4-12 电涡流传感器常用的测量电路有哪几种？其测量原理如何？各有什么特点？
1、用于电涡流传感器的测量电路主要有：调频式、调幅式电路两种。
2、测量原理
（1）调频式测量原理
传感器线圈接入LC振荡回路，当传感器与被测导体距离x改变时，在涡流影响下，传感器的电感变化，将导致振荡频率的变化，该变化的频率是距离x 的函数，即f=L(x), 该频率可由数字频率计直接测量，或者通过f-V变换，用数字电压表测量对应的电压。
图4-6调频式测量原理图
（2）调幅式测量原理
由传感器线圈L、电容器C和石英晶体组成的石英晶体振荡电路。石英晶体振荡器起恒流源的作用，给谐振回路提供一个频率（f0）稳定的激励电流i o。
当金属导体远离或去掉时，LC并联谐振回路谐振频率即为石英振荡频率f o，回路呈现的阻抗最大，谐振回路上的输出电压也最大；当金属导体靠近传感器线圈时，线圈的等效电感L发生变化，导致回路失谐，从而使输出电压降低，L的数值随距离x的变化而变化。因此，输出电压也随x而变化。输出电压经放大、检波后，由指示仪表直接显示出x的大小。
图4-7调幅式测量原理图
除此之外，交流电桥也是常用的测量电路。
3、特点
?调频式测量电路除结构简单、成本较低外，还具有灵敏度高、线性范围宽
等优点。
?调幅式测量电路线路较复杂，装调较困难，线性范围也不够宽。
4-13 利用电涡流式传感器测板材厚度，已知激励电源频率f =1MHz，被测材料相对磁导率μr=1，电阻率ρ=2.9×10-6ΩCm，被测板材厚度为
=（1+0.2）mm。试求：
（1）计算采用高频反射法测量时，涡流透射深度h为多大？
（2）能否采用低频透射法测板材厚度？若可以需采取什么措施？画出检测示意图。
【解】
1、为了克服带材不够平整或运行过程中上下波动的影响，在带材的上、下
两侧对称地设置了两个特性完全相同的涡流传感器S1和S2。S1和S2与被测
带材表面之间的距离分别为x1和x2。若带材厚度不变，则被测带材上、下
表面之间的距离总有x1+x2=常数的关系存在。两传感器的输出电压之和为
2U o，数值不变。
如果被测带材厚度改变量为Δδ，则两传感器与带材之间的距离也改
变一个Δδ，两传感器输出电压此时为2U o±ΔU 。ΔU 经放大器放大后，通过指示仪表即可指示出带材的厚度变化值。带材厚度给定值与偏差指示值的代数和就是被测带材的厚度。
计算高频反射法测板材厚度时，涡流穿透深度：
m m f h r μμπμρ7.851057.810
11014.3414.3109.25
6
780=?=??????==---可见穿透深度很浅。
图4-8高频反射法测量原理图
2、若采用低频透射法测板材厚度，必须使涡流穿透深度大于板材厚度。由于ρ、μ0、μr 都是常数，所以必须降低激励电源频率，使之满足：
δμπμρ
>=
/
0/f
h r 由此解得穿透板材所需的最高频率为：
KHz Hz f r 1.5101.510
2.11014.3414.3109.23
6
7820/
=?=??????=<---δμπμρ 当满足激励电源频率小于5.1KHz 时，发射探头的信号才能透过板材，被接收探头接收。发射探头在交变电压e 1的激励下，产生交变磁场，透过被测板材后达到接收探头，使之产生感应电动势e 2，它是板材厚度的函数，只要两个探头之间的距离x 一定，测量e 2的值即可测得板材厚度δ。
图4-9低频透射法测量原理图
5-6 差动电容式传感器接入变压器交流电桥，当变压器副边两绕组电压有效值均为U 时，试推到电桥空载输出电压o U 与2x 1x C ,C 的关系式。若采用变截距型电容传感器，初始截距均为0δ，改变δ?后，求空载输出电压o U 与δ?之间的关系式。
解：（1）设1x 1C j 1Z ω=
，2
x 2C j 1
Z ω=，
由图可知U Z Z Z Z U U 2Z Z Z U 2112212o +-=-+=，把上式代入可得：U C C C C U Z Z Z Z U 2
x 1x 2
x 1x 2112o +-=+-=；
（2）设d d A C 01x ?-ε=，d
d A
C 02x ?+ε=，
∴U d d
U C C C C U 0
2x 1x 2x 1x o ?=+-=
。
（或者：d d A C 01x ?+ε=
，d d A C 02x ?-ε=有U d d
U C C C C U 0
2x 1x 2x 1
x o ?-=+-=）
6-3简述压电陶瓷的结构及其特性
压电陶瓷是人工制造的多晶体，具有电畴结构。电畴是分子自发形成的区域，有一定的极化方向。经过极化处理的压电陶瓷内部仍存在很强的剩余极化。沿着压电陶瓷极化方向加力时，其极化强度发生变化，引起垂直于极化方向的平面上电荷的变化，这种变化的大小与压电陶瓷的压电系数和作用力的大小成正比。
6-4 画出压电元件的两种等效电路。
1、电压源等效电路
2、电流源等效电路
6-5 电荷放大器所要解决的核心问题是什么？试推导其输入与输出的关系。 【答】
1、传感器的灵敏度与电缆电容无关，更换电缆或使用较长的电缆时，不用重新校正传感器的灵敏度。改进了电压放大器的缺点。
2、输入与输出的关系
电荷放大器常作为压电传感器的输入电路，由一个反馈电容C f 和高增益运算放大器构成。由运算放大器基本特性，可求出电荷放大器的输出电压：
通常A =104~108，因此,当满足(1+A )C f>>C a+C c+C i 时，上式可表示为
6-7利用压电式传感器设计一个测量轴承支座受力情况的装置
f
i c a o C A C C C Aq
u )1(++++=
f
o C q
u -
≈
6-8 用石英晶体加速度计测量机械的振动，已知加速度计的灵敏度为2.5pC/g （g=9.8m/s 2），电荷放大器灵敏度为80mV/pC ，当机器达到最大加速度时，相应的输出幅值为4V 。试计算机器的振动加速度。 【解】
系统灵敏度Sn 等于传感器灵敏度与电荷放大器灵敏度的乘积，即
Sn = 2.5×80=200mV/g
系统灵敏度Sn 、输出电压幅值U 0及被测加速度幅值a 的关系为：
a
U S n 0
=
所以该机器的振动加速度幅值为：
2
3
0/19620102004s m g S U a n ==?==
-
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R H成正比而
与霍尔片厚度d成反比。为了提高灵敏度，霍尔元件常制成薄片形状。
7-5 影响霍尔元件输出零点的因素有哪些？如何补偿？
1、影响霍尔元件输出零点的因素
当霍尔元件的激励电流为I时，若元件所处位置磁感应强度为零，则它的霍尔电势应该为零，但实际不为零。这时测得的空载霍尔电势称为不等位电势。产生这一现象的原因有：
（1）霍尔电极安装位置不对称或不在同一等电位面上；
