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传感器的定义及组成
现代信息技术包括计算机技术、通信技术利传感豁技术等,计算机相当于人的大脑,通信相当于人的神经,而传感器则相书十人的感觉器官。如果没右各种精确可靠的传感器去检测
原始数据并提供真实的信息,即使是性能非常优越的计算机.也无法发挥具应有的作用。
1.传感器
从广义上讲,传感器就址能够感觉外界信息,并能按一定规律将这些信息转换成可用的输
出信号的器件或装置。这一概念包含了下血3方向的含义:
(1)传感器是一种能够完成提取外界信息仟务的装置。
(2)传感器的输入量通常指非电里,如物理虽、化学星、生物量等;而输出量是使于传输、转
换、处理、显示等的物理量,主要是电量信号。例如,电容传感器的输入量可以足力、压力、位
移、速度等非电量信哆,输出则足电压信号。
(3)传感器的输出量与输入是之间精确地保持一定规律。
2.传感器的组成
传感器一般由敏感冗件、转换元件和转换电路3部分组成
(1)敏感元件 敏感yG件是传感器中能且接感受被测量的部分,即直接感受被测量,并输
11l与被测量成确定义系的某一物理量。例如,弹件敏感冗件将压力转换为位移,量压力与位移
之间保持一定的函数关系。
(2)转换,c什 转换元件足传感器中将敏感元件输山量转换为适十传输莉刚量的电信号
部分。例如,府变式压力传感器个的屯15K应变片将应变转换成电阻的变化。 门)转换电路 转换电路将电量参数转换戊便于洲景的吧压、屯流、频率等电量病号
如,交、应流电桥,放大器、振荡器,电荷放大器等。
应该许意,并个是所有的传感器必须门时也括敏感元件和转换元件。cjmc%ddz
传感器的定义和组成
1.传感器的定义
广义地说,传感器是指能感知某一物理量、化学量或生物量等的信息,并能将之转化为可以加以利用的信息的装置。人的五官就可广义地看作传感器,又例如测量仪器就是将被测量转化为人们可感知或定量认识的信号的传感器。传感器狭义的定义是:感受被测量,并按一定规律将其转化为同种或别种性质的输出信号的装置。中华人民共和国国家标准GB7665-1987对传感器(transducer/sensor)的定义是:能感受规定的被测量并按一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。由于电信号易于保存、放大、计算、传输,且是计算机唯一能够直接处理的信号,所以,传感器的输出一般是电信号(如电流、电压、电阻、电感、电容、频率等)。
2.传感器的组成
传感器的作用一般是把被测的非电量转换成电量输出,因此它首先应包含一个元件去感受被测非电量的变化。但并非所有的非电量都能利用现有手段直接变换成电量,这是需要将被测非电量先变换成易于变换成电量的某一中间非电量。传感器中完成这一功能的元件称为敏感元件(或预变换器)。例如应变式压力传感器的作用是将输入的压力信号变换成电压信号输出,它的敏感元件是一个弹性膜片,其作用是将压力转换成膜片的变形。
传感器中将敏感元件输出的中间非电量转换成电量输出的元件称为转换元件(或转换器),它是利用某种物理的、化学的、生物的或其他的效应来达到这一目的的。例如应变式压力传感器的转换元件是一个应变片,它利用电阻应变效应(金属导体或半导体的电阻随着它所受机械变形的大小而发生变化的现象),将弹性膜片的变形转换为电阻值的变化。
所以,敏感元件(sensing element)是能直接感受或响应被测量的部分;转换元件(transduction element)是将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于传输和测量的电信号部分。需要说明的是,有些被测非电量可以直接被变换为电量,这时传感器中的敏感元件和转换元件就合二为一了。例如热电阻温度传感器利用铂电阻或铜电阻,可以直接将被测温度转换成电阻值的输出。
转换元件输出的电量常常难以直接进行显示、记录、处理和控制,这时需要将其进一步变换成可直接利用的电信号,而传感器中完成这一功能的部分称为测量电路。测量电路也称为信号调节与转换电路,它是把传感元件输出的电信号转换为便于显示、记录、处理和控制的有用电信号的电路。例如应变式压力传感器中的测量电路是一个电桥电路,它可以将应变
片输出的电阻值转换为一个电压信号,经过放大后即可推动记录、显示仪表的工作。测量电路的选择视转换元件的类型而定,经常采用的有电桥电路、脉宽调制电路、振荡电路、高阻抗输入电路等。
