传感器 简答

2. 简述热电偶的工作原理。

（6分）
答：热电偶的测温原理基于物理的“热电效应”。

所谓热电效应，就是当不同材料的导体组成一个闭合回路时，若两个结点的温度不同，那么在回路中将会产生电动势的现象。

两点间的温差越大，产生的电动势就越大。

引入适当的测量电路测量电动势的大小，就可测得温度的大小
5. 什么是传感器动态特性和静态特性，简述在什么频域条件下只研究静态特性就能够满足通常的需要，而在什么频域条件下一般要研究传感器的动态特性。

（10分）
答：传感器的动态特性是指当输入量随时间变化时传感器的输入━输出特性。

静态特性是指当输入量为常量或变化极慢时传感器输入━输出特性。

在时域条件下只研究静态特性就能够满足通常的需要，而在频域条件下一般要研究传感器的动态特性。

6. 绘图并说明在使用传感器进行测量时，相对真值、测量值、测量误差、传感器输入、输出特性的概念以及它们之间的关系。

（10分）
答：框图如下：
测量值是通过直接或间接通过仪表测量出来的数值。

测量误差是指测量结果的测量值与被测量的真实值之间的差值。

当测量误差很小时，可以忽略，此时测量值可称为相对真值。

四、霍尔元件能够测量哪些物理参数？霍尔元件的不等位电动势的概念是什么？温度补偿的
方法有哪几种？请详细推导分流法。

（10分）
答：霍尔组件可测量磁场、电流、位移、压力、振动、转速等。

霍尔组件的不等位电动势是霍尔组件在额定控制电流作用下，在无外加磁场时，两输出电极之间的空载电动势，可用输出的电压表示。

温度补偿方法：
a 分流电阻法：适用于恒流源供给控制电流的情况。

b 电桥补偿法。

推导分流法略。

2. 简述霍尔电动势产生的原理。

（5分）
答：一块半导体薄片置于磁感应强度为B的磁场(磁场方向垂直于薄片)中，当有电流I流过时，电子受到洛伦兹力作用而发生偏转。

结果在半导体的后端面上电子有所积累。

而前端面缺少电子，因此后端面带负电，前端面带正电，在前后端面形成电场，该电场产生的力阻止电子继续偏转当两力相平衡时，电子积累也平衡，这时在垂直于电流和磁场的方向上
将产生电场，相应的电势称为霍尔电动势U H。

5. 什么是传感器静态特性？（4分）
答：传感器的静态特性是指当输入量为常量或变化极慢时传感器输入—输出特性。

2. 从传感器的静态特性和动态特性考虑，详述如何选用传感器。

答：考虑传感器的静态特性的主要指标，选用线性度大、迟滞小、重复性好、分辨力强、稳定性高、抗干扰稳定性高的传感器。

考虑动态特性，所选的传感器应能很好的追随输入量的快速变化，即具有很短的暂态响应时间或者应具有很宽的频率响应特性
3. 直流电桥和交流电桥有何区别？直流电桥的平衡条件是什么？应变片式电阻传感器、自感式、互感式、涡流式、电容式、热电阻式传感器分别可采用哪种电桥作为测量电路？答：根据电源不同分为直流和交流电桥。

