传感器复习提纲、资料及答案

传感器复习提纲第 1 章 概述1现代信息技术的三大支柱是什么？传感器技术、通信技术与计算机技术2. 什么是传感器？传感器定义有哪 3 个含义？从广义的的角度来说，可以把传感器定义为：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的定义是：能把外界非电信息转换成电信号输出的器件。我国国家标准对传感器的定义是：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。 3传感器的总体发展趋势是什么？现代传感器有哪些特征，采用什么物理量输出？发展趋势主要体现在这样几个方面：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。特征：集成化、数字化、多功能化、微（小）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。输出：4传感器基本结构，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、转换元件和基本电路三部分组成。敏感元件感受被测量，转换元件将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。5了解传感器的分类方法。有哪三大类？按照我国传感器分类体系表，传感器分为物理量传感器、化学量传感器以及生物量传感器三大类。6了解传感器的图形符号，其中符号内容代表什么含义。7一个自动检测系统的组成包括哪几部分，画出结构框图。第 2 章 传感器的基本特性（静态特性；传递函数；动态特性）1传感器的性能参数反映了传感器的什么关系？2静态特性：特性参数有哪些？（线性度、迟滞、重复性、灵敏度、分辨率、稳定性） ，各种参数代表什么意义，描述了传感器的哪些特征？线性度是表征实际特性与拟合直线不吻合的参数。迟滞用来描述传感器在正反行程期间特性曲线不重合的程度。重复性是指在相同条件下，输入量按同一方向做全量程多次测量时，所得传感器输出特性曲线不一致的程度。灵敏度是指传感器在稳定工作状态下，输出微小变化增量与引起此变化的输入微小变量的比值。分辨率是指当传感器的输入从非零值缓慢增加时，在超过某一增量时，输出发生可观测的变化，这个输入增量称为传感器的分辨率，即最小输入增量。稳定性表示传感器在一较长时间内保持性能参数的能力，故又称长期稳定性。3传递函数：传感器的传递函数在数学上的定义是什么？初始条件为零(t=0,y=0),输出拉氏变换与输入拉氏变换之比，输出的拉氏变换等于输入拉氏变换乘以传递函数 Y(s)=x(s)H(s)4动态特性：特性参数有那些（时间常数 、阻尼比 、传感器固有频率n ）？这些参数反映了传感器的哪些特征，应如何选择？5. 分别讨论一阶系统、二阶系统的阶跃响应和频率响应。一阶传感器系统的动态响应主要取决于时间常数。时间常数越小越好，减少时间常数可改善传感器频率特性，加快响应过程。二阶传感器对阶跃信号响应和频率响应特性的好坏很大程度上取决于阻尼系数和传感器的固有频率。第 3 章电阻应变式传感器（金属应变片；直流电桥；应变仪；电阻传感器）1什么是应变效应？什么是压阻效应？什么是横向效应？试说明金属应变片与半导体应变片的相同和不同之处，半导体应变片比金属应变片在性能上有哪些优缺点。导体在受到外界拉力或压力的作用时会产生机械变形，同时机械变形会引起导体阻值的变化，这种因导体材料变形而使其电阻值发生变化的现象称为电阻应变效应。压阻效应是指当半导体受到应力作用时，由于应力引起能带的变化，能谷的能量移动，使其电阻率发生变化的现象。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，这种现象就称为横向效应。金属应变片的基本原理是电阻应变效应，金属丝灵敏系数主要由材料的几何尺寸决定的，金属电阻丝的灵敏系数近似 1.52。半导体应变片主要利用半导体材料的压阻效应，半导体灵敏系数主要由材料受力后电阻率的变化决定，灵敏系数近似 50100.优缺点：灵敏度高、体积小、耗电少、动态响应好、精度高、测量范围宽、有正负两种符号的应力效应，易于微型化和集成化，缺点是受温度影响较大。2比较电阻应变片组成的单桥、半桥、全桥电路（电压灵敏度、温度补偿、非线性误差） 。写出各电路输出电压灵敏度。电桥电压灵敏度定义为应变片电阻的相对变化引起的电桥输出电压单桥电压灵敏度 Ku=E/4半桥电压灵敏度 Ku=E/2半桥差动电路无非线性误差，半桥电压灵敏度是单桥的两倍，具有温度补偿作用。