传感器与检测技术复习提纲 简答题

复习提纲

一、传感器的基本知识

1.什么是传感器？

2.传感器由哪几部分组成？

3.传感器的静态特性。

理解灵敏度的物理含义

．．．．。

4.误差按性质的分类和表示方法。

5.掌握测量仪表参数准确度

．．．的含义。

二、线性位移传感器

1.电阻式传感器

1）什么是应变效应？

2）应变片式传感器是利用什么效应工作的？由哪几部分组成？

3）转换电路：

（1）电阻式传感器用什么电路作为转换电路？

（2）应变电桥的工作方式有哪几种？使用差动式电桥测量电路的优点是什么？

2.电容式传感器

1）改变电容值的方法有哪三种？

2）电容式传感器可以分为哪几种？各有什么特点？

3.电感式传感器

1）电感式传感器按转换

．．可分为哪两种？

．．原理

2）自感式电感传感器按结构形式

．．．．不同可分为哪两种？各自有什么工作特点？

4.电涡流式传感器

1）什么是电涡流效应？

2）电涡流传感器的工作原理？电涡流传感器的测量对象是什么？使用电涡流传感器有什么注意事项？

5.压电式传感器

1）什么是压电效应？

2）常见的压电材料有哪些？

3）压电传感器有什么特点。

6.超声波传感器

理解超声波传感器的工作方式。超声波传感器的发射装置和接收装置分别是利用什么效应工作的？

7.磁敏传感器

1）什么是霍尔效应？

2）霍尔元件用什么材料制成？

3）霍尔元件具有什么样的外形特点？

4）霍尔式传感器有哪些应用。

8.光电式传感器

1）什么是外光电效应？

2）什么是光电导效应？什么是光电动势效应？什么是光的热电效应？

3）基于以上各光电效应工作的光电元件有哪些？理解各种光电元件的工作原理及典型应用。

会分析P43 图2-42电流工作原理，会分析类似习题如P59 2-17题

三、数字式传感器及应用

1．角编码器

1）角编码器按照输出形式，可分为哪两种？工作方式有什么不同？各有什么特点？

2）了解角编码器的结构特点，知道角编码器的典型应用。

2．光栅传感器

1）理解光栅传感器工作原理

2）理解莫尔条纹的形成原理，摩尔条纹的特点是什么？摩尔条纹的宽度与什么有关？怎么计算？P68 式（3-2）

四、温度传感器

1.热电偶及应用

1）什么是热电效应？

2）同种金属是否能构成热电偶？热电偶两端温度相同能否测温？

3）热电偶参考端处理

热电动势修正法：P142（6-3）式，会分析类似习题如P158 6-9题

2.电阻式温度传感器

1）热电阻温度传感器

常用热电阻有哪两种？各有什么特点？

2）热敏电阻温度传感器

热敏电阻按温度特性可分为哪三类？

五、气体与湿度传感器及应用

1.理解气体与湿度传感器基本工作原理。

2.半导体气敏传感器的类型可分为哪两大类。

3.常用湿度传感器有哪三种？

第二章：位移检测传感器

参量型位移传感器：（工作原理是将被测物理量转换成电参数，如电阻、电容、电感等）电阻式：R=

电阻应变式

电容式

电感式

发电型位移传感器：（将被测物理量转换为电源性参数，如电动势、电荷等）磁电型位移传感器

压电型位移传感器

大位移传感器：

磁栅式位移传感器：

光栅式位移传感器：

（1）差动式电容位移传感器：由于带极电板间的静电引力小，活动部分的可动质量小，对输入能量的要求低，且具有较好的动态响应特性；由于介质损耗小，传感器

本身发热影响小，且使其能在高频范围内工作。

差动电感位移传感器：测量精度高，分辨率可达0.1um，线性范围大，稳定性好，使用方便。

（2）光栅式位移传感器：根据莫尔条纹的性质，当两个光栅沿刻线垂直方向作相对移动

时，莫尔条纹相对栅外不动点沿近似垂直的运动方向移动，光栅移动一个栅距

W，莫尔条纹移动一个条纹间距Bh；光栅运动方向改变，莫尔条纹的运动方

向也作相应改变；光栅条纹的光强度随条纹移动按正眩规律变化。因此可根据

莫尔条纹的移动距离和方向，测出光栅移动的距离和方向。

容栅式位移传感器：在测量位移时，动栅与定栅相覆盖的宽度发生变化，其电容量随之变化，所以根据电容量的变化可知位移的变化量。

Cmax=n

电容式位移传感器：利用电容量的变化来测量线位移或角位移。

C=

小位移测量传感器：磁电型位移传感器，压电型位移传感器，电阻式位移传感器，电阻应变式位移传感器，电容式位移传感器，电感式位移位移传感器。（灵敏度高、量程小、小位移时线性精度高。）

区别：容栅式位移传感器因多极电容及平均效应，具有更高的分辨率、精度、量程更大。

第三章：力、扭矩和压力传感器

金属电阻丝应变片的工作原理：基于应变效应，即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。”

优点：价格便宜，比较柔软，易于粘贴，应变最大

缺点：耐潮湿性和耐热性差

半导体应变片的工作原理：半导体应变片是用半导体材料制成的，其工作原理是基于半导体材料的压阻效应。压阻效应是指固体受到应力作用时，其电阻率发生变化，这种现象称为压阻效应。

