河南理工大学检测考试重点文档格式.docx

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通常，传感器由敏感元件和转换元件组成。

其中，敏感元件是指传感器中能直接感受或响应被测量的部分；

转换元件是指传感器中能将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于传输或测量的电信号部分。

由于传感器输出信号一般都很微弱，需要有信号调理与转换电路，进行放大、运算调制等，此外信号调理转换电路以及传感器的工作必须有辅助的电源，因此信号调理转换电路以及所需的电源都应作为传感器组成的一部分。

随着半导体器件与集成技术在传感器中的应用，传感器的信号调理转换电路与敏感元件一起集成在同一芯片上，安装在传感器的壳体里。

4.2传感器静态特性性能指标及其各自的意义是什么？

传感器的静态特性指标主要有线性度、迟滞、重复性、灵敏度、分辨力、阈值、稳定性、漂移等，其中，线性度、灵敏度、迟滞和重复性是四个较为重要的指标。

线性度

传感器的线性度是指传感器的输出与输入之间数量关系的线性程度。

灵敏度

灵敏度是传感器静态特性的一个重要指标。

其定义是输出量增量

与引起输出量增量

的相应输入量增量

之比。

迟滞

传感器在输入量由小到大（正行程）及输入量由大到小（反行程）变化期间其输入输出特性曲线不重合的现象称为迟滞

重复性

重复性是指传感器在输入量按同一方向作全量程连续多次变化时，所得特性曲线不一致的程度

5.1什么是自感传感器？

为什么螺管式自感式传感器比变气隙式的测量范围大？

答：

自感式传感器是把被测量转换成线圈的自感

变化，通过一定的电路转换成电压或电流输出的装置。

由于转换原理的非线性和衔铁正、反方向移动时自感变化的不对称性，变气隙式自感传感器（包括差动式结构），只有工作在很小的区域，才能得到一定的线性度。

而差动螺管式自感传感器的自感变化量

与衔铁的位移量

成正比，其灵敏度比单线圈螺管式提高一倍，线性范围和量程较大。

5.2在使用自感式传感器时，为什么电缆长度和电源频率不能随便改变？

等效电感变化量为

上式表明自感式传感器的等效电感变化量与传感器的电感

、寄生电容

及电源角频率

有关。

因此在使用自感式传感器时，电缆长度和电源频率不能随便改变，否则会带来测量误差。

若要改变电缆长度或电源频率时，必须对传感器重新标定。

5.3什么是互感传感器？

为什么要采用差动变压器式结构？

互感式传感器也称为变压器式传感器，把被测位移转换为传感器线圈的互感变化。

这种传感器是根据变压器的基本原理制成的，并且次级线圈绕组采用差动式结构，故称之为差动变压器式传感器，简称差动变压器。

当衔铁处于中间位置时，由于两个次级线圈完全对称，通过两个次级线圈的磁力线相等，互感

，感应电势

，总输出电压为0。

当衔铁向左移动时，总输出电压

。

当铁芯向右移动时，总输出电压

两种情况的输出电压大小相等、方向相反。

大小反映衔铁的位移量大小，方向反映衔铁的运动方向，其特性曲线为

形特性曲线。

5.5零点残余电压产生的原因是什么？

如何消除？

零点残余电压由基波分量和高次谐波构成，其产生原因主要有以下几个方面。

1）基波分量主要是传感器两次级线圈的电气参数和几何尺寸不对称，以及构成电桥另外两臂的电器参数不一致，从而使两个次级线圈感应电势的幅值和相位不相等，即使调整衔铁位置，也不能同时使幅值和相位都相等。

