的自谱之比。脉冲响应函数：在信号与系统学科中，冲激响应(或叫脉冲响应)一般是指系统在输入为单位冲激函数时的输出(响应)。对于连续时间系统来说，冲激响应一般用函数h(t)来表示。5传感器动态特性的评价指标有哪些？当测量随时间变化的参数时，压力、震动、温度、都会影响6测定频率响应函数的方法有哪几种？ 正弦信号激励、脉冲信号激励、阶跃信号激励。7什么是传感器的标定、动态标定及静态标定传感器的标定:是指在明确传感器的输出与输入关系的前提下，利用某种标准器具对传感器进行标度。传感器的动态标定主要是研究传感器的动态响应，而与动态响应有关的参数，对一价传感器只有一个时间常数；对二价传感器则有固有频率 n和阻尼比两个参数。静态标定是指在静态标准条件下，对传感器的静态特性、静态灵敏度、非线性、滞后、重复性、等指标的确定。8.简述提高传感器性能的各种方法。 应根据实际的需要和可能，在确保主要指标实现的基础上，放宽对次要指标的要求，以求高的性能价格比。在设计、制造传感器时合理选择其结构、材料和参数是保证具有良好性能价格比的先提。9.简述传感器静态标注的过程。1）将传感器全量程（测量范围）分成若干等间隔点；2）根据传感器量程分点情况，由大到小逐点输入标准量值，并记录下与各输入直相对应的输出值；3）将输入值再由大到小逐点减小下来，同时记录相应的各输出值；4）按2），3）所述过程，对传感器进行正、反行程反复循环多次测试，将得到的输出-输入测试数据用表格列出或画成曲线；5）对测试数据进行必要的处理，根据处理结果，可以确定传感器的线性度、灵敏度、滞后和重复性等静态特性指标。作业题 1传感器所能测量的最大被测量（即输入量的数值）称为测量上限，最小的被测量称为测量下限，用这两个数值表示的测量区间，称为测量范围。 2.静态误差是指传感器在全量程内任一点的输出值与理论输出值的偏离程度。3.绝对误差是指测量结果与被测参量真值之间所存在的差值的绝对值。 4.相对误差是指测量的绝对误差与被测量真值的比值，通常以百分数表示。5.引用误差是指测量的绝对误差与仪表的满量程之比，这一指标通常用来表征仪器本身的精度，而不是测量的精度。 6.传感器的动态数学模型是指传感器在受到随时间变化的输入量作用时，输出-输入之间的关系，通常为相应特性。7. 静态标定是指在静态标准条件下，对传感器的静态特性、静态灵敏度、非线性、滞后、重复性、等指标的确定。 8. 传感器的标定是指在明确传感器的输出与输入关系的前提下，利用某种标准器具对传感器进行标度。对新研制或生产的传感器进行全面的技术检定，称为标定；将传感器在使用中或储存后进行的性能复测，称为校准。9.标定的基本方法是利用标准仪器产生已知的非电量（如校准、压力、位移等），作为输入量，输入到待标定的传感器中，然后将传感器的输出量与输入的标准量作比较，获得一系列校准数据或曲线。10. 传感器的动态标定主要是研究传感器的动态响应，而与动态响应有关的参数，对一价传感器只有一个时间常数；对二价传感器则有固有频率 n和阻尼比两个参数。11.传感器常用的非线性校正（或称非线性补偿）方法有一下两种：开环式非线性补偿法和非线性反馈补偿法。12.使传感器的技术指标及其性能不受温度影响，而采取的一系列具体的技术措施，称为温度补偿技术。13.温度误差灵敏度是指传感器输出变化量与引起该输出量变化的温度变化量之比。14.常用的平均技术有误差平均效应和数据平均处理。思考题：1简述电容式传感器的工作原理。答：电容式传感器是将被测量的变化转换成电容量变化的一种传感器。实际上，它本身就是一个可变电容器。当被测量的变化使电容器中的极板间的距离，极板的遮盖面积s或极板间介质的介电常数任一参数发生变化时，电容量c也就随之变化，这就是电容式传感器的工作原理。 2、电容式传感器的测量电路有哪些？答：电容式传感器的测量电路有：（1）电桥电路（2）运算放大器式电路（3）调频电路（4）脉冲调宽电路 3、简述电容式传感器的误差分析与补偿方法。答：（1）减小环境温度，湿度等变化所产生的误差，保证绝缘材料的绝缘性能。（2）消除和减小边缘效应。（3）消除和减小寄生电容的影响。（4）防止和减小外界干扰。 