传感原理.docx

名词解释：霍尔系数 RH称为霍尔系数，它的单位是米的三次方每库仑，由半导体材料的性质决定。 热电效应当受热物体中的电子（空穴），因随着温度梯度由高温区往低温区移动时，所产生电流或电荷堆积的一种现象。压电效应没有外电场，只是因形变产生的极化现象。横向效应将电阻丝绕成敏感栅后，虽然长度不变，但其直线段和圆弧段的应变状态不同，其灵敏系数K较整长电阻丝的灵敏系数K0小的现象。电阻应变效应金属导体的电阻值随着它受力所产生机械变形（拉伸或压缩）的大小而发生变化的现象。应变效应金属导体的电阻值随着它受力所产生机械变形（拉伸或压缩）的大小而发生变化的现象称之为金属的电阻应变效应。变磁阻效应一定条件下，导电材料的电阻值R随磁感应强度B的变化规律。电致伸缩 在外电场作用下电介质所产生的与场强二次方成正比的应变。光生伏特效应将受到光照射时产生电位差的现象。光电效应 光照射到物体上使物体发射电子，或导电率发生变化，或产生光生电动势等，这些因光照引起物体电学特性改变的现象。中间温度定律热电偶回路两接点（温度为T、T0）间的热电势，等于热电偶在温度为T、Tn时的热电势与在温度为Tn、T0时的热电势的代数和。气敏传感器 气敏传感器是一种检测特定气体的传感器。它主要包括半导体气敏传感器、接触燃烧式气敏传感器和电化学气敏传感器等霍尔元件霍尔元件是一种基于霍尔效应的磁传感器。用它们可以检测磁场及其变化，可在各种与磁场有关的场合中使用。露点 又称露点温度。在气象学中是指在固定气压之下，空气中所含的气态水达到饱和而凝结成液态水所需要降至的温度。相对温度因为现实生活中做不到绝对温度，所以一般的温度都称为相对温度。相对湿度相对湿度，指空气中水汽压与饱和水汽压的百分比。也可表示为湿空气中水蒸气分压力与相同温度下水的饱和压力之比。中间导体定律在热电偶回路中接入中间导体（第三导体），只要中间导体两端温度相同，中间导体的引入对热电偶回路总电势没有影响绝对温度在压力一定时，温度每升高1，一定量气体的体积的增加值（膨胀率）是一个定值，体积膨胀率与温度呈线性关系。 磁敏传感器感知磁性物体的存在或者磁性强度(在有效范围内)这些磁性材料除永磁体外，还包括顺磁材料(铁、钴、 镍及其它们的合金)当然也可包括感知通电(直、交)线包或导线周围的磁场。霍尔电动势 大小正比于控制电流和磁感应强度。湿度传感器湿度是气象观测的基本参数之一，将湿度转换成电信号的装置成为湿度传感器。光电导效应又称为光电效应、光敏效应，是光照变化引起半导体材料电导变化的现象。1、内光电效应按工作原理可分为几种，说明其原理，并指出基于该效应的光电器件有哪些？（1）、外光电效应：指在光的照射下，材料中的电子逸出表面的现象。光电管及光电倍增管均属这一类。它们的光电发射极，即光明极就是用具有这种特性的材料制造的。（2）、 内光电效应：指在光的照射下，材料的电阻率发生改变的现象。光敏电阻即属此类。（3）、光生伏特效应：利用光势垒效应，光势垒效应指在光的照射下，物体内部产生一定方向的电势。光电池是基于光生伏特效应制成的，是自发电式有源器件。2、写出下列传感器的两种典型用途：霍尔传感器，电容式传感器，电涡流式传感器，压电式传感器，光电式传感器。霍尔传感器用于:位移测量，力测量电容式传感器用于:加速度测量，压力测量电涡流式传感器用于:震动测量，电涡流安全门压电式传感器用于:加速度测量，超大负荷的压电陶瓷微位移器光电式传感器用于:光敏电阻，光电池3、简述下图所示电涡流位移传感器的工作原理和特点：它由绕在扁矩形框架上的线圈构成，它利用被测导体圆筒和传感器线圈之间相对覆盖的变化所引起的电涡流效应强弱的变化来测量位移。此类电涡流传感器轴向灵敏度高，径向灵敏度低；而被测导体和线圈间隙由于运动很难保持不变，将会影响测试结果。4、为什么高频工作时的电容式传感器器连接的电缆长度不能任意变化？