优点：灵敏度高，机械滞后性小，横向效应小

缺点：应变灵敏系数离散大，机械强度低，非线性误差大，温度系数大

应变片电桥方式：单臂：电压灵敏度正比低，功耗小，无温度补偿，粘贴方便

双臂：电压灵敏度正比较高，功耗适中，有温度补偿

四臂：电压灵敏度正比最高，功耗大，又温度补偿，粘贴最不方便

压电式力传感器：利用压电效应将力的变化转换为电信号

压电式力传感器与电压放大器配套应注意电缆接线的屏蔽，更换电缆需重新标定。放大器的输入阻抗尽肯能得高

压力传感器：

正压电效应：当某些晶体沿一定方向受外力作用而变形时，在其相应的两个相对表面产生极性相反的电荷，当外力去掉后，又恢复到不带电状态，这种物理现象称为正压电效应。逆压电效应：当某些晶体的极性方向施加外电场，晶体本身将产生机械变形，当外电场撤去后，变形也随之消失，这种物理现象称为逆压电效应。

压磁式力传感器主要由：压磁元件，弹性机架、基座和传力钢球等

工作特点：压磁元件装在由弹簧刚制成的弹性机架内，传力钢球的作用是为了保持作用点的位置不变。并要求与压磁元件接触的弹性机架表面研磨平，以保持接触良好，受力均匀。

要求压磁元件装入机架后，机架对压磁元件有一定的预压力，一般预压力为额定压力的515

光电式扭矩传感器测量扭矩的原理：光电式扭矩传感器通过轴上透光窗口的扭动改变光信号的强弱，然后利用光电效应将光信号转成电信号进行测量，在微安表上显示，然后可知扭矩大小。

1、电容式传感器有哪几种常用的结构形式？影响电容式传感器精度的因素较多，请详细分析如何消除电容式传感器的边缘效应与寄生参量的影响？

答：

电容式传感器的的常用结构形式有变间隙式、变面积式和变介电常数式。

电容式传感器的边缘效应相当于传感器并联了一个附加电容，其结果使传感器的灵敏度下降和非线性增加。为了尽量减少边缘效应，首先应增大电容器的初始电容量，即增大极板面积或减小极板间距。此外，加装等位环是一个有效的方法。

电容式传感器的寄生参量使传感器电容改变。由于传感器本身电容量很小，再加上寄生电容又是极不稳定的，就会导致传感器特性的不稳定，从而对传感器产生严重干扰。消除和减小寄生参量影响的方法归纳为以下几种：①缩短传感器到测量线路前置级的距离；②驱动电缆法；③整体屏蔽法。

2、为什么金属电阻测温时，其测量电路常采用三线制接法？请画图并说明其测量原理。

答：

如图是三线连接法的原理图。G为检流计，R1 ，R2 ，R3为固定电阻, Rα为零位调节电阻。

R的三根导线和电桥连接，r1 ，r2分别接在相邻的两臂内，热电阻R t通过电阻为r1 ，r2，

g

当温度变化时，只要它们的长度和电阻的温度系数α相等，它们的电阻变化就不会影响电桥的状态。

3、请解释金属丝灵敏系数K s的物理意义? 分析横向效应对灵敏系数的影响？

答：

金属丝灵敏系数K s的物理意义是单位应变所引起的电阻相对变化。

横向效应要点：1）由于弯曲部分，总的电阻变化小了；2）应变片的灵敏系数小于金属丝灵敏系数。

4、请画出电容式传感器的等效电路；分析如何消除电容式传感器的边缘效应与寄生参量的影响？

答：

1）等效电路

R p为并联损耗电阻；R s代表损耗电阻，即代表引线电阻、电容器支架和极板电阻的损耗。电感L 由电容器本身的电感和外部引线电感组成。

2）边缘效应

边缘效应相当于传感器并联了一个附加电容，其结果使传感器的灵敏度下降和非线性增加。

为了尽量减少边缘效应，首先应增大电容器的初始电容量，即增大极板面积或减小极板间距。此外，加装等位环是一个有效的方法。

3）寄生参量使传感器电容改变。由于传感器本身电容量很小，再加上寄生电容又是极不稳定的，就会导致传感器特性的不稳定，从而对传感器产生严重干扰。

消除和减小寄生参量影响的方法归纳为以下几种：

①缩短传感器到测量线路前置级的距离。

②驱动电缆法

③整体屏蔽法

5、请详细说明电感式传感器产生零点残余电压的原因以及减小零点残余电压的措施。

答：

产生零位误差的原因是：

（1）差动式传感器中，两个电感线圈的电气参数及导磁体的几何尺寸不可能完全对称；

（2）传感器具有铁损，即磁芯化曲线的非线性；

（3）电源电压中含有高次谐波；

（4）线圈具有寄生电容，线圈与外壳、铁芯间有分布电容。

零位信号的危害很大，会降低测量精度，易使放大器饱和。减小零位误差的措施是减少电源中的谐波成分，减小电感传感器的激磁电流，使之工作在磁化曲线的线性段；另外在测量电桥中可接入可调电位器，当电桥有起始不平衡电压时，可以调节电位器，使电桥达到平衡条件。

6、请画图并说明电磁流量计的构成与工作原理。

答：

如图为电磁流量计原理结构图。由电磁流量计由磁场系统、不导磁测量导管、及管道截面上的导电电极组成，磁场方向、管道轴线、电极连线三者在空间互相垂直。导电液体在管道中流动时，作切割磁力线的运动，在两电极上产生感应电势，其大小为：

BDV

E

式中：E――感应电动势，V；

B――磁感应强度，T ；

v――平均流速，

s m；

D――管道内径，m。

如果流体质点在整个管道截面上流速是均匀，就可以把液体看成许多直径为D且连续运动着的薄圆盘。薄圆盘等效于长度为D的导电体。

根据感应电势的大小即可计算出流量。

四、问答题

1、金属热电阻为什么要进行三线制接线？并画出其接线图

答：用金属热电阻传感器进行温度测量时，用电桥作为测量电路。在进行测量时总要采用导线连接，由于金属电阻本身阻值很小，所以引线电阻及其变化不能忽略。为了消除或减少引线电阻的影响，通常采用三线制接法，如下图所示：

2、简述传感器信号的预处理方法

答：1）阻抗变换电路2）放大电路3)电流电压转换电路4）频率电压转换电路5）电桥电路6）电荷放大电路7）交直流转换电路8）滤波电路9）非线性校正电路10）对数压缩电路

3、数据采集系统常由哪几部分组成？画出数据采集系统的典型构成。

答：数据采集系统常由信号调理电路（包括放大器、滤波器等）、多路模拟开关、采样保持

电路、A/D 转换器以及接口控制逻辑电路所组成。典型系统框图如下：

信号调理电路

信号调理电路

多路模拟开关

采样/保持A/D

接口电路

微机

控制逻辑电路

信号

un

u1

...

