现代传感技术与系统课后题及答案

1第1章绪论1.传感器的基本概念是什么？一般情况下由哪几部分组成？国家标准（GB7665-87）传感器的定义：能够感受规定的被测量并按照一定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组成。2.传感器有几种分类形式，各种分类之间有什么不同？共有10种分类形式。根据传感器的工作机理：基于物理效应、基于化学效应、基于生物效应；传感器的构成原理：结构型与物性型；能量转换情况：能量转换型和能量控制型；根据传感器的工作原理分类：可分为电容式、电感式、电磁式、压电式、热电式、气电式、应变式等；根据传感器使用的敏感材料分类：可分为半导体传感器、光纤传感器、陶瓷传感器、高分子材料传感器、复合材料传感器等；根据传感器输出信号为模拟信号或数字信号：可分为模拟量传感器和数字量（开关量）传感器；根据传感器使用电源与否：可分为有源传感器和无源传感器；根据传感器与被测对象的空间关系：可分为接触式传感器和非接触式传感器；根据与某种高新技术结合而得名的传感器：如集成传感器、智能传感器、机器人传感器、仿生传感器等；根据输入信息分类：可分为位移、速度、加速度、流速、力、压力、振动、温度、湿度、粘度、浓度等。3.举例说明结构型传感器与物性型传感器的区别。结构型：利用物理学中场的定律构成的，特点是其工作原理是以传感器中元件相对位置变化引起场的变化为基础，而不是以材料特性变化为基础。其基本特征是以其结构的部分变化或变化后引起场的变化来反映被测量（力、位移等）的变化。如电容传感器利用静电场定律研制的结构型传感器。物性型：利用物质定律构成的,如虎克定律、欧姆定律等。物质定律是表示物质某种客观性质的法则。这种法则，大多数是以物质本身的常数形式给出。这些常数的大小，决定了传感器的主要性能。因此，物性型传感器的性能随材料的不同而异。如，光电管利用了外光电效应，压敏传感器是利用半导体的压阻效应。6.什么是信息？信息的基本特征是什么？“信息是物质存在的一种方式、形态或运动状态，也是事物的一种普遍属性，一般指数据、消息中所包含的意义，可以使消息中所描述事件的不定性减少。”①普遍性；②客观性；③依附性；④时效性（动态性）；⑤可识别；⑥可转换；⑦可传输；⑧可存储；○9可共享性、永不枯竭性。7.什么是信息技术？什么是3C技术？信息技术是研究信息的获取、传输和处理的技术，是指有关信息的收集、识别、提取、变换、存贮、传递、处理、检索、检测、分析和利用等的技术，是用于管理和处理信息所采用的各种技术的总称。“3C”技术——CollectionCommunicationComputer)，指信息的收集、通信和计算机技术。第2章传感器的理论基础3.举例说明传感器与守恒定律、场的定律、统计法则和物质定律的关系。利用守恒定律构成的传感器，如利用差压原理进行流量测量的传感器，其基本原理是以能量守恒定律、伯努利方程和流动连续性方程为基础的；利用场的定律构成的传感器，其性能由定律决定，与使用材料无关，如利用静电场的有关定律制成电容传感器，利用电磁感应定律可以构成磁电感应式传感器；以差压变压器为例，使用坡莫合金或铁氧体做铁芯，都是作为差压变压器工作。利用各种物质定律构成的传感器统称为物性型传感器。这些传感器的主要性能在很大程度上受相应的物理2常数或化学、生物特性所决定，也即与物质的材料密切相关，利用半导体物质具有的压阻、热阻、光阻、湿阻和霍尔等效应，可以分别制成力、压力、温度、光强、湿度和磁场等传感器，利用压电材料所具有的压电效应可制成压电式、声表面波和超声波等传感器，利用生物、化学敏感特性制成的生物、化学传感器等。统计物理学认为：所有宏观上可观测的物理量都是相应微观量的统计平均值，许多看似杂乱无章的微观运动表现出统计规律性。利用热噪声的热力学温度的关系可以构成热噪声型热敏电阻。目前成功利用构成传感器的法则是奈奎斯特定理，利用热噪声与绝对温度的关系可以构成热噪声型热敏电阻。