传感器小结

1. 传感器的组成、特性及指标

1.1 传感器的组成

传感器的主要作用是感受和响应规定的被测量，并按一定规律将其转换成有用的输出，特别是完成非电量到电量的转换。可以把传感器看成由敏感元件和变换元件两部分组成。

敏感元件先将待测的非电量转换为易于转换成电量的另一种非电量，完成预变换

变换器能将感受到的非电量转换为电量。

1.2 传感器的特性及指标

静态特性：是指当被测量的值处于稳定状态下时，传感器的输入与输出之间的数学表达式、曲线或数表。

主要指标：线性度、重复性、迟滞、精度、灵敏度以及漂移

动态特性：指被测量随时间变化时，传感器输入与输出之间关系的数学表达式、曲线或数表。

指标：分为时域（时间常数、上升时间、响应时间和超调量）和频域（通频带、工作频带、相位误差）

2. 应变传感器的核心元件、工作原理、分类方法及应用

2.1 核心元件及工作原理

核心元件：电阻应变片，工作原理：基于电阻应变效应

2.2 分类方法及应用

常用的分类方法是，按照制造应变片时所用的材料、工作温度范围以及用途来分类

材料分类：金属应变片和半导体应变片（体型，薄膜型）

温度分类：常温应变片、中温、高温、低温应变片

应用：起重量限制器

3. 光纤传感器的分类、工作原理及典型应用例子

3.1 分类及工作原理及典型例子

分类：功能型和非功能型

功能型：利用光纤本身的传输特性受被测物理量的作用而发生变化，使光纤中波导光的属性被调制这一特性构成的

典型例子：

相位调制型光纤传感器：原理，当一束波长为入的相干光在光纤中传播时，光波的相位角与光纤长度，折射率和纤芯直径有关。光纤受到物理量时，这三个参数就会发生不同程度的变化，引起光相移。

非功能型：非功能型中，光纤不是敏感元件。他在光纤的端面或两根光纤之间放置光学材料等敏感元件来感受被测物理量的变化，光纤只是做为光的传输回路。

工作原理：光的全反射现象是光纤传光原理的基础

4. 压电传感器的分类、测量参数及优缺点

4.1 分类测量参数及优缺点

压电传感器的压电元件是利用压电材料制成的。当有力作用在压电材料上时，传感器就有电荷（或电压输出）。压电传感器测量的基本参数是力。

压电材料分类：压电晶体、、经过极化的压电陶瓷、高分子压电材料

压电式传感器的优点是频带宽、灵敏度高、信噪比高、结构简单、工作可靠和重量轻等。压电晶体可长期工作温度可达到400℃以上，可承受很高的表面压力、刚度很高、线性好、迟滞小、在很宽的温度范围内灵敏度恒定、频响范围宽、可承受几乎无限的载荷循环数，绝缘阻抗非常高

