《传感技术及应用》自学指导书Word下载.docx

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实验、课程设计等环节的时间安排和预期准备工作要求

第一部分

第一章至第四章

第二部分

第五至第七章

第三部分

第八章至第十一章

自学内容指导：

第一部分（第一章——第四章）

第一章引言

一、本章内容概述：

本章主要讲解了传感器的发展和作用、传感器的分类及传感器的特性。

二、本章知识点

1、掌握

1）掌握传感器的定义、基本组成、基本特性的表示方法

2）掌握传感器的各种分类方式。

3）掌握传感器静态和动态特性的定义。

4）掌握传感器几个静态特性指标的定义

2、了解

1）了解测量的定义

2）了解传感器应用的新技术及发展方向。

3、理解

1）传感器市场结构。

2）弹性元件的形式及应用范围。

第二章应变式传感器

§

2—1电阻应变效应

1．深入了解电阻应变效应。

2．掌握应变计的分类。

3．了解三种金属应变计的优缺点。

4．掌握薄膜型半导体元件的制造工艺。

5．了解应变计的型号命名规则

2—2应变计的主要特性

1．掌握应变式的优点。

2．掌握应变计的灵敏度系数概念。

3．掌握应变计的横向效应。

4．掌握应变计的特性参数，包括线性度、应变极限、机械滞后和热滞后、零漂和蠕变、疲劳寿命、最大工作电流、绝缘电阻。

2—3应变计的粘贴

1．掌握应变计的粘贴对于粘合要求。

2—4电桥原理及电阻应变计桥路

1．掌握直流电桥的特性方程及平衡条件。

2．了解电桥灵敏度。

3．了解交流电桥的平衡条件和电压输出。

2—5温度误差及其补偿

1．掌握温度补偿的几种常用方法。

2．了解温度误差产生的原因。

2—6电阻应变仪

1．了解电阻应变仪的组成及工作原理。

2—7应变式传感器

1．掌握应变式传感器的组成及各部分的功能。

2．了解弹性敏感元件的特点。

3．掌握柱式传感器、轮辐式传感器、悬梁臂式传感器的结构和工作原理。

4．了解应变式加速度传感器的工作原理。

§

2—8几种新型微变式传感器

1．了解压阻效应。

2．掌握敏感元件加工新技术。

第三章光电式传感器

3—1光电效应

1．掌握内光电效应、光导效应（本征和非本征）。

2．了解半导体产生光导效应的临界光波长的限制。

3—2热释电效应

1、了解热释电效应的应用。

3—3光的吸收系数

1、了解光的吸收系数。

3—4光传感器的特性表示法

1．掌握灵敏度、光谱灵敏度、峰值波长、相对光谱灵敏度、积分灵敏度、通量阀的定义。

2．掌握伏安特性、光器件频率特性的计算。

3—5光电传感器

1、掌握光电管的工作原理。

2．掌握光敏电阻结构。

掌握光敏电阻的工作原理、灵敏度与暗亮电阻的关系、光电特性的特点。

3．一般了解光敏电阻的光谱特性、频率特性、伏安特性和温度特性。

4．掌握光敏二极管的结构、工作原理、光电特性的特点，掌握相关电路分析、计算。

5．掌握光敏三极管的结构及其特点（与光敏二极管的关系）工作原理。

6．了解用光敏晶体管的光电特性和光谱特性测量光通量和估计光谱。

一般了解其它基本特性。

7．了解光电池的原理及应用，光敏元件的应用。

第四章光纤传感器

4—1光导纤维

1．掌握光导纤维的结构、原理。

2．掌握光纤的各种参数计算。

3．掌握光纤的分类。

4—2强度型光纤传感器

1．掌握反射式光纤唯一传感器、光纤测压传感器、移动光栅光纤传感器、弯曲光纤传感器的结构及工作原理。

4—3干涉型光纤传感器

1．了解干涉型光纤传感器的基本换能机理。

2．掌握迈克尔干涉仪是、马赫——泽德、萨格奈克、法布里——珀罗干涉仪的结构。

3．了解相位检测方法。

章节同步习题（第一部分）

一、填空题

1、常用的应变计粘合剂可分为和。

