传感器与检测技术总复习(精华)

1、填空： 1传感器是把外界输入的非电信号转换成（电信号）的装置。 2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。 3. 传感器一般由（敏感元件）与转换元件组成。 （敏感元件）是指传感器中能直接感受被测量的部分 （转换元件）是指传感器中能将敏感元件输出量转换为适于传输和测量的电信号 部分。 4. 半导体应变片使用半导体材料制成，其工作原理是基于半导体材料的（压阻效 应）。 5. 半导体应变片与金属丝式应变片相比较优点是 （灵敏系数）比金属丝高5080 倍。 6. 压阻效应是指半导体材料某一轴向受到外力作用时，其（电阻率p ）发生变化的 现象。 7. 电阻应变片

2、的工作原理是基于（应变效应）,即在导体产生机械变形时，它的 电阻值相应发生变化。 8. 金属应变片由（敏感栅）、基片、覆盖层和引线等部分组成。 9. 常用的应变片可分为两类：（金属电阻应变片）和（半导体电阻应变片）。 半导体应变片工作原理是基于半导体材料的 （压阻效应）。金属电阻应变片的工 作原理基于电阻的（应变效应）。 10. 金属应变片有（丝式电阻应变片）、（箔式应变片）和薄膜式应变片三种。 11. 弹性敏感元件及其基本特性：物体在外力作用下而改变原来尺寸或形状的现 象称为（变形）,而当外力去掉后物体又能完全恢复其原来的尺寸和形状，这种变 形称为（弹性变形）。 12. 直线电阻丝绕成敏感栅

3、后，虽然长度相同，但应变不同，园弧部分使灵敏系 数KJ下降，这种现象称为（横向效应）。 13. 为了减小横向效应产生的测量误差，现在一般多采用（箔式应变片）。 14. 电阻应变片的温度补偿方法 1）应变片的自补偿法 这种温度补偿法是利用自身具有温度补偿作用的应变片 （称之为温度自补偿应变 片）来补偿的，应变片的自补偿法有（单丝自补偿）和（双丝组合式自补偿） 。 15. 产生应变片温度误差的主要因素有下述两个方面。 1）（电阻温度系数）的影响 2）试件材料和电阻丝材料的（线膨胀系数不同）的影响 16. 写出三种能够测量加速度的传感器（电阻应变片式传感器）（电容传感器） （压电传感器） 17. 根

4、据电容式传感器工作原理可以将电容传感器分成三类（变介电常数型）、变 面积型和（变极距型） 18.电容传感器测量液位时的电容值 c与（液位高度h成线性）关系，所以可以用 作液位传感器_Ri 19.交、直流电桥的平衡条件是什么？R1R4=R2RR2 判断： R4 金属电阻应变片的敏感栅有丝式、 箔式和薄膜式三种。其中丝式电阻应变片的 15 优点是散热条件好，允许通过的电流较大，可制成各种所需的形状，便于批量 生产。（X） 2. 单臂电桥，顾名思义就是只有一个应变片的测量电路就是单臂桥，相反就不是 单臂（X） 3. 直流电桥平衡条件是其相邻两臂电阻的比值应相等。（V） 4. 电容传感器因为极板间添加

5、的是绝缘物质所以不能测量导电性液体（） 5. 压电陶瓷与天然晶体是具有相同性质的压电效应的压电材料。（X） 6. 压电陶瓷极化后才具有压电特性，未极化时是非压电体。（V） 选择： 1. 演示位移传感器的工作原理如右图示， 物体M在导轨上平移时，带动滑动变阻 器的金属滑杆p,通过电压表显示的数据，来反映物体位移的大小x。假设电压 ( A物体M运动时，电源内的电流会发生变化 B物体M运动时，电压表的示数会发生变化 C物体M不动时，电路中没有电流D 物体M不动时，电压表没有示数 2. 下列不属于按输出信号分类的传感器是？（B） A开关型传感器B能量转换型传感器C模拟型传感器 D数字型传感器 3、应变

6、测量中，希望灵敏度高、线性好、有温度自补偿功能，应选择以下哪种 类型的测量转换电路。（C） A.单臂半桥B.双臂半桥C.差动全桥D.有温度补偿的单臂桥 4、 按照工作应变片的个数分类的是？（C） A.直流电桥B.对称桥C.差动全桥D.电源对称桥 5. 通常用应变式传感器测量（C）。 A温度B密度C加速度D电阻 6. 测量温度不可用传感器（B）。 A.热电阻B.热电偶C.电阻应变片 D.热敏电阻 7. 下列属于按被测量分类的传感器是？（ D ） A温度补偿应变片B压电传感器C模拟传感器D重量传感器 8. 下列加速度传感器的那个部分是敏感元件？其中，1是等强度梁2是质量块3 外壳4应变片（A） 3

