检测与传感器技术 考试真题 模拟.docx

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检测与传感器技术考试真题模拟

1、传感器的定义：

传感器是指那些对被测对象的某一确定的信息具有感受（或响应）与检出功能，并使之按照一定规律换成与之对应的有用输出信号的元器件或装置。

2从功能出发：

所谓传感器是指那些能够取代甚至超出人的“五官”，具有视觉、听觉、触觉、嗅觉和味觉等功能的元器件或装置

3传感器的组成：

（1）敏感元件：

是直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的某一物理量的元件，

（2）转换元件：

敏感元件的输出就是它的输入，它把输入转换成电路参量

（3）基本转换电路：

上述电路参数接入基本转换电路（简称转换电路），便可转换成电量输出。

4传感器的分类：

（1）按传感器的工作机理，可分为结构型、物性型与复合型。

（2）按被测量分类：

分为物理量传感器、化学量传感器、生物量传感器等

（3）按敏感材料分类：

半导体传感器、陶瓷传感器、光导纤维传感器、高分子材料传感器、金属传感器等

（4）按能量的关系分类：

根据传感器的能量转换情况，可分为有源传感器和能无缘传感器

第五节

静态模型：

在静态小号情况下，描述传感器输出与输入量之间的一种函数关系。

动态模型：

在准动态信号或动态信号作用下，描述其输出与输入信号之间的一种数学关系。

动态特性是对输入激励的输出响应问题频率响应

幅频特性

相频特性

传感器的输出输入关系或多或少地存在非线性。

在不考虑迟滞、蠕变、不稳定性等因素的情况下，其静态特性可用下列多项式代数方程表示：

y=a0+a1x+a2x2+a3x3+…+anxn

传感器静态特性：

1、线性度：

传感器的输入量与输出量之间的实际关系曲线（校准曲线）偏离直线（拟合直线）的程度。

线性度又称为非线性误差。

Ef=±（Δmax/YFS）×100%

2．灵敏度与灵敏度误差：

传感器在稳定状态下，输出的变化量Δy与引起该变化量的输入变化量Δx之比即为其静态灵敏度，其表达式为：

K=Δy/Δx

3．重复性：

重复性是指传感器在输入量按同一方向连续全程多次变动时所得特性曲线不一致的程度。

重复性误差可用正反行程的最大偏差表示，即Ex=Δmax/YFS）×100%

4．迟滞:

传感器在正（输入量增大）反（输入量减小）行程中输出输入曲线不重合称为迟滞。

5．分辨率与阈值：

分辨力是指传感器能检测到的最小的输入增量。

6．稳定性：

稳定性是指传感器在相当长时间内保持其性能的能力。

即在室温下，长时间工作输出量发生的变化。

7．温度稳定性：

温度稳定性又称为温度漂移，是指传感器在外界温度下输出量发生的变化。

二、动态模型

动态模型是指传感器在准动态信号或动态信号作用下，输出和输入信号之间的一种数学关系。

有三类：

微分方程（求解y（t）），代数方程（传递函数），频率响应函数

第二章

电阻式传感器：

电阻式传感器与相应的测量电路组成的测力、测压、称重、测位移、测加速度、测扭矩、测温度等测试系统。

电位器式电阻传感器

一、线绕式电位器传感器：

1、工作原理：

（1）空载时RL→∞

对应电阻的变化

即

其中

为线绕电位器的电阻灵敏度。

它表示电刷单位位移所能引起的输出电阻的变化量

其中

为线绕电位器的电压灵敏度。

它表示电刷单位位移所能引起的输出电压的变化量。

SR、SV均为常数。

（2）有载时RL≠∞且RL≠0，

2、线绕式电位器传感器输出特性

（1）阶梯特性电刷每移动一匝线圈输出电压产生一次跳动，其阶跃值为：

当电刷丛m-1匝移动到匝m时，电刷瞬间使两相邻匝线短路，在每一个电压阶跃中产生一次小阶跃

（2）电压分辨率：

线绕式电位器的电压分辨率是指在电刷行程内电位器输出电压阶梯的最大值与最大输出电压之比的百分数

（3）阶梯误差：

阶梯特性曲线围绕理论特型直线上下波动，从而产生偏差，这种偏差成为阶梯误差

第二节应变式电阻传感器

电阻应变片：

是利用电阻应变效应原理制成的、应用最为广泛的电阻式传感器，主要用于机械量的检测中，如力、力矩、压力、加速度、质量等物理量的检测。

应变效应：

当金属丝（或半导体）在外力作用下发生机械变形时，其电阻值将发生变化，这种现象称为金属（或半导体）的电阻应变效应。

金属丝式应变片性能中最重要一项技术，指标为灵敏系数，单位应变所能引起的电阻相对变化。

金属电阻应变片分为：

金属丝绕式应变片和金属箔式应变片

半导体应变片有以下几种类型：

（1）体型半导体应变片2）薄膜型半导体应变片3）扩散型半导体应变片

半导体应变片：

是用半导体材料，采用与丝式应变片相同方法制成的应变片，

其工作原理：

是基于半导体材料的压阻式效应。

压阻效应：

是指材料的某一轴向受外力作用时，其电阻率发生变化的现象

半导体应变片的优点：

体积小、灵敏度高、频率响应范围宽，输出幅度大，可直接与记录仪连接。

缺点：

温度系数大，非线性严重

直流电桥优点：

电源稳定、电路简单，仍是主要测量电路；

缺点：

直流放大器比较复杂，存在零漂、工频干扰。

由一片半导体应变片组成的电桥测量电路，其非线性误差较大，对其作特殊处理：

（1）提高桥臂比2）采用差动电桥3）采用高内阻的恒流电桥

采用高内阻的恒流电桥好处：

供桥电压越高，电桥电压灵敏度越高坏处：

供桥电压的提高，受到应变片允许功耗的限制。

三、电阻应变片的测量电路

应变片将应变的变化转换成电阻相对变化△R/R，还要把电阻的变化再转换为电压或电流的变化，才能用电测仪表进行测量。

通常采用电桥电路实现微小阻值变化的转换。

（一）直流电桥1、平衡条件

电桥平衡,IL=0,UO=0,则R1R4=R2R3或R1/R2=R3/R4

2、电桥电压灵敏度

二）交流电桥的调平方法a）串联电阻调平b）并联电阻调平c）差动电容调平d）阻容调平方法

4、应变传感器在衡器中的应用1、称重传感器2、调零电桥3、测量仪表

电桥2（补偿电桥）串接在应变片传感器的输出和测量仪表之间，通过调节补偿电桥中的电位器W，改变其输出电压U02，用U02来抵消传感器的零点偏移输出电压U01，因此调节W可使传感器在空载时输出电压Uo为零。

5、应变式加速度传感器

由端部固定并带有惯性质量块m的悬臂梁及贴在梁根部的应变片、基座及外壳等组成。

是一种惯性式传感器。

测量时，根据所测振动体加速度的方向，把传感器固定在被测部位。

当被测点的加速度沿图中箭头所示方向时，悬臂梁自由端受惯性力F=ma的作用，质量块向箭头a相反的方向相对于基座运动，使梁发生弯曲变形，应变片电阻也发生变化，产生输出信号，输出信号大小与加速度成正比。

第三章 电容式传感器

优点：

测量范围大、灵敏度高、结构简单、适应性强、动态响应时间短、易实现非接触测量等。

由于材料、工艺，特别是测量电路及半导体集成技术等方面已达到了相当高的水平，因此寄生电容的影响得到较好地解决，使电容式传感器的优点得以充分发挥。

应用：

压力、位移、厚度、加速度、液位、物位、湿度和成分含量等测量之中。

一、工作原理

用两块金属平板作电极可构成电容器，当忽略边缘效应时，其电容C为

A—极板相对覆盖面积；d—极板间距离；εr—相对介电常数；

ε0—真空介电常数，ε—电容极板间介质的介电常数。

d、A和εr中的某一项或几项有变化时，就改变了电容C0，d或A的变化可以反映线位移或角位移的变化，也可以间接反映压力、加速度等的变化；εr的变化则可反映液面高度、材料厚度等的变化。