综上所述,传感器一般由敏感元件、转换元件、测量电路和辅助电源四部分组成,如图1-1所示。其中敏感元件和转换元件可能合二为一,而有的传感器不需要辅助电源。
图1-1 传感器的组成框图
可见,传感器技术包括敏感元件技术(新材料和新工艺等)、测量电路技术、信号转换技术和信号处理技术等等。
无线传感器网络的基本构成及其应用
摘 要
无线传感器网络(WSN)是新兴的下一代传感器网络,在国防安全和国民经济各方面均有着广阔的应用前景。本文介绍了无线传感器网络的组成和特点,讨论了无线传感器网络在军事、瓦斯监测系统、环境监测、交通等方面的现有应用,最后提出无线传感器网络技术需要解决的问题。
关键词:无线传感器网络;军事;瓦斯监测系统;环境监测;交通
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引 言
随着半导体技术、通信技术、计算机技术的快速发展,90年代末,美国首先出现无线传感器网络(WSN)。1996年,美国UCLA大学的William J Kaiser教授向DARPA提交的“低能耗无线集成微型传感器”揭开了现代WSN网络的序幕。1998年,同是UCLA大学的Gregory J Pottie教授从网络研究的角度重新阐释了WSN的科学意义。在其后的10余年里,WSN网络技术得到学术界、工业界乃至政府的广泛关注,成为在国防军事、环境监测和预报、健康护理、智能家居、建筑物结构监控、复杂机械监控、城市交通、空间探索、大型车间和仓库管理以及机场、大型工业园区的安全监测等众多领域中最有竞争力的应用技术之
一。美国商业周刊将WSN网络列为21世纪最有影响的技术之一,麻省理工学院(MIT)技术评论则将其列为改变世界的10大技术之一。
WSN经历了从智能传感器,无线智能传感器到无线传感器三个发展阶段,智能传感器将计算能力嵌入传感器中,使传感器节点具有数据采集和信息处理能力。而无线智能传感器又增加了无线通信能力,WSN将交换网络技术引入到智能传感器中使其具备交换信息和协调控制功能。
无线传感网络结构由传感器节点,汇聚节点,现场数据收集处理决策部分及分散用户接收装置组成,节点间能够通过自组织方式构成网络。传感器节点获得的数据沿着相邻节点逐跳进行传输,在传输过程中所得的数据可被多个节点处理,经多跳路由到协调节点,最后通过互联网或无线传输方式到达管理节点,用户可以对传感器网络进行决策管理、发出命令以及获得信息。近年来国际上十分关注WSN在军事,环境,农业生产等领域的发展,美国和欧洲相继启动了WSN研究计划,我国于1999年正式启动研究,并且在2010年远景规划和“十五”计划中,将WSN列为重点发展产业之一。 1 WSN的构成
一个典型的无线传感器网络的系统架构 包括分布式无线传感器节点(群)、接收发送器汇聚节点、互联网或通信卫星和任务管理节点等,如图1所示。大量传感器节点随机部署在监测区域内部或附近,能够通过自组织方式构成网络。传感器节点监测的数据沿着其他传感器节点逐跳地进行传输,在传输过程中监测数据可能被多个节点处理,经过多跳后路由到汇聚节点,最后通过互联网或卫星到达管理节点。用户通过管理节点对传感器网络进行配置和管理,发布监测任务以及收集监测数据。
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图1 无线传感器网络基本构成 传感器节点
处理能力、存储能力和通信能力相对较弱,通过小容量电池供电。传感器节点由部署在感知对象附近大量的廉价微型传感器模块组成,其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息,并发送到汇聚节点。各模块通过无线通信方式形成一个多跳的自组织网络系统,传感器节点采集到的数据沿着其他传感器节点逐跳传输到汇聚节点。一个WSN系统通常有数量众多的体积小、成本低的传感器节点。从网络功能上看,每个传感器节点除了进行本地信息收集和数据处理外,还要对其他节点转发来的数据进行存储、管理和融合,并与其他节点协作完成一些特定任务。
汇聚节点
汇聚节点的处理能力、存储能力和通信能力相对较强,它是连接传感器网络与Internet 等外部网络的网关,实现两种协议间的转换,同时向传感器节点发布来自管理节点的监测任务,并把WSN收集到的数据转发到外部网络上。汇聚节点既可以是一个具有增强功能的传感器节点,有足够的能量供给和更多的、Flash和SRAM中的所有信息传输到计算机中,通过汇编软件,可很方便地把获取的信息转换成汇编文件格式,从而分析出传感节点所存储的程序代码、路由协议及密钥等机密信息,同时还可以修改程序代码,并加载到传感节点中。
