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传感器的作业题

第一二三章

1.传感器的定义

：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

：传感器是感知各种化学和物理的非电量并按照一定规律将其转换为可用电信号输出的装置或器件。

2.变送器的定义

当传感器的输出为标准信号（DC 4-20mA）时，则称作变送器。

3线性度（非线性误差）：输出-输入校准曲线与某一选定拟合直线不吻合的程度称为传感器的“非线性误差”，或称为“线性度”。

4迟滞：迟滞表示传感器在正（输入量最大）、反（输入量减小）行程期间，输出-输入曲线不重合的程度。

5重复性：重复性表示传感器在同一工作条件下，被测输入量按同一方向作全程连续多次重复测量时，所得输出值（或校准曲线）的一致程度。

6精度：精度是反映系统误差和随机误差的综合误差指标。一般用重复性、线性度、迟滞三项的方和根或简单代数和表示。

7灵敏度：灵敏度是传感器输出量增量与输入量增量之比。

8阈值：一个传感器的输入从零开始缓慢地增加时，只有在达到某一最小值后才测得出输出变化，这个最小值就称为传感器的阈值。

9分辨率（力）：是指当一个传感器的输入从非零的任意值缓慢地增加时，只有在超过某一输入增量后输出才显示有变化，这个输入增量称为传感器的分辨力。有时用该值相对满量程输入值之百分比表示，则称为分辨率。

10时漂：时间漂移通常是指传感器零位随时间变化而变化的现象。

11零点温漂：通常是指传感器零位随温度变化而变化的现象。

12灵敏度温漂：是指传感器灵敏度随温度变化而变化的现象。

13最小二乘法原理的核心思想是：校准数据与拟合直线上相应值之间的残差平方和最小。

13最小二乘法原理可简述为“估计应满足残差（剩余）平方和为最小”。

14通常在阶跃函数作用下测定传感器动态性能的时域指标。通常在正弦函数作用下测定传感器动态性能的频域指标。

15通常用哪四个指标来表示传感器动态性能的时域指标？

答：(1) 时间常数Ｔ：输出值上升到稳态值y(∞)的63％所需的时间。 (2) 上升时间：输出值从稳态值y (∞)的10％上升到90%所需的时间。

(3) 响应时间t 5、t 2：输出值达到稳态值的95％或98％所需的时间。

(4) 超调量σ：

第四章

1简述半导体压阻效应及其特性。答：对半导体施加应力时，半导体的电阻率会发生改变，这种现象称为压阻效应。半导体压阻效应一个很重要的特点是效应的各向异性。

2对比全桥压阻压力传感器的恒压、恒流供电的特点。

当无外加应力时，电桥的输出为 R 1＝R 2＝R 3＝R 4＝R ，

当膜片受到应力作用时，R 1、R 3与R 2、R 4有相反的等量变化，即R 1→R 1＋ΔR 1，R 3→R 3＋ΔR 3，R 2→R 2-ΔR 2，R 4→R 4-ΔR 4。于是在压力的作用下，电桥

100)

()

()(p ?∞∞-=y y t y σ

B 43214

231)

)((U R R R R R R R R U o ++-=

失去平衡，产生的电压输出为

若设计上保证R 1＝R 2＝R 3＝R 4＝R ，并且在受到应力作用时满足ΔR 1＝ΔR 2＝ΔR 3＝ΔR 4＝ΔR ，则

上式表明，当以恒压源方式供电时，电桥的输出与因压阻效应引起的电阻变化的相对量以及电源电压成正比。因此，传感器的输出精度直接受电源电压精度的限制。同时，因桥臂电阻对温度敏感，所以输出也会受温度的影响。

采用恒流源供电时的零输出电压为

若设计上保证R 1＝R 2＝R 3＝R 4＝R ，并且在受到应力作用时满足ΔR 1＝ΔR 2＝ΔR 3＝ΔR 4＝ΔR ，则

上式表明，恒流源供电时，输出电压与力敏电阻的增量以及恒流源电流成正比。恒流源精度会影响到传感器的精度。这种供电方式的优点是电桥的输出与桥臂电阻无关，所以比恒压源供电方式的温度稳定性好。

3困扰硅压阻传感器设计的难题是？答：传感器温度漂移的补偿。

4简述图示带温度补偿电路的压力传感器的温度补偿原理？P80

B P U R R R R R R R R R R R R R R R R U )

