皖西学院传感器复习题

1、题库及参考答案名词解释题1、传感器静态特性：传感器的静态特性是指被测量的值处于稳定状态时的输出与输入的关系。2、应变效应：导体或半导体材料在外界力的作用下产生机械变形时，其电阻值相应发生变化， 这种现象称为“应变效应”3、电涡流：块状金属导体在变化磁场中作切割磁力线运动，在金属导体内部就会产生漩涡状的电流，称电涡流。4、热电效应：两种不同的金属导体连接组成闭合回路，接触点处于不同的温度场中，则在回路中就会有电流产生，这种现象称热电效应。5、压电效应：某些电介质，当沿着一定方向对其施力而使它变形时，内部就产生极化现象，同时在它的两个表面上便产生符号相反的电荷， 当外力去掉后，又重新恢复到不带电状

2、态。这种现象称压电效应。 6、外光电效应：在光线作用下，物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象称为外光电效应。7、光电导效应：在光纤作用下，电子吸收光子能量从键和状态过渡到自由状态，而引起材料电导率变化，这种现象称为光电导效应。8、光电传感器等效噪声功率（NEP）: 能够产生与传感器输出噪声功率相等的入射光功率的大小。9、传感型光纤传感器利用光纤本身的某种敏感特性或检出功能制成的传感器，称为传感型传感器10、霍尔效应：半导体薄片，长度为L，宽度为b，厚度为d，当他被置于磁感应强度为B的磁场中，如果在它相对的两边通以控制电流I，且磁场方向与电流方向正交，则在半导体另外两边将产生一个大小与控制电流

3、I和磁感应强度B乘积成正比的电势,称霍尔电势，这种现象称霍尔效应。11、传感器传感器是能感受规定的被测量并按照一定的规律将其转换成可用输出信号的器件或装置。 12、压阻效应：沿半导体的某一轴向施加一定的载荷力，而产生形变，其电阻率就发生变化，这种现象称压阻效应13、横向压电效应：沿压电晶体机械轴方向施加力，使压电晶体产生电信号的压电效应称横向压电效应。14、内光电效应：当光照射在物体上，使物体的电阻率发生变化或产生光生电动势的效应称内光电效应15、光生伏特效应：在光线作用下能够使物体产生一定方向电动势的现象称光生伏特效应16、结光电效应：接触的半导体PN结中，当光线照射器接触区域时，便引起光电

4、动势，这就是结光电效应。17、暗电流：光传感器接入电路后，即使没有光照射没有余热电子发射、场致发射和晶格振荡激发载流子，使电路有电流输出，此电流称为暗电流。18、传光型光纤传感器：光纤仅仅起传输光的作用，它在光线端面或中间加装其他敏感元件感受被测量的变化，这种光纤传感器称传光型光纤传感器19、重复性：指传感器在输入量按同一方向作全量程连续多次变化时，所得特性曲线不一致的程度。20、接触电势及其表示方法21、居里点温度 ：是指压电材料开始丧失压电特性的温度。 22、外光电效应定义及器件在光照射下,电子逸出物体表面向外发射的现象称为外光电效应,亦称光电发射效应器件: 光电管、光电倍培管 23、磁阻

5、效应：若给通以电流的金属或半导体材料的薄片加以与电流垂直或平行的外磁场，则其电阻值就增加。称此种现象为磁致电阻变化效应，简称为磁阻效应。24、逆压电效应当在电介质的极化方向施加电场，这些电介质就在一定方向上产生机械变形或机械压力，当外加电场撤去时，这些变形或应力也随之消失的现象。25、内光电效应定义及器件当光照射在物体上，使物体的电阻率发生变化，或产生光生电动势的现象叫做内光电效应。器件：光敏电阻、光电池和光敏二极管、三极管26、热释电效应电石、水晶、酒石酸钾钠、钛酸钡等晶体受热产生温度变化时，其原子排列将发生变化，晶体自然极化，在其两表面产生电荷的现象称为热释电效应。27、射线与物质的相互作