4、 简述压电陶瓷的压电机理。 解：

（1）极化处理：一定温度下施加强直流电场E ，使压电陶瓷的自发极化方向与外电场一致。当E 去掉后，存在剩余极化强度，即陶瓷片的两端出现束缚电荷。

（2）压电特性：加与极化方向相同的外力F ，自由电荷放电，撤销外力，出现充电现象，放电电荷为

F d q 33?= 其中，d 33为压电系数。

5、 举例说明结构型传感器与物性型传感器的区别。 解：见下表：

6、 简述应变计横向效应的产生原因、横向效应系数的定义及减小横向效应的方法。 解：在单向应力、双向应变情况下，横向应变总是起着抵消纵向应变的作用，应变计既敏感纵向应变，又同时受横向应变的影响，使灵敏系数降低。

横向效应系数

%

100K K H x

y ?=

，K x ，K y 为双向灵敏系数。

结构型 物性型 分值 基于不同的物理定律 场的定律 物质定律

１ 传感器特性的决定因素

由结构参数决定

构成传感器的物质的性质

１

性能 稳定 将迅速提高 １ 成本 较高 将大大降低 应用 广泛

发展方向之一 传感器组成

敏感元件+传感元件

没有敏感元件环节 １ 举例

电容传感器

压电传感器

１

减小横向效应的方法：增长纵栅，减小横栅；采用直角横栅；采用箔式应变计。

7、 给出热电偶传感器冷端电桥补偿法的结构，并说明其原理。 解：如图所示，其中R 1，R 2，R 3温度系数为零，R 4正温度系数

（1）参考端T=20o C 时，电桥平衡，U ab =E x

（2）参考端T 升高R 4增大，E x 降低，电桥失衡，0U ab ，若U ab 增量等于E x 减小量，则U AB =U ab + E x 不变。

8、 分析霍尔传感器产生不等位电势的原因及其补偿方法。 解：

A B

I

（1）产生不等位电势原因：工艺上难以保证两个霍尔电极在同一等位面上，当有I 时，即使B=0，AB 之间仍存有电位差。

（2）补偿方法：采用电桥原理，根据A 、B 电位高低，在阻值较大的桥臂上并联电阻。

9、画出测试系统的组成框图，并说明各组成部分的作用。 答案要点：

1R 2

R 4

R R a

E

3R b

c

d

x

E A

B

x

T

传感器作为测试系统的第一环节，将被测量转化为人们所熟悉的各种信号，通常传感器将被测量转换成电信号；信号变换部分是对传感器所送出的信号进行加工，如信号的放大、滤波、补偿、校正、模数转换、数模转换等，经过处理使传感器输出的信号便于传输、显示或记录；显示与记录部分将所测信号变为便于人们理解的形式，以供人们观测和分析。

10、粘贴到试件上的电阻应变片，环境温度变化会引起电阻的相对变化，产生虚假应变，这种现象称为温度效应，简述产生这种现象的原因。 答案要点：

①环境温度变化时，由于敏感栅材料的电阻温度系数的存在，引起应变片电阻相对变化； ②环境温度变化时，敏感栅材料和试件材料的膨胀系数不同，应变片产生附加的拉长(或压缩)

，引起电阻的相对变化。

11、简述压电式传感器分别与电压放大器和电荷放大器相连时各自的特点。

答：传感器与电压放大器连接的电路,其输出电压与压电元件的输出电压成正比,但容易

受电缆电容的影响。

传感器与电荷放大器连接的电路,其输出电压与压电元件的输出电荷成正比,电缆电容的

影响小。

12、简要说明光栅尺的原理。

光栅是基于莫尔条纹现象的。当两组间隔B 相同，并有一夹角θ的光栅相互错动时，会形成明暗相间的移动条

纹，称为莫尔条纹。莫尔条纹的宽度W 可表示为：W=B/θ，

当θ角很小时，即活动光栅每移动一个W 距离，莫尔条纹能移动一个B 的距离，由于θ角很小，因此，W 比B 要大的多，有放大的作用。光栅式传感器就利用了这一原

理。 13、在静态测量中，根据测量系统输入量与对应输出值所绘制的定度曲线可以确定那些静态

特性?

在静态测量中，根据绘制的定度曲线，可以确定测量系统的三个静态特性：灵敏度，非线性度，回程误差。

14、简述应变片在弹性元件上的布置原则，及哪几种电桥接法具有温度补偿作用。

布置原则有：

(1)贴在应变最敏感部位，使其灵敏度最佳； (2)在复合载荷下测量，能消除相互干扰；

B

W

?

(3)考虑温度补偿作用；

单臂电桥无温度补偿作用，差动和全桥方式具有温度补偿作用。

15、简述两类扭矩的测量原理及举例说明相应的扭矩传感器

1)轴类零件受扭矩作用时，在其表面产生切应变，可通过测量该应变检测扭矩，如电阻应变

式扭矩传感器。

2)弹性转轴受扭后，两端面的相对转角只与所承受的扭矩有关，且呈比例关系，可通过测量扭转角测量扭矩，如电容式或光电式扭矩传感器。

16、涡流式传感器测量位移与其它位移传感器比较，其主要优点是什么?涡流传感器能否测量大位移量?为什么?

