紫金学院传感器原理设计与应用考试内容完整版Word格式文档下载.docx

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动态特性指标：

通常从时域和频域两方面采纳瞬态响应法和频率响应法来分析传感器的动态特性

一阶传感器的阶跃响应特性：

包括单位阶跃响应输出；

一阶传感器的单位阶跃响应信号为

二阶传感器的频率响应特性（幅频特性、相频特性）；

时刻常数、固有角频率和阻尼比的取值与阶跃响应及频率响应之间的关系，传感器一样的工作范围；

一阶传感器的时域动态性能指标；

①时刻常数τ：

一阶传感器输出上升到稳态值的%所需的时刻，称为时刻常数。

②延迟时刻td：

传感器输出达到稳态值的50%所需的时刻。

③上升时刻tr：

对有振荡的传感器，它是指从零上升到第一次达到稳态值所需的时刻。

对无振荡的传感器，它是指从稳态值的10%到90%。

第三章：

电阻应变式传感器

金属应变片和半导体应变片是依照什么效应工作的？

各自效应的概念？

金属应变片：

应变效应（在导体产生机械变形时，它的电阻值相应发生转变）

半导体应变片：

压阻效应（所谓压阻效应，是指半导体材料在某一轴向受外力作历时,其电阻率ρ发生转变的现象）

轴向应变，径向应变和泊松系数的含义和它们之间的关系；

当电阻丝受到拉力F作历时,将伸长dL,横截面积相应减小dS,电阻率将因

晶格发生变形等因素而改变dρ,故引发电阻值相对转变量为

式中dL/L是长度相对转变量,用轴向应变εx表示。

εx：

dL/L轴向应变

dS/S为圆形电阻丝的截面积相对转变量,即。

εy：

dr/r径向应变

由材料力学可知,在弹性范围内,金属丝受拉力时,沿轴向伸长,沿径向缩短,那么轴向应变εx和径向应变εy的关系可表示为

式中:

μ——电阻丝材料的泊松系数,负号表示应变方向相反。

电阻——应变特性：

；

什么是应变片的灵敏系数（包括哪两方面的内容）？

它和电阻丝的灵敏系数有何不同，什么缘故？

通常把金属丝产生单位变形所引发的电阻值相对转变量称为电阻丝的灵敏度系数Ks。

其表达式为

金属丝受力后要紧引发两个方面的转变：

材料几何尺寸转变（1+2μ）；

材料电阻率的转变（dρ/ρ）/ε

大量实验证明,在金属丝拉伸极限内,电阻的相对转变与应变成正比,即Ks为常数。

故有：

①Ks≈1+2μ

②金属丝应变效应表示式：

当金属丝做成灵敏栅后，实验说明应变片一样有

什么是横向效应 

？

如何减小横向效应？

采纳箔式应变片的优势？

将直的电阻丝绕成灵敏栅后，尽管长度不变，但由于应变状态不同,应变片灵敏栅的电阻转变较小，因此其灵敏系数K较电阻丝的灵敏系数Ks小，这种现象称为应变片的横向效应。

减小横向效应误差的方法：

一样采纳箔式应变片。

直流电桥的平稳条件：

其相邻两臂电阻的比值应相等，或相对两臂电阻的乘积应相等。

应变片传感器的测量电桥（直流电桥）按应变片的工作方式和数量的不同，一样有哪几种类型？

1/4桥，半桥和全桥

会标出应变片的极性，关于1/4桥，半桥和全桥要明白输出电压表达式，明白各自电压灵敏度；

哪几种电桥具有温度补偿作用和非线性补偿作用?