直流电桥优点：高稳定度直流电源容易获得，电桥平衡电路简单，传感器至测量仪表的连接导线分布参数影响小。

但是后续要采用直流放大器，容易产生零点漂移，线路也较复杂。

交流电桥在这些方面都有改进。

直流电桥平衡条件：
R 1/R 2=R 3/R 4 ，R 1R 4=R 2R 3。

4. 如何减少测量系统误差，随机误差对传感器性能的影响？
答：(1)引入更正值法；(2)替换法；(3)差值法；(4)正负误差相消法；
(5)选择最佳测量方案。

5. 什么是金属应变片的灵敏系数？请解释它与金属丝灵敏系数的区别。

答： 应变片一般做成丝栅状，测量应变时，将应变片贴在试件表面上，试件的变形很容易传到应变片上。

金属应变片的灵敏系数与金属丝灵敏系数是不同的。

第一，零件的变形是通过剪力传到金属丝上的。

第二，丝沿长度方向承受应变时，应变片弯角部分也承受应变，其截面积变大，则应变片直线部分电阻增加时，弯角部分的电阻值减少，也使变化的灵敏度下降。

因此，应变片的灵敏系数比金属丝灵敏系数低。

3. 温度对光电流影响不大，所以光电传感器在使用中不需要进行温度补偿，此观点正确否，为什么？
答：不正确。

因为半导体材料容易受温度影响，而其直接影响光电流的值，所以还需要温度补偿装置。

4.某线性位移测量仪，当被测位移由4.5mm 变到
5.0mm 时，位移测量仪的输出电压由3.5V 减至2.5V ，求该仪器的灵敏度。

解：该仪器的灵敏度为
25
.40.55.35.2-=--=S mV/mm 7.什么是系统误差和随机误差?正确度和精密度的含义是什么? 它们各反映何种误差?
答：系统误差是指在相同的条件下，多次重复测量同一量时，误差的大小和符号保持不变，或按照一定的规律变化的误差。

随机误差则是指在相同条件下，多次测量同一量时，其误差的大小和符号以不可预见的方式变化的误差。

正确度是指测量结果与理论真值的一致程度，它反映了系统误差的大小，精密度是指测量结果的分散程度，它反映了随机误差的大小。

8.服从正态分布规律的随机误差有哪些特性?
答：服从正态分布规律的随机误差的特性有：对称性 随机误差可正可负，但绝对值相等的正、负误差出现的机会相等。

也就是说f (δ)- δ曲线对称于纵轴。

有界性 在一定测量条件下，随机误差的绝对值不会超过一定的范围，即绝对值很大的随机误差几乎不出现。

抵偿性 在相同条件下，当测量次数n →∞时，全体随机误差的代数和等于零，即0lim 1=∑=∞→n i i n δ。

单
峰性 绝对值小的随机误差比绝对值大的随机误差出现的机会多，即前者比后者的概率密度
大，在δ=0处随机误差概率密度有最大值。

1.金属电阻应变片与半导体材料的电阻应变效应有什么不同?
答：金属电阻的应变效应主要是由于其几何形状的变化而产生的，半导体材料的应变效应则主要取决于材料的电阻率随应变所引起的变化产生的。

2.直流测量电桥和交流测量电桥有什么区别?
答：它们的区别主要是直流电桥用直流电源，只适用于直流元件，交流电桥用交流电源，适用于所有电路元件。

1.影响差动变压器输出线性度和灵敏度的主要因素是什么？
答：影响差动变压器输出线性度和灵敏度的主要因素是：传感器几何尺寸、线圈电气参数的对称性、磁性材料的残余应力、测量电路零点残余电动势等。

2.电涡流式传感器的灵敏度主要受哪些因素影响？它的主要优点是什么？
答：电涡流式传感器的灵敏度主要受导体的电导率、磁导率、几何形状，线圈的几何参数，激励电流频率以及线圈到被测导体间的距离等因素影响。

电涡流式传感结构简单、频率响应宽、灵敏度高、测量范围大、抗干忧能力强，特别是有非接触测量的优点，因此在工业生产和科学技术的各个领域中得到了广泛的应用。

1．什么是金属导体的热电效应?试说明热电偶的测温原理。

答：热电效应就是两种不同的导体或半导体A和B组成一个回路，其两端相互连接时，只要两结点处的温度不同，回路中就会产生一个电动势，该电动势的方向和大小与导体的材料及两接点的温度有关。

