传感器原理及应用期末复习资料

《传感器原理及应用》期末复习资料

第一章 概述

1、广义的定义：一种能把特定的信息（物理、化学、生物）按一定的规律转换成某种可用信号输出的器件和装置。狭义的定义： 能把外界非电信号转换成电信号输出的器件。以上定义表明传感器有这样三层含义：它是由敏感元件和转换元件构成的一种检测装置；能按一定规律将被测量转换成电信号输 出；传感器的输出与输入之间存在确定的关系。

2、传感器一般由敏感元件、转换元件、基本电路三部分组成。

第二章 传感器的基本特性

1、传感器的静态特性是什么？有哪些主要的静态性能指标？

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与输入的关系。其主要指标有线性度、迟滞、重复性、灵敏度、分辨率、漂移和稳定性。其中传感器的线性度是表征实际特性与拟合直线不吻合的参数。灵敏度的定义是输出量增量△y与引起输出量增量△y的相应输入量增量△x之比。

2、传感器动态特性是什么？主要动态特性指标有哪些？

答：传感器的动态特性是指输入量随时间变化时传感器的响应特性。传感器动态特性主要有：频率响应特性。

3、传感器的动态误差包括哪两个部分？

稳态误差与暂态误差。

第三章 电阻式传感器

1、何为电阻应变效应？怎样利用这种效应制成应变片？

答：导体在受到拉力或压力的外界力作用时，会产生机械变形，同时机械变形会引起导体阻值的变化，这种导体材料因变形而使其电阻值发生变化的现象称为电阻应变效应。

当外力作用时，导体的电阻率、长度、截面积都会发生变化，从而引起电阻值的变化，通过测量电阻值的变化，检测出外界作用力的大小。

2、什么是“横向效应”？为什么增加应变片两端电阻条的横截面积便能减小横向效应？

横向效应：将直的电阻丝绕成敏感栅后，虽然长度不变，但应变状态不同，圆弧部分使灵敏度下降了，这种现象称为应变传感器的横向效应。敏感栅越窄，基长越长的应变片，横向效应越小，因为结构上两端电阻条的横截面积大的应变片横向效应较小。

3、应变片温度误差的主要来源有：一是应变片本身电阻温度系数α1的影响；二是试件材料线膨胀系数β1的影响。常用的应变片温度误差补偿方法有温度自补偿法、电桥线路补偿法等。

4、比较电阻应变片组成的单桥、半桥、全桥电路（电压灵敏度、温度补偿）。写出各电路输出电压灵敏度。 电压灵敏度：半桥电路比单桥电路的灵敏度提高一倍，全桥电路比单桥电路灵敏度提高4倍，而且两者均无线性误差。

5、半导体电阻应变片的工作原理。

第四章 电容式传感器

1、电容传感器有哪些类型？ 

答：类型：1）变面积型电容传感器：测量范围大，多用于测线位移、角位移； 2）变极距型电容式传感器：适宜做小位移测量； 3）变介质型电容传感器：普遍用于液面高度测量、介质厚度测量，可制成料位计等。

电容式传感器是将被测非电量（极板距离）变化成电容量的变化。

2、叙述电容传感器的工作原理。

3．为什么电感式和电容式传感器的结构多采用差动形式，差动结构形式的特点是什么？ 

答：电感两端的电压与通过的电流的变化量成正比，流过电容的位移电流与其两端电压的变化量成正比，而差分方式正好放大的是电压或电流的变化量，故一般采用这种结构。 

差动式电容或电感传感器比单个电容或电感灵敏度提高一倍；非线性误差减小，线性度明显改善；可以抵消温度、噪声干扰的影响。

第五章 电感式传感器

1、何谓电感式传感器？电感式传感器分为哪几类？各有何特点？

答：电感式传感器是利用线圈自感和互感的变化实现非电量电测的一种装置，传感器利用电磁感应定律将被测非电量转换为电感或互感的变化。电感式传感器根据工作原理可以分为：自感式电感传感器和互感式电感传感器；根据结构可以分为：变磁阻式（自感式）、涡流式和差动变压器式（互感式）。

2、叙述变磁阻式传感器（自感式传感器）的工作原理。

答：由线性L，铁芯A，衔铁B组成。在铁芯和衔铁之间有间隙，间隙厚度为，传感器运动部分与衔铁相连，衔铁移动时，间隙厚度变化，引起此路的磁阻变化，导致电感线圈电感量发生变化。（考虑当衔铁移近铁芯时或衔铁移动使空气缝隙的面积变大时，电感量的变化情况）

3、比较自感式传感器与互感式传感器的异同。

答：电感传感器采用差动形式，转换电路采用相敏检波电路可有效改善线性度。

4、什么是零位残余电压？说明产生差动电感式传感器零位残余电压的原因。

答：差动变压器式传感器的铁芯处于中间位置时，在零点附近总有一个最小的输出电压，将铁芯处于中间位置时，最小不为零的电压称为零点残余电压。产生零点残余电压的主要原因是由于两个次级线圈绕组电气系数（互感 M 、电感L、内阻R）不完全相同，几何尺寸也不完全相同，工艺上很难保证完全一致。

