《传感器原理及与应用》考试重点

1.传感器：能够感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的期间或装置

2.传感器组成：敏感元件、装换元件、基本转换电路三部分组成。

3.敏感元件：他是直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的某一物理量的元件。

4.转换元件：敏感元件的输出就是它的输入，他把输入装换成电路参量。

5.基本转换电路：上诉电感变化量接入基本转换电路（简称转换电路）。

6.传感器的分类：①按传感器的工作机理，可分为物理型、化学型、生物型等。②按构成原理，传感器可分为结构型与物性型。③根据传感器的能量转换情况，分为能量控制型和能量转换型。④按照物理原理分类①电参量式传感器②磁电式传感器③压电式传感器④光电式传感器⑤气电式传感器⑥热电式传感器⑦波式传感器⑧射线式⑨半导体式传感器⑩其他原理的传感器。

7.传感器一般要求①可靠性②静态精度③动态性能④灵敏度⑤分辨力⑥量程⑦抗干扰能力⑧能耗⑨成本⑩对被测对象的影响等。

8.传感器的特性：主要指输入与输出的关系。特性分为静特性与动特性。

9.静特性：表示传感器在被测量处于稳定状态时的输出输入关系。（静态：输入不随时间变化或随时间变化极其缓慢。）

10.误差因素：衡量传感器特性的主要技术指标。

11.动特性：输入量随时间较快的变化时输入输出的关系。

12.线性度：在采用直线拟合线性化时，输入输出的实际测量曲线与其拟合直线之间的最大偏差，就称为非线性误差或线性度。

13.常用的拟合方法：①理论拟合②过零旋转拟合③端点连线拟合④端点连线平移拟合⑤最小二乘拟合⑥最小包容拟合。

14.迟滞：传感器在正（输入量增大）反（减小）行程中输出输入曲线不重合称迟滞。迟滞误差也叫回程误差。

15.重复性：传感器在输入按同一方向连续多次变动时所得特性曲线不一致的程度。

16.静态灵敏度：传感器输出的变化量与引起该变化量的输入变化量之比。

17.分辨力：是指传感器能检测到的最小输入增量。

18.阈值：在传感器输入零点附近的分辨力。

19.温度稳定性（温度漂移）：它是指传感器在外界温度变化时输出量发生的变化。

20.静态测量不确定度（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可能偏离的程度。

21.传感器的标定：通过测试确立输入量与输出量之间的关系。分为静态标定、动态标定。传感器标定的含义：以确定传感器的性能指标；明确这些性能指标所适合的工作环境。标定的方法：将已知的被测量输入给待标定的传感器，同时得到传感器的输出量，对所获得的传感器输入量与输出量进行处理和比较，从而得到一系列表征两者对应关系的标定曲线，进而得到传感器性能指标的实测结果。

22.应变效应：当金属丝在外力作用下发生机械变形时，导致其电阻值将发生变化，称为金属的电阻应变效应。

23.应变片的类型：①金属丝式应变片②金属箔式应变片③金属薄膜应变片④厚膜应变片。

金属丝式应变片的特点：制作简单、性能稳定、成本低、易粘贴，所以最为常用。

24.粘合剂引起传递变形的损失。

25.粘合剂的要求：①有一定的粘结强度②能准确传递应变，有足够的切变模量③蠕变、机械滞后小④有足够的稳定性能⑤耐湿、耐油、耐老化、耐疲劳等。

26.蠕变：温度一定，恒定机械应变，电阻值随时间变化而变化。

27.机械滞后：应变片粘贴在被测试件上，当温度恒定时，其加载特性与卸载特性不重合。

28.灵敏度系数：应变片安装于试件表面，在其轴线方向上的单向应力作用下，应变片的阻值相对变化与试件表面上安装应变片区域的轴向应变之比。

29.金属应变片的主要特性：①灵敏系数：是指应变片安装于试件表面，在其轴向方向单位应力的作用下，应变片的阻值相对变化与试件表面上安装应变片区域的轴向应变之比。②横向效应：将直的电阻丝绕成敏感栅之后，虽然长度相同，但应变状态不同，其灵敏系数降低了的现象。

