传感器原理及工程应用作业

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3—1。

什么是应变效应？什么是压阻效应？利用应变效应和压阻效应解释金属电阻应变片和半导体应变片的工作原理。

(2)
3—2。

试述应变片温度误差的概念，产生原因和补偿方法。

(2)
3.试用应变片传感器实现一种应用。

(3)
第四章 (3)
4-1。

说明差动变隙式电感传感器的主要组成、工作原理和基本特征。

(3)
4 —3。

差动变压器式传感器有哪几种结构形式?各有什么特点? (3)
4—10。

何为涡流效应?怎用利用涡流效应进行位移测量？ (3)
4—11。

电涡流的形成范围包括哪些内容？他们的主要特点是什么？ (3)
5。

用电感式传感器设计应用 (4)
第五章 (4)
5-1.根据工作原理可以将电容式传感器分为哪几类？每种类型各有什么特点？各适用于什么场合? (4)
5-9.简述差动式电容测厚传感器系统的工作原理。

(4)
第六章 (4)
6-1.什么叫正压电效应和逆压电效应？什么叫纵向压电效应和横向压电效应？ (4)
6—3.简述压电陶瓷的结构及其特性。

(4)
3。

利用压电式传感器设计一个应用系统 (5)
第七章 (5)
7-4。

什么是霍尔效应？霍尔电势与哪些因素有关？ (5)
7-6。

温度变化对霍尔元件输出电势有什么影响?怎样补偿? (5)
第八章 (5)
8-1.光电效应有哪几种？相对应的光电器件有哪些? (5)
8—2.试述光敏电阻、光敏二极管、光敏晶体管和光电池的工作原理，在实际应用时各有什么特点？ (6)
8-6。

光在光纤中是怎样传输的？对光纤及入射光的入射角有什么要求? (6)
8-7。

试用光电开关设计一个应用系统. (6)
第九章 (7)
9—1。

简述气敏元件的工作原理 (7)
9-2。

为什么多数气敏元件都附有加热器 (7)
9-3。

什么叫湿敏电阻?湿敏电阻有哪些类型？各有什么特点？ (7)
第十章 (7)
10-1.超声波在介质中传播具有哪些特性？ (7)
10—2。

图10-3中,超声波探头的吸收块作用是什么？ (7)
10-3.超声波物位测量有几种方式？各有什么特点？ (8)
10-5.已知超声波探头垂直安装在被测介质底部,超声波在被猜测介质中的传播速度为1460m/s，测得时间间隔为28μs,试求物位高度？ (8)
第十一章 (8)
11-1.简述微波传感器的测量机理。

(8)
11-2 微波传感器有哪些特点？微波传感器如何分类？ (8)
11-4 微波无损检测是如何进行测量的 (8)
第十二章 (9)
12—1:红外探测器类型及工作原理 (9)
12-2：什么是放射性同位素？辐射强度与什么因素有关？ (9)
第十三章 (9)
13—1.数字式传感器有什么特点？可分为哪几种类型? (9)
13—2。

光栅传感器的组成及工作原理是什么？ (9)
13-5.码盘式转角—数字传感器的工作原理是什么？其基本组成部分有哪些？ (10)
第十四章 (10)
14-1.什么是智能传感器?它包含哪几种主要形式？应从哪些方面研究开发智能传感器？ (10)
14-2。

智能传感器一般由哪些部分构成？它有哪些显著特点? (11)
14-3.传感器的智能化与集成智能传感器有何区别？ (11)
MEMS传感器 (11)
1.什么是MEMS传感器? (11)
2。

MEMS传感器由几部分组成？各部分的作用是什么？ (11)
第三章
3-1。

什么是应变效应？什么是压阻效应?利用应变效应和压阻效应解释金属电
阻应变片和半导体应变片的工作原理。

应变效应:导体在外界作用下产生机械变形（拉伸或压缩）时，其电阻值相应发生变化，这种现象称为电阻应变效应.
压阻效应：半导体材料的电阻率ρ随作用应力的变化而发生变化的现象称为压阻效应。

