南工程传感器与检测胡向东整理复习.doc

14届考试参考方向
第1章 概述
1.1 什么是传感器？ P6
答：传感器是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和装置，通常由敏感元件和转换元件组成。
1.2 传感器的共性是什么？ P6
答：传感器的共性就是利用物理定律或物质的物理、化学或生物特性，将非电量（如位移、速度、加速度、力等）输入转换成电量（电压、电流、频率、电荷、电容、电阻等）输出。
1.3 传感器一般由哪几部分组成？ P7
答：传感器的基本组成分为敏感元件和转换元件两部分，分别完成检测和转换两个基本功能。
辅助电源
信号调节转换电路
传感元件
被测量
敏感元件
另外还需要信号调理与转换电路，辅助电源。

1.6 改善传感器性能的技术途径有哪些？ P10-11
答：① 差动技术；② 平均技术；③ 补偿与修正技术；④ 屏蔽、隔离与干扰抑制；⑤ 稳定性处理。

第2章 传感器的基本特性
2.1 什么是传感器的静态特性？描述传感器静态特性的主要指标有哪些？ P15
答：传感器的静态特性是它在稳态信号作用下的输入、输出关系。静态特性所描述的传感器的输入-输出关系中不含时间变量。衡量传感器静态特性的主要指标是线性度、灵敏度、分辨率、迟滞、重复性和漂移。

P24 传感器的标定：利用某种标准仪器对新研制或生产的传感器进行技术检定和标度；它是通过实验建立传感器输入量与输出量间的关系，并确定出不同使用条件下的误差关系或测量精度。 传感器的标定分为静态标定和动态标定两种。

第3章 电阻式传感器
3.2 电阻应变片的种类有哪些？各有什么特点？P30-31
答：常用的电阻应变片有两种：金属电阻应变片和半导体电阻应变片。金属电阻应变片的工作原理是主要基于应变效应导致其材料几何尺寸的变化；半导体电阻应变片的工作原理是主要基于半导体材料的压阻效应。
P41 电阻式力传感器的分类和各类别的适用场合：电阻式力传感器分为柱式、环式、悬臂式等，柱式力传感器为为实心的，结构简单、紧凑，可承受很大载荷，如火箭发动机实验；载荷较小，为增大柱的曲率半径，便于粘贴电阻片等，使用空心筒式结构；环式多用于测量较大载荷，它应力分布有正有负，易接成差动电桥；悬臂梁式弹性元件结构简单，加工容易，电阻应变片容易粘贴，灵敏度较高，适用于测量小载荷。

本章主要公式：
1）轴向应变（即电阻丝轴向长度相对变化量） ε=ΔL/L
2）电阻丝的灵敏度系数 K=（ΔR/R）/ε=1+2μ+Δρ/ρε
3）应力与应变的关系 σ=Εε（σ为被测试件的应力，Ε为弹性模量）
4）应力σ与力F和受力面积A的关系 σ=F/A
5）直流电桥平衡条件，相邻两臂电阻的比值相等，即R1/R2=R3/R4
6）电桥的电压灵敏度为 Ku=Uo/(⊿R1/R1)=En/（1+n）² （桥臂比n=R2/R1）
7）n=1时，即R1=R2=R3 =R4，Ku值最大，灵敏度最高，各单臂电桥此时Uo=（E/4）（⊿R1/R1）；Ku=E/4；非线性误差为 γL =（⊿R1/R1）/（2+⊿R1/R1）
8）半桥差动：如图a，两个相邻桥臂接入电阻应变片，若⊿R1=⊿R2，R1=R2=R3 =R4，则Uo=（E/2）（⊿R1/R1），Ku=E/2，无非线性误差
全桥差动：如图b，电桥四臂都接入电阻应变片，若⊿R1=⊿R2=⊿R3=⊿R4，R1=R2=R3 =R4，则Uo=E（⊿R1/R1），Ku=E，无非线性误差