管理节点
管理节点用于动态地管理整个无线传感器网络。传感器网络的所有者通过管理节点访问无线传感器网络的资源。
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2 无线传感器网络的应用
2.1 无线传感器网络在军事中的应用
信息化战争中,战场信息的及时获取和反应对于整个战局的影响至关重要。由于WSN具有生存能力强、探测精度高、成本低等特点,非常适合应用于恶劣的战场环境中,执行战场侦查与监控、目标定位、战争效能评估、核生化监测以及国土安全保护、边境监视等任务。
(1)战场侦查与监控
战场侦查与监控的基本思想,是在战场上布设大量的WSN,以收集和中继信息,并对大量的原始数据进行过滤;然后把重要信息传送到数据融合中心,将大量信息集成为一幅战场全景图,以满足作战力量“知己知彼”的要求,大大提升指挥员对战场态势的感知水平。
典型的WSN应用方式是用飞行器将大量微传感器节点散布于战场地域,并自组成网,将战场信息边收集、边传输、边融合。系统软件通过解读传感器节点传输的数据内容,将它们与诸如公路、建筑、天气、单元位置等相关信息,以及其他WSN的信息相互融合,向战场指挥员提供一个动态的、实时或近实时更新的战场信息数据库,为各作战平台更准确地制定战斗行动方案提供情报依据和服务,使情报侦察与获取能力产生质的飞跃。
对战场的监控可以分为对己方的监控和对敌方的监测,包括军事行动侦察与非军事行动的监测。通过在己方人员、装备上附带各种传感器,并将传感器采集的信息通过汇聚节点送至指挥所,同时融合来自战场的其他信息,可以形成己方完备的战场态势图,帮助指挥员及时准确地了解武器装备和军用物资的部署和供给情况。
通过飞机或其他手段在敌方阵地大量部署各种传感器,对潜在的地面目标进行探测与识别,可以使己方以远程、精确、低代价、隐蔽的方式近距离地观察敌方布防,迅速、全方位地收集利于作战的信息,并根据战况快速调整和部署新的WSN,及时发现敌方企图和对我方的威胁程度。通过对关键区域和可能路线的布控WSN,可以实现对敌方全天候的严密监控。
(2)毁伤效果评估
战场目标毁伤效果评估是对火力打击后目标毁伤情况的科学评价,是后续作战行动决策的重要依据。当前应用较多的目标毁伤效果评估系统主要依托于无人机、侦察卫星等手段,但这些手段均受到飞行距离近、过顶时间短、敌方打击威
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胁或天气等因素的制约,无法全天时对打击目标进行抵近侦查并对毁伤效果做出正确评估。
WSN系统中,价格低、生存能力强的传感器节点可以通过飞机或火力打击时的导弹、精确制导炸弹附带散布于攻击目标周围。在火力打击之后,传感器节点通过对目标的可见光、无线电通信、人员部署等信息进行收集、传递,并经过管理节点进行相关指标分析,可以使作战指挥员及时准确地进行战场目标毁伤效果评估。这一方面可以使指挥员能够掌握火力打击任务的完成情况,适时调整火力打击计划和火力打击重点,实施正确的决策提供科学依据;另一方面,也可以最大限度地优化打击火力配置,集中优势火力对关键目标进行打击,从而大大提高作战资源利用率。
2.2 无线传感器网络在瓦斯监测系统中的应用
在传统的煤矿瓦斯监测系统中,由于监测系统的设施、装置等位置比较固定,因而使瓦斯探头不能随着采掘的进度跟进到位,从而使得监测系统往往形同虚设,再加上矿井下联网有一定的难度,使有关人员
无法进行有效的监管,以致事故无法预警。所以我们的设计思想是要让瓦斯监测系统能够随着采掘的进度跟进到位,能够把井下信息实时、准确地传送到相关人员手中。具体实施方法如下:在坑道中每隔几十米放置一个传感器节点,每个矿工身上也都佩带一个这样的节点,矿工身上佩带的节点和坑道中放置的节点可以自组织成一个大规模的无线传感器网络,在矿井的入口处放置一个具有网关功能的节点作为 Sink 节点,它可以是一个具有增强功能的传感器节点,有足够的能量供给和更多的内存与计算资源,也可以是没有监测功能仅带有无线通信接口的特殊网关设备。Sink 节点连接传感器网络与Internet 等外部网络,实现两种协议栈之间的通信协议转换,同时发布监测中心的监测任务,并把收集的数据转发到外部网上,最后传至我们的监控中心系统。
图2 基于 ZIgBee 的无线传感器网络应用系统结构图
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1-2 什么是测量误差?测量误差有几种表达方式?它们通常应用在什么场合?
