传感器技术作业.docx

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传感器技术作业

传感器技术作业

1、传感器的组成包括哪几个部分？

各自的主要作用是什么？

通常由敏感元件、转换元件、测量电路和辅助电源等组成

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。

如：

应变式压力传感器的敏感元件是弹性膜片，其作用是将压力转换成膜片的变形。

转换元件：

将敏感元件的输出转换成电路参量。

如：

应变式压力传感器的转换元件是应变片，其作用是将弹性膜片的变形转换为电阻值的变化。

测量电路：

将其进一步变换成可直接利用的电信号。

辅助电源：

为传感器的元件和电路提供工作电源

2、何为传感器的静态特性？

传感器的静态特性技术指标包括哪几个部分？

各自的含义是什么？

当输入量为常量，或变化极慢时，这一关系称为静态特性；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

式中：

y—输出量；x—输入量；a0—零点输出；

a1—理论灵敏度；a2、a3、…、an—非线性项系数。

各项系数不同，决定了特性曲线的具体形式。

理想情况下，y=a0+a1x

静态特性曲线可实际测试获得。

为了标定和数据处理的方便，希望得到线性关系。

这时可采用各种方法，其中也包括硬件或软件补偿，进行线性化处理。

测量范围（measuringrange）

传感器所能测量到的最小输入量与最大输入量之间的范围称为传感器的测量范围。

量程（span）

传感器测量范围的上限值与下限值的代数差，称为量程。

线性度：

指传感器输出量与输入量之间的实际关系曲线偏离拟合直线的程度。

定义为在全量程范围内实际特性曲线与拟合直线之间的最大偏差值与满量程输出值之比。

迟滞：

传感器在输入量由小到大（正行程）及输入量由大到小（反行程）变化期间其输入输出特性曲线不重合的现象成为迟滞。

对于同一大小的输入信号，传感器的正反行程输出信号大小不相等，这个差值称为迟滞差值。

重复性是指传感器在输入量按同一方向作全量程连续多次变化时，所得特性曲线不一致的程度。

分辨力与阈值：

当传感器的输入从非零值缓慢增加时，在超过某一增量后输出发生可观测的变化，这个输入增量称传感器的分辨力，即最小输入增量。

分辨力是指传感器能检测到的最小的输入增量。

分辨力用绝对值表示,用与满量程的百分数表示时称为分辨率。

在传感器输入零点附近的分辨力称为阈值。

稳定性是指传感器在长时间工作的情况下输出量发生的变化，有时称为长时间工作稳定性或零点漂移。

静态误差是指传感器在其全量程内任一点的输出值与其理论值的偏离程度。

精确度：

精密度：

说明测量传感器输出值的分散性，即对某一稳定的被测量，由同一个测量者，用同一个传感器，在相当短的时间内连续重复测量多次，其测量结果的分散程度。

精密度是随机误差大小的标志，精密度高，意味着随机误差小。

注意：

精密度高不一定准确度高。

准确度：

说明传感器输出值与真值的偏离程度。

如,某流量传感器的准确度为0.3m3/s，表示该传感器的输出值与真值偏离0.3m3/s。

准确度是系统误差大小的标志，准确度高意味着系统误差小。

同样，准确度高不一定精密度高。

精确度：

是精密度与准确度两者的总和，精确度高表示精密度和准确度都比较高。

在最简单的情况下，可取两者的代数和。

3、何为传感器的动态特性？

传感器的动态技术指标包括哪几个部分？

动态特性指传感器对随时间变化的输入量的响应特性。

阶跃响应特性和频率响应特性

4传感器的未来发展趋势主要有哪几个方面？

重点发展方向有哪些？

开展新理论研究，采用新技术、新材料、新工艺，实现传感器的“五化”发展，即智能化、可移动化、微型化、集成化、多样化。

可穿戴式应用无人驾驶医护与健康监测工业控制

5、测量误差按照表示方法可以分为哪几类？

各自的含义是什么？

◊按表示方法可分为三类

绝对误差测量结果减去被测量的约定真值所得的差值。

绝对误差有符号和单位，它的单位与被测量相同。

相对误差绝对误差与被测量真值的比值，常用百分数表示，即相对误差比绝对误差能更好地说明测量的精确程度。

引用误差以仪表的绝对误差与仪表量程之比的百分数表示。

通常以最大引用误差来定义测量仪表的精度等级。

6、测量误差按照误差性质可以分为哪几类？

各自的含义是什么？

◊按性质可分为三类

随机误差（偶然误差）在实际相同条件下，对同一被测量进行多次等精度测量时，由于各种随机因素（如温度、湿度、电源电压波动、磁场等）的影响，各次测量值之间存在一定差异，这种差异就是随机误差