30.补偿温度误差的方法：应变片自补偿法、线路补偿法

31.压阻效应：固体受到作用力后，电阻率就要发生变化的效应。一般用于半导体材料。

32.压阻系数：与掺杂浓度、温度、晶向几种因素有关。（掺杂浓度较低时，压阻系数较高。）

33.减小非线性误差的损失：差动式电桥、采用恒流源电桥。

34.差动结构灵敏度可以提高一倍，线性误差也得到减小。

35.转换电路包括：调幅、调频、调相电路。

36.总灵敏度的决定因素：传感器的类型、转换电路的类型、供电电压的大小。

37.电容电桥的主要特点：①高频交流正弦波供电②电桥输出调幅波，要求其电源电压波动极小，需采用稳幅、稳频等措施③通常处于不平衡工作状态，所以传感器必须工作在平衡位置附近，否则电桥非线性增大，且在要求精度高的场合应采用自动平衡电桥④输出阻抗很高，输出电压低，必须后接高输入阻抗、高放大倍数的处理电路。

38.电桥电路的工作原理：将电容式传感器接入交流电桥作为电桥的一个臂或两个相邻臂，另两个臂可以是电阻或电容或电感，也可以是变压器的两个二次线圈。其中另两个臂是紧耦合电感臂的电桥具有较高的灵敏度和稳定性，且寄生电容影响极小，大大简化了电桥的屏蔽和接地，适合于高频电源下工作。

39.电容式传感器与电阻式、电感式等传感器相比：优点：①温度稳定性较好②结构简单、适应性强③动态响应好④可以实现非接触测量、具有平均效应。不足：①输出阻抗高、负载能力差②寄生电容影响大。

40.电容式传感器的设计要点：①减小环境温度湿度等变化所产生的影响，保证绝缘材料的绝缘性能②消除和减小边缘效应③减小和消除寄生电容的影响④防止和减小外界干扰。

41.集成式电容传感器：运营集成电路工艺可以把电容敏感元件与测量电路制作在一起，构成电容式集成传感器。核心部件是一个对被测量敏感的集成电容器。

42.容栅测量系统：将电容传感器中的电容极板刻成一定形状和尺寸的栅片，再配以相应的测量电路就构成了容栅测量系统。

43.闭环反馈式传感器原理：一般是把系统输出通过反馈环节变化成反馈量，然后与输入进行比较产生一个偏差信号。此偏差信号经前向环节放大后调节反馈量，直至偏差信号为零的平衡状态，此时输出即为测得值。

44.磁电式传感器分类：①磁电感应式传感器②霍尔式传感器③磁栅式传感器

45.霍尔元件的零位误差主要包括不等位电动势、寄生直流电动势等。不等位电动势的补偿方法：工艺上采取措施降低U0，且采用补偿电路。不等位电动势的温度补偿：桥路补偿法。为是温升不超过所需值，必须对霍尔元件的额定控制电流加以限制，安装元件时尽量做到散热性良好，选用面积大的元件，降低其温升。

46.影响霍尔元件性能的因素：元件安装不合理、温度环境变化。

压电式传感器工作原理：是以某种物质的压电效应为基础，属一种发电式传感器。

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，然后通过光电器件变换成电信号。

47.压电方程：是关于压电体中电位移、电场强度、应力和应变张量之间关系的方程组。

48.压电材料：明显呈现压电效应的敏感功能材料叫压电材料。选用要求：具有大的压电常数；机械强度高，刚度大，以便获得高的固有振动频率；高电阻率和大介电系数；高的居里点；温度、湿度和时间稳定性好。

常见压电材料：单晶体、多晶体、压电聚合物PVDF。

49.光源：光电式传感器的一个重要组成部分。正确合理地选择光源是成功设计光电传感器的前提和保证。分类：光电传感器中所用的光源可简单地分为自然光源和人造光源两类。

50.人造光源分为：①热辐射光源②气体放电光源③电致发光光源——发光二极管④激光光源。

51.激光特点：具有单色性好、方向性强、亮度高、相干性好等特点。激光器分类：按工作物质分为：①固体激光器②气体激光器③半导体激光器④液体激光器。

52.光电器件：作用：将光信号转变为电信号。分类：按探测原理分为热探测器、光子探测器。

53.热探测器：是基于光辐射与物质相互作用的热效应制成的传感器。优点：能够接受超低能量的光子，具有宽广和平坦的光谱响应，尤其适用于红外探测。常见的有：侧辐射热电偶、侧辐射热敏电阻和热释电探测器。热释电探测器应用：应用时应避免外界的振动和压电。应用广泛，常见的有防火、防盗装置、复杂的光谱仪、红外测温仪、热像仪、红外遥感器技术等。