4、简述电容式传感器的主要性能。答：电容式传感器的主要性能有静态灵敏度，非线性和动态特性。 5、简述电容式传感器的应用答：（1）电容式差压传感器；（2）电容式加速度传感器；（3）电容式液位传感器；（4）电容式荷重传感器；（5）电容式位移传感器。6 、简述电容式传感器的优缺点。答：电容式传感器的优点是温度 稳定性好，结构简单，适应性强，动态响应好，可实现非接触测量等。电容式传感器的缺点是输出阻抗高，负载能力。 7、简述容栅式传感器的工作原理。答：近年来，在变面积型电容传感器的基础上发展成一种新型传感器，称为容栅传感器，它分为长容栅和圆容栅两种。在固定容栅和可动容栅的a和b面分别印制（或刻画）一系列均匀分布并互相绝缘的金属（如铜箔）栅极。将固定容栅和可动容栅的栅极面相对放置，中间留有间隙，形成一对对电容，这些电容并联连接。当固定容栅、可动容栅相对位置移动时，每对电容面积发生变化，因而电容值c也随之变化，由此就可以测出线位移或角位移。作业题：1 在应用中电容式传感器有三种基本类型，即变极距型或称变间隙()型、变面积(s)型和变介电常数()型。而它们的电极形状又有平板形、圆柱形和球平面形三种。 2容栅传感器是在变面积型电容传感器的基础上发展的一种新型传感器，它分为长容栅和圆容栅两种。3 电容式传感器是将被测量的变化转换成电容量变化的一种传感器。4、变极距式电容传感器的电容变化量c与极距的变化量之间不是线性关系。但当（即量程远小于极板间初始距离）时，可以认为c与之间是线性的。这种类型的传感器一般用来测量微小变化的量。5、变介电常数型电容传感器大多用来测量电介质的厚度、位移、液位，还可根据极间介质的介电常数随温度、湿度改变而改变来测量温度、湿度等。为了改善变极距式电容传感器的非线性，可以采用差动形式，并使输出为 6、两电容之差。这种形式不仅可以改善非线性，灵敏度也提高了一倍。7、变面积型和变介电常数型（测厚除外）电容传感器具有很好的线性，但它们的结论都是在忽略了边缘效应下得到的。8、电容式传感器具有以下优点： 温度稳定性好；结构简单，适应性强； 动态响应好；可以实现非接触测量，具有平均效应。9、电容式传感器的主要缺点是： 输出阻抗高，负载能力差； 寄生电容影响大； 输出特性非线性。10、边缘效应不仅使电容传感器的灵敏度降低，而且产生 非线性 ，因此应尽量消除和减小边缘效应。思考题：1、说明变气隙型电感传感器、差动变压器式传感器和涡流传感器的主要组成、工作原理和基本特性。答：变气隙型电感传感器主要由线圈、铁心、衔铁三部分组成的。线圈是套在铁心上的，在铁心与衔铁之间有一个空气隙，空气隙厚度为。传感器的运动部分与衔铁相连。当外部作用力作用在传感器的运动部分时，衔铁将产生位移，使空气隙发生变化，磁路磁阻rm发生变化，从而引起线圈电感的变化。线圈电感l的变化与空气隙的变化相对应，这样只要测出线圈的电感就能判定空气隙的大小，也就是衔铁的位移。差动变压器式传感器主要由铁心、衔铁和线圈组成。线圈又分为初级线圈（也称激励线圈）和次级线圈（也称输出线圈）。上下两个铁心及初级、次级线圈是对称的。衔铁位于两个铁心中间。上下两个初级线圈串联后接交流激磁电压u1，两个次级线圈按电势反相串联。它的优点是灵敏度高，一般用于测量几微米至几百微米的机械位移。缺点是示值范围小，非线性严重。涡流传感器的结构很简单，有一个扁平线圈固定在框架上构成。线圈用高强度漆包线或银线绕制而成，用粘合剂站在框架端部，也可以在框架上开一条槽，将导线绕在槽内形成一个线圈。涡流传感器的工作原理是涡流效应，当一块金属导体放置在一变化的磁场中，导体内就会产生感应电流，这种电流像水中漩涡那样在导体内转圈，所以称之为电涡流或涡流。这种现象就称为涡流效应。涡流传感器最大的特点是可以实现非接触式测量，可以测量振动、位移、厚度、转速、温度和硬度等参数，还可以进行无损探伤，并且具有结构简单、频率响应宽、灵敏度高、测量线性范围大、体积小等优点。2、为什么螺管型电感传感器比变气隙型电感传感器有更大的测位移范围？