填空和简答.doc

一、填空（每题2分，共20分）1传感器是能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或装置，传感器通常由直接响应于被测量的敏感元件 和产生可用信号输出的转换元件以及相应的信号调节转换电路组成。2传感器由 敏感 元件、 转换 元件和 信号调节与转换 电路组成3通常用传感器的 动态特性 和 静态特性 来描述其输出输入特性4测量系统的静态特性指标主要有线性度、迟滞、重复性、分辨力、稳定性、温度稳定性、各种抗干扰稳定性等。5线性度和灵敏度是传感器的静态指标，而频率响应特性是传感器的动态指标。6传感器静态特性的性能指标包括 灵敏度 、 线性度 、 迟滞(滞环) 、 重复性 、漂 移。 (精确度、稳定度、量程范围、分辨率、静态误差)7传感器的灵敏度是指稳态标准条件下， 输出量增量 与 相应的输入量增量 之比。线性传感器的灵敏度是个 常数 8传感器的动态响应特性包括 瞬态（阶跃）响应 特性和 频率（正弦信号）响应 特性9电阻应变片的工作原理是基于 应变效应 ，导体或半导体材料在 外界力的作用 下产生 机械变形 时，其 电阻值 发生相应变化，这种现象称为 应变效应 。10电阻应变片产生温度误差的主要因素是 电阻温度系数 的影响和 试件材料和电阻丝材料的线膨胀系数 的影响。11直流电桥的各桥臂只能是 电阻 元件，电源为 直流 电源12电感式传感器主要有 变磁阻（自感）式 、 变压器（互感）式 、涡流式三种类型13变磁阻式传感器由 线圈 、 铁芯 、 衔铁 三部分组成14螺线管式差动变压器由一个 初级线圈 、两个 次级线圈 和插入线圈中央的圆柱形铁芯 等组成15使用电涡流传感器测量时，被测体电阻率越 大 ，相对导磁率越 小 ，传感器线圈。激磁电流频率越 低 ，则电涡流 贯穿深度 越大。16电涡流传感器可用于位移测量、振幅测量、转速测量和无损探伤。17变极距型电容传感器做成差动结构后，灵敏度提高原来的2倍。而非线性误差转化为平方反比关系而得以大大降低。18根据工作原理电容式传感器分为 变极距（变间隙）式 、 变面积式 、变介电常数式 三种类型19改善单极式变极距型电容传感器的非线性的方法是采用 运算放大器式 电路。20电容式传感器信号转换电路中，运放电路适用于单个电容量变化的测量，二极管环形检波电路和宽度脉冲调制电路用于差动电容量变化的测量。21光沿石英晶体的光轴传播，不产生 双折射现象 ， 沿光轴方向作用力时不产生 压电效应22石英晶体中经过六面体棱线并垂直于光轴的X方向称为 电轴 ，沿X方向的力作用下产生电荷的效应，称为 纵向压电 效应，与X轴和光轴同时垂直的Y方向称为 机械轴沿Y轴方向的力作用下产生电荷的效应，称为 横向压电 效应23压电式传感器不能用于 静态 测量，只适用于 动态 测量24压电陶瓷经 极化处理后 才具有压电特性25某些电介质当沿一定方向对其施力而变形时内部产生极化现象，同时在它的表面产生符号相反的电荷，当外力去掉后又恢复不带电的状态，这种现象称为极化效应；在介质极化方向施加电场时电介质会产生形变，这种效应又称电致伸缩效应。26半导体材料的压阻效应是半导体材料在受到应力作用后，其电阻率发生明显变化，这种现象称为压阻效应。27材料的霍尔常数等于其 电阻率 与 电子迁移率 乘积。28金属材料虽然载流子迁移率很高，但 电阻率很小 所以霍尔常数小。