传感作业.doc

第一章 概述
1．传感器的定义
传感器：能感受（或响应）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。
2． 传感器的组成形式
通常由直接响应于被测量的敏感元件和将敏感元件输出转换为可用信号输出的转换元件以及相应的电子电路所组成。

敏感元件：直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的元件。
传感元件（变换器转换元件）：一般情况下不直接感受被测量，而是将敏感元件的输出量转换为电量输出的元件。
信号调节与转换电路：把传感元件输出的电信号转换为便于显示、记录、处理和控制的有用电信号的电路。
信号调节与转换电路的种类要视传感元件的类型而定，常用的电路有电桥、放大器、振荡器、电荷放大器、阻抗变换器等。
3． 传感器的分类
(1) 按输入量（用途）分类 以被测物理量命名，厂家向用户提供最基本的使用信息。
(2）按工作机理分类 以工作原理命名，有利于了解同类型传感器的特性。
(3）按信息能量变换方式分类:
① 能量变换型 传感器将从测被对象获取的能量（信息能量），直接变换为输出信号。
② 能量控制型 传感器将从被测对象获取的信息能量，不是直接转换为输出能量，而是用于调制或激励源，使激励源的部分能量载有信息而形成输出信号。
引申：这类方法的优点：① 概括了所有传感器的共同特征，有利于利用系统的理论和方法对具有复杂变换的传感器进行分析；② 将信息与能量联系起来，可以建立传感器的通用评价标准，如能量变换效率、信噪比等；③ 考虑了激励源特性对传感器的影响。

第四章
1．什么叫应变效应？用应变效应解释金属应变片的工作原理。（了解）
由于机械变形而引起导电材料电阻变化的现象叫应变效应。
6．试述应变片温度误差的原因及补偿方法。（i）
（1）温度变化引起应变片敏感栅电阻变化而产生附加形变；
（2）试件材料与敏感栅材料的线膨胀系数不同，使应变片产生附加应变。
１、桥路补偿法 2、应变片自补偿法 3、热敏电阻补偿法
7．试述电桥电路非线性误差的原因及其补偿方法。(i)（方法另附）
① 当应变片的阻值变化△R过大，而使△R／R不可忽略时，U=f（ε，R）是非线性的。
② 电桥供电电源不稳定 ③ 弹性元件受压后，横断面积变大等。

第五章 电容式传感器 (填空，简答，简单计算)
1、试述电容式传感器的工作原理及结构类型（形式）。（方法另附）
以各种类型的电容器作为敏感元件，将被测物理量的变化转换为电容量的变化的传感器称为电容式传感器。
2、比较空气介质的变间隙式与差动式的电容传感器的灵敏度和非线性误差。（方法另附）
3、试述电容式传感器的特点和关键问题。
电容式传感器的特点是：(1) 小功率、高阻抗。(2) 小的静电引力和较高的固有频率、良好的动态特性。(3) 本身发热影响小。(4) 可进行非接触测量。
4、电容式传感器通常配用的测量电路有哪几种？它们的工作原理和主要特点是什么？
一、运算放大器式电路：U0=-UiCod/εA 解决了变间隙式的电容式传感器的非线性问题,使其输出电压与输入位移有线性关系。
二、电桥电路: 把差动式电容传感器接入变压器电桥，并且在放大器输入阻抗极大的情况下，其输出电压也与输入电压成线性关系，这种电桥可测10-8～10-9pF的电容变化量，因而是测量微小位移比较理想的测量电路。

三、二极管T型网络（双T电桥电路）电路特点：
(1) 电源S、传感器电容C1、平衡电容C2以及输出电路均有一端接地；(2) 工作电压很高，二极管D1和D2都工作在特性曲线的线性区内；(3) 输出电压较高；(4) 输出阻抗为R1或R2(1一100kΩ)，且实际上与电容C1和C2无关。适当选择电阻Rl和R2，则输出电流就可用毫安表或微安表直接测量；(5) 输出信号的上升时间取决于负载电阻。对应于1kΩ的负载电阻．上升时间为20微秒左右，因此它能用来测量高速机械运动。
四、脉冲宽度调制电路
(1) 对元件无线性要求；(2) 效率高，信号只要经过低通滤波器就有较大的直流输出；(3) 调宽频率的变化对输出无影响；(4) 由于低通滤波器作用，对输出矩形波纯度要求不高。
五、调频电路;六、谐振电路.