压电式传感器的缺点是某些压电材料需要防潮措施，而且输出的直流响应差，需要采用高输入阻抗电路或电荷放大器来克服这一缺陷。

5. 光电效应的分类、光电元件的原理

5.1 光电效应分类，原理

光电效应分为外光电效应和内光电效应。内光电效应又分为光电导效应和光生伏特效应

半导体内的电子在吸收光子后，如能克服表面势垒逸出半导体表面，则会产生外光电效应；半导体内的电子在吸收光子后不能跃出半导体，所产生的电学效应称为内光电效应

6. 光栅传感器的工作原理及细分技术

6.1 工作原理

光栅传感器的工作原理是：利用光栅的莫尔条纹现象，将被测几何量转换为莫尔条纹的变化，再将莫尔条纹的变化经过光电转换系统转换为电信号，从而实现精密测量

6.2 细分技术

高精度的几何量测量（如纳米测量）目前无法实现。因此需要对栅距进一步细分

细分方法：

1）增加光栅的刻线密度

2）对电信号进行电子插值，把一个周期变化的莫尔条纹信号再细分，即增大一个周期的脉冲数，这种方法称为倍频法。电子细分又可分为：直接细分、电桥细分

3）机械和光学细分

CCD直接细分：利用线阵CCD上数千个等间距的像素所构成的‘感光尺’对整栅距的位移信号，即周期的交点移动信号进行细分，使测量信号能够反映一个栅距内的精确位移。

7. 分析智能家居、手机的传感器

7.1 智能家居中的传感器

温度传感器：空调显示面板会显示温度，设定恒温模式，当温度小于阈值，空调开始工作

红外传感器：各种无线遥控设备大都带有红外发射器和红外接收器，可以发射或者接收红外信号，实现非接触式控制

光敏传感器：通过感受光强的变化可以实现设备光强的动态改变，比如电视屏幕的夜间模式、护眼模式等。

湿度传感器：检测房间内的湿度，若小于阈值，则开启加湿器

有害气体传感器：如CO、甲醛的检测

摄像头：再进入室内，可能不需要指纹识别等接触式验证，通过摄像头传感器可以实现身份的验证

超声波传感器：扫地机器人在工作时可以实现自主避障，通过发送超声波的方式，对反射信号进行处理，做出操作。

7.2 手机中的传感器

光敏传感器：手机屏幕的光强会随着环境光的改变而动态改变，就是依赖于光敏传感器检测到当前光强，将信号发送给CPU芯片，进而做出调整屏幕亮度的操作

红外传感器：典型的华为手机前端带有红外发射器可以实现智能家居设备的绑定，通过发射红外信号序列，实现控制支持红外遥控的设备比如空调等

加速度传感器：手机中的计步功能，通过三轴或者6轴加速度传感感知手机运动状态，进而实现计步功能。

重力传感器：根据压电效应的原理来工作，通过机械力作用使感应介质发生极化的正压电效应，重力传感器就是利用其内部的由于加速度造成的晶体变形的这个特性；手机可以根据我们姿态的不同调整屏幕为横屏或者竖屏，进而做出的控制操作

摄像头：内含CMOS传感器

景物通过镜头（ LENS）生成的光学图像投射到图像传感器表面上，然后转
为电信号，经过 A/D（模数转换）转换后变为数字图像信号，再送到数字信号处
理芯片（ DSP）中加工处理，再通过 CPU 进行处理后，通过显示屏（ LCD）就
可以看到图像了。

三轴磁力计：指南针，手机中有应用程序指南针，通过三轴磁力计测量与地磁场的偏角从而计算出当前指向角度信息

8. 温度传感器的种类、测温电阻以及半导体热敏电阻的测温原理

8.1分类

接触式测温：通过测温元件与被测物体的接触来感知物体的温度

非接触式测温：通过接收被测被测物体发出的辐射来得知物体的温度

8.2 测温电阻及半导体热敏电阻

测温电阻：利用基本材料的电阻随温度变化而变化的特性来实现温度测量的

半导体：半导体热敏电阻按半导体电阻随温度变化特性分为三种类型：

负电阻温度系数热敏电阻（NTC）、正电阻温度系数热敏电阻（PTC）和某一特性温度下阻值会发生突变的临界温度电阻（CTR）；CTR用做热控制开关，NTC用来温度测量较为理想

