传感器原理和应用概念题是专门为考试复习准备的，有些章节没有电子版
第一章 概述
1.现代信息技术的三大支柱是传感器技术(信息采集)、通信技术(信息传输)、计算机技术(信息处理)
2.传感器:是一种能够将特定信息转换为可用信号输出的设备和设备
国家标准：能够感受到规定的测量，并将其转换为可用输出信号的设备和装置
3.传感器组成:敏感元件、转换元件、信号调节和转换电路(辅助电源)
四、传感器分类：①按工作原理分类：物理量传感器、化学量传感器、生物量传感器
②按测量分类：力热流体声光电磁
5.传感器的发展趋势:新原理、新材料、新工艺、微型化、多功能、集成化、智能化、多源集成、网络化
6、物联网：物联网是物联网，各设备按协议与互联网结合，形成网络交换信息通信；
7.传感器是物联网的感官，是物联网全面感知的主要部件
第二章 传感器的基本特性
1.传感器的静态特性：指当输入量为常数或变化非常慢时，传感器的输入输出特性，包括线性度、滞后性、最大重复偏差和灵敏度。描述性能指标，如漂移和稳定性、分辨率、阈值和精度
2.确定传感器线性度拟合直线的方法:理论拟合、过零旋转拟合、端点连接拟合、端点平移拟合
3.传感器的线性度表示，由于实际传感器存在非线性，近似拟合线与实际曲线之间存在偏差，因此称为线性度。传感器的非线性误差以理想的直线为基准。因此，即使是同一传感器，基准也不同
4.传感器的动态特性：当输入随时间变化时，讨论传感器的动态特性是指传感器输出对随时间变化输入的响应特性（时间常数）t，固有频率W，阻尼系数ξ）
5.传感器动态特性的主要指标：①阶跃响应特性(最大偏移量、延迟时间、上升时间、峰值时间、响应时间)
②频率响应特性(幅频特性、相频特性、通频带、工作频率 固有频率、相位误差、跟随角)
第三章 电阻传感器
1.电阻应变效应：金属导体的电阻值随其应力产生的机械变形而变化，称为电阻应变效应
2.电阻灵敏度系数:金属应变丝的电阻相对变化与应变之间的线性关系（Ks）
应变片的灵敏度系数小于电阻丝的灵敏度系数。实际上，应变片的灵敏度系数误差很大。金属丝制成应变片后，电阻应变特性会发生变化
3.直线电阻丝绕成敏感栅后，圆弧部分使Ks在敏感系数下，江是横向效应。横截面积越大，弧部分越小，横向效应越小。因此，通过增加应变片两端电阻条的横截面积来减少横向效应
4、应变片测量采取温度补偿措施：温度变化会导致应变片电阻值的变化，被测材料与应变片的线膨胀系数不同，导致粘在材料上的应变片与材料的应变不一致；
补偿方法：桥梁补偿
5.金属应变片通过改变丝网的几何尺寸，可以忽略电阻率。半导体应变片是基于压阻效应工作的。沿半导体晶轴的应变极大地改变了电阻率
金属电阻丝：灵敏系数1.5~2
半导体：50灵敏系数~100
半导体应变片的电阻率变化不容忽视，但集合变化可以忽略不计。相反，金属丝
6.半导体应变片的优缺点:工作频率高、体积小、功耗低、灵敏度高、测量范围广，但温度特性差，工艺复杂
第四章 电容式传感器
1.电容传感器类型:①、变面积型:测量范围大，用于测量线位移和角位移
②、变极距型：灵敏度高，用于小位移测量
③、变介质型：测量液位高度和介质厚度
2、 改进单极变极距电容传感器非线性方法：差动结构
3.高频激励时，应考虑电容和引线电感L，它会有效地改变传感器的电容，降低灵敏度
4.电容式传感器测量电路：
