傳感器復(fù)習(xí)題與答案

1、傳感器原理與應(yīng)用復(fù)習(xí)題第1章 傳感器概述1 什么是傳感器？傳感器由哪幾個(gè)部分組成？試述它們的作用和相互關(guān)系。（1）傳感器定義：廣義的定義：一種能把特定的信息（物理、化學(xué)、生物）按一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成某種可用信號(hào)輸出的器件和裝置。廣義傳感器一般由信號(hào)檢出器件和信號(hào)處理器件兩部分組成；狹義的定義：能把外界非電信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出的器件。我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)傳感器的定義是：能夠感受規(guī)定的被測(cè)量并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件和裝置。以上定義表明傳感器有這樣三層含義：它是由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件構(gòu)成的一種檢測(cè)裝置；能按一定規(guī)律將被測(cè)量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出；傳感器的輸出與輸入之間存在確定的關(guān)系。（2）組成部分：傳感

2、器由敏感元件，轉(zhuǎn)換元件，轉(zhuǎn)換電路組成。 （3）他們的作用和相互關(guān)系：敏感元件是直接感受被測(cè)量，并輸出與被測(cè)量成確定關(guān)系的物理量；轉(zhuǎn)換元件把敏感元件的輸出作為它的輸入，轉(zhuǎn)換成電路參量；上述電路參數(shù)接入基本轉(zhuǎn)換電路，便可轉(zhuǎn)換成電量輸出。 2傳感器的總體發(fā)展趨勢(shì)是什么？現(xiàn)代傳感器有哪些特征，現(xiàn)在的傳感器多以什么物理量輸出？（1）發(fā)展趨勢(shì)：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(cè)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。（2）特征：由傳統(tǒng)的分立式朝著集成化。數(shù)字化、多動(dòng)能化、微型化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化和光機(jī)電一體化的方向發(fā)展，具有高精度、高性能、高靈敏度、高

3、可靠性、高穩(wěn)定性、長(zhǎng)壽命、高信噪比、寬量程和無維護(hù)等特點(diǎn)。（3）輸出：電量輸出。3壓力、加速度、轉(zhuǎn)速等常見物理量可用什么傳感器測(cè)量？各有什么特點(diǎn)？名稱特點(diǎn)應(yīng)用電阻式傳感器電阻式傳感器具有體積小、質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、輸出精度較高、穩(wěn)定性好、適于動(dòng)態(tài)和靜態(tài)測(cè)量等特點(diǎn)。用于力、力矩、壓力、位移、加速度、重量等參數(shù)的測(cè)量電容式傳感器小功率、高阻抗；具有很高的輸入阻抗；靜電引力小，工作所需作用力?。挥休^高的頻率，動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性好；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可進(jìn)行非接觸測(cè)量。優(yōu)點(diǎn)是本身發(fā)熱小，缺點(diǎn)是輸出非線性。 電容式傳感器用于位移、振動(dòng)、角度、加速度等機(jī)械量精密測(cè)量。逐漸應(yīng)用于壓力、壓差、液面、成份含量等方面的測(cè)量。電感式

4、傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠、輸出功率大、分辨力高、線性度好、零點(diǎn)漂移少的優(yōu)點(diǎn)，但是響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)、不宜頻率較高的動(dòng)態(tài)測(cè)量。可測(cè)量位移、振動(dòng)、壓力、流量、重量、力矩、應(yīng)變、密度等物理量。磁電、磁敏式傳感器磁電式傳感器是種有源傳感器，輸出功率大，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，穩(wěn)定可靠。但尺寸大、比較重、頻率響應(yīng)低。 廣泛用于位移、振動(dòng)、速度、轉(zhuǎn)速、壓力等測(cè)量。壓電式傳感器體積小、質(zhì)量小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠。但不能測(cè)量頻率低的物理量?？梢詫?duì)各種動(dòng)態(tài)力、機(jī)械沖擊、加速度和振動(dòng)進(jìn)行測(cè)量光電式傳感器具有非接觸、快速、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能可靠等優(yōu)點(diǎn)?？蓽y(cè)量力、溫度、位移、速度等物理量。熱電式傳感器 熱電偶特點(diǎn)：耐高溫、精度高，可測(cè)量上千度

5、；熱電阻特點(diǎn)：利用金屬導(dǎo)體電阻隨溫度變化，可測(cè)溫幾百度；熱敏電阻特點(diǎn)：體積小、靈敏度高、使用方便，穩(wěn)定性差；集成溫度傳感器特點(diǎn)：體積小、響應(yīng)快、價(jià)廉，測(cè)量150以下溫度。主要測(cè)量溫度變化。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？（1）按傳感器檢測(cè)的量分類，有物理量、化學(xué)量，生物量；（2）按傳感器的輸出信號(hào)性質(zhì)分裂，有模擬和數(shù)字；（3）按傳感器的結(jié)構(gòu)分類，有結(jié)構(gòu)性、物性型、復(fù)合型；（4）按傳感器功能分類，單功能，多功能，智能；（5）按傳感器轉(zhuǎn)換原理分類，有機(jī)電、光電、熱電、磁電、電化學(xué)；（6）按傳感器能源分類，有有源和無源；根據(jù)我國(guó)的傳感器分類體系表，主要分為物理量傳感器、化學(xué)量傳感

