传感器与检测技术期末复习题2010.51、 根据国标，传感器的定义是：P2
2、 传感器一般由敏感元件、转换元件、转换电路三部分组成。 3、 绝对误差 4、 相对误差 5、 系统误差 6、 随机误差 7、 引用误差
8、 对一台确定的仪表或一个检测系统，最大引用误差是一个定值
9、 测量仪表一般采用最大引用误差不能超过的允许值作为划分精度等级的尺度。 10、 某仪表的精度等级为0.1级，是表示;在使用时它的最大引用误差不超过±1.0％；即
在整个量程内它的绝对误差最大值不会超过其量程的±1.0％。 11、 精度等级已知的测量仪表只有在被测量值接近满量程时，才能发挥它的测量精度。 12、 静态特性表示传感器在被测量各个值处于稳定状态时的输入输出关系。静态特性的
主要技术指标有：线性度、迟滞特性、重复性、灵敏度、分辨力和阈值、稳定性和温度稳定性、漂移、静态误差等。 13、 传感器的动态性能指标主要有：固有频率、阻尼系数、频响范围、频率特性、时间
常数、上升时间、响应时间、过冲量、衰减率、稳态误差、临界速度、临界频率等。 14、 分辨力（分辨率）指传感器能检测到的最小的输入增量，可用绝对值、也可用满量
程的百分数表示。 15、 阈值：自控系统中能产生一个校正动作的最小输入值。 16、 分辨力说明了传感器的最小的可测出的输入变量；阈值说明了传感器的最小可测出
的输入量。 17、 传感器的命名由主题词加四修饰语构成：主题词——；第一级修饰语——；第二级
修饰语——；第三级修饰语——；第四级修饰语——。传感器的代号依次为：主称——被测量——转换原理——序号。主称——传感器,代号C;被测量——用一个或两个汉语拼音的第一个大写字母标记；转换原理——用一个或两个汉语拼音的第一个大写字母标记；序号——用数字标记，厂家自定。 18、 传感器的标定是利用精度高一级的标准器具对传感器进行定度的过程，有静态标定
和动态标定两种。静态标定用于检验测试传感器的静态特性指标，如线性度、灵敏度、滞后和重复性等。动态标定是为了确定动态灵敏度、固有频率和频响范围等动态指标。 19、 电阻式传感器是利用力、位移、加速度、角速度、温度、光照强度等非电学量的变
化引起电路中电阻阻值的变化，从而将非电量转化为电量进行测量的传感器。 20、 电阻应变效应：导电材料在外力的作用下发生几何（机械）形变，引起其电阻值变
化的现象。 21、 金属材料的电阻相对变化与其线应变成正比。 22、 压阻效应，是指当半导体受到应力作用时，由于载流子迁移率的变化，使其电阻率发生变化的现象。压阻效应有各向异性特征，沿不同的方向施加应力和沿不同方向通过电流，其电阻率变化会不相同。压阻效应被用来制成各种压力、应力、应变、速度、加速度传感器，把力学量转换成电信号。 23、 金属铂（Pt）的电阻值随温度变化而变化时，具有很好的重现性和稳定性，可用来制
作铂电阻温度传感器。如Pt100的电阻变化率为0.3851Ω/℃，环境温度为0℃时，其阻值为100Ω。 24、 三线制铂电阻温度传感器为消除线路导线电阻引起的测量误差，采用了全等臂电桥。
四线制铂电阻温度传感器用两条附加测试线提供恒定电源（接恒流源），另两条线测待测电阻的压降（换算出阻值），因电压表输入阻抗高（电流很小），故误差小，不必采用电桥。 25、 电感式传感器是利用电磁感应把被测的物理量如位移，压力，流量，振动等转
换成线圈的自感系数和互感系数的变化，再由电路转换为电压或电流的变化量输出，实现非电量到电量的转换。常见的有自感式，互感式和涡流式三种。 26、 电涡流效应是指金属导体置于交变磁场中会产生电涡流，且该电涡流所产生磁
场的方向与原磁场方向相反的一种物理现象。 27、 电涡流传感器的敏感元件是线圈，当给线圈通以交变电流并使它接近金属导体时，线圈产生的磁场就会被导体电涡流产生的磁场部分抵消，使线圈的电感量、阻抗和品质因数发生变化。这种变化与导体的几何尺寸、导电率、导磁率有关，也与线圈的几何参量、电流的频率和线圈到被测导体间的距离有关。 28、 电容式传感器 将被测的机械量，如位移、压力等转换为电容量变化的传感器。
