1、一.填空通常传感器由敏感元件、转换元件、基本转换电路三部分组成，是能把外界非电量转换成电量的器件和装置。金属丝在外力作用下发生机械形变时它的电阻值将发生变化，这种现象称应变效应；固体受到作用力后电阻率要发生变化，这种现象称压阻效应。直线的电阻丝绕成敏感栅后长度相同但应变不同，圆弧部分使灵敏度 K 下降了，这种现象称为横向效应。差动变压器式传感器理论上讲，衔铁位于中心位置时输出电压为零，而实际上差动变压器输出电压不为零，我们把这个不为零的电压称为零点残余电压；利用差动变压器测量位移时，如果要求区别位移方向（或正负）可采用相敏检波电路。把一导体（或半导体）两端通以控制电流 I，在垂直方向施加磁场
2、B，在另外两侧会产生一个与控制电流和磁场成比例的电动势，这种现象称霍尔效应，这个电动势称为霍尔电势。外加磁场使半导体（导体）的电阻值随磁场变化的现象成磁阻效应。某些电介质当沿一定方向对其施力而变形时内部产生极化现象，同时在它的表面产生符号相反的电荷，当外力去掉后又恢复不带电的状态，这种现象称为正压电效应；在介质极化方向施加电场时电介质会产生形变，这种效应又称逆压电效应。在光线作用下电子逸出物体表面向外发射称外光电效应；入射光强改变物质导电率的现象称光电导效应；半导体材料吸收光能后在PN 结上产生电动式的效应称光生伏特效应。块状金属导体置于变化的磁场中或在磁场中作切割磁力线运动时，导体内部会产生
3、一圈圈闭合的电流，利用该原理制作的传感器称电涡流传感器；这种传感器只能测量金属物体。不同的金属两端分别连在一起构成闭合回路，如果两端温度不同，电路中会产生电动势，这种现象称热电效应效应；若两金属类型相同两端温度不同，加热一端时电路中电动势 E =0。测量系统的静态特性指标主要有线性度、迟滞、重复性、分辨力、稳定性、温度稳定性、各种抗干扰稳定性等。霍尔元件灵敏度的物理意义是表示在单位磁感应强度相单位控制电流时的霍尔电势的大小。光电传感器的理论基础是光电效应。通常把光线照射到物体表面后产生的光电效应分为三类。第一类是利用在光线作用下光电子逸出物体表面的外光电效应,这类元件有光电管、光电倍增管；第二
4、类是利用在光线作用下使材料内部电阻率改变的内光电效应，这类元件有光敏电阻；第三类是利用在光线作用下使物体内部产生一定方向电动势的光生伏特效应，这类元件有光电池、光电仪表。热电偶所产生的热电势是两种导体的接触电势和单一导体的温差电势组成的，其表达式为Eab（T，To）= 。在热电偶温度补偿中补偿导线法（即冷端延长线法）是在连接导线和热电偶之间，接入延长线，它的作用是将热电偶的参考端移至离热源较远并且环境温度较稳定的地方，以减小冷端温度变化的影响。变气隙式自感传感器，当街铁移动靠近铁芯时，铁芯上的线圈电感量（增加）仪表的精度等级是用仪表的（ 引用误差）来表示的。电容传感器的输入被测量与输出被测量间
5、的关系，除（ 变极距型）外是线性的。传感器是能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。传感器通常由直接响应于被测量的敏感元件和产生可用信号输出的转换元件以及相应的信号调节转换电路组成。电阻应变片式传感器按制造材料可分为金属材料和半导体体材料。它们在受到外力作用时电阻发生变化，其中金属材料的电阻变化主要是由电阻应变效应形成的，而半导体材料的电阻变化主要是由压阻效应造成的。半导体材料传感器的灵敏度大。在变压器式传感器中，原方和副方互感 M 的大小与绕组匝数 成正比，与穿过线圈的磁通成正比，与磁回路中磁阻成反比。测量过程中存在着测量误差，按性质可被分为绝对误差、相对误差 、引用
6、误差三类，其中绝对误差可以通过对多次测量结果求平均的方法来减小它对测量结果的影响。压磁式传感器的工作原理是：某些铁磁物质在外界机械力作用下，其内部产生机械应力，从而引起极化现象，这种现象称为压磁效应。相反，某些铁磁物质在外界磁场的作用下会产生机械变形，这种现象称为磁致伸缩效应。磁电式传感器是利用导体和磁场发生相对运动而在导体两端产生感应电动势。而霍尔式传感器是利用霍尔元件在磁场中的电磁效应（霍尔效应）而输出电势的。霍尔式传感器可用来测量电流，磁场，位移，压力。测量过程中存在着测量误差。绝对误差是指测量值与被测量真实值之间的差值其表达式为；相对误差是指绝对误差与被测量真实值的比值其表达式为 ；引