热电偶测温就是利用这种热电效应进行的，将热电偶的热端插入被测物，冷端接进仪表，就能测量温度。

1．为什么说压电式传感器只适用于动态测量而不能用于静态测量?
答：因为压电式传感器是将被子测量转换成压电晶体的电荷量，可等效成一定的电容，如被测量为静态时，很难将电荷转换成一定的电压信号输出，故只能用于动态测量。

2．压电式传感器测量电路的作用是什么?其核心是解决什么问题?
答：压电式传感器测量电路的作用是将压电晶体产生的电荷转换为电压信号输出，其核心是要解决微弱信号的转换与放大，得到足够强的输出信号。

1. 什么是霍尔效应？
答：在置于磁场的导体或半导体中通入电流，若电流与磁场垂直，则在与磁场和电流都垂直的方向上会出现一个电势差，这种现象就是霍尔效应，是由科学家爱德文·霍尔在1879年发现的。

产生的电势差称为霍尔电压。

5. 什么是霍尔元件的温度特性？如何进行补偿？
答：霍尔元件的温度特性是指元件的内阻及输出与温度之间的关系。

与一般半导体一样，由于电阻率、迁移率以及载流子浓度随温度变化，所以霍尔元件的内阻、输出电压等参数也将随温度而变化。

霍尔元件温度补偿的方法主要有利用输入回路的串联电阻进行补偿和利用输出回路的负载进行补偿两种。

7. 写出你认为可以用霍尔传感器来检测的物理量。

答：可以用霍尔传感器来检测的物理量有力、力矩、压力、应力、位置、位移、速度、加速度、角度、转速、磁场量等等
5. 在电桥测量中，由于电桥接法不同，输出电压的灵敏度也不同， 差动
全桥 接法可以得到最大灵敏度输出
5. 热电偶电动势由____温差___电动势和接触电动势两部分组成
1. 莫尔条纹的特点是什么？
1） 移动方向
2） 莫尔条纹有位移放大作用
3） 莫尔条纹误差的平均效应
1，测量系统的静态特性指标主要有线性度、迟滞、重复性、分辨力、稳定性、温度稳定性、各种抗干扰稳定性等。

（2分） 2.霍尔元件灵敏度的物理意义是表示在单位磁感应强度相单位控制电流时的霍尔电势大小。

4.热电偶所产生的热电势是两种导体的接触电势和单一导体的温差电势组成的，其表达式为Eab （T ，To ）=T B A T
T B
A 0d )(N N ln )T T (e k
0σ-σ⎰+-。

在热电偶温度补偿中补偿导线法（即冷端延长线法）是在连接导线和热电偶之间，接入延长线，它的作用是将热电偶的参考端移至离热源较远并且环境温度较稳定的地方，以减小冷端温度变化的影响。

5.压磁式传感器的工作原理是：某些铁磁物质在外界机械力作用下，其内部产生机械压力，从而引起极化现象，这种现象称为正压电效应。

相反，某些铁磁物质在外界磁场的作用下会产生机械变形，这种现象称为负压电效应。

（2分）
6. 变气隙式自感传感器，当街铁移动靠近铁芯时，铁芯上的线圈电感量（①增加②减小③不变）（2分）
7. 仪表的精度等级是用仪表的（①相对误差②绝对误差③引用误差）来表示的（2分）
8. 电容传感器的输入被测量与输出被测量间的关系，除（①变面积型②变极距型③变介电常数型）外是线性的。

（2分）
1、变面积式自感传感器，当衔铁移动使磁路中空气缝隙的面积增大时，铁心上线圈的电感量（①增大，②减小，③不变）。

2、在平行极板电容传感器的输入被测量与输出电容值之间的关系中，（①变面积型，②变极距型，③变介电常数型）是线性的关系。

3、在变压器式传感器中，原方和副方互感M的大小与原方线圈的匝数成（①正比，②反比，③不成比例），与副方线圈的匝数成（①正比，②反比，③不成比例），与回路中磁阻成（①正比，②反比，
③不成比例）。

4、传感器是能感受规定的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，传感器通常由直接响应于被测量的敏感元件和产生可用信号输出的转换元件以及相应的信号调节转换电路组成。