书中例题 P37

P38

第4章 电感式传感器
4.2试分析变气隙厚度电感式传感器的工作原理。 P58
当压力进入膜盒时，膜盒的顶端在压力p的作用下产生与压力p大小成正比的位移。于是衔铁也发生位移，使气隙厚度发生变化，流过线圈的电流也发生相应的变化，电流表指示值将反映被测压力的大小。
4.4差动式比单线圈式结构的变磁阻电感式传感器在灵敏度和线性度方面有什么优势？为什么？ P56
差动式的灵敏度提高了一倍。因为差动式非线性项比单线圈多乘了(Δσ/σ)因子；不存在偶次项，因Δσ/σ<<1，线性度得到改善。
4.7试分析变压器式交流电桥测量电路的工作原理。 详见P57
衔铁上下移动时，输出电压相位相反，大小随衔铁的位移而变化。
4.9 引起零点残余电压的原因是什么？如何消除零点残余电压？ P62
1）零点残余电压的产生原因：①（线圈）传感器的两个二次绕组的电气参数和几何尺寸不对称，导致它们产生的感生电动势幅值不等、相位不同，构成了零点残余电压的基波；②（铁心）由于磁性材料磁化曲线的非线性（磁饱和、磁滞），产生了零点残余电压的高次谐波（主要是三次谐波）；③（电源）励磁电压本身含高次谐波。
2）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。
4.11 如何通过相敏检波电路实现对位移大小和方向的判定？ P65
答：相敏检测电路原理是通过鉴别相位来辨别位移的方向，即差分变压器输出的调幅波经相敏检波后，便能输出既反映位移大小，又反映位移极性的测量信号。经过相敏检波电路，正位移输出正电压，负位移输出负电压，电压值的大小表明位移的大小，电压的正负表明位移的方向。
P59-60 变隙式差动变压器

P68-69 电涡流效应定义
根据法拉第电磁感应定律，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，通过导体的磁通将发生变化，产生感应电动势，该电动势在导体表面形成电流并自行闭合，状似水中的涡流，称为电涡流。电涡流只集中在金属导体的表面，这一现象称为趋肤效应。

P71

本章主要公式：
1） 变磁阻电感式传感器
由磁路欧姆定律有 Φ=IN/Rm （通过线圈的电流I，线圈的匝数N，穿过线圈的磁通Φ）
2）忽略磁损，磁路总磁阻为 Rm=L1/μ1A1+L2/μ2A2+2δ/μ0A0
μ0、μ1、μ2——空气、铁心、衔铁的导通率（μ0=4π×10-7H/m）；
L1、L2——磁通通过铁心和衔铁中心线的长度；
A0 、A1、A2——气隙、铁心、衔铁的截面积（近似认为A0 =A1）；
δ——单个气隙的厚度
3）通常气隙磁阻远大于铁心和衔铁的磁阻，上式可近似为 Rm≈2δ/μ0A0
4）线圈电感值（量） L=N2/Rm=N2μ0A0/2δ
5）灵敏度定义为单位气隙厚度变化引起的电感量相对变化，即 K=（⊿L/L0）/⊿δ=1/δ0；
6）谐振时结构的机械品质因数 Q=ωL/R

P54-55 衔铁上下移时⊿δ与K的关系

书上例题P52-53

第5章 电容式传感器
5.1根据电容式传感器的工作时变换参数的不同，可以将电容式传感器分为哪几种类型？各有何特点？ P76
变极板覆盖面积的面积式、变介质介电常数的变介质型、变极板间距离的变极距型。
1） 变极板覆盖面积型电容传感器的特点是电容量与面积改变量成正比，适合测量线位移和角位移；
2） 变极板间距型电容式传感器的特点是电容量与极板间距成反比，适合测量位移量；
3） 变介质型电容传感器的特点是利用不同介质的介电常数各不相同，通过改变介质的介电常数实现对被测量的检测，并通过电容式传感器的电容量的变化反映出来，适合于介质的介电常数发生改变的场合。

