传感器小整理

1、1. 解释传感器的定义，说明传感器的构成法，工作物理基础的基本定律，实现信息转换的基本要求，改善传感器性能的技术途径。（1）定义：传感器是指能把特定的被测量信息（物理量、化学量、生物量等）按一定规律转化成某种可用信号的器件或装置。（2）构成法（6种）：自源型，带激励源型，外源型，相同传感器补偿型，差动结构补偿型，不同传感器补偿型。（3）物理定律（4种）：1.守恒定律：主要有能量、动量等；2.场的定律：动力场的运动定律、电磁场的感应定律等；3.物质定律：胡克定律、欧姆定律等；4.统计法则：微观与宏观联系的物理法则。（4）要求（5种）：足够的容量；灵敏度高，精度适当；响应速度快，工作稳定，可靠性好

2、；适用性和适应性强；使用经济。（5）改善途径（8种）：结构、材料与参数的合理选择，差动技术，平均技术，稳定性处理，屏蔽、隔离与干扰抑制，零示法、微差法与闭环技术，补偿与校正，集成化、智能化与信息融合。2.传感器技术的发展趋势，描述传感器的数学模型，传感器的特性和性能指标。（1）发展趋势（4种）：传感器的集成化与微型化；传感器的数字化与智能化；开发新型传感器；研究生物感官，开发仿生传感器。（2）数学模型：静态模型（多项式），动态模型（微分方程和传递函数）。（3）特性：静态特性和动态特性。性能指标：静态指标（9种）线性度，灵敏度，重复性，稳定性，回差，阈值，漂移，分辨力，静态误差；动态指标（2种）

3、频率响应特性，阶跃响应特性。3.解释应变式传感器工作的基本原理、特性，电阻应变计的温度效应及补偿方法。（1）工作原理：应变电阻效应，导体在外界作用下产生机械变形（拉伸或压缩）时，其电阻阻值相应发生变化。（2）特性：静态特性（5种）灵敏系数，横向效应及系数，机械滞后，蠕变和零漂，应变极限；动态特性（3种）对正弦应变波的响应，对阶跃应变波的响应，疲劳寿命。（3）温度效应：单纯由温度变化引起应变计电阻变化的现象。补偿方法：温度自补偿法（单丝和双丝），桥路补偿法（双丝半桥式和补偿块法）。4.解释变磁阻式传感器的定义、类型，自感式传感器的误差及补偿。（1）定义：一种利用磁路磁阻变化引起传感器线圈的电感（

4、自感和互感）变化实现检测（位移、振动、力、应变、流量、比重等）的器件或装置。（2）类型（3种）：变气隙式，变面积式，螺管式。（3）误差（4种）及补偿：输出特性的非线性（采用差动结构，限制范围），零位误差（原因：电气参数、几何尺寸的不对称；导磁材料存在铁损耗，材质不均匀；线圈存在寄生电容。补偿：补偿电路，外接电路，磁路调节机构），温度误差和激励电源的影响（差动工作方式，频率大小与铁心材料要匹配）。5.解释电涡流式传感器和压磁式传感器的工作原理。（1）电涡流式传感器的工作原理：电涡流效应（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导体中产生感应电流，形成电涡流）。（2）压磁

5、式传感器的工作原理：磁致伸缩效应（铁磁材料在磁场中磁化时，在磁场方向会伸长或缩短），压磁效应/磁弹性效应（被磁化的铁磁材料在应力作用下形成磁弹性能，使磁化强度矢量重新取向，从而改变应力方向的磁导率变化），压磁效应（铁磁材料在受外力作用（压力、张力、扭力等）后，其内部产生应力，从而引起铁磁材料磁导率变化）。6.解释电容式传感器的工作原理、结构及其特性、影响因素。（1）工作原理：由绝缘介质分开的两个平行金属板组成的平板电容器，当忽略边缘效应影响时，其电容量与真空介电常数、极板间介质的相对介电常数、极板的有效面积A以及两极板间的距离有关：，若被测量的变化使式中、三个参量中的任意一个发生变化时，都会引

6、起电容量的变化。（2）结构（3种）及特性：变极距型（小测量范围近似线性输出，灵敏度与初始极距平方成反比），变面积型（输出特性呈线性，量程不受线性范围限制，适合测量较大的直线位移和角位移，灵敏度较低，多采用差动式结构），变介质型（用于测量纸张、绝缘薄膜等的厚度，粮食、纺织品、木材、煤等非导电固体物质的湿度，非导电流散材料的物位等）。（3）影响因素（4种）：边缘效应（灵敏度降低，产生非线性，保护环），静电引力（工作电压，介电常数，极间距离），寄生电容（驱动电缆法，整体屏蔽法，采用组合式与集成技术），温度影响（结构尺寸，介质）。7.解释磁电式传感器的定义、工作原理、误差及其补偿。（1）定义：可以将各