变极距型电容式传感器原理：

改变平行板间距来进行测量，常设计成Δd在极小范围内变化；

变极板面积型电容式传感器：

变面积型电容传感器中，平板形结构对极距变化特别敏感，测量精度受到影响。

而圆柱形结构受极板径向变化的影响很小，成为实际中最常采用的结构

电容式角位移传感器原理：

当动极板有一个角位移θ时，与定极板的遮盖面积改变，从而改变了两极板间的电容量

圆柱形电容式传感器原理：

初始位置，动、定极板相互覆盖，动极板发生位移后，电容量即发生变化

变介质型电容传感器原理：

介质发生位移改变电容量

第三节电容式传感器的测量电路

三、二极管双T形电路

供电电压是幅值为±Ui、周期为T、占空比为50％的方波。

若将二极管理想化，则当电源为正半周时，电路等效为典型的一阶电路，如图（b）。

其中

当电源为正半周期时，二极管D1导通、D2截止，电容C1被以极其短的时间充电，电容C2通过R2、RL放电。

（b）

当电源为负半周时，其中二极管D2导通、D1截止，电容C2被以极其短的时间充电，电容C1通过R1、RL放电。

电路等效为图（b）。

如果二极管具有相同的特性，且令C1=C2，R1=R2=R，则正半周和负半周流过负载的电流大小相等，方向相反，即一个周期内流过负载的平均电流为零。

如果C1≠C2,输出电压的平均值为

其f中为电源频率。

输出电压不仅与电源的频率和幅值有关，而且与电容的差值有关。

四、差动脉冲调宽电路

又称脉冲宽度调制电路，利用对传感器电容的充放电使电路输出脉冲的宽度随传感器电容量变化而变化。

通过低通滤波器得到对应被测量变化的直流信号。

图中C1、C2为差动式传感器的两个电容，若用单组式，则其中一个为固定电容，其电容值与传感器电容初始值相等；A1、A2是两个比较器，Ur为其参考电压。

第四章电感式传感器

1.变磁阻式传感器属自感式传感器结构：

线圈，衔铁和铁芯组成

原理：

当衔铁移动时，气隙厚度发生变化，从而使磁路中的磁阻发生变化，导致电感线圈的电感值发生变化，可以用来辨别被测量的位移大小。

第一项为铁芯磁阻，第二项为衔铁的磁阻，第三项为气隙磁阻。

因为第三项远远大于前两项，可把前两项忽略。

2.差动自感传感器：

结构：

利用两只完全对称的单个电感传感器合用一个活动衔铁传感器的两只电感线圈结成交流电桥的相邻桥臂，另两只桥臂有电阻组成。

原理：

初始状态时，衔铁位于中间位置，两边空隙相等，电桥处于平衡状态，当衔铁偏离中间位置向上或向下移动时，造成两边气隙不一样，使两只电感线圈的电感量一增一减。

电桥不平衡，电桥输出电压与衔铁移动大小成正比例，其相位则与衔铁移动量的方向有关，若向下移动，输出电压为正，若向上移动，输出电压为负。

2、输出特性

忽略高次项时，差动电桥灵敏度

差动电感传感器输出特

互感式传感器

互感式传感器（差动变压式传感器）

结构：

由初级线圈P、两个次级线圈S1、S2和插入线圈中央的圆柱形铁芯组成（三段式）初级线圈作为差动变压器激励用，相当于变压器的原边，而次级线圈由结构尺寸和参数相同的两个线圈反相串接而成，相当于变压器的副边。

