发布时间 : 星期六 文章传感器原理与应用-复习思考题更新完毕开始阅读
光电导效应：在光线作用下，电子吸收光子能量从键合状态过渡到自由状态，而引起材料电导率的变化的现象。
光生伏特效应：在光线作用下能够使物体产生一定方向的电动势的现象。
一、填空题
1、 传感器的输入输出特性指标可分为静态和动态指标两大类，线性度和灵敏度是传感器的 静态指标，而频率响应特性是传感器的动态指标。 2、 导电丝材的截面尺寸发生变化后其电阻会发生变化，用这一原理可制成的传感器称为电阻应变式传感器，利用有料具有磁致伸缩效应可制成的压磁式传感器也可用以测量力，而压电式传感器则利用了一些具有离子型晶体电介质的压电效应，它敏感的最基本的物理量也是力。
3、 热电式传感器中，能将温度变化转换为电阻变化的一类称为热电阻，而能将温度变化转换为电势的称为热电偶，其中热电偶式传感器在应用时需要做温度补偿(冷端补偿)。 4、 旋转式编码器用以测量转轴的角位移，其中绝对式编码在任意位置都有固定的数字编码与位置对应，线数为360线的增量式编码器分辨力为 1 （角）度。 5、 光电效应分为内光电效应和外光电效应两大类。
1．传感器可分为物性型和结构型传感器，热电阻是物性型传感器， 电容式加速度传感器是结构型传感器。
2．热电式传感器中，能将温度变化转换为电阻变化的一类称为热电阻。有一种热电阻的型号为Pt100，它在0℃时的电阻值为100Ω，利用不同种材料的接触电势和温差电势将温度变化转换为电势的一类热电式传感器称为热电偶传感器。
3．旋转式编码器可分为增量式编码器和绝对式编码器，用以测量转轴的角位移，其中绝对式在任意位置都有固定的数字编码与位置对应，所以这种编码器能直接反映转轴位置；用一个线数为200线的编码器分辨力为______________（角）度。
4．目前压电式传感器的常用的材料有石英晶体、压电陶瓷和高分子电致伸缩材料等三类。压电材料的逆压电效应还可以用来产生超声波。
5．在电感式传感器中，线圈之间的没有耦合的是自感式传感器，被测对象也是磁路一部分的是电涡流式传感器。
6．电容式传感器按结构特点可分为变极距型、变介质型和变面积型等三种。电容式传感器存在边缘效应，会造成测量误差，常用保护环来消除，保护环是电容式传感器特有的结构。 7．传感器的输入输出特性指标可分为静态和动态指标两大类，线性度和灵敏度是传感器的静态指标。
8．光敏电阻的原理是基于内（填内、外）光电效应的。
二、简答题：
1. 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：错误！不能通过编辑域代码创建对象。 ，
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
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积式和变介质型的电容式传感器。
2. 简要说明光栅尺的原理。
3. 什么是外光电效应？什么是内光电效应？
1．什么是传感器？以加速度传感为例，画图说明传感器的敏感元件和转换元件的定义和作用。
2．简述莫尔条纹在光栅中的应用原理。
3．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。
4．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。
三、综合分析题：
1、图为用电阻应变式传感器测量金属材料的弯曲变形的原理图，简支梁在力F的作用下发性弯曲，在梁的上下表面各贴一片应变片，试说明这个测量系统的其原理。 要求：1．画出测试电路的原理图，并给出计算公式（10分）
2．图中用两个应变片有什么好处？ （10分） F R1 R2 分析：这是一个用应变计测量金属梁变形的一个示意图，上下两个应变片都应当按图示方向粘贴，并按图中的方法组桥，其输出为：UO?U?RU?K?。这种布局方式构成了2R2差动式测量，可以有效地降低非线性误差、消除温度误差，还能提高测量的灵敏度。
答题要求：1。写出输出公式，（5分、图5分）
2．说出差动测量的优点（4分）给出相应的说明或证明（各2分）
R1
2. 在图示的机械系统中，电机输出转速经减速器减速后驱动丝杆—螺母构成一个直线运动机构，已知电机转速为3000转/分，减速器减速比为100，丝杆的导程为12mm，今欲测量螺母的位移，并要求测量精度为1mm，暂时不考虑机械系统传动
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误差，请选择传感器并设计测量方案。 （15分）
答题要求：本题可有多种答案，合理的答案均可给分。可以选用直接测量直线位移的传感器如光栅等，也可以选用编码器测量丝杆轴等。（5分）但要求说明传感器的原理（5分），画出结构安装示意图（5分）较好的答案如下：