①、交流电桥：电桥两臂为电容，另外两臂为变压器二次绕阻，测量变化使电容变化，电桥不平衡，Uo下降
②、二极管双T型：负载电阻输出电压与电容差成正比，与电源电压振幅值和频率有关
③、差动脉冲调宽电路：电容充放电使电路输出脉冲宽度随电容容量变化，低通后能得到对应直流信号
④、运输类型：传感器电容器接入运输，作为反馈，输入恒定交流信号，输出信号电压接收反馈电容器控制
5.差动脉冲调宽电路用于电容式传感器测量电路的特点:适用于任何差动电容式传感器，不需要传感器，对矩形波纯度要求不高
第五章 电感传感器
1.电感传感器:利用线圈自感互感变化实现非电量电测的装置
2、电感式传感器分类：自感式、互感式
按照结构分类：变磁阻式、变压器式、涡流式
特点：结构简单可靠、分辨率高、能测0.1um或更小的机械位移，零漂少、线性度好、输出功率大
3、
4、差动变压器式传感器结构和工作原理：主要是由一个线框和一个铁芯组成,在线框上绕有一组初级线圈作为输入线圈(或称一次线圈),在同一线框上另绕两组次级线圈作为输出线圈(或称二次线圈),并在线框中央圆柱孔中放入铁芯,当初级线圈加以适当频率的电压激励时,根据变压器作用原理,在两个次级线圈 中就会产生感应电势,当铁芯向右或向左移动时,在两个次级线圈内所感应的电势一个增加一个减少。如果输出接成反向串联，则传感器的输出电压u等于两个次级线圈的电势差，因为两个次级线圈做得一样，因此，当铁芯在中央位置时，传感器的电压u为0，当铁芯移动时，传感器的输出电压u就随铁芯位移x成线性的增加。如果以适当的方法测量u，就可以得到与x成比例的线性读数。这就是差动变压器式传感器的工作原理。
特点：灵敏度高、测量范围小、用于测量小型机械位移
5、差动变压器式传感器零点残余电压的原因以及解决方案：
①、两电感线圈的等效参数不对称
②、电源电压中含有高次谐波，传感器工作在磁化曲线N4L线性段
解决方案：减小电源中的谐波成分，减小高次谐波；减小激励电流；设计均匀，几何对称，去除机械应力；采用合适的测量电路，采用补偿电路进行补偿（采用串联电阻减小零他输出的基波分量，并联电阻电容减小零位输出的谐波分量，加上反馈支路减小基波和谐波分量）
6、电涡流效应：一个块状金属导体在变化的磁场中或者在磁场中切割磁力线运动时，导体内部会产生闭合的电流，称为电涡流。
7、电涡流效应产生条件：存在交变磁场；导体处于交变磁场中
8、电涡流效应特性：只存在于金属导体表面的薄层内，涡流分布不均匀，电涡流传感器测量范围和传感器尺寸（线圈直径）有关
9、电涡流传感器可以测量的物理量：电阻率、磁导率、厚度、线圈与被测物体之间的距离、激励线圈角频率、振动、转速、测温、电涡流探伤（不能测非金属，因为中有金属才能产生电涡流）
第六章 磁电、磁敏式传感器、
1、磁电感应式传感器工作原理：磁电感应式传感器利用导体和磁场发生相对运动时会在导体两端输出感应电动势。导体在磁场中运动切割磁力线，或者通过闭合线圈的磁通量发生变化时，在导体两端或线圈内将产生感应电动势，大小与磁通变化率有关
2、磁电感应式传感器分类：恒磁通式；变磁通式
3、说明磁电感应式传感器产生误差的原因及补偿方法：磁电感应式传感器两个基本元件，即永久磁铁和线圈，永久磁铁在使用前需要有稳定性处理，主要是线圈中电流产生的磁场对恒定磁场的作用（称为线圈磁场效应）是不能忽略的，需要采用补偿线圈与工作线圈相串联加以补偿。当环境温度变化较大时传感器温度误差较大，必须加以补偿。