为什么电容式传感器易受干扰？电缆在低平状态下的电阻极小，而在高频状态下他自身的寄生参数就需要考虑，电缆长度变化这些参数也会跟着变化，进而影响高频信号的质量。电容式传感器的容量受其电极的几何尺寸等限制，一般为几十到几百皮法，使传感器的输出阻抗很高。因此传感器的负载能力差易受外界干扰影响而产生不稳定现象。5、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（或半导体）组成一个闭合回路。热电偶测量端和参考端之间必须有误差。6、超声波传感器的发射与接收分别利用什么效应，检测原理是什么？超声波传感器主要利用压电材料（晶体、陶瓷）的压电效应，其中超声波发射器利用逆压电效应制成发射元件，将高频电振动转换为机械振动产生超声波；超声波接收器利用正压电效应制成接收元件，将超声波机械振动转换为电信号。7、在以钢为材料的实心圆柱体上沿轴线和周围方向上各帖了一片电阻值为120的金属应变片R1、R2，如图2（a）表示把这两个应变片接入电桥，如图2(b)所示。如果钢的泊松系数=0.285，应变片的灵敏度系数K=2,电桥电源电压U=2V，当试件受到轴向拉伸时，测得应变片R1的电阻变化值R1=0.48，求：（1）轴向应变量（2）电桥的输出电压8、热电偶温度传感器的输入电路如下图所示，已知铂铑热电偶在温度0-100之间变化时，其平均热电势波动为6V/，桥路中供桥电压为4V，三个锰铜电阻（R1、R2、R3）的阻值均为1，铜电阻的温度系数=0.004/,已知当温度为0时电桥平衡，为了使热电偶的冷端温度在0-50范围内其热电势得到完全补偿，试求 可调电阻的阻值R5。9、什么是霍尔效应，利用霍尔传感器可以进行哪些量的测量？（至少回答5个）。将半导体薄片置于一个磁场中，当在垂直于磁场的方向通入电流时，在垂直于电流和磁场的方向上产生电场的现象称为霍尔效应。位移测量 角速度测量 线速度测量 力测量 加速度测量10、 试述如图所示惯性传感器的工作原理。将机械能转换为电能，m为重物，m的位移会影响电容的电极距离，从而影响电容值，根据电容的变化会出现一个电信号的变化，通过采集电信号的值来确定惯性值。11、简述石英晶体的三个晶轴。石英晶体有三个互相垂直的轴，其中Z轴为与六个侧平面平行的方向，光线通过Z轴时不发生折射，也称之为晶体的光轴，与Z轴垂直且经过六棱柱棱线的轴为X轴，共有三个X轴，垂直于x0z平面的轴成为Y轴。12、简述光电伏特效应。人们将受到的光照射时产生点位差的现象称为光生伏特效应。如果光线照射在太阳能电池上并且光在界面层被吸收，具有足够能量的光子能够在P型硅和N型硅中将电子从共价键中激发，以致产生电子空穴对。界面层附近的电子和空穴在复合之前，将通过空间电荷的电场作用被相互分离。电子向带正电的N区和空穴向带负电的P区运动。通过界面层的电荷分离，将在P区和N区之间产生一个向外的可测试的电压。此时可在硅片的两边加上电极并接入电压表。对晶体硅太阳能电池来说，开路电压的典型数值为0.50.6V。通过光照在界面层产生的电子空穴对越多，电流越大。界面层吸收的光能越多，界面层即电池面积越大，在太阳能电池中形成的电流也越大。13、简述差动自感式传感器产生零位电压的原因。差动自感式传感器当衔铁位于中间位置时，电桥输出理论上应为零，但实际上总存在零位不平衡电压输出(零位电压)，造成零位误差。措施：一种常用的方法是采用补偿电路，其原理为：（1）串联电阻消除基波零位电压；（2）并联电阻消除高次谐波零位电压；（3）加并联电容消除基波正交分量或高次谐波分量。另一种有效的方法是采用外接测量电路来减小零位电压。如前述的相敏检波电路，它能有效地消除基波正交分量与偶次谐波分量，减小奇次谐波分量，使传感器零位电压减至极小。此外还可采用磁路调节机构(如可调端盖)保证磁路的对称性，来减小零位电压。