第1章 传感器技术基础
1传感器定义什？
答：传感器早sensor词感觉意思着传感器技术发展工程技术领域中传感器认生物体工程模拟物求传感器测量敏感测量响应传送出功说真正实现感会传功
传感器获取信息种装置定义分广义狭义两种广义定义传感器指感受外界信息定规律转换成某种信号输出器件装置满足信息传输处理记录显示控制等求里信号指便处理传输信号般电信号电压电流电阻电容频率等狭义定义传感器指外界信息定规律转换成电量装置传感器
国家标准GB7665—87传感器定义：感受规定测量定规律转换成输出信号器件装置通常敏感元件转换元件组成
国际电工委员会(IEC)传感器定义：传感器测量系统中种前置部件输入变量转换成供测量信号美国测量协会传感器定义应特定测量提供效电信号输出器件传感器称变换器换器探测器前述．感受测量测量转换易测量传输处理信号装置器件称传感器
2简述传感器分类方法
答：(1)传感器外界信息变换效应工作原理分物理传感器化学传感器生物传感器三类
(2)输入信息分类传感器输入量分类力敏传感器位置传感器液面传感器耗传感器 速度传感器热敏传感器 振动传感器湿敏传感器磁敏传感器气敏传感器真空度传感器等种分类传感器应方便
(3)应范围分类根传感器应范围通常分工业民科研医军传感器等具体场合分汽车舰船航空航天传感器等果根目分计测监测检查控制分析传感器等
3传感器部分组成？简单介绍组成部分
答：传感器核心部件敏感元件传感器中感知外界信息转换成信息元件传感器般敏感元件传感元件基转换电路三部分组成
图11传感器组成
(1)敏感元件 直接感受测量确定关系输出某物理量
(2)传感元件 敏感元件输出非电物理量转换成电路参数量电量
(3)基转换电路 电路参数转换成便测量电量基转换电路类型工作原理传感器关常基转换电路作传感器组成环节
4传感器静态特性参数？
答：表征传感器静态特性参数：线性度灵敏度分辨力迟滞重复性稳定性漂移阈值等
5传感器未发展方？
答：(1)开发新材料
(2)提高传感器性扩检测范围
(3)传感器微型化微功耗
(4)传感器智化
(5)传感器集成化功化
(6)传感器数字化网络化
第2章 电阻式传感器
1电阻式传感器定义简单说明优缺点
答：电阻式传感器种非电物理量(位移力压力加速度扭矩等)转换成确定应关系电阻阻值测量电桥转换成便传送记录电压(电流)信号种装置非电量检测中应十分广泛
电阻式传感器具系列优点结构简单输出精度较高线性稳定性等受环境条件(温度)影响较分辨力高等足处
2说明电阻应变片组成规格分类
答：组成：电阻应变片敏感栅基片覆盖层引出线等部分组成规格：应变片规格般效面积敏感栅电阻值表示分类：电阻应变片敏感栅材料分金属电阻应变片半导体应变片两类常见金属电阻应变片丝式箔式薄膜式三种形式
3什应变效应利应变效应解释金属电阻应变片工作原理
答：电阻丝外力作发生机械变形时阻值发生变化现象称电阻应变效应根种效应应变片特制胶水粘测材料表面测材料外力作产生应变会传送应变片应变片阻值发生变化通测量应变片电阻值变化知测量
4金属电阻应变片半导体应变片工作原理区优缺点？
答：金属电阻应变片分：(1)丝式应变片：优点粘贴性保证效传递变形性稳定．制成满足高温强磁场核辐射等特殊条件应变片缺点U形应变片圆弧形弯曲段呈现横效应H形应变片焊点性降 (2)箔式应变片：优点黏合情况散热力较强输出功率较灵敏度高等工艺需制成意形状易量生产成低廉电测中获广泛应尤常温条件箔式应变片已逐渐取代丝式应变片(3)薄膜型薄绝缘基片蒸镀金属制成灵敏度系数高易实现工业化特直接制作弹性敏感元件形成测量元件传感器种方法免应变片粘贴工艺程具定优势
半导体应变片锗硅等半导体材料制成敏感栅半导体应变片突出优点：灵敏度高测微应变机械滞横效应体积缺点：温度稳定性差灵敏度系数分散性时需采温度补偿非线性补偿措施
5简单介绍应变片粘贴工艺步骤：
答：①应变片检查选择 首先采应变片进行外观检查观察应变片敏感栅否整齐均匀否锈斑短路折弯等现象次选应变片阻值进行测量阻值选取合适传感器衡调整带方便
②试件表面处理 获良粘合强度必须试件表面进行处理清试件表面杂质油污疏松层等般处理办法采砂纸磨较处理方法采油喷砂法样抛光更表面积获质量均匀结果表面清洁化学清洗剂氯化碳丙酮甲苯等进行反复清洗采超声波清洗值注意避免氧化应变片粘贴快进行果立刻贴片涂层士林暂作保护
③底层处理 保证应变片牢固贴拭件具足够绝缘电阻改善胶接性粘贴位置涂层底胶
④贴片 应变片底面清洁剂清洗干净然试件表面应变片底面涂层薄均匀粘合剂稍干应变片准划线位置迅速贴然盖层玻璃纸手指胶锟加压挤出气泡余胶水保证胶层薄均匀
⑤固化 粘合剂固化否完全直接影响胶物理机械性关键掌握温度时间循环周期然干燥加热固化严格工艺规范进行防止强度降低绝缘破坏电化腐蚀固化应变片应涂防潮保护层防潮层般采稀释粘合胶
⑥粘贴质量检查 首先外观检查粘贴位置否正确粘合层否气泡漏粘破损等然测量应变片敏感栅否断路短路现象测量敏感栅绝缘电阻线试件间绝缘电阻般情况绝缘电阻50MΩ高精度测量需200MΩ
⑦引线焊接组桥连线 检查合格焊接引出导线引线应适加固定应变片间通粗细合适漆包线连接组成桥路连接长度应量致宜
⑧防护屏蔽 保证应变片工作长期稳定性应采取防潮防水等措施应变片引出线涂石蜡石蜡松香混合剂环氧树脂机硅清漆等保护层
6说明差动电桥减温度误差原理
答：巧妙安装应变片需补偿灵敏度提高图21测悬梁弯曲应变时两应变片分贴两面称位置R1RB特性相两电阻变化值相符号相反R1RB图24装R1R2位置电桥输出电压单片时增加1倍梁温度致时RBR1起温度补偿作
21 应变片受力变化图
7电阻应变片基测量电路试较特点
答：直流电桥：(1)等臂电桥：电桥供电电压U越高输出电压U0越灵敏度越高提高电源电压应变片桥臂电阻功耗增加温度误差增般电源电压取3V~6V宜增电阻应变片灵敏系数K提高电桥输出电压(2)差动电桥：克服减非线性误差．提高电桥灵敏度半桥差动电路：单臂工作时2倍时具温度补偿作全桥差动电路仅没非线性误差电压灵敏度单片工作时4倍时具温度补偿作
交流电桥：直流电桥相应交流电桥时应注意方面问题(1)交流电桥电源通常正弦波电源分析计算时仅基波言误差分析中需考虑高次谐波影响 (2)线性电路方法分析交流电桥非线性元件需规定条件进行线性化处理 (3)交流电桥少需两调参数保证电桥衡调整参数时必须满足衡条件
8说明电桥工作原理桥臂工作方式分种输出电压计算
答：应变片电桥电路输出信号般较微弱目前部分电阻应变式传感器电桥输出端直流放器相连图22示
图22直流电桥
(1)等臂电桥 R1R4＝R2R3时称等臂电桥电桥处衡状态时输出电压U0＝0电桥臂均相应电阻增量
R1＝R2＝R3R4＝R时(i＝1234)式简化
(2)差动电桥
①半桥差动电路：电桥桥臂两两相等R1R2RR3R4
②全桥差动电路：电桥4臂接入4应变计2受拉应变2受压应变2应变相应变计接入相桥臂构成全桥差动电路
9提高应变片电桥输出电压灵敏度线性度？
答：(1)知电源电压U应变片电阻相变化定时电桥输出电压电压灵敏度桥臂阻值关电桥电源电压越高输出电压灵敏度越高提高电源电压应变片桥臂电阻功耗增加温度误差增般电源电压取3V~6V宜
(2) 般消非线性误差方法种：
① 采差动电桥利桥路电阻变化特点桥路形成差动电桥(半桥全桥)
②采高阻恒流源电桥采恒流源采恒压源非线性误差减倍般半导体应变片桥路采恒流源供电
10果电阻应变片贴弹性试件试件受力横截面积弹性模量拉力引起应变电阻变化试求该应变片灵敏度系数？
解：题意应变片电阻相变化量
根材料力学理知：应变(试件受应力)应变
应变片灵敏度系数
11台等强度梁作弹性元件电子秤梁面贴两片相电阻应变片(K2)图23(a)示已知现四应变片接入图(b)直流桥路中电桥电源电压力时求电桥输出电压？
图23
解：图(a)示四片相电阻应变片贴等强度梁面两片重力F作梁端部梁表面产生正应变电阻变化表面产生负应变电阻变化应变绝值相等
电阻相变化量
现四应变电阻图(b)示接入桥路组成等臂全桥电路输出桥路电压
12两电阻应变片行粘贴钢制试件试件初载等截面积弹性模量E200GNm250kN拉力引起应变片电阻变化1接入惠斯登电桥中电桥电源电压1V求应变片灵敏系数电桥输出电压少？
解应力应变E
应变应力E50000N(05×104m2×200×109Nm2)0005
应变片灵敏系数k
电阻应变片匹配电阻构成惠斯登电桥时两应变片处桥臂会输出：
(1)两应变片接相邻桥臂时两应变片行贴试件两电阻变化值1符号相电桥作相互抵消输出电压零种效果应变片温度补偿中应
(2)两应变片接相桥臂时时电桥贡献相两单臂电桥输出电压U0
应指出果两应变片行粘贴水放置悬臂梁两侧接入相邻两桥臂组成差动电桥输出电压U05mV时两应片电阻变化值符号相反
13图24直流电桥图中E＝4V R1＝R2＝R3＝R4＝120试求：
(1)R1金属应变片余外接电阻Rl增量△R＝12时电桥输出电压Uo少？
(2)R1R2应变片型号规格相感应应变极性相余外接电阻电桥输出电压U0少？
(3)题(2)中果R2R1感受应变极性相反R1＝R2＝12时．电桥输出电压Uo少？
图24直流电桥
解：(1)根式中已知R1＝R2＝R3＝R4 n1电桥输出电压
(2) 双桥臂变化时R1＝R2
(3)R2R1感受应变极性相反输出电压
已知条件代入
14简说明筒式应变压力传感器工作原理
答：压力传感器测量流体压力视弹性体结构形式单式组合式分单式指应变片直接粘贴受压弹性膜片筒膜片式应变压力传感器结构应力分布布片固态压阻式传感器雷图25筒式应变压力传感器图中(a)结构示意(b)材料取Eμ厚底应变筒(c)4片应变片布片工作应变片R1R3筒外壁周粘贴温度补偿应变片R2R4贴筒底外壁接成全桥应变筒壁感受压力P时筒外壁周应变：
(a) 结构示意 (b)筒式弹性元件 (c)应变片布片
1—插座2—基体3—温度补偿应变片4—工作应变片5—应变筒
图25筒式应变压力传感器
厚壁筒 ：
薄壁筒 ：
组合式压力传感器受压弹性元件(膜片膜盒波纹)应变弹性元件(种梁)组合成前者承受压力者粘贴应变片两者间通传力件传递压力作种结构优点受压弹性元件流体高温腐蚀等影响起隔离作传感器具良工作环境
第3章 电容式传感器
1．说明电容式传感器工作原理电容式传感器种类型差动结构电容传感器什优点
答：电容器传感器具变参数电容器绝缘介质分开两行金属板组成板电容器忽略边缘效应影响时电容量真空介电常数ε0(88541012Fm)极板间介质相介电常数εr极板效面积A两极板间距离d关：
(31)
式中 d——两行极板间距离
A——两行极板相覆盖面积
εr——介质材料相介电常数
ε0——真空介电常数
C——电容量
测参式(31)中Adεr三参量中意发生变化时会引起电容量变化通测量电路转换电量输出
电容式传感器分变极距型变面积型变介质型三种类型
差动式单极式灵敏度提高倍非线性误差减结构称性效补偿温度变化造成误差
2电容式传感器优点缺点？
答：电阻式电感式等传感器相具优点：
(1) 测量范围
(2) 温度稳定性
(3) 结构简单适应性强
(4) 动态响应
(5) 实现非接触测量具均效应
电容式传感器述优点外带电极板间静电引力极(约毫克)需输入量极特适宜解决输入量低测量问题例测量极低压力力加速度位移等做灵敏分辨率非常高感受0001μm甚更位移
然电容式传感器存足处：
(1) 输出阻抗高负载力差
(2) 寄生电容影响
述足直接导致电容式传感器测量电路复杂缺点
3电容式传感器种类型测量电路什特点
答：电桥电路双T二极交流电桥差动脉宽度调制电路运算放器电路调频测量电路
电容传感器衡电桥测量电路实际应中保证初始衡状态分压系数变传感器中心极板位移引起电容变化时测量电桥衡输出衡电桥电路般稳频稳幅固定波形低阻信号源激励电流放机相敏检波处理直流输出信号
双T二极交流电桥 (称二极T型网络)图31示利电容器放电原理组成电路应特点：
图314双T二极交流电桥
(1) 电源传感器电容负载均时点接
(2) 二极D1D2工作高电非线性失真
(3) 灵敏度电源频率关电源频率需稳定
(4) D1D2R1R2安装C1C2附消电缆寄生电容影响线路简单
(5) 输出电压较高
(6) 负载电阻RL影响电容放电速度决定输出信号升时间
脉宽度调制电路具特点：
(1) 输出电压测位移(面积变化)成线性关系
(2) 需解调电路低通滤波器较直流输出电压
(3) 需载波
(4) 调宽频率辩护输出没影响
运算放器电路特点够克服变间隙电容式传感器非线性输出电压输入位移(间隙变化)线性关系
调制测量电路特点：灵敏度高测量001μm甚更位移变化量抗干扰力强获高电直流信号频率数字信号缺点受温度影响电路设计传感器设计带定麻烦
4 举例说明变面积型电容传感器特点
答：变面积型电容传感器输出特性呈线性量程受线性范围限制适合测量较直线位移角位移
5说明电容式传感器调频电路工作原理特点
答：种电路电容传感器元件电感元件相配合构成调频振荡器测量电容传感器电容发生变化时振荡器振荡频率产生相应变化特点：灵敏度高测量001μm甚更位移变化量抗干扰力强获高电直流信号频率数字信号缺点受温度影响电路设计传感器设计带定麻烦
6说明双T二极交流电桥工作原理输出特性
答：双T二极交流电桥 (称二极T型网络)图32示利电容器放电原理组成电路
图32 双T二极交流电桥
中高频电源提供幅值U称方波(正弦波适)D1D2特性完全相两二极R1R2RC1C2传感器两差动电容传感器没位移输入时C1C2RL周期流均电流零电压输出C1C2变化时RL产生均电流零信号输出输出电压均值：
(32)
式中 f ——电源频率
RL已知时式中：
常数
输出电压高
7说明脉宽度调制电路工作原理差动电容相等相等时点电压波形
答：图33种差动脉宽度调制电路接通电源触发器Q端高电(U1)Q端低电(0)
图33 差动脉调宽电路
工作时双稳态触发器(FF)输出A点高电位时通R1C1充电F点电位UF升参考电压Ur相等时较器IC1产生脉触发器翻转Q端低电端高电(U1)时电容C1通二极D1迅速放电零触发器端R2C2充电G点电位UG参考电压Ur相等时较器IC2输出脉触发器翻转循环述程
C1C2时点电压波形图34(a)示Q两端电脉宽度相等两端间均电压零C1＞C2时点电压波形图34(b)示
图34 点电压波形图
8电容式传感器实际中存问题理想特性产生较影响
答：实际中存问题：
(1) 输出阻抗高负载力差电容式传感器电容量受电极尺寸等限制般十百皮法传感器输出阻抗高尤采音频范围交流电源时输出阻抗高达106~108传感器负载力差易受外界干扰影响产生稳定现象严重时甚法工作必须采取屏蔽措施设计带便容抗求传感器绝缘部分电阻值极高(十兆欧)否绝缘部分作旁路电阻影响传感器性(灵敏度降低)特注意周围环境温湿度清洁度等绝缘性影响高频供电然降低传感器输出阻抗放传输远低频时复杂寄生电容影响加难保证工作稳定
