傳感器必備復(fù)習(xí)

1、練習(xí)一一、選擇與填空題：1、變面積式自感傳感器，當銜鐵移動使磁路中空氣縫隙的面積增大時，鐵心上線圈的電感量（增大，減小，不變）。2、在平行極板電容傳感器的輸入被測量與輸出電容值之間的關(guān)系中，（變面積型，變極距型，變介電常數(shù)型）是線性的關(guān)系。3、 變氣隙式自感傳感器，當街鐵移動靠近鐵芯時，鐵芯上的線圈電感量（增加減小不變）4、 電容傳感器的輸入被測量與輸出被測量間的關(guān)系，除（ 變面積型 變極距型 變介電常數(shù)型）外是線性的。5、傳感器是能感受規(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，傳感器通常由直接響應(yīng)于被測量的敏感元件 和產(chǎn)生可用信號輸出的轉(zhuǎn)換元件以及相應(yīng)的信號調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換電路組成。

2、5、熱電偶所產(chǎn)生的熱電勢是由兩種導(dǎo)體的接觸電勢和單一導(dǎo)體的溫差電勢組成。7、光電傳感器的理論基礎(chǔ)是光電效應(yīng)。通常把光線照射到物體表面后產(chǎn)生的光電效應(yīng)分為三類。第一類是利用在光線作用下光電子逸出物體表面的外光電效應(yīng),這類元件有光電管、光電倍增管；第二類是利用在光線作用下使材料內(nèi)部電阻率改變的內(nèi)光電 效應(yīng)，這類元件有光敏電阻；第三類是利用在光線作用下使物體內(nèi)部產(chǎn)生一定方向電動勢的光生伏特效應(yīng)，這類元件有光電池。5.壓電式傳感器的工作原理是：某些物質(zhì)在外界機械力作用下使其產(chǎn)生形變，繼而形成電荷（場），這種現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)。相反，某些物質(zhì)在外界電場的作用下會產(chǎn)生機械變形，這種現(xiàn)象稱為負壓電效應(yīng)。二、

3、簡答題：1、 簡述霍爾電動勢產(chǎn)生的原理。答：一塊長為l、寬為d的半導(dǎo)體薄片置于磁感應(yīng)強度為磁場（磁場方向垂直于薄片）中，當有電流I流過時，在垂直于電流和磁場的方向上將產(chǎn)生電動勢Uh。這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)，也是霍爾電動勢的產(chǎn)生原理。2、 簡述熱電偶的工作原理。答：熱電偶的測溫原理基于物理的“熱電效應(yīng)”。所謂熱電效應(yīng)，就是當不同材料的導(dǎo)體組成一個閉合回路時，若兩個結(jié)點的溫度不同，那么在回路中將會產(chǎn)生電動勢的現(xiàn)象。兩點間的溫差越大，產(chǎn)生的電動勢就越大。引入適當?shù)臏y量電路測量電動勢的大小，就可測得溫度的大小。3、 以石英晶體為例簡述壓電效應(yīng)產(chǎn)生的原理。答：石英晶體在沿一定的方向受到外力的作用變形時，由

4、于內(nèi)部電極化現(xiàn)象同時在兩個表面上產(chǎn)生符號相反的電荷，當外力去掉后，恢復(fù)到不帶電的狀態(tài)；而當作用力方向改變時，電荷的極性隨著改變。晶體受力所產(chǎn)生的電荷量與外力的大小成正比。這種現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)。反之，如對石英晶體施加一定變電場，晶體本身將產(chǎn)生機械變形，外電場撤離，變形也隨之消失，稱為逆壓電效應(yīng)。石英晶體整個晶體是中性的，受外力作用而變形時，沒有體積變形壓電效應(yīng)，但它具有良好的厚度變形和長度變形壓電效應(yīng)。4、 簡述電阻應(yīng)變片式傳感器的工作原理答：電阻應(yīng)變片的工作原理是基于電阻應(yīng)變效應(yīng)，即在導(dǎo)體產(chǎn)生機械變形時，它的電阻值相應(yīng)發(fā)生變化。5、 什么是傳感器動態(tài)特性和靜態(tài)特性，簡述在什么條件下只研究靜態(tài)

