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传感器复习第一章 绪 论传感与测控技术的概念传感与测控技术的组成，并举例说明。传感器的定义:能感受规定的被测量并按照一定规律转换成某种可用信号的器件或装置。能够把特定的被测量信息（如物理量化学量、生物量等）按一定规律转换成某种可用信号的器件或装置，称为传感器。传感器的组成:传感器通常由敏感元件和转换元件组成。其中，敏感元件是指传感器中能直接感受被测量的部分;转换元件指传感器中能将敏感元件输出转换为适于传输和测量的电信号部分.一般讲传感器由 敏感元件 和 转换元件 组成，但由于传感器输出信号一般很微弱，需要将其放大或转换为容易传输、处理、记录和显示的形式。传感检测系统目前正迅速地由模拟式、数字式，向智能化方向发展。 测试系统是将被测参数自动转换成具有可直接观测指示或等效信息的测试设备，其中关键单元是传感器。传感器的输出量通常为（电量信号 ）下列物理量中可以用气敏传感器来测量的是（湿度烟雾浓度 ）试简述传感器在国民经济中的作用简述传感器的组成与分类简述传感器的主要发展动向第二章 传感器的一般特性1、传感器的基本特性: 传感器的输入输出关系特性.一个高精度的传感器,必须具有良好静态和动态特性.2、研究传感器静态特性的指标有精度、重复性、线性度、迟滞、灵敏度、分辨率、阈值和稳定性。线性度：指传感器输出与输入之间的线性程度。迟滞：传感器在输入值增长的过程中（正行程）和减少的过程中（反行程），同一输入量输入时，输出值的差别，是传感器的一个性能指标。灵敏度：传感器的输出量变化和输入量变化之比。传感器能感知的输入变化量越小， 表示传感器的(分辨力越高 )3、研究传感器动态特性可以从时域和频域两个方面采用瞬态响应法和频率响应法来分析。传感器动态特性指标有( 过冲量（过调量） 固有频率 上升时间 响应时间 等 ) 某传感器的微分方程如下：试求该传感器的传递函数和频率响应函数，并计算时间常数和灵敏度。4、传感器无失真测试的条件是 A（）=A0 和 （）=-0 。理想传感器的幅频特性应当为常数；相频特性应当为线性关系。5、传感器的标定分为动态标定 和静态标定两种。6、传感器静态特性标定步骤。传感器的静态标定主要是检验、测试传感器的静态特性指标，如静态灵敏度、非线性、迟滞、重复性等。静态特性标定的标准是在静态标准条件下进行的。静态标准条件是指没有加速度、振动、冲击（除非这些量本身就是被测物理量）；环境温度一般为205；相对湿度不大于85；大气压力为101.38 kPa时的情况。1.将传感器、仪器连接好；2.将传感器全量程（测量范围）分成为若干等分点，记录仪显示传感器在某一点的输出最大值并保持一定的时间，然后记录下来。依次一点一点加载至满量程，依次一点一点记录标定传感器的输出值； 3.按上述过程，对传感器进行多次往复循环测试，将得到输出输入测试数据组，用表格列出或画成曲线；4.对数据进行必要的处理，根据处理结果就可以得到传感器的灵敏度、线性度、重复性、迟滞等静态特性指标。第三章 传感器中的弹性敏感元件弹性敏感元件是通过物体弹性变形这一特性，把力、力矩或压力转换成为相应的应变或位移，然后配合其它各种形式的传感元件，将被测力、力矩或压力转换成电量的一种元件。弹性敏感元件使用广泛，在测试技术中占有重要的地位。1、弹性特性作用在弹性敏感元件上的外力与该外力引起的相应变形（应变、位移式转角）之间的关系称为弹性元件的特性。弹性特性可能是线性的、也可能是非线性的。弹性特性可由刚度或灵敏度来表示。刚度可以反映元件抵抗弹性变形能力的强弱。灵敏度：传感器的输出量变化和输入量变化之比。为刚度的倒数 （1） 有A、B两种原理相同的传感器，A传感器在输入由15变为20时，输出变化量为30；B传感器在输入变化2时，输出由7变为19.4，试比较两种传感器的灵敏度。当几个弹性敏感元件串联时，系统总的灵敏度为 2、弹性滞后对弹性元件进行加载，可绘制一条弹性特性曲线，然后卸载，可绘制另一条弹性特性曲线。