6、用的光电效应当一个光子和原子相碰撞时，将其能量全部交给某一轨道电子，使它脱离原子， 光子则被吸收，这种现象称为光电效应。28、横向压电效应：沿压电晶体机械轴方向施加力，使压电晶体产生电信号的压电效应称横向压电效应。29、暗电流：光传感器接入电路后，即使没有光照射没有余热电子发射、场致发射和晶格振荡激发载流子，使电路有电流输出，此电流称为暗电流。30、传光型光纤传感器：光纤仅仅起传输光的作用，它在光线端面或中间加装其他敏感元件感受被测量的变化，这种光纤传感器称传光型光纤传感器31、迟滞：传感器在正(输入量增大)反（输入量减小）行程中输出输入曲线不重合程度为迟滞。32、压阻效应：是指半导体材料在某

7、一轴向受外力作用时，其电阻率发生变化的现象33、内光电效应：光照射在物体上，使物体的电阻率发生变化，或产生光生电动势的现象叫做内光电效应.34、热电效应：两种不同的导体或半导体A和B组合成闭合回路，连接点处于不同的温度场中（设TT0），则在此闭合回路中就有电流产生，也就是说回路中有电动势存在，这种现象叫做热电效应。35、功能型光纤传感器利用光纤本身的某种敏感特性或功能制成的传感器。光纤不仅起传光作用，而且还利用光纤在外界因素的作用下，其光学特性的变化来实现“传”和“感”的功能。简答题：1、 推导变面积型直线位移式电容传感器电容量C与初始电容及a、b、x间关系式。解： 2、 分析变隙式自感传感器

8、电感值与间隙、初始电感间关系。解： 3、推导热电式传感器回路总电势（当>，>时）表达式4、说明石英晶体产生压电效应的原因。因为P=ql, q为电荷量，l为正负电荷之间距离。此时正负电荷重心重合，电偶极矩的矢量和等于零，即P1+P2+P3=0，所以晶体表面不产生电荷，即呈中性。 当石英晶体受到沿x轴方向的压力作用时，晶体沿x方向将产生压缩变形，正负离子的相对位置也随之变动。此时正负电荷重心不再重合，电偶极矩在x方向上的分量由于P1的减小和P2、P3的增加而不等于零。在x轴的正方向出现负电荷， 电偶极矩在y方向上的分量仍为零，不出现电荷。 当晶体受到沿y轴方向的压力作用时， P1增大，

9、P2、P3减小。在x轴上出现电荷，它的极性为x轴正向为正电荷。在y轴方向上仍不出现电荷。 如果沿z轴方向施加作用力，因为晶体在x方向和y方向所产生的形变完全相同，所以正负电荷重心保持重合，电偶极矩矢量和等于零。这表明沿z轴方向施加作用力，晶体不会产生压电效应。 5、光电倍增管工作原理。（按叙述过程得分）答：各个倍增极上均加上电压，阴极电位最低，从阴极开始，各个倍增极的电位依次升高，阳极电位最高，同时这些倍增电子在一定能量的电子轰击下，能够产生更多的次级电子，由于相邻两个倍增电极之间有电位差，因此，存在加速电场，从阴极打击出的光电子，在电场的加速下，打到第一个倍增电极上，引起二次电子发射，每个电

10、子能从这倍增电极上打出36倍的次级电子，被打出的次级电子再经电场加速后，打在第三个倍增电极上，电子数又增加36倍，如此不断倍增下去，阳极作后收集到的电子数将达到倍的光电子。6、为什么只能用半导体材料作霍尔元件，霍尔常数等于霍尔片材料的电阻率与电子迁移率的乘积。 若要霍尔效应强，则希望有较大的霍尔系数RH，因此要求霍尔片材料有较大的电阻率和载流子迁移率。 一般金属材料载流子迁移率很高，但电阻率很小；而绝缘材料电阻率极高，但载流子迁移率极低，故只有半导体材料才适于制造霍尔片。7、分析串联平面板变介质型电容传感器电容量C与初始电容及L、x间关系式。解：， 8、分析变面积型自感传感器电感值与x、初始电

