辽宁工大电气自动化传感器期末答案

1、传感器的组成：传感器由敏感元件、转换元件和信号调节转换电路组成，敏感元件是传感器必不可少的元件。

2、静态特性：衡量静态特性的性能指标是灵敏度、分辨率、线性度、迟滞、稳定性、测量范围与量程。

3、灵敏度：灵敏度是指传感器或检测系统在稳态下，输出量变化与引起此变化的输入量变化的比值。

K=△y/△x 或K=dy/dx 。

4、电阻式传感器是把被测的量，如位移、压力、力、力矩等非电量的变化转换为电阻值的变化，然后把电阻的变化通过测量转换电路变成电压或电流。

5、电阻式传感器的种类：电阻应变式传感器、固态压阻式传感器、热电阻式传感器、电位器式传感器及气敏电阻式传感器等。

6、电阻应变式传感器的核心元件是电阻应变片，其结构主要由电阻丝、覆盖层、黏合剂和引出线四部分组成：电阻丝（敏感栅），是应变片的转换元件，是核心部件。

8、什么叫应变效应？利用应变效应解释金属电阻应变片工作原理。

金属导体或半导体在受到外力作用时，会产生相应的应变，其电阻也将随之发生变化，这种物理现象称为应变效应。

半导体的应变效应要比金属的强。

其表达式为，式中K 为材料的应变灵敏系数，当应变材料为金属或合金时，在弹性极限内K 为常数。

金属电阻应变片的电阻相对变化量RdR与金属材料的轴向应变ε成正比，因此，利用电阻应变片，可以将被测物体的应变转换成与之ε成正比关系的电阻相对变化量，这就是金属电阻应变片的工作原理。

9、电容式传感器是以各种类型的电容器作为传感器元件，通过它将被测物理量的变化转换为电容量的变化，再经测量转换电路转换为电压、电流或频率。

10、电容式传感器的基本原理：两平行极板组成的电容器的电容量为：C=（εA ）/d ，式中ε——极板间介质的介电常数，ε=ε0εr ，F/m ；A ——极板的遮盖面积；d ——极板间的距离。

C 与A 成正比，成线性关系。

11、电容式传感器的类型：变极距式、变面积式、变介电常数式。

12、调频型测量电路是把电容传感器作为振荡器电路的一部分，当被测量变化而使电容量发生变化时，能使振荡频率发生相应的变化，而振荡器中的电感L 保持不变。

13、简述电容式油量表的工作原理。

①当油箱中无油时，电容传感器的电容量Cx=Cx0，调节匹配电容使C0=Cx0，R4=R3；并使电位器RP 的滑动臂位于0点，即RP 接入桥路的电阻值为0。

电桥满足Cx/C0=R4/R3的平衡条件，电桥输出为零，伺服电动机不转动，油量表指针偏转角θ=0。

②当油箱中注满油时，液位上升至h 处，Cx=Cx0+△Cx ，而△Cx 与h 成正比，此时电桥失去平衡，电桥的输出电压U0经放大后驱动伺服电动机，再由减速箱减速后带动指针顺时针偏转，同时带动RP 的滑动臂移动，从而使RP 阻值增大，Rcd=R 3+R RP 也随之增大。

