现代传感技术复习思考题2

1、现代传感技术复习思考题1. 传感器的基本概念是什么？一般情况下由哪几部分组成？答：根据国标，传感器的定义为：能够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，通常由敏感元件和转换器件构成。2. 传感器有几种分类形式，各种分类之间有什么不同？答：按基本效应分类、按构成原理分类、按作用原理分类、按能量关系分类、按敏感材料分类、按输入量分类、按输出信号分类、按与某种高新技术结合分类。各种分类方法都具有相对的合理性，从学习的角度来看，按传感器的工作原理分类，对理解传感器的工作原理、。工作机理十分有利；从使用的角度分析，按被测量分类，为正确选择传感器提供了方便。3. 举例说明结构型传感器

2、与物性型传感器的区别。答：结构型：以转换元件结构参数变化实现信号转换。如：电容传感器、硅光电池、电涡流传感器。物性型：以转换元件物理特性变化实现信号转换。如：光栅传感器、应变片。4. 传感器与传感技术概念有什么不同？答：联系与区别：1、传感器是获取信息的工具，是一种能够反特定的实测量信息按一定规律转化成可用信号输出的器件或装置；2、传感器技术是关于传感器设计、制造和开发应用的综合技术；3、传感技术是以传感器为核心逐渐外延，与物理学、测量学、光学、机械学、材料学、计算机科学等多门学科密切相关，多种技术相互渗透、相互结合而形成的一种新技术密集型前沿学科；传感技术是信息获取技术，是信息技术的三大支柱

3、之一。5. 物质、能量和信息三者之间的关系是什么？答：1、信息是由能量或物质形态表示的；2、信息是载于能量流传播的；3、信息在传播过程中要消耗能量，维持信息传播必须供给能量；4、信息传播的方面与携带信息的能量流的方向是一致的；5、测量过程中，被测对象应具有足够的负熵才能保证有效测量。6. 传感器所依据的自然定律、规律有哪些？答：1、守恒定律：能量守恒、动量守恒、质量守恒、角动量守恒、电荷守恒和信息守恒定律。2、场的定律关于物质作用的定律。3、物质定律：热平衡现象、传输现象和量子现象。4、统计物理学法则。7. 简述各类基础效应的含义以及与传感器的关系。（如法拉弟磁光效应、光的多普勒效应）答：物性

4、型传感器是利用某些物质的物理性质随外界待测量的作用的原理制作而成的。而新原理、新效应的发现和利用，新型材料的的开发和应用，使传感器得到了很大的发展，并逐步成为传感器发展的主流。主要的基础效应有：1、光电效应：外光电效应、内光电效应（又分为光电导效应及光升伏特效应）；2、电光效应：泡克耳斯效应、克尔效应、光弹效应、电致发光效应、电致变色效应；3、磁光效应：法拉弟效应、磁光克尔效应、科顿-穆顿效应、塞曼效应、光磁效应；4、磁电效应：霍尔效应、磁阻效应、巨磁阻效应；5、热电效应：塞贝克效应、珀尔贴效应、汤姆逊效应6、热释电效应：7、压电：压电效应、逆压电效应；8、压阻；9、磁致伸缩效应：磁致伸缩效应

5、、逆磁致伸缩效应、威德曼效应10、约瑟夫逊效应和核磁共振：隧道效应、直流约瑟夫逊效应、交流约瑟夫逊效应、核磁共振；11、光的多谱勒效应和萨古纳克效应；12、声的多谱勒效应及声电、声光效应；13、与化学相关的效应：科顿效应、中性盐效应、彼德效应、贝克纳赞效应、饱和效应、努森效应；14、纳米效应：表面效应和界面效应、小尺寸效应、宏观量子隧道效应。8. 光纤传感器的工作原理？有哪些类型？考察光纤性能的主要参数是什么？答：光在光纤内部传播时，发生全反射，不断反射，到达别一端，这是光纤的传光原理。光在传输过程中，光纤易受到外界环境影响，从而导致传输光的强度、相位、频率、偏振态等光波量发生变化。通过监测这

