传感器原理作业
传感器原理及工程应用作业
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3—1。
什么是应变效应？什么是压阻效应？利用应变效应和压阻效应解释金属电阻应变片和半导体应变片的工作原理。
(2)3—2。
试述应变片温度误差的概念，产生原因和补偿方法。
(2)3.试用应变片传感器实现一种应用。
(3)第四章 (3)4-1。
说明差动变隙式电感传感器的主要组成、工作原理和基本特征。
(3)4 —3。
差动变压器式传感器有哪几种结构形式?各有什么特点? (3)4—10。
何为涡流效应?怎用利用涡流效应进行位移测量？ (3)4—11。
电涡流的形成范围包括哪些内容？他们的主要特点是什么？ (3)5。
用电感式传感器设计应用 (4)第五章 (4)5-1.根据工作原理可以将电容式传感器分为哪几类？每种类型各有什么特点？各适用于什么场合? (4)5-9.简述差动式电容测厚传感器系统的工作原理。
(4)第六章 (4)6-1.什么叫正压电效应和逆压电效应？什么叫纵向压电效应和横向压电效应？ (4)6—3.简述压电陶瓷的结构及其特性。
(4)3。
利用压电式传感器设计一个应用系统 (5)第七章 (5)7-4。
什么是霍尔效应？霍尔电势与哪些因素有关？ (5)7-6。
温度变化对霍尔元件输出电势有什么影响?怎样补偿? (5)第八章 (5)8-1.光电效应有哪几种？相对应的光电器件有哪些? (5)8—2.试述光敏电阻、光敏二极管、光敏晶体管和光电池的工作原理，在实际应用时各有什么特点？ (6)8-6。
光在光纤中是怎样传输的？对光纤及入射光的入射角有什么要求? (6)8-7。
试用光电开关设计一个应用系统. (6)第九章 (7)9—1。
简述气敏元件的工作原理 (7)9-2。
各类传感器的工作原理
各类传感器的工作原理传感器是一种能够检测和感知周围环境，并将其转化为可用信号的装置。
传感器在各个领域中起着极为重要的作用，从智能手机中的加速度传感器到汽车中的车速传感器，从医疗设备中的心率传感器到环境监测中的温度传感器，都体现了传感器在现代生活中的广泛应用。
下面将介绍几种常见的传感器及其工作原理。
1.光电传感器：光电传感器是基于光电效应的原理工作的。
光电效应是指当光照射到物体表面时，光中的能量被物体吸收，电子被激发而从原子中跃迁，产生电流。
光电传感器利用光电效应将光信号转化为电信号，可以用于测量光的强度、距离或光的频率等。
2.压力传感器：压力传感器是利用压力作用在压敏电阻或压电材料上变化的阻值或电荷来测量压力的。
当外力施加在压阻上时，导电粒子（电子或离子）运动受到阻碍，阻值发生变化，通过测量电阻的变化来确定压力的大小。
3.温度传感器：温度传感器利用材料在温度变化时导电性或热传导性的变化原理来测量温度。
常用的温度传感器有热敏电阻、热电偶和温度敏感电容等。
热敏电阻是利用材料的电阻随温度的变化而变化；热电偶则是利用两种不同材料的接触产生热电势差，通过测量热电势差来计算温度；温度敏感电容则是通过测量电容的变化来确定温度。
4.加速度传感器：加速度传感器是利用物体在加速或减速时所产生的惯性力来测量加速度的。
常用的加速度传感器有电容式加速度传感器和压电式加速度传感器。
电容式加速度传感器通过测量电容的变化来确定加速度；压电式加速度传感器则是利用压电效应和加速度之间的关系来测量加速度。
5.湿度传感器：湿度传感器是利用材料的吸湿性或湿度对电阻、电容或电抗等性能的影响来测量湿度的。
常用的湿度传感器有湿度敏感电阻、湿度敏感电容和湿度敏感电感等。