(2) 寄生电容影响电容式传感器初始电容量传感器引线电缆电容(1~2m导线达800pF)测量电路杂散电容传感器极板周围导体构成电容等寄生电容较方面降低传感器灵敏度方面电容(电缆电容)常常机变化传感器工作稳定影响测量精度变化量甚超测量引起电容变化量致传感器法工作电缆选择安装接法求
9什电容式传感器易受干扰说明消灭寄生电容常方法原理
答：电容式传感器电容量受电极尺寸等限制般十百皮法传感器输出阻抗高尤采音频范围交流电源时输出阻抗高达106~108传感器负载力差易受外界干扰影响产生稳定现象严重时甚法工作
消灭寄生电容常方法原理：
①增加传感器原始电容值采减极片极筒间间距(板式间距02~05mm圆筒式间距015mm)增加工作面积工作长度增加原始电容值受加工装配工艺精度示值范围击穿电压结构等限制般电容值变化103~103pF范围
②注意传感器接屏蔽图35采接屏蔽圆筒形电容式传感器图中动极筒连杆固定起测量移动传感器屏蔽壳(良导体)动极筒移动时屏蔽壳间电容值保持变消产生虚假信号
图35圆筒形电容式传感器接屏蔽示意图
引线电缆必须屏蔽传感器屏蔽壳减电缆电容影响应短电缆线缩短传感器续电路前置级距离
③集成化传感器测量电路身前置级装壳体样寄生电容减变化传感器工作稳定电子元器件特点高低温环境差场合工作
④采驱动电缆技术电容式传感器电容值某原(环境温度较高)测量电路传感器分开时采驱动电缆技术图36示
图36驱动电缆技术原理图
传感器测量电路前置级间引线双屏蔽层电缆屏蔽层信号传输线(电缆芯线)通11放器等电位消芯线屏蔽层间电容屏蔽线传感器输出信号变化变化电压称驱动电缆采种技术电缆线长达10m远影响传感器性外屏蔽层接(接传感器)防止外界电场干扰外屏蔽层间电容11放器负载11放器输入阻抗求高具容性负载放倍数1(准确度求达11000)相(求相移零)放器驱动电缆技术11放器求高电路复杂保证电容式传感器电容值1pF时正常工作
⑤整体屏蔽电容式传感器采转换电路传输电缆等屏蔽壳屏蔽起正确选取接点减寄生电容影响防止外界干扰图37示差动电容式传感器交流电桥采整体屏蔽系统屏蔽层接点选择两固定辅助阻抗臂Z3Z4中间电缆芯线屏蔽层间寄生电容Cp1Cp2分Z3Z4相联果Z3Z4Cp1Cp2容抗寄生电容Cp1Cp2电桥衡状态影响
图37 整体屏蔽示意图
易满足述求变压器电桥时Z3Z4具中心抽头相互紧密耦合两电感线圈流Z3Z4电流基相等方相反Z3Z4结构完全称线圈中合成磁通零Z3Z4仅绕组铜电阻漏感抗结果寄生电容Cp1Cp2Z3Z4分路作削弱低程度致影响交流电桥衡加层屏蔽加外屏蔽层接点选差动式电容传感器两电容C1C2间
样进步降低外界电磁场干扰外屏蔽层间寄生电容等效作测量电路前置级影响电桥衡电缆线长达10m时测出1pF电容电容式传感器原始电容值较(百皮法)时选择适接点采般轴屏蔽电缆电缆长达10m时传感器正常工作
10已知变面积型电容传感器两极板间距离10mmε50μF／m两极板尺寸样30mm×20mm×5mm外力作中动极板原位置外移动10mm试求C K
解：根式出
已知条件代入式中
11 圆形板电容式传感器极板半径5mm工作初始间隙03mm空气介质采测量电路灵敏度100读数仪表灵敏度5格mV果工作时传感器间隙产生2μm变化量读数仪表指示值变化少格
解：
测量电路灵敏度
读数仪表指示值变化格数格
12空气介质极板电容式传感器两块极板面积均80mm2中块极板原始位置移15mm极板间效重叠面积20mm2 两极板间距1mm已知空气相介电常数ε1Fm真空时介电常数ε08854×1012Fm求该传感器位移灵敏度S
答：中
13已知：板电容传感器极板间介质空气极板面积间隙试求传感器初始电容值装配关系两极板间行侧间隙侧间隙求时传感器电容值
图38
解：初始电容值
式中
图38示两极板行时电容值
14变间距（d）型板电容传感器时求测量线性度01求允许间距测量变化量少？
解：变间距型板电容传感器时线性度表达式
题意测量允许变化量
第4章 压电式传感器
1什压电效应？压电材料种类？压电传感器应特点什？
答：(1)物质基础质定方受压力拉力作发生变形时表面会产生电荷外力掉时重新回带电状态种现象称压电效应
(2)压电材料分压电晶体压电陶瓷两类
(3)压电式传感器具频带宽灵敏度高信噪高结构简单工作质量轻测量范围广等许优点压力击振动等动态参数测试中传感器品种加速度压力位移温度湿度等许非电量转换电量年电子技术飞跃发展着配套二次仪表低噪声电容高绝缘电阻电缆出现压电传感器更方便集成化智化新型压电传感器正开发出
2标出图41(b)(c)(d)中压电片电荷极性结合图说明什压电效应？什横压电效应？
图41
答：图42标出图41中(b)(c)(d)中压电片电荷极性
图42
直角坐标系中z轴表示轴称光轴x轴行正六面体棱线称电轴y轴垂直正六面体棱面称机械轴通常 电轴(x轴)方力作产生电荷压电效应称压电效应机械轴(y轴)方力作产生电荷压电效应称横压电效应光轴(z轴)方受力时产生压电效应
3石英晶体变形方式种？
答：(1)厚度变形(简称TE方式)
(2)长度变形(简称LE方式)
(3)面剪切变形(简称FS方式)
(4)厚度剪切变形(简称TS方式)
(5)弯曲变形(简称BS方式)
4选合适压电材料设计高性传感器？
答：(1)转换性：具较高耦合系数具较压电常数
(2)机械性：压电元件作受力元件希机械强度高机械刚度期获宽线性范围高固振动频率
(3)电性：希具高电阻率介电常数期减弱外部分布电容影响获良低频特性
(4)温度湿度稳定性：具较高距离点期较宽工作温度范围
(5)时间稳定性：压电特性时间蜕变
5什压电放器输出端接高阻抗前置放器？前置放器作什
答：压电式传感器求负载电阻RL必须数值测量误差定数值常压电式传感器输出端面先接入高输入阻抗前置放器然接般放电路电路压电式传感器测量电路关键高阻抗前置放器前置放器两作第压电传感器微弱信号放第二传感器高阻抗输出变换低阻抗输出
6压电式传感器中采电荷放器优点？什电压灵敏度电缆长度关？电荷灵敏度长度关？
答：电荷放器突出优点定条件传感器灵敏度电缆长度关
传感器电压灵敏度
压电式传感器电压放器配合时连接电缆太长电缆长电缆电容电缆电容增必然传感器电压灵敏度降低
图43压电式传感器电荷放器连接等效电路虚原理知反馈电容折合放器输入端效电容
(41)
设放器输入电容传感器部电容电缆电容放器输出电压
(42)
放器输出电压
(43)
时传感器输出灵敏度认电缆电容关电荷灵敏度电缆长度关
图43压电传感器电荷放器连接等效电路
7 压电晶体面积S20mm2厚度10mm受压力P10MPa作时求产生电荷量Q输出电压
(1)零度X切石10英晶体
(2)利效应BaTiO3
解：(1)石英晶体受力F作产生电荷量
式中 d11——压电系数石英晶体x轴方受压缩力时
P——压力(1Pa1Nm2)
代入相应值
部电容量
式中 ——相介电常数石英45
——真空介电常数
输出电压
(2)理BaTiO3压电材料参数：
电荷
电容
电压
8装石英晶体压电传感器测量系统等效电路图44示参数：Ra10Rt10Ca30pFCo10pFCt20pF求电路等效时间常数误差求≤5求单位阶跃脉作效测量时间？
图44
解：
电容放电 t03´104 s
9某石英晶体受压力98N截面积5cm厚度05cm试求：
(1)压电元件两极片间电压值？
(2)压电元件高阻抗运算放器间连接电缆电容C04pF求时压电式传感器输出电压
解： (1)
(2)
10压电式传感器测量低频率1Hz振动求1Hz时灵敏度降超5测量回路总电容500pF求电压前置放器输入电阻应
解：相幅频特性已知量代入R34MW
11试简述加速度传感器工作原理
答：图45压缩式压电加速度传感器结构原理图压电元件般两片压电片组成压电片两表面镀银层银层焊接输出引线两压电片间夹片金属引线焊接金属输出端根引线直接传感器基座相连压电片放置重较质量块然硬弹簧螺栓螺帽质量块预加载荷整组件装厚基座金属壳体中隔离试件应变传递压电元件避免产生假信号输出般加厚基座选刚度较材料制造
图45压缩式压电加速度传感器结构原理图
测量时传感器基座试件刚性固定起传感器感受振动时弹簧刚度相质量块质量相较认质量快惯性质量块感受传感器基座相振动受加速度方相反惯性力作样质量块正加速度交变作压电片压电片具压电效应两表面产生交变电荷(电压)振动效率远低传感器固频率时传感器输出电荷(电压)作力成正试件加速度成正输出电量传感器输出端引出输入前置放器变通测量仪器测出试件加速度放器中加进适积分电路测出试件振动速度位移
12石英晶体加速度计测量机器振动已知：加速度计灵敏度(g标准重力加速度)电荷放器灵敏度机器达加速度值时相应输出电压幅值2V试计算该机器振动加速度
解：系统灵敏度k等传感器灵敏度电荷放器灵敏度积
测加速度测电压值系统灵敏度
a(2025)g8g
13某电荷放器说明书中技术指标：输出电压输入电阻输出电阻频率响应：0~150kHz噪声电压(效值)2mV(指输入信号零时出现输出信号值)非线性误差：01温度漂移：
(1)果阻电压表测量电荷放器输出电压试求负载效应减少电压值
(2)假设输入电阻示波器接电荷放器输入端便观察输入信号波形时电荷放器影响？
(3)噪声电压什时候会成问题？
(4)试求环境温度变化时电荷放器输出电压变化值该值测量结果否影响？
(5)输入信号频率180kHz时该电荷放器否适？
解：(1)设接电压表时输出电压U加接电压表
输出电压
减电压值
说输出电压减少1
(2)视示波器输入电阻电荷放器输入电阻联前者者电荷放器总输入电阻
(3)电荷放器信号电低时噪声电压干扰明显增加
(4)电荷放器温度漂移温度变化时引起输出电压变化输出电压伏测量精度没严重影响
(5)电荷放器增益会降
第5章 电感式传感器
1什电感传感器介绍分类
答：电感式传感器测量转换成线圈感互感变化通定转换电路转化成电压电流输出类传感器包括感式传感器互感式传感器电涡流式传感器压磁式传感器感应步器式传感器
2 差动变气隙式感传感器单线圈式感传感器相优点什？
答：(1)差动变气隙式感传感器灵敏度单线圈式感传感器2倍
(2)线性化时差动变气隙式感传感器忽略高次项单线圈式忽略高次项差动式感传感器线性度明显改善
3什感传感器灵敏度？影响感传感器灵敏度素什？
答：感传感器灵敏度指传感器结构(测头)转换电路综合起总灵敏度
传感器灵敏度三部分积第部分决定传感器类型第二部分决定转换电路形式第三部分决定供电电压传感器类型转化电路灵敏度表达式工厂生产中测定传感器灵敏度传感器接入转换电路进行规定传感灵敏度单位mV(m·V)电源电压1V衔铁偏移1m时输出电压干mV
4产生零点残余电压原什？采取措施减零点残余电压
答：零点残余电压传感器两次级绕组电气参数尺寸称磁性材料非线性等问题引起零点残余电压波形十分复杂基波高次谐波组成基波产生原：传感器两次级绕组电气参数尺寸称导致产生感应电势幅值等相位样调整衔铁位置 两线圈中感应电势完全抵消 高次谐波中起作三次谐波 产生原磁性材料磁化曲线非线性(磁饱磁滞)
减电感传感器零点残余电压采取列措施：
(1)设计工艺求做磁路称线圈称铁心材料均匀特性致两线圈绕制均匀松紧致
(2)采拆圈实验方法调整两线圈等效参数量相减零点残余电压
(3)电路进行补偿补偿方法：加串联电阻加联电容加反馈电阻反馈电容等
5什差动变压器根结构分类
答：互感式电感传感器测量转换成线圈互感量变化种传感器根变压器基原理制成次级绕组差动形式连接称差动变压器式传感器简称差动变压器
根结构分变隙式变面积式螺式等类
6简单叙述差动变压器应压力测量时工作原理
答：差动变压器式传感器弹性敏感元件(膜片膜盒弹簧等)相结合组成压力传感器
图51示差动变压器式压力传感器衔铁固定膜盒中心压力作时膜盒处初始状态衔铁位差动变压器线圈中部输出电压零测压力作膜盒发生膨胀衔铁移动差动变压器输出正测压力电压种微压力传感器测压力
1接头 2膜盒 3底座 4线路板
5差动变压器线圈 6衔铁 7罩壳 8插头 9通孔
图51差动变压器式压力传感器
7螺形差动式电感传感器已知电源电压U4Vf400Hz传感器线圈铜电阻电感量分L30mH两匹配电阻设计成4臂等阻抗电桥图52示试求：
图52
(1)匹配电阻R1R2值电压灵敏度达
(2)△Z10时接成差动电桥输出电压值
答：(1)
阻抗幅值
4臂阻抗相：
(2)差动
8图53示长螺线长度l20cm截面积S10cm2线圈匝数N11000中段密绕匝数N220短线圈请计算两线圈互感线圈1电流变化率10As线圈2感应电动势少？
图53
答：
9图54示气隙型电感传感器衔铁断面积气隙总长度衔铁位移激励线圈匝数匝激励电源频率时忽略漏磁铁损求计算：
(1)线圈电感值
(2)电感变化量
(3)线圈存分布电容联等效电感值变化？
图54
解：(1)图54知气隙型电感计算公式
(2)衔铁位移时分计算电感值
电感值
衔铁位移变化时相应电感变化量
(3)线圈存分布电容时引起电感变化式计算
结果说明分布电容存等效电感值增
10试推导图55示差动型电感传感器电桥输出特性已知电源角频率Z1Z2传感器两线圈阻抗零位时Z1Z2变间隙式传感器接入该电桥求灵敏度表达式(题效值表示)
图55
答：
11简单介绍涡流效应作原理？电涡流传感器优点？
答：金属导体置交变磁场中导体会产生感应电流种电流导体闭合称电涡流种现象称涡流效应
图56示金属导体置线圈附线圈中通交变电流时线圈周围空间产生交变磁场处交变磁场中金属导体会产生涡流涡流产生新交变磁场方方相反削弱原磁场导致线圈电感量阻抗品质数发生变化
图56涡流作原理
电涡流式传感器具结构简单灵敏度较高测量范围抗干扰力强易进行非接触连续测量等优点广泛应
12简述电涡流传感器应位移测量时工作原理
答：电涡流式传感器测量种形式位移量图57示汽轮机轴轴位移测量示意图联轴器安装汽轮机轴高频反射式电涡流传感器置联轴器附汽轮机轴轴存位移时传感器线圈联轴器(金属导体)距离发生变化引起线圈阻抗变化传感器输出发生改变根传感器输出测汽轮机轴轴位移量
(a)汽轮机轴轴位移测量示意图(b)磨床换阀先导阀位移测量示意图
(c)金属试件热膨胀系数测量示意图
图57汽轮机轴轴位移测量
13什压磁效应？利压磁效应做成压磁式传感器优点什？
答：磁致伸缩材料外力(应力应变)作引起部发生形变产生应力磁畴间界限发生移动磁畴磁化强度矢量转动材料磁化强度磁导率发生相应变化种应力磁性材料磁性质变化现象称压磁效应称逆磁致伸缩效应
压磁式传感器具结构简单线性输出功率抗干扰力强寿命长维护方便适恶劣工作环境等优点广泛应冶金矿山印刷造纸运输等行业
14铁氧体环形磁芯均长度12cm截面积15cm2均相磁导率求
(1)均匀绕线500匝时电感
(2)匝数增加1倍时电感