全桥电压灵敏度 Ku=E全桥差动电路无非线性误差，半桥电压灵敏度是单桥的四倍，具有温度补偿作用。全桥差动电路连接时应注意应变片的受力方向，应变片必须按对臂同性（受力方向符号相同） 、邻臂异性（受力方向符号不同）的原理连接。单：半：全=1:2:43有一吊车的拉力传感器如图所示，电阻应变片 R1、R2、R3、R4 粘贴在等截面轴上，已知 R1R4 标称阻值为120，桥路电压 2V，物重 M 引起 R1、R2 变化增量为 1.2。请连接出应变片电桥电路，计算出测得的输出电压和电桥的输出灵敏度，说明 R3、R4 可以起到什么作用？全桥电路：4.相敏检波电路与普通检波电路有什么不同？叙述相敏检波电路工作原理。 （参电路原理图）普通检波电路只输出单向的电压或电流，无法判断信号的相位，不能确定应变片处于拉或压的状态。相敏检波电路可以区分正负极性的双向信号。相敏检波器的作用：一是只对同相或反相信号检波；二是识别调制信号的正负。原理参考书本。5.画出电阻应变仪电路框图，当应变信号为正弦信号振荡时，请绘制各单元电路的输出波形。第 4 章电容式传感器1电容传感器有哪些类型？叙述变极距型电容传感器的工作原理、输出特性。（1）改变极板面积（S）的电容器称变面积型电容式传感器，特点是测量范围较大，多用于侧线位移、角位移。(2)改变极板距离的电容器称变极距型电容式传感器，宜做小位移测量。(3)改变极板介质的电容器称变介质型电容式传感器，普遍用于液面高度测量，介质厚度测量，可制成料位计等。工作原理：面积和介质不变，只改变极板间距离，将距离的变化转换成电容量的变化。变极距型电容式传感器进行非电量测量时，其灵敏度要高于改变其他参数的电容式传感器灵敏度。输出特性：（1）要提高灵敏度，应减小初始极距，又要避免电容击穿，可在极板间放置高介电常数的材料（如云母片、塑料薄膜）（2）输出特性的非线性随相对位移的增加而增加，为保证线性度，应限制相对位移的大小。（3）起始极距使灵敏度和线性度相矛盾，只适合做小位移测量。(4)为提高灵敏度和改善非线性关系，一般采用差动结构（一个动片，两个静片）2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？一个动片，两个静片（灵敏度提高一倍）3画出电容传感器的等效电路。4电容传感器的测量电路有哪些？叙述二极管双 T 型交流电桥工作原理。交流电桥、二极管双 T 型电路、差动脉冲调宽电路、运算放大器式电路二极管双 T 型交流电桥工作原理参考书本。5说明 P56 图 4-20 压差式电容压力传感器结构和工作原理。如果将该电容接入二极管双 T 型电路（P52 图 4-13） ，当压力 P 变化时电路输出电压如何变化？第 5 章电感式传感器（变磁阻式、差动变压器式、电涡流式）1.叙述变磁阻式电感传感器的工作原理。双线圈结构与单线圈结构有哪些不同，为什么传感器多采用差动形式？变磁阻式传感器是利用被测量改变磁路的磁阻，使线圈的电感量发生变化。变磁阻式传感器属自感式传感器。为减小非线性误差，多采用差动变间隙式传感器。双线圈结构由两个相同的电感线圈和磁路组成，测量时，衔铁通过导杆与被测物体相连，当被测量是衔铁发生左右位移时，两个铁心回路中磁阻发生大小相等、方向相反的变化，使一个线圈电感量增加，另一个减小，形成差动形式。双线圈比较单线圈：灵敏度提高一倍；线性度得到明显改善；差动形式的两个电感结构，可以抵消温度、噪声干扰的影响。2.说明（螺线管式）差动变压器传感器的结构形式与输出特性。利用这种传感器可以进行哪种非电量的测量？骨架中间绕制一个初级线圈，两个次级线圈分别绕在初级线圈两边，铁心在骨架中间可上下移动。结构形式较多，主要由线圈、铁心和衔铁三部分组成。输出特性：（1）衔铁向上移动式输出与 E2a 同极性，向下时与 E2b 同极性；（2）输出电压幅值与互感成正比，互感大小取决于衔铁在线圈中移动的距离，二输出电压与输入电压的相位由衔铁的移动方向决定；（3）输出正负电压的结果，经相敏检波后行程旋转；（4）输出电压与触及激励电压和电流有关，希望激励电压电流尽可能大，输出电压还与频率成正比。3.什么是零点残余电压，产生的原因？用哪些方法可以进行零点残余电压补偿？举例说明哪种电路具有这种功能。从理论上讲，差动变压器式传感器的铁心处于中间位置时，输出电压应为零，实际上并不等于零，将这个铁心处于中间位置时，最小不为零的电压称为零点残余电压。