54.光电效应：在光线作用下能使电子逸出物体表面，这种现象称为光电发射，也称光电效应。用这种原理制成的光电器件称为光电发射探测器。主要有真空光电管和光电倍增管。

55.电管的特性：①光电特性：表示当阳极电压一定时，阳极电流I与入射在光电阴极上光通量Φ之间的关系。②伏安特性：当入射光的频谱及光通量一定时，阳极电流与阳极电压之间的关系叫伏安特性。（饱和状态：当阴极发射的电子全部到达阳极时，阳极电流便很稳定，称为饱和状态。）③光谱特性：保持光通量和阳极电压不变，阳极电流与光波长之间的关系叫光电管的光谱特性。

56.光导效应：半导体材料在光线作用下，其电阻值往往变小，这种现象称为光导效应。利用这种原理制成的光电器件称为光敏电阻，也叫光导管。光敏电阻优点：理你过敏度高，体积小，重量轻，光谱响应范围宽，机械强度高，耐冲击和振动，寿命长。

57.光电节型探测器：主要有光敏二极管和光敏晶体管两种。

58.光电池是最常用的光电伏特型器件。

59.位置敏感器件：是一种对其感光面上入射光点位置敏感的器件，也称坐标光电池。

60.PSD工作特点：入射光强的变化不影响测量结果，这给测量带来了极大的方便。

61.莫尔条纹的特性：①运动对应关系②位移放大作用③误差平均效应。

1.什么是传感器？它由哪几部分组成？分别起到什么作用？

答：传感器是一种以一定的精确度把被测量量转换为与之有确定对应关系的、便于应用的某种物理量的测量装置，能完成检测任务。

传感器由敏感元件，转换元件，转换电路组成。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物理量；转换元件把敏感原件的输出作为它的输入，转换成电路参量；上述电路参数接入基本转换电路，便可转换成电量输出。

2.传感器的静态参数有哪些？各种参数代表什么意思？

答：静态参数有：线性度（Ef）、灵敏度（S）、分辨力（M）、精确度、重复性（Z）、迟滞（Et）等。

①线性度：就是用来表示实际特性曲线与拟合直线之间的一个性能指标，可采用实际特性曲线与拟合直线之间的最大偏差与满度量程的输出的百分比来表示，即

②灵敏度：指的是传感器在稳态工作情况下，传感器输出量的增量与被测量的增量的比值，即

③分辨力：指传感器在规定的测量范围内，检测被测量最小变化量的能力，因此有时又称为最小检测量。

④精确度：表明传感器精确度高低的指标有三个，即精密度、正确度、精确度。

【1】精密度：表示的是对某一稳定的被测量在比较短的时间里连续重复测量多次后，所判定的测量结果的分散程度。

【2】正确度：指的是所测得值与真值的符合程度，或者表示所测值偏离真值的程度有多大。

【3】精确度：表示的是测量的综合优良程度，它应是精密度、正确度之和。

⑤重复性：指当传感器在相同工作条件下，输入量按同一方向全量程连续变动多次测量时，所得到的特性曲线不一致的程度。它可以用各测量值的正、反行程标准偏差最大值的两三倍或者三倍与满度量程yFS的百分比来表示，即

⑥迟滞：指传感器在相同工作条件下，作全量程测量范围校准时，在同一次校准中对应同一输入量的正向（输入量增大）和反向（输入量减小）的行程中，输出与输入特性曲线不一致的程度。一般用两曲线之间输出量的最大差值与满量程输出的百分比来表示，即

3. 为什么电感式传感器一般都才用差动形式？

答：差动结构：除了可以改善非线性，提高灵敏度外，对电源电压、频率的波动及温度变化等外界影响也有补偿作用；作用在衔铁上的电磁力，是两个线圈磁力之差，所以对电磁力有一定的补偿作用，从而提高了测量的准确性。