测量误差是测得值减去被测值的真值。
测量误差有五种表达方式分别是:
(1)绝对误差:当被测量大小相同时,常用绝对误差来评定准确度。
(2)实际相对误差:相对误差常用来表示和比较测量的准确度。
(3)引用误差:引用误差是仪表中通用的一种误差表示方法。
(4)基本误差
(5)附加误差:基本误差和附加误差常用于仪表和传感器中。
1-6 什么是随机误差?系统误差可以分为哪几类?系统误差有哪些检验方法?如何减小和消除系统误差?
在同一测量条件下,多次测量同一量值时,绝对值和符号保持不变,或在条件改变时,按一定规律变化的误差称为系统误差。
系统误差可分为恒值(定值)系统误差和变值系统误差。误差的绝对值和符号已确定的系统误差称为恒值(定值)系统误差;绝对值和符号变化的系统误差称为变值系统误差,变值系统误差又可分为线性系统误差、周期性系统误差和复杂规律系统误差等。
检验方法:实验对比法;残余误差观察法;准则检查法
系统误差的消除:
1. 从产生误差根源上消除系统误差;
2.用修正方法消除系统误差的影响;
3. 在测量系统中采用补偿措施;
4.可用实时反馈修正的办法,来消除复杂的变化系统误差。
1-8什么是粗大误差?如何判断监测数据中存在的粗大误差?
超出在规定条件下的预期的误差成为粗大误差,粗大误差又称为疏忽误差。
判断粗大误差的原则是看测量值是否满足正态分布,要对测量数据进行必要的检验。通常用来判断粗大误差的准则有:3准则(莱以特准则);肖维勒准则;格拉布斯准则。 2-1什么叫传感器?它由哪几部分组成?他们的作用及相互关系如何?
答:传感器是能感受(或响应)规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。
通常传感器有敏感元件和转换元件组成。其中,敏感元件是指传感器中能直接感受或响应被测量的部份;转换元件是指传感器中能将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于传输或测
量的电信号部份。由于传感器输出信号一般都很微弱,需要有信号调理与转换电路,进行放大、运算调制等,此外信号调理转换电路以及传感器的工作必须要有辅助的电源,因此信号调理转换电路以及所需的电源都应作为传感器组成的一部份。
2-2什么是传感器的静态特性?它有哪些性能指标?分别说明这些性能指标的含义。 传感器的静态特性是指被测量的值处于稳定状态时的输出输入关系。
传感器的静态特性可以用一组性能指标来描述,有灵敏度、迟滞、线性度、重复性和漂移。 ①灵敏度是指传感器输出量增量△y 与引起输出量增量△y的相应输入量增量△x的之比。用S表示灵敏度,即S=△y/△x
②传感器的线性度是指在全量程范围内实际特性曲线与拟合直线之间的最大偏差值Lmax与满量程输出值YFS之比。线性度也称为非线性误差,用L表示,
即 LLmax100% YFS
③迟滞是指传感器在相同的条件下,输入量由小到大(正行程)及输入量由大到小(反行程)变化期间其输入输出特性曲线不重合的现象。即传感器在全量程范围内最大的迟滞差值Hmax与满量程输出值YFS之比称为迟滞误差,用H表示,
即: HHmax100% YFS
④重复性是指传感器在相同的工作条件下,输入量按同一方向作全量程连续多次变化时,所得特性曲线不一致的程度。重复性误差属于随机误差,常用标准差计算,也可用正反行程中最大重复差值Rmax计算,
R
即:(2~3)100%YFS
RRmax100%YFS
⑤漂移是指输入量不变的情况下,传感器输出量会随着时间变化的现象。最常见的是温度漂移,即周围环境温度变化而引起的输出变化。
3-1什么是应变效应?什么是压阻效应?利用应变效应和压阻效应解释金属电阻应变片和半导体应变片的工作原理。