优点：能实现非接触测量，结构简单，不怕油等介质污染。

涡流传感器不能测量大位移量，只有当测量范围较小时，才能保证一定的线性度。

16、压力传感器测量砝码数据如下，试解释这是一种什么误差，产生这种误差的原因是什么。N(g)012345

正行程

(mv)0 1.5 2 2.5 3 3.5

反行程

(mv)0 0.5 1 2 2.5 3.5

解：迟滞误差；静态误差；传感器本身材料的缺陷造成。

17、什么是传感器动态特性和静态特性，简述在什么频域条件下只研究静态特就能够满足通常的需要，而在什么频域条件下一般要研究传感器的动态特性？

答：传感器的特性是指传感器所特有性质的总称。而传感器的输入输出特性是其基本特性，一般把传感器作为二端网络研究时，输入输出特性是二端网络的外部特性，即输入量和输出量的对应关系。由于输入量的状态（静态、动态）不同分静态特性和动态特性。静态特性是指当输入量为常量或变化极慢时传感器输入-输出特性。动态特性指当输入量随时间变化时传感器的输入-输出特性。可以从时域和频域来研究动态特性

18、简述霍尔电势产生的原理。

答：一块半导体薄片置于磁感应强度为B的磁场(磁场方向垂直于薄片)中，当有电流I流过时，电子受到洛仑兹力作用而发生偏转。结果在半导体的后端面上电子有所积累。而前端面缺少电子，因此后端面带负电，前端面带正电，在前后端面形成电场，该电场产生的力阻止

电子继续偏转当两力相平衡时，电子积累也平衡，这时在垂直于电流和磁场的方向上将产生电场，相应的电势称为霍尔电势UH。

19、分析应变片式传感器在使用单臂电桥测量电路时由于温度变化而产生测量误差的过程。

答：在外界温度变化的条件下，由于敏感栅温度系数及栅丝与试件膨胀系数（）之差异性而产生虚假应变输出有时会产生与真实应变同数量级的误差。

19、测量仪表静态特性非线性的校正方法有哪些？

答案：

一种是开环节式非线性校正法，另一种是非线性反馈校正法。

20、在自动检测系统中，利用多种传感器把各种被测量转换成电信号时，大多数传感器的输出信号和被测量之间的关系并非是线性关系。要解决这个问题，在模拟量自动检测系统中可采用什么方法？

答案：

①缩小测量范围，取近似值。

②采用非均匀的指示刻度。

③增加非线性校正环节。

21、振弦式传感器的结构及各组件的功能是什么？

答案：

振弦式传感器主要由膜片、振弦、夹紧块、激励器和拾振器组成。膜片将待测力转变成振弦的张紧力；振弦将待测力的变化转换成自振频率的变化；激励器供给弦激励力使弦自由振动；拾振器将弦的机械振动转换成同频率的电信号输出。

22、简述振弦式传感器的工作原理。

答案：

振弦式传感器以被拉紧的钢弦作为敏感元件。一根定长的弦，其横向固有振动频率与其所受的张紧力的平方根成正比。所以弦的固有振动频率的变化量可以反映张紧力的变化量。当待测力作用在膜片上时，待测力的变化量就引起张紧力的变化，从而弦固有频率的变化又能表征待测力的大小。

23、简述振筒式传感器的工作原理？

答案：

振筒式传感器中的振筒受激励振动起来后，由于磁性材料的振筒是拾振器永久磁铁磁路中的一部分，它的振动改变了磁路中空气隙的大小，引起磁通的变化，从而在拾振器中产生感应电动势信号。该信号经放大后，一部分供输频率信号；一部分供给激励线圈，用于补充振筒的阻尼损耗，维持其等幅振动。

24、为什么热电偶多用合金热电极？

答案：纯金属热电极易复制，但热电势小；非金属热电极热电势大、熔点高，但复制性和稳定性差；合金热电极的热电特性和工艺性能介于上述两者之间，所以多用合金热电极。

25、简述热电偶测温原理？

答案：热电偶回路中的热电势与两热电极材料和两接触点温度有关。当热电极材料选定后，热电势仅与热电偶冷、热端温度有关。若保持冷端温度一定，则热电势就与热端温度呈单值函数关系。它的大小反映了被测温度值。

26、试述霍尔元件的简单结构。

答案：霍尔元件是N型半导体制成的扁平长方形的磁敏元件。扁平的两对侧面各引出一对电极。其中一对激励电极用于引入激励电流，另一对霍尔电极用于引出霍尔电势。

27、由光电效应方程式得出的两个基本概念是什么？

答案：（1）入射光频谱不变时，被照射物体单位时间内发出的光电子数与入射光强度成正比。（2）对某种物体产生光电效应有最低频率单色光的限制称红限。高于物体红限的入射光，不论多弱，被照射物体也能产生光电发射。低于物体红限的入射光，不论多强，被照射物体也不能产生光电发射。

28、半导体内光电效应与光强和光频率的关系是什么？

答案：每种半导体材料产生内光电效应有一个临界光波长的限制，只有小于临界光波长的光才能使该半导体产生内光电效应。随着照射光强度的增加，内光电效应增强。

29、简述压电陶瓷的结构及其特性？

答案：压电陶瓷是人工制造的多晶体，具有电畴结构。电畴是分子自发形成的区域，有一定的极化方向。经过极化处理的压电陶瓷内部仍存在很强的剩余极化。沿着压电陶瓷极化方向加力时，其极化强度发生变化，引起垂直于极化方向的平面上电荷的变化，这种变化的大小与压电陶瓷的压电系数和作用力的大小成正比。

