第5章傳感器技術(shù)

1、第5章傳感器技術(shù)51 知識(shí)要點(diǎn)5.1.1傳感器的類(lèi)型及選用原則1.什么叫傳感器？如何分類(lèi)？對(duì)其性能有何要求？傳感器是測(cè)試系統(tǒng)中的第一級(jí)，是能感受和拾取規(guī)定的被測(cè)量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或者裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。按被測(cè)量分為：位移傳感器、速度傳感器、加速度傳感器、力傳感器、溫度傳感器等。按傳感器的工作機(jī)理分為：物理型、化學(xué)型和生物型或機(jī)械式、電氣式、光學(xué)式、流體式等。按傳感器的構(gòu)成原理分為：結(jié)構(gòu)型和物性型。按傳感器的能量轉(zhuǎn)換情況分為：能量控制型和能量轉(zhuǎn)換型及能量傳遞型。按傳感器的物理原理分為：電參量式傳感器、壓電式傳感器、磁電式傳感器、光電式傳感器、氣電式傳感器、

2、熱電式傳感器、射線式傳感器、波式傳感器、半導(dǎo)體式傳感器等。按傳感器的輸出量可分為：模擬式傳感器和數(shù)字式傳感器。按轉(zhuǎn)換過(guò)程是否可逆分為：雙向傳感器、單向傳感器。對(duì)傳感器性能要求為：具有快速、準(zhǔn)確、可靠而又能經(jīng)濟(jì)地實(shí)現(xiàn)信號(hào)轉(zhuǎn)換的性能，具體有:(1)傳感器的工作范圍或量程應(yīng)足夠大，具有一定的過(guò)載能力。(2)與檢測(cè)系統(tǒng)匹配性好，轉(zhuǎn)換靈敏度高：要求其輸出信號(hào)與被測(cè)輸入信號(hào)成確定關(guān)系(通常為線性關(guān)系)，且比值要大。(3)精度適當(dāng)，且穩(wěn)定性高：傳感器的靜態(tài)特性與動(dòng)態(tài)特性的準(zhǔn)確度能滿足要求，并長(zhǎng)期穩(wěn)定。(4)反應(yīng)速度快，工作可靠性高，滯后、漂移誤差小，復(fù)現(xiàn)性好，有互換性。(5)適應(yīng)性和適用性強(qiáng)：動(dòng)作能量小，對(duì)

3、被檢測(cè)對(duì)象的狀態(tài)影響小，內(nèi)部噪聲小并且具有抗外部噪聲的性能，不易受外界干擾的影響，防水及抗腐蝕等性能好，使用安全，易于維修和校準(zhǔn)，壽命長(zhǎng)，成本低等。2.傳感器的發(fā)展趨勢(shì)是什么？（1）采用新原理、開(kāi)發(fā)新型傳感器。（2）大力開(kāi)發(fā)物性型傳感器(因?yàn)榭拷Y(jié)構(gòu)型有些滿足不了要求)。（3）傳感器的集成化。（4）傳感器的多功能化。（5）傳感器的智能化。（6）研究生物感官，開(kāi)發(fā)仿生傳感器。3.傳感器選用原則有哪些？（1）靈敏度：傳感器的靈敏度越高，可以感知越小的變化量，即被測(cè)量稍有微小變化時(shí)，傳感器即有較大的輸出。但靈敏度越高，與測(cè)量信號(hào)無(wú)關(guān)的外界噪聲也容易混入，并且噪聲也會(huì)被放大。因此，對(duì)傳感器往往要求有較大

4、的信噪比。過(guò)高的靈敏度會(huì)影響其適用的測(cè)量范圍。（2）線性范圍：為了保證測(cè)量的精確度，傳感器必須在線性區(qū)域內(nèi)工作。線性范圍愈寬，則表明傳感器的工作量程愈大。（3）響應(yīng)特性：傳感器的響應(yīng)特性必須在所測(cè)頻率范圍內(nèi)盡量保持不失真。但實(shí)際傳感器的響應(yīng)總有一遲延，但遲延時(shí)間越短越好。在動(dòng)態(tài)測(cè)量中，傳感器的響應(yīng)特性對(duì)測(cè)試結(jié)果有直接影響，在選用時(shí)，應(yīng)充分考慮到被測(cè)物理量的變化特點(diǎn)(如穩(wěn)態(tài)、瞬變、隨機(jī)等)。（4）穩(wěn)定性：為了保證穩(wěn)定性，在選用傳感器之前，應(yīng)對(duì)使用環(huán)境進(jìn)行調(diào)查，以選擇合適的傳感器類(lèi)型。（5）精確度：傳感器能否真實(shí)地反映被測(cè)量，對(duì)整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)具有直接影響。傳感器精確度愈高，價(jià)格越昂貴，因此應(yīng)從實(shí)際出

5、發(fā)來(lái)選擇。（6）可靠性：為了保證傳感器應(yīng)用中具有高度可靠性，事前須選用設(shè)計(jì)、制造良好，使用條件適宜的傳感器。（7）其它選用原則：傳感器在實(shí)際測(cè)試條件下的工作方式，也是選用傳感器時(shí)應(yīng)考慮的重要因素，還要兼顧結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕、價(jià)格便宜、易于維修、易于更換等條件。5.1.2電阻式、電感式、電容式傳感器1.什么叫電阻式傳感器？有哪些類(lèi)型？電阻式傳感器是一種把被測(cè)量轉(zhuǎn)換為電阻變化的傳感器。按工作原理可分為變阻器式、電阻應(yīng)變式兩類(lèi)；按結(jié)構(gòu)和性能可分為：電位差計(jì)式傳感器、金屬電阻應(yīng)變式傳感器、半導(dǎo)體應(yīng)變式傳感器、壓阻式傳感器、熱電阻傳感器、濕敏電阻傳感器、光敏電阻傳感器等。2.什么叫電阻應(yīng)變效應(yīng)和壓

6、阻效應(yīng)？電阻應(yīng)變片有哪幾種？金屬絲的電阻（R=rL/S）與材料的電阻率（r）及其幾何尺寸（長(zhǎng)度L和截面積S）有關(guān)，而金屬絲在承受機(jī)械變形的過(guò)程中，這三者都要發(fā)生變化，因而引起金屬絲的電阻變化。金屬絲的電阻隨著它所受的機(jī)械變形（拉伸或壓縮）的大小而發(fā)生相應(yīng)變化的現(xiàn)象稱(chēng)為金屬的電阻應(yīng)變效應(yīng)。半導(dǎo)體材料的電阻率隨作用應(yīng)力而變化的現(xiàn)象稱(chēng)為壓阻效應(yīng)。電阻應(yīng)變片是基于金屬的應(yīng)變效應(yīng)工作的。有絲式應(yīng)變片和箔式應(yīng)變片及半導(dǎo)體應(yīng)變片三種。3.固態(tài)壓阻式傳感器、熱電阻傳感器、濕敏電阻傳感器和光敏電阻傳感器是根據(jù)什么效應(yīng)或機(jī)理制成的？固態(tài)壓阻式傳感器是根據(jù)半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)在半導(dǎo)體材料的基片上擴(kuò)散電阻制成的，基片

7、直接作為測(cè)量傳感元件(甚至有的可包括某些電路)。擴(kuò)散電阻在基片內(nèi)組成電橋，當(dāng)基片受力作用產(chǎn)生變形時(shí)，各電阻值發(fā)生變化，電橋產(chǎn)生相應(yīng)的不平衡輸出。熱電阻傳感器是利用導(dǎo)電物體電阻率隨本身溫度變化而變化的溫度電阻效應(yīng)制成的傳感器。濕敏電阻傳感器是一種檢測(cè)空氣濕度(水分)的傳感器。它能將濕度的變化轉(zhuǎn)換成電阻的變化。有些氧化物，主要是金屬氧化物(如氧化鋰)，當(dāng)濕度變化時(shí)，會(huì)引起其電阻的變化。有些半導(dǎo)體材料(如硫化鎘)，在黑暗的環(huán)境下它的電阻非常高，但當(dāng)它受到光照射時(shí)，其電阻就顯著減小，根據(jù)此現(xiàn)象制成的傳感器成為光敏電阻傳感器。4.什么電感式傳感器？有哪幾種？電感式傳感器的敏感元件是電感線圈，其轉(zhuǎn)換原理基

