传感器总结

1.7 什么是传感器的静态特性？它有哪些性能指标？如何用公式表征这些性能指标？

答：传感器的静态特性是指被测量的值处于稳定状态时传感器的输出与输入的关系，

指标：线性度，灵敏度，迟滞，重复性等。

1.8什么是传感器的动态特性？其分析方法有哪几种？

答：传感器的动态特性是指传感器的输出对随时间变化的输入量的响应特性，反映输出值真实再现变化量的输入量的能力。可以从时域和频域两个方面，采用瞬态响应法和频率响应法分析。

2.2金属电阻应变片与半导体应变片的工作原理有何区别？各有何优缺点？

答：金属应变片的工作原理是基于金属的应变效应。半导体应变片的工作原理是基于半导体的压阻效应。半导体应变片的主要优点是灵敏系数比金属电阻应变片的灵敏系数大数十倍，且它的横向效应和机械滞后极小。但半导体应变片的温度稳定性和线性度比金属电阻应变片差得多。

2.5试述应变片温度误差的概念，产生原因和补偿方法？

答：由于测量现场环境温度改变而给测量带来的附加误差，成为应变片的温度误差。

产生原因：电阻温度系数的影响，材料和电阻丝材料的线膨胀系数的影响。

补偿方法：电桥补偿法，应变片的自补偿法，热敏电阻补偿法。

3.1何谓零点残余电压？说明该电压产生的原因以及消除方法。

答：零点残余电压的存在使传感器输出特性在零点附近的范围内不灵敏，限制着分辨率的提高，零点残余电压太大，将使线性度变坏，灵敏度下降，甚至回使放大器饱和阻塞有用信号的通过，致使一起不在反映被测量的变化。

产生原因：（1）由于两个二次测量线圈的等效参数不对称，使其输出的基波感应电动势的幅值和相位不同，调整磁芯位置时，也不能达到幅值和相位同时相同；（2)由于铁心的B-H特性的非线性，产生高次谐波不同，不能互相抵消。

消除方法：（1）在设计和工艺上，力求做到此路对称、线圈对称，铁心材料要均匀，要经过热处理去除机械应力和改善磁性。两个二次侧线圈窗口一致，两线圈绕制要均匀一致。一次侧线圈绕制也要均匀；（2）采用拆圈的试验方法减小残余误差。其思路是，由于两个二次侧线圈的等效参数不相等；（3）在电路上进行补偿。线路补偿主要有：加串联电阻、加并联电容、加反馈电阻或加反馈电容等。

3.2如何改善单极式边极距型电容传感器的非线性？

答：在实际中，为了改善非线性，电容传感器常做成差动形式。

3.3为什么电容式传感器易受干扰？如何减少干扰？

答：电容式传感器的容量受其电极的几何尺寸等限制，一般为几十到几百皮法，使传感器的输出阻抗很高。因此传感器的负载能力差，易受外界干扰影响而产生不稳定现象。

3.11什么是压磁效应？什么是正压磁伸缩，什么是负压磁伸缩？

答：某些铁磁物质在外界机械力的作用下，其内部产生机械应力，从而引起磁导率的改变，这种现象称为压磁效应。

当某种材料受拉时，在受力方向上磁导率升高，而在与作用力相垂直的方向上，磁导率降低，这种现象称为正压磁伸缩。相反，某些材料受拉时，在受力方向上，磁导率降低，而在与作用力相垂直的方向上，磁导率升高，这种现象称为负压磁伸缩。

