2022年南昌大学传感器复习总结.docx

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1、精选学习资料 - - - - - - - - - 1. 测量系统的静态特性指标主要有线性度、迟滞、重复性、辨论率、稳固性、温度稳固性、各种抗干扰才能；（2 分）2. 霍尔元件灵敏度的物理意义是 表示在单位磁感应强度下单位控制电流时的霍尔电势的大小；（2 分）3. 光电传感器的理论基础是光电效应；通常把光线照耀到物体表面后产生的光电效应分为三类； 第一类是利用在光线作用下 光电子逸出物体表面的外光电 效应 ,这类元件有 光电管、光电倍增管；其次类是利 用 在 光 线 作 用 下 使 材 料 内 部 电 阻 率 改 变 的 内 光 电效应,这类元件有 光敏电阻 ；第三类是利用在光线作用下 使物体内

2、部产生肯定方向电动势的光生伏特 4.热电偶所产生的热电动势是效应,这类元件有 光电池、光电外表 ；两种导体的接触 电动势和 单一导体的温 差 电 动 势 组 成 的 , 其 表 达 式 为 Eab （ T , To ）= k T T 0 ln N A TT 0 A B d T；在热电偶温度补偿中补偿导线法 （即冷e N B端延长线法） 是在连接导线 和热电偶 之间,接入延长线 ,它的作用是将热电偶的参考端移至离热源较远并且环境温度较稳固的地方,以减小冷端温度变化的影响；5.压磁式传感器的工作原理是：某些铁磁物质在外界机械力作用下,其内部产生气械压力, 从而引起 极化现象 ,这种现象称为 正压电

3、效应 ；相反,某些铁磁物质在外界磁场的作用下会产生 称为负压电效应 ；机械变形 ,这种现象6. 变气隙式自感传感器,当街铁移动靠近铁心时,铁心上的线圈电名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页,共 14 页精选学习资料 - - - - - - - - - 感量（ 增加）8. 电容传感器的输入被测量与输出被测量间的关系,除（变极距型 ）外是线性的；（2 分）四、下面是热电阻测量电路,试说明电路工作原理答：该热电阻测量温度电路由热敏电阻、测量电阻和显示外表组成；图中 G 为指示外表, R1、R2、R3为固定电阻, Ra 为零位调剂电阻；热电阻都通过电阻分别为 r2、r3、Rg的三个导线和

4、电桥连接,r2 和 r3分别接在相邻的两臂,当温度变化时,只要它们的 Rg分别接在指示外表和电源的回路中, 其电阻变化也不会影响电桥的平稳状态,电桥在零位调整时,应使 R4=Ra+Rt0 为电阻在参考温度（如 0 C）时的电阻值；三线连接法的缺点之一是可调电阻的接触电阻和电桥臂的电阻相连,可能导致电桥的零点不稳；一、挑选与填空题：（30 分）名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页,共 14 页精选学习资料 - - - - - - - - - 1. 变面积式自感传感器,当衔铁移动使磁路中空气缝隙的面积 增大时,铁心上线圈的电感量（增大）；2. 在平行极板电容传感器的输入被测量与输出电

5、容值之间的关 系中,（变面积型 ）是线性的关系；3. 在变压器式传感器中,一次侧和二次侧互感 M 的大小与一次 侧线圈的匝数成（ 反比）,与二次侧线圈的匝数成（ 正比）,与回路中 磁阻成（ 不成比例 ）；4. 传感器是 能感受规定的被测量并依据肯定规律转换成可用输出信号的器件或装置,传感器通常由直接响应于被测量的敏锐元件和产生可用信号输出的 转换元件 以及相应的 信号调剂转换电路 组成；5. 热 电偶所产生的热电动势是 体的温差 电动势组成；由两种导体的接触 电动势和 单一导6. 偏差式测量是指在 测量过程中,用仪器表指针的位移（即偏差）来打算被测量 的方法；零位测量是指 在测量过程中, 用指