P87 脉冲宽度调制电路

P93 电容式厚度传感器

第6章 压电式传感器
6.1 什么是压电效应？什么是逆压电效应？ P95
1）所谓压电效应就是对某些电介质沿一定方向施以外力使其变形时，其内部将产生极化现象而使其出现电荷集聚的现象，也称为正压电现象。
2）当在片状压电材料的两个电极面上加上交流电压，那么压电片将产生机械振动，即压电片在电极方向上产生伸缩变形，压电材料的这种现象称为电致伸缩效应，也称为逆压电效应。

6.3 试分析石英晶体的压电效应原理 P96
石英晶体的化学成分是，是单晶结构，理想形状六角锥体，石英晶体是各向异性材料，不同晶向具有各异的物理特性，用x、y、z轴来描述。
z轴：是通过锥顶端的轴线，是纵向轴，称为光轴，沿该方向受力不会产生压电效应。
x轴：经过六面体的棱线并垂直于z轴的轴为x轴，称为电轴（压电效应只在该轴的两个表面产生电荷集聚），沿该方向受力产生的压电效应称为“纵向压电效应”。
y轴：与x、z轴同时垂直的轴为y轴，称为机械轴（该方向只产生机械变形，不会出现电荷集聚）。沿该方向受力产生的压电效应称为“横向压电效应”。

P99-100 压电陶瓷与石英晶体的对比：压电陶瓷的压电系数比石英晶体大得多（即压电效应更明显），因此用它做成的压电式传感器的灵敏度较高，但稳定性、机械强度等不如石英晶体。
石英是较好的单晶体类压电材料，除了压电系数不大外，其他特性都具有明显的优越性，石英主要用于测量大量值的力和加速度或作为标准传感器使用。

第7章 磁敏式传感器
7.5 什么是霍尔效应？霍尔电动势与哪些因素有关？ P116-117
当载流导体中通电电流方向与磁场方向垂直时，在导体的两个端面上就有电势产生，这种现象叫做霍尔效应。与载流子浓度、激励电流大小、磁场强度、电子迁移率、载流导体的厚度有关。
P110-115磁电感应式传感器分类、基本特性、测量电路与应用
1） 分类——恒磁通式：动圈式和动铁式结构；变磁通式：开磁路和闭磁路结构
2） 基本特性——P112-114
3） 测量电路与应用——P114-115
需会算载流子

第8章 热电式传感器
8.1什么是热电效应、接触电动势、温差电动势？ P128
1）两种不同导体组成闭合回路，如果两接点温度不同，则在闭合回路中就有热电势产生，这种现象称为热电效应。
2）在热电效应中因为导体电子密度不同，因接触而产生的热电势称为接触电动势
3）单一导体内部，因为两端的温度不同产生的热电势称为温差电势。
8.2 热电偶的工作原理是什么? P128-129
热电偶测温是基于热电效应的基本原理。根据热电效应，任何两种不同的导体或半导体组成的闭合回路，如果将它们的两个接点分别置于温度不同的热源中，则在该回路中会产生热电动势，在一定条件下，产生的热电动势与被测温度成单值函数关系。因此，我们只需测得热电动势值，就可间接获得被测温度。

8.3 什么是中间导体定律、中间温度定律、标准导体定律、均质导体定律？ P131-134
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，则回路的总热电动势不变。
2）中间温度定律：热电偶AB在接点温度为t,t0时的热电动势EAB(t,t0)等于它在接点温度t,tc和tc,t0时的热电动势EAB(t,tc)和EAB(tc,t0)的代数和。
3）标准电极定律：如果两种导体A、B分别与第三种导体C组成的热电偶所产生的热电动势已知，则由这两个导体A、B组成的热电偶所产生的热电动势可由下式来确定： EAB(t,t0)=EAC(t,t0)-EBC(t,t0)
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势均为0

