传感器 必备复习.docx

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传感器必备复习

练习一

一、选择与填空题：

1、变面积式自感传感器，当衔铁移动使磁路中空气缝隙的面积增大时，铁心上线圈的电感量（①增大，②减小，③不变）。

2、在平行极板电容传感器的输入被测量与输出电容值之间的关系中，（①变面积型，②变极距型，③变介电常数型）是线性的关系。

3、变气隙式自感传感器，当街铁移动靠近铁芯时，铁芯上的线圈电感量（①增加②减小③不变）

4、电容传感器的输入被测量与输出被测量间的关系，除（①变面积型②变极距型③变介电常数型）外是线性的。

5、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，传感器通常由直接响应于被测量的敏感元件和产生可用信号输出的转换元件以及相应的信号调节转换电路组成。

5、热电偶所产生的热电势是由两种导体的接触电势和单一导体的温差电势组成。

7、光电传感器的理论基础是光电效应。

通常把光线照射到物体表面后产生的光电效应分为三类。

第一类是利用在光线作用下光电子逸出物体表面的外光电效应,这类元件有光电管、光电倍增管；第二类是利用在光线作用下使材料内部电阻率改变的内光电效应，这类元件有光敏电阻；第三类是利用在光线作用下使物体内部产生一定方向电动势的光生伏特效应，这类元件有光电池。

5.压电式传感器的工作原理是：

某些物质在外界机械力作用下使其产生形变，继而形成电荷（场），这种现象称为正压电效应。

相反，某些物质在外界电场的作用下会产生机械变形，这种现象称为负压电效应。

二、简答题：

1、简述霍尔电动势产生的原理。

答：

一块长为l、宽为d的半导体薄片置于磁感应强度为磁场（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Uh。

这种现象称为霍尔效应，也是霍尔电动势的产生原理。

2、简述热电偶的工作原理。

答：

热电偶的测温原理基于物理的“热电效应”。

所谓热电效应，就是当不同材料的导体组成一个闭合回路时，若两个结点的温度不同，那么在回路中将会产生电动势的现象。

两点间的温差越大，产生的电动势就越大。

引入适当的测量电路测量电动势的大小，就可测得温度的大小。

3、以石英晶体为例简述压电效应产生的原理。

答：

石英晶体在沿一定的方向受到外力的作用变形时，由于内部电极化现象同时在两个表面上产生符号相反的电荷，当外力去掉后，恢复到不带电的状态；而当作用力方向改变时，电荷的极性随着改变。

晶体受力所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。

反之，如对石英晶体施加一定变电场，晶体本身将产生机械变形，外电场撤离，变形也随之消失，称为逆压电效应。

石英晶体整个晶体是中性的，受外力作用而变形时，没有体积变形压电效应，但它具有良好的厚度变形和长度变形压电效应。

4、简述电阻应变片式传感器的工作原理

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。

5、什么是传感器动态特性和静态特性，简述在什么条件下只研究静态特性就能够满足通常的需要，而在什么条件下一般要研究传感器的动态特性？

答：

传感器的动态特性是指当输入量随时间变化时传感器的输入—输出特性。

静态特性是指当输入量为常量或变化极慢时传感器输入—输出特性。

在时域条件下只研究静态特性就能够满足通常的需要，而在频域条件下一般要研究传感器的动态特性。

6、绘图并说明在使用传感器进行测量时，相对真值、测量值、测量误差、传感器输入、输出特性的概念以及它们之间的关系。

答：

框图如下：

输入

输出

相对真值

测量误差

测量值

测量值是通过直接或间接通过仪表测量出来的数值。

测量误差是指测量结果的测量值与被测量的真实值之间的差值。

当测量误差很小时，可以忽略，此时测量值可称为相对真值。

7、如图所示，Rt是Pt100铂电阻，分析下图所示热电阻测量温度电路的工作原理，以及三线制测量电路的温度补偿作用。

（6分）

答：

该热电阻测量温度电路由热敏电阻、测量电阻和显示电表组成。

图中G为指示电表，R1、R2、R3为固定电阻，Ra为零位调节电阻。

热电阻都通过电阻分别为r2、r3、Rg的三个导线和电桥连接，r2和r3分别接在相邻的两臂，当温度变化时，只要它们的Rg分别接在指示电表和电源的回路中，其电阻变化也不会影响电桥的平衡状态，电桥在零位调整时，应使R4=Ra+Rt0为电阻在参考温度（如0C）时的电阻值。