4. 正、逆压电效应。

答：某些电介质在沿一定方向受到外力作用变形时，由于内部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，恢复到不带电的状态，而当作用力方向改变时，电荷的极性随着改变，晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比。这种效应称为正压电效应。反之，如对晶体施加一定变电场，晶体本身将产生机械变形，外电场撤离，变形也随着消失，称为逆压电效应。

5. 简述电荷放大器的优缺点。

答：优点：输出电压U0于电缆电容Cu无关，且与Q成正比，这是电荷放大器的最大特点。

缺点：价格比电压放大器高、电路较复杂、调整也较困难。

要注意的是，在实际应用中，电荷放大器应加过载放大保护电路，否则在传感器过载时，会产生过高的输出电压。

6. 霍尔效应及其原理？

答：①在置于磁场的导体或半导体中通入电流，若电流与磁场垂直，则在与磁场和电流都垂直的方向上会出现一个电势差，这种现象就是霍尔效应。

②霍尔效应的本质是：固体材料中的载流子在外加磁场中运动时，因为受到洛仑兹力的作用而使轨迹发生偏移，并在材料两侧产生电荷积累，形成垂直于电流方向的电场，最终使载流子受到的洛仑兹力与电场斥力相平衡，从而在两侧建立起一个稳定的电势差即霍尔电压。

7.什么是热电势、接触电势和温差电势？

答：①两种不同的金属A和B构成的闭合回路，如果将他们的两个接点中的一个进行加热，使其温度为T，而另一点置于室温T0中，则在回路中会产生的电势就叫做热电势。

②由于两种不同导体的自由电子密度不同而在接触处形成的电动势叫做接触电势。

③温差电势（又称汤姆森电势）是同一导体的两端因其温度不同而产生的一种热电势。

8.热电偶的三种基本定律是？

答：【1】中间导体定律：在热电偶回路中，只要中间导体两端的温度相同，那么接入中间导体后，对热电偶的回路的总电势无影响。【2】参考电极定律：如果导体C热电极作为参考电极，并已知标准电极与任意导体配对时的热电势，那么在相同结点温度（T，T0）下，任意两导体Ａ，Ｂ组成的热电偶，其电势可由下式求的

【3】中间温度定律：在热电偶回路中，两接点温度为Ｔ，Ｔ０时的热电势，等于该热电偶在接点Ｔ，Ｔａ和Ｔａ，Ｔ０时的热电势之和，即EAB（T1，T0）=EAB（T1，Ta）—EAB（Ta，T0）

9.Pt100和Cu50分别代表什么传感器？分析热电阻传感器测量电桥之三线、四线接法的主要作用。

答：Pt100代表铂热电阻，Cu50代表铜热电阻传感器。三线制可以减小热电阻与测量仪表之间连接导线的

电阻因环境温度变化所引起的测量误差。四线制可以完全消除引线电阻对测量的影响，用于高精度温度检测。工业用铂电阻测温常采用三线制和四线制连接法。

10. 什么是光电效应，依其表现形式如何分类、并予以解释。

答：光电效应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，光电效应分为外光电效应和内光电效应两大类：

【a】在光线作用下，能使电子逸出物体表面的现象称为外光电效应；

【b】受光照的物体导电率发生变化，或产生光生电动势的效应叫内光电效应。

12. 红外线的最大特点是什么？什么是红外线传感器？其组成是？

答：①红外线的最大特点是具有光电效应，可以辐射热量，它是光谱中的最大光热效应区。

②能将红外辐射量的变化转换为电量变化的装置称为红外传感器。

③红外传感器一般由光学系统、探测器、信号调理电路及显示系统等组成。

13. 超声波在介质中有哪些传播特性？

答：超声波在各种截至中的波速不同，超声波会被传播介质吸收及散射，从而造成波动能量的损失。一般称为吸收损失，也称衰减，频率越低的超声波衰减愈小。当超声波经过性质不同的介质交界面时，一部分会反射，其余的会穿透过去。这种反射或穿透的强度，由这两个交界介质的特性阻抗Z决定。介质的特性阻抗差越大，反射率也就越大。超声波射入交界面除了部分反射外，其余的全部穿透过去。