解： 线圈绕种圆环形磁芯时电感计算式
式中 ——磁导率磁性材料说
N——线圈匝数
Sl——分磁芯截面积磁路长度
(1)N500时电感
(2)条件变时电感匝数方成正例式求出
见线圈匝数增加1倍电感增加4倍
第6章 磁电式传感器
1什磁电感应式传感器优点什？
答：磁电感应式传感器利导体磁场发生相远动导体两端输出感应电动势简称感应式传感器称电动式传感器种机电量变换型传感器具需供电电源电路简单性稳定输出阻抗等优点适合振动转速扭矩等测量
2相运动式磁电感应传感器磁阻式磁电感应传感器区什？磁阻式优缺点什？
答：相运动式磁电感应传感器闭合线圈围成面积变化引起通线圈磁通量变化线圈产生感应电动势磁阻式磁电感应传感器线圈处磁感应强度发生变化引起通线圈磁通量变化线圈产生感应电动势两种传感器区相运动式磁电感应传感器圈磁场相运动磁阻式没
磁阻式磁电感应传感器工作时测转速太低时输出感应电动势太致法测量种传感器限工作频率般50Hz限达100kHz
3简述磁电式振动传感器工作原理
答：图61示磁电感应式振动传感器结构原理图永久磁铁2圆筒形导磁材料制成外壳6固定起形成磁路系统壳体起屏蔽作工作线圈3圆环形阻尼器7心轴5连起组成质量块圆形弹簧片18支承壳体时传感器固定测振动体永久磁铁铝架壳体起测体振动质量块定质量产生惯性力弹簧片非常柔软振动频率远传感器固频率时线圈磁路系统环形气隙中相永久磁铁运动振动体振动速度切割磁力线产生感应电动势通引线4接测量电路该感应电势速度成正微分分电路测量振动位移加速度
18圆形弹簧片 2圆环形阻尼器 3永久磁铁
4铝架 5心轴 6工作线圈 7壳体 9引线
图61磁电感应式振动传感器
4试证明类似图62示角速度测量传感器磁感应强度Bd磁场中旋转N匝线圈产生感应电动势表示式
式中 A——线圈面积（长l×款b）
——线圈角速度
——测量线圈相图67示位置角度
图62
证明：
5螺线圈产生磁感应强度B（Wbm2）表示
B1257×107NIL
中N线圈匝数I电流（A）L螺线圈长度（m）图63示环形磁铁B01Wbm2螺线圈2000匝导线均匀绕满10mm直径钢环半求需电流I计算单位长度导线1ms速度通磁铁间隙时会产生感应电动势？
图63
答：
L12d30×103 m
B1257×107NIL B01Wbm2 N2000
6简述霍尔元件原理出霍尔元件符号图
答：电流垂直外磁场方通导体半导体薄片时薄片垂直电流磁场方两侧表面间产生电位差现象称霍尔效应产生电位差称作霍尔电势图64示运动载流子受磁场作力洛仑兹力薄片两侧分形成电子正电荷积累导致
图64霍尔效应原理图
图65 霍尔元件符号
7霍尔元件等位电势产生原什？
答：①霍尔电极安装位置称等电位面图66a)示
②半导体材料均匀造成电阻率均匀尺寸均匀等位面倾斜图66b)示
③激励电极接触良造成激励电流均匀分布等
a)两电极点等位面 b)等位面歪斜
图66等位电势产生示意图
8霍尔元件误差补偿种？产生误差原分什？提出补偿方式
答：(1)等位电势误差补偿
等位电势零位误差中种霍尔电势具相数量级时甚超霍尔电势图67示霍尔元件等效四臂电桥等电势相电桥初始衡输出电压
图 67霍尔元件等效电路
图68出种常等位电势补偿电路中称补偿电路简单称补偿温度稳定性
图 68等位电势补偿电路
(2)霍尔元件温度误差补偿
霍尔元件半导体材料制成性参数温度敏感温度函数温度变化时霍尔元件电阻率迁移率载流子浓度输入输出电阻霍尔系数等会发生变化致霍尔电动势变化产生温度误差减温度误差选温度系数较材料砷化铟外采适补偿电路
数霍尔元件温度系数正温度升高霍尔电势增具正温度系数霍尔元件采输入回路中联电阻办法补偿温度误差图69示
图 69 恒流源温度补偿电路
9测量某霍尔元件灵敏度系数kH构成图610示实验线路现施加B01T外磁场方图示调节RpIC50mA测输出电压UH25mV（设表头阻∞）试求该霍尔元件灵敏度系数
图610
答：
10试推导图611示霍尔元件HAHB组成刷直流测速发电机输出电动势E方程式
解 知道磁感应强度B霍尔元件法线致时霍尔传感器霍尔电压式中kR灵敏度系数认IB味恒稳电流磁感应强度
图 611
图611(a)示测速发电机结构中测速电机转子转速ω转动时穿霍尔元件磁感应强度B流电流Iω关两霍尔元件图611(b)示线路连接总输出电动势E两者
设穿霍尔元件HA绕组A磁感应强度均正弦变化：HA位置超前绕组Aπ2弧度作绕组A磁感应强度B
式中Bm——磁感应强度
写出绕组A中速度电动势EAν
HA中电流IA写成
HA输出电动势EA
式中 ——例常数相积
理写出HB输出电动势EB
测速发电机总输出电动势E两霍尔元件输出电动势
式中
第7章 热电式传感器
1热电偶测温基原理什？利种电势变化？
答：基原理热电效应
两种材料导体AB串接成闭合回路图71示果两接合点处温度()两导体间产生热电势回路中定电流种现象称热电效应
图71 热电效应
利热电动势变化热电动势两种导体接触电动势单导体温差电动势组成
2简述中间导体定律
答：图72示AB结点温度T余结点温度>时回路中总热电动势
(71)
情况回路中总电动势零
(72)
式代入(71)中
(73)
出结：热电偶回路中接入第三种材料导线两端温度相等第三导线引入会影响热电偶热电动势规律称中间导体定律根定律第三导线换成测试仪表连接导线保持两结点温度相热电动势进行测量影响原热电动势数值
图72 具第三导体热电偶回路
3试述热电偶冷端进行温度补偿常方法进行温度补偿？
答：(1)补偿导线法
实际测温时 需热电偶输出电势信号传输远离现场数十米控制室里显示仪表控制仪表 样参考端温度t0较稳定热电偶般做较短 需导线热电偶冷端延伸出工程中采种补偿导线 通常两种性质廉价金属导线制成 0~100℃温度范围 求补偿导线配热电偶具相热电特性
(2)参考端0℃恒温法
实验室精密测量中 通常参考端放入装满冰水混合物容器中 便参考端温度保持0℃ 种方法称冰浴法
图73 冰浴法接线原理
(3)电位补偿法
电位补偿法热电偶回路中串入动补偿电动势图74示桥供电端ac通调电阻接直流电源E：桥臂锰铜绕组电阻阻值视温度变化固定电阻阻值温度剧烈变化测温热电阻测量冷端温度补偿导线连接测温系统中热偶冷端温度
图74电位补偿法原理
4热电阻传感器优点热电阻材料必须具特点
答：热电阻传感器优点：(1)测量精度高(2)较测量范围尤低温方面(3)易动测量远距离测量中
作测量温度热电阻材料必须具特点：(1)高稳定温度系数电阻率便提高灵敏度保证测量精度(2)良输出特性电阻温度变化接线性关系(3)范围化学物理性应保持稳定(4)良工艺性便批量生产降低成
5试述半导体负温度系数热敏电阻特性
答：图75负温度系数热敏电阻电阻温度特性曲线验公式描述：
(74)
式中 ——温度T时电阻值
A——材料尺寸关常数
B——热敏电阻常数
图75 热敏电阻特性曲线 图76热敏电阻伏安特性
已知时电阻通公式求取AB值
(75)
(76)
图76示出热敏电阻伏安特性曲线图见流热敏电阻电流较时曲线呈直线状服欧姆定律电流增加时热敏电阻身温度明显增加负温度系数关系阻值降电压升速度减慢出现非线性电流速度增加时热敏电阻身温度升更快阻值幅度降出现电压电流增长降现象
6支铬镍—康铜热电偶电压表相连电压表接线端50电位计读数60mV问热电偶热端温度少？该热电偶灵敏度008mV
答：通常温度变化转换电量变化装置称热电式传感器中热电偶热电阻应热电偶优点尺寸测量局部位置温度测量100~1300范围温度热电偶直接输出电压般mV级
题意温度50时热电偶输出500084mV参考温度0基础时热电偶输出等60+464mV热电偶热端温度50+
7铬镍——康镍热电偶灵敏度004mV放温度1200处指示表作冷端处温度50试求热电势
答：题意热电偶两端温差1200501150热端电势115000446mV冷端电势500042mV输出热电势46mV2mV44mV
8铂电阻温度计100时电阻值139热气体接触时电阻值增281试确定气体温度设0时电阻值100
答：种金属做成电阻温度计限600低温测量时均满足准确度高长时间稳定性求金属电阻温度关系0附时表示
式中 ——材料电阻温度系数
——0时电阻值
——相0时温度
常见金属电阻温度系数：铜00043镍0006800039假设温度变化
题意已知铂00039已知数代入式
第8章 光电式传感器
1光电式传感器部分组成？分简单介绍组成部分
答：光电式传感器组成框图图81示般辐射源光学通路光电器件三部分组成
图81光电式传感器组成框图
光源光电传感器组成部分数光电传感器离开光源光电式传感器光源选择考虑素例波长谱分布相干性体积造价功率等常光源分四类：热辐射光源气体放电光源激光器电致发光器件
光学通路定光学元件光学定律原理构成种样光路常光学元件种反射镜透镜
光电器件作光信号变换电信号作原理基物质光电效应
2光电效应分种？简述产生原应光电元件？简述特点
答：(1)光电效应分外光电效应光电效应中光电效应工作原理分两种：光电导效应光生伏特效应
(2)外光电效应产生原光线射某物体电子物体表面逸出光电效应产生原物体受光部原子释放出电子逸出物体表面留部物体电阻率发生变化产生光电动势现象前者称光电导效应者称光生伏特效应
(3)基外光电效应光电器件属光电发射型器件光电光电倍增等基光电导效应光电器件光敏电阻(光电导型)光敏二极光敏三极(光电导结型)基光生伏特效应光电器件光电池
(4)光电灵敏度较低光电倍增具高灵敏度光敏电阻称光导灵敏度高体积重量轻光谱响应范围宽机械强度高耐击振动寿命长光敏电阻纯电阻器件时需外部电源电流流时会产生发热问题光敏二极光敏晶体体积需偏置电压十伏光敏二极宽带宽雪崩光敏二极性光电倍增相媲美般光敏晶体光电流具相效面积光敏二极光电流十百倍响应速度较二极差带宽较窄作种高电流响应器件应十分广泛光电池光线作实质电源硅太阳电池量转换器件相具轻便简单会产生气体热污染易适应环境转换效率高宜铺设电缆方采尤适宇宙飞行器种仪表提供电源
3试述光敏电阻温度特性
答：光敏电阻半导体器件样特性受温度影响较温度升高光敏电阻暗电流灵敏度降光谱效应峰值左移动等采控温方法调节灵敏度接受某频段光信号
4试较光电二极光电三极光谱特性频响特性
答：定光功率光电灵敏度光频率间关系称光谱特性光电二极光电三极入射光频率(波长)决定光生载流子产生否极量图82示光电晶体光谱特性锗光电晶体响应频段约500~1700nm波长范围灵敏峰1400nm附硅光电晶体响应频段400~1000nm波长范围灵敏峰出现800nm附
图82光电二极光电三极光谱特性
指光电流(相灵敏度)光调制频率关系典型曲线图83示般说光电三极频响光电二极光电三极中锗频率响应硅数量级负载电阻频响影响减负载电阻提高频响输出光电压信号减
图83光电二极光电三极频响特性
5半导体光电元件做测量元件时采种光电元件？采波长8000~9000(101nm)红外光源时宜采种光电元件作测量元件？什？
答：半导体光电元件做测量元件时采光敏电阻光敏晶体光电池采波长8000~9000(101nm)红外光源时宜采硅光敏晶体硅光电池响应区段覆盖8000~9000波长范围灵敏度峰值8000左右
6假设某种材料逸出功336V种材料红限少？
答：红限波长式表示：
式中h——普朗克常数h
c——光速
7激光形成必备条件简述激光特性
答：激光形成必须具备3条件：
①具够提供量激励源
②具提供反复进行受激辐射场光学谐振腔
③具形成粒子数反转增益介质
三者结合体装置激光器
普通光相激光具特点：
①方性强亮度高激光具高行度发散角般约018˚普通光微波2~3数量级激光光束Km外扩展cm立体角极般103rad量高度集中亮度高普通光源高百万倍
②单色性光源发射光光谱范围越窄光单色性愈激光频率范围窄普通光频范围110单色光
③相干性光相干性指两光束相遇时相遇区域发出波相叠加形成清晰干涉图样接收稳定拍频信号光源相干时间τ时刻发出光路程相遇时产生干涉种相干性称时间相干性时刻空间点发出光相干性称空间相干性激光受激辐射形成发光中心发出光波传播方振动方频率相位均完全致激光具良时间空间相干性
8光电式传感器分类？分介绍种类型作原理
答：光电式传感器检测控制中应非常广泛基分模拟式传感器脉式传感器两类
答：模拟式光电传感器作原理基光电器件光电流光通量发生变化光通量意选定值应光电流确定值光通量测非电量变化变化样光电流成测非电量函数类传感器测量位移表面光洁度振动等参数
脉式光电传感器作原理光电器件输出仅两稳定状态通断开关状态光电器件受光时电信号输出光电器件受光时电信号输出类光电传感器作继电器脉发生器应测量线位移线速度角位移角速度(转速)光电脉传感器等
9简述CCD图传感器基结构说明部分工作原理
答：CCD电荷耦合器件利CCD作转换器件传感器称CCD传感器(称CCD图传感器)CCD基组成部分MOS光敏单元阵列读出移位寄存器
半导体工作原理知金属电极施加正电压时电场作电极面P型硅区域里空穴赶形成耗区说带负电电子言耗区势低区域称势阱果时光线入射半导体硅片光子作半导体硅片形成电子空穴产生光生电子附势阱吸收(称俘获)时产生空穴电场排斥出耗区时势阱吸收光生电子数量入射势阱附光强成正称样MOS结构元MOS光敏元称素势阱收集干光生电荷称电荷包
读出移位寄存器电荷传输程图84示时时半导体硅片势阱分布形状图(a)示极形成势阱时时半导体硅片势阱分布图(b)示极势阱变浅极势阱变深极没势阱根势原理原先极电荷逐渐极转移时图(c)示极电荷极转移完毕时图(d)示极电荷极转移类推直进行电荷转移
图84 电荷传输程
10说明光栅莫尔条纹形成原理特性
答：(1)莫尔条纹两块光栅叠合形成明暗相间条纹两光栅栅线透光部分透光部分叠加光线透透光部分形成亮带光栅透光部分光栅透光部分叠加互相遮挡光线透形成暗带
(2)莫尔条纹重特性：
①运动应特性莫尔条纹光栅尺移动移动间严格应关系两光栅刻线垂直方相运动时莫尔条纹夹角分线方移动移动方两光栅相位移方改变改变光栅移动栅距W莫尔条纹相应移动间距B
②位移放特性式(85)知莫尔条纹间距放光栅栅距W着光栅刻线夹角改变越B越相微栅距扩倍
③误差均效应特性莫尔条纹光栅量栅线形成光栅刻线误差均作程度消栅线局部缺陷短周期误差影响
12简述光纤结构特点分类
答：光纤石英玻璃塑料等光透射率高电介质制作极细纤维光纤纤芯包层组成纤芯折射率包层折射率红外线见光波长范围传输损耗非常种极理想光传输线路具较体积重量带电防爆身具电离辐射免疫力抗线电干扰容易安装性数传输保密安全等特点
光纤传输模式分单模光纤模光纤单模光纤直径2~8微米传输种模式光基模模光纤直径十千微米传输种模式光基模阶次模
纤芯折射率分布分阶跃型梯度型阶跃型光纤纤芯折射率固定变梯度型光纤纤芯折射率似方分布
12试述光纤传感器组成分类