答:在外力作用下,导体或半导体材料产生机械变形,从而引起材料电阻值发生相应变化的现象,称为应变效应。半导体的电阻率随作用应力的变化而发生变化的现象,称为压阻效应。 dRK*R工作原理:应变效应表达式为ε,式中K为材料的应变灵敏系数,当应变材料为
dR
金属或合金时,在弹性极限内K为常数。金属电阻应变片的电阻相对变化量R与金属材料的轴向应变ε成正比,因此,利用电阻应变片,可以将被测物体的应变ε转换成与之成正比关系的电阻相对变化量,这就是金属电阻应变片的工作原理。 dR
压阻效应表达式为RπEε,在外力作用下,被测对象产生应变时,应变片随之发生相同的变化,同时应变片电阻也发生相应的变化。当测得的应变片电阻值变化量为△R时,便可得到被测对象的应变值,根据应力与应变的关系,得到应力值正比于应变,而试件应变正比于电阻值的变化,所以应力正比于电阻值的变化,这就是利用应变片测量应变的基本原理 4-1说明差动变隙电压传感器的主要组成,工作原理和基本特性
答:主要组成:主要由铁芯,衔铁,线圈三部分组成。
工作原理:传感器由两个完全相同的电压线圈合用一个衔铁和相应磁路。工作时,衔铁与被测件相连,当被测体上下移动时,带动衔铁也以相同的位移上下移动,使两个磁回路中磁阻发生大小相等方向相反的变化。导致一个线圈的电感量增加,另一个线圈的电感量减小,形成差动形式。
输出特性:
1LL1L22L00022...0 L2L0 若忽略上式中的高次项,可得0
为了使输出特性能得到有效改善,构成差动的两个变隙式电感传感器在结构尺寸、材料、电气参数等方面均应完全一致.
4-3 差动变压器式传感器有几种结构形式?各有什么特点?
答:结构形式:差动变压器式传感器有变气隙式差动变压器式和螺线管式差动变压器式传感器二种结构形式。
U0-
特点:变隙式差动变压器传感器的输出特性为W2UiW1W10W,输出电压与2比值W1
U与0 W成正比,然而2比值与变压器的体积与零点残余电压有关。应综合考虑;0
成反比关系.因此要求0越小越好,但较小的0使测量范围受到约束,通常在0.5mm左右。 螺线管式差动变压器式传感器的输出特性是激励电压U和激磁频率f的函数,理论上,灵敏度K与U、f成正比关系,而实际上由于传感器结构的不对称、铁损、磁漏等因素影响,K与f不成正比关系,一般在400Hz~10KHz范围内K有较大的稳定值,K与U不论在理论上和实际上都保持较好的线性关系。一般差动变压器的功率控制在1瓦左右围为线圈骨架长度11
的10到4因此可以测量大位移围。
4-10何谓涡流效应?怎样利用涡流效应进行位移测量?
答:块状金属导体置于变化着的磁物中,或在磁场中作切割磁力线运动时,导体内将产生呈旋涡状的感应电流,此电流叫电涡流,所产生电涡流的现象称为电涡流效应。
电涡流式传感器的测试系统由电涡流式传感器和被测金属两部分组成。当线圈中通以交变电流1时,其周围产生交变磁物H1,置于此磁物中的导体将感应出交变电涡流2,2又产生新的交变磁物H2,H2的作用将反抗原磁物H1,导致线圈阻抗Z发生变化,Z的变化完全取决于导体中的电涡流效应,而电涡流效应既与导体的电阻率,磁导率,几何尺寸有关,又与线圈的几何参数、线圈中的激磁电流频率f有关,还与线圈和导体间的距离x有关,因此,可得等效阻抗Z的函数差系式为
Z=F(、、r、f、x)【传感器的组成,】
式中r为线圈与被测体的尺寸因子。
以上分析可知,若保持,,r,f参数不变,而只改变x参数。则Z就仅仅是关于x单值函数。测量出等效阻抗Z,就可实现对位移量x的测量。
5-1根据工作原理可将电容式传感器分为那几种类型?每种类型各有什么特点?各适用于什么场合?
