现代传感技术复习思考题2

1问：传感器的基本概念是什么？一般情况下由哪几部分组成？答：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器件或装置。敏感元件转换元件转换电路2问：传感器有几种分类形式，各种分类之间有什么不同？答：共有10种分类形式。根据传感器的工作机理：基于物理效应、基于化学效应、基于生物效应；传感器的构成原理：结构型与物性型；能量转换情况：能量转换型和能量控制型；根据传感器的工作原理分类：可分为电容式、电感式、电磁式、压电式、热电式、气电式、应变式等；根据传感器使用的敏感材料分类：可分为半导体传感器、光纤传感器、陶瓷传感器、高分子材料传感器、复合材料传感器等；根据传感器输出信号为模拟信号或数字信号：可分为模拟量传感器和数字量（开关量）传感器；根据传感器使用电源与否：可分为有源传感器和无源传感器；根据传感器与被测对象的空间关系：可分为接触式传感器和非接触式传感器；根据与某种高新技术结合而得名的传感器：如集成传感器、智能传感器、机器人传感器、仿生传感器等；根据输入信息分类：可分为位移、速度、加速度、流速、力、压力、振动、温度、湿度、粘度、浓度等。3问：举例说明结构型传感器与物性型传感器的区别。答：结构型：利用物理学中场的定律构成的，特点是其工作原理是以传感器中元件相对位置变化引起场的变化为基础，而不是以材料特性变化为基础。其基本特征是以其结构的部分变化或变化后引起场的变化来反映被测量（力、位移等）的变化。如电容传感器利用静电场定律研制的结构型传感器。物性型：利用物质定律构成的,如虎克定律、欧姆定律等。物质定律是表示物质某种客观性质的法则。这种法则，大多数是以物质本身的常数形式给出。这些常数的大小，决定了传感器的主要性能。因此，物性型传感器的性能根据材料的不同而异。如，光电管利用了外光电效应，压敏传感器是利用半导体的压阻效应。4.电阻传感器（应变式、热电式、光电式）工作原理、测量电路及应用。应变式工作原理:基于金属导体的应变效应，即金属导体在外力作用下发生机械变形时，其电阻值随着它所受机械变形(伸长或缩短)的变化而发生变化的现象。即金属电阻应变片的工作原理是利用金属材料的电阻定律。当应变片的结构尺寸发生变化时，其电阻也发生相应的变化。测量电路:直流电桥1R2R3R4RADCBiUoU应变片桥式测量电路iDCBCoURRRRRRRRUUU))((43214231当输出电压为零时，电桥平衡，故为电桥平衡条件4231RRRR当电桥电阻发生变化，电阻应变代入上式交流电桥4231ZZZZ42314231ZZZZ阻抗的模阻抗角对于电容电桥，其平衡条件为：244311)1()1(RCjRRCjR42134231CRCRRRRR对于电感电桥，其平衡条件为：244311)()(RLjRRLjR24314231RLRLRRRR应用：电阻应变式传感器的应用主要体现在以下两个方面。1）将应变片粘贴于被测构件上，直接用来测定构件的应变和应力。例如，为了研究或验证机械、桥梁、建筑等某些构件在工作状态下的应力、变形情况，可利用形状不同的应变片，粘贴在构件的预测部位，可测得构件的拉、压应力、扭矩或弯矩等，从而为结构设计、应力校核或构件破坏的预测等提供可靠的实验数据。2）将应变片贴于弹性元件上，与弹性元件一起构成应变式传感器。这种传感器常用来测量kRR)(4)(4432144332211iiokURRRRRRRRUU力、位移、加速度等物理参数。在这种情况下，弹性元件将被测物理量转换为成正比变化的应变，再通过应变片转换为电阻变化输出。应变片的典型应用见下图。图中所示为加速度传感器，由悬臂梁、质量块、基座组成。测量时，基座固定在振动体上，振动加速度使质量块产生惯性力，悬臂梁则相当于惯性系统的“弹簧”，在惯性力作用下产生弯曲变形。因此，梁的应变在一定的频率范围内与振动体的加速度成正比。5.电容传感器、电感传感器工作原理、测量电路及应用。