答：光纤传感器般三部分组成光纤外必须光源光探测器两重部件图85示
图85光纤传感器组成分类
光纤传感器般分传光型功性两类：传光型光纤传感器利已敏感材料作敏感元件图845示样利现优质敏感元件提高光纤传感器灵敏度功型光纤传感器利外界信息具敏感力检测功光纤(特殊光纤)作传感元件传感合体传感器
13谓子午光线？子午光线条件数值孔径定义？ 说明光纤数值孔径物理意义
答：子午光线光线传播路径始终包含光纤轴线面子午光线条件数值孔径NA表示：
表示入射光折射率外部介质进入光纤时入射角光光纤中传播否光线会包层中逸出产生漏光NA值越说明光源光纤耦合效率越高
14试计算阶跃折射率光纤数值孔径值少？果外部媒质空气求该种光纤入射角少？
解：根光纤数值孔径NA定义入射界角正弦
(中)
该种光纤入射角入射光线必须该光线轴线夹角时传
15利斯尔定理推导出界角表达式已知水折射率金刚石折射率玻璃折射率分求界角较
(a) (b)
图86
解：斯尔定理指出：光光密物质(折射率)射光疏物质(折射率)折射角入射角图86(a)示符合式
式说明变增增图86(b)示时定义界入射角
界角时发生全反射
光线水射空气时
光线玻璃射空气时
光线金刚石射空气时
较三结果出金刚石界角光线金刚石产生全反射概率较知金刚石切片闪光现象全反射引起
16已知空气中行进光线玻璃板表面成角入射玻璃板光束部分发生反射部分发生折射折射光束反射光束成角求种玻璃折射率？种玻璃界角？
图87
解：根已知条件图87示情况入射角折射角
设空气折射率玻璃折射率根斯尔定理知
时玻璃界角
17什采光纤调制器？调制采种机理分介绍
答：利光纤传感器工作原理核心利光纤种效应实现外界测参数传感功光纤传感器核心光外界输入参数调制研究光纤传感器调制器研究光调制器外界测参数相互作外界信号引起光某特性(强度波长频率相位偏振态等)变化构成强度波长频率相位偏振态等调制
1强度调制
利测量作改变光纤中光强度通光强变化测量测量称强度调制
2．频率调制
利外界作改变光纤中光波长频率通检测光纤中光波长频率变化测量种物理量两种调制方式分称波长调制频率调制
3．偏振调制
果然光传播程中受外界作振动方强度等某方振动方占优势种光称部分偏振光果外界作然光振动方种现象称起偏（形成完全偏振光）利光波偏振性质制成光纤偏振调制传感器光纤传感器中偏振调制器常电光磁光光弹等物理效应进行调制
4 相位调制
(1) 萨古纳克效应(Sagnac)
光源光路两束传播光相位差光路系统旋转角速度成正萨古纳克效应(Sagnac)
(2) 磁致伸缩效应电致伸缩效应
某铁磁体合金某铁氧体外磁场作产生机械变形现象称磁致伸缩效应电介质极化方施加电场某电介质定方产生机械变形机械应力外电场掉变形应力消失现象称电致伸缩效应利磁致伸缩效应电致伸缩效应光纤发生变形改变光纤中光相位
第9章 波传感器
1简述声波基概念
答：声波振动紧密相关机械振动常常引起声辐射物体振动时激励着周围空气质点振动空气具惯性弹性空气质点相互作振动物体四周空气交产生压缩膨胀逐渐外传播形成声波
2声波波形种？分种波形做简单介绍
答：①波：质点振动方传播方致波称波空气液体固体中传播
②横波：质点振动方垂直传播方波称横波固体中传播
③表面波：固体介质表面受交变化表面张力介质表面质点发生相应振动横振动两种振动合成作表面质点绕衡位置作椭圆振动椭圆振动作相介质表面传播振幅着深度增加迅速衰减种声波称表面波称瑞利波表面波固体表面传播
3声波衰减取决什？做简单介绍
答：声波量衰减决定声波扩散散射吸收理想介质中声波衰减仅仅声波扩散着声波传播距离增加单位面积声会减弱散射衰减指声波固体介质中颗粒界面散射流体介质中悬浮粒子散射声波吸收介质导热性粘滞性弹性滞等素造成介质吸收声转换热吸收声波频率升高增高衰减系数ξ介质材料性质异显然颗粒越粗频率越高衰减愈衰减系数会限制探测厚度
4简述电阻变换型声敏传感器工作原理
转换原理类传感器分接触阻抗型阻抗变换型两种接触阻抗型声敏传感器典型实例碳粒式送话器工作原理图图91示声波空气传播膜片时膜片产生振动膜片电极间碳粒接触电阻发生变化调制通送话器电流该电流变压器耦合放器放输出阻抗变换型声敏传感器电阻丝应变片半导体应变片粘贴膜片构成声压作膜片时膜片产生形变应变片阻抗发生变化检测电路种变化转换电压信号输出完成声电转换
图91碳粒式送话器工作原理图
5什水声换器？水声观测中工作原理
利声波海水中进行观察通讯设备做水声换设备显然种观通设备必须产生发射接收声波器件器件水声换器
水声换器电子设备水信号声场间相互联系纽带实际水声观测设备中换器线电雷达天线样起着耳目作处换器发射接收声信号天线发射接收电磁波信号
水声换器工作发射状态时务电振荡转换机械系统振动推动水介质外辐射声量水声换器工作接收状态时务发射状态时相反先水介质中声信号通机械振动系统耦合电路中变成电信号然电信号送接收指示设备
6简单介绍SAW基原理优点
答：SAW传感器基原理压电材料表面形成叉指换器构成SAW振荡器谐振器适设计SAW振荡器谐振器微细测量敏感般测量作SAW传播路径引起SAW传播速度发生变化振荡频率发生变化通频率变化检测测量SAW传感器优点：
(1) 高精度高灵敏度
(2) 结构工艺性便批量生产
(3) 体积质量功耗低易集成
(4) 微处理器相连接口简单
7 简述SAW压力传感器工作原理
答：SAW压力传感器通常采周边固定石英膜片敏感元件图92示SAW压力传感器结构原理图
图92 SAW压力传感器原理结构图
外界压力加石英膜片时膜片部点应力发生变化膜片弹性常数密度应力变化变化SAW传播速度弹性常数密度函数SAW速度发生变化时膜片受力产生形变导致SAW谐振器结构尺寸变化造成SAW波长等性参数改变SAW速度SAW器件结构尺寸变化终导致SAW谐振器中心频率偏移振荡器振荡频率发生改变通测量SAW输出频率偏移知压力
8简单介绍超声波传感器分类原理
答：超声波传感器发生器接收器两部分组成超声波传感器工作原理分电致伸缩式磁致伸缩式电磁式等
(1)电致伸缩式超声波传感器
电致伸缩式超声波传感器利电致伸缩效应压电效应工作称压电式超声波传感器压电式超声波探头
压电式超声波发生器利逆压电效应工作压电材料切片施加交变电压产生电致伸缩振动产生超声波
压电式超声波接收器利正压电效应工作超声波作压电晶片时晶片伸缩晶片两界面产生交变电荷接收器结构发生器基相时套装置兼作发生器接收器两种途
(2)磁致伸缩式超声波传感器
某铁磁物质外磁场作产生机械变形现象做磁致伸缩效应磁致伸缩效应强弱伸长缩短程度铁磁物质磁致伸缩材料外力作磁化强度磁导率发生相应变化现象做逆磁致伸缩效应
磁致伸缩式超声波发生器利磁致伸缩效应工作铁磁材料置交变磁场中会产生机械尺寸交变化机械振动产生超声波磁致伸缩式超声波接收器利逆磁致伸缩效应工作超声波作磁致伸缩材料时引起导磁特性发生变化电磁感应磁致伸缩材料绕线圈里产生感应电动势
9简单介绍微波传感器工作原理
答：微波作种电磁波具波粒二象性微波基性质通常呈现穿透反射吸收三特性玻璃塑料瓷器微波穿越吸收水食物等会吸收微波身发热金属类东西会反射微波微波传感器正利微波特性检测某物理量发射天线发出微波遇测物时吸收反射功率发生变化利接收天线接收通测物测物反射回微波转换成电信号实现微波检测程
10简述微波液位仪工作原理
答：微波液位仪原理图93示相距S发射天线接收天线相互成定角度波长微波信号测液面反射进入接收天线接收天线接收微波功率着测液面高低异
图93微波液位仪
第10章 化学量传感器
1化学传感器基定义分类
答：种化学物质(电解质化合物分子离子等)状态（变化）定性（定量）转化成电信号输出装置做化学传感器
化学量传感器传感器敏感象特性分成气体传感器湿度传感器离子传感器等
2简单介绍烧结型直热式器件烧结型旁热式器件制作工艺特点
答：烧结型直热式制作方法直接起电极加热作合金线圈埋入制成泥状混合均匀气敏氧化物材料中成型定温度进行烧结成种器件特点：加热温度较低般200~300℃加热功率缺点元件参数离散性互换性差种结构正逐渐淘汰
烧结型旁热式气敏元件制作方法气敏粉体材料少量胶黏剂充分研磨混合均匀调成浆状然涂覆制电极引出电极引脚瓷500~800℃烧结成特点元件热稳定性较直热式气敏元件相具较离散性缺点工艺较复杂机械化程度低易批量生产
3 简述制备硅基微结构薄膜型气敏传感器工艺流程
答：(1)低压化学气相沉积法(LPCVD)硅晶片正反两面沉积定厚度Si3N4层该层应力介电层正表面作制作电极图形反面作刻蚀时钝化层(2)硅晶片正面直流溅射法射频磁控溅射法沉积定厚度Ti层Pt层PtTi双层膜550℃退火处理30分钟(3)反应离子刻蚀工艺者方法硅晶片背面Si3N4层刻蚀掉刻蚀硅晶片背面开窗口第掩膜(4)变(liftoff)工艺双边准直技术制作图形电极加热器PtTi双层膜形成电极电阻加热器第二掩膜(5)通某种沉积薄膜工艺金属氧化物气敏薄膜层沉积电极进行适热处理(6)该气敏薄膜层进行选择性刻蚀气敏薄膜层电极加热元件垫片保持接触第三掩膜(7)KOH溶液相关溶液采异性刻蚀法硅晶片背面刻蚀掉部分形成定厚度正方形横隔膜实现低功耗位加热
4什燃烧式气体传感器？简述制作工艺
答：燃烧式气体传感器基催化燃烧效应工作强催化剂气体表面燃烧时产生热量传感器中贵金属电极温度升引起电阻变化根电阻变化实现气体浓度检测
高纯铂丝绕制成线圈线圈具适阻值(1 ~2)般应该绕10圈线圈外面涂氧化铝氧化铝氧化硅组成膏状涂覆层干燥定温度烧结成球状孔体烧结球放贵金属铂钯等盐溶液中充分浸渍取出烘干然高温热处理氧化铝(氧化铝氧化硅)载体形成贵金属触媒层组装成气体敏感元件
5什电化学气体传感器？简单说明特征
答：气体存PtAu等贵金属电极较电极电解质(固态液态)组成电池中时气体会电解质发生反应电极表面发生氧化原反应两电极间电流电压输出利类特性检测气体成分浓度传感器统称电化学气体传感器
电化学气体传感器特征结构通常电池系统类似电解质电解质溶液(包括水溶液非水电解质溶液固态化电解质凝胶)固体电解质
6简述气体鉴报警控制电路工作原理（电路图图101示）
图101气体鉴报警控制电路图
答：图101出气体鉴报警控制电路图方面鉴实验中害气体产生鉴液体否挥发性方面动控制排风扇排气室空气清新MQS2B旁热式烟雾害气体传感器害气体时阻值较高(10KΩ左右)害气体烟雾进入时阻值急剧降AB两端电压降B电压升高电阻R1RP分压R2限流加开关集成电路TWH8778选通端脚脚电压达预定值时(调节调电阻RP改变5脚电压预定值)12两脚导通+12V电压加继电器通电触点J11吸合合排风扇电源开关动排风时2脚+12V电压R4限流稳压二极VZ1稳压供微音器HTD电压发出滴滴声发光二极发出红光实现声光报警功
7湿度传感器定义特点
答：湿度传感器利湿度敏感材料吸附效应直接吸附气中水分子材料电学特性等物理性质发生变化监测湿度变化
理想湿度传感器应具测量精度高响应速度快温度系数量程宽测量范围广稳定性耐水性抗污染力强价格低廉等特点
8 简单介绍类电阻型高分子湿度传感器感湿原理
答：高分子电阻湿度传感器分两类：
① 电子导电型高分子电子导电型湿度传感器称涨缩型湿度传感器通导电体粉末(金属石墨等)掺入膨胀吸湿高分子中制湿敏膜湿度变化石墨发生膨胀收缩导电粉末间距变化电阻改变
② 离子导电型该类湿度传感器感湿原理：高分子湿敏膜吸湿水分子作粒子相互作减弱迁移率增加时吸附水分子电离离子载体增膜电导湿度增加增加
9 陶瓷湿度传感器感湿机理？
答：陶瓷湿度传感器利陶瓷湿度材料烧结制备时形成孔结构吸附凝聚水分子作导电通路改变陶瓷身电导率电容量利孔结构陶瓷电导率电容率外界湿度变化特点制成湿度传感器陶瓷湿度敏感材料感湿特性体分电阻型电容型阻抗型等
10 简述高湿度显示仪工作原理（电路图图102示）
图102高湿度显示仪电路
答：图102高湿度显示仪电路环境相湿度高时做出显示告知应采取排湿措施湿度传感器采SMOLA型湿敏电阻环境相湿度(20~90)RH变化时电阻值102~104范围改变防止湿敏电阻产生极化现象采变压器降压供检测电路9V交流电压湿敏电阻RH电阻R1串联接两端环境湿度增时RH阻值减电阻R1两端电压会升高电压D1整流加T1T2组成施密特电路中T1导通T2截止T3导通发光二极D4发光
高湿度显示仪电路应蔬菜棚粮棉仓库花卉温室医院等湿度求较严格场合
11 什离子选择性电极？离子选择性电极基分析原理什？
答：离子选择性电极ISE (Ion Selective Electrode)类利膜电势测定溶液中离子活度浓度电化学传感器含测离子溶液接触时敏感膜溶液相界面产生该离子活度直接关膜电势
离子选择性电极分析基原理利膜电势进行测定膜电势种相间电势两相接触发生带电粒子转移达衡两相间产生电势差
第11章 MEMS传感器
1什MEMS？
答：MEMS(Micro Electric Mechanical System MEMS)微电子机械系统广义讲MEMS指集微型传感器微型执行器信号处理控制电路甚接口电路通信电源体微型机电系统
2微传感器含义优点
答：(1) 微传感器含义：
①微传感器单敏感元件类传感器显著特点尺寸(敏感元件尺寸毫米级微米级甚达纳米级)
②微传感器集成传感器类传感器微敏感元件信号处理器数处理装置封装块芯片形成集成传感器
③微传感器微型测控系统种系统中包括微传感器包括微执行器独立工作外微传感器组成传感器网络者通网络实现异联网
(2) 微传感器优点包括：
① 体积重量轻
② 耗低
③ 性
④ 易批量生产成低
⑤ 便集成化功化
⑥ 提高传感器智化水
3简单介绍MEMS传感器项加工技术
答：(1)体微加工技术
体微加工技术指利蚀刻工艺块状硅进行准三维结构微加工包括蚀刻停止蚀刻两项关键技术
(2)表面微加工技术
表面微加工技术般采光刻等手段硅片等表面淀积生长成层薄膜分具定图形然某需薄膜层形成三维结构
(3)键合技术
固相键合技术液态粘结剂两块固体材料键合起键合程中材料始终处固相状态
(4)光刻电铸注塑技术
光刻电铸注塑技术(LIGA) 种基X射线光刻技术MEMS加工技术LIGA德文LithographieGalanoformungAbformung三词光刻电铸注塑缩写包括X光深度步辐射光刻电铸制模注模复制三工艺步骤
4什热电堆？简述工作原理
答：热电堆热电偶串联起构成种温度传感器红外光探测器热电堆输出电压（输出温差电动势）热电偶输出电压
作光电探测器时热电堆工作机理量子光电探测器种热光电探测器结构热电偶端表面涂黑色薄膜量吸收光产生热量端（参考极）罩住光时涂层反射薄膜吸收光保持环境温度然通测量热电堆温差电动势检测出红外光等辐射提高灵敏度响应速度热电堆光电探测器采薄膜制作外热电堆光电探测器通常放置真空中者惰性气体中
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1传感器定义什？
