应变传感器
1、电气式测力传感器根据转换方式不同可分为几种类型？分别列出各类型的几种典型传感器。 答：
2、简述电阻应变式测力传感器的工作原理。
答：电阻应变式测力传感器是将力作用在弹性元件上，使其发生应变，贴在弹性元件上的应变片将应变转换成电阻变化，利用电桥将电阻变化转换成电压变化，再送入测量放大电路测量。利用标定的电压和力之间的关系，测出力的大小。 3、弹性元件的形式有哪几种？ 答：
4、应变片的结构分为哪几部分？
答：敏感栅，底基，盖层，电极引线。 5、对底基的要求？
答：底基的作用是将试件的应变准确地传递给敏感栅，所以底基应具有较低的弹性模量，较高的绝缘电阻，良好的抗湿热性能。底基一般较薄，厚度在20～50um 。常用的底基有纸基、胶基和玻璃纤维布基。 6、谈谈应变片对分类，并说明其工作原理。
答：
应变片电阻相对变化量为
επεμσπεμρρεμE d R dR L L ++=++=++=)21()21(/)21(/
其中εμ)21(+是电阻丝的几何尺寸引起的，επE L 是压阻效应引起的。μ为泊松系数，L π为纵向压阻系数，E 为杨氏（弹性）模量，σ为应力。
对于金属，几何尺寸变化引起电阻变化占主要，即 εμ)21(/+≈R dR
灵敏度为μ21+=K ，约在1.7～3.6之间。 对于半导体，压阻效应占主要，即 επE R dR L ≈/
灵敏度E K L π=，为电阻应变片的50～70倍。
7、箔式电阻应变片与丝式电阻应变片相比有哪些优点？
答：1）金属箔很薄，感受到应力更接近试件表面应力；
2）面积大，散热好，也许通过电流大，故灵敏度高，输出信号功率大，为丝式的100～400倍； 3）尺寸可以做得很准确，基长可以很短，并能制成任意形状，从而可扩大使用范围； 4）便于批量生产。
8、丝式电阻应变片的敏感栅的栅端可制成哪两种形式？ 答：圆角形和直角形。 9、名词解释：压阻效应
答：压阻效应是指固体受到应力作用时，其电阻率发生变化，这种现象叫压阻效应。 10、应变仪电桥工作方式和输出电压 答：
工作方式 单臂 双臂 四臂
应变片所在臂 1R 21,R R 4321,,,R R R R 输出电压0U
4/εK U i 2/εK U i
εK U i
11、用一电阻应变片测量一结构上某点的应力。应变电阻值Ω=120R ，灵敏度系数2=K ，接入电桥的一臂，其余桥臂为标准电阻Ω=1200R 。若电桥由10V 直流电源供电，测得输出电压为5mV 。求该点沿应变片敏感方向的应变和应力。构建材料的弹性模量为10
102?=E Pa 。
解：把数据带入4/0εK U U i =，得到应变 3
10-=ε 应力为
7
10
3
10210210?=??==-E εσPa 。
12、今有一简单拉伸试件，其上贴有两应变片，如图所示。测量电路将其分别放于电桥相邻两臂上。已知
试件材料的弹性模量为10
1025?=E Pa 。泊松系数2.0=μ，应变灵敏度2=K ，电桥供电电压6V ，电桥
输出电压5mV ，试求轴向应力。
解：把数据带入2/0εK U U i =，得到 3106
5
-?=ε 轴向应力为
71031083.201025106
5
?=???=
=-E εσPa 。 13、一个半导体应变片的灵敏系数为180，半导体材料的弹性模量为1.8×105MPa ，其中压阻系数πL 为 Pa -1。
解：由K=πL E ，得到πL =1×10-5
14、已知：输入应变仪的应变为286με，应变仪的灵敏度为31μA/με，记录仪的灵敏度为5mm/mA,求记录仪输出的偏移量。(注：με代表一个应变单位)
解：简单，类比压电式传感器第5题
15、简述应变片在弹性元件上的布置原则，及哪几种电桥接法具有温度补偿作用。
答：布置原则有：
(1)贴在应变最敏感部位，使其灵敏度最佳； (2)在复合载荷下测量，能消除相互干扰； (3)考虑温度补偿作用；
单臂电桥无温度补偿作用，差动和全桥方式具有温度补偿作用。
压电式传感器
1、名词解释：正压电效应和逆压电效应
答：正压电效应 当某些晶体沿一定方向受外力作用而发生形变时，在其相应的两个相对表明产生极性相反、大小相等的电荷，电荷的多少与力的大小成正比，当外力去掉后，又恢复为不带电的情况。
逆压电效应 在某些晶体的极化方向上施加外电场，晶体将产生机械形变，当外电场撤去后，形变消失，这种现象叫逆压电效应。
2、在压电式传感器中，压电晶片既是敏感元件，也是转换元件。它将力转换为电荷或电压输出。
3、两个压电晶片串、并联情况
串联：电容小，输出电压大，适合电压输出。 并联：电容大，输出电荷大，适合缓变信号。 4、压电传感器的前置放大器的作用和类型。
答：放大微弱信号，并把高阻抗变换为低阻抗输出。有电压放大器和电荷放大器两种。
电压放大器：输出电压正比输入电压，输入阻抗尽量高些（输入阻抗小会影响低频响应能力），更换电缆应从新定标。
电荷放大器：输出电压和输入电荷成正比。电缆电容影响小。 5、一压电式力传感器，其灵敏度115/k pC MPa =，将它与灵敏度为20.005/k V pC =的电荷放大器相连，放大器输出端接到一台灵敏度为330/k mm V =的笔式记录仪上，计算此系统的总灵敏度。又当压力变化为20p MPa ?=时，记录笔在纸上偏移量为多大？
解：总灵敏度为
12315/0.005/30/k k k k pC MPa V pC mm V =??=??
