傳感器原理及應(yīng)用復(fù)習(xí)簡答題

1、一.簡答題（40分）1 1 . .傳感器的基本概念及基本功能傳感器就是借助于檢測元件（敏感元件）接受一定形式的信息，并按一定的規(guī)律將它轉(zhuǎn)換成另一種信息的裝置。它獲取的信息，可以是各種物理量、化學(xué)量和生物量，而轉(zhuǎn)化后的信息也有各種形式。目前，將傳感器接收到的信息轉(zhuǎn)化為電信號是最常用的一種形式（電信號包括電壓，電流及頻率信號）基本功能：信息收集，信號數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換2 2. .傳感器的基本組成并說出每部分的功能傳感器通常是由敏感元件，轉(zhuǎn)換元件和調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換電路三部分組成其中敏感元件是指傳感器中能夠直接感受或響應(yīng)被測量的部分；轉(zhuǎn)換元件是指傳感器中能夠?qū)⒚舾性惺芑蝽憫?yīng)的被測量轉(zhuǎn)換成電信號的部分；調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換電路

2、是指將非適合電量進(jìn)一步轉(zhuǎn)換成適合電量的部分。3 3. .傳感器的發(fā)展趨勢1 1 新特性（努力實現(xiàn)傳感器的新特性）2 2 可靠性（確保傳感器的可靠性，延長其使用壽命）3 3 集成智能（體感傳感器的集成化和智能化程度）4 4 微型（傳感器微型化）5 5 仿生（發(fā)展仿生物傳感器）6 6 新材料（新型功能材料開發(fā)）7 7 多融合（多傳感器信息融合）4,4,按被測量的不同傳感器可以分為哪幾類1 1 按感知外界信息基本效應(yīng)不同分為物理傳感器，化學(xué)傳感器，和生物傳感器等2 2 按被測量不同分為力學(xué)量/熱量/液體成分/氣體成分/真空/光/磁/離子/放射線傳感器等2 2 按敏感材料不同分為金屬/ /半導(dǎo)體/ /

3、光纖/ /陶瓷/ /高分子材料/ /復(fù)合材料傳感器等3 3 按工作原理不同分為應(yīng)變式/電感式/電容式/壓電式/磁電式/光電式/熱電式/氣敏/濕敏傳感器等5 5. .傳感器的特性及其概念6 6. .傳感器的靜態(tài)特性包括那幾個重要指標(biāo)傳感器的特性是指傳感器的輸入量和輸出量之間的對應(yīng)關(guān)系。通常分為靜態(tài)特性：輸入不隨時間變化而變化的特性（重要指標(biāo)包括線性度、靈敏度、重復(fù)性、遲滯、零點漂移、溫度漂移等）動態(tài)特性：輸入隨時間變化而變化的特性（可從時域和頻率方面即對應(yīng)階躍響應(yīng)法和頻率響應(yīng)法方面分析）7 7.電感式傳感器的概念及每類傳感器的基本概念1 1 應(yīng)變式傳感器：基于電阻應(yīng)變片的應(yīng)變效應(yīng)（對半導(dǎo)體應(yīng)變片

4、而言為壓阻效應(yīng)）。2 2 電感式傳感器：基于電磁感應(yīng)原理，利用磁路磁阻變化引起傳感器線圈的電感（自感系數(shù)或互感系數(shù)）變化來檢測非電量的一種機電轉(zhuǎn)換裝置。常見有自感式，互感式，渦流式等。3 3 電容式傳感器：可以把某些非電量的變化通過一個可變電容器轉(zhuǎn)換成電容量變化的裝置。常見有變極距型，變面積型，變介質(zhì)型。4 4 壓電式傳感器：基于壓電材料受力作用而變形時，其表面會有電荷產(chǎn)生，從而實現(xiàn)非電量測量原理。壓電式傳感器是典型的有源傳感器，常見有單向力，雙向力，三向力。5 5 磁電式傳感器：利用電磁感應(yīng)原理將運動速度轉(zhuǎn)換成感應(yīng)電動勢輸出的傳感器。又稱感應(yīng)式或電動式傳感器。常見有磁電感應(yīng)式，霍爾式，磁敏電

5、阻，慈磁敏二極管，磁敏晶體管6 6 光電式傳感器：利用光電器件把光信號轉(zhuǎn)換成電信號的裝置。先將被測量的變化轉(zhuǎn)換成光量的變化，通過光電器件把光量的變化轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電量變化，實現(xiàn)非電量測量。常見有光敏電阻，光敏二極管，光敏晶體管。7 7 熱電式傳感器：將溫度變化轉(zhuǎn)換為電量變化的裝置，它利用敏感元件的特征參數(shù)隨溫度變化而變化的特性來達(dá)到測量目的。常見有熱電阻，熱電偶，熱敏元件。8 8 氣敏傳感器：用來測量氣體的類別，濃度和成分的傳感器。由“識別”和“放大”兩部分非組成。常見分為半導(dǎo)體氣敏傳感器和非半導(dǎo)體氣敏傳感器兩類。9 9 濕敏傳感器：用以感受大氣濕度并轉(zhuǎn)化為適當(dāng)電信號的傳感器。8 8. .畫圖并