半桥和全桥

当桥臂比n为多少时，直流电桥的电压灵敏度最高？

N=1

第四章：

电容式传感器

电容式传感器的工作原理与分类（电容的表达式是最大体的）。

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

通常维持其中两个参数不变，而只变其中一个参数，把该参数的转变转换成电容量的转变，通过测量电路转换为电量输出，此即电容式传感器的原理。

每种类型各有什么特点？

各适用于什么场合（依照输入与输出之间的关系：

哪个是线性，哪个是非线性）？

变极距（d）型：

变极距型电容式传感器只有在Δd/d0很小时,才有近似的线性输出。

（1）要提高灵敏度，可用减少初始极距d0的方法。

（2）非线性随着相对位移Δd的增加而增加，为保证线性度应限制相对位移

（3）起始极距与灵敏度、非线性误差相矛盾，适合测量小位移。

（4）在实际应用中，为了提高灵敏度，减小非线性，多数采纳差动式电容结构。

变面积型（A）型：

结论：

输出特性呈线性。

因此其量程不受线性范围限制，适合测量较大的直线位移和角位移。

变面积式电容传感器灵敏度S为常数。

变介电常数（ε）型：

电容的转变与电介质εr2的移动量L呈线性关系。

上述原理可用于非导电流散材料的物位测量。

变极距型电容式传感器的非线性及灵敏度的表达式？

εg=7—云母的相对介电常数

ε1=1—空气的相对介电常数

d1—空气隙厚度

dg—云母片的厚度

故灵敏度S可表示为其非线性误差可表示为

如何改善单极式变极距型电容式传感器的非线性，提高灵敏度？

提高灵敏度，减小非线性，多数采纳差动式电容结构。

关于变极距型电容式传感器，加入云母片关于灵敏度和非线性误差有什么阻碍？

云母片的插入对灵敏度的阻碍：

云母片击穿电压不小于1000kV/mm，而空气仅为3kV/mm。

因此有了云母片，极板间起始距离d1可大大减小，可知传感器的灵敏度能大大提高。

云母片的插入对非线性误差的阻碍：

设无云母片时极板间距为d0，其非线性误差为Δd/d0；

插入厚度为dg的云母片时，有d0=d1+dg。

现在非线性误差为Δd/（d1+dg/εg），由于εg=7>

1故（d1+dg/εg）<

（d1+dg）=d0，那么对一样的Δd，其非线性误差将增加，线性度将变坏。

测量电路：

双T形电路、电桥电路、运算放大器的工作原理；

二极管双T形交流电桥电路原理图。

e是高频电源，它提供了幅值为E的对称方波

VD一、VD2为特性完全相同的两只二极管

固定电阻R1=R2=R

C一、C2为传感器的两个差动电容

电桥测量电路

运算放大器式电路（完全解决非线性误差）

图4.3.1运算放大器式电路原理图

第五章：

电感式传感器

变气隙式自感传感器的电感值的表达式；

W——线圈的匝数；

μ0——空气的磁导率；

S0——气隙的截面积；

δ——气隙的厚度。

差动变压器式互感传感器和电涡流传感器的工作原理；

变隙式差动变压器工作原理：

在A、B两个铁芯上绕有W1a=W1b=W1的两个低级绕组和W2a=W2b=W2两个次级绕组。

两个低级绕组的同名端顺向串联，而两个次级绕组的同名端那么反向串联。

电涡流传感器的工作原理：

由传感器线圈和被测导体组成线圈—导体系统。

依照法拉第定律，当传感器线圈通以正弦交变电流I1时，线圈周围空间必然产生正弦交变磁场H1，使置于此磁场中的金属导体中感应电涡流I2，I2又产生新的交变磁场H2。

依照楞次定律，H2的作用将反作用于原磁场H1，致使传感器线圈的等效阻抗发生转变。

零点残余电压产生的缘故是什么？

如何减小和排除它的阻碍？

零点残余误差产生的缘故：

①传感器的两个次级绕组的电气参数与几何尺寸不对称，致使它们产生的感应电动势幅值不等、相位不同，组成了零点残余电压的基波；

②由于磁性材料磁化曲线的非线性（磁饱和、磁滞），产生了零点残余电压的高次谐波（主若是三次谐波）；

③励磁电压本身含高次谐波。

排除零点残余电压一样可用以下方式：

（1）从设计和工艺上尽可能保证结构对称性。

尽可能保证传感器的几何尺寸、绕组线圈电气参数和磁路的对称；

（2）选用适合的测量线路。

采纳相敏检波电路不仅能够辨别铁芯移动方向，而且能够排除零点残余电压中的高次谐波成份。

差动整流电路和相敏检波电路的作用；

差动整流电路

这种电路是把差动变压器的两个次级输出电压别离整流,然后将整流的电压或电流的差值作为输出。

以下图给出了几种典型电路形式。

图中（a）、（c）适用于交流负载阻抗,（b）、（d）适用于低负载阻抗,电阻R0用于调整零点残余电压。

相敏检波电路**

相敏检波电路如下图。

图中VD一、VD二、VD3、VD4为四个性能相同的二极管，以同一方向串联接成一个闭合回路，形成环形电桥。

输入信号u2通过变压器T1加到环形电桥的一个对角线上。

参考信号us通过变压器T2加到环形电桥的另一个对角线上。

输出信号uo从变压器T1与T2的中心抽头引出。

电涡流式传感器能够测量哪些物理量？

电涡流传感器的测量对象材料是什么？

物理量：

电阻率ρ、磁导率μ和几何形状材料：

金属导体

什么叫电涡流效应?

