现代传感技术复习思考题1.传感器的基本概念是什么？一般情况下由哪几部分组成？答：能够感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。

通常由敏感元件，转换元件和转换电路组成。

2.传感器有几种分类形式，各种分类之间有什么不同？答：根据传感器的工作机理（包括物理，化学，生物传感器等）；根据传感器的构成原理（结构型，物性型传感器）；根据传感器的能量转换情况（能量控制，能量转换传感器）。

3.举例说明结构型传感器与物性型传感器的区别。

答：结构型传感器是利用物理学中场的定律构成的，包括动力场的运动定律，电磁场的电磁定律等。

物理学中的定律一般是以方程式给出的。

特点是传感器的工作原理是以传感器中元件相对位置变化引起场的变化为基础，而不是以材料特性变化为基础。

物性型传感器是利用物质定律构成的,如虎克定律、欧姆定律等。

定律、法则大多数是以物质本身的常数形式给出。

这些常数的大小，决定了传感器的主要性能。

4.电阻传感器（应变式（电位器式）、热电式、光电式）工作原理、测量电路及应用。

答：基本原理是将被测物理量的变化转换成电阻值的变化，再经相应的测量电路而最后显示被测量值的变化。

电位器式（应变式）：工作原理是将物体的位移转换为电阻的变化。

测量电路即为桥式电路。

主要用于测量压力、高度、加速度、航面角等各种参数。

热电式：通过温度的变化转换为电压的变化，接入测量电路。

主要用于测温装置。

光电式：通过被测量的变化转换为光信号的变化最后转换为电信号的变化。

应用：能转换成光量变化的其他非电量。

5.电容传感器、电感传感器工作原理、测量电路及应用。

（差动机构）。

6.压电式传感器工作原理、测量电路及应用。

7.磁电式传感器（霍尔传感器、变磁阻式传感器）工作原理、测量电路及应用。

8.热电偶工作原理、测量电路及应用。

9.光电传感器工作原理、测量电路及应用。

10.光栅的工作原理、测量电路及应用。

11.传感器与传感技术概念有什么不同？答：传感器是获取信息的工具。

传感器技术是关于传感器设计、制造及应用的综合技术。

12.物质、能量和信息三者之间的关系是什么？答：物质、能量和信息，作为物质世界的三种资源，具有三位一体相辅相成的关系；信息是客观事物和主观认识相结合的产物，没有信息，物质和能量便无从认识；信息是由能量或物质形态表示的；信息是载荷于能量流传输的；信息在传输过程中需要消耗能量，维持信息传输必须供给能量；信息传输的方向与携带信息的能量流方向是一致的；测量过程中，被测对象应具有足够的负熵才能保证有效测量。

13.传感器所依据的自然定律、规律有哪些？答：守恒定律；场的定律；物质定律；统计物理学法则。

14.简述各类基础效应的含义以及与传感器的关系。

（如法拉弟磁光效应、光的多普勒效应）。

答：在光的照射下，物质内部的电子受到光子的作用，吸收光子能量而从表面释放出来的现象，称为外光电效应；在光的照射下，物质吸收入射光子的能量，在物质内部激发载流子，但这些载流子仍留在物质内部，从而增加物体的导电性或产生电动势、或产生光电流的现象，称为内光电效应；物质的光学特性（如折射率）受外电场的影响而发生变化的现象统称为电光效应；某些非晶体物质（如塑料、玻璃）在机械力的作用下，弹性体的折射率发生变化，呈现双折射性质的效应。

这称作应力致双折射或光弹效应；电致发光效应：某些固态晶体如高纯度锗、硅和砷化镓等化合物半导体在光和外加电场作用下发出冷光（指荧光和磷光）的现象，以及某些固态晶体如磷化镓、磷化铟等无需外加激发光而在外加电场作用下即可发光的现象；置于外磁场的物体，在光和外磁场的作用下，其光学特性（如吸光特性、折射率等）发生变化的现象称为磁光效应。

15. 光纤传感器的工作原理？有哪些类型？考察光纤性能的主要参数是什么？答：基本工作原理是将来自光源的光经过光纤送入调制器，使待测参数与进入调制区的光相互作用后，导致光的光学性质（如光的强度、波长、频率、相位、偏振态等）发生变化，成为被调制的信号光，在经过光纤送入光探测器，经解调后，获得被测参数。

分类：功能性，非功能性，拾光型。

主要参数：单模光纤：衰耗系数，色度色散系数，模长直径，截止波长.，零色散波长，零色散斜率。

双模光纤：衰耗系数，带宽系数，数值孔径，归一化频率。

16. 什么是热平衡型一次效应和二次效应？写出热平衡现象中的三个麦克斯韦关系式，举例说明它们在传感器中的应用。

答：不同种类能量所对应的强度型状态量与容量型状态（或相反）微分之比为定值，具有这种关系的效应称为热平衡一次效应，一次效应为可逆的（压电，压磁效应）。

同种类能量的示强变量与示容变量微分之比，或同种类能量的示容变量与示强变量微分之比，是不能直接构成传感器的，这些比例系数虽然不能在传感器中直接而将被测量转换成电信号输出，但可以利用其中的状态量与其他状态量之间的关系制成各种传感器，这种变换称为二次效应，二次效应没有逆效应。

