自动传感器原理的知识点(已整理)

第一章传感器的一般特性
1、传感器的作用是什么？
⑴在工业生产自动化、能源、交通、灾害预测、安全防卫、医疗卫生等方面代替人的观感功能，并检查人感官不能感受的参数
⑵在工业生产中，起到了工业耳目的作用，冶金工业中为操作人员提供可靠的数据。

⑶工厂自动化的机械手或机器人中，实现高精度测量，保证产品产量和质量
⑷在微型计算机中提供可靠准确的信息
2、传感器技术的三要素。

传感器由哪三部分组成？
三要素：
⑴检测（传感）原理
⑵材料科学
⑶工艺加工
三部分：
⑴敏感元件
⑵转换元件
⑶测量电路
3、传感器的静态特性有哪些？并理解其意义。

⑴线性度（非线性误差）
⑵灵敏度
⑶精确度（精度）
⑷最小检测量和分辨力
⑸迟滞
⑹重复性
⑺零漂
⑻温漂
4、画出传感器的组成方框图，理解各部分的作用。

(1)敏感元件：能够完成预变换的器件称为敏感元件，又称为预变换器，将被测非电量预先转换为另一种易于变换为电量的非电量。

(2)转换元件：将感受到的非电量直接转换为电量的器件称为转换元件。

(3)信号调理与转换电路：将转换元件输出的电信号放大并转换成易于处理、显示和记录的电信号
(4)辅助电源:为传感器提供能源
5、什么是传感器的精度等级？一个0.5级电压表的测量范围是0~100V，那么该仪表的最大绝对误差为多少伏？
传感器的精度等级：是传感器和测量仪表在规定条件下其允许的最大绝对误差值相对于其测量范围的百分数，表示测量结果的可靠程度。

A=∆A
Y F∗S
×100%
∆A——测量范围内允许的最大绝对误差
Y F∗S——满量程输出
0.5=x
100V
解得X=0.5V 该仪表的最大绝对误差为0.5V
6、传感器工作在差动状态与非差动状态时的优点有哪些？
差动状态：
传感器的感受部件传感出信号后产生两个相反的只剩下变化量部分的信号，是放大器只放大变化信号，因此（1）提高了灵敏度，改善非线性。

外界影响作用下产生的是在两个磁通线圈的电磁力之差，因此（2）有一定补偿作用，抗干扰能力提高
7、最小检测量与分辨力的定义与计算。

最小检测量：传感器能确切反映被测量的最低级限量。

分辨力：数字传感器一般用分辨力表示，即输出数字指示值最后一位数字所代表的输入量。

公式：M=CN
K
M:最小检测量
K:系数（一般取1到5）
N:噪声电平
K:传感器灵敏度
例题：电容式电压传感器的噪声电平N为0.2mV，灵敏度K为5mV/mm H2O,若取
C=2，则计算最小检测量为多少?
解：M=CN
K =2×0.2mV
5mV/mmH2O
=0.08mmH2O
第二章应变式传感器8、应变片有那些种类？
金属丝式应变片、金属箔式应变片、半导体式应变片。

9、什么是压阻效应？
单晶硅材料受到应力作用后，其电阻率发生明显变化的现象称为压阻效应
10、应变式传感器接成应变桥式电路的理解、输出信号计算。

应变片桥式传感器为什么应配差动放器？
单个应变片的额定输出较低、灵敏度较低，利用桥式电路可以成倍提高其灵敏度，并使输入和输出呈线性关系
因为两电桥相对桥臂的极性相反，输出为差模信号，因此用差动放大器。

11、掌握电子称的基本原理框图，以及各部分的作用。

⑴称重托盘
⑵电阻应变片
⑶应变梁
⑷±4V直流稳压电源
⑸测量电路
⑹差动放大模块
⑺输出显示模块
⑻±15V直流稳压电源
12、电阻应变片/半导体应变片的工作原理各基于什么效应？
电阻应变片基于金属的电阻应变效应原理，是由于其几何形状的变化而产生的应变。

半导体应变片基于压阻效应，单晶硅在收到应力作用后其电阻率发生明显变化。

13、半导体应变片与金属应变片各有哪些特点。

半导体应变片
优点：灵敏度高机械滞后小，横向效应小，精度高，体积小、重量轻、动态频响高，易于集成
缺点：温度稳定性差，灵敏度分散度大，较大的应力作用下非线性误差大，机械强度低。

