现代传感理论与技术试题
中北大学
2013/2014 学年第二学期
现代传感理论与技术课程考试题目
一、（共10分）
常见的电感式传感器有哪些？对其工作原理应用进行简单的说明。举例说明电感式传感器的应用。
答：常见的电感式传感器：变磁阻式传感器—变磁阻式转速传感器、差动变压器式传感器—互感式、电涡流式传感器—电涡流式。
①变磁阻式传感器-变磁阻式转速传感器：
原理：它利用磁通变化而产生感应电势，其电势大小取决于磁通变化的速率。这类传感器按结构不同又分为开磁路式和闭磁路式两种。开磁路式转速传感器结构比较简单，输出信号较小，不宜在振动剧烈的场合使用。闭磁路式转速传感器由装在转轴上的外齿轮、内齿轮、线圈和永久磁铁构成。内、外齿轮有相同的齿数。当转轴连接到被测轴上一起转动时，由于内、外齿轮的相对运动，产生磁阻变化，在线圈中产生交流感应电势。测出电势的大小便可测出相应转速值。
应用：压力测量、力与力矩测量、加速度测量、位移的测量、振幅的测量、厚度的测量、转速测量和涡流探伤等。
②差动变压器式传感器—互感式：
原理：主要是由一个线框和一个铁芯组成,在线框上绕有一组初级线圈作为输入线圈(或称一次线圈),在同一线框上另绕两组次级线圈作为输出线圈(或称二次线圈),并在线框中央圆柱孔中放入铁芯,当初级线圈加以适当频率的电压激励时,根据变压器作用原理,在两个次级线圈中就会产生感应电势,当铁芯向右或向左移动时,在两个次级线圈内所感应的电势一个增加一个减少。如果输出接成反向串联，则传感器的输出电压u等于两个次级线圈的电势差，因为两个次级线圈做得一样，因此，当铁芯在中央位置时，传感器的电压u为0，当铁芯移动时，传感器的输出电压u就随铁芯位移x成线性的增加。如果以适当的方法测量u，就可以得到与x成比例的线性读数。
应用：因为差动变压器作为位移传感器的优良特性，几乎在一切工业领域得到了应用1）钢铁工业：高炉的炉顶水平检测、连续铸造轧辊间隙、砂型振动、凸度等检测，铁水包、中间包等滑动水口的位置检测等。
2）重型电机工业：蒸汽透平的主阀、旁通阀的阀升程检测，升降机的姿势监控等。
3）工程机械工业：数控机床模拟检测用的测量头。
4）陶瓷工业：耐火材料的热膨胀检测，模板玻璃的形状检测。
5）船舶、车辆工业：柴油机的燃料分类位置检测，汽车发动机的燃料喷射阀的动态特性检测，轮胎、车轮的偏心量检测。
6）测重机工业：自动计量袋装重量的装置，沥青送料装置计重机。
7）计测仪器、试验机工业：用于金属材料和塑料等牵引试验、蠕变试验，流量计、液面计的信号变换部分，土木建筑构件的机械试验。
8）一般工业：组装轴承的隔片选片机，冲压时的动作偏差检测，工件的尺寸和形状偏差检测等。
③电涡流式传感器
原理：电涡流式传感器有时也叫电感式接近传感器。它是利用导电物体在接近这个能产生电磁场接近开关时，使物体内部产生涡流。这个涡流反作用到接近开关，使开关内部电路参数发生变化，由此识别出有无导电物体移近，进而控制开关的通或断。这种接近传感器所能检测的物体必须是导电体。通常，电感式传感器由四大部分组成：线圈、振荡器、触发电路及放大输出电路。振荡器产生一个高频电磁场，由线圈引出，然后再在传感器的感应端发出。当金属目标接近这一电磁场时，金属物体内将产生涡流，涡流的产生将吸收电磁场和震荡器的能量。
当金属物体不断靠近传感器端面，能量的被吸收而导致衰减，当衰减达到一定程度时，触发电路将触发开关输出信号，从而达到非接触式之检测目的。
应用：电涡流式传感器可应用于测量振动，位移，厚度，转数，温度，硬度等参数，还可以进行无损探伤。KD2306电涡流式传感器在位移方面的应用，可用于旋转机器轴向位移和胀差检测。
二、（共10分）
光电传感器的基本工作原理和基本组成。
工作原理：光电传感器是通过把光强度的变化转换成电信号的变化来实现控制的。
由光通量对光电元件的作用原理不同所制成的光学测控系统是多种多样的,按光电元件(光学测控系统)输出量性质可分二类,即模拟式光电传感器和脉冲(开关)式光电传感器.模拟式光电传感器是将被测量转换成连续变化的光电流,它与被测量间呈单值关系.模拟式光电传感器按被测量(检测目标物体)方法可分为透射(吸收)式,漫反射式,遮光式(光束阻档)三大类.所谓透射式是指被测物体放在光路中,恒光源发出的光能量穿过被测物,部份被吸收后,透射光投射到光电元件上;所谓漫反射式是指恒光源发出的光投射到被测物上,再从被测物体表面反射后投射到光电元件上;所谓
遮光式是指当光源发出的光通量经被测物光遮其中一部份,使投射到光电元件上的光通量改变,改变的程度与被测物体在光路位置有关.