6、說明電渦流傳感器測轉(zhuǎn)速的基本原理在一個旋轉(zhuǎn)金屬彳上加一個有 N N 個齒的齒輪，旁邊安裝電渦流傳感器，如下圖所示，當(dāng)旋轉(zhuǎn)體轉(zhuǎn)動時,電渦流傳感器將周期1-電渦流傳感器2-被惻物圖3轉(zhuǎn)速測量方法示意圖9 9. .根據(jù)電容量大小的公式說明電容式傳感器的幾種類型，并畫出電容式傳感器的等效電路改變輸出信號，改輸出信號的頻率可由頻率計測出，由此可計算出轉(zhuǎn)速A12電容式傳感器的電容量為C一，其中0r,08.858.851010F/mF/m, ,為真空介電常數(shù)；為極板間介質(zhì)相對介電常數(shù)；A A 為 m m 平行板所覆蓋的面積；d d 為兩平行板間的距離。據(jù)此原理，故可將電容其中 R R 代表引線電阻、電容支架

7、和極板間的電阻（其值隨著 f f 增大而增大，故在高頻時才加以考慮）。L L應(yīng)包括電纜的電感。R Rp為并聯(lián)損耗電阻，代表極板間的泄漏電阻和極板間的介質(zhì)損耗（隨著 f f 增大其值即容抗減小，對系統(tǒng)的影響隨之減弱）1010. .什么是壓電效應(yīng)及其分類。為什么不能用壓電傳感器測靜態(tài)壓力壓電效應(yīng)是當(dāng)沿著一定方向?qū)δ承╇娊橘|(zhì)施力而使它變形時，其內(nèi)部就產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時在它的兩個表面上便產(chǎn)生符號相反的電荷；當(dāng)外力去掉后，又重新恢復(fù)不帶電狀態(tài)的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象又稱為正壓電效應(yīng)。（當(dāng)作用力的方向改變時，電荷的極性也隨著改變）相反，當(dāng)在電介質(zhì)的極化方向上施加電場時，這些電解質(zhì)也會產(chǎn)生變形，這種現(xiàn)象稱為逆壓電效

8、應(yīng)。壓電傳感器可以等效為一個電荷發(fā)生器或電容器，但其產(chǎn)生的電荷量很微弱，在極短的時間內(nèi)便會由自身泄漏掉，只有在動態(tài)力作用下，電荷才可以不斷補充，不至于完全泄漏掉。故在靜態(tài)作用力作用下，無論是否受力，無論受力多大，都無信號輸出。所以壓電傳感器不能用于靜態(tài)測量。1111 . .說明壓電傳感器轉(zhuǎn)換電路中的電壓放大器與電荷放大器的優(yōu)缺點及各自要解決的問題壓電式傳感器本身的內(nèi)阻抗很高，而輸出能量較小，因此它的轉(zhuǎn)換電路通常需要接入一個高輸入阻抗的前置放大器，其作用為：1 1.把它的高輸出阻抗變換為低輸出阻抗；2.2.放大傳感器輸出的微弱信號。壓電傳感器的輸出可以是電壓信號，也可以是電荷信號，因此前置放大器

9、也有兩種形式：電壓放大器和電荷放大器。電壓放大器：輸出電壓 U Usc與壓電元件的輸出電壓成正比，但易受電纜電容 C Cc的影響。電荷放大器：基于密勒效應(yīng)。低頻響應(yīng)較電壓放大器好得多，可以實現(xiàn)對準(zhǔn)靜態(tài)的物理量進(jìn)行測量。輸出電壓 U Usc與q成正極化（電場）電能式傳感器分為變極距型，變面積型，變介質(zhì)型。其等效電路如圖所示。比，與電纜電容 C Cc無關(guān)。價格高，電路復(fù)雜，維護(hù)較為困難。1212. .磁電感應(yīng)式傳感器的基本概念及其分類（與第七題重合）利用電磁感應(yīng)原理將運動速度轉(zhuǎn)換成感應(yīng)電動勢輸出的傳感器。又稱感應(yīng)式或電動式傳感器。磁電感應(yīng)式傳感器是一種機一電能量轉(zhuǎn)換型傳感器，是利用導(dǎo)體和磁場發(fā)生相

10、對運動產(chǎn)生感應(yīng)電動勢的原理而制作。適用于振動，轉(zhuǎn)速，扭矩等測量。常見有磁電感應(yīng)式，霍爾式，磁敏電阻，慈磁敏二極管，磁敏晶體管。1313. .霍爾傳感器基本原理及其可能應(yīng)用場合基于霍爾元件的霍爾效應(yīng)，霍爾效應(yīng)是物質(zhì)在磁場中表現(xiàn)的一種特性，它是由于運動電荷在磁場中受到洛侖茲力作用產(chǎn)生的結(jié)果。當(dāng)把一塊金屬或半導(dǎo)體薄片垂直放在磁感應(yīng)強度為B的磁場中，沿著垂直于磁場方向通電流| |c,就會在薄片的另一對側(cè)面積間產(chǎn)生電動勢 U Uh,這種=現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)，所產(chǎn)生的電動勢稱為霍爾電動勢，這種薄片（一般為半導(dǎo)體）稱為霍爾片或霍爾元件。霍爾元件有對磁場敏感，結(jié)構(gòu)簡單，頻率響應(yīng)寬，動態(tài)范圍大，壽命長，無接觸等優(yōu)