金属应变片
优点：1精度高，测量范围广；
2使用寿命长，性能稳定可靠；3结构简单，体积小，重量轻；
4频率响应较好，既可用于静态测量又可用于动态测量；5价格低廉，品种多样，便于选择和大量使用。

缺点：不适于高温环境下测量
第三章电容式传感器
14、电容式传感器按工作原理可分为哪3种？
变面积（S）型
变介质介电常数（ε）型
变极板间距（d）型
15、寄生电容和分布电容对电容式传感器有什么影响？解决电缆电容影响的方法有那些？
寄生电容：寄生电容是传感器极板间电容的极板与周围物体产生的电容联系，改变了电容传感器的电容量，由于传感器本身电容很小，寄生电容极不稳定，导致传感器特性不稳定。

分布电容：分布电容与传感器相并联，使传感器相对变化量大为降低，导致灵敏度显著下降。

解决方法：（1）驱动电缆技术（2）抗杂散电容的电荷转移法
16、什么是电容电场的边缘效应？理解等位环的工作原理。

电容电场的边缘效应：实际平行板电容器的电场并非均匀分布，而是有边缘效应，它的影响相当于传感器并联一个附加电容，引起了传感器的灵敏度下降和非线性增加。

等位环工作原理：除AB极板外，在极板A的同一平面内加一个同心圆环，AC在电气上相互绝缘，使用时A和C两面始终保持等电位，于是传感器电容极板A与B之间的电场接近理想状态的均匀分布。

17、运算法电容传感器测量电路的原理及特点。

C=εS
d
=
ε0εr S
d
C——电容量
S——极板间相互覆盖面积d——两极板间距离
ε0——真空介电常数
εr——介质的相对介电常数
基本原理：在ε、S、d三个参数中，保持其中两个不变，改变另一个参数即可使电容C 改变。

特点：
（1）优点：测量范围大、灵敏度高、动态响应时间短、机械损失小、结构简单适应性强。

（2）缺点：寄生电容影响较大、当用变间隙原理测量时具有非线性输出特性。

第四章电感式传感器
18、了解差动变压器的用途及特点。

用途：凡是与位移有关的物理量均可通过它转换成电量输出。

常用于测量振动、厚度、应变、压力、加速度等各种物理量
特点：一般变压器是闭合磁路，而差动变压器是开磁路；一遍变压器原、副边的互感
是常数，而差动变压器原、副边的互感随衔铁移动做相应变化。

19、差动变压器的零点残余电压产生的原因？
理想状态下，差动变压器的衔铁处于中间位置时，输出电压为零。

实际中，差动变压
器因使用桥式电路，在零点仍有一个微小的电压值
第五章压电式传感器
20、什么是压电效应？什么是逆压电效应？常用压电材料有哪些？
压电效应：在某些电介质中，当沿着一定方向对其施力而产生而使它形变时，内部就
产生极化现象，同时在它的两个表面上产生符号相反的电荷；当外力去掉后，又重新
恢复不带电的状态，这种现象叫作压电效应。

逆压电效应：相反，在电介质的极化方向施加电场，这些电介质也会产生形变。

这种
现象称为逆压电效应（电致伸缩效应）
常用压电材料：天然形成的石英晶体、人工制造的压电陶瓷、锆钛酸铅
21、压电传感器能否测量缓慢变化和静态信号？为什么？
不能。

因为由等效电路可知，只有传感器内部信号电荷无“漏损”，外电路负载无穷大时，
压电传感器受力产生的电压或电荷才能长期保存下来，而实际中，传感器内部不可能
没有泄漏，外电路负载也不可能无穷大，电路将以某时间常数按指数规律放电，这对
于测量测量缓慢变化和静态信号极为不利，只有外力以高频率不断地作用，传感器的电荷才能得以补充。

