北林傳感器技術考試概念題

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第一章

• 傳感器在被測量的各個值處于______時，輸出量和輸入量之間的關系稱為______。包括：線性度、靈敏度、遲滞、重複性等。
• 輸出和輸入量的關系，多項式_________________________
• 理想線性關系:______________
• 具有𝑋奇次階項的非線性關系:______________
• 具有𝑋偶次階項的非線性關系:______________
• 具有𝑋奇、偶次階項的非線性關系:______________
• 拟合直線：

使用者手冊聲稱自己是線性關系

• 靜态校準曲線：
  • 用一定精度的校準裝置，對傳感器進行多次測試，即可得到一組__________。将這些散點資料列成表格，再畫出各被測量值（正行程和反行程）對應輸出平均值的連線，即為傳感器的____________。

• 線性度：校準曲線與拟合直線間最大偏差與滿量程（F·S）輸出值的百分比稱為線性度𝛿_𝐿
  • ____是以一定的_____或者理想直線為基準直線算出來的。基準直線不同，所得的線性度也不同。
  • 以_____的_____和_____出值連成的直線為拟合直線。
  • _____拟合直線，拟合精度最高。
• 靈敏度：指到達穩定工作狀态時，____變化量與____變化量之比。由圖可知，校準曲線的斜率就是靜态靈敏度K
  • ____ 的____：其數值等于所對應的____拟合直線的斜率，用𝑑 𝑌∕𝑑 𝑋表示。
• 精密度 δ

  • ________________ 即對某一穩定的對象在短時間内連續測量多次，測量結果的分散程度。 精密度越小，測量越精密。

    （二）______

    描述___________________，即表示有規則偏離真值的程度。正确度越小，所測值與真值的符合程度。

    （三）______

    含有____與______兩者之__的意思，即測量的_________。工程中常用精确度等級表示。

  • 精确度等級（工程中常用）

    在工程中，為了_____，引入精确度等級A概念。等于傳感器的______與_______百分比。

• 遲滞

其_______和_______輸出值間出現偏差。用_______與_______𝑌_(𝐹⋅𝑆)百分比表示。

遲滞反映了傳感器_______和_______上的缺陷。如軸承摩擦、間隙、螺釘松動、元件腐蝕或積塵等。

• 重複性
  • 在相同工作條件下，輸入量按同一方向在全測量範圍内連續____所得特性曲線的____。用各測量值正、反量程____最大值的2-3倍與滿量程𝑌_(𝐹⋅𝑆)百分比

• 零點漂移

  指傳感器_____（或某一輸入值不變）時，____________行讀數，其輸出 _____ 。

• 溫漂

  表示_____時，傳感器輸出值的偏離程度。一般以溫度變化1℃輸出最大偏差與滿量程的百分比來表示。

第二章

• 金屬應變片式傳感器

  金屬應變片式傳感器的核心元件是金屬應變片，将試件的________轉化成________的變化。

優點:

① ________，測量範圍廣；

② 頻率響應特性好；

③ ________，尺寸小，品質輕；

缺點:

① ________ 時存在明顯 ________；

② ________，抗幹擾能力差；

③ 測量僅局限于應變片部位，周圍情況不能表達。

• 金屬絲式應變片 拉長金屬絲，電阻增加還是減小？

  〈一〉應變效應：描述____和__________的關系

  金屬絲長度l，截面積S，電阻率為𝜌，其電阻__________

  • 在材料的彈性範圍内，長度方向伸長時，徑向（橫向）尺寸縮小，關系是______________，𝜇為材料泊松比。
  • 𝐾_𝑆稱為金屬絲的______________
  • 金屬絲, 電阻R變化與軸向應變𝜺之間存在__________。

