传感器原理期末复习提纲.doc

传感器复习提纲第6章 压电式传感器(考四个)2 压电材料的主要特性参数有哪些?试比较三类压电材料的应用特点。特性参数：压电常数、弹性常数、介电常数、机电耦合系数、电阻、居里点；应用特点：压电晶体常用于精度和稳定性要求高的场合和制作标准传感器； 压电陶瓷可制作热电传感器件用于红外探测器中，对高稳定性的传感器压电陶瓷受限制； 新型压电材料包括压电半导体和有机高分子压电材料，前者既可用其压电性研制传感器又可用其半导体特性制作电子器件，两者结合集元件与电路为一体，研制成新型集成压电传感器系统；后者可制成大面积阵列传感器乃至人工皮肤。3 试述石英晶片切型(yxlt+50/45)的含意。xy表示晶片的原始方位，x表示厚度t的方向，y表示长度l的方向，逆时针旋转相应角度50、45。4 为了提高压电式传感器的灵敏度，设计中常采用双晶片或多晶片组合，试说明其组合的方式和适用场合。上面两个是串联，下面两个是并联：串联：电压相等、电容相加、电荷相加，适用于点和输出、低频信号测量的场合。并联：电荷相等、电压相加、电容减小适用于高频信号测量、回路高输入阻抗及电压输出场合。7 简述压电式传感器前置放大器的作用、两种形式各自的优缺点及其如何合理选择回路参数?电压放大器.作用：把压电期间的高输出阻抗变换为传感器的低输出阻抗，并保持输出电压与输入电压成正比；优点：电路简单、成本低、工作稳定可靠；缺点：存在电缆干扰现象。电荷放大器.作用：把压电器件高内阻的电荷源变换为传感器低内阻的电压源，以实现阻抗匹配，并使其输出电压与输入电荷成正比；优点：电路线性较好，无接长和变动电缆的后顾之忧；缺点：零漂现象。8 已知ZK-2型阻抗变换器的输入阻抗为2000M，测量回路的总电容为1000pF。试求：当与压电加速度计相配，用来测量1Hz的低频振动时产生的幅值误差。9 一只压电式压力传感器灵敏度为9pCbar，将它接入增益调到0005VpC的电荷放大器，放大器的输出又接到灵敏度为20mmV的紫外线记录纸式记录仪上。(1)试画出系统方框图；(2)计算系统总的灵敏度；(3)当压力变化35bar时，试计算记录纸上的偏移量。12压电式传感器的前置放大器的形式和作用（参考第7题）。13石英晶体的直角坐标是如何定义的？x轴与a轴重合为电轴，穿过六菱体的菱线，在垂直于次轴的面上压电效应最强；y轴垂直m面为机轴，在电场的作用下，沿该轴方向的机械变形最明显；z轴与c轴重合为光轴，也叫中性轴，光线沿该轴通过石英晶体时，无折射，沿z轴方向上没有压电效应。第7章 热电式传感器（没有大题）1 热电式传感器有哪几类?它们各有什么特点?热电阻传感器：高温度系数、高电阻率、化学、物理性能稳定、良好的输出特性、良好的工艺性、便于批量生产、降低成本。热电偶传感器：结构简单、制造方便、测温范围宽、热惯性小、准确度高、输出信号便于远传。2 常用的热电阻有哪几种?适用范围如何?铂：一般在册亮精度要求不高和测温范围较小时采用；铜：使用于温度较低和没有浸蚀性的介质中工作3 热敏电阻与热电阻相比较有什么优缺点?用热敏电阻进行线性温度测量时必须注意什么问题?优点：电阻温度系数大、灵敏度高、结构简单、体积小、可以测量点的温度、电阻率高、热惯性小适宜动态测量、易于维护和进行远距离控制、制造简单、使用寿命长。缺点：互换性小、非线性严重。4 热电偶的构成，利用热电偶测温必须具备哪两个条件?两种不同材料的导体作热电极，如右图中导体A、B接触在一起产生接触电势和温差电势，在两者之间产生热电势，回路中，形成一定大小的电流。7 用镍铬-镍硅热电偶测得介质温度为800,若参考端温度为25，问介质的实际温度为多少?t=介质温度+K*参考温度800+1*25=8258热敏电阻可分为哪三类？按照物理特性：负温度系数热敏电阻（NTC）、正温度系数热敏电阻（PTC）、临界温度系数热敏电阻（CTR）第8章 光电式传感器2 何谓外光电效应、光电导效应和光生伏特效应?外光电效应：在光线的作用下，物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象；光电导效应：在光线的作用下，电子吸收光子能量从键合状态过渡到自由状态，而引起材料电导率变化的现象；光生伏特效应：在光线的作用下能使物体产生一定方向的电动势的现象。3 试比较光电池、光敏晶体管、光敏电阻及光电倍增管在使用性能上的差别。6 何谓PSD? 简述其工作原理及应用。