2、光电耦合器件是一种结合的器件。

从结构上看就是将发光元件和受光元件完全封装起来，并将加以遮断的元件。

3、作为摄像装置，必须具备三个功能：

把图像的转换为相应电荷图的功能，把暂存起来的功能和把各个像素依次的功能。

4．传感器按照工作是否依靠外加电源可分为传感器和传感器。

5、电阻应变计是一种能将机械构件上的应变的变化转换为__变化的传感元件。

6、电阻应变计根据敏感元件材料的不同，可以将应变计分为和__两大类。

7、金属电阻应变计常见的形式有、、等。

8、薄膜式应变计是采用或真空沉淀技术，在薄的绝缘基片上蒸镀金属电阻薄膜，再加上保护层制成。

9、悬臂梁式传感器有两种悬臂梁，一种为_，另一种为_。

10、敏感元件加工新技术包括__、_。

11、光谱特性是指相对光普灵敏度与__之间的关系。

12、光敏电阻的工作原理是基于_效应，在无光照时光敏电阻具有__的阻值；

再有光照时，当光子的能量大于材料禁带宽度，价带的电子吸收光子能量后跃迁到_，激发出可以导电的_，使电阻。

13、光电三极管可以等效看做一个光电二极管和一只的结合。

14、硒光电池可以工作在波段。

15、光纤按照传播模式可以分为光纤和光纤。

二、名词解释

1、灵敏度

2、迟滞现象

3、应变极限

4、应变计最大工作电流

5、光谱灵敏度

6、光电阻

7、温度系数

8、伏安特性

9、疲劳寿命

10、线性度

11、零漂

12、暗电阻

13、光照特性

三、选择题

1．电阻应变片的初始电阻数值有多种,其中用的最多的是（）。

A60ΩB120ΩC200ΩD350Ω

2．电涡流式传感器激磁线圈的电源是（）。

A直流B工频交流C高频交流D低频交流

3．单色光的波长越短，它的（）。

A频率越高，其光子能量越大B频率越低，其光子能量越大

C频率越高，其光子能量越小D频率越低，其光子能量越小

4．热电偶可以测量（）。

A压力B电压C温度D热电势

5．光敏电阻适于作为（）。

A光的测量元件B光电导开关元件C加热元件D发光元件

6.温度补偿方法中最常用的是（）。

A.辅助测温元件微机补偿法

B.电桥补偿法

C.应变计自补

D.热敏电阻补偿法

四、问答题

1．制作应变计敏感元件的金属材料有什么要求?

P8

2．什么是光电效应，依其表现形式如何分类，并予以详细解释。

P52-54

3、应变计的优点？

4.说明电阻应变片的工作原理它的k与应变丝的k有何差别，为什么？

五、分析题（共8分）

下图是一个悬臂梁，现用电阻应变片测量作用力F。

若考虑电阻应变片的温度线路补偿，请画图表示应变片粘贴的位置和测量线路的接法。

六、计算题

1、在下图所示的电路中，若光电二极管的结电容CJ=5pF，RL=100KΩ求此电路的频率特性的上限频率值。

P77

2.假设电阻应变片的灵敏系数K=2，R0=120Ω。

问：

在试件承受600με时，电阻变化值ΔR=？

第二部分（第五章——第七章）

第五章变磁阻式传感器

5—1电感式传感器

1．掌握单线圈变隙式和差动变隙式电感传感器的结构、工作原理、测量范围与灵敏度和线性度之间的关系。

2．掌握单线圈螺线管式和差动螺线管式电感传感器的结构（图）、工作原理、优缺点和应用。

3．掌握电感式配用测量电路名称；

4．—般了解电路的工作原理。

5—2差动式电感传感器

1．掌握螺管形结构的差动电感传感器结构。

2．—般了解电路的工作原理。

5—3差动变压器式

1．掌握差动变压器式传感器定义、结构种类。

2．了解变隙式差动变压器传感器的工作原理、输出特性：

掌握其灵敏度与初始平衡位置的气隙大小的关系。

3．掌握螺线管式差动变压器的结构（图）、线圈绕组的排列方式、工作原理、影响灵敏度的因素、改善线性度的方法、零点残余电压（定义、不良影响、基波产生的主要原因及消除方法）。