6、器、生物量傳感器三大類。5了解傳感器的圖形符號(hào)，其中符號(hào)代表什么含義。X* P 圖a 圖b：電容式壓力傳感器正方形表示轉(zhuǎn)換元件，三角形表示敏感元件，“X”表示被測(cè)量，“*”表示轉(zhuǎn)換原理，如圖b。壓力用P，加速度用a,溫度用t。第二章 傳感器特性1傳感器的性能參數(shù)反映了傳感器的什么關(guān)系？傳感器的性能參數(shù)反映了傳感器的輸入輸出關(guān)系。2靜態(tài)特性特性參數(shù)有哪些？各種參數(shù)代表什么意義，描述了傳感器的哪些特征？（1）線性度：傳感器的校準(zhǔn)曲線與選定的擬合直線的偏離程度稱為傳感器的線性度，又稱非線性誤差。（yF.S.傳感器的滿量程輸出值； ymax校準(zhǔn)曲線與擬合直線的最大偏差。）。（2）靈敏度：指?jìng)鞲衅髟诜€(wěn)態(tài)

7、工作情況下輸出改變量與引起此變化的輸入改變量之比。常用Sn表示靈敏度，其表達(dá)式為。 一般希望測(cè)試系統(tǒng)的靈敏度在滿量程范圍內(nèi)恒定，這樣才便于讀數(shù)。也希望靈敏度較高，因?yàn)镾越大，同樣的輸入對(duì)應(yīng)的輸出越大。（3）遲滯（遲環(huán)）：在相同工作條件下做全量程范圍校準(zhǔn)時(shí)，正行程（輸入量由小到大）和反行程（輸入量由大到?。┧幂敵鲚斎胩匦郧€不重合。表達(dá)式為。遲滯是由于磁性材料的磁化和材料受力變形，機(jī)械部分存在（軸承）間隙、摩擦、（緊固件）松動(dòng)、材料內(nèi)摩擦、積塵等造成的。（4）重復(fù)性：指?jìng)鞲衅髟谳斎肓堪赐环较蜃魅砍踢B續(xù)多次測(cè)試時(shí), 所得特性曲線不一致的程度。表達(dá)式為：。（5）靜態(tài)誤差：指?jìng)鞲衅髟谄淙砍虄?nèi)任

8、一點(diǎn)的輸出值與其理論值的偏離程度。是評(píng)價(jià)傳感器靜態(tài)特性的綜合指標(biāo)。用非線性、遲滯、重復(fù)性誤差表示；系統(tǒng)誤差加隨機(jī)誤差用ymax表示校準(zhǔn)曲線相對(duì)于擬合直線的最大偏差，即系統(tǒng)誤差的極限值；用表示按極差法計(jì)算所得的標(biāo)準(zhǔn)偏差。（6）漂移：指?jìng)鞲衅鞅粶y(cè)量不變，而其輸出量卻發(fā)生了改變。漂移包括零點(diǎn)漂移與靈敏度漂移，零點(diǎn)漂移與靈敏度漂移又可分為時(shí)間漂移（時(shí)漂）和溫度漂移（溫漂）。（7）穩(wěn)定性：表示傳感器在一較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)保持性能參數(shù)的能力，故又稱長(zhǎng)期穩(wěn)定性。（8）分辨率：當(dāng)傳感器的輸入從非零值緩慢增加時(shí)，在超過某一增量后，輸出發(fā)生可觀測(cè)的變化，這個(gè)輸入增量稱為傳感器的分辨率，即最小輸入增量。（9）閾值電壓：指輸

9、入小到某種程度輸出不在發(fā)生變化的值。3什么是傳感器的動(dòng)態(tài)誤差？傳遞函數(shù)和頻率特性的定義是什么？（1）一個(gè)動(dòng)態(tài)性能好的傳感器，輸入和輸出之間應(yīng)具有相同的時(shí)間函數(shù)，但是除了理想狀態(tài)外，輸出信號(hào)一定不會(huì)與輸入信號(hào)有相同的時(shí)間函數(shù)，這種輸入輸出之間的差異就是動(dòng)態(tài)誤差，范陽(yáng)了傳感器的動(dòng)態(tài)特性。動(dòng)態(tài)誤差通常包括兩個(gè)部分：輸出達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后與理想輸出之間的差別，稱穩(wěn)態(tài)誤差；輸入量發(fā)生躍變時(shí)，輸出量由一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)過渡到另一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)期間的誤差，稱為暫態(tài)誤差。（2）傳遞函數(shù)H(s)表示傳感器系統(tǒng)本身的輸出、轉(zhuǎn)換特性。在數(shù)學(xué)的定義是：初始條件為零（t0,y=0）,輸出拉氏變換與輸入拉氏變換之比，輸出的拉氏變換等于

10、輸入的拉氏變換乘以傳遞函數(shù)。（3）當(dāng)傳感器輸入正弦信號(hào)時(shí)，則分析傳感器動(dòng)態(tài)特性的相位、振幅、頻率特性，稱之為頻率響應(yīng)或頻率特性。（4）當(dāng)傳感器輸入階躍信號(hào)時(shí)，則分析傳感器的過渡過程和輸出隨時(shí)間變化情況，稱之為傳感器的階躍響應(yīng)或瞬態(tài)響應(yīng)。4什么是傳感器的動(dòng)態(tài)特性? 其特性參數(shù)有那些？這些參數(shù)反映了傳感器的哪些特征，應(yīng)如何選擇？（1）傳感器的動(dòng)態(tài)特性是指?jìng)鞲衅鬏敵鰧?duì)時(shí)間變化的輸入量的響應(yīng)特性。（2）1）頻率響應(yīng)特性指標(biāo) 頻帶：傳感器增益保持在一定值內(nèi)的頻率范圍，即對(duì)數(shù)幅頻特性曲線上幅值衰減3dB時(shí)所對(duì)應(yīng)的頻率范圍，稱為傳感器的頻帶或通頻帶，對(duì)應(yīng)有上、下截止頻率。 時(shí)間常數(shù)：用時(shí)間常數(shù)來表征一階傳感