8、于電磁感應(yīng)原理。它把被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)換成線圈自感系數(shù)L或互感系數(shù)M的變化(在電路中表現(xiàn)為感抗XL的變化)而達(dá)到被測(cè)量到電參量的轉(zhuǎn)換。按照轉(zhuǎn)換方式的不同可將電感傳感器分為自感型(包括可變磁阻式與高頻反射式)與互感型(差動(dòng)變壓器式與低頻透射式)兩種。常用的有渦流式電感傳感器和差動(dòng)變壓器式電感傳感器等。5.什么叫電容式傳感器？有哪幾種？有哪些應(yīng)用？電容傳感器是以各種類(lèi)型的電容器為傳感元件，將被測(cè)物理量轉(zhuǎn)換成電容量的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)量的。電容傳感器的輸出是電容的變化量。電容式傳感器可分為以下三大類(lèi)：(1)極距變化型電容傳感器。(2)面積變化型電容傳感器。(3)介質(zhì)變化型電容傳感器。電容傳感器可用來(lái)測(cè)量直線位

9、移、角位移、振動(dòng)振幅。尤其適合測(cè)溫、高頻振動(dòng)振幅、精密軸系回轉(zhuǎn)精度、加速度等機(jī)械量。還可用來(lái)測(cè)量壓力、差壓力、液位、糧食中的水分含量、非金屬材料的涂層、油膜厚度、測(cè)量電介質(zhì)的濕度、密度、厚度等。5.1.3壓電、磁電、光電、熱電傳感器1.什么叫壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)？什么叫壓電傳感器？壓電材料有哪些？有哪些特點(diǎn)？有哪些應(yīng)用？使用中應(yīng)注意哪些問(wèn)題？某些物質(zhì)、如石英、鈦酸鋇等，當(dāng)受到外力作用時(shí)，不僅幾何尺寸發(fā)生變化，而且內(nèi)部極化，表面上有電荷出現(xiàn)，形成電場(chǎng)。當(dāng)外力去掉時(shí)，又重新回復(fù)到原不帶電狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱(chēng)為壓電效應(yīng)。若將這些物質(zhì)置于電場(chǎng)中，其幾何尺寸也發(fā)生變化，這種由于外電場(chǎng)作用導(dǎo)致物質(zhì)機(jī)械變形的現(xiàn)

10、象，稱(chēng)為逆壓電效應(yīng)或電致伸縮效應(yīng)。利用壓電效應(yīng)制成的傳感器稱(chēng)為壓電傳感器，其壓電元件是在兩個(gè)工作面上蒸鍍有金屬膜的壓電晶片，金屬膜構(gòu)成兩個(gè)電極，壓電材料有：石英晶體、一系列單晶硅、多晶陶瓷、有機(jī)高分子聚合材料等。壓電傳感器具有使用頻帶寬、靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、質(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn)。在壓電式傳感器中，為了提高靈敏度，往往采用多片壓電芯片構(gòu)成一個(gè)壓電組件。其中最常用的是兩片結(jié)構(gòu)；根據(jù)兩片壓電芯片的連接關(guān)系，可分為串聯(lián)和并聯(lián)連接，常用的是并聯(lián)連接，可以增大輸出電荷，提高靈敏度。使用時(shí)，兩片壓電芯片上必須有一定的預(yù)緊力，以保證壓電組件在工作中始終受到壓力作用，同時(shí)可消除兩片壓電芯片因接觸不良而引起的非

11、線性誤差，保證輸出信號(hào)與輸入作用力間的線性關(guān)系,因此需要測(cè)量電路具有無(wú)限大的輸入阻抗。但實(shí)際上這是不可能的，所以壓電傳感器不宜作靜態(tài)測(cè)量，只能在其上加交變力，電荷才能不斷得到補(bǔ)充，并給測(cè)量電路一定的電流。故壓電傳感器只能作動(dòng)態(tài)測(cè)量。2.什么叫磁電傳感器？有哪幾種類(lèi)型？磁電傳感器是一種將被測(cè)物理量轉(zhuǎn)換成為感應(yīng)電勢(shì)的有源傳感器，也稱(chēng)為電動(dòng)式傳感器或感應(yīng)式傳感器。磁電式傳感器可分成兩大類(lèi)型：動(dòng)圈式(即動(dòng)磁式)及可動(dòng)銜鐵式(即可變磁阻式)。動(dòng)圈式磁電傳感器可按結(jié)構(gòu)分為線速度型與角速度型；可變磁阻式磁電傳感器簡(jiǎn)稱(chēng)磁阻式磁電傳感器。磁阻式磁電傳感器由永久磁鋼及纏繞其上的線圈組成，傳感器在工作時(shí)線圈與磁鋼都

12、不動(dòng)，由運(yùn)動(dòng)著的物體(導(dǎo)磁材料)改變磁路的磁阻，引起通過(guò)線圈的磁力線增強(qiáng)或減弱，使線圈產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)。3.什么叫光電效應(yīng)？有哪幾種類(lèi)型？什么叫光電傳感器？所謂光電效應(yīng)是指物體吸收了光能后轉(zhuǎn)換為該物體中某些電子的能量而產(chǎn)生的電效應(yīng)。光電效應(yīng)可分成外光電效應(yīng)和內(nèi)光電效應(yīng)。光線照射在某些物體上，使電子從這些物體表面逸出的現(xiàn)象稱(chēng)為外光電效應(yīng)，也稱(chēng)光電發(fā)射，逸出來(lái)的電子稱(chēng)為光電子。內(nèi)光電效應(yīng)是指光照射在半導(dǎo)體材料上，材料中處于價(jià)帶的電子吸收光子能量，通過(guò)禁帶躍入導(dǎo)帶，使導(dǎo)帶內(nèi)電子濃度和價(jià)帶內(nèi)空穴增多，即激發(fā)出光生電子吸收空穴對(duì)，從而使半導(dǎo)體材料產(chǎn)生電效應(yīng)。內(nèi)光電效應(yīng)按其工作原理可分為兩種：光電導(dǎo)效應(yīng)和光生

13、伏特效應(yīng)。半導(dǎo)體受到光照時(shí)會(huì)產(chǎn)生光生電子空穴對(duì)，使導(dǎo)電性能增強(qiáng)；光線愈強(qiáng)，阻值愈低。這種光照后電阻率變化的現(xiàn)象稱(chēng)為光電導(dǎo)效應(yīng)。當(dāng)PN結(jié)兩端沒(méi)有外加電壓時(shí)，在PN結(jié)勢(shì)壘區(qū)內(nèi)仍然存在著內(nèi)結(jié)電場(chǎng)，其方向是從N區(qū)指向P區(qū)。當(dāng)光照射到結(jié)區(qū)時(shí)，光照產(chǎn)生的電子空穴對(duì)在結(jié)電場(chǎng)作用下，電子掃向N區(qū)，空穴掃向P區(qū)；電子在N區(qū)積累和空穴在P區(qū)積累使PN結(jié)兩邊的電位發(fā)生變化，PN結(jié)兩端出現(xiàn)一個(gè)因光照而產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)，該現(xiàn)象稱(chēng)為光生伏特效應(yīng)。根據(jù)光電效應(yīng)制成的傳感器叫光電傳感器。根據(jù)外光電效應(yīng)制成的光電器件有光電管和光電倍增管；根據(jù)光電導(dǎo)效應(yīng)制成的光電器件有光敏電阻和反向偏置工作的光敏二極管與三極管。根據(jù)光生伏特效應(yīng)制成

