传感期末考

第1章概述1、答：传感器是能够感受被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。

传感器是实现传感功能的基本部件。

传感器的共性就是利用物理定律和物质的物理、化学或生物特性，将非电量（如位移、速度、加速度、力等）转换成电量（电压、电流、电容、电阻等）。

2、答：敏感元件是传感器中能直接感受（或响应）被测信息（非电量）的元件（如传感器中的弹性元件）。

转换元件是指传感器中能将敏感元件的感受（或响应）信息转换为电信号的部分（如应变式传感器中的电阻应变片）。

传感器通常由敏感元件和转换元件组成。

5、答：分类①按构成分，分为物性型和结构型；②按输入量分，包括位移传感器、速度传感器、温度传感器、压力传感器等；③按输出量分，有模拟式传感器和数字式传感器；④按基本效应分，可分为物理型、化学型和生物型三种传感器；⑤按工作原理分，有应变式、电容式、电感式、压电式、热电式传感器等；⑥按能量变换关系分，可分为能量变换型和能量控制型传感器。

6、答：①新原理的寻找；②新材料的开发应用；③采用新工艺；④新功能的开发应用，探索新功能，传感器的多功能化发展；⑤传感器的集成化发展；⑥传感器的智能化发展。

7、答：意义1）传感技术是产品检验和质量控制的重要手段；2）传感技术在系统安全经济运行监测中得到广泛应用；3）传感技术及装置是自动化系统不可缺少的组成部分；4）传感技术的完善和发展推动着现代科学技术的进步。

第2章传感技术基础1、答：根据测量精度要求的不同可分为等精度测量和非等精度测量。

等精度测量：在同一测量环境下，用相同仪表与测量方法对同一被测量进行多次重复测量。

非等精度测量：用不同精度的仪表或不同的测量方法，或在环境条件不同（相差很大）时，对同一被测量进行多次重复测量。

2、答：直接测量：首先对与被测量有确切函数关系的物理量进行直接测量，然后通过已知的函数关系求出该未知量，即需要将被测量值经过某种函数关系变换才能确定被测量值的测量方法。

间接测量：测量过程复杂，测量所需时间较长，需要进行计算才能得出最终的测量结果。

组合测量：在测量中，使各个待求未知量和被测量经不同的组合形式出现，根据直接测量或间接测量所得到的被测量数据，通过解一组联立方程求出未知量的数据的测量方法，即这种测量方法必须经过求解联立方程组才能得出最后结果。

第3章传感器基本特性4、答：传感器的基本特性是指传感器的输入-输出关系特性。

传感器的基本特性主要包括静态特性和动态特性。

其中，静态特性是指传感器在稳态信号作用下的输入-输出关系，描述指标有：线性度、迟滞、重复性、漂移、分辨力、稳定性、温度稳定性、各种抗干扰稳定性等；动态特性是指传感器对动态激励（输入）的响应（输出）特性，即其输出对随时间变化的输入量的响应特性，描述指标有：时间常数、延迟时间、上升时间、峰值时间、响应时间、超调量、幅频特性和相频特性。

传感器的动态特性可以从时域和频域两个方面分别采用瞬态响应法和频率响应法来分析。

第4章 应变式传感器1、 答：材料的电阻变化由尺寸变化引起的，称为应变效应。

应变是物体在外部压力或者拉力作用下发生形变的现象应变式传感器的基本工作原理：当被测物理量作用在弹性元件上，弹性元件在力、力矩或压力等的作用下发生形变，变换成相应的应变或位移，然后传递给与之相连的应变片，将引起应变敏感元件的电阻值发生变化，通过转换电路变成电量输出。

输出的电量大小反映了被测物理量的大小。

3、答：桥臂的供电电源是直流电的称为直流电桥。

按桥臂工作方式不同，可分为单臂直流电桥、半桥差动直流电桥、全桥差动直流电桥。

单臂直流电桥输出电压为：半桥差动直流电桥输出电压为：全桥差动直流电桥输出电压为： 4、答：由于应变电桥的输出电压很小，一般要加放大器，但直流放大器易产生零漂， 所以应变电桥多采用交流电桥。

