傳感器原理及其應(yīng)用期末預(yù)習(xí)復(fù)習(xí)資料

1、信息技術(shù)包括計算機技術(shù)、 通信技術(shù)和傳感器技術(shù)， 是現(xiàn)代信息產(chǎn)業(yè)的三大支柱。1. 什么是傳感器？廣義：傳感器是一種能把特定的信息按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成某種可用信號輸出的器件和裝置。狹義：能把外界非電信息轉(zhuǎn)換成電信號輸出的器件。國家標(biāo)準(zhǔn)：定義：能夠感受規(guī)定的被測量并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置。2. 傳感器由哪幾個部分組成？分別起到什么作用？傳感器一般由敏感元件、轉(zhuǎn)換原件和基本電路組成。敏感元件感受被測量，轉(zhuǎn) 換原件將其響應(yīng)的被測量轉(zhuǎn)換成電參量，基本電路把電參量接入電路轉(zhuǎn)換成電量。傳感器的核心部分是轉(zhuǎn)換原件，轉(zhuǎn)換原件決定傳感器的工作原理。3. 傳感器的總體發(fā)展趨勢是什么？傳感器的應(yīng)用情況

2、。傳感器正從傳統(tǒng)的分立式朝著集成化、數(shù)字化、多功能化，微型化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化和光機電一體化的方向發(fā)展，具有高精度、高性能、高靈敏度、高可靠性、高穩(wěn)定性、長壽命、高信噪比、寬量程和無維護(hù)等特點。 未來還會有更新的材料， 如納米材料，更有利于傳感器的小型化。 發(fā)展趨勢主要體現(xiàn)在這幾個方面： 發(fā)展、 利用新效應(yīng)；開發(fā)新材料；提高傳感器性能和檢測范圍；微型化與微功耗；集成 化與多功能化；傳感器的智能化；傳感器的數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化。4. 了解傳感器的分類方法。所學(xué)的傳感器分別屬于哪一類？按傳感器檢測的范疇分類：物理量傳感器、化學(xué)量傳感器、生物量傳感器按傳感器的輸出信號分類 ：模擬傳感器、數(shù)字傳感器按傳感器的

3、結(jié)構(gòu)分類：結(jié)構(gòu)型傳感器、物性型傳感器、復(fù)合型傳感器按傳感器的功能分類：單功能傳感器、多功能傳感器、智能傳感器按傳感器的轉(zhuǎn)換原理分類：機一電傳感器、光一電傳感器、熱一電電傳感器、磁一電傳感器電化學(xué)傳感器按傳感器的能源分類：有源傳感器、無源傳感器國標(biāo)制定的傳感器分類體系表將傳感器分為：物理量、化學(xué)量、生物類傳感器含12個小類：力學(xué)量、熱學(xué)量、 光學(xué)量、磁學(xué)量、電學(xué)量、聲學(xué)量、射線、 氣體、離子、溫度傳感器以及生化量、生理量傳感器。1 .傳感器的性能參數(shù)反映了傳感器的輸入輸出關(guān)系2. 傳感器的靜態(tài)特性是什么？由哪些性能指標(biāo)描述？主要性能參數(shù)的意義是 什么1線性度：傳感器的輸入-輸出校準(zhǔn)曲線與理論擬合

4、直線之間的最大偏離與傳感 器滿量程輸出之比，線性度RL是表征實際特性與擬合直線不吻合的參數(shù)擬合方法：理論線性度（理論擬合）、c、端基線性度（端點連線擬合）d、獨立線 性度（端點平移）最小二乘法線性度2遲滯：傳感器在正、反行程期間輸入、輸出曲線不重合的現(xiàn)象稱遲滯（遲環(huán)）。3重復(fù)性：傳感器輸入量按同一方向作多次測量時輸出特性不一致的程度。4靈敏度：在穩(wěn)定條件下輸出微小增量與輸入微小增量的比值傳感器輸出曲線的斜率就是其靈敏度。靈敏度S反映輸入變量能引起的輸出變化量 純線性傳感器靈敏度為常數(shù)， 與輸入量大小無關(guān)； 非線性傳感器 靈敏度與x有關(guān)。5分辨率和閾值：分辨率 一一傳感器能夠檢測到的最小輸入增量