7、用误差是指绝对误差与测量仪表的上量限（满度）值 A 的百分比其表达式为 。光栅传感器中莫尔条纹的一个重要特性是具有位移放大作用。如果两个光栅距相等，即W=0.02mm，其夹角 =0.1，则莫尔条纹的宽度 B=11.43莫尔条纹的放大倍数 K= 573.2。8.测量系统的静态特性指标通常用输入量与输出量的对应关系来表征。同位素的原子核在没有外力作用下自动发生衰变，衰变中释放出 、 射线，这种现象称为核衰变。电阻应变片 磁敏电阻 霍尔元件 气敏传感器 湿敏传感器光电耦合器 压电传感器 电容传感器 热敏电阻 CCD 电荷耦合器压阻式传感器 光纤传感器 磁电传感器 光电二极管 差动变压器热释电器件 磁
8、敏晶体管 电涡流传感器 光电池 超声波传感器热电偶 红外传感器 色敏传感器正确选择以上传感器填入以下空内：1.可以进行位移测量的传感器有光纤传感器、差动变压器、电阻传感器；2.可以完成温度测量的有热电偶、热敏电阻；热释电；3.半导体式传感器是磁敏、霍尔元件、气敏传感器、压阻传感器；4.光电传感器有光电耦合器、色敏传感器、光纤传感器、光电二极管；5.用于磁场测量的传感器霍尔器件、磁敏晶体管；6.进行振动（或加速度）测量的传感器磁电传感器、压电传感器；7.利用物体反射进行非电量检测的传感器超声波传感器、红外传感器；问答题压力传感器测量砝码数据如下，试解释这是一种什么误差，产生这种误差的原因是什么。
9、N(g)012345正行程(mv)0 1.5 2 2.5 3 3.5反行程(mv)0 0.5 1 2 2.5 3.5解：迟滞误差；静态误差；传感器本身材料的缺陷造成。解释下列磁敏传感器：磁敏电阻与磁敏晶体管有哪些不同？磁敏晶体管与普通晶体管的不同之处是什么？磁敏电阻与霍尔元件属同一类磁电转换元件，在本质上有什么不同？解：磁敏晶体管有放大作用；普通晶体管无磁灵敏度；磁敏电阻不能区别磁极性。在右下图所示的电桥成都中，R1=1000，R3=15 理工大学 00，C2=1F 时电桥平衡。电容 C4 是多少？答：根据平衡条件，C4= C2 R1/ R3=1*1000/15000.667F。作为光波 5m
10、 红外线的传感器材料有哪些？（5 分）答：有 InSb,Hg0.8Cd0.2Te 等材料。在用光开关检测物体的系统中，指出输出电压的时间波形。（5 分）答：光进入受光器输出电压为 0V，光不进入，输出 6V，所以右图为所示波形。由光电二极管二维阵列组成面型传感器进行图像检测，对图像的分辨率由光电二极管的个数决定，试说明理由。（5 分）答：面型传感器由许多销的单元构成二维平面，其中每一个小单元都是一个光电二极管，称为像素。用面型传感器测量物体的形状所得的图像的分辨率最高只能是一个像素。如果所测得图像长为 l ，对应 N 个像素，分辨率为 l/N。假设 N 为 200，则分辨率最高只能使1/200
11、。高温加热的钢板为红色，当温度继续升高时变为白色，试说明原因。（5 分）答：与温度相对应，物体放射出具有一定波长分布的光，高温时，所有波长的能量增大，波长分布的峰值向短波长方向移动。对应于黑体的波长分布可由普朗克分布规则求得。1000。C 的钢板，波长分布的峰值在近红外区域，发出的光波长在 0.6m 以上，属于可视光的红光区域，因此看到的光呈现红色。温度升高使得波长分布的峰值向短波方向移动。可视光的短波成分增加，可视光所有波长成分混合使钢板颜色接近白色。试举坑内甲烷气体量传感器的例子。（5 分）试举工厂排水污浊监视用传感器的例子。试举汽车排气成分调整用传感器的例子。答：接触燃烧式气体传感器。氧
12、气传感器。氧气气体传感器。已知某压力传感器的测定范围为 010000Pa，输入特性表示为y=10(x-0.00007x2+2000)请问这种传感器能使用吗？（5 分）答：dy/dx=1-0.00014x。微分值在 x7143Pa 时为负，故不能使用。某 CO2 气体传感器在 20。C，浓度范围为 0100ppm 时的输入特性表示为 Rx=x+250(k),用差动法回答以下问题（其中 R1=10M,E=2V）: （15 分） 利用最简单的电阻-电压变换电路，绘出 X，V0 的关系图。 利用电桥进行电阻-电压变换电路，绘出 20 。C 时 X，V0 的关系图。另外，当30。C 时，Rx=x+500