金属电阻应变片的工作原理基于电阻应变效应.当电阻丝受到拉力F作用时，将伸长Δl,横截面积相应减少ΔA，电阻率因材料晶格发生变形等因素影响而变化Δρ,从而引起电阻变化ΔR。

半导体应变片的工作原理基于半导体材料的压阻效应.用应变片测量应变或应力时，根据上述特点，在外力作用下，被测对象产生应变（或应力）时，应变片随之发生相同的变化，同时应变片电阻值也发生相应变化。

当测得的应变片电阻值变化量为ΔR是，便可测到被测对象的应变值，根据应力与应变的关系，得到应力值σ为σ=E*ε,由此可知，应力值σ正比于应变ε，而试件应变ε正比于电阻值的变化。

所以应力σ正比于电阻值的变化，这就是利用应变片测量应变的基本原理.
3-2.试述应变片温度误差的概念,产生原因和补偿方法。

由于测量环境现场环境温度的改变而给测量带来的附加误差,称为应变片的温度误差。

产生应变片温度误差的主要因素有下述两个方面:
（1）电阻温度系数的影响
（2）试件材料和电阻丝材料的线膨胀系数的影响
电阻应变片的温度误差补偿方法:
（1）线路补偿法
（2）应变片的自补偿法
3.试用应变片传感器实现一种应用。

自动门
当远处有人接触到传感器,传感器检测到应力变化，从而产生电阻值变化。

这样可以实现自动开门。

这可以应用到一般酒店或写字楼、商务大厦等地方，以方便人群。

第四章
4-1。

说明差动变隙式电感传感器的主要组成、工作原理和基本特征。

差动变隙式电感传感器是利用线圈自感量的变化来实现测量的，它由线圈、铁芯和衔铁三部分组成。

铁芯和衔铁由导磁材料如硅钢片或坡莫合金制成,在铁芯和衔铁之间有气隙,传感器的运动部分与衔铁相连。

当被测量变化时,使衔铁产生位移，引起磁路中磁阻变化，从而导致电感线圈的电感量变化，因此只要能测出这种电感量的变化,就能确定衔铁位移量的大小和方向。

差动变隙式电感传感器基本特征：
（1）灵敏度是单边式的两倍。

（2）线性度得到明显改善。

4 -3。

差动变压器式传感器有哪几种结构形式？各有什么特点?
差动变压器结构形式有变隙式、变面积式和螺线管式等，在非电量测量中，应用最多的是螺线管式差动变压器。

特点：
（1）变气隙式：灵敏度较高，但随气隙的增大而减小，非线性误差大，为了减小非线性误差，量程必须限制在较小的范围内工作，一般为气隙的1/5一下,用于测量几μｍ~几百μｍ的位移。

这种传感器制作困难.
(2）变面积式:灵敏度小于变气隙式，但为常数，所以线性好、量程大,使用较广泛。

（3)螺线管式:灵敏度低，但量程大它可以测量1～100mm 机械位移，并具有测量精度高、结构简单、性能可靠、便于制作等优点，使用广泛。

4-10。

何为涡流效应？怎用利用涡流效应进行位移测量？
根据法拉第电磁感应定律，块状金属导体置于变化的磁场中或在磁场中作切割磁力线运动时，导体内将产生呈旋涡状的感应电流，此电流叫电涡流,以上现象称为电涡流效应。

利用涡流效应测量位移时，可使被测物体的电阻率ρ、磁导率μ、线圈与被测物的尺寸因子r、线圈中激磁电流的频率f保持不变，只改变线圈与导体间的距离,这样测出的传感器线圈的阻抗变化,可以反应被测物位移的变化。