我们发现，两条曲线往往并不重合，这种现象称为弹性滞后，3、弹性后效弹性元件上载荷发生改变时，相应的变形往往不能立即完成，而是在一个时间间隔内逐渐完成，这种现象称为弹性后效。4、固有振动频率5、在设计传感器时,对弹性敏感元件材料何要求。对弹性敏感元件材料的基本要求归纳如下： （1）弹性滞后和弹性后效要小； （2）弹性模量的温度系数要小； （3）线膨胀系数要小且稳定； （4）弹性极限和强度极限要高； （5）具有良好的稳定性和耐腐蚀性； （6）具有良好的机械加工和热处理性能。6、弹性敏感元件经常使用的弹性敏感元件有弹性圆柱（空心和实心）、悬臂梁（等截面悬臂梁和等强度悬臂梁）、扭转棒、弹簧管、薄壁圆筒、圆形膜片和波纹管等。7. 已知某传感器中弹性敏感元件的刚度为8000N/m，等效质量为210-3kg，试计算该传感器的固有振荡频率。第四章 电容式传感器1、电容式传感器是能把某些非电量物理量的变化通过一个可变电容器，转换成电容量的变化的装置。电容测量技术不但广泛用于位移、振动、角度、加速度等机械量的精密测量，还应用于压力、差压、液面、料面、成分含量等方面的测量。2、两个平行板组成的电容器的电容量为3、当被测参数使得式中的A、d或e 发生变化时，电容量C也随之变化。如果保持其中两个参数不变，而仅改变另一个参数，就可把该参数的变化转换为电容量的变化。因此，电容量变化的大小随着被测参数的大小而变化。在实际的使用中，电容式传感器分为三类：变间距式、变面积式和变介电常数式。改变平行极板间距 d的传感器可以测量微米数量级的位移，而变化面积A的传感器则适用于测量厘米数量级的位移，变介电常数式电容式传感器适用于液面、厚度的测量。在电容式传感器中，变间隙式一般用来测量 微小的线位移；变面积式一般用来测量 角位移或较大的线位移 ；变介电常数式常用来测量 固体或液体的物位 。4、简述影响电容式传感器精度的因素及提高措施。（1）边缘效应的影响：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。为了消除边缘效应的影响，可以采用带有保护环的结构。（2）寄生电容的影响：消除和减小寄生电容影响的方法主要有缩小传感器至测量线路前置极的距离；驱动电缆法；整体屏蔽法。（3）温度的影响主要包括对结构尺寸的影响和对介质介电常数的影响。5、电容传感器的灵敏度在变间隙的电容式传感器中，极板面积为A ，初始距离为d0 ，以空气为介质，真空介电常数为，初始电容为C0 ，当间隙d0减小时，则电容增加。试求理想状态下，该电容传感器的灵敏度。极板面积为A，初始距离为d0，以空气为介质（er=1），电容器的电容为 若电容器极板距离初始值 d0减小Dd，其电容量增加DC，即 由上式，电容的相对变化量为 因为d/d1，按幂级数展开得 输出电容的相对变化C/C与输入位移d之间的关系是非线性的，当d/d1时可略去非线性项（高次项），则得近似的线性关系式而电容传感器的灵敏度为 电容式传感器灵敏度系数K的物理意义是：单位位移引起的电容量的相对变化量的大小。6试分析空气介质的变间隙式电容传感器的输出特性。7简要分析变面积电容式传感器的工作原理第五章 电感式传感器1、电感式传感器工作原理公式： S为空气隙截面积，d为空气隙长度，m0为空气的磁导率。线圈品质因数L：电感 f：频率2、变磁阻式传感器可分为变气隙厚度的电感式传感器、变气隙面积的电感式传感器、变铁心磁导率的电感式传感器，在这三种传感器中，变气隙面积的电感式传感器的输出特性具有线性特性。3、电涡流传感器的工作原理。电感线圈产生的磁力线经过金属导体时，金属导体就会产生感应电流，该电流的流线呈闭合回线，类似水涡形状，故称之为电涡流。电涡流式传感器是以电涡流效应为基础，由一个线圈和与线圈邻近的金属体组成。当线圈通入交变电流I时，在线圈的周围产生一交变磁场H1，处于该磁场中的金属体上产生感应电动势，并形成涡流。金属体上流动的电涡流也将产生相应的磁场H2，H2与H1方向相反，对线圈磁场H1起抵消作用，从而引起线圈等效阻抗 Z或等效电感L或品质因数相应变化。