答:类型:根据电容式传感器的工作原理,电容式传感器有三种基本类型,即变极距(d)型(又称变间隙型)、变面积(A)型和变介电常数(ε)型。【传感器的组成,】
场合:变间隙型可测量位移,变面积型可测量直线位移、角位移、尺寸,变介电常数型可测量液体液位、材料厚度。
特点:电容式传感器具有以下特点:功率小,阻抗高,由于电容式传感器中带电极板之间的静电引力很小,因此,在信号检测过程中,只需要施加较小的作用力,就可以获得较大的电容变化量及高阻抗的输出;动态特性良好,具有较高的固有频率和良好的动态响应特性;本身的发热对传感器的影响实际上可以不加考虑;可获取比较大的相对变化量;能在比较恶劣的环境条件下工作;可进行非接触测量;结构简单、易于制造;输出阻抗较高,负载能力较差;寄生电容影响较大;输出为非线性。
6.1什么叫做正压电效应和逆压电效应?什么叫做纵向电压效应和横向电压效应? 答:某些电介质在沿一定的方向上受到外力的作用而变形时,内部会产生极化现 象,同时在其表面上产生电荷,当外力去掉后,又重新回到不带电的状态, 这种现象称为压电效应。这种机械能转化成电能的现象,称为“顺压电效应”。 反之,在电介质的极化方向上施加交变电场或电压,它会产生机械变形,当 去掉外加电场时,电介质变形随之消失,这种现象称为“逆压电效应”。在 石英晶体中,通常把沿电轴x方向的力作用下产生电荷的压电效应称为“纵 向压电效应”, 而把沿机械轴y方向的力作用下产生电荷的压电效应称为“横 向压电效应”。
6.6简述压电式加速度传感器的工作原理。
答:其原理利用压电晶体的电荷输出与所受的力成正比,而所受的力在敏感质量 一定的情况下与加速度值成正比。在一定条件下,压电晶体受力后产生的电 荷量与所感受到的加速度值成正比。
7.1简述变磁通式和恒磁通式传感器的工作原理。
答1.变磁通式传感器工作原理:产生磁场的永久磁铁和线圈都固定不动,通过磁 通Φ的变化产生感应电动势e。变磁通式又称磁阻式常用于角速度的测量。
2.恒磁通式传感器工作原理:气隙磁通保持不变,感应线圈与磁铁作相对运
动,线圈切割磁力线产生感应电势。
7.4什么是霍尔效应?霍尔电势与哪些因素有关?
答:1.通电的导体或半导体,在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势,这
种现象称霍尔效应。该电势称霍尔电势。
2.霍尔电势正比于激励电流及磁感应强度,其灵敏度与霍尔系数RH成正比
第五章
3.试述霍尔效应的定义及霍尔传感器的工作原理。
霍尔效应:将半导体薄片置于磁场中,当它的电流方向与磁场方向不一致时,半导体薄片上平行于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。
霍尔传感器工作原理:霍尔传感器是利用霍尔效应原理将被测物理量转换为电动势的传感器。在垂直于外磁场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Uh。霍尔电势的大小与激励电流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。
4.简述霍尔传感器的组成,画出霍尔传感器的输出电路图。
组成:从矩形薄片半导体基片上的两个相互垂直方向侧面上,引出一对电极,其中1-1’电极用于加控制电流,称控制电流,另一对2-2’电极用于引出霍尔电势。在基片外面用金属或陶瓷、环氧树脂等封装作为外壳。
电路图:
5.简述霍尔传感器灵敏系数的定义。
答:它表示一个霍尔元件在单位激励电流和单位磁感应强度时产生霍尔电势的大小。
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。
原理: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=d33F
特点:石英晶体:(1) 压电常数小,时间和温度稳定性极好;(2) 机械强度和品质因素高,且刚度大,固有频率高,动态特性好;(3) 居里点573℃,无热释电性,且绝缘性、重复性均好。压电陶瓷的特点是:压电常数大,灵敏度高;制造工艺成熟,可通过合理配方和掺杂等人工控制来达到所要求的性能;成形工艺性也好,成本低廉,利于广泛应用。
压电陶瓷除有压电性外,还具有热释电性。因此它可制作热电传感器件而用于红外探测器中。但作压电器件应用时,这会给压电传感器造成热干扰,降低稳定性。所 以,对高稳定
性的传感器,压电陶瓷的应用受到限制。
第六章
3.半导体电阻随温度变化的典型特性有哪几种?
