传感器复习课2

一、填空（共20分，每空2分）（1）按传感器的工作原理，可以分为物理型、化学型、生物型三类；（2）传感器检测时，在正(输入量增大)反（输入量减小）行程中测试得到的输出输入曲线不重合称为迟滞。（3）衡量传感器精度的指标有三个：说明传感器输出值的分散性指标为精密度，说明传感器输出值与真值的偏离程度的指标为准确度，说明传感器精度的综合指标为精确度。（4）当金属在外力作用下发生机械变形时，其电阻值将发生变化，这种现象称为金属的电阻应变效应；单晶硅材料在受到应力作用后，其电阻率发生明显变化，这种现象被称为压阻效应。（5）表示温度大小的尺度称为温标，目前常用的温标有：热力学温标、国际实用温标、摄氏温标、华氏温标。（6）磁敏传感器是对磁场参量磁感应强度B、磁场强度H、磁通量φ敏感的元器件或装置，具有把磁学物理量转换为电信号的功能。（7）冰点槽法是热电偶试验中经常使用的一种方法。这种方法使用了热电偶测温定律。（8）通电的导体或半导体，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势的现象称之为霍耳效应。（10）光敏电阻采用的物理原理为光电效应。（9）太阳能电池采用的物理原理为光生伏特效应。二、简答题（共50分，每题10分）（1）简述传感器的组成结构。敏感元件是直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的某一物理量的元件。转换元件：敏感元件的输出就是它的输入，它把输入转换成电路参量。基本转换电路：上述电路参数接入基本转换电路（简称转换电路），便可转换成电量输出。（2）什么是外光电效应？是指物体吸收了光能后转换为该物体中某些电子的能量，从而产生的电效应。光电传感器的工作原理基于光电效应。光电效应分为外光电效应和内光电效应两大类。1、外光电效应在光线的作用下，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。向外发射的电子叫做光电子。基于外光电效应的光电器件有光电管、光电倍增管等。光子是具有能量的粒子，每个光子的能量：E=hνh—普朗克常数，6.626×10-34J·s；ν—光的频率（s-1）根据爱因斯坦假设，一个电子只能接受一个光子的能量，所以要使一个电子从物体表面逸出，必须使光子的能量大于该物体的表面逸出功，超过部分的能量表现为逸出电子的动能。外光电效应多发生于金属和金属氧化物，从光开始照射至金属释放电子所需时间不超过10-9s。根据能量守恒定理，式中m—电子质量；v0—电子逸出速度。该方程称为爱因斯坦光电效应方程。光电子能否产生，取决于光电子的能量是否大于该物体的表面电子逸出功A0。不同的物质具有不同的逸出功，即每一个物体都有一个对应的光频阈值，称为红限频率或波长限。光线频率低于红限频率，光子能量不足以使物体内的电子逸出，因而小于红限频率的入射光，光强再大也不会产生光电子发射；反之，入射光频率高于红限频率，即使光线微弱，也会有光电子射出。当入射光的频谱成分不变时，产生的光电流与光强成正比。即光强愈大，意味着入射光子数目越多，逸出的电子数也就越多。02021Amh光电子逸出物体表面具有初始动能mv02/2，因此外光电效应器件（如光电管）即使没有加阳极电压，也会有光电子产生。为了使光电流为零，必须加负的截止电压，而且截止电压与入射光的频率成正比。（3）简述正压电效应和逆压电效应的物理原理。正压电效应（顺压电效应）：某些电介质，当沿着一定方向对其施力而使它变形时，内部就产生极化现象，同时在它的一定表面上产生电荷，当外力去掉后，又重新恢复不带电状态的现象。当作用力方向改变时，电荷极性也随着改变。逆压电效应（电致伸缩效应）：当在电介质的极化方向施加电场，这些电介质就在一定方向上产生机械变形或机械压力，当外加电场撤去时，这些变形或应力也随之消失的现象。（4）简述如图所示热电偶回路中，为什么电位计E能够测量到T和T0之间的电势差。中间导体定律：一个由几种不同导体材料连接成的闭合回路，只要它们彼此连接的接点温度相同，则此回路各接点产生的热电势的代数和为零。如图，由A、B、C三种材料组成的闭合回路，则E总=EAB（T）+EBC（T）+ECA（T）=0三种不同导体组成的热电偶回路根据上述原理，可以在热电偶回路中接入电位计E，只要保证电TABCTT位计与连接热电偶处的接点温度相等，就不会影响回路中原来的热电势，接入的方式见下图所示。接入后的（5）简要说明第一对称电桥测金属应变片电阻的原理。根据电桥的工作原理，在电桥的负载电阻无穷大时，电桥的输出电压为：如果R1=R2=R,R3=R4=R’,则电桥平衡，Ug=0；如果R1有一增量ΔR，电桥的输出电压为上式表明：第一对称电桥的输出电压与等臂电桥相同。