5、热电偶所产生的热电热是由两种导体的接触电热和单一导体的温差电热组成。

2、电阻应变片式传感器按制造材料可分为① _金属_ 材料和
②____半导体__体材料。

它们在受到外力作用时电阻发生变化，其中①的电阻变化主要是由 _电阻应变效应形成的，而②的电阻变化主要是由温度效应造成的。

半导体材料传感器的灵敏度较大。

5.磁电式传感器是利用导体和磁场发生相对运动而在导体两端产生感应电势的。

而霍尔式传感器为霍尔元件在磁场中有电磁效应（霍尔效应）而输出电势的。

霍尔式传感器可用来测量电流，磁场，位移，压力。

（6分）
8.测量系统的静态特性指标通常用输入量与输出量的对应关系来表征（5分）
一：填空题（每空1分）
1.依据传感器的工作原理，传感器分敏感元件，转换元件，
测量电路三个部分组成。

2.半导体应变计应用较普遍的有体型、薄膜型、扩散型、外延型等。

3.光电式传感器是将光信号转换为电信号的光敏元件，根据光电效应可以分为
外光电效应，内光电效应，热释电效应三种。

4.光电流与暗电流之差称为光电流。

5.光电管的工作点应选在光电流与阳极电压无关的饱和区域内。

6.金属丝应变传感器设计过程中为了减少横向效应，可采用直线栅式应变计
和箔式应变计结构。

7.反射式光纤位移传感器在位移-输出曲线的前坡区呈线性关系，在后坡区与
距离的平方成反比关系。

8.灵敏度是描述传感器的输出量对输入量敏感程度的特性参数。

其定义为：传
感器输出量的变化值与相应的被测量的变化值之比，用公式表示k（x）=Δy/Δx 。

9.线性度是指传感器的输出量与输入量之间是否保持理想线性特性的一
种度量。

按照所依据的基准之线的不同，线性度分为理论线性度、端基线性度、独立线性度、最小二乘法线性度等。

最常用的是最小二乘法线性度。

10.根据敏感元件材料的不同，将应变计分为金属式和半导体式两大类。

11.利用热效应的光电传感器包含光---热、热---电两个阶段的信息变换过
程。

12.应变传感器设计过程中，通常需要考虑温度补偿，温度补偿的方法电桥补偿
法、计算机补偿法、应变计补偿法、热敏电阻补偿法。

13.应变式传感器一般是由电阻应变片和测量电路两部分组成。

14. 传感器的静态特性有 灵敏度 、线性度、灵敏度界限、迟滞差 和稳定性。

15. 在光照射下，电子逸出物体表面向外发射的现象称为 外光电效应 ，入
射光强改变物质导电率的物理现象称为 内光电效应 。

16. 光电管是一个装有光电 阴极 和 阳极 的真空玻璃管。

17. 光电管的频率响应是指一定频率的调制光照射时光电输出的电流随频率变化的关系，与其物理结构、工作状态、负载以及入射光波长等因素有关。

多数光电器件灵敏度与调制频率的关系为Sr （f ）=Sr 。

/(1+4π²f ²τ²)
18. 内光电效应可分为光电导效应和光生伏特效应。

19. 国家标准GB 7665--87对传感器下的定义是：能够感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。

20. 传感器按输出量是模拟量还是数字量，可分为模拟量传感器和数字量传感器
21. 传感器静态特性的灵敏度用公式表示为：k (x)=输出量的变化值/输入量的变化
值=△y/△x
22. 应变计的粘贴对粘贴剂的要求主要有：有一定的粘贴强度；能准确传递应变；蠕变小；机械滞后小；耐疲劳性好；具有足够的稳定性能；对弹性元件和应变计不产生化学腐蚀作用；有适当的储存期；应有较大的温度适用范围。