它的敏感部分就是具有可变参数的电容器。其最常用的形式是由两个平行电极组成、极间以空气为介质的电容器。若忽略边缘效应，平板电容器的电容为εA／δ，式中ε为极间介质的介电常数，A为两电极互相覆盖的有效面积,δ为两电极之间的距离。δ、A、ε 三个参数中任一个的变化都将引起电容量变化，并可用于测量。因此电容式传感器可分为极距变化型、面积变化型、介质变化型三类。 29、 热电效应： 把两种不同金属导体接成闭合回路，如果两端温度不同(设 T＞TO)，则
在回路中就会产生热电势。这种由于温度不同而产生电动势的现象，称为热电效应。若两端的温差越大，产生的热电势也越大。 30、 热电偶用于测温目的的基本性质可归结为以下四条。
1.等值定律
用两种不同的金属组成闭合电路，如果两端温度不同，则会产生热电动势。其大小取决于两种金属的性质和两端的温度，与金属导线尺寸、导线途中的温度及测量热电动势在电路中所取位置无关。 2.均匀导线定律
如用同一种金属组成闭合电路则不管截面是否变化，也不管在电路内存在什么样的温度梯度，电路中都不会产生热电动势。 3.中间导线定律
在热电偶插入第三种金属，只要插入金属的两端温度相同，不会使热电偶的热电动势发生变化。 4.叠加定律
在热电偶插入第三种金属，插入金属的两端温度不同，发生附加热电动势后的总热电动势，等于各接点之间所产生热电动势的代数和。 31、 热电偶冷端温度补偿方法有：恒温法，公式修正法，显示仪表机械零点调整法，补
偿导线法，补偿电桥法等。 32、 热电偶产生的热电势取决于其两端的温度，只有在冷端温度保持恒定时，其输出的
热电势才是测量端（热端）温度的单值函数。 33、 压电效应 压电效应可分为正压电效应和逆压电效应。正压电效应是指：当
晶体受到某固定方向外力的作用时,内部就产生电极化现象,同时在某两个表面上产生符号相反的电荷；当外力撤去后，晶体又恢复到不带电的状态；当外力作用方向改变时，电荷的极性也随之改变；晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比。压电式传感器大多是利用正压电效应制成的。逆压电效应是指对晶体施加交变电场引起晶体机械变形的现象，又称电致伸缩效应。
34、 压电传感器只能应用于动态测量：
由于外力作用在压电元件上产生的电荷只有在无泄漏的情况下才能保存，即需要测量回路具有无限大的输入阻抗，这实际上是不可能的，因此压电式传感器不能用于静态测量。 35、 压电传感器可用于力 ，压力，速度，加速度，振动等非电量的测量。 36、 霍尔效应是磁电效应的一种，这一现象是霍尔（A.H.Hall，1855—1938）于1879年
在研究金属的导电机构时发现的。当电流垂直于外磁场通过导体时，在导体的垂直于磁场和电流方向的两个端面之间会出现电势差，这一现象便是霍尔效应。这个电势差也被叫做霍尔电势差。后来发现半导体、导电流体等也有这种效应，而半导体的霍尔效应比金属强得多，利用这现象制成的各种霍尔元件，广泛地应用于工业自动化技术、检测技术及信息处理等方面。 37、 霍尔效应是研究半导体材料性能的基本方法。通过霍尔效应实验测定的霍尔系数，
能够判断半导体材料的导电类型、载流子浓度及载流子迁移率等重要参数。 38、 流体中的霍尔效应是研究“磁流体发电”的理论基础。 39、 霍尔开关有碰头式，滑近式，磁屏蔽式，集磁式几种形式。 40、 霍尔电流传感器原理与特点
由于通电螺线管内部存在磁场，其大小与导线中的电流成正比，故可以利用霍尔传感器测量出磁场，从而确定导线中电流的大小。利用这一原理可以设计制成霍尔电流传感器。其优点是不与被测电路发生电接触，不影响被测电路，不消耗被测电源的功率，特别适合于大电流传感。 41、 磁栅尺的结构，原理及应用P130 42、 使用磁栅尺进行位置测量时测量结果只与位置有关与速度无关，当磁尺与拾磁磁头