2.25/mm MPa =
又当压力变化为20p MPa ?=时，记录笔在纸上偏移量为
20 2.25/45x p k MPa mm MPa mm ?=??=?=
6、压电式传感器并联的压电晶片越多，灵敏度越高。
7、压电式传感器只适合测量动态量，不合适测量静态量，因为电荷会被很快释放完。
8、简述压电式传感器分别与电压放大器和电荷放大器相连时各自的特点。
答：传感器与电压放大器连接的电路,其输出电压与压电元件的输出电压成正比,但容易受电缆电容的影响。
传感器与电荷放大器连接的电路,其输出电压与压电元件的输出电荷成正比,电缆电容的影响小。
热电偶
1、热电偶式温度传感器属于接触式热电动势型传感器。它的工作原理基于热电效应。
2、热电效应：当两种不同金属导体两端相互精密地连接在一起组成一个闭合电路时，由于两个结点温度不同，回路中将产生热电动势，并形成热电流，这种把热能转换成电能的现象叫热电效应。
3、热电偶整个回路的热电动势由哪两部分电动势组成？
答：热电势由接触势和温差电势组成。
4、中间导体定律：导体a 、b 组成的热电偶，当引入第三个导体时，只要保持其两端温度相同，则对总热电动势无影响，这一结论叫中间导体定律。
5、说明热电偶温度传感器中间导体定律的实际应用意义。
答：利用中间导体定律，可将毫伏表接入热电偶回路中，只要保证两个结点温度一致，就能正确测出热电动势而不影响热电偶的输出。
6、热电偶分类：普通热电偶、铠装热电偶、薄膜热电偶、并联热电偶（测平均温度）和串联热电偶（测温差）。
7、为什么要对热电偶进行温度补偿？
答：热电偶的输出电动势仅反映出两个结点之间的温度差，为了使输出电动势能正确反映被测温度的真实值，要求参考端温度恒为0℃，但实际热电偶使用的环境不能保证参考端温度为0℃，因此必须对其进行温度补偿。
8、说明薄膜热电偶的特点
答：热容量小、时间常数小、反应速度快。
金属热电阻
1、图示为一种测温范围为0℃~100℃的测温电路，其中10(10.02)t R t k =+Ω为感温热电阻，0R 、s R 均为常值电阻，n 为正整数，E 为工作电压，M 与N 两点的电位差为输出电压。问：
1）如果0t =℃时输出电压为零，s R 应取多少？ 2）给出该测温电路的输出特性方程。
解：1）根据电路结构形式，电桥输出电压为
00010(10.02)10(10.02)1t MN M N t s s R nR t n U U U E E R R R nR t R n ????
+=-=-=- ? ?+++++????
0t =℃时输出电压为零，则有
10(10.02)010(10.02)1s t t n E t R n =??
+-= ?+++??
1010
0()101s s n R k R n n
?
-=?=Ω++
2）该电路的输出特性方程为
10(10.02)10(10.02)10/1MN t n U E t n n ??+=- ?+++??
(10.02)0.02()(10.02)101[(10.02)1](1)n t n ntE E V n t n n t n ??+=-= ?
++++++??
