传感器主要知识点

1.传感器

定义 传感器是一种以一定的精确度把被测量转化为与之有确定对应关系的、便于精确处理和应用的另一种量的测量装置或系统。

静态特性 指传感器在输入量的各个值处于稳定状态时的输出与输入的关系，即当输入量是常量或变化极慢时，输出和输入的关系。

动态特性 输入量随时间动态变化时，传感器的输出也随之变化的回应特性。

扩展 一阶环节 微分方程为

a1dt

dy +a0y=b0x 令τ=a1／a0为时间常数，K=b0／a0为静态灵敏度 即（τs+1）y=Kx 频率特性y （j ω）／x （j ω）=K ／（j ωτ+1）.课后习题1-10

2.金属的电阻应变效应：导体或半导体在受到外力的作用下，会产生机械形变，从而导致其电阻值发生变化的现象。

应变式电阻传感器主要由电阻应变计、弹性元件和测量转换电路三部分构成；被测量作用在弹性元件上，弹性元件作为敏感元件，感知由外界物理量（力、压力、力矩等）产生相应的应变。

3.实际应用中对应变计进行温度补偿的原因，补偿方法及其优缺点

原因：由于环境温度所引起的附加的电阻变化与试件受应变所造成的电阻变化几乎在相同的数量级上，从而产生很大的测量误差。

补偿方法：A 自补偿法a 单丝自补偿法 优点是结构简单，制造使用方便，成本低，缺点是只适用于特定的试件材料，温度补偿范围也狭窄。b 组合式补偿法 优点是能达到较高精度的补偿，缺点是只适用于特定的试件材料。B 线路补偿法a 电桥补偿法 优点是结构简单，方便，可对各种试件材料在较大温度范围内进行补偿。缺点是在低温变化梯度较大的情况下会影响补偿效果。b 热敏电阻补偿法 补偿良好。C 串联二极管补偿法 可补偿应变计的温度误差。

4.变隙式电感传感器的结构、工作原理、输出特性及其差动变隙式传感器的优点

由线圈、铁芯和衔铁构成；在线圈中放入圆柱形衔铁当衔铁上下移动时，自感量将相应变化，构成了电感式传感器 输出函数为L=ω2μ0S0／2δ 其中μ0为空气的磁导率，S0为截面积，δ为气隙厚度。优点 可以减小气隙厚度带来的误差。

5.电感式传感器和差动变压器传感器的零点残余误差产生原因，如何消除

原因①两个电感线圈的等效参数不对称，使其输出的基波感应电动势的幅值和相位不同，调整磁芯位置时也不能达到幅值和相位同时相同；

②传感器的磁芯的磁化曲线是非线性的，所以在传感器线圈中产生高次谐波。而两个线圈的非线性不一致使高次波不能相互抵消。

措施 ⑴在设计和工艺上，要求做到磁路对称、线圈对称，磁芯材料要均匀，特性要一致；两个线圈要均匀，紧松一致。

⑵采用拆圈的试验方法，调整两线圈的等效参数，使其尽量相同。

⑶在电路上进行补偿。

6.改善单组式变极距型电容式传感器的非线性

传感器输出特性的非线性随相对位移△δ／δ0的增加而增加，为了保证线性度，应限制相对位移的大小。

一般采用差动式结构，使之在结构上对称，减小非线性误差。

电容式传感器工作原理：两平行极板组成的电容器，不考虑边缘效应，其电容C=εS ／δ式中ε 极板间介质的介电常数 S 极板的遮盖面积 δ 极板间的距离

当被测量的变化使式中的εδS 任一参量发生变化时，电容C 也随之变化。

7.正压电效应和逆压电效应及常用的压电材料

由于机械力的作用使石英晶体表面出现电荷的现象

由于电场作用使压晶体管产生形变的现象

材料a单晶压晶体管：石英、硫酸锂、磷酸二氢铵等；多晶压电陶瓷：报化的铁电陶瓷锆钛酸铅和铌酸铅；某些高分子压电薄膜：聚偏二氟乙烯及其化合物。

超声波有纵波、横波、表面波、兰姆波。

根据超声场中质点的振动与声能量传播方向之间的关系来分。

8.不能用压电式传感器测量变化缓慢的信号的原因

原因当敏感元件受到静态力时，电极上产生电子电荷，电压检测电路的内阻会导致这些电子流失，若用来检测变化比较缓慢的信号，输出信号可能会这时间的消失。

9.磁电式传感器的类型和工作原理

磁电式传感器分为相对运动式磁电感应传感器和磁阻式磁电感应传感器；前者又分为动圈式和动铁芯两种结构类型；后者分为开磁和闭磁路两类。

磁电式传感器是以电磁感应原理为基础的，由E=-NdΦ／dt=NBlv可知分为定磁通式和变磁通式传感器。

10.比较热电偶、热电阻、热敏电阻三种热电式传感器的特点及其测量线路的要求

热电偶特点结构简单、性能稳定、准确度高，测量范围广；

热电阻特点a有较大的温度系数和较高的电阻率，以减小体积和质量，减小热惯性、改善动态特性，提高灵敏度b有线性或近是线性输出c在测量范围内热电阻材料的化学、物理性质稳定d良好的工艺性复现性好，易于批量生产