间相对运动速度很低或处于相对静止状态时，也能进行位置测量。 43、 光照射到某些物质上，引起物质的电性质发生变化，也就是光能量转换成电能。这类光致电变的现象被人们统称为光电效应。 44、 光电效应分为光电子发射、光电导效应和光生伏特效应。前一种现象发生在物体表面，又称外光电效应。后两种现象发生在物体内部，称为内光电效应。 45、 基于内光电效应的光电元器件有：光敏电阻，光敏二极管，光敏三级管 46、 光敏电阻的主要参数有光电流，亮阻；暗电流，暗阻。 47、 光电元件选用时应注意的特性有：光照特性，光谱特性，伏安特性，频率特性，温
度特性，响应时间等。 48、 热释电效应：当一些晶体受热时，在晶体两端将会产生数量相等而符号相反的
电荷。这种由于热变化而产生的电极化现象称为热释电效应。 49、 凡在绝对零度（-273℃）以上的环境，无所不有地发射出不同程度的红外线。现代物
理学称之为热射线。 50、 红外线的特性P162 51、 菲涅尔透镜 多是由聚烯烃材料注压而成的薄片，镜片表面一面为光面，另一面
刻录了由小到大的同心圆（或一组平行棱柱），它的纹理是利用光的干涉及扰射和根据相对灵敏度和接收角度要求来设计的，透镜的要求很高，一片优质的透镜必须是表面光洁，纹理清晰，其厚度随用途而变，多在1mm左右，特性为面积较大，厚度薄及侦测距离远。
菲涅尔透镜的在很多时候相当于红外线及可见光的凸透镜，效果较好，但成本比普
通的凸透镜低很多。 52、 菲涅尔透镜作用有两个：一是聚焦作用，即将热释红外信号折射（反射），
第二个作用是将探测区域内分为若干个明区和暗区，使进入探测区域的移动物体能以温度变化的形式在PIR上产生变化热释红外信号。 53、 菲涅耳透镜可以把透过窄带干涉滤光镜的光聚焦在硅光电二级探测器的光敏面
上，菲涅尔透镜由有机玻璃制成,不能用任何有机溶液(如酒精等)擦拭，除尘时可先用蒸馏水或普通净水冲洗,再用脱脂棉擦拭。 54、 如果你站在湖边，低头看脚下的水，你会发现水是透明的，反射不是特别强烈；
如果你看远处的湖面，你会发现水并不是透明的，但反射非常强烈。这就是“菲涅尔效应”。 55、 人体在非聂耳透镜前，静止时传感器无输出信号，活动时则能检测到，故也称为人
体运动传感器。 56、 莫尔条纹：以透射光栅为例，当指示光栅上的线纹和标尺光栅上的线纹之间形
成一个小角度θ，并且两个光栅尺刻面相对平行放置时，在光源的照射下，位于几乎垂直的栅纹上，形成明暗相间的条纹。这种条纹称为“莫尔条纹” (右图所示)。严格地说，莫尔条纹排列的方向是与两片光栅线纹夹角的平分线相垂直。莫尔条纹中两条亮纹或两条暗纹之间的距离称为莫尔条纹的宽度，以W表示。 57、 莫尔条纹具有以下特征：
(1)莫尔条纹的变化规律：两片光栅相对移过一个栅距，莫尔条纹移过一个条纹距离。由于光的衍射与干涉作用，莫尔条纹的变化规律近似正(余)弦函数，变化周期数与光栅相对位移的栅距数同步。 (2)放大作用
在两光栅栅线夹角较小的情况下，莫尔条纹宽度ω和光栅栅距W、栅线角θ之间有下列关系。式中，θ的单位为rad，W的单位为mm。由于倾角很小，sinθ很小，则 W=ω /θ 若ω ＝0.01mm，θ＝0.01rad，则上式可得W＝1，即光栅放大了100倍。
(3)均化误差作用
莫尔条纹是由若干光栅条纹共用形成，例如每毫米100线的光栅，10mm宽度的莫尔条纹就有1000条线纹，这样栅距之间的相邻误差就被平均化了，消除了由于栅距不均匀、断裂等造成的误差。 58、 辨向电路
无论测量直线位移还是测量角位移，都必须能够根据传感器的输出信号判别移动的方向，即判断是正向移动还是反向移动，是顺时针旋转还是逆时针旋转。
但是，仅有一个光电元件的输出无法判别光栅的移动方向，因为在一点观察时，不论主光栅向哪个方向运动，莫尔条纹均作明暗交替变化。为了辨别方向，通常采用在相隔1/4莫尔条纹间距B的位置上安放两个光电元件，获得相位差为90o的两个信号，然后送到辨向电路进行处理。
