第一章1．什么是傳感器？它由哪幾個部分組成？分別起到什么作用？解：傳感器是一種以一定的精確度把被測量轉換為與之有擬定相應關系的、便于應用的某種物理量的測量裝置，能完畢檢測任務；傳感器由敏感元件，轉換元件，轉換電路組成。敏感元件是直接感受被測量，并輸出與被測量成擬定關系的物理量；轉換元件把敏感元件的輸出作為它的輸入，轉換成電路參量；上述電路參數接入基本轉換電路，便可轉換成電量輸出。2．傳感器技術的發展動向表現在哪幾個方面？解：（1）開發新的敏感、傳感材料：在發現力、熱、光、磁、氣體等物理量都會使半導體硅材料的性能改變，從而制成力敏、熱敏、光敏、磁敏和氣敏等敏感元件后，尋找發現具有新原理、新效應的敏感元件和傳感元件。（2）開發研制新型傳感器及組成新型測試系統=1\*GB3①MEMS技術規定研制微型傳感器。如用于微型偵察機的CCD傳感器、用于管道爬壁機器人的力敏、視覺傳感器。 =2\*GB3②研制仿生傳感器=3\*GB3③研制海洋探測用傳感器 =4\*GB3④研制成分分析用傳感器 =5\*GB3⑤研制薄弱信號檢測傳感器（3）研究新一代的智能化傳感器及測試系統：如電子血壓計，智能水、電、煤氣、熱量表。它們的特點是傳感器與微型計算機有機結合，構成智能傳感器。系統功能最大限度地用軟件實現。（4）傳感器發展集成化：固體功能材料的進一步開發和集成技術的不斷發展，為傳感器集成化開辟了廣闊的前景。 （5）多功能與多參數傳感器的研究：如同時檢測壓力、溫度和液位的傳感器已逐步走向市場。3．傳感器的性能參數反映了傳感器的什么關系？靜態參數有哪些？各種參數代表什么意義？動態參數有那些？應如何選擇？解：在生產過程和科學實驗中，要對各種各樣的參數進行檢測和控制，就規定傳感器能感受被測非電量的變化并將其不失真地變換成相應的電量，這取決于傳感器的基本特性，即輸出—輸入特性。衡量靜態特性的重要指標是線性度、靈敏度，遲滯和反復性等。1）傳感器的線性度是指傳感器的輸出與輸入之間數量關系的線性限度；2）傳感器的靈敏度S是指傳感器的輸出量增量Δy與引起輸出量增量Δy的輸入量增量Δx的比值；3）傳感器的遲滯是指傳感器在正（輸入量增大）反（輸入量減?。┬谐唐陂g其輸出-輸入特性曲線不重合的現象；4）傳感器的反復性是指傳感器在輸入量按同一方向作全量程連續多次變化時，所得特性曲線不一致的限度。5）傳感器的漂移是指在外界的干擾下，輸出量發生與輸入量無關的、不需要的變化。漂移涉及零點漂移和靈敏度漂移等。傳感器的動態特性是指其輸出對隨時間變化的輸入量的響應特性：頻率響應、時間常數、固有頻率和阻尼比等。1）瞬態響應特性：傳感器的瞬態響應是時間響應。在研究傳感器的動態特性時，有時需要從時域中對傳感器的響應和過渡過程進行分析。這種分析方法是時域分析法，傳感器對所加激勵信號的響應稱瞬態響應。常用激勵信號有階躍函數、斜坡函數、脈沖函數等。2）頻率響應特性：傳感器對正弦輸入信號的響應特性，稱為頻率響應特性。頻率響應法是從傳感器的頻率特性出發研究傳感器的動態特性。為了減小動態誤差和擴大頻率響應范圍，一般是提高傳感器固有頻率ωn。4．某位移傳感器，在輸入量變化5mm時，輸出電壓變化為300mV，求其靈敏度。解：其靈敏度第二章1．什么是應變效應？什么是壓阻效應？什么是橫向效應？解：應變效應，是指在導體產生機械變形時，它的電阻值相應發生變化。