答：变气隙型灵敏度高，因为原始气隙0一般取得很小（0.10.5mm），当气隙变化为=1m时，电感的相对变化量l/l0可达0.010.002，因而它对处理电路的放大倍数要求低。它的主要缺点是非线性严重，为了减小非线性，量程就必须限制在较小范围内，通常为气隙0的1/5以下，同时，这种传感器制造装配困难。变面积型的灵敏度比便器习性的低，它的优点是具有良好对吧线性，量程较大，制造装配比较方便，应用较广。螺管型的灵敏度比变面积型的还低，但量程大，线性较好，制造装配方便，与变面积型相比，批量生产的互换性强，应用越来越多。3、电感式传感器的测量电路主要形式是什么？答：交流电桥是电感传感器的主要变换电路。桥臂可以是电阻、容抗或感抗元件。当不接负载（或负载阻抗为无穷大）时，其输出称为开路输出电压，表达式为：u0=z1z1+z2ui-z4z3+z4ui=z1z3-z2z4(z1+z2)(z3+z4)ui当电桥平衡时，即z1z3=z2z4，电桥的输出u0=0，当桥臂阻抗发生变化时，引起电桥不平衡，u0将不再为0，通过u0的变化，可以确定桥臂阻抗的变化。实际应用中，交流电桥常与差动式电感传感器配用，传感器的两个电感线圈作为电桥的两个工作臂，电桥的平衡臂可以是纯电阻，也可以是变压器的两个次级线圈。4、与非差动型性比，差动型变磁阻式自感传感器有什么优点？答：具有下列优点：线性好；灵敏度提高一倍，即衔铁位移相同时，输出信号大一倍；温度变化、电源波动、外界干扰等对传感器精度的影响，由于能互相抵消而减小；电磁吸力对测力变化的影响也由于能相互抵消而减小。5、什么是差动变压器的零点残余电压？如何消除？答：差动变压器随衔铁的位移输出一个调幅波，因而可以用反串电路作为转换电路，即直接将两个次级线圈反向串接，传感器的空载输出电压等于两个次级线圈感应电动势之差。最常用的差动变压器的转换电路为差动整流电路。把两个次级电压分别整流后，以它们的差为输出端，这样，次级电压的相位和残余电压都不必考虑。6、什么叫涡流效应？答：涡流传感器的工作原理是涡流效应，当一块金属导体放置在一变化的磁场中，导体内就会产生感应电流，这种电流像水中漩涡那样在导体内转圈，所以称之为电涡流或涡流。这种现象就称为涡流效应。7、压磁式传感器的工作原理是什么？答：压磁式传感器的工作原理是基于铁磁材料的压磁效应，它具有输出功率大，抗干扰能力强，过载能力强、结构简单等优点；但测量精度一般，频率响应较低，常用于冶金、矿山、运输等工业，用于测力和称重。近年来，应用逐渐广泛。8、为什么说感应同步器是数字传感器？答：感应同步器是利用两个平面绕组的互感系数随两者的相对位置变化而变化，来测量线位移和角位移的传感器，可以分为直线感应同步器和圆感应同步器。9、试比较差动电感传感器几种常用测量电路的特点。答：差动传感器几种常用的测量电路有：变气隙型、变面积型和螺管型三种。变气隙型传感器的优点是灵敏度高，一般用于测量几微米至几百微米的机械位移。缺点是示值范围小，非线性严重。变面积型传感器通常可以测量到几秒的微小角位移，输出的线性范围一般在10左右。螺管型与前面两种相比，虽然灵敏度低，但是示值范围大，自由行程可以自由安排，制造装配也比较方便。10、比较低频透射式和高频反射式涡流传感器测厚度的原理有什么不同？答：低频透射式涡流传感器：为了较好的测量厚度，激励频率要选的较低，一般在500hz。一般地说，测薄导体时，频率略高些，测厚导体时频率应低些。测较小的材料（如铜材）时，应选较低的频率（500hz），而测较大的材料（如黄铜、铝）时，则选用较高的频率（2khz），从而保证在测不同材料时，得到较好的线性和灵敏度。高频反射式涡流传感器：传感器和基准面的距离x是固定的，将被测物体放在基准面上以后，可测出涡流传感器与被测物体之间的距离d，于是可以求出被测物体的厚度h=x-d。作业题：1 当自感式传感器结构和材料确定后，电感l为气隙截面积s及空气隙长度的函数。s固定，可构成变气隙型传感器。固定，可构成变面积型传感器。2 变气隙型电感传感器灵敏度高，非线性严重，量程较小。变面积型电感传感器的灵敏度比空气隙型的低，线性性好，量程较大。螺管型电感传感器的灵敏度比变面积型的还低，量程大，线性性较好。