绝缘材料电阻率极高，但 电子迁移率极低 所以霍尔常数小29影响霍尔元件输出零点的因素是 不等位电势（电阻） 和 寄生直流电势 30霍尔元件存在不等位电势和不等位电阻的原因是 霍尔电极位置不对称（不在同一等位上面）、 半导体材料不均匀 、 激励电极接触不良 31 霍尔元件存在直流寄生电势的原因是 激励电级与霍尔电极接触不良 、两个霍尔电极大小不对称 32霍尔元件并联的特点是（1） 霍尔电流大 （2） 受磁阻效应影响小 霍尔元件串联的特点是（1） 霍尔电流小 （2） 受磁阻效应影响大33制作霍尔元件应采用的材料是半导体材料，因为半导体材料能使截流子的迁移率与电阻率的乘积最大，而使两个端面出现电势差最大。34光电效应分为(1) 外光电 效应，相对应的光电器件是 光电管 、 光电倍增管 (2) 内光电 效应，相对应的光电器件是 光敏电阻 、 光敏二极管 、 光敏晶体管 、 光电池 35光电效应通常分为三类。第一类是利用在光线作用下光电子逸出物体表面的外光电效应，这类元件有光电管、光电倍增；第二类是利用在光线作用下使材料内部电阻率改变的内光电效应，这类元件有光敏电阻；第三类是利用在光线作用下使物体内部产生一定方向电动势的光生伏特效应，这类元件有光电池、光电仪表。36光电耦合器件分为(1) 光电耦合器 用于 实现电隔离 (2) 光电开关 用于 检测有无物体 37CCD的中文名称是 电荷耦合器件 ，其基本单元是 MOS电容器 ，此基本单元又称为 光敏元（像素），CCD的电信号是 电荷 38CCD的信号电荷产生有 光信号注入 和 电信号注入 两种方法39光纤的数值孔径是表征 光钎集光本领 的重要参数40光纤的传输损耗主要来源于 材料吸收损耗 、 散射损耗 、 光波导弯曲损耗 41光钎传感器从功能上分为 功能（传感）型传感器 和 传光型传感器 两大类42光钎传感器从信号调制方法上分为 光强调制型传感器 、相位调制型传感器 、偏振调制型传感器 三类。43亮场微弯传感器检测 纤芯中光强度 的变化，暗场微弯传感器检测 包层中光强度 的变化。两者相比较 暗场微弯传感器 检测灵敏度高。44光强调制型光纤传感器利用（1） 光纤微弯效应 （2） 被测信号改变光纤对光波的吸收特性 （3） 被测信号改变光纤的折射率 （4） 两相位光纤间通过有倏逝波的耦合 （5） 发送光纤与接收光纤之间相对横向或纵向位移以改变接收光强 五种方式来实现光强调制45多数气敏元件都附有加热器，它的作用是将附作在敏感元件表面的 尘埃、油雾等 烧掉，加速 气体的吸附 ，提高器件的 灵敏度 和 响应度 。46湿敏电阻分为 氯化锂 湿敏电阻和 半导体 湿敏电阻两大类47半导体色敏传感器是在同一硅基片上具有两个 深浅不同 的PN结，其中浅结 对 短波长光 响应好，深结对 长波长光 响应好48超声技术是通过超声波 产生 、 传播 、 接收 的物理过程完成的49超声波具有 聚束 、 定向 、 反射 、 透射 等特性50超声波传感器的吸收块（阻尼块）的作用是降低晶片的 机械品质 吸收 声能量 四、简答题（每小题6分，共30分）l试述传感器的定义、共性及组成。 答：传感器的定义：能感受被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置；传感器的共性：利用物理定律和物质的物理、化学或生物特性，将非电量(如位移、速度、加速度、力等)转换为电量(电压、电流、电容、电阻等)；传感器的组成：传感器主要由敏感元件和转换元件组成。 2什么是传感器动态特性和静态特性，简述在什么频域条件下只研究静态特就能够满足通常的需要，而在什么频域条件下一般要研究传感器的动态特性？（答：传感器的特性是指传感器所特有性质的总称。而传感器的输入输出特性是其基本特性，一般把传感器作为二端网络研究时，输入输出特性是二端网络的外部特性，即输入量和输出量的对应关系。由于输入量的状态（静态、动态）不同分静态特性和动态特性。