系统误差分析过程中某些确定的、经常性的因素引起的误差。

粗大误差在相同条件下，对同一被测量进行多次等精度测量时，有个别测量结果的误差远远大于规定条件下的预计值。

这类误差一般由于测量者粗心大意或测量仪器突然出现故障等造成。

称之为粗大误差（或寄生误差）。

7、仪表精度等级是按照哪种误差进行分类的？

仪表的精确度与引用误差的关系是怎样的？

引用误差通常以最大引用误差来定义测量仪表的精度等级

测量仪表一般采用最大引用误差不能超过的允许值作为划分精度等级的尺度。

工业仪表常见的精度等级有0.1级，0.2级，0.5级，1.0级，1.5级，2.0级，2.5级，5.0级。

精度密度和精确度等级为1.0的仪表，在使用时它的最大引用误差不超过±1.0％，也就是说，在整个量程内它的绝对误差最大值不会超过其量程的±1％。

在具体测量某个量值时，相对误差可以根据精度等级所确定的最大绝对误差和仪表指示值进行计算。

8、对一个N级、量程为M的仪表，当测量某一电压为X时，如何计算此测量值可能出现的绝对误差和相对误差的最大值？

9、摄氏温度与华氏温度关系是怎么样的？

T=t*（9/5）+32

10、热电偶组成与测温原理是什么？

热电偶的热电势组成包括哪几个部分？

11、什么是热电效应？

热电偶回路的热电势与哪些因素有关？

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。

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。

（同材同温总电势为0

12、热电阻的组成与测温原理是怎样的？

常用的热电阻有哪几种？

铜电阻铂电阻

热电阻主要是利用电阻随温度升高而增大的特性来测量温度的。

温度升高，金属内部原子晶格的振动加剧，从而使金属内部的自由电子通过金属导体时的阻力增大，宏观上表现出电阻率变大，总电阻值增加。

13、热敏电阻的组成与测温原理是什么？

按照热敏电阻阻值与温度的关系可将热敏电阻分为哪几类？

各自的特性是什么？

热敏电阻是利用某种半导体材料的电阻率随温度变化而变化的性质制成的,是半导体测温元件。

1.分类与特性

热敏电阻的种类很多，按阻值与温度关系特性可分为：

（1）正温度系数热敏电阻器（PTC）

电阻值随温度升高而增大的电阻器，简称PTC热敏阻器。

它的主要材料是掺杂的BaTiO3半导体陶瓷。

（2）负温度系数热敏电阻器（NTC）

电阻值随温度升高而下降的热敏电阻器简称NTC热敏电阻器。

它的材料主要是一些过渡金属氧化物半导体陶瓷。

（3）突变型负温度系数热敏电阻器（CTR）

该类电阻器的电阻值在某特定温度范围内随温度升高而降低3～4个数量级，即具有很大负温度系数。

其主要材料是VO2并添加一些金属氧化物。

14、热电阻与热电偶的主要区别有哪些？

热电阻与热敏电阻的主要区别是什么？

原理与特点不同：

热电偶的测温原理是基于热电效应;热电阻的测温原理是基于导体或半导体的电阻值随着温度的变化而变化的特性。

信号性质不同：

热电阻产生的是阻值变化；热电偶是产生感应电压的变化。

检测的温度范围不一样：

热电阻是低温检测；热电偶是高温检测。

材料不同：

热电阻是一种金属材料；热电偶是双金属材料。

工作中的现场判断不同：

热电阻用万用表判断短路和断路即可；热电偶有正负极、补偿导线也有正负之分。

热电阻,是通电后,电阻自身发热.主要用于加热使用,常见的热电阻电热毯,电热水器,电蚊香,电络铁里面用的电热丝这些都属于热电阻范畴的.热敏电阻是利用某种半导体材料的电阻率随温度变化而变化的性质制成的,是半导体测温元件。