答：传感器早sensor词感觉意思着传感器技术发展工程技术领域中传感器认生物体工程模拟物求传感器测量敏感测量响应传送出功说真正实现感会传功
传感器获取信息种装置定义分广义狭义两种广义定义传感器指感受外界信息定规律转换成某种信号输出器件装置满足信息传输处理记录显示控制等求里信号指便处理传输信号般电信号电压电流电阻电容频率等狭义定义传感器指外界信息定规律转换成电量装置传感器
国家标准GB7665—87传感器定义：感受规定测量定规律转换成输出信号器件装置通常敏感元件转换元件组成
国际电工委员会(IEC)传感器定义：传感器测量系统中种前置部件输入变量转换成供测量信号美国测量协会传感器定义应特定测量提供效电信号输出器件传感器称变换器换器探测器前述．感受测量测量转换易测量传输处理信号装置器件称传感器
2简述传感器分类方法
答：(1)传感器外界信息变换效应工作原理分物理传感器化学传感器生物传感器三类
(2)输入信息分类传感器输入量分类力敏传感器位置传感器液面传感器耗传感器 速度传感器热敏传感器 振动传感器湿敏传感器磁敏传感器气敏传感器真空度传感器等种分类传感器应方便
(3)应范围分类根传感器应范围通常分工业民科研医军传感器等具体场合分汽车舰船航空航天传感器等果根目分计测监测检查控制分析传感器等
3传感器部分组成？简单介绍组成部分
答：传感器核心部件敏感元件传感器中感知外界信息转换成信息元件传感器般敏感元件传感元件基转换电路三部分组成
图11传感器组成
(1)敏感元件 直接感受测量确定关系输出某物理量
(2)传感元件 敏感元件输出非电物理量转换成电路参数量电量
(3)基转换电路 电路参数转换成便测量电量基转换电路类型工作原理传感器关常基转换电路作传感器组成环节
4传感器静态特性参数？
答：表征传感器静态特性参数：线性度灵敏度分辨力迟滞重复性稳定性漂移阈值等
5传感器未发展方？
答：(1)开发新材料
(2)提高传感器性扩检测范围
(3)传感器微型化微功耗
(4)传感器智化
(5)传感器集成化功化
(6)传感器数字化网络化
第2章 电阻式传感器
1电阻式传感器定义简单说明优缺点
答：电阻式传感器种非电物理量(位移力压力加速度扭矩等)转换成确定应关系电阻阻值测量电桥转换成便传送记录电压(电流)信号种装置非电量检测中应十分广泛
电阻式传感器具系列优点结构简单输出精度较高线性稳定性等受环境条件(温度)影响较分辨力高等足处
2说明电阻应变片组成规格分类
答：组成：电阻应变片敏感栅基片覆盖层引出线等部分组成规格：应变片规格般效面积敏感栅电阻值表示分类：电阻应变片敏感栅材料分金属电阻应变片半导体应变片两类常见金属电阻应变片丝式箔式薄膜式三种形式
3什应变效应利应变效应解释金属电阻应变片工作原理
答：电阻丝外力作发生机械变形时阻值发生变化现象称电阻应变效应根种效应应变片特制胶水粘测材料表面测材料外力作产生应变会传送应变片应变片阻值发生变化通测量应变片电阻值变化知测量
4金属电阻应变片半导体应变片工作原理区优缺点？
答：金属电阻应变片分：(1)丝式应变片：优点粘贴性保证效传递变形性稳定．制成满足高温强磁场核辐射等特殊条件应变片缺点U形应变片圆弧形弯曲段呈现横效应H形应变片焊点性降 (2)箔式应变片：优点黏合情况散热力较强输出功率较灵敏度高等工艺需制成意形状易量生产成低廉电测中获广泛应尤常温条件箔式应变片已逐渐取代丝式应变片(3)薄膜型薄绝缘基片蒸镀金属制成灵敏度系数高易实现工业化特直接制作弹性敏感元件形成测量元件传感器种方法免应变片粘贴工艺程具定优势
半导体应变片锗硅等半导体材料制成敏感栅半导体应变片突出优点：灵敏度高测微应变机械滞横效应体积缺点：温度稳定性差灵敏度系数分散性时需采温度补偿非线性补偿措施
5简单介绍应变片粘贴工艺步骤：
答：①应变片检查选择 首先采应变片进行外观检查观察应变片敏感栅否整齐均匀否锈斑短路折弯等现象次选应变片阻值进行测量阻值选取合适传感器衡调整带方便
②试件表面处理 获良粘合强度必须试件表面进行处理清试件表面杂质油污疏松层等般处理办法采砂纸磨较处理方法采油喷砂法样抛光更表面积获质量均匀结果表面清洁化学清洗剂氯化碳丙酮甲苯等进行反复清洗采超声波清洗值注意避免氧化应变片粘贴快进行果立刻贴片涂层士林暂作保护
③底层处理 保证应变片牢固贴拭件具足够绝缘电阻改善胶接性粘贴位置涂层底胶
④贴片 应变片底面清洁剂清洗干净然试件表面应变片底面涂层薄均匀粘合剂稍干应变片准划线位置迅速贴然盖层玻璃纸手指胶锟加压挤出气泡余胶水保证胶层薄均匀
⑤固化 粘合剂固化否完全直接影响胶物理机械性关键掌握温度时间循环周期然干燥加热固化严格工艺规范进行防止强度降低绝缘破坏电化腐蚀固化应变片应涂防潮保护层防潮层般采稀释粘合胶
⑥粘贴质量检查 首先外观检查粘贴位置否正确粘合层否气泡漏粘破损等然测量应变片敏感栅否断路短路现象测量敏感栅绝缘电阻线试件间绝缘电阻般情况绝缘电阻50MΩ高精度测量需200MΩ
⑦引线焊接组桥连线 检查合格焊接引出导线引线应适加固定应变片间通粗细合适漆包线连接组成桥路连接长度应量致宜
⑧防护屏蔽 保证应变片工作长期稳定性应采取防潮防水等措施应变片引出线涂石蜡石蜡松香混合剂环氧树脂机硅清漆等保护层
6说明差动电桥减温度误差原理
答：巧妙安装应变片需补偿灵敏度提高图21测悬梁弯曲应变时两应变片分贴两面称位置R1RB特性相两电阻变化值相符号相反R1RB图24装R1R2位置电桥输出电压单片时增加1倍梁温度致时RBR1起温度补偿作
21 应变片受力变化图
7电阻应变片基测量电路试较特点
答：直流电桥：(1)等臂电桥：电桥供电电压U越高输出电压U0越灵敏度越高提高电源电压应变片桥臂电阻功耗增加温度误差增般电源电压取3V~6V宜增电阻应变片灵敏系数K提高电桥输出电压(2)差动电桥：克服减非线性误差．提高电桥灵敏度半桥差动电路：单臂工作时2倍时具温度补偿作全桥差动电路仅没非线性误差电压灵敏度单片工作时4倍时具温度补偿作
交流电桥：直流电桥相应交流电桥时应注意方面问题(1)交流电桥电源通常正弦波电源分析计算时仅基波言误差分析中需考虑高次谐波影响 (2)线性电路方法分析交流电桥非线性元件需规定条件进行线性化处理 (3)交流电桥少需两调参数保证电桥衡调整参数时必须满足衡条件
8说明电桥工作原理桥臂工作方式分种输出电压计算
答：应变片电桥电路输出信号般较微弱目前部分电阻应变式传感器电桥输出端直流放器相连图22示
图22直流电桥
(1)等臂电桥 R1R4＝R2R3时称等臂电桥电桥处衡状态时输出电压U0＝0电桥臂均相应电阻增量
R1＝R2＝R3R4＝R时(i＝1234)式简化
(2)差动电桥
①半桥差动电路：电桥桥臂两两相等R1R2RR3R4
②全桥差动电路：电桥4臂接入4应变计2受拉应变2受压应变2应变相应变计接入相桥臂构成全桥差动电路
9提高应变片电桥输出电压灵敏度线性度？
答：(1)知电源电压U应变片电阻相变化定时电桥输出电压电压灵敏度桥臂阻值关电桥电源电压越高输出电压灵敏度越高提高电源电压应变片桥臂电阻功耗增加温度误差增般电源电压取3V~6V宜
(2) 般消非线性误差方法种：
① 采差动电桥利桥路电阻变化特点桥路形成差动电桥(半桥全桥)
②采高阻恒流源电桥采恒流源采恒压源非线性误差减倍般半导体应变片桥路采恒流源供电
10果电阻应变片贴弹性试件试件受力横截面积弹性模量拉力引起应变电阻变化试求该应变片灵敏度系数？
解：题意应变片电阻相变化量
根材料力学理知：应变(试件受应力)应变
应变片灵敏度系数
11台等强度梁作弹性元件电子秤梁面贴两片相电阻应变片(K2)图23(a)示已知现四应变片接入图(b)直流桥路中电桥电源电压力时求电桥输出电压？
图23
解：图(a)示四片相电阻应变片贴等强度梁面两片重力F作梁端部梁表面产生正应变电阻变化表面产生负应变电阻变化应变绝值相等
电阻相变化量
现四应变电阻图(b)示接入桥路组成等臂全桥电路输出桥路电压
12两电阻应变片行粘贴钢制试件试件初载等截面积弹性模量E200GNm250kN拉力引起应变片电阻变化1接入惠斯登电桥中电桥电源电压1V求应变片灵敏系数电桥输出电压少？
解应力应变E
应变应力E50000N(05×104m2×200×109Nm2)0005
应变片灵敏系数k
电阻应变片匹配电阻构成惠斯登电桥时两应变片处桥臂会输出：
(1)两应变片接相邻桥臂时两应变片行贴试件两电阻变化值1符号相电桥作相互抵消输出电压零种效果应变片温度补偿中应
(2)两应变片接相桥臂时时电桥贡献相两单臂电桥输出电压U0
应指出果两应变片行粘贴水放置悬臂梁两侧接入相邻两桥臂组成差动电桥输出电压U05mV时两应片电阻变化值符号相反
13图24直流电桥图中E＝4V R1＝R2＝R3＝R4＝120试求：
(1)R1金属应变片余外接电阻Rl增量△R＝12时电桥输出电压Uo少？
(2)R1R2应变片型号规格相感应应变极性相余外接电阻电桥输出电压U0少？
(3)题(2)中果R2R1感受应变极性相反R1＝R2＝12时．电桥输出电压Uo少？
图24直流电桥
解：(1)根式中已知R1＝R2＝R3＝R4 n1电桥输出电压
(2) 双桥臂变化时R1＝R2
(3)R2R1感受应变极性相反输出电压
已知条件代入
14简说明筒式应变压力传感器工作原理
答：压力传感器测量流体压力视弹性体结构形式单式组合式分单式指应变片直接粘贴受压弹性膜片筒膜片式应变压力传感器结构应力分布布片固态压阻式传感器雷图25筒式应变压力传感器图中(a)结构示意(b)材料取Eμ厚底应变筒(c)4片应变片布片工作应变片R1R3筒外壁周粘贴温度补偿应变片R2R4贴筒底外壁接成全桥应变筒壁感受压力P时筒外壁周应变：
(a) 结构示意 (b)筒式弹性元件 (c)应变片布片
1—插座2—基体3—温度补偿应变片4—工作应变片5—应变筒
图25筒式应变压力传感器
厚壁筒 ：
薄壁筒 ：
组合式压力传感器受压弹性元件(膜片膜盒波纹)应变弹性元件(种梁)组合成前者承受压力者粘贴应变片两者间通传力件传递压力作种结构优点受压弹性元件流体高温腐蚀等影响起隔离作传感器具良工作环境
第3章 电容式传感器
1．说明电容式传感器工作原理电容式传感器种类型差动结构电容传感器什优点
答：电容器传感器具变参数电容器绝缘介质分开两行金属板组成板电容器忽略边缘效应影响时电容量真空介电常数ε0(88541012Fm)极板间介质相介电常数εr极板效面积A两极板间距离d关：
(31)
式中 d——两行极板间距离
A——两行极板相覆盖面积
εr——介质材料相介电常数
ε0——真空介电常数
C——电容量
测参式(31)中Adεr三参量中意发生变化时会引起电容量变化通测量电路转换电量输出
电容式传感器分变极距型变面积型变介质型三种类型
差动式单极式灵敏度提高倍非线性误差减结构称性效补偿温度变化造成误差
2电容式传感器优点缺点？
答：电阻式电感式等传感器相具优点：
(1) 测量范围
(2) 温度稳定性
(3) 结构简单适应性强
(4) 动态响应
(5) 实现非接触测量具均效应
电容式传感器述优点外带电极板间静电引力极(约毫克)需输入量极特适宜解决输入量低测量问题例测量极低压力力加速度位移等做灵敏分辨率非常高感受0001μm甚更位移
然电容式传感器存足处：
(1) 输出阻抗高负载力差
(2) 寄生电容影响
述足直接导致电容式传感器测量电路复杂缺点
3电容式传感器种类型测量电路什特点
答：电桥电路双T二极交流电桥差动脉宽度调制电路运算放器电路调频测量电路
电容传感器衡电桥测量电路实际应中保证初始衡状态分压系数变传感器中心极板位移引起电容变化时测量电桥衡输出衡电桥电路般稳频稳幅固定波形低阻信号源激励电流放机相敏检波处理直流输出信号
双T二极交流电桥 (称二极T型网络)图31示利电容器放电原理组成电路应特点：
图314双T二极交流电桥
(1) 电源传感器电容负载均时点接
(2) 二极D1D2工作高电非线性失真
(3) 灵敏度电源频率关电源频率需稳定
(4) D1D2R1R2安装C1C2附消电缆寄生电容影响线路简单
(5) 输出电压较高
(6) 负载电阻RL影响电容放电速度决定输出信号升时间
脉宽度调制电路具特点：
(1) 输出电压测位移(面积变化)成线性关系
(2) 需解调电路低通滤波器较直流输出电压
(3) 需载波
(4) 调宽频率辩护输出没影响
运算放器电路特点够克服变间隙电容式传感器非线性输出电压输入位移(间隙变化)线性关系
调制测量电路特点：灵敏度高测量001μm甚更位移变化量抗干扰力强获高电直流信号频率数字信号缺点受温度影响电路设计传感器设计带定麻烦
4 举例说明变面积型电容传感器特点
答：变面积型电容传感器输出特性呈线性量程受线性范围限制适合测量较直线位移角位移
5说明电容式传感器调频电路工作原理特点
答：种电路电容传感器元件电感元件相配合构成调频振荡器测量电容传感器电容发生变化时振荡器振荡频率产生相应变化特点：灵敏度高测量001μm甚更位移变化量抗干扰力强获高电直流信号频率数字信号缺点受温度影响电路设计传感器设计带定麻烦
6说明双T二极交流电桥工作原理输出特性
答：双T二极交流电桥 (称二极T型网络)图32示利电容器放电原理组成电路
图32 双T二极交流电桥
中高频电源提供幅值U称方波(正弦波适)D1D2特性完全相两二极R1R2RC1C2传感器两差动电容传感器没位移输入时C1C2RL周期流均电流零电压输出C1C2变化时RL产生均电流零信号输出输出电压均值：
(32)
式中 f ——电源频率
RL已知时式中：
常数
输出电压高
7说明脉宽度调制电路工作原理差动电容相等相等时点电压波形
答：图33种差动脉宽度调制电路接通电源触发器Q端高电(U1)Q端低电(0)
图33 差动脉调宽电路
工作时双稳态触发器(FF)输出A点高电位时通R1C1充电F点电位UF升参考电压Ur相等时较器IC1产生脉触发器翻转Q端低电端高电(U1)时电容C1通二极D1迅速放电零触发器端R2C2充电G点电位UG参考电压Ur相等时较器IC2输出脉触发器翻转循环述程
C1C2时点电压波形图34(a)示Q两端电脉宽度相等两端间均电压零C1＞C2时点电压波形图34(b)示
图34 点电压波形图
8电容式传感器实际中存问题理想特性产生较影响
答：实际中存问题：
(1) 输出阻抗高负载力差电容式传感器电容量受电极尺寸等限制般十百皮法传感器输出阻抗高尤采音频范围交流电源时输出阻抗高达106~108传感器负载力差易受外界干扰影响产生稳定现象严重时甚法工作必须采取屏蔽措施设计带便容抗求传感器绝缘部分电阻值极高(十兆欧)否绝缘部分作旁路电阻影响传感器性(灵敏度降低)特注意周围环境温湿度清洁度等绝缘性影响高频供电然降低传感器输出阻抗放传输远低频时复杂寄生电容影响加难保证工作稳定