30、试述电容式传感器的特点和关键问题。

答案：电容式传感器具有高阻抗、小功率、动态范围较大、动态响应较快、几乎没有零漂、结构简单和适应性强等特点。

电容式传感器的关键问题是分布电容的电容量与传感器电容量相比不仅不能忽视，而且影响还极其严重，其后果是造成传输效率降低、灵敏度下降、测量误差增加及稳定性变差。

31、解释下列磁敏传感器：

①、磁敏电阻与磁敏晶体管有哪些不同？

②、磁敏晶体管与普通晶体管的不同之处是什么？

③、磁敏电阻与霍尔元件属同一类磁电转换元件，在本质上有什么不同？

答案：①磁敏晶体管有放大作用；

②普通晶体管无磁灵敏度；

③磁敏电阻不能区别磁极性。

32、在用光开关检测物体的系统中，指出输出电压的大小。

答案：光进入受光器输出电压为0V，光不进入，输出6V。

33、由光电二极管二维阵列组成面型传感器进行图像检测，对图像的分辨率由光电二极管的

个数决定，试说明理由。

答案：面型传感器由许多销的单元构成二维平面，其中每一个小单元都是一个光电二极管，称为像素。用面型传感器测量物体的形状所得的图像的分辨率最高只能是一个像素。如果所测得图像长为l ，对应N个像素，分辨率为l/N。假设N为200，则分辨率最高只能使1/200。

34、高温加热的钢板为红色，当温度继续升高时变为白色，试说明原因。

答案：与温度相对应，物体放射出具有一定波长分布的光，高温时，所有波长的能量增大，波长分布的峰值向短波长方向移动。对应于黑体的波长分布可由普朗克分布规则求得。1000。C的钢板，波长分布的峰值在近红外区域，发出的光波长在0.6μm以上，属于可视光的红光区域，因此看到的光呈现红色。温度升高使得波长分布的峰值向短波方向移动。可视光的短波成分增加，可视光所有波长成分混合使钢板颜色接近白色。

35、已知某压力传感器的测定范围为0～10000Pa，输入特性表示为y=10(x-0.00007x2+2000)请问这种传感器能使用吗？

答案：dy/dx=1-0.00014x。微分值在x<7143Pa时为正，x>7143Pa时为负，故不能使用。

36、为了实现以下目的，试从低通、高通、带通和带阻滤波中选择最合适的一种：

除去麦克风中混入的广播电波信号；

从天线接收的电视波中仅选择第三频道；

除去混入所取出的脑电波信号中的电力线频率（频率为50Hz）干扰。

答案：（1）因为要除去高频成分，故选用低通滤波器。

（2）要消除第二通道以下和第三通道以上的频率成分，故选用带通滤波器。

（3）要消除特定成分的频率成分，故选用带阻滤波器。

37、直接测量方法有几种？它们的定义是什么？

答案：直接测量方法中有零位法、偏差法和微差法。

零位法是指被测量与已知标准量在比较仪器中进行比较，当指零机构平衡（指零）时，确定被测量就等于已知标准量。

偏差法是指用测量仪表的指针相对于表盘上刻度线的位移来直接表示被测量的大小。

微差法是零位法和偏差法的组合。先将被测量与一个已知标准量进行比较，当然该标准量尽量接近被测量，这相当于不彻底的零位法。不足部分，也就是被测量与已知标准量之差，再用偏差法测出。

38、传感器的静态特性的技术指标及其定义是什么？

答案

传感器静态特性技术指标有线性度、灵敏度、迟滞和重复性。

线性度：指实际输出—输入特性曲线和理论曲线两者之间的偏差与输出满度值之比。

灵敏度：指传感器在稳定标准条件下，输出变化量与与之相对应的输入变化量的比值。

迟滞：输入量增大行程期间和输入量减小行程期间，输出—输入特性曲线不重合的程度。重复性：输入量在同一方向〈增加或减少〉做全量程内连续重复测量，所得输出—输入特性曲线不一致的程度。

39、什么叫热电阻效应？金属热电阻效应的特点和形成的原因。

答案

物质的电阻率随温度变化而变化的物理现象叫热电阻效应。

金属热电阻效应的特点是其电阻- 温度特性曲线为正斜率。即金属材料的电阻率随温度的升高而增加。产生上述特点的原因是由于金属材料的载流子为自由电子，当温度在一定范围内升高时，虽然自由电子的总数基本保持不变，但是，每个自由电子的动能将增加，造成自由电子作定向运动的阻力增加，这就是形成金属热电阻效应的原因。

39、试述电容式传感器的工作原理与分类。

答案

以平板电容传感器为例，说明电容式传感器的工作原理与分类。平板电容器的电容量C=εS/d，由该式不难看出，当改变极板间隙d、极板间介电常数ε或两极板的重叠面积S时，都可以改变电容量C。因此，只要保持d 、S、ε中任何两个参量为定值，即可建立C与第三个参量的单一函数关系，测量C的变化，即可知道该参量的变化，这就是电容式传感器的工作原理。根据以上分析，电容式传感器可分为ε、S为定值的变隙式；S 、d为定值的变介电常数式和ε 、d为定值的变面积式。

40、电感式传感器测量电路的主要任务是什么？变压器电桥和带相敏整流的交流电桥谁能更好地完成这一任务？为什么？

答案

电感式传感器测量电路的主要任务是将传感器输出的电感量，转换成与此电感成一定关系的电信号（电压、电流、频率等），以使用电测仪表进行测试。

带相敏整流的交流电桥能更好地完成上述任务，因为该电桥不仅消除了零点残余电压，而且其基本特性既能反映位移的大小，又能反映位移的方向。

41、何谓零点残余电压？说明该电压的产生原因及消除方法。

答案

差动变压器在零位移时的输出电压称为零点残余电压，或称为零位输出电压，简称零位电压。对零点残余电压进行频谱分析，发现其频谱主要由基波和三次谐波组成。基波产生的原因主要是传感器两个次级绕组的电气参数与几何尺寸不对称，三次谐波产生的原因主要是磁性材料磁化曲线的非线性（磁饱和、磁滞）所造成的。