7、 1 等强度梁； 2 质量块； 3 壳体; 4 电阻应变敏感元体 A .1 和 2 B. 3 C .2 D. 1.只有在汕人 1时，山与皿才近似为线性关系另外 起始距离/越;Jj相同皿引起的加越大电容传感器的 起始距离川通常为多大范围内？选择正确答案（） B A. 25200mm B. 25200 卩 m C. 25200nm D. 25200cm 9. 云母片的相对介电常数是空气的7倍，其击穿电压不小于1000 kV/mm,而空 气仅为3 kV/mm因此有了云母片，极板间起始距离可大大减小。一般变极板间 距离电容式传感器的起始电容在 20100pF之间，极板间距离在25200卩m的 范围内。

8、最大位移应小于间距的（B 1/10），故在微位移测量中应用最广。 A. 1/5 B. 1/10 C. 1/20 D. 1/2 10. 在压电片的x方向施加压力时，以下选项正确的是（A ） c A在X轴的正方向出现正电荷；B在X轴的正方向出现负电荷； C在Y轴的正方向出现正电荷 D在Y轴的正方向出现正电荷 11. 那些材料适合做霍尔元件？（ C ） A绝缘材料B金属材料C N型半导体D P型半导体 大题： 1. 应当指出，若要实现完全补偿，上述分析过程必须满足以下4个条件: 在应变片工作过程中，保证 R3=R4 R1和RB两个应变片应具有相同的电阻温度系数a、线膨胀系数B、应变灵 敏度系数K和初

9、始电阻值R0b 粘贴补偿片的补偿块材料和粘贴工作片的被测试件材料必须一样，两者线膨 胀系数相同。 两应变片应处于同一温度场。 2. 金属电阻应变片的材料 对电阻丝（敏感栅）材料应有如下要求： 灵敏系数大， 且在相当大的应变范围内保持常数； P值大，即在同样长度、同样横截面积的电阻丝中具有较大的电阻值； 电阻温度系数小，否则因环境温度变化也会改变其阻值； 与铜线的焊接性能好，与其它金属的接触电势小； 机械强度高， 具有优良的机械加工性能。 3. 电阻应变片的测量电路 测量电路的分类：按工作应变片个数来分：1）、单臂电桥2）、双臂电桥（差动半 桥）3）、全桥（差动全桥）讨论：单臂电桥、双臂电桥、全

10、桥谁的灵敏度最高？ 1. 测量电路的灵敏度-单臂电桥 U o 当 R仁 R2=R3=RW， 电桥电压灵敏度最高，此时有: E R, 4R, 测量电路的灵敏度双臂电桥（差动半桥） 当 R仁 R2=R3=RW， 电桥电压灵敏度最高，此时有: Uo E R1 2 R1 电桥电压灵敏度最高，此时有: Uo Ri Ku 4.克服非线性误差方法：差动测量电路为了减小和克服非线性误差, 电桥如图所示， 接入电桥相邻桥臂，称为半桥差动电路， 常采用差动 在试件上安装两个工作应变片，一个受拉应变，一个受压应变, 所示 (a) o 如图（a） o o (b) （a）半桥差动电桥（b）全桥差动电桥 5、应变片的温度

11、误差 由于测量现场环境温度的改变而给测量带来的附加误差，称为应变片的温度误 差。产生应变片温度误差的主要因素有下述两个方面。 产生温度误差的原因： 1）电阻温度系数的影响2）试件材料和电阻丝材料的线膨胀系数不同的影响 1.电阻应变片的温度补偿方法： 1）应变片的自补偿法：应变片的自补偿法有（单丝自补偿）和（双丝组合式自补偿） 2）桥路补偿法（线路补偿） 6. 对于应变片式传感器单臂桥测量电路进行温度补偿时，若要实现完全补偿，必 须满足的条件是？ 在应变片工作过程中，保证 R3=R4 R1和RB两个应变片应具有相同的电阻温度系数a、线膨胀系数B、应变灵 敏度系数K和初始电阻值R0b 粘贴补偿片的

12、补偿块材料和粘贴工作片的被测试件材料必须一样，两者线膨 胀系数相同。 两应变片应处于同一温度场。 6(1 - x) F WEt2 7. 今有一悬臂梁，在其中上部上、下两面各贴两片应变片，组成全桥，如下图所 示。该梁在其悬臂梁一端受一向下力 F=0.5N,试求此时这四个应变片的电阻值。 已知：应变片灵敏系数 K=2.1 ;应变片空载电阻R0=120Qo t = 3 mm 5 E = 7010 Pa Q 1l I 二 25cm _6l -xF WEt2 0 25 6 (0.25) 0.5 52 0.06 70 105 (0.003)2 =0.10 叹=21 120 0.10=252 R 二R 二R