5、特性就能夠滿足通常的需要，而在什么條件下一般要研究傳感器的動態(tài)特性？答：傳感器的動態(tài)特性是指當輸入量隨時間變化時傳感器的輸入輸出特性。靜態(tài)特性是指當輸入量為常量或變化極慢時傳感器輸入輸出特性。在時域條件下只研究靜態(tài)特性就能夠滿足通常的需要，而在頻域條件下一般要研究傳感器的動態(tài)特性。輸出相對真值測量誤差測量值輸入6、 繪圖并說明在使用傳感器進行測量時，相對真值、測量值、測量誤差、傳感器輸入、輸出特性的概念以及它們之間的關(guān)系。答：框圖如下： 測量值是通過直接或間接通過儀表測量出來的數(shù)值。 測量誤差是指測量結(jié)果的測量值與被測量的真實值之間的差值。 當測量誤差很小時，可以忽略，此時測量值可稱為相對真值

6、。7、如圖所示，Rt是Pt100鉑電阻，分析下圖所示熱電阻測量溫度電路的工作原理，以及三線制測量電路的溫度補償作用。（6分）答：該熱電阻測量溫度電路由熱敏電阻、測量電阻和顯示電表組成。圖中G為指示電表，R1、R2、R3為固定電阻，Ra為零位調(diào)節(jié)電阻。熱電阻都通過電阻分別為r2、r3、Rg的三個導(dǎo)線和電橋連接，r2和r3分別接在相鄰的兩臂，當溫度變化時，只要它們的Rg分別接在指示電表和電源的回路中，其電阻變化也不會影響電橋的平衡狀態(tài)，電橋在零位調(diào)整時，應(yīng)使R4=Ra+Rt0為電阻在參考溫度（如0°C）時的電阻值。三線連接法的缺點之一是可調(diào)電阻的接觸電阻和電橋臂的電阻相連，可能導(dǎo)致電橋的

7、零點不穩(wěn)。三、分析1、分析如圖1所示自感傳感器當動鐵心左右移動（x1,x2發(fā)生變化時自感L變化情況。已知空氣隙的長度為x1和x2，空氣隙的面積為S，磁導(dǎo)率為，線圈匝數(shù)W不變）。（10分）解：， 又空氣隙的長度x1和x2各自變，而其和不變，另其他變量都不變故L不變2常用的半導(dǎo)體光電元件有哪些?它們的電路符號如何?答：常用的半導(dǎo)體光電元件有光敏二極管、光敏三極管和光電池三種。它們的電路符號如下圖所示：3對每種半導(dǎo)體光電元件，畫出一種測量電路。答：光敏二極管、三極管及光電池的測量電路如下圖所示。4. 設(shè)計一個采用霍爾傳感器的液位控制系統(tǒng)。答：液位控制系統(tǒng)原理如圖所示，霍爾元件固定不動，磁鐵與探測桿固

8、定在一起，連接到裝液體的容器旁邊，通過管道與內(nèi)部連接。當液位達到控制位置時霍爾元件輸出控制信號，通過處理電路和電磁閥來控制液壓閥門的開啟和關(guān)閉，如液位低于控制位置時開啟閥門，超過控制位置時則關(guān)閉閥門。4超聲波發(fā)生器種類及其工作原理是什么?它們各自特點是什么?答：超聲波發(fā)生器有壓電式超聲波發(fā)生器和磁致伸縮超聲波發(fā)生器兩種。壓電式超聲波發(fā)生器就是利用壓電晶體的電致伸縮現(xiàn)象制成的。常用的壓電材料為石英晶體、壓電陶瓷鋯鈦酸鉛等。在壓電材料切片上施加交變電壓，使它產(chǎn)生電致伸縮振動，而產(chǎn)生超聲波，如下圖所示，它可以產(chǎn)生幾十kHz到幾十MHz的高頻超聲波，產(chǎn)生的聲強可達幾十Wcm2。磁致伸縮超聲波發(fā)生器把鐵

9、磁材料置于交變磁場中，使它產(chǎn)生機械尺寸的交替變化，即機械振動，從而產(chǎn)生超聲波。磁致伸縮超聲波發(fā)生器是用厚度為0.10.4mm的鎳片疊加而成的，片間絕緣以減少渦流電流損失。其結(jié)構(gòu)形狀有矩形 、窗形等，如下圖所示，它只能用在幾萬Hz的頻率范圍以內(nèi)，但功率可達十萬W，聲強可達幾千Wcm2，能耐較高的溫度。磁致伸縮超聲波發(fā)生器7根據(jù)你已學(xué)過的知識設(shè)計一個超聲波探傷實用裝置(畫出原理框圖)，并簡要說明它探傷的工作過程?答：可采用穿透法探傷，原理框圖如下圖。穿透法探傷是根據(jù)超聲波穿透工件后的能量變化狀況，來判別工件內(nèi)部質(zhì)量的方法。穿透法用兩個探頭，置于工件相對面，一個發(fā)射超聲波，一個接收超聲波。發(fā)射波可以