3 差动电感传感器的结构要求是：两个磁导体的几何尺寸完全相同，材料性能完全相同，两个线圈的电气参数和几何尺寸也完全相同。4 差动式的与单线圈的电感传感器相比，具有线性好、灵敏度提高一倍和测量精度高的优点。5 交流电桥的平衡条件是z1z3=z2z4。6 零位误差是指输入为零时，输出不为零。减小零位误差的方法是减小电源中的谐波成分，还可以采用补偿电路进行补偿。7 根据电磁场的理论，涡流的大小与导体的电阻率、导磁率、导体厚度t及线圈与导体之间的距离x、线圈的激磁频率等参数有关。改变线圈和导体之间的距离，可以做成测量位移、厚度、振动的传感器；改变导体的电阻率，可以做成测量表面温度、检测材质的传感器；改变导体的导磁率，可以做成测量应力、硬度的传感器，同时改变x,和，可以对导体进行探伤。8 低频透射式涡流传感器的测量原理是：当发射线圈和接收线圈之间放入金属板后，引起接收线圈感应电势e2的变化，金属板的厚度越大，e2就越小。通常，测薄导体时，激励频率较高，测厚导体时激励频率应较低。测较小的材料时，应选较低的频率，而测较大的材料（黄铜、铝）时，则选用较高的频率。9 涡流传感器最大的特点是可以实现非接触式测量，应用非常广泛，可以检测位移和尺寸、厚度、 转速、温度和涡流探伤。10 感应同步器的激磁方式有两种：一种是以滑尺（或定子）激磁，由定尺（或转子）取出感应信号；另一类是以定尺激磁，由滑尺取出感应电势信号。感应同步器的检测系统分成鉴相型和鉴幅型。11 零位误差是指零电势距离起始零位的实际位移量与理论位移量的误差，点的细分误差是指每个细分点的实际细分值与理论细分值之差，细分误差为各点细分误差中的正最大值和负最大值的绝对值之和的一半，并冠以“”号来表示。思考题：1 磁电式传感器可分为几类？各有什么性能特点？答：变磁通式磁电传感器：这种类型的传感器线圈和磁铁固定不同，利用铁磁性物质制成一个齿轮（或凸轮）与被测物体相连而连动，在运动中齿轮（或凸轮）不断改变磁路的磁阻，从而改变了线圈的磁通，在线圈中感应出电动势。这种类型的传感器在结构上有开磁路和闭磁路两种，一般都用来测量旋转物体的角速度，产生感应电势的频率作为输出，感应电动势的频率等于磁通变化的频率恒定磁通式磁电传感器：在图6-4中，线圈和壳体固定，永久磁铁用弹簧支承，当壳体随被测物体一起振动时，由于弹性元件较软而运动部件质量相对较大，因而有较大惯性，来不及跟随振动体一起振动，振动能量几乎全部被弹性元件吸收，永久磁铁与线圈之间产生相对运动，线圈切割磁力线，从而产生感应电动势。2简述磁电感应式传感器的工作原理，磁电感应式传感器最基本的构成元件有哪些？答：磁电式传感器直接从被测物体吸收机械能并转换成电信号输出，且输出功率大，性能稳定，它的工作不需要电源，调理电路非常简单，由于磁电式传感器通常具有较高的灵敏度，所以一般不需要高增益放大器，适用于振动、转速、扭矩的测量。3利用磁电感应式传感器的工作原理，设计一个测量主轴转速的传感器，并说明如何将其作为数字传感器使用。答：测量转速时，转轴与被测转轴链接，从而带动转子转动，当转子的齿与定子的齿相对时气隙最小，磁路中磁通最大，当两者的齿与槽相对时，气隙最大，磁路中磁通最小。因而当定子不动而转子转动时，磁通就周期性的变化，从而在线圈感应出近似正弦的电感信号，感应电势频率。4、 可否利用磁电感应式传感器来测流量？简述其工作原理。答：电磁流量传感器电磁流量传感器的结构如图6-8所示，传感器安装在工艺管通中，当导电流体沿测量管在磁场中与磁力线成垂直方向运动时，导电流本切割磁力线而产生感应电动势，其值可用下式表示：流经测量管流体的瞬时流量 与流速 的关系为 6-8式中， 测量管内电极处横截面面积则： 6-9式中， 仪表常数由式6-9可知，当传感器参数确定后，仪表常数 是一定值，感应电势正与流量q成正比。5什么是霍尔效应？简述霍尔电流表和霍尔场强计的工作原理。答：金属或半导体薄片两端通以控制电流 ，在与薄片方向上施加磁感应强度为 的磁场，那么在垂直于电流和磁场方向的薄片的另两侧会产生电动势 ， 的大小正比于控制电流 和磁感应强度 ，这一现象称为霍尔效应，利用霍尔效应制成的传感元件称霍尔传感器。