11、器的動(dòng)態(tài)特性，越小，頻帶越寬。 固有頻率n：二階傳感器的固有頻率n表征了其動(dòng)態(tài)特性。 2）瞬態(tài)響應(yīng)特性指標(biāo) 時(shí)間常數(shù),一階傳感器時(shí)間常數(shù)越小, 響應(yīng)速度越快。 延時(shí)時(shí)間,傳感器輸出達(dá)到穩(wěn)態(tài)值的50%所需時(shí)間。 上升時(shí)間,傳感器輸出達(dá)到穩(wěn)態(tài)值的90%所需時(shí)間。 超調(diào)量,傳感器輸出超過穩(wěn)態(tài)值的最大值。（3） 1）對(duì)于一階傳感器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)主要取決于時(shí)間常數(shù)，越小越好，越小，減小時(shí)間常數(shù)，傳感器上限頻率越高，工作頻率越寬，頻率響應(yīng)特性越好。 2）二階傳感器對(duì)階躍信號(hào)響應(yīng)和頻率響應(yīng)特性的好壞很大程度上取決于阻尼系數(shù)和傳感器的固有頻率n。5有一溫度傳感器，微分方程為30dy/dt+3y=0.15x，其中y

12、為輸出電壓（mV) , x為輸入溫度（）。試求該傳感器的時(shí)間常數(shù)和靜態(tài)靈敏度。由溫度傳感器的微分方程30dy/dt+3y=0.15x可知a1=30 , a0=3 , b0=0.15由一階傳感器的定義 時(shí)間常數(shù)=a1/a0=30/3=10(S) 靜態(tài)靈敏度k=b0/a0=0.15/3=0.05(mV /）6有一溫度傳感器，當(dāng)被測(cè)介質(zhì)溫度為t1，測(cè)溫傳感器顯示溫度為t2時(shí)，可用下列方程表示：。當(dāng)被測(cè)介質(zhì)溫度從25突然變化到300時(shí)，測(cè)溫傳感器的時(shí)間常數(shù)0 =120s，試求經(jīng)過350s后該傳感器的動(dòng)態(tài)誤差。動(dòng)態(tài)誤差由穩(wěn)態(tài)誤差和暫態(tài)誤差組成。先求穩(wěn)態(tài)誤差： 對(duì)方程兩邊去拉氏變換得： 則傳遞函數(shù)為 對(duì)于

13、一階系統(tǒng)，階躍輸入下的穩(wěn)態(tài)誤差，再求暫態(tài)誤差： 當(dāng)t=350s時(shí)，暫態(tài)誤差為 故所求動(dòng)態(tài)誤差為：第三章 應(yīng)變式傳感器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)？電阻應(yīng)變效應(yīng)：導(dǎo)體在收到外界拉力或壓力的作用時(shí)會(huì)產(chǎn)生機(jī)械變形，同時(shí)機(jī)械變形會(huì)引起導(dǎo)體阻值的變化，這種導(dǎo)體材料因變形而使其電阻值變化的現(xiàn)象稱為電阻應(yīng)變效應(yīng)。壓阻效應(yīng)：是指當(dāng)半導(dǎo)體受到某一軸向上的外應(yīng)力作用時(shí)，會(huì)引起半導(dǎo)體能帶變化，使載流子遷移率的發(fā)生變化，進(jìn)而造成電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象。橫向效應(yīng)：將直的電阻絲繞成敏感柵后，雖然長(zhǎng)度不變，但應(yīng)變狀態(tài)不同，圓弧部分使靈敏度下降了，這種現(xiàn)象稱為應(yīng)變傳感器的橫向效應(yīng)。2什么是應(yīng)變片的靈敏系數(shù)？

14、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(diǎn)和不同點(diǎn)。（1）應(yīng)變片是一種重要的敏感元件，是應(yīng)變和應(yīng)力測(cè)量的主要傳感器，如電子秤、壓力計(jì)、加速度計(jì)、線位移裝置常使用應(yīng)變片做轉(zhuǎn)換元件。（2）金屬電阻絲的靈敏系數(shù)可近似寫為 ，即；半導(dǎo)體靈敏系數(shù)近似為 50100（3）金屬絲電阻應(yīng)變片與半導(dǎo)體應(yīng)變片的比較 相同點(diǎn)：都主要引起兩個(gè)方面的變化：材料幾何尺寸變化（1+2）； 材料電阻率的變化（/）/ 不同點(diǎn)：金屬導(dǎo)體應(yīng)變片的電阻變化是利用機(jī)械形變產(chǎn)生的應(yīng)變效應(yīng)，對(duì)于半導(dǎo)體而言，應(yīng)變傳感器主要是利用半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)。金屬的尺寸變化大，半導(dǎo)體電阻率

15、變化大，據(jù)此靈敏度去不同的等效。（4）半導(dǎo)體應(yīng)變片比金屬應(yīng)變片在性能上的優(yōu)缺點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn)：靈敏度高，體積小，耗電少，動(dòng)態(tài)響應(yīng)好，精度高，測(cè)量范圍寬，有正負(fù)兩種符號(hào)的應(yīng)力效應(yīng)，易于微型化和集成化。 缺點(diǎn)：受溫度影響較大。3比較電阻應(yīng)變片組成的單橋、半橋、全橋電路的特點(diǎn)。單橋電路：只在很小的條件下滿足線性關(guān)系，其他條件下非線性誤差不能滿足測(cè)量要求。半橋差動(dòng)電路：Uo與R1/R1成線性關(guān)系，無非線性誤差，而且電橋電壓靈敏度KU=E/2，是單臂工作時(shí)的兩倍。全橋差動(dòng)電路：不僅沒有非線性誤差，而且電壓靈敏度為單片工作時(shí)的4倍。4. 在傳感器測(cè)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(chǎng)合？ 直流電