细分的方法有多种，如直接细分、电桥细分、锁相细分、调制信号细分、软件细分等。下面介绍常用的直接细分方法。
直接细分又称位置细分，常用细分数为4，因此也称为四倍频细分。图12.1.7给出了一种四倍频细分电路及其波形。在上述辨向电路的基础上，将获得的两个相位相差90o的正弦信号分别整形和反相，就可得到4个相位依次为0°C、90oC、180oC、270oC的方波信号，经RC微分电路后就可在光栅移动一个栅距时，得到
均匀分布的4个计数脉冲，再送到可逆计数器进行加法或减法计数，这样可将分辩率提高4倍。
59、 光电编码器，可分为增量式、绝对式以及混合式三种。 60、 1 增量式编码器:增量式编码器是直接利用光电转换原理输出三组方波脉冲A、B和Z
。
相；A、B两组脉冲相位差90，从而可方便的判断出旋转方向，而Z相为每转一个脉冲，用于基准点定位。它的优点是原理构造简单，机械平均寿命可在几万小时以上，抗干扰能力强，可靠性高，适合于长距离传输。其缺点是无法输出轴转动的绝对位置信息。
2 绝对式编码器：绝对式编码器是直接输出数字的传感器，在它的圆形码盘上沿径向
有若干同心码盘，每条道上有透光和不透光的扇形区相间组成，相邻码道的扇区树木是双倍关系，码盘上的码道数是它的二进制数码的位数，在吗盘的一侧是光源，另一侧对应每一码道有一光敏元件，当吗盘处于不同位置时，各光敏元件根据受光照与否转换出相应的电平信号，形成二进制数。这种编码器的特点是不要计数器，在转轴的任意位置都可读书一个固定的与位置相对应的数字码。显然，吗道必须N条吗道。目前国内已有16位的绝对编码器产品。
3 混合式绝对编码器：混合式绝对编码器，它输出两组信息，一组信息用于检测磁极
位置，带有绝对信息功能；另一组则完全同增量式编码器的输出信息。 61、 增量式编码器需要计数和辨向系统，绝对式直接输出自然二进制码或格雷码，不需
辨向电路，掉电不影响编码数据获得；而增量式断电后则丢失位置信号。 62、 多普勒效应是为纪念奥地利物理学家及数学家克里斯琴·约翰·多普勒（Christian Johann Doppler）而命名的，他于1842年首先提出了这一理论。主要内容为：物体辐射的波长因为光源和观测者的相对运动而产生变化。在运动的波源前面，波被压缩，波长变得较短，频率变得较高 （蓝移 blue shift）；当运动在波源后面时，会产生相反的效应。波长变得较长，频率变得较低 （红移 red shift）。波源的速度越高，所产生的效应越大。根据光波红（蓝）移的程度，可以计算出波源循着观测方向运动的速度。 63、 光纤传感器可以分为两大类：一类是功能型（传感型）传感器; 另一类是非功
能型（传光型）传感器。
一、功能型传感器：功能型传感器是利用光纤本身的特性把光纤作为敏感元件, 被测量对光纤内传输的光进行调制, 使传输的光的强度、相位、频率或偏振态等特性发生变化, 再通过对被调制过的信号进行解调, 从而得出被测信号。
光纤在其中不仅是导光媒质，而且也是敏感元件，光在光纤内受被测量调制，多采用多模光纤。
优点：结构紧凑、灵敏度高。 缺点：须用特殊光纤，成本高，
典型例子：光纤陀螺、光纤水听器等
二、非功能型传感器：非功能型传感器是利用其它敏感元件感受被测量的变化, 光纤仅作为信息的传输介质，常采用单模光纤。
光纤在其中仅起导光作用，光照在光纤型敏感元件上受被测量调制。 优点：无需特殊光纤及其他特殊技术；比较容易实现，成本低。 缺点：灵敏度较低。
实用化的大都是非功能型的光纤传感器。 64、 光纤传感器是最近几年出现的新技术，可以用来测量多种物理量，比如声
场、电场、压力、温度、角速度、加速度等，还可以完成现有测量技术难以完成的测量任务。在狭小的空间里，在强电磁干扰和高电压的环境里，光纤传感器都显示
传感器与检测技术期末复习题