热电阻的测温原理是基于导体或半导体的电阻值随着温度的变化而变化的特性。

热电阻是金属测温元件，热敏电阻是半导体测温元件。

15、湿度是如何定义的？

人们通常说的湿度指的是绝对湿度还是相对湿度？

温度（temperature）是表示物体冷热程度的物理量，微观上来讲是物体分子热运动的剧烈程度。

两个不同温度相接触的物体将会产生热交换。

相对湿度。

16、何为光电效应？

光电效应主要分为哪几大类？

举例说明不同光电效应的主要应用器件有哪些。

光照射到某些物质上，使该物质的电特性发生变化的物理现象。

（1）光电导效应

当入射光子射入到半导体时，半导体吸收入射光子产生电子空穴对，使其电导率增大。

基于这种效应的器件有光敏电阻。

（2）光生伏特效应

在光作用下能使物体产生一定方向电动势的现象。

基于该效应的器件有光电池和光敏二/三极管。

（3）热释电效应

一些晶体受到红外线热辐射转化为热量时，两端会产生数量相等、极性相反的电荷，这种由热变化产生的电极化现象称为热释电效应。

能够承受热电效应的晶体称为热释电元件.

17、何为光敏电阻的亮电阻与亮电流？

暗电阻与暗电流？

当光敏电阻受光照射后，其阻值的变化规律是怎样的？

在一定光照度下，两端所加的电压与光电流的关系是怎样的？

暗电阻：

光敏电阻在不受光时的阻值称为暗电阻,此时流过的电流称为暗电流。

亮电阻：

光敏电阻在受光照射时的电阻称为亮电阻,此时流过的电流称为亮电流。

光电流：

亮电流与暗电流之差称为光电流。

无光照时,光敏电阻值（暗电阻）很大,电路中电流（暗电流）很小。

当光敏电阻受到一定波长范围的光照时,它的阻值（亮电阻）急剧减少,电路中电流迅速增大。

在给定的偏压情况下，光照度越大，光电流也就越大；

在一定光照度下，加的电压越大，光电流越大，没有饱和现象。

光敏电阻的最高工作电压是由耗散功率决定的，

耗散功率又和面积以及散热条件等因素有关。

18、可见光的光谱范围是多少？

光敏二极管对不同波长的光的灵敏度是否相同？

在实际应用中光敏二极管通常工作在什么状态？

可见光的光谱范围：

380~780nm

光电二极管对红光和蓝光的灵敏度是不同的

光敏二极管在电路中一般处于反向工作状态，在没有光照射时反向电流很小，称为暗电流；有光照的电流较大，称为光电流。

光的照度越大，光电流越大。

19、光电耦合器的作用是什么？

其组成包括哪几个部分？

举例说明其典型的应用案例。

主要作用：

实现电-光-电信号转换，实现信号隔离

光电耦合器是将发光元件和光敏元件合并使用并集成在一起，以光为媒介实现信号传递的光电器件

开关电路

20、光电断路器的结构是怎样的？

举例说明其典型的应用案例。

光电断路器是将发光元件和光敏元件合并使用并相互隔开，以光为媒介实现信号传递的光电器件。

主要作用：

光电开关、产品计数等

21、常用的光电池有哪几类？

其工作原理是怎样的？

光电池种类很多：

硅光电池、硒光电池、锗光电池、硫化镉光电池、砷化镓光电池等

光电池（photovoltaiccell），是一种在光的照射下产生电动势的半导体元件。

用于光电转换、光电探测及光能利用等方面。

原理：

入射光照射在PN结上时，弱光子能量大于半导体材料的禁带宽度，则在PN结内部产生电子-空穴对，在内电场作用下，空穴移向P型区，电子移向N型区，使P型区带正电，N型区带负电，PN结产生电势。

