《传感器原理及其应用》期末考试题库

一、填空题（每空一分）

1、依据传感器的工作原理，传感器分为 敏感元件、转换元件、测量电路 三个部分组成。

2、半导体应变计应用较普遍的有 体型、薄膜型、扩展型、外延型 等。

3、光电式传感器是将光信号转化为电信号的光敏元件，根据光电效应可以分为 内光电效应、外光电效应、热释电效应 三种。

4、光电流与暗电流的差称为 光电流 。

5、光电管的工作点应选在 光电流 与 阳极电压 无关的饱和区域内。

6、金属丝应变传感器设计过程中为了减小横向效应，可以采用 直线栅式应变计 和 箔式应变计 结构。

7、反射式光纤位移传感器 在 位移 – 输出曲线的前坡呈 线性 关系，在后坡与 距离的平方成反比 关系。

8、根据热敏电阻的三种类型，其中 临界温度系数型 最适合开关型温度传感器。

9、画出达林顿光电三极管内部接线方式：略

10、灵敏度是描述传感器的 输出量 与 输入量 敏感程度的特性参数，其定义为：传感器 输出量的变化值 与相应的 被测量变化值 之比，用公式表示为：\(k(x)\ =\ \Delta y / \Delta x\) 。

11、线性度是指传感器的 输出量 与 输入量 之间是否保持理想线性特性的一种度量。按照所依据的基准线不同，线性度分为 理论线性度、 端基线性度、 独立线性度 、 最小二乘法线性度 等。最常用的是 最小二乘法线性度 。

12、根据敏感元件材料的不同，将应变计分为 金属式 和 半导体式 两大类。

13、利用热效应的光电传感器包含 光—热 、热—电 两个阶段的信息变换过程。

14、应变传感器的设计过程中，通常需要考虑温度补偿，温度的补偿方法有 电桥补偿法、 计算机补偿法、 应变计补偿法、 热敏电阻补偿法 。

15、应变传感器一般是由 电阻应变片 和 测量电路 两部分组成。

16、传感器的静态特性有 灵敏度、 线性度、 迟滞、 稳定性、 灵敏度界限 。

17、 在光照射条件下，电子逸出物体表面向外发射的现象称为 外光电效应 ，入射光改变物质导电率的物理现象称为 内光电效应 。

18、光电管是一个装有 阴极 和 阳极 的真空玻璃管。

19、光电管的频率响应是指一定频率的调制光照射时光电输出的电流随频率变化的关系，与其 物理结构、 工作状态、 负载 以及入射光波长等因素有关。多数光电器件灵敏度与调制频率的关系为：\(Sr(f)\ =\ Sr / (1+4\pi^2 f^2 T^2)\) 。

20、内光电效应可分为 广电导效应 和 光生伏特效应 。

21、国家标准 GB 7665–87 对传感器的定义是：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，通常由 敏感元件 和 转换元件 组成。

22、传感器按输出量是模拟量还是数字量，可分为 模拟量传感器 和 数字量传感器 。

23、传感器的静态特性的灵敏度用公式表示为： \(k_(x)\ =\ 输出量变化值 / 输入量的变化值\ =\ \Delta y / \Delta x\) .

24、应变计的粘贴对粘贴剂的要求主要有：有一定的粘贴强度；能准确的传递应变； 蠕变小 ； 机械滞后小 ； 疲劳性好 ；具有足够的稳定性；对弹性元件和应变计不产生化学腐蚀作用；有适当的存储期；应有较大的温度适用范围。

25、根据传感器感知外界所依据的基本效应，可以将传感器分为三大类：物理传感器、 化学传感器、 生物传感器 。

26、应变式测力与称重传感器根据弹性的结构形式的不同可分为 柱式传感器、 轮辐式传感器、 悬梁式传感器 和 环式传感器 。

27、大多数接收器对所感受的波长是有选择性的，接收器对不同波长的反应程度称为光谱灵敏度，其表达式为：\(S(\lambda)\ =\ \dfrac{U(\lambda)}{\phi(\lambda)}\) 。