基本组成：光电传感器在一般情况下，有三部分构成，它们分为：发送器、接收器和检测电路。
发送器对准目标发射光束，发射的光束一般来源于半导体光源，发光二极管(LED)、激光二极管及红外发射二极管。光束不间断地发射，或者改变脉冲宽度。接收器有光电二极管、光电三极管、光电池组成。在接收器的前面，装有光学元件如透镜和光圈等。在其后面是检测电路，它能滤出有效信号和应用该信号。此外，光电开关的结构元件中还有发射板和光导纤维。三角反射板是结构牢固的发射装置。它由很小的三角锥体反射材料组成，能够使光束准确地从反射板中返回，具有实用意义。它可以在与光轴0到25的范围改变发射角，使光束几乎是从一根发射线，经过反射后，还是从这根反射线返回。
应用：它可用于检测直接引起光量变化的非电量，如光强、光照度、辐射测温、气体成分分析等；也可用来检测能转换成光量变化的其他非电量，如零件直径、表面粗糙度、应变、位移、振动、速度、加速度，以及物体的形状、工作状态的识别等。
1）防止工业烟尘污染是环保的重要任务之一。为了消除工业烟尘污染，首先要知道烟尘排放量，因此必须对烟尘源进行监测、自动显示和超标报警。烟道里的烟尘浊度是用通过光在烟道里传输过程中的变化大小来检测的。如果烟道浊度增加，光源发出的光被烟尘颗粒的吸收和折射增加，到达光检测器的光减少，因而光检测器输出信号的强弱便可反映烟道浊度的变化。
2）光电池在光电检测和自动控制方面的应用
光电池作为光电探测使用时，其基本原理与光敏二极管相同，但它们的基本结构和制造工艺不完全相同。由于光电池工作时不需要外加电压；光电转换效率高，光谱范围宽，频率特性好，噪声低等，它已广泛地用于光电读出、光电耦合、光栅测距、激光准直、电影还音、紫外光监视器和燃气轮机的熄火保护装置等。
三、（10分）
什么叫电涡流？电涡流传感器可以进行哪些物理量的检测？能否可以测量非金属物体，为什么？
电涡流：当成块的金属处于变化着的磁场中或者在磁场中运动时，金属体内都会产生感应电动势，从而在金属体内产生电流，该电流即被称为涡流。
电涡流传感器的物理量检测：位移检测、与表面电导率有关的表面温度检测、表面裂纹检测等和与材料磁导率有关的材料型号检测、表面硬度检测等。
大部分不能实现非金属检测，因为其不能产生电涡流效应，比如橡胶；少部分能实现非金属检测，因为其是导体，能产生电涡流效应，比如石墨。
四、（10分）
电容式传感器的基本原理和等效电路是什么？从其物理意义上和基本原理上来分析，它有哪些种类方面的传感器？主要有哪些方面的具体应用？
原理：由绝缘介质分开的两个平行金属板组成的平板电容器，如果不考虑边缘效应，其电容量为：
d S d S C r εεε0==
式中：εr —— 相对介电常数； ε0—— 真空中的介电常数，ε0=8.85×10-12 [F/m]；
S —— 两极板间相互覆盖面积，m2；
δ —— 两极板之间的距离，m 。
当被测参数变化使得S 、 d 或ε发生变化时，电容量C 也随之
变化。
等效电路：图中考虑了电容器的损耗和电感效应。Rp －并联损耗电阻，它代表极板间的泄漏电阻和介质损耗。这些损耗在低频时影响较大，随着工作频率增高，容抗减小，其影响就减弱。
计算有效电容Ce(为了计算方便，忽略Rs 和Rp):
L j C
j C j e ωωω+=11
LC C C e 21ω-= ?