13、0 R =120 25.2 =1452 民二 R4 二民 _. r=120-25.2 =94.8 8. 电容式传感器的工作原理和结构 平板电容器，由绝缘介质分开的两个平行金属板组成的平板电容器，如果不考虑 C （边缘）效应，其电容量为： X 鱼r 局 A1 尺凤 J1 9. 变介电常数型电容传感器 D 100% d。 概述：测量液位高度 结构简单，没有可动部分，电容值 c与液位高度h（成线性关系） 1. : :C x 2. 当动极板沿长度方向平移 x .Coa 这种形式的传感器其电容量 C与（水平位移厶x ）呈线性关系。 1. 变面积型电容式传感器 角位移型 可以看出，传感器的电容量 C与（角

14、位移B ）呈线性关系 变极距型电容彳专感器只有在 1时,比与整才 近似为线性关系另外起始距會况越小相同“引起 的加越大,为了提高灵敏度所以电容传感器的起始 1距离都很小”这会导致出现什么问题以及解决办法是？ 电容传感器的起始距离很小；会导致电容器被击穿或 短路,解决方法是可以在变极距型电容传感器极板间 添加高介电常数物质,如云母片 1.变极距型电容传感器为了提高灵敏度，应减小起始间隙d0,但（非线性误差） 却随着d0的减小而增大。 1.怎样减少非线性误差？在实际应用中， 为了提高灵敏度，减小非线性误差，大 都米用（差动式结构）。 斗d斗d亠 1.差动测量法灵敏度得到一倍的改善Cdo C,do

15、/ 、2 A K 5 = 00% 6 线性度得到改善 I d0丿 1.测量电路 电容传感器的等效电路（自学） 减小误差的方法： 1）减小温度、湿度等变化所产生的误差，保证绝缘材料的绝缘性能 2）消除和减小边缘效应（p83） 3）消除和减小寄生电容的影响（p83） 测I卓电路分类 调 测團 车专星型 调巾畐电罡各-电流电桥C淪出立流信号） 换电 圭L足各 - 路 * 山接通过彳氐亍彥谑波之膚即口得至U 反映根板变化右向的貢流佶号 咏 7中 1.对于变极距型电容传感器采用运算放大器测量电路时的输出电压与（极板间距 离d）成线性关系。 1.压电元件受力后,（表面电荷与外力成正比关系） 1.（压电陶瓷

16、制作传感器灵敏度比压电晶体高） 1.压电陶瓷是人工制造的多晶体压电材料，材料的内部晶粒有许多自发极化的 （电畴），他有一定的极化方向。 压电材料 夭然品体 压 电 材 料 压电陶瓷 EE屯效应 与晶体压 电效理不 同 高分于材料压电效应比车交复杂 自学 不做要求）棗偏航乙烯（压由岳数高 6.1逆压电效应 1. 压电效应是可逆的 在介质极化的方向施加电场时，电介质会产生形变，将电能转化成机械能，这种 现象称（逆压电效应）. 2. 所以压电元件可以将机械能一一转化成（电能）也可以将电能一一转化成机械 1.涡流效应原理： 闭合铁芯（或一大块导体）处于交变磁场中，交变的（磁通 量）使闭合铁芯（或一大块

17、导体）中产生感应电流，形成（涡电流。 2假如铁芯（或导体）是纯铁（纯金属）的，则由于电阻很小，产生的涡电流很 大，电流的（热效应）可以是铁（或金属）的温度达到很高的，甚至是铁（或金 属）的熔点，使铁熔化。 3.导体的外周长越长，交变磁场的（频率越高） 1. ，涡流就越大 发射线圈1和接收线圈2分别放在被测材料G的上下 低频（音频范围）电压el加到线圈3 1的两端后,在周围空间产生一交变磁 场,并在被测材料G中产生涡流，此涡流损耗了部分能量，使贯穿3 2的磁力 线减少,从而使3 2产生的感应电势e2减小。 e2的大小与G的厚度及材料性质有关,实验与理论证明,e2随材料厚度h增 加按负指数规律减小

18、。 1.概述 磁电式传感器是通过磁电作用将被测量（如：振动、位移、转速）转换成（电信 号）的一种传感器。常用的有磁电感应式传感器、霍尔式传感器。磁电感应式传 感器是利用导体和磁场发生相对运动产生（感应电动势）；霍尔式传感器是载流 半导体在磁场中有电磁效应而输出电动势。是典型的（有源传感器）。 1. 霍尔传感器就是基于霍尔效应，把一个导体（半导体薄片）两端通以控制电流 I，在薄片垂直方向施加磁感强度 B的磁场，在薄片的另外两侧会产生一个与控 制电流I和磁场强度B的乘积成比例的电动势UH（H是下角标）。 2. 通电的导体（半导体）放在磁场中，电流 I与磁场B方向垂直，在导体另外 两侧会产生感应电动