2）高次谐波主要由导磁材料磁化曲线的非线性引起。

当磁路工作在磁化曲线的非线性段时，激励电流与磁通的波形不一致，导致了波形失真；

同时，由于磁滞损耗和两个线圈磁路的不对称，产生零位电压的高次谐波。

3）激励电压中包含的高次谐波及外界电磁干扰，也会产生高次谐波。

可以从以下几方面消除：

1）从设计工艺上保证结构对称性。

首先，要保证线圈和磁路的对称性，要求提高衔铁、骨架等零件的加工精度，线圈绕制要严格一致。

采用磁路可调式结构，保证磁路的对称性。

其次，铁芯和衔铁材料要均匀，应选高导磁率、低矫顽磁力、低剩磁的导磁材料。

另外，减小激励电压的谐波成分或利用外壳进行电磁屏蔽，也能有效地减小高次谐波。

2）选用合适的信号调理电路。

消除零点残余电压的最有效的方法是在放大电路前加相敏检波电路。

3）在线路补偿方面主要有：

加串联电阻消除零点残余电压的基波分量；

加并联电阻、电容消除零点残余电压的高次谐波；

加反馈支路消除基波正交分量或高次谐波分量。

5.6为什么说涡流式传感器也属于电感传感器？

涡流式传感器是基于电涡流效应原理制成的，即利用金属导体中的涡流与激励磁场之间进行能量转换的原理工作的。

被测对象以某种方式调制磁场，从而改变激励线圈的电感。

因此，电涡流式传感器也是一种特别的电感传感器。

6.1什么是压电效应？

压电效应的特点是什么？

以石英晶体为例，说明压电元件是怎样产生压电效应的？

当沿着一定方向对某些电介质施加压力或拉力而使其变形时，内部就产生极化现象，在某两个表面上产生符号相反的电荷；

当外力去掉后，又重新恢复到不带电状态；

当作用力方向改变时，电荷的极性也随着改变；

产生的电荷量与外力的大小成正比。

这种现象称为正压电效应。

压电效应的特点是具有可逆性。

当在电介质的极化方向施加电场时，电介质本身将产生机械变形，外电场撤离，变形也随着消失。

6.2压电传感器为什么只适用于动态测量？

压电传感器可以看作是一个带电的电容器，当外接负载时，

只有外电路负载无穷大，内部也无漏电时，受力所产生的电压

才能长期保存下来，若负载不是无穷大，则电路以时间常数

RLCa按指数规律放电，无法测量。

所以不能测量频率低或静止的参数。

6.3常见的压电元件的组合形式有哪些？

这些组合形式各适用于哪些场合？

常见的压电元件的组合形式有串联和并联两种方式。

其中并联接法输出电荷大，本身电容也大，时间常数大，适用于测量慢变信号，当采用电荷放大器转换压电元件上的输出电荷q时，并联方式可以提高传感器的灵敏度，所以并联方式适用于以电荷作为输出量的地方。

串联接法的输出电压大，本身电容小，当采用电压放大器转换压电元件上的输出电压时，串联方法可以提高传感器的灵敏度，所以串联方式适用于以电压作为输出信号，并且测量电路输入阻抗很高的地方。

