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第1章概述1.1什么是传感器？答：传感器是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和装置，通常由敏感元件和转换元件组成。1.2传感器的共性是什么？答：传感器的共性就是利用物理定律或物质的物理、化学或生物特性，将非电量（如位移、速度、加速度、力等）输入转换成电量（电压、电流、频率、电荷、电容、电阻等）输出。1.3传感器一般由哪几部分组成？答：传感器的基本组成分为敏感元件和转换元件两部分，分别完成检测和转换两个基本功能。另外还需要信号调理与转换电路，辅助电源。1.4传感器是如何分类的？答：传感器可按输入量、输出量、工作原理、基本效应、能量变换关系以及所蕴含的技术特征等分类，其中按输入量和工作原理的分类方式应用较为普遍。①按传感器的输入量（即被测参数）进行分类按输入量分类的传感器以被测物理量命名，如位移传感器、速度传感器、温度传感器、湿度传感器、压力传感器等。②按传感器的工作原理进行分类根据传感器的工作原理（物理定律、物理效应、半导体理论、化学原理等），可以分为电阻式传感器、电感式传感器、电容式传感器、压电式传感器、磁敏式传感器、热电式传感器、光电式传感器等。③按传感器的基本效应进行分类根据传感器敏感元件所蕴含的基本效应，可以将传感器分为物理传感器、化学传感器和生物传感器。1.6改善传感器性能的技术途径有哪些？答：①差动技术；②平均技术；③补偿与修正技术；④屏蔽、隔离与干扰抑制；⑤稳定性处理。第2章传感器的基本特性2.1什么是传感器的静态特性？描述传感器静态特性的主要指标有哪些？答：传感器的静态特性是它在稳态信号作用下的输入、输出关系。静态特性所描述的传感器的输入-输出关系中不含时间变量。衡量传感器静态特性的主要指标是线性度、灵敏度、分辨率、迟滞、重复性和漂移。3.2电阻应变片的种类有哪些？各有什么特点？答：常用的电阻应变片有两种：金属电阻应变片和半导体电阻应变片。金属电阻应变片的工作原理是主要基于应变效应导致其材料几何尺寸的变化；半导体电阻应变片的工作原理是主要基于半导体材料的压阻效应。3.4试分析差动测量电路在应变电阻式传感器测量中的好处。答：①单臂电桥测量电路存在非线性误差，而半桥差动和全桥差动电路均无非线性误差。②半桥差动电路的电压输出灵敏度比单臂电桥提高了一倍。全桥差动电路的电压输出灵敏度是单臂电桥的4倍。第4章电感式传感器4.9引起零点残余电压的原因是什么？如何消除零点残余电压？答：零点残余电压的产生原因：①（线圈）传感器的两个二次绕组的电气参数和几何尺寸不对称，导致它们产生的感生电动势幅值不等、相位不同，构成了零点残余电压的基波；②（铁心）由于磁性材料磁化曲线的非线性（磁饱和、磁滞），产生了零点残余电压的高次谐波（主要是三次谐波）；③（电源）励磁电压本身含高次谐波。零点残余电压的消除方法：①尽可能保证传感器的几何尺寸、线圈电气参数和磁路的对称；②采用适当的测量电路，如差动整流电路。4.11如何通过相敏检波电路实现对位移大小和方向的判定？答：相敏检测电路原理是通过鉴别相位来辨别位移的方向，即差分变压器输出的调幅波经相敏检波后，便能输出既反映位移大小，又反映位移极性的测量信号。经过相敏检波电路，正位移输出正电压，负位移输出负电压，电压值的大小表明位移的大小，电压的正负表明位移的方向。第6章压电式传感器6.1什么是压电效应？什么是逆压电效应？答：①正压电效应就是对某些电介质沿一定方向施以外力使其变形时，其内部将产生极化现象而使其出现电荷集聚的现象。