)(())(())((4433221144223311?-+?+?-+?+?+?+-?+?+=B U R

R U P ?=

43214231o I R R R R R R R R U +++-=o

P I R U ??=

5电容压力传感器的工作原理？

答：敏感电容器的电容量由两个极板的面积和间距决定。当膜片两侧存在压力差时，硅膜片发生形变，电容器极板间的间距发生变化，从而引起电容器容量的变化。电容的变化量与压力差有关，因此可以作为压力检测元件。

6压阻全桥压力传感器零位失调的原因与解决方法？

答：压阻全桥的四个电阻值存在误差造成零位失调。失调补偿方法：测量零位失调电压已，根据失调电压的正负，在适当的桥臂上串（并）联一个电阻R z。

7列举几个压力传感器使用的实例。

电子血压计，气压传感器，气压高度计，液位计，加速度计

第五章

1.热电效应：当两种不同的导体两端相接，组成一个闭合回路，如两个接头处具有不同的温度T和T0，则回路中便有电流，产生电流的电动势称为温差电动势。这种现象称为热电效应。

2.接触电势：由于两种导体自由电子密度不同而在其接触处形成的电动势称为接触电势。

3.判断，计算

（1）中间导体定则

（2）匀质导体定则

（3）中间温度定则

4.简述冷端补偿方法(列出4种即可)

答:1．0℃恒温法; 2．冷端恒温法; 3．冷端补偿器法; 4．补偿导线法; 5．采用不需要冷端补偿的热电偶; 6．补正系数修正法; 7．冷端温度的智能补偿

5.构成热电偶回路的电势？温差电势和接触电势

6简述金属测温电阻测温电路的2种接线方式？并画出接线图。

7金属测温电阻在使用过程中主要产生哪2种误差？分别是怎样解决的？

答:自热误差和引线误差。

8半导体热敏电阻温度传感器按其特性有哪三种分类？

答：负温度系数热敏电阻（NTC）、正温度系数热敏电阻（PTC）和临界温度电阻器（CTR）。

9.温敏二极管工作原理？

答：在一定的电流下，温敏二极管的正向电压将随温度的变化而呈线性规律变化。

10.温敏三极管工作原理？

答：当集电极电流恒定时，温敏晶体管的基极-发射极电压随温度的变化而呈线性规律变化。

第六章

1.霍尔（Hall）效应：长方形半导体材料中，在长度X方向通以直流电流I c，在厚度Z方向施加磁场B，在宽度Y方向上便产生电位差U H，这种现象称为霍尔效应。

2.磁阻效应：由于磁场而引起的半导体或导体电阻的变化。包括物理磁阻效应和几何磁阻效应。

3.霍尔器件的技术性能（4种）

额定控制电流、输入电阻、输出电阻、乘积灵敏度、不等位电势、霍尔电压温度系数。

4.简述霍尔器件的供电方式，认识器件符号，有哪些应用？

答：恒压和恒流供电，

5.简述磁电编码（磁敏编码器）器工作原理。

答：马达带动齿轮向某一确定方向转动，齿轮的齿顶和齿根将有序的依次扫过磁敏电阻引起磁敏电阻阻值的交替变化，这种电阻值的变化被转换电路转变成规则的脉冲序列，则该脉冲的频率可以表征转速的大小；如果设置两路完全相同的磁敏电阻及其检测电路，则这两路电路将输出频率一样但存在固定相位差的信号，这种相位差即可表征齿轮的转向。故这种磁电编码（磁敏编码器）器既可以测量转速，又可以测量转动方向。

6.使用磁敏电阻设计一个无触点开关，并说明工作原理。

7.使用磁敏电阻设计一个转速测量装置，并说明工作原理。

补充题目

1.关于最小二乘法的应用的计算题。作业本。

2.金属测温电阻的测温原理及计算。

例.一热敏电阻在0℃时电阻值为100k Ω，其电阻温度系数α为-60Ω/℃试计算该热敏电阻在35℃时的电阻值。

＋

磁鼓

脉冲信号

φA φB

3．画出霍尔器件的恒压恒流驱动电路，说明各自的优缺点。

4.何谓霍尔器件的不等位电势？造成不等位电势的原因有哪些？

5.会查热电偶分度表，利用中间温度定则计算。很重要！

※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※第七章

一、解释

1.光电导效应

由光照引起半导体电导率变化的现象称为光电导效应。

2.光生伏特效应

用适当波长的光照射非均匀半导体（如PN结）时，由于自建场的作用，半导体内部产生光生电压。这种由自建场引起的光电效应，称为光生伏特效应。

3.外量子效应及其三要点

入射光子被物质的表面吸收并向外部释放电子的一种物理现象。(1) 在足够高的加速电压作用下，只要用一定频率的光照射在物质表面（如金属阴极），则产生正比于光强的光电流；