28、应变式传感器一般是由 电阻应变片 和 测量电阻 两部分组成。

29、应变式传感器的基本构成通常可以分为两部分： 弹性敏感元件 、 应变计 。

30、传感器的种类繁多，根据传感器感知外界信息的基本效应，可将传感器分为 基于物理效应、基于化学效应、 分子识别 三大类。

31、长为1、截面积为A、电阻率为\(\rho\)、的金属丝或半导体丝，其电阻为：\(R\ =\ \rho \dfrac{l}{A}\) 。

32、传感器的静态特性有 灵敏度、线性度、 迟滞、稳定性、灵敏度阈值 。

33、温度补偿的方法有：电桥补偿法、 计算机补偿法、 应变计补偿法、 热敏电阻补偿法 。

34、在应变片设计过程中，为了减小横向效应，可以采用 直角栅式 应变计或 箔式 应变计。

35、光电传感器是将光信号转换为电信号的光敏元件，其中内光电效应可分为 光电导效应 和 光生伏特效应 。

36、应变计允许的最高工作频率 f 是应变计的重要参数，若应变波幅测量的相对误差为 e ，在该材料中的传播速度为 v ，则对于 L 的应变计，其 f= \(\dfrac{v}{\pi l}\sqrt{6e}\) 。

37、应变计根据敏感元件的材料不同，可分为 金属式 和 半导体式 。

38、应变测力传感器由 弹性体、 应变计 和 外壳 组成。

39、光敏电阻的温度特性公式是：\(\alpha\ =\ \dfrac{R_2-R_1}{(T_2-T_1)R_2}\times 100%\) （\(R_1\) 为在一定光照下温度为 \(T_1\) 时的阻值）。

40、电阻应变计，也称 应变计 或 应变力 ，是一种能将机械构件上的 应变的变化 转换成 电阻变化 的传感元件。

41、一个高阶系统的传感器总可以看成是由若干个 零阶 系统、一阶 和 二阶 系统组成。

42、敏感光栅越窄，基长越长的应变计，其横向效应引起的误差越 小 （ 大 / 小 ）。

43、应变计的自补偿方法包括 选择式自补偿应变计 和 双金属敏感栅自补偿应变计 。

44、光电倍增管是利用 二次电子释放效应 ，将光电流在管内部放大。它由 光电阴极、 若干增极、 和 阳极 三部分组成。

45、传感器线性度公式 \(e_t\ =\ \pm \dfrac{\Delta_{max}}{Y_{FS}}\times 100%\) ，其中 \(Y_{FS}\) 表示的是 传感器满量程输出平均值 （100后面有个百分号）。

46、两个各有 \(G_1(s)\ 和\ G_2(s)\) 传递函数的系统串联以后，如果其阻抗匹配合适，相互之间不影响彼此的工作状态，那么其传递函数为: \(G(s)\ =\ G_1(s)\ *\ G_2(s)\) 。

47、实验表明，金属线材的应变计实际灵敏度 k 恒 < （>、< 或 =）理论灵敏度系数 \(k_0\) ，其原因除了粘合剂、基片传递变形失真外，主要原因是存在 横向效应 。

48、输入逐渐增加到某一值，与输入逐渐减小到同一入值时的输出值不相等，叫做 迟滞 现象， 迟滞差 表示这种不相等的程度。其值以 满量程 的输出 \(Y_{FS}\) 的百分数表示。

49、悬臂梁作为弹性敏感元件，根据其截面形状的不同，一般可分为 等截面梁 和 等强度梁 。

50、线性度和灵敏度式传感器的 静态 指标，频率响应特性是传感器的 动态 指标。

51、光纤的类型按折射率变化类型有 跃阶折射率光纤 ， 渐变折射率光纤 ， 按传播的模式分类有 单模光纤 , 多模光纤 。

52、相位型光纤传感器通常使用相位检测的方法，该方法包括： 零差检测 ， 外差检测 ， 合成外差检测 等三种方法。

53、厚度剪切模的石英振子固有共振频率为 ： \(f\ =\ \dfrac{1}{2h}\ \times\ \sqrt{\dfrac{C^D_{66}}{\rho}}\) 。