22、红外热释电传感器主要的应用场景有哪些？

其工作原理是怎样的？

人体感应报警电路BISS0001是由运算放大器、电压比较器、状态控制器、延迟时间定时器以及封锁时间定时器等构成的数模混合专用集成电路。

具有较高性能的传感信号处理集成电路，它配以热释电红外传感器和少量外接元器件构成被动式的热释电红外开关。

人体入侵检测应用电路

23、何为电阻的应变效应？

何为压阻效应？

电阻应变效应——导体或半导体材料在受到外界力（拉力或压力）作用时，产生机械变形，机械变形导致其阻值变化，这种因变形而使其阻值发生变化的现象

压阻效应——单晶硅材料在受到应力作用后，其电阻率发生明显变化

24、力敏传感器通常采用哪种方式的驱动电路？

其后续接口电路中通常采用何种形式电路？

力敏传感器通常采用恒流源电路驱动

力敏传感器的后续电路中通常采用仪用放大电路进行信号放大

25、常用的电容传感器有哪三种类型？

变极距型、变面积型、变介电常数型

26、国际标准规定的人耳可听闻的音频频率范围是多少？

何为超声波？

20Hz到20000Hz.

超声波是频率大于20k赫兹的声波

27、何为压电效应？

何为逆（反）压电效应？

超声波传感器的发射探头与接收探头各自工作于哪种压电效应？

压电效应：

某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷。

当外力去掉后，它又会恢复到不带电的状态，这种现象称为正压电效应。

当作用力的方向改变时，电荷的极性也随之改变。

相反，当在电介质的极化方向上施加电场，这些电介质也会发生变形，电场去掉后，电介质的变形随之消失，这种现象称为逆压电效应，或称为电致伸缩现象。

依据电介质压电效应研制的一类传感器称为压电传感器。

超声波发送器是利用逆向压电效应制成——即在压电元件上施加电压，元件就变形（也称应变）引起空气振动产生超声波，超声波以疏密波形式传播，传送给超声波接收器。

超声波接收器是利用正向压电效应制成——即接收到的超声波促使接收器的振子随着相应频率进行振动，由于存在正向压电效应，就产生与超声波频率相同的高频电压。

28、超声波在空气中的传播速度是多少？

其测距的原理是什么？

超声波的传播速度与介质密度和弹性特性有关。

气体中纵波声速为344m/s

超声波测距的原理是利用超声波在空气中的传播速度为已知，测量声波在发射后遇到障碍物反射回来的时间，根据发射和接收的时间差计算出发射点到障碍物的实际距离。

29、什么是霍尔效应？

举例说明其典型的应用器件及应用案例。

在金属或半导体薄片两端通以电流I，并在薄片的垂直方向上施加磁感应强度为B的磁场，那么，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电势UH（称为霍尔电动势或霍尔电压）。