霍尔钳形电流表的探头实用环形铁心做集束器，霍尔器件放在空隙中间。由安培定律克制，在载流导体周围会产生一正比于该电流的磁场，用霍尔元件来测量这一磁场，其输出的霍尔电势正比于该磁场，通过对磁场的测量可间接测得电流的大小。由霍尔元件构成的电流传感器为非接触式测量，测量精度高，不必切断电路电流，测量范围广，本身几乎不消耗电路功率。磁场测量的方法很多，其中应用比较普遍的是以霍尔元件做探头的特斯拉计。锗和砷化镓的霍尔电势温度系数小，线性范围大，适于做测量磁场的探头。把探头放在待测磁场中，探头的磁敏感面与磁场方向垂直，控制电流恒定，则霍尔输出电势uh正比于磁场b，故可以利用它来测量磁场。6霍尔系数的物理意义是什么？为什么用半导体材料制造霍尔元件？答：霍尔系数 ，其中 为载流体的电阻率， 为载流子的迁移率，半导体材料（尤其是n型半导体）电阻率较大，载流子迁移率很高，因而可以获得很大的霍尔系数，适于制造霍尔传感器。7、什么是霍尔元件的不等位电势？如何补偿？答：不等位电势 ：在额定控制电流作用下，无外加磁场时，由于材料电阻率的不均匀，两个电极不在同一等位面上，霍尔元件的厚度不均匀等原因，在两霍尔电极之间的空载电势。要完全消除霍尔元件的不等位电势很困难，一般要求 。8、什么是霍尔元件的磁阻效应？磁阻效应应对霍尔元件的输出有什么影响。答：特性是指霍尔元件的输入（或输出）电阻与磁场之间的关系，霍尔元件的内阻随磁场的绝对值增加而增大，这种现象称磁阻效应。霍尔元件的磁阻效应使霍尔输出降低，尤其在强磁场时，输出降低较多，应想办法予以补偿。9、请画出两种霍尔元件的驱动电路，简述其优缺点。答：对霍尔元件可采用恒流驱动或恒压驱动，恒压驱动电路简单，但性能较差，随着磁感应强度增加，线性变坏，仅用于精度要求不太高的场合；恒流驱动线性度高，精度高，受温度影响小。两种驱动方式各有优缺点，应根据工作要求确定驱动方式。10磁栅式传感器由哪几部分组成？简述工作原理？答：磁栅式传感器由磁栅、磁头和检测电路组成。磁栅是检测位置的基准尺，尺身的磁性薄膜上预先录有相同间距的栅状磁信号，此偷渡去磁信号。当磁栅与磁头的相对位置发生变化时，磁头的输出发生相应变化，将位移量转换为电信号，然后通过检测电路转换成脉冲，并以数字形式显示出来。磁栅传感器有长磁栅式和圆磁栅式两种，分别用来测量线位移和角位移。11、磁栅式传感器的信号处理方法有哪些？答：磁栅式传感器的信号处理方法有静态磁头的信号处理方法和动态磁头的信号处理方法。12、磁栅式传感器的误差是哪些因素引起的，磁栅式传感器可应用于哪些场合答：磁栅式传感器的误差包括零位误差和细分误差。零位误差是由以下因素造成的：磁栅的节距不均匀造成的零位误差；磁栅的安装与变形误差；磁栅剩磁变化所引起的零点漂移；外界磁场干扰。细分误差是由以下因素造成的：由于磁膜不均匀或录制过程不完善造成磁栅上信号幅度不相等；两个磁头在空间位置偏离正交较远；两个磁头参数不对称引起的误差；磁场高次谐波分量和感应电势高次谐波分量的影响。磁栅式传感器目前有以下两个方面的应用：可以作为高精度测量长度和角度的测量仪器。可以作为自动控制系统中的检测元件（线位移）。作业题：1、导体在磁场中运动切割磁力线，导体两端会出现感应电动势e，闭合导体回路中感应电动势e=-n；当线圈垂直于磁场方向切割磁力线时，感应电动势e=-nblv；若线圈以角速度转动，、则感应电动势e=-nbs。2、只要线圈磁通量发生变化，就有感应电动势产生，其实现的主要方法有线圈与磁场发生相对运动，磁路中磁阻变化，恒定磁场中线圈面积变化。当传感器结构参数确定后，感应电动势e与线圈相对磁场的运动速度v或成正比。所以，可用磁电式传感器测量线速度和角速度，对测得的速度进行积分或微分就可求出位移和加速度。3、磁电式传感器直接从被测物体吸收机械能并转换成电信号输出，且输出功率大，性能稳定，它的工作不需要电源，调理电路非常简单，由于磁电式传感器通常具有较高的灵敏度，所以一般不需要高增益放大器，适用于振动、转速、扭矩的测量。4、电磁流量传感器的结构如图6-8所示，传感器安装在工艺管道中，当导电流体沿测量管在磁场中与磁力线成垂直方向运动时，导电流体切割磁力线而产生感应电动势e=bd，其中b是磁感应强度，是平均流速，d是距离，常与测量管内径相等。