由于绝对温度与热噪声电压之间有确定的关系，因此它可作为彼岸准温度计用来直接测量绝对温度而不需要校准4.什么是热平衡型的一次效应和二次效应？写出热平衡现象中的麦克斯韦关系式，举例说明它们在传感器中的应用。不同种类能量所对应的强度型状态量与容量型状态（或相反）微分之比为定值，具有这种关系的效应称为热平衡一次效应，一次效应是可逆的；同一种类能量的示强变量与示容变量微分之比，或同一种类能量的示容变量与示强变量微分之比，是不能直接构成传感器的，这些比例系数虽然不能在传感器中直接而将被测量转换成电信号输出，但可以利用其中的状态量与其他状态量之间的关系制成各种传感器，这种变换称为二次效应，二次效应没有逆效应。一次效应的例子有压电效应，压磁效应；二次效应利用弹性元件受力产生变形，其应变与应变片电阻值的关系可制成电阻应变式力(压力)传感器。光电比色高温计。5.什么叫传输现象？什么叫传输现象的一次效应？举明传输现象一次效应在传感器中的应用。当系统中存在有强度量的差或梯度时，相应的广延量就随时间而变化，即广延量的流动，这种现象称为传输现象。把这种不同种类的亲和力和流之间的效应称为一次效应。塞贝克效应是因温度差而产生电流，珀耳帖效应由电位差产生电流。7.什么是传感器的敏感材料？传感器的敏感材料用来制作敏感元件的基本材料，是对电、光、声、力、热、磁、气体分布、酶等物理、化学、生物待测量的微小变化而表现出性能明显改变的功能材料。8.按材料成分进行分类，敏感材料可以分为哪几种？按材料成分：金属材料、无机和有机。第3章传感器构成论1.传感器一般包括哪些部分，各部分的作用是什么？传感器通常由敏感元件和转换元件、转换电路组成。1、敏感元件：直接感受被测量，以确定的关系输出某一物理量（包括电学量）。2、转换元件：将敏感元件输出的非电量物理量转换为电学量（包括电路参数量）。3、转换电路：将电路参数量（如电阻、电容、电感）转换成便于测量的电学量（如电压、电流、频率等）。2.从传感器的结构形式来划分，可将传感器按其构成方法分为哪几类？各类型的特点是什么？并画出各类型的结构简图。（必考）根据结构组成可将传感器按其构成方法分为以下几类：1.通用型、2.参比型、3.差动型、4.反馈型。每一类型，根据能量变换，一般都可分为：能量变换型，能量控制型。1.通用型：根据组成可分为：(1)能量变换基本型、(2)能量控制基本型、(3)能量变换特殊型（辅助能源型）、()()jixkxkjiXXxx()()jikkjixxXXkijkjixxXX)()(3(4)电路参数型和(5)多级变换型。（1）能量变换基本型特点：1.只由敏感元件构成。2.不需外加电源，敏感元件就是能量变换元件，能量从被测对象获得，输出能量较弱。(3)利用热平衡现象或传输现象中的一次效应制成是可逆的。(4)对被测对象有负荷效应（因输出逆效应而影响输入）。(5)输出能量不可能大于被测对象的能量。（2）能量控制基本型特点：（1）也由敏感元件组成，但需外加电源才能将被测非电量转换成电量输出。（2）输出能量可大于被测对象具有的能量。（3）无需变换电路即可有较大的电量输出。（3）能量变换特殊型（辅助能源型）特点：1.只由敏感元件构成。2.能量从被测对象获得，属能量变换型。3.辅助能源是为了增加抗干扰能力或提高稳定性，或取出信号，或为原理所需要而使用固定磁场。（4）电路参数型特点：(1)敏感元件对输入非电信号进行阻抗变换。(2)转换电路含有该敏感元件。(3)电源向转换电路提供能量从而输出电量，属于能量控制型。(4)输出能量远大于输入能量。(5)利用传输现象中的二次效应属于此类传感器。（5）多级变换型特点：设计自由度大，可用二级或二级以上变换，设计出适应各种条件的传感器。。2.参比补偿型4特点：(1)采用两个（或两个以上）性能完全相同的敏感元件。其中一个感受被测量和环境量，另一个只感受环境量作补偿用。(2)两个敏感元件同时接到电桥的相邻两臂或反串。(3)能消除环境和条件变化干扰的影响（如温度变化、电源电压波动）。