消除或减小零点残余电压的主要方法有：

(1) 尽可能保证传感器几何尺寸、线圈电气参数和磁路的相互对称，这是减小零点残余电压的最有效方法。

（2）传感器设置良好的磁屏蔽，必要时再设置静电屏蔽。

（3）将传感器磁回路工作区域设计在铁芯磁化曲线的线性段。

（4）采用外电路补偿。

（5）配用相敏检波测量电路。

42、什么叫电涡流效应？什么叫线圈——导体系统？

答案

块状金属导体置于变化着的磁场中，或在磁场中作切割磁力线运动时，导体内将产生呈涡旋状的感应电流，此电流叫电涡流，以上产生电涡流的现象称为电涡流效应。

电涡流式传感器的测试系统由电涡流式传感器和被测金属体两部分组成。该系统是一个电磁过程十分复杂、难以用基本方法建立数学模型的实际系统，因此，为便于对其工作原理和基本特性进行分析，往往将电涡流式传感器用传感器线圈代替（这是符合实际的），将被测金

属体等效成短路环（假设电涡流仅仅分布于该环内），构成上述系统的简化模型，简称线圈——导体系统。

43、石英晶体X 、Y 、Z 轴的名称及特点是什么？

答案

石英晶体的右旋直角坐标系中，Z 轴称光轴，该方向上没有压电效应；X 轴称电轴，垂直于X 轴的晶面上压电效应最显著。沿X 轴施加力时，在力作用下的两晶面上产生异性电荷称纵向压电效应；Y 轴称机械轴，沿Y 轴方向上的机械变形最显著。沿Y 轴施加力时，受力的两晶面上不产生电荷，而在沿X 轴加力的两个晶面上产生异性电荷称横向压电效应。

44、简述压电陶瓷的结构及其特性？

答案

压电陶瓷是人工制造的多晶体，具有电畴结构。电畴是分子自发形成的区域，有一定的极化方向。经过极化处理的压电陶瓷内部仍存在很强的剩余极化。沿着压电陶瓷极化方向加力时，其极化强度发生变化，引起垂直于极化方向的平面上电荷的变化，这种变化的大小与压电陶瓷的压电系数和作用力的大小成正比。

45、为什么霍尔元件不用金属制作，而用半导体，且用N型半导体制作？

答案

霍尔电势的大小与霍尔常数RH成正比，而霍尔常数与载流子的电阻率和迁移率成正比。金属因自由电子密度太大，迁移率太小，而且电阻率很低其霍尔常数太小而不适宜制作霍尔元件。半导体材料的载流子浓度相对地小很多，且电阻率较大，迁移率也较大，因而其霍尔常数大，加上N型半导体中电子迁移率高于P型半导体，所以霍尔元件都用N型半导体制作。

46、简述热电偶能够工作的两个条件是什么？

答案

热电偶两电极材料必须不同；两接点温度必须不同，这就是热电偶能够工作的两个条件。

四、简答题

1、粘贴到试件上的电阻应变片，环境温度变化会引起电阻的相对变化，产生虚假应变，这种现象称为温度效应，简述产生这种现象的原因。

答：

①环境温度变化时，由于敏感栅材料的电阻温度系数的存在，引起应变片电阻相对变化；

②环境温度变化时，敏感栅材料和试件材料的膨胀系数不同，应变片产生附加的拉长(或压

缩)，引起电阻的相对变化。

2、为什么高频工作时的电容式传感器连接电缆的长度不能任意变化？

答：

低频时容抗X C较大，传输线的等效电感L和电阻R可忽略。而高频时容抗X C减小，等效电感和电阻不可忽略，这时接在传感器输出端相当于一个串联谐振，有一个谐振频率f0存在，当工作频率f≈f0谐振频率时，串联谐振阻抗最小，电流最大，谐振对传感器的输出起破坏作用，使电路不能正常工作。通常工作频率10MHz以上就要考虑电缆线等效电感L0的影响。

3、何谓零点残余电压？说明该电压的产生原因及消除方法。

答:

差动变压器在零位移时的输出电压称为零点残余电压，或称为零位输出电压，简称零位电压。 对零点残余电压进行频谱分析，发现其频谱主要由基波和三次谐波组成。基波产生的原因主要是传感器两个次级绕组的电气参数与几何尺寸不对称，三次谐波产生的原因主要是磁性材料磁化曲线的非线性（磁饱和、磁滞）所造成的。 消除或减小零点残余电压的主要方法有：

(1) 尽可能保证传感器几何尺寸、线圈电气参数和磁路的相互对称，这是减小零点残余电压的最有效方法。

（2）传感器设置良好的磁屏蔽，必要时再设置静电屏蔽。 （3）将传感器磁回路工作区域设计在铁芯磁化曲线的线性段。 （4）采用外电路补偿。

（5）配用相敏检波测量电路。

4、简述霍尔电势产生的原理。 答：

一块半导体薄片置于磁感应强度为B 的磁场(磁场方向垂直于薄片)中，当有电流I 流过时，电子受到洛仑兹力作用而发生偏转。结果在半导体的后端面上电子有所积累。而前端面缺少电子，因此后端面带负电，前端面带正电，在前后端面形成电场，该电场产生的力阻止电子继续偏转当两力相平衡时，电子积累也平衡，这时在垂直于电流和磁场的方向上将产生电场，相应的电势称为霍尔电势U H 。

5．试说明压电式传感器中，压电片并联和串联后对测量的影响。 答：

压电元件能够方便地组合应用，起到提高电压输出灵敏度的作用，这是压电式传感器的一个特点。组合的基本方式有串联和并联。并联的特点是：输出电压相等，电容相加，总电荷量相加，因此输出的电荷量增加，适用于电荷输出场合。串联的特点是总电荷量不变，电压相加，电容减小，因此，电灵敏度提高，适用于电压输出场合。

6．设三种制造热电偶的材料A 、B 、C ，两两配对后的热电热分别为：EAB （T ，T0）、EBC （T ，T0）、EAC （T ，T0）。试证明：EAB （T ，T0）＝EAC （T ，T0）－EBC （T ，T0）。并说明这一公式的实践意义。 答：

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AC AC AC A C T E T T E T E T dT σσ=-+-?

