传感器考试习题

第一章引言1、传感器的定义是什么？请画出传感器的组成框图并说明各部分的作用。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。通常由敏感元件和转换元件构成。传感器一般由敏感元件、转换元件、转换电路三部分组成。1.敏感元件（Sensitiveelement）：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。2.转换元件（Transductionelement）：以敏感元件的输出为输入，把输入转换成电路参数。3.转换电路（Transductioncircuit）：将上述电路参数转换成电量输出。2、写出传感器的灵敏度的定义及意义。描述传感器的输出量（电学量）对输入量（非电学量）敏感程度的特敏感元件转换元件信号调节转换电路测量电路电源电量输出量被测量输入量性参数注：传感器校准曲线的斜率即为灵敏度第二章应变式传感器本章作业：（作业题仅是列出）1、什么叫应变效应？利用应变效应解释金属电阻应变片的工作原理。2、金属电阻应变片与半导体应变片的工作原理有何区别？各有何优缺点？3、什么是传感器的静态特性？应变计的主要特性中，哪些和静态特性有关？分析之。作业：1、有一金属电阻应变计，其灵敏度k=2.5，R=120欧，设工作时其应变为1200，则是多少？若将此应变片与2V的直流电源组成回路，试求无应变时和有应变时的回路电流。2、什么是直流电桥？若按桥臂工作方式不同，可分为哪几种？各自的输出电压如何计算？3、试述应变片温度误差的概念，产生原因和补偿方法。应变式传感器基本上是利用金属的电阻应变效应将被测量转换为电量输出的一种传感器，其核心元件是电阻应变计（也称为电阻应变xy)x(k输入量的变化值输出量的变化值片），其功能是将机械构件上的应变转换为电阻应变。电阻应变计，也称应变计或应变片，是一种能将机械构件上的应变的变化转化为电阻变化的传感元件。电阻应变计的工作原理是基于电阻应变效应的。解释电阻应变效应：另见PPT温度误差产生的原因把应变计安装在自由膨胀的试件上,即使试件不受任何外力作用,如果环境温度发生变化,应变计的电阻也将发生变化。这种变化叠加在测量结果中将产生很大误差。这种由于环境温度改变而带来的误差,称为应变计的温度误差,又称热输出。产生温度误差的原因有二:（1）电阻本身随温度发生变化（即电阻温度系数的影响）（2）试件材料和电阻丝材料的线膨胀系数的影响当试件与电阻丝材料的线膨胀系数相同时,不论环境温度如何变化,电阻丝的变形仍和自由状态一样,不会产生附加变形。当试件和电阻丝线膨胀系数不同时,由于环境温度的变化,电阻丝会产生附加变形,从而产生附加电阻。温度补偿方法：电阻应变片的温度补偿方法通常有线路补偿法和应变片自补偿两大类。1电桥补偿法（利用电桥的和、差原理来达到补偿的目的）2.测温元件微型计算机补偿法3．应变计自补偿法第三章光电式传感器作业：1.什么是外光电效应？什么是内光电效应？2.内光电效应分为哪几类？基于各原理工作的器件有哪些？光电效应可分成外光电效应和内光电效应两类。热释电效应：利用热效应的光电传感器包含光-热、热-电，两个阶段的信息变换过程。光热阶段是物质吸收了光以后温度升高，热电阶段是利用某种效应将热转变为电信号。热释电效应就是这种效应之一。由于温度的变化，热释电晶体和压电陶瓷等会出现结构上的电荷中心相对位移，使它们的自发极化强度发生变化，从而导致电极上的自由电荷发生变化，这种现象称为热释电效应。光电倍增管是利用二次电子释放效应，将光电流在管内部进行放大。光电池的工作原理是基于“光生伏特效应”光电池的工作原理:P81光电池是一种直接将光能转换为电能的光电器件。电池的工作原理是基于“光生伏特效应”。它实质上是一个大面积的PN结,当光照射到PN结的一个面,例如p型面时,若光子能量大于半导体材料的禁带宽度,那么p型区每吸收一个光子就产生一对自由电子和空穴,电子－空穴对从表面向内迅速扩散,在结电场的作用下,最后建立一个与光照强度有关的电动势。