这种现象称为霍尔效应。

霍尔传感器将霍尔元件、放大器、调理电路等集成在一个芯片上

开关型霍尔传感器

开关型霍尔传感器由稳压器、霍尔元件、差分放大器，斯密特触发器和输出级组成，它输出数字量

锁键型霍尔传感器

锁键型是开关型霍尔传感器的一种特殊形式，它输出数字量

30、干簧管是一种什么类型的器件？

其工作原理是怎样的？

干簧管（磁簧管、舌簧管）是一种磁敏的特殊开关

工作原理：

用磁铁接近它，干簧管两个节点就会吸合在一起，使电路导通。

31、什么是磁阻效应？

什么是巨磁阻效应？

磁阻效应：

物质在磁场中电阻发生变化的现象。

巨磁阻效应：

指磁性材料的电阻率在有外磁场作用时较之无外磁场作用时存在巨大变化的现象。

32、常用的气敏传感器又哪些种类？

各自的原理是什么？

半导体气敏传感器（电阻型和非电阻型）半导体气敏传感器是利用半导体气敏元件同气体接触后，造成半导体性质变化来检测特定气体的成分或者测量其浓度

　非电阻式半导体气敏传感器是利用气敏吸附和反应时引起的PN结或场效应管功能参数变化来实现气体检测的。

接触燃烧性气敏传感器气敏材料（如Pt电热丝等）在通电状态下，可燃气体与空气中的氧在Pt电热丝上产生无焰接触燃烧，是的敏感元件的Pt电热丝温度上高，电阻值增大。

电化学气敏传感器（恒电位电解式和伽伐尼电池式）

33、分析图1、图2所示电路工作原理

图1图2

图一选用负温系数热敏电阻，常温下阻值为10k。

（实际测量：

40℃时为7.5k,60℃时为3.9k）图二选用正温系数热敏电阻，常温下阻值为3.3k。

（实际测量：

40℃时为3.9k,60℃时为7.5k）

34、分析图3、图4所示电路工作原理

图3光敏二极管应用电路分析

有光照时，T1、T2导通，

继电器线圈带电，常闭触

点断开，灯不亮。

光线较暗时，T1、T2截止，

继电器线圈失电，常

闭触点闭合，灯亮。

图4

红外热释电传感器人体感应报警电路

具有较高性能的传感信号处理集成电路，它配以热释电红外传感器和少量外接元器件构成被动式的热释电红外开关。

35、使用一只0.2级、量程为10V的电压表，测得某一电压为5.0V，试求次测量值可能出现的绝对误差和相对误差的最大值。

多少多少级说得是检测的引用误差,根据定义绝对误差=量程*等级,所以绝对误差=0.2*10=2V,所以说可能出现的最大绝对误差为2V.

相对误差=（测量值-真实值）/真实值,所以相对误差=±2/5=±0.4

36、已知某一被测电压约为10V，现有如下两块电压表

（1）150V，0.5级；

（2）15V，2.5级。

问选择哪一块表测量误差较小？

如果是指针式的电压表就选15V的,尽管精度低,但是读数误差小.

150V的尽管精度高,但读数误差大,10V时表针只偏转了一点点,难以观察准确.

37、如图5为光敏检测电路，设计目标是有障碍物挡在D1和光敏三极管D2之间时，LED点亮，无障碍物时LED灭。

但在电路调试中发现LED常亮，经检查：

（1）D1的发射强度不够，经查资料后发现，D1导通电压为2V，工作电流为20mA，请重新计算R1的参数，选用合理阻值；

（12-2）|20=0.5千欧

（2）无障碍物时，D2光电流为1.1mA，有障碍物时的暗电流为0.8mA，请计算LM358同相输入端电压变化范围；如果只调整R3，应该如何调整R3使电路工作正常，取一个合适的R3并计算此时LM358反相输入端的电压。

38.如图6所示为力敏传感器及其放大电路。

（1）计算力敏传感器的驱动电流I。

（2）假定Ra=Rb=20k，输入信号电压Ｕa=3.5V,Ｕb=3.5V，要求输出电压Ｕo=1V,试计算R的电阻值。

图6

39.如图7所示仪用放大电路，R=100，Rb=2k,输入信号电压Ｕa=6.5V,Ｕb=6.6V，要求输出电压Ｕo=5V,试计算Ra的电阻值。

图7

40.如图8所示为某个超声波测距仪的脉冲信号发射电路，该电路由两块555集成电路组成，其中IC1构成超声波脉冲信号发生器，IC2构成超声波载波信号发生器。

已知参数见图中所示，请计算：

（1）IC1输出脉冲信号的正脉冲宽度TH、负脉冲宽度TL以及脉冲信号的频率，画出IC1中3脚的输出波形示意图；

555多谐振荡电路的脉冲宽度TL由电容C的放电时间来决定：

TL≈0.7R2C

TH由电容C的充电时间来决定：

TH≈0.7（R1+R2）C

输出振荡信号的周期为：

T=TL+TH

频率为：

题目

（2）的r3为公式的r2r2为公式的r1

可由公式画得

（2）若需IC2输出频率为40kHz的载波信号，R3应该取何值？

图8

41.画出利用IN4148二极管构成的0~100度数字温度计电路，并标出元件参数。

42.画出模拟电脑机箱温度控制系统电路图，并标出使用元件参数（要求温度达到60度时开启风扇，当温度下降到40度时关停风扇）。

43.画出利用电阻应变片构成的电子称电路结构图，并标出元件参数，计算电路的放大倍数。