6.4压电传感器为什么要接前置放大器？

常用的前置放大电路有几种？

各有什么特点？

由于压电传感器的输出信号非常微弱，一般将电信号进行放大才能测量出来。

但因压电传感器的内阻抗相当高，不是普通放大器能放大的，而且，除阻抗匹配的问题外，连接电缆的长度、噪声都是突出的问题。

为解决这些问题，通常，传感器的输出信号先由低噪声电缆输入高输入阻抗的前置放大器。

前置放大器也有两种形式：

电压放大器和电荷放大器。

电压放大器的输出电压与输入电压（即传感器的输出电压）成比例，这种电压前置放大器一般称为阻抗变换器；

电荷放大器的输出电压与输入电荷成比例。

这两种放大器的主要区别是：

使用电压放大器时，整个测量系统对电缆电容的变化非常敏感，尤其是连续电缆长度变化更为明显；

而使用电荷放大器时，电缆长度变化的影响差不多可以忽略不计。

8.1.电容式传感器有哪三大类？

分别适用于测量哪些物理量？

电容式传感器分为变面积式电容传感器、变间隙式电容传感器、变介电常数式传感器。

变面积式电容传感器可用于检测位移、尺寸等参量；

变间隙式电容传感器可以用来测量微小的线位移；

变介电常数式传感器可以用来测定各种介质的物理特性（如湿度、密度等）。

8.4.电容式传感器能否用来测量湿度？

试说明其工作原理。

采用变介电常数型的电容传感器即可测量湿度。

被测物质作为介质处于电容的两个固定极板之间，湿度改变时，介电常数发生变化，电容相应发生变化，通过检测电路检测电容的变化，即可反映湿度的变化。

9.1磁电式传感器的基本原理是什么？

磁电式传感器是通过磁电作用将被测量（如振动、位移、转速等）转换成电信号的一种传感器。

磁电感应传感器的工作原理可认为是发电机原理。

磁电传感器以导体和磁场发生相对运动而产生电动势为基础。

根据电磁感应定律。

具有

匝的线圈，其内的感应电动势e的大小取决于贯穿该线圈的磁通

的变化速率．即

9.3试举一磁电式传感器的应用的例子，并画简图说明其工作原理。

任何非电量只要能转换成位移量的变化，均可利用霍尔式位移传感器的原理变换成霍尔电势。

霍尔式压力传感器就是其中的一种。

它首先由弹性元件将被测压力变换成位移，由于霍尔元件固定在弹性元件的自由端上，因此弹性元件产生位移时将带动霍尔元件，使它在线性变化的磁场中移动，从而输出霍尔电势。

霍尔式压力传感器结构原理如图（a）所示。

弹性元件可以是波登管或膜盒或弹簧管。

图中弹性元件为波登管，其一端固定，另一自由端安装霍尔元件之中。

当输入压力增加时，波登管伸长，使霍尔元件在恒定梯度磁场中产生相应的位移，输出与压力成正比的霍尔电势。

9.4什么是霍尔效应？

为什么半导体材料适合于做霍尔元件？

霍尔效应为若在某导体薄片的两端通过控制电流I，并在薄片的垂直方向上施加磁感应强度为B的磁场，则，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势，称为霍尔电势或霍尔电压，这种现象称为霍尔效应。

霍尔系数:

K=1/（n*q）式中,n为载流子密度,一般金属中载流子密度很大,所以金属材料的霍尔系数系数很小,霍尔效应不明显，而半导体中的载流子的密度比金属要小得多,所以半导体的霍尔系数系数比金属大得多,能产生较大的霍尔效,故霍尔元件不用金属材料而是用半导体!