三线连接法的缺点之一是可调电阻的接触电阻和电桥臂的电阻相连，可能导致电桥的零点不稳。

三、分析

1、分析如图1所示自感传感器当动铁心左右移动（x1,x2发生变化时自感L变化情况。

已知空气隙的长度为x1和x2，空气隙的面积为S，磁导率为μ，线圈匝数W不变）。

（10分）

解：

，

又

空气隙的长度x1和x2各自变，而其和不变，另其他变量都不变故L不变

2．常用的半导体光电元件有哪些?

它们的电路符号如何?

答：

常用的半导体光电元件有光敏二极管、光敏三极管和光电池三种。

它们的电路符号如下图所示：

3．对每种半导体光电元件，画出一种测量电路。

答：

光敏二极管、三极管及光电池的测量电路如下图所示。

4.设计一个采用霍尔传感器的液位控制系统。

答：

液位控制系统原理如图所示，霍尔元件固定不动，磁铁与探测杆固定在一起，连接到装液体的容器旁边，通过管道与内部连接。

当液位达到控制位置时霍尔元件输出控制信号，通过处理电路和电磁阀来控制液压阀门的开启和关闭，如液位低于控制位置时开启阀门，超过控制位置时则关闭阀门。

4．超声波发生器种类及其工作原理是什么?

它们各自特点是什么?

答：

超声波发生器有压电式超声波发生器和磁致伸缩超声波发生器两种。

压电式超声波发生器就是利用压电晶体的电致伸缩现象制成的。

常用的压电材料为石英晶体、压电陶瓷锆钛酸铅等。

在压电材料切片上施加交变电压，使它产生电致伸缩振动，而产生超声波，如下图所示，它可以产生几十kHz到几十MHz的高频超声波，产生的声强可达几十W／cm2。

磁致伸缩超声波发生器把铁磁材料置于交变磁场中，使它产生机械尺寸的交替变化，即机械振动，从而产生超声波。

磁致伸缩超声波发生器是用厚度为0.1～0.4mm的镍片叠加而成的，片间绝缘以减少涡流电流损失。

其结构形状有矩形、窗形等，如下图所示，它只能用在几万Hz的频率范围以内，但功率可达十万W，声强可达几千W／cm2，能耐较高的温度。

磁致伸缩超声波发生器

7．根据你已学过的知识设计一个超声波探伤实用装置（画出原理框图），并简要说明它探伤的工作过程?

答：

可采用穿透法探伤，原理框图如下图。

穿透法探伤是根据超声波穿透工件后的能量变化状况，来判别工件内部质量的方法。

穿透法用两个探头，置于工件相对面，一个发射超声波，一个接收超声波。

发射波可以是连续波，也可以是脉冲。

在探测中，当工件内无缺陷时，接收能量大，仪表指示值大；当工件内有缺陷时，因部分能量被反射，接收能量小，仪表指示值小。

根据这个变化，就可以把工件内部缺陷检测出来。

A

B

O点

LA

LB

地面

L

如果地面下一均匀的自来水直管道某处O发生漏水，水漏引起的振动从O点向管道两端传播，在管道上A、B两点放两只压电传感器，由从两个传感器接收到的由O点传来的t0时刻发出的振动信号所用时间差可计算出LA或LB。