6、些量的变化可以获得相应的物理量。研究光纤传感原理实际上是研究光在调制区与外界被测参数的相互关系，即研究光被外界参量调制的原理，外界参量可以引起不同光波量的变化，从而形成不同的调制方法。根据不同的调制方法，分别有强度调制、频率调制、波长调制等不同的调制方法。根据光纤在传感器中的作用，分为：功能型、非功能型、拾光型。数值孔径NA是衡量光纤集光性能的主要参数，其意义是，无论光源发射功率多大，只有入射角处于张角内的光线才能被光纤吸收，并在光纤内部发生全反射，NA越大表示光纤的集光能力越强。9. 传感器一般包括哪些部分，各部分的作用是什么？答：敏感元件：直接感受或响应被测量；转换元件：将敏感元件感受或响

7、应的被测量转换成适合于传输或测量的电信号；转换电路：将电路参数量（如电阻、电容、电感等）转换成便于测量的量（如：电压、电流、频率等）。10. 传感器的静态特性是什么？由哪些性能指标描述？答：指输入信号不随时间变化（或变化很缓慢）时，输出-输入特性。主要性能指标有：量程与测量范围，线性度、滞后、重复性、灵敏度、分辨力、阈值、稳定性、漂移及精度等。11. 传感器的动态特性主要技术指标有哪些？它们的意义是什么？答：时域指标：时间常数，指输出值由零上升到稳定值的63.2%所需的时间；它越短，表示传感器响应越快。上升时间，指输出值从稳态值的10%上升到90%所需的时间。响应时间，指响应曲线衰减到与稳态值

8、之差不超过（2%或5%）所需的时间。超调量，响应曲线第一次超过稳态值之峰高。峰值时间，响应超过稳态值，达到第一个峰值所需的时间。延滞时间，响应曲线达到稳态值50%所需的时间。衰减率，相邻两个波峰（或波谷）高度下降的百分比。稳态误差，无限长时间后传感器的稳态输出值与目标值之间的偏差的相对值。频域指标：截止频率、通频带和工作频带。幅频特性曲线越出确定的公差带所对应的频率，分别称为下截止频率和上截止频率，相应的频率区间称为传感器的通频带。一般取幅值误差为时所对应的频率范围，称为工作频带。谐振频率和固有频率，幅频曲线在某一频率处有峰值，这个工作频率称为谐振频率。固有频率是指在无阻尼时，传感器的自由谐振

9、频率，表征瞬态响应的速度，越大，时间响应速度越快。幅值频率误差和相位频率误差。当传感器测量随时间变化的周期信号时，则必须求出传感器所能测量周期信号的最高频率，以保证在范围内，幅值频率误差和相位频率误差不超过给定值。12. 什么叫测量？什么叫计量？它们之间有什么异同？答：测量以确定被测量值为目的的一系列操作，是人们对于客观事物取得定量认识的一种手段。测量是个比较过程：将被测量同已知量相比较，以确定被测量同选定单位的比值。计量是规范测量的测量。计量依法监督测量工具的准确性和测量行为的规范性。两者的区别在于工作对象的不同，测量的直接目的是得到测量值，计量的目的是保证测量的准确。相信测量工具的是测量，

10、检查测量工具的是计量。13. 说明差动技术的原理及？技术环节。答：结构上采用两个或以上性能完全相同的敏感元件，同时感受相同的环境影响量和方向相反的被测量。测量时加到原理相同，性能一致的两个敏感元件上，但对于输入信号，两个敏感元件的参数变化是成相反方向的；对于环境变化，两个敏感元件的变化是相同方向的，通过变换电路，使有用输出相加，干扰相減便可消除环境变动的影响。14. 说明传感器标定与校准的概念及标定的基本方法。答：标定：是指用标准量来定义被测量的过程。利用标准器具对传感器性能进行定度的过程称标定；校准：传感器使用一段时间以后或经过修理，需要利用标准器具对其性能指标重新进行确认，看其是否可以继续