9.5霍尔元件产生不等位电势的主要原因有哪些？

怎样补偿？

不等位电势是一个主要的零位误差。

造成不等位电势的主要原因是：

在制作霍尔元件时，不可能保证将霍尔电极焊在同一等位面上，如图9-13所示。

此外，霍尔元件材料的电阻率不均匀，霍尔片的厚度、宽度不一致，电极与片子的接触不良等也会产生不等位电势。

在分析不等位电势时，可以把霍尔元件等效为一个电桥，如图9-14所示。

电桥的四个桥臂为r1、r2、r3、r4。

若两个霍尔电极在同一等位面上时，r1=r2=r3=r4，则电桥平衡，输出电压U0为零。

当霍尔电极不在同一等位面上时，四个桥臂电阻不相等，电桥处于不平衡状态，输出电压U0不为零。

可见，补偿的方法就是让电桥平衡起来，一般情况下，采用补偿网络进行补偿，效果良好。

上图给出了几种常见的补偿网络。

（a）（b）（c）（d）均为控制电流为直流的情况下的补偿。

可见，虽然在电路上有所不同，但基本的补偿思想都是一致的，都是通过并联的可调电阻通过阻值的调整而使得电桥电阻达到平衡。

9.8简述霍尔式压力传感器的工作原理。

首先由弹性元件将被测压力变换成位移，由于霍尔元件固定在弹性元件的自由端上，因此弹性元件产生位移时将带动霍尔元件，使它在线性变化的磁场中移动，从而输出霍尔电势。

10.1光敏电阻、光电二级管和光电三极管是根据什么原理工作的？

光电特性有何不同？

光敏电阻是一种基于半导体光电导效应、由光电导材料制成的没有极性的光电元件，也称为光导管。

光电二级管根据反偏电压pn结光伏效应工作的探测器；

光电三极管是根据无偏压pn结光伏效应工作的探测器；

光敏电阻用于测光的光源光谱特性必须与光敏电阻的光敏特性匹配，要防止光敏电阻受杂散光的影响；

光电三极管有电流放大作用，它的灵敏度比光电二极管高，输出电流也比光电二极管大，多为毫安级。

10.5以表面沟道CCD为例，简述CCD电荷存储、转移、输出的基本原理。

构成CCD的基本单元是MOS（金属-氧化物-半导体）电容器。

正如其它电容器一样，MOS电容器能够存储电荷。

如果MOS结构中的半导体是P型硅，当在金属电极（称为栅）上加一个正的阶梯电压时（衬底接地），Si-SiO2界面处的电势（称为表面势或界面势）发生相应变化，附近的P型硅中多数载流子——空穴被排斥，形成所谓耗尽层，如果栅电压VG超过MOS晶体管的开启电压，则在Si-SiO2界面处形成深度耗尽状态，由于电子在那里的势能较低，我们可以形象化地说：

半导体表面形成了电子的势阱，可以用来存储电子。

当表面存在势阱时，如果有信号电子（电荷）来到势阱及其邻近，它们便可以聚集在表面。

随着电子来到势阱中，表面势将降低，耗尽层将减薄，我们把这个过程描述为电子逐渐填充势阱。

势阱中能够容纳多少个电子，取决于势阱的“深浅”，即表面势的大小，而表面势又随栅电压变化，栅电压越大，势阱越深。

如果没有外来的信号电荷。

耗尽层及其邻近区域在一定温度下产生的电子将逐渐填满势阱，这种热产生的少数载流子电流叫作暗电流，以有别于光照下产生的载流子。

因此，电荷耦合器件必须工作在瞬态和深度耗尽状态，才能存储电荷。

以典型的三相CCD为例说明CCD电荷转移的基本原理。

三相CCD是由每三个栅为一组的间隔紧密的MOS结构组成的阵列。

每相隔两个栅的栅电极连接到同一驱动信号上，亦称时钟脉冲。

三相时钟脉冲的波形如下图所示。

在t1时刻，φ1高电位，φ2、φ3低电位。

此时φ1电极下的表面势最大，势阱最深。

假设此时已有信号电荷（电子）注入，则电荷就被存储在φ1电极下的势阱中。

t2时刻，φ1、φ2为高电位，φ3为低电位，则φ1、φ2下的两个势阱的空阱深度相同，但因φ1下面存储有电荷，则φ1势阱的实际深度比φ2电极下面的势阱浅，φ1下面的电荷将向φ2下转移，直到两个势阱中具有同样多的电荷。