②当在片状压电材料的两个电极面上加上交流电压，那么压电片将产生机械振动，即压电片在电极方向上产生伸缩变形，压电材料的这种现象称为电致伸缩效应，也称为逆压电效应。6.3试分析石英晶体的压电效应原理。答：石英晶体的化学成分是2SiO，是单晶结构，理想形状六角锥体，如图6-1a所示。石英晶体是各向异性材料，不同晶向具有各异的物理特性，用x、y、z轴来描述。z轴：是通过锥顶端的轴线，是纵向轴，称为光轴，沿该方向受力不会产生压电效应。x轴：经过六面体的棱线并垂直于z轴的轴为x轴，称为电轴（压电效应只在该轴的两个表面产生电荷集聚），沿该方向受力产生的压电效应称为“纵向压电效应”。y轴：与x、z轴同时垂直的轴为y轴，称为机械轴（该方向只产生机械变形，不会出现电荷集聚）。沿该方向受力产生的压电效应称为“横向压电效应”。石英晶体在沿一定的方向受到外力的作用变形时，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。这种现象称为正压电效应。反之，如对石英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，变形也随之消失，称为逆压电效应。第7章磁敏式传感器7.5什么是霍尔效应？霍尔电动势与哪些因素有关？答：①一块长为l、宽为d的半导体薄片置于磁感应强度为B的磁场（磁场方向垂直于薄片）中，当有电流I流过时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势Uh。这种现象称为霍尔效应。霍尔组件多用N型半导体材料，且比较薄。②霍尔电势HHHHIBIBUEbvBbRKIBnedd霍尔电势与霍尔电场EH、载流导体或半导体的宽度b、载流导体或半导体的厚度d、电子平均运动速度v、磁场感应强度B、电流I有关。③霍尔传感器的灵敏度1HHRKdned。为了提高霍尔传感器的灵敏度，霍尔元件常制成薄片形状。又霍尔元件的灵敏度与载流子浓度成反比，所以可采用自由电子浓度较低的材料作霍尔元件。7.6某霍尔元件尺寸（l、b、d）为1.0cm×0.35cm×0.1cm，沿l方向通以电流I=1.0mA，在垂直lb面加有均匀磁场B=0.3T，传感器的灵敏度系数为22V/A.T，求其输出的霍尔电动势和载流子浓度。解：①3221.0100.30.0066HHUKIBV②由1HKned，得203192112.8410/221.6100.110HnmKed第8章热电式传感器8.2热电偶的工作原理是什么?答：热电偶测温基本原理：热电偶测温是基于热电效应的基本原理。根据热电效应，任何两种不同的导体或半导体组成的闭合回路，如果将它们的两个接点分别置于温度不同的热源中，则在该回路中会产生热电动势，在一定条件下，产生的热电动势与被测温度成单值函数关系。因此，我们只需测得热电动势值，就可间接获得被测温度。8.3什么是中间导体定律、中间温度定律、标准导体定律、均质导体定律？答：①中间导体定律热电偶测温时，若在回路中插入中间导体，只要中间导体两端的温度相同，则对热电偶回路总的热电势不产生影响。在用热电偶测温时，连接导线及显示仪表等均可看成中间导体。②中间温度定律任何两种均匀材料组成的热电偶，热端为t，冷端为0t时的热电势等于该热电偶热端为t冷端为ct时的热电势与同一热电偶热端为ct，冷端为0t时热电势的代数和。应用：对热电偶冷端不为0℃时，可用中间温度定律加以修正。热电偶的长度不够时，可根据中间温度定律选用适当的补偿线路。③标准电极定律如果A、B两种导体（热电极）分别与第三种导体C（参考电极）组成的热电偶所产生的热电动势已知，则由这两个导体A、B组成的热电偶产生的热电势为000,,,ABACBCEttEttEtt实用价值：可大大简化热电偶的选配工作。