23. 应变式测力与称重传感器根据弹性体的的结构形式的不同可分为 柱式传感
器 、 轮辐式传感器 、 悬梁式传感器 和 环式传感器
24.应变式传感器一般是由 电阻应变片 和 测量电阻 两部分组成。

25. 应变式传感器的基本构成通常可分为两部分：弹性敏感元件、应变计
26. 长为l 、截面积为A 、电阻率为ρ的金属或半导体丝，其电阻为：A
l R ρ=。

27. 传感器是静态特性有灵敏度、线性度、灵敏度阈值、迟滞差、稳定性（5）
28. 温度补偿的方法电桥补偿法、计算机补偿法、应变计补偿法、热敏电阻补偿法（4）
29. 在应变计设计过程中，为了减少横向效应，可采用直角线栅式应变计或箔式
应变计。

30. 光电式传感器是将光信号转换为电信号的光敏元件，其中内光电效应可以分
为光电导效应、光生伏特效应 。

31. 应变计根据敏感元件的材料不同，可分为金属式和半导体式。

32. 应变计根据敏感元件的不同可以分为金属式和半导体式两大类。

33. 应变测力传感器由弹性体、应变计和外壳组成。

34. 内光电效应分为光电导效应和光生伏特效应。

35. 电阻应变计，也称应变计或应变力，是一种能将机械构件上的应变的变化转换成电阻变化的传感元件。

36. 一个高阶系统的传感器总可以看成是由若干个零阶系统、一阶和二阶系统组
合而成的。

37. 敏感光栅越窄，基长越长的应变计，其横向效应引起的误差越 小 (大/小)。

38. 应变式传感器的基本结构通常可以分为两部分，弹性敏感元件和应变计。

39. 应变计自补偿方法包括：选择式自补偿应变计和双金属敏感栅自补偿应变计。

40. 入射光强改变物质导电率的物理现象叫做光电导效应。

41. 依据传感器的输出信号形式，传感器可分为 模拟式传感器 ， 数字式
传感器 。

42. 传感器线性度公式max 100%t FS
e Y ∆=±
⨯ ，其中，Y FS 表示的是 传感器满量程输出平均值 。

43. 两个各有G 1(s)和G 2(s)传递函数的系统串联后，如果其阻抗匹配合适，相互
之间不影响彼此的工作状态，那么其传递函数为 G(s)= G 1(s)• G 2(s) 。

44. 输入逐渐增加到某一值，与输入逐渐减小到同一入值时的输出值不相等，叫
做 迟滞 现象。

迟滞差 表示这种不相等的程度。

其值以 满量程 的输出ＹFS 的百分数表示。

45. 由于环境改变而带来的温度误差，称为应变计的 温度误差 ，又称 热输
出
46. 悬臂梁作为弹性敏感原件，根据其界面形状不同，一般可分为 等截面梁 和
等强度梁 。

47. 线性度和灵敏度是传感器的 静态 指标，而频率响应特性是传感器的 动
态 指标。

48. 金属电阻的 应变效应 是金属电阻应变片工作的物理基础。

49. 按传播模式的多少分类有 单模光纤， 多模光纤。

50. 相位型光纤传感器通常使用相位检测的方法，该方法主要包括： 零差检
测、外差检测、合成外差检测 等三种方法。

51. 能保证一个湿敏器件正常工作的环境的最大变化范围称为 湿度量程。

52. 光纤传播过程中由于 材料的吸收 ，散射 和 弯曲处的辐射损耗 等的影响，
不可避免的要有损耗。

53. 测量加速度的传感器种类很多，目前使用最广泛、最普遍的是 压电加速度
传感器
54. 光线的结构由 纤芯 ， 包层 ， 护套 三个部分组成。

55. 热敏电阻有三种类型，即 正温度系数型、 负温度系数型、 临界温度系数型
56. 光纤按折射率变化类型可分为 阶跃折射率光纤 和 渐变折射率光纤 ；按
传播模式的多少可分为 单模光纤 和 多模光纤 。