简述压电点火元件的工作原理？

答：

图5-13是利用压电陶瓷制造的发火元件示意图，其工作原理为：

当压电陶瓷元件接受机械冲击时，即刻产生高压脉冲电压可达数千伏，瞬间电流可达数万安，并在电极尖端放电而产生电弧。

能用于电子打火机、燃灶、导弹引爆器中的点火器的发火元件。

如图5-13所示液化气电子点火装置具体操作过程是：

当迅速按下手动凸轮开关1时，气阀6打开，同时凸轮凸出部分推动冲击砧2，冲击砧对弹簧3向左压缩，当凸轮凸出部分离开冲击砧时，冲击砧在弹簧弹力作用下，迅速撞击陶瓷压电组件4，压电效应产生，在其两极面上产生大量电荷，通过导线5在尖端放电产生火花，液化气被着火点燃。

光纤按工作原理分类可以分为哪几类？

按信息传输形式分类可以分为哪几类？

答：

光纤按工作原理分类可以分为两大类：

一类是利用光纤本身的某种敏感特性或功能制成的传感器，称为功能型（FunctionalFiber，缩写为FF）传感器，又称为传感型传感器；另一类是光纤仅仅起传输光的作用，它在光纤端面或中间加装其它敏感元件感受被测量的变化，这类传感器称为非功能型（NonFunctionalFiber，缩写为NFF）传感器，又称为传光型传感器。

按信息传输形式分类可以分为：

单模光纤和多模光纤。

根据你已学过的知识设计一个超声波探伤实用装置（画出原理框图），并简要说明它探伤的工作过程?

答：

高频发生器产生高频振荡波，发达后驱动超声波发生器，将超声波发生器和被测工件充分接触，在接触的表面会反射回第一个回波T，一部分超声波继续往前传播，当遇到有砂眼、裂纹等缺陷时，会返回一个波到接收探头F，超声波继续前行遇到工件B面再反射回波B到探头接收器。

通过将接收到的回波整形，测量T波到F波的时间差，就可以计算出缺陷离T面的距离。

半导体气敏传感器有哪几种类型？

答：

半导体气敏传感器按照半导体与气体的相互作用是在其表面，还是在内部，可分为表面控制型和体控制型；按照半导体变化的物理性质，可分为电阻型和非电阻型两种。

试叙述表面控制型半导体气敏传感器的工作原理。

答：

电阻型半导体气敏元件是利用半导体接触气体时，其阻值的改变来检测气体的成分或浓度；而非电阻型半导体气敏传感元件根据其对气体的吸附和反应，使其某些有关特性变化对气体进行直接或间接检测。