静态特性是指当输入量为常量或变化极慢时传感器输入-输出特性。动态特性指当输入量随时间变化时传感器的输入-输出特性。可以从时域和频域来研究动态特性3什么是传感器的动态特性？它有哪几种分析方法？各有哪些主要性能指标？答：传感器的动态特性是指输入量随时间变化时传感器的响应特性。分析方法：时域分析法，其性能指标主要有 时间常数 延迟时间td 上升间tr 峰值时间tp 超调量 衰减比d频域分析法，其性能指标主要有 通频带 工作频带 时间常数 固有频率 相位误差 跟随角。4检测系统由哪几部分组成? 说明各部分的作用。答：一个完整的检测系统或检测装置通常是由传感器、测量电路和显示记录装置等几部分组成，分别完成信息获取、转换、显示和处理等功能。当然其中还包括电源和传输通道等不可缺少的部分。下图给出了检测系统的组成框图。检测系统的组成框图传感器是把被测量转换成电学量的装置，显然，传感器是检测系统与被测对象直接发生联系的部件，是检测系统最重要的环节，检测系统获取信息的质量往往是由传感器的性能确定的，因为检测系统的其它环节无法添加新的检测信息并且不易消除传感器所引入的误差。测量电路的作用是将传感器的输出信号转换成易于测量的电压或电流信号。通常传感器输出信号是微弱的，就需要由测量电路加以放大，以满足显示记录装置的要求。根据需要测量电路还能进行阻抗匹配、微分、积分、线性化补偿等信号处理工作。显示记录装置是检测人员和检测系统联系的主要环节，主要作用是使人们了解被测量的大小或变化的过程。5什么是测量值的绝对误差、相对误差、引用误差？答：绝对误差是测量结果与真值之差即：绝对误差=测量值真值相对误差是绝对误差与被测量真值之比，常用绝对误差与测量值之比，以百分数表示，即：相对误差=绝对误差/测量值100%引用误差是绝对误差与量程之比，以百分数表示，即：引用误差=绝对误差/量程100%6什么是系统误差和随机误差?正确度和精密度的含义是什么? 它们各反映何种误差?答：系统误差是指在相同的条件下，多次重复测量同一量时，误差的大小和符号保持不变，或按照一定的规律变化的误差。随机误差则是指在相同条件下，多次测量同一量时，其误差的大小和符号以不可预见的方式变化的误差。正确度是指测量结果与理论真值的一致程度，它反映了系统误差的大小，精密度是指测量结果的分散程度，它反映了随机误差的大小。7金属电阻应变片与半导体材料的电阻应变效应有什么不同?答：金属电阻的应变效应主要是由于其几何形状的变化而产生的，半导体材料的应变效应则主要取决于材料的电阻率随应变所引起的变化产生的。8试分析变面积式电容传感器和变间隙式电容的灵敏度?为了提高传感器的灵敏度可采取什么措施并应注意什么问题?答：如图所示是一直线位移型电容式传感器的示意图。当动极板移动x后，覆盖面积就发生变化，电容量也随之改变，其值为C=b（a-x）/d=C0-bx/d （1）电容因位移而产生的变化量为其灵敏度为 可见增加b或减小d均可提高传感器的灵敏度。直线位移型电容式传感器9为什么说变间隙型电容传感器特性是非线性的?采取什么措施可改善其非线性特征?答：下图为变间隙式电容传感器的原理图。图中1为固定极板，2为与被测对象相连的活动极板。当活动极板因被测参数的改变而引起移动时，两极板间的距离d发生变化，从而改变了两极板之间的电容量C。设极板面积为A，其静态电容量为，当活动极板移动x后，其电容量为 (1)当xd时 则 (2)由式（1）可以看出电容量C与x不是线性关系，只有当 xd时，才可认为是最近似线形关系。同时还可以看出，要提高灵敏度，应减小起始间隙d过小时。但当d过小时，又容易引起击穿，同时加工精度要求也高了。