4、霍尔效应：通电导体（半导体）放在磁场中，电流方向和磁场方向垂直，在导体另外两侧会产生感应电动势。
5、霍尔元件常用的材料：半导体材料（N型半导体）
不用金属材料的原因：金属材料电阻小，导致感应电动势（霍尔电动势）较小
6、霍尔元件不等位电势产生的原因：
①、霍尔电极安装位置不正确，不对称或不在同一等电位量上
②、半导体材料不均匀造成了电阻率不均匀或使几何尺寸不均匀
③、控制电极接触不良造成控制电流不均匀分布
7、比较霍尔元件、磁敏电阻、磁敏二极管相同与不同以及各自特点：霍尔元件体积小，外围电路简单，动态特性好，灵敏度高、频带宽；磁敏电阻与霍尔元件同类，磁电转换，而电阻没有判断极性的能力；磁敏二极管用于检测交直流磁场，特别是强弱场
第七章 压电元件与超声波传感器
1、压电效应：某些电介质（晶体），当沿着一定方向施加力形变时，内部会产生极化现象，同时在它的两个表面会产生符号相反的电荷，当外力去掉，又重新恢复为不带电状态。
2、正压电效应：受到外力，内部极化，相对表面出现异号电荷，外力去掉即恢复不带电。
3、逆压电效应：当在介质极化的方向施加电场，电介质会产生形变，电场去掉，形变消失
4、石英晶体和压电陶瓷的压电效应的区别：石英晶体按照特定方向切片后，沿电轴方向的力作用产生的压电效应为“纵向压电效应”，沿机械轴的称为“横向压电效应”，沿光轴不产生；
压电陶瓷在未处理时不具有压电效应，是非压电体，极化后压电效应明显，具有很高的压电系数
5、P2T压电陶瓷：具有极高的介电常数
6、几种压电材料的优缺点：石英晶体和压电陶瓷密度大，质地硬，易碎，不耐冲击，难以加工；压电陶瓷用于高温环境，石英晶体用于有长度和厚度形变的场合；新型高分子压电材料制成的压电薄膜用于冲击较多，小型压电元件
7、压电传感器不能用于静态测量，只有在测量电路有一定电流，在其上加交变力，电荷得到补充，需要工作频率较高，传感器电荷才能得以补充保存
8、压电元件在使用时常采用多片串联或并联的结构形式。试述在不同接法下输出电压、电荷、电容的关系，它们分别适用于何种应用场合？
如果按相同极性粘贴，相当两个压电片（电容）串联。输出总电容为单片电容的一半，输出电荷与单片电荷相等，输出电压是单片的两倍；若按不同极性粘贴，相当两个压电片（电容）并联，输出电容为单电容的两倍，极板上电荷量是单片的两倍，但输出电压与单片相等。
9、电压放大器和电荷放大器本质上有什么不同，特点，适用情况：
电压放大器本质上是一个阻抗变换电路；
特点：当输入信号为0，电压放大器输入信号为0，不能测静态物理量；高频响应好，动态特性好，需要高输入阻抗，测量系统对电缆长度变化敏感
电荷放大器：具有深度负反馈的高增益运放
特点：输出电压与传感器电荷量成正比，与电容成反比，电缆电容变化不会影响传感器灵敏度，电路复杂，造价高
10、压电器件高阻抗输出原因：压电式传感器内阻很高,且信号微弱,一般不能直接显示和记录.需进行阻抗变换和信号放大.由于压电传感器产生的电荷量很少,除自身要有极高的绝缘电阻外,同时要求测量电路前极输入也要有足够高的阻抗.要高阻抗输出
11、超声波：频率高于20KHz的波称为超声波，几千赫兹到几十兆赫兹
12、超声波在通过两种介质时会发生反射，折射和波形转换
13、压电式超声波传感器：发射：逆压电效应；接收：压电效应