壓阻效應，是指半導體材料在某一軸向受外力作用時，其電阻率ρ發生變化的現象。橫向效應，是指將直的電阻絲繞成敏感柵后，雖然長度不變，應變狀態相同，但由于應變片敏感柵的電阻變化較小，因而其靈敏系數k較電阻絲的靈敏系數k0小的現象。2、試說明金屬應變片與半導體應變片的相同和不同之處。解：金屬應變片由敏感柵、基片、覆蓋層和引線等部分組成。金屬電阻應變片的敏感柵有絲式、箔式和薄膜式三種。箔式應變片是運用光刻、腐蝕等工藝制成的一種很薄的金屬箔柵，其優點是散熱條件好，允許通過的電流較大，便于批量生產，可制成各種所需的形狀；缺陷是電阻分散性大。薄膜式應變片是采用真空蒸發或真空沉淀等方法在薄的絕緣基片上形成0.1μm以下的金屬電阻薄膜的敏感柵，最后再加上保護層。它的優點是應變靈敏度系數大，允許電流密度大，工作范圍廣。半導體應變片是用半導體材料制成的，其工作原理是基于半導體材料的壓阻效應。半導體應變片的突出優點是靈敏度高，比金屬絲式應變片高50～80倍，尺寸小，橫向效應小，動態響應好。但它有溫度系數大，應變時非線性比較嚴重等缺陷。3、應變片產生溫度誤差的因素及減小或補償溫度誤差的方法是什么？解：電阻應變片產生溫度誤差的因素：當測量現場環境溫度變化時，由于敏感柵溫度系數及柵絲與試件膨脹系數之差異性而給測量帶來了附加誤差。電阻應變片的溫度補償方法：通常有線路補償法和應變片自補償兩大類。1）電橋補償是最常用的且效果較好的線路補償法。電橋補償法簡樸易行，并且能在較大的溫度范圍內補償，但上面的四個條件不一滿足，特別是兩個應變片很難處在同一溫度場。2）應變片的自補償法是運用自身具有溫度補償作用的應變片。4、鋼材上粘貼的應變片的電阻變化率為0.1%，鋼材的應力為10kg/mm2。試求①求鋼材的應變。②鋼材的應變為300×10-6時，粘貼的應變片的電阻變化率為多少?解：①是ΔR/R=2（Δl/l）。由于電阻變化率是ΔR/R=0.001，所以Δl/l（應變）=0.0005=②因5、如系題圖1-1所示為等強度梁測力系統，為電阻應變片，應變片靈敏度系數，未受應變時，當試件受力時，應變片承受平均應變，求（1）應變片電阻變化量和電阻相對變化量。（2）將電阻應變片置于單臂測量電橋，電橋電源電壓為直流3，求電橋輸出電壓是多少。（b）習題圖1-1等強度梁測力系統解：（1），解：（2）設橋臂比，分母中可忽略，并考慮到平衡條件，則上式可寫為：6、單臂電橋存在非線性誤差，試說明解決方法。解：為了減小和克服非線性誤差，常采用差動電橋在試件上安裝兩個工作應變片，一個受拉應變，一個受壓應變，接入電橋相鄰橋臂，稱為半橋差動電路，由教材中的式（2-42）可知，Uo與ΔR1/R1呈線性關系，差動電橋無非線性誤差，并且電橋電壓靈敏度KV=E/2，比單臂工作時提高一倍，同時還具有溫度補償作用。第三章為什么電感式傳感器一般都采用差動形式?解：差動式結構，除了可以改善非線性，提高靈敏度外，對電源電壓、頻率的波動及溫度變化等外界影響也有補償作用；作用在銜鐵上的電磁力，是兩個線圈磁力之差，所以對電磁力有一定的補償作用，從而提高了測量的準確性。2.交流電橋的平衡條件是什么？解：由交流電路分析可得 要滿足電橋平衡條件，即，則有： 3．渦流的形成范圍和滲透深度與哪些因素有關?被測體對渦流傳感器的靈敏度有何影響?解：電渦流的徑向形成范圍大約在傳感器線圈外徑的1.8～2.5倍范圍內，且分布不均勻。