16、橋的電源穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但存在零漂和工頻干擾，要求有較高的靈敏度，實(shí)際應(yīng)用中輸出端通常會(huì)接入放大電路；交流電橋放大電路簡(jiǎn)單，無零漂，不易受干擾，但不易取得高精度，需專用的測(cè)量?jī)x器或電路。 5. 已知：有四個(gè)性能完全相同的金屬絲應(yīng)變片（應(yīng)變靈敏系數(shù)）, 將其粘貼在梁式測(cè)力彈性元件上，如圖3-30所示。在距梁端處應(yīng)變計(jì)算公式為設(shè)力，,。求：說明是一種什么形式的梁。在梁式測(cè)力彈性元件距梁端處畫出四個(gè)應(yīng)變片粘貼位置，并畫出相應(yīng)的測(cè)量橋路原理圖；求出各應(yīng)變片電阻相對(duì)變化量；當(dāng)橋路電源電壓為6V時(shí)，負(fù)載電阻為無窮大，求橋路輸出電壓U0是多少？梁為一種等截面懸臂梁；應(yīng)變片沿梁的方向上下平行各粘貼兩個(gè)； 第四

17、章 電容式傳感器1電容傳感器有哪些類型？分別適合檢測(cè)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）類型：變極距型；變面積型；變介質(zhì)型（2）變極距型：改變極板距離的電容器，適宜做小位移測(cè)量； 變面積型：改變極板面積的電容器，特點(diǎn)為測(cè)量范圍較大，用于測(cè)線位移、角位移； 變介質(zhì)型：改變極板介質(zhì)的電容器，用于液面高度測(cè)量、介質(zhì)厚度測(cè)量，可制成料位計(jì)等。（3） 變極距型電容式傳感器是將被測(cè)非電量（極板距離）變化成電容量的變化。（4） 變極距型電容式傳感器輸出特性： 1）變極距型電容傳感器靈敏度為要提高傳感器靈敏度應(yīng)減小初始極距，但初始極距受電容擊穿電壓限制； 2）非線性誤差隨相對(duì)的位移的增

18、加而增加, 為保證線性度應(yīng)限制相對(duì)位移； 3）起始極距與靈敏度相矛盾，變極距型電容傳感器適合測(cè)小位移； 4）為提高靈敏度和改善非線性，一般采用差動(dòng)結(jié)構(gòu)。 2為什么電感式和電容式傳感器的結(jié)構(gòu)多采用差動(dòng)形式，差動(dòng)結(jié)構(gòu)形式的特點(diǎn)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)。差動(dòng)式電容或電感傳感器比單個(gè)電容或電感靈敏度提高一倍；非線性誤差減小（多乘因子），線性度明顯改善；可以抵消溫度、噪聲干擾的影響。3電容傳感器的測(cè)量電路有哪些？差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路用于電容傳感器測(cè)量電路具有什么特點(diǎn)?電容傳感器

19、的測(cè)量電路有交流電橋、二極管雙T型電路、差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路、運(yùn)算放大器電路。差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路用于電容傳感器測(cè)量電路特點(diǎn)：適用于任何差動(dòng)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(duì)矩形波純度要求不高，只需穩(wěn)定的電源即可。4為什么高頻工作時(shí)的電容式傳感器連接電纜的長(zhǎng)度不能任意變化？低頻時(shí)容抗較大，傳輸線的等效電感和電阻可忽略。而高頻時(shí)容抗減小，等效電感和電阻不可忽略，這時(shí)接在傳感器輸出端相當(dāng)于一個(gè)串聯(lián)諧振，有一個(gè)諧振頻率存在，當(dāng)工作頻率諧振頻率時(shí)，串聯(lián)諧振阻抗最小，電流最大，諧振對(duì)傳感器的輸出起破壞作用，使電路不能正常工作。通常工作頻率10MHz

20、以上就要考慮電纜線等效電感的影響。5一單極板變極距型平板電容傳感器，初始極距d0=1mm，若要求測(cè)量的線性度為0.1%，求測(cè)量允許的極距最大變化量是多少？在同樣的條件和要求下，如果是差動(dòng)變極距型平板電容傳感器，那么允許的極距最大變化量又是多少？ 單極板變極距型平板電容傳感器線性輸出近似為 忽略高次項(xiàng)為 線性度為 測(cè)量的允許變化范圍為第五章 電感式傳感器（變磁阻式、差動(dòng)變壓器式、電渦流式）1. 何謂電感式傳感器？電感式傳感器分為哪幾類？各有何特點(diǎn)？（1）電感式傳感器是利用線圈自感和互感的變化實(shí)現(xiàn)非電量電測(cè)的一種裝置，傳感器利用電磁感應(yīng)定律將被測(cè)非電量轉(zhuǎn)換為電感或互感的變化。（2）電感式傳感器種類

21、：自感式、差動(dòng)式、互感式、渦流式。（3）自感式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、測(cè)量范圍小、非線性誤差大；互感式結(jié)構(gòu)復(fù)雜、測(cè)量范圍較大、有零點(diǎn)殘余電壓；渦流式可以進(jìn)行非接觸測(cè)量、但對(duì)象必須是金屬材料。2. 什么是零點(diǎn)殘余電壓？說明差動(dòng)變壓器式傳感器產(chǎn)生零點(diǎn)殘余電壓的原因及減少此電壓的有效措施。（1）差動(dòng)變壓器式傳感器的鐵芯處于中間位置時(shí)，在零點(diǎn)附近總有一個(gè)最小的輸出電壓，將鐵芯處于中間位置時(shí)，最小不為零的電壓稱為零點(diǎn)殘余電壓。（2）產(chǎn)生零點(diǎn)殘余電壓的主要原因是由于兩個(gè)次級(jí)線圈繞組電氣系數(shù)（互感 M 、電感L、內(nèi)阻R）不完全相同，幾何尺寸也不完全相同，工藝上很難保證完全一致。（3）為減小零點(diǎn)殘余電壓的影響，除工業(yè)上采取