热释电传感器结构及原理：热释电传感器利用热释电效应来检测受光面的温度升高值，得知光的辐射强度，工作在红外波段内。图3.64热释电传感器原理图红外光T＞0黑色膜电极(透明)强电介质电极(不透明)P－+++－－P图3.64热释电传感器原理图红外光T＞0黑色膜电极(透明)强电介质电极(不透明)P－+++－－P图3.65热释电传感器结构示意图PVDFFET硅窗地电极压环环形电极弹簧绝缘环图3.65热释电传感器结构示意图PVDFFET硅窗地电极压环环形电极弹簧绝缘环什么是外光电效应？什么是内光电效应？外光电效应指在光的照射下，电子逸出物体表面向外发射的现象内光电效应指受光照后物体(通常为半导体材料)电导率发生变化或产生光电动势的效应。内光电效应分为两类：光电导效应和光生伏特效应。光电导效应指入射光强改变物质电导率的现象。光生伏特效应指半导体材料吸收光能后，在PN结上产生电动势的效应。第四章光纤传感器作业1.说明光导纤维的组成并分析其导光原理，指出光纤导光的必要条件是什么？计算n1=1.64，n2=1.45的阶跃折射率光纤的数值孔径值。如果外部媒质为空气，求该光纤的最大入射角。光纤的导光能力取决于纤芯和包层的光学性能。数值孔径NA：（概念和计算题）说明光纤集光本领的术语叫数值孔径NA，即反映纤芯接收光量的多少。定义：光从空气入射到光纤输入端面时，处在某一角锥内的光线一旦进入光纤，就将被截留在纤芯内，此光锥半角的正弦称为数值孔径)(2221nnNA数值孔径反映纤芯接收光量的多少。其意义是:无论光源发射功率有多大,只有入射光处于2θc的光锥内,光纤才能导光。如入射角过大,则经折射后,光线会从包层逸出而产生漏光。所以NA是光纤的一个重要参数。一般希望有大的数值孔径,这有利于耦合效率的提高,但数值孔径过大,会造成光信号畸变,所以要适当选择数值孔径的数值。4.2强度型（振幅型）光纤传感器（听阿阳说可能考设计题以及工作原理，具体情况不详）可能考结合图说原理原理：根据被测目标表面反射至接收光纤束的光强度的变化来测量被测表面距离的变化。迈克尔逊（Michelson）干涉仪（解释原理）分束器：部分反射、部分透射的平面镜如果光往返于固定平面镜和活动平面镜的光程差小于激光器的相干长度，则透射到光监测器的两束光就会发生干涉。每当移动平面镜移动半波长的时候，监测器的输出就会变化一个周期。3.萨格奈克（Sagnac）干涉仪（原理）激光器输出的两束光沿着一条由一个分束器和三个平面镜构成的闭合光路反方向传输，它们重新合路后再入射到光检测器，同时一部分光返回到激光器。如果某块平面镜沿着与反射面垂直的方向移动，两个光程必然改变相同的数量，检测器不会检测到干涉过程的变化；若使干涉仪沿着垂直于光束平面的轴作顺时针旋转，则顺时针方向传输的光束必然滞后于逆时针传输的光束，其光程差为：cAL4说明光导纤维的组成并分析其导光原理，指出光纤导光的必要条件是什么？光纤目前基本上还是采用石英玻璃，是由中心的圆柱体(纤芯)和围绕着纤芯的圆形外层(包层)组成的双层同心圆柱结构。纤芯和包层主要由不同掺杂的石英玻璃制成。纤芯的折射率n1(光密介质)略大于包层的折射率n2（光疏介质），在包层外面还常有一层保护套，多为尼龙材料。光纤的导光能力取决于纤芯和包层的性质，而光纤的机械强度由保护套维持。光在空间沿着直线传播，在光纤中,光的传输限制在光纤中并能随光纤传送到很远的距离，光纤的传输是基于光的全内反射。当光线射入一个端面并与圆柱的轴线成θ角时,根据斯涅耳光的折射定律,在光纤内折射成θ′,然后以φ角入射至纤芯与包层的界面。若要在界面上发生全反射,则纤芯与界面的光线入射角φ应大于临界角φc,即12arcsinnnc并在光纤内部以同样的角度反复逐次反射,直至传播到另一端面为满足光在光纤内的全内反射,光入射到光纤端面的临界入射角θc应满足下式ccnnncos)2sin(sin111)()sin1(222211nnnc所以)(sin22201nnnc第五章电感式传感器作业：1.