13级传感器考试知识点

题型：

单选题10题，20分 填空题15题，30分 简答题5题，30分 综合题1题，20分

给13级学生的传感器考试知识点

绪论

1、传感器的定义: 把外界非电信号转换成有对应关系的电信号输出的器件或装置

2、传感器在测量仪器中的地位相当于人体的感觉器官.

3、传感器的三个基本结构组成：敏感元件，传感元件和测量电路。直接感受被测量的是敏感元件。

第一章 传感器技术基础

4、传感器的数学模型是指：传感器的输出量与输入量之间的数学关系。

2n5、传感器的静态模型常用多项式表示为 y?a0?a1x?ax2?...?anx，

其中a0称为零位输出，a1称为静态灵敏度，常表示为K或S。

6、一般都要求传感器的静态模型近似为线性模型 y=kx+b 或 y=kx。

7、传感器的一阶动态模型中的参数为时间常数??

a1

a0

dya1?a0y?b0xdtba1dydy?y?0x???y?Kxa0dta0dt 二阶动态模型中的参数为固有频率?n和阻尼比?。

d2ydya22?a1?a0y?b0xdtdtb0a2d2ya1dy1d2y2?dy??y?x?22??y?Kx2a0dta0dta0?ndt?ndt 8、静态特性和参数

量程的概念：传感器可以有效测量的被测量的范围。

线性度是衡量校准曲线和拟合直线之间的偏离程度。

精度表示传感器的测量值与真实值之间的偏离程度。

回差是指传感器在正反行程过程中校准曲线不重合的程度。 灵敏度是指传感器的输出量相对于输入量的变化率，即dy dx

漂移是指当传感器无输入或固定某个输入时，经过一定时间输出量偏离原值的大小。（包括零点漂移和灵敏度漂移

9、动态特性和参数

二阶传感器的最佳阻尼比为0.707。一阶传感器的阶跃响应到达稳态值的63%的时间正好等于时间常数。

通带：指幅度响应在0dB上下变化不超过3dB时，下限频率与上限频率之间的频带。

10、互换性：指当需要更换传感器时，只需要选择同型号的传感器去替换，不需要对其尺寸及参数进行检测和调整，仍能保证误差不超过规定范围正常工作。

标定：是指新研制的传感器在正式使用前，对其性能进行全面测定的过程。

校准：传感器在使用或储存一段时间后，对其性能进行重新标定。

11、在传感器的使用中，采用差动技术带来的优点有：1、消除噪声等共模干扰信号和零位输出；2、提高灵敏度；3、消除偶次项，减小非线性误差。

平均技术：对同一个被测量，用多个相同的传感器同时测量，得到多个测量值，取所有测量值的平均作为输出。由统计学可知，平均值的误差比单次测量值的误差小。

第二章 电阻式传感器

12、应变电阻效应由两个部分构成：几何尺寸变化引起和电阻率变化引起。半导体材料由电阻率的变化为主，而金属材料主要由几何尺寸变化为主。半导体材料的应变灵敏系数比金属

材料的要大。

导致应变计的灵敏系数比应变材料的灵敏系数小的主要原因是应变计具有横向应变效应。

13、应变电阻计测量电路的主要功能：1、将电阻变化转换为输出电压的变化，且两者保持良好的线性关系；2、将输出电压放大到可以方便显示；3、具有温度补偿功能。

单臂工作的应变电桥，输出电压与电阻相对变化之间存在非线性关系。因此，一般应变电桥不采用单臂工作方式，而是采用差动的双臂工作或四臂工作。

双臂工作的差动应变电桥中两个工作臂应该感受反向应变，且接成相邻臂。

差动四臂电桥与单臂电桥相比的优点：1、消除了非线性误差；2、灵敏度提高了4倍。（假设4个臂为全等臂，且同时感受应变。为了实现差动输入，相对臂的应变片感受同向应变，相邻臂的应变片感受反向的应变。四臂差动电桥输出电压与电阻相对变化为绝对的线性关系

Uo?U?R1?UK?R1

电阻应变式传感器常见的使用方式是：先使用弹性元件作为敏感元件，把被测量转变成应变，然后再通过电阻应变计作为转换元件，将应变转换为电信号。

第五章 磁电式传感器

14、磁电感应式传感器是基于电磁感应定律。基本结构包括线圈、磁铁和辅助部分。 （包括动圈式速度传感器和动铁式速度传感器。 工作原理：e?Blv输出感应电势与线圈相对磁铁的运动速度成线性关系）