PSD位置敏感器件；工作原理：当光照射到硅光电二极管的某一位置时，结区产生的空穴载流子向P层漂移，而光生电子则向N层漂移，到达P层的空穴分成两部分：一部分沿表面电阻R1流向1端形成光电流I1；另一部分沿表面电阻R2流向2端形成光电流I2。当电阻层均匀时，R2/R1=X2/X1，则光电流I1/I2=R2/R1=X2/X1，故只要测出I1和I2便可求得光照射的位置。应用：在机械加工中可用作定位装置，也可用来对振动体、回转体作定动分析及作为机器人的眼睛。7 简述线型CCD图像传感器的工作原理及应用。应用:用来检测一维变量，如尺寸加工、回旋体偏摆等；辅以机械扫描可获得二维图像；容易获得沿器件方向上的高空间分辨率，在空中及宇宙对地面的摄像、传真记录与慢扫描电势中均获得应用。线型传感器由一列感光单元和一列CCD并行而构成的，基本结构如图所示。每个感光单元都与一个电荷耦合元件对应。感光元件阵列的各元件都是一个个耗尽的MOS电容器，它们具有一个梳状公共电极，当梳状电极呈高电压时，入射光所产生的光电荷由一个个光敏元收集，实现光积分。在光积分时间结束的时刻，转移栅的电压提高，与光敏元对应的电荷耦合移位寄存器电极也同时处于高电平状态，然后降低梳状电极电压，各光敏元中所积累的光电荷并行转移到寄存器中，转移完毕后，转移栅电压降低，梳状电极电压恢复原来的高压状态以迎接下一次积分周期，同时电荷耦合移位寄存器上加上时钟脉冲，将存储的电荷迅速从CCD中转移，并在输出端串行输出。这个过程重复进行就得到相继的行输出，从而读出电荷图形。8 试指出光电转换电路中减小温度、光源亮度及背景光等因素变动引起输出信号漂移应采取的措施。9.半导体色敏传感器的基本工作原理？P+ - N P是深结的二极管N-P和浅结的二极管P+ - N。三个区域及其间的势垒区中都有光子吸收但效果不同，三个区域对紫外光部分吸收系数较大，对红外光部分吸收系数较小，浅结的那只光电二极管对紫外光的灵敏度高，深结的对红外光的灵敏度高。也就是说在半导体中不同区域对不同的波长分别具有不同的灵敏度。根据这一特性，可以实现对颜色的识别，也就是说可以用来测量入射光的波长，利用上述光电二极管的特性，可得不同结深二极管的光谱响应曲线如图所示，图中PD1代表浅结二极管，PD2代表深结二极管。在具体应用时，测出该器件两只光电二极管的短路电流的比值，两者的比值与入射单色光波长的关系就可以确定，实测出某一单色光时的短路电流的比值，就可以确定该单色光的波长。10 简述光电传感器的主要形式及其应用。形式：按照输出量性质可以分为模拟式和开关式两种，其中模拟式光电传感器有透射式、反射式、遮光式、辐射式四种工作方式。应用：光电式数字转速仪、光电式物位传感器、视觉传感器、细丝类物件的在线检测11 举出您熟悉的光电传感器应用实例，画出原理结构图并简单说明原理。光源为视觉系统提供足够的照度、镜头将被测场景中的目标成像到摄像器件的像面上，并转变为全电视信号，计算机系统负责对图像进行处理、分析、判断、识别，最终给出测量结果。9 试说明图8-30(b)所示光电式数字测速仪的工作原理。(1)若采用红外发光器件为光源，虽看不见灯亮，电路却能正常工作，为什么?(2)当改用小白炽灯作光源后，却不能正常工作，试分析原因。原理:图（a）表示转轴上涂黑白两色的工作方式，当电机转动时，反光与不反光交替出现，光电元件间断地接收反射光信号，输出电脉冲。经放大整形电路转换成方波信号，由数字频率计测得电机的转速。图（b）为电机轴上固定装一齿数为z的调制盘的工作方式，工作原理与图（a）相同。若频率计的计数频率为f，由n=60f/z 可测出转轴的转速n(r/min)。13光电池与外电路连接有哪两种方式，它们与光强之间是什么关系?一种是把PN结的两端通过外导线短接，形成流过外电路的电流，这电流称为光电池的输出短路电流，其大小与光强成正比；另一种是开路电压输出，开路电压与光照度之间呈分线性关系。第9章光纤传感器9-1 解释光纤数值孔径的物理意义。光纤数值孔径是衡量光纤集光性能的主要参数，它表示：无论光源发射功率多大，只有2c张角内的光才能被光纤接收，传播（全反射），NA越大，光纤的集光能力越强。9-2 有一阶跃光纤，已知n1=1.46，n2=1.45，外部介质为空气，n0=1。试求光纤的数值孔径值和最大入射角。9-3 举例说明光纤传感器各种调制方式的原理和应用。9-4（必考） 如图所示：反射式光强调制器的输出信号(如电压)与光源的稳定性和被测物表面的反射率有关。试问：能否设计一种结构可消除这两种不利影响?第10章数字式传感器（四个大题）10-1 试解释直线式感应同步器滑尺上的两相绕组间的距离可以是(n/2+14)W的原因。