金属体上的电涡流越大，这些参数的变化亦越大。差动变压器传感器不仅可以直接用于 位移 测量，还可以用于测量与其有关的任何机械量。电涡流式传感器的测量系统由 电感线圈 和 金属板 两部分组成。利用两者之间的 电磁场 耦合来完成测量任务。差动螺线管式电感传感器配用的测量电路有（差动相敏检波电路）。通常用差动变压器传感器测量（位移、振动、加速度、厚度 ）。4如图变气隙型电感式传感器，变气隙型电感式传感器的电感计算公式为，衔铁截面积S1=S2=4mm4mm，气隙长度=0.8mm，衔铁最大位移=0.08mm,激励线圈匝数N=2500匝,导线直径d=0.06mm,电阻率=1.7510-6cm,当激励电源频率f=4000Hz时,忽略漏磁和铁损,真空磁导率计算:1) 线圈的电感值2) 线圈电感的最大变化量5已知变气隙式电感传感器的磁路总长度为l，线圈匝数为W，线圈截面积为S，气隙厚度为，磁路的有效磁导率为，相对磁导率为s，试分析变气隙式电感传感器的输出特性。第六章 压电式传感器1、压电式传感器是利用某些物质的压电效应制作的传感器。压电元件是一种典型的力敏元件，能测量最终可变换为力的各种物理量，例如压力、加速度、机械冲击和振动等。因此，在声学、力学、医学和宇航等许多部门都可见到压电式传感器的应用。2、压电效应是可逆的，即有两种压电效应：其一为正压电效应，当沿着一定方向对某些电介质施加力而使其变形时，在一定表面上产生电荷，当外力去掉后，又重新回到不带电的状态；其二是逆压电效应，当在介质的极化方向施加电场时，这些电介质就在一定的方向上产生机械变形或机械应力；当外加电场撤去后，这些变形或应力也随之消失。可见压电式传感器是一种典型的“双向传感器”。3、天然结构的石英晶体是六角形晶体，在直角坐标系中将其分为光轴、电轴和机械轴，通常把沿电轴方向的力作用下产生的压电效应称为纵向压电效应；通常把沿机械轴方向的力作用下产生的压电效应称为横向压电效应。图7-11 压缩型压电式加速度传感器的结构原理图（a）结构图；（b）单自由度二阶力学系统4、当沿着一定方向对某些电介质施力而使它变形时，其内部就产生极化现象，同时在它的两个表面上便产生符号相反的电荷；当外力去掉后，又重新恢复不带电状态，这种现象称为压电效应。当作用力的方向改变时，电荷的极性也随着改变。相反，当在电介质的极化方向上施加电场，这些电介质也会产生变形，这种现象称为逆压电效应（电致伸缩效应）。5、为了使压电元件能正常工作，它的负载电阻（即前置放大器的输入电阻R；）应有极高的值。因此与压电元件配套的测量电路的前置放大器有两个作用：一是放大压电元件的微弱电信号；二是把高阻抗输入变为低阻抗输出。6、根据压电元件的工作原理，前置放大器有两种形式：一种是电压放大器，其输出电压与输入电压（压电元件的输出电压）成正比，另一种是电荷放大器，其输出电压与输入电荷成正比。压电传感器根据输出类型，前置放大器可分为电荷放大器 和 电压放大器 。7、压电材料一般可分为单晶体压电晶体和多晶体压电陶瓷两类。在压电式传感器中，一片压电材料上所加的电压为U，电荷量为，输出电容为C；如采用两片压电材料“并联”后，其输出电容为 2C ，输出电荷量为 2Q ；如采用两片压电材料“串联”后，其输出电容为 C/2 ，输出电荷量为 Q 。压电陶瓷是人工制造的多晶体，是由无数细微的电畴组成。电畴具有自极极化 方向，经过 极化处理 的压电陶瓷才具有压电效应。8简述石英晶体x、y、z轴的名称及其特点天然结构的石英晶体是六角形晶体，在直角坐标系中将其分为光轴、电轴和机械轴，通常把沿电轴方向的力作用下产生的压电效应称为 ；通常把沿机械轴方向的力作用下产生的压电效应称为 。9分析石英晶体上电荷符号与受力方向的关系第七章 磁电式传感器1、磁电式传感器的工作原理公式： 2、霍尔传感器的工作原理。半导体薄片置于磁感应强度为B 的磁场中，磁场方向垂直于薄片，当有电流I 流过薄片时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势EH，这种现象称为霍尔效应。