t3时刻，φ2仍为高电位，φ3仍为低电位，而φ1由高到低转变。

此时φ1下的势阱逐渐变浅，使φ1下的剩余电荷继续向φ2下的势阱中转移。

t4时刻，φ2为高电位，φ1、φ3为低电位，φ2下面的势阱最深，信号电荷都被转移到φ2下面的势阱中，这与t1时刻的情况相似，但电荷包向右移动了一个电极的位置。

当经过一个时钟周期T后，电荷包将向右转移三个电极位置，即一个栅周期（也称一位）。

因此，时钟的周期变化，就可使CCD中的电荷包在电极下被转移到输出端，其工作过程从效果上看类似于数字电路中的移位寄存器。

10.6简述光栅式传感器的基本工作原理。

分析为什么光栅式传感器有较高的测量精度。

在长度计量中应用的光栅通常称为计量光栅，它主要由标尺光栅（也称主光栅）和指示光栅组成。

二者刻线面相对，中间留有很小的间隙相叠合，便组成了光栅副。

当标尺光栅相对于指示光栅移动时，形成的莫尔条纹产生亮暗交替变化。

利用光电接收元件接受莫尔条纹亮暗变化的光信号，并转换成电脉冲信号，经电路处理后用计数器计数可得到标尺光栅移过的距离。

光栅传感器在测量时，可以根据莫尔条纹的移动量和移动方向判定主光栅（或指示光栅）的位移量和位移的方向。

由于莫尔条纹有放大作用，就可以把一个微小移动量的测量转变成一个较大移动量的测量，既方便又提高了测量精度。

另外莫尔条纹的光强度变化近似正弦变化，因此便于将电信号做进一步细分，即采用“倍频技术”，将计数单位变成比一个周期

更小的单位,例如变成

记一个数，这样可以提高测量精度或可以采用较粗的光栅。

此外莫尔条纹是由光栅的大量栅线（常为数百条）共同形成的，而光电元件接收的并不只是固定一点的条纹，而是在一定长度范围内所有刻线产生的条纹。

因此对光栅的刻划误差有平均作用，从而可以在很大程度上消除刻线的局部误差和短周期误差的影响。

10.8试设计一个利用光电开关测速的测量系统。

利用光电器件可以构成光电式转速传感器，可以将转速的变化转换成光通量的变化，再经由光电元件转换成电量的变化。

光电式转速传感器工作原理如图10-40所示，在被测转速的电机上固定一个调制盘，调制盘的一边设置光源3，另一边设置光电元件4，调制盘随电机转动，当光线通过小孔照射到光电器件上一次时，光电元件就产生一个电脉冲。

电机连续转动，光电元件就输出一系列与转速及圆盘上的孔数成正比的电脉冲数。

电脉冲输入测量电路后被放大和整形，再送入频率计显示；

也可专门设计一个计数器进行计数和显示。

假设调制盘上有很多个小孔（如20，30，60…），调制盘每转一周，光电元件接受光的次数等于盘上的开孔数。

如开孔数为60，记录过程的时间为t秒，总脉冲数为N，则转速

11.1工业上铂热电阻为什么要采用三线制接线?

工业上铂热电阻电阻本体引线和连接导线电阻会给测量带来误差，常采用三线制接线来消除这种误差。

热电阻

用三根导线

、

和

引出,

与指示仪表串联，

，

分别串入测量电桥的相邻两臂。

在测量过程中，当环境温度变化时，导线电阻发生变化。

然而

的电阻变化不影响电桥的平衡，

的电阻变化可以相互平衡而自动抵消。

电桥调零时，应使

，其中

为热电阻在参考温度（如0℃）时的电阻值。

11.2热电阻传感器有哪儿种?

各有何特点及用途?

热电阻传感器按电阻—温度特性的不同通常分为金属热电阻和半导体热电阻两大类，一般把前者简称为热电阻，后者简称为热敏电阻。

金属热电阻传感器主要用于对温度和与温度有关的参量进行测量。

热电阻传感器广泛用来测量-120～500℃的温度。

随着材料科学技术的发展，其使用范围也在不断扩展。

例如，在特定情况下,可用于检测1～5K（0℃=273K）的超低温和1000～1300℃的高温，并表现出足够好的特性。

其特点是准确度高。

在检测中、低温时输出信号比热电偶大的多，灵敏度高，可实现远传、自动记录和多点检测。

半导体热敏电阻是利用半导体材料的电阻率随温度而变化的性质制成的温度敏感元件。

半导体和金属具有完全不同的导电机理。

金属的电阻值随温度的升高而增大，而大多数半导体的电阻值随温度升高而急剧地下降。

在温度变化1℃时，金属电阻的阻值变化0.4％～6％，而半导体热敏电阻的阻他变化3％～6％。

半导体热敏电阻随温度变化的灵敏度高，因此可用它来测量0.01℃或更小的温度差异。

11.3常用热电阻有几种?

它们各是什么?

它们的结构类型有几种?

各是什么?

常见的热电阻传感器有：

铂热电阻、铜热电阻和铟电阻，锰电阻，碳电阻。

工业用金属热电阻的结构通常有三种类型，即普通型热电阻、铠装热电阻和薄膜热电阻。

11.4热敏电阻有几种类型?

它们的性能有何区别?