10、是連續(xù)波，也可以是脈沖。在探測中，當工件內(nèi)無缺陷時，接收能量大，儀表指示值大；當工件內(nèi)有缺陷時，因部分能量被反射，接收能量小，儀表指示值小。根據(jù)這個變化，就可以把工件內(nèi)部缺陷檢測出來。ABO點LALB地 面L如果地面下一均勻的自來水直管道某處O發(fā)生漏水，水漏引起的振動從O點向管道兩端傳播，在管道上A、B兩點放兩只壓電傳感器，由從兩個傳感器接收到的由O點傳來的t0時刻發(fā)出的振動信號所用時間差可計算出LA或LB。 簡述壓電點火元件的工作原理？答：圖5-13是利用壓電陶瓷制造的發(fā)火元件示意圖，其工作原理為：當壓電陶瓷元件接受機械沖擊時，即刻產(chǎn)生高壓脈沖電壓可達數(shù)千伏，瞬間電流可達數(shù)萬安，并在電極尖端

11、放電而產(chǎn)生電弧。能用于電子打火機、燃灶、導(dǎo)彈引爆器中的點火器的發(fā)火元件。如圖5-13所示液化氣電子點火裝置具體操作過程是：當迅速按下手動凸輪開關(guān)1時，氣閥6打開，同時凸輪凸出部分推動沖擊砧2，沖擊砧對彈簧3向左壓縮，當凸輪凸出部分離開沖擊砧時，沖擊砧在彈簧彈力作用下，迅速撞擊陶瓷壓電組件4，壓電效應(yīng)產(chǎn)生，在其兩極面上產(chǎn)生大量電荷，通過導(dǎo)線5在尖端放電產(chǎn)生火花，液化氣被著火點燃。光纖按工作原理分類可以分為哪幾類？按信息傳輸形式分類可以分為哪幾類？答：光纖按工作原理分類可以分為兩大類：一類是利用光纖本身的某種敏感特性或功能制成的傳感器，稱為功能型（Functional Fiber，縮寫為FF）傳感

12、器，又稱為傳感型傳感器；另一類是光纖僅僅起傳輸光的作用，它在光纖端面或中間加裝其它敏感元件感受被測量的變化，這類傳感器稱為非功能型（Non Functional Fiber，縮寫為NFF）傳感器，又稱為傳光型傳感器。按信息傳輸形式分類可以分為：單模光纖和多模光纖。根據(jù)你已學(xué)過的知識設(shè)計一個超聲波探傷實用裝置(畫出原理框圖)，并簡要說明它探傷的工作過程?答：高頻發(fā)生器產(chǎn)生高頻振蕩波 ，發(fā)達后驅(qū)動超聲波發(fā)生器，將超聲波發(fā)生器和被測工件充分接觸，在接觸的表面會反射回第一個回波T，一部分超聲波繼續(xù)往前傳播，當遇到有砂眼、裂紋等缺陷時，會返回一個波到接收探頭F，超聲波繼續(xù)前行遇到工件B面再反射回波B到探

13、頭接收器。通過將接收到的回波整形，測量T波到F波的時間差，就可以計算出缺陷離T面的距離。半導(dǎo)體氣敏傳感器有哪幾種類型？答：半導(dǎo)體氣敏傳感器按照半導(dǎo)體與氣體的相互作用是在其表面，還是在內(nèi)部，可分為表面控制型和體控制型；按照半導(dǎo)體變化的物理性質(zhì)，可分為電阻型和非電阻型兩種。試敘述表面控制型半導(dǎo)體氣敏傳感器的工作原理。答：電阻型半導(dǎo)體氣敏元件是利用半導(dǎo)體接觸氣體時，其阻值的改變來檢測氣體的成分或濃度；而非電阻型半導(dǎo)體氣敏傳感元件根據(jù)其對氣體的吸附和反應(yīng)，使其某些有關(guān)特性變化對氣體進行直接或間接檢測。為什么多數(shù)氣敏器件都附有加熱器？答：無論哪種類型（薄膜、厚膜、集成片或陶瓷）的氣敏元件，其內(nèi)部勻有加熱

14、絲，一方面用來燒灼元件表面油垢或污物，另一方面可起加速被測氣體的吸、脫作用。加熱溫度一般為200400簡述石英晶體和壓電陶瓷的工作原理？答：石英晶體屬于壓電晶體，工作原理是壓電效應(yīng)，對其加力后，會產(chǎn)生縱向壓電效應(yīng)和橫向壓電效應(yīng)等。 壓電陶瓷的是一種經(jīng)極化處理后的人工多晶鐵電體。其工作原理也是壓電效應(yīng)，但要使壓電陶瓷產(chǎn)生壓電性，必須先對其進行極化處理。什么叫傳感器？它由哪幾部分組成？并說出各部分的作用及其相互間的關(guān)系。答：傳感器是能感受規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律將其轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置。通常傳感器由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。敏感元件是指傳感器中能直接感受或響應(yīng)被測量的部分，轉(zhuǎn)換元件是指