??-?=-?+-?=?222222)1()1(1LC C LC C LC LC C C e ωωωω
电容的实际相对变化量为：
LC C C C C e e 21/ω-?=?
分类：从其物理意义上和基本原理上来分析，电容式传感器可分为：变极距型电容传感器、变面积型电容传感器和变介质型电容传感器。
1）ZCS1100型精密电容位移传感器。本传感器可以在线检测压电微位移、振动台，电子显微镜微调，天文望远镜镜片微调，精密微位移测量等。该传感器是一个单一的通道，高性能线性位移测量系统，创新的电容位移测量技术，提供了纳米测量能力，成本低，适合测量任何导电目标。
2）FWS-CⅡ型在线电容式水分检测传感器。在线检测各种工作机械的液压、润滑系统介质的含水率，特别是外部水容易渗入机械内部的轧钢机、造纸机、汽轮机、船舶机械。监视循环油系统是否存在泄漏，如水冷却器等。
3）FW-C1型电容式润滑油实时在线监测传感器。本传感器可以在线准确测定润滑油的污染程度，包括氧化程度、含水量和其它机械化学杂质污染度，从而精确测定润滑油质量，判定是否需要更换润滑油，即可节约油料，又能预测设备故障，是设备润滑油管理中改变传统的按期换油，实现按质换油的关键部件。本传感器采用螺纹连接，体积小，重量轻，结构可靠，是理想的在线润滑油检测传感器，可普遍应用于各类大型动力机械，轴承，齿轮箱，泵机和汽轮机的润滑油检测质量实时检测中。
4）电容式压力传感器
5）加速度传感器
6）差动式电容测厚传感器
7）电容式陀螺仪传感器
五、（10分）
霍尔效应定义及霍尔效应在传感器中的应用有哪些?
霍尔效应：霍尔效应是电磁效应的一种，这一现象是美国物理学家霍尔（A.H.Hall，1855—1938）于1879年在研究金属的导电机制时发现的。当电流垂直于外磁场通过导体时，在导体的垂直于磁场和电流方向的两个端面之间会出现电势差，这一现象就是霍尔效应。这个电势差也被称为霍尔电势差。霍尔效应应使用左手定则判断。
应用：利用霍尔效应，可以确定半导体的导电类型和载流子浓度，利用霍尔系数和电导率的联合测量，可以用来研究半导体的导电机构(本征导电和杂质导电)和散射机构(晶格散射和杂质散射)，进一步确定半导体的迁移率、禁带宽度、杂质电离能等基本参数。测量霍尔系数随温度的变化，可以确定半导体的禁带宽度、杂质电离能及迁移率的温度特性。
根据霍尔效应原理制成的霍尔器件，可用于磁场和功率测量，也可制成开关元件，在自动控制
和信息处理等方面有着广泛的应用。
六、1）试证明热电偶的中间半导体定律。
2）将一只灵敏度为0.08mv/℃的热电偶与毫伏表相连，已知接线端温度为50℃，毫伏表的输出为60mv，求热电偶端的温度为多小？
3）热敏电阻的电阻--温度特性有什么不同？
（1）热电偶的中间半导体定律证明：热电偶中间导体定律是指，在热电偶回路中接入中间导体（第三导体），只要中间导体两端温度相同，中间导体的引入对热电偶回路总电势没有影响。中间导体定律，是热电偶实际测温应用中，采用热端焊接，冷端经连接导线与显示仪表连接构成测温系统的依据。
热电偶产生的热电势由接触电势与温差电势两部分组成。
