传感器与检测技术总复习精华.docx
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传感器与检测技术总复习精华
填空：
1.传感器是把外界输入的非电信号转换成（电信号）的装置。
2.传感器是能感受规定的（被测量）并按照一定规律转换成可用（输出信号）的器件或装置。
3.传感器一般由（敏感元件）与转换元件组成。
（敏感元件）是指传感器中能直接感受被测量的部分
（转换元件）是指传感器中能将敏感元件输出量转换为适于传输和测量的电信号部分。
4.半导体应变片使用半导体材料制成，其工作原理是基于半导体材料的（压阻效应）。
5.半导体应变片与金属丝式应变片相比较优点是（灵敏系数）比金属丝高50~80倍。
6.压阻效应是指半导体材料某一轴向受到外力作用时，其（电阻率ρ）发生变化的现象。
7.电阻应变片的工作原理是基于（应变效应）,即在导体产生机械变形时,它的电阻值相应发生变化。
8.金属应变片由（敏感栅）、基片、覆盖层和引线等部分组成。
9.常用的应变片可分为两类:
（金属电阻应变片）和（半导体电阻应变片）。
半导体应变片工作原理是基于半导体材料的（压阻效应）。
金属电阻应变片的工作原理基于电阻的（应变效应）。
10.金属应变片有（丝式电阻应变片）、（箔式应变片）和薄膜式应变片三种。
11.弹性敏感元件及其基本特性:
物体在外力作用下而改变原来尺寸或形状的现象称为（变形）,而当外力去掉后物体又能完全恢复其原来的尺寸和形状，这种变形称为（弹性变形）。
12.直线电阻丝绕成敏感栅后，虽然长度相同，但应变不同，园弧部分使灵敏系数K↓下降，这种现象称为（横向效应）。
13.为了减小横向效应产生的测量误差,现在一般多采用（箔式应变片）。
14.电阻应变片的温度补偿方法
1）应变片的自补偿法
这种温度补偿法是利用自身具有温度补偿作用的应变片（称之为温度自补偿应变片）来补偿的，应变片的自补偿法有（单丝自补偿）和（双丝组合式自补偿）。
15.产生应变片温度误差的主要因素有下述两个方面。
1）（电阻温度系数）的影响
2）试件材料和电阻丝材料的（线膨胀系数不同）的影响
16.写出三种能够测量加速度的传感器（电阻应变片式传感器）（电容传感器）（压电传感器）
17.根据电容式传感器工作原理可以将电容传感器分成三类（变介电常数型）、变面积型和（变极距型）。
18.电容传感器测量液位时的电容值c与（液位高度h成线性）关系，所以可以用作液位传感器
19.交、直流电桥的平衡条件是什么？
R1R4=R2R3
判断：
金属电阻应变片的敏感栅有丝式、箔式和薄膜式三种。
其中丝式电阻应变片的优点是散热条件好,允许通过的电流较大,可制成各种所需的形状,便于批量生产。
（X）
2.单臂电桥，顾名思义就是只有一个应变片的测量电路就是单臂桥，相反就不是单臂（×）
3.直流电桥平衡条件是其相邻两臂电阻的比值应相等。
（√）
4.电容传感器因为极板间添加的是绝缘物质所以不能测量导电性液体（）
5.压电陶瓷与天然晶体是具有相同性质的压电效应的压电材料。
（×）
6.压电陶瓷极化后才具有压电特性，未极化时是非压电体。
（√）
选择：
1.演示位移传感器的工作原理如右图示，物体M在导轨上平移时，带动滑动变阻器的金属滑杆p，通过电压表显示的数据，来反映物体位移的大小x。
假设电压表是理想的，则下列说法正确的是（）
A物体M运动时，电源内的电流会发生变化
B物体M运动时，电压表的示数会发生变化
C物体M不动时，电路中没有电流D物体M不动时，电压表没有示数
2.下列不属于按输出信号分类的传感器是？
（B）
A开关型传感器B能量转换型传感器C模拟型传感器D数字型传感器
3、应变测量中，希望灵敏度高、线性好、有温度自补偿功能，应选择以下哪种类型的测量转换电路。
（C）
A.单臂半桥B.双臂半桥C.差动全桥D.有温度补偿的单臂桥
4、按照工作应变片的个数分类的是？
（C）
A.直流电桥B.对称桥C.差动全桥D.电源对称桥
5.通常用应变式传感器测量（C）。
A温度?
?
B密度?
?
C?
加速度?
?
D?
电阻
6.测量温度不可用传感器（B）。
A.?
热电阻?
B.?
热电偶?
C.?
电阻应变片?
?