5、什么叫电涡流效应？涡流的分布范围。说明电涡流式传感器的基本结构与工作原理。

1）一个块状金属导体置于变化的磁场中或在磁场中切割磁力线运动时，导体内部会产生闭合的电流，这种现象称为涡流效应。2）由于趋肤效应，电涡流只存在于金属导体的表面薄层内。线圈外径金属涡流密度最大；线圈中心为零。

3）形成涡流必须具备两个条件：第一存在交变磁场；第二导电体处于交变磁场中。电涡流式传感器通电后线圈周围产生交变磁场，金属导体置于线圈附近。当金属导体靠近交变磁场中时，导体内部就会产生涡流，这个涡流同样产生交变磁场。由于磁场的反作用使线圈的等效电感和等效阻抗发生变化，使流过线圈的电流大小、相位都发生变化。

6、电涡流传感器的应用。（需熟悉各种用途的原理）P72-73

第六章 磁电、磁敏式传感器

1、磁电感应式传感器根据结构可以分为恒磁通式和变磁通式两种。

2、磁阻效应：指长方形半导体晶片受到与电流方向垂直的磁场作用时，不但产生霍尔效应，还会出现电流密度下降、电阻率增大的现象。所选半导体晶片尺寸不同，电阻值增大也不同。

3、什么是霍尔效应？霍尔元件不等位电势产生的原因有哪些？ 请说明补偿不等位电势的方法。

     通电的导体放在磁场中，电流方向与磁场方向垂直，在导体另外两侧会产生感应电动势，这种现象称为霍尔效应。原因：霍尔引出电极安装不对称，不在同一等位面上；激励电极接触不良，半导体材料不均匀造成电阻率不均匀。（说明补偿方法）

4、霍尔元件基本结构：外形为矩形薄片，有四根引线，两端加激励电流，称激励电极，另外两端为输出引线，称霍尔电极。导体薄片厚度越小，霍尔元件灵敏度越大。 

5、霍尔传感器的应用。（熟悉各种用途的原理）P82-84

第七章 压电元件和超声波传感器

1、什么是压电效应？什么是正压电效应和逆压电效应？94

答：某些电介质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。如压电效应是可逆的，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。

2、考虑分别对石英晶体沿x,y,z轴方向施加作用力时，产生压电效应的情况。

3、考虑当两个压电片串联或并联时，电容、电荷、电压的变化情况。

4、在分析压电传感器等效电路时，通常把压电传感器等效为一电压源与电容串联，或等效为一电荷源和电容并联。

5、压电传感器为什么不适宜做静态信号的测量？为保证传感器有一定的低频响应，对测量电路有何要求？

6、超声波传感器的工作原理（发射端与接收端分别基于哪种效应）。应用于倒车仪的原理分析。

第十二章 热电式传感器

1、什么是热电效应？热电偶测温回路的热电动势由哪两部分组成？由同一种导体组成的闭合回路能产生热电势吗？

答：1）两种不同类型的金属导体两端分别接在一起构成闭合回路，当两个结点有温差时，导体回路里有电流流动会产生热电势，这种现象称为热电效应。

2）热电偶测温回路中热电势主要是由接触电势和温差电势两部分组成。（热电势的大小与哪些因素有关）

3）热电偶两个电极材料相同时，无论两端点温度如何变化无热电势产生。

2、什么是热电偶中间导体定律与中间温度定律（参考电极定律）？

3、热敏电阻按其性能可分为负温度系数（NTC）型热敏电阻、正温度系数（PTC）型热敏电阻和临界温度（CTR）型三类热敏电阻。

4、红外探测器主要有两大类型：热探测器（热电型）、光子探测器（量子型）。

5、红外传感器主要由红外辐射源和红外探测器两部分组成。

思考：

1、电容式传感器的应用（电容测厚仪）。P55

2、差动变压器式传感器的应用（压差计）。P68

3、用差动变压器式传感器（电感式传感器）测量液位的原理。

4、电涡流传感器的应用（测转速、电涡流探伤）。P72

5、如何设计数字转速计。（包括选用何种传感器及工作原理）

6、压电式玻璃破碎报警器的工作原理及结构图。P103（）

7、霍尔传感器的应用（导磁产品计数装置）。P86

8、如何设计小偷闯入报警系统。（包括选用何种传感器及工作原理）

小贴士：

1、需按复习资料认真进行复习，资料中未给出答案的需要认真查找并熟记。

2、考试时切勿把复习资料印成小抄带入考场。（同学们不要冒险啊，宁愿多背一背）

3、考试时卷面都不要空着，想到的都能写上去。（不然老师怎么给分呢，对吧）

本文来源：https://www.2haoxitong.net/k/doc/ea585b0b6394dd88d0d233d4b14e852459fb393d.html