14. 压电式传感器往往采用多片压电晶片串联或并联，当采用多片压电晶片并联方式时，适合于测量何种信号？

答：并连接法输出电荷大，本身电容也大，时间常数大，宜用于测量慢变信号。并且适用于以电荷作为输出量的场合。

15. 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：①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。

②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。

16. 何为热电偶？叙述热电偶的热电效应？

答：所谓热电偶，就是有两根不同性质的导体所组成的闭合回路。

所谓热电效应，就是将两种不同成分的导体组成一闭合回路，当闭合回路的两个接点分别置于不同的温度场中时，回路中将产生一个电势，该电势的方向和大小与导体的材料及两接点的温度有关，这种物理现象称为热电效应。

17. 霍尔电势与哪些因素有关？

答：输入电阻Ri与输出电阻Ro；不等位电势Uo和不等位电阻ro；灵敏度Kh；寄生直流电势U；霍尔电动势温度系数a；内阻温度系数B；热阻Rq。

18. 使用气敏传感器时应注意的问题？

答：①气敏元件工作时需要本身的温度比环境温度高很多。

②气敏元件再开机通电时的电阻很小，经过一段时间后，才能恢复到稳定状态。因此，气敏检测装置需要开机预热几分

11. 分别列举属于内光电效应和外光电效应的光电器件。

答：外光电效应，如光电管、广电倍增管等。

内光电效应，如光敏电阻、光电池和光敏晶体等。

钟后，才可投入使用。

大题

1.应变式传感器与压阻式传感器的比较

答：①应变式传感器是一种具有较长应用历史的传感器，由于其具有尺寸小、重度轻、结构简单、使用方便、响应速度快等优点，被广泛应用于工程测量和科学实验中。这种传感器一般由弹性元件和电阻应变片构成，工作时利用金属弹性元件的电阻应变效应，将被测物变形转换成电阻变化。②压阻式传感器的灵敏系数大，分辨率高，频率响应高，体积小。它主要用于测量压力、加速度和载荷等参数。压阻式传感器多由半导体材料构成，由于半导体材料对温度很敏感，因此压阻式传感器的温度误差较大，必须要有温度补偿。

2.减小和消除寄生电容影响的方法

答：①增加传感器原始电容值②注意传感器的接地和屏蔽③集成化④采用“驱动电缆”技术⑤采用运算放大器法⑥整体屏蔽。

3.防止和减小外界干扰的方法

答：①屏蔽和接地。用良导体做传感器壳体，将传感元件包围起来，并可靠接地；用金属网套住导线彼此绝缘，金属网可靠接地；用双层屏蔽线可靠接地；用双层屏蔽罩且可靠接地；传感器与测量电路前置级一起装在良好屏蔽壳体内并可靠接地等②增加原始电容量，降低容抗③导线间的分布电容有静电感应，因此导线和导线之间要离得远，线尽可能短，最好成直角排列，若必须平行排列时可采用同轴屏蔽电缆线④尽可能一点接地，避免多点接地。地线要用粗的良导体或宽印制线。

4.零点残余电压

答：画出衔铁位移x与电桥输出电压U0有效值的关系曲线，虚线为理想特性曲线，实线为实际特性曲线，在零点总有一个最小的输出电压，一般把这个最小的输出电压为零点残余电压。产生原因：两电感线圈的等效参数不对称；如何减少：①（抑制）采用相敏整流电路②（减少）在设计和制造商应采取相应的措施：设计时应使上、下磁路对称；制造时应使上下磁性材料特性一致，磁筒、磁盖、磁心要配套挑选，线圈排列要均匀，送进要抑制，最好每层的匝数都相等③（控制不超过允许范围）在生产中以及在一起鉴定中一般还要进行必要的调整。

5.磁电式传感器与电感式传感器的比较

答：磁电式传感器是通过磁电作用将被测量（如振动、位移、转速等）转换成电信号的一种传感器。而电感式传感器利用线圈自感或互感的变化，实现测量的一种装置。一个是发电式的，一个是自发的。

6测量电路的种类

电容式传感器等效电路电桥电路二极管双T型电路差动脉冲调宽电路