7、种磁场及其变化的量转变成电信号输出的装置。（2）工作原理（2种）：根据电磁感应定律，当导体在稳恒均匀的磁场中，沿垂直磁场方向运动时，导体内会产生感应电势；当一个N匝线圈相对静止地处在随时间变化的磁场中时，线圈内会产生感应电势。（3）误差及补偿（2种）：非线性误差，可在传感器中加入补偿线圈；温度误差，可采用热磁分流器。8.解释霍尔元件的工作原理和主要特性，误差及其补偿。（1）工作原理：霍尔效应（将霍尔元件置于磁感应强度为B的磁场中，B垂直于L-W平面，当沿L向通以电流I时，N型半导体的载流子（电子）将受到磁场B产生的洛伦兹力F的作用而向一侧面偏转，使该侧面上形成电子积累，而相对的另一侧面上则因为

8、缺少电子而出现等量的正电荷，从而在这两个侧面间形成霍尔电场E和电位差U。,这种由导电材料中电流与外磁场相互作用而产生电动势的物理现象称为霍尔效应）。（2）主要特性：乘积灵敏度，额定控制电流，输入电阻和输出电阻，不等位电势和不等位电阻，寄生直流电势，霍尔电势温度系数，工作温度范围。（3）误差及补偿（2种）：不等位电势（在直流控制电流的情况下，不等位电势的大小和极性与控制电流的大小和方向有关；在交流控制电流的情况下，不等位电势的大小和相位随交流控制电流而变），温度误差（采用温度系数小的元件，根据精度要求进行温度误差补偿）。9.解释磁阻效应及其原因，磁敏三极管的温度特性补偿。（1）磁阻效应：将一个载

9、流导体位于外磁场中，除了会产生霍尔效应以外，其电阻值也会随着磁场而变化，这种现象称为磁电阻效应，简称为磁阻效应。原因（2种）：材料的电阻率随磁场的增加而增加，称为磁阻率效应；在磁场的作用下，通过磁敏电阻电流的路径变长，因而电极间电阻值增加，称为几何磁阻效应。（2）磁敏三极管的温度特性补偿（4种）：采用具有电流正温度系数的普通三极管，采用具有电流正温度系数的锗磁敏二极管，采用PNP和NPN组成两管互补形式的补偿电路，采用两管差动输出方式（两管磁极性相反，但磁电特性一致）。10.解释压电式传感器的工作原理、特性、等效电路和影响因素。（1）工作原理（压电效应）：正压电效应（某些电介质在一定方向上受到

10、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），逆压电效应/电致伸缩现象（当在电介质的极化方向上施加电场，这些电介质也会发生变形，电场去掉后，电介质的变形随之消失）。（2）特性（6种）：压电常数，弹性常数，介电常数，机械耦合系数，电阻，居里点温度。（3）等效电路（2种）：串联等效电压源，并联等效电荷源。（4）影响因素（4种）：横向灵敏度，环境温度和湿度，安装差异及基座应变，噪声（声噪声，电缆噪声，接地回路噪声）。11.解释热电式传感器的工作原理、工作定律，热电偶的温度补偿方法，说明热电阻、热敏电阻和热电偶的区别。（

11、1）工作原理：热电效应（将两种不同性质的导体A，B组成闭合回路，若节点处于不同的温度时，两者之间将产生热电势，在回路中形成一定大小的电流）。（2）工作定律（3种）：中间导体定律，连接导体定律（包括中间温度定律），参考电极定律。（3）热电偶的温度补偿（4种）：0°C恒温法，补正系数修正法，延伸电极法，补偿电桥法。（4）热电阻、热敏电阻和热电偶：热电阻和热敏电阻都是将温度变化转化为电阻变化，热电偶将温度变化转化为热电势变化，随温度的变化输出不同的电压（毫伏级），必须用两种不同的材料作热电极。热电阻高温度系数，高电阻率，随着温度升高而阻值身高；热敏电阻由于负温度系数，随着温度升高而阻值下降

12、，甚至出现电压随电流增加而降低的现象。热电阻比热敏电阻化学稳定性好，测量范围大，但灵敏度较差。12.解释光电式传感器的工作原理及相应器件，CCD的工作原理。（1）工作原理（光电效应）：外光电效应（物体吸收光能以后转化为该物体中某些电子的能量而产生的电效应，主要器件：光电管，光电倍增管），内光电效应（光电导效应：半导体受到光照时会产生电子-空穴对，使导电性能增强，光线愈强，阻值愈低，这种光照后电阻率变化的现象成为光电导效应，主要器件：光敏电阻，光敏二极管，光敏三极管。光生伏特效应：光照引起PN结两端产生电动势的效应，主要器件：光电池）。（2）CCD的工作原理：CCD的最小单元是在P型（或N型）硅