热敏电阻特性a温度升高，电阻变小与金属电阻相反b电阻对温度的变化率是热电阻的10倍以上，灵敏度高c结构简单体积小重量轻回应速度快d适合批量生产价格便宜。

热电偶的测量电路要加温度补偿电路；

热电阻的测量电路的引线本身具有一定的阻值，且与热电阻相串联，且引线电阻的阻值时随着环境温度而变，会造成测量误差，必须采用相应的测量线路来改善测量精度；

热敏电阻的测量电路中应对热敏电阻进行线性化。

常见热电偶：铂铑30-铂铑6热电偶、铂铑10-铂热电偶、镍铬-镍硅热电偶、镍铬-康铜热电偶、铜-康铜热电偶。

11.补偿导线的作用连接导线和显示仪器；使用补偿导线的原则不影响回路的总电动势。

12.光电效应分类，对每类光电效应列举两种光电器件

光电效应分外光电效应和内光电效应，内光电效应又分为光电导效应和光电伏特效应，外光电效应器件有光电管和光电倍增管，光电伏特效应器件包括光电池，半导体发光二极管；光电导效应器件单晶型、多晶型光敏电阻。

13.光电传感器是将被测量的变化转化成光量的变化，再通过光电元件把光量的变化转换成电信号的一种测量装置。它具有体积小、重量轻、回应快、灵敏度高的、功耗低、便于集成、易于实现非接触测量的优点。

它主要由光源、光学通路和光电探测器件三部分组成。

14.数字式传感器是指传感器的输出信号是数字量；其优点测量精度和解析度更高，稳定性更好，抗干扰能力更强，易于与微型计算机界面相连，组成智能控制系统，也方便信号的传输和处理。

15.光栅是由很多等节距的透光缝隙和不透光的刻线均匀相间排列构成的光器件。按工作原理，有物理光栅和计量光栅之分，物理光栅主要利用光的衍射现象，计量光栅主要利用光栅的莫尔条纹现象，主要用于位移和角位移的测试，它主要应用于高精度加工机床、光学坐标镗床、大规模集成电路制造设备和高精度测试仪器等，它具有测量结构简单、测量精度高、

易于与计算机连接等优点。

光栅传感器作为一个完整的测量装置，主要由光栅、光电转换装置和调理电路组成，包括光栅读数表、光栅数显表两大部分。光栅读数表利用读数原理把位移量转换成相应的电信号；光栅数显表是实现细分、辨向和显示功能的电子系统。

16.将机械运动的模拟量转化成以数字代码形式表示的电信号，这类传感器称为编码器。它有高精度、高分辨率和高可靠性等优点。

增量编码器（脉冲盘式编码器）注重分辨率的求法习题9-8 λ＝φ／n＝8.79°／100＝0.0879°

17.光纤传感器

原理光纤不仅可以作为光波的传播介质，而且光波在光纤中传播时，表征光波的特征参量（振幅、相位、偏振态、波长等）因外界因素（压力、温度、磁场、电场、位移、转移等）的作用而间接或直接地发生变化，据此可测量出引起这个变化的各种物理量。

特点a抗电磁干扰、电绝缘、耐腐蚀，本质安全；b灵敏度高；c重量轻，体积小，外形可变，可绕；d测量对象广泛，对被测介质影响小，便于复用，便于成网，成本低。

18.偏振态调制传感型光纤传感器

定义利用光在传播过程的偏振态的变化对被测对象进行检测的光纤传感器。

改变光波的偏振态的方法a利用光在处于磁场中的介质内传播的法拉第效应；b利用光在电场中的压晶体管内传播的电光效应c利用物质的光弹效应；d利用光的双折射特性等。

其典型例子就是利用光在磁场中介质内传播的法拉第效应制作的用于高压传输线的光纤电流传感器。

光纤材料的法拉第效应旋转角度ω与磁场强度H、磁场中光纤的长度L有下列关系

ω＝VHL 式中V为菲尔德常数，由于载流导体在周围空间产生的磁场满足安培环路定律，对于长直导线有H＝I／（2πR）

因此只要测出ω，L，R等值，就可由ω＝VLI／2πR＝VNI求出电流I 式中N是绕在导线上的光纤的总圈数。课后习题10-10

19.智能传感器

定义以微处理器为核心单元，具有检测、判断和信息处理等功能的传感器。

智能化的途径a采用微处理器或微型计算机系统以强化和提高传统传感器的功能，即传感器与微处理器为两个独立单元；b借助于半导体技术把传感器部分与信号预处理电路、输入输出界面、微处理器等制作在同一芯片上，即形成大规模集成电路智能传感器。

功能a控制功能b数据处理功能c数据传输功能

主要特点①提高了灵敏度和测量精度②提高测量的稳定性和可靠性，可减小外界干扰。进行有选择性的测量③信噪比高、分辨力强④自补偿能力⑤自校准功能⑥自诊断功能⑦双向通信功能⑧自适应性强⑨组态功能。