2、下图给出了一种测温电路，其中02(10.01)()t R R t k =+Ω为感温热电阻，B R 为可调电阻，U 为工作电压。（G 为检流计）
1）基于该测温电路的工作原理，请给出调节电阻B R 随温度变化的关系。 2）若测温范围为20℃~40℃，010R k =Ω，试计算B R 的变化范围。
热敏电阻
1、热敏电阻式温度传感器测温机理：在低温时，电子-空穴浓度很低，故电阻率很大，随着温度升高，电
子-空穴浓度按指数规律增加，电阻率迅速减小。
2、按照不同的物理特性，热敏电阻可分为正温度系数热敏电阻（电阻随温度升高而增加），临界温度系数热敏电阻（在临界温度附近电阻急剧变化）和负温度系数热敏电阻（电阻随温度升高而降低）。
3、由于热敏电阻与温度的关系呈较强的非线性，使得它的测温范围和精度受到一定限制。为了解决这两方面问题，常利用温度系数很小的金属电阻与热敏电阻串联或并列。
4、热敏电阻的特性为
11()0B T T T R R e
-=（绝对温度，K ）
5、一热敏电阻在0℃和100℃时，电阻值分别为200k Ω和10k Ω。试计算该热敏电阻在20℃时的电阻值。 解：把已知条件代入公式0
11()0B T T T R R e
-=
非接触式温度传感器
1、非接触式温度传感器工作原理：
答：当物体受热后，电子运动的动能增加，有一部分热能转变为辐射能，辐射能量的多少与物体的温度有关。
2、非接触式温度传感器分类
答：全辐射式、亮度式、比色式
全辐射式：利用物体在全光谱范围内总辐射能量与温度的关系测量温度。测得到温度低于物体的真实温度。
亮度式：利用物体的单色辐射亮度随温度变化的原理，并以被测物体光谱的一个狭窄区域内的亮度与标准辐射的亮度进行比较来测量温度。
比色式：以测量两个波长的辐射亮度之比为基础测温。
半导体温度传感器
1、简述半导体温度传感器的工作原理。
答：半导体温度传感器以半导体PN 结的温度特性为理论依据。因为当PN 结的正向压降或反向压降保持不变时，正向电流和反向电流都随温度的改变而改变，当正向电流保持不变时，PN 结的正向压降随温度的变化近似于线性变化，大约以-2mV/℃的斜率随温度变化。因此，利用PN 结的这一特性，可以对温度进行测量。半导体温度传感器利用晶体二极管和晶体三极管作为感温元件。
视觉、触觉传感器
1、视觉传感器在机电一体化系统中的作用有以下三种： 1）进行位置检测 2）进行图像识别
3）进行物体形状、尺寸缺陷的检测 2、视觉传感器一般由以下四部分构成： 1）照明部（光源） 2）接收部 3）光电转换部 4）扫描部 3、摄像机分为：
1）光导摄像管摄像机。光导摄像管是一种兼有光电转换功能和扫描功能的真空管。 2）固体半导体摄像机。固体半导体摄像机所使用的固体摄像元件为CCD 。 4、固体半导体摄像机组成 答：由摄像元件（CCD ）、信号处理电路、驱动电路和电源组成。CCD 摄像元件是一种MOS 型晶体管开关集成电路。
5、热电型红外光导摄像管原理
答：光电摄像管的靶面为热电材料，由于热电效应，经透镜成像在光导摄像管上的红外图像所产生的温度分布在靶面上感应出相应的电压分布的图像，该电压分布被电子束拾取作为时序信号读出。
6、由于发射红外线的被测物体的温度随时间变化，故必须使用截光器，以便产生静止图像。由于靶面热扩散导致温度分布图像模糊，故在靶面上开槽，防止该现象发生。
信号的均值、方差、均方值
1、信号的均值
1lim ()T
x T x t dt T μ→∞=?
均值是信号在整个时间坐标的积分平均，它表示信号中常值分量或直流分量。 2、信号的方差
22
1lim
[()]T x x
T x t dt T σμ→∞=-? 方差是描述信号的波动范围，其正平方根2
x x σσ=叫信号的标准差。 3、信号的均方值
2222
1lim
()T x x x
T x t dt T ψσμ→∞==+?
均方值描述信号的强度，表示信号的平均功率。
相关
1、信号的自相关函数定义
1()lim
()()T
x T R x t x t dt T
ττ→∞=+?
2、自相关函数性质：
1）当延时0τ=时，信号的自相关函数就是信号的均方值
22
1(0)lim ()T x x T R x t dt T ψ→∞==?
2）(0)()x x R R τ≥，即在0τ=处取峰值。 3）()()x x R R ττ=-
4）周期信号的自相关函数必呈周期性()()x x R nT R ττ±= 3、自相关函数意义：描述了信号现在值与未来值之间依赖关系， 同时也反映了信号变化的剧烈程度，是信号的基本统计特征之一。 4、互相关函数定义
1()lim
()()T
xy T R x t y t dt T ττ→∞=+?
01()lim ()()T
yx T R y t x t dt T ττ→∞=+?
5、互相关函数性质
1）互相关函数的峰值不在0τ=处。
2）()xy R τ和()yx R τ是两个不同的函数，有关系()()xy yx R R ττ=-。 3）均值为零的两个统计独立随机信号(),()x t y t 的()0xy R τ=。 6、互相关系数定义
()()(0)(0)
xy xy x y R R R τρτ=
由于()(0)(0)xy x y R R ρτ≤
，故()1xy ρτ≤，一般：
()1xy ρτ=，完全相关 ()0xy ρτ=，完全不相关
0()1xy ρτ<<，部分相关
信号的频谱分析
1、周期信号频谱的三性：离散性、谐波性、收敛性。
2、周期信号的傅里叶展开
0001
()(cos sin )n n n x t a a n t b n t ωω∞
==++∑
其中001()T a x t dt T =
?，002()cos T n a x t n tdt T ω=?，002()sin T
n b x t n tdt T ω=? 基频02T πω=，n 倍频02n
n T
πω=
00A a =为直流分量
2
2n n n A a b =+为n 次谐波分量
arctan
n
n n
b a ?=-为n 次谐波初相位 3、非周期信号的傅里叶变换
()()j t X x t e dt ωω∞
--∞
=?
1()()2j t x t X e d ωωωπ
∞
-∞
=
?