9. 未来传感器的发展方向

新材料不断开发、新效应不断发现：如陶瓷材料、纳米材料等。生物材料制成的生物传感器

集成化、多功能：利用先进的IC技术和工艺，实现多种信息的采集处理

智能化：使信息采集与信息记忆、存储、综合、处理一体化，集成在芯片上，实现单片智能传感器

充分利用微加工技术和新工艺：精密制造，微机电系统制作工艺

不断向高稳定性、高可靠性、高精度发展

10. 磁敏传感器的工作原理、磁阻元件的应用

10.1 工作原理

磁敏传感器通常是指电参数按一定规律随磁性量变化的传感器。主要是利用霍尔效应原理以及磁阻效应原理构成

10.2 应用

利用磁敏电阻监视交流电流

用磁敏电阻读磁卡

用磁敏电阻检测与识别图形

磁阻式位移传感器：测量磁阻元件的位移特性

11. 气体、湿度传感器的工作原理及应用举例

11.1 原理

气敏传感器和湿敏传感器是利用物质的物理效应和化学效应对气体中的某些成分或水汽进行检测的期间

气敏：利用半导体与某些气体接触时其特性会发生变化这一现象来检测气体的成分和浓度，当气体吸附到半导体气敏元件表面时，元件的电阻或电阻率会发生变化。

电阻式湿敏传感器：利用湿敏元件的电气特性如电阻值随湿度的变化而变化的原理进行湿度检测

电容式湿敏传感器：利用湿敏元件的电容值随湿度的变化而变化的原理进行湿度检测

11.2 应用举例

气敏传感器：城市煤气报警器

湿敏传感器：烹调设备中湿度控制

12. 霍尔传感器的原理及应用

霍尔效应：在一导体的两端通以控制电流，其垂直方向加磁感应强度为B的磁场，薄片的另两侧会产生于I和B乘积成比例的电动势（霍尔电压），这种现象称为霍尔效应。

霍尔元件是基于霍尔效应工作的。霍尔效应是由于运动电荷受磁场中洛伦兹力作用的结果。

应用：霍尔位移传感器、霍尔压力传感器、霍尔磁极检测器、霍尔转速测量仪，霍尔元件测量电流

13. 复印机、扫描仪的原理

13.1 复印机原理

印机的工作原理是利用光导体的电位特性，在光导体 没有受光照的状态下进行充电，使其表面带上均匀的电荷，然后通过光学成像原理，使原稿图像成像在光导 体上。有图像部分因没有受到光照（相当于暗态），所以光导体表面仍带有电荷，而无图像区域则受到光照 （相当于亮态），所以光导体表面的电荷通过基体的接地，使表面的电荷消失，从而形成了静电潜像。再后 是通过静电原理，使用带有极性相反电荷的墨粉，使光导体表面的静电潜像转化成为光导体表面的墨粉图像 。最后，仍然通过静电原理（同性相斥，异性相吸），将光导体表面的墨粉图像转印到复印纸表面，完成复印的基本过程。

主要分为三个部分：原稿的照明和聚焦成像部分；光导体上形成潜像和对潜像进行显影部分；复印纸的进给、转印和定影部分。

13.2 扫描仪原理

通过传动装置驱动扫描组件将各类文档、相片、幻灯片、底片等稿件以光学图像的形式送到光电转换器中变为模拟电信号，而最终又将模拟电信号转换成计算机能识别的数字信号，再由控制扫描仪操作的扫描软件读出这些数据，并重新组成图像文件，供计算机存储、显示。

主要器件：CCD、A\D转换器；

CCD：将扫描仪所扫描的图像光学信号转变成电信号，再由模拟数字转换器（A／D）将这些电信号转变成计算机能识别的数字信号。

A\D转换器：将模拟量数字化；

14. 设计题

实验室温湿度控制

学生寝室火灾检测

教学楼门禁系统

学校道闸系统

15. 电路分析题

电机过热保护装置：把三只特性相同的负温度系数热敏电阻放置在电动机内绕组旁，紧靠内绕组，每相放一只；电机正常运转时，温度较低，热敏电阻阻值较高，三极管截至，继电器K不动作；当电机过负荷，断相或一相通地时，电机温度急剧升高，热敏电阻阻值极具减小，小到一定值，三极管V完全导通，继电器K动作，使S闭合，红灯亮，警报作用。

热释电传感器自动门电路：V1起延时控制作用，RP改变延时大小，MOC3020分离交直流。当无人来到自动门前，HN911输出端为低电平，V1无控制信号，V2断开，开启门的负载电机不工作，门处于关闭状态；当有人来到门前，HN911检测到人体的红外能量，输出端1为高电平，V2导通，负载电机工作，门自动打开。自动门运行到位后，由限位开关S切断电源。由于HN911输出端2与1的输出电平正好相反，可以用输出端2控制电机使自动门关闭。

16. 乱猜的

减小交流电桥的非线性误差有哪些方法?尽可能地提高供桥电源有什么利弊?

答：(1)提高桥臂比(2)采用差动电桥 (3) 采用高内阻的恒流源电桥
可以提高灵敏度但是却受到电阻应变片的允许功耗的限制。

压电传感器能否用于静态测量?为什么?

答：因为压电传感器要求一定要有压力作用于传感器上，需要时刻受到压力的作用，测量电路具有无限大的阻抗，不适宜静态测量，只有在其上加交变力，电荷不断补充，故压电传感器只能做动态测量

半导体气敏元件是如何进行分类的?试述表面控制型电阻式半导体气敏传感器的结构与特点？

答：答:半导体气敏传感器的敏感元件大多是以金属氧化物半导体为基础材料，可分为电阻式和:非电阻式两种。
表面控制型气体传感器，其半导体:气敏材料表面吸附有气体时，则半导体和吸附的气体
之间会有电子的施受发生，造成电子的迁移从而形成表面电荷层，最终引起元件电阻值的变化，通过测量其变化，就可以实现对气体的检测。其结构和电阻特性:
(1)多孔质烧结体敏感元件;
(2)薄膜敏感元件;
(3)厚膜敏感元件;
(4)多层结构敏感元件

简述半导体湿敏陶瓷的感湿机理。半导体陶瓷湿敏传感器有那些特点？

答：1）感湿机理：

离子型：由绝缘材料制成的多孔陶瓷元件由于水分子在微孔中的物理吸附作用（毛细凝聚作用），在潮湿气氛中呈现H+离子，使元件的电导率增加；

电子型：分子在氧化物表面上的化学吸附导致元件电导率改变，电导率增加与否，取决于氧化物半导体是P型还是N型；

（2）特点：

湿度滞后小，响应速度不会超过10~15秒，便于批量生产；

长期可靠性较差，易受环境温度影响；