（2）半导体材料不均匀造成了电阻率不均匀或是几何尺寸不均匀；
（3）激励电极接触不良造成激励电流不均匀分布等。
2、不等位电势与霍尔电势具有相同的数量级，有时甚至超过霍尔电势，而实用中要消除不等位电势是极其困难的，因而必须采用补偿的方法。
可以把霍尔元件等效为一个电桥，用电桥平衡来补偿不等位电势。由于A、B电极不在同一等位面上，此四个电阻阻值不相等，电桥不平衡，不等位电势不等于零。此时可根据A、 B两点电位的高低，判断应在某一桥臂上并联一定的电阻，使电桥达到平衡，从而使不等位电势为零。
7-8 试分析霍尔元件输出接有负载R L时，利用恒压源和输入回路串联电阻R T 进行温度补偿的条件。
补偿电路如图(a)所示，输入回路与输出回路的等效电路如图(b)、(c)所示。设R L不随温度改变，由于霍尔元件输出电阻Rout随温度变化，输出霍尔电势
U H 也随温度变化，使得负载电阻上的输出电压
H out
L L
U R R R U +=
与温度有关。
(a) 霍尔元件接有负载
RT
Rin
RL
(b) 输入回路等效电路 (c) 输出回路等效电路
温度为T 0 时，负载电阻上的输出电压为
)
)((0000000000in T out L H L H out L L
H out L L R R R R BE K R B I K R R R U R R R U ++=+=+=
设R T 的温度系数δ，霍尔元件内阻温度系数为β，灵敏度温度系数为α，
则温度升高T ?后，负载电阻上的电压为
)
1()1()1()1(0000T R T R BE T K T R R R U in T H out L L ?++?+?+??++=βδαβ
要实现温度补偿，应使0U U =，即
0000000)1()1()1()1(in T H out L L
in T H out L L R R BE K R R R T R T R BE T K T R R R +?+=?++?+?+??++βδαβ消去
R T
R L
二阶小量（即含2β或βδ的项），解得
000))(())((in out
out L out
out L T R R R R R R R R βαδββα++--+-==
为了获得最大的输出功率，可使out L R R =，则
002232in T R R β
αδβ
α+--==
7-9要进行两个电压U1，U2乘法运算，若采用霍尔元件作为运算器，请提出设计方案，并画出测量系统的原理图？
7-10（补充题） 试对利用霍尔式传感器实现转速测量进行解释。
【答】
转盘的输入轴与被测转轴相连，当被测转轴转动时，转盘随之转动，固定在转盘附近的霍尔传感器便可在每一个小磁铁通过时产生一个相应的脉冲，检测出单位时间的脉冲数，便可知被测转速。根据磁性转盘上小磁铁数目多少就可确定传感器测量转速的分辨率。
N -转速；f -信号频率；n -槽数。
8-1 光电效应有哪几种？相对应的光电器件各有哪些？ 【答】
1、光电效应分为外光电效应和内光电效应两大类。内光电效应又可分为光电导效应和光生伏特效应。
2、光电器件
（1）基于外光电效应的光电元件有光电管、光电倍增管、光电摄像管等。 （2）基于光电导效应的光电器件有光敏电阻。
（3）基于光生伏特效应的光电器件有光电池、光敏二极管、三极管。 8-2 试述光敏电阻、光敏二极管、光敏晶体管和光电池的工作原理，在实际应
)/(60分转
?=
n
f
N
用时各有什么特点？
【答】
1、光敏电阻的工作原理
其工作原理是基于光电导效应，其阻值随光照增强而减小。光敏电阻没有极性，纯粹是一个电阻器件，使用时既可加直流电压，也可以加交流电压。
无光照时，光敏电阻值（暗电阻）很大，电路中电流（暗电流）很小。当光敏电阻受到一定波长范围的光照时，它的阻值（亮电阻）急剧减小，电路中电流迅速增大。一般希望暗电阻越大越好，亮电阻越小越好，此时光敏电阻的灵敏度高。实际光敏电阻的暗电阻值一般在兆欧量级，亮电阻值在几千欧以下。
2、光敏二极管的工作原理
在无光照时，处于反偏的光敏二极管工作在截止状态，其反向电阻很大，反向电流很小，这种反向电流称为暗电流。
当有光照射到光敏二极管的PN结时，PN结附近受光子轰击，吸收其能量而产生电子-空穴对，它们在反向电压和内电场的作用下，漂移越过PN结，形成比无光照时大得多的反向电流，该反向电流称为光电流，此时，光敏二极管的反向电阻下降。若入射光的强度增强，产生的电子-空穴对数量也随之增加，光电流也响应增大，即光电流与光照度成正比。
如果外电路接上负载，便可获得随光照强弱变化的信号。光敏二极管的光电流I 与照度之间呈线性关系。光敏二极管的光照特性是线性的，所以适合检测等方面的应用。
3、光敏晶体管的工作原理
大多数光敏晶体管的基极无引出线，当集电极加上相对于发射极为正的电
压而不接基极时，集电结就是反向偏压。
当光照射在集电结时，就会在结附近产生电子—空穴对，光生电子被拉到集电极，基区留下空穴，使基极与发射极间的电压升高，这样便会有大量的电子流向集电极，形成输出电流，且集电极电流为光电流的β倍，所以光敏晶体管有放大作用。
4、光电池的工作原理
硅光电池是在一块N型硅片上用扩散的办法掺入一些P型杂质(如硼)形成PN结。当光照到PN结区时，如果光子能量足够大，将在结区附近激发出电子-空穴对，在N区聚积负电荷，P区聚积正电荷，这样N区和P区之间出现电位差。
若将PN结两端用导线连起来，电路中有电流流过，电流的方向由P区流经外电路至N区。若将外电路断开，就可测出光生电动势。
8-3 光电耦合器件分为哪两类？各有什么用途？
【答】
光电耦合器件分为两类：一类是用于实现电隔离的光电耦合器（又称光电耦合器），另一类是用于检测物体位置或检测有无物体的光电开关（又称光电断续器）。
8-5 如何理解电荷耦合器件有“电子自扫描”作用？ 【答】
面阵CCD 包括x 、y 两个方向用于摄取平面图像，它能存储由光产生的信号电荷。当对它施加特定时序的脉冲时，其存储的信号电荷便可在CCD 内作定向传输而实现自扫描。
8-6 光在光纤中是怎样传输的？对光纤及入射光的入射角有什么要求？ 【答】
1、光在光纤内的全内反射进行传输的，实际工作时需要光纤弯曲，但只要满足全反射条件，光线仍然继续前进。可见这里的光线“转弯”实际上是由光的全反射所形成的。
2、为满足光在光纤内的全内反射， 光入射到光纤端面的入射角θi 应满足
一般光纤所处环境为空气，则n 0=1，这样上式可表示为
8-7 光纤数值孔径NA 的物理意义是什么？对NA 取值大小有什么意义？ 【答】
1、数值孔径是表征光纤集光本领的一个重要参数，即反映光纤接收光量的多少。无论光源发射功率有多大，只有入射角处于2θc 的光椎角内，光纤才能导光。如入射角过大，光线便从包层逸出而产生漏光。
???