D.热敏电阻
7.下列属于按被测量分类的传感器是？
（D）
A温度补偿应变片B压电传感器C模拟传感器D重量传感器
8.下列加速度传感器的那个部分是敏感元件？
其中，1是等强度梁2是质量块3外壳4应变片（A）
和
云母片的相对介电常数是空气的7倍，其击穿电压不小于1000kV/mm，而空气仅为3kV/mm。
因此有了云母片，极板间起始距离可大大减小。
一般变极板间距离电容式传感器的起始电容在20~100pF之间，极板间距离在25~200μm的范围内。
最大位移应小于间距的（B1/10），故在微位移测量中应用最广。
2
10.在压电片的x方向施加压力时，以下选项正确的是（A）
A在X轴的正方向出现正电荷；B在X轴的正方向出现负电荷；
C在Y轴的正方向出现正电荷D在Y轴的正方向出现正电荷
11.那些材料适合做霍尔元件？
（C）
A绝缘材料B金属材料CN型半导体DP型半导体
大题：
1.应当指出，若要实现完全补偿，上述分析过程必须满足以下4个条件：
①在应变片工作过程中，保证R3=R4
②R1和RB两个应变片应具有相同的电阻温度系数α、线膨胀系数β、应变灵敏度系数K和初始电阻值R0。
③粘贴补偿片的补偿块材料和粘贴工作片的被测试件材料必须一样，两者线膨胀系数相同。
④两应变片应处于同一温度场。
2.金属电阻应变片的材料
对电阻丝（敏感栅）材料应有如下要求：
①灵敏系数大，且在相当大的应变范围内保持常数；
②ρ值大，即在同样长度、同样横截面积的电阻丝中具有较大的电阻值；
③电阻温度系数小，否则因环境温度变化也会改变其阻值；
④与铜线的焊接性能好，与其它金属的接触电势小；
⑤机械强度高，具有优良的机械加工性能。
3.电阻应变片的测量电路
测量电路的分类:
按工作应变片个数来分:
1）、单臂电桥2）、双臂电桥（差动半桥）3）、全桥（差动全桥）讨论：
单臂电桥、双臂电桥、全桥谁的灵敏度最高？
1.测量电路的灵敏度---单臂电桥
当R1=R2=R3=R4时，电桥电压灵敏度最高，此时有：
测量电路的灵敏度----双臂电桥（差动半桥）
当R1=R2=R3=R4时，电桥电压灵敏度最高，此时有：
测量电路的灵敏度----全桥（差动全桥）
当R1=R2=R3=R4时，电桥电压灵敏度最高，此时有：
4.克服非线性误差方法：
差动测量电路为了减小和克服非线性误差，常采用差动电桥如图所示，在试件上安装两个工作应变片，一个受拉应变，一个受压应变，接入电桥相邻桥臂，称为半桥差动电路，如图（a）所示。
（a）半桥差动电桥（b）全桥差动电桥
5、应变片的温度误差
由于测量现场环境温度的改变而给测量带来的附加误差，称为应变片的温度误差。
产生应变片温度误差的主要因素有下述两个方面。
产生温度误差的原因:
1）电阻温度系数的影响2）试件材料和电阻丝材料的线膨胀系数不同的影响
1.电阻应变片的温度补偿方法:
1）应变片的自补偿法:
应变片的自补偿法有（单丝自补偿）和（双丝组合式自补偿）
2）桥路补偿法（线路补偿）
6.对于应变片式传感器单臂桥测量电路进行温度补偿时，若要实现完全补偿，必须满足的条件是？
①在应变片工作过程中，保证R3=R4
②R1和RB两个应变片应具有相同的电阻温度系数α、线膨胀系数β、应变灵敏度系数K和初始电阻值R0。
③粘贴补偿片的补偿块材料和粘贴工作片的被测试件材料必须一样，两者线膨胀系数相同。
④两应变片应处于同一温度场。
7.今有一悬臂梁，在其中上部上、下两面各贴两片应变片，组成全桥，如下图所示。
该梁在其悬臂梁一端受一向下力F=，试求此时这四个应变片的电阻值。
已知：
应变片灵敏系数K=；应变片空载电阻R0=120Ω。
8.电容式传感器的工作原理和结构
平板电容器,由绝缘介质分开的两个平行金属板组成的平板电容器，如果不考虑（边缘）效应，其电容量为:
9.变介电常数型电容传感器
概述:
测量液位高度
结构简单，没有可动部分，电容值c与液位高度h（成线性关系）
1.变面积型电容式传感器
2.当动极板沿长度方向平移Δx时，电容相对变化量为
这种形式的传感器其电容量C与（水平位移Δx）呈线性关系。
1.变面积型电容式传感器--------角位移型
可以看出，传感器的电容量C与（角位移θ）呈线性关系。
1.