22、措施外，一般要用電路進(jìn)行補(bǔ)償：串聯(lián)電阻；并聯(lián)電阻、電容，消除基波分量的相位差異，減小諧波分量；加反饋支路，初、次級(jí)間加入反饋，減小諧波分量；相敏檢波電路對(duì)零點(diǎn)殘余誤差有很好的抑制作用。3. 差動(dòng)自感傳感器和差動(dòng)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？（1）差動(dòng)自感傳感器的線圈必須相同，但不繞在同一鐵心上，磁通在線圈內(nèi)不交鏈；而差動(dòng)變壓器的線圈可以不同，但線圈必須要繞在同一鐵心上，磁通在線圈內(nèi)相交鏈感應(yīng)。（2）采用差動(dòng)變壓式轉(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。4. 什么是電渦流效應(yīng)？渦流的分布范圍。

23、電渦流傳感器可以進(jìn)行哪些非電量參數(shù)測(cè)量？（1）一個(gè)塊狀金屬導(dǎo)體置于變化的磁場(chǎng)中或在磁場(chǎng)中切割磁力線運(yùn)動(dòng)時(shí)，導(dǎo)體內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生閉合的電流，這種現(xiàn)象稱為渦流效應(yīng)。（2）分布范圍：徑向：渦流范圍與渦流線圈外徑有固定比例關(guān)系，渦流密度的最大值只在線圈外徑附近一個(gè)狹窄區(qū)域內(nèi)；線圈中心為零。軸向：由于趨膚效應(yīng)只在表面薄層存在。（3）可用于非接觸式測(cè)量，位移、振動(dòng)、轉(zhuǎn)速、厚度、材料、溫度。5. 電渦流傳感器是由哪種電參量轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)電量輸出的？電渦流傳感器可以檢測(cè)金屬材料，也可以檢測(cè)非金屬材料嗎？（1）電渦流傳感器是由電流轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)電量輸出。（2）電渦流傳感器不可以直接測(cè)量非金屬物體，這是由于傳感器本身特性決定的。渦

24、流傳感器與被測(cè)體共同構(gòu)成傳感器，因此被測(cè)體必須是導(dǎo)體。第六章 磁電式傳感器（磁電感應(yīng)式、霍爾式、磁敏元件）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？（1）磁電感應(yīng)式利用電磁感應(yīng)原理將運(yùn)動(dòng)速度、位移轉(zhuǎn)換成線圈中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)輸出。工作時(shí)不需外加電源，導(dǎo)體和磁場(chǎng)發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)是會(huì)在導(dǎo)體兩端輸出感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。（2）有恒磁通式、變磁通式兩種結(jié)構(gòu)形式。2磁電式傳感器是速度傳感器，它如何通過測(cè)量電路獲得相對(duì)應(yīng)的位移和加速度信號(hào)？磁電式傳感器的輸出信號(hào)直接經(jīng)主放大器輸出，該信號(hào)與速度成正比。前置放大器分別接積分電路或微分電路，接入積分電路時(shí)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)輸出正比于位移信號(hào)；接入微分電路時(shí)，感

25、應(yīng)電動(dòng)勢(shì)輸出正比于加速度信號(hào)。3什么是霍爾效應(yīng)？霍爾電勢(shì)的大小與方向和哪些因素有關(guān)？霍爾元件不等位電勢(shì)產(chǎn)生的因素有哪些？ (1)通電的導(dǎo)體（半導(dǎo)體）放在磁場(chǎng)中，電流與磁場(chǎng)垂直，在導(dǎo)體另外兩側(cè)會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，這種現(xiàn)象稱霍爾效應(yīng)。 (2)霍爾電勢(shì)：，式中v表示電子運(yùn)動(dòng)速度，B表示磁場(chǎng)強(qiáng)度，b表示電子流過霍爾元件的寬度；表示靈敏度，I表示流過的電流。(3)霍爾電勢(shì)不為零的原因是：霍爾引出電極安裝不對(duì)稱，不在同一等電位面上；激勵(lì)電極接觸不良，半導(dǎo)體材料不均勻造成電阻率不均勻等原因。4霍爾元件的溫度補(bǔ)償方法有哪些？霍爾元件的常見應(yīng)用。（1）外界溫度敏感元件進(jìn)行補(bǔ)償：兩種連接方式，恒流源激勵(lì)，恒壓源激勵(lì)

26、。（2）測(cè)位移：極性相反磁極共同作用，形成梯度磁場(chǎng)；磁電編碼器：金屬齒輪計(jì)算脈沖數(shù)測(cè)轉(zhuǎn)速；測(cè)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？它們的電路符號(hào)怎樣? 它們可以檢測(cè)什么物理量？ （1）半導(dǎo)體磁敏元件：磁敏電阻，磁敏二極管，磁敏三極管等。 （2）1）磁敏電阻與霍爾元件屬同一類，都是磁電轉(zhuǎn)換元件，兩者本質(zhì)不同是磁敏電阻沒有判斷極性的能力，只有與輔助材料(磁鋼)并用才具有識(shí)別磁極的能力。 2）磁敏二極管可用來檢測(cè)交直流磁場(chǎng)，特別是弱磁場(chǎng)?？捎米鳠o觸點(diǎn)開關(guān)、作箱位電流計(jì)、對(duì)高壓線不斷線測(cè)電流、小量程高斯計(jì)、漏磁儀、磁力探傷儀等設(shè)備裝置。 3）磁敏三極管具有較好的磁靈敏度，主要應(yīng)用于