11、點，可廣泛用于測量技術(shù)、自動化技術(shù)、和信息處理等方面。例如霍爾位移傳感器，霍爾轉(zhuǎn)速測量，汽車霍爾點火器，霍爾傳感器無接觸測電流。1414.什么是外光電效應(yīng)，內(nèi)光電效應(yīng)1515.什么是光生伏特效應(yīng)，光電導(dǎo)效應(yīng)，分別列舉相關(guān)器件光電效應(yīng)即為光電器件在光能的激發(fā)下產(chǎn)生某些電特性的變化。1 1 在光照射下，電子逸出物體表面向外發(fā)射發(fā)射的現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)，又稱光電發(fā)射效應(yīng)?；诖嗽砉ぷ鞯墓怆娛絺鞲衅饔泄怆姽芎凸怆姳对龉堋? 2 通過入射光子引起物質(zhì)內(nèi)部產(chǎn)生光生載流子，這些光生載流子引起物質(zhì)電學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為內(nèi)光電效應(yīng)。內(nèi)光電效應(yīng)分為和光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)。a.a.光電導(dǎo)效應(yīng)：絕大多數(shù)

12、高電阻率的半導(dǎo)體，受光照射吸收光子能量后，產(chǎn)生電阻率降低而易于導(dǎo)電的現(xiàn)象?；诖嗽砉ぷ鞯墓怆娛絺鞲衅饔泄饷綦娮琛.b.光生伏特效應(yīng)：光照射引起PN結(jié)兩端產(chǎn)生電動勢的現(xiàn)象稱為光生伏特效應(yīng)。基于此原理工作的光電式傳感器有光敏二極管，光敏晶體管（又稱光敏三極管）。2-+P-+N+光生電子一空穴對圖15-2-bPN結(jié)光生伏特效應(yīng)原理圖1616.什么叫熱電效應(yīng)，熱電偶的基本工作原理是什么在兩種不同的導(dǎo)體（或半導(dǎo)體）A A 和 B B 組成的閉合回路中，如果他們兩個的結(jié)點的溫度不同，則回路中會產(chǎn)生一個電動勢，通常稱這種電動勢為熱電動勢，這種現(xiàn)象就是熱電效。熱電偶的工作原理便是基于熱1717. .熱電偶

13、有哪些基本定律1 1 中間溫度定理：熱電偶 ABAB 的熱電動勢僅取決于熱電偶的材料及結(jié)點溫度。而與溫度沿?zé)犭姌O的分布以及熱電極的尺寸和形狀無關(guān)。2 2 中間導(dǎo)體定律：在熱電偶 ABAB 回路中，只要接入的第三導(dǎo)體兩端溫度相同，則對回路的總熱電動勢沒有影響。3 3 標(biāo)準(zhǔn)電極定律：當(dāng)熱電偶回路的兩個結(jié)點溫度為T、To時，用導(dǎo)體 ABAB 組成熱電偶的熱電動勢等于熱電偶 ACAC 和熱電偶 CBCB 的熱電動勢的代數(shù)和。1818.什么是智能傳感器，常見的智能傳感器的形式智能傳感器就是帶微處理器、兼有信息監(jiān)測和信息處理功能的傳感器，其最大特點是將傳感器檢測信息的功能與微處理器的信息處理功能有機的融合

14、在一起。簡而言之，智能傳感器就是帶有智能芯片的集成傳感器。形式：1 1 將傳感器與微處理器集成在一個芯片上。2 2 傳感器通過總線接口直接匹配微處理器。電效應(yīng)。1919. .智能傳感器的基本功能及其特點功能：1 1 具有自校準(zhǔn)和故障自診斷功能2 2 具有數(shù)據(jù)儲存、邏輯判斷、和信息處理功能3 3 具有組態(tài)功能，使用靈活4 4 具有雙向通信功能特點：1 1 精度高2 2 量程寬3 3 多參數(shù)多功能測量4 4 自適應(yīng)能力強5 5 較高的性能價格比2020.C.C 語言和匯編語言混合編程形式1C1C 語言內(nèi)嵌匯編語言2 2 匯編語言使用 C C 語言定義的全局變量3C3C 語言中調(diào)用匯編函數(shù)4 4 匯編語言中調(diào)用 C C 語言函數(shù)2121 . .智能傳感器中使用的六種總線HART(HighwayAddressableRemoteTransducer)HART(HighwayAddressableRemoteTransducer),可尋址遠(yuǎn)程傳感器高速通道的開放通信協(xié)議總線（單總線）2.I2.I2C C 總線（兩線式串行總線 Inter-IntegratedCircuit