4—11.电涡流的形成范围包括哪些内容？他们的主要特点是什么？
线圈-导体系统产生的电涡流密度既是线圈与导体间距离x的函数，又是沿线圈半径方向r的参数。

当x一定时，电涡流密度J与半径r的关系如下:
（1）电涡流径向形成范围大约在传感器线圈外半径的1.8~2。

5倍范围内，且分布不均匀。

（2）电涡流密度在r=0处为零。

(3)电涡流密度最大值在r=传感器线圈外半径附近的一个狭窄区域内。

5。

用电感式传感器设计应用
电涡流探伤
在非破坏性探测领域内，电涡流传感器已被用作有效的探伤技术。

例如，用来测试金属材料的表面裂纹、热处理裂痕,砂眼、气泡以及焊接部分的探伤等。

探伤时，传感器与被测物体间距要保持不变，当有裂纹出现时，传感器阻抗发生变化,导致测量电路的输出电压改变，达到探伤的目的。

电涡流传感器还可以探测地下或墙里埋没的管道或金属体,包括带金属零件的地雷。

第五章
5-1。

根据工作原理可以将电容式传感器分为哪几类？每种类型各有什么特点？各适用于什么场合?
电容式传感器可分为三种：变极距型、变面积型和变介电常数型。

变极距型电容式传感器：输出特性不是线性关系，在微位移测量中应用最广.
变面积型电容式传感器：电容量与水平位移是线性关系，适合测量线位移和角位移。

变介电常数型电容式传感器:利用不同介质的介电常数不同，通过改变介质的介电常数实现对被测量的检测，并通过电容式传感器的电容量变化反映,适合介质的介电常数发生改变的场合.
5-9。

简述差动式电容测厚传感器系统的工作原理。

在被测带材的上下两侧各置一块面积相等，与带材距离相等的极板，这样极板和带材就构成了两个电容器C1、C2。

把两块极板用导线连接起来成为一个极，而带材就是电容的另一个极，其总电容为C1+C2,如果带材厚度发生变化，将引起电容量的变化，用交流电桥将电容的变化测出来，经过放大即可由电表指示测量结果。

第六章
6-1。

什么叫正压电效应和逆压电效应？什么叫纵向压电效应和横向压电效应？
某些电介质，当一定方向对其施力而使它变形时，内部就产生极化现象,同时在它的两个表面上产生符号相反的电荷，当外力去掉后，又重新恢复到不带电的状态。

这种现象称为压电效应.当作用力的方向改变时，电荷的极性也随之改变。

又是人们把这种机械能转换为电能的现象，称为“正压电效应"。

相反，当在电介质极化方向施加电场时,这些电介质也会产生几何变形，这种现象称为“逆压电效应”。

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”，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”.
6—3。

简述压电陶瓷的结构及其特性。

压电陶瓷是人工制造的多晶体压电材料。

材料内部的晶粒有许多自发极化的电畴，它有一定的极化方向，从而存在磁场.在无外电场作用时，电畴在晶体中杂乱分布，它们各自的极化效应被相互抵消，压电陶瓷内极化强度为零。

因此原始的压电陶瓷呈电中性,不具有压
电性质.
在陶瓷上施加外电场时，电畴的极化方向发生转动，趋向于按外电场方向的排列，从而使材料得到极化。

外电场愈强，就有更多的电畴更完全的转向外电场方向。

让外电场强度大到使材料的极化达到饱和的程度，即所有的电畴极化方向都整齐地与外电场方向一致时，当外电场去掉后，电畴的极化方向基本不变化，即剩余极化强度很大,这时的材料才具有压电特性.
3。

利用压电式传感器设计一个应用系统
超载报警系统
经常有大型车辆超载造成路面或者桥面损坏，可利用压电式测力传感器设计一种超载报警系统，可检测出车辆的实际载重量，当超过额定限度，即发出警报。

第七章
7—4。

什么是霍尔效应？霍尔电势与哪些因素有关？
霍尔效应：置于磁场中的静止载流导体,当其电流方向与磁场方向不一致时,载流导体上垂直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。

