传感器原理及应用复习(简答题)

一．简答题（40分）

1.传感器的基本概念及基本功能

传感器就是借助于检测元件（敏感元件）接受一定形式的信息，并按一定的规律将它转换成另一种信息的装置。它获取的信息，可以是各种物理量、化学量和生物量，而转化后的信息也有各种形式。目前，将传感器接收到的信息转化为电信号是最常用的一种形式（电信号包括电压，电流及频率信号）

基本功能：信息收集，信号数据的转换

2.传感器的基本组成并说出每部分的功能

传感器通常是由敏感元件，转换元件和调节转换电路三部分组成

其中敏感元件是指传感器中能够直接感受或响应被测量的部分；转换元件是指传感器中能够将敏感元件感受或响应的被测量转换成电信号的部分；调节转换电路是指将非适合电量进一步转换成适合电量的部分。

3.传感器的发展趋势

1新特性（努力实现传感器的新特性）

2可靠性（确保传感器的可靠性，延长其使用寿命）

3集成智能（体感传感器的集成化和智能化程度）

4微型（传感器微型化）

5仿生（发展仿生物传感器）

6新材料（新型功能材料开发）

7多融合（多传感器信息融合）

4.按被测量的不同传感器可以分为哪几类

1按感知外界信息基本效应不同分为物理传感器，化学传感器，和生物传感器等

2按被测量不同分为力学量/热量/液体成分/气体成分/真空/光/磁/离子/放射线传感器等

2按敏感材料不同分为金属/半导体/光纤/陶瓷/高分子材料/复合材料传感器等

3按工作原理不同分为应变式/电感式/电容式/压电式/磁电式/光电式/热电式/气敏/湿敏传感器等

5.传感器的特性及其概念

6.传感器的静态特性包括那几个重要指标

传感器的特性是指传感器的输入量和输出量之间的对应关系。通常分为

静态特性：输入不随时间变化而变化的特性（重要指标包括线性度、灵敏度、重复性、迟滞、零点漂移、温度漂移等）

动态特性：输入随时间变化而变化的特性（可从时域和频率方面即对应阶跃响应法和频率响应法方面分析）

7..电感式传感器的概念及每类传感器的基本概念

1应变式传感器：基于电阻应变片的应变效应（对半导体应变片而言为压阻效应）。

2电感式传感器：基于电磁感应原理，利用磁路磁阻变化引起传感器线圈的电感（自感系数或互感系数）变化来检测非电量的一种机电转换装置。常见有自感式，互感式，涡流式等。

3电容式传感器：可以把某些非电量的变化通过一个可变电容器转换成电容量变化的装置。常见有变极距型，变面积型，变介质型。

4压电式传感器：基于压电材料受力作用而变形时，其表面会有电荷产生，从而实现非电量测量原理。压电式传感器是典型的有源传感器，常见有单向力，双向力，三向力。

5磁电式传感器：利用电磁感应原理将运动速度转换成感应电动势输出的传感器。又称感应式或电动式

传感器。常见有磁电感应式，霍尔式，磁敏电阻，慈磁敏二极管，磁敏晶体管。

6光电式传感器：利用光电器件把光信号转换成电信号的装置。先将被测量的变化转换成光量的变化，通过光电器件把光量的变化转化为相应的电量变化，实现非电量测量。常见有光敏电阻，光敏二极管，光敏晶体管。

7热电式传感器：将温度变化转换为电量变化的装置，它利用敏感元件的特征参数随温度变化而变化的特性来达到测量目的。常见有热电阻，热电偶，热敏元件。

8气敏传感器：用来测量气体的类别，浓度和成分的传感器。由“识别”和“放大”两部分非组成。常见分为半导体气敏传感器和非半导体气敏传感器两类。

9湿敏传感器：用以感受大气湿度并转化为适当电信号的传感器。

8.画图并说明电涡流传感器测转速的基本原理

在一个旋转金属体上加一个有N个齿的齿轮，旁边安装电涡流传感器，如下图所示，当旋转体转动时，电涡流传感器将周期地改变输出信号，改输出信号的频率可由频率计测出，由此可计算出转速

9.根据电容量大小的公式说明电容式传感器的几种类型，并画出电容式传感器的等效电路

B

A

电容式传感器的电容量为d A

C ε=，其中r εεε0=，m F /1085.8120-⨯≈ε，为真空介电常数；r

ε为极板间介质相对介电常数；A 为两平行板所覆盖的面积；d 为两平行板间的距离。据此原理，故可将电容式传感器分为变极距型，变面积型，变介质型。其等效电路如图所示。

其中s R 代表引线电阻、电容支架和极板间的电阻（其值随着

f 增大而增大，故在高频时才加以考虑）。L 应包括电缆的电感。p R 为并联损耗电阻,代表极板间的泄漏电阻和极板间的介质损耗（随着f 增大其值即容抗减小，对系统的影响随之减弱）

10.什么是压电效应及其分类。为什么不能用压电传感器测静态压力

压电效应是当沿着一定方向对某些电介质施力而使它变形时，其内部就产生极化现象，同时在它的两个表面上便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的现象，这种现象又称为正压电效应。（当作用力的方向改变时，电荷的极性也随着改变）

相反，当在电介质的极化方向上施加电场时，这些电解质也会产生变形，这种现象称为逆压电效应。

压电传感器可以等效为一个电荷发生器或电容器，但其产生的电荷量很微弱,在极短的时间内便会由自身泄漏掉，只有在动态力作用下，电荷才可以不断补充，不至于完全泄漏掉。故在静态作用力作用下，无论是否受力，无论受力多大，都无信号输出。所以压电传感器不能用于静态测量。

11.说明压电传感器转换电路中的电压放大器与电荷放大器的优缺点及各自要解决的问题

压电式传感器本身的内阻抗很高，而输出能量较小，因此它的转换电路通常需要接入一个高输入阻抗的前置放大器，其作用为：1. 把它的高输出阻抗变换为低输出阻抗；2.放大传感器输出的微弱信号。压电传感器的输出可以是电压信号，也可以是电荷信号，因此前置放大器也有两种形式：电压放大器和电荷放大器。 正压电 变形（压力） 逆压电 极化（电场） 机械能电能