《现代传感技术》复习要点

4.1 应变效应和应变式传感器

何为电阻应变效应？电阻丝阻值公式，由哪些参数决定？

电阻丝灵敏度系数由哪两部分构成？与电阻丝材质的关系？

温度如何影响应力传感器的输出电阻？

应力传感器的温度补偿方法有哪些？

常用的温度补偿方法有三种：

1) 桥路补偿法，它主要是通过贴片和接桥方法消除温度的影响，补偿原理和方法将在后文中详细介绍； 2) 应变片的自补偿，它是从电阻应变片的敏感栅材料及制造工艺上采取措施，使应变片在一定的温度范围内满足的0)(21=++ββα

S 关系；

3) 热敏电阻法，利用热敏电阻的特性和选择合适的分流电阻达到温度补偿的目的。

电阻应变式传感器在设计过程中，应该考虑哪些问题？

1） 结构简单。 2） 有很好的刚性。 3） 结构的整体性。

4） 对作用力位置的变化和干扰力的影响不敏感。 5） 弹性元件有效工作区应有良好的线性。 6） 弹性元件有效工作区应具有最大应变值。 7） 工作区的最佳额定应变值。 8） 弹性元件工作区的工艺性能好。

9） 弹性元件自身具有过载保护能力或便于设置过载保护装置。 10） 安装方便，互换性好。

常用应变式传感器的工作原理。

在测力传感器中有一个弹性元件，利用它可把被测力的变化转换成应变量的变化，由于弹性元件上粘贴有应变片，因此可把应变量的变化转换成应变片电阻的变化。

4.2 电容、电感式传感器

电容式传感器的工作原理。电容的公式，由哪些参数决定？

电容式传感器是将被测量(如位移、压力等)的变化转换成电容量变化的一种传感器。

电容式传感器实质上就是一个可变参数的电容器。由物理学可知，两平行极板组成的电容器，如果不考虑边缘效应，其电容量为：

A

C εδ=

若A 、δ或ε任一参数发生变化，电容C 也随之变化。在交流电路中，

电容C 的变化改变了容抗X C ，从而使输出电流或电压发生变化。

常见电容式传感器的类型及其工作原理。

变极距式：动极板因测量值变化极板间距改变 变面积式：受到外力作用相对面积改变

差动结构的优点有哪些？

描述常见电感式传感器工作原理（自感式、差动变压器式、电涡流、压磁式传感器）。

压磁式传感器是测力传感器的一种，它利用铁磁材料的压磁效应将被测力引起磁导率的变化转换为电信号。

4.3 压电效应及压电式传感器

什么是压电效应？

某些晶体材料，在沿着某一方向施加外力而使之变形时，内部就会产生电荷；当外力去掉之后，电荷也随之消失，这种现象称为正压电效应。反之，如对晶体施加外电场时，晶体本身将产生机械变形，这种现象称为逆压电效应。

石英晶体内部存在哪三种压电效应，有何特点？

纵向压电效应、横向压电效应、切向压电效应。

4.4 电磁效应及磁电式传感器

磁电式传感器的线圈感应电动势取决于哪些参数？

线圈感应电势的大小，取决于线圈匝数和穿过线圈的磁通变化率。磁通变化率与磁场强度、磁路磁阻、线圈与磁场的相对运动速度有关，故磁电式传感器只适用于动态测量。

磁电式传感器的典型结构及工作原理？

按照结构方式不同，磁电式传感器可分为变磁通式和恒磁通式两种。

4.5 热电效应和热电式传感器

热电偶如何工作（热电势和温度有何关系）？

将两种不同材料的导体A与B组成一个闭合回路时，若两端结点温度不同，则回路中就会产生电势，同时在回路中产生电流，其电流的大小与导体材料的性质和结点温度（T,T0）有关，这一现象称为热电效应。相应的输出电势称做热电势，回路中产生的电流则称做热电流。

在热电偶回路中引入各种测量仪表、连接导线，会对热电势有何影响，为什么？

中间导体定律：在热电偶回路中接入第三种材料的导线，只要第三种导线两端温度相同，则第三种导线的引入不会产生附加的热电势输出。

热电偶的冷端温度处理方法有哪些？

0℃恒温法热电势修正法电桥补偿法延伸导线法

(1) 0℃恒温法

把冰屑和清洁的水相混合，放在保温瓶中，并使水面略低于冰屑面，然后把热电偶的冷端置于其中，这时

热电偶输出的热电势与分度值一致。 (2)热电势修正法

当冷端温度保持在某一恒定温度Tn(T n ≠0）时，可采用热电势修正法进行修正：

)T ,(T E +)T (T,E =)T (T,E 0n AB n AB 0AB 式中 E AB (T,T n ) —实测值；

E AB (T n ,T 0) —修正值，是冷端为0℃时，工作端为区段的热电势； E AB (T,T 0) —修正后的输出值。 被测温度T 按E AB (T,T 0)从分度表中查出。

该方法是通过在热电偶与显示仪表之间接入一个直流不平衡电桥。（也称作冷端补偿器），利用不平衡电桥产生的电势来补偿热电偶因冷端温度变化而引起的热电势的变化值。

4.6 光电效应及光电式传感器

内光电效应和外光电效应有何区别？

在光的照射下，材料的导电性增加，电阻率下降的现象叫内光电效应。 外光电效应是指物质吸收光子并激发出自由电子的行为。

MOS 光敏元如何存储电荷？ CCD 全称是什么？

电荷耦合器件（CCD,Charge Coupled Device ）

三相CCD 中，信号电荷在不同MOS 光敏元间如何转移？ 1、电荷包的转移是通过变换CCD 电极电压来完成的。

图1.1 电荷包转移示意图 图1.2 三相脉冲电路示意图

随着时间滑尺的移动，2φ和3φ同时接通导致电荷包拉长，然后3φ断开使电荷包移动到2

φ

位置。然后1φ接通导致电荷包拉长，再由于2φ断开使电荷包移动到1φ位置。经过这样的往复之后右面的电荷包从右边离开，又有新的电荷包从左边进入。

CCD 电荷的注入方式有哪些？

CCD 电荷的注入方法有电注入和光注入两种。

面阵CCD 传感器的类型及对比？

可以通过哪些参数评价CCD 的性能？

CCD 器件的性能参数包括灵敏度、分辨率、信噪比、光谱响应、动态范围、暗电流等。

PSD 相对于象限探测器，有何优点？

（1）它对光斑的形状没有严格的要求，即输出信号与光的聚焦无关，只与光的能量中心位置有关，这给测量带来了很多方便。

（2）光敏面上无需分割，消除了死区，可连续测量光斑的位置，位置分辨率高，一维PSD 可达0.2μm 。 （3）可同时检测位置和光强：PSD 输出的总光电流与入射光强有关，而各信号电极输出光电流之和等于总光电流，所以从总光电流可求得相应的入射光强。

结合示意图，描述PSD 的工作原理。

当入射光照射到PSD 的光敏层时，在入射位置上就产生了与光能成比例的电荷，此电荷作为光电流通过电阻层由电极输出。设左右电极距离光敏面中心点的距离都为L ，左右电极输出的光电流分别为I 1和I 2，总电流为I 0，则有

I 0=I 1+I 2

若以PSD 的中心点位置作为原点，光点离中心点的距离为x ，则有

即可确定光斑能量中心的位置。