27、磁場(chǎng)測(cè)量，特別適于10-6T以下的弱磁場(chǎng)測(cè)量，不僅可測(cè)量磁場(chǎng)的大小，還可測(cè)出磁場(chǎng)方向；電流測(cè)量。特別是大電流不斷線地檢測(cè)和保護(hù)；制作無觸點(diǎn)開關(guān)和電位器，如計(jì)算機(jī)無觸點(diǎn)電鍵、機(jī)床接近開關(guān)等；漏磁探傷及位移、轉(zhuǎn)速、流量、壓力、速度等各種工業(yè)控制中參數(shù)測(cè)量。第七章 壓電式傳感器1什么是壓電效應(yīng)？壓電傳感器能否用于靜態(tài)測(cè)量？為什么？（1）某些晶體，當(dāng)沿著一定方向施加力時(shí)，內(nèi)部產(chǎn)生極化現(xiàn)象，兩個(gè)表面會(huì)產(chǎn)生符號(hào)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）壓電式傳感器以電介質(zhì)的壓電效應(yīng)為基礎(chǔ)，外力作用下在電介質(zhì)表面產(chǎn)生電荷，從而實(shí)現(xiàn)非電量測(cè)量,是一種典型的發(fā)電型傳感器。不適用

28、于測(cè)量頻率太低的物理量，更不能測(cè)量靜態(tài)量。當(dāng)輸入信號(hào)頻率時(shí)，電壓放大器輸入信號(hào)為零，即;因此壓電傳感器不能測(cè)靜態(tài)物理量。2. 石英晶體和壓電陶瓷的壓電效應(yīng)有何不同之處？比較幾種常用壓電材料的優(yōu)缺點(diǎn)，說出它們各自適用的場(chǎng)合。（1）石英晶體整體是中性的，受外力作用而變形時(shí)沒有體積變形壓電效應(yīng)，但它具有良好的厚度變形和長(zhǎng)度變形壓電效應(yīng)。壓電陶瓷PZT是一種多晶材料，本身并不具有壓電性，必須在一定溫度下極化處理后，才呈現(xiàn)壓電特性。（2）石英晶體優(yōu)點(diǎn)穩(wěn)定性好，工作溫度范圍大，缺點(diǎn)靈敏度低，難于加工；適用于精度要求較高，不需要維護(hù)的場(chǎng)合。壓電陶瓷優(yōu)點(diǎn)靈敏度高，缺點(diǎn)是穩(wěn)定性差，易碎；適用于精度要求不太高且較

29、易維護(hù)的場(chǎng)合。壓電薄膜優(yōu)點(diǎn)柔性好，便于加工，靈敏度高，缺點(diǎn)容易劃破，耐高溫性能差；適用于受力較小且工作溫度不高的場(chǎng)合。3壓電元件在使用時(shí)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(chǎng)合？（1）在壓電式傳感器中，為了提高靈敏度，往往采用多片壓電芯片構(gòu)成一個(gè)壓電組件。其中最常用的是兩片結(jié)構(gòu)；根據(jù)兩片壓電片的連接關(guān)系，可分為串聯(lián)和并聯(lián)連接。（2）如果按相同極性粘貼，相當(dāng)兩個(gè)壓電片（電容）串聯(lián)。輸出總電容為單片電容的一半，輸出電荷與單片電荷相等，輸出電壓是單片的兩倍；適合測(cè)量變化較快且以電壓輸出的場(chǎng)合；若按不同極性粘貼，相當(dāng)兩個(gè)壓電片（電容）并聯(lián)，

30、輸出電容為單電容的兩倍，極板上電荷量是單片的兩倍，但輸出電壓與單片相等，適合測(cè)量變化較慢且以電荷輸出的場(chǎng)合。4. 壓電傳感器的等效電路怎樣？前置放大器起什么作用？電壓放大器和電荷放大器各有什么特點(diǎn)？ （1）等效電路 壓電傳感器等效電壓源 壓電傳感器等效電荷源 （2）前置放大器起放大微弱信號(hào)和阻抗變換（將傳感器高阻輸出變換為低阻輸出）的作用。 （3）1）電壓放大器：高頻響應(yīng)特性好。一般認(rèn)為當(dāng)3時(shí)輸入電壓與信號(hào)頻率無關(guān)；低頻響應(yīng)差。從電壓靈敏度Ku可見，連接電纜的分布電容Cc影響傳感器靈敏度，使用時(shí)更換電纜就要求重新標(biāo)定，測(cè)量系統(tǒng)對(duì)電纜長(zhǎng)度變化很敏感，這是電壓放大器的缺點(diǎn)。 2）電荷放大器：為解決

31、電纜分布電容Cc對(duì)傳感器靈敏度的影響，和低頻響應(yīng)差的缺點(diǎn)可采用電荷放大，集成運(yùn)放組成的電荷放大器有較好的性能。電荷放大器的輸出電壓U0只取決于輸入電荷量Q和反饋電容Cf ，輸出電壓與電纜電容Cc無關(guān)，與Q成正比，與電容Cf 成反比，這是電荷放大器的突出優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)是電路復(fù)雜、價(jià)格昂貴。5用石英晶體加速度計(jì)及電荷放大器測(cè)量機(jī)器振動(dòng)，已知，加速度計(jì)靈敏度為5pC/g，電荷放大器靈敏度為50mV/pC，最大加速度時(shí)輸出幅值2V，試求機(jī)器振動(dòng)加速度。當(dāng)輸出幅值為2V時(shí)，機(jī)器振動(dòng)加速度為：6什么是超聲波？其頻率范圍是多少？頻率在幾十千赫茲到幾十兆赫茲，一種人聽不到的聲波。7. 超聲波傳感器的發(fā)射與接收分別