(2) 寄生电容影响电容式传感器初始电容量传感器引线电缆电容(1~2m导线达800pF)测量电路杂散电容传感器极板周围导体构成电容等寄生电容较方面降低传感器灵敏度方面电容(电缆电容)常常机变化传感器工作稳定影响测量精度变化量甚超测量引起电容变化量致传感器法工作电缆选择安装接法求
9什电容式传感器易受干扰说明消灭寄生电容常方法原理
答：电容式传感器电容量受电极尺寸等限制般十百皮法传感器输出阻抗高尤采音频范围交流电源时输出阻抗高达106~108传感器负载力差易受外界干扰影响产生稳定现象严重时甚法工作
消灭寄生电容常方法原理：
①增加传感器原始电容值采减极片极筒间间距(板式间距02~05mm圆筒式间距015mm)增加工作面积工作长度增加原始电容值受加工装配工艺精度示值范围击穿电压结构等限制般电容值变化103~103pF范围
②注意传感器接屏蔽图35采接屏蔽圆筒形电容式传感器图中动极筒连杆固定起测量移动传感器屏蔽壳(良导体)动极筒移动时屏蔽壳间电容值保持变消产生虚假信号
图35圆筒形电容式传感器接屏蔽示意图
引线电缆必须屏蔽传感器屏蔽壳减电缆电容影响应短电缆线缩短传感器续电路前置级距离
③集成化传感器测量电路身前置级装壳体样寄生电容减变化传感器工作稳定电子元器件特点高低温环境差场合工作
④采驱动电缆技术电容式传感器电容值某原(环境温度较高)测量电路传感器分开时采驱动电缆技术图36示
图36驱动电缆技术原理图
传感器测量电路前置级间引线双屏蔽层电缆屏蔽层信号传输线(电缆芯线)通11放器等电位消芯线屏蔽层间电容屏蔽线传感器输出信号变化变化电压称驱动电缆采种技术电缆线长达10m远影响传感器性外屏蔽层接(接传感器)防止外界电场干扰外屏蔽层间电容11放器负载11放器输入阻抗求高具容性负载放倍数1(准确度求达11000)相(求相移零)放器驱动电缆技术11放器求高电路复杂保证电容式传感器电容值1pF时正常工作
⑤整体屏蔽电容式传感器采转换电路传输电缆等屏蔽壳屏蔽起正确选取接点减寄生电容影响防止外界干扰图37示差动电容式传感器交流电桥采整体屏蔽系统屏蔽层接点选择两固定辅助阻抗臂Z3Z4中间电缆芯线屏蔽层间寄生电容Cp1Cp2分Z3Z4相联果Z3Z4Cp1Cp2容抗寄生电容Cp1Cp2电桥衡状态影响
图37 整体屏蔽示意图
易满足述求变压器电桥时Z3Z4具中心抽头相互紧密耦合两电感线圈流Z3Z4电流基相等方相反Z3Z4结构完全称线圈中合成磁通零Z3Z4仅绕组铜电阻漏感抗结果寄生电容Cp1Cp2Z3Z4分路作削弱低程度致影响交流电桥衡加层屏蔽加外屏蔽层接点选差动式电容传感器两电容C1C2间
样进步降低外界电磁场干扰外屏蔽层间寄生电容等效作测量电路前置级影响电桥衡电缆线长达10m时测出1pF电容电容式传感器原始电容值较(百皮法)时选择适接点采般轴屏蔽电缆电缆长达10m时传感器正常工作
10已知变面积型电容传感器两极板间距离10mmε50μF／m两极板尺寸样30mm×20mm×5mm外力作中动极板原位置外移动10mm试求C K
解：根式出
已知条件代入式中
11 圆形板电容式传感器极板半径5mm工作初始间隙03mm空气介质采测量电路灵敏度100读数仪表灵敏度5格mV果工作时传感器间隙产生2μm变化量读数仪表指示值变化少格
解：
测量电路灵敏度
读数仪表指示值变化格数格
12空气介质极板电容式传感器两块极板面积均80mm2中块极板原始位置移15mm极板间效重叠面积20mm2 两极板间距1mm已知空气相介电常数ε1Fm真空时介电常数ε08854×1012Fm求该传感器位移灵敏度S
答：中
13已知：板电容传感器极板间介质空气极板面积间隙试求传感器初始电容值装配关系两极板间行侧间隙侧间隙求时传感器电容值
图38
解：初始电容值
式中
图38示两极板行时电容值
14变间距（d）型板电容传感器时求测量线性度01求允许间距测量变化量少？
解：变间距型板电容传感器时线性度表达式
题意测量允许变化量
第4章 压电式传感器
1什压电效应？压电材料种类？压电传感器应特点什？
答：(1)物质基础质定方受压力拉力作发生变形时表面会产生电荷外力掉时重新回带电状态种现象称压电效应
(2)压电材料分压电晶体压电陶瓷两类
(3)压电式传感器具频带宽灵敏度高信噪高结构简单工作质量轻测量范围广等许优点压力击振动等动态参数测试中传感器品种加速度压力位移温度湿度等许非电量转换电量年电子技术飞跃发展着配套二次仪表低噪声电容高绝缘电阻电缆出现压电传感器更方便集成化智化新型压电传感器正开发出
2标出图41(b)(c)(d)中压电片电荷极性结合图说明什压电效应？什横压电效应？
图41
答：图42标出图41中(b)(c)(d)中压电片电荷极性
图42
直角坐标系中z轴表示轴称光轴x轴行正六面体棱线称电轴y轴垂直正六面体棱面称机械轴通常 电轴(x轴)方力作产生电荷压电效应称压电效应机械轴(y轴)方力作产生电荷压电效应称横压电效应光轴(z轴)方受力时产生压电效应
3石英晶体变形方式种？
答：(1)厚度变形(简称TE方式)
(2)长度变形(简称LE方式)
(3)面剪切变形(简称FS方式)
(4)厚度剪切变形(简称TS方式)
(5)弯曲变形(简称BS方式)
4选合适压电材料设计高性传感器？
答：(1)转换性：具较高耦合系数具较压电常数
(2)机械性：压电元件作受力元件希机械强度高机械刚度期获宽线性范围高固振动频率
(3)电性：希具高电阻率介电常数期减弱外部分布电容影响获良低频特性
(4)温度湿度稳定性：具较高距离点期较宽工作温度范围
(5)时间稳定性：压电特性时间蜕变
5什压电放器输出端接高阻抗前置放器？前置放器作什
答：压电式传感器求负载电阻RL必须数值测量误差定数值常压电式传感器输出端面先接入高输入阻抗前置放器然接般放电路电路压电式传感器测量电路关键高阻抗前置放器前置放器两作第压电传感器微弱信号放第二传感器高阻抗输出变换低阻抗输出
6压电式传感器中采电荷放器优点？什电压灵敏度电缆长度关？电荷灵敏度长度关？
答：电荷放器突出优点定条件传感器灵敏度电缆长度关
传感器电压灵敏度
压电式传感器电压放器配合时连接电缆太长电缆长电缆电容电缆电容增必然传感器电压灵敏度降低
图43压电式传感器电荷放器连接等效电路虚原理知反馈电容折合放器输入端效电容
(41)
设放器输入电容传感器部电容电缆电容放器输出电压
(42)
放器输出电压
(43)
时传感器输出灵敏度认电缆电容关电荷灵敏度电缆长度关
图43压电传感器电荷放器连接等效电路
7 压电晶体面积S20mm2厚度10mm受压力P10MPa作时求产生电荷量Q输出电压
(1)零度X切石10英晶体
(2)利效应BaTiO3
解：(1)石英晶体受力F作产生电荷量
式中 d11——压电系数石英晶体x轴方受压缩力时
P——压力(1Pa1Nm2)
代入相应值
部电容量
式中 ——相介电常数石英45
——真空介电常数
输出电压
(2)理BaTiO3压电材料参数：
电荷
电容
电压
8装石英晶体压电传感器测量系统等效电路图44示参数：Ra10Rt10Ca30pFCo10pFCt20pF求电路等效时间常数误差求≤5求单位阶跃脉作效测量时间？
图44
解：
电容放电 t03´104 s
9某石英晶体受压力98N截面积5cm厚度05cm试求：
(1)压电元件两极片间电压值？
(2)压电元件高阻抗运算放器间连接电缆电容C04pF求时压电式传感器输出电压
解： (1)
(2)
10压电式传感器测量低频率1Hz振动求1Hz时灵敏度降超5测量回路总电容500pF求电压前置放器输入电阻应
解：相幅频特性已知量代入R34MW
11试简述加速度传感器工作原理
答：图45压缩式压电加速度传感器结构原理图压电元件般两片压电片组成压电片两表面镀银层银层焊接输出引线两压电片间夹片金属引线焊接金属输出端根引线直接传感器基座相连压电片放置重较质量块然硬弹簧螺栓螺帽质量块预加载荷整组件装厚基座金属壳体中隔离试件应变传递压电元件避免产生假信号输出般加厚基座选刚度较材料制造
图45压缩式压电加速度传感器结构原理图
测量时传感器基座试件刚性固定起传感器感受振动时弹簧刚度相质量块质量相较认质量快惯性质量块感受传感器基座相振动受加速度方相反惯性力作样质量块正加速度交变作压电片压电片具压电效应两表面产生交变电荷(电压)振动效率远低传感器固频率时传感器输出电荷(电压)作力成正试件加速度成正输出电量传感器输出端引出输入前置放器变通测量仪器测出试件加速度放器中加进适积分电路测出试件振动速度位移
12石英晶体加速度计测量机器振动已知：加速度计灵敏度(g标准重力加速度)电荷放器灵敏度机器达加速度值时相应输出电压幅值2V试计算该机器振动加速度
解：系统灵敏度k等传感器灵敏度电荷放器灵敏度积
测加速度测电压值系统灵敏度
a(2025)g8g
13某电荷放器说明书中技术指标：输出电压输入电阻输出电阻频率响应：0~150kHz噪声电压(效值)2mV(指输入信号零时出现输出信号值)非线性误差：01温度漂移：
(1)果阻电压表测量电荷放器输出电压试求负载效应减少电压值
(2)假设输入电阻示波器接电荷放器输入端便观察输入信号波形时电荷放器影响？
(3)噪声电压什时候会成问题？
(4)试求环境温度变化时电荷放器输出电压变化值该值测量结果否影响？
(5)输入信号频率180kHz时该电荷放器否适？
解：(1)设接电压表时输出电压U加接电压表
输出电压
减电压值
说输出电压减少1
(2)视示波器输入电阻电荷放器输入电阻联前者者电荷放器总输入电阻
(3)电荷放器信号电低时噪声电压干扰明显增加
(4)电荷放器温度漂移温度变化时引起输出电压变化输出电压伏测量精度没严重影响
(5)电荷放器增益会降
第5章 电感式传感器
1什电感传感器介绍分类
答：电感式传感器测量转换成线圈感互感变化通定转换电路转化成电压电流输出类传感器包括感式传感器互感式传感器电涡流式传感器压磁式传感器感应步器式传感器
2 差动变气隙式感传感器单线圈式感传感器相优点什？
答：(1)差动变气隙式感传感器灵敏度单线圈式感传感器2倍
(2)线性化时差动变气隙式感传感器忽略高次项单线圈式忽略高次项差动式感传感器线性度明显改善
3什感传感器灵敏度？影响感传感器灵敏度素什？
答：感传感器灵敏度指传感器结构(测头)转换电路综合起总灵敏度
传感器灵敏度三部分积第部分决定传感器类型第二部分决定转换电路形式第三部分决定供电电压传感器类型转化电路灵敏度表达式工厂生产中测定传感器灵敏度传感器接入转换电路进行规定传感灵敏度单位mV(m·V)电源电压1V衔铁偏移1m时输出电压干mV
4产生零点残余电压原什？采取措施减零点残余电压
答：零点残余电压传感器两次级绕组电气参数尺寸称磁性材料非线性等问题引起零点残余电压波形十分复杂基波高次谐波组成基波产生原：传感器两次级绕组电气参数尺寸称导致产生感应电势幅值等相位样调整衔铁位置 两线圈中感应电势完全抵消 高次谐波中起作三次谐波 产生原磁性材料磁化曲线非线性(磁饱磁滞)
减电感传感器零点残余电压采取列措施：
(1)设计工艺求做磁路称线圈称铁心材料均匀特性致两线圈绕制均匀松紧致
(2)采拆圈实验方法调整两线圈等效参数量相减零点残余电压
(3)电路进行补偿补偿方法：加串联电阻加联电容加反馈电阻反馈电容等
5什差动变压器根结构分类
答：互感式电感传感器测量转换成线圈互感量变化种传感器根变压器基原理制成次级绕组差动形式连接称差动变压器式传感器简称差动变压器
根结构分变隙式变面积式螺式等类
6简单叙述差动变压器应压力测量时工作原理
答：差动变压器式传感器弹性敏感元件(膜片膜盒弹簧等)相结合组成压力传感器
图51示差动变压器式压力传感器衔铁固定膜盒中心压力作时膜盒处初始状态衔铁位差动变压器线圈中部输出电压零测压力作膜盒发生膨胀衔铁移动差动变压器输出正测压力电压种微压力传感器测压力
1接头 2膜盒 3底座 4线路板
5差动变压器线圈 6衔铁 7罩壳 8插头 9通孔
图51差动变压器式压力传感器
7螺形差动式电感传感器已知电源电压U4Vf400Hz传感器线圈铜电阻电感量分L30mH两匹配电阻设计成4臂等阻抗电桥图52示试求：
图52
(1)匹配电阻R1R2值电压灵敏度达
(2)△Z10时接成差动电桥输出电压值
答：(1)
阻抗幅值
4臂阻抗相：
(2)差动
8图53示长螺线长度l20cm截面积S10cm2线圈匝数N11000中段密绕匝数N220短线圈请计算两线圈互感线圈1电流变化率10As线圈2感应电动势少？
图53
答：
9图54示气隙型电感传感器衔铁断面积气隙总长度衔铁位移激励线圈匝数匝激励电源频率时忽略漏磁铁损求计算：
(1)线圈电感值
(2)电感变化量
(3)线圈存分布电容联等效电感值变化？
图54
解：(1)图54知气隙型电感计算公式
(2)衔铁位移时分计算电感值
电感值
衔铁位移变化时相应电感变化量
(3)线圈存分布电容时引起电感变化式计算
结果说明分布电容存等效电感值增
10试推导图55示差动型电感传感器电桥输出特性已知电源角频率Z1Z2传感器两线圈阻抗零位时Z1Z2变间隙式传感器接入该电桥求灵敏度表达式(题效值表示)
图55
答：
11简单介绍涡流效应作原理？电涡流传感器优点？
答：金属导体置交变磁场中导体会产生感应电流种电流导体闭合称电涡流种现象称涡流效应
图56示金属导体置线圈附线圈中通交变电流时线圈周围空间产生交变磁场处交变磁场中金属导体会产生涡流涡流产生新交变磁场方方相反削弱原磁场导致线圈电感量阻抗品质数发生变化
图56涡流作原理
电涡流式传感器具结构简单灵敏度较高测量范围抗干扰力强易进行非接触连续测量等优点广泛应
12简述电涡流传感器应位移测量时工作原理
答：电涡流式传感器测量种形式位移量图57示汽轮机轴轴位移测量示意图联轴器安装汽轮机轴高频反射式电涡流传感器置联轴器附汽轮机轴轴存位移时传感器线圈联轴器(金属导体)距离发生变化引起线圈阻抗变化传感器输出发生改变根传感器输出测汽轮机轴轴位移量
(a)汽轮机轴轴位移测量示意图(b)磨床换阀先导阀位移测量示意图
(c)金属试件热膨胀系数测量示意图
图57汽轮机轴轴位移测量
13什压磁效应？利压磁效应做成压磁式传感器优点什？
答：磁致伸缩材料外力(应力应变)作引起部发生形变产生应力磁畴间界限发生移动磁畴磁化强度矢量转动材料磁化强度磁导率发生相应变化种应力磁性材料磁性质变化现象称压磁效应称逆磁致伸缩效应
压磁式传感器具结构简单线性输出功率抗干扰力强寿命长维护方便适恶劣工作环境等优点广泛应冶金矿山印刷造纸运输等行业
14铁氧体环形磁芯均长度12cm截面积15cm2均相磁导率求
(1)均匀绕线500匝时电感
(2)匝数增加1倍时电感