?
??-=≤222101arcsin n n n c i θθ2
221arcsin n n c i -=≤θθ
2、光纤的NA 越大，表明它的集光能力越强，一般希望有大的数值孔径，这有利于提高耦合效率； 但数值孔径过大，会造成光信号畸变。所以要适当选择数值孔径的数值，如石英光纤数值孔径一般为0.2~0.4。
8-8 当光纤的n 1=1.46，n 2=1.45，如光纤外部介质的n 0=1，求光在光纤内产生全内反射时入射光的最大入射角c θ的值？ 【解】
根据光纤数值孔径NA 的定义
入射临界角c θ为
08.91706.0arcsin ===arc NA c θ
故，得该种光纤最大入射角为9.80 ，即入射光线必须在与该光纤轴线夹角小于9.80 时才能传播。
8-9 根据图8-43和8-44，说明半导体光吸收型光纤温度传感器的工作原理。 【答】
半导体吸收式光纤传感器测温系统原理图(a)所示：
(a) 半导体吸收式光纤传感器测温系统原理图
输入光纤和输出光纤两端面间夹一片厚度约零点几毫米的半导体光吸收
1706
.045.146.11
sin 2222210=-=-==n n n NA c θ
片，并用不锈钢管加以固定,使半导体与光纤成为一体。它的关键部件是半导体光吸收片。由半导体物理知道，半导体的禁带宽度 E g 随温度 T 增加近似线性地减小，如图(b)所示。
(b) 半导体的禁带宽度与温度的关系 (c) 半导体的透射光强与温度的关系
由图(c)可以看出：半导体的本征吸收限（或吸收边）波长随温度增加
而向长波长的方向位移。
在 T
一定时的情况下，半导体引起的光吸收随着吸收边波长λg 的变短而急剧增加，也即透过率急剧下降，直至光几乎不能穿透半导体。反之，随着吸收边波长λg 的变长，半导体的透光率增大。在光源λ一定的情况下，通过半导体的透射光强随温度 T 的增加而减小。 9-1 简述气敏传元件的工作原理。 【答】
半导体气敏传感器的敏感部分是金属氧化物半导体微结晶粒子烧结体，当它的表面吸附被测气体时，半导体微结晶粒子接触表面的导电电子比例就会
)(g
g g E ch =λλ
发生变化，从而使气敏元件的电阻值随被测气体的浓度而改变。这种反应是可逆的，因而是可重复使用的。
当氧化型气体吸附到N型半导体上，还原型气体吸附到P型半导体上时，将使半导体载流子减少，而使半导体电阻值增大。
当还原型气体吸附到N型半导体上，氧化型气体吸附到P型半导体上时，则半导体载流子增多，使半导体电阻值下降。
9-2 为什么多数气敏元件都附有加热器？
【答】
加热器的作用是将附着在敏感元件表面上的尘埃、油雾等烧掉，加速气体的吸附，从而提高器件的灵敏度和响应速度。加热器的温度一般控制在200~400℃左右。
9-3 什么叫湿敏电阻？湿敏电阻有哪些类型？
【答】
1、湿敏电阻是利用湿敏材料吸收空气中的水分而导致本身电阻值发生变化这一原理而制成的。
2、工业上流行的湿敏电阻主要有：半导体陶瓷湿敏元件、氯化锂湿敏电阻和有机高分子膜湿敏电阻。
9-5
9-6 根据图9-23，说明用色敏传感器测量光波波长（即颜色）的工作原理。
第1章传感器基础理论思考题与习题答案 1.1什么是传感器？（传感器定义） 解：能够感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置，通常由敏感元件、转换元件和调节转换电路组成。 1.2传感器特性在检测系统中起到什么作用？ 解：传感器的特性是指传感器的输入量和输出量之间的对应关系，所以它在检测系统中的作用非常重要。通常把传感器的特性分为两种：静态特性和动态特性。静态特性是指输入不随时间而变化的特性，它表示传感器在被测量各个值处于稳定状态下输入输出的关系。动态特性是指输入随时间而变化的特性，它表示传感器对随时间变化的输入量的响应特性。 1.3传感器由哪几部分组成？说明各部分的作用。 解：传感器通常由敏感元件、转换元件和调节转换电路三部分组成。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分，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电信号的部分，调节转换电路是指将非适合电量进一步转换成适合电量的部分，如书中图1.1所示。 1.4传感器的性能参数反映了传感器的什么关系？静态参数有哪些？各种参数代表什么意 义？动态参数有那些？应如何选择？ 解：在生产过程和科学实验中，要对各种各样的参数进行检测和控制，就要求传感器能感受被测非电量的变化并将其不失真地变换成相应的电量，这取决于传感器的基本特性，即输出—输入特性。衡量静态特性的重要指标是线性度、灵敏度，迟滞和重复性等。意义略（见书中）。动态参数有最大超调量、延迟时间、上升时间、响应时间等，应根据被测非电量的测量要求进行选择。 1.5某位移传感器，在输入量变化5mm时，输出电压变化为300mV，求其灵敏度。 解：其灵敏度 3 3 30010 60 510 U k X - - ?? === ?? 1.6某测量系统由传感器、放大器和记录仪组成，各环节的灵敏度为：S1=0.2mV/℃、
传感器原理及应用 一、单项选择题(每题2分．共40分) 1、热电偶的最基本组成部分是()。 A、热电极 B、保护管 C、绝缘管 D、接线盒 2、为了减小热电偶测温时的测量误差，需要进行的温度补偿方法不包括( )。 A、补偿导线法 B、电桥补偿法 C、冷端恒温法 D、差动放大法 3、热电偶测量温度时( )。 A、需加正向电压 B、需加反向电压 C、加正向、反向电压都可以 D、不需加电压 4、在实际的热电偶测温应用中，引用测量仪表而不影响测量结果是利用了热电偶的哪 个基本定律( )。 A、中间导体定律 B、中间温度定律 C、标准电极定律 D、均质导体定律 5、要形成测温热电偶的下列哪个条件可以不要（）。 A、必须使用两种不同的金属材料； B、热电偶的两端温度必须不同； C、热电偶的冷端温度一定要是零； D、热电偶的冷端温度没有固定要求。 6、下列关于测温传感器的选择中合适的是（）。 A、要想快速测温，应该选用利用PN结形成的集成温度传感器； B、要想快速测温，应该选用热电偶温度传感器； C、要想快速测温，应该选用热电阻式温度传感器； D、没有固定要求。 7、用热电阻测温时，热电阻在电桥中采用三线制接法的目的是( )。 A、接线方便 B、减小引线电阻变化产生的测量误差 C、减小桥路中其他电阻对热电阻的影响 D、减小桥路中电源对热电阻的影响 8、在分析热电偶直接插入热水中测温过程中，我们得出一阶传感器的实例，其中用到了（）。 A、动量守恒； B、能量守恒； C、机械能守恒； D、电荷量守恒； 9、下列光电器件中，基于光电导效应工作的是( )。 A、光电管 B、光敏电阻 C、光电倍增管 D、光电池