• 由4個部分組成

  _________：由ф0.015-0.05mm金屬絲繞成栅型, 應變片的應變是栅所在 _________________。

對敏感栅材料的要求：

1. ________________

2. ________________

3. 較大應變靈敏系數，且為常數（穩定性好）；

4. _________，便于造小栅長應變片；

5. 足夠的抗拉強度；

• 靈敏度系數（K）

  當金屬絲做成應變片後，其應變特性，與金屬絲情況不同（即_______________），必須用_______對應變片特性_______。

  _______ ，除膠層傳遞變形的原因，_______ 是重要因素。

• 引起溫度誤差的兩個因素:
  1. ____________________ 。
  2. ____________________ 。
• 測量電路
  1. 當𝑅>>𝛥𝑅_𝑖時， 輸出 _____ 與_____呈_____（近似）；
  2. 若_____兩橋臂應變極性一緻，輸出電壓為兩者之_____；（如1,2）
  3. 若_____兩橋臂應變極性一緻，輸出電壓為兩者之_____；（如1,4）
  4. 利用上述特性可進行_____和_____。
• 應變式傳感器應用

  • 應變片除可檢測應變外，還可測定____，____ ，____ 。

    傳感器有兩部分：一部分是将力、加速度轉變成應變的敏感元件。另一部分是應變片，将應變轉換成電阻的變化。

    （一）柱式力傳感器

    如圖，沿軸向布置一個或幾個應變片𝜀_1 ,圓周方向布置橫向應變片𝜀_2，有𝜀_2=−𝜇𝜀_1 ，構成差動式以補償非軸向載荷分量。

根據《材料力學》可知，軸向應變為： ___________

第三章

電容式傳感器:将____轉換成______的裝置。

• 優點：

  1. __________ ，相對變化量可達100%。

  2. __________ 。

  3. ________ 。

  4. __________ ，結構簡單，适應性強。

• 缺點：

  5. __________ ，即連接配接導線電容和本身的洩漏電容，降低靈敏度，引起__________；

  6. __________ 進行測量時，具有_____________ 。

• 電容器電容量計算公式：_________。

  • 變面積型：角位移式：計算公式：________;

    靈敏度：__________;

  • 直線位移式：計算公式：________;

    靈敏度：__________;

結論：

增大 C0 可提高靈敏度（C0：初始電容）；

x或𝜃變化不能太大，否則__________會引起較大非線性誤差。.

• 變介電常數型：

  媒體發生變化，則電容C随之改變

  • 圓柱形電容公式：__________
  • 串聯電容公式：____________

    

  • 并聯電容公式：____________

    

• 變極闆間距(d )型

  公式：____________

  

第四章

第五章

• 某些晶體，在一定方向受到______時，内部産生______，在兩個表面産生____________；當外力消失，又恢複到______狀态。
  • 當力的方向改變時，電荷的極性也随着改變。

  • 具有壓電效應的物質：如______、______、______體等。

    石英晶體的壓電效應

  • ______是______單晶，規則的六角棱柱體，有三個晶軸：
    • ______又稱光軸，它與晶體的縱軸線方向一緻；
    • ______又稱電軸，它通過六面體相對的兩個棱線并垂直于光軸；
    • ______又稱機械軸，它垂直于兩個相對的晶柱棱面。

沿_____(電軸)方向的作用力産生“_____ 壓電效應”；

沿_____(機械軸)方向的作用力産生 “_____ 壓電效應”；

沿_____(光軸)方向的作用力_____壓電效應。

壓電式傳感器主要是利用_____。

• 石英晶體分子(SiO₂)在垂直于Z軸的XY平面投影。 _______ 和_______等效為_______。

  