电涡流的形成范围包括哪些内容，其中贯穿深度的概念式必然要明白；

电涡流效应：

电涡流的径向形成范围

电涡流密度既是线圈与导体间距离x的函数，又是沿线圈半径r的函数，即J=J（x,r）。

当x一按时，电涡流密度J与半径r的关系曲线如图中所示。

图中J0为金属导体表面电涡流密度最大值。

Jr为半径r处的金属导体表面电涡流密度。

由图可知：

①电涡流径向形成的范围大约在传感器线圈外径ras的～倍范围内,且散布不均匀。

②电涡流密度在短路环半径r=0处为零。

③电涡流的最大值在r=ras周围的一个狭小区域内。

④能够用一个平均半径为ras（ras=（ri+ra）/2）的短路环来集中表示分散的电涡流（图中阴影部份）。

贯穿深度的概念式

其中

μ0—真空磁导率，μr—相对磁导率，ρ—电阻率，f—线圈激磁电流的频率

电涡流传感器进行高频反射和低频透射的测量原理如何？

低频透射

若是将被测金属板放入两线圈之间，那么L1线圈产生的磁场将致使在金属板中产生电涡流，并将贯穿金属板。

现在磁场能量受到损耗，使抵达L2的磁通将减弱为Φ1′，从而使L2产生的感应电压U0下降。

图透射式涡流厚度传感器结构原理图

高频反射

原理

在带材的上、下双侧对称设置两个特性完全相同的涡流传感器S1和S2。

S1和S2与被测带材表面之间的距离别离为x1和x2。

分析S1：

高频信号施加于电感线圈S1上，线圈产生的高频电磁场作用于金属板的上表面。

由于趋肤效应，高频电磁场不能透过具有必然厚度的金属板，而仅作用于上表面的薄层内。

金属板上表面感应的涡流所产生的电磁场反作用于线圈，使其电感量发生转变，而该电感量与距离x1有关。

测出电感即可得距离x1。

同理可得下面的线圈S2与被侧件下表面的距离x2。

假设带材厚度不变，那么被测带材上、下表面之间的距离总有x1+x2=常数的关系存在，两传感器的输出电压之和为2Uo，数值不变。

若是被测带材厚度改变量为Δδ，那么两传感器与带材之间的距离也改变一个Δδ，两传感器输出电压现在为2Uo±

ΔU。

ΔU经放大器放大后，通过指示仪表即可指示出带材的厚度转变值。

带材厚度给定值与误差指示值的代数和确实是被测带材的厚度。

第六章：

压电式传感器

石英晶体和压电陶瓷的原理，稳固性和灵敏度之间的区别？

1、英晶体本身就具有压电特性；

而压电陶瓷本身是非压电物质，极化后的压电陶瓷，当受外力变形后，由于剩余极化强度的转变而产生电荷；

2、石英的优势是它的介电和压电常数的温度稳固性好，适合做工作温度范围很宽的传感器。

压电陶瓷的压电系数是石英的几十倍乃至几百倍，灵敏度高，但稳固性不如石英好，居里点也低。

什么是正压电效应，什么是逆压电效应？

某些物质沿其必然的方向施加压力或拉力时，随着形变的产生，会在其某两个相对的表面产生符号相反的电荷（表面电荷的极性与拉、压有关），当外力去掉形变消失后，又从头回到不带电的状态，这种现象称为“正压电效应”——机械能转变成电能；