温度传感器的应用及原理 温度测量应用非常广泛，不仅生产工艺需要温度控制，有些电子产品还需对它们自身的温度进行测量，如计算机要监控CPU的温度，马达控制器要知道功率驱动IC的温度等等，下面介绍几种常用的温度传感器。 温度是实际应用中经常需要测试的参数，从钢铁制造到半导体生产，很多工艺都要依靠温度来实现，温度传感器是应用系统与现实世界之间的桥梁。本文对不同的温度传感器进行简要概述，并介绍与电路系统之间的接口。 热敏电阻器 用来测量温度的传感器种类很多，热敏电阻器就是其中之一。许多热敏电阻具有负温度系数(NTC)，也就是说温度下降时它的电阻值会升高。在所有被动式温度传感器中，热敏电阻的灵敏度(即温度每变化一度时电阻的变化)最高，但热敏电阻的电阻/温度曲线是非线性的。表1是一个典型的NTC热敏电阻器性能参数。 这些数据是对Vishay-Dale热敏电阻进行量测得到的，但它也代表了NTC热敏电阻的总体情况。其中电阻值以一个比率形式给出(R/R25)，该比率表示当前温度下的阻值与25℃时的阻值之比，通常同一系列的热敏电阻器具有类似的特性和相同电阻/温度曲线。以表1中的热敏电阻系列为例，25℃时阻值为10KΩ的电阻，在0℃时电阻为28.1KΩ，60℃时电阻为4.086KΩ；与此类似，25℃时电阻为5KΩ的热敏电阻在0℃时电阻则为 14.050KΩ。 图1是热敏电阻的温度曲线，可以看到电阻/温度曲线是非线性的。
虽然这里的热敏电阻数据以10℃为增量，但有些热敏电阻可以以5℃甚至1℃为增量。如果想要知道两点之间某一温度下的阻值，可以用这个曲线来估计，也可以直接计算出电阻值，计算公式如下： 这里T指开氏绝对温度，A、B、C、D是常数，根据热敏电阻的特性而各有不同，这些参数由热敏电阻的制造商提供。 热敏电阻一般有一个误差范围，用来规定样品之间的一致性。根据使用的材料不同，误差值通常在1%至10%之间。有些热敏电阻设计成应用时可以互换，用于不能进行现场调节的场合，例如一台仪器，用户或现场工程师只能更换热敏电阻而无法进行校准，这种热敏电阻比普通的精度要高很多，也要贵得多。 图2是利用热敏电阻测量温度的典型电路。电阻R1将热敏电阻的电压拉升到参考电压，一般它与ADC的参考电压一致，因此如果ADC的参考电压是5V，Vref 也将是5V。热敏电阻和电阻串联产生分压，其阻值变化使得节点处的电压也产生变化，该电路的精度取决于热敏电阻和电阻的误差以及参考电压的精度。
《传感器原理及应用》 课程教学大纲(04、05级) 编号： 英文名称：Principles and Applications of Sensor 适用专业：自动化 责任教学单位：电子工程系自动化教研室 总学时：36 学分：2.0 考核形式：考查 课程类别：专业基础课 修读方式：必修 教学目的：本课程主要介绍工程检测中常用的传感器，以及运用这些传感器测量诸如力、压力、温度、位移、物位、转速和振动等参数的方法。使学生在传感器技术方面具有一定的知识，了解工程检测中常用传感器的结构、原理、特性、应用及发展方向。在工作中具有初步选用传感器的能力。 主要教学内容及要求： 一、概述 主要教学内容 1 传感器的组成与分类 2 传感器在科技发展中的重要性 3 传感器技术的发展动向 了解：传感器技术的应用、传感器的分类 二、传感器的一般特性 主要教学内容 1 传感器的静态特性 2 传感器的动态特性 3 传感器动态特性分析 4 传感器的无失真测试条件 了解：传感器的静态特性和动态特性 掌握：传感器的静态特性和动态特性的表述方法。 三、电阻应变式传感器 主要教学内容 1 电阻应变片的工作原理 2 电阻应变片的种类、材料和参数 3 电阻应变片的动态响应特性
4 电阻应变式传感器的温度误差及其补偿 5 电阻应变式传感器的信号调节电路及电阻应变仪 掌握：电阻应变片的工作原理、结构与特点、工作特性和应用。 四、电感式传感器 主要教学内容 1 变磁阻式传感器 2 差动变压器 3 涡流式传感器 掌握：电感式传感器的工作原理、结构与特点、工作特性和应用。 五、电容式传感器 主要教学内容 1 电容式传感器的结构原理及结构形式 2 电容式传感器的等效电路 3 电容式传感器的信号调节电路 4 电容式传感器的应用 了解：电容式传感器的结构与特点 掌握：电容式传感器的工作原理、工作特性和应用。 六、磁电式传感器 主要教学内容 1 磁电式传感器工作原理 2 动圈式磁电传感器 3 磁阻式磁电传感器 了解：开磁路磁阻式转速传感器的组成、结构原理圈和工作原理。 掌握：磁电式传感器的定义及其结构上的两大部分和两种磁路结构。 七、压电式传感器 主要教学内容 1 压电式传感器的工作原理 2 压电材料 3 压电式传感器的等效电路 4 压电式传感器的信号调节电路 了解：影响石英晶体表面电荷密度大小的因素。 掌握：压电效应、石英晶体的纵向压电效应的定义；压电元件的等效电路和电荷放大电路和电路中各元件的意义。 八、光电传感器及应用 主要教学内容 1 内光电效应、常见的光敏元件、光敏元件的应用