为什么多数气敏器件都附有加热器？

答：

无论哪种类型（薄膜、厚膜、集成片或陶瓷）的气敏元件，其内部匀有加热丝，一方面用来烧灼元件表面油垢或污物，另一方面可起加速被测气体的吸、脱作用。

加热温度一般为200℃~400℃

简述石英晶体和压电陶瓷的工作原理？

答：

石英晶体属于压电晶体，工作原理是压电效应，对其加力后，会产生纵向压电效应和横向压电效应等。

压电陶瓷的是一种经极化处理后的人工多晶铁电体。

其工作原理也是压电效应，但要使压电陶瓷产生压电性，必须先对其进行极化处理。

什么叫传感器？

它由哪几部分组成？

并说出各部分的作用及其相互间的关系。

答：

传感器是能感受规定的被测量并按照一定的规律将其转换成可用输出信号的器件或装置。

通常传感器由敏感元件和转换元件组成。

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。

由于传感器的输出信号一般都很微弱,因此需要有信号调节与转换电路对其进行放大、运算调制等。

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

此外，信号调节转换电路以及传感器工作必须有辅助的电源，因此信号调节转换电路以及所需的电源都应作为传感器组成的一部分。

简述传感器的作用和地位及其传感器技术的发展方向。

答：

传感器位于信息采集系统之首，属于感知、获取及检测信息的窗口，并提供给系统赖以进行处理和决策所必须的原始信息。

没有传感技术，整个信息技术的发展就成了一句空话。

科学技术越发达，自动化程度越高，信息控制技术对传感器的依赖性就越大。

发展方向：

开发新材料，采用微细加工技术，多功能集成传感器的研究，智能传感器研究，航天传感器的研究，仿生传感器的研究等。

传感器的静态特性指什么？

衡量它的性能指标主要有哪些？

答：

传感器的静态特性是指被测量的值处于稳定状态时的输出—输入关系。

与时间无关。

主要性能指标有：

线性度、灵敏度、迟滞和重复性等。

传感器的动态特性指什么？

常用的分析方法有哪几种？

答：

传感器的动态特性是指其输出与随时间变化的输入量之间的响应特性。

常用的分析方法有时域分析和频域分析。

时域分析采用阶跃信号做输入，频域分析采用正弦信号做输入。

分析比较变磁阻式自感传感器、差动变压器式互感传感器和涡流传感器的工作原理和灵敏度。

答：

1）、变磁阻式传感器由线圈、铁芯和衔铁三部分组成。

铁芯和衔铁由导磁材料如硅钢片或坡莫合金制成，在铁芯和衔铁之间有气隙，气隙厚度为δ，传感器的运动部分与衔铁相连。

当衔铁移动时，气隙厚度δ发生改变，引起磁路中磁阻变化，从而导致电感线圈的电感值变化，因此只要能测出这种电感量的变化，就能确定衔铁位移量的大小和方向。

变间隙式电感传感器的测量范围与灵敏度及线性度相矛盾，所以变隙式电感式传感器用于测量微小位移时是比较精确的。

为了减小非线性误差，实际测量中广泛采用差动变隙式电感传感器。

2）、差动变压器式互感传感器：

把被测的非电量变化转换为线圈互感量变化的传感器称为互感式传感器。

这种传感器是根据变压器的基本原理制成的，并且次级绕组都用差动形式连接。

应用最多的是螺线管式差动变压器可测量1-100mm的机械位移量，灵敏度高。

3）、涡流传感器的工作原理是根据法拉第电磁感应原理，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，导体内将产生呈旋涡状的感应电流，此电流叫电涡流，以上现象称为电涡流效应。

根据电涡流效应制成的传感器称为电涡流式传感器。

灵敏度高。

为什么压电式传感器不能用于静态测量，只能用于动态测量中？

而且是频率越高越好？

答：

压电式传感器的测量基于压电效应，而且在测量时必须保证：

压电元件在产生压电效应过程中必须没有电荷泄露。

在做静态测量时，要做到外力作用在压电元件时所产生的电荷能在无泄漏的情况下进行完全保存，这实际上是不可能的，因此压电式传感器用于静态测量是不合适的。

要实现测量时电荷无泄漏的条件，只有使压电元件在交变力的作用下，才能够促使压电效应产生的电荷不断得到补充，以供给测量回路一定的电流，因此说压电传感器只能用于动态测量。

