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R

dR

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 =1.602×10-19

C ；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=8m

35、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。热电偶用来测量120°~1300°范围内的温度，根据需要可以测量更高或更低的温度。主要优点：测量范围宽、性能稳定具有较高的准确度、信号可以远传和记录、有良好的灵敏度。 40、什么是热电效应？

热电偶测温基于热电效应，在两种不同的导体（或半导体）A 和B 组成的闭合回路中，当两接触处的温度不同时，回路中就要产生一个电动势，这个电动势为热电势，其物理效应称为热电效应。热电效应产生的热电势E AB (T ，T0)由两个部分组成，一是两种导体的接触电势；另一是单一导体的温差电势。热电偶置于温度为T 的被测对象中的结点称为测量端，又称工作端或热端；温度为参考温度T0的另一结点称为参比端或参考端，又称自由端或冷端，接触电势比温差电势大的多。

41、什么是接触电势？

接触电势是由于互相接触的两种金属导体内自由电子的密度不同造成的。这个电动势将阻碍电子由金属A 进一步向金属B 扩散，一直达到动态平衡为止。 42、单一导体的温差电势是由于金属导体两端温度不同引起热扩散而形成的。 可得出如下结论：

（1）如果热电偶两电极材料相同，两接点温度不同，则闭合回路中热电势为零。因此，热电偶两电极的材料必须不同。

（2）如果热电偶两电极材料不同，但两接点温度相同，则闭合回路中热电势也为零。因此，热电偶两电极的两个结点温度必须不同。

（3）热电势的大小仅与热极材料的性质、两接点的温度有关，而与热电偶尺寸、形状及温度分布无关。 43、热电偶基本定律有4个：均质导体定律、中间导体定律、中间温度定律、标准电极定律。 中间导体定律：在热电偶回路中，接入第三种导体C ，只要这第三种导体两端温度相同，则热电偶所产生的热电势保持不变。即第三种导体C 的引入对热电偶回路的总电势没有影响，这就是中间导体定律。

中间温度定律：在热电偶回路中，两结点温度为T 、T0时的热电势等于该热电偶在结点温度为T 、Ta 和Ta 、T0时热电势的代数和，即E AB （T 、T0）=E AB （T 、Ta ）+E AB （Ta 、T0）。

标准电极定律：当结点温度为T 、T0时，用导体A 、B 组成的热电偶的热电势等于AC 热电偶和CB 热电偶的热电势之代数和，即E AB （T ，T0）=E AC （T ，T0）+E CB （T ，T0）。导体C 称为标准电极，故把这一定律称为标准电极定律。

44、中间导体定律的应用：

热电偶冷端温度补偿方法：补偿导线法、计算法、补偿电桥法、冰浴法（冷端恒温法）

热电偶的冷端温度补偿：补偿导线法 要求把温度测量的信号从现场传送到集中控制室，或者由于其他原因，显示仪表不能安装在被测对象的附近，而需要通过连接导线将热电偶延伸到温度恒定的场所，将热电偶冷端延长到远离高温的地区。一般用一种导线（称为补偿导线）将热电偶的冷端加长，这种导线采用廉价金属，在一定温度范围内（0℃~100℃）具有和所连接的热电偶有相同的热电性能。 冰浴法（冷端恒温法）：为了避免冰水导电引起冷端处的结点短路，必须把结点分别置于两个玻璃试管内，如果浸入同一冰点槽，要使之相互绝缘。 计算法：E （t ，0）=E （t ，t0）+E （t0，0）。

例8-1 S 型热电偶在工作时冷端温度t0=30°C ，现测得热电偶的电势为7.5mv ，求被测介质的实际温度。 解：已知热电偶测得的电势为E （t ，30），即E （t ，30）=7.5mv ，其中t 为被测介质温度。由分度表可查得E （30,0）=0.173mv ，则E （t ，0）=E （t ，30)+E(30，0)=(7.5+0.173)mv=7.673mv 由分度表可查得E （t ，0)=7.673mv 对应的温度为830℃，则被测介质的实际温度为830℃。

45、热电偶传感器的应用：①管道温度的测量。②金属表面温度的测量。③热电偶在红外线探测器中的应用。④热电偶在热力学测量水泵效率中的应用。 46、什么是光电效应？有哪些分类？

光电效应：光可以认为是由一定能量的粒子（光子）所形成，每个光子的能量为h γ。光的频率越高，光子的能量就越大。光照到物体上，组成该物体的材料吸收光子能量而发出相应电效应（如电导率变化、发射电子或产生电动势等）的物理现象，称为光电效应。光电效应通常分为外光电效应、内光电效应和光生伏特效应三类。