32、利用什么效應(yīng)？常用的超聲波傳感器（探頭）有哪幾種形式？（1）超聲波傳感器主要利用壓電材料（晶體、陶瓷）的壓電效應(yīng)，其中超聲波發(fā)射器利用逆壓電效應(yīng)制成發(fā)射元件，將高頻電振動(dòng)轉(zhuǎn)換為機(jī)械振動(dòng)產(chǎn)生超聲波；超聲波接收器利用正壓電效應(yīng)制成接收元件，將超聲波機(jī)械振動(dòng)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。（2）按工作形式簡(jiǎn)單超聲波傳感器有專用型和兼用型兩種形式，兼用型傳感器是將發(fā)射（TX）和接收（RX）元件制作在一起，器件可同時(shí)完成超聲波的發(fā)射與接收；專用型傳感器的發(fā)送（TX）和接收（RX）器件各自獨(dú)立。按結(jié)構(gòu)形式有密封性和開放型，超聲波傳感器上一般標(biāo)有中心頻率（23kHz、40kHz、75kHz、200kHz、400kHz），表示

33、傳感器工作頻率。8. 簡(jiǎn)述超聲波測(cè)距的原理。最大測(cè)距范圍和測(cè)量精度分別由什么決定？（1）超聲波測(cè)距是通過定時(shí)控制電路、觸發(fā)邏輯電路、放大檢波電路實(shí)現(xiàn)脈沖的發(fā)射和接收，利用時(shí)鐘脈沖對(duì)發(fā)射和接收之間的延遲時(shí)間進(jìn)行計(jì)數(shù)，再通過數(shù)據(jù)處理電路將計(jì)數(shù)值與每個(gè)脈沖的周期相乘得到超聲波的傳播時(shí)間，進(jìn)而根據(jù)超聲波的傳播速度得到被測(cè)的距離。（2）根據(jù)被測(cè)物體的距離范圍設(shè)定反射脈沖時(shí)間間隔，調(diào)整晶振器觸發(fā)時(shí)間。測(cè)量精度由檢波電路決定。第八章 光電傳感器1什么是外光電效應(yīng)？?jī)?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？當(dāng)用光照射物體時(shí)，物體受到一連串具有能量的

34、光子的轟擊，于是物體材料中的電子吸收光子能量而發(fā)生相應(yīng)的電效應(yīng)（如電阻率變化、發(fā)射電子或產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)等）。這種現(xiàn)象稱為光電效應(yīng)。（1）當(dāng)光線照在物體上,使物體的電導(dǎo)率發(fā)生變化，或產(chǎn)生光生電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象叫做內(nèi)光電效應(yīng)，內(nèi)光電效應(yīng)又分為光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)。入射光強(qiáng)改變物質(zhì)導(dǎo)電率的物理現(xiàn)象稱光電導(dǎo)效應(yīng)，典型的光電器件有光敏電阻；光照時(shí)物體中能產(chǎn)生一定方向電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象叫光生伏特效應(yīng)，光電池、光敏晶體管。（2）在光線作用下，物體內(nèi)的電子逸出物體表面向外發(fā)射的現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)，典型的光電器件有光電管、光電倍增管。（3）光照特性描述光元件的照度與光電流光、電壓的關(guān)系；光譜特性描述光元件的波長(zhǎng)與靈敏度的關(guān)

35、系。2試述光電管、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(hào)怎樣?（1）光敏電阻的工作原理基于光電導(dǎo)效應(yīng)（內(nèi)），玻璃底板上涂一層對(duì)光敏感的半導(dǎo)體物質(zhì)，兩端有梳狀金屬電極，然后在半導(dǎo)體上覆蓋一層漆膜或壓入塑料封裝體內(nèi)。光照導(dǎo)電性增加，電阻下降電流增加，光照越強(qiáng)電流越大，無光照恢復(fù)。（2）光敏晶體管工作原理基于光生伏特效應(yīng)（內(nèi)）PN結(jié)，工作時(shí)加反向電壓，無光照時(shí)處于截止?fàn)顟B(tài)，光強(qiáng)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。（3）光電池工作原理基于光生伏特效應(yīng)（內(nèi)），實(shí)質(zhì)是一個(gè)大面積的PN結(jié)，上電極為柵狀受光電極，柵狀電極下涂有抗反射膜，用以增加透光減小反射，下

36、電極是一層鋁襯底。光敏電阻 光敏晶體管 光敏電池3. 什么是光敏電阻的亮電阻和暗電阻？暗電阻阻值通常在什么范圍？暗電阻：無光照時(shí)的電阻為暗電阻，暗電阻電阻值范圍一般為0.5200M；亮電阻：受光照時(shí)的電阻稱亮電阻，亮電阻的阻值一般為0.520K。4. 說明光敏二極管與光電池的結(jié)構(gòu)有什么不同？它們是如何工作的？（1）光電池結(jié)構(gòu)：有一個(gè)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(shí)電子空穴對(duì)迅速擴(kuò)散，在PN結(jié)電場(chǎng)作用下產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)。當(dāng)光照射PN結(jié)的一個(gè)面時(shí)，電子空穴對(duì)迅速擴(kuò)散，在結(jié)電場(chǎng)作用下建立一個(gè)與光照強(qiáng)度有關(guān)的電動(dòng)勢(shì)。一般普通光電池可產(chǎn)生0.2V0.6V電壓，50mA電流。（2）光