又由于交流电桥的供电电源是交流，为了消除应变片引线寄生电容的影响，同时也为了满足交流电桥的平衡条件，为什么常采用不平衡电桥测量电路。

交流不平衡电桥采用半桥和全桥的方式是为了消除非线性误差和提高系统灵敏度。

7、答：电阻应变计产生热输出（温度误差）的原因主要有两个方面：一是由于电阻温度系数的影响；二是试件材料和电阻丝材料的线膨胀系数的影响。

常采用的温度补偿法有电桥补偿法和应变片自补偿法。

8、答：应变电桥产生非线性误差的原因是电阻相对变化量的影响。

减小或消除非线性误差的方法是：1）提高桥臂比2）采用差动电桥9、 测量线路的接法和应变片粘贴位置10、答：直流电桥平衡条件是相邻两臂电阻的比值相等。

交流电桥的平衡条件（实部、虚部分别相等）：11、答：直流电桥适合供电电源是直流电的场合，交流电桥适合供电电源是交流的场合。

半桥电路比单桥电路灵敏度提高一倍，全桥电路比单桥电路灵敏度提高4倍，且二者均无非线性误差。

（半桥、全桥与单桥相比）E R R n n U o 112)1(∆+=112R R E U o ∆=11R R E U o ∆=(b)R 1－工作应变片R 2－补偿应变片3412R R R R =2112C C R R =12、答：前者利用金属形变引起电阻的变化；而后者是利用半导体电阻率变化引起电阻的变化（压阻效应）。

（金属与半导体相比）13、答：①金属电阻应变片由四部分组成：敏感栅、基底、盖层、粘结剂、引线。

分为金属丝式和箔式。

②其主要特性参数：灵敏系数、横向效应、机械滞后、零漂及蠕变、温度效应、应变极限、疲劳寿命、绝缘电阻、最大工作电流、动态响应特性。

15、优点答：①结构简单，使用方便，性能稳定、可靠；②易于实现测试过程自动化和多点同步测量、远距测量和遥测；③灵敏度高，测量速度快．适合静态、动态测量；④可以测量多种物理量。

16、答：工作原理电阻应变式传感器由弹性敏感元件与电阻应变片构成。

弹性敏感元件在感受被测量时特产生变形，其表面产生应变。

粘贴在弹性敏感元件表面的电阻应变片将随着弹性敏感元件产生应变，因此电阻应变片的电阻值也产生相应的变化。

这样，通过测量电阻应变片的电阻值变化，就可以确定被测量的大小了。

17、答：压阻效应的解释,依据HERMY关于半导体多能谷导带价带模型的公式,当力作用于硅晶体时,晶体的晶格发生形变,它使载流子产生一个能谷到另一个能谷的散射,载流的迁移率发生变化,扰动了纵向和横向的平均有效质量,使硅的电阻发生变化.这个变化随硅单晶的取向不同而不同。

即硅的压阻效应与晶体取向有关。

18、压电式加速度传感器优点答：最为突出的是这种传感器能直接输出一个高电平、低阻抗的信号〔输出电压可达几伏〕，它可以用普通的同轴电缆输出信号，一般不需要再附加放大器，只有在测量低电平振动时，才需要再放大，并可很容易直接输至示波器、带式记录器、检流计和其它普通的指示仪表。

另一个显著的优点是，由于采用石英晶片作压电元件，因此在很宽的温度范围内灵敏度十分稳定，而且经长期使用，性能也几乎不变。

19、答：电荷放大器是压电式传感器另一种专用的前置放大器。

它能将高内阻的电荷源转换为低内阻的电压源，而且输出电压正比于输入电荷，因此，电荷放大器同样也起着阻抗变换的作用，其输入阻抗高达10×e+10～10×e+12Ω，输出阻抗小于100Ω。

