传感技术及应用 试 题A 标准答案(2007)

哈工大 2007 年 秋 季学期

传感技术及应用 试 题A 标准答案

课程综合考试，合计分数70分

一、 判断题（正确打√标记，错误打×标记，每题1分，共5分）

1．（ × ）传感器是一种测量器件或装置，它将被测量按一定规律转换成可用输出，一般系统有输入和输出，所以均可看作传感器。

2．（ √ ）对变间隙的电容式传感器而言，即使采用差动结构也不能完全消除非线性误差。

3．（ × ）压电晶体有三个互相垂直的轴，分别为X 轴（电轴）、Y 轴（力轴）、Z 轴（光轴），当沿某一轴的方向施加外作用力时，会在另外两个轴的表面出现电荷。

4．（ × ）光电池和光敏二极管都是建立在内光电效应基础上，工作电路也一样。

5．（ × ）自感式电感传感器改变空气隙等效截面积类型变换器转换关系为非线形的，改变空气隙长度类型的为线形的。

二、简答题（每题5分共20分）

1．什么是传感器？传感器由哪三个部分组成？

答：

传感器：能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。（3分）传感器由敏感元件、转换元件和基本转换电路三部分组成。（2分）

2．简述热电偶热电势产生的原因。

答： 热电动势是由两种导体的接触电势和单一导体的温差电势所组成。

表示为 ()000(,)()T AB A B T K NA E T T n T T d d dT e NB

=-+-⎰ 其中：0()K NA n T T e NB - 为接触电势； ()0T A B T d d dT -⎰为温差电势。

式中：K —波尔兹曼常数 K ＝1.38×10-23 J/K

e —电子电荷量 e = 1.6×10-19 C

NA (NB )为A (B )材料的自由电子密度；

d A (d B )—A (B )材料的汤姆逊系数；

E AB (T ,T 0)表示A 、B 两种材料组合，两个结分别处在T (T 0)温度下产生的热电势。

3．简要说明金属应变片与半导体应变片在工作原理上的区别?

答：金属应变片发生应变以后，使导体的几何尺寸发生改变，因而阻值发生变化； 对半导体来说，它的电阻取决于有限数目的载流子—空穴和电子的迁移。加在一定晶向上的外界应力，引起半导体能带的变化，使载流子的迁移率产生较大的变化，因而使半导体电阻率产生相应的变化。

应变片相对灵敏度系数(12)d k ρ

ρ

με=++代入得到12e k E μπ=++

μ—泊松比；e π—压阻系数；E —弹性模量。

对于金属丝构成的应变片，一般可改为12k μ≈+（几何变形），k 值约为2左右，半导体材料e E π值很大，约为60～170，因此对半导体材料而言，一般认为e k E π≈。

4．什么是电容传感器的“驱动电缆技术”，采用它的目的是什么？

答：一般电容传感器电容值很小，如果激励频率较低，则电容传感器的容抗很大，因此对传感器绝缘电阻要求很高；

另一方面，变换器电容极板并联的寄生电容也会带来很大的影响，为克服其影响采用驱动电缆法。

驱动电缆法示意图

在电容传感器与测量线路前置极间采用双层屏蔽电缆。这种接法使传输电缆的芯线与内层屏蔽等电位，消除了芯线对内层屏蔽的容性漏电，从而消除了寄生电容的影响。同时放大器的高输入阻抗又起到阻抗匹配的作用。

三、（8分）影响电容传感器精度的主要因素是边缘效应和寄生电容，试分别详细说明减少这两种影响的措施（建议以图示进行辅助说明）。

答：理想条件下，平行板电容器的电场均匀分布于两相极所围成的空间，这仅是简化电容量计算的一种假定。当考虑电场的边缘效应时，情况要复杂的多，边缘效应的影响相当于传感器并联一个附加电容，引起了传感器灵敏度下降和非线性增加。

（1）为克服边缘效应，首先应增大初始电容量C 0，即增大极板面积，减小极板

间距。（结构上）

（2）在结构上增设等位环来消除边缘效应。

消除边缘效应的示意图 等位环安放在上面电极外，且与上电极绝缘组等电位，这样就能使上电极的边缘电力线平直，两极间电场基本均匀。而发散的边缘电场发生在等位环的外固不影响工作。

为减小和消除寄生电容的影响的措施有：

（1） 增加传感器原始电容值；

（2） 注意传感器的接地和屏蔽；

图中为采用接地屏蔽的圆筒形电容式传感器。图中可

动极筒与连杆固定在一起随被测量移动，并与传感器

的屏蔽壳（良导体）同为地。因此当可动极筒移动时，

它与屏蔽壳之间的电容值将保持不变，从而消除了由

此产生的虚假信号。

引线电缆也必须屏蔽在传感器屏蔽壳内。为减小

电缆电容的影响，应尽可能使用短的电缆线，缩短传

感器至后续电路前置级的距离。

（3） 集成化；

集成化将传感器与测量电路本身或其前置级装在一个壳体内，这样寄生电容大为减小、变化也小，使传感器工作稳定。但因电子元器件的特点而不能在高、低温或环境差的场合工作。

（4） 采用驱动电缆技术；

传感器与测量电路前置级间的引线为双屏蔽层

电缆，其内屏蔽层与信号传输线（即电缆芯线）通过

1:1放大器而为等电位，从而消除了芯线与内屏蔽层

之间的电容。由于屏蔽线上有随传感器输出信号变化

而变化的电压，因此称为“驱动电缆”。采用这种技

术可使电缆线长达l0m 之远也不影响传感器的性能。

外屏蔽层接大地（或接传感器地）用来防止外界电场

的干扰。内外屏蔽层之间的电容是1:1放大器的负载。1:1放大器是一个输入阻抗要求很高、具有容性负载、放大倍数为1（准确度要求达1/1000）的同相（要求相移为零）放大器。因此“驱动电缆”技术对1:1放大器要求很高，电路复杂，但能保证电容式传感器的电容值小于1pF 时，也能正常工作。