传感器基础题.doc

1构成现代信息技术的三大支柱是传感器技术、通信技术、计算机技术，它们分别起到信息的采集、传输、处理作用。2传感器的静态特性指标主要有线性度、线性度、迟滞、重复性、阈值、灵敏度、稳定性、噪声、漂移等，而影响动态特性指标的主要参数是相位、振幅、频率。3红外传感器主要有热探测器（热电型）、光子探测器（光子型）两大类型。其中热释电元件通过光热电的两次转换过程实现红外检测的。4红外光敏二极管只能接收红外光信号，对其他 光没有响应。5电容式传感器，变极距型多用于检测小位移，变面积型主要用于检测线位移、角位移，变介电常数型可用于检测液面高度、介质厚度、料位等参数。6、把一导体(或半导体)两端通以控制电流I，在电流垂直方向施加磁场B，在另外两侧会产生一个与控制电流和磁场成比例的电动势，这种现象称霍尔效应；利用这一效应的制作的元件一般可用于检测位移、速度、加速度、转速、功率、电流。7压电元件的工作原理是利用压电效应；目前使用的压电材料主要有：压电晶体、压电陶瓷、高分子乙烯、半导体。8半导体材料在光线作用下，入射光强改变物质导电率的现象称光电导效应，基于这种效应的器件有光敏电阻；半导体材料吸收光能后在PN结上产生电动势的效应称光生伏特效应，基于这种效应的器件有光敏二极管、光敏晶体管、光伏电池。9两个不同的金属导体两端分别连在一起构成闭合回路，如果两端温度(T、To)不同时，回路中会产生电动势，这种现象称热电效应；热电势主要由接触电势和温差电势两个部分组成，所以能够产生热电势的必要条件是两种金属两端的接触和两端的温差。10检測系统中，模拟式显示在读数时易引起_主观_误差。11.传感器在同一工作条件下，对同一被测量进行多次连续测量所得结果之间不一致程度的指标，称为重复性12.设一圆形截面绕线式位移传感器的线圈半径为5mm，共绕制100圈，线圈总电阻为1k，则传感器的灵敏度为1/ mm 。13、利用差动更压器测量位移时如果要求区别位移方向(或正负)可采用相敏检波电路。14、采样定理可表述为fs2fH。15、半导体应变片的灵敏度比金属电阻应变片的灵敏度要 高 。16、交流电桥各桥臂的复阻抗分别为Z1、Z2、Z3、Z4，各阻抗的相位角分别为1、2、3、4，电桥平衡条件为Z1Z4=Z2Z3，那么相位平衡条件应力1+3=2+4 _。二、 选择填空 电阻应变片；磁敏电阻；霍尔传感器；气敏传感器；压电传感器；电容传感器；热释电器件；热敏电阻；光纤传感器；磁敏晶体管；电动式磁电传感器；光电二极管；差动变压器；红外传感器；色敏传感器；电涡流传感器；超声波传感器；光电开关；核辐射探测器；压阻式传感器；光电池；热电偶；CCD电荷耦合器件；集成温度传感器。 (1)选择合适小位移测量的传感器：。 (2)便于检测机械振动或加速度的传感器：。 (3)可用于磁场检测的传感器：。 (4)适用于家用电器的温度检测传感器：。 (5)可应用于图13-28中自动生产线瓶盖(金属)检测和标签检测的传感器分别为：。答案：（1）电容传感器、电阻应变片（2）电容传感器、差动变压器；压电传感器；电涡流传感器（3）霍尔传感器、磁敏晶体管（4）集成温度传感器、热敏电阻、（5）光电开关、光 纤传感器、霍尔传感器（6）如图 检测转轴的扭矩 （7）测量转速的传感器 （8）测量管道内液体流量、流速的传感器 2选择填空 (1)硅光电池的结构类似一只大面积半导体 A，属于D器件。 A二极管 B三极管 C有源 D无源 (2)通常我们用绝对湿度、相对湿度和露点温度表示环境中的水蒸气含量，其中相对湿度表示为A，量纲为C。 （3）表示传感器的静态输入与输出之间关系的实验曲线称为BA理论直线 B标定曲线 C理论标定曲线 D幅频特性曲线（4）固体半导体摄像元件CCD是一种 CAPN结光电二极管电路 BPNP型晶体管集成电路CMOS型晶体管开关集成电路 DNPN型晶体管集成电路（5）测量不能直接接触的高温物体的溫度，可采用的温度传感器是 DA热电偶 B热敏电阻 C半导体二极管 D亮度计（6）压电式传感器适合于测量 BA静态量 B动态量 C电荷量 D位移量（7）变间隙式电容传感器的灵敏度与 AA间隙成反比 B间隙成正比 C间隙平方成反比 D间隙平方成正比（8）下列测力传感器中，属于发电型测力传感器的是BA.电容式 B磁电感应式 C自感式 D应变式（9）铜电阻传感器在温度为0时的阻值有BA1、150两种 B50、1OO两种C100、150两种 D150、200两种 （10）.传感器灵敏度通常表示 DA.