在实际工作中，只要获得有关热电极与标准铂电极配对的热电势，那么由这两种热电极配对组成热电偶的热电势便可由上式求得，而不需逐个进行测定。④均质导体定律如果组成热电偶的两个热电极的材料相同，无论两接点的温度是否相同，热电偶回路中的总热电动势均为0。均质导体定律有助于检验两个热电极材料成分是否相同及热电极材料的均匀性。8.14热电阻有什么特点？答：热电阻测温基本原理：热电阻测温是基于热效应的基本原理。所谓热效应，就是金属导体的阻值会随温度的升高而增加或减小的现象。因此，我们只需测得金属导体电阻的变化就可间接获得被测温度。8.15试分析三线制和四线制接法在热电阻测量中的原理及其不同特点。答：热电阻常用引线方式主要有：两线制、三线制和四线制。两线制的特点是结构简单、费用低，但是引线电阻及其变化会带来附加误差。主要适用于引线不长、测温精度要求较低的场合。三线制的特点是可较好地减小引线电阻的影响。主要适用于大多数工业测量场合。四线制的特点是精度高，能完全消除引线电阻对测量的影响。主要适用于实验室等高精度测量场合。第9章光电式传感器9.4什么是光电效应、内光电效应、外光电效应？这些光电效应的典型光电器件各自有哪些？答：光照射到物体上使物体发射电子，或电导率发生变化，或产生光生电动势等，这些因光照引起物体电学特性改变的现象称为光电效应。当光照射到金属或金属氧化物的光电材料上时，光子的能量传给光电材料表面的电子，如果入射到表面的光能使电子获得足够的能量，电子会克服正离子对它的吸引力，脱离材料表面进入外界空间，这种现象称为外光电效应。根据外光电效应制作的光电器件有光电管和光电倍增管。内光电效应是指物体受到光照后所产生的光电子只在物体内部运动，而不会逸出物体的现象。内光电效应多发生在半导体内，可分为因光照引起半导体电阻率变化的光电导效应和因光照产生电动势的光生伏特效应两种。光电导效应是指物体在入射光能量的激发下，其内部产生光生载流子（电子-空穴对），使物体中载流子数量显著增加而电阻减小的现象。基于光电导效应的光电器件有光敏电阻。光生伏特效应是指光照在半导体中激发出的光电子和空穴在空间分开而产生电位差的现象，是将光能变为电能的一种效应。基于光生伏特效应的光电器件典型的有光电池；此外，光敏二极管、光敏晶体管也是基于光生伏特效应的光电器件。第10章辐射与波式传感器10.8试分析微波传感器的主要组成及其各自的功能。答：微波传感器的组成主要包括三个部分：微波发生器（或称微波振荡器）、微波天线及微波检测器。（1）微波发生器微波发生器是产生微波的装置。由于微波波长很短、频率很高（300MHz~300GHz），要求振荡回路有非常小的电感与电容，故不能采用普通的晶体管构成微波振荡器，而是采用速调管、磁控管或某些固态元件构成。小型微波振荡器也可采用体效应管。微波发生器产生的振荡信号需要用波导管（管长为10cm以上，可用同轴电缆）传输。（2）微波天线微波天线是用于将经振荡器产生的微波信号发射出去的装置。为了保证发射出去的微波信号具有最大的能量输出和一致的方向性，要求微波天线有特殊的结构和形状，常用的天线如图10-17所示，包括喇叭形、抛物面形等。前者在波导管与敞开的空间之间起匹配作用，有利于获得最大能量输出；后者类似凹面镜产生平行光，有利于改善微波发射的方向性。（3）微波检测器微波检测器是用于探测微波信号的装置。微波在传播过程中表现为空间电场的微小变化，因此使用电流-电压呈非线性特性的电子元件，根据工作频率的不同，有多种电子元件可供选择（如较低频率下的半导体PN结元件、较高频率下的隧道结元件等），但都要求它们在工作频率范围内有足够快的响应速度。