磁电感应式传感器的动态模型分析不要求。

（应用：动圈式话筒、动圈式心音传感器、导电液体流量监测）

15、霍尔传感器基于霍尔效应，常用N型半导体材料做成。

霍尔片有四个电极，两个控制极是面接触型，两个霍尔极是点接触型。

U能够简单描述霍尔效应，并给出霍尔效应的公式。H

?Bvw ，

UH?IBend

I=endvw （n为载流子浓度，即单位体积内的电子数）

霍尔效应：给控制极通以控制电流I，载流子e反向运动v。当外加磁场B垂直于Lw面穿过时，运动的电子受到洛伦兹力FL发生偏移，在霍尔极两端产生电场EH，称为霍尔电场，并输出霍尔电势UH，这种现象称为霍尔效应。

材料的霍尔系数（显的霍尔效应。 提高霍尔灵敏度（

KH?RHd）的方法是选择高霍尔系数的材料，减小霍尔片的厚度。

RH?1???en仅与材料性质有关）等于材料的电阻率?与材料的载流子

迁移率?的乘积，因此，金属材料和绝缘材料的霍尔效应都很微弱，半导体材料具有较明

理解霍尔传感器使用时不等位电势补偿的原理。

（不等位电势的形成原因：输出的霍尔电势与霍尔电极在Ld端面的位置有关。当无外加磁场时，两个霍尔电极必须位于两端面上电位相等的位置（理论上的最佳位置是Ld端面的中点），输出电势为0。而实际上在霍尔传感器装配时，由于无法精确保证两个霍尔电极位于等电位处，所以会造成一定大小的不等位电势）

不等位电势补偿：使得不等位电势为0。 为了分析不等位电势，将霍尔元件等效为一个电阻电桥，不等位电势可看成是电桥不平衡造成的输出电压，用来调整电桥平衡的方法可以用于不等位电势的补偿。

（霍尔传感器应用：微位移测量、转速测量、监测交流电）

第六章 压电式传感器

16、压电效应是指某些电介质存在受力极化的现象，即：在一定的方向上受到外力作用而变形时，会在一定方向的表面产生正负电荷，电荷量的大小正比于作用力的大小。

可用压电方程来定量描述压电效应：σ=dT，其中σ为电荷密度矢量，T为应力矢量，d为压电常数矩阵，矩阵的维数是3*6，（d相当于灵敏度）。

17、压电材料主要有三大类：压电晶体（单晶体，以石英晶体（SiO2）为代表）、压电陶瓷

（多晶体，如钛酸钡陶瓷（BaTiO3）、铌镁酸铅压电陶瓷（PMN））和压电薄膜(有机高分子压电材料，如聚偏二氟乙烯PVDF(PVF2))等压电薄膜新型材料。三种压电材料的性能特点。

石英晶体主要性能特点：

（1）压电常数小，灵敏度不高，但是它的时间和温度稳定性极好 （2）机械强度高，可以承受很大的应力 （3）固有频率高，动态特性好 （4）居里点573C，温度稳定性好 常用于精度和稳定性要求高的场合

压电陶瓷主要性能特点：

（1）相对压电晶体而言，压电常数大，灵敏度高 （2）制造工艺成熟，成本低，利于广泛应用 （3）刚度不够，受力不能太大 （4）居里点温度低，温度稳定性差

压电薄膜的特点：

（1）压电效应明显，压电系数比石英高10倍，但比压电陶瓷低10倍 （2）具有优异的宽频带响应特性 （3）具有很高的化学稳定性

（4）质轻柔软，可制成轻软牢固的检测元件 （5）便于批量生产，可制成大面积阵列传感器 （6）工作温度低，不能超过80度

（7）产品一致性差，这是主要应用障碍

不要求掌握压电传感器的等效电路和测量电路的分析过程，但要知道：压电传感器不能用于静态测量。 18、（压电式传感器的高频特性较好，低频特性较差。改善低频的方法：提高时间常数，通过提高电阻实现，不能通过提高电容实现，因为会降低理想增益。??R(Ca?Cc?Ci)?） 电压放大器的缺点是：1、理想增益与电缆电容有关，（当更换电缆时，电缆电容Cc发生变化，必须重新进行标定）；2、低频特性仍有待提高。

而电荷放大器的优点是：1、增益仅与反馈电容有关，与电缆电容无关；2、低频特性好于电压放大器，可测量准静态量。

（压电式传感器应用：PVDF压电薄膜监测呼吸和心跳）

第七章 热电式传感器 19、（热电式传感器：（1）热电阻式传感器：热电阻：（金属。Pt精度高，一般用三根引线、Cu便宜）、热敏电阻（半导体）

（2）热电势式传感器：热电偶

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