传感器原理及应用复习中学教育中考中学教育中学课件.pdf

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1、一 简答题（40 分）1.传感器的基本概念及基本功能 传感器就是借助于检测元件（敏感元件）接受一定形式的信息，并按一定的规律将它转换成另一种信息的 装置。它获取的信息，可以是各种物理量、化学量和生物量，而转化后的信息也有各种形式。目前，将传 感器接收到的信息转化为电信号是最常用的一种形式（电信号包括电压，电流及频率信号）基本功能：信息收集，信号数据的转换 2.传感器的基本组成并说岀每部分的功能 传感器通常是由敏感元件，转换元件和调节转换电路三部分组成 其中敏感元件是指传感器中能够直接感受或响应被测量的部分；转换元件是指传感器中能够将敏感元件感 受或响应的被测量转换成电信号的部分；调节转换电路是

2、指将非适合电量进一步转换成适合电量的部分。3.传感器的发展趋势 1新特性（努力实现传感器的新特性）2可靠性（确保传感器的可靠性，延长其使用寿命）3集成智能（体感传感器的集成化和智能化程度）4微型（传感器微型化）5仿生（发展仿生物传感器）6 新材料（新型功能材料开发）7 多融合（多传感器信息融合）4.按被测量的不同传感器可以分为哪几类 1 按感知外界信息基本效应不同分为物理传感器，化学传感器，和生物传感器等 2 按被测量不同分为力学量/热量/液体成分/气体成分/真空/光/磁/离子/放射线传感器等 2 按敏感材料不同分为金属/半导体/光纤/陶瓷/高分子材料/复合材料传感器等 3 按工作原理不同分为

3、应变式/电感式/电容式/压电式/磁电式/光电式/热电式/气敏/湿敏传感器等 5.传感器的特性及其概念 6.传感器的静态特性包括那几个重要指标 传感器的特性是指传感器的输入量和输出量之间的对应关系。通常分为 静态特性：输入不随时间变化而变化的特性（重要指标包括线性度、灵敏度、重复性、迟滞、零点漂移、温度漂移等）动态特性：输入随时间变化而变化的特性（可从时域和频率方面即对应阶跃响应法和频率响应法方面分 析）7.电感式传感器的概念及每类传感器的基本概念 1 应变式传感器：基于电阻应变片的应变效应（对半导体应变片而言为压阻效应）。2 电感式传感器：基于电磁感应原理，利用磁路磁阻变化引起传感器线圈的电感

4、（自感系数或互感系数）变化来检测非电量的一种机电转换装置。常见有自感式，互感式，涡流式等。3 电容式传感器：可以把某些非电量的变化通过一个可变电容器转换成电容量变化的装置。常见有变极 距型，变面积型，变介质型。4 压电式传感器：基于压电材料受力作用而变形时，其表面会有电荷产生，从而实现非电量测量原理。压电式传感器是典型的有源传感器，常见有单向力，双向力，三向力。5 磁电式传感器：利用电磁感应原理将运动速度转换成感应电动势输出的传感器。又称感应式或电动式 传感器。常见有磁电感应式，霍尔式，磁敏电阻，慈磁敏二极管，磁敏晶体管。6 光电式传感器：利用光电器件把光信号转换成电信号的装置。先将被测量的变

5、化转换成光量的变化，通过光电器件把光量的变化转化为相应的电量变化，实现非电量测量。常见有光敏电阻，光敏二极管，光 敏晶体管。律将它转换成另一种信息的装置它获取的信息可以是各种物理量化学量和生物量而转化后的信息也有各种形式目前将传感器接收到的信息转化为电信号是最常用的一种形式电信号包括电压电流及频率信号基本功能信息收集信号数据敏感元件是指传感器中能够直接感受或响应被测量的部分转换元件是指传感器中能够将敏感元件感受或响应的被测量转换成电信号的部分调节转换电路是指将非适合电量进一步转换成适合电量的部分传感器的发展趋势新特性努力实器微型化仿生发展仿生物传感器新材料新型功能材料开发多融合多传感器信息融合