• 電偶極矩公式：_________
• 沿X方向壓力 (𝑭_𝐱 < 0)作用,________ 出現正電荷

4，在Z軸方向受力？是否産生壓電效應？

沿X和Y方向所産生的正應變完全相同，正、負電荷中心重合。

電偶極矩矢量和等于零，不産生壓電效應。

5，在 Y 軸方向受力時？是否産生壓電效應？

當𝑭_𝒚>0時，與𝑭_𝐱<0相似。

當𝑭_𝒚<0時，與𝑭_𝐱>0相似。

• 逆壓電效應

  定義：對晶體施加電場𝐸_𝑋，引起 _______ 𝛥𝑡的現象。

• 石英的 _________ 和 _________ 的 _________ 相當好。相對介電常數：______
  • 到 _________ 時(居裡點)，它完全失去了壓電特性。 ( 居裡點：材料在鐵磁體和順磁體之間改變的溫度。)
  • 石英是一種 _________ 晶體，是以，按不同方向切割的晶片，其實體性質（如彈性、壓電效應、溫度特性等）相差很大。在設計石英傳感器時，應根據不同使用要求選擇石英片的切型。
• 锆钛酸鉛系壓電陶瓷(PZT)
  • ______ 是目前應用最廣泛的壓電材料。
  • 優點：與钛酸鋇相比， ______ ， ______ ，各項機電參數受 ______ ，時間穩定性好。
• 提高靜态靈敏度措施 (〖𝐾=𝑑〗_33 𝑚=𝑞/𝐹 𝑚 =𝑈𝐶/𝐹 𝑚)
  1. ___________________ 。
  2. ___________________ ，會降低振動系統的固有頻率，是以一般不用。

  3. ___________________ ，設單個陶瓷片的參數為 𝑞，𝑈，𝐶，連接配接後輸出參數為𝑞′，𝑈′，𝐶^′。則有：

     （a） “并聯”

     𝑞′=2𝑞，𝑈′=𝑈，𝐶^′=2𝐶, 并聯接法輸出電荷大，适用以 _______ 作為輸出量。

     （b） “串聯”

     𝑞′=𝑞，𝑈′=2𝑈，𝐶^′=1/2 𝐶, 串聯接法輸出電壓大，适用以 _______ 作輸出量。

第六章

馬盤式

數字信号的有點

① __________；

② _____________,______________；

③ _________________；

• 工作原理

  _____ 發出光線，經______後變成一束平行光照到 _____ 上

  • 通過暗亮區的光線經_____後，很窄的光束照射在 _____ ，對應 _____ 和 _____ 的輸出不同，代表 _____ 的大小。

    功能：将被測物的 _____ 換成 _____ 的電信号輸出。

• 碼制與碼盤
  • 白透光，黑不透光， _____ ， _____ ，共2^6=64個黑白間隔。
  • 碼盤的每個角度間隔對應不同的編碼，測量時，根據碼盤的 _____ 和 _____ 位置的內插補點，就可确定轉動的角度。
• 二進制碼存在的問題：
  1. _________ 。要達到1”秒(1^。=3600”) 的分辨力，需要20位以上碼盤，若直徑400mm，其外圈間隔僅1μm左右，難以加工。
  2. 由于二進制碼是 _________ (8421)，是以存在 _________ 。
• 消除粗誤差的方法: 采用循環碼碼盤

  1. n 位的循環碼有2^𝑛種不同編碼

     容量：2^𝑛

     最小分辨力：𝜃_1=3600/2𝑛

     最外圈角節距：4𝜃_1（比二進制碼盤2𝜃_1大一倍）

  2. 循環碼為 _____ ；
  3. 具有 _____ ，最高位相反，其餘各相同；
  4. _____ ， _____ ，是以 _____ 。

光栅式

• 光栅傳感器利用 _________ 測量，精度非常高。

  結構原理

  光栅就是在玻璃尺上刻劃 _________ 。

• 莫爾條紋重要特征

  1．_______ ：栅距W <<莫爾條紋𝐵_𝐻，起到了放大作用，把微小移動轉變成較大移動。莫爾條紋的運動方向與光栅的移動方向對應。

  2．_______ ：莫爾條紋的光強變化近似正弦變化，是以便于将電信号作進一步細分，将計數機關變成比一個周期W更小的機關。這樣可以提高精度和分辨力。

  3．_______ ：光電元件接收的并不隻是固定一點的條紋，而是在一定長度範圍内所有刻線産生的條紋，這樣對于光栅刻線的誤差起到了平均作用。即局部誤差和周期誤差對測量精度沒有直接影響。這就有可能得到比光栅本身的刻線精度高的測量精度。