（差动机构）工作原理：将被测量的变化转化为电容量变化在忽略边缘效应的情况下，两平行极板组成的电容器,它的电容量为:AC0+++A当被测量δ、S或ε发生变化时，都会引起电容的变化。如果保持其中的两个参数不变，而仅改变另一个参数，就可把该参数的变化变换为单一电容量的变化。极板的遮盖面积，m2；真空的介电常数ε0=8.854×10-12F/m极板间介质的相对介电系数，在空气中，ε=1两平行极板间的距离，m。电容式传感器可分为极距变化型、面积变化型和介质变化型三种。测量电路：(1)电桥电路上图电路由电感、电容组成的电桥。电容变化转换为电桥的电压输出，经放大、相敏检波、滤波后，再推动显示、记录仪器。(2)谐振电路图示为谐振式电路的原理框图，电容传感器的电容Cx作为谐振回路(L2、C2、Cx)调谐电容的一部分。谐振回路通过电感藕合，从稳定的高频振荡器取得振荡电压。当传感器电容发生变化时，使得谐振回路的阻抗发生相应的变化，而这个变化被转换为电压或电流，再经过放大、检波即可得到相应的输出。(3)调频电路传感器的电容器作为振荡器谐振回路的一部分，当输入量使电容量发生变化时，振荡器的振荡频率将发生变化，频率的变化经过鉴频器转换为电压的变化，经过放大处理后输入显示或记录等仪器。(4)运算放大器电路为改善变极距型电容式传感器的极距变化与电容变化量成非线性关系的这样一个情况，采用比例运算放大器电路，可以使输出电压与位移的关系转换为线性关系。如下图所示，反馈回路中的Cx为极距变化型电容式传感器的输入电路，采用固定电容C0，u0为稳定的工作电压。由于放大器的高输入阻抗和高增益特性，比例器的运算关系为由上式可知，输出电压与电容传感器的间隙成线性关系。应用：电容测厚仪压力调节器反馈回路交流激励电桥运放显示差放整流滤波xC耦合电容电容测厚仪用于测量金属板材在轧制过程中的厚度变化，C1、C2放在板材两边，板材是电容的动极板，总电容为C1+C2，作为一个桥臂。如果板材只是上下波动，电容的增量一个增加一个减少，总的电容量C=C1+C2不变；如果板材的厚度变化使电容Cx变化，一个电容器的容量增大而另一个则相应减小,电桥将该信号变化输出为电压(测量结果由差动式电路输出)，经放大器、整流电路的直流信号送出处理显示，显示为厚度变化。6.压电式传感器工作原理、测量电路及应用。工作原理:压电传感器是利用某些电介质受力后产生的压电效应制成的传感器,压电效应是压电传感器的主要工作原理,所谓压电效应：某些电介质，当沿着一定方向对其施力而使它变形时，内部就产生极化现象，同时在它的一定表面上产生电荷，当外力去掉后，又重新恢复不带电状态的现象。当作用力方向改变时，电荷极性也随着改变。测量电路[有待补充]：压电式传感器输出电信号很微弱，通常应把传感器信号先输入到高输入阻抗的前置放大器中，经过阻抗变换后，方可输入到后续显示仪表中。压电传感器组成的简单测试系统如下：应用：（一）压电式加速度传感器34（一）压电式加速度传感器压电陶瓷4和质量块2为环型，通过螺母3对质量块2预先加载，使之压紧在压电陶瓷上，测量时传感器基座5与被测对象牢牢地紧固在一起，输出信号由电极1引出。当传感器受到振动时，质量块将感受与传感器基座相同的振动，并受到与加速度方向相反的惯性力：该惯性力作用在压电陶瓷片上产生电荷为：maFdmadFq说明电荷量将直接反映加速度的大小。它的灵敏度与压电材料的压电系数和质量块的质量有关。结构原理:（二）压电式压力传感器（三）压电式流量计压电式传感器前置放大器测量仪器36（三）压电式流量计利用超声波在顺流和逆流方向的传播速度不同来进行测量。在管外设置两个相隔一定距离的收发两用压电超声换能器，产生超声波和接收超声波的换能器都是利用压电元件构成的。每隔一定时间发射和接收互换一次，在顺流和逆流的情况下，发射和接收的相位差与流速成正比，利用这个关系，可精确测定流速。流速与管道截面积的乘积等于流量。