传感器作业-cgz参考答案

传感器作业参考答案
一、 名词解释
1.传感器静态指标：
● 线性度：指传感器的输出与输入之间数量关系的线性程度
● 灵敏度：输出量增量Δy 与引起输出量增量Δy 的相应输入量增量Δx 之比。

● 迟滞：传感器在输入量由小到大（正行程）及输入量由大到小（反行程）变化期间其输入输出特性曲线不重合
的现象称为迟滞
● 重复性：重复性表示传感器在同一工作条件下,被测输入量按同一方向做全程连续多次重复测量时,所得输出值
（所得校准曲线）的一致程度。

● 精度：反映系统误差和随机误差的综合误差指标。

● 阈值：当一个传感器的输入从零开始极缓慢地增加时,只有在达到了某一最小值后才测得出输出变化,这个最小
值就称为传感器的阈值。

● 分辨力：当一个传感器的输入从非零的任意值缓慢地增加时,只有在超过某一输入增量后输出才显示有变化,这
个输入增量称为传感器的分辨力。

● 漂移：在输入量不变的情况下，传感器输出量随着时间变化，此现象称为漂移。

● 稳定性：传感器在一个较长的时间内保持其性能参数的能力。

2.动态指标： 时域性能指标：
t
t p t r
T
σ
y
t 2或t 5
0.1
0.9
y(t p )
y(∞)t
o x
1′??D?÷ê?è?ê?3?
● 时间常数： 输出值上升到稳定值y (∞)的63%所需的时间。

● 上升时间： 输出值从稳态值y (∞)的10%上升到90%所需的时间。

● 响应时间： 输出值达到稳态值的95%或98%所需的时间。

●
超调量：在过渡过程中,若输出量的最大值y (t p )＜y (∞),则响应无超调；若y (t p )＞y (∞),则有超调,且
频域性能指标： ● 通频带ωb ： 对数幅频特性曲线上幅值衰减3 dB 时所对应的频率范围。

● 工作频带ωg1或ωg2：幅值误差为±5%或±10%时所对应的频率范围。

● 相位误差： 在工作频带范围内相角应小于5°或10°,即为相位误差的大小。

′??D?÷ê?è?ê?3?
t
x
ω
ωb
ωx
ωg1ωg2A(ω)
1.1
1.01.050.950.90
o ()()100%
()
p y t y y σ-∞=⨯∞
3.有关效应：
● 金属应变效应：当金属丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻值将发生变化，这种效应称为电阻应变效应。

● 横向效应：直线电阻丝绕成敏感栅后，虽然长度相同，但应变不同，圆弧部分使灵敏系数K 下降。

● 压阻效应：是指当半导体受到应力作用时，由于载流子迁移率的变化，使其电阻率发生变化的现象。

● 压电效应：当沿着一定方向施加力变形时，内部产生极化现象，同时在它表面会产生符号相反的电荷； 当外力去掉后，又重新恢复不带电状态； 当作用力方向改变后，电荷的极性也随之改变； 这种现象称压电效应 ● 热电效应：两种不同类型的金属导体两端，分别接在一起构成闭合回路，当两个结点温度不等（T ＞T 0），有温差时，回路里会产生热电势，形成电流。

这种现象称为热电效应。

● 霍尔效应：霍尔传感器就是基于霍尔效应，把一个导体（半导体薄片）两端通以控制电流I ，在薄片垂直方向施加磁感强度B 的磁场，在薄片的另外两侧会产生一个与控制电流I 和磁场强度B 的乘积成比例的电动势U H 。

这种现象称霍尔效应。

● 电涡流效应：由法拉第电磁感应原理可知：一个块状金属导 体置于变化的磁场中或在磁场中作用切割磁力 线运动时，导体内部会产生一圈圈闭和的电流， 这种电流叫电涡流，这种现象叫做电涡流效应。

● 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。

● 光电导效应：在光线作用下能使物体的电阻率改变的现象称为光电导效应。

● 光生伏特效应：在光线作用下物体产生一定方向电动势的现象称为光生伏特效应。

二、简答
1. 简述电容式传感器的运算放大器式信号调节电路的工作原理
对于单极板平板电容器传感器运放输出可以为：
00S
C U U d A
ε=- 运算放大器测量电路的最大特点是克服了变极距型电容传感器的非线性。

2. 产生零点残压的原因及减小它的措施
在差动变压器式传感器中，由于两个次级线圈绕组电气系数 （M 互感 L 电感 R 内阻）不同，几何尺寸工艺上很难保证完全相同。