在极化方向上（产生电荷的两个表面）施加电场，它又会产生机械形变，这种现象称为“逆压电效应”——电能转变成机械能。

压电方程概念式，压电方程中压电常数的下标代表的含义？

qi=dij或Q=dijF

下角标i表示晶体的极化方向。

下角标j=1，2，3，4，5，6，别离表示沿x轴、y轴、z轴方向的单向应力和在垂直于x轴、y轴、z轴的平面（即yz平面、zx平面、xy平面）内作用的剪切力。

什么是光轴，电轴，机械轴？

纵向轴z称为光轴

平行于六面体棱线并垂直于光轴的x称为电轴

与x和z轴同时垂直的轴y称为机械轴。

什么是纵向压电效应，横向压电效应？

通常把沿电轴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”。

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”。

压电式传感器什么缘故只适用于动态测量？

压电片的串、并联的输出电荷，电容，电压之间有什么区别？

各类接法适用于什么场合？

并联：

C并=2C，Q并=2Q，U并=U并联接法输出电荷大，本身电容大，时刻常数大，适宜用在测量慢变信号而且以电荷作为输出量的场合。

串联：

C串=C/2，Q串=Q，U串=2U串联接法输出电压大，本身电容小，适宜用于以电压作输出信号，而且测量电路输入阻抗很高的场合

压电式传感器的理想等效电路有哪两种？

电荷等效电路

电压等效电路

压电传感器的测量电路什么缘故要接入前置放大器，它的作用是什么？

有哪两种形式？

压电传感器本身的内阻抗很高，而输出能量较小，因此它的测量电路通常需要接入一个高输入阻抗前置放大器。

作用：

一、一是阻抗变换（把压电式传感器的高输出阻抗变换成低阻抗输出）

二、是放大传感器输出的微弱信号。

两种形式：

一、电压放大器二、电荷放大器

两种放大器各有何特点？

书P141

第七章：

磁电式传感器

什么是霍尔效应？

置于磁场中的静止载流导体，当它的电流方向与磁场方向不一致时，载流导体上平行于电流和磁场方向上的两个面之间产生电动势，这种现象称霍尔效应。

该电势称霍尔电势，半导体薄片称霍尔元件。

霍尔效应的产生是由于运动电荷受磁场中洛伦兹力作用的结果。

霍尔电势的大小和哪些因素相关？

UH为电位差,b为两点间沿电场线方向的距离

eEH内电场力=eBv路伦次力

霍尔电势公式？

霍尔效应产生的缘故？

霍尔效应的产生是由于运动电荷受磁场中洛伦兹力作用的结果。

什么缘故霍尔元件会存在不等位电压和温度误差？

如何从电路上采取方法加以补偿？

具体补偿方式要清楚。

不等位电势当霍尔元件的鼓励电流为I时，假设元件所处位置磁感应强度为零，那么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为不等位电势