流经测量管流体的瞬时流量q与流速的关系为q=。5、在如图6-9所示的金属或半导体薄片两端通以控制电流i，在与薄片垂直方向上施加磁感应强度为b的磁场，则在垂直于电流和磁场方向的薄片的另两侧会产生大小正比于控制电流i和磁感应强度b的现象，这一现象称为霍尔效应，利用霍尔效应制成的传感元件称霍尔传感器。在薄片两侧之间建立的电场e，称为霍尔电场，相应的电势u称为霍尔电势。霍尔效应的产生是由于运动电荷受磁场中洛仑磁力作用的结果。6、霍尔电势u=khib，其中r是霍尔系数（m3/c）、i是控制电流（a）、b是磁感应强度（t）、d是半导体薄片厚度（m）、kh是灵敏度系数，r=，其中为载流体的电阻率，为载流子的迁移率，半导体材料（尤其是n型半导体）电阻率较大，载流子迁移率很高，因而可以获得很大的霍尔系数，适于制造霍尔传感器。7、霍尔电势的大小正比于控制电流i和磁感应强度b，灵敏度k表示在单位磁感应强度和单位控制电流时输出霍尔电势的大小，一般要求越大越好，元件的厚度d越薄，k越大，所以霍尔元件的厚度都很薄。当载流材料和几何尺寸确定后，霍尔电势的大小只和i和b有关，因此霍尔传感器可用来探测磁场和电流，由此可测量压力、振动等。8、霍尔元件的输出与灵敏度有关，灵敏度系数k越大，输出u越大。灵敏度系数的大小，取决于元件的材料和几何尺寸，材料的和越大，霍尔系数r越大，输出的u越大，为了提高霍尔灵敏度，要求材料的r尽可能的大。元件的厚度d越小，k越大，u也越大，所以霍尔元件的厚度要小，但太小会使元件的输入、输出电阻增加。9、当霍尔元件的控制电流采用交流时，由于建立霍尔电势所需时间很短，因此交流电频率可高达几千兆赫，且信噪比较大。当磁场为交变，电流为直流时，由于交变磁场在导体内产生涡流而输出附加霍尔电势，所以霍尔元件不能在交变频率为几千赫的磁场中工作。10、对霍尔元件可采用恒流驱动或恒压驱动；恒压驱动电路简单，但性能较差，随着磁感应强度增加，线性变坏，仅用于精度要求不太高的场合；恒流驱动线性度高，精度高，受温度影响小。11、霍尔元件对温度的变化很敏感，霍尔元件的输入电阻、输出电阻、霍尔电势等都会随温度变化，这将给测量带来较大的误差。为了减小由于温度影响带来的测量误差，除选用温度系数小的元件或采取恒温措施外，还可以采用恒流源、利用输入回路串、并电阻、利用输出回路的负载、利用热敏电阻等方法进行补偿。12、以霍尔元件做探头的特斯拉计（或高斯计、磁强计）可用来测量磁场，锗和砷化镓器件的霍尔电势温度系数小，线性范围大，适用于做测量磁场的探头，把探头放在待测磁场中，探头的磁敏感面与磁场方向垂直，控制电流恒定，则霍尔输出电势uh正比于磁场b，故可以利用它来测量磁场。进行测量时，采用高导磁的磁性材料（如坡莫合金）集中磁通来增强磁场的集束器可降低器件噪声、提高信噪比。13、磁栅传感器由磁栅、磁头和检测电路组成。磁栅是检测位置的基准尺，尺身的磁性薄膜上预先录有相同间距的栅状磁信号，磁头读取磁信号。当磁栅与磁头的相对位置发生变化时，磁头的输出发生相应变化，将位移量转换为电信号，然后通过检测电路转换成脉冲，并以数字形式显示出来。磁栅传感器有长磁栅式和圆磁栅式两种，分别用来测量线位移和角位移。14、磁头的功能是读取磁栅上记录信号，可分为静态磁头和动态磁头。动态磁头仅有输出绕组，只有与磁栅相对运动才有信号输出，输出信号的幅值随相对运动速度而变化，动态磁头在使用上有一定的局限性，不适合长度测量。为了保证一定幅值的输出，通常规定磁头以一定速度运动。15、磁栅传感器的误差包括零位误差和细分误差。零位误差是由磁栅的节距不均匀、磁栅的安装与变形、磁栅剩磁变化所引起的零点漂移、外界磁场干扰等因素造成的；细分误差是由磁膜不均匀或录制过程不完善造成磁栅上信号幅度不相等、两个磁头在空间位置偏离正交较远、两个磁头参数不对称、磁场高次谐波分量和感应电势高次谐波的分量的影响等因素造成的。1电容式传感器的工作原理和主要性能是什么？