20XX 年传感器原理及工程应用考试复习总结—光通信071吴浩2007031062 此为我根据老师给的20XX 年复习大纲，采用老师09、10年课件、网络资料、课本书籍、以及光电子072班同学的复习资料综合整理的最终复习资料，仅供参考，部分内容可能有偏差，请大家找出并纠正及时发到群邮箱。注：由于很多资料课件上没有，但因为时间关系书中的资料就没有打上去，请同学们自己对应书页码查找。 一、考试题型 选择题： 10×3 = 30分 填空题： 2×15 = 30分 原理及测量电路分析： 2×10 = 22分 计算题： 1×10 = 10分 作图题： 1×8 = 8 分 二、范围及重点 第一章 （1） 在测量结果中进行修正；（2）消除系统误差的根源；（3）在测量系统中采用补偿措施；（4）实时反馈修正。 （1）实验对比法 ；（2）残余误差观察法 ；（3）准则检查法。 , 含义各异。主要包括5种：（1）绝对误差：Δ=x-L ；（2）相对误差：δ=Δ/ L ×100%；（3）引用误差:γ=Δ/(测量范围上限- 测量范围下限) ×100%；（4）基本误差；（5常用绝对误差来评定测量准确度；相对误差常用来表示和比较测量结果的准确度；引用误差是仪表中通用的一种误差表示方法，基本误差、附加误差适用于传感器或仪表中。 定方式变化着的误差，称为随机误差。随机误差的特点有：对称性，单峰性，抵偿性和有界性。 如：电磁场的微变、零件的摩擦、间隙，热起伏、空气扰动等、对测量值的综合影响造成的； 1).人为因素；2). 量具因素；3).力量因素；4).测量因素；5).环境因素. 第二章 1.静态特性概念、指标，时域动态特性指标 6个：时间常数τ、延迟时间d t 、上升时间r t 、峰值时间p t 、超调量σ、衰减比d 。 2.传感器的概念、动态特性概念
传感器原理与工程应用习题 一、单项选择题 1、在整个测量过程中，如果影响和决定误差大小的全部因素（条件）始终保持不变，对同一 被测量进行多次重复测量，这样的测量称为（ C ） A．组合测量 B．静态测量 C．等精度测量 D．零位式测量 1.1在直流电路中使用电流表和电压表测量负载功率的测量方法属于（ B ）。 A. 直接测量 B. 间接测量 C. 组合测量 D. 等精度测量 2、1属于传感器动态特性指标的是（ B ） A．重复性 B．固有频率 C．灵敏度 D．漂移 2．1不属于传感器静态特性指标的是（ B ） A．重复性 B．固有频率 C．灵敏度 D．漂移 2.2 以下那一项不属于电路参量式传感器的基本形式的是( D )。 A.电阻式 B.电感式 C.电容式 D.电压式 2.2传感器的主要功能是（ A ）。 A. 检测和转换 B. 滤波和放大 C. 调制和解调 D. 传输和显示 3.电阻式传感器是将被测量的变化转换成( B )变化的传感器。 A.电子 B.电压 C.电感 D.电阻 3.1电阻应变片配用的测量电路中，为了克服分布电容的影响，多采用（ D ）。 A．直流平衡电桥 B．直流不平衡电桥 C．交流平衡电桥D．交流不平衡电桥 3.2电阻应变片的初始电阻数值有多种,其中用的最多的是（ B ）。 A、60Ω B、120Ω C、200Ω D、350Ω 3.3电阻应变片式传感器一般不能用来测量下列那些量（ D ） Ａ、位移Ｂ、压力Ｃ、加速度Ｄ、电流 3.4直流电桥的平衡条件为（ B ） A．相邻桥臂阻值乘积相等 B．相对桥臂阻值乘积相等 C．相对桥臂阻值比值相等 D．相邻桥臂阻值之和相等 3.5全桥差动电路的电压灵敏度是单臂工作时的（ C ）。
信息技术包括计算机技术、通信技术和传感器技术，是现代信息产业的三大支柱。 1．什么是传感器？ 广义：传感器是一种能把特定的信息按一定规律转换成某种可用信号输出的器件和装置。 狭义：能把外界非电信息转换成电信号输出的器件。 国家标准：定义：能够感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。 2．传感器由哪几个部分组成？分别起到什么作用？ 传感器一般由敏感元件、转换原件和基本电路组成。敏感元件感受被测量，转换原件将其响应的被测量转换成电参量，基本电路把电参量接入电路转换成电量。传感器的核心部分是转换原件，转换原件决定传感器的工作原理。 3．传感器的总体发展趋势是什么？传感器的应用情况。 传感器正从传统的分立式朝着集成化、数字化、多功能化，微型化、智能化、网络化和光机电一体化的方向发展，具有高精度、高性能、高灵敏度、高可靠性、高稳定性、长寿命、高信噪比、宽量程和无维护等特点。未来还会有更新的材料，如纳米材料，更有利于传感器的小型化。发展趋势主要体现在这几个方面：发展、利用新效应；开发新材料；提高传感器性能和检测范围；微型化与微功耗；集成化与多功能化；传感器的智能化；传感器的数字化和网络化。 4．了解传感器的分类方法。所学的传感器分别属于哪一类？ 按传感器检测的范畴分类：物理量传感器、化学量传感器、生物量传感器按传感器的输出信号分类：模拟传感器、数字传感器 按传感器的结构分类：结构型传感器、物性型传感器、复合型传感器 按传感器的功能分类：单功能传感器、多功能传感器、智能传感器 按传感器的转换原理分类：机—电传感器、光—电传感器、热—电电传感器、磁—电传感器 电化学传感器 按传感器的能源分类：有源传感器、无源传感器 国标制定的传感器分类体系表将传感器分为：物理量、化学量、生物类传感器
《传感器原理及工程应用》完整版习题答案 第1章 传感与检测技术的理论基础（P26） 1—1：测量的定义？ 答：测量是以确定被测量的值或获取测量结果为目的的一系列操作。 所以, 测量也就是将被测量与同种性质的标准量进行比较， 确定被测量对标准量的倍数。 1—2：什么是测量值的绝对误差、相对误差、引用误差？ 1－ 3 用测量范围为－50～150kPa 的压力传感器测量140kPa 的压力时，传感器测得示值为142kPa ，求该示值的绝对误差、实际相对误差、标称相对误差和引用误差。 解： 已知： 真值L ＝140kPa 测量值x ＝142kPa 测量上限＝150kPa 测量下限＝－50kPa ∴ 绝对误差 Δ＝x-L=142-140=2(kPa) 实际相对误差 ％＝ ＝43.11402 ≈?L δ 标称相对误差 ％＝＝41.1142 2≈?x δ 引用误差 ％－－＝测量上限－测量下限＝ 1) 50(1502 ≈?γ 1－10 对某节流元件（孔板）开孔直径d 20的尺寸进行了15次测量，测量数据如下（单位：mm ）： 120.42 120.43 120.40 120.42 120.43 120.39 120.30 120.40 120.43 120.41 120.43 120.42 120.39 120.39 120.40 试用格拉布斯准则判断上述数据是否含有粗大误差，并写出其测量结果。 答：绝对误差是测量结果与真值之差, 即: 绝对误差=测量值—真值 相对误差是绝对误差与被测量真值之比,常用绝对误差与测量值之比,以百分数表示 , 即: 相对误差=绝对误差/测量值 ×100% 引用误差是绝对误差与量程之比,以百分数表示, 即: 引用误差=绝对误差/量程 ×100%