缘故：

①霍尔电极安装位置不对称或不在同一等电位面上；

②半导体材料不均匀造成了电阻率不均匀或是几何尺寸不均匀；

③鼓励电极接触不良造成鼓励电流不均匀散布等。

补偿方法：

（1）工艺上保证电极对称

（2）电路补偿（由于不等位电势与不等位电阻是一致的,能够采纳分析电阻的方式来找到不等位电势的补偿方式）

温度误差：

一、霍尔元件的基片是半导体材料，因此对温度的转变很灵敏。

其中载流子浓度和载流子迁移率、电阻率和霍尔系数都是温度的函数。

2、当温度转变时，霍尔元件的一些特性参数，如霍尔电势、输入电阻和输出电阻等都要发生转变，从而使霍尔式传感器产生温度误差。

3、补偿：

选用温度系数小的元件

采纳恒温方法

采纳电路补偿

（1）、恒流源温度补偿

（2）、负载电阻（3）、热敏元件

第八章：

热电式传感器

什么是热电偶？

温气宇转换为电势大小,由两种不同材料的导体或半导体组成的能测温的装置称为热电偶，导体A、B称为热电极。

什么是热电阻？

依照电阻和温度之间的函数关系，利用感温电阻把测量温度转化成测量电阻的温度灵敏元件。

铂热电阻和铜热电阻

热电偶工作的大体条件是什么?

两种不同的金属组成的闭合回路

热电偶测温原理：

热点效应

热电偶的大体定律有哪些，定律的内容及作用是什么？

1、均质导体定律：

热电偶回路中的两个热电极材料相同，不管两接点的温度如何，热电动势均为零；

反之，若是有热电动势产生，两个热电极的材料那么必然是不同的。

查验两个热电极材料的成份是不是相同（称为同名极查验法），也能够检查热电极材料的均匀性。

2、中间导体定律：

在热电偶测温回路内，接入第三种导体时，只要第三种导体的两头温度相同，且插入导体为均质的，那么对回路的总热电势没有阻碍。

总热电势等于各接点的接触电势之和

3、中间温度定律：

EAB（T,Tc,T0）=EAB（T,Tc）+EAB（Tc,T0）作用：

可对参考端温度不为0℃的热电势进行修正。

4、标准导体（电极）定律：

只要测得它与各类金属组成的热电偶的热电动势，那么各类金属间彼此组合成热电偶的热电动势就可依照标准电极定律计算出来。

在实际应用中什么缘故要对热电偶进行温度补偿?

冷端温度随着环境温度的转变而转变要紧有哪些补偿方式?

尤其是电桥补偿法的原理要明白；

1、热电偶补偿导线

2、冷端0℃恒温法

3、冷端温度修正法

（1）热电势修正法

（2）冷端温度修正法

4、冷端温度自动补偿法（电桥补偿法）

利用不平稳电桥产生的不平稳电压Uab作为补偿信号，来自动补偿热电偶测量进程中因冷端温度不为0℃或转变而引发烧电势的转变值。

会利用分度表及插值法结合相关大体定律进行实际温度的测量；

热电阻的特性方程；

R100，Pt10，Cu50等数字所代表的含义；

纯度的表达式；

热电阻的特性方程：

Rt=R0[1+α（t-t0）]