6、零外表的零位指示, 检测测量系统的平稳状态；在测量系统达到平稳时,用已知的基准量打算被测未知量 的方法；微差式测量是 综合了偏差式测量法与零位式测量法的优点而提出 的方法；二、简答题1. 简述霍尔电动势产生的原理； （6 分）答：一块长为l、宽为 d 的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,在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势 Uh；这种现象称为霍尔效应, 这也是霍尔电动势产生的原理；2. 简述热电偶的工作原理； （6 分）答：热电偶的测温原理基于物理的“ 热电效应”；所谓热电效应,就是当不同材料的导体组成一个闭合回路时,如两个结点的温度不同,那么

7、在回路 中将会产生电动势的现象；两点间的温差越大,产生的电动势就越大；引入适当的测量电路测量电动势的大小,就可测得温度的大小；名师归纳总结 3. 以石英晶体为例简述压电效应产生的原理；（6 分）第 3 页,共 14 页答：石英晶体在沿肯定的方向受到外力的作用变形时,由于内部- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 电极化现象同时在两个表面上产生符号相反的电荷,当外力去掉后,复原到不带电的状态；而当作用力方向转变时,电荷的极性随着转变； 晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比；这种现象称为正压电效应；反之,如对石英晶体施加肯定变电场,晶体本身将产生气械变形,外

8、电场撤离,变形也随之消逝,称为逆压电效应；石英晶体整个晶体是中性的,受外力作用而变形时, 没有体积变形压电效应,但它具有良好的厚度变形和长度变形压电效应；4. 简述电阻应变片式传感器的工作原理（6 分）答：电阻应变片的工作原理是基于电阻应变效应,即在导体产生气械变形 时,它的电阻值相应发生变化；5. 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讨论静 态特性就能够满意通常的需要,而在什么频域条件下一般要讨论传感器的 动态特性；（10 分）答：传感器的动态特性是指当输入量随时间变化时传感器的输入 输出特 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；在时域条件下只讨论

9、静态特性就能够满意通常的需要,而在频域条件下一 般要讨论传感器的动态特性；6. 绘图并说明在使用传感器进行测量时,相对真值、测量值、测量误差、传感器输入、输出特性的概念以及它们之间的关系；（10 分）答：框图如下：输入测量值相对真值输出测量误差测量值是直接或间接通过外表测量出来的数值；测量误差是指测量值与被测量的真实值之间的差值；当测量误差很小时,可以忽视,此时测量值可称为相对真值；名师归纳总结 7. 如下列图,Rt 是 Pt100铂电阻,分析下图所示热电阻测量温度电路的工第 4 页,共 14 页作原理,以及三线制测量电路的温度补偿作用；（6 分）- - - - - - -精选学习资料 - -

10、 - - - - - - - 答：该热电阻测量温度电路由热敏电阻、测量电阻和显示外表组成；图中 G 为指示外表, R1、R2、R3 为固定电阻, Ra 为零位调剂电阻；热电阻都通 过电阻分别为 r2、r3、Rg的三个导线和电桥连接,r2和 r3 分别接在相邻的两臂,当温度变化时,只要它们的 Rg分别接在指示外表和电源的回路中,其电阻变化 也不会影响电桥的平稳状态, 电桥在零位调整时, 应使 R4=Ra+Rt0 为电阻在参考 温度（如 0 C）时的电阻值； 三线连接法的缺点之一是可调电阻的接触电阻和电 桥臂的电阻相连,可能导致电桥的零点不稳；三、分析运算题1. 分析（线性）电位器式传感器由于测量

11、线的线路中的负载电阻 RL 带来的负载误差,并运算它与位移Uo=U （RL/Rx ）/（RL/Rx ）+（ Rmax-Rx ）=RL*Rx*U/RL*Rx+Rmax-Rx*RL+Rx x 之间的关系；（10 分）名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页,共 14 页精选学习资料 - - - - - - - - - =RL*Rx*U/ （Rmax*Rx+Rmax*RL-Rx*Rx）=RL*Rx*U/Rmax2） /（Rx/Rmax+RL/Rmax-Rx2/Rmax2）=RL*U/Rmax ） *（X/L/ （X/L-X2/L2+RL/Rmax）当 RL= 无穷大时,Uo=U/Rmax*

