第三章：常用传感器技术
3-1 传感器主要包括哪几部分？试举例说明。
传感器一般由敏感元件、转换元件、基本转换电路三部分组成。
如图所示的气体压力传感器。其内部的膜盒就是敏感元件，它的外部与大气压力相通，内部感受被测压力p，当p发生变化时，引起膜盒上半部分移动，可变线圈是传感器的转换元件，它把输入的位移量转换成电感的变化。基本电路则是完成上述电感变化量接入基本转换电路，便可转换成电量输出。 3-2 请举例说明结构型传感器与物性型传感器的区别。
答：结构型传感器主要是通过传感器结构参量的变化实现信号变换的。例如，电容式传感器依靠极板间距离变化引起电容量的变化；电感式传感器依靠衔铁位移引起自感或互感的变化。
物性型传感器则是利用敏感元件材料本身物理性质的变化来实现信号变换。例如，水银温度计是利用水银的热胀冷缩性质；压电式传感器是利用石英晶体的压电效应等。 3-3 金属电阻应变片与半导体应变片在工作原理上有何区别？ 答：
（1）金属电阻应变片是基于金属导体的“电阻应变效应”， 即电阻材料在外力作用下发生机械变形时，其电阻值发生变化的现象，其电阻的相对变化为
dR??1?2???； R（2）半导体应变片是基于半导体材料的“压阻效应”，即电阻材料受到载荷作用而产生应力时，其电阻率发生变化的现象，其电阻的相对变化为
dRd????E? 。 R?3-4 有一电阻应变片（见图3-105），其灵敏度S0=2，R=120Ω，设工作时其应变为1000με，问ΔR=？设将此应变片接成图中所示的电路，试求：1）无应变时电流指示值；2）有应变时电流指示值；3）试分析这个变量能否从表中读出？
mV
?R=Sg? R=2?1000?10-6?120=? 1）I1=R=120=0.0125A=
2）I2=(R+?R)=(120+?0.012475A=
3）电流变化量太小，很难从电流表中读出。如果采用高灵敏度小量程的微安表，则量程不够，无法测量的电流；如果采用毫安表，无法分辨的电流变化。一般需要电桥来测量，将无应变时的零位位电流平衡掉，只取有应变时的微小输出量，并可根据需要采用放大器放大。 3-5 电容式传感器常用的测量电路有哪几种
答：变压器式交流电桥、直流极化电路、调频电路、运算放大电路等。
图3-105 题3-4图
解：根据应变效应表达式?R/R=Sg?得
3-6 一个电容测微仪其传感器的圆形极板半径r=4mm，工作初始间隙δ=0.3mm，求：1）工作时，如果传感器与工件的间隙变化量Δδ=±1μm时，电容变化量是多少？2）如果测量电路的灵敏度S1=100mV/pF，读数仪表的灵敏度S2=5格/mV，在Δδ=±1μm时，读数仪表的指示值变化多少格？ 解：1）
2）B=S1S2?C=100?5?m?10-3)?m格
3-7 差动变压器的输出电压信号如果采用交流电压表指示，能否反映铁芯的移动方向？试描述差动变压器经常采用的差动相敏检波电路的原理。
答：采用交流电压表指示，无法反应铁芯移动方向。差动相敏检波电路请参考教材115页图4-11。 3-9 压电式传感器所采用的前置放大器的主要作用？前置放大器主要包括哪两种形式，各有何特点？
答：前置放大器的主要作用，一是将传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出，二是放大传感器输出的微弱电信号。
前置放大器也有电压放大器和电荷放大器两种形式：
电压放大器，其输出电压与电容C（包括连接电缆的寄生电容Cc、放大器的输入电容Ci和压电式传感器的等效电容Ca）密切相关，因电缆寄生电容Cc比Ci和Ca都大，故整个测量系统对电缆寄生电容的变化非常敏感。连接电缆的长度和形状变化会引起Cc的变化，导致传感器的输出电压变化，从而使仪器的灵敏度也发生变化。
