传感器及检测技术期末复习

看前注意：红色为老师上课提到的，可能不全。蓝色仅作参考，黄色加亮是期末A卷考过的，补考不一定会考。一．简答整理：【11】气敏传感器使用前为什么要预热？（10’）【问答Q：气敏传感器为什么工作在高温？】1.烧去附着在敏感元件上的尘埃、油雾。2.加速气体的吸附，提高其灵敏度与响应速度。【7】磁电式传感器与电感式传感器的异同？（10’）电磁感应的磁电式感应器与电感式传感器相似点是都有线圈，不同点是基于电磁感应的磁电式传感器有永磁体，而电感式的磁路中没有永磁体，因此两者原理和应用上有不同。磁电感应式传感器是有源传感器。【10】医学临床用B超的工作原理？（10’）【填空Q：B超使用的传感器？（超声波传感器）】超声波向一定方向传播时可以穿透物体，若碰到障碍物会产生回声，且不同障碍物产生回声不同，人们通过仪器将这种回声收集并显示在屏幕上，可用于了解物体内部结构。【1】解释什么是传感器?传感器的基本组成包括哪两大部分?这两大部分各自起什么作用?【问答Q：我国国标（GB/T7665-2005）定义传感器？】传感器是能感受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。传感器的基本组成包括敏感元件和转换元件两部分。敏感元件是传感器中能直接感受(或响应)被测信息(非电量)的元件,起检测作用。转换元件则是指传感器中能将敏感元件的感受(或响应)信息转换为电信号的部分,起转换作用。【1】传感器技术的发展趋势？1.提高与改善技术性能。（途径：差动技术、平均技术、补偿与修正技术、屏蔽隔离与干扰抑制、稳定性处理）2.开展基础理论研究。3.集成化。4.智能化。5.网络化。6.微型化。【4】零点残余电压的产生原因？1.传感器的两个二次绕组几何尺寸和线圈电气参数不对称，导致其产生的感应电动势不一样，构成零点残余电压的基波。2.由于磁性材料磁化曲线的非线性，产生了零点残余电压的高次谐波。3.励磁电压本身含高次谐波。【4】零点残余电压的消除方法？1.尽可能保证传感器的几何尺寸、线圈电气参数和磁路的对称。2.采用适当的测量电路，如差动整流电路。【8】热电偶的基本定律？它们的意义？不同分度号对应的测温范围？【选择题Q：分度号为S的测温范围？（0~1600℃）】1.中间导体定律在热电偶测温回路内接入第三种导体，只要其两端温度相同，则对回路的总热电势没有影响。中间导体定律的意义在于：在实际的热电偶测温应用中，测量仪表（如动圈式毫伏表、电子电位差计等）和连接导线可以作为第三种导体对待。2.中间温度定律为补偿导线的使用提供了理论依据。它表明：如果热电偶的两个电极通过连接两根导体的方式来延长，只要接入的两根导体的热电特性与被延长的两个电极的热电特性一致，且它们之间连接的两点间温度相同，则回路总的热电动势只与延长后的两端温度有关，与连接点温度无关。3.标准电极定律【填空题】的意义在于：纯金属的种类很多，合金的种类更多，要得出这些金属间组成热电偶的热电动势是一件工作量极大的事。在实际处理中，由于铂的物理化学性质稳定，通常选用高纯铂丝作标准电极，只要测得它与各种金属组成的热电偶的热电动势，则各种金属间相互组合成热电偶的热电动势就可根据标准电极定律计算出来。4.均质导体定律：如果组成热电偶的两个热电极的材料相同，无论两接点的温度是否相同，热电偶回路中的总热电动势均为0。均质导体定律有助于检验两个热电极材料成分是否相同及热电极材料的均匀性。【8】热电偶为什么要进行冷端补偿？电热偶的冷端补偿有几种？由于电热偶冷端离工作端很近，又处于大气中，其温度受到测量对象和周围环境温度波动的影响，因而冷端温度难以保持恒定，这样会带来误差，因此要进行冷端补偿。1.补偿导线法。2.冷端恒温法。3.冷端温度校正法。4.自动补偿法。5.芯片补偿法。【3】电阻应变片电桥补偿法为保证补偿效果，应注意？1.R3=R4。2.R1和R2具有相同的电阻温度系数α、线膨胀系数β、应变灵敏度K、初始电阻R0。3.