渦流貫穿深度，定義在渦流密度最大值的處。被測體的平面不應小于傳感器線圈外D的2倍，厚度大于2倍貫穿度h時，傳感器靈敏度幾乎不受影響。4．渦流式傳感器的重要優點是什么?解：電渦流式傳感器最大的特點是能對位移、厚度、表面溫度、速度、應力、材料損傷等進行非接觸式連續測量，此外還具有體積小，靈敏度高，頻率響應寬等特點，應用極其廣泛。5．電渦流傳感器除了能測量位移外，還能測量哪些非電量？解：還可以對厚度、表面溫度、速度、應力、材料損傷等進行非接觸式連續測量。第四章1．某電容傳感器（平行極板電容器）的圓形極板半徑，工作初始極板間距離，介質為空氣。問：（1）假如極板間距離變化量，電容的變化量是多少？（2）假如測量電路的靈敏度，讀數儀表的靈敏度（格／mV）在時，讀數儀表的變化量為多少？解：（1）根據公式 ，其中S=（2）根據公式 ，可得到=2．寄生電容與電容傳感器相關聯影響傳感器的靈敏度，它的變化為虛假信號影響傳感器的精度。試闡述消除和減小寄生電容影響的幾種方法和原理。解：電容式傳感器內極板與其周邊導體構成的“寄生電容”卻較大，不僅減少了傳感器的靈敏度，并且這些電容（如電纜電容）經常是隨機變化的，將使儀器工作很不穩定，影響測量精度。因此對電纜的選擇、安裝、接法都有規定。若考慮電容傳感器在高溫、高濕及高頻激勵的條件下工作而不可忽視其附加損耗和電效應影響時，其等效電路如圖4-8所示。圖中L涉及引線電纜電感和電容式傳感器自身的電感；C0為傳感器自身的電容；Cp為引線電纜、所接測量電路及極板與外界所形成的總寄生電容，克服其影響，是提高電容傳感器實用性能的關鍵之一；Rg為低頻損耗并聯電阻，它包含極板間漏電和介質損耗；Rs為高濕、高溫、高頻激勵工作時的串聯損耗電組，它包含導線、極板間和金屬支座等損耗電阻。此時電容傳感器的等效靈敏度為 （4-28）當電容式傳感器的供電電源頻率較高時，傳感器的靈敏度由kg變為ke，ke與傳感器的固有電感（涉及電纜電感）有關，且隨ω變化而變化。在這種情況下，每當改變激勵頻率或者更換傳輸電纜時都必須對測量系統重新進行標定。3．簡述電容式傳感器的優缺陷。解：優點：(1)溫度穩定性好(2)結構簡樸(3)動態響應好（4）可以實現非接觸測量，具有平均效應缺陷：（1）輸出阻抗高，負載能力差（2）寄生電容影響大4．電容式傳感器測量電路的作用是什么？解：電容式傳感器中電容值以及電容變化值都十分微小，這樣微小的電容量還不能直接被目前的顯示儀表顯示，也很難被記錄儀接受，不便于傳輸。這就必須借助于測量電路檢出這一微小電容增量，并將其轉換成與其成單值函數關系的電壓、電流或者頻率。電容轉換電路有調頻電路、運算放大器式電路、二極管雙T型交流電橋、脈沖寬度調制電路等5．下圖為變極距型平板電容傳感器的一種測量電路，其中CX為傳感器電容，C為固定電容，假設運放增益A=∞，輸入阻抗Z=∞；試推導輸出電壓U0與極板間距的關系，并分析其工作特點。題圖4-1式中負號表達輸出電壓的相位與電源電壓反相。上式說明運算放大器的輸出電壓與極板間距離d線性關系。運算放大器電路解決了單個變極板間距離式電容傳感器的非線性問題。但規定Zi及放大倍數K足夠大。為保證儀器精度，還規定電源電壓的幅值和固定電容C值穩定。第五章1．簡述正、逆壓電效應。解：某些電介質在沿一定的方向受到外力的作用變形時，由于內部電極化現象同時在兩個表面上產生符號相反的電荷，當外力去掉后，恢復到不帶電的狀態；而當作用力方向改變時，電荷的極性隨著改變。