答：电容式传感器工作原理：电容式传感器也常常被人们称为电容式物位计，电容式物位计的电容检测元件是根据圆筒形电容器原理进行工作的，电容器由两个绝缘的同轴圆柱极板内电极和外电极组成，在两筒之间充以介电常数为e的电解质时，两圆筒间的电容量为c=2el/lnd/d，式中l为两筒相互重合部分的长度；d为外筒电极的直径；d为内筒电极的直径；e为中间介质的电介常数。在实际测量中d、d、e是基本不变的，故测得c即可知道液位的高低，这也是电容式传感器具有使用方便，结构简单和灵敏度高，价格便宜等特点的原因之一。主要性能由:有静态灵敏度，非线性，动态特性。2简述电容式传感器的主要优缺点。答：1）优点：温度稳定性好；结构简单，适应性强；动态响应好；可以实现非接触测量，具有平均效应。2）缺点：输出阻抗高，负载能力差；寄生电容影响大；输出特性非线性。3电感式传感器的测量电路主要形式是什么？3.答：自感式传感器 1）脉冲调宽式测量电路 2）交流电桥测量电路差动变压器式传感器测量电路 1）精密二极管检波测量电路 2）差动变压器相敏检波测量电路涡流式传感器测量电路 1）电桥测量电路 2）谐振测量电路4简述压磁式传感器的工作原理。答：压磁式传感器是电感式传感器的一种，也称为磁弹性传感器，是一种新型传感器。它的工作原理是建立在磁弹性效应基础之上，即利用这种传感器将作用力（如弹性应力、残余应力等）的变化转化成传感器导磁体的导磁率变化并输出电信号。压磁式传感器的优点很多，如输出功率大、信号强、结构简单、牢固可靠、抗干扰性能好、过载能力强、便于制造、经济实用，可用在给定参数的自动控制电路中，但测量精度一般，频响较低。近年来，压磁式传感器不仅在自动控制上得到越来越多的应用，而且在对机械力（弹性应力、残余应力）的无损测量方面，也为人们所重视，并得到相当成功的应用。在生物医学领域对骨科及运动医学测试也正在应用该类传感器。压磁式传感器是一种有发展前途的传感器。 压磁式传感器是一种有源传感器，它的工作原理是基于材料的压磁效应。所谓压磁效应就是在外力作用下，铁磁材料内部发生应变，产生应力，使各磁畴之间的界限发生移动，从而使磁畴磁化强度矢量转动，因而铁磁材料的磁化强度也发生相应的变化，这种由于应力使铁磁材料磁化强度变化的现象，称为压磁效应。 若某一铁磁材料上绕有线圈，在外力的作用下，铁磁材料的导磁率发生变化，则会引起线圈的电感和阻抗变化。当铁磁材料上同时绕有激磁绕组和测量绕组时，导磁率的变化将导致绕组间耦合系数的变化，从而使输出电势发生变化。通过相应的测量电路，就可以根据输出的量值来衡量外力的作用。5磁电式传感器可分为几类？各有什么性能特点？答：磁电式传感器分类1）变磁通式磁电传感器：这种类型的传感器线圈和磁铁固定不同，利用铁磁性物质制成一个齿轮（或凸轮）与被测物体相连而连动，在运动中齿轮（或凸轮）不断改变磁路的磁阻，从而改变了线圈的磁通，在线圈中感应出电动势。这种类型的传感器在结构上有开磁路和闭磁路两种，一般都用来测量旋转物体的角速度，产生感应电势的频率作为输出，感应电动势的频率等于磁通变化的频率。2）恒定磁通式磁电传感器：线圈和壳体固定，永久磁铁用弹簧支承，当壳体随被测物体一起振动时，由于弹性元件较软而运动部件质量相对较大，因而有较大惯性，来不及跟随振动体一起振动，振动能量几乎全部被弹性元件吸收，永久磁铁与线圈之间产生相对运动，线圈切割磁力线，从而产生感应电动势。6请画出两种霍尔元件的驱动电路，并简述其优缺点。答：报告老师：图片不能上传。课本p148页图6-13。恒压驱动电路简单，但是性能较差。随着磁感应强度增加，线性变化坏，仅用于精度要求不太搞的场合；恒流驱动线性度高，精度高，受温度影响小。7磁栅式传感器的误差是哪些因素引起的？可应用于哪些场合？答：磁栅传感器的误差分析：零位误差是由以下因素造成的：1）磁栅的节距不均匀造成的零位误差；2）磁栅的安装与变形误差；3）磁栅磁变化所引起的零点漂移；4）外界磁场干扰。细分误差是由以下因素造成的：1）由于磁膜不均匀或录制过程不完善造成磁栅上信号幅度不相等；2）两个磁头在空间位置偏离正交较远；3）两个磁头参数不对称引起的误差；4）磁场高次谐波分量和感应电势高次谐波分量的应用。应用1）可以作为高精度测量长度和角度的测量仪器。