19、势，这种现象称（霍尔效应）。 1.霍尔式传感器的霍尔电动势产生的原理？ 答：一块长为I、宽为b、厚为d的半导体薄片至于磁感应强度为 B的磁场（磁 场方向垂直于薄片）中，当有电流I流过时，在垂直于电流和磁场的方向上将产 生电动势，这种现象称为霍尔效应。是因为载流子（电子）按着电流反方向运动， 由于外磁场B的作用，使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。而前端缺少电子，因此后端面带负电，前端面带正电，形 成电场。称为霍尔电场。 1.当霍尔元件的激励电流为I时，若元件所处位置磁感应强度为零，则它的霍 尔电势应该为零，但实际不为零。 这时测得的空载霍尔电势称（不等位电

20、势）。 1.当霍尔元件通以激励电流I时，若磁场B=0,理论上霍尔电势 UH=O但实际 UH不等于0,这时测得的空载电势称（不等位电势U0）。产生的原因（霍尔引出 电极安装不对称）（半导体材料不均匀） 1.简述霍尔传感器位移测量原理？ (H) 7 - 12 霍尔式位移传感器的工作庶理图 2. 图7 - 13是几种不同结构的霍尔式转速传感器。磁性转盘的输入轴与被测转 轴相连，当被测转轴转动时，磁性转盘随之转动，固定在磁性转盘附近的霍尔 传感器便可在每一个小磁铁通过时产生一个相应的脉冲，检测出单位时间的脉 冲数，便可知被测转速。磁性转盘上小磁铁数目的多少决定了传感器测量转速的 分辨率。 填空 1.

21、电感式传感器是应用 电磁感应原理将非电量参数如：位移、压力、应变、流量等转 换成电感量_的变化，然后通过相应的 _测量电路转换成电压或电流形式输出， 实现非电量测量的一种装置。 2. 某些晶体或多晶陶瓷，当沿着一定方向受到外力作用时，内部就产生 _极化现象_，同 时在某两个表面上产生符号相反的电荷_，当作用力方向改变时，电荷的 极性 也随着改变；晶体受力所产生的电荷量与 外力的大小成正比。上述现象称 为_正压电效应。 3. 从传感器的角度看光电效应可分为两大类：_外光电效应和_内光电效应_。 4. 根据电容式传感器工作原理可以将电容传感器分成三类变极距型_、_变面积型_和 变介电常数型。 1.

22、 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，传感器通常 由敏感或装置元件和 转_换元_件_组成。 2. 电感式传感器是应用 _电磁感应原理_将非电量参数如：位移、压力、应变、流量等 转换成电感量的变化，然后通过相应的测量电路转换成电压或电流形式输 出，实现非电量测量的一种装置。 变极距型 3. 根据电容式传感器工作原理可以将电容传感器分成三类 变面积型和变介电常数型。 4. 根据压电元件的工作原理及两种等效电路，与压电元件配套的测量电路的前置放大器也 有两种形式：一种是 电压放大器 。其输出电压与 输入电压 成正比；另一种 是电荷放大器_，其输出电压与 输入电荷_成正比

23、。 5. 热电偶所产生的热电热势是由 _两种导体的接触二电势和单一导体的温差_电势 组成。 6. 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，其内部产生机械压力， 从而引起_极化现象_，这种现象称为 _正压电效应_。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_负压电效应。 判断 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 当被测量接近于量程的起始零点，相对误差趋于无限大。 在实验中电涡流式位移传感器的输出电压随金属圆盘远离涡流传感器而减小 多次重复测量取算数平均值可以消除系统误差。 霍尔元件越薄，灵敏度系数就越大。 天然晶体的电轴方向压电效应最显著。 压电陶瓷是一种多晶体铁电体，天然具有压电效应。 电压放大器电缆电容与放大器输入电容不会对输出电压产生影响， 不会带来测量误差。 由光敏电阻的伏安特性可知，在一定偏压下，光照强度越大，光电流越大。 由光敏电阻的温度特性可知，随着温度升高，光电流增大。 0.1级仪表测量电压准确度比 1级仪表要高，误差要小。 应变片的灵敏系数低于单根金属丝的灵敏系数。 在实验中电涡流式位移传感器的输出电压随着金属圆盘靠近涡流传感器而减小( 用电子浓度高的材料