54、法布里 – 珀罗干涉仪是由两块平行的部分透射平面镜组成的，这两块平面镜的 反射率 通常是非常大的，一般大于或等于 95% 。

55、能保证一个湿敏器件正常工作的环境最大变化范围称为 湿度量程 。

56、光线传播过程中由于 材料的吸收 , 散射 ， 弯曲处的辐射损耗 等的影响，不可避免的有所损耗。

57、测量加速度的传感器种类很多，目前使用最广泛、最普遍的是 压电加速度传感器 。

58、光纤的结构由 纤芯 ， 包层 ， 护套 三个部分组成。

59、依据干涉型光纤传感器的基本原理，目前光纤传感器中采用四种不同的干涉测量结构，分别是 迈克耳孙 ， 马赫 – 泽德 ， 萨格奈克 和 法布里 – 珀罗 。

60、热敏电阻有三种类型，即 正温度系数型 ， 负温度系数型 ， 临界温度系数型 。

61、光纤的导光能力取决于 纤芯 和 包层 的光学性能，数值孔径作为光纤的几个重要参数，根据光纤 纤芯折射率 \(n_1\) 和 包层折射率 \(n_2\) ，数值孔径可以定义为 ： \(NA\ =\ \sqrt{n_1^2\ -\ n_2^2}\) , 单模传输条件是： V < 2.404 。

62、红外热辐射传感器，从原理上可分为： 热电型 和 光量子型 。

63、光量子型传感器可以分为： 光导型 ，光电型 ， 光电磁型 ， 肖特基型 。

64、传感器按工作原理可以分为：应变式 ， 电容式 ， 电感式 等。

65、传感器灵敏度的定义为：\(k(x)\ =\ \dfrac{\Delta y}{\Delta x}\) 。

66、光电二极管是利用 PN结单向导电性 的结构光电器件。

67、依据光纤传感器的原理可以分为 强度型（振幅型）光纤传感器 与 干涉型光纤传感器 。

68、从传感器的机理上，光纤传感器可以分为 振幅型 和 相位型 两种。

69、某些晶体沿一定方向伸长或压缩时，其表面会产生电荷，这种效应叫 压电效应 。

70、温度传感器从使用上大致可分为 接触型 和 非接触型 。

71、半导体应变片工作原理是基于 压阻 效应，其灵敏系数比金属应变片的灵敏度系数 大十倍 。

二、判断题

1、一个复杂的高阶系统总是可以看成是由若干个零阶、一阶和二阶系统串联而成的。 （√）

2、应变计的非线性度一般要求在 0.05%或1%以内。 （√）

3、电阻丝的横向效应可以用 \(H\ =\ k_y / K_x\ =\ (n-l)l_s/[2nl_1+(n-1)l_s]\) 表示，可见 \(l_s(r)\) 越小，\(l_1\) 越大，H越小。即敏感栅越窄，基长越长的应变计，其横向效应引起的误差越小。 （√）

4、等臂电桥当电源电压及电阻相对变化一定时，电桥的输出及其灵敏度与各臂桥阻值的大小无关。 （√）

5、应变计粘合剂不但要求粘接力强，而且要求粘合层的剪切弹性模量最大，能真实的传递试件的应变。另外，粘合层应高的绝缘电阻、良好的防潮性防油性能以及使用简便等特点。 （√）