14、的光電器件有光電池。4.什么叫熱電效應(yīng)？什么叫熱電傳感器？?jī)煞N不同的金屬導(dǎo)體A和B組成一個(gè)閉合回路時(shí)，若兩個(gè)結(jié)合點(diǎn)的溫度不同，則在回路中就有電流產(chǎn)生，這種現(xiàn)象稱(chēng)熱電效應(yīng)。熱電式傳感器是一種將溫度變化轉(zhuǎn)換為電量的裝置，它是利用某些材料或元件的性能隨溫度變化的特性來(lái)進(jìn)行測(cè)量的。5.1.4磁敏、氣敏傳感器1.什么叫霍爾效應(yīng)、霍爾電勢(shì)和霍爾元件？霍爾元件采用何種材料？由什么組成？霍爾元件能夠測(cè)量哪些物理參數(shù)？霍爾元件的不等位電勢(shì)的概念是什么？溫度補(bǔ)償?shù)姆椒ㄓ心膸追N？金屬或半導(dǎo)體薄片置于磁場(chǎng)中，沿著垂直于磁場(chǎng)的方向通以電流，在垂直于電流和磁場(chǎng)的方向上將產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，這種物理現(xiàn)象稱(chēng)為霍爾效應(yīng)，所產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)

15、稱(chēng)為霍爾電勢(shì)?；诨魻栃?yīng)工作的半導(dǎo)體器件稱(chēng)為霍爾元件，霍爾元件多采用N型半導(dǎo)體材料?；魻栐苫魻柶?、四根引線和殼體組成?；魻柶且粔K半導(dǎo)體單晶薄片(一般為420.1mm3)，在它的長(zhǎng)度方向兩端面上焊有a、b兩根引線，稱(chēng)為控制電流端引線，通常用紅色導(dǎo)線，其焊接處稱(chēng)為控制電極；在它的另兩側(cè)端面的中間以點(diǎn)的形式對(duì)稱(chēng)地焊有c、d兩根霍爾輸出引線，通常用綠色導(dǎo)線，其焊接處稱(chēng)為霍爾電極?；魻栐臍んw是用非導(dǎo)磁金屬、陶瓷或環(huán)氧樹(shù)脂封裝。霍爾元件可測(cè)量磁場(chǎng)、電流、位移、壓力、振動(dòng)、轉(zhuǎn)速等?；魻柦M件的不等位電勢(shì)是霍爾組件在額定控制電流作用下，在無(wú)外加磁場(chǎng)時(shí)，兩輸出電極之間的空載電勢(shì)，可用輸出的電壓表示。溫

16、度補(bǔ)償方法有分流電阻法和電橋補(bǔ)償法2.什么是磁阻效應(yīng)？什么叫磁敏傳感器？當(dāng)一載流導(dǎo)體置于磁場(chǎng)中，除了產(chǎn)生霍爾效應(yīng)外，其電阻值會(huì)隨磁場(chǎng)而變化，這種現(xiàn)象稱(chēng)為磁阻效應(yīng)，磁阻效應(yīng)與材料性質(zhì)、幾何形狀有關(guān)。利用磁阻效應(yīng)制成的磁敏元件稱(chēng)為磁敏電阻或磁敏傳感器。常見(jiàn)的磁敏電阻有單晶型、薄膜型和共晶型三種，常用的磁敏元件有磁敏二極管和磁敏三極管。3.什么是氣敏傳感器？有哪些類(lèi)型？氣敏傳感器是一種將檢測(cè)到的氣體成份和濃度轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的傳感器。主要類(lèi)型如表5-1所示。表5-1 氣敏傳感器類(lèi)型氣敏傳感器敏感氣體種類(lèi)的氣敏傳感器半導(dǎo)體氣敏傳感器固體電解質(zhì)氣敏傳感器敏感氣體量的真空度氣敏傳感器高頻成分傳感器光學(xué)成分傳感

17、器檢測(cè)氣體成分的氣體成分傳感器5.1.5固態(tài)圖像傳感器1.試述固態(tài)圖像傳感器（CCD）的基本結(jié)構(gòu)。CCD傳感器由MOS電容組成，金屬和Si襯底是電容器兩極,SiO2為介質(zhì)。在N型或P型硅襯底上生成一層厚度約120nm的二氧化硅層，然后在二氧化硅層上依一定次序沉積金屬電極，形成MOS電容器陣列，最后加上輸入和輸出端便構(gòu)成了CCD器件。2.試述固態(tài)圖像傳感器（CCD）的工作原理。CCD的工作原理是建立在CCD的基本功能上，即電荷的產(chǎn)生、存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)移。首先由光學(xué)系統(tǒng)將被測(cè)物體成象在CCD的受光面上，受光面下的許多光敏單元形成了許多象素點(diǎn)，這些象素點(diǎn)將投射到它的光強(qiáng)轉(zhuǎn)換成電荷信號(hào)并存儲(chǔ)。然后在時(shí)鐘脈沖信

18、號(hào)控制下，將反映光象的被存儲(chǔ)的電荷信號(hào)讀取并順序輸出，從而完成了從光圖象到電信號(hào)的轉(zhuǎn)化過(guò)程。3.固態(tài)圖像傳感器（CCD）的電荷是如何產(chǎn)生、存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)移及輸出的？（1）電荷的產(chǎn)生、存儲(chǔ)：構(gòu)成CCD的基本單元是MOS電容器，結(jié)構(gòu)中半導(dǎo)體以P型硅為例，金屬電極和硅襯底是電容器兩極，SiO2為介質(zhì)。在金屬電極（柵極）上加正向電壓G時(shí)，由此形成的電場(chǎng)穿過(guò)SiO2薄層，吸引硅中的電子在SiSiO2的界面上，而排斥SiSiO2界面附近的空穴，因此形成一個(gè)表面帶負(fù)電荷，而里面沒(méi)有電子和空穴的耗盡區(qū)。與此同時(shí)，SiSiO2界面處的電勢(shì)（稱(chēng)表面勢(shì)S）發(fā)生相應(yīng)變化，若取硅襯底內(nèi)的電位為零，表面勢(shì)S的正值方向朝下，當(dāng)金

19、屬電極上所加的電壓G超過(guò)MOS晶體上開(kāi)啟電壓時(shí)，SiSiO2界面可存儲(chǔ)電子。由于電子在那里勢(shì)能較低，可以形象地說(shuō)，半導(dǎo)體表面形成了電子勢(shì)阱，習(xí)慣稱(chēng)貯存在MOS勢(shì)阱中的電荷為電荷包。當(dāng)光信號(hào)照射到CCD硅片表面時(shí)，在柵極附近的耗盡區(qū)吸收光子產(chǎn)生電子空穴對(duì)。這時(shí)在柵極電壓G的作用下，其中空穴被排斥出耗盡區(qū)而電子則被收集在勢(shì)阱中，形成信號(hào)電荷存儲(chǔ)起來(lái)。如果G持續(xù)時(shí)間不長(zhǎng)，則在各個(gè)MOS電容器的勢(shì)阱中蓄積的電荷量取決于照射到該點(diǎn)的光強(qiáng)。因此，某MOS電容器勢(shì)阱中蓄積的電荷量，可作為該點(diǎn)光強(qiáng)的度量。（2）電荷包的轉(zhuǎn)移：若MOS電容器之間排列足夠緊密（通常相鄰MOS電容電極間隙小于3m），使相鄰MOS電容

20、的勢(shì)阱相互溝通，即相互耦合，那么就可使信號(hào)電荷（電子）在各個(gè)勢(shì)阱中轉(zhuǎn)移，并力圖向表面勢(shì)S最大的位置堆積。因此，在各個(gè)柵極上加以不同幅值的正向脈沖G，就可改變它們對(duì)應(yīng)的MOS的表面勢(shì)S，亦即可改變勢(shì)阱的深度，從而使信號(hào)電荷由淺阱向深阱自由移動(dòng)。（3）電荷的輸出：在輸出端P型硅襯底上擴(kuò)散形成輸出二極管，二極管加反壓，在PN結(jié)形成耗盡層。輸出柵OG加壓使電荷轉(zhuǎn)移到二極管的耗盡區(qū)，作為二極管的少數(shù)載流子形成反向電流輸出。輸出電流的大小與電荷大小成正比，通過(guò)負(fù)載變?yōu)殡妷狠敵觥?.固態(tài)圖像傳感器有何特點(diǎn)？有哪些應(yīng)用？固態(tài)圖像傳感器具有小型、輕便、響應(yīng)快、靈敏度高、穩(wěn)定性好、壽命高和以光為媒介可以到達(dá)危險(xiǎn)地