4.1光电传感器的特点是什么？若采用光电传感器可能测量的物理量有哪些？

答：光电传感器就是以光电器件为检测元件的传感器。电绝缘抗电线位移，线速度，角位移，角速度。

4.3二进制码和循环码各有何特点？

答:二进制：（1）n 位的二进制码盘具有2n 种不同编码，其容量为2n

，其最小分辨率 1θ=360°/2n ，它的最外圈角节距为21θ。

（2）二进制码为有权码，编码C n ，C 1-n ……C 1对应于由零位算起的转角为θ=11112θ-=∑i n

i C （3）码盘转动中，C 1变化时，所有C j （j

循环码：（1）n 位循环码码盘与二进制码一样具有2n

种不同码制，最小分辨率为 1θ=360°/2n 。最内阻为R n 码道，一半透光，一半不透光。其它第i 码道相当于二进制码盘第i+1码道向零位方向转过1θ角，它的最外圈R 1码道的角节距为41θ；（2）循环码码盘具有轴对称性，其最高位相反，而其余各位相同；（3）循环码为无权码；（4）循环码码盘转到相邻区域时，编码中只有一位发生变化，不会产生粗大误差。

4.7说明光导纤维的组成并分析其导光原理，指出光导纤维导光的必要条件是什么？

答：光导纤维是用比头发丝还细的石英玻璃丝制成的，每一根光导纤维由一个圆柱形内芯和包层组成，而且内芯的折射率略大于包层的折射率。真空中光是沿直线传播的，然而入射到纤维中的光栈都能限制在光导纤维中，随光导纤维弯曲而走弯曲的路线，并能传播很远的距离，在光导纤维中，传输信息的载体为光，当光导纤维的直径比光的波长大的多时，可以用几何光学原理，说明光在光纤内的传播。

5.1试述磁电式传感器的基本结构及其工作原理。

答：磁电式传感器由两部分组成，一部分是磁路系统，由它产生恒定直流磁场，为减少传感器的体积，一般采用永久磁铁；另一部分是线圈，有它运动切割磁力线产生感应电动势。另外，还有一些外壳、支撑、阻尼器、接线装置。磁电式传感器以电磁感应原理为基础。根据法拉第电磁感应定律

E=—k dt d φ

,如果线圈是N 匝，磁场强度为B ，每匝线圈平均长度为l a ，线圈相对磁场运动的速度为

v=dx/dt,则整个线圈产生的电动势为E=-N

dt d φ=-NBl a dt

dx =-NBl a v ，可以用来来直接测量速度，如果在传感器的信号调节电路上加一个积分电路或微分电路，就可以用来测量位移或加速度。 5.2试述霍尔效应的定义及霍尔传感器的告你工作原理。

答：半导体薄片至于磁场中，当他的电流方向与磁场方向不一致时，半导体薄片上平行与电流和磁场方向的两个面之间产生电动势，这种现象称为霍尔效应。

工作原理：在垂直与外磁场B 的方向上放置半导体薄片，当半导体薄片流有电流I 时，在半导体薄片前、后两个端面之间产生霍尔电势U H ，霍尔电动势的大小和激励电流I 和磁场的磁感应强度成

正比，与半导体薄片厚度d 成反比，级U H =R H d

IB ,R H 为霍尔常数。 5.7说明单晶体和多晶体压电效应原理，比较石英晶体和压电陶瓷各自的特点。

答：（1）石英晶体是天然的六角形晶体，在直角坐标系中，x 轴平行于它的棱线，称为电轴，通常把沿电轴方向的作用下产生电荷的压电效应称为纵向压电效应；y 轴垂直于它的棱面，称为机械轴，把沿机械轴方向的力作用下产生电荷的压电效应称为横向压电效应；z 轴表示其纵轴，称为光轴，

在光轴方向时，不产生压电效应。

压电陶瓷是人工制造的多晶体，在极化处理以前，各晶粒的电畴按任意方向排列，当陶瓷施加外电场时，电畴由自发极化方向转到与外加电场方向一致，此时，压电陶瓷具有一定极化强度，这种极化强度称为剩余极化强度。由于束缚电荷的作用，在陶瓷片的电极表面上很快就吸附了一层来自外界的自由电荷，正负电荷距离大小因压力变化而变化，这种由机械能转变成电能的现象就是压