R100：

100摄氏度的电阻值

数字所代表的含义：

0摄氏度下的电阻值

铂的纯度经常使用W（100）来表示。

热电阻的内部引线方式和各方式的特点；

二线制：

适于引线不长、测温精度要求较低的场合；

方式简单、费用低，

可是引线电阻和引线电阻的

转变会带来附加误差。

三线制：

减小热电阻与测量仪表之间连接导线的电阻因环境温度转变所引发的测量误差。

四线制：

能够完全排除引线电阻对测量的阻碍，用于高精度温度检测，实验室用。

热敏电阻的三种类型、它们的特点及应用范围；

负电阻温度系数热敏电阻（NTC）：

很高的负电阻温度系数，温度越高，阻值越小，且有明显的非线性。

专门适用于－100--300℃之间测温。

正电阻温度系数热敏电阻（PTC）：

阻值随温度升高而增大，且有斜率最大的区域，当温度超过某一数值时，其电阻值朝正的方向快速转变。

其用途主若是彩电消磁，各类电器设备的过酷爱惜，也能够作为限流元件利用。

临界温度特性的热敏电阻（CTR）：

具有负温度系数，但在某个温度范围内电阻值急剧下降，曲线斜率在此区段专门陡，灵敏度极高。

要紧用作温度开关。

第九章：

光电式传感器

光电式传感器的物理基础是什么？

光电效应

光电效应分为哪两种（详细的说是三种），各自含义和与之对应的光电元件；

各类典型光电器件的原理；

1、外光电效应：

光线照射在某些物体上，而使电子从这些物体表面逸出的现象称为外光电效应，也称光电子发射。

外光电效应中逸出的电子称为光电子。

真空或充气的光电器件：

光电管和光电倍增管。

光电管：

当光电阴极受到适当波长的光线照射时发射光电子，在中央带正电的阳极吸引下，光电子在光电管内形成电子流，在外电路中便产生电流I。

光电倍增管：

一、利历时在各个倍增电极上均加上电压。

由于相邻两个倍增电极之间有电位差，因此存在加速电场，对电子加速。

二、从阴极发出的光电子，在电场的加速下，打到第一个倍增电极上，引发二次电子发射。

每一个电子能从那个倍增电极上打出3—6倍个次级电子；

2、内光电效应：

当光照射在物体上，使物体的电阻率发生转变或产生光生电动势的效应叫做内光电效应。

光敏电阻和光电池、光敏晶体管

光敏电阻：

一种用光电导材料制成的没有极性的光电元件，也称光导管。

由于光敏电阻没有极性，工作时可加直流偏压或交流电压。

纯电阻器件，具有很高的光电灵敏度。

工作原理：

无光照时暗电阻值专门大，I很小。

受到必然范围的光照时，亮电阻急剧减小I迅速增大。

光敏晶体管：

一、二极管：

反向工作。

没有光照时：

反向电阻专门大，电路中仅有反向饱和漏电流（暗电流）当有光照：

产生光生电子-空穴对，使少数载流子浓度大大增加，因此，通过PN结的反向电流也随之增加，形成光电流，二、三极管：

当无光照时，因管集电结反偏，集电极与基极间有反向饱和电流Icbo（暗电流），当有光照，产生光生电子-空穴对，使其集电结反向饱和电流大大增加，光电流；

该电流流入发射结进行放大成为集电极与发射极间电流，即为光敏三极管的光电流，它将光敏二极管的光电流放大（1+）倍，灵敏度高、

光电池：

光生伏特效应将光能直接转变成电能的器件，

光电器件灵敏度的概念：

光照特性曲线的斜率（光电流与入射光光通量之比）称为光电管的灵敏度。

也确实是对必然波长入射光的光子射到物体表面上，该表面所发射的光电子平均数，称为量子效率，用百分数表示，它直接反映物体对这种波长的光的光电效应的灵敏度。

爱因斯坦光电效应方程的概念和涵义；

光子能量一部份用作电子逸出物体表面所需要的逸出功A0，另一部份变成电子的初动能。

即爱因斯坦光电效应方程：

各类特性的概念（光照特性、光谱特性、伏安特性等等）

一、光电管的特性：

光照特性：

通常指当光电管的阳极和阴极之间所加电压一按时，光通量与光电流之间的关系。

伏安持性：

在必然的光照射下，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持性。

光谱特性：

同一光电管关于不同频率的光的灵敏度不同，这确实是光电管的光谱特性，用量子效率表示

二、光敏电阻的特性：

伏安特性：

在必然照度下，光敏电阻两头所加的电压与光电流之间的关系

光敏电阻的光电流与光通量之间的关系

光谱特性：

表征光敏电阻对不同波长的光其灵敏度不同的性质。

响应时刻：

光敏电阻在照射光强转变时，由于光电导的弛