原理：

当初级线圈P加上某一频率的正弦交流电压后，次级线圈产生感应电压，当铁芯位于线圈中心位置，则U1=U2，

，当铁芯向上移动时

，M1>M2。

铁芯向下移动时，

，M1

、

逐渐增大，但相位相差180o。

2、测量电路

差动变压器的输出电压为交流，它与衔铁位移成正比。

用交流电压表测量其输出值只能反映衔铁位移的大小，不能反映移动的方向，因此常采用差动整流电路和相敏检波电路进行测量。

1、差动整流电路

根据半导体二级管单向导通原理进行解调的。

如传感器的一个次级线圈的输出瞬时电压极性，在f点为“＋”，e点为“–”，则电流路径是fgabhe。

反之，如f点为“–”，e点为“＋”，则电流路径是ehabgf。

可见，无论次级线圈的输出瞬时电压极性如何，通过电阻R的电流总是从a到b。

同理可分析另一个次级线圈的输出情况。

输出的电压值为Uo=Uab＋Ucd。

2、二极管相敏检波电路

图中电压U1和U2同频，且满足U1

当U1=0时,只有U2起作用，U2正半周时D3、D4导通，i3、i4以不同方向流过电表M,只要电路对称，电表的电流就为零。

当U2负半周时，D1、D2导通，i1、i2相反，输出电流为零。

当U1≠0时,电压U1和U2同相。

由于U1

正半周时D3、D4导通，i3

负半周时，D1、D2导通，i1增加i2减少，iM为正。

当电压U1和U2反相时。

iM为负。

第四节电感式传感器应用举例

L1、L2、C1、C2组成电桥，、D1~D2、R1~R4组成相敏整流器，R5调零电位器，R6用来调节电流表满刻度值。

L1=L2，电流表无电流。

L1>L2，d点电位高于c点电位，指针偏向一个方向。

L1

第五章热电式传感器

一、两种不同的导体或半导体A和B组合成如图所示闭合回路，若导体A和B的连接处温度不同（设T＞T0），则在此闭合回路中就有电流产生，也就是说回路中有电动势存在，这种现象叫做热电效应

A、B称为热电极，温度高的接点称为热端，温度低的称为冷端。

热电势Eab分组成，即温差电势和接触电势。

接触电势：

由金属A扩散到金属B的自由电子与金属B扩散到金属A的自由电子相等时，该过程便处于动态平衡，在这种平衡状态下，A和B的金属之间便产生一定大小的接触电势。

它的数值取决于两金属的性质和接触点的温度。

k=1.38×10-23J/K；e=1.6×10-19C

温差电势：

对于任意一个金属，当其两端温度不同时，两端自由电子浓度也不同，高温端的自由电子向低温端扩散，最后同样达到平衡状态，高温端失去电子带正电，低温端得到电子带负电，从而在两端形成温差电势。

二、热电偶基本定律

1、只有用不同性质的导体（或半导体）才能组合成热电偶。

热电偶回路热电势只与组成热电偶的材料及两端温度有关；与热电偶的长度、粗细无关。

2、相同材料不会产生热电势，因为当A、B两种导体是同一种材料时，ln（NA/NB）=0，也即EAB（T，T0）=0。

3、化学成分不同的两种材料组成的热电偶，若两个接触点的温度相同，回路中的总热电势也为零。

只有当热电偶两端温度不同,热电偶的两导体材料不同时才能有热电势产生。

4、在热电偶中插入第三种材料，只要插入材料两端的温度相同，对热电偶的总热电势没有影响。

三、测量电路

1、测量单点温度的基本测温线路

A、B为热电偶，C、D为补偿导线。

四、常用热电阻：

1.铂电阻铂是一种贵金属，其主要优点是物理化学性能极为稳定，并且有良好的工艺性，易于提纯，可以制成极细的铂丝（直径可达到0.02mm或更细）或极薄的铂箔。

它的缺点是电阻温度系数较小

2.铜热电阻

铜仅用来制造-50~180℃范围内的工业用电阻温度计，它的主要特点是在上述使用温度范围内，其电阻与温度的关系是线性的；而且它的电阻温度系数比铂高，但它的电阻率低。