4．掌握差动变压器可以测量的物理量和配用测量电路的名称及差动半波整流电路（图）。

5．一般了解差动变压器配用的差动相敏检波电路的工作原理和基本特性、差动整流电路的工作原理。

5—4电动式传感器

1．掌握差动变压器式传感器定义、结构种类（会画图）。

第六章压电传感器

6—1晶体的压电效应

1．掌握压电效应、石英晶体的纵向压电效应的定义。

2．一般了解石英晶体的结构、三个轴及压电效应的解释；

了解石英晶体的突出优点；

掌握影响石英晶体表面电荷密度大小的因素。

3．掌握压电陶瓷的构成、极化处理、工作原理、压电陶瓷式传感器的优点。

4．一般了解压电陶瓷材料。

5．掌握压电元件的等效电路和电荷放大电路（图）和电路中各元件的意义（代表什么）。

6—2压电传感器

1．掌握压电加速度传感器的基本结构（会画图）和工作原理。

2．一般了解压电式传感器和加速度传感器的等效电路。

3．一般了解压电式传感器和加速度传感器的灵敏度参数。

6—3压电谐振式传感器

1．掌握压电谐振式温度传感器的工作原理。

2．一般了解压电谐振式温度传感器的电路框图。

3．一般了解压电汞蒸汽探测器。

6—4声表面波传感器

1．掌握SAW传感器的基本原理。

2．了解SAW压力、热敏、气敏、电力、加速度、流量传感器的应用。

第七章压电声传感器

7—1厚度振动换能器

1．掌握厚度震动换能器的结构及各部分作用。

2．一般了解厚度震动换能器的等效电路。

7—2圆柱形压电换能器

1．了解圆柱形压电换能器结构

2．了解薄臂圆管的共振频率的计算。

7—3复合棒压电换能器

1.了解复合棒压电换能器结构

2.了复合棒压电换能器的等效电路。

7—4压电陶瓷双叠片弯曲振动换能器

1．掌握压电陶瓷双叠片弯曲振动换能器工作原理

2．了解压电陶瓷双叠片弯曲振动换能器实例及其应用。

附第二部分习题

1、差动变压器从供电方式分为和式，差动变压器是将直流电通过振荡器变为，并将电子电路与差动变压器封装在一起。

2．石英晶体谐振式温度传感器属于型压电式谐振传感器，其工作原理基于压电谐振器对的热敏感性。

3、SAW加速度传感器能够实现__化，直接输出频率信号。

4、光纤磁传感器主要用来测量_。

5、前置放大器电路有两种形式:

一种是用电阻反馈的_______放大器，其输出电压与输入电压（即传感器的输出）成_____比；

另一种是用带电容负反馈的电荷放大器，其输出电压与________成正比。

6．根据工作原理电感式传感器可分为、、。

7．压电传感器串联输出型可等效为并联输出型可等效为。

8．产生电涡流需要具备两个条件、。

9、差动变压器从供电方式可分为___________和____________两种。

直流式差动变压器是将直流电通过振荡器变为交流电,并将电子电路与差动变压器封装在一起,

10、热敏电阻的温度系数随温度减小而_________,所以低温时热敏电阻温度系数大,所以灵敏度高,故热敏电阻常用于___________测量。

1、压电效应

三、选择题

1、目前广泛采用的压电材料是（）

A.石英晶体B.压电陶瓷

C.聚偏二氟烯D.氮化铝

2.通常检测飞机、车辆的冲击振动采用（）。

A.电容式传感器B.电感传感器

C.电位器D.压电加速度传感器

3、对压电式加速度传感器，希望其固有频率（）

A.接近零B.尽量低些

C.尽量高些D.任意

4、下列不是电感式传感器的是（）

A变磁阻式自感传感器B电涡流式传感器C差动变压器式互感传感器D霍尔元件式传感器

5．不能实现非接触式测量的传感器是。

A压电式传感器B电涡流式传感器

C光电式传感器D超声波传感器

四、四、问答题

1、简述电涡流的趋肤效应的基本内容。

2、圆柱形压电换能器的工作原理？

3、正压电式传感器适用于动态测量还是静态测量？

为什么？

五、分析题

图1

1．图1是式加速度传感器结构示意图。

2．图1中各编号名称：

①是；

②是；

③是；

④是；

六、画图题

画出压电加速度传感器的原理图并标出其组成。

第三部分（第八章——第十一章）

第八章半导体传感器

8—1半导体温度传感器

1．掌握半导体温度传感器的工作原理。

2．掌握两种类型半导体温度传感器的特点及其使用范围。

3．了解半导体温度传感器的特性。

8—2半导体湿度传感器

1．掌握湿敏电阻的定义、构成和工作原理。

2．一般了解几种湿敏电阻；

了解湿敏电阻的构成；

3．一般了解多功能气体一温度传感器。

8—3半导体气体传感器

1．了解气敏电阻材料的特点。

2．掌握气敏电阻的工作原理（两种吸附、加热）、基本测量电路及其工作原理。

3．一般了解气敏电阻的类型及特点。

8—4半导体磁敏传感器

1．掌握磁敏二极管和三极管的使用特点，了解磁敏二极管工作时的电压极性。

2．掌握改变磁敏三极管集电极电流大小和变化方向的方法。

3．一股了解磁敏二极管和三极管的工作原理和基本特性。

第九章电位器式传感器

9—1线性电位器

1．掌握线性电位器的特性。

2．了解线性电位器特性的计算。

9—2非线性电位器

1．掌握非线性电位器的分类。

2．了解各种非线性电位器的原理及特性参数。

9—3负载特性与负载误差

1．了解负载特性与负载误差的计算。

9—4电位器式传感器

1．掌握电位器式位移、压力、加速度传感器的结构。

2．了解电位器式位移、压力、加速度传感器的工作原理。

3．一般了解电位器式位移、压力、加速度传感器的实际应用范围。

第十章Z—半导体敏感元

10—1Z—半导体敏感元件的由来与特点

1．了解Z—半导体敏感元件的由来。

2．掌握Z—半导体敏感元件的特点。

10—2温敏Z—元件

1．掌握温敏Z—元件的工作原理。

10—3基本应用电路

1．了解温敏Z—元件基本应用电路

10—4应用开发的基本原理

1．掌握温敏Z—元件的基本应用。

2.了解温敏Z—元件的实际应用举例。

第十一章传感器电路

10—1传感器的匹配

1．了解传感器匹配的重要性。

2．掌握高输入阻抗的匹配方法。

10—2信号处理电路

1．掌握信号处理电路中常用的滤波、电平转换、采样保持等电路。

2．一般数字信号处理器的实际应用。

10—3信号传输

10—4抗干扰设计

1．掌握各种电子元件的抗干扰方法。

2．了解相关抗干扰电路。

10—5实际传感器电路举例

1．了解实际传感器电路举例。

附第三部分习题

1、把一导体（或半导体）两端通以控制电流I，在垂直方向施加磁场B，在另外两侧会产生一个与控制电流和磁场成比例的电动势，这种现象称_________效应，这个电动势称为_____________电势。

外加磁场使半导体（导体）的电阻值随磁场变化的现象成________________效应。

2、块状金属导体置于变化的磁场中或在磁场中作切割磁力线运动时，导体内部会产生一圈圈闭合的电流，利用该原理制作的传感器称____________传感器；

这种传感器只能测量______________物体。

3、电位器的输出特性有____________电位器和____________电位器。

4、电位器的结构可以分为两部分：

___________和电刷，电刷分为______位移和________方式。

5、常用的非线性线绕电位器有____________、_____________、___________及电位给定式。

6、为了增强传输的抗干扰能力,通常采用___________来传输信号。

有两种传输的方式,一种是模拟信号的直接传输;