常用的超声波传感器探头形式：兼用型传感器：发射和接收元件放在一起
专用型传感器：发射和接收器件各自独立
原理：通过定时控制电路，触发逻辑电路放大检波电路数据处理电路，将检测超声波信号变换为有关距离的信号，利用时钟脉冲对发送和接收之间的延迟时间计数，计数值与每个计数脉冲周期时间乘积为超声波传播时间
14、超声波测厚原理：当探头发射的超声波脉冲通过被测物体到达材料分界面时，脉冲被反射回探头，通过精确测量超声波在材料中传播的时间来确定被测材料的厚度。
第八章 光电效应及光电元件
1、内光电效应：当光线照射到物体上，使物体的电导率发生变化或产生光生电动势的现象
2、外光电效应：物质吸收光子并激发出自由电子的现象
3、光在半导体中传播时具有衰减现象，即产生光吸收。理想半导体在绝对温度时，价带完全被电子占满，电子不能激发到更高能级，当一定波长的光照到半导体时，电子吸收足够的能量的光子，跃迁产生空穴对
光电器件：光电管、光电倍增管、光敏电阻
4、普通光电器件：①、基于外光电效应：光电管、光电倍增管‘
②、给予内光电效应：光敏电阻、光敏二极管、光敏晶体管、光电池
用光伏特效应制成的光电器件：光敏二极管、光敏三极管
5、光敏器件的主要特性和参数：光照特性、光谱特性、温度、伏安、频率特性
6、亮电阻：受光照时的电阻（0.5~20KΩ）
暗电阻：无光照时的电阻（0.5~200MΩ）
7、光敏电阻：受光照时光电导效应使得导电性能增加，电阻下降
光敏二极管：在电路中处于反向偏置状态，无光时反向电阻大，电流小
8、反射式光电传感器类型：红外光型、红光型、窄光束型
特点：安装简便、便于光路对齐，不受被检测物的外观材料等影响
注意：被检测工件表面要有用于吸收和反射红外光的部位；使用中前端面与被检测物表面要平行；前端面和反光板距离保持在规定范围；电流在2~1-mA
9、光栅传感器基本原理：根据莫尔条纹原理制成的计量光栅
10、莫尔条纹：两光栅叠合形成，透光部分叠加，光通过后形成亮带；不透光部分叠加，光线无法透过，形成暗带
特点：莫尔条纹间距对光栅栅距有放大作用；对光栅栅距局部误差有误差平均效应，能提高测量精度
第九章 新型光敏传感器
第十章 半导体式化学传感器
1、半导体气敏传感器：把气体中的特定成分检测出来，并将成分参量变换为电信号的器件和装置
2、半导体气敏传感器基本类型：电阻型、非电阻型
3、工作原理：利用半导体表面因为吸附气体引起半导体元件电阻变换
4、电阻型半导体气敏传感器在高温状态工作的原因：加速气体吸附和氧化还原反应，提高灵敏度和响应速度，烧掉附着在传感器原件表面上的油雾、尘埃
5、非电阻型半导体气敏传感器类型：MOS二极管气敏元件；MOSFET气敏元件；肖特基二极管气敏元件
6、绝对湿度：单位体积空气含有的水汽的质量
7、相对湿度：被测气体中，实际所含水汽蒸汽压和该气体在同温度下饱和水蒸气压的百分比
8、露点：空气中的水气分压与同温度下水的饱和气压相等时的温度，此时可能形成露珠
9、湿敏传感器种类：氧化全部都是湿敏电阻，半导体陶瓷湿敏电阻
参数：湿度量程；感温特性曲线；灵敏度
第十二章 热点式传感器
第十三章 生物传感器
1、生物传感器：是一种对生物物质敏感并将其浓度转换为电信号进行检测的仪器
组成：分子识别部分；转换部分
特点：专一性强；分析速度快；准确度高；操作简单；成本低
第十四章 集成智能传感器