總結

• 數字式傳感器

  直接将非電量轉換為數字信号。

• 碼盤式傳感器

  每個角度間隔對應不同的編碼，測量時，根據碼盤的起始和終止位置的內插補點，就可确定轉動的角度。

  二進制碼盤存在粗誤差，循環碼碼盤沒有粗誤差。

• 光栅傳感器

  利用莫爾條紋現象測量，精度非常高。

  優點：放大位移，細分，平均誤差。

第七章

• 熱電式傳感器，将溫度轉換為電量的傳感器
  1. ________ ：将溫度轉化為電勢(電壓)。
  2. ________ ：将溫度轉化為電阻。
  3. ________ ：利用半導體的電阻與溫度的關系，制成的固态傳感器。
• 熱電效應
  • 兩種 _________ A、B兩端連接配接在一起，組成 _________ ，當兩結點溫度不等時（設𝑇>𝑇_0），回路中産生 _________ ，稱為熱電效應。

1. 熱電偶：兩種不同導體組合的傳感器，兩種導體分别稱為熱電極。
2. 熱端：在被測量度場中是工作端（𝑇），溫度變化。
3. 冷端：在測量者手中的一端叫自由端（𝑇_0），溫度恒定。

1. 接觸電勢
   • 接觸電動勢隻與導體材料A、B的性質𝑛_A, 𝑛_𝐵和結點的溫度T有關，與材料的 _____ 無關。
2. 溫差電勢
   • 單一導體兩端溫度不同，導體内 _____ 的 _____ 具有較大的動能，向 _____ 擴散；高溫端帶 _____ ，低溫端而帶 _____ ；進而形成 _____ ，阻礙電子的繼續擴散。平衡時，導體兩端形成穩定 _____ 。
   • 熱電偶中， _____ >> _____ ，溫差電勢常忽略不計。

• 常用熱電偶及結構

  熱電偶的電極材料要求

  (1)具有較大的熱電勢，熱電勢與溫度之間呈 ________ 。

  (2)能在較寬的溫度範圍内使用， ________ 與 ________ 。

  (3) ________ ，電阻溫度系數小， _____ 。

  • 常用熱電偶材料

    ①鉑铑—鉑

    ② ________

    分度号K，鎳鉻為正極，鎳矽為負極，适合溫度900℃以下。

    優點： ________ 。

    缺點： ________ 。

    ③鎳鉻—考銅

    ④銅—康銅

• 熱電阻
  • 多數金屬具有正的電阻溫度系數𝛼_𝑡,(溫度越高，電阻越大)。
• 常用材料： _______, __________。

  鉑(Pt)電阻：
    适用溫度範圍 _________ ，制造熱電阻最好的材料。
    優點：____________ 。
    缺點：____________ 。
  
    銅(𝐂_𝐮)電阻
    适用溫度範圍－50～150℃，分度号C_u 50和C_ u 100，
    優點：______________ 。
    缺點：______________ 。
             

• 熱電阻測溫線路
  • 在工業應用上，熱電阻通常安裝在 ______ ，儀表安裝在 ______ ，其間的引線很長。
• 三線制

  • Rt 溫度變化時，隻要控制 R3，使得電橋平衡

    測量 _______ 就可以知道𝑅_𝑡，消除了導線電阻 r 的影響。

    

• 四線制

  • 如圖所示， 由恒流源提供電流 I，流過熱電阻𝑅_𝑡，産生壓降U，用直流電壓計測出U，則：

    𝑅_𝑡=𝑈/𝐼

    