5、；閾值 一一輸入小到某種程度輸出不再變化的值6漂移是指傳感器的輸入被測量不變，而其輸出量卻發(fā)生了改變。包括零點 漂移與靈敏度漂移，7穩(wěn)定性：傳感器在一較長時間內(nèi)保持性能參數(shù)的能力3. 傳遞函數(shù)的定義是什么？初始條件為零時輸出的拉氏變換與輸入的拉氏變換之比4. 電渦流傳感器有較好的線性和靈敏度4. 什么是傳感器的動態(tài)特性 ？其特性參數(shù)有那些？其意義是什么？動態(tài)特性：輸入量隨時間變化時輸出和輸入之間的關(guān)系。固有頻率：越大曲線上升越快，時間常數(shù)：達(dá)到穩(wěn)定的時間越小， 阻尼比：越大過沖現(xiàn)象越小。1. 什么是應(yīng)變效應(yīng)？什么是壓阻效應(yīng)？什么是橫向效應(yīng)？應(yīng)變效應(yīng)：導(dǎo)體產(chǎn)生機械形變時電阻值會發(fā)生變化。壓阻效應(yīng)

6、：某一軸向上的外力會引起扳道器電阻率發(fā)生變化。橫向效應(yīng)：直線電阻絲繞成敏感柵后，雖然長度相同，但應(yīng)變不同，圓弧 部分使靈敏度下降了，這種現(xiàn)象稱為橫向效應(yīng)。2. 什么是應(yīng)變片的靈敏系數(shù)？半導(dǎo)體應(yīng)變片靈敏系數(shù)范圍是多少，金屬應(yīng)變 片靈敏系數(shù)范圍是多少？說明金屬絲電阻應(yīng)變片與半導(dǎo)體應(yīng)變片的相同點 和不同點。應(yīng)變片單位變化引起電阻值的改變；50-100 ; 1.5-2 ;金屬應(yīng)變片：電阻應(yīng)變效應(yīng)，優(yōu)，受溫度影響小、性能穩(wěn)定、精度比半導(dǎo)體高，缺，不易集成； 半導(dǎo)體：半導(dǎo)體材料壓阻效應(yīng)，優(yōu)，靈敏度高，體積小，耗電小，動態(tài)響應(yīng)好，精度高，測量范圍寬，易于微型化和集成化。缺點，受溫度影響較大， 制造工藝復(fù)雜。

7、4.在傳感器測量電路中，直流電橋與交流電橋有什么不同，如何考慮應(yīng)用場合？直流電橋的電源穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡單，但存在零漂和工頻干擾，要求有較高的靈敏度，實際應(yīng)用中輸出端通常會接入放大電路；交流電橋放大電路簡單，無零漂，不易受干擾，但不易取得高精度，需專用的測量儀器或電路。1. 電容傳感器有哪些類型？分別適合檢測什么參數(shù)？敘述變極距型電容傳感 器的工作原理、輸出特性。1）變面積型電容傳感器：測量范圍大，多用于測線位移、角位移；2）變極距型電容式傳感器：適宜做小位移測量；3）變介質(zhì)型電容傳感器：普遍用于液面高度測量、介質(zhì)厚度測量，可制成料位計等。變極距工作原理，通過改變兩極板間距離引起電容量的變化，因此，

8、只要測得電筒兩的變化量就可測得極板間距變化量。2. 為什么電感式和電容式傳感器的結(jié)構(gòu)多采用差動形式，差動結(jié)構(gòu)形式的特 點是什么？電感兩端的電壓與通過的電流的變化量成正比，流過電容的位移電流與 其兩端電壓的變化量成正比，而差分方式正好放大的是電壓或電流的變 化量，故一般采用這種結(jié)構(gòu)。3. 電容傳感器的測量電路有哪些？差動脈沖調(diào)寬電路用于電容傳感器測量電路具有什么特點？交流電橋、二極管雙 T型電路、差動脈沖調(diào)寬電路、運算放大器電路， 適用于任何差動電容傳感器，并有理論線性度，與雙T型相似，該電路不需加解調(diào)、檢波，由濾波器直接獲得直流輸出，而且對矩形波純度要 求不高，只需穩(wěn)定的電源即可。4 .為什么