三种类型，分别为：

负温度系数（NTC）型热敏电阻、正温度系数（PTC）型热敏电阻、临界温度系数（CTR）型热敏电阻。

负温度系数（NTC）型热敏电阻的阻值随温度的升高而下降。

PTC热敏电阻主要采用BaTiO3系材料制成。

当温度超过某一数值（居里温度点）时，其电阻值随温度的升高而急剧增大，当温度低于居里温度点时，具有半导体特性。

CIR热敏电阻采用VO3系列材料制成。

从温度特性曲线可见，其电阻值随温度变化的特性属剧变型，具有开关特性，其主要用于温度开关使用。

11.5在图11-28所示电路中，试分析可变电阻RP、电阻R3、Rt1，Rt3之间的关系。

由图可知此图是电动机过热保护电路。

把三只特性相同的负温度系数热敏电阻

（经测试阻值在20℃时为10

；

100℃时为1

110℃时为0.6

）串联在一起，贴在三相电机绕组的附近（紧靠绕组的顶端），当电动机正常运转时，绕组温度较低，热敏电阻值较高，三极管不通，继电器J不动作。

当电动机过载或断相或一相与地短路时，电动机绕组温度剧增，与绕组相挨的热敏电阻的阻值将会急剧减小，小到一定值，三极管完全导通，继电器J通电吸合，电动机被切断，起到保护作用。

其中可变电阻RP、电阻R3、Rt1，Rt3之间存在一个相互变化的关系，以确保能达到保护电动机作用。

11.9什么是金属导体的热电效应？

热电势与导体的接触电势，温差电势之间有什么关系？

两种不同材料的导体A和B组成的闭合回路，当两个结点温度不相同时，回路中将产生电动势。

这种物理现象称为热电效应。

热电势是由接触电势和温差电势组成的。

将两种电势综合起来研究，既由两种不同的金属导体A、B连接成闭合回路，两端的温度不同

，且两金属导体的自由电子浓度也不同

，则在这个回路中的两个接点处各产生一个接触电势，两金属导体中各产生一个温差电势。

回路中的总电势为

11.11如何选用热电偶？

在选用热电偶时应该注意些什么？

为了保证热电偶可靠稳定地工作，对热电偶的结构有如下要求：

①热电偶的热电极接点焊接应牢固；

②热电偶的热电极必须有良好的绝缘，以防短路；

③导线与热电偶自由端的连接要方便可靠；

④保护管应能保证热电极与有害介质相隔离；

11.13简述热电偶的几个重要定律，并分别说明其实用价值。

1）两导体电极材料相同,其热电动势为零。

如果组成电偶回路的两种导体相同（A=B），则无论两接点温度如何，其热电动势为零。

因此必需由两种不同材料才能构成热电偶。

2）热电偶两结点温度相同,其热电动势为零。

如果两接点温度相同（

），则尽管两导体材料不同，其热电动势为零。

3）热电偶回路的热电动势

只与两材料和两接点的温度有关，而与热电偶的尺寸形状及材料的中间温度无关。

而热电偶的内阻与其长短、粗细、形状有关。

热电偶越细，内阻越大。

4）中间温度定律：

热电偶AB在接点温度为

时的电动势，等于热电偶在接点温度为

时的其热电动势总和。

中间温度定律为制定热电偶分度表奠定了理论基础。

5）中间导体定律：

在热电偶回路中接入第三种材料的导体，只要第三种材料导体两接点温度相同，则这一导体的引入将不会改变原来热电偶的热电动势大小。

利用热电偶来实际侧温时，连接导线、显示仪表和接插件等均可看成是中间导体，只要保证这些中间导体两端的温度各自相同，则对热电偶的热电动势没有影响。

因此中间导体定律对热电偶的实际应用是十分重要的。

在使用热电偶时，应尽量使上述元器件两端的温度相同，才能减少测量误差。

6）参考电极定律（也称组成定律）：

已知热电极A，B与参考电极C组成的热电偶在接点温度为（

）时的热电动势分别为

，则在相同温度下，又A，B两种热电极配对后的电动势为

可按下面公式计算：

参考电极定律大大简化了热电极选配工作。

在成千万种合金热电极中，只要我们获得有关热电极与参考电极配对的热电动势，那么任何两种热电极配对都可按上式求得，而不需逐个进行测定。