电陶瓷的正压电效应，放电电荷的多少与外力的大小成比例关系，Q=d

33

F

（2）石英晶体作为常用的压电传感器具有转换效率和装换精度高，线性范围宽，重复性好，固有频率高，动态特性好，工作温度高达550℃（压电系数不随温度变化而改变），工作湿度高达100％等优点，它的稳定性是其它压电材料无法比拟的，刚刚极化后的压电陶瓷的特性是不稳定的，经过两三个月以后，压电系数才近似保持为一定常数，经过两年以后，压电常数又会下降，所以做成的压电传感器要经常校准，另外，压电陶瓷也存在逆压电效应。

5.9简述压电传感器的特点及应用

答：压电式传感器具有体积小，重量轻，结构简单，工作可靠，动态特性好，静态特性差的特点，该传感器多用于加速度和动态力或压力的测量。

6.4什么是电阻温度计的三线制连接？有何优点？

答：如图所示（背面），G为检流计，R1,R2,R3为固定电阻，Ra为零位调节电阻，热电阻R

t

通过电阻为r1，r2，r3的三根导线与电桥连接，r1和r2分别接在相邻的两桥臂内，当温度变化时，只要他们的长度和电阻温度系数相等，它们的电阻变化就不会影响电桥的状态。电桥在零位调整时，

使用R

3=R

a

+R

0t

，R

0t

为热电阻在参考温度时的电阻值。优点，能够有效的消除由于连接导线电阻

随环境温度变化而造成的测量误差。

6.5简述热电偶的工作原理

答：热电偶传感器是一种将温度变化转换为电势变化的传感器，它由两种不同的金属A和B构成一个闭合回路，当两个接触端温度不同，即T>T0时，回路中会产生热电势E AB(T，T0)，其中，T 称为热端，T0称为冷端，A和B称为热电极。热电势的大小由两种材料的接触电势和单一材料的温差电势所决定。

6.6试用热电偶的基本原理，证明热电偶的中间导体定则

6.7简述热电偶冷端补偿的必要性，常用的冷端补偿有几种方法？并说明补偿原理？p175

答：由热电偶的测温公式可知，热电偶的热电势大小不仅与热端温度有关，而且也与冷端温度有关。只有当冷端温度恒定时，才能通过测量热电势的大小得到热端的温度。当热电偶冷端处在温度波动较大的地方时，必须首先使用补偿导线将冷端延长到一个温度稳定的地方，再考虑将冷端处理为0℃，这就是热电偶的冷端处理和补偿。

补偿导线法：补偿导线在100℃（或200℃）以下的温度范围内，具有与热电偶相同的热电特性，用它连接热电偶可起到延长热电偶冷端的作用。

热电偶冷端温度恒温法：在一个保温瓶里放冰水混合物，1个标准大气压（101.325KPa）的冰和纯水的平衡温度为0℃。在密封的盖子上插上若干支试管，试管的直径应尽量小，并有足够的插入深度。试管底部有少量高度相同的水银或变压器油，若放水银则可把补偿导线与铜导线直接插入试管中的水银里，形成导电通路。不过在水银面上应加少量蒸馏水并用石蜡封结，以防止水银蒸发和溢出。

计算修正法：在实际应用中，热电偶的参比端往往不是0℃，而是环境温度T

1

，这时测量出的回

路热电势要小。因此，必须加上环境温度T

1与冰点T

之间温差所产生的热电势后才能符合热电偶

分度表的要求。根据连接导体和中间温度则有：E=(T，0)=E(T，T

1)+E(T

1

，0)。可用室温计测出环

境温度T

1，从分度表查出E(T

1

，0)的值，然后加上热电偶回路热电势E(T，T

1

)，得到E=(T，0)

的值，反查分度表即可得到准确的被测温度T值。

6.8简述热电偶冷端补偿导线的作用。

答：1、实现冷端迁移。2、降低电路成本

6.9在一测温系统中，用铂铑——铂热电偶测温，当冷端温度为t

=30℃时，在热端温度t时测的热电势E=(t，30℃)=6.63mV，求被测对象的真实温度。

解：查表可得：E=(30，0)=0.173mV，E(t，30℃)=6.63mV，

所以E(T，0)=6.63+0.173=0.803 mV

反查铂铑——铂分度表可得，t=121℃

6.10有哪些非接触式测温方法？请简述其工作原理

答：（1）光学高温计：它是目前工业中应用较广的一种非接触式测温仪表。精密光学高温计用于科学实验中的精密测试；标准光学高温计用于量值的传递。光学高温计可用来测量800℃到3200℃的高温。由于用肉眼进行色度比较，所以测量误差与人的经验有关。光学高温计测量的温度称为亮度温度（T L），被测对象为非黑体时，要通过修正才能得到非黑体的真是温度。