第5章电感式传感器2、答：变隙式电感传感器的输出特性与衔铁的活动位置、供电电源、线圈匝数、铁芯间隙有关。

为改善其非线性可采用差动结构。

如果变压器的供电电源稳定，则传感器具有稳定的输出特性；另外，电源幅值的适当提高可以提高灵敏度，但要以变压器铁芯不饱和以及允许温升为条件。

增加次级线圈和初级线圈的匝数比值和减小铁芯间隙都能使灵敏度提高。

3、答：差动变压器式传感器主要有变隙式差动传感器和螺线管式差动变压器两种结构形式。

特点差动变压器式传感器根据输出电压的大小和极性可反映出被测物体位移的大小和方向。

螺线管式差动变压器如采用差动整流电路，可消除零点残余电压，根据输出电压的符号可判断衔铁的位置，但不能判断运动的方向；如配用相敏检波电路，可判断位移的大小和方向。

变隙式电感传感器的灵敏度与铁芯间隙成反比，因此只能测量较小的位移，否则灵敏度会有所下降。

4、答：零点残余电压的产生原因：传感器的两次极绕组的电气参数与几何尺寸不对称，导致它们产生的感应电势幅值不等、相位不同，构成了零点残余电压的基波；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（主要是三次谐波）。

为了减小和消除零点残余电压，可采用差动整流电路。

9、答：相敏检测电路原理是通过鉴别相位来辨别位移的方向，即差分变压器输出的调幅波经相敏检波后，便能输出既反映位移大小，又反映位移极性的测量信号。

经过相敏检波电路，正位移输出正电压，负位移输出负电压，电压值的大小表明位移的大小，电压的正负表明位移的方向。

5、答：保证相敏检波电路可靠工作的条件是检波器的参考信号u o的幅值远大于变压器的输出信号u的幅值，以便控制四个二极管的导通状态，且u和差动变压器式传感器的激励电压共用同一电源。

o6、答：电涡流效应指的是这样一种现象：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，通过导体的磁通将发生变化，产生感应电动势，该电动势在导体内产生电流，并形成闭合曲线，状似水中的涡流，通常称为电涡流。

利用电涡流效益测量位移时，可将被测体的电阻率、磁导率、线圈与被测体的尺寸因子、线圈中激磁电流的频率保持不变，而只改变线圈与导体间的距离，这样如果测出传感器线圈阻抗的变化，就可确定位移的变化。

7、答：变磁阻式传感器由线圈、铁芯和衔铁三部分组成。

铁芯和衔铁由导磁材料制成。

工作原理在铁芯和衔铁之间有气隙，传感器的运动部分与衔铁相连。

当衔铁移动时，气隙厚度δ发生改变，引起磁路中磁阻变化，从而导致电感线圈的电感值变化，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。

10、答：(1)不同点：1)自感式传感器把被测非电量的变化转换成自感系数的变化；2)差动变压器式传感器把被测非电量的变化转换成互感系数的变化。

(2)相同点：两者都属于电感式传感器，都可以分为气隙型、截面型和螺管性三种类型。

11、答：(1)在自感式传感器中，虽然螺管式自感传感器的灵敏度最低，但示值范围大、线性也较好;(2)同时还具备自由行程可任意安排、制造装配方便、可互换性好等优点。

(3)由于具备了这些优点，而灵敏度低的问题可在放大电路方面加以解决，故目前螺管式自感传感器应用中最广泛。

14、答：差动变压器的输出电压在理想状态下与输入位移成线性关系，但实际工作时其线性度受位移量大小的影响较大，在位移小时，线性尚好，但位移一大，线性就很差。

影响因素主要有线圈骨架的形状及机械结构精度，线圈的排列状况，铁芯的几何结构、材质和尺寸精度及励磁频率和负载大小等许多因素。