11、感间关系。解：铁心与衔铁间气隙厚度忽略 ， （1分） （3分）9、说明光电管工作原理。答：阴极撞在玻璃管内壁上，其上涂有光电发射材料，阳极通常用金属丝变成矩形或圆形，置于玻璃管的中央。当光照射在阴极上时，中央阳极可以收集从阴极上逸出的电子，在外电场作用下形成电流。10、分析电离室工作原理答：在电离室两侧放置相互绝缘的板电极，电极间加适当电压，放射线进入电极间的气体中，在核辐射大作用下，电离室中的气体介质即被电离。离子沿着电场的作用线移动，这时在电离室的电路中产生电离电流，核辐射强度越大，在电离室产生的离子对越多，产生的电流越大11、分析光电耦合器的工作原理答：光电耦合器的发光元件和接收元件都封

12、装在一个外壳内。发光器件通常采用砷化镓发光二极管，其管芯内有一个PN结组成，随着正向电压的增大，正向电流增加，发光二极管产生的光通量也增加。12、推导差动式电容传感器圆柱面结构直线位移型输出C1(x)、C2(x)与位移x间关系。静态时：动态时：13、证明：如果两种导体分别与第三种导体组成的热电偶所产生的热电势已知，则此两种导体组成的热电偶的热电势已知。14、说明压电陶瓷产生压电效应原因。在无外电场作用时，各个电畴在晶体上杂乱分布，它们的极化效应被相互抵消，因此原始的压电陶瓷内极化强度为零.在陶瓷上施加外电场时，电畴的极化方向发生转动，趋向于按外电场方向的排列，从而使材料得到极化。外电场愈强，

13、就有更多的电畴更完全地转向外电场方向。让外电场强度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。 当外电场去掉后，电畴的极化方向基本趋于原电场方向，即剩余极化强度很大，这时的材料才具有压电特性.如果在陶瓷片上加一个与极化方向平行的压力F，如图，陶瓷片将产生压缩形变（图中虚线），片内的正、负束缚电荷之间的距离变小，极化强度也变小。因此，原来吸附在电极上的自由电荷，有一部分被释放，而出现放电荷现象。当压力撤消后，陶瓷片恢复原状(这是一个膨胀过程)，片内的正、负电荷之间的距离变大，极化强度也变大，因此电极上又吸附一部分自由电荷而出现充电现象。15、说明内光电效应下两种效

14、应定义及各自器件。光电导效应在光线作用，电子吸收光子能量从键合状态过渡到自由状态，而引起材料电导率的变化，这种现象被称为光电导效应。基于这种效应的光电器件有光敏电阻。光生伏特效应 在光线作用下能够使物体产生一定方向的电动势的现象叫做光生伏特效应。 基于该效应的光电器件有光电池和光敏二极管、三极管。16、正比计数管工作原理。由圆筒形的阴极和作为阳极的中央芯线组成的， 内封有稀有气体、氮气、二氧化碳、 氢气、甲烷、丙烷等气体。当放射线射入使气体产生电离时， 由于在芯线近旁电场密度高， 电子碰撞被加速， 在气体中获得足够的能量，碰撞其它气体分子和原子而产生新的离子对； 此过程反复进行而被放大，人们将

15、此过程称为气体放大。放大作用仅限于芯线近旁，所以可得到与放射线的入射区域无关的一定的放大倍数。由于放大而产生的阳离子迅速离开气体放大区域而产生输出脉冲。输出脉冲的大小正比于因放射线入射而产生电子、正离子对的数目，而电子、正离子对数正比于气体吸收的放射线的能量。因此，正比计数管可以探测入射放射线的能量。17、分析变介质型电容传感器并联平面板结构18、证明：将第三种材料C接入由A、B组成的热电偶回路，A、C接点与C、B的接点均处于相同温度T0之中，此回路的总电势不变.（即中间导体定律）19、光纤传感器的类型及各自特点功能型（缩写为FF）传感器，又称为传感型传感器特点：将“传”和“感”合为一体的传感

16、器非功能型（缩写为NFF）传感器，又称为传光型传感器特点：只“传”不“感”20、如何表示传感器的静态数学模型和动态数学模型? 各自表示的含义是什么.可用幂指数多项式来表示传感器的静态模型，它反映了在静态信号的作用下，传感器的输出量与输入量间的关系。 可用微分方程或传递函数来表示传感器的动态模型，它反映了在动态信号的作用下，传感器的输出量与输入量间的关系。 21、说明差动变压器式传感器工作原理（需画出差动变压器的电气连接图）。差动变压器的电气连接如图所示，次级线圈S1和S2反极性串连，当初级线圈P加上一定的交流电压Ep时，在次级线圈产生感应电压，其大小与铁芯的轴向位移成比例，把感应电压Es1和E