为此,一般是在极板间放置云母、塑料膜等介电常数高的物质来改善这种情况。在实际应用中，为了提高灵敏度，减小非线性，可采用差动式结构。10简述电容式传感器的工作原理？答：根据电容量公式，电容式传感器的基本原理就是基于极板间的电容量与其结构参数之间的关系来实现。也即当被测参数变化使得上式中的S、或发生变化时，电容量C也随之变化。如果保持其中两个参数不变，而仅改变其中一个参数，就可把该参数的变化转换为电容量的变化，这就组成了电容式传感器。11根据电容式传感器工作原理，可将其分为几种类型?每种类型各有什么特点?各适用于什么场合? 答：根据电容式传感器的工作原理，可将其分为3种：变极板间距的变极距型、变极板覆盖面积的变面积型和变介质介电常数的变介质型。 变极板间距型电容式传感器的特点是电容量与极板间距成反比，适合测量位移量。 变极板覆盖面积型电容传感器的特点是电容量与面积改变量成正比，适合测量线位移和角位移。 变介质型电容传感器的特点是利用不同介质的介电常数各不相同，通过改变介质的介电常数实现对被测量的检测，并通过电容式传感器的电容量的变化反映出来。适合于介质的介 电常数发生改变的场合。12试比较自感式传感器与差动变压器式传感器的异同。 答： (1)不同点：1 )自感式传感器把被测非电量的变化转换成自感系数的变化； 2)差动变压器式传感器把被测非电量的变化转换成互感系数的变化。 (2)相同点：两者都属于电感式传感器，都可以分为气隙型、气隙截面型和螺管型。 13以石英晶体为例简述压电效应产生的原理。答：石英晶体在沿一定的方向受到外力的作用变形时，由于内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。这种现象称为正压电效应。反之，如对石英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。石英晶体整个晶体是中性的，受外力作用而变形时，没有体积变形压电效应，但它具有良好的厚度变形和长度变形压电效应。14为什么说压电式传感器只适用于动态测量而不能用于静态测量?答：因为压电式传感器是将被子测量转换成压电晶体的电荷量，可等效成一定的电容，如被测量为静态时，很难将电荷转换成一定的电压信号输出，故只能用于动态测量。15光电效应有哪几种?与之对应的光电元件各有哪些?答：光电效应有外光电效应、内光电效应和光生伏特效应三种。基于外光电效应的光电元件有光电管、光电倍增管等；基于内光电效应的光电元件有光敏电阻、光敏晶体管等；基于光生伏特效应的光电元件有光电池等。16光电传感器由哪些部分组成?被测量可以影响光电传感器的哪些部分?答：光电传感器通常由光源、光学通路和光电元件三部分组成，如图所示。图中1是光源发出的光信号，2是光电器件接受的光信号，被测量可以是x1或者x2，它们能够分别造成光源本身或光学通路的变化，从而影响传感器输出的电信号I。光电传感器设计灵活，形式多样，在越来越多的领域内得到广泛的应用。17简述光纤传感器的工作原理。答：光导纤维工作的基础是光的全内反射，当射入的光线的入射角大于纤维包层间的临界角时，就会在光纤的接口上产生全内反射，并在光纤内部以后的角度反复逐次反射，直至传递到另一端面。光纤传感器利用光导纤维，按其工作原理来分有功能型（或称物性型、传感型）与非功能型（或称结构型、传光型）两大类。功能型光纤传感器其光纤不仅作为光传播的的波导，而且具有测量的功能。非功能型光纤传感器其光纤只是作为传光的媒介，还需加上其他敏感元件才能组成传感器。18试解释外光电效应器件和内光电效应器件各自的工作基础并举例。答：外光电效应器件的工作基础基于外光电效应。所谓外光电效应，是指在光线作用下，