1.变极距型电容传感器为了提高灵敏度,应减小起始间隙d0，但（非线性误差）却随着d0的减小而增大。
1.怎样减少非线性误差？
在实际应用中，为了提高灵敏度，减小非线性误差，大都采用（差动式结构）。
1.差动测量法灵敏度得到一倍的改善
线性度得到改善
1.测量电路
电容传感器的等效电路（自学）
减小误差的方法：
1）减小温度、湿度等变化所产生的误差，保证绝缘材料的绝缘性能
2）消除和减小边缘效应（p83）
3）消除和减小寄生电容的影响（p83）
1.对于变极距型电容传感器采用运算放大器测量电路时的输出电压与（极板间距离d）成线性关系。
1.压电元件受力后,（表面电荷与外力成正比关系）
1.（压电陶瓷制作传感器灵敏度比压电晶体高）
1.?
压电陶瓷是人工制造的多晶体压电材料，材料的内部晶粒有许多自发极化的（电畴），他有一定的极化方向。
逆压电效应
1.?
?
压电效应是可逆的
在介质极化的方向施加电场时，电介质会产生形变，将电能转化成机械能，这种现象称（逆压电效应）.
2.所以压电元件可以将机械能——转化成（电能）也可以将电能——转化成机械能。
?
?
?
?
?
1.涡流效应原理：
闭合铁芯（或一大块导体）处于交变磁场中，交变的（磁通量）使闭合铁芯（或一大块导体）中产生感应电流，形成（涡电流。
2.假如铁芯（或导体）是纯铁（纯金属）的，则由于电阻很小，产生的涡电流很大，电流的（热效应）可以是铁（或金属）的温度达到很高的，甚至是铁（或金属）的熔点，使铁熔化。
3.导体的外周长越长，交变磁场的（频率越高），涡流就越大
1.
●发射线圈ω1和接收线圈ω2分别放在被测材料G的上下
●低频（音频范围）电压e1加到线圈ω1的两端后,在周围空间产生一交变磁场,并在被测材料G中产生涡流,此涡流损耗了部分能量,使贯穿ω2的磁力线减少,从而使ω2产生的感应电势e2减小。
●e2的大小与G的厚度及材料性质有关,实验与理论证明,e2随材料厚度h增加按负指数规律减小。
1.概述
磁电式传感器是通过磁电作用将被测量（如：
振动、位移、转速）转换成（电信号）的一种传感器。
常用的有磁电感应式传感器、霍尔式传感器。
磁电感应式传感器是利用导体和磁场发生相对运动产生（感应电动势）；霍尔式传感器是载流半导体在磁场中有电磁效应而输出电动势。
是典型的（有源传感器）。
1.霍尔传感器就是基于霍尔效应，把一个导体（半导体薄片）两端通以控制电流I，在薄片垂直方向施加磁感强度B的磁场，在薄片的另外两侧会产生一个与控制电流I和磁场强度B的乘积成比例的电动势UH（H是下角标）。
2.通电的导体（半导体）放在磁场中，电流I与磁场B方向垂直，在导体另外两侧会产生感应电动势，这种现象称（霍尔效应）。
1.霍尔式传感器的霍尔电动势产生的原理？
答：
一块长为l、宽为b、厚为d的半导体薄片至于磁感应强度为B的磁场（磁场方向垂直于薄片）中，当有电流I流过时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势，这种现象称为霍尔效应。
是因为载流子（电子）按着电流反方向运动，由于外磁场B的作用，使电子受到洛仑兹力作用而发生偏转。
结果在半导体的后端面上电子有所积累。
而前端缺少电子，因此后端面带负电，前端面带正电，形
成电场。
称为霍尔电场。
1.当霍尔元件的激励电流为I时,若元件所处位置磁感应强度为零,则它的霍尔电势应该为零,但实际不为零。
这时测得的空载霍尔电势称（不等位电势）。
1.当霍尔元件通以激励电流I时，若磁场B=0，理论上霍尔电势UH=0,但实际UH不等于0，这时测得的空载电势称（不等位电势U0）。
产生的原因（霍尔引出电极安装不对称）（半导体材料不均匀）
1.简述霍尔传感器位移测量原理？
2.简述霍尔式转速传感器工作原理
图7-13是几种不同结构的霍尔式转速传感器。
磁性转盘的输入轴与被测转轴相连,当被测转轴转动时,磁性转盘随之转动,固定在磁性转盘附近的霍尔传感器便可在每一个小磁铁通过时产生一个相应的脉冲,检测出单位时间的脉冲数,便可知被测转速。
磁性转盘上小磁铁数目的多少决定了传感器测量转速的分辨率。
填空
1.电感式传感器是应用电磁感应原理将非电量参数如：
位移、压力、应变、流量等转换成电感量的变化，然后通过相应的测量电路转换成电压或电流形式输出，实现非电量测量的一种装置。