22、压电传感器的前置放大器电路形式与各自的特点。

（1）电压放大器：输出电压与输入电压（传感器的输出电压）成正比
（2）电荷放大器：输出电压与输入电荷成正比
第六章数字式传感器
23、光栅传感器的原理。

采用什么技术可测量小于栅距的位移量？
光栅传感器主要根据莫尔条纹原理制成。

细分技术
24、莫尔条纹的形成及特点。

把光栅常数相等的主光栅和指示光栅相对叠合在一起，并使两者栅线之间保持很小的夹角θ，于是在近于垂直栅线的方向上出现明暗相间的条纹。

特点:明暗相间、条纹方向与刻线方向垂直。

25、数字式集成温度传感器DS18B20的主要特点。

（1）适应电压范围更宽，电压范围：3.0～5.5V，在寄生电源方式下可由数据线供电（2）多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，实现组网多点测温（3）可编程的分辨率为9～12位，可实现高精度测温
第七章热电式传感器
26、热电偶的热电势由那几部分组成？
（1）接触电势（2）温差电势（3）热电偶回路热电势
27、热电偶的三定律的理解。

（1）中间导体定律（2）标准电极定律（3）连接导体定律与中间温度定律
28、掌握热电偶的热电效应。

热电偶的基本工作原理是热电效应，两种不同的导体互相焊接成闭合回路时，当两个接点温度不同时回路中就会产生电流，这一现象称为热电效应，产生电流的电动势叫做热电势。

通常把两种不同导体的这种组合称为热电偶
29、热电偶冷端补偿原理和必要性及补偿电桥法的补偿原理。

原理：由热电偶测温的原理可知，只有当热电偶冷端温度保持不变时，热电势才是被
测温度的单值函数。

必要性：由于热电偶工作端与冷端距离很近，冷端又暴露于空间，容易受到周围环境
温度的影响，因而冷端温度难以保持恒定，因此需要进行热电偶的冷端补偿。

补偿电桥法：如图四个桥臂，有一个铜电阻R Cu，其电阻温度系数较大，阻值随温度变化大，其余三个臂由阻值恒定的懵铜电阻制成，铜电阻必须和电热偶冷端t0靠近，使
之处于同一温度。

在20℃时，四个电阻的阻值相等，电桥处于平衡状态，U ab=0，此时对热电势没有补
偿作用
冷端温度t0>20℃时，热电势E(t,t0)减小，但此时R Cu阻值增大，R Cu上的电压降比R3上的多，因此a点电位比b点低，即a为负，b为正，此时U ab电压方向与热电势相同，回路总电压U= E(t,t0)+ U ab,此时 U ab补偿了热电势减少的那部分电压
冷端温度t0<20℃时，热电势E(t,t0)增大，但此时R Cu阻值减小，R Cu上的电压降比R3上的少，因此a点电位比b点高，即a为正，b为负，此时U ab电压方向与热电势相反，回路总电压U= E(t,t0)- U ab,此时 U ab补偿了热电势增多的那部分电压
因此，如果铜电阻选择的合适，可使电桥产生的不平衡电压U ab正好补偿由于冷端温度变化而引起的热电势变化量，仪表即可指示出正确温度。

30、热电阻采用三线制/四线制接线方式的原理和特点？
三线制：热电组的一端与一根导线相连，另一端同时接两根导线。

这种情况下，虽不能完全消除连接导线电阻r对于测温的影响，但是能减少它的影响
四线制：热电阻两端各用两根导线连接在仪表上，一般是用直流电位差计作为指示或
记录仪表。

四线制和电位差计配合测量热电阻是比较完善的方法，它不受任何条件的约束，总能
消除连接导线电阻对于测量的影响。

31、采用负温度系数热敏电阻稳定晶体管放大器静态工作点的原理。

利用负温度系数热敏电阻R t来补偿晶体管温度特性：当温度升高使晶体管集电极电流I c 增加，同时由于温度升高也使NTC热敏电阻器R t阻值相应的减小，则晶体管基极电位U b下降，从而使基极电流I b减小，达到稳定静态工作点的目的。

32、集成温度传感器AD590的主要特点及最低/平均稳定的测量电路。

特点：（1）灵敏度高、体积小、反应快、测量精度高、稳定性好、校准方便、价格低廉、使用简单
（2）电流输出经过一个外加电阻很容易变成电压输出
第八章固态传感器
33、何为霍尔效应？霍尔集成传感器——线性、开关两类内部构成。

霍尔效应从本质上讲是运动的带电粒子在磁场中受洛仑兹力作用而引起的偏转。

当带电粒子（电子或空穴）被约束在半导体材料中，这种偏转就导致在垂直电流和磁场的方向半导体上下表面上产生正负电荷的聚积，从而形成附加的横向电场，即霍尔电场
(1)霍尔开关集成器件
霍尔开关集成传感器由霍尔器件、放大器、施密特整形电路、输出电路组成。