输入量/输出量 B.输入量/输出量的增量 C.输出量/输入量 D.输出量的增量/输入量的增量答案：( 1.A D 2.A C 3.B 4. C 5.D 6.B 7.A 8.B 9.B 10.D) 3画出下列传感器的电路图形符号 1、光敏电阻；2、光敏晶体管；3、光电池；4、光电耦合器（至少画2种）；5、光敏二极管；6、发光二极管；7、压电元件；8、霍尔元件；9、热敏电阻；10、气敏传感器。答案：1、 2、 3、4、 5、6、 7、 8、9、 10、4、填写如下电磁波波谱图方框中波的名称（5分）1、金属丝应变片，电阻变化率RR= k=0.01 ，非线性误差R2R =0.5 ；半导体应变片， 电阻变化率RR= k=0.13 ，非线性误差R2R= 6.5 。2传感器的静态特性指标主要有线性度、线性度、迟滞、重复性、阈值、灵敏度、稳定性、噪声、漂移等，而影响动态特性指标的主要参数是相位、振幅、频率。3红外光敏二极管只能接收红外光信号，对其他 光没有响应。4电容式传感器，变极距型多用于检测小位移，变面积型主要用于检测线位移、角位移，变介电常数型可用于检测液面高度、介质厚度、料位等参数。5、在弹性范围内金属的泊松系数可表示为金属受力时的 轴向应变 和 径向应变关系，其表达式为 ，金属电阻丝应变片的灵敏系数为 6半导体材料在光线作用下，入射光强改变物质导电率的现象称光电导效应，基于这种效应的器件有光敏电阻；半导体材料吸收光能后在PN结上产生电动势的效应称光生伏特效应，基于这种效应的器件有光敏二极管、光敏晶体管、光伏电池。7两个不同的金属导体两端分别连在一起构成闭合回路，如果两端温度(T、To)不同时，回路中会产生电动势，这种现象称热电效应；热电势主要由接触电势和温差电势两个部分组成，所以能够产生热电势的必要条件是两种金属两端的接触和两端的温差。8. 磁电感应式传感器利用当导体在均匀磁场中，沿垂直磁场方向运动时，导体内产生的感应电动势为 。传感器输出电动势可表示为9、利用差动变压器测量位移时如果要求区别位移方向(或正负)可采用相敏检波电路。10、半导体应变片的灵敏度比金属电阻应变片的灵敏度要 高 。1红外传感器主要有热探测器（热电型）、光子探测器（光子型）两大类型。其中热释电元件通过光热电的两次转换过程实现红外检测的。光子探测器是将入射的红外光子直接转变为器件的传导电子或空穴，或同时转变为电子-空穴对。13、在光线作用下，物体中电子吸收的入射光子能量超过逸出功A0时，物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象称为外光电效应。向外发射的电子叫光电子。14、国际电工委员会(IEC)规定了国际统一信号，过程控制系统的模拟直流电流信号为420 mA，模拟直流电压信号为15 V。15、频率在能为人耳所闻的机械波，称为声波；低于16 Hz的机械波，称为次声波；高于的机械波，称为超声波；频率在之间的波，称为微波。微波是波长为0.1 m1 mm的电磁波，对应的波段频率范围为300 MHz3000 GHz。（11）变间隙式电容传感器的灵敏度与 AA间隙成反比 B间隙成正比 C间隙平方成反比 D间隙平方成正比（12）根据爱因斯坦假设：光子能量与电子的动能有如下关系 AA. B. C D、 （13）铂电阻传感器在温度为0时的标称值有Ro= B A1、150两种 B10、1OO两种C100、150两种 D150、200两种 （14）.传感器灵敏度通常表示 DA.输入量/输出量 B.输入量/输出量的增量 C.输出量/输入量 D.输出量的增量/输入量的增量简述题1.CCD器件的中文全称如何描述(英文含义)?CCD器件在结构上分为哪两个部分?这两个部分在器件工作时分别起到什么作用? （5分）答：CCD (Charge Coupled Devices)电荷耦合器件又称图像传感器。CCD图像传感器主要由光电转换（MOS光敏元阵列）和电荷读出（读出移位寄存器）两部分组成，光电转换的功能是把入射光转变成电荷，按像素组成电荷包存贮在光敏元件之中，电荷的电量反映该像素元的光线的强弱，电荷是通过一段时间(一场)积累起来的。产生与照在它们上面的光强成正比的光生电荷图像电荷读出是把各个电容器里的电荷依次传送到它处，再组成行和帧并经过“显影”，就实现了图像的传递。2热电偶测温为什么要进行参考端温度补偿?有哪几种参考端温度补偿方法? 