傳感器原理及應(yīng)用復(fù)習(xí)

1、一 簡(jiǎn)答題（40分）1. 傳感器的基本概念及基本功能？傳感器就是借助于檢測(cè)元件（敏感元件）接受一定形式的信息，并按一定的規(guī)律將它轉(zhuǎn)換成另一種信息的 裝置。它獲取的信息，可以是各種物理量、化學(xué)量和生物量，而轉(zhuǎn)化后的信息也有各種形式。目前，將傳 感器接收到的信息轉(zhuǎn)化為電信號(hào)是最常用的一種形式（電信號(hào)包括電壓，電流及頻率信號(hào)）基本功能：信息收集，信號(hào)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換2. 傳感器的基本組成并說(shuō)岀每部分的功能？傳感器通常是由敏感元件，轉(zhuǎn)換元件和調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換電路三部分組成其中敏感元件是指?jìng)鞲衅髦心軌蛑苯痈惺芑蝽憫?yīng)被測(cè)量的部分；轉(zhuǎn)換元件是指?jìng)鞲衅髦心軌驅(qū)⒚舾性?受或響應(yīng)的被測(cè)量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的部分；調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換電路是指

2、將非適合電量進(jìn)一步轉(zhuǎn)換成適合電量的部分。被測(cè)量；敏感元件非電量轉(zhuǎn)換元件電量調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換電路適合電量輔助電源圖1-1傳感器的組成3. 傳感器的發(fā)展趨勢(shì)？1新特性（努力實(shí)現(xiàn)傳感器的新特性）2可靠性（確保傳感器的可靠性，延長(zhǎng)其使用壽命）3集成智能（體感傳感器的集成化和智能化程度）4微型（傳感器微型化）5仿生（發(fā)展仿生物傳感器）6新材料（新型功能材料開(kāi)發(fā)）7多融合（多傳感器信息融合）4. 按被測(cè)量的不同傳感器可以分為哪幾類？1按感知外界信息基本效應(yīng)不同分為物理傳感器，化學(xué)傳感器，和生物傳感器等2按被測(cè)量不同分為力學(xué)量/熱量/液體成分/氣體成分/真空/光/磁/離子/放射線傳感器等2按敏感材料不同分為金屬/半

3、導(dǎo)體/光纖/陶瓷/高分子材料/復(fù)合材料傳感器等3按工作原理不同分為應(yīng)變式/電感式/電容式/壓電式/磁電式/光電式/熱電式/氣敏/濕敏傳感器等5. 傳感器的特性及其概念？6. 傳感器的靜態(tài)特性包括那幾個(gè)重要指標(biāo)？傳感器的特性是指?jìng)鞲衅鞯妮斎肓亢洼攲缌恐g的對(duì)應(yīng)關(guān)系。通常分為靜態(tài)特性：輸入不隨時(shí)間變化而變化的特性（重要指標(biāo)包括線性度、靈敏度、重復(fù)性、遲滯、零點(diǎn)漂移、 溫度漂移等）動(dòng)態(tài)特性：輸入隨時(shí)間變化而變化的特性（可從時(shí)域和頻率方面即對(duì)應(yīng)階躍響應(yīng)法和頻率響應(yīng)法方面分 析）7.電感式傳感器的概念及每類傳感器的基本概念？1應(yīng)變式傳感器：基于電阻應(yīng)變片的應(yīng)變效應(yīng)（對(duì)半導(dǎo)體應(yīng)變片而言為壓阻效應(yīng)）。2電感

4、式傳感器：基于電磁感應(yīng)原理，利用磁路磁阻變化引起傳感器線圈的電感（自感系數(shù)或互感系數(shù)） 變化來(lái)檢測(cè)非電量的一種機(jī)電轉(zhuǎn)換裝置。常見(jiàn)有自感式，互感式，渦流式等。3電容式傳感器：可以把某些非電量的變化通過(guò)一個(gè)可變電容器轉(zhuǎn)換成電容量變化的裝置。常見(jiàn)有變極 距型，變面積型，變介質(zhì)型。4壓電式傳感器：基于壓電材料受力作用而變形時(shí)，其表面會(huì)有電荷產(chǎn)生，從而實(shí)現(xiàn)非電量測(cè)量原理。 壓電式傳感器是典型的有源傳感器，常見(jiàn)有單向力，雙向力，三向力。5磁電式傳感器：利用電磁感應(yīng)原理將運(yùn)動(dòng)速度轉(zhuǎn)換成感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)輸岀的傳感器。又稱感應(yīng)式或電動(dòng)式 傳感器。常見(jiàn)有磁電感應(yīng)式，霍爾式，磁敏電阻，慈磁敏二極管，磁敏晶體管。6光電式傳