(2) 在能够产生光电流的入射频率中，存在着一个最低频率，该频率与金属阴极的种类有关；

(3) 外量子效应的光电子最大能量与入射光强度无关，与入射光频率成正比关系，

4. 外光电效应

入射光子被物质的表面吸收并向外部释放电子的一种物理现象。 (1) 在足够高的加速电压作用下，只要用一定频率的光照射在物质表面（如金属阴极），则产生正比于光强的光电流；

(2) 在能够产生光电流的入射频率中，存在着一个最低频率，该频率与金属阴极的种类有关；

(3) 外量子效应的光电子最大能量与入射光强度无关，与入射光频率成正比关系， 5. 判断

（1）对于能产生外光电效应的材料来讲，任意频率的入射光照射时都会产生外光电效应。（）

（2）外光电效应产生的光子能量只与入射光频率有关，而与光强无关。（）

（3）外光电效应产生的光子能量不仅与入射光频率有关，还与光强有关。（）

6. 简述光敏电阻的光照特性。

1240

==c

hv E 1000

100

101

0.1

101001000

照度 / 1x

1—高输出式元件;2—高灵敏度

元件电阻 / k Ω

答：由上图可知，光敏电阻的暗电阻可达100 k Ω以上，而受光照射后最低电阻值只有数百欧姆。

或者，答：当没有光照时光敏电阻的暗电阻很大可达100 k Ω以上，随着光照强度的增加，其电阻逐渐变小。最低电阻值只有数百欧姆 7. 结合光敏电阻的光谱响应特性，判断下列叙述的正误。

（1）光敏电阻的对所有波长的光的灵敏度都一样。（）（2）光敏电阻只对特定波长的光敏感。（）

（3）光敏电阻对特定波长的光最敏感，对其他波长的光的灵敏度要小。（）

（4）使用上图所示的光敏电阻作为光探测器时，应选用频率为670nm 的单色光源。（）

8. 结合下图说明光敏电阻的光谱温度特性。

10080

6040200

0.4

0.60.8

波长/μm

相对灵敏

度

100

波长 / μm

灵敏度(相对值)

10－1

10－2

234

90 K

95 K 290 K

20 K

答：随着温度升高，峰值波长向短波方向移动。

光敏二极管是一种以效应为工作原理的光敏器件。 10. 要使光敏二极管能在光照控制下正常工作必须接电压。 11.何谓光敏二极管的暗电流?在选择这种器件时如何考虑该指标？答：在无光照条件下，加有一定反偏压的光敏二极管的反向电流称为光敏二极管的暗电流。

选择器件时暗电流越小越好。

12.根据下图简述光敏二极管的光谱响应特性。

答：从图中可以看出，在400～1100 nm 的范围内，光敏二极管对不同波长的入射光的响应是不同的。最高响应灵敏度所对应的入射光波长称为峰值波长，约为900nm 。

13. 根据下图简述光敏晶体管的光谱响应特性。

1000

λ / μm

相对光电流 / %80604020100相对灵敏度 / %

80604020

答：上图表明，在400～1100 nm的范围内，光敏晶体管对不同波长的入射光的响应是不同的。峰值波长处于870nm附近。

14，解释“热释电效应”。

答：给电石、水晶或酒石酸钾钠（罗谢耳盐）等晶体加热，其晶体表面会产生自然极化而出现电荷，把这种现象称为热释电效应。

或，当强电介质的温度变化Δt时，其表面会呈现ΔPs的自然极化电荷，这种现象称为热释电效应。

15.表征某材料热释电效应大小的参数称为热释电系数。

16.判断

（1）热释电效应所产生的极化电荷是可以永存的。（）

（2）热释电效应所产生的极化电荷不是永存的，所以，要在器件前方的透光窗口加装一个周期性遮断被测红外信号光的机械装置。（）17. 为什么要在器件前方的透光窗口加装一个周期性遮断被测红外信号光的机械装置？

答：热释电效应所产生的极化电荷不是永存的，由于处于器件表面，如果就此搁置，必然会被空气中各种离子所复合而使器件仍呈电中性，后续的检测电路将无法获得电信号，无法实现测量。

