传感器复习习题

1、第一章 传感器 习题1 什么是传感器？（传感器定义）传感器是接收信号或刺激并反应的器件，以测量为目的，以一定精度把被测量转换为与之有确定关系的、易于处理的电量信号输出的装置。2 传感器由哪几个部分组成？分别起到什么作用？传感器一般由敏感元件、转换元件、转换电路三部分组成：1 ） 敏感元件：直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的某一物理量的元件。2） 转换元件：以敏感元件的输出为输入，把输入转换成电路参数。3）转换电路：上述电路参数接入转换电路，便可转换成电量输出。3 . 传感器发展方向？第 2 章 热电式传感器1 热电偶冷端温度对热电偶的热电势有什么影响？为消除冷端温度影响可采用哪些措施？

2、半导体热敏电阻的主要优缺点是什么？在电路中是怎样克服的？答：由热电偶的测温原理可以知道，热电偶产生的热电动势大小与两端温度有关，热电偶的输出电动势只有在冷端温度不变的条件下，才与工作温度成单值函数关系。实际应用时，由于热电偶冷端离工作端很近，且又处于大气中，其温度受到测量对象和周围环境温度波动的影响，因而冷端温度难以保持恒定，这样会带来测量误差。为消除冷端温度影响，常用的措施有： 补偿导线法：将热电偶配接与其具有相同热冷电特性的补偿导线，使自由端远离工作端，放置到恒温或温度波动较小的地方。端恒温法：把热电偶的冷端置于某些温度不变的装置中，以保证冷端温度不受热端测量温度的影响。 冷端温度校正法。

3、 自动补偿法。答：热敏电阻是一种电阻值随温度变化的半导体传感器。它的温度系数很大，比温差电偶和线绕电阻测温元件的灵敏度高几十倍，适用于测量微小的温度变化。热敏电阻体积小、热容量小、 响应速度快，能在空隙和狭缝中测量。它的阻值高,测量结果受引线的影响小,可用于远距离测量。它的过载能力强，成本低廉。但热敏电阻的阻值与温度为非线性关系，所以它只能在较窄的范围内用于精确测量。热敏电阻在一些精度要求不高的测量和控制装置中得到广泛应用。为了克服热敏电阻的非线性，通常我们在电路里用温度系数很小的精密电阻与热敏电阻串联或并联构成电阻网络。2 PN 结为什么可以用来作为温敏元件？他的特性？3 AD590 集成温

4、度传感器的测温原理，有何特点？画出测试电路图。答：集成温度传感器的测温原理是基于晶体管的PN 结随温度变化而产生漂移现象研制的。众所周知，晶体管PN 结的这种温漂，会给电路的调整带来极大的麻烦。但是，利用PN 结的温漂特性来测量温度，可研制成半导体温度传感元件。如前所述，晶体管的基极一发射极电压在恒定集电极电流条件下，可以认为与温度呈线性关系。但是，严格地说，这种线性关系是不完全的，即关系式中存在非线性项。另一方面，这种关系也不直接与任何温标（绝对、摄氏、华氏或其它温标）相对应。实际上，随着温度升高，基极-发射极电压反而下降。此外，即使是同一型号同一批次的晶体管，其基极一发射极电压值也可能有&

5、#177;100mV 的分散性。鉴于上述原因，集成化的温度传感器几乎无一例外地采用对管差分电路，这种电路给出直接正比于绝对温度的线性输出。4 .如果需要测量1000 c和20 c温度时，分别宜采用哪种类型的温度传感器？答：测量1000 C宜用热电偶温度传感器，测量 20 C宜用热敏电阻温度传感器。5 .采用一只温度传感器能否实现绝对温度、摄氏温度、华氏温度的测量？怎样做？6 .热电阻传感器主要分为几种类型？它们应用在什么不同场合？P-N结中，少数载流子（专有名词，不是少数的载流子）会发生漂移运动，而少数载流子浓 度与温度密切相关，通过观测少数载流子电气特性变化， 可以推导出温度值。基本特性：U