在温度不高、测温元件尺寸没有特殊限制时，可以使用铜电阻温度计。

3.其它热电阻（近年来，一些新颖的、测量低温领域的热电阻材料相继出现。

）

铟电阻适宜在-269~-258℃温度范围内使用，测温精度高，灵敏度是铂电阻的10倍，但复现性差。

锰电阻适宜在-271~-210℃温度范围内使用，灵敏度高，但质脆易损坏。

碳电阻适宜在-273~-268.5℃温度范围内使用，热容量小，灵敏度高，价格低廉，但热稳定性较差。

4、热敏电阻的结构与分类

热敏电阻主要由热敏探头2、引线3、壳体1构成，如图5-16所示。

热敏电阻一般做成二端器件，但也有构成三端或四端的。

二端和三端器件为直热式，即直接由电路中获得功率。

四端器件则是旁热式的。

根据不同的要求，可以把热电阻做成不同的形状结构，其典型结构如图5-16所示。

热敏电阻的分类

热敏电阻的种类很多，分类方法也不相同。

按热敏电阻的阻值与温度关系这一重要特性可分为：

1．正温度系数热敏电阻器（PTC）2．负温度系数热敏电阻器（NTC）

3．突变型负温度系数热敏电阻器（CTR）

第六章 压电式传感器

一、压电效应

正压电效应（顺压电效应）：

某些电介质，当沿着一定方向对其施力而使它变形时，内部就产生极化现象，同时在它的一定表面上产生电荷，当外力去掉后，又重新恢复不带电状态的现象。

当作用力方向改变时，电荷极性也随着改变。

逆压电效应（电致伸缩效应）：

当在电介质的极化方向施加电场，这些电介质就在一定方向上产生机械变形或机械压力，当外加电场撤去时，这些变形或应力也随之消失的现象。

石英晶体的压电特性：

石英晶体各个方向的特性是不同的。

三维直角坐标系中，纵向轴Z称为光轴，垂直于光轴的X轴称为电轴，与X轴和Z轴同时垂直的Y轴称为机械轴。

沿电轴X方向的力作用下产生电荷的压电效应称为“纵向压电效应”，而把沿机械轴Y方向的力作用下产生电荷的压电效应称为“横向压电效应”，沿光轴Z方向受力则不产生压电效应。

石英晶体的压电方程

i=1、2、3j=1、2、3（1、2、3分别表示x轴y轴z轴）

—作用力、

—压电系数

.压电晶片的连接方式由并联和串联两种并联接法适用于测量慢变化信号串联接法适用于测量快变化信号

第七章   光电式传感器

光电效应分为外光电效应和内光电效应两大类

一、外光电效应

在光线的作用下，物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象称为外光电效应。

向外发射的电子叫做光电子。

基于外光电效应的光电器件有光电管、光电倍增管等。

二、内光电效应

当光照射在物体上，使物体的电阻率ρ发生变化，或产生光生电动势的现象叫做内光电效应，它多发生于半导体内。

根据工作原理的不同，内光电效应分为光电导效应和光生伏特效应两类：

（1）光电导效应

在光线作用，电子吸收光子能量从键合状态过渡到自由状态，而引起材料电导率的变化，这种现象被称为光电导效应。

基于这种效应的光电器件有光敏电阻。

（2）光生伏特效应

在光线作用下能够使物体产生一定方向的电动势的现象叫做光生伏特效应。

基于该效应的光电器件有光电池和光敏二极管、三极管。

①势垒效应（结光电效应）

接触的半导体和PN结中，当光线照射其接触区域时，便引起光电动势，这就是结光电效应。

以PN结为例，光线照射PN结时，设光子能量大于禁带宽度Eg，使价带中的电子跃迁到导带，而产生电子空穴对，在阻挡层内电场的作用下，被光激发的电子移向N区外侧，被光激发的空穴移向P区外侧，从而使P区带正电，N区带负电，形成光电动势。