17、s2反极性连接便得到输出电压Es，当铁芯处在中心位置时Es1Es2，输出电压Es0，当铁芯向上运动时，Es1>Es2, 22、变间隙平行板电容式传感器的基本特性什么情况下可看成是线性的?其非线性误差是多少?变间隙平行板电容式传感器的基本特性在<<1时 ，可以看成是线性的；非线性误差为 23、试述电阻应变片的温度误差概念、产生原因及常用补偿办法?应变片由于温度变化将引起的电阻变化，与试件应变所造成的电阻变化几乎有相同的数量级，如果不采取必要的措施克服温度的影响，测量精度无法保证，由此引入的误差为温度误差 温度误差有两个原因：温度变化引起敏感栅电阻变化而产生附加应变 试件材料与敏

18、感栅材料的线膨胀系数不同，使应变片产生附加应变 温度补偿方法基本上分为桥式补偿，应变片自补偿、热敏电阻补偿法等 24、写出光纤数值孔径的表达式并说明其物理意义。 NA = sin= 其中纤芯射率、包层折射率、光纤周围煤质折射率, 数值孔径是衡量光纤集光能力的主要参数，它决定了被传播的光束的板孔径角的最大值，反映了光纤的集光能力，它表示无论光源发射功率多大，只有张角的光，才能被光纤接收、传播，NA越大，光纤的集光能力越强 25、什么是传感器的静态特性？非线性误差如何表示？传感器在静态信号作用下，其输出输入关系称为静态特性为传感器的静态特性。非线性误差表示为： 100% 式中非线性误差（线性度），

19、最大非线性绝对误差，输出满量程 26、说明光电式传感器的两种效应，并举例说明基于两种效应的光电器件。外光电效应（或称光电子发射效应）有光电管、光电倍增管内光电效应（或称光电导效应），分为结光电效应及光生伏特效应。结光电效应有光敏电阻；光生伏特效应有光电池、光敏二极管、光敏晶体管。27、直流电桥的非线性误差补偿通常用什么方式？1）提高桥臂比。提高桥臂比可以减小非线性误差，但从电压灵敏度的角度看，也要适当的提高供桥电压。2）采用差动电桥。3）采用高内阻的恒流源电桥。28、均质导体定律由一种均质导体组成的闭合回路，不论其导体是否存在温度梯度，回路中没有电流(即不产生电动势)；反之，如果有电流流动，此

20、材料则一定是非均质的，即热电偶必须采用两种不同材料作为电极。29、光纤传感器的组成及其传光原理。答、光纤传感器由光源、敏感元件（光纤或非光纤的）、光探测器、信号处理系统以及光纤等组成。光纤传感器原理实际上是研究光在调制区内，外界信号（温度、压力、应变、位移、 振动、电场等）与光的相互作用，即研究光被外界参数的调制原理。 外界信号可能引起光的强度、 波长、频率、相位、偏振态等光学性质的变化，从而形成不同的调制。30、 试述电阻应变片的温度误差概念、产生原因及常用补偿办法?应变片由于温度变化将引起的电阻变化，与试件应变所造成的电阻变化几乎有相同的数量级，如果不采取必要的措施克服温度的影响，测量精度

21、无法保证，由此引入的误差为温度误差温度误差有两个原因：温度变化引起敏感栅电阻变化而产生附加应变 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 温度补偿方法基本上分为桥式补偿，应变片自补偿、热敏电阻补偿法等 31、 什么是均质导体定律由一种均质导体组成的闭合回路，不论其导体是否存在温度梯度，回路中没有电流(即不产生电动势)；反之，如果有电流流动，此材料则一定是非均质的，即热电偶必须采用两种不同材料作为电极。分析题1、分析电阻应变式传感器桥式测量电路输出电压与电压变化量间的关系。解：（2分）当电桥平衡时，即 （1分）若不平衡，假设每个电阻的变化量分别为，则： （2分）忽略分母中项、分