（2）光电高温计：光电高温计是由人工操作来完成亮度平衡工作的，其测量结果带有操作者的主观误差。它不能进行连续测量和记录，当被测温度低于800℃时，光学高温计对亮度无法进行平衡。它采用新型的光电器件自动进行平衡，达到连续测量的目的。

（3）辐射温度计：它是根据全辐射强度定理，即物体的总辐射强度与物体的四次方成正比的关系来测量的。它由辐射感温器和显示仪表两部分组成，可用于400℃到2000℃的高温。辐射高温计测

量的温度称为辐射温度T E.

。被测对象为非黑体时，要通过修正才能得到非黑体的真实温度。

（4）比色温度计：比色温度计是通过测量热辐射体在两个或两个以上波长的光谱辐射亮度之比来测量温度的。其特点是准确度高，响应快，可观察小目标（最小可到2mm）。用比色温度计测得的温度称为比色温度T s，它与物体的真实温度T很接近，一般可以不进行校正。

7.3差压式流量计由哪几部分组成？简述每部分的功能

答：差压式流量计由节流装置、引压导管和差压变送器组成。

节流装置：安装于管道中产生差压，节流件前后的差压与流量成开方关系。

引压导管：将节流装置前后产生的差压传送给差压变送器。

差压变送器：将节流装置前后产生的差压转换为标准电线号（4—20mA）。

7.6：质量流体计可以分为哪几种类型？科里奥利流体计的工作原理？

答：质量流量计可分为两类：一类是直接式，即直接输出质量流量；另一类为间接式或推导式，如应用超声流量计和密度计组合，对它们的输出再进行乘法运算以得出质量流量。

答（1）该流量计是一种直接精密地测量流体质量流量的新颖仪表，以结构主体采用两根并排的U形管，让两根管的回弯部分相向微微振动起来，则两侧的直管会跟着振动，即它们会同时靠拢或同时张开，即两根管的振动是同步的，对称的。科里奥利质量流量计是利用流体在直线运动的同时处于一旋转系中，产生与质量流量成正比的科里奥利原理而制成的一种直接式质量流量仪表。

7.11比较差压流量计，电磁流量计，涡街流量计的优缺点。

答：差压式流量计是一类应用最广泛的流量计,在各类流量仪表中其使用量占居首位。近年来,由于各种新型流量计的问世,它的使用量百分数逐渐下降,但目前仍是最重要的一类流量计。

优点:(1)应用最多的孔板式流量, 计结构牢固,性能稳定可靠,使用寿命长;

(2)应用范围广泛,至今尚无任何一类流量计可与之相比拟;

(3)检测件与变送器、显示仪表分别由不同厂家生产,便于规模经济生产。

缺点:(1)测量精度普遍偏低;(2)范围度窄,一般仅3:1~4:1;

(3)现场安装条件要求高;(4)压损大(指孔板、喷嘴等)。

涡街流量计是属于最年轻的一类流量计,但其发展迅速,目前已成为通用的一类流量计。 优点:(1)结构简单牢固;(2)适用流体种类多;(3)精度较高;(4)范围度宽;(5)压损小。

缺点:(1)不适用于低雷诺数测量;(2)需较长直管段;(3)仪表系数较低(与涡轮流量计相比);(4)仪表在脉动流、多相流中尚缺乏应用经验。

电磁流量计

电磁流量计是根据法拉弟电磁感应定律制成的一种测量导电性液体的仪表。

电磁流量计有一系列优良特性,可以解决其它流量计不易应用的问题,如脏污流、腐蚀流的测量。 优点:(1)测量通道是段光滑直管,不会阻塞,适用于测量含固体颗粒的液固二相流体,如纸浆、泥浆、污水等;(2)不产生流量检测所造成的压力损失,节能效果好;

