《现代传感技术》复习要点.docx

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《现代传感技术》复习要点

4.1应变效应和应变式传感器

何为电阻应变效应？

电阻丝阻值公式，由哪些参数决定？

电阻丝灵敏度系数由哪两部分构成？

与电阻丝材质的关系？

温度如何影响应力传感器的输出电阻？

应力传感器的温度补偿方法有哪些？

常用的温度补偿方法有三种：

1）桥路补偿法，它主要是通过贴片和接桥方法消除温度的影响，补偿原理和方法将在后文中详细介绍；

2）应变片的自补偿，它是从电阻应变片的敏感栅材料及制造工艺上采取措施，使应变片在一定的温度范围内满足的

关系；

3）热敏电阻法，利用热敏电阻的特性和选择合适的分流电阻达到温度补偿的目的。

电阻应变式传感器在设计过程中，应该考虑哪些问题？

1）结构简单。

2）有很好的刚性。

3）结构的整体性。

4）对作用力位置的变化和干扰力的影响不敏感。

5）弹性元件有效工作区应有良好的线性。

6）弹性元件有效工作区应具有最大应变值。

7）工作区的最佳额定应变值。

8）弹性元件工作区的工艺性能好。

9）弹性元件自身具有过载保护能力或便于设置过载保护装置。

10）安装方便，互换性好。

常用应变式传感器的工作原理。

在测力传感器中有一个弹性元件，利用它可把被测力的变化转换成应变量的变化，由于弹性元件上粘贴有应变片，因此可把应变量的变化转换成应变片电阻的变化。

4.2电容、电感式传感器

电容式传感器的工作原理。

电容的公式，由哪些参数决定？

电容式传感器是将被测量（如位移、压力等）的变化转换成电容量变化的一种传感器。

A—极板相互覆盖面积；

—极板间的距离（亦称极距）；

—极板间介质的介电常数，

真空的介电常数=8.85×10-12。

电容式传感器实质上就是一个可变参数的电容器。

由物理学可知，两平行极板组成的电容器，如果不考虑边缘效应，其电容量为：

若A、

或

任一参数发生变化，电容C也随之变化。

在交流电路中，电容C的变化改变了容抗XC，从而使输出电流或电压发生变化。

常见电容式传感器的类型及其工作原理。

变极距式：

动极板因测量值变化极板间距改变

变面积式：

受到外力作用相对面积改变

差动结构的优点有哪些？

描述常见电感式传感器工作原理（自感式、差动变压器式、电涡流、压磁式传感器）。

压磁式传感器是测力传感器的一种，它利用铁磁材料的压磁效应将被测力引起磁导率的变化转换为电信号。

4.3压电效应及压电式传感器

什么是压电效应？

某些晶体材料，在沿着某一方向施加外力而使之变形时，内部就会产生电荷；当外力去掉之后，电荷也随之消失，这种现象称为正压电效应。

反之，如对晶体施加外电场时，晶体本身将产生机械变形，这种现象称为逆压电效应。

石英晶体内部存在哪三种压电效应，有何特点？

纵向压电效应、横向压电效应、切向压电效应。

4.4电磁效应及磁电式传感器

磁电式传感器的线圈感应电动势取决于哪些参数？

线圈感应电势的大小，取决于线圈匝数和穿过线圈的磁通变化率。

磁通变化率与磁场强度、磁路磁阻、线圈与磁场的相对运动速度有关，故磁电式传感器只适用于动态测量。

磁电式传感器的典型结构及工作原理？

按照结构方式不同，磁电式传感器可分为变磁通式和恒磁通式两种。

4.5热电效应和热电式传感器

热电偶如何工作（热电势和温度有何关系）？

将两种不同材料的导体A与B组成一个闭合回路时，若两端结点温度不同，则回路中就会产生电势，同时在回路中产生电流，其电流的大小与导体材料的性质和结点温度（T,T0）有关，这一现象称为热电效应。