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E T E T E T E T e N N N N kT E T E T e

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=-=-

7．简述莫尔条纹在光栅中的应用原理 答：

在两个玻璃或其透明材料上均匀刻线，线间距为W ，并且刻线相交一个θ角，就形成光栅尺，其中一个固定，一个可以移动。由于两组刻线有一个θ角，当活动光栅移动时就形成明暗交替的条纹，称为莫尔条纹。设莫尔条纹的间距为B ， B=W/θ，可见，当θ较小时，B 具有对W 放大的作用。

8、说明反射式光强度调制器输出电压与位移关系曲线图中AB 段和CD 段的物理意义。

发送光纤

接收光纤

光源光探测器

光纤探头

z

A

B

C

D

O

Z

U

答：

这是一种反射式光纤传感的原理图，它根据接收光纤接收到的光强度变化来确定被测量表面距离的变化。其中AB 段为前坡区，CD 段为后坡区，BC 段为光峰区。由于光纤有一定的数值孔径，当光纤探头紧贴被测表面时，发射光纤中的光不能反射到接收光纤中，接收光纤中无光信号。当被测表面逐渐远离光纤探头时，发射光纤照亮被测表面的面积越来越大，于是，相应的发射光锥和接收光锥生命面积越来越大，接收光纤中的光信号有一个增长的过程，形成AB 段的前坡区。当整个接收光纤全部被照亮时，输出信号达到最大，形成光BC 段的峰值。当被测表面继续远离光纤探头，发射光纤照亮的区域在于接收光纤的数值孔径，就有一部分光不能被接收探接收，也由于随着距离的增大，接收探头接收的光强减弱，这两方面的原因共同导致接收信号减弱。前峰区信号增加很快，适合于um 级的位移测量，后坡区大致与距离的平方反比，适合于较长距离，且精度要求不高的场合。 9、简要说明电容式传感器的原理。 答：

电容式传感能将被测量转换为传感器电容变化。传感器有动静两个板板，板板间的电容为：

00

r C A εεδ= ，式中：

ε0 真空介电常数:(8.854×10－12 F/m εr 介质的相对介电常数 δ 两极板间的距离有关 A 极板的有效面积 当动板板运动或极板间的介质变化就会引起传感器电容值的变化，从而构成变极距式、变面积式和变介质型的电容式传感器。

10、传感器的线性度是如何确定的？确定拟合直线有哪些方法？传感器的线性度

L γ表征了

什么含义？为什么不能笼统的说传感器的线性度是多少。 答：

1）实际传感器有非线性存在，线性度是将近似后的拟合直线与实际曲线进行比较，其中存

()0

0000(,)(,)()()(,)

T

AC BC AB AB A B T AB E T T E T T E T E T dT

E T T σσ-=-+-=?

在偏差，这个最大偏差称为传感器的非线性误差，即线性度，

2）选取拟合的方法很多，主要有：理论线性度(理论拟合)；端基线性度(端点连线拟合)；独立线性度(端点平移拟合)；最小二乘法线性度。 3）线性度

L 是表征实际特性与拟合直线不吻合的参数。

4）传感器的非线性误差是以一条理想直线作基准，即使是同一传感器基准不同时得出的线性度也不同，所以不能笼统地提出线性度, 当提出线性度的非线性误差时，必须说明所依据的基准直线。

1.传感器的作用

传感器实际上是一种功能块，其作用是将来自外界的各种信号转换成电信号。

传感器所检测的信号品种极其繁多。为了对各种各样的信号进行检测、控制，就必须获得尽量简单易于处理的信号，这样的要求只有电信号能够满足。电信号能较容易地进行放大、反馈、滤波、微分、存贮、远距离操作等。 2.传感器（Transducer 或Sensor ）定义：

“能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件组成”。传感器有时也叫换能器、变换器、变送器或探测器。从定义中可看出传感器有两个功能：既敏感和变换。

3. 传感器通常由敏感元件、转换元件二部分组成，有时也将测量电路及辅助电源作为传感器的组成部分。

4.传感器的输出—输入关系特性就是传感器的基本特性。 传感器的静态特性是指传感器在被测量处于稳定状态时（静态的输入信号）的输出—输入关系。

5衡量传感器静态特性的主要技术指标是：线性度、灵敏度、精确度、迟滞、重复性和分辨率等。

6线性误差(Linearity Error) 线性误差是指在规定条件下（利用一定等级的校准设备，对传感器进行反复循环测试）得出输出--输入特性曲线与拟合直线(fitting straight line)间最大偏差与满量程F ·S —full span ）输出值的百分比称为线性误差

7灵敏度是指传感器在稳态下输出变化量（增量）与输入变化量（增量）的比值，即 K=输出变化量/输入变化量=ΔY/ΔX

灵敏度越高，系统反映输入微小变化的能力就越强。在电子测量中，灵敏度越高往往容易引入噪声并影响系统的稳定性及测量范围，在同等输出范围的情况下，灵敏度越大测量范围越小，反之则越大。