57. 光纤的导光能力取决于纤芯和包层光学性能，数值孔径作为光纤的几个重要
参数，根据光纤纤 心折射率1n 和包层折射率2n ，数值孔径可以定义为：
NA =V<2.404
58. 光量子型传感器可以分为光导型、光电型、光电磁型、肖特基型
59. 传感器按工作原理分为： 应变式 ， 电容式 ， 电感式 等。

60. 传感器灵敏度定义为：()y k x x
∆=∆ 61. 内光电效应分为：光电导效应和光生伏特效应。

62. 光电二极管是利用PN 结单向导电性的结构光电器件
63. 依据光纤传感器的原理，可以分为 强度型(振幅型)光纤传感器 与 干涉型
光纤传感器 。

64. 光纤的结构：纤芯，包层，护套
65. 从传感器机理上来说，光纤传感器可分为振幅型和相位型两种。

66. 当某些晶体沿一定方向伸长或者压缩是，在其表面上会产生电荷，这种效应
称为压电效应＿＿。

67. 温度传感器从使用上分大致可以分为接触型和非接触型两大类
68. 光纤的传输损耗主要来源于 材料吸收损耗 、 散射损耗 、 光波导弯曲
损耗
69. 半导体应变片工作原理是基于 压阻 效应，它的灵敏系数比金属应变
片的灵敏系数 大十倍 。

70. 半导体色敏传感器是在同一硅基片上具有两个 深浅不同 的PN 结，其中
浅结 对 短波长光 响应好，深结对 长波长光 响应好
71. 传感器灵敏度定义为：()y k x x
∆=∆ 72. 光电二极管是利用PN 结单向导电性的结构光电器件
73. 光纤的结构：纤芯，包层，护套
74. 光纤的几个重要参数可分为 数值孔径 、 传播模式、 传播损耗 三部分
组成。

75. 干涉型光纤传感器在相位检测中会遇到几个问题，有相位检测和强度检测，
共模抑制，相位跟踪系统。

那么在相位检测中运用哪几种方法？（零差检测、外差检测、合成外差检测）
76. 光纤相位调制器可以通过对光纤某一部分的（长度）或（波导模）的折射率
进行外部调制来实现。

77. 暗视场传感器与亮视场传感器的不同之处在于？（暗视场它使用纤芯进入包
层的光产生输出信号）
78. 列出光纤的几个重要参数（至少三个）（1）数值孔径(NA) （2）传播模式 （3）传播损耗
79. 光纤有多种分类方法，按折射率变化类型光纤可分为阶跃折射率光纤和渐变折射率光纤。

按传播模式的多少光纤可分为:单模光纤和多模光纤。

按用途分类光纤可分为:普通光纤和非通信光纤。

80. 相位检测方法:(1)零差检测(2)外差检测(3)合成外差检测
81. 变磁阻式传器是利用被测量调制磁路的磁阻,导致线圈电感量改变,实现对
被测量测量的。

82. 半导体传感器大致可分为接触型和非接触型，前者是让温度传感器直接与待
测对象接触，后者是使温度传感器与待测对象离开一定距离，检测从待测对象放射出的红外线，从而达到测温的目的。

83.红外热辐射传感器，从原理上又可分为热电型和光量子型。

84.湿度传感器的主要参数有（至少写出5个）
、、、、、
(1)湿度量程
(2)感湿特征量—相对湿度特性曲线
(3)感湿灵敏度
(4)温度系数
(5)响应时间
(6)湿滞回线
(7)电压特性
(8)频率特性
85.温度传感器从使用上大致可分为（接触类）和（非接触类）两大类。

86.光在光纤中传播的基本原理可以用（光线）或（光波）的概念来描述。

87.根据菲涅尔定律，光线在折射率分别为n
1和n
2
的不同介质的分界面上会产生
折射现象，折射定律为（n
1sinθ
1
=n
2
sinθ
2
）。