湿度敏感电阻通过测量电阻的变化来计算湿度；湿度敏感电容则是通过测量电容的变化来确定湿度。
总之，传感器的工作原理各异，但都是基于其中一种物理效应或电学特性的变化来实现对周围环境的感知和检测。
传感器作业一
传感器作业一、设计一种传感器应用实例：压电式传感器压电式传感器工作原理：它是以某些电介质的压电效应为基础，在外力的作用下，在电介质的表面上产生电荷，实现力与电荷的转接，从而完成非电量如动态力、加速度等的检测，但不能用于静态参数的测量。
压电效应：某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，内部会产生极化现象，同时在其表面上产生电荷；当外力去掉后，又重新回到不带电的状态；当作用力方向改变时，电荷的极性也随之改变，这种现象称为压电效应。
应用方案：我的方案是应用在鼠标上，现在是冬季来领，玩电脑时手不能取暖，因此我想到运用压电式传感器，在鼠标外面装一个套子，里面放入散热片，在鼠标面上装上压电式传感器连接到散热片，这样当我们在玩电脑时手伸进套子里就不会冷了，当然键盘上也可以诸如此类设置。
电路图：二、查找并写出教材以外的一种传感器的工作原理，应用实例：烟雾传感器烟雾传感器工作原理：烟雾报警器就是通过监测烟雾的浓度来实现火灾防范的，烟感器内部采用离子式烟雾传感，离子式烟雾传感器是一种技术先进，工作稳定可靠的传感器，被广泛运用到各种消防报警系统中，性能远优于气敏电阻类的火灾报警器。
它在内外电离室里面有放射源媚241，电离产生的正、负离子，在电场的作用下各自向正负电极移动。
在正常的情况下，内外电离室的电流、电压都是稳定的。
一旦有烟雾窜逃外电离室。
干扰了带电粒子的正常运动，电流，电压就会有所改变，破坏了内外电离室之间的平衡，于是无线发射器发出无线报警信号，通知远方的接收主机，将报警信息传递出去。
烟雾传感器检测原理：在探测器的电离室内放α放射源Am241，其不断地持续放射出α粒子射线，以高速运动撞击空气中的氮、氧等分子，在α粒子的轰击下引起电离，产生大量的带正负电荷的离子，从而使得原来不导电的空气具有导电性，当在电离室两端加上一定的电压后，使得空气中的正负离子向相反的电极移动，形成电离电流。
具体电流的大小与电离室本身的几何形状、放射度、 粒子能量、电极电压的大小及空气的密度、温度、湿度和气流速度等因素有关烟雾传感器特征：整机电路由稳压、信号检测、信号处理、比较触发、信号输出及声光报警等电路组成用途：烟雾传感器用于煤矿井下有瓦斯和煤尘爆炸危险及火灾危险的场所，能对烟雾进行就地监测、遥测和集中监视，能输出标准的开关信号，并能与国内多种生产安全监测系统及多种火灾监控系统配套使用。
传感器大作业
1 电容式油量表工作原理当油箱中无油时，电容传感器的电容量为CX0，调节匹配电容使C0=CX0，并使电位器RP的滑动臂位于0点，即RP的电阻值为0。
此时，电桥满足CX0/C0=R4/R3的平衡条件，电桥输出为零。
伺服电动机不转动，油量表指针偏转角0=0。
当油箱中注满油时，液位上升至h处，CX=CX0+ΔCX，而ΔCX与h成正比，此时，电桥失去平衡，电桥的输出电压UX放大后驱动伺服电动机，经减速后带动指针偏转，同时带动RP的滑动臂移动，从而，使RP阻值增大。
当RP阻值大到一定值时，电桥又达到新的平衡状态，UX=0，于是，伺服电动机停转，指针停留在转角为0处。
由于指针及可变电阻的滑动臂同时为伺服电动机所带动，因此，RP的阻值与0之间存在着确定的对应关系，即0正比于RP的阻值，而RP的阻值又正比于液位的高度h。
因此，可直接从刻度盘上读得液位高度h。