5、感器：利用光電器件把光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的裝置。先將被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)換成光量的變化， 通過(guò)光電器件把光量的變化轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電量變化，實(shí)現(xiàn)非電量測(cè)量。常見(jiàn)有光敏電阻，光敏二極管，光 敏晶體管。7熱電式傳感器：將溫度變化轉(zhuǎn)換為電量變化的裝置，它利用敏感元件的特征參數(shù)隨溫度變化而變化的 特性來(lái)達(dá)到測(cè)量目的。常見(jiàn)有熱電阻，熱電偶，熱敏元件。8氣敏傳感器：用來(lái)測(cè)量氣體的類別，濃度和成分的傳感器。由“識(shí)別”和“放大”兩部分非組成。常 見(jiàn)分為半導(dǎo)體氣敏傳感器和非半導(dǎo)體氣敏傳感器兩類。9濕敏傳感器：用以感受大氣濕度并轉(zhuǎn)化為適當(dāng)電信號(hào)的傳感器。8. 畫(huà)圖并說(shuō)明電渦流傳感器測(cè)轉(zhuǎn)速的基本原理？在一個(gè)旋轉(zhuǎn)金屬體上加一個(gè)有

6、 N個(gè)齒的齒輪，旁邊安裝電渦流傳感器，如下圖所示，當(dāng)旋轉(zhuǎn)體轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí), 電渦流傳感器將周期地改變輸岀信號(hào)，改輸岀信號(hào)的頻率可由頻率計(jì)測(cè)岀，由此可計(jì)算岀轉(zhuǎn)速9. 根據(jù)電容量大小的公式說(shuō)明電容式傳感器的幾種類型，并畫(huà)岀電容式傳感器的等效電路？A12電容式傳感器的電容量為 C ，其中 0 r, 0 8.85 10 F/m，為真空介電常數(shù)；r 為極板間介質(zhì)相對(duì)介電常數(shù)； A為兩平行板所覆蓋的面積；d為兩平行板間的距離。 據(jù)此原理，故可將電容 式傳感器分為變極距型，變面積型，變介質(zhì)型。其等效電路如圖所示。其中R；代表引線電阻、電容支架和極板間的電阻（其值隨著f增大而增大，故在高頻時(shí)才加以考慮）。L應(yīng)包括電纜

7、的電感。Rp為并聯(lián)損耗電阻，代表極板間的泄漏電阻和極板間的介質(zhì)損耗（隨著f增大其值即容抗減小，對(duì)系統(tǒng)的影響隨之減弱）10. 什么是壓電效應(yīng)及其分類。為什么不能用壓電傳感器測(cè)靜態(tài)壓力？壓電效應(yīng)是當(dāng)沿著一定方向?qū)δ承╇娊橘|(zhì)施力而使它變形時(shí)，其內(nèi)部就產(chǎn)生極化現(xiàn)象， 同時(shí)在它的兩個(gè)表面上便產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷；當(dāng)外力去掉后，又重新恢復(fù)不帶電狀態(tài)的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象又稱為正壓電效 應(yīng)。（當(dāng)作用力的方向改變時(shí)，電荷的極性也隨著改變）相反，當(dāng)在電介質(zhì)的極化方向上施加電場(chǎng)時(shí)，這些電解質(zhì)也會(huì)產(chǎn)生變形，這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)。正壓電變形（壓力） 2 極化（電場(chǎng)）逆壓電機(jī)械能電能能壓電傳感器可以等效為一個(gè)電荷發(fā)生器或電容