定尺是长度为250mm均匀分布的连续绕阻，节距W2=2（a2+b2），。滑尺上布有断续绕阻，分正弦（L-L）和余弦（z-z）两部分，即两绕阻相差90电角度。为此，两绕阻中心线距应为L1=(n/2+1/4)W2，其中n为正整数。两相绕阻节距相同，均为W1=2（a1+b1）。10-2 直线式感应同步器在接长使用时应注意哪些问题?标准型直线式感应同步器定尺的长度为250mm，在使用中，滑尺要全部覆盖在定尺上，当测量长度超过150mm时，需要用多块定尺接长使用。定尺接长后会产生全行程测量误差，可采用如图所示的接发使它接近于单块定尺的最大误差 1 3 4 2这种接法既保证了衔接处的误差变化平滑，全程误差又比较小。定尺接长后对性能的另一个影响是输出电势减弱，可用串、并联组合接线的方法来改善。与光栅传感器相比，它抗干扰能力强，对环境要求低，机械结构简单，接长方便。10-3（大） 试述光栅利用莫尔条纹进行位移测量的基本原理。（a）光栅(b)莫尔条纹1-主光栅；2-指示光栅a为刻度线宽度，b为缝隙宽度，W=a+b为栅距，一般a=b=W/2。指示光栅较主光栅短得多，也刻着与主光栅同样密度的线纹。将这样两块光栅叠合在一起，并使两者沿刻线方向成一很小的夹角由于遮光效应在光栅上出现阴暗相间的条纹，如（b）所示，两块光栅的刻线相交处，形成亮带；一块光栅的刻线与另一块的缝隙相交处，形成暗带，明暗相间的条纹称为莫尔条纹，若改变角，两条莫尔条纹间的距离B随之变化，间距B与栅距W(mm)和夹角 (rad)的关系可用下式表示：B=W/2sin( / 2)W/ 。莫尔条纹与两光栅刻线夹角的平分线保持垂直。当两光栅沿刻线的垂直方向做相对运动时，莫尔条纹沿着夹角平分线的方向移动，其移动方向随两光栅相对移动方向的改变而改变。光栅每移动一个栅距，莫尔条纹相应移动一个间距。当夹角很小时，很容易读出莫尔条纹的数目，根据光栅栅距的位移和莫尔条纹位移的对应关系，通过测量莫尔条纹移过的距离，就可以测出小于光栅栅距的微位移量。10-4（大） 根据图辨向原理，当主光栅向左或向右运动时，试画出其电路各点的波形，并分析辨向的工作原理。1,2-光电元件；3-莫尔条纹；4-指示光栅为了辨向，尚需提供另一路莫尔条纹信号，并使两信号的相位差为/2，通常采用在相隔1/4条纹间距的位置上安放两个光电元件来实现，如图所示。正向移动时，输出电压分别为u1和u2，经过整形电路得到两个方波信号u1和u2。u1经过微分电路后和u2相“与”得到正向移动的加计数脉冲。在光栅反向移动时，u1经反相后再微分并和 u2相“与”，这时输出减计数脉冲。 u2的电平控制了 u1的脉冲输出，使光栅正向移动时只有加计数脉冲输出；反向移动时，只有减计数脉冲输出。10-6 按表画出格雷码的码盘编码图案。7 （大）感应同步器的工作原理和分类。分类：测量直线位移为直线式感应同步器和测量角位移为旋转式感应同步器。工作原理：如图10-6所示，当滑尺绕组用正弦电压激磁时，将产生同频率的交变磁通，它与定尺绕组耦合，在定尺绕组上感应出同频率的感应电势。感应电势的幅值除与激磁频率、耦合长度、激磁电流和两绕组的间隙等有关外，还与两绕组的相对位置有关。设正弦绕组上的电压为零，余弦绕组上加正弦激磁电压，并将滑尺绕组与定尺绕组简化如图10-7所示。当滑尺位于A点时，余弦绕组左右侧的两根导片中的电流在定尺绕组导片中产生的感应电势之和为零。当滑尺向右移，余弦绕组左侧导片对定尺绕组导片的感应要比右侧导片所感应的大。定尺绕组中的感应电势之和就不为零。当滑尺移到1/4节距位置（10-7B点）时，感应电势达到最大值。若滑尺继续右移，定尺绕组中的感应电势逐渐减小。到1/2节距时，感应电势为零。再右移滑尺，定尺中的感应电势开始增大，但电流方向改变。当滑尺右移至3/4节距时，定尺中的感应电势达到负的最大值。再移动一个节距后，两绕组的耦合状态又周期地重复如图（10-7A点所示曲线1）。同理，由滑尺正弦绕组产生的感应电势如图10-7曲线2所示。以上分析可见，定尺中的感应电势随滑尺的相对移动呈周期性变化；定尺的感应电势是感应同步器相对位置的正弦函数。若滑尺的正弦与余弦绕组上分别加上正弦电压us=Us*sinwt和uc=Uc*sinwt，但定尺上的感应电势es和ec可用下式表达：es=KwUs*coswt*sin 或者es= -KwUs*coswt*sinec=KwUc*coswt*sin 或者ec= -KwUc*coswt*sin其中，K-耦合系数；-与位移x等值得电角度，=2x/W2。8（大）光电增