另一种是先把信号转变成为________,然后传输。

电流环的最大优点是低阻的传输线对电气噪声不敏感

7．当半导体材料在某一方向承受应力时，它的发生显著变化的现象称为半导体压阻效应。

用这个原理制成的电阻称固态。

8．磁敏二极管工作时加电压。

由于它的磁灵敏很高，特别适用于测量。

9、霍尔元件采用恒流源激励是为了减小_______________。

10、电位器式传感器主要用来测量_，通过其他敏感元件也可以间接测量压力加速度等物理量。

1、湿度量程 

2、温度系数

3、响应时间

4、湿滞回线

5、霍尔效应

6、时间常数τ

7、 

散热系数H

8、最高工作温度Tm：

1、半导体热敏电阻率随着温度上升，电阻率（）

A.上升B.迅速下降

C.保持不变D.归零

2、下列不属于霍尔元件基本特性参数的是（）。

A.控制极内阻B.不等位电阻.C.寄生直流电动势D.零点残余电压

3、常用于制作霍尔元件的材料是（）

A铁B铜C铝D砷化铟

4、以下四种传感器中，属于四端元件的是（）。

A、霍尔元件B、压电晶体C、应变片D、热敏电阻

1、半导体磁敏器件具有哪些特点？

2、电位器式传感器的工作原理？

3、简答霍尔效应及构成以及霍尔传感器可能的应用场合。

4、解释下列磁敏传感器：

①磁敏电阻与磁敏晶体管有哪些不同？

②磁敏晶体管与普通晶体管的不同之处是什么？

③磁敏电阻与霍尔元件属同一类磁电转换元件，在本质上有什么不同？

5、Z—半导体敏感元件的优点？

考试说明

传感器原理与应用课程的学习目的是使同学在传感技术方面具有较广的知识，因而教材中介绍了多种伤感器的结构、工作原理、特性和参数、配用的测量电路、应用等。

有意扩大知识面，以便更好地适应工作需要。

由于这些传感器的结构、原理和特性差别较大，使得教材涉及的知识广泛，叙述的内容较多，这给同学们的复习带来一定的困难，建议同学们注意复习方法。

复习开始，同学们可以根据复习指导的要求，对教材中的有关内容进行熟读，再根据复习题初步检查一下复习效果，不满意时再熟读。

在做好作业题的基础上，最后利用期末复习提要中的自测题检查复习效果。

教材中所有的公式及其推导过程，均作为—般了解内容。

只需记住那些与使用有关的结论和物理概念。

教材中有的，而复习指导中未提到的内容不考。

没有计算试题。

试题的构成主要是填空和选择题，其次是名词解释，还有工作原理简述、传感器结构和测量电路的识别。

考试为闭卷。

《传感器及其应用》三部分习题答案

第一部分习题答案

1、有机粘合剂无机粘合剂。

2、光电外部光线

3、像素图电荷图读出

4．有源无源

5、电阻变化

6、金属式半导体式

7、丝式箔式薄膜式

8、真空溅射

9、等截面梁等强度梁

10、薄膜技术微细加工技术

11、入射光波

12、光电导很高导带电子—空穴对降低

13．晶体三极管

14、可见光

15、单模多模

1、灵敏度：

传感器输出量的变化与相应的被测量（输入量）的变化值之比。

2、迟滞现象：

输入逐渐增加到某一值，与输入逐渐减小到同一输入值时的输出之不相等，称为迟滞现象。

3、应变极限：

粘贴在试件上的应变计所能测量的最大应变值称为应变极限。

4、应变计最大工作电流：

允许通过应变计而不影响其工作的最大电流值。

5、光谱灵敏度：

接收器对所感受的波长是有选择性的，接收器对于不同波长的反应程度称为光谱灵敏度。

6、光电阻：

光敏电阻在某一光照下的阻值，称为该光照下的亮电阻。

7、温度系数：

是反应适度传感器的感湿特征量，相对湿度特性曲线随环境温度而变化的特征。

8、伏安特性：

在保持入射光频谱成分不变的条件下，光电器所加电压与电流之间的关系称为该器件的伏安特性。

9、疲劳寿命：

已安装的应变计，在恒定幅值的交变应力作用下，可以连续工作而不产生疲劳损耗的循环次数。

10、线性度：

传感器的输出——输入校准曲线与理论拟合植县之间的最大偏差与传感器满量程输出之比。

11、零漂：

恒定温度下，粘贴在试件上的应变计，在不承受载荷的条件下，电阻随时间变化的特性称为应变计的零漂。

12、暗电阻：

室温条件下光敏电阻在全暗后经过一定时间测得的电阻值，称为暗电阻。

13、光照特性：

光敏电阻的光电流与光强之间的关系，成为光敏电阻的光照特性。

1．B

2．C

3．A

4．C

5．B

6.B

1\制作应变计敏感元件的金属材料有什么要求?

P18

（1）k0大，并且尽可能大的范围内保持常数；

（2）电阻率大，这样在一定电阻值要求下，同样线径，所需电阻丝长度短；

（3）电阻温度系数小，高温使用时还要求耐高温氧化性能好；

（4）具有良好的加工焊接性能。

光电传感器的物理基础是光电效应，即半导体材料的许多电学特性都因受到光的照射而发生变化。

光电效应通常分为两大类

a）外光电效应：

在光照射下，电子逸出物体表面向外发射的现象称为外光电效应。

b）内光电效应：

分为光电导效应和光生伏特效应。

光电导效应是指入射光强改变物质导电率的物理现象；

光生伏特效应是指半导体材料吸收光能后，在PN结上产生电动势的效应。

3．应变计的优点？

1）测量应变的灵敏度和精确度高；

2）测量范围大；

3）尺寸小、重量轻、对试件工作状态影响小；

4）能适应各种环境；

5）价格低廉、品种多样，便于选择和大量使用。

4.说明电阻应变片的工作原理它的k与应变丝的k有何差别