22、子中的二次交叉项，整理得： （2分）因为，所以：所以 （1分）若取 （2分）2、分析电容传感器测量电路的脉冲宽度调制电路工作原理。解： C1、C2为差动式电容传感器, 电阻R1=R2, A1、A2为比较器。当双稳态触发器处于某一状态, Q=1, =0, A点高电位通过R1对C1充电, 时间常数为1 = R1 C1, 直至F点电位高于参比电位U, 比较器A1输出正跳变信号。与此同时, 因 = 0, 电容器C2上已充电流通过VD2迅速放电至零电平。A1正跳变信号激励触发器翻转, 使Q = 0, = 1, 于是A点为低电位, C1通过VD1迅速放电, 而B点高电位通过R2对C2充电, 时间常数为2=

23、R2C2, 直至G点电位高于参比电位U。 （6分）C1=C2 C1C2（图形说明2分）3、分析N型半导体霍尔元件产生霍尔电势原理。解：在垂直于外磁场B的方向上放置一导电板, 导电板通以电流I, 方向如图所示。导电板中的电流是金属中自由电子在电场作用下的定向运动每个电子受洛伦兹力的作用，的大小为 （2分）此时电子除了沿电流反方向作定向运动外，还在fl的作用下漂移，结果使金属导电板内侧面积累电子，而外侧面积累正电荷，从而形成了附加内电场EH， 称霍尔电场，该电场强度为 霍尔电场的出现，使定向运动的电子除了受洛伦兹力作用外，还受到霍尔电场力的作用，其力的大小为 （2分）所以，即， （1分）流过N型霍

24、尔元件的电流为： （1分）整理得： （2分）4、推导金属丝电阻应变传感器电阻变化量与应变间关系。解： 一根金属电阻丝，在其未受力时，原始电阻值为 ： （2分）当电阻丝受到拉力F作用时， 将伸长l，横截面积相应减小A，电阻率因材料晶格发生变形等因素影响而改变了d，从而引起电阻值相对变化量为： （2分）因为，dA/A为圆形电阻丝的截面积相对变化量，设r为电阻丝的半径，微分后可得dA=2r dr，则 由材料力学可知，在弹性范围内，金属丝受拉力时，沿轴向伸长， 沿径向缩短， 令dl/l=为金属电阻丝的轴向应变，那么轴向应变和径向应变的关系可表示为 整整理得： 5、低频透射式涡流厚度传感器原理。（根据分

25、析过程给分）低频透射式涡流厚度传感器原理。（根据分析过程给分）解：在被测金属板的上方设有发射传感器线圈L1，在被测金属板下方设有接收传感器线圈L2。当在L1上加低频电压U1时，L1上产生交变磁通1，若两线圈间无金属板，则交变磁通直接耦合至L2中，L2产生感应电压U2。如果将被测金属板放入两线圈之间，则L1线圈产生的磁场将导致在金属板中产生电涡流, 并将贯穿金属板，此时磁场能量受到损耗，使到达L2的磁通将减弱为1，从而使L2产生的感应电压U2下降。金属板越厚， 涡流损失就越大，电压U2就越小。因此，可根据U2电压的大小得知被测金属板的厚度。6、说明电涡流效应定义，根据下图分析电涡流效应产生原因。

26、电涡流效应： 根据法拉第定律，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，导体内部将产生漩涡状的感应电流，成为电涡流，这种现象称为“电涡流效应”。根据法拉第定律，当传感器线圈通以正弦交变电流I1时，线圈周围空间必然产生正弦交变磁场H1，使置于此磁场中的金属导体中感应电涡流I2，I2又产生新的交变磁场H2。根据愣次定律， H2的作用将反抗原磁场H1，由于磁场H2的作用，涡流要消耗一部分能量，导致传感器线圈的等效阻抗发生变化。由上可知， 线圈阻抗的变化完全取决于被测金属导体的电涡流效应。7、分析下面电路图，推导电压放大器理想情况下输入电压幅值Uam与关系。等效电阻R为 ， 等效电容为 C=Cc+Ci压电元件所受作用力 由此可得放大器输入端电压Ui，其复数形式为 Ui的幅值Uim为 在理想情况下，传感器的Ra电阻值与前置放大器输入电阻Ri都为无限大，即(Ce+Cc+Ci)R>>1，那么由Uim式可知，理