②侧向光电效应。

当半导体光电器件受光照不均匀时，则载流子浓度梯度将会产生光电势，称这种现象为侧向光电效应。

当光照部分吸收入射光子的能量产生电子空穴对时，光照部分载流子浓度比未受光照部分的载流子浓度大，就出现了载流子浓度梯度，因而载流子就要扩散。

如果电子迁移率比空穴大，那么空穴的扩散不明显，则电子向未被光照部分扩散，就造成光照射的部分带正电，未被光照射部分带负电，光照部分与未被光照部分产生光电动势

三、外光电效应器件

（一）光电管及其基本特性

1.结构与工作原理

光电管有真空光电管和充气光电管或称电子光电管和离子光电管两类。

两者结构相似，如图。

它们由一个阴极和一个阳极构成，并且密封在一只真空玻璃管内。

阴极装在玻璃管内壁上，其上涂有光电发射材料。

阳极通常用金属丝弯曲成矩形或圆形，置于玻璃管的中央。

2.主要性能

光电器件的性能主要由伏安特性、光照特性、光谱特性、响应时间、峰值探测率和温度特性来描述。

（1）光电管的伏安特性

在一定的光照射下，对光电器件的阳极所加电压与阳极所产生的电流之间的关系称为光电管的伏安特性。

光电管的伏安特性如图所示。

它是应用光电传感器参数的主要依据。

（2） 光电管的光照特性

通常指当光电管的阳极和阴极之间所加电压一定时，光通量与光电流之间的关系为光电管的光照特性。

其特性曲线如图所示。

曲线1表示银氧铯阴极光电

管的光照特性，光电流I与光通量成线性关系。

曲线2为锑铯阴极的光电管光照特性，它成非线性关系。

光照特性曲线的斜率（光电流与入射光光通量之间比）称为光电管的灵敏度。

（3）光电管光谱特性

即同一光电管对于不同频率的光的灵敏度不同，这就是光电管的光谱特性

（二）光电倍增管及其基本特性

当入射光很微弱时，普通光电管产生的光电流很小，只有零点几μA，很不容易探测。

这时常用光电倍增管对电流进行放大，下图为其内部结构示意图。

1.结构和工作原理

由光阴极、次阴极（倍增电极）以及阳极三部分组成。

光阴极是由半导体光电材料锑铯做成；次阴极是在镍或铜-铍的衬底上涂上锑铯材料而形成的，次阴极多的可达30级；阳极是最后用来收集电子的，收集到的电子数是阴极发射电子数的105~106倍。

即光电倍增管的放大倍数可达几万倍到几百万倍。

光电倍增管的灵敏度就比普通光电管高几万倍到几百万倍。

因此在很微弱的光照时，它就能产生很大的光电流。

四、内光电效应器件

利用物质在光的照射下电导性能改变或产生电动势的光电器件称内光电效应器件，常见的有光敏电阻、光电池和光敏晶体管等。

一、光敏电阻

光敏电阻又称光导管，为纯电阻元件，其工作原理是基于光电导效应，其阻值随光照增强而减小。

优点：

灵敏度高，光谱响应范围宽，体积小、重量轻、机械强度高，耐冲击、耐振动、抗过载能力强和寿命长等。

不足：

需要外部电源，有电流时会发热。

1.光敏电阻的工作原理和结构

当光照射到光电导体上时，若光电导体为本征半导体材料，而且光辐射能量又足够强，光导材料价带上的电子将激发到导带上去，从而使导带的电子和价带的空穴增加，致使光导体的电导率变大。

为实现能级的跃迁，入射光的能量必须大于光导体材料的禁带宽度Eg，即

hν=

=

≥Eg（eV）

式中ν和λ—入射光的频率和波长。

一种光电导体，存在一个照射光的波长限λC，只有波长小于λC的光照射在光电导体上，才能产生电子在能级间的跃迁，从而使光电导体电导率增加。

光敏电阻的结构如图所示。

管芯是一块安装在绝缘衬底上带有两个欧姆接触电极的光电导体。

光导体吸收光子而产生的光电效应，只限于光照的表面薄层，虽然产生的载流子也有少数扩散到内部去，但扩散深度有限，因此光电导体一般都做成薄层。

为了获得高的灵敏度，光敏电阻的电极一般采用梳状图案，结构见下图。

它是在一定的掩模下向光电导薄膜上蒸镀金或铟等金属形成的。

这种梳状电极，由于在间距很近的电极之间有可能采用大的灵敏面积，所以提高了光敏电阻的灵敏度。

图（c）是光敏电阻的代表符号。

1--光导层;

2--玻璃窗口;

3--金属外壳;

4--电极;

5--陶瓷基座;

6--黑色绝缘玻璃;7--电阻引线。

二、光电池

光电池是利用光生伏特效应把光直接转变成电能的器件。

由于它可把太阳能直接变电能，因此又称为太阳能电池。

它是基于光生伏特效应制成的，是发电式有源元件。

它有较大面积的PN结，当光照射在PN结上时，在结的两端出现电动势。

命名方式：

把光电池的半导体材料的名称冠于光电池（或太阳能电池）之前。

如，硒光电池、砷化镓光电池、硅光电池等。

目前,应用最广、最有发展前途的是硅光电池。

●硅光电池价格便宜，转换效率高，寿命长，适于接受红外光。

●硒光电池光电转换效率低（0.02％）、寿命短，适于接收可见光（响应峰值波长0.56μm），最适宜制造照度计。

砷化镓光电池转换效率比硅光电池稍高，光谱响应特性则与太阳光谱最吻合。

且工作温度最高，更耐受宇宙射线的辐射。

因此，它在宇宙飞船、卫星、太空探测器等电源方面的应用是有发展前途的。