21、點(diǎn)等優(yōu)點(diǎn)，以得到廣泛的應(yīng)用，其主要用途為：（1）物位、尺寸、形狀、工件損傷的測(cè)量。（2）作為光學(xué)信息處理的輸入環(huán)節(jié)，如電視攝像、傳真技術(shù)、光學(xué)文字識(shí)別和圖像識(shí)別技術(shù)中的輸入環(huán)節(jié)。（3）自動(dòng)生產(chǎn)過(guò)程的控制敏感元件。5.1.6光纖傳感器1.試述光纖的結(jié)構(gòu)和類(lèi)型，并說(shuō)明光纖傳感器的工作原理及類(lèi)型。光纖的結(jié)構(gòu)由纖芯和包層組成，纖芯位于光纖的中心部位，它是由玻璃或塑料制成的圓柱體，直徑約為5100微米，光主要在這纖芯中傳輸。光纖按纖層和包層材料性質(zhì)分類(lèi)，有玻璃及塑料光纖兩大類(lèi)；按折射率分布分類(lèi)，有階躍折射率型和梯度折射率型兩種。光纖傳感器的工作原理是將光源的光經(jīng)光導(dǎo)纖維進(jìn)入調(diào)制區(qū)，在調(diào)制區(qū)內(nèi)，被測(cè)參數(shù)與

22、進(jìn)入調(diào)制區(qū)的光相互作用，使光電強(qiáng)度、頻率、相位、偏振四個(gè)參數(shù)之一隨被測(cè)參數(shù)的變化而變化成為被調(diào)制的信號(hào)光，在經(jīng)光纖進(jìn)入探測(cè)器，經(jīng)解調(diào)處理后獲得被測(cè)參數(shù)。光纖傳感器按其傳感原理分為傳光型（非功能型）光纖傳感器和傳感器型（功能型）光纖傳感器。2.光纖傳感器有哪些特點(diǎn)？有何應(yīng)用？光纖傳感器具有的優(yōu)點(diǎn)為：（1）采用光波傳遞信息，不受電磁干擾，電氣絕緣性能好，可在強(qiáng)電磁干擾下完成某些參量的測(cè)量。（2）光波傳輸無(wú)電能和電火花，因而能在易燃易爆和強(qiáng)腐蝕性的環(huán)境中安全工作。（3）重量輕、體積小、可擾性好，可用于狹窄空間使用。（4）具有良好的幾何形狀適應(yīng)性，可做成任意形狀的傳感器和傳感器陳列。（5）動(dòng)態(tài)范圍大，

23、頻帶寬，對(duì)被測(cè)對(duì)象不產(chǎn)生影響，有利于提高測(cè)量精度。（6）利用現(xiàn)有的光通訊技術(shù)，易于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離測(cè)控。光纖傳感器具有的缺點(diǎn)為：（1）缺少兼容執(zhí)行機(jī)構(gòu)。（2）需要把光纖傳感器輸出的光信號(hào)轉(zhuǎn)變成點(diǎn)信號(hào)。（3）現(xiàn)場(chǎng)鏈接困難、技術(shù)復(fù)雜、成本高。（4）尚未形成產(chǎn)品系列，標(biāo)準(zhǔn)化程度差。光纖傳感器可應(yīng)用于位移、振動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)、壓力、彎曲、應(yīng)變、速度、加速度、電流、磁場(chǎng)、電壓、溫度、濕度、聲場(chǎng)、流量、濃度、pH值等七十多個(gè)物理量的測(cè)量，且具有十分廣泛的應(yīng)用潛力和發(fā)展前景。典型應(yīng)用為傳光型光纖位移傳感器、相位調(diào)制光纖溫度傳感器、記數(shù)裝置、液位控制裝置、反射型光纖傳感器、受抑全內(nèi)反射型傳感器、棱鏡式全內(nèi)反射型傳感器等。5

24、.1.7其它類(lèi)型傳感器1.什么是智能傳感器？它由哪幾部分組成？它的工作原理是什么？智能傳感器有哪些類(lèi)型？有何特點(diǎn)？智能傳感器是種帶微處理機(jī)兼有檢測(cè)、判斷、信息處理、信息記憶、邏輯思維等功能的傳感器，它主要由傳感器、微處理器（或微計(jì)算機(jī)）及相關(guān)電路組成。其工作原理為：被測(cè)量傳感器信號(hào)調(diào)理電路微處理器輸出接口數(shù)字量輸出。智能傳感器按結(jié)構(gòu)可分為集成式、混合式和模塊式三種。集成智能傳感器是將一個(gè)或多個(gè)敏感器件與微處理器、信號(hào)處理電路集成在同一硅片上而構(gòu)成的；混合式智能傳感器是將傳感器與微處理器、信號(hào)處理電路做在不同芯片上而構(gòu)成的；模塊式智能傳感器有許多相互獨(dú)立的模塊組成。智能傳感器具有以下特點(diǎn)：（1）

25、具有自診斷、自校準(zhǔn)功能，提高了可靠性。（2）有邏輯思維與判斷、信息處理功能，可對(duì)檢測(cè)數(shù)值進(jìn)行分析、修正和誤差補(bǔ)償，提高了測(cè)量精度。（3）組態(tài)功能可實(shí)現(xiàn)多傳感器、多參數(shù)復(fù)合測(cè)量，擴(kuò)大了檢測(cè)和使用范圍。（4）存儲(chǔ)功能使檢測(cè)數(shù)據(jù)隨時(shí)存取。（5）具有數(shù)據(jù)通信接口，能與計(jì)算機(jī)直接聯(lián)機(jī)，相互交換信息。（6）具有自適應(yīng)性。2.什么是數(shù)字式傳感器？有何特點(diǎn)？有哪些類(lèi)型？數(shù)字式傳感器是一種能把被測(cè)模擬量直接轉(zhuǎn)換為數(shù)字量輸出的裝置，可直接與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)連接。與模擬式傳感器相比，數(shù)字式傳感器具有如下的特點(diǎn)：測(cè)量精度和分辨率高；抗干擾能力強(qiáng)，穩(wěn)定性好；易于和計(jì)算機(jī)接口，便于信號(hào)處理和實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化測(cè)量；適宜于遠(yuǎn)距離傳輸?shù)取?/p>

26、按照輸出信號(hào)的形式，常用的數(shù)字式傳感器可分為三類(lèi)：脈沖輸出式數(shù)字傳感器，如柵式數(shù)字傳感器、感應(yīng)同步器、增量編碼器等；編碼輸出式數(shù)字傳感器，如絕對(duì)編碼器等；頻率輸出式數(shù)字傳感器。52 例題解析【例5.1】有兩個(gè)傳感器測(cè)量系統(tǒng)，其動(dòng)態(tài)特性可以分別用下面兩個(gè)微分方程描述，試求這兩個(gè)系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)和靜態(tài)靈敏度S。(1)，為輸出電壓（），為輸入溫度（）；（2），為輸出電壓(),為輸入壓力（）。解：根據(jù)題中給出傳感器的微分方程可得：（1）（2）【例5.2】有一拉力傳感器，用鋼柱作為敏感元件，其上貼一電阻應(yīng)變片。已知鋼柱的截面積，彈性模量，應(yīng)變片的靈敏系數(shù)。若測(cè)量電路對(duì)應(yīng)變片電阻相對(duì)變化量的分辨力為，試計(jì)算

