传感器习题

如图是一种应用热敏电阻组成的电机过热保护线路，用开关K来控制电机是否工作，图中热敏电阻用正温度系数热敏电阻。

（1）简述A、B、C、D各部件的作用，（2）简述电路的工作原理。

(3)试说明该电路热电阻安装位置。

（10分）用镍铬-镍硅热电偶测量某低温箱温度，把热电偶直接与电位差计相连接。

在某时刻，从电位差计测得热电势为-1.19mv，此时电位差计所处的环境温度为15℃，试求该时刻温箱的温度是多少度？（5分）镍铬-镍硅热电偶分度表如下图所示，AD590的输出为1μA/K，分析电路，并指出U A应该为多大时，可使输出电压为BV/℃,B为多大？（10分）现需测量一电动机的转速，请设计一电路来测量，说明设计电路的原理，并画出测量电路安装位置示意草图现需测量一管道内气体的流速，请设计一电路来测量，说明设计电路的原理，并画出传感器安装在管道中的位置草图分析下面电路的工作原理，并指出R6与VD的作用。

4、如下图所示电路，试求在温度为10℃度时，输出电压为多少？若测得输出电压为746.3mV时，被测物体的温度是多少？设计一个电热饮水机水开警示电路，并简要说明其工作原理。

什么叫传感器？它由哪几部分组成？并说出各部分的作用及其相互间的关系。

答：传感器是能感受规定的被测量并按照一定的规律将其转换成可用输出信号的器件或装置。

通常传感器由敏感元件和转换元件组成。

敏感元件是指传感器中能直接感受或响应被测量的部分，转换元件是指传感器中将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于传输或测量的电信号部分。

由于传感器的输出信号一般都很微弱, 因此需要有信号调节与转换电路对其进行放大、运算调制等。

随着半导体器件与集成技术在传感器中的应用，传感器的信号调节与转换电路可能安装在传感器的壳体里或与敏感元件一起集成在同一芯片上。

此外，信号调节转换电路以及传感器工作必须有辅助的电源，因此信号调节转换电路以及所需的电源都应作为传感器组成的一部分。

传感器的静态特性指什么？衡量它的性能指标主要有哪些？答：传感器的静态特性是指被测量的值处于稳定状态时的输出—输入关系。

与时间无关。

主要性能指标有：线性度、灵敏度、迟滞和重复性等。

何谓压阻效应?扩散硅压阻式传感器与贴片型电阻应变式传感器相比有什么优点，有什么缺点?如何克服?答：“压阻效应”是指半导体材料（锗和硅）的电阻率随作用应力的变化而变化的现象。

优点是尺寸、横向效应、机械滞后都很小，灵敏系数极大，因而输出也大，可以不需放大器直接与记录仪器连接，使得测量系统简化。

缺点是电阻值和灵敏系数随温度稳定性差，测量较大应变时非线性严重；灵敏系数随受拉或压而变，且分散度大，一般在(3-5)%之间，因而使得测量结果有(±3-5)%的误差。

压阻式传感器广泛采用全等臂差动桥路来提高输出灵敏度，又部分地消除阻值随温度而变化的影响。

为什么压电式传感器不能用于静态测量，只能用于动态测量中？而且是频率越高越好？答：压电式传感器的测量基于压电效应，而且在测量时必须保证：压电元件在产生压电效应过程中必须没有电荷泄露。

在做静态测量时，要做到外力作用在压电元件时所产生的电荷能在无泄漏的情况下进行完全保存，这实际上是不可能的，因此压电式传感器用于静态测量是不合适的。

要实现测量时电荷无泄漏的条件，只有使压电元件在交变力的作用下，才能够促使压电效应产生的电荷不断得到补充，以供给测量回路一定的电流，因此说压电传感器只能用于动态测量。

而且频率越高，补充电荷的时间越短，保证测量时的无电荷泄露效果更好。

什么是霍尔效应？霍尔电势与哪些因素有关？答：置于磁场中的静止载流导体，当它的电流方向与磁场方向不一致时，载流导体上平行于电流和磁场方向上的两个面之间产生电动势，这种现象称霍尔效应。

霍尔器件工作产生的霍尔电势为IB K d IB R U H H H ==，由表达式可知，霍尔电势H U 正比于激励电流I 及磁感应强度B ，其灵敏度H K 与霍尔系数H R 成正比，而与霍尔片厚度d 成反比。

影响霍尔元件输出零点的因素有哪些？怎样补偿？答：影响霍尔元件输出零点的因素主要是霍尔元件的初始位置。

霍尔位移传感器，是由一块永久磁铁组成磁路的传感器，在霍尔元件处于初始位置0=∆x 时，霍尔电势H U 不等于零。

霍尔式位移传感器为了获得较好的线性分布，在磁极端面装有极靴，霍尔元件调整好初始位置时，可以使霍尔电势H U ＝0。

6-6 温度变化对霍尔元件输出电势有什么影响？如何补偿？答：霍尔元件的灵敏系数H K 是温度的函数，关系式为：()T K K H H ∆+=α10，大多数霍尔元件的温度系数α是正值，因此，它们的霍尔电势也将随温度升高而增加αΔT 倍。

补偿温度变化对霍尔电势的影响，通常采用一种恒流源补偿电路。

基本思想是：在温度增加的同时，让激励电流 I 相应地减小，并能保持 I K H ⋅乘积不变，也就可以相对抵消温度对灵敏系数H K 增加的影响，从而抵消对霍尔电势的影响。