15、傳感器中將敏感元件感受或響應(yīng)的被測量轉(zhuǎn)換成適于傳輸或測量的電信號部分。由于傳感器的輸出信號一般都很微弱, 因此需要有信號調(diào)節(jié)與轉(zhuǎn)換電路對其進行放大、運算調(diào)制等。隨著半導(dǎo)體器件與集成技術(shù)在傳感器中的應(yīng)用，傳感器的信號調(diào)節(jié)與轉(zhuǎn)換電路可能安裝在傳感器的殼體里或與敏感元件一起集成在同一芯片上。此外，信號調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換電路以及傳感器工作必須有輔助的電源，因此信號調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換電路以及所需的電源都應(yīng)作為傳感器組成的一部分。簡述傳感器的作用和地位及其傳感器技術(shù)的發(fā)展方向。答：傳感器位于信息采集系統(tǒng)之首，屬于感知、獲取及檢測信息的窗口，并提供給系統(tǒng)賴以進行處理和決策所必須的原始信息。沒有傳感技術(shù)，整個信息技術(shù)的發(fā)展就成了

16、一句空話?？茖W(xué)技術(shù)越發(fā)達，自動化程度越高，信息控制技術(shù)對傳感器的依賴性就越大。發(fā)展方向：開發(fā)新材料，采用微細加工技術(shù)，多功能集成傳感器的研究，智能傳感器研究，航天傳感器的研究，仿生傳感器的研究等。傳感器的靜態(tài)特性指什么？衡量它的性能指標主要有哪些？答：傳感器的靜態(tài)特性是指被測量的值處于穩(wěn)定狀態(tài)時的輸出輸入關(guān)系。與時間無關(guān)。主要性能指標有：線性度、靈敏度、遲滯和重復(fù)性等。傳感器的動態(tài)特性指什么？常用的分析方法有哪幾種？答：傳感器的動態(tài)特性是指其輸出與隨時間變化的輸入量之間的響應(yīng)特性。常用的分析方法有時域分析和頻域分析。時域分析采用階躍信號做輸入，頻域分析采用正弦信號做輸入。分析比較變磁阻式自感傳

17、感器、差動變壓器式互感傳感器和渦流傳感器的工作原理和靈敏度。答：1）、變磁阻式傳感器由線圈、鐵芯和銜鐵三部分組成。鐵芯和銜鐵由導(dǎo)磁材料如硅鋼片或坡莫合金制成，在鐵芯和銜鐵之間有氣隙，氣隙厚度為，傳感器的運動部分與銜鐵相連。當銜鐵移動時，氣隙厚度發(fā)生改變，引起磁路中磁阻變化，從而導(dǎo)致電感線圈的電感值變化，因此只要能測出這種電感量的變化，就能確定銜鐵位移量的大小和方向。變間隙式電感傳感器的測量范圍與靈敏度及線性度相矛盾，所以變隙式電感式傳感器用于測量微小位移時是比較精確的。為了減小非線性誤差，實際測量中廣泛采用差動變隙式電感傳感器。2）、差動變壓器式互感傳感器：把被測的非電量變化轉(zhuǎn)換為線圈互感量變

18、化的傳感器稱為互感式傳感器。這種傳感器是根據(jù)變壓器的基本原理制成的，并且次級繞組都用差動形式連接。應(yīng)用最多的是螺線管式差動變壓器可測量1-100mm的機械位移量，靈敏度高。3）、渦流傳感器的工作原理是根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)原理，塊狀金屬導(dǎo)體置于變化的磁場中或在磁場中作切割磁力線運動時，導(dǎo)體內(nèi)將產(chǎn)生呈旋渦狀的感應(yīng)電流，此電流叫電渦流，以上現(xiàn)象稱為電渦流效應(yīng)。根據(jù)電渦流效應(yīng)制成的傳感器稱為電渦流式傳感器。靈敏度高。為什么壓電式傳感器不能用于靜態(tài)測量，只能用于動態(tài)測量中？而且是頻率越高越好？答：壓電式傳感器的測量基于壓電效應(yīng)，而且在測量時必須保證：壓電元件在產(chǎn)生壓電效應(yīng)過程中必須沒有電荷泄露。在做靜態(tài)測