27、該傳感器能測(cè)出的最小拉力解：應(yīng)變片的靈敏系數(shù)為：，則由此得應(yīng)變片對(duì)鋼柱應(yīng)變的分辨力為：拉力、應(yīng)力和應(yīng)變間的關(guān)系為所以該傳感器對(duì)你能測(cè)出的最小拉力為：【例5.3】一應(yīng)變片的電阻，用作應(yīng)變?yōu)榈膫鞲性?。求與，若電源電壓，求其惠更斯測(cè)量電橋的非平衡輸出電壓。解：由得則其輸出電壓4為【例5.4】如圖5.1所示電感傳感器，尺寸已示于圖中（單位均為mm），磁路取為中心磁路，不記漏磁，設(shè)鐵心及銜鐵的相對(duì)磁導(dǎo)率為，空氣的相對(duì)導(dǎo)磁系數(shù)為1，真空的磁導(dǎo)率，試對(duì)氣隙分別為0和2mm情況計(jì)算該傳感器的輸出電感。圖5.1例5.2圖解：匝數(shù)為W磁路電阻為的線圈電感為：，氣隙為0時(shí)，氣隙為2mm時(shí)，【例5.5】極板間距式電

28、容式傳感器，極板半徑r=4mm，間隙=0.5mm，極板介質(zhì)為空氣，試求其靜態(tài)靈敏度。若極板移動(dòng)2mm，求其電容變化。解：極板間距式電容式傳感器在介質(zhì)為空氣時(shí)電容的表達(dá)式為：靜態(tài)靈敏度為：若極板移動(dòng)2mm，則電容變化量為：【例5.6】壓電加速度計(jì)的固有電容為，連接電纜電容為，輸出電壓靈敏度（a為輸入加速度），輸出電荷靈敏度，求：（1）推導(dǎo)出傳感器電壓靈敏度與電荷靈敏度之間的關(guān)系；（2）如已知，標(biāo)定的電壓靈敏度為100（，則電荷靈敏度為多少？如果改用的電纜則此時(shí)的電壓靈敏度為多少？電荷靈敏度有無(wú)變化？（g為重力加速度）解：（1）因?yàn)椋曰颍?）當(dāng)，時(shí)，有：如改用的電纜則此時(shí)的電荷靈敏度不變，而

29、電壓靈敏度改變?yōu)椋骸纠?.7】石英晶體壓電式傳感器，面積為100mm2，厚度為1mm，固定在兩金屬板之間，用來(lái)測(cè)量通過(guò)晶體兩面力度變化。材料的彈性模量為，電荷靈敏度為，相對(duì)介電常數(shù)是5.1，材料相對(duì)兩面間電阻式。一個(gè)的電容和一個(gè)的電阻與極板并聯(lián)。若說(shuō)加力，求（1）兩極板間電壓峰-峰值；（2）晶體厚度的最大變化值。解：（1）石英壓電晶體片的電容為：由于，并聯(lián)電容電阻則總電阻為，總電容又因?yàn)?，所以電荷為：兩極板間電壓為：兩極板間電壓峰-峰值為（2）應(yīng)變厚度最大變化量為【例5.8】已知恒磁通磁電式速度傳感器的固有頻率為10Hz，質(zhì)量塊重2.08N，氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度為1T，單匝線圈長(zhǎng)度為4mm，線圈中匝

30、數(shù)1500匝，試求彈簧剛度K值和電壓靈敏度Su值mv/(m/s)。解：由得【例5.9】有一霍爾元件，其靈敏度，把它放在一個(gè)梯度為的磁場(chǎng)中，如果額定控制電流是20mA，設(shè)霍爾元件在平衡點(diǎn)附近作的擺動(dòng)，問(wèn)輸出電壓范圍為多少？解：對(duì)于梯度為的磁場(chǎng)，當(dāng)霍爾元件在平衡點(diǎn)附近作的擺動(dòng)時(shí)，其磁場(chǎng)的變化為：則霍爾元件輸出電壓的變化范圍為：【例5.10】用四個(gè)光敏二極管接受長(zhǎng)光柵的莫爾條紋信號(hào)，如果光敏二極管的響應(yīng)時(shí)間為，光柵的柵線密度為50線/mm，試計(jì)算一下光柵所允許的運(yùn)動(dòng)速度。解：設(shè)光柵移動(dòng)速度為，當(dāng)移動(dòng)一條柵線的時(shí)間光敏二極管的響應(yīng)時(shí)間時(shí)，能保證二極管能正常采樣，所以光柵所允許的運(yùn)動(dòng)速度為：53 習(xí)題1

31、.判斷題5-1傳感器的靈敏度越高，意味著傳感器所能感知的被測(cè)量越小。5-2傳感器的響應(yīng)特性必須在所測(cè)頻率范圍內(nèi)努力保持不失真測(cè)試條件。5-3傳感器的靜態(tài)特性中，輸出量的變化量與引起此變化的輸入量的變化量之比稱(chēng)為線性度。5-4金屬應(yīng)變片與半導(dǎo)體應(yīng)變片在工作原理上都是利用金屬形變引起電阻的變化。5-5半導(dǎo)體應(yīng)變片的靈敏度隨半導(dǎo)體尺寸的不同而不同。5-6測(cè)量小應(yīng)變時(shí)，應(yīng)選用靈敏度高的金屬絲應(yīng)變片，測(cè)量大應(yīng)變時(shí)，應(yīng)選用靈敏度低的半導(dǎo)體應(yīng)變片。5-7為使電纜的長(zhǎng)短不影響壓電式傳感器的靈敏度，應(yīng)選用電壓放大器作后續(xù)處理比較合適。5-8能夠感受濕度的電容式傳感器屬于變極距的電容傳感器。5-9壓電傳感器的前置

32、放大器的主要作用是對(duì)傳感器輸出信號(hào)進(jìn)行解調(diào)。5-10壓電式傳感器是利用某些物質(zhì)的壓阻效應(yīng)而工作的。5-11差動(dòng)式電容傳感器的靈敏度比單極式提高一倍，而且非線性也大為減小。5-12渦流式傳感器可以作為位移、振動(dòng)測(cè)量，還可作為測(cè)厚。5-13霍耳元件所產(chǎn)生的霍耳電勢(shì)取決于元件所在磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度。5-14在壓電式傳感器中，為了提高靈敏度，往往采用多片壓電芯片構(gòu)成一個(gè)壓電組件。5-15已知變磁通式轉(zhuǎn)速傳感器的測(cè)速齒輪的齒數(shù)為20，若測(cè)得感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的頻率為300Hz，則被測(cè)軸的轉(zhuǎn)速為900轉(zhuǎn)/分。5-16電荷放大器使壓電加速度計(jì)輸出的電荷量得到放大，由此而得電荷放大器的名稱(chēng)。5-17在變壓器式傳感器中，

33、原方和副方互感M的大小與繞組匝數(shù) 成正比，與穿過(guò)線圈的磁通成正比，與磁回路中磁阻成正比。5-18半導(dǎo)體式傳感器是磁敏、霍爾元件、氣敏傳感器、壓阻傳感器及色敏傳感器等。5-19塊狀金屬導(dǎo)體置于變化的磁場(chǎng)中或在磁場(chǎng)中作切割磁力線運(yùn)動(dòng)時(shí)，導(dǎo)體內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生一圈圈閉合的電流，利用該原理制作的傳感器稱(chēng)磁電式傳感器。5-20用光電二極管二維陣列組成面型傳感器測(cè)量物體的形狀所得的圖像的分辨率最高只能是一個(gè)像素。如果所測(cè)得圖像長(zhǎng)為l ，對(duì)應(yīng)N個(gè)像素，分辨率為l/N。假設(shè)N為200，則分辨率最高只能使1/200。2.選擇題5-21傳感器的靜態(tài)特性指標(biāo)之一是 。A幅頻特性；B相頻特性；C穩(wěn)定時(shí)間；D線性度5-22無(wú)源

34、傳感器又稱(chēng)為 型傳感器A能量控制；B能量轉(zhuǎn)換；C能量供給；D能量消耗5-23在下面的傳感器的主要性能指標(biāo)中，能反映傳感器對(duì)于隨時(shí)間變化的動(dòng)態(tài)量的響應(yīng)特征是_，能夠反映多次連續(xù)測(cè)量測(cè)量值的分散度是_。A靈敏度 動(dòng)態(tài)特性；B動(dòng)態(tài)特性 線性度；C動(dòng)態(tài)特性 重復(fù)度；D穩(wěn)定度 動(dòng)態(tài)特性5-24壓電傳感器的前置放大器的主要作用是 。A把傳感器的低阻抗輸出變換為高阻抗輸出；B把傳感器的高阻抗輸出變換為低阻抗輸出；C對(duì)傳感器的輸出信號(hào)進(jìn)行濾波；D對(duì)傳感器輸出信號(hào)進(jìn)行解調(diào)5-25能夠感受濕度的電容式傳感器屬于變_的電容傳感器A相對(duì)面積；B極距；C介質(zhì)；D參數(shù)5-26霍耳元件所產(chǎn)生的霍耳電勢(shì)取決于 。A霍耳元件材