2.某些晶体或多晶陶瓷，当沿着一定方向受到外力作用时，内部就产生极化现象，同时在某两个表面上产生符号相反的电荷，当作用力方向改变时，电荷的极性也随着改变；晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比。
上述现象称为正压电效应。
3.从传感器的角度看光电效应可分为两大类：
外光电效应和内光电效应。
4.根据电容式传感器工作原理可以将电容传感器分成三类变极距型、变面积型和变介电常数型。
1.传感器是能感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件，传感器通常由敏感或装置元件和转换元件组成。
2.电感式传感器是应用电磁感应原理将非电量参数如：
位移、压力、应变、流量等转换成电感量的变化，然后通过相应的测量电路转换成电压或电流形式输出，实现非电量测量的一种装置。
3.根据电容式传感器工作原理可以将电容传感器分成三类变极距型、变面积型和变介电常数型。
4.根据压电元件的工作原理及两种等效电路，与压电元件配套的测量电路的前置放大器也有两种形式：
一种是电压放大器。
其输出电压与输入电压成正比；另一种是电荷放大器，其输出电压与输入电荷成正比。
5.热电偶所产生的热电热势是由两种导体的接触电势和单一导体的温差电势组成。
6.压磁式传感器的工作原理是：
某些铁磁物质在外界机械力作用下，其内部产生机械压力，从而引起极化现象，这种现象称为正压电效应。
相反，某些铁磁物质在外界磁场的作用下会产生机械变形，这种现象称为负压电效应。
判断
1.当被测量接近于量程的起始零点，相对误差趋于无限大。
（）
2.在实验中电涡流式位移传感器的输出电压随金属圆盘远离涡流传感器而减小（）
3.多次重复测量取算数平均值可以消除系统误差。
（）
4.霍尔元件越薄，灵敏度系数就越大。
（）
5.天然晶体的电轴方向压电效应最显着。
（）
6.压电陶瓷是一种多晶体铁电体，天然具有压电效应。
（）
7.电压放大器电缆电容与放大器输入电容不会对输出电压产生影响，故电缆引线长度变化不会带来测量误差。
（）
8.由光敏电阻的伏安特性可知，在一定偏压下，光照强度越大，光电流越大。
（）
9.由光敏电阻的温度特性可知，随着温度升高，光电流增大。
（）
1.级仪表测量电压准确度比1级仪表要高，误差要小。
（）
2.应变片的灵敏系数低于单根金属丝的灵敏系数。
（）
3.在实验中电涡流式位移传感器的输出电压随着金属圆盘靠近涡流传感器而减小（）
4.用电子浓度高的材料制作霍尔元件的输出电压大。
（）
5.光线通过天然晶体的光轴产生双折射现象，光轴方向受力无压电效应。
（）
6.压电陶瓷与天然晶体是具有相同性质的压电效应的压电材料。
（）
7.电荷放大器使所配接的压电式传感器的电压灵敏度将随电缆分布电容及传感器自身电容变化而变化，电缆更换要重新标定。
（）
大题
10.简述电阻应变片式传感器的工作原理（6分）
答：
电阻应变片的工作原理是基于电阻应变效应，即在导体产生机械变形时，它的电阻值相应发生变化。
（。
。
。
学生发挥）
11.霍尔式传感器的霍尔电动势产生的原理？
（8分）
一块长为l、宽为b、厚为d的半导体薄片至于磁感应强度为B的磁场（磁场方向垂直于薄片）中，当有电流I流过时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势，这种现象称为霍尔效应。
是因为载流子（电子）按着电流反方向运动，由于外磁场B的作用，使电子受到洛仑兹力作用而发生偏转。
结果在半导体的后端面上电子有所积累。
而前端缺少电子，因此后端面带负电，前端面带正电，形成电场。
称为霍尔电场。
2．电容式传感器的边缘效应不仅使电容传感器的灵敏度降低而且产生非线性，因此应尽量减小它，试说出消除和减小边缘效应？
答：
（1）适当减小极间距，使极径与间距比很大，可以减少边缘效应的影响，但易产生击穿并有可能限制测量范围。
也可以采用上述电极放得极薄使与间距相比很小的方法来减小边缘电场的影响。
（2）可在结构上增设等位环来消除边缘效应。
（3）边缘效应所引起的非线性与变极距电容传感器原理上的非线性正好相反，因此在一定程度上起了补偿作用，但这是牺牲了灵敏度来改善传感器的非线性。
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