18.举例说明红外热释电光敏器件的应用。答：热机探测。人体探测。

第八章

1.光纤通常由纤芯、包层及外套组成。其中纤芯的折射率要稍大于包层的折射率。

2.按纤芯到包层折射率变化的规律，可把光纤分为型光纤和型光纤两类。

3.从传输模式上分类可把光纤分为光纤和光纤两类。

4.根据下图，简述斯乃尔（Snell ）法则。

答：光线入射角小于临界角时界面上发生反射和折射现象。入射角φ1和折射角φ2满足：

n 1 sin φ1=n 2 sin φ2

包层

外套

参考轴

(a )

(b )(c )

光线入射角等于临界角时界面上发生的反射和折射现象。此时，折射角φ2=90度。入射角满足：

光线入射角大于临界角时界面上发生全反射。

光的全反射现象是光纤传光原理的基础。 6.简述光纤传光原理。

设光线在A 点入射，根据斯乃尔法则，有

要使入射光线在界面发生全反射，应满足

2c sin n n =

?入射光

12光）(a )

11100cos sin sin ?θθn n n ==1

21sin n n >

由三角函数公式，得

这就是能产生全反射的最大入射角范围。入射角的最大值θc 满足，

7．计算上图光纤的数值孔径。

8.在功能型光纤传感器中光纤起什么作用？

答：在功能型光纤传感器中光纤既是传光通道又是被测量的敏感元件。

9.在非功能型光纤传感器中光纤起什么作用？答：在非功能型光纤传感器中光纤仅仅是传光通道。

9.在功能型光纤传感器中光纤起什么作用？

答：在非功能型光纤传感器中光纤不仅仅是传光通道还是被测量的敏感元件。

10. 应用光纤传感器可以测量哪些物理量？

答：压力、温度、电压、电流、位移、速度、液位等。

第九章

1.气敏传感器的检测对象有哪些？答:

(1) 可燃性气体；

(2) 有毒气体；

21cos 1sin ??-±=2

122

11cos n n -

210

01sin n n n -<θ2

210

c 1sin n n n -<

θ2

210

A 1sin n n n N c -=

=θ

(3)惰性气体或窒息性气体。

1.简述电阻型气敏传感器的工作原理。

答：电阻型气敏传感器分为两种类型：表面电阻控制型和体电阻控制型。对于表面电阻控制型气体传感器,当被测气体在该半导体表面吸附后，引起其表面电阻发生变化。对于体电阻控制型气体传感器,当被测气体在该半导体表面吸附后，引起其体电阻发生变化。

3.湿度有哪几种表示？

答：绝对湿度、相对湿度、露（霜）点温度、比湿度、饱和度等。

4.解释绝对湿度和相对湿度。

答：绝对湿度表示单位体积的空气中所含水汽的质量。

相对湿度定义为待测空气的水汽分压与相同温度下水的饱和水汽压比值的百分数。

第十一章

1.压电效应在课本上可以找到答案

2.横向压电效应

3.纵向压电效应

（补充）4.指出abcd四个图分别是哪种压电效应？已知a图的受力与带电情况，请标出其余3幅图的带电情况。

4..压电陶瓷必须经过后，才具有压电效应。

5.简述如何建立用于研究压电材料的空间坐标系？

答：在结晶学中，把晶体的性质用三根互相垂直的轴来表示，其中纵向轴Z称为光轴，经过六棱柱棱线并垂直于光轴的X轴称为电轴，与X轴和Z轴同时垂直的Y轴（垂直于棱面）称为机械轴。

6.压电式传感器不能用于静态测量。

7.压电式传感器只适用于对动态和准静态信号的测量。

8.由于压电式传感器的内阻极高，故要求其前置放大器要有非常

的输入阻抗。

10.压电式传感器的测量电路是什么？其作用是什么？

答：压电式传感器的测量电路有2种：电荷放大器和电压放大器。其作用是：一、信号放大；二、阻抗变换。

11. 说明压电式传感器的两种测量电路，并说明它们的异同点。

答：压电式传感器的测量电路有2种：电荷放大器和电压放大器。

相同点是其作用相同：一、信号放大；二、阻抗变换。

不同点：电荷放大器电路的低频特性要优于电压放大器电路，除可以测量动态量外，还可以测量准静态量。电压放大器电路只可以对动态量测量。

第十三章

1.传统传感器与微控制器的结合就称为智能传感器。

2.智能传感器所具备的基本功能有哪些？

3.画出一种智能传感器的原理框图。

参考教材

给位同学有问题可以联系我qq317441349，电话（132********）也可以。基本每周三下午都在办公室。