作用在半导体薄片上的磁场强度B越强，霍尔电势也就越高。霍尔电势EH可用下式表示：EH=KH IB霍尔电势与输入电流I、磁感应强度B成正比，且当B的方向改变时，霍尔电势的方向也随之改变。如果所施加的磁场为交变磁场，则霍尔电势为同频率的交变电势。 4.压磁式传感器的工作原理是：某些铁磁物质在外界机械力作用下，其内部产生机械压力，从而引起极化现象，这种现象称为 压磁效应 。相反，某些铁磁物质在外界磁场的作用下会产生机械变形，这种现象称为 逆压磁效应 。试画出变磁阻式电感传感器的等效电路第八章 热电式传感器1、热电式传感器是利用其敏感元件的特征参数随温度变化的特性，对温度及与温度有关的参量进行测量的装置。其中，将温度量转换为电阻和电势是目前工业生产和控制中应用最为普遍的方法。将温度变化转换为电阻变化的称为热电阻传感器；将温度变化转换为热电势变化的称为热电偶传感器。图10-1 热电效应2、热电效应：当导体或半导体材料两端温度不相等时，高温端因受热而具有较大动能的自由电子向低温端扩散形成电子流。高温端失去电子带正电，低端获得电子带负电。这种物理现象叫热电效应，由温差引起的电热差称做热电势。3、常用于测量温度的热电式传感器为热电偶和热电阻两种所谓热电效应是指两种不同导体A、B的两端连接成如图10-1所示的闭合回路。若使连接点分别处于不同温度场T0和T（设TT0），则在回路中产生由于接点温度差（TT0）引起的电势差。通常把两种不同金属的这种组合称为热电偶，A和B称为热电极，温度高的接点称为热端（或工作端），温度低的接点称为冷端（或自由端）。4、区分温差电势和接触电势。两种不同导体或半导体连接成一闭合回路，闭合电路中流过电流I，则在一个接点处产生热量W，而另一接点处吸收热量，此现象为珀尔帖效应。两种不同金属的接点处产生的电动势称为珀尔帖电势,也称接触电势对于同一种导体或半导体，不同位置具有不同温度时，有电流I流过，此现象称为汤姆逊效应。此时两接点处产生的电动势称为汤姆逊电势,也称温差电势汤姆逊效应与珀尔帖效应相近，前者是同一种导体或半导体的组合，后者是不同导体或半导体的组合。5. 热电阻是利用半导体 的电阻值随温度变化较显著的特点制成的一种热敏元件6. 湿敏电阻是一种 阻值 随环境相对湿度 变化而变化的敏感元件。7在热电偶中，当引入第三个导体时，只要保持其两端的温度相同，则对总热电动势无影响。这一结论被称为热电偶的_中间导体_定律。8用某热电偶测量温度，其标准分度表如下。当冷端温度为30度时，测得热电势为39.17mV，问实际温度是多少度？温度/30928946977994电势/mV1.237.9739.1740.3741.25EAB（T，T0）= EAB（T）-EAB（T0）第九章 光电传感器1、光电式传感器是利用光电器件把光信号转换成电信号的装置。当光照射在某些物体上时，光能量作用于被测物而释放出电子，这种现象称为光电效应。所放出的电子叫光电子，能产生光电效应的敏感材料称作光电材料。2、光电效应一般分为外光电效应和内光电效应两大类。3、外光电效应：在光线的作用下能使电子逸出物体表面的现象称为外光电效应，4、基于外光电效应的光电元件有光电管、紫外光电管、光电倍增管、光电摄像管等。 5、内光电效应是指某些半导体材料在入射光能量的激发下产生电子空穴对，致使材料电性能改变的现象。6、内光电效应可分为因光照引起半导体电阻值变化的光导效应和因光照产生电动势的光生伏特效应两种。7、因光照产生电动势的内光电效应称为光生伏特效应8、基于光导效应的光电器件有光敏电阻；9、基于光生伏特效应的光电器件有光电池、光敏二极管、光敏三极管、光电位置敏感器件（PSD）。 10光电池是利用光电器件的 光生伏特效应 来进行工作的11.举例说明图象传感器的用途CCD图象传感器的应用主要在以下几方面： 1）计量检测仪器：工业生产产品的尺寸、位置、表面缺陷的非接触在线检测、距离测定等。 2）光学信息处理：光学文字识别、标记识别、