滁州学院期末 传感器试卷（密）

一、名词解释（4分x5题） 1、传感器

传感器是能够感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。 传感器的共性：利用物理定律和物质的物理、化学或生物特性，将非电量(如位移、速度、加速度、力等)转换为电量(电压、电流、电容、电阻等)；

传感器的组成： 敏感元件是指传感器中能直接感受或响应被测的部分；转换元件是指传感器中能将敏感元件感受或响应被测的部分被测量转换成适于传输和检测的电信号部分。

2、正压电效应

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，同时在它的两个表面上便产生符号相反的电荷， 当外力去掉后，又重新恢复到不带电状态。这种现象称压电效应。当作用力方向改变时，电荷的极性也随着改变，其受力所产生的电荷量与外力成正比，这种现象称为正压电效应。

3、霍尔效应

置于磁场中的静止载流导体，当它的电流方向与磁场方向不一致时，载流导体上平行于电流和磁场方向上的两个面之间产生电动势，这种现象称霍尔效应。

4、光电效应

在光线作用下，物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象称为外光电效应。 在光线作用下，物体的导电性能发生变化或产生光生电动势的效应称为内光电效应。内光电效应又可分为以下两类：光电导效应 光生伏特效应

5、热电偶

两种不同材料的导体（或半导体）组成一个闭合回路(如图15-7 所示)，当两接点温度T和T0不同时，则在该回路中就会产生电动势，这种现象称为热电效应, 该电动势称为热电势。这两种不同材料的导体或半导体的组合称为热电偶，导体A、B称为热电极。 两个接点，一个称热端，又称测量端或工作端，测温时将它置于被测介质中;另一个称冷端，又称参考端或自由端，它通过导线与显示仪表相连。

6、灵敏度

灵敏度是传感器静态特性的一个重要指标。其定义是输出量增量Δy与引起输出量增量Δy的相应输入量增量Δx之比。用S表示灵敏度，即

?y ?x二、判断题（2分x10题）

S?

1、传感器只有在有电源供电的情况下才能工作。 （×） 2、由于传感器导磁材料磁化曲线的非线性使得激励电流与磁通不一致，从而形成了零点残余电压。 （∨） 3、电涡流传感器的最大特点是能对位移、厚度、速度等进行接触式连续测量。 （×） 4、压电传感器是有源传感器。 （∨） 5、压电传感器不能用来对静态变量的测量。 （∨）

6、磁电式传感器不需要辅助电源的，就能把被测对象的机械量转换成易于测量的电信号。

（∨）

7、霍尔元件在使用的时候不区分激励电极和输出电极。 （×） 8、光敏电阻的工作原理是基于光生伏特效应。 （×） 9、硒光电池的频率特性比硅光电池的频率特性好。 （×） 10、表面波能在固体、液体表面传播。 （×）

三、简述题(5分X2题)

1、电阻式传感器有哪几种类型？简述金属电阻应变片的工作原理

答：电位器式、电阻应变式、热敏效应等。

电阻应变片的工作原理是基于应变效应，即导体或半导体材料在外界力的作用下产生机械变形时，其电阻值相应发生变化，这种现象称为“应变效应”。

?l一根金属电阻丝 在其未受力时，原始电阻值为 R?

A当电阻丝受到拉力F作用时,将伸长Δl，横截面积相应减小ΔA，电阻率因材料晶格发生变形等因素影响而改变了Δρ，从而引起电阻值相对变化量为

dRdρ?(1?2?)?? Rρ对金属材料来说，上式中1+2μ的值要比（dρ/ρ）/ε大得多，（dρ/ρ）/ε可以忽略。由此可见，金属电阻应变片的电阻相对变化量与应变ε成正比。此即金属电阻应变片的工作原理。

2、试述如图所示电涡流传感器的基本原理

传感器激励电流?H1传感器激励线圈据法拉第定律，当传感器线圈通以正弦交变电流I1

?I1时，线圈周围空间必然产生正弦交变磁场H1，使置于此磁

～场中的金属导体中感应电涡流I2，I2又产生新的交变磁场

(a)H2。根据愣次定律，H2的作用将反抗原磁场H1，由于磁场

H2的作用，涡流要消耗一部分能量，导致传感器线圈的等效阻抗发生变化。由上可知，线圈阻抗的变化完全取决于?H被测金属导体被测金属导体的电涡流效应。电涡流效应既与被测体的电阻率ρ、磁导率μ以及几何形状有关，还与线圈的几何参