  • 結論

    因為電位差計測量時不取 ______ ，測量電壓的兩根導線無電流經過， 是以四根導線的電阻 r 對測量均無影響。

熱電阻與熱電偶的比較:

1. ___________________。
2. ___________________。
3. ___________________。

第八章

• _______________，載流子(電子)與電流 I 反向運動。磁場使電子受到洛侖茲力𝑓_𝐿作用發生偏轉。半導體後端面電子積累，形成電場。電場力𝑓_𝐸阻止電子繼續偏轉，當𝑓_𝐿與𝑓_𝐸相等時達到平衡。形成了 _______________。

  洛侖茲力 _______________。 方向符合左手定則

  e 電子電荷量1.602×10^(−19) 𝐶

  v 電子速度

  電場力 _______________。

根據霍爾電勢的 _______ 可以判别出 _______ 。

霍爾電勢與元件的 _______ 有關，與其它尺寸無關。

結論：

(1)電子濃度n很高的金屬材料，是否可以作霍爾元件？

答：由于金屬材料的電子濃度n很高，是以它的靈敏度小，是以不适合作霍爾元件；

(2)霍爾片的厚度d越小/大越好？

答：元件的厚度d 越小，靈敏度越高。減小d 方法可增加靈敏度，但d 太小增加元件的電阻，是以不能太小；

(3)霍爾電勢的方向與 I 或 B 相關？

答：霍爾電勢𝑈_𝐻的方向與磁場B方向和電流I方向都有關，随兩者方向的改變而改變。

• 電磁特性及誤差分析
  1. 電磁特性

     1. 𝑼_𝑯−I 特性 (電勢與電流的關系)

        當磁場B恒定時，I 與𝑈_𝐻 呈線性關系

        電流靈敏度

        建立霍爾電勢所需時間很 _____ 。

        是以電流采用交流時頻率可高達

        ______ ，且元件的噪聲系數小。

     2. 當電流 I 不變時，開路霍爾輸出𝑈_𝐻與磁場 B _______ 。

        通常，磁感應強度B在 _____ 以下時，線性度較好。

  2. 不等位電勢及補償

     1. 若霍爾電極處于同一等位面時，𝑟_1=𝑟_2=𝑟_3=𝑟_4，則電橋平衡，輸出電壓𝑈_0=0。

     2. 當霍爾電極不在同一等位面時，𝑟_3增大，𝑟_4減小，電橋不平衡，輸出電壓𝑈_0≠0。

     3. 恢複電橋橋平衡要減少𝑟_3或𝑟_𝟐。可以用機械修磨、化學腐蝕、 _____ 的方法。

• 感應電勢

  霍爾元件在交變磁場中工作時，即使不加控制電流，由于霍爾電極 _____ ，在輸出回路中也會産生 _____ ，其大小正比于磁場變化的頻率和磁感應強度的幅值，并且正比于霍爾電極引線所構成的面積，如下圖a所示。

  通過合理布線(如b)，就可以起到顯著的補償效果。

  

• 霍爾元件的用途
  1. I恒定，輸出𝑼_𝑯與B成正比，用于測定磁場強度，如 _____ ;
  2. B恒定，輸出𝑼_𝑯與I成正比，用于 _____ 、電壓表 _____ 等;
  3. ，I和B均變化，輸出𝑼_𝑯與兩者乘積IB成正比，用于乘法器 _____ 、 _____ 等。
  4. 此外，利用霍爾元件還可以制成 _____ 、 _____ 、 _____ 等傳感器。