而且频率越高，补充电荷的时间越短，保证测量时的无电荷泄露效果更好。

1．用石英晶体制作的压电式传感器中，晶面上产生的电荷与作用在晶面上的压强成正比，而与晶片几何尺寸和面积无关。

2．把被测非电量的变化转换成线圈互感变化的互感式传感器是根据变压器的基本原理制成的，其次级绕组都用同名端反向形式连接，所以又叫差动变压器式传感器。

3．闭磁路变隙式电感传感器工作时，衔铁与被测物体连接。

当被测物体移动时，引起磁路中气隙尺寸发生相对变化，从而导致圈磁阻的变化。

4．电阻应变片是将被测试件上的应变转换成电阻的传感元件。

5．影响金属导电材料应变灵敏系数K。

的主要因素是导电材料几何尺寸的变化。

一.填空

1.通常传感器由敏感元件、转换元件、基本转换电路三部分组成，

是能把外界非电量转换成电量的器件和装置。

2.金属丝在外力作用下发生机械形变时它的电阻值将发生变化，这种现象称应变效应；固体受到作用力后电阻率要发生变化，这种现象称压阻效应。

直线的电阻丝绕成敏感栅后长度相同但应变不同，圆弧部分使灵敏度K下降了，这种现象称为横向效应。

3.差动变压器式传感器理论上讲，衔铁位于中心位置时输出电压为零，而实际上差动变压器输出电压不为零，我们把这个不为零的电压称为零点残余电压；利用差动变压器测量位移时，如果要求区别位移方向（或正负）可采用相敏检波电路。

4.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，这种现象称霍尔效应，这个电动势称为霍尔电势。

5.外加磁场使半导体（导体）的电阻值随磁场变化的现象成磁阻效应。

某些电介质当沿一定方向对其施力而变形时内部产生极化现象，同时在它的表面产生符号相反的电荷，当外力去掉后又恢复不带电的状态，这种现象称为正压电效应；在介质极化方向施加电场时电介质会产生形变，这种效应又称逆压电效应。

6.在光线作用下电子逸出物体表面向外发射称外光电效应；入射光强改变物质导电率的现象称内光电导效应；半导体材料吸收光能后在PN结上产生电动势的效应称光生伏特效应。

7.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电涡流传感器；这种传感器只能测量金属物体。

8.不同的金属两端分别连在一起构成闭合回路，如果两端温度不同，电路中会产生电动势，这种现象称热电效应；若两金属类型相同两端温度不同，加热一端时电路中电动势E=0。

二.选择题

电阻应变片磁敏电阻霍尔元件气敏传感

器湿敏传感器

光电耦合器压电传感器电容传感器热敏电阻CCD

电荷耦合器压阻式传感器光纤传感器磁电传感器光电二极管

差动变压器热释电器件磁敏晶体管电涡流传感器光电池

超声波传感器热电偶红外传感器色敏传感器

正确选择以上传感器填入以下空内：

1.可以进行位移测量的传感器有光纤传感器、差动变压器、电阻传感器；

2.可以完成温度测量的有热电偶、热敏电阻；热释电；

3.半导体式传感器是磁敏、霍尔元件、气敏传感器、压阻传感器；

4.光电传感器有光电耦合器、色敏传感器、光纤传感器、光电二极管；

5.用于磁场测量的传感器霍尔器件、磁敏晶体管；

6.进行振动（或加速度）测量的传感器磁电传感器、压电传感器；

7.利用物体反射进行非电量检测的传感器超声波传感器、红外传感器；

三.计算

1.图为一直流应变电桥，E=4V，

R1=R2=R3=R4=350Ω，

求：

①R1为应变片其余为外接电阻，R1增量为△R1=3.5Ω时输出U0=?

。

②R1、R2是应变片，感受应变极性大小相同其余为电阻，电压输出U0=?

。

③R1、R2感受应变极性相反,输出U0=?

。

④R1、R2、R3、R4都是应变片,对臂同性，邻臂异性，电压输出U0=?

。

2.图为酒精测试仪电路，A是显示驱动器。

问：

TGS—812是什么传感器？

2、5脚是传感器哪个部分，有什么作用？

分析电路工作原理，调节电位器RP有什么意义?

解：

①气敏传感器；

②加热电极，可加速还原反应提高气敏传感器灵敏度；

③调节测量系统的测量范围和满度值。

3.图为光电传感器电路，GP—IS01是光电断路器。

分析电路工作原理：

当用物体遮挡光路时晶体三极管VT状态是导通还是截止？

二极管是一个什么器件，在电路中起到什么作用？

如果二极管反相连接晶体管VT状态如何？

解：

①截止；

②红外发射管，起控制作用；

③截止。