6、光生伏特效应就是半导体材料吸收光能后，在PN结上产生电动势的效应。 （√）

7、传感器动态特性可用瞬态响应法和频率响应法分析。 （√）

8、

三、单项选择题

四、简答题

1、光生伏特效应如何产生？

答：当光照射到据表面很近的PN结时，如果光能足够大，光子能量大于半导体材料的禁带宽度，电子就能从阶带跃迁到导带成为自由电子。由于光生电子、空穴在扩散过程中会分别与半导体中的空穴、电子复合，因此载流子的寿命与扩散长度有关。只有PN结距表面的厚度小于扩散长度，才能形成光电流产生光生电动势。

2、什么是压电效应？压电传感器有哪些？

答：当某些晶体沿一定方向伸长或压缩时，在其表面上会产生电荷，这种效应称为压电效应。压电传感器有压电加速度传感器、压电谐振式传感器、声表面波传感器。

3、当吸附膜是绝缘材料、导电体或金属氧化物半导体时，SAW 气敏传感器的敏感机理？

答：当薄膜时绝缘材料时，其吸附气体引起密度的变化，进而引起 SAW 延迟线振荡器频率的偏移 ；当薄膜是导电体或金属氧化物半导体膜时，主要是由于导电率的变化引起 SAW 延迟线振荡器频率的偏移。

4、简述光纤传感器的优点？

答：

1、具有很高的灵敏度
2、频带宽动态范围大
3、可依据实际变换形态
4、可依据相近的技术基础制成传感器不同物理量的传感器，这些物理量包括声、磁、压力、温度、加速度、转动、位移、液位、流量、电流、辐射等。
5、便于与计算机和光纤传输系统相连，易于实现系统的遥测和控制。
6、可用于高温高压、强磁干扰、腐蚀等恶劣环境。
7、结构简单、体积小、重量轻、耗能少。

5、相位跟踪系统是由什么组成并简述其功能？

答：

相位跟踪系统是由电路系统和光纤相位调制器组成的。
抵消任何不必要的大的低频相位漂移，使干涉器保持平衡。
提供保证干涉仪在正交状态下工作的飘逸。

6、什么叫安时特性？

答：

流过热敏电阻的电流与时间的关系称为安时特性。

7、数值孔径的定义？

答：

光从空气入射到光纤输入端面时，处在某一角锥内的光线一旦进入光纤，就将被截留在纤芯中，其光锥半角的正弦称为数值孔径。

8、什么叫绝对湿度？

答：

在一定温度和压力的条件下，单位体积的混合气体中所含水蒸气的质量为绝对湿度。

9、光纤分类：

①功能型：光强度调制型、光相位调制型、光偏振态调制型

②非功能型：光纤位移传感器、光纤温度传感器

10、光导纤维为什么能够导光？光导纤维有哪些优点？光纤式传感器中光纤的主要优点有哪些？

答：

①光导纤维的工作基础是光的全内反射，当射入的光线的入射角大于纤维包层间的临界角时，就会在光纤的接口上产生全内反射，并在光纤内部反复反射，直至传递到另一端。

②

1、具有优良的传递光性能，传导损耗小。
2、频带宽，可超高速测量，灵敏度和线性度好。
3、适应各场景下的作业，可远距离信号传输。

③抗电磁干扰能力强；灵敏度高；几何形状具有多方面的适应性；可用于各种恶劣环境；兼容性好

11、

五、计算题

1、对于钢材 v = 5000 m/s ,若要 e=1%时，对L=1 mm 的应变计，其允许的最高工作频率是多大？

解：

\(f=\dfrac{v\sqrt{6e} }{\pi l}=\dfrac{5 \times 10^6 \times\sqrt{6\times 0.01}}{\pi \times 1}=390 kHz\)

公式见课本P27页（2 - 20），考察点：应变式传感器

2、某温度传感器特性方程为20dy / dt + 5y = 0.15x ,其中y为输出电压（mV），x为输入温度（℃），求该传感器的时间常数 T 和静态灵敏度 k 。

解：

\(T=\dfrac{dt}{dy}=\dfrac{20}{5}=4\)