47、1）外光电效应：在光线作用下能使电子逸出物体表面的现象称为外光电效应，也称光电发射，向外发射的电子称为光电子。E=h γ=1/2mv 2+A 0。

基于外光电效应的光电元件有光电管、光电倍增管等。

2）内光电效应：在光照射下，半导体材料的电子吸收光子能量从键合状态过渡到自由状态，从而引起材料电阻率的变化，使其导电能力发生变化。

基于内光电效应的光电元件有光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管、光敏晶闸管。

3）光生伏特效应：在光线作用下能使物体产生一定方向电动势的现象，具有该效应的材料有硅、硒、氧化亚铜、硫化镉、砷化镓。利用该效应可制成各类光电池。

48、光敏二极管：在电路中，一般光敏二极管是处于反向工作状态。

光敏三极管：大多数光敏三极管的基极无引出线，集电结加反向偏压。

光电池：光电池的工作原理基于光生伏特效应，当光照射到光电池上时，可以直接输出电动势及光电流。 49、光电传感器：将光能（入射的电磁辐射能量）转变成电能的传感器，入射的电磁辐射能量的大小和性

质，反应了光能的存在和所携带的被测量变化的信息。

50、什么是热释电效应？

给电石、水晶等晶体加热，其晶体表面会产生自热极化而出现电荷，这种现象称为热释电效应。

51、热释电红外传感器由滤光片、热释电红外敏感元件、高输入阻抗放大器等组成。

52、热释电型人体检测器原理：热释电红外传感器用于防盗报警器时，表面必须罩上一块菲涅尔透镜，可以提高传感器的灵敏度，扩大监视范围。菲涅尔透镜就是一种由塑料制成的特殊设计的光学透镜组，它由一组平行的棱柱型透镜组成。若从热释电元件来看，它前面的每一个单元透镜都只有一个不大的视场角，而相邻的两个单元透镜的视场既不连续，也不重叠，都相隔一个盲区。当人体在透镜总的监视范围内运动时，产生一个交替的“盲区”和“高灵敏度区”。则物体或人体的移动就会产生一系列的光脉冲进入传感器，将光脉冲转换成电压的变化，电压通过放大器，带通滤波器滤除干扰的分量，再经过阀值比较器，如果电压超过阀值比较器的范围，就进行声光报警。

53、光电效应有哪几种？与之对应的光电元件各是哪些？简述其特点。

光可以认为是由一定能量的粒子（光子）所形成，每个光子的能量为hr 光的频率越高，光子的能量就越大。光照到物体上，组成该物体的材料吸收光子能量而发出相应电效应的物理现象称为光电效应。光电效应分为外光电效应、内光电效应、光生伏特效应。 基于外光电效应的光电元件有光电管、光电倍增管。 基于内光电效应的光电元件有光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管、光敏晶闸管等。

基于光生伏特效应的光电元件有各类光电池。 光敏二极管特点处于反向工作状态。

光敏三极管特点基极无引出线集电结加反向偏压。 光电池工作原理基于光生伏特效应。

54、什么是热释电效应？它有哪些应用？ 给电石、水晶等晶体加热，其晶体表面会产生自然极，化而出现电荷（即在晶体两端产生数量相等而符号相反的电荷），这种现象称为热释电效应

能产生热释电效应的晶体称为热释电体，又称为热电元件。常用材料有钛酸钡、锆钛酸铅、铌酸锂、热释电塑料等。

应用于楼道自动开关、防盗报警、人体检测等。 55、光电开关分为直射型和反射型，直射型发射器和接收器相对安防，轴线严格对准，反射型分为反射镜反射和被测物体反射型。

光电开关中的红外光发射器一般采功率较大的红外发光二极管（红外LED ），接收器采用光敏三极管、光敏达林顿三极管或光电池。 光电断续器分为直射型和反射型

直射型断续器用于光电控制和光电计量等电路，以及检测物体的有无、运动方向、转速。反射型光断续器主要用于光电接近开关、光电自动控制、物体识别等。 56、光不会穿过两个介质的分界面，而只会完全反射回来，因此称为全反射，产生全发射的条件为θ1≥θc=arcsin n2/n1，由于光纤纤芯的折射率大于包层的折射率，所以在光纤纤芯中传播的光只要满足该条件，光线就能在纤芯和包层的界面上不断地产生全反射，呈锯齿形路线在芯内向前传播，从光纤的一端以光速传播到另一端，这就是光纤传光原理。

ε

⋅=K R dR LC

21f π=