晶體受力所產生的電荷量與外力的大小成正比。這種現象稱為正壓電效應。反之，如對晶體施加一定變電場，晶體自身將產生機械變形，外電場撤離，變形也隨之消失，稱為逆壓電效應。2．壓電材料的重要特性參數有哪些？解：壓電材料的重要特性參數有：（1）壓電常數：壓電常數是衡量材料壓電效應強弱的參數，它直接關系到壓電輸出的靈敏度。（2）彈性常數：壓電材料的彈性常數、剛度決定著壓電器件的固有頻率和動態特性。（3）介電常數：對于一定形狀、尺寸的壓電元件，其固有電容與介電常數有關；而固有電容又影響著壓電傳感器的頻率下限。（4）機械耦合系數：在壓電效應中，其值等于轉換輸出能量（如電能）與輸入的能量（如機械能）之比的平方根；它是衡量壓電材料機電能量轉換效率的一個重要參數。（5）電阻壓電材料的絕緣電阻：將減少電荷泄漏，從而改善壓電傳感器的低頻特性。（6）居里點：壓電材料開始喪失壓電特性的溫度稱為居里點。3．簡述電壓放大器和電荷放大器的優缺陷。解：電壓放大器的應用品有一定的應用限制，壓電式傳感器在與電壓放大器配合使用時，連接電纜不能太長。優點：微型電壓放大電路可以和傳感器做成一體，這樣這一問題就可以得到克服，使它具有廣泛的應用前景。缺陷：電纜長，電纜電容Cc就大，電纜電容增大必然使傳感器的電壓靈敏度減少。但是由于固態電子器件和集成電路的迅速發展，電荷放大器的優點：輸出電壓Uo與電纜電容Cc無關，且與Q成正比，這是電荷放大器的最大特點。但電荷放大器的缺陷：價格比電壓放大器高，電路較復雜，調整也較困難。要注意的是，在實際應用中，電壓放大器和電荷放大器都應加過載放大保護電路，否則在傳感器過載時，會產生過高的輸出電壓。4．能否用壓電傳感器測量靜態壓力？為什么？解：不可以，壓電傳感器自身的內阻抗很高，而輸出能量較小，為了保證壓電傳感器的測量誤差較小，它的測量電路通常需要接入一個高輸入阻抗的前置放大器，所以不能用來測量靜態壓力。5．題圖5-1所示電荷放大器中Ca=100PF，Ra=∞，Rf=∞，Ri=∞，CF=10PF。若考慮引線電容CC影響，當A0=104時，規定輸出信號衰減小于1%，求使用90PF/m的電纜，其最大允許長度為多少？題圖5-1解：因此若滿足時，式（6-4）可表達為 第六章1．說明霍爾效應的原理？解：置于磁場中的靜止載流導體，當它的電流方向與磁場方向不一致時，載流導體上平行于電流和磁場方向上的兩個面之間產生電動勢，這種現象稱霍爾效應。2．某霍爾元件為沿方向通以電流，在垂直面方向加有均勻磁場，傳感器的靈敏度系數為，試求其輸出霍爾電勢及載流子濃度。（）解：，式中KH=RH/d稱為霍爾片的靈敏度所以輸出的霍爾電勢為，由于，式中令RH=-1/（ne），稱之為霍爾常數，其大小取決于導體載流子密度,所以濃度= 3．磁電式傳感器與電感式傳感器有何不同？解：磁敏式傳感器是通過磁電作用將被測量（如振動、位移、轉速等）轉換成電信號的一種傳感器。磁電感應式傳感器也稱為電動式傳感器或感應式傳感器。磁電感應式傳感器是運用導體和磁場發生相對運動產生電動式的，它不需要輔助電源就能把被測對象的機械量轉換成易于測量的電信號，是有源傳感器。電感式傳感器是運用電磁感應原理將被測非電量如位移、壓力、流量、、重量、振動等轉換成線圈自感量L或互感量M的變化，再由測量電路轉換為電壓或電流的變化量輸出的裝置。