14、光纤传感器一般可以分为几类。按工作原理分。一类是传光型，也称非功能型光纤传感器，又可以细分为光线传输回路型和光纤探头型。另一类是传感型，或称功能型光纤传感器，又可以细分为干涉型，非干涉型和光电混合型。15、用镍铬-镍硅热电偶测温时，参考端温度Tn=20,仪表测得热电势E(T,Tn)=7.33mV,求实际被测温度。工作端温度/摄氏度20212223242550100200镍铬-镍硅/mv镍铬-镍铝/mv0.800.840.880.920.961.002.024.108.13解：查表得E（tn,t0）=0.8mv中间温度定律：E（t，t0)=E（t，tn)+E（tn，t0)=7.33+0.8=8.13mv查表得实际被测温度为20016、有一台变间隙非接触式电容测微仪，其传感器的极板半径r=4mm,与被测工作的初始间隙d0=0.3mm，求（1）如果间隙变化量d=10um，电容变化量为多少？ （2）如果测量电路灵敏度ku=100mv/pF,则在d=1um时输出电压为多少？17、何谓变磁阻式传感器？常用来测量哪些参数？变磁阻式传感器将位移、转速、加速度等非电物理量转换为磁阻变化的传感器。对1,压力测量，2,力与力矩测量，3.加速度测量 4.位移的测量 5.振幅的测量 6.厚度测量 7.转速测量 18、压电元件常用多片串联或并联的结构形式。在不同接法下输出电压，电荷，电容的关系，它们分别适用于何种应用场合？（1）在压电式传感器中，为了提高灵敏度，往往采用多片压电芯片构成一个压电组件。其中最常用的是两片结构；根据两片压电片的连接关系，可分为串联和并联连接。（2）如果按相同极性粘贴，相当两个压电片（电容）串联。输出总电容为单片电容的一半，输出电荷与单片电荷相等，输出电压是单片的两倍；适合测量变化较快且以电压输出的场合；若按不同极性粘贴，相当两个压电片（电容）并联，输出电容为单电容的两倍，极板上电荷量是单片的两倍，但输出电压与单片相等，适合测量变化较慢且以电荷输出的场合。19、应变片的灵敏系数与金属电阻丝的灵敏系数的区别与联系电阻丝的灵敏系数是指电阻丝的单位应变所引起的电阻相对变化。应变片的灵敏系数是指应变片的单位应变所引起的应变片电阻相对变化。由于横向效应，应变片的灵敏系数恒小于同一材料金属丝的灵敏系数。20、热电式传感器分类及各自特点热电式传感器是利用转换元件电磁参量随温度变化的特性，对温度和温度有关的参量进行检测的装置。它可分为两大类：热电阻传感器和热电偶传感器。（1）热电阻传感器的特点：高温度系数、高电阻率；化学、物理性能稳定，以保证在使用温度范围内热电阻的测量准确性；良好的输出特性，即必须有线性的或接近线性的输出；良好的工艺性，以便于批量生产、降低成本。（2）热电偶传感器的特点：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。21、内光电效应的分类，并举例说明内光电效应是光电效应的一种，主要由于光作用，引发物质电化学性质变化（比如电阻率改变，这是与外光电效应的区别，外光电效应则是逸出电子）。内光电效应又可分为光电导效应和光生伏特效应。光电导效应：当入射光子射入到半导体表面时，半导体吸收入射光子产生电子空穴对，使其自生电导增大。光生伏特效应：当一定波长的光照射非均匀半导体（如PN结），在自建场的作用下，半导体内部产生光电压。PN结光伏效应的一个重要的应用，是利用光照射时，PN结产生的光生电压制造把太阳光能转化成电能的器件。光电探测器也是对半导体光电效应的重要应用。光电探测器是指对各种光辐射进行接收和探测的器件。22、什么是超声波？频率范围是多少？超声波是一种频率高于20000赫兹的声波，它的方向性好，穿透能力强，易于获得较集中的声能，在水中传播距离远，可用于测距、测速、清洗、焊接、碎石、杀菌消毒等。