8. 分辨力是指传感器可能感受到的被测量的最小变化的能力

9，是指在一定时间间隔内，传感器的输出存在着与被测量无关的、不需要的变化。漂移包括零点漂移和灵敏度漂移。

10.准确度指测量仪器给出的示值和真值的接近程度。

11传感器的动态特性是指传感器在测量动态信号时，输出对输入的响应特性

12传感器的发展趋势1）开发新型传感器2）开发新材料 3）新工艺的采用4）集成化、多功能化5）智能化 第二章 光电式传感器

1.将光量转换为电量的器件称为光电传感器或光电元件。光电式传感器的工作原理是：首先把被测量的变化转换成光信号的变化，然后通过光电转换元件变换成电信号。

光电检测方法具有精度高、反应快、非接触等优点，而且可测参数多，传感器的结构简单，形式灵活多样，因此在检测和控制领域内得到广泛应用。

光电传感器的工作基础是光电效应。

2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在光线作用下，物体的导电性能发生变化或产生光生电动势的效应称为内光电效应

3. 光敏二极管的基本特性包括光谱特性、伏安特性、光照特性、温度特性好响应特性。

光敏管的光谱特性是指在一定照度时，输出的光电流（或用相对灵敏度表示）与入射光波长的关系

伏安特性指在一定照度下的电流电压特性。当光照时，反向电流随着光照强度的增大而增大，在不同的照度下，伏安特性曲线几乎平行，所以只要没达到饱和值，它的输出实际上不受偏压大小的影响。

光照特性近于线性，即输出电流随光照线性增加。说明光敏二极管适合作检测元件

4. 2. 光敏电阻的主要参数

光敏电阻的主要参数有：(1) 暗电阻光敏电阻在不受光照射时的阻值称为暗电阻，此时流过的电流称为暗电流。(2) 亮电流光敏电阻在受光照射时的电阻称为亮电阻，此时流过的电流称为亮电流。(3) 光电流亮电流与暗电流之差称为光电流。

5光敏电阻的基本特性(1) 伏安特性在一定照度下，流过光敏电阻的电流与光敏电阻两端的电压的关系称为光敏电阻的伏安特性（2）光照特性光敏电阻的光照特性是描述光电流I和光照强度（光通量）之间的关系，不同材料的光照特性是不同的，绝大多数光敏电阻光照特性是非线性的。故光敏电阻不宜作定量检测元件，而常在自动控制中作光电开关。

(3) 光谱特性频率特性实验证明，光敏电阻的光电流不能随着光强改变而立刻变化，即光敏电阻产生的光电流有一定的惰性，这种惰性通常用时间常数表示6光敏电阻具有光谱特性好、允许的光电流大、灵敏度高、使用寿命长、体积小等优点，所以应用广泛。此外许多光敏电阻对红外线敏感，适宜于红外线光谱区工作。光敏电阻的缺点是型号相同的光敏电阻参数参差不齐，并且由于光照特性的非线性，不适宜于测量要求线性的场合，常用作开关式光电信号的传感元件。

7光电池是一种直接将光能转换为电能的光电器件。光电池在有光线作用时实质就是电源光电池的工作原理是基于“光生伏特效应

用光电池作为测量元件时，应把它当作电流源的形式来使用，不宜用作电压源。

开路电压随温度升高而下降的速度较快，而短路电流随温度升高而缓慢增加。由于温度

对光电池的工作有很大影响，因此把它作为测量元件使用时，最好能保证温度恒定或采取温度补偿措施。

8光电池应用（1）将光电池作光伏器件使用，利用光伏作用直接将大阳能转换成电能，即太阳能电池。（2）将光电池作光电转换器件应用，需要光电池具有灵敏度高、响应时间短等特性，但不必需要像太阳电池那样的光电转换效率

9 利用物质在光照射下发射电子的外光电效应而制成的光电器件，一般都是真空的或充气的光电器件，如光电管和光电倍增管。

光电器件的性能主要由伏安特性、光照特性、光谱特性、响应时间、峰值探测率和温度特性来描述

10光电倍增管（PMT）是光子技术器件中的一个重要产品，它是一种具有极高灵敏度和超快时间响应的光探测器件。可广泛应用于光子计数、极微弱光探测、化学发光、生物发光研究、极低能量射线探测、分光光度计、旋光仪、色度计、照度计、尘埃计、浊度计、光密度计、热释光量仪、辐射量热计、扫描电镜、生化分析仪等仪器设备中。

11 电荷耦合器件(CCD)

它以电荷作为信号, 基本功能是进行光电转换电荷的存储和电荷的转移输出。

广泛应用于自动控制和自动测量, 尤其适用于图像识别技术。

12.光纤的结构基本采用石英玻璃，主要由三部分组成中心——纤芯(5-75μm)；外层——包层；护套——尼龙料，光导纤维的导光能力取决于纤芯和包层的性质

光纤的传光原理1)斯乃尔定理（Snell's Law）

当光由光密物质(折射率大)入射至光疏物质时发生折射，如图(a)，其折射角大于入射角，即n1＞n2时，θr＞θi n1sinθi=n2sinθr

13光纤的数值孔径大小与几何尺寸无关，与纤芯—包层相对折射率有关

NA表示光纤的集光能力，无论光源的发射功率有多大，只要在2θi张角之内的入射光才能被光纤接收、传播。若入射角超出这一范围，光线会进入包层漏光。

一般NA越大集光能力越强，光纤与光源间耦合会更容易

光纤按照传输模式分为：

（1）单模光纤：纤芯直径很小，接受角小，传输模式很少。这类光纤传输性能好，频带宽，具有很好的线性和灵敏度，但制造困难。

（2）多模光纤：纤芯尺寸较大，传输模式多，容易制造，但性能较差，带宽较窄。