12、X/L 误差 E=RL*U/Rmax）*（ X/L/ （X/L-X2/L2+RL/Rmax）-U/Rmax*X/L =U/Rmax*X/LRL/（X/L-X2/L2+RL/Rmax） 二、下图所示电路是电阻应变仪中所用的不平稳电桥的简化电路,图中 R2=R3=R是固定电阻, R1 与 R4 是电阻应变片,工作时R1 受拉, R4 受压, R=0,桥路处于平稳状态,当应变片受力发生应变时,桥路失去平稳,这时,就用桥路输出电压 Ucd 表示应变片变后电阻值的变化量；试证明：c 分）R1RRa R2d R1b Ucd证明：R4R3R4RR E Ucd=-（E/2 ） R/ R ；（10UcdUcbU

13、dbRRRERRRE42RR2ERRR2R略去ERR的二次项 , 即可得Ucd2R三、什么叫做热电动势、 接触电动势和温差电动势？说明热电偶测温原理及其工作定律的应用；分析热电偶测温的误差因素,并说明减小误差的方法；（10 分）答：热电动势：两种不同材料的导体（或半导体）A、B 串接成一个闭合回路,并使两个结点处于不同的温度下,那么回路中就会存在热电动势； 因而有电流产生相应的热电动势称为温差电动势或塞贝克电动势,通称热电动势；接触电动势：接触电动势是由两种不同导体的自由电子,其密度不同而 在接触处形成的热电动势； 它的大小取决于两导体的性质及接触点的温度,而与导体的外形和尺寸无关；温差电动势

14、：是在同一根导体中,由于两端温度不同而产生的一种电动势；热电偶测温原理： 热电偶的测温原理基于物理的“ 热电效应” ；所谓热电名师归纳总结 效应,就是当不同材料的导体组成一个闭合回路时,如两个结点的温度不同, 那第 6 页,共 14 页- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 么在回路中将会产生电动势的现象；两点间的温差越大,产生的电动势就越大；引入适当的测量电路测量电动势的大小,就可测得温度的大小；热电偶三定律a中间导体定律 热电偶测温时, 如在回路中插入中间导体, 只要中间导体两端的温度相同,就对热电偶回路总的热电动势不产生影响；一起等均可看成中间导体；b

15、 中间温度定律在用热电偶测温时, 连接导线及显示任何两种匀称材料组成的热电偶,热端为 T,冷端为 T 时的热电动势等于该热电偶热端为 T 冷端为 T 时的热电动势与同一热电偶热端为 T ,冷端为 T 时热电势的代数和；应用：对热电偶冷端不为00C时,可用中间温度定律加以修正；热电偶的长度不够时,可依据中间温度定律选用适当的补偿线路；c 参考电极定律 假如 A、B 两种导体（热电极）分别与第三种导体C（参考电极）组成的热电偶在结点温度为（T,T ）时分别为EACT,T 0,EBCT,T 0,那么爱相同温度下,又 A、B 两热电极配对后的热电动势为E ABT,T 0EACT,T 0E BCT,T

16、0有用价值：可大大简化热电偶的选配工作；在实际工作中,只要获得有关热电极与标准铂电极配对的热电动势,那么由这两种热电极配对组成热电偶的热电动势便可由上式求得,而不需逐个进行测定；误差因素：参考端温度受四周环境的影响；措施： a 0恒温法 b 运算修正法（冷端温度修正法）c 外表机械零点调整法 d 热电偶补偿法 e 电桥补偿法f 冷端延长线法四、霍尔元件能够测量哪些物理参数？霍尔元件的不等位电动势的概念是什么？温度补偿的方法有哪几种？请具体推导分流法；（10 分）答：霍尔组件可测量磁场、电流、位移、压力、振动、转速等；霍尔组件的不等位电动势是霍尔组件在额定掌握电流作用下,在无外加磁场 时,两输出