由于可以采用激光定位录磁，而不需要采用感光、腐蚀等工艺，因为可以得到较高的精度，目前可以做到系统精度为0.01mm/m，分辨率可达15pm。2）可以作为自动控制系统中的检测元件（线位移）。例如在三坐标测量机、程控数控机床及高精度重、中型机床控制系统中的测量装置，均得到了应用。1. 能否用压电传感器测量变化比较缓慢的力信号？试说明其理由。答：不能。压电式传感器是利用弹簧质量系统原理。敏感芯体质量受振动加速度作用后产生一个与加速度成正比的力，压电材料受此力作用后沿其表面形成与这一力成正比的电荷信号。由于压电加速度传感器是测量振动的加速度值，而在相同的位移幅值条件下加速度值与信号的频率平方成正比，所以不同频段的加速度信号大小相差甚大。大型结构的低频振动其振动量的加速度值可能会相当小，例如当振动位移为 1mm, 频率为1 hz 的信号其加速度值仅为0.04m/s2 (0.004g)；然而对高频振动当位移为0.1mm，频率为10 khz的信号其加速度值可达4 x 10 5m/s2 (40000g)。因此尽管压电式加速度传感器具有较大的测量量程范围，但对用于测量高低两端频率的振动信号，选择加速度传感器灵敏度时应对信号有充分的估计。所以变化缓慢的信号频率低，无法被分辨。2. 比较各种压电材料的优缺点。答：1）压电晶体（单晶）如：石英晶体的主要性能特点是：第一，压电系数和介电系数的温度稳定性好，常温下几乎不变，在20200范围内气电压系数变化率仅为-0.016%；第二，机械强度和品质因数搞，允许应力高达6.81079.8107pa，刚度大，动态特性好；第三，居里点573，无热释电性，绝缘性好，重复性好。天然石英较之人工石英性能更好，所以常用于精度和稳定性要求高的场合和制作标准传感器。 如：铌酸锂是一种无色或者淡黄色单晶，属三角系，熔点1250，居里点高达1200，它的时间稳定性好，适于做高温传感器。此外，它还具有较好的光电、声光效应，在光电、微波声学、激光调制等方面都有重要应用。它的各向异性很明显，质地脆、抗机械和热冲击性差，因而加工和使用时要小心。2）压电陶瓷（多晶半导瓷） 二元系陶瓷 如：钛酸钡压电系数和相对介电常数较高，但居里点较低，为120，机械强度差，价格便宜。如：锆钛酸铅系列压电陶瓷（pzt）的居里点在300以上，性能稳定，具有很高的压电系数和相对介电系数，通过加入少量杂质或适当改变组份的方法能明显地改变机电耦合系数、介电系数等特性，得到满足不同使用目的的许多材料，是目前应该用最广泛的压电陶瓷。 三元系陶瓷 如：铌镁酸铅压电陶瓷pmn，成分比例不同，可以配出不同性能的压电陶瓷。3）压电半导体 如硫化锌，碲化镉，氧化锌，硫化镉，碲化锌，砷化镓等，由于压电半导体既有压电特性，又有半导体特性，因此既可以用其压电性研制传感器，又可以用半导体制作电子器件，也可将二者结合，研制集转换元件和电子线路于一体的新型压电传感器测试系统。4）高分子压电材料 一类， 如聚氟乙烯，聚氯乙烯等，独特优点是质轻柔软、抗拉强度高、蠕变小、耐冲击、击穿强度为150200kv/mm、可以大量生产和制成较大的面积。另一类，是在高分子化合物中加入压电陶瓷粉末如pzt或钛酸钡制成的高分子压电陶瓷薄膜，这种复合材料保持了高分子压电薄膜的柔软性，又具有较高的压电系数和机电耦合系数。3. 为什么压电式传感器要高阻抗输出？压电放大器与电荷放大器的实质是什么？答：压电式传感器内阻很高,且信号微弱,一般不能直接显示和记录.需进行阻抗变换和信号放大.由于压电传感器产生的电荷量很少,除自身要有极高的绝缘电阻外,同时要求测量电路前极输入也要有足够高的阻抗.要高阻抗输出.压电放大器与电荷放大器的实质是阻抗变换放大器。4. 光线在光纤中传播的原理是什么？答:光线在光纤中传播的原理是：折射。光纤实际是指由透明材料做成的纤芯和在它周围采用比纤芯的折射率稍低的材料 做成的包层,并将射入纤芯的光信号,经包层界面反射,使光信号在纤芯中传播前进的 媒体.一般是由纤芯,包层和涂敷层构成的多层介质结构的对称圆柱体。5. 为什么采用循环码码盘可以消除二进制码盘的那种粗误差？答