4．霍爾元件在一定電流的控制下，其霍爾電勢與哪些因素有關？解：根據下面這個公式可以得到 ，霍爾電勢還與磁感應強度B,KH為霍爾片的靈敏度,霍爾元件的長度L和寬度b有關。第七章1．什么是熱電勢、接觸電勢和溫差電勢？解：兩種不同的金屬A和B構成的閉合回路，假如將它們的兩個接點中的一個進行加熱，使其溫度為T，而另一點置于室溫T0中，則在回路中會產生的電勢就叫做熱電勢。由于兩種不同導體的自由電子密度不同而在接觸處形成的電動勢叫做接觸電勢。溫差電勢（又稱湯姆森電勢）是同一導體的兩端因其溫度不同而產生的一種熱電勢。2．說明熱電偶測溫的原理及熱電偶的基本定律。解：熱電偶是一種將溫度變化轉換為電量變化的裝置，它運用傳感元件的電磁參數隨溫度變化的特性來達成測量的目的。通常將被測溫度轉換為敏感元件的電阻、磁導或電勢等的變化，通過適當的測量電路，就可由電壓電流這些電參數的變化來表達所測溫度的變化。熱電偶的基本定律涉及以下三種定律：1）中間導體定律：在熱電偶回路中，只要中間導體兩端的溫度相同，那么接入中間導體后，對熱電偶的回路的總電勢無影響。2）參考電極定律：假如導體C熱電極作為參考電極，并已知標準電極與任意導體配對時的熱電勢，那么在相同結點溫度（T,T0）下，任意兩導體A、B組成的熱電偶，其電勢可由下式求得3）中間溫度定律：在熱電偶回路中，兩接點溫度為T，T0時的熱電勢，等于該熱電偶在接點T、Ta和Ta、T0時的熱電勢之和，即3．已知在其特定條件下材料A與鉑配對的熱電勢，材料B與鉑配對的熱電勢，試求出此條件下材料A與材料B配對后的熱電勢。解：根據熱電偶基本定律中的參考電極定律可知，當結點溫度為T，T0時，用導體A，B組成的熱電偶的熱電動勢等于AC熱電偶和CB熱電偶的熱電動勢的代數和，即： 4．Pt100和Cu50分別代表什么傳感器？分析熱電阻傳感器測量電橋之三線、四線連接法的重要作用。解：Pt100代表鉑熱電阻傳感器，Cu50代表銅熱電阻傳感器。三線制可以減小熱電阻與測量儀表之間連接導線的電阻因環境溫度變化所引起的測量誤差。四線制可以完全消除引線電阻對測量的影響，用于高精度溫度檢測。工業用鉑電阻測溫常采用三線制和四線制連接法。5．將一只靈敏度為0.08mv/℃的熱電偶與毫伏表相連,已知接線端溫度為50℃,毫伏表的輸出為60mv,求熱電偶熱端的溫度為多少?解：6．試比較熱電阻與熱敏電阻的異同。解：熱電阻將溫度轉換為電阻值大小的熱電式傳感器,熱電阻傳感器是運用導體的電阻值隨溫度變化而變化的原理進行測溫的。熱電阻傳感器的測量精度高；有較大的測量范圍，它可測量－200～500℃的溫度；易于使用在自動測量和遠距離測量中。熱電阻由電阻體、保護套和接線盒等部件組成。其結構形式可根據實際使用制作成各種形狀。熱敏電阻是由一些金屬氧化物，如鈷、錳、鎳等的氧化物，采用不同比例的配方，經高溫燒結而成，然后采用不同的封裝形式制成珠狀、片狀、桿狀、墊圈狀等各種形狀。熱敏電阻具有以下優點：①電阻溫度系數大，靈敏度高；②結構簡樸；③電阻率高，熱慣性??；但它阻值與溫度變化呈非線性，且穩定性和互換性較差。第八章1．什么是光電效應，依其表現形式如何分類，并予以解釋。解：光電效應一方面把被測量的變化轉換成光信號的變化，然后通過光電轉換元件變換成電信號,光電效應分為外光電效應和內光電效應兩大類：a)在光線作用下，能使電子逸出物體表面的現象稱為外光電效應;b)受光照的物體導電率發生變化，或產生光生電動勢的效應叫內光電效應。