第九章A

• 光電效應

  光電器件的實體基礎是光電效應，分為外光電效應和内光電效應。

• 内光電效應

  1. 光線作用下，半導體内電子 ________ 從鍵合狀态過渡到

     自由狀态， _____ 變化。

  2. 入射光子能量𝐸=ℎ𝜈必須大于半導體的 _____ （臨界值）

     即：入射光的波長𝜆_𝑐 _____ 臨界值

     ② _____ ——光電池原理

     光線作用下，半導體内産生 _____ ，如光電池，光敏半導體。

  光敏電阻

  功能：半導體的光敏電阻， ______ 随光照的 ______ 而 ______ 。

• 光敏電阻的原理

  發生 ______ 的條件：入射光波長𝜆_𝑐 ______ 臨界值

• 主要參數和基本特性：

  1. 主要參數（與外加電壓有關）

     ______ ：常溫下，全暗一定時間後的阻值。

     ______ ：某一光照下的電阻值，此時的電流稱亮電流。

     靈敏度：暗電阻越大，亮電阻越小,性能越 ___ 。

  2. ②光照特性

     電壓恒定的條件下，

     電流與光照，非線性關系

     不宜作測量元件

     常用作光電開關元件

• 光電池（太陽能電池）

  利用 ______ 效應，将 ______ 轉換為 ______ ，一般能用于制造光電阻

  的材料都能用于制造光電池。

• 光譜特性：

  硒光電池，适用于 ______ 。

  矽光電池，适用于 ______ 。

• 頻率響應：（動态特性）

  光電池作為測量、計算、接收元件時常用調制光輸入。光電池的頻率響應就是指 ______ 随 ______ 變化的關系。

• 溫度特性（溫度漂移）

  光電池的溫度特性是指 ______ 和 ______ 随溫度變化的關系。

  ______ 随溫度升高而下降很快

  ______ 随溫度上升增加卻很慢

  光電池作為測量元件使用時，最好保持恒溫或采取溫度補償。

應用：

• 模拟式

  ① 輻射型：被測物是光源，用光電器件測量物體溫度，将被測物

  體的的輻射能量轉換成光電流，如光電高溫計。

  ② 吸收型：被測物能吸收光通量，用光電器件測量物體的透光

  能力，測量被測物體的吸收量。如測透明度，混濁度光電比色計。

  ③ 反射式：被測物有反射表面，用光電器件測量物體表面的反射

  能力，如測量表面光潔度，粗糙等儀器。

  ④ 遮光式：被測物遮蔽光通量，用光電器件測量物體的位移，測

  量光通量的變化，如測量尺寸和振動等儀器。

• 數字式

  1. 光電耦合器

     結構：發光器件與光敏器件組成，發光器件采用 _________。

     光敏元件采用 _________。二者應在光譜上比對。

     原理：電信号加在輸入端，使發光器件發光，而光敏元件則在

     此光照射下輸出電流，進而實作“ _________”的轉換。

     功能：輸入、輸出間互相隔離，具有良好的電絕緣和抗幹擾能力。作為長線傳輸的終端隔離元件，提高信噪比。

  2. 光電轉速計：

     在轉軸上裝碼盤，将光照射到碼盤上，軸每轉一周，反射光投射到光電元件上的____發生一次變化，故光電元件産生一次 _________，據此計算轉速。

第九章B

• 光纖傳感器

  優點：

  1. ______；

  2. ______；

  3. 不幹擾被測場；

  4. 高靈敏度；

  5. 容易實作遠距離傳輸。

• 斯涅爾定理(折射定理)
  • 當光由光密物質（折射率𝑛_1大）射至光疏物質（折射率𝑛_2小）時，發生折射(反之亦然)：

  • 纖芯和包層誰的折射率大？

    　 纖芯𝑛_1 ___ 包層𝑛_2，光在界面上全反射，在纖芯内傳播。

  光纖傳感器的主要元器件
• 光纖：

  常見的有階躍型和梯度型

  _____ ：光纖與包層間的折射率是 _____ 的。

  _____ ：光纖的折射率在纖芯中心處最大，其值𝑛_1由 __________ ，到纖芯邊界時變為包層折射率𝑛_2。

• 光源
• 檢測器：光敏二極管，光敏三極管，光電倍增管