接触电势：不同的导体材料，其电子的密度是不同的。当两种不同材料的导体A、B连接在一起时，在连接处，会发生电子扩散，电子扩散的速率与自由电子的密度以及导体的温度成正比。设导体A、B中的自由电子密度分别为Na和Nb ，且Na>Nb，则在单位时间内，导体 A扩散到导体B的电子数要大于从导体B向导体A扩散的电子数，因此，导体A因失去电子而带正电，导体B因得到电子而带负电，于是，在接触处便形成了电位差，即接触电势。在接触处所形成的接触电势将阻碍电子的进一步扩散。当电子扩散能力与电场的阻力达到相对平衡时，接触电势就达到了一个相对稳定值。导体A、B的接触电势Eab(t)为:(KT/e)ln(Na/Nb) （式中：K－波尔兹曼常数；T－接触点的绝对温度；e－电子电荷量；Na和Nb－导体A、B的自由电子密度）
温差电势：同一导体由于两端温度不同而产生的电势。
在 A、B 两种导体构成的热电偶回路中，总热电势包括两个接触电势和两个温差电势。
Eab(t,to)＝Eab(t)－Eab(to)＋Eb(t,to)－Ea(t,to) （公式1）可见：1.若两根导体材质相同，无论温差如何，回路总电势为0；
2.若两端温度相同，即使两根导体材质不同，回路总电势为0。
在 A、B.C 三种导体构成的热电偶回路中，总热电势包括三个接触电势和三个温差电势。
Eabc(t,to)＝Eab(t)＋Eb(t,to)＋Ebc(to)＋Ec(to,to)＋Eca(to)－Ea(t,to) （公式2）当导体 C 两端温度相同时导体 C 无温差电势。即Ec(to,to)＝0。导体 C 两端的接触电势为：Ebc(to)＋Eca(to)＝(KTo/e)ln(Nbto/Ncto)＋(KTo/e)ln(Ncto/Nato)
＝(KTo/e)ln(Nbto/Nato)＝－Eab(to)
此时，Eabc(t,to)＝Eab(t)－Eab(to)＋Eb(t,to)－Ea(t,to)＝Eab(t,to)。即，当导体
C 两端温度相同时 公式2＝公式1，中间导体 C 的影响完全消失。
（2）60508000.08
T =+= （3）热敏电阻的电阻温度系数大，电阻与温度的关系近似于线性或为平滑曲线。
七、（共10分）
根据工作原理可将电容式传感器分为哪几种类型？图1 为何种电容式传感器？图1中a ＝8mm ，b ＝12mm ，两级板间距离为1mm 。一块极板在原始位置上平移了5mm 后，求该传感器的位移灵敏度K （已知空气相对介电常数ε＝1F/m ，真空时的介电常数ε0
＝8.854Χ10-12 F/m ）。
图1 电容传感器
（1）根据工作原理可将电容式传感器分为：
① 变极距型电容传感器, 一般变极板间距离电容式传感器的起始电容在20～100pF 之间，极板间距离在25～200mm 的范围内。最大位移应小于间距的1/10，故在微位移测量中应用最广。 ②变面积型电容式传感器, 能够进行力、位移和转角的测量。
③变介质型电容式传感器，变介质型电容传感器有较多的结构形式，可以用来测量纸张、绝缘薄膜等的厚度，也可用来测量粮食、纺织品、木材或煤等非导电固体介质的湿度。
（2）图1 为变面积电容式传感器。 （3）
000000()()
3/80.00625512
r r r A a b C d d a b C d C a K A A εεεεεε=
======?