常用传感器的工作原理及应用
3.1.1电阻式传感器的工作原理 应变：物体在外部压力或拉力作用下发生形变的现象 弹性应变：当外力去除后，物体能够完全恢复其尺寸和形状的应变 弹性元件：具有弹性应变特性的物体 3.1.3电阻应变式传感器 电阻应变式传感器利用电阻应变片将应变转换为电阻值变化的传感器。 工作原理：当被测物理量作用于弹性元件上，弹性元件在力、力矩或压力等的作用下发生变形，产生相应的应变或位移，然后传递给与之相连的应变片，引起应变片的电阻值变化，通过测量电路变成电量输出。输出的电量大小反映被测量的大小。 结构：应变式传感器由弹性元件上粘贴电阻应变片构成。 应用：广泛用于力、力矩、压力、加速度、重量等参数的测量。 1．电阻应变效应 ○
电阻应变片的工作原理是基于应变效应，即导体或半导体材料在外界力的作用下产生机械变形时，其电阻值相应发生变化，这种现象称为“应变效应”。 2．电阻应变片的结构 基片 b l 电阻丝式敏感栅 金属电阻应变片的结构 4．电阻应变式传感器的应用 （1）应变式力传感器 被测物理量：荷重或力 一
二 主要用途：作为各种电子称与材料试验机的 测力元件、 发动机的推力测试、水坝坝体承载状况监测等。 力传感器的弹性元件：柱式、筒式、环式、悬臂式等 （2）应变式压力传感器 主要用来测量流动介质的动态或静态压力 应变片压力传感器大多采用膜片式或筒式 弹性元件。 （3）应变式容器内液体重量传感器 感压膜感受上面液体的压力。 （4）应变式加速度传感器 用于物体加速度的测量。 依据：a =F/m 。 3.2电容式传感器 3.2.1电容式传感器的工作原理 由绝缘介质分开的两个平行金属板组成的 平板电容器，如果不考虑边缘效应，其电容量为 当被测参数变化使得S 、d 或ε发生变化时， 电容量C 也随之变化。 d S C ε=
传感器原理及其应用(李艳红、李海华主编)-部分课后习题
第一章P10 1、2、5、6 1.传感器的定义 答：传感器是一种以一定精确度把被测量（主要是非电量）转换为与之有确定关系、便于应用的某种物理量（主要是电量）的测量装置。 2.传感器组成及作用 答：(1)传感器一般由敏感元件、转换元件、测量电路三部分组成； (2)敏感元件：直接感受被测量，并输出与被测量有确定关系的物理量； 转换元件：将敏感元件输出的非电量转换为电量； 测量电路：将转换元件输出的电量变换成便于显示、记录、控制和处理的信号 3.开环测量系统和闭环测量系统区别 答：开环测量系统(1)信息只沿着一个方向传递(2)系统相对误差等于各环节相对误差之和 (3)结构简单，但每个环节特性变化都会造成测量误差 闭环测量系统(1)有正向通道和反馈通道(2) 输入输出关系由反馈环节 特性决定，测量处理等环
节造成的误差较小 4.测量不确定度及其评定方法 答：(1)测量不确定度：表征合理赋予被测量值的分散性，与测量结果相联系的参数 即结果的可靠性和有效性的怀疑程度(2)不确定度按其评定方法可分为A类评定和B类评定 A类评定是用统计方法进行评定。即对某 被测量进行等精度的独立多次重复测量， 得到一系列的测得值。 B类评定用非统计分析法，它不是由一系 列的测得确定，而是利用影响测得值分布 变化的有关信息和资料进行分析，并对测 量值进行概率分布估计和分布假设的科 学评定 B类评定的信息来源有以下6项： ①以前的观测数据； ②对有关技术资料和测量仪器特性的 了解和经验； ③生产部门提供的技术说明文件； ④校准文件、检定证书或其他文件提供 的数据、准确度的等级或级别，包括
传感器原理及其应用 第一章传感器的一般特性 1）信息技术包括计算机技术、通信技术和传感器技术，是现代信息产业的三大支柱。 2）传感器又称变换器、探测器或检测器，是获取信息的工具 广义：传感器是一种能把特定的信息（物理、化学、生物）按一定规律转换成某种可用信号输出的器件和装置。 狭义：能把外界非电信息转换成电信号输出的器件。 国家标准（GB7665-87）：定义：能够感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。 3）传感器的组成： 敏感元件是直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的某一物理量的元件。 转换元件：将敏感元件输出的非电物理量转换成电路参数或电量。 基本转换电路：上述电路参数接入基本转换电路（简称转换电路），便可转换成电量输出。 4）传感器的静态性能指标 （1）灵敏度 定义: 传感器输出量的变化值与相应的被测量（输入量）的变化值之比, 传感器输出曲线的斜率就是其灵敏度。 ①纯线性传感器灵敏度为常数，与输入量大小无关；②非线性传感器灵敏度与x有关。（2）线性度 定义:传感器的输入-输出校准曲线与理论拟合直线之间的最大偏离与传感器满量程输出之比，称为传感器的“非线性误差”或“线性度”。 线性度又可分为： ①绝对线性度：为传感器的实际平均输出特性曲线与理论直线的最大偏差。 ②端基线性度：传感器实际平均输出特性曲线对端基直线的最大偏差。 端基直线定义：实际平均输出特性首、末两端点的连线。 ③零基线性度：传感器实际平均输出特性曲线对零基直线的最大偏差。 ④独立线性度：以最佳直线作为参考直线的线性度。 ⑤最小二乘线性度：用最小二乘法求得校准数据的理论直线。 （3）迟滞 定义：对某一输入量，传感器在正行程时的输出量不同于其在反行程时的输出量，这一现象称为迟滞。 即：传感器在正(输入量增大)反（输入量减小）行程中输出输入曲线不重合称为迟滞。 （4）重复性 定义：在相同工作条件下，在一段短的时间间隔内，同一输入量值多次测量所得的输