发射超声波利用逆压电效应，即在压电材料切片上施加交变电压，使它产生电致伸缩振动而产生超声波。当外加交变电压的频率等于晶片的固有频率时产生共振，这时产生的超声波最强。接收超声波利用正压电效应，当超声波作用到压电晶片上时，使晶片伸缩，在晶片的两个界面上产生交变电荷这种电荷被转换成电压经放大后送到测量电路。7.磁电式传感器（霍尔传感器、变磁阻式传感器）工作原理、测量电路及应用。8.热电偶工作原理、测量电路及应用。热电效应是热电偶的主要工作原理,所谓热电效应：9.光电传感器工作原理、测量电路及应用。10.光栅的工作原理、测量电路及应用。11问：传感器与传感技术概念有什么不同？答：传感器是获取信息的工具。传感器技术是关于传感器设计、制造及应用的综合技术。它是信息技术(传感与控制技术、通讯技术和计算机技术)的三大支柱之一。传感技术涉及传感（检测）原理、传感器件设计、传感器开发和应用的综合技术。传感技术的含义比传感器更为广泛，它是敏感功能材料科学、传感器技术、微细加工技术等多学科技术互相交叉渗透而形成的一门新技术学科—传感器工程学。12问：物质、能量和信息三者之间的关系是什么？答:1.信息是由能量或物质形态表示的；2.信息是载荷于能量流传输的；3.信息在传输过程中要消耗能量，维持信息传输必须供给能经；4.信息传输的方向与携带信息的能量流方向是一致的；5.测量过程中，被测对象应具有足够的负熵才能保证有效测量。16.什么是热平衡型一次效应和二次效应？写出热平衡现象中的三个麦克斯韦关系式，举例说明它们在传感器中的应用。不同种类能量所对应的强度型状态量与容量型状态（或相反）微分之比为定值，具有这种关系的效应称为热平衡一次效应，一次效应是可逆的；同一种类能量的示强变量与示容变量微分之比，或同一种类能量的示容变量与示强变量微分之比，是不能直接构成传感器的，这些比例系数虽然不能在传感器中直接而将被测量转换成电信号输出，但可以利用其中的状态量与其他状态量之间的关系制成各种传感器，这种变换称为二次效应，二次效应没有逆效应。()()jixkxkjiXXxx()()jikkjixxXXkijkjixxXX)()(一次效应的例子有压电效应，压磁效应；二次效应利用弹性元件受力产生变形，其应变与应变片电阻值的关系可制成电阻应变式力(压力)传感器。光电比色高温计。17.传感器一般包括哪些部分，各部分的作用是什么？传感器通常由敏感元件和转换元件、转换电路组成。1、敏感元件：直接感受被测量，以确定的关系输出某一物理量（包括电学量）。2、转换元件：将敏感元件输出的非电量物理量转换为电学量（包括电路参数量）。3、转换电路：将电路参数量（如电阻、电容、电感）转换成便于测量的电学量（如电压、电流、频率等）。18.传感器所测量的被测量信号不随时间变化（或变化很缓慢），其输出—输入特性叫做静态特性。（1）量程与测量范围（2）线性度（3）灵敏度（4）分辨力（5）阈值（6）迟滞（回差，滞后）（7）重复性（8）稳定性（9）漂移（10）静态误差等十项性能指标来描述。19.阶跃输入时：①时间常数②上升时间③响应时间④超调量⑤峰值时间⑥延滞时间⑦衰减率⑧稳态误差正弦频率信号输入时：①截止频率、通频带和工作频带②谐振频率和固有频率③幅值频率误差和相位频率误差21.什么是示容变量和示强变量？1.与分割方法无关，其性质由其量的大小来决定的状态量，称为强度型状态量，简称示强变量。如温度、压力、电场强度、磁场强度。2.具有与系统的大小（体积、面积等）成正比性质的状态量，称为容量型状态量，简称示容变量，又叫容量量或广延量。如能量、熵、位移等22.什么叫测量？什么叫计量？它们之间有什么异同？测量是将被测量同已知量相比较，以确定被测量与选定单位的比值。这个比值同测量单位结合在一起称量值。测量是以确定被测量值为目的的一系列操作,是人们对客观事物取得定量认识的一种手段。计量是规范测量的测量。计量依法监督测量工具的准确性与测量行为的规范性