2．分別列舉屬于內光電效應和外光電效應的光電器件。解：外光電效應，如光電管、光電倍增管等。內光電效應，如光敏電阻、光電池和光敏晶體管等。3．簡述CCD的工作原理。解：CCD的工作原理如下：一方面構成CCD的基本單元是MOS電容器，假如MOS電容器中的半導體是P型硅，當在金屬電極上施加一個正電壓時，在其電極下形成所謂耗盡層，由于電子在那里勢能較低，形成了電子的勢阱，成為蓄積電荷的場合。CCD的最基本結構是一系列彼此非?？拷腗OS電容器，這些電容器用同一半導體襯底制成，襯底上面覆蓋一層氧化層，并在其上制作許多金屬電極，各電極按三相（也有二相和四相）配線方式連接。CCD的基本功能是存儲與轉移信息電荷，為了實現信號電荷的轉換：必須使MOS電容陣列的排列足夠緊密，以致相鄰MOS電容的勢阱互相溝通，即互相耦合；控制相鄰MOC電容柵極電壓高低來調節勢阱深淺，使信號電荷由勢阱淺的地方流向勢阱深處；在CCD中電荷的轉移必須按照擬定的方向。4．說明光纖傳輸的原理。解：光在空間是直線傳播的。在光纖中，光的傳輸限制在光纖中，并隨光纖能傳送到很遠的距離，光纖的傳輸是基于光的全內反射。當光纖的直徑比光的波長大很多時，可以用幾何光學的方法來說明光在光纖內的傳播。設有一段圓柱形光纖，它的兩個端面均為光滑的平面。當光線射入一個端面并與圓柱的軸線成θi角時，根據斯涅耳（Snell）光的折射定律，在光纖內折射成θj，然后以θk角入射至纖芯與包層的界面。若要在界面上發生全反射，則纖芯與界面的光線入射角θk應大于臨界角φc（處在臨界狀態時，θr=90o），即: 且在光纖內部以同樣的角度反復逐次反射，直至傳播到另一端面。5．光纖傳感器常用的調制原理有哪些？解：1）強度調制原理2）相位調制原理3）頻率調制原理4）偏振調制原理6．紅外線的最大特點是什么？什么是紅外傳感器？解：紅外線的最大特點是具有光熱效應，可以輻射熱量，它是光譜中的最大光熱效應區。能將紅外輻射量的變化轉換為電量變化的裝置稱為紅外探測器或紅外傳感器。紅外傳感器一般由光學系統、探測器、信號調理電路及顯示系統等組成。7．光敏電阻、光電池、光敏二極管和光敏三極管在性能上有什么差異，它們分別在什么情況下選用最合適？解：光敏電阻（1）伏安特性：在一定照度下，流過光敏電阻的電流與光敏電阻兩端的電壓的關系稱為光敏電阻的伏安特性。光敏電阻在一定的電壓范圍內，其I-U曲線為直線，說明其阻值與入射光量有關，而與電壓、電流無關。在給定的偏壓情況下，光照度越大，光電流也就越大；在一定光照度下，加的電壓越大，光電流越大，沒有飽和現象。光敏電阻的最高工作電壓是由耗散功率決定的，耗散功率又和面積以及散熱條件等因素有關。（2）光譜特性：光敏電阻的相對光敏靈敏度與入射波長的關系稱為光譜特性，亦稱為光譜響應。光敏電阻的靈敏度是不同的。從圖中可見硫化鎘光敏電阻的光譜響應的峰值在可見光區域，常被用作光度量測量（照度計）的探頭。而硫化鉛光敏電阻響應于近紅外和中紅外區，常用做火焰探測器的探頭。（3）光照特性：由于光敏電阻的光照特性呈非線性，因此不宜作為測量元件，一般在自動控制系統中常用作開關式光電信號傳感元件。（4）溫度特性：光敏電阻受溫度的影響較大。當溫度升高時，它的暗電阻和靈敏度都下降。溫度變化影響光