35、料；B元件尺寸；C元件所在磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度；D雜質(zhì)濃度5-27為了提高變極距型電容傳感器的靈敏度、線性度及減小外部條件變化對(duì)測(cè)量精度的影響，實(shí)際應(yīng)用時(shí)常常采用 工作方式。A同步；B異步；C共模輸入；D差動(dòng)5-28下列不屬于能量轉(zhuǎn)換型的傳感器是_。A壓電式傳感器；B磁電式傳感器；C熱電偶傳感器；D電容式傳感器 5-29電阻應(yīng)變式傳感器是利用金屬的_將被測(cè)機(jī)械量轉(zhuǎn)換成_。A電阻應(yīng)變效應(yīng)，電阻變化；B壓電效應(yīng)，電壓變化；C熱電效應(yīng)，電流變化；D熱阻效應(yīng)，電阻變化5-30壓電式傳感器目前多用于測(cè)量 。A靜態(tài)的力；B動(dòng)態(tài)的力；C速度；D加速度與動(dòng)態(tài)的力5-31壓阻式傳感器和應(yīng)變式傳感器相比，工作原理類(lèi)似

36、，以下說(shuō)法正確的是： 。A兩者都主要依靠改變電阻率和截面積而改變阻值大小；B前者主要依靠改變電阻率改變阻值大小，后者主要依靠變形改變阻值大小；C前者主要依靠變形改變阻值大小，后者主要依靠改變電阻率改變阻值大??；D以上都對(duì)5-32下列四種方法，不能作為金屬應(yīng)變片的溫度補(bǔ)償法的是_。A橋路補(bǔ)償法；B應(yīng)變片的自補(bǔ)償；C熱敏電阻法；D濾波器5-33半導(dǎo)體應(yīng)變片的工作原理是基于半導(dǎo)體材料的 。A壓阻效應(yīng)；B應(yīng)變效應(yīng)；C霍耳效應(yīng)；D光電效應(yīng)5-34半導(dǎo)體應(yīng)變片的靈敏度隨 的不同而不同A半導(dǎo)體材料；B雜質(zhì)濃度；C載荷的大?。籇半導(dǎo)體尺寸5-35電渦流效應(yīng)中，線圈阻抗的變化與_有關(guān)。A線圈和金屬板間距離；B被

37、測(cè)物的材料；C渦流的大小；D線圈所通電流的大小5-36壓磁效應(yīng)是當(dāng)外力作用時(shí)，引起鐵磁材料_的變化。A壓電系數(shù)；B電阻率；C介電常數(shù)；D磁導(dǎo)率5-37利用光電效應(yīng)的傳感器屬于 傳感器。A電阻型；B物性型；C結(jié)構(gòu)型；D電容型5-38變磁通式磁電傳感器可用來(lái)測(cè)量物體的_。A角速度；B加速度；C相對(duì)于磁場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)速度；D位移5-39智能化傳感器在智能化方面還不夠強(qiáng)，未來(lái)最有應(yīng)用價(jià)值的技術(shù)沒(méi)有下來(lái)哪一項(xiàng) 。A神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；B人工智能；C控制網(wǎng)絡(luò)；D專(zhuān)家系統(tǒng)5-40智能化傳感器中可以對(duì)信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化處理并實(shí)現(xiàn)多種補(bǔ)償，是基于 功能。A數(shù)據(jù)壓縮；B邏輯控制；C信號(hào)轉(zhuǎn)換；D信號(hào)調(diào)理3.填空題5-41通常傳感器 組

38、成， 是能把外界 轉(zhuǎn)換成 的器件和裝置。5-42傳感器的輸入輸出特性指標(biāo)可分為_(kāi)和動(dòng)態(tài)指標(biāo)兩大類(lèi)，線性度和靈敏度是傳感器的_指標(biāo)，而頻率響應(yīng)特性是傳感器的 指標(biāo)。5-43按能量角度分析，典型的傳感器構(gòu)成方法有三種，即 、 以及 ，前兩者屬于能量 ，后者是能量 。5-44實(shí)際使用中的傳感器，其特性要受到環(huán)境變化的影響，為消除環(huán)境干擾的影響，廣泛采用的線路補(bǔ)償法包括 補(bǔ)償型、 補(bǔ)償型、 補(bǔ)償型。5-45導(dǎo)電絲材的截面尺寸發(fā)生變化后其電阻會(huì)發(fā)生變化，用這一原理可制成的傳感器 稱(chēng)為_(kāi)式傳感器，利用材料具有磁致伸縮效應(yīng)可制成的_傳感器也可用以測(cè)量力，而壓電式傳感器則利用了一些具有離子型晶體電介質(zhì)的_ _

39、效應(yīng)，它敏感的最基本的物理量也是力。5-46金屬絲在外力作用下發(fā)生機(jī)械形變時(shí)它的電阻值將發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱(chēng)為 ；固體受到作用力后電阻率要發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱(chēng)為 。直線的電阻絲繞成敏感柵后長(zhǎng)度相同但應(yīng)變不同，圓弧部分使靈敏度K下降了，這種現(xiàn)象稱(chēng)為 。5-47電感式傳感器也稱(chēng)為 傳感器，它是利用 原理將被測(cè)物理量轉(zhuǎn)換成線圈 和 的變化，再由測(cè)量電路轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化，從而實(shí)現(xiàn)非電量到電量的轉(zhuǎn)換。5-48差動(dòng)變壓器式傳感器理論上講，銜鐵位于中心位置時(shí)輸出電壓為零，而實(shí)際上差動(dòng)變壓器輸出電壓不為零，我們把這個(gè)不為零的電壓稱(chēng)為 ；利用差動(dòng)變壓器測(cè)量位移時(shí)，如果要求區(qū)別位移方向（或正負(fù)）可采用 。5

40、-49電容式傳感器有 型、 型和 型三種類(lèi)型，其中 型靈敏度最高。5-50為克服電容式傳感器的邊緣效應(yīng)，可采用 方法和 結(jié)構(gòu)。為消滅寄生電容的影響可采用 、 以及采用 方法。5-51基于外光電效應(yīng)的器件有 和 ；基于內(nèi)光電效應(yīng)的器件有 、 、 和 等。5-52塊狀金屬導(dǎo)體置于變化的磁場(chǎng)中或在磁場(chǎng)中作切割磁力線運(yùn)動(dòng)時(shí)，導(dǎo)體內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生一圈圈閉合的電流，利用該原理制作的傳感器稱(chēng) 傳感器；這種傳感器只能測(cè)量 物體。5-53壓磁式傳感器的工作原理是：某些鐵磁物質(zhì)在外界機(jī)械力作用下，其內(nèi)部產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力，從而引起極化現(xiàn)象，這種現(xiàn)象稱(chēng)為 。相反，某些鐵磁物質(zhì)在外界磁場(chǎng)的作用下會(huì)產(chǎn)生機(jī)械變形，這種現(xiàn)象稱(chēng)為 。5

41、-54把一導(dǎo)體（或半導(dǎo)體）兩端通以控制電流I，在垂直方向施加磁場(chǎng)B，在另外兩側(cè)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)與控制電流和磁場(chǎng)成比例的電動(dòng)勢(shì)，這種現(xiàn)象稱(chēng) ，這個(gè)電動(dòng)勢(shì)稱(chēng)為 。外加磁場(chǎng)使半導(dǎo)體（導(dǎo)體）的電阻值隨磁場(chǎng)變化的現(xiàn)象稱(chēng)為 。5-55用于制作壓電傳感器的常用壓電材料是 和 。5-56在磁敏式傳感器中， 傳感器和 傳感器屬于體型磁敏傳感器， 和 屬于結(jié)型磁敏傳感器。5-57通常情況下，半導(dǎo)體NTC熱敏電阻的阻值隨溫度的升高而 ；光敏電阻的阻值隨光強(qiáng)的增加而 ；LiCl濕敏電阻的阻值隨濕度的減小而 。5-58將溫度轉(zhuǎn)換為電勢(shì)大小的熱電式傳感器是 傳感器，而將溫度變化轉(zhuǎn)換為電阻大小的熱電式傳感器是 （金屬材料）或 （