17、电极之间的空载电动势,可用输出的电压表示；温度补偿方法：a 分流电阻法：适用于恒流源供应掌握电流的情形；b 电桥补偿法；名师归纳总结 2. 电阻应变片式传感器按制造材料可分为 _金属_ 材料第 7 页,共 14 页- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 和_半导体 _体材料；它们在受到外力作用时电阻发生变化,其中的电阻变化主要是由 _ 电阻应变效应 _ 形成的,而的电阻变化主要是由材料传感器的灵敏度较大所造成的；3. 在变压器式传感器中,一次侧和二次侧互感 M的大小与 绕组匝数 成正比,与 穿过线圈的磁通 _成正比,与磁回路中磁阻_ 成反比；5. 光电传感器

18、的工作原理是基于物质的光电效应,目前所利用的光电效应大致有三大类： 第一类是利用在光线作用下 _ 材料中电子溢出表面的 _现象,即 外光电 效应, _光电管以及光电倍增管_ 传感器属于这一类；其次类是利用在光线作用下 材料电阻率发生转变的 _ 现象,即 内光电效应；光敏电阻 传感器属于这一类； 第三类是利用在光线作用下 光势垒 现象,即 _ 光生伏特 _ 效应,光敏二极管及光敏三极管 _ 传感器属于这一类；6. 热电偶所产生的热电动势是由两种导体的接触电动势和单一导 体 的 温 差 电 动 势 组 成 的 , 其 表 达 式 为 Eab （ T,To ）= k T T 0 ln N A TT

19、0 A B d T；在热电偶温度补偿中, 补偿导线法 （即e N B冷端延长线法） 是在连接导线和热电偶之间, 接入延长线它的作用是将热电偶的参考端移至离热源较远并且环境温度较稳固 的地方,以减小冷端温度变化的影响；2. 简述霍尔电动势产生的原理； （5 分）答：一块半导体薄片置于磁感应强度为B 的磁场 磁场方向垂直名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页,共 14 页精选学习资料 - - - - - - - - - 于薄片 中,当有电流 I 流过时,电子受到洛伦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存；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

20、电场,该电场产生的力阻挡电子连续偏转当两力相平稳时,电子积存也平稳, 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动势 UH；3. 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； （10 分）答：在外界温度变化的条件下, 由于敏锐栅温度系数 t 及栅丝与试件 s）之差异性而产生虚假应变,输出有时会产生与真 膨胀系数（g与实应变同数量级的误差；2.光电传感器的工作原理是基于物质的光电效应,目前所利用的光电 效应大致有三大类： 第一类是利用在光线作用下光电子逸出物体表面 的外光电效应,这类器件有光电管、光电倍增管等；其次类是利用在光线作用下使材料内

21、部电阻率转变的内光电效应,这类器件有光敏电阻等；第三类是利用在光线作用下使物体内部产生肯定方向电动势的 光生伏特效应,这类器件有光电池、光电外表；（6 分）3.电位器或电阻传感器按特性不同,可分为线性电位器和非线性电位名师归纳总结 器；线性电位器的抱负空载特性曲线具有严格的线性关系；假定电位第 9 页,共 14 页器全长为Xmax,其总电阻为Rmax,它的滑臂间的阻值可以用Rx=XXRmax来运算；假定加在电位器A、B 之间的电压为 Umax,max就输出电压为 Ux=XXVmax；其电阻灵敏度 RI=2bh；电压灵maxAt- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - -

22、- - 敏度 RU=I2bh ；（7 分）At4.压磁式传感器的工作原理是：某些铁磁物质在外界机械力作用下,其内部产生气械应力, 从而引起极化现象, 这种现象称为正压电效应；相反,某些铁磁物质在外界磁场的作用下会产生气械变形,这种现象称为负压电效应；（6 分）5.磁电式传感器是利用导体和磁场发生相对运动而在导体两端产生感应电势的；而霍尔式传感器为霍尔元件在磁场中有电磁效应（霍尔效应）而输出电势的；霍尔式传感器可用来测量电流,磁场,位移,压力；（6 分）7.光栅传感器中莫尔条纹的一个重要特性是具有位移放大作用；假如两个光栅距相等,即W=0.02mm,其夹角 =0.1 ,就莫尔条纹的宽度 B=11