(b)?数、线圈中激磁电流频率f有关，同时还与线圈与导体间I的距x有关。因此，传感器线圈受电涡流影响时的等效阻抗Z的函数关系式为：Z=F(ρ，u，r，f，x) 式中, r为线圈与被测体的尺寸因子。

如果保持上式中其它参数不变，而只改变其中一个参数， 传感器线圈阻抗Z就仅仅是这个参数的单值函数。通过与传感器配用的测量电路测出阻抗Z的变化量，即可实现对该参数的测量。

223、电容式传感器的工作原理

电容式传感器可分为变极距型、变面积型和变介质型三种形式。 电容式传感器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。一个由绝缘介质分开的两个平行金属板组成的平板电容器。当忽略边缘效应时，其电容量与极板间介质的相对介质常数εr真空介电常数ε0（8.854x10-12F/m）、极板的有效面积A以及两级极板间的距离d有关系，其计算公式可表示为：

C= ε A/d=εrε0A/d（ε 为平行平板间介质的介电常数，d 为极板的间距，A为极板的覆盖面积）

改变其中某个参数，即可改变电容量C。实际设计电容式传感器时，通常要保证d，εr，A三个参量之中的两个保持不变，仅改变其中的一个变量来实现电容量的变化，再通过测量电路就可转换为电量输出。

四、应用题（10分X3题） 1

BS-D2压电式传感器是专门用于检测玻璃破碎的一种传感器，它利用压电元件对振动敏感的特性来感知玻璃受撞击和破碎时产生的振动波。传感器把振动波转换成电压输出，输出电压经放大、滤波、比较等处理后提供给报警系统。

使用时将压电式传感器用胶粘贴在玻璃上，然后通过电缆和报警电路相连。为了提高报警器的灵敏度，信号经放大后，需经带通滤波器进行滤波，要求它对选定的频谱通带的衰减要小，而频带外衰减要尽量大。由于玻璃振动的波长在音频和超声波的范围内， 这就使滤波器成为电路中的关键。只有当传感器输出信号高于设定的阈值时，才会输出报警信号，驱动报警执行机构工作。

2、试述如图所示CCD图像传感器工件尺寸检测系统的工作原理

D被测物体成像透镜CCD视频处理器微机控制器物体成像聚焦在图像传感器的光敏面上，视频处理器对输出的视频信号进行存储和数据处理，整个过程由微机控制完成。 npD?根据光学几何原理，可以推导被测物体尺寸的计算公式，即 MD为被测原件的尺寸；n为覆盖的光敏像素数；p为像素间距；M为倍率

微机可对多次测量求平均值，精确得到被测物体的尺寸。 任何能够用光学成像的零件都可以用这种方法，实现不接触的在线自动检测的目的。

3、 差动电容式压力传感器

它的受压膜片电极位于两个固定电极之间,构成两个电容器。在压力的作用下一个电容器的容量增大而另一个则相应减小，测量结果由差动式电路输出。它的固定电极是在凹曲的玻璃表面上镀金属层而制成。过载时膜片受到凹面的保护而不致破裂。差动电容式压力传感器比单电容式的灵敏度高、线性度好，但加工较困难（特别是难以保证对称性），而且不能实现对被测气体或液体的隔离，

因此不宜于工作在有腐蚀性或杂质的流体中。

五、设计题（10分X2题）

答题要求：

1、传感器选用合理（2分）； 2、画出完整的组成框图（3分），说明工作原理（4分）； 3、使用先进的技术手段（1分） 1、试设计一个转速自动检测与控制系统

用直射式光电转速传感器，如图（1）

它由光敏元件，开孔圆盘，光源，缝隙板等组成，开孔圆盘的输入轴与被测轴相连接，光源发出的光，通过开孔圆盘和缝隙板照射到光敏元件上被光敏元件锁接受，将光信号转为电信号输出，开孔圆盘上有许多小孔，开孔圆盘旋转一周，光敏元件输出的电脉冲个数等于圆盘的开孔数，因此，可通过光敏元件输出的脉冲频率，得知被测转速，即n=f/Z(n为转速，f为脉冲频率，Z为圆盘开孔数)

2、设计一个位移检测与控制系统

电感式位移传感器利用电磁感应定律将被测位移转换为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，电感线圈输入的是交流电流，当被测位移量引起铁芯与衔铁之间的磁阻变化时，线圈的自感系数或互感系数产生变化。

3、试设计一个自动温度检测与控制系统

热电偶测温，原理：热电效应。即将两种不同的导体A和B连成闭合回路，当两个接点处温度不同时，回路中产生热电势，在回路中产生热电动势而形成电流。

这两种不同导体组合是热电偶。

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