6、按被测量的不同传感器可以分为哪几类按感知外界信息基本效应不同分为物理传感器化学传感器和生物传感器等按被测量不同分为力学量热量液体成7 热电式传感器：将温度变化转换为电量变化的装置，它利用敏感元件的特征参数随温度变化而变化的 特性来达到测量目的。常见有热电阻，热电偶，热敏元件。8 气敏传感器：用来测量气体的类别，浓度和成分的传感器。由“识别”和“放大”两部分非组成。常 见分为半导体气敏传感器和非半导体气敏传感器两类。9 湿敏传感器：用以感受大气湿度并转化为适当电信号的传感器。8.画图并说明电涡流传感器测转速的基本原理 在一个旋转金属体上加一个有 N 个齿的齿轮，旁边安装电涡流传感器，如下图所示，

7、当旋转体转动时，电涡流传感器将周期地改变输出信号，改输出信号的频率可由频率计测出，由此可计算出转速 9.根据电容量大小的公式说明电容式传感器的几种类型，并画出电容式传感器的等效电路 律将它转换成另一种信息的装置它获取的信息可以是各种物理量化学量和生物量而转化后的信息也有各种形式目前将传感器接收到的信息转化为电信号是最常用的一种形式电信号包括电压电流及频率信号基本功能信息收集信号数据敏感元件是指传感器中能够直接感受或响应被测量的部分转换元件是指传感器中能够将敏感元件感受或响应的被测量转换成电信号的部分调节转换电路是指将非适合电量进一步转换成适合电量的部分传感器的发展趋势新特性努力实器微型化仿生发

8、展仿生物传感器新材料新型功能材料开发多融合多传感器信息融合按被测量的不同传感器可以分为哪几类按感知外界信息基本效应不同分为物理传感器化学传感器和生物传感器等按被测量不同分为力学量热量液体成A 12 电容式传感器的电容量为 C，其中 0，0 8.85 10 12F/m,为真空介电常数；为极板间介质相对介电常数；A为两平行板所覆盖的面积；d为两平行板间的距离。据此原理，故可将电容 式传感器分为变极距型，变面积型，变介质型。其等效电路如图所示。A B 其中Rs代表引线电阻、电容支架和极板间的电阻（其值随着 f增大而增大，故在高频时才加以考虑）。L 应包括电缆的电感。Rp为并联损耗电阻，代表极板间的泄

9、漏电阻和极板间的介质损耗（随着f增大其值即 容抗减小，对系统的影响随之减弱）10什么是压电效应及其分类。为什么不能用压电传感器测静态压力 压电效应是当沿着一定方向对某些电介质施力而使它变形时，其内部就产生极化现象，同时在它的两个 表面上便产生符号相反的电荷；当外力去掉后，又重新恢复不带电状态的现象，这种现象又称为正压电效 应。（当作用力的方向改变时，电荷的极性也随着改变）相反，当在电介质的极化方向上施加电场时，这些电解质也会产生变形，这种现象称为逆压电效应。压电传感器可以等效为一个电荷发生器或电容器，但其产生的 电荷量很微弱，在极短的时间内便会由自 身泄漏掉，只有在 动态力作用下，电荷才可以不

10、断补充，不至于完全泄漏掉。故在静态作用力作用下，无 论是否受力，无论受力多大，都无信号输岀。所以压电传感器不能用于静态测量。11.说明压电传感器转换电路中的电压放大器与电荷放大器的优缺点及各自要解决的问题 压电式传感器本身的内阻抗很高，而输岀能量较小，因此它的转换电路通常需要接入一个高输入阻抗的 前置放大器，其作用为：1.把它的高输岀阻抗变换为低输岀阻抗；2.放大传感器输岀的微弱信号。压电传 感器的输出可以是电压信号，也可以是电荷信号，因此前置放大器也有两种形式：电压放大器和电荷放大 电压放大器：输出电压 U sc 与压电元件的输出电压成正比，但易受电缆电容 Cc 的影响。电荷放大器：基于密勒