6、f-T 关系、灵敏度特性、自然特性分为以下几种类型：答：热电阻根据感温元件的材料不同分成两种类型，一种是铝电阻，一 种铜电阻。珀易于提纯、复制性好，在氧化性介质中、甚至在高温下，其物理化学性质极其 稳定。由于铝是贵重金属，因此在测量精度要求不高、测温范围较小的情况下，普遍采用铜 电阻。铜电阻具有较大的电阻温度系数，材料容易提纯，铜电阻的阻值与温度之间接近线性 关系，铜的价格比较便宜，所以铜电阻在工业上得到广泛应用。铜电阻的缺点是电阻率较小， 机械强度差，稳定性也较差，容易氧化。钎I电阻传球器：特点是精度高、稳定性好、性能可靠.主要作为标准电阻温度计使用，也常被用 在工业测量中,此外，还被广泛地

7、附用于温度的基准、标准的传递，是目前测温发现性最好的一种 铜电阻传感器：价钱较柏金鹏便宜工在测温范围比较小的情况下,有很好的稳定性温度系数比 较大，电阻值与温度之间接近线性关系.材料容易提纯，价格便宜.不足之处是测量精度较用电阻 梢低，电阻率小口铁电阻和曝电阻,铁和银两种金属的电阻温度系数较高、电阻率较大，故可作成体积小，灵敏度 高的电阻温度计，其缺点是容易氧化.化学稳定性差，不易提纯，复制性差,而且电阳俏与温度的 线性关系差。目前应用不多。7 .什么叫热电动势、接触电动势和温差电动势？说明热电偶测温原理及其工作定律的应用。分析热电偶测温的误差因素，并说明减小误差的方法。答：当导体A和B的两个

8、接触点1和2之间存在温差时，两者之间便产生电动势，这便是 热电动势。两种不同材料的金属A、B具有不同的自由电子密度，设在温度T时的自由电子密度分别为 AN和BN,且ABNN 。当两种金属相接时，接触面会发生电子扩散现象。当扩散达到动态 平衡时，在A、B之间形成稳定的电位差，形成接触电势 ABe。对于单一导体，如果两端温度分别为 T、0T,且0TT o导体中的自由电子，在高温端具有 较大的动能，因而向低温端扩散，在导体两端产生了电势，这个电势称为单一导体的温差电 势。将两种不同材料的导体或半导体 A和B焊接起来，构成一个闭合回路，当导体 A和B的两 个接触点1和2之间存在温差时，两者之间便产生电

9、动势，因而在回路中形成一定大小的电 流，这种现象称为热电效应。热电偶就是利用这一效应来工作的，其中，直接用作测量介质 温度的一端叫做工作端（也称为测量端），温度为参考温度的另一端叫做冷端（也称为参考 端）；回路中所产生的电动势称为热电势，冷端与显示仪表或配套仪表连接，显示仪表会指 出热电偶所产生的热电势。热电偶产生的热电势由两部分组成： 一个是两种导体的接触电势， 另一个是单一导体的温差电势。热电偶测量温度时要求其冷端（测量端为热端，通过引线与测量电路连接的端称为冷端）的 温度保持不变，其热电势大小才与测量温度呈一定的比例关系。若测量时，冷端的（环境） 温度变化，将严重影响测量的准确性。在冷端

10、采取一定措施补偿由于冷端温度变化造成的影响称为热电偶的冷端补偿备热电动势：两种不同材料的导体（或半导体）AB串接成一个闭合回路，并使两个结点处 于不同的温度下，那么回春中就会存在热电势.有电流产生相应的热电势称为温差电势或塞贝克电 势，通称热电势.接触电动势：接触电势是由两种不同导体的自由电子，其密度不同而在接触处形成的热电势.它 的大小取决于两导体的性质及接触点的温度，而与号体的形状和尺寸无关口温差电动势：是在同一根导体中，由于两端温度不同而产生的一种电势，电偏隔原理：热电偶的测温原aiHi理的热电效应.所谓热电融，就是当不同材料的 导体组成一个闭合回路心若两个结点的温度不同，那么在回路中将

11、会产生电动势的现象.两点间 的温差越大，产生的电动势就越大.羽入适当的测量电路测量电动势的大小，就可测得温度的大小口热电偶三定律： a中I同导体定律：热电偶测温时，若在回路中插入中间导体，只要中间导体两端的温度相同，则对 热电偶回路总的热电势不产生影响.在用热电偶测温时,连接导线及显示一起等均可看成中同导体,b中间温度定律：任何两种均匀材料组成的热心偶.热端为T,冷端为T时的热电势等于该热电 偶然端为T冷端为T.时的热电势与同热电偶然端为T,冷端为T。片热电势的代数和。应用：对热以偶冷端不为。度时，可用中向温度定律加以修正。热中偶的氏度不匏时，可根据中间 温度定律选用适当的补偿线路。c参考电极