11、使用或仍符合原先技术指标所规定的要求，这一性能复测过程称为校准。标定的基本方法：利用标准设备或装置产生已知的标准量，作为输入量输入到待标定的传感器，然后将得到的传感器输出量与输入的标准量作比较，从而得到一系列的标定数据或曲线。15. 常见的传感器噪声有哪些？如何抑制这些噪声？答：机械噪声：主要采取减振措施来解决。热噪声：主要采取热屏蔽、恒温措施、对称平衡结构、温度补偿技术来抑制。光噪声：对半导体可采用光屏蔽来抑制。音响噪声：其防护可采用消音、隔音器材隔离，或放在真空容器中，或远离声源，或改变噪音指向等。湿度噪声：通常采用防潮措施。化学噪声：一般采用密封或保持传感器清洁等。电磁噪声：一般通过屏蔽

12、、隔离、使用双绞线、正确且良好的接地等方式来抑制。射线辐射噪声：主要进行射线防护。电路噪声：对于以“路”的形式侵入的干扰，可以采用阻截或给予低阻通路的办法，使干扰不能进入接收电路。16. 在实际应用中如何改善传感器的技术性能？答：1、结构、材料与参数的合理选择；2、差动技术；3、平均技术；4、补偿与校正；5、稳定性处理；6、屏蔽、隔离与干扰抑制；7、零示法、微差法与闭环技术；8、集成化与智能化。17. 选择传感器时应注意哪些问题？答：一般原则：1、根据测量目的、对象与测量环境确定传感器的类型；2、根据传感器的性能指标确定传感器的种类；3、概括测试系统要求确定传感器的种类；4、传感器的商品环境；

13、5、购买与自制。18. 热电偶工作原理、测量电路及应用。答：两种不同导体A和B串接成一闭合回路，如果两结合点1和2出现温差，在回路中就有电流产生。这种由于温度不同而产生电动势的现象称为热电效应或塞贝克效应。这两种不同导体的组合称为热电偶。接点1通常用焊接的方法连接在一起，测温时，置于被测温场中，称为测温端、热端或工作端。接点2一般要求恒定在某一温度，称为参考端、冷端或自由端。热电偶产生的热电势是由两种导体的接触电势，和单一导体的温差电势所组成的。测量电路：应用：主要应用于测量精度不高的场所，进行测温。19. 磁电式传感器（霍尔传感器、变磁阻式传感器）工作原理、测量电路及应用。答：磁电式传感器原

14、理：磁电感应式传感器又称电动势式传感器，是利用电磁感应原理将被测量(如振动、位移、转速等)转换成电信号的一种传感器。它是利用导体和磁场发生相对运动而在导体两端输出感应电动势的。由电磁感应定律，当匝线圈在均恒磁场中运动时，设穿过线圈的磁通为，则线圈的感应电动势e为：线圈在恒定磁场中作直线运动，并切割磁力线，感生电势为：其中：磁场磁感应强度；:每匝线圈的有效长度：运动方向与磁场方向之间的夹角；:线圈与磁场之间的相对运动速度，m/s线圈相对磁场作旋转运动并切割磁力线，感生电势为：其中：每匝线圈的围成的面积;：线圈平面法线方向与磁场方向之间的夹角；:线圈与磁场之间的相对运动角速度测量电路： 应用：1、