粘贴补偿片的材料和粘贴工作片的被测试件材料一样，两者线膨胀系数相同。4.工作片和补偿片处于同一温度场中。【4】什么是互感式传感器？把被测的非电量变化转换为线圈互感量变化的传感器称为互感式传感器。【4】分析变气隙厚度电感式传感器工作原理。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。【6】什么是压电效应？什么是逆压电（电致伸缩）效应？逆压电效应说明了什么？某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷。当外力去掉后，它又会恢复到不带电的状态，这种现象称为正压电效应。逆压电效应指在片状压电材料的两个电极上加交流电压，压电片将产生机械振动。它说明了压电效应具有可逆性。【6】压电式传感器的测量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.把它的高输入阻抗（一般1000MΩ以上）变换为低输出阻抗（小于100Ω）；2.对传感器输出的微弱信号进行放大。【7】霍尔元件中不等位电阻是什么？产生原因？未加磁场时，不等位电动势与相应电流的比值为不等位电阻。1.霍尔电极安装位置不对称或不在同一等电位上；2.半导体材料不均匀造成了电阻率不均匀或几何尺寸不对称；3.激励电极接触不良造成激励电流不均匀分配。【8】作为测温用的热电阻一般要求？1.电阻值与温度变化有良好的线性关系。2.电阻温度系数大，对温度变化敏感。3.电阻率高，热电容小，有较快的响应速度。4.在测量范围内具有稳定的物理化学性质。5.容易加工，价格尽量便宜。二．计算、画图题整理：【3】直流电桥带图（10’）【P38】【5】电容式传感器测量电路图与工作原理【P84】【选择题Q：下列哪些是电容式传感器测量电路？（两路两桥一器五种名字要记住）】【8】K型热电偶，将0—500℃的温度转换为0-5V电压信号。已知1℃对应热电偶输出电压40uV，500℃对应满量程电压20.64mV。求（1）信号电路增益Av？（2）电路部分作用？LM35DAD707+12V+12V+-R4R3R6R5R1R2RP2RP1C热电偶+-100M10K24.3K20911K232K20K10uF（1）24264.205mVVVA（2）R3、C1为低通滤波器，消除噪声；LM35D及其周围电路补偿冷端温度；R6完成断线检测的保护作用。【18】仪表放大器【P338】PS3000-102A+15V+15V-15VVD12.5V0-1V3421A1+-A2+-A3+-A5+-A4+-R1R2R3R4R5R6R7R8R9R10R11R12RP2RP120K20K10K10K10K10K100K图1压力传感器的信号调理电路【Q：2.分析运放A1A2A3A5的作用；3.分析A4作用】三．概念整理：Chapter1.概述传感器起源于仿生研究。感知、通信和计算技术是ICT的三大支柱。回归分析：最小二乘法【填空】（常用于求静态特性线性度的拟合直线）、一元线性拟合、多元线性拟合、曲线拟合。传感器的共性是利用物化生特性将非电量输入转换成电量输出。利用电路中电信号的强弱传送信息的方法称为“电传送”。能量变换型传感器，又称发电型或有源型传感器。无需外加电源，没有能量放大作用，因此要求从被测对象获取大能量。包括热电偶、磁电感应式传感器、压电式传感器光电池等。（Q：按照能量关系进行分类，热电偶属于___型传感器）【选择题：下列哪个是发电型传感器】能量控制型传感器，又称参量型或无源型传感器。特点与有源型相反。包括电阻式、电感式、电容式霍尔式和部分光电式传感器等。MEMS：微机电系统。【填空Q：MEMS是什么】完整的MEMS是由微传感器、微执行器、信号处理和控制电路、通讯接口和电源等部件组成的一体化的微型器件或系统。其目标是把信息的获取、处理和执行集成在一起，组成具有多功能的微型系统，集成于大尺寸系统中，从而大幅度地提高系统的自动化、智能化和可靠性水平。