3.差动结构型特点：(1)采用两个（或两个以上）性能完全相同的敏感元件，同时感受相同的环境影响量和方向相反的被测量。(2)反串或接入电桥相邻的两臂。(3)输出信号提高一倍。(4)传感器差动结构以提高灵敏度、线性度，减小或消除环境因素的影响。4.反馈型特点：(1)传感器的敏感元件（或转换元件）同时兼作反馈元件。(2)是闭环系统、传感器输入处于平衡状态，故又称为平衡式传感器。(3)主要有力（位移）反馈和热反馈型，如差动电容力平衡式加速度传感器、热线热反馈型流速传感器等。(4)结构较复杂，应用于特殊场合（高精度微差压、高流速）。3.传感器与被测对象之间有哪些关联形式？（表格）与固体对象的关联为：接触型和非接触型；与流体对象的关联是安装在盛有流体的容器里或有流体流动的管道中。4.传感器的输出数学模型是什么？简述传感器对信号的选择方式。（参比差动：三个指标的定义；改善非线性：5互换性，可靠性，电磁兼容性）设输入变量x1,x2,…xn,传感器内部变量u1,u2,…ur,输出变量y1,y2…ym,则传感器的一般数学模型表达式为：yi=fi(x1,x2,…xn,u1,u2,…ur)其中i=1,2,…m如果被测信号为x1,与之对应的输出为y1，则y1=f1(x1,x2,…xn,u1,u2,…ur)为了得到x1与y1一一对应，则必须使除x1以外的变量（称干扰量）固定或即使有变化，对x1也不产生影响或影响很小可忽略。选择方式：1.固定方式：把被测量以外的的其他变量固定，或用控制方法使其为定值。2.补偿方式（参比）：利用被测量和干扰量共同作用的第一函数量和只有干扰量作用的第二函数量之差（干扰量作用效果与被测量相加时）或之比（干扰量作用效果与被测量相乘时）来消除干扰量的影响的一种方式。3.差动方式：被测量朝两个方向对称变化，而作为影响量的次要变量则朝一个方向变化，然后取差，就能将被测量选择出来。使传感器的两个相反的方向（即一个增大，另一个减小），感受同一被测量，而且以两个相同方向感受干扰量，取两个函数之差作为输出。4.频率域及时间域的选择：利用被测量信号与干扰信号的频率范围不同进行信号选择，对于频率域干扰，通过滤波加以排除，对于时域干扰，用时间窗加以消除。5.什么是示容变量和示强变量？1.与分割方法无关，其性质由其量的大小来决定的状态量，称为强度型状态量，简称示强变量。如温度、压力、电场强度、磁场强度。2.具有与系统的大小（体积、面积等）成正比性质的状态量，称为容量型状态量，简称示容变量，又叫容量量或广延量。如能量、熵、位移等6.传感器的互换性传感器的互换性是指一个传感器可以完全代替另一个传感器，而它的机械尺寸、各项性能指标不需重新校准就可满足使用要求，更换后的误差不会超过原来的范围；即传感器的功能、尺寸具有完全的互换能力。7.可靠性产品在规定条件下和规定时间内，完成规定功能的能力8.电磁兼容性（ElectromagneticCompatibility）：设备或系统在其电磁环境中能正常工作，且不对该环境中的任何事物构成不能承受的电磁骚扰的能力。第4章传感器的应用基础1.传感器与测量系统有什么关系？（三个部分）传感器是测量系统的第一级，主要功能是检测和敏感被测量，它输入被测量，输出大多为电学模拟量。2.什么叫测量？什么叫计量？它们之间有什么异同？测量是将被测量同已知量相比较，以确定被测量与选定单位的比值。这个比值同测量单位结合在一起称量值。测量是以确定被测量值为目的的一系列操作,是人们对客观事物取得定量认识的一种手段。计量是规范测量的测量。计量依法监督测量工具的准确性与测量行为的规范性，使用有溯源性的标准与测量仪器、按照规程、由资格被确认的人员进行的以判别测量器具合格性为目的的测量，是计量。测量与计量的具体工作对象不同。测量的直接目的是得到测得值；计量的目的是保证测量的准确。“测量”就是为获取量值信息的活动；“计量”不仅要获取量值信息，而且要实现量值信息的传递或溯源。“测量”作为一类操作，其对象很广泛；“计量”