频率范围20Khz500MHz。23、一只X切型的石英晶体压电元件，其d11=2.31*10e-12C/N，相对介电常数r = 4.5，横截面积A=5cm e2，厚度t=0.5cm。求：（1）沿石英晶体电轴方向施加力的作用，产生电荷的压电效应称为什么？若沿着电轴方向受Fx=9.8N的压力作用时两电极间输出电压值为多大？（2）若此元件与高输入阻抗运放连接时连接电缆的电容为Cc=4pF，该压电元件的输出电压值为多大？解：24、单组式变面积型平板线位移电容传感器，极板宽度b=5mm，两极板的间隙d=0.5mm，极板间介质为空气，0=8.85*10 e -12 F/m,试求静态灵敏度。若极板相对位移1mm，求其电容变化量。解：25、简述光纤的基本结构，并基于几何光学的原理，说明其传光原理。纤芯位于光纤中心，包层位于纤芯外层，纤芯和包层即组成裸光纤，一次涂层保护裸纤而在其表面涂上聚氨基甲酸或者硅酮树脂层，套层又称二次涂覆或被覆层，经过二次涂覆的裸光纤称为光纤芯绒。光纤是利用几何光学的全反射原理制作而成的，全反射是一种特殊的折射现象，当光线从一种介质1射向另一种介质2时，本来应该有一部分光进入介质2，称为折射光，另一部分光反射回介质1，称为反射光。但当介质1的折射率大于介质2的折射率，既光从光密介质射向光疏介质时，折射角是大于入射角的，所以当增大入射角，折射角也增大，但折射角先增大到90度，此时（入射角叫临界角）折射光消失，只剩下反射光，称为全反射现象。光纤通信利用的就是全反射的道理，光纤在结构上有中心和外皮两种不同介质，光从中心传播时遇到光纤弯曲处，会发生全反射现象，而保证光线不会泄漏到光纤外26、什么是绝对湿度？相对湿度？表示空气的物理量有哪些？如何表示？在标准状态下(760mmHg)每立方米湿空气中所含水蒸汽的重量为绝对湿度，即水蒸汽的体积密度.相对湿度RH指在某一温度下混合气体中存在的 水蒸气压同饱和蒸气压的百分比。27、超声波传感器的发射与接收分别利用什么效应，检测原理是什么？超声波传感器主要利用压电材料（晶体、陶瓷）的压电效应，其中超声波发射器利用逆压电效应制成发射元件，将高频电振动转换为机械振动产生超声波；超声波接收器利用正压电效应制成接收元件，将超声波机械振动转换为电信号。28、常用的热电阻材料有哪些，各自使用范围是什么？铂、铜为应用最广的热电阻材料。铂容易提纯，在高温和氧化性介质中化学、物理性能稳定，制成的铂电阻输出输入特性接近线性，测量精度高。铜在-50150范围内铜电阻化学、物理性能稳定，输出输入特性接近线性，价格低廉。当温度高于100时易被氧化，因此适用于温度较低和没有浸蚀性的介质中工作。29、什么是中间温度定律？它有什么实际意义？中间温度定律：回路总热电势等于热电偶势与连接导线电势的代数和。意义：为定制分度表奠定了理论基础。 30、利用热电偶测温必须具备哪两个条件？利用热电偶测温必须具备的两个条件为：（1）用两种不同材料作热电极；（2）热电偶两端的温度不能相同。31、用石英晶体加速度计及电荷放大器测量机器振动，已知：加速度计德灵敏度为2.5PC/g。电荷放大器灵敏度为80mv/pc，当机器达到最大加速度时，相应输出电压幅值为4v，试求该机器的震动加速度。（g为重力加速度）32、某霍尔元件尺寸为L=10mm，W=3.5mm，D=1.0mm，沿L方向通以电流I=1.0ma，在垂直于L和W的方向上加有均匀磁场B=0.3T，灵敏度为22V/(A.T)，试求输出霍尔电势及其载流子浓度。解：=22x10-3x0.3v=6.6mvN=1Khed=1221.610-1910-3=2.841020m333、何为电阻应变效应？怎样利用这种效应制成应变片？导体在受到拉力或压力的外界力作用时，会产生机械变形，同时机械变形会引起导体阻值的变化，这种导体材料因变形而使其电阻值发生变化的现象称为电阻应变效应。