原因:一是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，工艺上很难保证完全一致；二是电源高磁谐波、线圈寄生电源的存在，使实际特性曲线总有最小输出。电路补偿方法：串联电阻，消除两次级绕组基波分量幅值上的差异；并联电阻、电容，消除基波分量的相位差异，减小谐波分量；加反馈支路，初、次级间加入反馈，减小谐波分量；相敏检波器对零点残余误差有很好的抑制作用。4.用差动变压器进行位移测量时，需采用哪种电路可以直接把正比于位移大小的输出电压用于区别位移的大小和方向？差动变压器输出交流信号，为正确反映衔铁位移大小和方向，常常采用差动整流电路和相敏检波器。5.什么是电涡流效应，涡流的分布范围有哪些特征？涡流传感器测距范围与涡流传感器的几何特征有什么关系？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，这种电流想水中漩涡，故称为电涡流，这种现象叫做电涡流效应。因为金属存在趋势效应，电涡流只存在于金属导体的表面薄层内，或者说存在一个涡流区。实际上涡流的分布是不均匀的，涡流区内各处的涡流密度不同，存在径向分布和轴向分布。金属导体表面的电涡流强度与被测物体之间距离的关系是非线性的，即随x/r 的上升而下降。6.电涡流传感器可以进行哪些非电量参数测量（举例） ，简单说明涡流探伤、电涡流传感器测材料的工作原理？可测位移、测振动、测转速、测厚度、测材料、测温度、电涡流探伤等。涡流探伤：探伤时，传感器与被测金属保持距离不变，如果有裂纹出现，导体电阻率会产生变化，涡流损耗改变而引起输出电压的变化。7.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（接近开关）可以检测哪一类材料。第 6 章 磁电式传感器（磁电感应式、霍尔式、磁敏元件）1.为什么说磁电感应式传感器是一种有源传感器？其中动钢式和动圈式工作原理有哪些不同，分别用于哪些测量？磁电感应式传感器在工作时可直接将被测物体的机械能转换为电量输出。动钢式：线圈组件与传感器壳体固定，永久磁铁相对于传感器壳体运动。动圈式：永久磁铁与传感器壳体固定，线圈相对于传感器壳体运动。2磁电感应式传感器主要检测哪些非电量？磁电式传感器是速度传感器，它如何利用传感器输出电动势 e 的变化获得相对应的位移和加速度信号？运动速度、位移、振动、转速、压力等多种非电量测量。想要获得振动位移和振动加速度，可分别加入积分电路和微分电路，将速度信号转换成与位移和加速度有关的电信号输出。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？影响霍尔电势的因素有哪些？通电的（半）导体放在磁场中，电流方向和磁场方向垂直，在导体另外两侧会产生感应电动势，这种现象称霍尔效应。霍尔电势的大小与方向与电流和磁场强度有关。4集成霍尔器件分哪几种类型？试画出其输出特性曲线。开关型集成霍尔器件的输出特性存在切换回差，这一特性可起到什么作用？举例说明该器件的应用。集成霍尔器件可分为线性型和开关型。切换回差特性可防止干扰引起的误动作。这种传感器可做无触点开关，利用磁场进行开关工作，如测转速、计数、开关控制、判断磁极性。5有一测量转速的装置，调制盘上有 100 对永久磁极，N、S 极交替放置，调制盘由转轴带动旋转，在磁极上方固定一个霍尔元件，每通过一对磁极霍尔元件产生一个方脉冲送到计数器。假定 t=5min 采样时间内，计数器收到 N=15 万个脉冲，求转速 n=？转/分。设计一霍尔传感器计数电路。6列举磁敏元件的种类，说明各种磁敏元件（磁敏电阻、磁敏二极管、磁敏晶体管、霍尔器件）的工作原理，它们可以检测哪些物理量。磁敏电阻：利用磁阻效应，即外加磁场使（半）导体电阻随磁场增加而增加。磁敏二极管:无外加磁场情况下，当磁敏二极管接入正向电压时，P 区的空穴，N 区的电子同时注入 I 区，大部分空穴跑向 N 区，电子跑向 P 区，从而形成电流，只有少部分电子和空穴在 I 区复合。7说明各种磁敏元件特性各有什么不同？磁敏电阻与磁敏晶体管有哪些不同？磁敏晶体管与霍尔元件本质上的区别是什么？磁敏晶体管与普通晶体管区别是什么？ 详细答案见课本。 。 。 。 。第 7 章压电式传感器（压电元件；电压/电荷放大器；超声波传感器）1什么是正压电效应？什么是逆压电效应？某些电介质（晶体） ，当沿着一定方向施加力时，内部会产生极化现象，同时在他的两个表面会产生符号相反的电荷，当外力去掉后，