实际的特性曲线，在零点上总有一个最小的输出电压，这个铁芯处于中间位置时最小不为零的电压称为零点残余电压。

为减小零点残余电压的影响，一般要用电路进行补偿,电路补偿的方法较多,可采用以下方法。

◆串联电阻：消除两次级绕组基波分量幅值上的差异；
◆并联电阻电容：消除基波分量相差，减小谐波分量；
◆加反馈支路：初次级间反馈，减小谐波分量；
◆相敏检波对零点残余误差有很好的抑制作用。

3.变间隙式自感式传感器的工作原理
2
2
00
2
m
N S
N
L R
μ
δ
==
传感器运动部分与衔铁相连，衔铁移动时δ发生变化，引起磁路的磁阻R m变化，使电芯线圈的电感值L变化。

4．给出热电偶传感器冷端电桥补偿法的结构，并说明其原理。

该法利用不平衡电桥产生的电压来补偿热电偶参考端温度变化引起的电势变化。

电桥四个桥臂与冷端处于同一温度，其中R1=R2=R3为锰铜线绕制的电阻，R4为铜导线绕制的补偿电阻，E 是电桥的电源，R为限流电阻，阻值取决于热电偶材料。

使用时选择R4的阻值使电桥保持平衡，电桥输出Uab=0。

当冷端温度升高时，R4阻值随之增大，电桥失去图示补偿电桥法示意图平衡，Uab相应增大，此时热电偶电势Ex由于冷端温度升高而减小。

若Uab的增量等于热电偶电势Ex的减小量，回路总的电势Uab的值就不会随热电偶冷端温度变化而变化，即：
UAB=EX+Uab
5.智能传感器
智能传感器是一种带有微处理机的、兼有检测、判断与信息处理功能的传感器。

智能传感器与传统的传感器相比具有很多特点：
（1）具有判断和信息处理功能，可对测量值进行各种修正和误差补偿，因此提高了测量准确度；
（2） 可实现多传感器多参数综合测量，扩大了测量与作用范围； （3） 具有自诊断、自检准功能，提高了可靠性； （4） 测量数据可以存取，使用方便；
（5） 具有数字通信接口，能与计算机直接联接。

6.光纤传感器的工作原理
光导纤维(光纤)受到外界环境因素的影响，如温度、压力、电场、磁场等环境条件变化，将引起其传输的光波量，如光强、相位、频率、偏振态等变化。

光纤传感技术就是将温度、压力、电场、磁场的变化转化为光波量的变化的技术。

光纤传感器通过光导纤维把输入变量转换成调制的光信号。

D 的工作原理 ● 电荷存储原理：
当金属电极上加正电压时，由于电场作用，电极下P 型硅区里空穴被排斥入地成耗尽区。

对电子而言，是一势能很低的区域，称“势阱”。

有光线入射到硅片上时，光子作用下产生
电子—空穴对，空穴被电场作用排斥出耗尽区，而电子被附近势阱（俘获），此时势阱内吸的光子数与光强度成正比。

● 电荷转移原理（读出移位寄存器）
光敏元上的电荷需要经过电路进行输出，CCD 电荷耦合器件是以电荷为信号而不是电压电流。

读出移位寄存器由三个十分邻近的电极组成一个耦合单元； 在三个电极上分别施加脉冲波三相时钟脉冲Φ1Φ2Φ3。

在三相脉冲的控制下，电荷不断地从三个相邻的电极转移出去。

8.半导体气体传感器的工作原理
半导体气体传感器是利用气体在半导体表面的氧化和还原反应导致敏感元件阻值变化而制成的。

当半导体器件被加热到稳定状态，在气体接触半导体表面而被吸附时，被吸附的分子首先在表面物性自由扩散，失去运动能量，一部分分子被蒸发掉，另一部分残留分子产生热分解而固定在吸附处（化学吸附）。

✓ 当半导体的功函数小于吸附分子的亲和力(气体的吸附和渗透特性)时， 吸附分子将从器件夺得电子而变成负离子吸附， 半导体表面呈现电荷层。

例如氧气等具有负离子吸附倾向的气体被称为氧化型气体或电子接收性气体。

✓ 如果半导体的功函数大于吸附分子的离解能，吸附分子将向器件释放出电子，而形成正离子吸附。

具有正离子吸附倾向的气体有H 2、CO 、碳氢化合物和醇类，它们被称为还原型气体或电子供给性气体。

9.红外传感器工作原理
利用红外辐射引起传感器的相关特性变化，进而使有关物理参数发生相应的变化，通过测量所吸收的红外辐射能的大小，从而确定有关物理参数的变化。

三、计算（2*10分＝20分）
1.本小题写出计算公式的给8分，计算出一个具体结果给2分。

解：系统输出电压0U 的计算公式为：0P A U K K a =⨯⨯
77g P A U K K g
=⨯⨯=6.86V
99g P A U K K g
=⨯⨯=8.82V
2．解：（10分）
①(3分)
②
（1分）
③（3分）
④
（3分）。