八、（共10分）
电阻应变片传感器与压阻式传感器的基本工作原理是什么？两者之间有什么区
别和联系？
电阻应变片传感器工作原理：电阻应变片的测量原理为：金属丝的电阻值除了与材料的性质有关之外，还与金属丝的长度，横截面积有关。将金属丝粘贴在构件上，当构件受力变形时，金属丝的长度和横截面积也随着构件一起变化，进而发生电阻变化。
dR/R=Ks*ε
其中，Ks为材料的灵敏系数，其物理意义是单位应变的电阻变化率，标志着该类丝材电阻应变片效应显著与否。ε为测点处应变，为无量纲的量，但习惯上仍给以单位微应变，常用符号με表示。
由此可知，金属丝在产生应变效应时，应变ε与电阻变化率dR/R成线性关系，这就是利用金属应变片来测量构件应变的理论基础。
压阻式传感器的基本工作原理：压阻式传感器是根据半导体材料的压阻效应在半导体材料的基片上经扩散电阻而制成的器件。其基片可直接作为测量传感元件，扩散电阻在基片内接成电桥形式。当基片受到外力作用而产生形变时，各电阻值将发生变化，电桥就会产生相应的不平衡输出。用作压阻式传感器的基片（或称膜片）材料主要为硅片和锗片，硅片为敏感材料而制成的硅压阻传感器越来越受到人们的重视，尤其是以测量压力和速度的固态压阻式传感器应用最为普遍。
两者之间有什么区别和联系：电阻应变片式主要是金属丝式、铂式，而压阻式的材料主要是半导体，它们都是受力产生变形，从而导致电阻产生变化，所以他们都属于电阻式传感器
九、（共10分）
光电效应一般分为哪几个类型？并对各类型做简单的解释。
答：光电效应一般分为：外光电效应和内光电效应。
外光电效应：在光的作用下，物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象叫做外光电效应。
当金属表面在特定的光辐照作用下，金属会吸收光子并发射电子，发射出来的电子叫做光电子。光的波长需小于某一临界值（相等于光的频率高于某一临界值）时方能发射电子，其临界值即极限频率和极限波长。临界值取决于金属材料，而发射电子的能量取决于光的波长而非光的强度，这一点无法用光的波动性解释。还有一点与光的波动性相矛盾，即光电效应的瞬时性，按波动性理论，如果入射光较弱，照射的时间要长一些，金属中的电子才能积累住足够的能量，飞出金属表面。可事实是，只要光的频率高于金属的极限频率，光的亮度无论强弱，电子的产生都几乎是瞬时的，不超过十的负九次方秒。正确的解释是光必定是由与波长有关的严格规定的能量单位(即光子或光量子)所组成。这种解释为爱因斯坦所提出。光电效应由德国物理学家赫兹于1887年发现，对发展量子理论及波粒二象性起了根本性的作用。
内光电效应：当入射光子射入到半导体表面时，半导体吸收入射光子产生电子空穴对，使其自生电导增大。
内光电效应是光电效应的一种，主要由于光量子作用，引发物质电化学性质变化（比如电阻率改变，这是与外光电效应的区别，外光电效应则是逸出电子）。内光电效应又可分为光电导效应和光生伏特效应。
十、（共10分）
常见的半导体传感器有哪些？对其工作原理应用进行简单的说明。
常见的半导体传感器有:温度传感器、压力传感器、湿度传感器、气体传感器、离子传感器和生物传感器。
温度传感器：一般随温度的上升，半导体中载流子浓度增加、电阻降低。利用这种效应可以制成热敏电阻。由于半导体载流子浓度与温度有关，还会产生显著的塞贝克效应。当P 型半导体两端存在温度差墹T，热端的空穴浓度大，因此空穴向冷端扩散，并在此端产生正的空间电荷场（图2）。这个电压（塞贝克电压uS）约为150μV/K。对N型半导体，载流子为电子，冷端连接点为负。因此，同时使用P型与N型半导体电偶的uS可达300μV/K，比金属的uS（40μV/K）大一个数量级。
压力传感器：半导体在承受压力时禁带宽度发生变化，导致载流子浓度和迁移率变化。这样引起的电阻变化比金属丝受压时截面积减小引起的电阻变化要大两个数量级。因此半导体压力传感器具有高灵敏度。将 P型半导体与 N型半导体组合使用还可制成灵敏度更高的压力传感器。扩散型半导体压力传感器采用集成电路工艺制成，可以提高性能，改进测量的精度。如加工硅单晶制成受压膜片，在其表面用平面工艺扩散再制成压力规，由于二者处在同一硅片上，可以减少滞后、提高精度。