在炼钢厂中，有时直接将廉价热电极（易耗品，例如镍铬、镍硅热偶丝，时间稍长即熔化）插入钢水中测量钢水温度，如图所示。

试说明测量钢水温度的基本原理？为什么不必将工作端焊在一起？ 要满足哪些条件才不影响测量精度？采用上述方法是利用了热电偶的什么定律？如果被测物不是钢水，而是熔化的塑料行吗？为什么？ 答：测量钢水温度的基本原理是利用了热电效应；因为钢水是导体，又处在同一个温度下，把钢水看作是第三导体接入，利用了热电偶的导体接入定律；如果被测物不是钢水，而是熔化的塑料不行，因为，塑料不导电，不能形成热电势 用热电偶测温时为什么要进行冷端温度补偿？其冷端温度补偿的方法有哪几种？答：由热电偶测温原理已经知道，只有当热电偶的冷端温度保持不变时，热电势才是被测温度的单值函数。

在实际应用时，往往由于热电偶的热端与冷端离得很近，冷端又暴露于空间，容易受到周围环境温度波动的影响，因而冷端温度难以保持恒定。

为此常采用下述几种冷端温度补偿或处理方法：（1）冰浴法：在实验室条件下常将热电偶冷端置于冰点恒温槽中，使冷端温度恒定在0℃时进行测温，这种方法称为冰浴法；（2）冷端温度修正：热电偶分度表是以冷端温度为0℃为基础而制成的，所以如欲直接利用分度表根据显示仪表的读数求得温度必须使冷端温度保持为0℃；（3）冷端补偿导线：实际测温时，由于热电偶长度有限，自由端温度将直接受到被测物温度和周围环境温度的影响；（4）冷端补偿器；（5）仪表机械零点调整法。

热电阻温度计有哪些主要优点？答：热电阻具有：（1）高温度系数、高电阻率。

这样在同样条件下可加快反应速度，提高灵敏度，减小体积和重量。

（2）化学、物理性能稳定。

以保证在使用温度范围内热电阻的测量准确性。

（3）良好的输出特性。

即有线性的或者接近线性的输出。

（4）良好的工艺性，适合批量生产、降低成本。

什么是光栅的莫尔条纹？莫尔条纹是怎样产生的？它具有什么特点？答：把两块栅距相等的光栅（光栅1、光栅2）面相对叠合在一起，中间留有很小的间隙，并使两者的栅线之间形成一个很小的夹角，这样就可以看到在近于垂直栅线方向上出现明暗相间的条纹，这些条纹叫莫尔条纹。

莫尔条纹的形成是由两块光栅的遮光和透光效应形成的。

1 —钢水包；2—钢熔融体； 3—热电极A 、 B 4 、7—补偿导线接线柱 5—补偿导线 6—保护管 8—毫伏表 9、10 —毫伏表接线柱莫尔条纹测量位移具有以下三个方面的特点：（1）位移的放大作用；（2）根据莫尔条纹移动方向就可以对光栅1的运动进行辨向。

（3）误差的平均效应。

莫尔条纹由光栅的大量刻线形成，对线纹的刻划误差有平均抵消作用，能在很大程度上消除短周期误差的影响。

光栅传感器的组成及工作原理是什么？答：在镀膜玻璃上均匀刻制许多有明暗相间、等间距分布的细小条纹（又称为刻线），这就是光栅。

把两块栅距相等的光栅（光栅1、光栅2）面相对叠合在一起，中间留有很小的间隙，并使两者的栅线之间形成一个很小的夹角，这样就可以看到在近于垂直栅线方向上出现明暗相间的条纹，这些条纹叫莫尔条纹。

在两块光栅的栅线重合位置，透光面积最大，形成条纹的亮带，它是由一系列四棱形图案构成的；在两块光栅的栅线错开位置，形成条纹的暗带，它是由一些黑色叉线图案组成的。

因此光栅读数头利用光栅原理把输入量（位移量）转换成相应的电信号。

什么叫光电效应？光电效应有哪几种？什么叫外光电效应、内光电效应、光电导效应、光生伏特效应？答：1）、光电效应：当一个光子和原子相碰撞时，将其能量全部交给某一轨道电子，使它脱离原子，光子则被吸收，这种现象称为光电效应。

2）、光电效应分为外光电效应、内光电效应两种，内光电效应又分为光电导和光电伏特效应。

3）、外光电效应：在光线作用下，物体内的电子溢出物体表面向外发射的现象称为外光电效应。

4）、内光电效应:在光线作用下，物体的导电性能发生变化或产生光生电动势的效应称为内光电效应。

5)、光电导效应：在光线作用下，对于半导体材料吸收了入射光子能量，若光子能量大于或等于半导体材料的禁带宽度，就激发出电子—空穴对，使载流子浓度增加，半导体的导电性增加，阻值减低，这种现象称为光电导效应。

6）、光电伏特效应：在光线的作用下能够使物体产生一定方向的电动势的现象称为光电伏特效应。

基于该效应的光电器件有光电池。

热敏电阻的伏安特性如下图所示，根据它分析其可能的测量对象是些什么？当流过热敏电阻的电流很小时:（伏安特性曲线的左部分）不足以使之加热。

电阻值只决定于环境温度，伏安特性是直线，遵循欧姆定律。

主要用来测温。

当电流增大到一定值时：（伏安特性曲线的左部分）流过热敏电阻的电流使之加热，本身温度升高，出现负阻特性。

因电阻减小，即使电流增大，端电压反而下降。

其所能升高的温度与环境条件(周围介质温度及散热条件)有关。

当电流和周围介质温度一定时，热敏电阻的电阻值取决于介质的流速、流量、密度等散热条件。

可用它来测量流体速度和介质密度。

光栅产生的莫尔条纹有光学放大作用，可以将光栅左右移动方向转换成莫尔条纹人上下移动，如下图所示，指示光栅沿着刻线垂直方向向右移动时，莫尔条纹将沿着主光栅栅线向下移动；指示光栅向左移动时，莫尔条纹沿着主光栅的栅线向上移动。