9、高頻工作時的電容式傳感器連接電纜的長度不能任意變化？低頻時容抗XC較大，傳輸線的等效電感電阻可忽略，高頻時容抗減小，不可忽略。等效電感接在傳感器輸出端相當(dāng)于串聯(lián)諧振電路，當(dāng)工作頻率等于諧振頻率時，串聯(lián)諧振阻抗最小，電流最大，諧振對傳感器的輸出起破壞作用，使電路不能正常工作。1. 變磁阻式傳感器的工作原理和主要應(yīng)用。傳感器運動部分與銜鐵部分相連接，銜鐵移動時間隙厚度發(fā)生變化，儀器 磁路的磁阻Rm變化，使電感線圈的電感量發(fā)生變化。應(yīng)用于壓力傳感器和 測量工具中。2什么是零點殘余電壓？說明差動變壓器式傳感器產(chǎn)生零點殘余電壓的原因 及減少此電壓的有效措施。差動變壓器傳感器的鐵心處于中間位置是輸出電壓并

10、不等于零，在零 點附近總有一個最小輸出電壓厶 Uo，將這個鐵心處于中間位置是最小不為 零電壓稱為零點殘余電壓。 原因，兩個次級線圈繞組的電氣系數(shù)不完全相同， 幾何尺寸也不完全相同，工藝上很難保持完全一致。措施，除工藝補償外， 一般要進(jìn)行電路補償： 串聯(lián)電阻，并聯(lián)電阻、電容，加反饋支路，相敏檢波3. 差動自感傳感器和差動變壓器有什么區(qū)別？采用哪種轉(zhuǎn)換電路既能直接輸 出與位移成正比的電壓，又能根據(jù)電壓的正負(fù)區(qū)別位移的方向？自感的線圈必須相同， 但不繞在同一鐵心上， 而差動變壓器必須要繞在 同一鐵心上，線圈可以不同。4什么是電渦流效應(yīng)？渦流的分布范圍。電渦流傳感器可以進(jìn)行哪些非電量參數(shù)測量？一個塊狀

11、金屬導(dǎo)體置于變化的磁場中或在磁場中切割磁力線運動時，導(dǎo)體內(nèi)部會產(chǎn)生閉合的電流，這種現(xiàn)象稱為渦流效應(yīng)。范圍，徑向，線圈外徑金屬渦流密度最大； 線圈中心為零。軸向，只在表面薄層。非接觸式測量， 位移、振動、轉(zhuǎn)速、厚度、材料、溫度、電渦流探傷。5. 電渦流傳感器是由哪種電參量轉(zhuǎn)換實現(xiàn)電量輸出的？電渦流傳感器可以檢 測金屬材料，也可以檢測非金屬材料嗎？電流、不可以檢測非金屬1. 為什么說磁電感應(yīng)式傳感器是一種有源傳感器？常用的結(jié)構(gòu)形式有哪些？工作時不需外加電源，導(dǎo)體和磁場發(fā)生相對運動是會在導(dǎo)體兩端輸出感應(yīng) 電動勢。恒磁通式、變磁通式。2. 磁電式傳感器是速度傳感器，它如何通過測量電路獲得相對應(yīng)的位移和

12、加速度信號？前置放大器分別接積分電路或微分電路，接入積分電路時，感應(yīng)電動勢輸 出正比于位移信號；接入微分電路時，感應(yīng)電動勢輸出正比于加速度信號。3. 什么是霍爾效應(yīng)？霍爾電勢的大小與方向和哪些因素有關(guān)？霍爾元件不等 位電勢產(chǎn)生的原因有哪些？通電的導(dǎo)體放在磁場中，電流方向與磁場方向垂直，在導(dǎo)體另外兩側(cè)會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，這種現(xiàn)象稱為，原因：霍爾引出電極安裝不對稱，不在同一等位面上；激勵電極接觸不良，半導(dǎo)體材料不均勻造成電阻率不均勻。4. 霍爾元件的溫度補償方法有哪些？霍爾元件的常見應(yīng)用。外界溫度敏感元件進(jìn)行補償： 兩種連接方式，恒流源激勵，恒壓源激勵。測位移：極性相反磁極共同作用，形成梯度磁場；磁