霍尔器件工作产生的霍尔电势为U H=R H IB/d=K H IB。

由表达式可知，霍尔电势U H正比于激励电流I及磁感应强度B，其灵敏度K H与霍尔系数R H成正比,而与霍尔片厚度d成反比.
7-5。

影响霍尔元件输出零点的因素有哪些？怎样补偿？
影响霍尔元件输出零点的因素包括：不等位电势、寄生直流电势等,其中不等位电势是最主要的零位误差。

补偿措施:制造工艺上采取措施,减少误差；选材更精细;采用补偿电路。

7-6.温度变化对霍尔元件输出电势有什么影响？怎样补偿?
霍尔元件的灵敏系数K H是温度的函数，关系式为：K H=K H0（1+αΔT），大多数霍尔元件的温度系数α是正值，因此，它们的霍尔电势也将随温度升高而增加αΔT倍。

补偿温度变化对霍尔电势的影响，通常采用一种恒流源补偿电路。

基本思想是：在温度增加的同时，让激励电流I0相应地减小，并能保持K H＊I0乘积不变，也就可以相对抵消温度对灵敏系数K H增加的影响，从而抵消对霍尔电势的影响.
第八章
8—1.光电效应有哪几种？相对应的光电器件有哪些？
光电效应分为外光电效应和内光电效应两大类.内光电效应又可分为光电导效应和光生伏特效应。

光电器件：
(1）基于外光电效应的光电元件有光电管、光电倍增管、光电摄像管等。

（2)基于光电导效应的光电器件有光敏电阻。

（3）基于光生伏特效应的光电器件有光电池、光敏二极管、三极管.
8-2.试述光敏电阻、光敏二极管、光敏晶体管和光电池的工作原理，在实际应用时各有什么特点？
光敏电阻的工作原理：基于光电导效应，其阻值随光照增强而减小。

光敏电阻没有极性,纯粹是一个电阻器件，使用时既可加直流电压，也可以加交流电压。

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）急剧减小,电路中电流迅速增大。

一般希望暗电阻越大越好，亮电阻越小越好，此时光敏电阻的灵敏度高。

实际光敏电阻的暗电阻值一般在兆欧量级,亮电阻值在几千欧以下。

光敏二极管的工作原理：在无光照时，处于反偏的光敏二极管工作在截止状态，其反向电阻很大，反向电流很小，这种反向电流称为暗电流。

当有光照射到光敏二极管的PN结时,PN 结附近受光子轰击，吸收其能量而产生电子—空穴对，它们在反向电压和内电场的作用下,漂移越过PN结,形成比无光照时大得多的反向电流,该反向电流称为光电流，此时,光敏二极管的反向电阻下降。

若入射光的强度增强，产生的电子—空穴对数量也随之增加,光电流也响应增大，即光电流与光照度成正比。

如果外电路接上负载,便可获得随光照强弱变化的信号。

光敏二极管的光电流I与照度之间呈线性关系。

光敏二极管的光照特性是线性的，所以适合检测等方面的应用。

光敏晶体管的工作原理：大多数光敏晶体管的基极无引出线，当集电极加上相对于发射极为正的电压而不接基极时，集电结就是反向偏压.当光照射在集电结时,就会在结附近产生电子-空穴对，光生电子被拉到集电极，基区留下空穴，使基极与发射极间的电压升高，这样便会有大量的电子流向集电极，形成输出电流,且集电极电流为光电流的β倍,所以光敏晶体管有放大作用.
光电池的工作原理:硅光电池是在一块N型硅片上用扩散的办法掺入一些P型杂质（如硼）形成PN结.当光照到PN结区时，如果光子能量足够大，将在结区附近激发出电子-空穴对，在N区聚积负电荷,P区聚积正电荷，这样N区和P区之间出现电位差。

若将PN结两端用导线连起来，电路中有电流流过，电流的方向由P区流经外电路至N区。

若将外电路断开，就可测出光生电动势.
8-6。

光在光纤中是怎样传输的?对光纤及入射光的入射角有什么要求?
光在同一种介质中是直线传播的，当光线以不同的角度入射到光纤端面时,在端面发生折射进入光纤后，又入射到折射率较大的光密介质（纤芯）与折射率较小的光疏介质（包层）的交界面,光线在该处有一部分投射到光疏介质,一部分反射回光密介质。