该装置采用了零位式测量方法，所以，放大器的非线性及温漂对测量精度影响不大。
2 . 超声波传感器的工作原理人们能听到声音是由于物体振动产生的，它的频率在20HZ -20KHZ 范围内，超过20KHZ称为超声波，低于20HZ的称为次声波。
常用的超声波频率为几十KHZ-几十MHZ。
超声波是一种在弹性介质中的机械振荡，有两种形式：横向振荡（横波）及纵和振荡（纵波）。
在工业中应用主要采用纵向振荡。
超声波可以在气体、液体及固体中传播，其传播速度不同。
另外，它也有折射和反射现象，并且在传播过程中有衰减。
在空气中传播超声波，其频率较低，一般为几十KHZ，而在固体、液体中则频率可用得较高。
在空气中衰减较快，而在液体及固体中传播，衰减较小，传播较远。
利用超声波的特性，可做成各种超声传感器，配上不同的电路，制成各种超声测量仪器及装置，并在通迅，医疗家电等各方面得到广泛应用。
超声波传感器主要材料有压电晶体（电致伸缩）及镍铁铝合金（磁致伸缩）两类。
电致伸缩的材料有锆钛酸铅（PZT）等。
传感器原理及工程应用作业
目录第三章 (5)3-1.什么是应变效应？什么是压阻效应？利用应变效应和压阻效应解释金属电阻应变片和半导体应变片的工作原理。
(5)3-2.试述应变片温度误差的概念，产生原因和补偿方法。
(5)3.试用应变片传感器实现一种应用。
(6)第四章 (6)4-1.说明差动变隙式电感传感器的主要组成、工作原理和基本特征。
(6)4 -3.差动变压器式传感器有哪几种结构形式？各有什么特点？ (6)4-10.何为涡流效应？怎用利用涡流效应进行位移测量？ (7)4-11.电涡流的形成范围包括哪些内容？他们的主要特点是什么？ (7)5.用电感式传感器设计应用 (8)第五章 (8)5-1.根据工作原理可以将电容式传感器分为哪几类？每种类型各有什么特点？各适用于什么场合？ (8)5-9.简述差动式电容测厚传感器系统的工作原理。
(8)第六章 (9)6-1.什么叫正压电效应和逆压电效应？什么叫纵向压电效应和横向压电效应？ (9)6-3.简述压电陶瓷的结构及其特性。
(9)3.利用压电式传感器设计一个应用系统 (10)第七章 (10)7-4.什么是霍尔效应？霍尔电势与哪些因素有关？ (10)7-6.温度变化对霍尔元件输出电势有什么影响？怎样补偿？ (10)第八章 (11)8-1.光电效应有哪几种？相对应的光电器件有哪些？ (11)8-2.试述光敏电阻、光敏二极管、光敏晶体管和光电池的工作原理，在实际应用时各有什么特点？ (11)8-6.光在光纤中是怎样传输的？对光纤及入射光的入射角有什么要求？ (12)8-7.试用光电开关设计一个应用系统。
(13)第九章 (13)9-1.简述气敏元件的工作原理 (13)9-2.为什么多数气敏元件都附有加热器 (13)9-3.什么叫湿敏电阻？湿敏电阻有哪些类型？各有什么特点？ (14)第十章 (14)10-1.超声波在介质中传播具有哪些特性？ (14)10-2.图10-3中，超声波探头的吸收块作用是什么？ (15)10-3.超声波物位测量有几种方式?各有什么特点？ (15)10-5.已知超声波探头垂直安装在被测介质底部，超声波在被猜测介质中的传播速度为1460m/s，测得时间间隔为28μs，试求物位高度？ (15)第十一章 (15)11-1.简述微波传感器的测量机理。
传感器原理与应用作业参考答案
《传感器原理与应用》作业参考答案作业一1.传感器有哪些组成部分？在检测过程中各起什么作用？答：传感器通常由敏感元件、传感元件及测量转换电路三部分组成。