相应的输出电势称做热电势，回路中产生的电流则称做热电流。

在热电偶回路中引入各种测量仪表、连接导线，会对热电势有何影响，为什么？

中间导体定律：

在热电偶回路中接入第三种材料的导线，只要第三种导线两端温度相同，则第三种导线的引入不会产生附加的热电势输出。

热电偶的冷端温度处理方法有哪些？

0℃恒温法热电势修正法电桥补偿法延伸导线法

（1）0℃恒温法

把冰屑和清洁的水相混合，放在保温瓶中，并使水面略低于冰屑面，然后把热电偶的冷端置于其中，这时热电偶输出的热电势与分度值一致。

（2）热电势修正法

当冷端温度保持在某一恒定温度Tn（Tn≠0）时，可采用热电势修正法进行修正：

式中EAB（T,Tn）—实测值；

EAB（Tn,T0）—修正值，是冷端为0℃时，工作端为区段的热电势；

EAB（T,T0）—修正后的输出值。

被测温度T按EAB（T,T0）从分度表中查出。

该方法是通过在热电偶与显示仪表之间接入一个直流不平衡电桥。

（也称作冷端补偿器），利用不平衡电桥产生的电势来补偿热电偶因冷端温度变化而引起的热电势的变化值。

4.6光电效应及光电式传感器

内光电效应和外光电效应有何区别？

在光的照射下，材料的导电性增加，电阻率下降的现象叫内光电效应。

外光电效应是指物质吸收光子并激发出自由电子的行为。

MOS光敏元如何存储电荷？

CCD全称是什么？

电荷耦合器件（CCD,ChargeCoupledDevice）

三相CCD中，信号电荷在不同MOS光敏元间如何转移？

1、电荷包的转移是通过变换CCD电极电压来完成的。

图1.1电荷包转移示意图图1.2三相脉冲电路示意图

随着时间滑尺的移动，

和

同时接通导致电荷包拉长，然后

断开使电荷包移动到

位置。

然后

接通导致电荷包拉长，再由于

断开使电荷包移动到

位置。

经过这样的往复之后右面的电荷包从右边离开，又有新的电荷包从左边进入。

CCD电荷的注入方式有哪些？

CCD电荷的注入方法有电注入和光注入两种。

面阵CCD传感器的类型及对比？

可以通过哪些参数评价CCD的性能？

CCD器件的性能参数包括灵敏度、分辨率、信噪比、光谱响应、动态范围、暗电流等。

PSD相对于象限探测器，有何优点？

（1）它对光斑的形状没有严格的要求，即输出信号与光的聚焦无关，只与光的能量中心位置有关，这给测量带来了很多方便。

（2）光敏面上无需分割，消除了死区，可连续测量光斑的位置，位置分辨率高，一维PSD可达0.2μm。

（3）可同时检测位置和光强：

PSD输出的总光电流与入射光强有关，而各信号电极输出光电流之和等于总光电流，所以从总光电流可求得相应的入射光强。

结合示意图，描述PSD的工作原理。

当入射光照射到PSD的光敏层时，在入射位置上就产生了与光能成比例的电荷，此电荷作为光电流通过电阻层由电极输出。

设左右电极距离光敏面中心点的距离都为L，左右电极输出的光电流分别为I1和I2，总电流为I0，则有I0=I1+I2

若以PSD的中心点位置作为原点，光点离中心点的距离为x，则有

即可确定光斑能量中心的位置。

4.7磁光效应及磁光式传感器

结合原理图，说明什么是法拉第效应？

当线偏振光沿磁场方向通过置于磁场中的磁光介质时，其偏振面发生旋转的现象称为磁致旋光效应，通常又称为法拉第旋转效应。

克尔效应和法拉第效应的区别？

磁光克尔效应指的是一束线偏振光在磁化了的介质表面反射时，反射光将是椭圆偏振光,而以椭圆的长轴为标志的“偏振面”相对于入射偏振光的偏振面旋转了一定的角度。

法拉第效应是通过磁光介质，克尔效应是在磁化介质表面反射

结合示意图，说明法拉第效应测导线电流的工作机理？

克尔效应可分为哪几类，电场和磁场方向的对应关系？

按照磁化强度取向，磁光克尔效应又大致分为三种情况：

（1）极向克尔效应，即磁化强度M与介质表面垂直时的克尔效应；

（2）横向克尔效应，即M与介质表面平行，但垂直于光的入射面时的克尔效应；

（3）纵向克尔效应，即M既平行于介质表面又平行于光入射面时的克尔效应。

在磁光存储技术中主要应用的是极向克尔效应。

塞曼效应主要应用？

研究原子结构

磁致双折射效应的两种类型是什么，分别对应那种铁磁介质？

科顿—穆顿效应：

铁磁和亚铁磁介质中的磁致线性双折射现象；

瓦格特效应：

反铁磁介质中的磁致线双折射现象。

4.8湿敏传感器