（电阻应变式力传感器）。

xk i jxk j i x X x X )()(∂∂=∂∂k i j k j i X x X x )()(∂∂=∂∂ki j k j i x x X X )()(∂∂=∂∂17.传感器一般包括哪些部分，各部分的作用是什么？答：1、敏感元件：直接感受被测量，以确定的关系输出某一物理量（包括电学量）。

2、转换元件：将敏感元件输出的非电量物理量转换为电学量（包括电路参数量）。

3、转换电路：将电路参数（如电阻、电容、电感）量转换成便于测量的电学量（如电压、电流、频率等）。

18.传感器的静态特性是什么？由哪些性能指标描述？答：传感器的静态特性是指在稳态（静态）信号作用之下（及输入量对时间t的各阶导数等于0），其输出——输入关系的数学模型。

指标：量程和测量范围，线性度，滞后，重复性，灵敏度，分辨率，阈值，稳定性，漂移及精度等。

19.传感器的动态特性主要技术指标有哪些？它们的意义是什么？答：阶跃响应及时域性能指标——时间常数，上升时间，响应时间，超调量，峰值时间，延迟时间，衰减率，稳态误差。

20.传感器的其他性能指标有哪些？（互换性、可靠性、电磁兼容）答：互换性、可靠性、电磁兼容21.什么是示容变量和示强变量？答：描述热平衡状态系统的物理量称为状态量。

如果把这个系统分割成若干个小系统，则状态量可分为两种：①与分割方法无关，其性质由其量的大小来决定的状态量。

称为强度型状态量，简称示强变量。

如温度、压力、电场强度、磁场强度。

②具有与系统的大小（体积、面积等）成正比性质的状态量，称为容量型状态量，简称示容变量，又叫容量量或广延量。

如能量、熵、位移等。

22.什么叫测量？什么叫计量？它们之间有什么异同？答：测量是将被测量同已知量相比较，以确定被测量与选定单位的比值。

计量是规范测量的测量。

异同：工作对象不同；测量的直接目的是得到测得值，计量的目的是保证测量的准确；“测量”就是为获取量值信息的活动；“计量”不仅要获取量值信息，而且要实现量值信息的传递或溯源；“测量”可是以孤立的，“计量”则存在于量值传递或溯源的系统中；“测量”作为一类操作，其对象很广泛，“计量”作为一类操作，其对象就是测量仪器。

23.说明差动技术的原理及技术环节。

答：采用两个（或两个以上）性能完全相同的敏感元件，同时感受相同的环境影响量和方向相反的被测量。

测量时输入信号同时加到原理相同，性能一致的两个敏感元件上的，但对于输入信号，两个敏感元件的参数变化是成相反方向的；而对于环境变化，两个敏感元件的变化是成相同方向的，通过变换电路，使有用输出量增加，干扰量相减便可以消除环境变动的影响。

24.说明传感器标定与校准的概念及标定的基本方法。

答：利用标准器具对传感器性能进行定度的过程，称为标定。

传感器使用一段时间以后或经过修理，需要利用标准器具对其性能指标重新进行确认，看其是否可以继续使用或仍符合原先技术指标所规定的要求，这一性能复测过程称为校准。

基本方法：利用标准设备或装置产生已知的标准量（一般为非电量，如标准力，标准位移等），作为输入量输入到待定的传感器，然后将得到的传感器输出量与输入量作比较，从而得到一系列的标准数据或曲线。

25.常见的传感器噪声有哪些？如何抑制这些噪声？答：传感器噪声的来源和种类比较复杂，按产生原因可分机械噪声、热噪声，光噪声，印象噪声，湿度噪声，化学噪声，电磁噪声，射线辐射噪声，电路噪声等。

通过消除或抑制噪声源，破坏干扰的耦合通道，消除接收电路对干扰的敏感性和采用软件抑制干扰等方法来抑制噪声。

26.在实际应用中如何改善传感器的技术性能？答：结构、材料与参数的合理选择；差动技术，平均技术，补偿与校正，稳定性处理，屏蔽隔离和干扰抑制，零示法微差法与闭环技术。

27.选择传感器时应注意哪些问题？答：（1）根据测量目的，对象与测量环境确定传感器的类型；（2）根据传感器的性能指标确定传感器的种类；（3）根据测试系统要求确定传感器的种类；（4）传感器的商品环境；（5）购买自制28.根据你所掌握的现代传感技术的相关知识，设计一套运用新型传感器构建的检测系统，写出详细设计步骤：说明系统具备的功能；选用的器件和硬件电路，并用原理框图表示（器件型号不明，说明其须具有的功能）；相应的数据处理过程和软件功能；你所设计的检测系统还有哪些尚可完善的功能。

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