42、半導(dǎo)體材料）。5-59光電傳感器的理論基礎(chǔ)是光電效應(yīng)。通常把光線照射到物體表面后產(chǎn)生的光電效應(yīng)分為三類(lèi)。第一類(lèi)是利用在光線作用下光電子逸出物體表面的 ,這類(lèi)元件有光電管、光電倍增管；第二類(lèi)是利用在光線作用下使材料內(nèi)部電阻率改變的 ，這類(lèi)元件有光敏電阻；第三類(lèi)是利用在光線作用下使物體內(nèi)部產(chǎn)生一定方向電動(dòng)勢(shì)的 ，這類(lèi)元件有光電池、光電儀表。5-60光纖傳感器由 、 和 三部分組成，光纖傳感器一般分為兩大類(lèi)，即 光纖傳感器，也稱(chēng)為非功能性光纖傳感器，另一類(lèi)是 光纖傳感器，也稱(chēng)為功能型光纖傳感器，前者多使用 光纖 ，而后者只能用 光纖。4問(wèn)答題5-61應(yīng)變片測(cè)量技術(shù)有何特點(diǎn)？說(shuō)明金屬電阻應(yīng)變片的組成和

43、種類(lèi)。電阻應(yīng)變片有哪些主要特性參數(shù)？應(yīng)變片產(chǎn)生溫度誤差的原因及減小或補(bǔ)償溫度誤差的方法是什么？5-62應(yīng)變儀有哪幾種？各有何特點(diǎn)？5-63應(yīng)變片有哪些主要工作參數(shù)？如何選用粘合劑？說(shuō)明應(yīng)變片的粘貼工藝。5-64應(yīng)變片的靈敏系數(shù)與電阻絲（敏感柵）的靈敏系數(shù)有何不同？為什么？ 5-65金屬電阻與半導(dǎo)體熱敏電阻各有什么特點(diǎn)？5-66試分析差動(dòng)變壓器相敏檢測(cè)電路的工作原理。5-67磁電式傳感器與電感式傳感器有哪些不同？磁電式傳感器主要用于測(cè)量哪些物理參數(shù)？5-68 用電渦流傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)軋制鋁板厚度的裝置，試畫(huà)出測(cè)試裝置圖，簡(jiǎn)要說(shuō)明其工作原理。5-69試比較自感式傳感器與差動(dòng)變壓器式傳感器的異同。 5

44、-70在自感式傳感器中，螺管式自感傳感器的靈敏度最低，為什么在實(shí)際應(yīng)用中卻應(yīng)用最廣泛？ 5-71三段式螺管差動(dòng)變壓器電感液位傳感器測(cè)量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖5.2（a）所示，電氣線路圖如圖5.2(b)所示，簡(jiǎn)要說(shuō)明其測(cè)液位的工作原理及其測(cè)量過(guò)程。 （a）結(jié)構(gòu)圖 （b）電氣線路圖圖5.2題5.71題圖5-72電容式傳感器有哪些優(yōu)缺點(diǎn)？說(shuō)明其主要應(yīng)用場(chǎng)合以及使用中應(yīng)注意的問(wèn)題。5-73為什么電容式傳感器易受干擾？如何減小干擾？ 5-74什么叫壓電材料？有哪幾種？選用壓電材料需要考慮哪些因素？5-75用壓電式傳感器能測(cè)量靜態(tài)或變化很緩慢的信號(hào)嗎？為什么？5-76參量式傳感器與發(fā)電式傳感器有何主要不同？5-7

45、7為什么多數(shù)氣敏傳感器要加加熱器工作？5-78光電傳感器對(duì)光源的選擇要考慮哪些因素？光源有哪些類(lèi)型？各有何特點(diǎn)？光源特性包含哪些要素？5-79光纖損耗是如何產(chǎn)生的？它對(duì)光纖傳感器有哪些影響？光導(dǎo)纖維為什么能夠?qū)Ч?？光?dǎo)纖維有哪些優(yōu)點(diǎn)？5-80畫(huà)出用線陣CCD傳感器測(cè)量較大物體尺寸的原理圖，并推導(dǎo)出物體尺寸的表達(dá)式。5分析計(jì)算題5-81已知某傳感器的參數(shù)為：正反行程輸出值間的最大差值Hmax=3cm，量程范圍為0-50cm，試求該傳感器的遲滯值。5-82已知某廠生產(chǎn)的線性繞線電位器參數(shù)為：導(dǎo)線的電阻率=3.1410-3m，導(dǎo)線橫截面積S=3.1410-6m2，繞線節(jié)距t1mm，電位器骨架的高h(yuǎn)=

46、50mm，寬b=30mm，試求：（1）該電位器的電阻靈敏度SR；（2）若通過(guò)導(dǎo)線的電流為I=3A，求其電壓靈敏度Su。5-83有一金屬電阻應(yīng)變片，其靈敏度S=2.5，R=120，設(shè)工作時(shí)其應(yīng)變?yōu)?200，問(wèn)R是多少？若將此應(yīng)變片與2V直流電源組成回路，試求無(wú)應(yīng)變時(shí)和有應(yīng)變時(shí)回路的電流各是多少？5-84應(yīng)變片稱(chēng)重傳感器，其彈性體為圓柱體，直徑D=10cm，材料彈性模量E=205109N/m2，用它稱(chēng)50噸重物體，若用電阻絲式應(yīng)變片，應(yīng)變片的靈敏度系數(shù)S=2，R=120，問(wèn)電阻變化多少？5-85有一應(yīng)變式測(cè)力傳感器，彈性元件為實(shí)心圓柱，直徑D=40mm。在圓柱軸向和周向各貼兩片應(yīng)變片（靈敏度系數(shù)S

47、=2），組成差動(dòng)全橋電路，供橋電壓為10v。設(shè)材料彈性模量E=2.11011pa，泊松比=0.3。試求測(cè)力傳感器的靈敏度SF。5-86在用直流電橋測(cè)量電阻的時(shí)候，若標(biāo)準(zhǔn)電阻Rn=10.0004的電橋已經(jīng)平衡（則被測(cè)電阻Rx=10.0004），但是由于檢流計(jì)指針偏轉(zhuǎn)在0.3mm以?xún)?nèi)時(shí)，人眼就很難觀測(cè)出來(lái)，因此Rn的值也可能不是10.0004 ,而是Rn=10.0004Rn 。若已知電橋的相對(duì)靈敏度Sr=1mm/0.01% ，求對(duì)應(yīng)檢流計(jì)指針偏轉(zhuǎn)0.3mm時(shí)，Rn ？5-87今有一懸臂梁，如圖5.3所示，在其中上部上、下兩面各貼兩片應(yīng)變片，組成全橋，該梁在其懸臂梁一端受一向下力F=0.5N,試求此

48、時(shí)這四個(gè)應(yīng)變片的電阻值。已知：應(yīng)變片靈敏系數(shù)S=2.1，應(yīng)變片空載電阻R0=120，懸臂梁長(zhǎng)、寬、厚、彈性模量，。圖5.3題5-87題圖5-88如圖5.4所示柱式力傳感器，實(shí)心圓主題鋼試件直徑d=10mm，材料的彈性模量E=21011N/m2，泊松比。試件上貼四片相同的電阻應(yīng)變片，其靈敏度系數(shù)S=2.0，并采用直流電橋線路進(jìn)行測(cè)量。為了提高測(cè)量精度和靈敏度，在四片電阻應(yīng)變片應(yīng)如何粘貼和怎樣接入電橋線路，畫(huà)出相應(yīng)的粘貼方式圖和電橋電路圖；若所受力F=3104N,供橋電壓Ui=6v，此時(shí)電橋的輸出電壓U0為多少？（a）實(shí)心圓柱體鋼試件 （b）實(shí)心圓柱體鋼試件側(cè)面展開(kāi)圖圖5.4題5-88題圖5-89