15、磁电式传感器主要用于振动测量。其中惯性式传感器不需要静止的基座作为参考基准，它直接安装在振动体上进行测量，因而在地面振动测量及机载振动监视系统中获得了广泛的应用。在惯性仪器陀螺仪与加速度计中广泛应用的动圈式或动铁式直流力矩器就是上述速度传感器的逆向应用。它在机械结构的动态实验中是非常重要的设备，用以获取机械结构的动态参数，如共振频率、刚度、阻尼、振动部件的振型等。2、磁电式传感器还常用于扭矩、转速等测量。霍尔式传感器原理：基于霍尔效应而将被测量转换成电动势输出的一种传感器。霍尔器件是一种磁传感器，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。（半导体薄片置于磁感应强度为B 的磁场

16、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。）测量电路：应用：霍尔元件具有结构牢固、工艺成熟、体积小、寿命长、线性度好、频率高、耐振动、不怕灰尘、油污、水汽及盐雾等的污染或腐蚀的优点，目前，霍尔传感器是全球使用量排名第三的传感器产品，它被广泛应用到工业、汽车业、计算机、手机以及新兴消费电子领域中。如霍尔集成电路、霍尔转速传感器、霍尔钳形电流表、霍尔机械振动传感器、霍尔加速度传感器变磁阻式传感器原理及电路：利用线圈电感或互感的改变来实现非电量测量的传感器称变磁阻式传感器。变磁阻式传感器的结构如图4-1所示。它由线圈、铁芯和衔铁

17、三部分组成。铁芯和衔铁由导磁材料如硅钢片或坡莫合金制成，在铁芯和衔铁之间有气隙，气隙厚度为占，传感器的运动部分与衔铁相连。当衔铁移动时，气隙厚度方发生改变，引起磁路中磁限变化，从而导致电感线圈的电感值变化，因此只要能侧出这种电感苗的变化，就能确定衔铁位移量的大小和方向。根据电感定义，线圈中电感值可由下式确定:式中，为线圈总磁链;I为通过线圈的电流;为线圈的哑数;为穿过线圈的磁通。由磁路欧姆定律，得式中，Rm为磁路总磁阻。对于变隙式传感器，因为气隙很小，所以可以认为气隙中的磁场是均匀的。若忽略磁路磁损，则磁路总磁阻为 变磁阻式传感器的应用在：变隙电感式压力传感器和变隙式差动电感压力传感

18、器。20. 光电传感器工作原理、测量电路及应用。答：光电传感器的工作基础是光电效应，光电效应是指物质在光的作用下，不经升温而直接造成物质中的电子运动状态发生变化，因而产生物质的光电导效应，光生伏特效应和光电子发射等现象。电电光光测量电路：输出量y光源光通路光电元件测量电路-被测量x2被测量x1应用：使用范围非常广泛，1、可以测量直接引起光量变化的量，如光强、光照度、辐射测量、气体成分分析等；2、可以测量能够转换为光量变化的被测量，如零件尺寸、表面粗糙度、应力、位移、速度、加速度等。21. 压电式传感器工作原理、测量电路及应用。答：原理：是以具有压电效应的压电器件为核心组成的传感器。所谓的压电效

19、应就是：对于某些材料，当它们承受机械应变作用时，其内部会产生极化作用，从而会在材料的相应表面产生电荷。这是个可逆过程，其逆为，当它们承受电场作用时，会改变几何尺寸。测量电路：压电器件既然是一个自源电容器，就存在着与电容传感器一样的高内阻、小功率问题。压电器件输出能量微弱，电缆的分布电容及噪声等将严重影响输出特性，必须进行前置放大；而且，高内阻，使得压电器件难以直接使用一般的放大器，而必须进行前置阻抗变换。固，压电传感器的前置测量电路选择前置放大器，对应于电压源与电流源，有两种形式：电压放大器，电流放大器。应用：压电传感器体积小、质量轻、频带宽等特点，适用于各种动态力、机械冲击与振动测量，广泛应