23、.43 莫尔条纹的放大倍数 K= 573.2；（6 分）8. 测量系统的静态特性指标通常用输入量与输出量的对应关系来表征；（5 分）1. 光纤传感器的工作原理； （4 分）答：光导纤维工作的基础是光的全内反射,当射入的光线的入射角大于纤维包层间的临界角时, 就会在光纤的接口上产生全内反射,并在光纤内部以后的角度反复逐次反射,直至传递到另一端面；光纤传感器利用光导纤维, 按其工作原理来分有功能型 （或称物性型、传感型）与非功能型（或称结构型、传光型）两大类；功能型光纤传感器其光纤不仅作为光传播的的波导,而且具有测量的功能； 非功能名师归纳总结 型光纤传感器其光纤只是作为传光的媒介,仍需加上其他敏

24、锐元件才第 10 页,共 14 页- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 能组成传感器；4. 简述电阻应变片式传感器的工作原理； （4 分）答：电阻应变片的工作原理是基于电阻应变效应,变形时,它的电阻值相应发生变化；一、简答题（ 30 分,6 分/题）即在导体产生气械1. 传感器的定义和组成框图 .画出自动掌握系统原理框图并指明传感器在系统中的位置和作用；答：传感器是能感受规定的被测量并依据肯定规律转换成可用输出信号的器件或装置传感器；通常由直接响应于被测量的敏锐元件和产生可用信号输出的转换元件以及相应的 路组成；信号调剂转换电传感器处于讨论对象与测试系统的

25、接口位置,即检测与掌握之首；传感器是感知、猎取与检测信息的窗口,一切科学讨论与自动化生产过程要猎取的信息都要通过传感器猎取并通过它转换成简洁传输与处理的电信号,其作用与位置特殊重要；3. 直流电桥和沟通电桥有何区分？直流电桥的平稳条件是什么？应变片式 电阻传感器、自感式、互感式、涡流式、电容式、热电阻式传感器分别可采 用哪种电桥作为测量电路？答：依据电源不同分为直流和沟通电桥；直流电桥优点：高稳固度直流电源 简洁获得,电桥平稳电路简洁,传感器至测量外表的连接导线分布参数影响 小；但是后续要采纳直流放大器,简洁产生零点漂移,线路也较复杂；沟通电桥在这些方面都有改进；直流电桥平稳条件：R1/R2=

26、R3/R4 ,R1R4=R2R3；4. 光电效应可分为哪三种类型, 简洁说明其原理并分别列出以之为基础的光 电传感器；答：当用光照耀物体时,物体受到一连串具有能量的光子的轰击,于是物体 材料中的电子吸取光子能量而发生相应的电效应（如电阻率变化、发射电子 或产生电动势等）；这种现象称为光电效应；光电传感器的工作原理是基于名师归纳总结 - - - - - - -第 11 页,共 14 页精选学习资料 - - - - - - - - - 物质的光电效应,目前所利用的光电效应大致有三大类：第一类是利用在光 线作用下材料中电子溢出表面的现象,即外光电效应,光电管以及光电倍增 管传感器属于这一类； 其次类

27、是利用在光线作用下材料电阻率发生转变的现 象,即内光电效应；光敏电阻传感器属于这一类；第三类是利用在光线作用 下光势垒现象,即光生伏特效应,光敏二极管及光敏三极管传感器均属于这 一类；二、分析 /证明题（ 32 分,8 分/题）1. 压电式传感器更适用于静态测量,此观点是否正确,分析缘由；答：不正确；其工作原理是基于压电材料的压电效应,具有使用频率宽,灵敏度 高、信噪比高、结构简洁、工作牢靠、测量范畴广等优点,因此在压力冲击和震动等动态参数测试中是主要的传感器品种,湿度等很多非电量转换为电量；它可以把加速度、 位移、压力、温度、4. 为什么要对应变片式电阻传感器进行温度补偿,度误差补偿方法；分