11、效应。低频响应较电压放大器好得多，可以实现对准静态的物理量进行测量。输 出电压Use与q成正比，与电缆电容 Cc无关。价格高，电路复杂，维护较为困难。极化（电场）律将它转换成另一种信息的装置它获取的信息可以是各种物理量化学量和生物量而转化后的信息也有各种形式目前将传感器接收到的信息转化为电信号是最常用的一种形式电信号包括电压电流及频率信号基本功能信息收集信号数据敏感元件是指传感器中能够直接感受或响应被测量的部分转换元件是指传感器中能够将敏感元件感受或响应的被测量转换成电信号的部分调节转换电路是指将非适合电量进一步转换成适合电量的部分传感器的发展趋势新特性努力实器微型化仿生发展仿生物传感器新材料

12、新型功能材料开发多融合多传感器信息融合按被测量的不同传感器可以分为哪几类按感知外界信息基本效应不同分为物理传感器化学传感器和生物传感器等按被测量不同分为力学量热量液体成12.磁电感应式传感器的基本概念及其分类（与第七题重合）利用电磁感应原理将运动速度转换成感应电动势输出的传感器。又称感应式或电动式传感器。磁电感应 式传感器是一种机电能量转换型传感器，是利用导体和磁场发生相对运动产生感应电动势的原理而制作。适用于振动，转速，扭矩等测量。常见有磁电感应式，霍尔式，磁敏电阻，慈磁敏二极管，磁敏晶体管。13.霍尔传感器基本原理及其可能应用场合 基于霍尔元件的霍尔效应，霍尔效应是物质在磁场中表现的一种特

13、性，它是由于运动电荷在磁场中受到 洛仑兹力作用产生的结果。当把一块金属或半导体薄片垂直放在磁感应强度为 B 的磁场中，沿着垂直于磁 场方向通电流ie，就会在薄片的另一对侧面积间产生电动势 Uh，这种=现象称为霍尔效应，所产生的电动 势称为霍尔电动势，这种薄片（一般为半导体）称为霍尔片或霍尔元件。霍尔元件有对磁场敏感，结构简单，频率响应宽，动态范围大，寿命长，无接触等优点，可广泛用于 测量技术、自动化技术、和信息处理等方面。例如霍尔位移传感器，霍尔转速测量，汽车霍尔点火器，霍 尔传感器无接触测电流。14.什么是外光电效应，内光电效应 15.什么是光生伏特效应，光电导效应，分别列举相关器件 光电效

14、应即为光电器件在光能的激发下产生某些电特性的变化。1 在光照射下，电子逸出物体表面向外发射发射的现象称为外光电效应，又称光电发射效应。基于此原 理工作的光电式传感器有光电管和光电倍增管。2 通过入射光子引起物质内部产生光生载流子，这些光生载流子引起物质电学性质发生变化，这种现象 称为内光电效应。内光电效应分为和光电导效应和光生伏特效应。a.光电导效应：绝大多数高电阻率的半导体，受光照射吸收光子能量后，产生电阻率降低而易于导电 的现象。基于此原理工作的光电式传感器有光敏电阻。b.光生伏特效应：光照射引起 PN结两端产生电动势的现象称为光生伏特效应。基于此原理工作的光 电式传感器有光敏二极管，光敏

15、晶体管（又称光敏三极管）。律将它转换成另一种信息的装置它获取的信息可以是各种物理量化学量和生物量而转化后的信息也有各种形式目前将传感器接收到的信息转化为电信号是最常用的一种形式电信号包括电压电流及频率信号基本功能信息收集信号数据敏感元件是指传感器中能够直接感受或响应被测量的部分转换元件是指传感器中能够将敏感元件感受或响应的被测量转换成电信号的部分调节转换电路是指将非适合电量进一步转换成适合电量的部分传感器的发展趋势新特性努力实器微型化仿生发展仿生物传感器新材料新型功能材料开发多融合多传感器信息融合按被测量的不同传感器可以分为哪几类按感知外界信息基本效应不同分为物理传感器化学传感器和生物传感器等