20、用于力学、声学、医学、宇航等。22. 光栅的工作原理、？测量电路及应用。答：原理：光栅由标尺光栅和光栅读数头两部分组成。光栅是利用莫尔条纹现象来进行测量的。莫尔条纹是指两块光栅叠合时，出现光的明暗相间的条纹，从光学原理来讲，如果光栅栅距与光的波长相比较是很大的话，就可以按几何光学原理来进行分析。此外，在实际应用中，被测物体的移动方向往往不是固定的。无论主光栅向前或向后移动，在一固定点观察时，莫尔条纹都是作明暗交替变化。为了辨向，需要两个一定相位差的莫尔条纹信号，根据两信号的相位差，就可以判断出运动的方向。应用：光栅测量精度高、动态测量范围广、可进行无接触测量、易实现系统的自动化和数字化、因而在

21、机械工业中得到了广泛的应用。特别是在量具、数控机床的闭环反馈控制、工作母机的坐标测量等方面。23. 电阻传感器（应变式、热电式、光电式）工作原理、测量电路及应用。答：应变式电阻传感器原理：由金属或半导体制成的片头的应变电阻转换元件称为电阻应变片，简称应变片，电阻应变片是应变式传感器的核心元件。应变式传感器的组成有射程，一是直接将睛在被测量的受力构件上，使应变片随受力构件一起变形，从而使构件的应变转换为应变片的电阻变化；另一各是将应变片粘贴到弹性敏感元件上，由弹性敏感元件将被测物理量转换为应变，再由应变片将应变转换为电阻变化。将应变片接入测量电路中，以便将应变片的电阻变化转换为电压或电流信号。应

22、用：典型应用有1、力与称重传感器：柱筒式力传感器、梁式传感器；2、压力传感器：应变管式压力传感器、平膜式压力传感器；3、加速度传感器。热电式电阻传感器原理：利用热电传感技术将温度转换为电量变化，进行测量。某些材料的电阻随着温度变化而发生显著变化，能直接将温度变化转换为电量的变化。应用：应用于家电、医院、国防、科研、航天航空技术、工业生产等领域，凡是需要调温、控温、测温的地方都要用到它。光电式电阻传感器原理：主要利用的是光敏电阻的性质。由于光敏电阻没有极性，所以工作时可加直流偏压或交流电压。无光照时，光敏电阻的阻值很大，电路中电流很小。当它受到一定波长范围的光照时，其阻值急剧减小，电路中的电流迅

23、速增加。根据电流值的变化，即可测量出光强的大小，如果还有转换电路，进而测出非光强物理量。应用：典型应用1、阅读环境照度监视器、光电式带材跑偏检测装置。24. 电容传感器、电感传感器工作原理、测量电路及应用。答：电容传感器原理：电容式传感器是以各种类型的电容器作为传感元件，将被测量的变化转换为电容量的变化的一种传感器，典型的电容式传感器中的电容通常做成平等平面形或平等曲面形。电容可由公式：，确定。上式中A为两极板相互覆盖的面积；d两极板间的距离；介电常数。当A或d或变化时，会相应的反应在电容的变化上，通过测量电容的值，从而测量被测量。应用：电容式位移传感器、电容式加速度传感器、电容式力和压力传感

24、器、电容式位移传感器。电感传感器原理：利用磁路磁阻变化，引起传感器线圈的电感（自感或互感）变化来检测非电量的一种机电转换装置。应用：位移与尺寸测量、压力测量、力和力矩测量、振动测量。25. 根据你所掌握的现代传感技术的相关知识，设计一套运用新型传感器构建的检测系统，写出详细设计步骤：说明系统具备的功能；选用的器件和硬件电路，并用原理框图表示（器件型号不明，说明其须具有的功能）；相应的数据处理过程和软件功能；你所设计的检测系统还有哪些尚可完善的功能。参考解：新型温度测量显示系统功能及选用的器件：传统模拟信号测温系统中，需要很好的解决引线误差补偿问题、多点测量切换误差问题和放大电路零点漂移误差问题，才能达到较高的测量精度。本系统采用新型数字温度