当外力作用时，导体的电阻率r、长度l、截面积S都会发生变化，从而引起电阻值R的变化，通过测量电阻值的变化，检测出外界作用力的大小。34、为什么电容式传感器的绝缘，屏蔽和电缆问题特别重要？如何解决？电容式传感器由于受结构与尺寸的限制，其电容量都很小，属于小功率、高阻抗器，因此极易受外界干扰，尤其是受大于它几倍、几十倍的、且具有随机性的电缆寄生电容的干扰，它与传感器电容相并联，严重影响传感器的输出特性，甚至会淹没没有用信号而不能使用。 解决：驱动电缆法、整体屏蔽法、采用组合式与集成技术35、什么是应变片的灵敏系数？它与金属电阻丝的灵敏系数有何不同，为什么？金属丝灵敏系数k0主要由材料的几何尺寸决定的。(1+2m)，电阻率的变化为(Dr/r)/e。而实际应变片的灵敏系数应包括基片、粘合剂以及敏感栅的横向效应。虽然长度相同，但应变状态不同，金属丝做成成品的应变片（粘贴到试件上）以后，灵敏系数降低了。36、简述磁敏电阻与磁敏二极管的特点。磁敏电阻是一种对磁敏感、具有磁阻效应的电阻元件。磁敏电阻通常用锑化铟（InSb）或砷化铟（InAs）等对磁具有敏感性的半导体材料制成。当外加磁场的方向或强度发生变化时，磁敏电阻的阻值相应改变，利用该变化，可精确地测试出磁场的相对位移。磁敏二极管是其特点是体积小， 灵敏度高。37、压电材料的主要特性参数有哪些？比较两类压电材料的应用特点。主要特性：压电常数、弹性常数、介电常数、机电耦合系数、电阻、居里点。压电单晶：时间稳定性好，居里点高，在高温、强辐射条件下，仍具有良好的压电性，且机械性能，如机电耦合系数、介电常数、频率常数等均保持不变。此外，还在光电、微声和激光等器件方面都有重要应用。不足之处是质地脆、抗机械和热冲击性差。压电陶瓷：压电常数大，灵敏度高，制造工艺成熟，成形工艺性好，成本低廉，利于广泛应用，还具有热释电性。38、什么参考电极定律？它有什么实际意义？参考电极定律：参考电极与各种电极配对时的总热电势为两电极配对后的电势之差。意义：利用参考电极定律可以大大简化热电偶选配工作。39、光电效应可分为几类？什么是外光电效应？基于外光电效应工作的光电器件有哪些？各自特点是什么？光电效应可分为内光电效应和外光电效应。当用光照射物体时，物体受到一连串具有能量的光子的轰击，于是物体材料中的电子吸收光子能量而发生相应的电效应（如电阻率变化、发射电子或产生电动势等）。这种现象称为光电效应。1）当光线照在物体上,使物体的电导率发生变化，或产生光生电动势的现象叫做内光电效应，内光电效应又分为光电导效应和光生伏特效应。入射光强改变物质导电率的物理现象称光电导效应，典型的光电器件有光敏电阻；光照时物体中能产生一定方向电动势的现象叫光生伏特效应，光电池、光敏晶体管。2）在光线作用下，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，典型的光电器件有光电管、光电倍增管。40、镍铬-镍硅热电偶灵敏度为0.04mv/，把它放在温度为1200处，若以指示仪表作为冷端，此处温度为50，求热电势大小。 解： E(1200,50)= (1200-50)0.04=46(mV)41、试计算下图所示各电容传感器元件的总电容表达式（极板的有效面积为A，真空介电常数为0）42、将一支灵敏度为0.08mv/的热电偶与电压表相连，电压表接线端的温度为50，电压表上的读数为60mv，求热电偶端温度？解：由EAB(T、T0)= EAB(T、Tn)+ EAB(Tn、T0 )得60/0.08+50=800（u=0.08t所以 t=60/0.08=750又 t=t-50所以 t=750+50=800）43、有一只压电晶体，厚度t=0.2mm，圆片半径r=1mm，相对介电常数r=4.5，在0度x切型的纵向石英晶体压电系