什么是绝对湿度，相对湿度，各自单位是什么？

（1）绝对湿度

绝对湿度是指单位体积空气中所含水蒸气的含量，即空气中水蒸气的密度，可用“kg/m3”表示。

绝对湿度也称水汽浓度或水汽密度。

（2）相对湿度

相对湿度为某一被测蒸汽压（PW）与相同温度下的饱和蒸汽压（PN）的比值的百分数，即

HT=（PW/PN）T×100%RH

通常用“%RH”表示相对湿度，这是一个无量纲的值。

当温度和压力变化时，因饱和水蒸气变化，所以，即使气体中水蒸气气压相同，其相对湿度也会发生变化。

绝对湿度给出空气内水分的具体含量，而相对湿度则指出了大气的潮湿程度，日常生活中所说的空气湿度，实际上就是指相对湿度。

湿度的表示方法有哪些？

绝对湿度，相对湿度，露点，水蒸气分压，比湿，饱和度，饱和差

典型湿度测量方法的工作过程？

（伸缩式湿度计，干湿球湿度计和露点计）

（1）伸缩式湿度计是利用毛发、纤维素等物质随湿度变化而伸缩的性质来测量湿度的，以前常用于自动记录仪和空调的自动控制等场合，目前也用于家庭设备。

此中湿度计无需进行温度补偿，但不能转换为电信号。

（2）干湿球湿度计主要用于气象领域，它是根据湿球的通风情况测量湿度，精度高。

可以利用计算机将湿球的温度换算成湿度，使其达到最佳状态。

此中湿度计有多种类型，但缺点是要不断地给湿球供水。

（3）露点计用于电子冷却系统的冷却，还可用于测量镜面结露的湿度，其精度较高，可以作为标准湿度的校正计，但装置复杂。

湿敏传感器的主要特性参量有哪些？

湿感特性曲线，测湿量程，灵敏度，湿度温度系数，响应时间，湿滞回线和湿滞回差，电压特性

常见湿敏传感器的工作机理。

（半导体陶瓷湿敏传感器、多孔氧化铝湿敏传感器、结型湿敏传感器和氯化锂湿敏传感器）

4.9气敏传感器

气敏传感器的主要性能参数有哪些？

灵敏度、响应时间、选择性、稳定性、温度特性、湿度特性和电压源特性

能根据传感特性曲线，分析特定性能参数的具体数值。

半导体气敏传感器的分类及可检测气体？

类型

原理

检测对象

特点

半导体方式

若气体接触到加热的金属氧化物（SnO2、FeO3、ZnO2等）,电阻值就会增大或减小

还原性气体、城市排放气体、丙烷气等

灵敏度高，构造与电路简单，使用方便，费用低，把气体浓度转化为电量输出，稳定性好，寿命长

接触燃烧方式

可燃性气体接触到氧气就会燃烧，使得作为气敏元件的铂丝温度升高，电阻值相应增大

燃烧气体

输出的电量与气体浓度成比例，结构简单，但寿命较短，灵敏度较低

化学反应方式

化学溶剂与气体的反应产生的电流、颜色、导电率的增加等

CO、H2、CH4、SO2等

气体选择性好，但不能重复使用

光干涉方式

利用与空气的折射率不同而产生的干涉带

与空气折射率不同的气体、CO2等

寿命长，但选择性差

热传导方式

根据热传导率差而放热的发热元件温度的降低进行检测

与空气热传导率不同的气体、H2等

结构简单，但灵敏度低、选择性差

红外线吸收散射方式

由于红外线照射气体分子谐振而吸收或散射量来测量

CO、CO2、NOx等

能定性测量，但装置大，价格较贵

浓差电池型气敏传感器的工作机理？

这类传感器中最典型的是稳定型氧化锆（ZrO2-Y2O3）的氧传感器。

稳定性氧化锆是将CaO、MgO、Y2O3等固溶于ZrO2中的一类材料。

在氧化锆的两侧装上不电解的铂电极。

当两个电极处的氧的化学位不相同时，两电极间将产生浓差电势，因此将这种传感器称浓差电池型气敏传感器。

5.1波式传感器

什么是超声波，频率范围是什么？

频率高于20kHz的机械波。

在超声波检测中，最常用的频率范围是0.25MHz--20MHz左右。

超声波传感器主要包括哪三种类型，各自的传感机理如何实现？

还有电磁式超声波传感器

超声波传感器实现厚度、液位和流量检测的过程？

超声波测量厚度常采用脉冲回波法。

下图为脉冲回波法检测厚度的工作原理

超声波测量物位是根据超声波在两种介质的分界面上的反射特性而工作的。

下图为几种超声波检测物位的工作原理图

超声波测量流体流量是利用超声波在流体中传输时，在静止流体和流动流体中的传播速度不同的特点，从而求得流体的流速和流量。

下图为超声波测流体流量的工作原理：

v为被测物体的平均流速，c为超声波在静止流体中的传播速度，θ为超声波传播方向与流体流动方向的夹角，θ必须小于90°，AB为两个超声波换能器，L为AB间距