(3)所测得体积流量实际上不受流体密度、粘度、温度、压力和电导率变化的明显影响;(4)流量范围大,口径范围宽;(5)可应用腐蚀性流体。

缺点:(1)不能测量电导率很低的液体,如石油制品;(2)不能测量气体、蒸汽和含有较大气泡的液体;(3)不能用于较高温度。

7.12：电磁流量计由哪几部分组成以其各部分的功能？

答：电磁流量计由传感器和转换器两部分组成。传感器有一个测量管，测量管上下装有励磁线圈，通过励磁电流后产生磁场穿过测量管，一对电极测量管内壁与液体相接触，引出感应电势，送到转换器。励磁电流则由转换器提供。

8.1简述成分分析仪器的基本组成。

答：包括取样装置，预处理系统，分离系统，检测系统，信号处理系统，显示环节等。

8.2热导池的结构和工作原理是什么？双桥检测电路怎样把热导池电阻丝的信号转换为被测气体含量的信号？

答：实现将混合气体导热系数的变化转换为电阻值变化的部件，称为热导池或检测器。它包括圆柱形腔体（由铜、铝或不锈钢制造）和悬在热导池中央的电阻原件（细长电阻丝）组成。当电阻原件通过电流I 时，电阻从电源吸收的功率将全部转换成热量，即dQ=I 2R 。

双桥检测电路中除了测量电桥Ⅰ外，还增加了参比电桥Ⅱ。在测量电桥Ⅰ中，R 2和R 4是两个密封在测量下限气体的热导池中的电阻丝，而R 1和R 3的电阻值要随着被分析气体的浓度而变化，因此也使测量电桥Ⅰ的输出电压U cd 发生变化。U cd 的极性和U gh 相反，U cd 和U gh 的差值△U 送到放大器中，带动可逆电机，推动滑线电阻R AB 上的滑点C 左右滑动去寻找平衡点，滑线电阻R AB 上面的标尺可以直接刻度被测气体的浓度值。双桥检测由于采用了差动测量方式，可以有效地克服电源电压波动和环境温度变化给测量带来的影响。

8.4磁压式氧量分析仪是怎样把氧浓度转变为电信号的?

答：在不均匀磁场中，氧分子具有瞬时性，朝强磁场方向移动，当不同氧气浓度的两种气体在同一磁场相遇时，它们之间会产生一个压力差，参比气从参比气入口进入，样气从样气入口进入，参比气经过两个参比通道进入样气室，其中一路参比气在磁场区域与样气相遇，由于样气中的氧分子朝磁场方向移动以及左右两个参比通道是想通的，所以与氧气浓度成正比的压力差使得两路参比气在微流量传感器处形成压力气流，安装在微流量传感器处的微流量传感器感知该气流并将其转变为电信号。

8.7气相色谱仪的分析原理和工作流程是什么？

答：在气相色谱分析中，流动相为载气，多数使用N 2，H 2，He 等气体。载气由高压气瓶供给，经干燥净化装置除去杂质和水分，再经过计量、调节仪表使之以稳定的压力和精确的流量先后键入汽化室、色谱柱、检测器，然后放空。被分析试样常用微量注射器打进汽化室，当试样为液体时，要经过汽化室加热使之瞬间汽化，成为气体试样。试样被载气带进色谱柱进行分离，其不同组分将按顺序依次进入检测器（如热导池）。

原理：色谱柱中填充固定相，样品中各组分在固定相和流动相之间的分配情况是不同的。以气—液色谱法为例，在一定温度、压力下，组分在气液两相间分配达到平衡时的质量浓度比称为分配系数，即k i =

mi si ρρ。式中，ρsi 为组分i 在固定相中的质量浓度，ρmi 为组分i 在流动相中的质量浓度。