各部分在检测过程中所起作用是：敏感元件是在传感器中直接感受被测量，并输出与被测量成一定联系的另一物理量的元件，如电阻式传感器中的弹性敏感元件可将力转换为位移。
传感元件是能将敏感元件的输出量转换为适于传输和测量的电参量的元件，如应变片可将应变转换为电阻量。
测量转换电路可将传感元件输出的电参量转换成易于处理的电量信号。
2.传感器有哪些分类方法？各有哪些传感器？答：按工作原理分有参量传感器、发电传感器、数字传感器和特殊传感器；按被测量性质分有机械量传感器、热工量传感器、成分量传感器、状态量传感器、探伤传感器等；按输出量形类分有模拟式、数字式和开关式；按传感器的结构分有直接式传感器、差分式传感器和补偿式传感器。
3.测量误差是如何分类的？答：按表示方法分有绝对误差和相对误差；按误差出现的规律分有系统误差、随机误差和粗大误差按误差来源分有工具误差和方法误差按被测量随时间变化的速度分有静态误差和动态误差按使用条件分有基本误差和附加误差按误差与被测量的关系分有定值误差和积累误差。
4.弹性敏感元件在传感器中起什么作用？答：弹性敏感元件在传感器技术中占有很重要的地位，是检测系统的基本元件，它能直接感受被测物理量〔如力、位移、速度、压力等〕的变化，进而将其转化为本身的应变或位移，然后再由各种不同形式的传感元件将这些量变换成电量。
5.弹性敏感元件有哪几种基本形式？各有什么用途和特点？答：弹性敏感元件形式上基本分成两大类，即将力变换成应变或位移的变换力的弹性敏感元件和将压力变换成应变或位移的变换压力的弹性敏感元件。
变换力的弹性敏感元件通常有等截面轴、环状弹性敏感元件、悬臂梁和扭转轴等。
实心等截面轴在力的作用下其位移很小，因此常用它的应变作为输出量。
它的主要优点是结构简单、加工方便、测量范围宽、可承受极大的载荷、缺点是灵敏度低。
传感器原理及检测技术部分课后作业答案
部分课后作业答案2-8． 标称电阻为100Ω的应变计贴在弹性试件上。
设试件的截面积 S=1×10-5m 2，弹性模量E=2×1011 N ／m 2，若由1．0×104N 的拉力作用，使应变计的电阻相对变化为1％，试求此应变计的灵敏度系数。
解：∵灵敏度系数εRR K /∆=，又已知%1=∆RR，F=1.0×104 N ，S=1×10-5m 2，∴ )/(101101100.129254m N mN S F ⨯=⨯⨯==-σ 由εσ⋅=E ，可得321129105)/(102)/(101-⨯=⨯⨯==m N m N E σε 所以，灵敏度系数2105%1/3=⨯=∆=-εRR K2-9． 将4片相同的金属丝应变片贴在实心圆柱形测力弹性元件上，如题2.9图所示。
设应变片的灵敏度系数K=2，作用力F=1 000kg 。
圆柱形横截面半径r=1cm ，弹性元件的杨氏模量E=2×107N ／cm 2，泊松比μ＝0.285。
求：(1)画出应变片贴在圆柱上的位置图及相应测量电桥的原理图； (2)各应变片的应变ε；(3)若测量电路采用电桥电路，设供电桥电压E ＝6V ，桥路输出电压U o 为多少?(4)这种测量方法对环境温度的变化能否具有补偿作用?试说明原因。
解：⑴将R 1～R 4四片应变片按图2－9（a ）所示粘贴，其中R 1、R 3沿轴向粘贴，测量轴向应变，R 2、R 4沿径向粘贴，测量径向应变。
测量电桥为全桥测量电路， R 1与R 3置于电桥的一对角线上，R 2与R 4置于电桥的另一对角线上，如右图2－9（b ）所示。
题2.9 图⑵∵)(1500105.1)/(102)01.0(14.3/8.9100032722μεπσε=⨯=⨯⨯⨯====-cm N m N Er FE A FE∴εK R R R R =∆=∆3311， R 1与R 3的纵向应变（轴向应变）ε为1500με；μεεK K R R R R r -==∆=∆4422 ，式中μ为泊松比，μ＝0.285。