第一对称电桥UgR2=RR4=R’R1=RR3=R’EBACDT0TET0热电偶回路中接入电位原图计原图E43213241RRRRRRRREUgRRRERRRRRRRREUg2422RRRRE21114若RΔR，这时输出电压与应变成正比。（6）如图为某光敏电阻的伏安特性曲线，请叙述该特性曲线的物理含义（1.什么是光敏电阻的伏安特性曲线，2.曲线a和b的表示的物理意义）。在一定照度下，加在光敏电阻两端的电压与电流之间的关系称为伏安特性。图中曲线1、2分别表示照度为零及照度为某值时的伏安特性。由曲线可知，在给定偏压下,光照度较大，光电流也越大。在一定的光照度下，所加的电压越大，光电流越大，而且无饱和现象。但是电压不能无限地增大，因为任何光敏电阻都受额定功率、最高工作电压和额定电流的限制。超过最高工作电压和最大额定电流，可能导致光敏电阻永久性损坏。（7）如图所示为光电转速传感器工作原理示意图，请叙述该传感器是如何工作的。U/V50100150200ab02040I/μAa零照度b某一强度光照射时某光敏电阻的伏安特性曲线图121光源2光敏元件光电数字式转速表工作原理图在待测转速轴上固定一带孔的转速调置盘，在调置盘一边由白炽灯产生恒定光，透过盘上小孔到达光敏二极管组成的光电转换器上，转换成相应的电脉冲信号，经过放大整形电路输出整齐的脉冲信号，转速由该脉冲频率决定。（8）如图所示为遮光式光纤温度警报传感器工作原理示意图，请叙述该传感器是如何工作的。遮光式光纤温度计：下图为一种简单的利用水银柱升降温度的光纤温度开关。可用于对设定温度的控制，温度设定值灵活可变。（9）简述光纤传感器的工作原理。光是一种电磁波，其波长从极远红外的lmm到极远紫外线的10nm。它的物理作用和生物化学作用主要因其中的电场而引起。因此，讨论光的敏感测量必须考虑光的电矢量E的振动，即A——电场E的振幅矢量；ω——光波的振动频率；φ——光相位；t——光的传播时间。可见，只要使光的强度、偏振态(矢量A的方向)、频率和相位等参量之一随被测量状态的变化而变化，或受被测量调制，那么，通过对光的强度调制、偏振调制、频率调制或相位调1234水银柱式光纤温度开关1浸液2自聚焦透镜3光纤4水银tAEsin制等进行解调，获得所需要的被测量的信息。（10）简述感应式磁敏传感器探测良导体矿藏的工作原理。采用发射机向发射线圈供给交变电流，它在线圈周围则建立起交变电磁场，称为一次场。如果地下有良导矿体存在，则矿体被一次场所激发而在矿体内产生感应电流，这是一种涡旋电流（涡流），此涡流在空间也产生交变磁场向周围发射，这种场称为二次场或异常场。三、论述题（共30分，每小题各15分）1.在采用拟合直线分析传感器的线性误差时，比较常用的拟合方法有最小二乘拟合法，请推导说明该拟合直线是如何得到的。设拟合直线方程：y=kx+b若实际校准测试点有n个，则第i个校准数据与拟合直线上响应值之间的残差为Δi=yi-(kxi+b)最小二乘法拟合直线的原理就是使为最小值，即对k和b一阶偏导数等于零，求出a和k的表达式R交变场示意图T2imin2112niiiniibkxy2i022iiiixbkxyk即得到k和b的表达式:将k和b代入拟合直线方程，即可得到拟合直线，然后求出残差的最大值Lmax即为非线性误差。最小二乘拟合法2.简述如下图所示的天阳能电池系统的工作原理太阳电池电源系统主要由太阳电池方阵、蓄电池组、调节控制和阻塞二极管组成。如果还需要向交流负载供电，则加一个直流－交流变换器，太阳电池电源系统框图如图。太阳能电池电源系统充电器逆变器交流负载太阳电池方阵直流负载阻塞二极管0122bkxybiii22iiiiiixxnyxyxnk222iiiiiiixxnyxxyxb太阳能电池因光生伏特效应产生电能。阻塞二极管防止电流倒流电池充电器向蓄电池组充电，储藏电能④经过逆变器将直流换成交流电源以供使用。3.在使用热敏电阻用作传感器的温度补偿网络时，常使用如图所示的电阻网络，请论述补偿温度范围为T1~T2时，如何热敏电阻的型号。由热敏电阻器RT和与温度无关的线性电阻器R1和R2串并联组成，补偿温度范围为T1～T2。对于晶体管低频放大器和功率放大器电路的温度补偿，可用下列公式确定热敏电阻器的型号：T0—25℃时的温度αtn=-BN/T2R(T)R1R2Rr温度补偿网络)()()(221TRrTRrrTRTT02121200T22121222T12121211T)(TR)(TR)(TRTRrrrrrTRTRrrrrrTRTRrrrrrTR)11(exp)()(0101TTBTRTRNTT)11(exp)()(0202TTBTRTRNTT