49、四個(gè)應(yīng)變片粘貼在扭軸上，安排得到最大靈敏度，應(yīng)變片阻值為而應(yīng)變靈敏系數(shù)為2.04，并結(jié)成全橋測(cè)量電路。當(dāng)用的電阻器并聯(lián)在一個(gè)應(yīng)變片上分流以得到標(biāo)定時(shí)，電橋輸出在示波器上記錄到2.20cm的位移。如果變形的軸引起示波器3.2cm的偏移，求指示燈最大應(yīng)變？設(shè)軸為鋼制的，求應(yīng)力(鋼的扭轉(zhuǎn)彈性模量5-90如圖5.5所示氣隙型電感傳感器，銜鐵截面積，氣隙總長(zhǎng)度，銜鐵最大位移，激勵(lì)線圈匝數(shù)匝，導(dǎo)線直徑，電阻率，當(dāng)激勵(lì)電源頻率時(shí)，忽略漏磁及鐵損，求：（1）線圈電感值；（2）電感的最大變化量；（3）線圈的直流電阻值；（4）線圈的品質(zhì)因數(shù)：（5）當(dāng)線圈存在分布電容與之并聯(lián)后其等效電感值。圖5.5 題5-90題圖

50、5-91可變磁阻式傳感器鐵芯導(dǎo)磁截面積A=1.5cm2，長(zhǎng)度=20cm，鐵芯相對(duì)磁導(dǎo)率=5000，線圈匝數(shù)W=3000，原始?xì)庀?=0.5cm，=0.1mm。（1）求其靈敏度L/=？（2）采用差動(dòng)方式其靈敏度L/=？5-92有一電容測(cè)微儀，其傳感器的圓形板極半徑r=5mm，開(kāi)始初始間隙=0.3mm，問(wèn)（1）工作時(shí)，如果傳感器與工件的間隙縮小1m，電容變化量是多少？（2）若測(cè)量電路靈敏度S1=100mv/PF，讀數(shù)儀表的靈敏度S2=5格/mv，上述情況下，儀表的指示值變化多少格？5-93已知兩極板電容傳感器，其極板面積為A，兩極板間介質(zhì)為空氣，極板間距1mm，當(dāng)極距減少0.1mm時(shí)，其電容變化量

51、和傳感器的靈敏度？若參數(shù)不變，將其改為差動(dòng)結(jié)構(gòu)，當(dāng)極距變化0.1mm時(shí)，求其電容變化量和傳感器的靈敏度？并說(shuō)明差動(dòng)傳感器為什么能提高靈敏度和減少線性誤差。5-94某壓電晶體的電容為，電纜電容，示波器的輸入阻抗為和并聯(lián)電容為，求：（1）壓電晶體的電壓靈敏度；（2）測(cè)量系統(tǒng)高頻響應(yīng)的靈敏度；（3）如系統(tǒng)允許的測(cè)量幅值誤差為5%，可測(cè)最低頻率是多少？（4）如頻率為，允許誤差為5%，用并聯(lián)方式，電容值是多大？5-95某壓電式壓力傳感器為兩片石英晶片并聯(lián)，每片厚度，圓片半徑，切型。當(dāng)壓力垂直作用于平面時(shí)，求傳感器輸出電荷和電極電壓的值。5-96某霍爾元件，沿方向通以電流I=10mA，在垂直于面方向加有均

52、勻磁場(chǎng)B=0.3T，傳感器的靈敏度系數(shù)為22v/A.T，試求其輸出霍爾電勢(shì)及載流子濃度。5-97已知某霍爾傳感器的激勵(lì)電流I=3A，磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B=510-3T，導(dǎo)體薄片的厚度d=2mm，霍爾常數(shù)RH0.5，試求薄片導(dǎo)體產(chǎn)生的霍爾電勢(shì)UH的大小。5-98已知某時(shí)氣溫下空氣的飽和水汽壓Ds500mmHg，此時(shí)用濕度傳感器測(cè)量得到大氣的絕對(duì)濕度D=300mmHg，試求此時(shí)大氣的相對(duì)濕度H。5-99設(shè)計(jì)一數(shù)字轉(zhuǎn)速計(jì)，畫(huà)出其結(jié)構(gòu)示意圖并說(shuō)明其工作原理和工作過(guò)程。5-100采用超聲波或光脈沖信號(hào)，由從對(duì)象反射回來(lái)的脈沖的時(shí)間進(jìn)行距離檢測(cè)，空氣中的音速為340m/s，軟鋼中縱波的音速為5900 m/s

53、，光的速度為3108 m/s，求這三種情況下1 ms的往復(fù)時(shí)間對(duì)應(yīng)得距離。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，比較采用光脈沖所需要系統(tǒng)得信號(hào)處理速度要比采用超聲波脈沖時(shí)的系統(tǒng)速度快幾倍？根據(jù)計(jì)算結(jié)果，討論利用脈沖往復(fù)時(shí)間測(cè)距，采用超聲波和光波各有什么特點(diǎn)。54 習(xí)題解答1判斷題解答5-1 ；5-2 ；5-3 ；5-4 ；5-5 ；5-6 ；5-7 ；5-8 ；5-9 ；5-10 ；5-11 ；5-12 ；5-13 ；5-14 ；5-15 ；5-16 ；5-17 ；5-18 ；5-19 ；5-20 。2選擇題解答5-21 D；5-22 A；5-23 C；5-24 B；5-25 C；5-26 C；5-27 D；5-28

54、 D；5-29 A；5-30 D；5-31；5-32；5-33 A；5-34 A；5-35；5-36；5-37 B；5-38；5-39；5-40。3填空題解答5-41由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件、基本轉(zhuǎn)換電路三部分；非電量；電量5-42靜態(tài)；靜態(tài)；動(dòng)態(tài)5-43自源型；帶激勵(lì)源型；外源型；轉(zhuǎn)換型；控制型5-44相同傳感器；不同傳感器；差動(dòng)結(jié)構(gòu)；5-45電阻應(yīng)變式；壓磁式；壓電5-46電阻應(yīng)變效應(yīng)；壓阻效應(yīng)；橫向效應(yīng)5-47變磁阻式；電磁感應(yīng)；自感系數(shù)；互感系數(shù)5-48零點(diǎn)殘余電壓；相敏檢波電路5-49面積；極距、介質(zhì)；極距5-50減小極板厚度；帶保護(hù)環(huán)；驅(qū)動(dòng)電纜法；整體屏蔽法；組合式與集成技術(shù)5-51光

55、電管；光電倍增管；光敏電阻；光電池；光敏二極管；光敏晶體管5-52電渦流，金屬5-53壓磁效應(yīng)；磁致伸縮效應(yīng)5-54霍爾效應(yīng)；霍爾電勢(shì)；磁阻效應(yīng)5-55石英晶體；壓電陶瓷5-56霍爾；磁敏電阻；磁敏二極管；磁敏三極管5-57降低；減??；升高5-58熱電偶；熱電阻；熱敏電阻5-59外光電效應(yīng)；內(nèi)光電效應(yīng)；光生伏特效應(yīng)5-60光源；光纖；光探測(cè)器；傳光型；傳感性；多模；單模4.問(wèn)答題解答5-61答：應(yīng)變片電測(cè)技術(shù)之所以得到廣泛應(yīng)用，是由于它具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）非線性小，電阻的變化同應(yīng)變成線性關(guān)系；（2）應(yīng)變片尺寸?。ㄎ覈?guó)的應(yīng)變片柵長(zhǎng)最小達(dá)0.178mm），重量輕（一般為0.10.2g），慣性小，頻率響應(yīng)好，可測(cè)0500kHz的動(dòng)態(tài)應(yīng)變；（3）測(cè)量范圍廣，一般測(cè)量范圍為1010-4量級(jí)的微應(yīng)變；用高精度、高穩(wěn)定