19、量時，要做到外力作用在壓電元件時所產(chǎn)生的電荷能在無泄漏的情況下進行完全保存，這實際上是不可能的，因此壓電式傳感器用于靜態(tài)測量是不合適的。要實現(xiàn)測量時電荷無泄漏的條件，只有使壓電元件在交變力的作用下，才能夠促使壓電效應(yīng)產(chǎn)生的電荷不斷得到補充，以供給測量回路一定的電流，因此說壓電傳感器只能用于動態(tài)測量。而且頻率越高，補充電荷的時間越短，保證測量時的無電荷泄露效果更好。1 用石英晶體制作的壓電式傳感器中，晶面上產(chǎn)生的電荷與作用在晶面上的壓強成正比，而與晶片幾何尺寸和面積無關(guān)。2 把被測非電量的變化轉(zhuǎn)換成線圈互感變化的互感式傳感器是根據(jù)變壓器的基本原理制成的，其次級繞組都用同名端反向形式連接，所以又叫

20、差動變壓器式傳感器。3閉磁路變隙式電感傳感器工作時，銜鐵與被測物體連接。當被測物體移動時，引起磁路中氣隙尺寸發(fā)生相對變化，從而導(dǎo)致圈磁阻的變化。4電阻應(yīng)變片是將被測試件上的應(yīng)變轉(zhuǎn)換成電阻的傳感元件。5影響金屬導(dǎo)電材料應(yīng)變靈敏系數(shù)K。的主要因素是導(dǎo)電材料幾何尺寸的變化。一.填空 1. 通常傳感器由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件、基本轉(zhuǎn)換電路三部分組成， 是能把外界非電量轉(zhuǎn)換成電量的器件和裝置。 2. 金屬絲在外力作用下發(fā)生機械形變時它的電阻值將發(fā)生變化，這種現(xiàn)象 稱應(yīng)變效應(yīng)；固體受到作用力后電阻率要發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱 壓阻效應(yīng)。直線的電阻絲繞成敏感柵后長度相同但應(yīng)變不同，圓弧部分 使靈敏度K下降了，這種現(xiàn)

21、象稱為橫向效應(yīng)。 3. 差動變壓器式傳感器理論上講，銜鐵位于中心位置時輸出電壓為零，而實際上差動變壓器輸出電壓不為零，我們把這個不為零的電壓稱為 零點殘余電壓；利用差動變壓器測量位移時，如果要求區(qū)別位移方向（或 正負）可采用相敏檢波電路。 4. 把一導(dǎo)體（或半導(dǎo)體）兩端通以控制電流I，在垂直方向施加磁場B，在 另外兩側(cè)會產(chǎn)生一個與控制電流和磁場成比例的電動勢，這種現(xiàn)象稱 霍爾效應(yīng)，這個電動勢稱為霍爾電勢。5. 外加磁場使半導(dǎo)體（導(dǎo)體）的電阻值隨磁場變化的現(xiàn)象成磁阻效應(yīng)。 某些電介質(zhì)當沿一定方向?qū)ζ涫┝Χ冃螘r內(nèi)部產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時在 它的表面產(chǎn)生符號相反的電荷，當外力去掉后又恢復(fù)不帶電的狀態(tài)，

22、這種 現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)；在介質(zhì)極化方向施加電場時電介質(zhì)會產(chǎn)生 形變，這種效應(yīng)又稱逆壓電效應(yīng)。 6. 在光線作用下電子逸出物體表面向外發(fā)射稱外光電效應(yīng)；入射光強 改變物質(zhì)導(dǎo)電率的現(xiàn)象稱內(nèi)光電導(dǎo)效應(yīng)；半導(dǎo)體材料吸收光能后在 PN結(jié)上產(chǎn)生電動勢的效應(yīng)稱光生伏特效應(yīng)。 7. 塊狀金屬導(dǎo)體置于變化的磁場中或在磁場中作切割磁力線運動時，導(dǎo)體內(nèi) 部會產(chǎn)生一圈圈閉合的電流，利用該原理制作的傳感器稱電渦流傳感器；這種傳感器只能測量金屬物體。 8. 不同的金屬兩端分別連在一起構(gòu)成閉合回路，如果兩端溫度不同，電路中 會產(chǎn)生電動勢，這種現(xiàn)象稱熱電效應(yīng)；若兩金屬類型相同兩端 溫度不同，加熱一端時電路中電動勢E =0。 二.選擇題 電阻應(yīng)變片 磁敏電阻 霍爾元件 氣敏傳感器 濕敏傳感器 光電耦合器 壓電傳感器 電容傳感器 熱敏電阻 CCD電荷耦合