解： 线圈绕种圆环形磁芯时电感计算式
式中 ——磁导率磁性材料说
N——线圈匝数
Sl——分磁芯截面积磁路长度
(1)N500时电感
(2)条件变时电感匝数方成正例式求出
见线圈匝数增加1倍电感增加4倍
第6章 磁电式传感器
1什磁电感应式传感器优点什？
答：磁电感应式传感器利导体磁场发生相远动导体两端输出感应电动势简称感应式传感器称电动式传感器种机电量变换型传感器具需供电电源电路简单性稳定输出阻抗等优点适合振动转速扭矩等测量
2相运动式磁电感应传感器磁阻式磁电感应传感器区什？磁阻式优缺点什？
答：相运动式磁电感应传感器闭合线圈围成面积变化引起通线圈磁通量变化线圈产生感应电动势磁阻式磁电感应传感器线圈处磁感应强度发生变化引起通线圈磁通量变化线圈产生感应电动势两种传感器区相运动式磁电感应传感器圈磁场相运动磁阻式没
磁阻式磁电感应传感器工作时测转速太低时输出感应电动势太致法测量种传感器限工作频率般50Hz限达100kHz
3简述磁电式振动传感器工作原理
答：图61示磁电感应式振动传感器结构原理图永久磁铁2圆筒形导磁材料制成外壳6固定起形成磁路系统壳体起屏蔽作工作线圈3圆环形阻尼器7心轴5连起组成质量块圆形弹簧片18支承壳体时传感器固定测振动体永久磁铁铝架壳体起测体振动质量块定质量产生惯性力弹簧片非常柔软振动频率远传感器固频率时线圈磁路系统环形气隙中相永久磁铁运动振动体振动速度切割磁力线产生感应电动势通引线4接测量电路该感应电势速度成正微分分电路测量振动位移加速度
18圆形弹簧片 2圆环形阻尼器 3永久磁铁
4铝架 5心轴 6工作线圈 7壳体 9引线
图61磁电感应式振动传感器
4试证明类似图62示角速度测量传感器磁感应强度Bd磁场中旋转N匝线圈产生感应电动势表示式
式中 A——线圈面积（长l×款b）
——线圈角速度
——测量线圈相图67示位置角度
图62
证明：
5螺线圈产生磁感应强度B（Wbm2）表示
B1257×107NIL
中N线圈匝数I电流（A）L螺线圈长度（m）图63示环形磁铁B01Wbm2螺线圈2000匝导线均匀绕满10mm直径钢环半求需电流I计算单位长度导线1ms速度通磁铁间隙时会产生感应电动势？
图63
答：
L12d30×103 m
B1257×107NIL B01Wbm2 N2000
6简述霍尔元件原理出霍尔元件符号图
答：电流垂直外磁场方通导体半导体薄片时薄片垂直电流磁场方两侧表面间产生电位差现象称霍尔效应产生电位差称作霍尔电势图64示运动载流子受磁场作力洛仑兹力薄片两侧分形成电子正电荷积累导致
图64霍尔效应原理图
图65 霍尔元件符号
7霍尔元件等位电势产生原什？
答：①霍尔电极安装位置称等电位面图66a)示
②半导体材料均匀造成电阻率均匀尺寸均匀等位面倾斜图66b)示
③激励电极接触良造成激励电流均匀分布等
a)两电极点等位面 b)等位面歪斜
图66等位电势产生示意图
8霍尔元件误差补偿种？产生误差原分什？提出补偿方式
答：(1)等位电势误差补偿
等位电势零位误差中种霍尔电势具相数量级时甚超霍尔电势图67示霍尔元件等效四臂电桥等电势相电桥初始衡输出电压
图 67霍尔元件等效电路
图68出种常等位电势补偿电路中称补偿电路简单称补偿温度稳定性
图 68等位电势补偿电路
(2)霍尔元件温度误差补偿
霍尔元件半导体材料制成性参数温度敏感温度函数温度变化时霍尔元件电阻率迁移率载流子浓度输入输出电阻霍尔系数等会发生变化致霍尔电动势变化产生温度误差减温度误差选温度系数较材料砷化铟外采适补偿电路
数霍尔元件温度系数正温度升高霍尔电势增具正温度系数霍尔元件采输入回路中联电阻办法补偿温度误差图69示
图 69 恒流源温度补偿电路
9测量某霍尔元件灵敏度系数kH构成图610示实验线路现施加B01T外磁场方图示调节RpIC50mA测输出电压UH25mV（设表头阻∞）试求该霍尔元件灵敏度系数
图610
答：
10试推导图611示霍尔元件HAHB组成刷直流测速发电机输出电动势E方程式
解 知道磁感应强度B霍尔元件法线致时霍尔传感器霍尔电压式中kR灵敏度系数认IB味恒稳电流磁感应强度
图 611
图611(a)示测速发电机结构中测速电机转子转速ω转动时穿霍尔元件磁感应强度B流电流Iω关两霍尔元件图611(b)示线路连接总输出电动势E两者
设穿霍尔元件HA绕组A磁感应强度均正弦变化：HA位置超前绕组Aπ2弧度作绕组A磁感应强度B
式中Bm——磁感应强度
写出绕组A中速度电动势EAν
HA中电流IA写成
HA输出电动势EA
式中 ——例常数相积
理写出HB输出电动势EB
测速发电机总输出电动势E两霍尔元件输出电动势
式中
第7章 热电式传感器
1热电偶测温基原理什？利种电势变化？
答：基原理热电效应
两种材料导体AB串接成闭合回路图71示果两接合点处温度()两导体间产生热电势回路中定电流种现象称热电效应
图71 热电效应
利热电动势变化热电动势两种导体接触电动势单导体温差电动势组成
2简述中间导体定律
答：图72示AB结点温度T余结点温度>时回路中总热电动势
(71)
情况回路中总电动势零
(72)
式代入(71)中
(73)
出结：热电偶回路中接入第三种材料导线两端温度相等第三导线引入会影响热电偶热电动势规律称中间导体定律根定律第三导线换成测试仪表连接导线保持两结点温度相热电动势进行测量影响原热电动势数值
图72 具第三导体热电偶回路
3试述热电偶冷端进行温度补偿常方法进行温度补偿？
答：(1)补偿导线法
实际测温时 需热电偶输出电势信号传输远离现场数十米控制室里显示仪表控制仪表 样参考端温度t0较稳定热电偶般做较短 需导线热电偶冷端延伸出工程中采种补偿导线 通常两种性质廉价金属导线制成 0~100℃温度范围 求补偿导线配热电偶具相热电特性
(2)参考端0℃恒温法
实验室精密测量中 通常参考端放入装满冰水混合物容器中 便参考端温度保持0℃ 种方法称冰浴法
图73 冰浴法接线原理
(3)电位补偿法
电位补偿法热电偶回路中串入动补偿电动势图74示桥供电端ac通调电阻接直流电源E：桥臂锰铜绕组电阻阻值视温度变化固定电阻阻值温度剧烈变化测温热电阻测量冷端温度补偿导线连接测温系统中热偶冷端温度
图74电位补偿法原理
4热电阻传感器优点热电阻材料必须具特点
答：热电阻传感器优点：(1)测量精度高(2)较测量范围尤低温方面(3)易动测量远距离测量中
作测量温度热电阻材料必须具特点：(1)高稳定温度系数电阻率便提高灵敏度保证测量精度(2)良输出特性电阻温度变化接线性关系(3)范围化学物理性应保持稳定(4)良工艺性便批量生产降低成
5试述半导体负温度系数热敏电阻特性
答：图75负温度系数热敏电阻电阻温度特性曲线验公式描述：
(74)
式中 ——温度T时电阻值
A——材料尺寸关常数
B——热敏电阻常数
图75 热敏电阻特性曲线 图76热敏电阻伏安特性
已知时电阻通公式求取AB值
(75)
(76)
图76示出热敏电阻伏安特性曲线图见流热敏电阻电流较时曲线呈直线状服欧姆定律电流增加时热敏电阻身温度明显增加负温度系数关系阻值降电压升速度减慢出现非线性电流速度增加时热敏电阻身温度升更快阻值幅度降出现电压电流增长降现象
6支铬镍—康铜热电偶电压表相连电压表接线端50电位计读数60mV问热电偶热端温度少？该热电偶灵敏度008mV
答：通常温度变化转换电量变化装置称热电式传感器中热电偶热电阻应热电偶优点尺寸测量局部位置温度测量100~1300范围温度热电偶直接输出电压般mV级
题意温度50时热电偶输出500084mV参考温度0基础时热电偶输出等60+464mV热电偶热端温度50+
7铬镍——康镍热电偶灵敏度004mV放温度1200处指示表作冷端处温度50试求热电势
答：题意热电偶两端温差1200501150热端电势115000446mV冷端电势500042mV输出热电势46mV2mV44mV
8铂电阻温度计100时电阻值139热气体接触时电阻值增281试确定气体温度设0时电阻值100
答：种金属做成电阻温度计限600低温测量时均满足准确度高长时间稳定性求金属电阻温度关系0附时表示
式中 ——材料电阻温度系数
——0时电阻值
——相0时温度
常见金属电阻温度系数：铜00043镍0006800039假设温度变化
题意已知铂00039已知数代入式
第8章 光电式传感器
1光电式传感器部分组成？分简单介绍组成部分
答：光电式传感器组成框图图81示般辐射源光学通路光电器件三部分组成
图81光电式传感器组成框图
光源光电传感器组成部分数光电传感器离开光源光电式传感器光源选择考虑素例波长谱分布相干性体积造价功率等常光源分四类：热辐射光源气体放电光源激光器电致发光器件
光学通路定光学元件光学定律原理构成种样光路常光学元件种反射镜透镜
光电器件作光信号变换电信号作原理基物质光电效应
2光电效应分种？简述产生原应光电元件？简述特点
答：(1)光电效应分外光电效应光电效应中光电效应工作原理分两种：光电导效应光生伏特效应
(2)外光电效应产生原光线射某物体电子物体表面逸出光电效应产生原物体受光部原子释放出电子逸出物体表面留部物体电阻率发生变化产生光电动势现象前者称光电导效应者称光生伏特效应
(3)基外光电效应光电器件属光电发射型器件光电光电倍增等基光电导效应光电器件光敏电阻(光电导型)光敏二极光敏三极(光电导结型)基光生伏特效应光电器件光电池
(4)光电灵敏度较低光电倍增具高灵敏度光敏电阻称光导灵敏度高体积重量轻光谱响应范围宽机械强度高耐击振动寿命长光敏电阻纯电阻器件时需外部电源电流流时会产生发热问题光敏二极光敏晶体体积需偏置电压十伏光敏二极宽带宽雪崩光敏二极性光电倍增相媲美般光敏晶体光电流具相效面积光敏二极光电流十百倍响应速度较二极差带宽较窄作种高电流响应器件应十分广泛光电池光线作实质电源硅太阳电池量转换器件相具轻便简单会产生气体热污染易适应环境转换效率高宜铺设电缆方采尤适宇宙飞行器种仪表提供电源
3试述光敏电阻温度特性
答：光敏电阻半导体器件样特性受温度影响较温度升高光敏电阻暗电流灵敏度降光谱效应峰值左移动等采控温方法调节灵敏度接受某频段光信号
4试较光电二极光电三极光谱特性频响特性
答：定光功率光电灵敏度光频率间关系称光谱特性光电二极光电三极入射光频率(波长)决定光生载流子产生否极量图82示光电晶体光谱特性锗光电晶体响应频段约500~1700nm波长范围灵敏峰1400nm附硅光电晶体响应频段400~1000nm波长范围灵敏峰出现800nm附
图82光电二极光电三极光谱特性
指光电流(相灵敏度)光调制频率关系典型曲线图83示般说光电三极频响光电二极光电三极中锗频率响应硅数量级负载电阻频响影响减负载电阻提高频响输出光电压信号减
图83光电二极光电三极频响特性
5半导体光电元件做测量元件时采种光电元件？采波长8000~9000(101nm)红外光源时宜采种光电元件作测量元件？什？
答：半导体光电元件做测量元件时采光敏电阻光敏晶体光电池采波长8000~9000(101nm)红外光源时宜采硅光敏晶体硅光电池响应区段覆盖8000~9000波长范围灵敏度峰值8000左右
6假设某种材料逸出功336V种材料红限少？
答：红限波长式表示：
式中h——普朗克常数h
c——光速
7激光形成必备条件简述激光特性
答：激光形成必须具备3条件：
①具够提供量激励源
②具提供反复进行受激辐射场光学谐振腔
③具形成粒子数反转增益介质
三者结合体装置激光器
普通光相激光具特点：
①方性强亮度高激光具高行度发散角般约018˚普通光微波2~3数量级激光光束Km外扩展cm立体角极般103rad量高度集中亮度高普通光源高百万倍
②单色性光源发射光光谱范围越窄光单色性愈激光频率范围窄普通光频范围110单色光
③相干性光相干性指两光束相遇时相遇区域发出波相叠加形成清晰干涉图样接收稳定拍频信号光源相干时间τ时刻发出光路程相遇时产生干涉种相干性称时间相干性时刻空间点发出光相干性称空间相干性激光受激辐射形成发光中心发出光波传播方振动方频率相位均完全致激光具良时间空间相干性
8光电式传感器分类？分介绍种类型作原理
答：光电式传感器检测控制中应非常广泛基分模拟式传感器脉式传感器两类
答：模拟式光电传感器作原理基光电器件光电流光通量发生变化光通量意选定值应光电流确定值光通量测非电量变化变化样光电流成测非电量函数类传感器测量位移表面光洁度振动等参数
脉式光电传感器作原理光电器件输出仅两稳定状态通断开关状态光电器件受光时电信号输出光电器件受光时电信号输出类光电传感器作继电器脉发生器应测量线位移线速度角位移角速度(转速)光电脉传感器等
9简述CCD图传感器基结构说明部分工作原理
答：CCD电荷耦合器件利CCD作转换器件传感器称CCD传感器(称CCD图传感器)CCD基组成部分MOS光敏单元阵列读出移位寄存器
半导体工作原理知金属电极施加正电压时电场作电极面P型硅区域里空穴赶形成耗区说带负电电子言耗区势低区域称势阱果时光线入射半导体硅片光子作半导体硅片形成电子空穴产生光生电子附势阱吸收(称俘获)时产生空穴电场排斥出耗区时势阱吸收光生电子数量入射势阱附光强成正称样MOS结构元MOS光敏元称素势阱收集干光生电荷称电荷包
读出移位寄存器电荷传输程图84示时时半导体硅片势阱分布形状图(a)示极形成势阱时时半导体硅片势阱分布图(b)示极势阱变浅极势阱变深极没势阱根势原理原先极电荷逐渐极转移时图(c)示极电荷极转移完毕时图(d)示极电荷极转移类推直进行电荷转移
图84 电荷传输程
10说明光栅莫尔条纹形成原理特性
答：(1)莫尔条纹两块光栅叠合形成明暗相间条纹两光栅栅线透光部分透光部分叠加光线透透光部分形成亮带光栅透光部分光栅透光部分叠加互相遮挡光线透形成暗带
(2)莫尔条纹重特性：
①运动应特性莫尔条纹光栅尺移动移动间严格应关系两光栅刻线垂直方相运动时莫尔条纹夹角分线方移动移动方两光栅相位移方改变改变光栅移动栅距W莫尔条纹相应移动间距B
②位移放特性式(85)知莫尔条纹间距放光栅栅距W着光栅刻线夹角改变越B越相微栅距扩倍
③误差均效应特性莫尔条纹光栅量栅线形成光栅刻线误差均作程度消栅线局部缺陷短周期误差影响
12简述光纤结构特点分类
答：光纤石英玻璃塑料等光透射率高电介质制作极细纤维光纤纤芯包层组成纤芯折射率包层折射率红外线见光波长范围传输损耗非常种极理想光传输线路具较体积重量带电防爆身具电离辐射免疫力抗线电干扰容易安装性数传输保密安全等特点
光纤传输模式分单模光纤模光纤单模光纤直径2~8微米传输种模式光基模模光纤直径十千微米传输种模式光基模阶次模
纤芯折射率分布分阶跃型梯度型阶跃型光纤纤芯折射率固定变梯度型光纤纤芯折射率似方分布
12试述光纤传感器组成分类