8、器，但其產(chǎn)生的電荷量很微弱，在極短的時(shí)間內(nèi)便會(huì)由自身泄漏掉，只有在 動(dòng)態(tài)力作用下，電荷才可以不斷補(bǔ)充，不至于完全泄漏掉。故在靜態(tài)作用力作用下，無(wú) 論是否受力，無(wú)論受力多大，都無(wú)信號(hào)輸岀。所以壓電傳感器不能用于靜態(tài)測(cè)量。11. 說(shuō)明壓電傳感器轉(zhuǎn)換電路中的電壓放大器與電荷放大器的優(yōu)缺點(diǎn)及各自要解決的問(wèn)題？壓電式傳感器本身的內(nèi)阻抗很高，而輸岀能量較小，因此它的轉(zhuǎn)換電路通常需要接入一個(gè)高輸入阻抗的前置放大器，其作用為：1.把它的高輸岀阻抗變換為低輸岀阻抗；2.放大傳感器輸岀的微弱信號(hào)。壓電傳感器的輸出可以是電壓信號(hào)，也可以是電荷信號(hào)，因此前置放大器也有兩種形式：電壓放大器和電荷放大電壓放大器：輸出電壓

9、 Use與壓電元件的輸出電壓成正比，但易受電纜電容Cc的影響。電荷放大器：基于密勒效應(yīng)。低頻響應(yīng)較電壓放大器好得多，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)準(zhǔn)靜態(tài)的物理量進(jìn)行測(cè)量。輸出電壓Use與q成正比，與電纜電容 Cc無(wú)關(guān)。價(jià)格高，電路復(fù)雜，維護(hù)較為困難。12. 磁電感應(yīng)式傳感器的基本概念及其分類（與第七題重合）？利用電磁感應(yīng)原理將運(yùn)動(dòng)速度轉(zhuǎn)換成感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)輸岀的傳感器。又稱感應(yīng)式或電動(dòng)式傳感器。磁電感應(yīng)式傳感器是一種機(jī)一電能量轉(zhuǎn)換型傳感器，是利用導(dǎo)體和磁場(chǎng)發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的原理而制作。適用于振動(dòng)，轉(zhuǎn)速，扭矩等測(cè)量。常見(jiàn)有磁電感應(yīng)式，霍爾式，磁敏電阻，慈磁敏二極管，磁敏晶體管。13. 霍爾傳感器基本原理及其可能

10、應(yīng)用場(chǎng)合？基于霍爾元件的霍爾效應(yīng)， 霍爾效應(yīng)是物質(zhì)在磁場(chǎng)中表現(xiàn)的一種特性，它是由于運(yùn)動(dòng)電荷在磁場(chǎng)中受到洛侖茲力作用產(chǎn)生的結(jié)果。當(dāng)把一塊金屬或半導(dǎo)體薄片垂直放在磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的磁場(chǎng)中，沿著垂直于磁場(chǎng)方向通電流|c，就會(huì)在薄片的另一對(duì)側(cè)面積間產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)Uh，這種=現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)，所產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)稱為霍爾電動(dòng)勢(shì)，這種薄片（一般為半導(dǎo)體）稱為霍爾片或霍爾元件。霍爾元件有對(duì)磁場(chǎng)敏感，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，頻率響應(yīng)寬，動(dòng)態(tài)范圍大，壽命長(zhǎng)，無(wú)接觸等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛用于 測(cè)量技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)、和信息處理等方面。例如霍爾位移傳感器，霍爾轉(zhuǎn)速測(cè)量，汽車霍爾點(diǎn)火器，霍 爾傳感器無(wú)接觸測(cè)電流。14. 什么是外光電效應(yīng)，內(nèi)光電效應(yīng)？1