13、電編碼器：金屬齒輪計算脈沖數(shù)測轉(zhuǎn)速；測壓力壓差；交流直流鉗形數(shù)字電流表。5. 半導(dǎo)體磁敏元件有哪些？它們有哪些相同之處和不同之處？它們的電路符 號怎樣？磁敏電阻：只能測大小不能測方向，磁敏二極管、磁敏三極管：既 大小又方向1. 什么是壓電效應(yīng)？壓電傳感器能否用于靜態(tài)測量？為什么？某些晶體，當(dāng)沿著一定方向施加力時，內(nèi)部產(chǎn)生極化現(xiàn)象，兩個表面會產(chǎn)生符號相反地電荷，外力去掉后又恢復(fù)不帶電狀態(tài)。作用力方向改變電荷極性也改變。2. 壓電陶瓷極化過程是怎樣的？若施加一個與極化方向相同的拉力，壓電現(xiàn) 象是怎樣的？給壓電陶瓷施加外加電場使電疇規(guī)則排列。3. 石英晶體和壓電陶瓷的壓電效應(yīng)有何不同之處？比較幾種常

14、用壓電材料的 優(yōu)缺點，說出它們各自適用的場合。壓電陶瓷的縱向壓電常數(shù)要比石英晶體大得多。壓電晶體適用于傳感器不 用維修的場合，穩(wěn)定性好，但靈敏度低；壓電陶瓷靈敏度高，穩(wěn)定性差， 適用于環(huán)境穩(wěn)定，便于校準(zhǔn)修正的場合。4. 壓電元件在使用時常采用多片串聯(lián)或并聯(lián)的結(jié)構(gòu)形式。試述在不同接法下輸出電壓、電荷、電容的關(guān)系，它們分別適用于何種應(yīng)用場合？并聯(lián)粘貼，引線電極輸出電容為單電容的兩倍，極板上電荷是單片的兩倍，輸出電壓與單片相等，適合測變化緩慢的信號，接電荷放大器。串聯(lián)黏貼：C=C/2 , Q=Q,U=2U，適合測量頻率較高變化快的信號，電壓放大5.壓電傳感器的等效電路怎樣？前置放大器起什么作用？電壓

15、放大器和電荷放大器各有什么特點?作用，放大微弱信號，阻抗變換；電壓放大器是阻抗變換器，輸入量是 電壓；電荷放大器是有深度反饋的高增益放大器，輸入量是電荷。1. 什么是外光電效應(yīng)？內(nèi)光電效應(yīng)？（光生伏特效應(yīng)、光電導(dǎo)效應(yīng)）。光電器 件中的光照特性、光譜特性分別描述的是光電器件的什么性能？在光線作用下，物體內(nèi)的點子溢出物體表面向外發(fā)射的現(xiàn)象稱為外光電效 應(yīng)。光線照在物體上使物體電導(dǎo)率發(fā)生變化或產(chǎn)生光生電動勢的現(xiàn)象叫內(nèi) 光電效應(yīng)。入射光強改變物質(zhì)電導(dǎo)率的現(xiàn)象稱為光電導(dǎo)效應(yīng)；光照時物體 能產(chǎn)生一定方向電動勢的現(xiàn)象叫光生伏特效應(yīng)。照度與光電流光電壓的關(guān) 系；波長與靈敏度的關(guān)系。2. 簡述光電倍增管的工作原

16、理。說明它有何特點？高速電子撞擊固體表面，再發(fā)出二次電子，將光電信號在管內(nèi)進(jìn)行放大。 靈敏度比普通光電管高得多。3. 試述光敏電阻、光敏二極管、光電池的工作原理，各基于哪種光電效應(yīng)？其 電路符號怎樣？光敏電阻的工作原理基于光電導(dǎo)效應(yīng)，光照導(dǎo)電性增加，電阻下降電流增加，光照越強電流越大，無光照恢復(fù)。光敏二極管基于光生伏特效應(yīng)，工作時加反向電壓， 無光照時處于截止?fàn)顟B(tài)，光強與電流成正比。光敏三極管把二極管產(chǎn)生電流進(jìn)一步放大。光電池：光生伏特效應(yīng)。4. 什么是光敏電阻的亮電阻和暗電阻？暗電阻電阻值通常在什么范圍?無光照時的電阻，0.4-500M歐，光照時電阻，0.5-200K歐。5. 說明光敏二極管