13、(k)，在同一张图上再加上 X，V0 的关系图，然后进行比较。 采用两个差动法的传感器电路绘出 20。C，30。C 时 X，V0 的关系，然后与（2）中的图形进行比较。 答：20。C 时，0100ppm 对应得电阻变化为 250350 k。o V0 在 48.7867.63mV 之间变化。 o 如果 R2=10 M，R3=250 k，20。C 时，V0 在 018.85mV 之间变化。30。C 时 V0 在 46.46mV（0ppm）64.43mV（100ppm）之间变化。 o 20。C 时，V0 为 018.85mV，30。C 时 V0 为 017.79mV，如果零点不随温度变化，灵敏度约降
14、低 4.9%。但相对（2）得情况来说有很大的改善。 设阻抗 Rs 为 1k 俄信号源与 100V 的动力线有 50m 的并行走线距离，静电感应所产生的噪声电压为多少？分布电容设为 10pF/m。（10 分）答：感应电压=2fCRSVN,以 f=50/60Hz, RS=1k, VN=100 代入，并保证单位一致，得：感应电压=2*60*500*10-12*1000*100V=1.8*10-2V（1）采用超声波或光脉冲信号，由从对象反射回来的脉冲的时间进行距离检测，空气中的音速为 340m/s，软钢中纵波的因素为 5900 m/s，光的速度为 3*108 m/s，求这三种情况下 1 ms 的往复时
15、间对应得距离。根据计算结果，比较采用光脉冲所需要系统得信号处理速度要比采用超声波脉冲时的系统速度快几倍？（2）根据（1）的结果，讨论利用脉冲往复时间测距，采用超声波和光波各有什么特点。（10 分）答（1）1 ms 的时间内超声波在空气和软钢中的传播距离分别为 0.17m 和 3.0m，而光的传播距离为 1.5*105 m，故要求有 105 倍高的处理速度。（2）采用光时，1m 的处理速度只能测量 100m 以上的距离，不能进行近距离测量。如果要求分辨力为 1m，则要求 10ns 的处理速度。所以光脉冲法用于远距离分辨率要求不高的场合，而超声波用于近距离测量。为了实现以下目的，试从低通、高通、带
16、通和带阻滤波中选择最合适的一种：（10 分） 除去麦克风中混入的广播电波信号； 从天线接收的电视波中仅选择第三频道； 除去混入所取出的脑电波信号中的电力线频率（频率为 50Hz）干扰。 答：（1）因为要除去高频成分，故选用低通滤波器。（2）要消除第二通道以下和第三通道以上的频率成分，故选用带通滤波器。（3）要消除特定成分的频率成分，故选用带阻滤波器。什么是传感器动态特性和静态特性，简述在什么频域条件下只研究静态特就能够满足通常的需要，而在什么频域条件下一般要研究传感器的动态特性？（10 分）答：传感器的特性是指传感器所特有性质的总称。而传感器的输入输出特性是其基本特性，一般把传感器作为二端网络
17、研究时，输入输出特性是二端网络的外部特性，即输入量和输出量的对应关系。由于输入量的状态（静态、动态）不同分静态特性和动态特性。静态特性是指当输入量为常量或变化极慢时传感器输入-输出特性。动态特性指当输入量随时间变化时传感器的输入-输出特性。可以从时域和频域来研究动态特性简述霍尔电势产生的原理。（10 分）答：一块半导体薄片置于磁感应强度为 B 的磁场(磁场方向垂直于薄片)中，当有电流 I 流过时，电子受到洛仑兹力作用而发生偏转。结果在半导体的后端面上电子有所积累。而前端面缺少电子，因此后端面带负电，前端面带正电，在前后端面形成电场，该电场产生的力阻止电子继续偏转当两力相平衡时，电子积累也平衡，
18、这时在垂直于电流和磁场的方向上将产生电场，相应的电势称为霍尔电势 UH。分析应变片式传感器在使用单臂电桥测量电路时由于温度变化而产生测量误差的过程。答：在外界温度变化的条件下，由于敏感栅温度系数 及栅丝与试件膨胀系数（ ）之差异性而产生虚假应变输出有时会产生与真实应变同数量级的误差。压力传感器测量砝码数据如下，试解释这是一种什么误差，产生这种误差的原因是什么。N(g)012345正行程(mv)0 1.5 2 2.5 3 3.5反行程(mv)0 0.5 1 2 2.5 3.5解：迟滞误差；静态误差；传感器本身材料的缺陷造成。解释下列磁敏传感器：磁敏电阻与磁敏晶体管有哪些不同？磁敏晶体管与普通晶体管的不同之处是什么？磁敏电阻与霍尔元件属同一类磁电转换元件，在本质上有什么不同？解：磁敏晶体管有放大作用；普通晶体管无磁灵敏度；磁敏电阻不能区别磁极性。寄生电容与电容传感器相关联影响传感器的灵敏度，它的变化为虚假信号影响传感器的精度。试阐述消除和减小寄生电容影响的几种方法和原理。在生产过程中测量金属板的厚度，非金属板材的镀层厚度时常用涡流传感器。试简要叙述说明利用涡流传感器测量金属板厚度的工作原理及实现工艺。