螺母每走1mm对应丝杆的转角为：1÷12×360=30度，相对应的电机的转角为：30×100=3000度，可见，只要精确电机的转数就足以按要求测量出螺母的位移。可使用接近式传感器，安装方法如图：在电机轴上装一个圆盘，盘四周装一个突出盘表需的元件，无件的个数可以只有一个，也可以有多个，根据选用传感器类型元件的材料有一定要求，如选用霍尔式传感器就要求是磁性体，电感式或涡流式就要求铁磁性物质，电容式要求元件材料相对介电常尽量大。设元件的个数为N，则测量的分辨力为： 。圆盘上突起元件的安装精度及传感器的灵敏度、稳定性有关，如果误差为5度，测量误差为：5÷100÷360×12=0。0017mm。
1a．试列出三种能测量直线位移的传感器，并详述其原理。
1b．试列出三种能对流水线上的工件进行计数的方法，并说明各自的应用范围。 2． 以任意一种传感器为例，说明差动测量的优点。
答：差动传感器的三个优点：灵敏度提高一倍，非线性误差降低一级，补偿温度误差。
评分标准：画图正确（3分），每一种优点的说4分，其中：说出优点2分，证明或
能说明优点的道理2分
1.何谓结构型传感器?何谓物性型传感器?试述两者的应用特点。
答：结构型传感器是利用物理学中场的定律构成的，包括动力场的运动定律，电磁场的电磁定律等。物理学中的定律一般是以方程式给出的。对于传感器来说，这些方程式也就是许多传感器在工作时的数学模型。这类传感器的特点是传感器的工作原理是以传感器中元件相对位置变化引起场的变化为基础，而不是以材料特性变化为基础。
物理型传感器是利用物质定律构成的，如虎克定律、欧姆定律等。物质定律是表示物质某种客观性质的法则。这种法则，大多数是以物质本身的常数形式给出。这些常数的大小，决定了传感器的主要性能。因此，物理型传感器的性能随材料的不同而异。例如，光电管就是物理型传感器，它利用了物质法则中的外光电效应。显然，其特性与涂覆在电极上的材料有着密切的关系。又如，所有半导体传感器，以及所有利用各种环境变化而引起的金属、半导体、陶瓷、合金等特性能变化的传感器，都属于物理型传感器。
2．图1所示为一种膜合式压力传感器。试用这个例子说明传感器的组成原理。
答：传感器一般由敏感元件、转换元件、转换电路组成，它是一种典型的结构型传感器。敏感元件是直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的某一物理量的元件。图1中，膜盒2的下半部分与壳体1固接，上半部分通过连杆与磁芯4相连，磁芯4置于两个电感线圈3中，后者接入转换电路5。这里的膜盒就是敏感元件，其外部与大气压力pa相通，内部感受被测压力p。当p变化时，引起膜盒上半部分移动，即输出相应的位移量。
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图1 气体压力传感器
转换元件：敏感元件的输出就是它的输入，它把输入转换成电路参量。在图0-2中，转换元件是可变电感线圈3，它把输入的位移量转换成电感的变化。
基本转换电路：上述电路参数接入基本转换电路（简称转换电路），便可转换成电量输出。传感器只完成被测参数至电量的基本转换，然后输入到测控电路，进行放大、运算、处理等进一步转换，以获得被测值或进行过程控制。
1．传感器的静态特性主要有那些？说明什么是线性度？
答：传感器的特性主要是指传感器的输入（被测量）与输出（电量）的关系。静态特性表示传感器在被测量各个值处于稳定状态时的输入输出关系。也即当输入量为常量，或变化极慢时，这一关系就称为静态特性。传感器的静态特性主要有：线性度、迟滞性、灵敏度、稳定性、重复性、阈值等。
传感器的静特性曲线可实际测试获得，用下列多项式程表示为：
y?a0?a1x?a2x2?a3x3???anxn
式中y为输出量、x为输入量、a0 为零点输出、a1为理论灵敏度、a2,a3,an为非线性项系数。在获得特性趋向之后，可以说问题已经得到解决。但是为了标定和数据处理的方便，希望得到线性关系。这时可采用各种方法，其中也包括硬件或软件补偿，进行显性化处理。一般来说，这些办法都比较复杂。所以在非线性误差不太大的情况下，总是采用直线拟合的方法来线性化。
在采用直线拟合线性化时，输出输入的校正曲线之间的最大偏差，就称为非线性误差，也就是线性度：
?L??(△Lmax/yFS)?100%
由此可见，非线性偏差的大小是以一定的拟合直线为基准直线而得来的。拟合直线不同，非线性误差也不同。所以，选择拟合直线的主要出发点，应是获得最小的非线性误差。另外，还应考虑使用是否方便，计算是否简便。
2．什么是传感器的静态误差？传感器的静态误差是如何评定的？
答：静态误差是指传感器在其全量程内任一点的输出值与其理论值的偏离程度。 静态误差的求取方法如下：把全部输出数据与拟合直线上对应值的残差，看成是随即分布，求出其标准偏差?，即
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