17、與光電池的結(jié)構(gòu)有什么不同？它們是如何工作的？光電池有一個大的 PN結(jié)，上電極為柵裝受光電極，下電極是一層鋁襯底，光照時電子空穴對迅速擴散，在PN結(jié)電場作用下產(chǎn)生電動勢。1. PSD、CCD等英文縮寫是什么傳感器？各有什么用途？光電位置傳感器圖像傳感器應(yīng)用于激光光束對準(zhǔn)、位移、振動測量、平面度檢測、坐標(biāo)、平面度檢測、二維坐標(biāo)檢測系統(tǒng)2. CCD器件主要由哪兩個部分組成？CCD器件可分為哪幾類？MOS光敏元陣列；讀出移位寄存器。CD器件分為線陣 CCD和面陣CCD ;結(jié)構(gòu)上有多種不同形式，如單溝道CCD、雙溝道CCD、幀轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu)CCD、行間轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu)CCD。3. 光纖的結(jié)構(gòu)和傳光原理。光纖的性能和分

18、類。光纖的光導(dǎo)材料基本采用石英玻璃，其中有不同摻雜a.光纖的傳播基于光的全反射原理。當(dāng)光線以不同角度入射到光纖端面時， 在端面發(fā)生折射后進(jìn)入光纖；b.光線在光纖端面入射角B減小到某一角度Bc時，光線全部反射。光線全部被反射時的入射角Bc稱臨界角;c.因此只要滿足全反射條件即e Pl 使電容變化 C=1pF時，一個周期內(nèi)負(fù)載電阻上產(chǎn)生的輸出電壓 大小與方向。解：Url平均值的已知壓電加速度計電纜長度為 1.2m,電纜電容Cc=100pF,傳感器電容Ca=1000pF; 電壓靈敏度為Ku 100V/g電壓靈敏度Ku-U Cc Ca Ci100pF 1OOOpF C100V /gU rl由于解:因G

19、較小忽略前置電路輸入電容dCc Ca 100pF 1000pFC1 C2 ； C2 C1電壓靈敏度為:求出：d 0.11更換2.9m電纜，電壓靈敏度為:Ku100V/g106電容KuCc=300pFd0.11 106Cc Ca 300pF 1000pFRRLUEf C2)(R Rl)240 80 2 104 1060 6084.62V / g106 2 1012120.36VC1 C2，電壓UE的負(fù)半周占優(yōu)勢，故Url的方向下正上負(fù)。當(dāng)Ph時Pl一壓電加速度計，供它專用電纜的長度為、1.2m，電纜電容為100 pF，壓電片 本身電容為1000 pF。出廠標(biāo)定電壓靈敏度為100V /g，若使用中

20、改用另一根長 2.9m電纜，其電容量為300 pF，問其電壓靈敏度如何改變？可見電纜加長后電壓靈敏度下降。光電傳感器控制電路如圖8-53所示，試分析電路工作原理:GPIS01是什么器件，內(nèi)部由哪兩種器件組成?當(dāng)用物體遮擋光路時，發(fā)光二極管LED有什么變化?R是什么電阻，在電路中起到什么4.7kQ 零叩r1 2 3 4%VT12V作用？如果VD二極管的最大額定電GP-IS01-流為60mA R應(yīng)該如何選擇?如果GP-IS01中的VD二極管反向連接，電路狀態(tài)如何？晶體管VT、LED如何變化?極管LED不發(fā)光；電路無狀態(tài)變化 6.用石英晶體加速度計及電荷放大器測量加速度，已知，加速度計靈敏度為5pC/g,電荷放大器靈敏度為 50mV/pC,最大加速度時輸出幅值 2V，試求機 器振動加速度。解：已知加速度計靈敏度為5PC/g,電荷放大器靈敏度為50mV / PC當(dāng)輸出幅值為2V時，機器振動加速度為：6.熱端溫度不變，2V/50mV/PC5PC/g0.8g計算以式EAB（t、0C ）= EAB（t、tn） + EAB（tn、