微波液位检测原理。

微波发射天线和接收天线相距s，相互成一定角度，波长为λ的微波从被测液面反射后进入接收天线。

接收天线接收到的微波功率的大小随着被测液面的高低不同而不同。

什么是SAW的波束偏离与衍射效应？

在各向异性固体中，波的相速度与群速度一般是不一致的，这种现象称为波束偏离。

与一般波动一样，声表面波在传播过程也存在着衍射现象，引起波束的发散。

IDT（叉指换能器）基本结构及工作机理？

叉指换能器的作用是实现声—电换能，激励SAW的物理过程为：

在发射叉指换能器上施加适当频率的交流电信号后，在压电晶片内部分布有电场，该电场可分解为垂直和水平二个分量（Ev和Eh），通过逆压电效应使指条电极间的材料发生垂直于和水平于表面的交变形变声波，其频率与激变频率一致，此声信号沿基片表面传播，并最终由接收叉指换能器通过压电效应转换为电信号输出。

5.2生物化学传感器

什么是生物传感器？

生化传感器是指能感应（或响应）生物、化学量，并按一定规律将其转换成可用信号（包括电信号、光信号等）输出的器件或装置。

生物传感器有哪几部分构成？

其一是生化分子识别元件（感受器），由具有对生化分子识别能力的敏感材料（如由电活性物质、半导体材料等构成的化学敏感膜和由酶、微生物、DNA等形成的生物敏感膜）组成；

其二是信号转换器（换能器），主要是由电化学或光学检测元件（如电流、电位测量电极，离子敏场效应晶体管，压电晶体等）。

常见的生物传感器类型。

蛋白传感器，胜肽纳米管生化传感器，碳纳米管生化传感器，微机械生化传感器

电化学生物传感器的传感原理。

SPR的概念和激发条件。

表面等离子体共振

5.3智能材料

智能材料定义及功能？

智能材料，顾名思义就是能感知环境条件，作出相应“行动”的材料，其行为与生命体的智能反应相类似。

通常是指把高技术传感器、敏感元件与传统的结构材料、功能材料结合在一起，并赋予这种新材料崭新的性能，使无生命的材料似乎有了“感觉”和“知觉”。

智能材料有七大功能，即传感功能、反馈功能、信息识别与积累功能、响应功能、自诊断能力、自修复能力和自适应能力。

电流变、磁流变和磁性流体材料的组成？

电流变液是一种由介电微粒与绝缘液体混合而成的复杂流体，一般由基础液、固体粒子和添加剂组成。

基础液采用煤油、矿物油、植物油、硅油等经理化处理的物体构成，要具有绝缘性能好，耐高压，低粘度，在无电场作用下具有良好流动性这些性质；固体粒子是一种由纳米至微米数量级大小的具有高的、相对的介电常数和较强极性的微细物体组成；添加剂常用水、酸、碱、盐类物体和表面活化剂组成，起作用是增强悬浮液的稳定性和电流变液效应。

磁流变液（Magnetorheologicalfluid，MRF）是一种具有良好发展前景和工程应用价值的新型智能材料，它是由微米级（1～10μm）磁性颗粒（如铁（Fe））、钴（Co）、镍（Ni）及其合金、铁氧体等）、载液（如矿物油、硅油、水和其他复杂的混合体等）和表面活性剂组成的稳定的悬浮液体。

磁性液体（Magneticliguid）又称磁性流体（Magneticfluid）或铁磁流体（Ferrofluid）、磁性胶体（Magneticcolloids），通常简称磁液。

它是由纳米级铁氧体（如Fe3O4、Co-Fe2O4、MnZn等）、Fe、Ni、Co金属及其合金或铁磁性氮化铁FexN（2＜x≤8＝超细磁性颗粒借助表面活性剂高度、均匀弥散于载液（基液）（如有机溶剂、油或水）中所形成的一种稳定的胶体溶液，是固、液相混的二相流体，兼有液体的流动性和磁性材料的磁性，目前还发展了复合磁性液体材料。

电流变液如何实现汽车离合器的自动工作。

主动轴和从动轴之间充有电流变液。

当外加电场为零时，主动轴不会带动从动轴转动；当电压逐渐增加时，电流变液的粘度会随之增加。

当其粘度达到一定临界值时，主动轴带动从动轴转动。

磁流变智能材料和磁性流体智能材料有何区别？

磁流变液颗粒是微米级，磁性流体颗粒是纳米级

磁流变液稳定性的影响因素有哪些？

表面活性剂的结构特点和作用？

磁流变液阻尼器工作机理。

光纤智能夹层中自激诊断和外激诊断的区别。

5.4核辐射传感器

什么是核辐射？

常见的核辐射方式，构成及穿透能力？

放射性同位素衰变时，放射出具有一定能量和较高速度的粒子束或射线的放射性现象称为核辐射。

核辐射的方式主要有四种:

α辐射、β辐射、γ辐射和X辐射等。

放出来的射线主要有α射线、β射线、γ射线和X射线。

α、β射线分别是带正、负电荷的高速粒子流；γ射线不带电，是从原子核内部放射出来的以光速运动的光子流；X射线是原子核外的内层电子被激发而放射出来的电磁波能量。

常见的核辐射探测器件及各自可探测的核辐射类型？

电离室，探测α辐射、β辐射

气体放电计数管，探测β辐射、γ辐射

闪烁计数器，无机闪烁器探测γ辐射，有机闪烁器探测β辐射

核辐射传感器的工作原理（流量计、测厚仪、物位计、探伤仪）？

5.6微机电传感器

MEMS的中英文全称是什么？

微机械电子（微机电）系统（Micro-ElectroMechanicalSystems,MEMS）

MEMS的基础技术主要涉及哪些方面？

微动力学、微流体力学、微热力学、微摩擦学、微光学、微结构等

请列举一些常见的MEMS传感器。

物理量传感器、化学量传感器以及生物量传感器

赵勇老师课程复习要点：

1.画出以弹性膜盒-电磁感应原理实现的气体压力传感器结构，并简述其工作原理。

2.列出传感器技术的发展趋势有哪些。

（1）提高和改善传感器和检测技术的性能

（2）开展基础研究，寻找新原理、新材料、新工艺或新功能等

（3）传感器和检测系统的高度集成化

（4）传感器和检测系统的智能化

（5）传感器和检测系统的非接触化和多参数融合化

（6）检测系统的网络化和虚拟化

3.什么叫传感器的特性曲线？

一般希望传感器的特性曲线为何种形式的曲线？

特性曲线：

表征传感器输出—输入特性关系的曲线。

直线（一次函数形式）

4.论述并比较下列概念：

迟滞（回差）、重复性、灵敏度、分辨力、阈值、稳定性。

迟滞（回差）

传感器的正（输入量增大）反（输入量减小）行程过程中输出－输入曲线的不重合程度的指标。

重复性

感器在输入按同一方向连续多次变动时所得特性曲线不一致的程度。

灵敏度

输出变化量与相应的输入变化量之比，或者说是单位输入变化下所得到的输出变化。

分辨力

传感器在规定测量范围内所能检测出被测输入量的最小变化量。

阈值

能使传感器的输出端产生可测变化量的最小被测输入量值，即零点附近的分辨能力。

稳定性

稳定性又称长期稳定性，即传感器在相当长时间内仍保持其原性能的能力。

5.什么叫统计真值？

最可信赖值取多次测量的算术平均值

6.随机误差和系统误差的概念和区别？

随机误差：

在同一测量条件下，多次重复测量同一量值时，测量误差的绝对值和正负号以不可预知的方式变化

系统误差：

在同一测量条件下，多次重复测量同一量值时，测量误差的绝对值和正负号都保持不变，或在测量条件改变时按一定规律变化的误差

区别：

随机误差不可预知、不可消除；系统误差可预知、可消除

7.什么叫有效数字？

一个数据，从第一个非“0”的数字开始，到（包括）最后一位唯一不可靠的数字为止，都是有效数字，有效数字的位数，叫做有效位数。

8.列举三种光纤传感器的应用场合，并说明在这些场合，利用了光纤传感器的哪些特点？

9.画图说明光纤光栅的特性、功能和传感原理。

10.掌握光纤耦合器、光纤隔离器、光纤环形器、光开关、波分复用器的功能和区别。

11.画图说明基于弹光效应的偏振调制型光纤横向载荷传感器的工作原理。

12.画图说明光纤光栅电流传感器的工作原理。

13.列举出磁流体都有哪些光学特性？

从微观结构随磁场的变化角度分析磁流体为什么有这些光学特性？

（1）双折射现象：

当光垂直射过磁流体薄膜时，如果在平行于磁流体薄膜方向施加外磁场，会产生明显的双折射现象。

（2）磁流体光谱透射特性：

磁流体光谱透射特性主要受外磁场影响，同时其它影响因素还包括磁流体薄膜厚度、磁流体浓度。

当施加不同大小的垂直于磁流体薄膜的磁场时，以光强衡量的光线透过率I/I0随着外磁场强度H的增大而减小。