电荷放大器是一个带有反馈电容Cf的高增益运算放大器。其输出电压与电荷量成正比，而且与电缆分布电容无关。
3-10 热电偶回路有哪些特点？热电偶基本定律包括哪些内容？ 答：⑴ 热电偶回路有以下特点：
1）如果构成热电偶回路的两种导体相同，则无论两接点温度如何，热电偶回路中的总热电动势为零；
2）如果热电偶两接点温度相同，则尽管导体A、B的材料不同，热电偶回路内的总电动势也为零； 3）热电偶AB的热电动势与导体材料A、B的中间温度无关，只与接点温度有关。 ⑵ 热电偶基本定律：
1）中间导体定律 在热电偶回路中接入第三种导体，只要其两端温度相同，则第三种导体的引入不会影响热电偶的热电动势。
2）参考电极定律 如教材图3-54所示，将标准电极CA、B之间，当热电偶两个接点温度为T、T0时，用导体组成的热电偶的热电动势等于AC热电偶和CB热电偶电动势的代数和。
3）中间温度定律 如教材图3-55所示，当热电偶AB个接点温度为T、T1时，热电动势为EAB（T，T1）；当热电的两个接点温度为T1、T0时，热电动势为EAB（T1，T0）；
当热个接
T0时，热电动势为
3-13 何谓霍尔效应？用霍尔元件可以测量哪些物理量？
答：金属或半导体薄片置于磁场中，沿着垂直于磁场方向通以电流，在垂直于电流和磁场方向上产生电动势，这种物理现象称为霍尔效应。
霍尔元件可以测量磁场、电流、位移、压力、振动、转速等。
T B A A 3-55 中间温度定律示意图 T T1 +图T0 = T1B
B A T0 接在A、B的热的两偶AB
电偶AB的两点温度为T、
光纤 光源 被测对象 光源 光纤 被测对象 光纤 被测对象 光电器件 光电器件 电信号 光电器件 电信号 敏感元件 电信号
3-14 CCD固态图像传感器如何实现光电转换、电荷存储和转移过程，在工程测试中有哪些应用？ 答：1、光电转换、电荷存储和转移过程如下：
图3-80 光纤传感器的类型
（a） （b） （c）
（a）功能型 （b）非功能型 （c）拾光型
⑴电荷的产生、存储：构成CCD的基本单元是MOS电容器，结构中半导体以P型硅为例，金属电极和硅衬底为电容器的两极，SiO2为介质，在金属电极上加正向电压G时，由此形成的电场穿过SiO2薄层，吸引硅中的电子在Si?SiO2的界面上，而排斥Si?SiO2界面附近的空穴，因此形成一个表面带负电荷，而里面没有电子和空穴的耗尽层。与此同时，Si?SiO2界面处的电势发生相应变化，若取硅衬底内的电位为零，表面势S的正值方向朝下，当金属电极上所加的电压G超过MOS晶体上开启电压时，Si?SiO2界面可存储电子。由于电子在那里势阱较低，可以形象的说，半导体表面形成了电子势阱，当光照射到CCD硅片表面时，在栅极附近的耗尽区吸收光子产生电子-空穴对。这是在栅极电压的作用下，空穴被排斥出耗尽区而电子被收集在势阱中，形成信号电荷存储起来，如果G保持时间不长，则在各个MOS电容器的势阱中储积的电荷取决于照射到该点的光强。 ⑵电荷包的转移：若MOS电容器之间排列足够紧密，使得相邻的MOS电容的势阱相互沟通，即相互耦合，那么就可以使信号电荷在各个势阱中转移，并尽可能的向表面势S最大的位置堆积，因此，在各个栅极上加以不同幅值的正向脉冲，即可以改变他们对应的MOS的表面势，亦可以改变势阱的深度，从而使信号电荷由浅阱向深阱自由移动。 2、CCD固态图像传感器在工程测试中的应用： ⑴物位、尺寸、形状、工件损伤的测量；
⑵作为光学信息处理的输入环节，如电视摄像、传真技术、光学文字识别和图像识别的输入环节； ⑶自动生产过程的控制敏感元件。