稳压电路可使传感器工作在较宽的电源电压范围，集电极开路可使传感器方便的与其他逻辑电路衔接。

(2)霍尔线性集成器件
线性霍尔集成传感器的输出电压与外加磁场在一定范围内呈线性关系。

有单端输出和双端输出两种电路。

34、探测微弱光应采用何种传感器？
光电传感器
35、什么是光电效应，什么是光电导效应和光生伏特效应？
光电效应包含外光电效应和内光电效应。

（1）外光电效应：在光线作用下，物体内的电子逸出物体表面，向外发射的现象称为外光电效应。

（2）内光电效应：受光照的物体导电率发生变化，或产生光电动势的效应，称为内光电效应
内光电效应包括光电导效应和光生伏特效应。

（1）光电导效应：光线作用下电子吸收光子能量从键合状态过渡到自由状态，而引起材料电阻率的变化，这种现象称为光电导效应。

（2）光生伏特效应：在光线作用下能够使物体产生一定方向的电动势的现象叫光生伏特效应。

36、什么是内/ 外光电效应？利用此效应制作的典型传感器有那些？
定义见35题，利用此效应制作的传感器：
外观电效应：光电管、光电倍增管
内光电效应：其中（1）光电导效应的器件为：光敏电阻
（2）光生伏特效应的器件为：光电池，光敏晶体管
37、光电池测照度时采用什么电路连接形式？I/V变换器原理与计算。

光电池、负载电阻、电流计串联电路连接形式
I/V变换器原理：光作用在光电池上产生光生电动势，因而产生光电流，用电流计测流过负载电阻的光电流，不同照度，对应的电动势和电流大小不一样，并在一定范围内呈线性关系
38、硅光电池的最大开路电压是多少？
0.5V
39、目前工业化量产硅光电池的转换效率是多少？
理论值最大可达24%，实际上只达10%~15%
40、在电路中使用光敏二极管怎样偏置？
反向偏压状态
41、光电隔离耦合器的内部结构是怎样的？
42、气敏传感器的原理，掌握可燃气体报警电路工作原理。

气敏传感器的原理可分为半导体式气敏传感器和接触燃烧式气敏传感器
半导体式气敏传感器：利用半导体气敏元件（主要是金属氧化物）同待测气体接触时，通过测量半导体的电导率等物理量的变化检测特定气体的成分或者浓度。

接触燃烧式气敏传感器：可燃气体与空气中的氧气接触，发生氧化反应，产生反应热（无焰接触燃烧热）使得作为敏感材料的铂丝温度升高，电阻值相应增大，空气中可
燃性气体浓度越大，氧化反应产生的反应热越多，铂丝温度变化越大，电阻值增加越多，因此，只要测定作为敏感元件的铂丝的电阻变化值（∆R）便可检测空气中可燃气
体的浓度。

43、用电阻式湿度传感器测量湿度时，激励电源为何用交流电源？
因为直流电压会引起水分子的电解，因此，激励电源要用交流电源。

44、用光敏传感器设计一个自动开关路灯的控制电路。

45、用热敏电阻设计一个温度控制电路。

第九章光纤式传感器
46、光纤传感器的特点原理及分类？
特点：
（1）电绝缘
（2）抗电磁干扰
（3）非入侵性
（4）高灵敏度
（5）容易实现对被测信号的远距离监控
分类：
根据光纤在传感器中的作用可分为：
（1）功能型（全光纤型）光纤传感器
（2）非功能型（或称穿光型）光纤传感器
（3）拾光型光纤传感器
根据光受被测对象的调制形式可分为：
（1）强度调制型光纤传感器
（2）偏振调制光纤传感器
（3）频率调制光纤传感器
（4）相位调制光纤传感器
第十章传感器的标定
47、什么是传感器的标定？何情况下需要标定？
传感器的标定：通过实验建立传感器输入量与输出量之间的关系，同时确定出不同使用条件下的误差关系。

需要标定的情况：
（1）新生产的传感器需要标定
（2）长时间使用或放置的传感器
（3）确定传感器的动态特性和静态特性指标。