37、敏二極管結(jié)構(gòu)：有一個(gè)PN結(jié)，并且都是單向?qū)щ姷姆蔷€性元件。為了提高轉(zhuǎn)換效率有大面積受光，P-N結(jié)面積比一般二極管大。光敏二極管在電路中一般處于反向偏置狀態(tài)，無光照時(shí)，反向電阻很大，反向電流很?。挥泄庹諘r(shí)，P-N結(jié)處產(chǎn)生光生電子-空穴對(duì)；在電場(chǎng)作用下形成光電流，光照越強(qiáng)光電流越大；光電流方向與反向電流一致。5. 光電傳感器控制電路如圖所示，試分析電路工作原理： GP-IS01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(shí)，發(fā)光二極管LED有什么變化？ R1是什么電阻，在電路中起到什么作用？如果VD二極管的最大額定電流為60mA， R1應(yīng)該如何選擇？ 如果GP-IS01中的VD二極管反向連

38、接，電路狀態(tài)如何？晶體管VT 、LED如何變化？- 17 -1）GP-IS01是光電開關(guān)器件，內(nèi)部由發(fā)光二極管和光敏晶體管組成；2）當(dāng)用物體遮擋光路時(shí)，Vg無光電流，VT截止，發(fā)光二極管LED不發(fā)光；3）R1是限流電阻，在電路中可起到保護(hù)發(fā)光二極管VD的作用；如果VD二極管的最大額定電流為60mA，由于RI =（12V-0.7）/0.06 = 188，RI可選擇大于或等于200W電阻。4）如果GP-IS01中的VD二極管反向連接，VD將不發(fā)光，Vg無光電流，VT截止，發(fā)光二極管LED不發(fā)光；物體遮擋，電路無狀態(tài)變化。第九章 新型光電傳感器1PSD、CCD等英文縮寫是什么傳感器？各有什么用途？（

39、1）PSD光電位置傳感器：用于測(cè)量光斑的位置或位置的移動(dòng)量。（2）電荷耦合器件，又稱CCD圖象傳感器，是一種大規(guī)模集成電路光電器件；電荷耦合器件具有光電轉(zhuǎn)換，信息存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)移傳輸、處理以及電子快門等功能。2. CCD器件主要由哪兩個(gè)部分組成？CCD器件可分為哪幾類？（1）CCD基本結(jié)構(gòu)分兩部分：MOS光敏元陣列和讀出移位寄存器。（2）根據(jù)相數(shù)不同，可將電極結(jié)構(gòu)分為二相、三相、四相等類型；根據(jù)電機(jī)制造特點(diǎn)，可將電機(jī)結(jié)構(gòu)分為單層、二層和三層等。3. 光纖的結(jié)構(gòu)和傳光原理。光纖的性能和分類。（1）主要由三部分組成：中心纖芯；外層包層；護(hù)套尼龍料。（2）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

40、到光纖端面時(shí)，在端面發(fā)生折射后進(jìn)入光纖；光線在光纖端面入射角減小到某一角度c時(shí)，光線全部反射。（3）光纖性能： 數(shù)值孔徑（NA）:表示光纖的集光能力，無論光源的發(fā)射功率有多大，只要在2c張角之內(nèi)的入射光才能被光纖接收、傳播。若入射角超出這一范圍，光線會(huì)進(jìn)入包層漏光。 光纖模式（V）：指光波沿光纖傳播的途徑和方式，不同入射角度光線在界面上反射的次數(shù)不同。光波之間的干涉產(chǎn)生的強(qiáng)度分布也不同。模式值越大，允許傳播的模式值越多。 傳播損耗（A）：光纖在傳播時(shí)，由于材料的吸收、散射和彎曲的輻射損耗影響，不可避免的要有損耗。 光纖耦合器是實(shí)現(xiàn)光信號(hào)分路/合路的功能器件。耦合分為強(qiáng)耦合和弱耦合兩種。有拼接式

41、、熔融拉錐式和腐蝕光纖耦合器。（4） 傳播損耗分類： 1）吸收損耗： 物質(zhì)的吸收作用將使傳輸?shù)墓饽茏兂蔁崮?，造成光能的損失。與組成光纖的材料的電子受激躍遷和分子共振有關(guān)。 2）散射損耗： 由于材料密度的微觀變化，成分起伏，以及在制造光纖過程中產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)上的不均勻性或缺陷引起的。 3）彎曲損耗：光纖彎曲時(shí)部分光纖內(nèi)的光會(huì)因散射而損失掉，造成損耗。4. 光纖傳感器由哪幾部分組成？光纖傳感器可分為哪兩大類？各有何特點(diǎn)？（1）光纖傳感器由（2）光纖傳感器可分為功能型（又稱傳感型）和非功能型（又稱傳光型）兩大類。（3）1）功能型：利用光纖本身對(duì)外界被測(cè)對(duì)象具有敏感能力和檢測(cè)功能，光纖不僅起到傳光作用，而且在被測(cè)對(duì)象作用下，如光強(qiáng)、相位、偏振態(tài)等光學(xué)特性得到調(diào)制，調(diào)制后的信號(hào)攜帶了被測(cè)信息。 2）非功能性：光纖只當(dāng)作傳播光的媒介，待測(cè)對(duì)象的調(diào)制功能是由其它光電轉(zhuǎn)換元件實(shí)現(xiàn)的，光纖的狀態(tài)是不連