三种:正温度系数(PTC),负温度系数(NTC),临界温度系数(CTR)。
5.简述热电偶的工作原理。
热电偶是由两种不同的金属A和B构成一个闭合回路,当两个接触端温度不同,即T>T0,回路中会产生热电势Eab。热电势的大小是由两种材料的接触电势和单一材料的温差电势所决定的。接触电势是由于不同的金属材料内部的自由电子密度不同,当两种金属材料A、B接触时,自由电子就要从密度大的金属材料扩散到密度小的金属材料中去,从而产生自由电子的扩散现象。温差电势是在同一金属材料A中,当金属材料两端的温度不同,即T>T0时,两端电子能量就不相同。温度高的一端电子能量大,则电子从高温端向低温端扩散的数量多,最后达到平衡。
7.简述热电偶冷端补偿的必要性,常用冷端补偿有几种方法?并说明补偿原理。
必要性: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。
方法::补偿导线法(实现冷端迁移,降低电路成本)、热电偶冷端温度恒温法、计算修正法、冷端补偿电桥法(利用直流不平衡电桥产生的电势来补偿热电偶冷端温度变化而引起的热电势的变化值。)。
原理: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,这时测量出的回路热电势要小。因此,必须加上环境温度T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)+E(T,0)。可用室温计测出环境温度T,从分度表查出E(T,0)的值,然后加上热电偶回路热电势E(T,T),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。
第七章
2.简述按测量原理分流量计的种类。
答:节流式检测方法、电磁式检测方法、变面积式检测方法、旋涡式检测方法、声学式检测方法、热学式检测方法。
5.试推导差压式流量计的流量方程,并说明各项参数的物理意义。
答:Qv=1/(1-β4)1/2*CέA0*(2*∆P/ρ1)1/2式子中,C为流量系数,έ为可膨胀性系数,A0
为节流件开孔截面积,A0=πd2,β=d/D,为节流件直径比,D为管道直径,d为节流件开孔直径,ρ1为被测流体在1-1处的密度,∆P为节流装置输出的差压。
12.质量流量计有哪几种类型?简述科里奥利质量流量计的工作原理。
类型:直接式质量流量计、间接式质量流量计。
工作原理; 利用流体在直线运动的同时处于一旋转体系中,产生与质量流量成正比的科里奥利力原理而制成的一种直接式质量流量仪表。直接或间接测量在旋转管道中流动流体产生的科里奥利力就可以测得质量流量、,这就是科里奥利力质量流量计的基本原理。
第八章
1、简述成分分析仪器的基本组成。
答:取样装置、预处理系统、分离装置、检测系统、信号处理系统、显示环节
7、气相色谱仪的分析原理和工作流程是什么?
原理:不同物质在两相即固定相和流动相之间具有不同的分配系数,这些物质同流动相一起运动时,在两相间进行反复多次的分配,使分配系数不同的物质在移动速度上产生显著差异,从而使各组分达到安全分离。如果再配上适当的检测器对分离物质进行定性定量分鉴定,就成为色谱分析法。
工作流程:在气相色谱分析肿,流动相为载气,多数使用氮气,氢气,氦气等气体。载气由高压气瓶供给,经干燥净化装置除去杂质和水分,在经过计量、调节仪表使之以稳定的压力和精确的流量先后进入气化室、色谱柱、检测器,然后放空。被分析试样常用微量注射器打进气化室,当试样为液体时,要经气化室加热使之瞬间气话,成为气体试样。试样呗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。色谱炉是为色谱柱提供恒定或按顺序改变温度环境的装置。检测器将载气中组分含量的多少转换为电信号,经放大后由记录仪器绘制出色谱图。
8、气相色谱仪的定性和定量分析方法有哪些?