13、衬底上生长一SiO2层，再在SiO2层上以一定次序沉积金属电极而构成金属-氧化物-半导体（MOS）的电容式转移器件。这种排列规则的MOS阵列再加上输入与输出端，即组成CC的主要部分。当向SiO2上表面的电极加一正偏压时，P型硅衬底中形成耗尽区，较高的正偏压形成较深的耗尽区。其中的少数载流子-电子被吸收到最高正偏压电极下的区域内，形成电荷包。对于采用“三相”控制，输入二极管电注入法，可在高电位电极P1下产生一电荷包。当电极P2加上同样的高电位时，由于两电极下势阱间的耦合，原来在P1下的电荷包将在这两个电极下分布；而当P1回到低电位时，电荷包就全部流入P2的势阱中。然后P3的电位升高而P2的电位回

14、到低电平，电荷包又转移到P3的势阱中。经过一个时钟脉冲周期，电荷将从前一级的一个电极下转移到下一级的同号电极下。这样，随着时钟脉冲有规则的变化，少子将从器件的一端转移到另一端，然后通过反向偏置的PN结（输出二极管端）对少子进行收集，并送入前置放大器。13.解释光纤传感器的基本原理和主要特性，光调制与解调技术。（1）基本原理：几何光学原理；主要特性（2种）：损耗（吸收损耗，散射损耗），色散（材料色散，波导色散，多模色散）。（2）光调制与解调技术（4种）：强度调制与解调（微弯效应，光强的外调制，折射率光强度调制），偏振调制与解调（普克尔效应，法拉第磁光效应，光弹效应），相位调制与解调（通过被测能量

15、场的作用，使能量场中的一段敏感单模光纤内传播的光波发生相位变化，利用干涉测量技术把相位变化变换为振幅变化，再通过光电探测器进行检测），频率调制与解调（光学多普勒效应）。14.解释干扰与噪声，干扰的类型和噪声的耦合方式，抑制电磁干扰的基本方法。（1）噪声是绝对的，它的产生或存在不受接收者的影响，是独立的，与有用信号无关。干扰是相对有用信号而言的，只有噪声达到一定数值、它和有用信号一起进入智能仪器并影响其正常工作才形成干扰。噪声与干扰是因果关系，噪声是干扰之因，干扰是噪声之果，是一个量变到质变的过程。干扰在满足一定条件时，可以消除。噪声在一般情况下，难以消除，只能减弱。（2）干扰类型（7种）：机械

16、干扰，热干扰，光干扰，湿度干扰，化学干扰，电和磁干扰，射线辐射干扰；噪声的耦合方式（6种）：电容性耦合，互感耦合，共阻抗耦合，漏电耦合，传导耦合，辐射电磁场耦合。（3）抑制电磁干扰的基本方法（4种）：消除或抑制噪声源，破坏干扰的耦合通道，消除接收电路对干扰的敏感性，采用软件抑制干扰。基本措施（7种）：屏蔽（静电屏蔽，电磁屏蔽，低频磁屏蔽），接地，浮置，对称电路，隔离技术，滤波，脉冲电路的噪声抑制。附：1.传感器的数学模型表达式（1）静态模型：在静态条件下（输入量对时间t的各阶导数为零）得到的传感器数学模型，、依次为零位输出、灵敏度、非线性项的待定系数。（2）动态模型：忽略传感器的非线性和随机变

17、化等因素，作为线性定常系统得到的传感器数学模型，分为微分方程和传递函数。2.导电材料的应变电阻效应，直流电桥和交流电桥导电丝材料的应变电阻效应：对数微分-材料的轴向线应变，-导体材料的泊松比（1）金属材料的应变电阻效应： （2）半导体材料的应变电阻效应： （3）直流电桥平衡条件：, 相邻两臂电阻的比值相等，或相对两臂电阻的乘积相等。单臂电桥： ，设桥臂比，忽略，考虑到平衡条件，有电桥电压灵敏度，,，当电源电压和电阻相对变化量一定时，电桥的输出电压及其灵敏度是定值，且与各桥臂电阻阻值大小无关。，非线性误差若，即，则半桥差动电路：若，则，,差动电桥无非线性误差，电桥电压灵敏度是单臂工作时的两倍，具有温度补偿作用。全桥差动电路：若且，全桥差