第六章 电感式传感器
1、试述电感式传感器的工作原理、特点和种类。
工作原理：利用在稳恒磁场中运动导体所产生的动生电势，可以测量直线式回转运动的速度，这类传感器通常称为磁电式传感器；而利用交变磁场通过线圈所产生的感生电势，，通常称为电磁式传感器一般的说法称为电感式传感器。
电感式传感器建立在电磁感应基础上，利用线圈电感或互感的改变来实现非电量电测。
特点:① 工作可靠，寿命长；② 灵敏度高，分辨率高；③ 精度高，线性特性好；④ 性能稳定，重复性好。
种类：变磁阻式、变压器式和涡流式。
2、 变磁阻式传感器可分为哪几类？
① 变气隙厚度δ的电感式传感器;② 变气隙面积s的电感式传感器;③ 变铁芯磁导率μ的电感式传感器
3、 差动式电感传感器电桥电路的工作原理.
当铁芯处于中间位置时，Z1 = Z2 = Z（Z表示铁芯处中间位置时一个线圈阻抗） 有U0=0 电桥平衡。
（1） 铁芯下移时，Z1 = Z +ΔZ， Z2 = Z −ΔZ
（2）铁芯上移时，Z1 = Z −ΔZ， Z2 = Z + ΔZ

4、概述螺线管型差动变压器的基本结构、工作原理。
1.基本结构:由线圈组合、活动衔铁和导磁外壳三部分组成。线圈组合包括初级P、次级线圈S1、S2和骨架等部分。
2.工作原理: 以三节式差动变压器为例，将两个匝数相等的次级线圈S1和S2反极性串联，当初级线圈P加上交流电压Ep时，就会在次级线圈产生感应电动势（电压），如果工艺上保证变压器结构完全对称，则当活动衔铁处于初始平衡位置时，两次级线圈磁回路的磁阻相等，磁通相同，互感系数M1=M2，由电磁感应原理可知Es1=Es2, 由于变压器两次级线圈反向串联，故E s=Es1= Es2= 0。
当活动衔铁向S1方向移动时，由于磁阻的影响，S1中的磁通大于S2中的磁通，M1＞M2，使ES1增大，ES2减小； 反之，ES2增大，ES1减小。Es=Es1-Es2 故当ES1、ES2随铁芯位移x变化时，ES也将随x变化。
5、差动变压器的信号调节电路有哪几种类型？试述它们的组成和基本原理。(最重要)
1．不平衡测量电路
（1）交流电压测量:(用电压表，如交流数字电压表等）直接测量差动变压器的输出电压
（2）相敏整流电路:既能检出调幅波包络的大小，又能检出包络极性的检波器称为差动相敏检波电路，简称相敏检波电路（也称为解调器）。。 （电路具体见课本123页）
（3）差动整流电路: 差动整流是先把差动变压器两个次级线圈的互感电势分别整流，然后再将整流后的电流（或电压）串联起来差动输出。
2．平衡测量电路:（1）自动平衡电路（p124）（2）力平衡电路（p124）