12、定律：如果A、B两种导体（热电极）分别与第三种导体C （参考电极）组成的热电偶 在结点温度为（Tt To）时分别为Em CT, TO）和Ebc （T, To）,那么受相同温度下，又A、 B两热电极配对后的热电势为Eab To -1 = Eac（T, To） * Ebc :T, Tn.实用价值;可大大简化热电偶的选配L作h在实际工作中.只要获得有关热电极与标准伯电极配对 的热电势，那么由这两种热电极配对组成热电偶的热电势便可由上式求得，而不需逐个进行测定。误差因素：参考揣温度受周围环境的影响减小误差的措施有:a 怛温法C仪表机械零点调整法d热电偶补偿法e电桥补偿法f冷端延长线法8 .试述热电偶测

13、温的基本原理和两个基本定理。答：热电偶测温原理：热电偶的测温原理基于物理的热电效应。所谓热电效应就是当不同材料的导体组成一个闭合回路时，若两个结点的温度不同，那么在回路中将会产生电动势的现象，两点间的温差越大产生的电动势就越大，引入适当的测量电路测量电动势的大小就可测 得温度的大小9 .试比较电阻温度计与热电偶温度计的异同点。答：电阻温度计利用电阻随温度变化的特性来测量温度。热电偶温度计是根据热电效应原理 设计而成的。前者将温度转换为电阻值的大小，后者将温度转换为电势大小。相同点：都是测温传感器，精度及性能都与传感器材料特性有关。10 .试解释负电阻温度系数热敏电阻的伏安特性并举例（画出简单的

14、电路）说明其用途。答：伏安特性表征热敏电阻在恒温介质下流过的电流 I与其上电压降U之间的关系。当电流 很小时不足以引起自身发热，阻值保持恒定，电压降与电流间符合欧姆定律。当电流I>Is时, 随着电流增加，功耗增大，产生自热，阻值随电流增加而减小，电压降增加速度逐渐减慢,ab 。电流增大到Is 时，电压降达到最大值Um 。此后，电流继续增大时，自热更为强烈，由于热敏电阻的电阻温度系数大，阻值随电流增加而减小的速度大于电压降增加的速度，于是就出现负阻区bc 段。 研究伏安特性，有助于正确选择热敏电阻的工作状态。对于测温、控温和温度补偿，应工作于伏安特性的线性区，这样就可以忽略自热的影响，使电

15、阻值仅取决于被测温度。对于利用热敏电阻的耗散原理工作的场合，例如测量风速、流量、真空等，则应工作于伏安特性的负阻区。三、重点1. 试述光敏电阻、光敏晶体管、光电池的特点和如何使用？1) 光敏电阻是内光电效应器件，它是利用光电导效应。即当光敏电阻受到光照时，光生电子空穴对增加，阻值减小，电流增大。2) 光敏晶体管具有两个PN 结， 发射极一边做得很大，以扩大光的照射面积。当集电极加上相对于发射极为正的电压而不接基极时，集电结就是反向偏压，当光照射在集电结时，在结附近产生电子空穴对，会有大量的电子流向集电极，形成输出电流，且集电极电流为光电流的B倍，所以光敏晶体管有放大作用。2. 气敏传感器有哪几

16、种类型？其工作原理有什么不同？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，其中用的最多的是半导体气敏传感器。工作原理：声表面波器件之波速和频率会随外界环境的变化而发生漂移。气敏传感器就是利用这种性能在压电晶体表面涂覆一层选择性吸附某气体的气敏薄膜，当该气敏薄膜与待测气 体相互作用(化学作用或生物作用，或者是物理吸附)，使得气敏薄膜的膜层质量和导电率 发生变化时，引起压电晶体的声表面波频率发生漂移；气体浓度不同，膜层质量和导电率变 化程度亦不同，即引起声表面波频率的变化也不同。通过测量声表面波频率的变化就可以获得准确的反应气体浓度的变化值。电阻型半导体气敏元件是利用半导体接触气体时，其阻值的改变来检测气体的成分或浓度；而非电阻型半导体气敏传感元件根据其对气体的吸附和反应，使其某些有关特性变化对气体进行直接或间接检测。3. 为什么多数气敏传感器要加加热器工作？加热器有哪些作用。加热电极，可加速还原反应提高气敏传感器灵敏度；烧掉金属网罩上的灰尘和油滋，提高响应速度。4. 分析 P194 图 9.