对光纤的要求是包层和纤芯的折射率不同，且纤芯的折射率大于包层的折射率.对入射角的要求是入射角小于临界角。

8-7。

试用光电开关设计一个应用系统。

利用光电开关可以制作感应门。

将发射器装在门的上方，接收器装在门前方的地上，当有人经过门前时，人会遮挡光束,此时接收器便可感知有物体经过，再利用别的装置打开门，达到自动感应门的效果。

第九章
9-1。

简述气敏元件的工作原理
半导体气敏传感器的敏感部分是金属氧化物半导体微结晶粒子烧结体，当它的表面吸附被测气体时,半导体微结晶粒子接触表面的导电电子比例就会发生变化，从而使气敏元件的电阻值随被测气体的浓度而改变.这种反应是可逆的，因而可重复使用。

当氧化型气体吸附到N 型半导体上，还原型气体吸附到P 型半导体上时,将使半导体载流子减少，而使半导体电阻值增大. 当还原型气体吸附到N 型半导体上，氧化型气体吸附到P 型半导体上时，则半导体载流子增多，使半导体电阻值下降。

9—2。

为什么多数气敏元件都附有加热器
加热器的作用是将附着在敏感元件表面上的尘埃、油雾烧掉,同时加速气体的吸附。

这样可以提高器件的灵敏度和响应速度.
9—3.什么叫湿敏电阻?湿敏电阻有哪些类型？各有什么特点？
湿敏电阻:利用湿敏材料吸收空气中的水分而导致本身电阻值发生变化这一原理而制成的电阻叫湿敏电阻。

类型：半导体陶瓷湿敏元件；氯化锂湿敏电阻；有机高分子膜湿敏电阻.
特点:
（1）半导体陶瓷湿敏元件：电导率随湿度呈明显变化。

如四氧化三铁、氧化钛、氧化钾—氧化铁、铬酸镁—氧化钛及氧化锌—氧化锂—氧化钒等系统的陶瓷湿敏元件。

它们的电导率对水特别敏感，适宜用作湿度的测量和控制.
(2)氯化锂湿敏电阻：氯化锂湿度传感器具有稳定性、耐温性和使用寿命长多项重要的优点。

其主要特性:
1)可在120度高温环境中稳定工作;
2)线性测湿量程较窄大约在20%RH左右,在该测量范围内，其线性误差小2%RH.
（3）有机高分子膜湿敏电阻：当环境湿度发生改变时，湿敏电容的介电常数发生变化，使其电容量也发生变化，其电容变化量与相对湿度成正比。

第十章
10-1。

超声波在介质中传播具有哪些特性？
（1）超声波的波形：由于声源在介质中施力方向与波在介质中传播方向不同，声波的波形有纵波、横波和表面波。

振荡源在介质中可产生两种形式的振荡,即横向振荡和纵向振荡。

横向振荡只能在固体中产生，而纵向振荡可在固体、液体和气体中产生。

(2）超声波的折射与反射:在通过两种不同的介质时,产生折射和反射现象。

（3）超声波的衰减:在通过同种介质时,随着传播距离的增加,其强度因介质吸收能量而减弱。

10-2。

图10-3中，超声波探头的吸收块作用是什么?
降低晶片的机械品质，吸收声能量。

如果没有吸收块，当激励的电脉冲信号停止时，晶片将会继续振荡,加长超声波的脉冲宽度，使分辨率变差。

10—3.超声波物位测量有几种方式?各有什么特点？
(1）超声波发射和接收探头设置在液体介质中:超声波在液体介质中传播，由于超声波在液体中衰减比较小,所以即使发射的超声波脉冲幅度较小也可以传播。

（2）超声波发射和接收探头安装在液面的上方：超声波在空气中传播，这种方式便于安装和维修，但超声波在空气中的衰减比较厉害。

10—5。

已知超声波探头垂直安装在被测介质底部，超声波在被猜测介质中的传播速度为1460m/s，测得时间间隔为28μs，试求物位高度？
H=C*ΔT/2=1460m/s *28μs /2=2。