第七章 压电式传感器
1、什么叫正压电效应？逆压电效应？纵向压电效应？横向压电效应？
压电现象是由于某些晶体缺乏中心对称而引起的。
（正）压电效应：在一确定的方向对某一具有压电性质的电介质施力时，介质的某些表面上将出现等量而异号的电荷，电荷的大小正比于作用力的大小。当力的方向改变180º时（如由拉力改为压力），电荷符号也会改变，这种效应称为（正）压电效应。逆压电效应（电致压缩效应）：压电介质在一定方向上受到电场作用时，在一定的晶轴方向上将产生机械变形外加电场消失，变形也随之消失。如在片状压电材料的两个电极面上，如果加以交流电压，那么压电片能产生机械振动，即压电片在电极方向上有伸缩的现象。
2、石英晶体X、Y、Z轴的名称及其特点。
z轴是晶体的对称轴，光线沿z轴通过晶体不产生双折射现象，称为光轴（中性轴），该轴方向上没有压电效应；故把它作为基准轴，x轴称为电轴，它穿过正六棱柱相对的两根棱线。这样的轴对正六棱柱而言有三条，可任取一条。垂直于x轴晶面的压电效应最显著。Y轴称为机械轴，它垂直于正六棱柱的棱面。在电场作用下，沿Y轴方向的机械变形最显著。
通常把沿电轴(x轴)方向的力作用下产生电荷的压电效应称为“纵向压电效应”；而把沿机械袖(y轴)方向的力作用下产生电荷的压电效应称为“横向压电效应”
3、以石英晶体为例，说明压电晶体是怎样产生压电效应的。
石英晶体属于六角晶系离子晶体。在晶体点阵中它是非中心对称的。其分子式为SiO2。在每一个晶胞（晶体单元）中有三个硅离子和六个氧离子，氧离子是成对出现的。硅离子带四个正电荷，氧离子带两个负电荷，一个硅离子和两个氧离子交替地排列。石英晶体的点阵在垂直Z轴平面（xy平面）上的投影中间是由六个氧离子和三个硅离子组成的晶胞。若将相近的两个氧离子用一个等效的2O2−离子代替，则该晶胞中硅、氧离子的排列可等效为正六边形。 当无引力作用时，晶胞中六个正负离子对外静电显中性。当沿晶片x轴施加压力时，晶胞在该方向上变形。硅离子由于晶胞变形而贴近上表面，使上表面静电上显现正电荷。
同理，氧离子贴近下表面，使下表面静电上显现负电荷。晶胞变形的结果，使离子产生不对称的相对位移，破坏了静电上的中性而产生极化正、负电荷。恢复正六边形，极化电荷也自然消失，如果去掉压力，晶胞重新恢复正六边形，极化电荷也自然消失，这就是纵向压电效应。如果压力在晶片上沿y轴作用，将使晶胞产生纵向伸长的变形，使上面的正离子远离上表面，破坏了静电的平衡，显现负电荷。同理，下表面显现正电荷。这就是横向压电效应。
4、简述压电陶瓷的结构及其特点。
压电陶瓷是由无数细微的单晶组成。每个单晶都有自己自发形成的极化方向。但许多单晶集合在一起时，这些极化方向是杂乱无章地排列着，他们对外界的极化效应相互抵消了，原始的压电陶瓷材料的整体对外不显极化方向，各向同性，不具有压电特性。
这些自发极化的单晶体类似铁磁体中的磁畴，故称为电畴，也称这种压电陶瓷为铁电体。
将这些材料置于外电场作用下，使其中的电畴极化方向与外电场一致。外电场愈强，就有更多的电畴更完全地转向外电场方向，让外电场强大到使材料的极化达到饱和的程度，即所有电畴极化方向都整齐地与外电场方向一致时，外电场去掉后，电畴的极化方向基本不变。剩余极化强度很大，这时的材料才具有压电特性。

第九章热电式传感器
1、什么是热电偶？解释：热电效应、热电势、接触电势、温差电势。
热电偶将温度变化转变为电势变化。将两种不同的导体（金属或半导体）A和B组成一个闭合回路，称为热电偶。
当两导体的两个接点1和2处于不同的温度T和T0时，回路中有一定大小的电流，表明回路中有电势产生，该现象称为温差电效应或塞贝克效应，通常称为热电效应。
导体A、B称为热电极，测量温度时，两个接点中的一个接点置于被测温度场（T）中，称该接点为测量端、也叫工作端或热端；另一接点置于某个恒定温度（T0）的地方，称为参考端或自由端、冷端。
接触电势是由于互相接触的两种金属导体内自由电子的密度不同而造成的。由两金属的特性和接点处的温度决定的。
单一导体温差电势是由于金属导体两端温度不同引起热扩散而形成的。高温端就要向低温端进行热扩散高温端因失去电子而带正电，低温端因获得多余电子而带负电，导体两端形成电位差，即温差电势。
2、简述热电偶产生热电势的两个条件，要求从热电偶的工作机理进行说明。
热电偶两个电极的材料不同，两接点温度不同。A、B固定后，热电势Eab（T，T0）便为两接点温度T和T0的函数，即
Eab（T，T0）=E(T)-E(T0)
当T0保持某个稳态值时，EAB（T，T0）的大小就简单地与热电偶热端温度T成单值对应关系。Eab（T，T0）=E(T)-C
3、热电偶的基本定律。
（1）均质导体定律
两种均质金属组成的热电偶，其电势大小与热电极直径、长度及沿热电极长度上的温度分布无关，只与热电极材料和两端温度有关。若材质不均匀，当热电极上各处温度不同时，将产生附加热电势，造成无法估计的测量误差。热电极材料的均匀性是衡量热电偶质量的重要指标之一。
（2）中间导体定律
在热电偶回路中插入第三、四…种导体，只要插入导体的两端温度相等，且插入导体是匀质的，则无论插入导体的温度分布如何，都不会影响原来热电偶的热电势的大小。因此，在热电偶回路中串接测量仪表和连接导线时，应保证两个结点温度一致，就可对热电势进行测量，而不影响热电偶的输出。
（3）中间温度定律
热电偶在接点温度为T，To时的热电势等于该热电偶在接点温度为T，Tn和Tn，To时相应的热电势的代数和。
Eab(T,Tn)=Eab(T,Tn)+ Eab(Tn,To)
4、热电偶的冷端温度及其补偿方法。
热电偶热电势的大小与热电极材料及两接点的温度有关。当热电极材料一定且冷端温度保持不变，则其热电势Eab（T，T0）为其工作端温度T的单值函数。热电偶的分度表是在热电偶冷端温度等于0℃的条件下测得的。所以使用时，只有满足T0＝0℃的条件，才能直接应用分度表或分度曲线。工程测温中，必须对冷端温度进行修正及补偿。
热电热修正法：E(T,0) =E(T,Tn ) +E(Tn ,0) Tn：冷端的恒定温度； E（Tn，0）：修正项。
例:用镍铬一镍硅热电偶测炉温。当冷端温度T0＝30℃时，测得热电势为E(T，T0)＝39.17mV，则实际炉温是多少度？
由T0＝30℃，查分度表得E(30，0)＝1.20mV ∴ E(T，0)＝E(T，30)十E(30，0)＝39.17十1.2＝40.37(mV)
再查分度表，有E（977，0）=40.37（mV） ∴ 实际炉温为977℃。
5、什么叫热电阻效应？热电阻的分类。
物质的电阻率随温度变化而变化的物理现象称为热电阻效应。根据热电阻效应制成的传感器叫热电阻传感器，简称热电阻。
热电阻按电阻—温度特性的不同，可分为金属热电阻（一般称热电阻）和半导体热电阻（一般称热敏电阻）。
4． 常用金属热电阻分类，测量电路，各种连线方式的特点。
金属热电阻一般有铂热电阻和铜热电阻。
最常用的测量电路为直流电桥测量电路。热电阻在桥路中的接线方法有：工业测量中采用两线制和三线制接法，标准和实验室采用四线制接法。两线制接法简单，但引线电阻变化时引起的误差较大，在可能的情况下，应尽量采用三线制接法。采用三线制接法，两条引线的电阻分别加到电桥的相邻桥臂，因此，使引线电阻变化产生的附加误差减小。三线制用于零位调整的可调电阻R的接触电阻和桥臂电阻（Ra+Rt）相连，可能导致电桥的零点不稳。改进的方法是采用四线制的接法。附测试电路连线方式：