电感式传感器的结构组成以及测量原理是什么？2.试讨论螺管型差动变压器的输出特性电感式传感器的结构组成以及测量原理是什么？电感式传感器由线圈、铁芯和衔铁三部分组成。铁芯和衔铁由导磁材料如硅钢片或坡莫合金制成，在铁芯和衔铁之间有气隙，气隙厚度为δ，传感器的运动部分与衔铁相连。当衔铁移动时，气隙厚度δ发生改变，引起磁路中磁阻变化，从而导致电感线圈的电感值变化，因此只要能测出这种电感量的变化，就能确定衔铁位移量的大小和方向。5-15-1差动变隙式电感传感器：两只完全相同电感式传感器合用一个活动衔铁便构成了差动式电感传感器。传感器的两只电感线圈接成交流电桥的相邻的两臂，另外的另个桥臂由电阻组成。第六章压电传感器作业：1、什么是压电效应？说明石英晶体的压电特性。2、压电加速度传感器的工作原理是什么？1、用石英晶体加速度计及电荷放大器测量机器的振动，已知：加速度计灵敏度为5pc/g，电荷放大器灵敏度为50mv/pc，当机器达到最大加速度值时相应的输出电压幅值等于2V，试计算该机器的振动加速度。2、声表面波传感器的基本原理是什么？当某些晶体沿一定方向伸长或压缩时，在其表面上会产生电荷（束缚电荷），这种效应称为压电效应压电式加速度传感器的工作原理：P138压电式加速度传感器主要由压电元件、质量块、预压弹簧、基座及外壳等组成。整个部件装在外壳内,并用螺栓加以固定。当加速度传感器和被测物一起受到冲击振动时,压电元件受质量块惯性力的作用，此时惯性力F作用于压电元件上,因而产生交变电荷。SAW传感器的基本原理P148在压电材料表面形成叉指换能器，构成SAW振荡器或谐振器，使待测量作用SAW的传播路径，引起SAW的传播速度发生变化，从而使得振荡频率发生变化，通过频率的变化检测待测量。最后是本章作业和SAW加速度的传感器有关计算（具体不详）第七章压电声传感器机电等效图：等效线路法，等效电路法，是把机械振动、电振荡以及机电转换过程用机电类比的原理，形象的组合在一个等效图中，该等效图和它所代表的压电振子等效。厚度振动换能器原理：P157利用压电陶瓷的厚度振动模式，厚度换能器主要是由压电陶瓷晶片、保护膜和背衬组成圆柱形压电换能器原理：圆柱形压电换能器的转换元件为一压电陶瓷圆管，极化方向常沿着半径方向（径向极化）和长度方向（纵向极化），做接收换能器时，有时极化方向也沿着圆周的切线方向（切向极化）。当换能器工作于发射状态时，压电陶瓷圆管在电场的作用下，借助反向压电效应，发生伸张或收缩，从而向媒质发射声波。当换能器工作于接收状态时，压电陶瓷圆管在声信号的作用下发生伸张或收缩，借助正压电效应，转换为电信号输出。第八章半导体传感器热敏电阻的分类：1.正温度系数型（PositiveTemperatureCoefficient）（简称PTC型）2.负温度系数型（NegativeTemperatureCoefficient）（简称NTC型）3.临界温度系数型（CriticalTemperatureResistor）（简称CTR型）。图8.1半导体热敏电阻的温度特性图8.1半导体热敏电阻的温度特性结合图正温度系数（PTC）型热敏电阻是由在BaTiO3和SrTiO3为主的成分中加入少量Y2O3和Mn2O3构成的烧结体。其特性曲线是随温度升高而阻值增大，其色标标记为红色。开关型正温度系数热敏电阻在居里点附近阻值发生突变，有斜率最大的区段，通过成分配比和添加剂的改变，可使其斜率最大的区段处在不同的温度范围里，例如加入适量铅其居里温度升高。若将铅换成锶，其居里温度下降。临界型（CTR）热敏电阻，它是负温度系数型，但在某个温度范围里阻值急剧下降，曲线斜率在此区段特别陡峭，灵敏度极高，其色标标记为白色。此特性可用于自动控温和报警电路中。负温度系数（NTC）型半导体热敏电阻研究最早，生产最成熟，是应用最广泛的热敏电阻之一，通常是一种氧化物的复合烧结体，特别适合于-1