当RP 阻值达到一定值时，电桥又达到新的平衡状态，U0=0，于是伺服电动机停转，指针停留在转角为θ处。

③当油箱中的油位降低时，伺服电动机反转，指针逆时针偏转（示值减小），同时带动RP 的滑动臂移动，使RP 阻值减小。

当阻值达到一定值时，电桥又达到新的平衡状态，U0=0，于是伺服电动机再次停转，指针停留在转角为θx 处。

14、论述电感式传感器的原理。

电感式传感器的工作基础是电磁感应，即利用线圈电感或互感的改变来实现非电量测量。

被测量的非电量变成线圈的自感或互感的变化，通过测量转换电路转换成电流、电压、频率。

电感式传感器可分为变磁阻式、变压器式、涡流式等。

15、差动式电感传感器的线性度较好，且输出曲线较陡，灵敏度较高。

差动式结构除了可以改善线性、提高灵敏度外，而且减小了温度漂移，对外界影响，如温度的变化、电源频率的变化等也基本上可以相互抵消。

16、“检波”与“整流”的含义相似，都能将交流输入转换成直流输出。

但“检波”多用于描述信号电压的转换。

如果输出电压在送到指示仪前经相敏检波，它既可以反映位移的大小（U0的幅值），还可以反映位移的方向（U0的相位）。

采用相敏检波电路，得到的输出信号既能反映位移的大小，也能反映位移的方向。

17、差动变压器式传感器：将其中两个二次线圈的同名端的接法对调时，其串联的总电压相互抵消，这种接法称为差动接法。

如果将变压器的结构加以改造，将铁心做成可以活动的，就可以制成用于检测非电量的另一种传感器，即差动变压器式传感器。

18、电涡流式传感器的工作原理。

电涡流式传感器的工作原理是涡流效应，当一块金属导体放置在变化的磁场中，导体内就会产生感应电流，这种电流在导体中是自行闭合的，故称为电涡流或涡流。

如图所示，一个通有正弦交变电流I1的传感器线圈，由于电流的变化，在线圈周围就产生一个正弦交变磁场H1。

当被测导体置于该磁场内，则在被测导体内产生电涡流I2，电涡流I2也将产生交变磁场H2，H2的方向与H1的方向相反。

由于磁场H2的反作用，抵消部分原磁场，使通电线圈的有效阻抗发生变化，这一物理现象称为涡流效应。

当线圈靠近导体时，互感变大，电阻变大的程序不如感抗变小的程序，所以等效阻抗变小。

电涡流传感器就是利用涡流效应将非电量变化转换成阻抗变化而进行测量的。

19、电涡流式传感器在金属导体上产生的涡流，其渗透深度与传感器线圈的励磁电流的频率有关，电涡流式传感器主要可分为高频反射式（趋肤效应）和低频透射式两类 。

电信号的高频＞100KHz 。

20、当电涡流线圈与被测导体的距离x 变小时，电涡流线圈的电感量L 也随之变小，引起LC 振荡器的输出频率增高，此频率的变化可直接用计算机测量。

如果要用模拟仪表进行显示或记录时，必须使用鉴频器，将△f 转换为电压△U0。

21、压电式传感器是一种典型的自发电式传感器。

22、什么是压电效应？某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，内部会产生极化现象，同时在其表面上产生电荷，当外力去掉后，又重新回到不带电的状态，这种现象称为压电效应。

反之，在电介质的极化方向上施加交变电场或电压，它会产生机械变形。

当去掉外加电场时，电介质变形随之消失，这种现象称为逆压电效应（电致伸缩效应）。

23、光轴（z 轴）、电轴（x 轴）和机械轴（y 轴）。

无论是沿x 轴方向施加力还是沿y 轴方向施加力，电荷只产生在x 面上。

光轴（z 轴）方向受力时，由于晶格的变形不会引起正负电荷中心的分离，所以不会产生压电效应。

24、压电材料有哪些？ ①压电晶体。

天然石英的性能（压电系数、介电系数、机械强度、品质因数、居里点）较之人工石英更好，所以常用于精度和稳定性要求高的场合和制作标准传感器。

②压电陶瓷。

锆钛酸铅系列压电陶瓷（PZT ）。

③压电半导体。

④高分子压电材料。

25、压电式力传感器：压电组件由三组双石英晶片并联方式组成，可增大输出电荷量。

26、压电式传感器可以用来测量加速度、力、压力等，其中压电式加速度传感器应用的最广。

27、霍尔元件有4个引脚。

在霍尔片两个互相垂直方向的侧面上，各引出一对电极，其中a 、b 极用于加激励电压或电流（也叫控制电压或电流），成为激励电极（控制电极）。

另一对c 、d 极用于引出霍尔电势，称为霍尔电极。

28、解释一下什么是霍尔效应？N 型半导体薄片（霍尔元件）相对两侧面，通以控制电流I ，在薄片垂直方向加以磁场B ，则半导体薄片的另两侧面会产生一个大小与控制电流I 和磁场B 乘积成正比的电势U H 。