044＊10^—5m
物位高度为20.44mm
第十一章
11-1。

简述微波传感器的测量机理。

由发射天线发出微波。

当遇到被测物体时微波将被吸收或反射，这时波功率发生变化。

若利用接收天线，接收到通过被测物体或由被测物体反射回来的微波,并将它转换为电信号,再经过信号调理电路，即可以显示出被测量，实现了微波检测.
11-2 微波传感器有哪些特点？微波传感器如何分类?
特点：
（1）有极宽的频谱（波长=1。

0mm～1.0m）；
（2）在烟雾、粉尘、水汽、化学气氛以及高、低温环境中对检测信号的传播影响极小，因此可以在恶劣环境下工作；
（3）介质对微波的吸收与介质的介电常数成比例,水对微波的吸收作最强；
（4）时间常数小,反应速度快，可以进行动态检测与实时处理，便于自动控制；（5）测量信号本身就是电信号，无须进行非电量的转换，从而简化了传感器与微处理器间的接口，便于实现遥测和遥控；
(6）微波无显著辐射公害。

分类：根据微波传感器的原理可以分为
（1）反射式
反射式微波传感器是通过检测被测物体反射回来的微波功率进过的时间间隔来测量被测量的。

通常它可以测量物体的位置、位移、厚度等参数。

（2）遮断式
遮断式微波传感器是通过检测接收天线收到的微波功率大小来判断发射天线与接收天线之间有无被测物体或被测物体的厚度，含水量等参数的。

11-4 微波无损检测是如何进行测量的
微波无损检测是综合利用微波与物质的相互作用。

一方面微波在不连续的界面会产生反射，散射，透射；另一方面微波还能与被检材料产生相互作用,此时的微波场会受到材料中的电磁参数和几何参数的影响。

通过测量微波信号基本参数的改变即可达到检测材料内部缺陷的目的。

第十二章
12—1:红外探测器类型及工作原理
类型：
（1）器件的某些性能参数随入射的辐射通量作用引起的温度变化的热探测器。

（2)利用各种光子效应的光子探测器。

工作原理:
(1）热探测器的工作原理：
热探测器吸收红外辐射后，温度升高，可以使探测材料产生温差电动势、电阻率变化，自发极化强度变化，或者气体体积与压强变化等，测量这些物理性能的变化就可以测定被吸收的红外辐射能量或功率.
（2）光子探测器的工作原理:
光子探测器是利用光辐射与物质相互作用的光子效应制成的器件。

光子探测器利用入射光辐射的光子流与探测器材料中的电子的相互作用，改变电子的能量状态,从而引起各种电学现象。

12-2:什么是放射性同位素？辐射强度与什么因素有关？
如果两个原子质子数目相同，但中子数目不同，则他们仍有相同的原子序,在周期表是同一位置的元素，所以两者就叫同位素。

有放射性的同位素称为“放射性同位素”，没有放射性并且半衰期大于1050年的则称为“稳定同位素"。

辐射强度：
(1）跟辐射源的发射强度有关.
（2）跟辐射源与被辐射点的距离有关。

（3)跟辐射源与被辐射点之间的阻隔物种类有关。

第十三章
13-1。

数字式传感器有什么特点?可分为哪几种类型？
特点:
数字式传感器（Digital Sensor）能够直接将非电量转换为数字量，这样就不需要A/D转换，直接用数字显示.
数字式传感器与模拟式传感器相比有以下优点：测量精度和分辨率高，稳定性好，抗干扰能力强，便于与微机接口，适宜远距离传输等.
类型：
码盘式传感器、光栅式传感器、磁栅式传感器、感应同步式传感器、频率输出式传感器.
13-2.光栅传感器的组成及工作原理是什么?
光栅传感器由光源,透镜，光栅副和光电接收元件等组成
工作原理：
光栅传感器是根据光栅的莫尔条纹原理进行工作的一种传感器，莫尔条纹原理是指将两块光栅叠合在一起，并且使它们的刻线成角度θ，由于光栅的刻线相交处形成亮带,而在一块光栅的刻线与另一块光栅的缝隙相交处形成暗带，在与光栅刻线垂。