8.7 用两只K 型热电偶测量两点温度，其连接线路如下图所示，已知t1=420℃,t2=30℃，测得两点的温差电动势为15.24mv，问两点的温度差是多少？如果测量t1温度的那只热电偶错用的是E 型热电偶，其他都正确，试求两点实际温度差是多少？
(可能用到的热电偶分度表数据见表一和表二，最后结果可只保留到整数位）
表一 K型热电偶分度表（部分）
工作端温度/℃
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
热电动势/mV
0
0
0.397
0.798
1.203
1.611
2.022
2.436
2.85
3.266
3.681
100
4.095
4.508
4.919
5.327
5.733
6.137
6.539
6.939
7.338
7.737
200
8.137
8.537
8.938
9.341
9.745
10.151
10.56
10.97
11.381
11.793
300
12.21
12.62
13.04
13.46
13.874
14.292
14.71
15.13
15.552
15.974
400
16.4
16.82
17.24
17.66
18.088
18.513
18.94
19.36
19.788
20.214

解：1）

所以
查表得点的温度为49.5℃，两点间的温度差为420-49.5=370.5℃。
2） 如果测量错用了E型热电偶，则

所以
查表得点的温度为360℃，两点间的温度差实际为420-360=60℃。

8.14 热电阻有什么特点？ P144
（1） 热电阻测量电路优点：精度高，性能稳定，适于测低温。（2）热惯性大，需辅助电源。

书上题目P138

第9章 光电式传感器
9.4 什么是光电效应、内光电效应、外光电效应？ P153、157
1）光电效应：根据光电效应方程，当光照射在某些物体上时，光能量作用于被测物体而释放电子，即物体吸收具有一定能量的光子后所产生的电效应，这就是光电效应。
2）内光电效应：内光电效应是指物体受到光照后所产生的光电子只在物体内部运动，而不会逸出物体的现象。
3）外光电效应：当光照射到金属或金属氧化物的光材料上时，光子的能量传给光电材料表面的电子，如果入射到表面的光能使电子获得足够的能量，电子会克服正离子对它的吸引力，脱离材料表面而进入外界空间，这种现象称为外光电效应。

9.22 一个8位光电码盘的最小分辨率是多少？如果要求每个最小分辨率对应的码盘圆弧长度至少为0.01mm，则码盘半径应有多大？
解：∵一个n位二进制码盘的最小分辨率是360°/2n
∴8位光电码盘的最小分辨率是360°/28≈1.4°
码盘周长为0.01mm×28=0.01mm×256=2.56mm
码盘半径为2.56mm/2π≈0.4074mm

9.25 计量光栅是如何实现测量位移的？ P190-191
主光栅与运动部件连在一起，当被测物体运动时，在主光栅、指示光栅后面形成黑白相间的莫尔条纹，条纹宽度和运动部件的位移成正比。

9.27 已知某计量光栅的栅线密度为100线/mm，栅线夹角θ=0.1º。试求：
(1) 该光栅形成的莫尔条纹间距是多少?
(2) 若采用该光栅测量线位移，已知指示光栅上的莫尔条纹移动了15条，则被测位移为多少？
(3) 若采用四只光敏二极管接收莫尔条纹信号，并且光敏二极管响应时间为10-6 s ，问此时光栅允许最快的运动速度v是多少?
解：(1) 由光栅密度为100线/mm，可知其光栅栅距
根据公式可求莫尔条纹间距
式中θ为主光栅与指示光栅夹角。
θ=0.1º=0.001745rad

(2) 计量光栅对位移起放大作用，光栅每移动一个栅距，莫尔条纹移动一个间距BH。
指示光栅上莫尔条纹移动了15条，对应的光栅也就移动了15个栅距，
即被测线位移为△x=15×0.01mm=0.15mm
(3) 光栅运动速度与光敏二极管的响应时间成反比，即

所以最大允许速度为10m/s

本章公式 P190-193