7、热敏电阻的分类，各类热敏电阻的特点及应用范围。
半导体热敏电阻有正温度系数（PTC）[当温度超过某一数值时，其电阻值朝正方向快速变化。]、临界温度系数（CTR）[PTC和CTR热敏电阻随温度变化的特性属剧变型]、负温度系数（NTC）其电阻率ρ随温度的升高比较均匀地减小，为缓变型热敏电阻三类。
应用：（1）可以测量变化范围不大的温度，如海水温度、人体温度等。此外，用热敏电阻还可控制温度，特别是PTC和CTR型热敏电阻，当其工作在居里点附近，可以直接测温控温，如火灾报警、过热保护等。（2）用NTC型热敏电阻测量流体流速和流量。主要利用温度检测法和耗散因数检测法，而后一种方法工作点应在U~I特性曲线负阻区。（3）用NTC和PTC型热敏电阻测量液位。它是利用元件在空气中和液体中的耗散系数（冷却度）不同的原理进行测量。（4）用于家用电器。PTC型热敏电阻可用于控制温度。电流通过元件后引起元件温度升高，当越过居里点温度后，由R~T温度曲线可知，电阻增大，则电流减小，相应元件温度也降低，电阻值减小。这又导致电流增加，元件温度升高，于是电阻增大，电流减小，如此重复，这样元件本身就起到自动调节温度的作用。

第十章光电式传感器
1、什么叫光电效应？外光电效应？内光电效应？
光电效应分为：外光电效应和内光电效应。
光照射在某些物体上，引起光子从这些物体表面逸出的现象称为外光电效应（光电发射）。物体受光照射后，其内部的原子释放出电子，这些电子仍留在物体内部，使物体的电阻率发生变化或产生光电动势的现象称为内光电效应。
2、 试述光电管、光电倍增管的结构和工作原理。
光电管玻璃泡内装有两个电极，一个是光电阴极，常用碱金属及其化合物制成。阴极对光敏感的一面面向光照射。当阴极受到适当波长的光线照射时便发射电子，若在光电管阳极上接电源的正极，阴极接电源的负极，则电子被阳极吸引，光电管内就有电子的流动，在外电路中便产生了电流。在外电路中串联一电阻，则在电阻上产生一定的电压降。这样就实现了光电转换作用。光电倍增管由光电阴极、若干倍增极和阳极三部分组成。