第三章习题与作业
第四章 传感器原理习题4-1以阻值R =120Ω，灵敏系数K =2.0的电阻应变片与阻值120Ω的固定电阻组成电桥，供桥电压为3V ，并假定负载电压为无穷大，当应变片的应变为2με和2000με时，分别求出单臂、双臂差动电桥的输出电压，并比较两种情况下的灵敏度。
4-2 在材料为钢的实心圆柱试件上，沿轴线和圆周方向各贴一片电阻为Ω120的金属应变片R 1和R 2，把这两片应变片接入差动电桥(题图4-2)。
若钢的泊松比μ=0.285，应变片的灵敏系数K =2，电桥的电源电压U i=2V ，当试件受轴向拉伸时，测得应变片R 1的电阻变化值∆R =0.48Ω，试求电桥的输出电压U 0；若柱体直径d =10mm ，材料的弹性模量211N/m 102E ⨯=，求其所受拉力大小。
题图4-2 差动电桥电路4-3 一台采用等强度的梁的电子称，在梁的上下两面各贴有两片电阻应变片，做成称重量的传感器，如习题图4-3所示。
已知l =10mm ，b 0=11mm ，h =3mm ， 24N/mm 102.1E ⨯=，K =2，接入直流四臂差动电桥，供桥电压6V ，求其电压灵敏度(K u=U 0/F)。
当称重0.5kg 时，电桥的输出电压U 0为多大?题图4-3悬臂梁式力传感器4-4 有四个性能完全相同的应变片(K =2.0)，将其贴在习题图4-4所示的压力传感器圆板形感压膜片上。
已知膜片的半径R =20mm ，厚度 h =0.3mm ，材料的泊松比μ=0.285，弹性模量211N/m 102E ⨯=。
现将四个应变片组成全桥测量电路，供桥电压U i=6V 。
求：(1)确定应变片在感压膜片上的位置，并画出位置示意图；(2)画出相应的全桥测量电路图；(3)当被测压力为0.1MPa 时，求各应变片的应变值及测量桥路输出电压U 0；(4)该压力传感器是否具有温度补偿作用?为什么?(5)桥路输出电压与被测压力按是否存在线性关系?题图4-4 膜片式压力传感器4-5一测量线位移的电位器式传感器，测量范围为0~10mm ，分辨力为0.05mm ，灵敏度为2.7V/mm ，电位器绕线骨架外径d =0.5mm ，电阻丝材料为铂铱合金，其电阻率为mm Ω103.25ρ4⋅⨯=-。
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8-2 试述光敏电阻、光敏二极管、光敏晶体管和光电池的工作原理，在实际应用时各有什么特点？
答：原理:
1、光敏电阻是内光电效应器件，它是利用光电导效应。
即当光敏电阻受到光照时，光生电子—空穴对增加，阻值减小，电流增大。
2、光敏二极管结构与一般二极管相似。
装在透明玻璃外壳中，PN结装在管的顶部，可直接受到光照射。
在电路中光敏二极管一般处于反向工作状态，在没有光照射时，反向电流很小，称为暗电流；当光照射在PN结上，使PN结附近产生光生电子—空穴对，在PN 结处内电场作用下定向运动，形成光电流。
光的照度越大，光电流越大。
因此，光敏二极管在不受光照射时处于截止状态，受光照射时处于导通状态。
3、光敏晶体管具有两个PN结，发射极一边做得很大，以扩大光的照射面积。
当集电极加上相对于发射极为正的电压而不接基极时，集电结就是反向偏压，当光照射在集电结时，在结附近产生电子—空穴对，会有大量的电子流向集电极，形成输出电流，且集电极电流为光电流的β倍，所以光敏晶体管有放大作用。