Chapter2.传感器的基本特性传感器的基本特性指传感器的输入-输出关系特性。传感器的静态特性指传感器在稳态信号作用下的输入-输出关系。线性时不变系统的两个重要性质：叠加性和频率保持特性。传感器的标定：对新出厂的传感器进行技术检定和标度。（选择Q:一种新的传感器出厂前要进行（标定）?）传感器的校准：对用过一段时间的传感器性能进行再次测试和矫正。国标的三级精度：Chapter3.电阻式传感器最常用、有效的电阻应变片温度误差补偿方法：电桥补偿法。（给出四个对称电阻或几对相垂直的贴片电阻分析其作用，80%可能是温度补偿）URRRRRRRRUUUbao))((43213241直流电桥Uo=0时有R1R4=R2R3，此为电桥平衡条件。（会画电桥图，注意电阻位置）应变电阻式传感器是由弹性元件、电阻式应变片及一些附件组成的测量装置。应变是物体在外力作用下发生形变的现象。当外力去除后物体又能完全恢复其原来的尺寸和形状的应变称为弹性应变。具有弹性应变特性的物体称为弹性元件。弹性元件作用是将其他的物理量转换成应变。电阻传感器——电子秤、数字血压计。【填空Q：电子秤、数字血压计的设计主要基于啥传感器】Chapter4.电感式传感器【选择Q：下属于自感式传感器的有？】差动整流电路：消除零点残余电压（R0作为电位器的作用就是消除零点残余电压）相敏检波电路【填空Q：电感式传感器检测电路包括】：判断位移的大小和方向。（R起限流作用）相敏体现在输入电压与参考电压同相或反相，导致输出电压的极性不同，从而反映位移的方向。Chapter5.电容式传感器在实际应用中，为了既提高灵敏度，又减小非线性误差，通常采用差动结构。Chapter6.压电式传感器压电陶瓷（人工）：有外电场和压力共同作用，且温度不超过居里点时有压电效应。压电陶瓷的居里点：压电材料开始失去压电特性的温度。电荷放大器【填空Q：电压放大器和电荷放大器捆绑】的输出电压Uo与电缆电容C近似无关，而与Q成正比，这是电荷放大器的突出优点。在反馈电容两端并联一个Rf作用：稳定直流工作点，减少零点漂移。并联法：与单片时相比，在外力作用下，正负电极上的电荷量增加了一倍,总电容量增加了一倍，其输出电压与单片时相同。并联法输出电荷大、本身电容大、时间常数大，适宜测量慢变信号且以电荷作为输出量的场合。串联法：在外力作用下，两压电元件产生的电荷在中间粘结处正负电荷中和，上、下极板的电荷量Q与单片时相同，总电容量为单片时的一半，输出电压增大了一倍。串联法输出电压大、本身电容小，适宜以电压作输出信号且测量电路输入阻抗很高的场合。Chapter7.磁敏式传感器磁电作用主要分为电磁感应和霍尔效应。【画图题：画出霍尔式传感器的基本测量电路，说出霍尔式传感器的至少两种测量物理量】霍尔元件分为线性特性和开关特性两种。线性特性是指霍尔元件的输出电动势UH分别和基本参数I、B成线性关系。开关特性是指霍尔元件的输出电动势UH在一定区域随B的增加迅速增加的特性。当载流导体或半导体处于与电流相垂直的磁场中时，在其两端将产生电位差，这一现象被称为霍尔效应。霍尔效应的产生是由于运动电荷受磁场中洛伦兹力作用的结果。Chapter8.热电式传感器两种不同的导体两端相互紧密地连接在一起，组成一个闭合回路。当两接点温度不等时（设tt0），回路中就会产生大小和方向与导体材料及两接点的温度有关的电动势，从而形成电流，这种现象称为热电效应。该电动势称为热电动势；把这两种不同导体的组合称为热电偶，称A、B两导体为热电极。两个接点，一个为工作端或热端（t），测温时将它置于被测温度场中；另一个叫自由端或冷端（t0），一般要求它恒定在某一温度。实际上，热电动势来源于两个方面，一部分由两种导体的接触电动势构成，另一部分是单一导体的温差电动势。热电偶回路中所产生的热电动势主要是由接触电动势引起的，温差电动势所占比例极小，可以忽略不计。【填空：分度号为啥的用于做标准电极？？（记不太清了）】铂铑30-铂铑6热电偶【分度号：B】0~1700℃（超高温