第二章传感器概述 1、传感器是能感受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。 2、传感器是由敏感原件和转换原件组成 3、两种分类方法：一种是按被测参数分类，一种是按传感器工作原理分类 4、传感器的基本特性可分为静态特性和动态特性 5、静态特性是指被测量的值处于稳定状态时输入与输出的关系。主要指标有灵敏度、线性度、迟滞、重复性和漂移等。 6、灵敏度是输出量增量ΔY与引起输出量增量ΔY的相应输入量增量ΔX之比。用S表示即S=ΔY\ΔX。 7、线性度是指传感器的输入与输出之间数量关系的线性程度。也叫非线性误差用γL 表示即γL= 8、传感器在相同工作条件下输入量由小到大（正量程）及由大到小（反量程）变化期间输入输出特性曲线不重合的现象称为迟滞。迟滞误差用 9、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做全量程连续多次变化时，所得特性曲线不一致的程度。最大重复差值 10、漂移是指输入量不变的情况下传感器输出量随着时间变化。产生漂移的原因有两个一是传感器自身结构参数一是周围环境。温度漂移的计算 第三章应变式传感器 1、电阻应变式传感器是以电阻应变片为转换原件的传感器。 2、工作原理是基于电阻应变效应，即导体在外界作用下产生机械变形（拉伸或压缩）是，其电阻值相应发生变化（应变效应）。 3、电阻应变片分为丝式电阻应变片和箔式电阻应变片。 4、电阻在外力作用下而改变原来尺寸或形状的现象称为变形，而去掉外力后物体又能完全恢复其原来的尺寸和形状，这种变形称为弹性变形。具有弹性变形特性的物体称为弹性原件。 5、应变片的电阻值是指应变片没有粘贴且未受应变时，在室温下测定的电阻值即初始电阻值。 6、将直的电阻丝绕成敏感栅后，虽然长度不变，但应变状态不同，应变片敏感栅的电阻变化减小，因而其灵敏系数K较整长电阻丝的灵敏系数K0小，这种现象称为应变片的横向效应。为了减少横向效应产生的测量误差，现在一半多采用箔式应变片。 7、应变片温度误差：由于测量现场环境温度的改变而给测量带来的附加误差。产生的主要因素有以下两个方面：一是电阻温度系数的影响，一是试件材料和电阻丝材料的线膨胀系数的影响。 8、电阻应变片的温度补偿方法：1）线路补偿法2）应变片的自补法9***电阻应变片的测量电路10、压阻效应是指在一块半导体的某一轴向施加一定的压力时，其电阻值产生变化现象， 第四章电感式传感器 1、利用电磁感应原理将被测非电量如、位移、压力、流量、振动等转换成线圈自感系数L或互感系数M的变化，再由测量电路转换为电压或电流的变化量输出，这种装置称为电感式传感器。 2、零点残余电压：传感器在零点位移时的输出电压。产生原因主要有以下两点一是由于两电感线圈的电气参数及导磁体几何尺寸不完全对称，因此在两电感线圈上的电压幅值和相位不同，从而形成了零点残余电压的基波分量。一是由于传感器导磁材料磁化曲线的非线性（如铁磁饱和，磁滞损耗）使得激励电流与磁通波形不一致，从而形成了零点残余电压的高次谐波分量。为减小电感式传感器的零点残余电压，可以采取以下措施1）在设计和工艺上，力求做到磁路对称，铁芯材料均匀；要经过热处理以除去机械应力和改善磁性；两线圈毕恭毕敬绕制要均匀，力求几何尺寸与电气特性保持一致。2）在电路上进行补偿。 3、把被测的非电量变化转化为线圈互感变化的传感器称为互感式传感器。这种传感器
第1章传感器基础理论思考题与习题答案 什么是传感器（传感器定义） 解：能够感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置，通常由敏感元件、转换元件和调节转换电路组成。 传感器特性在检测系统中起到什么作用 解：传感器的特性是指传感器的输入量和输出量之间的对应关系，所以它在检测系统中的作用非常重要。通常把传感器的特性分为两种：静态特性和动态特性。静态特性是指输入不随时间而变化的特性，它表示传感器在被测量各个值处于稳定状态下输入输出的关系。动态特性是指输入随时间而变化的特性，它表示传感器对随时间变化的输入量的响应特性。 传感器由哪几部分组成说明各部分的作用。 解：传感器通常由敏感元件、转换元件和调节转换电路三部分组成。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分，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电信号的部分，调节转换电路是指将非适合电量进一步转换成适合电量的部分，如书中图所示。 传感器的性能参数反映了传感器的什么关系静态参数有哪些各种参数代表什么意义动态参数有那些应如何选择 解：在生产过程和科学实验中，要对各种各样的参数进行检测和控制，就要求传感器能感受被测非电量的变化并将其不失真地变换成相应的电量，这取决于传感器的基本特性，即输出—输入特性。衡量静态特性的重要指标是线性度、灵敏度，迟滞和重复性等。意义略（见书中）。动态参数有最大超调量、延迟时间、上升时间、响应时间等，应根据被测非电量的测量要求进行选择。 某位移传感器，在输入量变化5mm时，输出电压变化为300mV，求其灵敏度。 解：其灵敏度 3 3 30010 60 510 U k X - - ?? === ?? 某测量系统由传感器、放大器和记录仪组成，各环节的灵敏度为：S1=℃、S2=mV、S3=V，求系统的总的灵敏度。 某线性位移测量仪，当被测位移由变到时，位移测量仪的输出电压由减至，求该仪器的灵敏度。