11、5. 什么是光生伏特效應(yīng)，光電導(dǎo)效應(yīng)，分別列舉相關(guān)器件?光電效應(yīng)即為光電器件在光能的激發(fā)下產(chǎn)生某些電特性的變化。1在光照射下，電子逸出物體表面向外發(fā)射發(fā)射的現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)，又稱光電發(fā)射效應(yīng)。基于此原 理工作的光電式傳感器有光電管和光電倍增管。2通過(guò)入射光子引起物質(zhì)內(nèi)部產(chǎn)生光生載流子，這些光生載流子引起物質(zhì)電學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化，這種現(xiàn)象 稱為內(nèi)光電效應(yīng)。內(nèi)光電效應(yīng)分為和光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)。a. 光電導(dǎo)效應(yīng)：絕大多數(shù)高電阻率的半導(dǎo)體，受光照射吸收光子能量后，產(chǎn)生電阻率降低而易于導(dǎo)電 的現(xiàn)象?；诖嗽砉ぷ鞯墓怆娛絺鞲衅饔泄饷綦娮琛. 光生伏特效應(yīng)：光照射引起 PN結(jié)兩端產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象稱為

12、光生伏特效應(yīng)?；诖嗽砉ぷ鞯墓?電式傳感器有光敏二極管，光敏晶體管（又稱光敏三極管）。 + +-P- +N+ +光生電子一空穴對(duì)圖15-2-b PN結(jié)光生伏特效應(yīng)原理圖16. 什么叫熱電效應(yīng)，熱電偶的基本工作原理是什么？在兩種不同的導(dǎo)體（或半導(dǎo)體）A和B組成的閉合回路中，如果他們兩個(gè)的結(jié)點(diǎn)的溫度不同，則回路中會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電動(dòng)勢(shì)，通常稱這種電動(dòng)勢(shì)為熱電動(dòng)勢(shì)，這種現(xiàn)象就是熱電效。熱電偶的工作原理便是基于熱 電效應(yīng)。A測(cè)量端 &V 丁參考端4B圖16熱電偶結(jié)構(gòu)17. 熱電偶有哪些基本定律？1中間溫度定理：熱電偶 AB的熱電動(dòng)勢(shì)僅取決于熱電偶的材料及結(jié)點(diǎn)溫度。而與溫度沿?zé)犭姌O的分布 以及熱電極的尺寸和

13、形狀無(wú)關(guān)。2中間導(dǎo)體定律：在熱電偶 AB回路中，只要接入的第三導(dǎo)體兩端溫度相同，則對(duì)回路的總熱電動(dòng)勢(shì)沒(méi) 有影響。3標(biāo)準(zhǔn)電極定律：當(dāng)熱電偶回路的兩個(gè)結(jié)點(diǎn)溫度為 T、T0時(shí)，用導(dǎo)體AB組成熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)等于熱 電偶AC和熱電偶CB的熱電動(dòng)勢(shì)的代數(shù)和。18. 什么是智能傳感器，常見(jiàn)的智能傳感器的形式？智能傳感器就是帶微處理器、兼有信息監(jiān)測(cè)和信息處理功能的傳感器，其最大特點(diǎn)是將傳感器檢測(cè)信息的功能與微處理器的信息處理功能有機(jī)的融合在一起。簡(jiǎn)而言之，智能傳感器就是帶有智能芯片的集成傳 感器。形式：1將傳感器與微處理器集成在一個(gè)芯片上。2傳感器通過(guò)總線接口直接匹配微處理器。19. 智能傳感器的基本功能及其特點(diǎn)？功能：1具有自校準(zhǔn)和故障自診斷功能2具有數(shù)據(jù)儲(chǔ)存、邏輯判斷、和信息處理功能3具有組態(tài)功能，使用靈活4具有雙向通信功能特點(diǎn)：1精度高2量程寬3多參數(shù)多功能測(cè)量4自適應(yīng)能力強(qiáng)5較高的性能價(jià)格比20. C語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言混合編程形式？1C語(yǔ)言內(nèi)嵌匯編語(yǔ)言2匯編語(yǔ)言使用C語(yǔ)言定義的全局變量3C語(yǔ)言中調(diào)用匯編函數(shù)4匯編語(yǔ)言中調(diào)用C語(yǔ)言函數(shù)21. 智能傳感器中使用的六種總線？HART（Highway Addressable Remote Transducer）可尋址遠(yuǎn)程傳感器高速通道的開(kāi)放通信協(xié)議1.1-wire總線