4、光电池是因为有较大面积的PN结，当光照射在PN结上时，在结的两端出现电动势，从而成为电源。
特点：
1、光敏电阻的灵敏度与入射光波的波长有关系，而且初制成的光敏电阻由于电阻体与其介质的作用还没有达到平衡，性能不稳定。
需要在人工加温、光照及加负载情况下，性能可达稳定。
不过在稳定平衡之后光敏电阻的性能就变得很稳定了，而且光敏电阻使用寿命在密封良好、使用合理的情况下几乎是无限长的
2、光敏二极管是在有光照时导通无光照时截止，在实际应用中药对光敏二极管的暗电流进行补偿，否则会导致输出误差。
3、光敏三极管的频率特性受负载电阻的影响，减小负载电阻可以提高频率响应范围，但输出电压响应也减小，另外，光敏三极管也需要对暗电流进行补偿。
4、与其他的原件都不同，光电池可以作为电源使用，而且硅光电池的价格便宜，转换效率高，寿命长，适于接受红外光。
8-3光电耦合器分为哪两类？各有什么用途？
答：光电耦合器件可分为线型CCD图像传感器和面型CCD图像传感器两类。
线型CCD 图像传感器可以直接接收一维光信息，但是不能直接讲而为图像先好转换为视频信号输出，为了得到整个二维图像的视频信号，就必须使用扫描的方法，而民星CCD图像传感器主要用于摄像机及测试技术。
8-6光在光纤中怎样传输的？对光纤及入射角有什么要求？
答;光在光纤中通过全反射传输，光的传播路径是一条折线，，由于光线入射到光纤中需要满足在光纤中全反射的要求，所以光线的入射角要满足：
8-7光纤数值孔径NA的物理意义是什么？对NA的取值大小有什么样的要求？
答：光纤的数值孔径是表征光纤集光本领的一个重要参数，即反应光纤接受光量的多少。
一般希望有大的数值孔径，这样有利于提高耦合效率，但是数值孔径过大，会造成信号畸变，
所以要选择适当的数值孔径值，如石英光纤的数值孔径一般为0.2~0.4。
9-1简述气敏元件的工作原理。
答：电阻型半导体气敏传感器利用气体在半导体表面的氧化和还原反应导致敏感元件阻
值变化而制成的。
当半导体器件被加热到稳定状态，在气体接触半导体表面而被吸附时，被
吸附的分子先在表面物性自由扩散，失去运动能量，一部分分子被蒸发掉，另一部分残留分
子产生热分解而固定在吸附处（化学吸附）。
当氧化型气体吸附到N 型、还原型气体吸附到
P 型半导体上时，半导体载流子减少，而使电阻值增大。
当还原型气体吸附到N 型、氧化
型气体吸附到P 型半导体上时，则载流子增多，使半导体电阻值下降。
气体浓度发生变化，
阻值也变化。
据此，可从阻值的变化得知吸附气体的种类和浓度。
9-3什么叫做湿敏电阻？湿敏电阻有哪些类型？各有什么特点？
答：湿敏电阻是指能够感受外界湿度变化，并通过材料物理或化学性质变化将湿度转化
成相应的阻值变化的电阻。
湿敏电阻可以分为氯化锂湿敏电阻和半导体陶瓷湿敏电阻两类。
氯化锂湿敏电阻的特点是滞后小，不受测试环境风速影响，检测精度达-5%~+5%，但其耐
热性能差，不能用于露点一下测量，器件性能往复性不理想，使用寿命短。
陶瓷型传感器根
据材料来分种类繁多，各有各的有点和缺点，大多数的陶瓷传感器有很好的稳定性，有的还
不需要加热，而且可以做的体积很小。
9-4根据半导体色敏传感器的结构和等效电路，描述其工作原理。
答：等效电路图如下
等效电路图
结构图
212
当光入射时，两个PN结间的势垒区中都有光子吸收，但是效果不同，在此，深结对紫外光部分吸收系数大而红外部分吸收系数小，这类光波则主要在深结区吸收，因此深结的那只光电管对红外光灵敏度高。
这就说明在半导体中不同区域对不同的波长有不同的灵敏度，从而可以可以构成能辨别不同波长的色敏传感器。