\(k=\dfrac{\Delta y}{\Delta x}=\dfrac{0.15}{5}=0.03\)

3、已知均匀光纤的折射率为 \(n_1=1.50\) , 相对折射率差为 \(\Delta = 0.01\) , 纤芯半径为 a=25 \(\mu m\) ,试求该光纤 \(LP_{01}\) 模的截止波长。若 \(\lambda_0 = 1\mu m\) , 试计算光纤的归一化截止频率 V 及其中传输的模数量 N 各等于多少。

解：

由 \(\Delta = \dfrac {n_1-n_2} {n_1}=0.01\) 得 \(n_2=1.485\)

\(\lambda_c=\dfrac{2\pi a}{V_c}\sqrt{n_1^2-n_2^2}=11.28\ \mu m\)

\(V=\dfrac{2\pi a}{\lambda}\sqrt{n_1^2-n_2^2}=27.14\ Hz\)

\(N=\dfrac{V^2}{2}=368\)

4、某应变片的电阻 \(R_0=120\ \Omega\ ,\ K=2.05\) ,用作应变为 \(800\ \mu m/m\) 的传感元件。求：（1） \(\Delta R 与 \dfrac{\Delta R}{R}\) ，（2）若电源电压 \(U_i=3 V\) ，求其惠斯通测量电桥的非平衡输出电压 \(U_0\) 。

解：

由 \(k=\dfrac{\Delta R/R}{\epsilon}\) 得

\(\dfrac{\Delta R}{R}=K \epsilon=2.05\times \dfrac{800\mu m}{10^6\mu m}=1.64\times 10^{-3}\)

则 \(\Delta R=1.64\times 10^{-3}\times R=1.64\times 10^{-3}\times 120\ \Omega=0.197\ \Omega\)

\(U_0=\dfrac{U_i}{4}·\dfrac{\Delta R}{R}=\dfrac{3}{4}\times 1.64\times 10^{-3}=1.23\times 10^{-3}\ \ \ \ (V)=1.23\ \ \ \ (mV)\)

（1）详细公式见课本P29页（2 - 30）；（2）见P30 - P31

5、已知某霍尔元件尺寸长 L=100 mm , 宽 b=3.5 mm , 厚 d=1 mm 。沿 L 方向通以电流 I=1.0 mV , 在垂直于 \(b\times d\) 两方向上加均匀磁场 B=0.3 T ， 输出霍尔电势 $U_H=6.55 mV $ 。 求该霍尔元件的灵敏度系数 \(K_H\) 和载流子浓度 n 是多少？

解：

霍尔电动势表达式 \(U_H=K_N · I · B\) 得

$K_H=\dfrac{U_H}{I B}=\dfrac{6.55}{1\times 0.3} = 21.8 mV/mA·T $

灵敏度系数 \(K_H=\dfrac{1}{ned}\) , 式中电荷量 \(e=1.602\times 10^{-19}\ \ \ \ \ \ c\) ,

\(n=\dfrac{1}{K_H e d}=\dfrac{1}{21.8\times 1.602\times 10^{-19}\times 10^{-3}}=2.86\times 10^{20}\)

详细公式见课本P109（6 - 15）

6、某电热偶的热电势 E(600,0)=5.257 mV , 若冷端温度为 0℃ 时，测某炉温输出热电势 E=5.267 mV 。试求该加热炉实际温度 t 是多少？

解：

方法一：

已知热电偶灵敏度为 0.04mV/℃ ，放在温度为 1200℃ 处的温度场，若指示表（冷端）处温度为 50℃ ，则中间温度为：

1200 – 50 = 1150 ℃

热电势为：

\(0.04 mV/℃\times 1150 ℃ =46 mV\)

方法二：

\(E_{AB}(T,0)=E_{AB}(T,1200)\ +\ E_{AB}(50,0)=1200℃\times 0.004 mV/℃ – 50℃\times 0.04 mV/℃ =46 mV\)

详细公式见课本P181（9 - 19）