28、析说明该类型传感器温答：在外界温度变化的条件下,由于敏锐栅温度系数t及栅丝与试件膨胀系数（g与s）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；方法：自补偿法 线路补偿法；4. 光电池的工作原理,指出它应工作在电流源仍是电压源状态；答：光电池是基于光生伏特效应制成的,是自发电式；是有源器件；它有较大面 积的 P N 结,当光照耀在 P N 结上时就在结的两端显现电动势；它应工作在 电压源状态；5. 依据传感型 （功能型） 和传输型光纤传感器的特点应当选用哪种光纤 模/多模）,为什么？（单答：功能型 或称物性型、传感型光纤不仅作为光传播的波导而且具有测量的功能；它可以利用外界物理

29、因素转变光纤中光的强度、相位、 偏振态或波长, 从而对外界因素进行测量和数据传输；可分为振幅调制型、相位调制型及偏振态调制型；多模单模皆可非功能型 或称结构型、传光型 组成传感器；多模； 其光纤只是作为传光的媒介,仍需加上其他敏锐元件才能一、简答题（ 30 分, 6 分/题）1. 传感器的定义和组成框图？画出自动掌握系统原理框图并指明传感器在系统中的位置和作用；答：传感器是能感受规定的被测量并依据肯定规律转换成可用输出信号的器件或装置,通常由敏锐元件和转换元件组成；名师归纳总结 - - - - - - -第 12 页,共 14 页精选学习资料 - - - - - - - - - 被测量敏锐元件

30、传感元件信号调剂转换电路帮助电源2. 试列出你所学过的不同工作原理传感器哪些可用于非接触式测量,哪些用于接触式测量,测量何种物理量？（各大于3 种）答：非接触式测量：a 热电式传感器：测量温度 b 光纤传感器：测量光信号 c 核辐射传感器：测量核辐射粒子 接触式测量：a 电位器式压力传感器：测量压力 b 应变片式电阻传感器：测量电阻值 c 应变式扭矩传感器：测量扭矩 4. 光电效应可分为哪三种类型, 简洁说明传感器的原理并分别列出以之为基 础的光电传感器；答：光电效应可分为：a外光电效应：指在光的照耀下,材料中的电子逸出表面的现象；光 电管及光电倍增管均属这一类；它们的光电发射极,即光明极就是

31、用具有这种特性的材料制造的；b c内光电效应：指在光的照耀下,材料的电阻率发生转变的现象；光 敏电阻即属此类；光生伏特效应：利用光势垒效应,光势垒效应指在光的照耀下,物体内部产生肯定方向的电动势；光电池是基于光生伏特效应制成的,是自发电式有源器件；1压电式传感器的前置放大器的作用是什么？电压式与电荷式前置放大器各 有何特点？答：作用是将输出电压放大,并与输入电压或输入电流成正比；电压放大器将压电式传感器的高输出阻抗经放大器变换为低阻抗输 出,并将柔弱的电压信号进行适当放大,但其所接配的压电式传感器的 电压灵敏度将随电缆分布电容及传感器自身电容的变化而变化,而且电 缆的的更换得引起重新标定的麻烦

32、；电荷放大器是一种具有深度电容负反馈的高增益运算放大器,其虽 然答应使用很长的电缆, 并且电容 Ce 变化不影响灵敏度,但它比电压放 大器价格高,电路较复杂,调整也比较困难；二、什么是金属应变片的灵敏系数？请说明它与金属丝灵敏系数的区分；答： 应变片一般做成丝栅状,测量应变时,将应变片贴在试件表面上,试 件的变形很简洁传到应变片上； 金属应变片的灵敏系数与金属丝灵敏系数是不同名师归纳总结 - - - - - - -第 13 页,共 14 页精选学习资料 - - - - - - - - - 的；第一,零件的变形是通过剪力传到金属丝上的；其次,丝沿长度方向承担应变时,应变片弯角部分也承担应变,其截面积变大, 就应变片直线部分电阻增加时,弯角部分的电阻值削减,也使变化的灵敏度下降；因此,应变片的灵敏系数 比金属丝灵敏系数低；名师归纳总结 - - - - - - -第 14 页,共 14 页