答:定性分析就是如何确定每个色谱峰代表何种成分,常用的定性分析方法有:相对保留值法、加入已知物质增加峰高法;
定量分析是测出混合物中各组分的质量分数或质量浓度,常用方法有峰面积测量法(峰高乘半峰宽法、峰高乘平均峰宽法、峰高乘以保留值法、自动积分仪法)、定量校正因子
习题1 传感器及其特性
1-1 什么叫传感器?它由哪几部分组成?并说出各部分的作用及其相互间的关系。
答:传感器是能感受规定的被测量并按照一定的规律将其转换成可用输出信号的器件或装置。
通常传感器由敏感元件和转换元件组成。
敏感元件是指传感器中能直接感受或响应被测量的部分,转换元件是指传感器中将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于传输或测量的电信号部分。
由于传感器的输出信号一般都很微弱, 因此需要有信号调节与转换电路对其进行放大、运算调制等。随着半导体器件与集成技术在传感器中的应用,传感器的信号调节与转换电路可能安装在传感器的壳体里或与敏感元件一起集成在同一芯片上。此外,信号调节转换电路以及传感器工作必须有辅助的电源,因此信号调节转换电路以及所需的电源都应作为传感器组成的一部分。【传感器的组成,】
1-2 简述传感器的作用和地位及其传感器技术的发展方向。
答:传感器位于信息采集系统之首,属于感知、获取及检测信息的窗口,并提供给系统赖以进行处理和决策所必须的原始信息。没有传感技术,整个信息技术的发展就成了一句空话。科学技术越发达,自动化程度越高,信息控制技术对传感器的依赖性就越大。
发展方向:开发新材料,采用微细加工技术,多功能集成传感器的研究,智能传感器研究,航天传感器的研究,仿生传感器的研究等。
1-3 传感器的静态特性指什么?衡量它的性能指标主要有哪些?
答:传感器的静态特性是指被测量的值处于稳定状态时的输出—输入关系。与时间无关。
主要性能指标有:线性度、灵敏度、迟滞和重复性等。 1-4 传感器的动态特性指什么?常用的分析方法有哪几种?
答:传感器的动态特性是指其输出与随时间变化的输入量之间的响应特性。 常用的分析方法有时域分析和频域分析。时域分析采用阶跃信号做输入,频域分析采用正弦信号做输入。
1-5 解释传感器的无失真测试条件。
答:对于任何一个传感器(或测试装置),总是希望它们具有良好的响应特性,精度高、灵敏度高,输出波形无失真的复现输入波形等。实现上述要求,需要满足一定的条件,称此条件为传感器的无失真测试条件。
1-6 传感器的标定有哪几种?为什么要对传感器进行标定?
答:传感器的标定分为静态标定和动态标定两种。
静态标定的目的是确定传感器静态特性指标,如线性度、灵敏度、滞后和重复性等。
动态指标标定的目的是确定传感器的动态特性参数,如频率响应、时间常数、固有频率和阻尼比等。
1-7 传感器的作用是用来实现由非电量到电量的转换。 【√】 1-8 表示测量装置的静态输入与输出之间关系的实验曲线称为【B】。
A.理论直线
B.标定曲线
C.理论标定曲线
D.幅频曲线
1-9 属于传感器动态特性指标的是【D】。
A.重复性 A.接近真值
B.线性度 B.偏离拟合直线
C.灵敏度 D.固有频率 C.正反行程不重合
D.重复性
1-10 非线性度是表示校准曲线【B】的程度。
1-11 动态性能好的传感器,其输出波形不会产生失真现象。 【×】 1-12 若将计算机比喻成人的大脑,那么传感器则可以比喻为【B】。
A.眼睛 的特性。
A.时间
B.被测量
C.环境
D.地理位置 D.不同测量 D.迟滞越小 D.滤波电路 D.时间常数 D. ξ=0
1-14 迟滞误差表明的是在【C】期间输出-输入特性曲线不重合的程度。
A.多次测量 A.线性度越好 A.放大电路 A.线性度 A.ξ>1
B.同次测量 B.分辨力越高
C.正反行程 C.重复性越好
1-15 传感器能感知的输入变化量越小,表示传感器的【B】。
1-16 通常意义上说的传感器包括了敏感元件在内的两个组成部分,另外一个是【C】。
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