16、按被测量不同分为力学量热量液体成 图15-2-b PN结光生伏特效应原理图 16.什么叫热电效应，热电偶的基本工作原理是什么 在两种不同的导体（或半导体）A和B组成的闭合回路中，如果他们两个的结点的温度不同，则回路中 会产生一个电动势，通常称这种电动势为热电动势，这种现象就是热电效。热电偶的工作原理便是基于热 电效应。17.热电偶有哪些基本定律 1中间温度定理：热电偶 AB的热电动势仅取决于热电偶的材料及结点温度。而与温度沿热电极的分布 以及热电极的尺寸和形状无关。2中间导体定律：在热电偶 AB回路中，只要接入的第三导体两端温度相同，则对回路的总热电动势没 有影响。3标准电极定律：当热电偶回路

17、的两个结点温度为 T、To时，用导体AB组成热电偶的热电动势等于热 电偶AC和热电偶CB的热电动势的代数和。18.什么是智能传感器，常见的智能传感器的形式 智能传感器就是带微处理器、兼有信息监测和信息处理功能的传感器，其最大特点是将传感器检测信息 的功能与微处理器的信息处理功能有机的融合在一起。简而言之，智能传感器就是带有智能芯片的集成传 感器。形式：1将传感器与微处理器集成在一个芯片上。2传感器通过总线接口直接匹配微处理器。19.智能传感器的基本功能及其特点 功能：-+P-+N 么+-光生电子一空穴对 律将它转换成另一种信息的装置它获取的信息可以是各种物理量化学量和生物量而转化后的信息也有各

18、种形式目前将传感器接收到的信息转化为电信号是最常用的一种形式电信号包括电压电流及频率信号基本功能信息收集信号数据敏感元件是指传感器中能够直接感受或响应被测量的部分转换元件是指传感器中能够将敏感元件感受或响应的被测量转换成电信号的部分调节转换电路是指将非适合电量进一步转换成适合电量的部分传感器的发展趋势新特性努力实器微型化仿生发展仿生物传感器新材料新型功能材料开发多融合多传感器信息融合按被测量的不同传感器可以分为哪几类按感知外界信息基本效应不同分为物理传感器化学传感器和生物传感器等按被测量不同分为力学量热量液体成1具有自校准和故障自诊断功能 2具有数据储存、逻辑判断、和信息处理功能 3具有组态功

19、能，使用灵活 4具有双向通信功能 特点：1精度高 2量程宽 3多参数多功能测量 4自适应能力强 5较高的性能价格比 20.C语言和汇编语言混合编程形式 1C语言内嵌汇编语言 2汇编语言使用C语言定义的全局变量 3C语言中调用汇编函数 4汇编语言中调用C语言函数 21.智能传感器中使用的六种总线 HART(Highway Addressable Remote Transducer)，可寻址远程传感器高速通道的开放通信协议 总线（单总线）2.I 2C 总线（两线式串行总线 Inter Integrated Circuit）总线（系统管理总线 System Management Bus）总线（串行外

20、设接口 Serial Peripheral Interface）Wire 总线（Micro wire 串行接口是SPI的精简接口，能满足通常外设的需求）总线（通用串行总线 Universal Serial Bus）律将它转换成另一种信息的装置它获取的信息可以是各种物理量化学量和生物量而转化后的信息也有各种形式目前将传感器接收到的信息转化为电信号是最常用的一种形式电信号包括电压电流及频率信号基本功能信息收集信号数据敏感元件是指传感器中能够直接感受或响应被测量的部分转换元件是指传感器中能够将敏感元件感受或响应的被测量转换成电信号的部分调节转换电路是指将非适合电量进一步转换成适合电量的部分传感器的发展趋势新特性努力实器微型化仿生发展仿生物传感器新材料新型功能材料开发多融合多传感器信息融合按被测量的不同传感器可以分为哪几类按感知外界信息基本效应不同分为物理传感器化学传感器和生物传感器等按被测量不同分为力学量热量液体成