答 (1)因为热电偶的输出电动势仅反映出两个结点的温度差，为了使输出电动势能正确反映被测温度的真实值，要求参考端恒为0，而实际热电偶使用的环境不能保证这点，所以要进行补偿。 (2)补偿方法：0恒温法、计算修正法、仪表机械零点调整法、电位补偿法、电桥补偿法， 冷端延长线法(注：答对3个即可)3、画出霍尔传感器原理图和霍尔传感器基本测量电路，并简述其原理 答：置于磁场中的静止载流导体，当它的电流方向与磁场方向不一致时，载流导体上垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势，这种现象称霍尔效应该电动势称为霍尔电动势。如图79所示，在垂直于外磁场B的方向上放置一导电板，导电板通以电流I，方向如图所示导电板中的电流使金属中自由电子在电场作用下做定向运动。此时，每个电子受洛伦兹力fL的作用，fL大小为 式中：e电子电荷； v电子运动平均速度； B磁场的磁感应强度。 fL的方向如图79所示，此时电子除了沿电流反方向做定向运动外，还在fL的作用下漂移，结果使金属导电板内侧面积累电子，而外侧面积累正电荷，从而形成了附加内电场EH，称霍尔电场，该电场强度为 (710)式中； (716) 式中， 称为霍尔片的灵敏度。4、传感器的性能参数反映了传感器的什么关系?静态特性参数中线性度描述了传感器的什么特征?传递函数的定义是什么? （5分）答：传感器的性能参数反映了传感器的输入信号与输出信号之间的关系。静态特性参数中线性度L是表征实际特性与拟合直线不吻合的参数。传感器的传递函数在数学上的定义是：初始条件为零(t0，y=0)，输出拉氏变换与输入拉氏变换之比，故输出的拉氏变换等于输入拉氏变换乘以传递函数，表示为设计题1.应用电容传感器测量金属带材在轧制过程中的厚度。 要求： (1)画出原理图； (2)说明其工作原理。答(1) (注：只画出上极板或下极板给两分，同时画出上、下极板给2分。)(2)在带材上下表面各置一块面积相等，与带材距离相等的极板，(1分) 与板材形成两个电容器，把两块极板用导线连接起来，成为一个极板，带材则是一个流动极板，其 C=C上+C下。(1分)金属带材在向前送进过程中，若厚度发生变化，将引起上、下间隙变化，从而引起C上、C下变化，(1分)将其接入后续测量电路，可得与厚度变化一致的电压信号(或直接从仪表上显示厚度变化)。计算题分析与计算 1图1329a所示悬臂梁，距梁端部为L位置上下各粘贴完全相同的电阻应变片R1、已知电源电压U=4V，R=250 是固定电阻，并且当有一个力F作用时，应变片电阻变化量为R=25，请分别求出图1329b、c、d、e四种桥臂接法的桥路输出电压Uo。图1329 悬臂梁及电路结构解：由上图直流电桥电路中，E=U为直流电源，为桥臂电阻，Uo为输出电压。电桥输出电压可表示为图b)为单工作片桥路，当(等臂电桥)时，在四个桥臂阻值相等,且R1的增量为R1时，桥路输出电压为=4/42.5/250=0.01(V)=10(mV)图c)由于R为两对面桥臂R1、R4的增量Uo=ER+RR+2R-RR+2R=RR+2R=42.52.5+2250=0.0199（V）=19.9(mV)图d)半桥差动电路，故 即 Uo=4/22.5/250=20(mV)图e) 全桥差动电路，输出电压为 即 Uo=42.5/250=40(mV)1有一吊车的拉力传感器如图13-30所示，其中电阻应变片贴在等截面轴上。已知标称阻值桥路电压为2V，物重M引起变化增量R=1.2。请完成以下内容： (1)画出应变片组成的直流电桥电路，标出各应变片； (2)计算出测得的电桥输出电压和电桥输出灵敏度； (3)说明R3、R4起到什么作用? 解：（1） 画出应变片组成的直流电桥电路，标出各应变片； Ui=2V(2)计算出测得的电桥输出电压和电桥输出灵敏度； 其输出电压为 Uo=4Ui4RR=4241.2120=2010-3V=20mV全桥差动电路电桥输出灵敏度 K=Ui=2(3)说明R3、R4起到什么作用?若将电桥四臂接入四个工作应变片，称全桥差动电路，传感器上R3、R4，构成全桥差动电路。电桥初始条件平衡，并有电路连接如上图所示。受力时使试则全桥差动电路输出电压为 全桥电压灵敏度为 作用：全桥差动电路输出电压灵敏度不仅没有非线性误差，而且电压灵敏度为单臂电桥工作时的4倍，同时具有温度补偿作用。3 有一平面直线位移差动传感器，其测量电路采用变压器交流电桥，结构组成如题5-7图。电容传感器起始时极距=2 mm，极间介质为空气，测量电路试求当动极板上输入-位移量x=5 mm时，电桥的输出