这一现象叫做霍尔效应。

U H =K H IB ，式中 U H ---霍尔电势（或称霍尔电压），V ；K H ---霍尔元件的灵敏度，V/（A T ）；I---控制电流，A ；B---磁感应强度，T 。

K H =1/(ned)，式中 n---N 型半导体的电子浓度；e---电子电量，e =1.602×10-19C ；d---霍尔元件的厚度，m 。

29、为什么金属和绝缘体不能作为霍尔元件？金属的电子浓度n 较高，使得K H 太小；绝缘体的n 很小，但需施加极高的电压才能产生很小的电流I ，故这两种材料都不宜用来制作霍尔元件。

霍尔元件采用半导体材料。

只有半导体电子浓度适宜，而可通过掺杂来获取希望的电子浓度。

此外，d 越小则K H 越高，但同时霍尔元件的机械强度下降，且输入、输出电阻增加，因此，霍尔元件不能做得太薄。

30、当磁感应强度B 和元件平面法线方向成一角度θ时，作用在元件上的有效磁场是法线方向的分量，即Bcos θ，这时U H =K H IBcos θ由上式可知，当控制电流I 的方向或磁场B 的方向改变时，输出电势方向也将改变。

但当磁场与电流同时改变方向时，霍尔电压极性不变。

31、霍尔汽车点火器的工作原理？在汽车点火装置中，发动机主轴带动磁铁转板转动时，霍尔元件感应的磁场交替改变，输出一串与气缸活塞运动同步的脉冲信号去触发晶体管功率放大电路，使点火线圈二次绕组产生很高的50kv 感应电压，火花塞产生放电，完成汽缸点火过程。

32、声波按频率的高低分为次声波（f ＜20Hz ）、声波（20Hz ≤f ≤20kHz ）、超声波（f ＞20kHz ）和特超声波（f ≥10MHz ）。

超声波具有波长短、频率高、方向性好、能量集中、穿透本领大，遇到基质或分界面产生显著反射等优点。

33、超声波的传播特性：超声波是一种在弹性介质中的机械振荡，它是由与介质相接触的振荡源所引起的。

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，而纵波振荡可在固体、液体和气体中产生。

为了测量在各种状态下的物理量多采用纵向振荡。

34、例7-1 超声波液位计原理如图所示，从显示屏上测得t0=1.5ms ，t1=6.0ms ，已知水底与超声探头的间距为10m ，反射小板与探头的间距为0.5m ，求液位h 。

解：由于c=2h0/t0=2h1/t1，则有 h0/t0=h1/t1， h1=t1/t0×h0=(6.0×0.5/1.5)m=2m 液位h 为 h=h2-h1=(10-2)m=8m35、发射器发射出频率f=40kHz 左右的连续超声波 高频超声波具有波长短，不易产生绕射，碰到杂质或分界面就会有明显的反射，且方向性好，能成为射线而定向传播，在液体、固体中衰减小，穿透本领大等特性，使其成为无损探伤方面的重要工具。

频率越高，波长越短，指向角越小，方向性越好。

36、根据超声波传输特性和衰减规律知，气体对超声波的吸收衰减很强；固体对超声波的吸收衰减最小。

37、使用超声波传感器的注意事项根据超声波传输特性和衰减规律知气体对超声波的吸收衰减很强，而吸收衰减与频率成正比。

所以使用的超声波频率一般较低，传感器的位置要恰当，这样才能避开盲区并顺利接收到反射脉冲。

38、用于超声波探伤的超声波的特性高频超声波具有波长短，不易绕射，碰到杂质或者分界面就会有明显的反射，且方向性好，能成为射线而定向传播，在液体、固体中衰减小，穿透本领大，频率越高，波长越小，指向角越小方向性越好等特性 39、热电偶传感器简称热电偶，它是将温度量转换为热电势的热电式传感器。