使用半导体压力传感器测量生物体各部分的压力比使用古老的脉压、血压测量方法，具有精度高、体积小、可在生物体自然状态下测量和安全（微小电流）的优点。
湿度传感器：当半导体表面或界面吸附气体分子或水分子时，半导体表面或界面的能带发生变化。利用这种半导体电阻的变化可检测气体或湿度。半导体湿度传感器具有体积小、重量轻的特点，实用的有ZnO-Cr2O3系、TiO2-V2O5系陶瓷湿度传感器。ZnO-Cr2O3系陶瓷湿度传感器用于室内空调，可精密控制湿度，与微机结合能自动去湿，节省电能。TiO2-V2O5系陶瓷湿度传感器耐热性好，可测量60℃以上的环境湿度，还可用于医药、合成纤维工厂中存在有机物蒸气时的湿度测量。
气体传感器：气体传感器分为电阻式与非电阻式两种。
电阻式采用SnO2、ZnO等金属氧化物材料制备，有多孔烧结件、厚膜、薄膜等形式。根据半导体与气体的相互作用是发生在表面还是体内，又分为表面控制型与体控制型。表面控制型电阻式传感器包括SnO2系传感器、ZnO系传感器、其他金属氧化物（WO3、V2O5、CdO、Cr2O3等）材料的传感器和采用有机半导体材料的传感器。体控制型电阻式传感器包括Fe2O3系传感器、ABO3型传感器和燃烧控制用传感器。这类传感器可检测甲烷、丙烷、氢、一氧化碳等还原性气体，氧、二氧化氮等氧化性气体，具有强吸附力的胺类和水蒸汽等。
非电阻式气体传感器利用气体吸附和反应时引起的功函数变化来检测气体。它可分为金属－半导体结二极管型传感器（利用金属与半导体界面上吸附气体时，二极管整流特性的变化）、MOS二极管型传感器（采用MOS结构，通过C-V特性的漂移检测气体）和MOS FET型传感器（通过MOS FET 的阈值电压变化检测气体）。
半导体气体传感器灵敏度高，可用于可燃气体防爆报警器，CO、H2S等有毒气体的监测器。通过稳定性研究，一些传感器可用于气体浓度的定量监测。半导体气体传感器在防灾、环境保护、节能、工程管理、自动控制等方面有广泛的应用。
离子传感器：半导体表面的电阻随垂直于表面的电场变化。利用这种场效应制成的绝缘栅场效应晶体管 (IGFET）可作为化学传感器。而在测量离子时，即称为离子灵敏场效应晶体管（ISFET）。ISFET的栅绝缘层表面只对特定的离子产生响应并形成离子感应层。这种界面电位的变化通过FET 的漏极电流变化检出。ISFET的小型化不存在离子选择电极电阻过大的问题，它的输出阻抗很小。由于界面双电层的稳定性，即使在浓度很低的情况下也能检出界面电位的变化，因此具有很高的灵敏度（见场效应化学传感器）。ISFET可用来测量H+、Na+、K+、Ca++、Ag+、NH嬃等阳离子和F-、Cl-、Br-、I-、CN-等阴离子，还可制成复合ISFET（即同一 ISFET可测几种不同的离子）和FET型的参考电极（REFFET）等。
生物传感器：改变 ISFET敏感膜或采用其他结构可以检出复杂的生物化学物质。这种传感器用于医疗、食品、医药、环境保护等方面。例如，在临床化学检查中，用固定酵素作电极的方法对血液中葡萄糖、淀粉酶、甲胍乙丙脂、尿素、尿酸进行分析，迅速而又简便。生物传感器正向检测更复杂的生物关联物质、免疫物质、细胞和微生物的方向发展。
采用集成化技术，将半导体传感器与信息处理电路集成于同一芯片，可以增加传感器的功能。此外，还可以在同一衬底上制作能检出不同对象的具有复合功能的半导体传感器器件。已出现单片集成传感器和混合集成传感器，将传感器与微处理机相结合可以制成具有自动补偿功能和预知判断功能的智能化器件。
半导体传感器优点是灵敏度高、可靠性好、可实现多功能、小型化、智能化，缺点是多感性、选择性差、在极限状态下（例如高温）不能使用。针对结晶型半导体传感器的不足，人们正在研
究无定形半导体传感器。