答：光纤传感器般三部分组成光纤外必须光源光探测器两重部件图85示
图85光纤传感器组成分类
光纤传感器般分传光型功性两类：传光型光纤传感器利已敏感材料作敏感元件图845示样利现优质敏感元件提高光纤传感器灵敏度功型光纤传感器利外界信息具敏感力检测功光纤(特殊光纤)作传感元件传感合体传感器
13谓子午光线？子午光线条件数值孔径定义？ 说明光纤数值孔径物理意义
答：子午光线光线传播路径始终包含光纤轴线面子午光线条件数值孔径NA表示：
表示入射光折射率外部介质进入光纤时入射角光光纤中传播否光线会包层中逸出产生漏光NA值越说明光源光纤耦合效率越高
14试计算阶跃折射率光纤数值孔径值少？果外部媒质空气求该种光纤入射角少？
解：根光纤数值孔径NA定义入射界角正弦
(中)
该种光纤入射角入射光线必须该光线轴线夹角时传
15利斯尔定理推导出界角表达式已知水折射率金刚石折射率玻璃折射率分求界角较
(a) (b)
图86
解：斯尔定理指出：光光密物质(折射率)射光疏物质(折射率)折射角入射角图86(a)示符合式
式说明变增增图86(b)示时定义界入射角
界角时发生全反射
光线水射空气时
光线玻璃射空气时
光线金刚石射空气时
较三结果出金刚石界角光线金刚石产生全反射概率较知金刚石切片闪光现象全反射引起
16已知空气中行进光线玻璃板表面成角入射玻璃板光束部分发生反射部分发生折射折射光束反射光束成角求种玻璃折射率？种玻璃界角？
图87
解：根已知条件图87示情况入射角折射角
设空气折射率玻璃折射率根斯尔定理知
时玻璃界角
17什采光纤调制器？调制采种机理分介绍
答：利光纤传感器工作原理核心利光纤种效应实现外界测参数传感功光纤传感器核心光外界输入参数调制研究光纤传感器调制器研究光调制器外界测参数相互作外界信号引起光某特性(强度波长频率相位偏振态等)变化构成强度波长频率相位偏振态等调制
1强度调制
利测量作改变光纤中光强度通光强变化测量测量称强度调制
2．频率调制
利外界作改变光纤中光波长频率通检测光纤中光波长频率变化测量种物理量两种调制方式分称波长调制频率调制
3．偏振调制
果然光传播程中受外界作振动方强度等某方振动方占优势种光称部分偏振光果外界作然光振动方种现象称起偏（形成完全偏振光）利光波偏振性质制成光纤偏振调制传感器光纤传感器中偏振调制器常电光磁光光弹等物理效应进行调制
4 相位调制
(1) 萨古纳克效应(Sagnac)
光源光路两束传播光相位差光路系统旋转角速度成正萨古纳克效应(Sagnac)
(2) 磁致伸缩效应电致伸缩效应
某铁磁体合金某铁氧体外磁场作产生机械变形现象称磁致伸缩效应电介质极化方施加电场某电介质定方产生机械变形机械应力外电场掉变形应力消失现象称电致伸缩效应利磁致伸缩效应电致伸缩效应光纤发生变形改变光纤中光相位
第9章 波传感器
1简述声波基概念
答：声波振动紧密相关机械振动常常引起声辐射物体振动时激励着周围空气质点振动空气具惯性弹性空气质点相互作振动物体四周空气交产生压缩膨胀逐渐外传播形成声波
2声波波形种？分种波形做简单介绍
答：①波：质点振动方传播方致波称波空气液体固体中传播
②横波：质点振动方垂直传播方波称横波固体中传播
③表面波：固体介质表面受交变化表面张力介质表面质点发生相应振动横振动两种振动合成作表面质点绕衡位置作椭圆振动椭圆振动作相介质表面传播振幅着深度增加迅速衰减种声波称表面波称瑞利波表面波固体表面传播
3声波衰减取决什？做简单介绍
答：声波量衰减决定声波扩散散射吸收理想介质中声波衰减仅仅声波扩散着声波传播距离增加单位面积声会减弱散射衰减指声波固体介质中颗粒界面散射流体介质中悬浮粒子散射声波吸收介质导热性粘滞性弹性滞等素造成介质吸收声转换热吸收声波频率升高增高衰减系数ξ介质材料性质异显然颗粒越粗频率越高衰减愈衰减系数会限制探测厚度
4简述电阻变换型声敏传感器工作原理
转换原理类传感器分接触阻抗型阻抗变换型两种接触阻抗型声敏传感器典型实例碳粒式送话器工作原理图图91示声波空气传播膜片时膜片产生振动膜片电极间碳粒接触电阻发生变化调制通送话器电流该电流变压器耦合放器放输出阻抗变换型声敏传感器电阻丝应变片半导体应变片粘贴膜片构成声压作膜片时膜片产生形变应变片阻抗发生变化检测电路种变化转换电压信号输出完成声电转换
图91碳粒式送话器工作原理图
5什水声换器？水声观测中工作原理
利声波海水中进行观察通讯设备做水声换设备显然种观通设备必须产生发射接收声波器件器件水声换器
水声换器电子设备水信号声场间相互联系纽带实际水声观测设备中换器线电雷达天线样起着耳目作处换器发射接收声信号天线发射接收电磁波信号
水声换器工作发射状态时务电振荡转换机械系统振动推动水介质外辐射声量水声换器工作接收状态时务发射状态时相反先水介质中声信号通机械振动系统耦合电路中变成电信号然电信号送接收指示设备
6简单介绍SAW基原理优点
答：SAW传感器基原理压电材料表面形成叉指换器构成SAW振荡器谐振器适设计SAW振荡器谐振器微细测量敏感般测量作SAW传播路径引起SAW传播速度发生变化振荡频率发生变化通频率变化检测测量SAW传感器优点：
(1) 高精度高灵敏度
(2) 结构工艺性便批量生产
(3) 体积质量功耗低易集成
(4) 微处理器相连接口简单
7 简述SAW压力传感器工作原理
答：SAW压力传感器通常采周边固定石英膜片敏感元件图92示SAW压力传感器结构原理图
图92 SAW压力传感器原理结构图
外界压力加石英膜片时膜片部点应力发生变化膜片弹性常数密度应力变化变化SAW传播速度弹性常数密度函数SAW速度发生变化时膜片受力产生形变导致SAW谐振器结构尺寸变化造成SAW波长等性参数改变SAW速度SAW器件结构尺寸变化终导致SAW谐振器中心频率偏移振荡器振荡频率发生改变通测量SAW输出频率偏移知压力
8简单介绍超声波传感器分类原理
答：超声波传感器发生器接收器两部分组成超声波传感器工作原理分电致伸缩式磁致伸缩式电磁式等
(1)电致伸缩式超声波传感器
电致伸缩式超声波传感器利电致伸缩效应压电效应工作称压电式超声波传感器压电式超声波探头
压电式超声波发生器利逆压电效应工作压电材料切片施加交变电压产生电致伸缩振动产生超声波
压电式超声波接收器利正压电效应工作超声波作压电晶片时晶片伸缩晶片两界面产生交变电荷接收器结构发生器基相时套装置兼作发生器接收器两种途
(2)磁致伸缩式超声波传感器
某铁磁物质外磁场作产生机械变形现象做磁致伸缩效应磁致伸缩效应强弱伸长缩短程度铁磁物质磁致伸缩材料外力作磁化强度磁导率发生相应变化现象做逆磁致伸缩效应
磁致伸缩式超声波发生器利磁致伸缩效应工作铁磁材料置交变磁场中会产生机械尺寸交变化机械振动产生超声波磁致伸缩式超声波接收器利逆磁致伸缩效应工作超声波作磁致伸缩材料时引起导磁特性发生变化电磁感应磁致伸缩材料绕线圈里产生感应电动势
9简单介绍微波传感器工作原理
答：微波作种电磁波具波粒二象性微波基性质通常呈现穿透反射吸收三特性玻璃塑料瓷器微波穿越吸收水食物等会吸收微波身发热金属类东西会反射微波微波传感器正利微波特性检测某物理量发射天线发出微波遇测物时吸收反射功率发生变化利接收天线接收通测物测物反射回微波转换成电信号实现微波检测程
10简述微波液位仪工作原理
答：微波液位仪原理图93示相距S发射天线接收天线相互成定角度波长微波信号测液面反射进入接收天线接收天线接收微波功率着测液面高低异
图93微波液位仪
第10章 化学量传感器
1化学传感器基定义分类
答：种化学物质(电解质化合物分子离子等)状态（变化）定性（定量）转化成电信号输出装置做化学传感器
化学量传感器传感器敏感象特性分成气体传感器湿度传感器离子传感器等
2简单介绍烧结型直热式器件烧结型旁热式器件制作工艺特点
答：烧结型直热式制作方法直接起电极加热作合金线圈埋入制成泥状混合均匀气敏氧化物材料中成型定温度进行烧结成种器件特点：加热温度较低般200~300℃加热功率缺点元件参数离散性互换性差种结构正逐渐淘汰
烧结型旁热式气敏元件制作方法气敏粉体材料少量胶黏剂充分研磨混合均匀调成浆状然涂覆制电极引出电极引脚瓷500~800℃烧结成特点元件热稳定性较直热式气敏元件相具较离散性缺点工艺较复杂机械化程度低易批量生产
3 简述制备硅基微结构薄膜型气敏传感器工艺流程
答：(1)低压化学气相沉积法(LPCVD)硅晶片正反两面沉积定厚度Si3N4层该层应力介电层正表面作制作电极图形反面作刻蚀时钝化层(2)硅晶片正面直流溅射法射频磁控溅射法沉积定厚度Ti层Pt层PtTi双层膜550℃退火处理30分钟(3)反应离子刻蚀工艺者方法硅晶片背面Si3N4层刻蚀掉刻蚀硅晶片背面开窗口第掩膜(4)变(liftoff)工艺双边准直技术制作图形电极加热器PtTi双层膜形成电极电阻加热器第二掩膜(5)通某种沉积薄膜工艺金属氧化物气敏薄膜层沉积电极进行适热处理(6)该气敏薄膜层进行选择性刻蚀气敏薄膜层电极加热元件垫片保持接触第三掩膜(7)KOH溶液相关溶液采异性刻蚀法硅晶片背面刻蚀掉部分形成定厚度正方形横隔膜实现低功耗位加热
4什燃烧式气体传感器？简述制作工艺
答：燃烧式气体传感器基催化燃烧效应工作强催化剂气体表面燃烧时产生热量传感器中贵金属电极温度升引起电阻变化根电阻变化实现气体浓度检测
高纯铂丝绕制成线圈线圈具适阻值(1 ~2)般应该绕10圈线圈外面涂氧化铝氧化铝氧化硅组成膏状涂覆层干燥定温度烧结成球状孔体烧结球放贵金属铂钯等盐溶液中充分浸渍取出烘干然高温热处理氧化铝(氧化铝氧化硅)载体形成贵金属触媒层组装成气体敏感元件
5什电化学气体传感器？简单说明特征
答：气体存PtAu等贵金属电极较电极电解质(固态液态)组成电池中时气体会电解质发生反应电极表面发生氧化原反应两电极间电流电压输出利类特性检测气体成分浓度传感器统称电化学气体传感器
电化学气体传感器特征结构通常电池系统类似电解质电解质溶液(包括水溶液非水电解质溶液固态化电解质凝胶)固体电解质
6简述气体鉴报警控制电路工作原理（电路图图101示）
图101气体鉴报警控制电路图
答：图101出气体鉴报警控制电路图方面鉴实验中害气体产生鉴液体否挥发性方面动控制排风扇排气室空气清新MQS2B旁热式烟雾害气体传感器害气体时阻值较高(10KΩ左右)害气体烟雾进入时阻值急剧降AB两端电压降B电压升高电阻R1RP分压R2限流加开关集成电路TWH8778选通端脚脚电压达预定值时(调节调电阻RP改变5脚电压预定值)12两脚导通+12V电压加继电器通电触点J11吸合合排风扇电源开关动排风时2脚+12V电压R4限流稳压二极VZ1稳压供微音器HTD电压发出滴滴声发光二极发出红光实现声光报警功
7湿度传感器定义特点
答：湿度传感器利湿度敏感材料吸附效应直接吸附气中水分子材料电学特性等物理性质发生变化监测湿度变化
理想湿度传感器应具测量精度高响应速度快温度系数量程宽测量范围广稳定性耐水性抗污染力强价格低廉等特点
8 简单介绍类电阻型高分子湿度传感器感湿原理
答：高分子电阻湿度传感器分两类：
① 电子导电型高分子电子导电型湿度传感器称涨缩型湿度传感器通导电体粉末(金属石墨等)掺入膨胀吸湿高分子中制湿敏膜湿度变化石墨发生膨胀收缩导电粉末间距变化电阻改变
② 离子导电型该类湿度传感器感湿原理：高分子湿敏膜吸湿水分子作粒子相互作减弱迁移率增加时吸附水分子电离离子载体增膜电导湿度增加增加
9 陶瓷湿度传感器感湿机理？
答：陶瓷湿度传感器利陶瓷湿度材料烧结制备时形成孔结构吸附凝聚水分子作导电通路改变陶瓷身电导率电容量利孔结构陶瓷电导率电容率外界湿度变化特点制成湿度传感器陶瓷湿度敏感材料感湿特性体分电阻型电容型阻抗型等
10 简述高湿度显示仪工作原理（电路图图102示）
图102高湿度显示仪电路
答：图102高湿度显示仪电路环境相湿度高时做出显示告知应采取排湿措施湿度传感器采SMOLA型湿敏电阻环境相湿度(20~90)RH变化时电阻值102~104范围改变防止湿敏电阻产生极化现象采变压器降压供检测电路9V交流电压湿敏电阻RH电阻R1串联接两端环境湿度增时RH阻值减电阻R1两端电压会升高电压D1整流加T1T2组成施密特电路中T1导通T2截止T3导通发光二极D4发光
高湿度显示仪电路应蔬菜棚粮棉仓库花卉温室医院等湿度求较严格场合
11 什离子选择性电极？离子选择性电极基分析原理什？
答：离子选择性电极ISE (Ion Selective Electrode)类利膜电势测定溶液中离子活度浓度电化学传感器含测离子溶液接触时敏感膜溶液相界面产生该离子活度直接关膜电势
离子选择性电极分析基原理利膜电势进行测定膜电势种相间电势两相接触发生带电粒子转移达衡两相间产生电势差
第11章 MEMS传感器
1什MEMS？
答：MEMS(Micro Electric Mechanical System MEMS)微电子机械系统广义讲MEMS指集微型传感器微型执行器信号处理控制电路甚接口电路通信电源体微型机电系统
2微传感器含义优点
答：(1) 微传感器含义：
①微传感器单敏感元件类传感器显著特点尺寸(敏感元件尺寸毫米级微米级甚达纳米级)
②微传感器集成传感器类传感器微敏感元件信号处理器数处理装置封装块芯片形成集成传感器
③微传感器微型测控系统种系统中包括微传感器包括微执行器独立工作外微传感器组成传感器网络者通网络实现异联网
(2) 微传感器优点包括：
① 体积重量轻
② 耗低
③ 性
④ 易批量生产成低
⑤ 便集成化功化
⑥ 提高传感器智化水
3简单介绍MEMS传感器项加工技术
答：(1)体微加工技术
体微加工技术指利蚀刻工艺块状硅进行准三维结构微加工包括蚀刻停止蚀刻两项关键技术
(2)表面微加工技术
表面微加工技术般采光刻等手段硅片等表面淀积生长成层薄膜分具定图形然某需薄膜层形成三维结构
(3)键合技术
固相键合技术液态粘结剂两块固体材料键合起键合程中材料始终处固相状态
(4)光刻电铸注塑技术
光刻电铸注塑技术(LIGA) 种基X射线光刻技术MEMS加工技术LIGA德文LithographieGalanoformungAbformung三词光刻电铸注塑缩写包括X光深度步辐射光刻电铸制模注模复制三工艺步骤
4什热电堆？简述工作原理
答：热电堆热电偶串联起构成种温度传感器红外光探测器热电堆输出电压（输出温差电动势）热电偶输出电压
作光电探测器时热电堆工作机理量子光电探测器种热光电探测器结构热电偶端表面涂黑色薄膜量吸收光产生热量端（参考极）罩住光时涂层反射薄膜吸收光保持环境温度然通测量热电堆温差电动势检测出红外光等辐射提高灵敏度响应速度热电堆光电探测器采薄膜制作外热电堆光电探测器通常放置真空中者惰性气体中
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