传感器原理及应用总结 ?传感器一般由敏感元件、转换元件、转换电路三部分组成。 ?传感器的基本特性通常用其静态特性和动态特性来描述。 ?电阻传感器的基本原理是将各种被测非电量转为对电阻的变化量的测量，从而达到测量的目的。 ?金属丝电阻应变片与半导体应变片的工作原理主要区别在于前者利用导体形变引起电阻变化、后者利用半导体电阻率变化引起电阻变化。 ?金属丝在外力作用下发生机械形变时它的电阻值将发生变化，这种现象称应变效应；半导体或固体受到作用力后电阻率要发生变化，这种现象称压阻效应。直线的电阻丝绕成敏感栅后，长度相同但应变不同，圆弧部分使灵敏度K下降了，这种现象称为横向效应。 ?光电开关和光电断续器是开关式光电传感器的常用器件，主要用来检测物体的靠近、通过等状态。?光电式传感器由光源、光学元器件和光电元器件组成光路系统，结合相应的测量转换电路而构成。?硅光电池的光电特性中，光照度与其短路电流呈线性关系。 ?光敏二极管的结构与普通二级管类似。它是在反向电压下工作的。 ?压电传感元件是一种力敏感元件，它由压电传感元件和测量转换电路组成。 ?压电式传感器的工作原理是基于某些电介质材料的压电效应。它是典型的有源传感器。 ?压电材料在使用中一般是两片以上，在以电荷作为输出的地方一般是把压电元件并联起来，而当以电压作为输出的时候则一般是把压电元件串联起来。 ?差动电感式传感器与单线圈电感式传感器相比，线性好、灵感度提高一倍、测量精度高。 ?螺线管式差动变压器式传感器理论上讲，衔铁位于中心位置时输出电压为零，而实际上差动变压器输出电压不为零，我们把这个不为零的电压称为零点残余电压；利用差动变压器测量位移时如果要求区别位移方向（或正负）可采用相敏检波电路。 ?差动变压器式传感器理论上讲，衔铁位于中心位置时输出电压为零，而实际上差动变压器输出电
第1章 传感器的一般特性 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。 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。 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？ 1.4 传感器的动态特性指什么？常用的分析方法有哪几种？ 1.5 传感器的标定有哪几种？为什么要对传感器进行标定？ 1.6 某传感器给定精度为2%F·S ，满度值为50mV ，零位值为10mV ，求可能出现的最大误差δ(以mV 计)。当传感器使用在满量程的1/2和1/8时，计算可能产生的测量百分误差。由你的计算结果能得出什么结论? 解：满量程（F?S ）为50﹣10=40(mV) 可能出现的最大误差为： δ＝40?2%=0.8(mV) 当使用在1/2和1/8满量程时，其测量相对误差分别为： % 4%10021408.01=??=γ % 16%10081408 .02=??=γ 结论：测量值越接近传感器（仪表）的满量程，测量误差越小。 1.7 有两个传感器测量系统，其动态特性可以分别用下面两个微分方程描述，试求这两个系统的时间常数τ和静态灵敏度K 。 1) T y dt dy 5105.1330 -?=+ 式中, y ——输出电压，V ；T ——输入温度，℃。 2) x y dt dy 6.92.44 .1=+ 式中，y ——输出电压，μV ；x ——输入压力，Pa 。 解：根据题给传感器微分方程，得 (1) τ=30/3=10(s)， K=1.5 10 5/3=0.5 10 5(V/℃)； (2) τ=1.4/4.2=1/3(s)， K=9.6/4.2=2.29(μV/Pa)。 1.8 已知一热电偶的时间常数τ=10s ，如果用它来测量一台炉子的温度，炉内温度在540℃至500℃之间接近正弦曲线波动，周期为80s ，静态灵敏度K=1。试求该热电偶输出的最大值和最小值。以及输入与输出之间的相位差和滞后时间。 解：依题意，炉内温度变化规律可表示为 x(t) =520+20sin(ωt)℃ 由周期T=80s ，则温度变化频率f =1/T ，其相应的圆频率 ω=2πf =2π/80=π/40； 温度传感器（热电偶）对炉内温度的响应y(t)为 y(t)=520+Bsin(ωt+?)℃ 热电偶为一阶传感器，其动态响应的幅频特性为 ()()786 010******** 2 2 .B A =??? ? ???π+= ωτ+== ω 因此，热电偶输出信号波动幅值为 B=20?A(ω)=20?0.786=15.7℃ 由此可得输出温度的最大值和最小值分别为 y(t)|m ax =520+B=520+15.7=535.7℃ y(t)|m in =520﹣B=520-15.7=504.3℃ 输出信号的相位差?为 ?(ω)= -arctan(ωτ)= -arctan(2π/80?10)= -38.2? 相应的时间滞后为
《传感器原理及工程应用》习题答案 第1章 传感与检测技术的理论基础（P26） 1－3 用测量围为－50～150kPa 的压力传感器测量140kPa 的压力时，传感器测得示值为142kPa ，求该示值的绝对误差、实际相对误差、标称相对误差和引用误差。 解： 已知： 真值L ＝ 140kPa 测量值 x ＝142kPa 测量上限＝150kPa 测量下限＝－50kPa ∴ 绝对误差 Δ＝x-L=142-140=2(kPa) 实际相对误差 ％＝ ＝43.1140 2 ≈?L δ 标称相对误差 ％＝ ＝41.1142 2 ≈?x δ引用误差 ％－－＝测量上限－测量下限＝ 1)50(1502≈?γ
1－10 对某节流元件（孔板）开孔直径d 20的尺寸进行了15次测量，测量数据如下（单位：mm ）： 120.42 120.43 120.40 120.42 120.43 120.39 120.30 120.40 120.43 120.41 120.43 120.42 120.39 120.39 120.40 试用格拉布斯准则判断上述数据是否含有粗大误差，并写出其测量结果。 解： 对测量数据列表如下： 当n ＝15时，若取置信概率P ＝0.95，查表可得格拉布斯系数G ＝2.41。 则 2072.410.03270.0788()0.104d G mm v σ=?=<=-， 所以7d 为粗大误差数据，应当剔除。然后重新计算平均值和标准偏差。 当n ＝14时，若取置信概率P ＝0.95，查表可得格拉布斯系数G ＝2.37。 则 20 2.370.01610.0382()d i G mm v σ=?=>，所以其他14个测量值中没有坏值。 计算算术平均值的标准偏差 20 0.0043()d mm σσ= = = 20 330.00430.013()d mm σ=?= 所以，测量结果为：20(120.4110.013)()(99.73%)d mm P =±= 1－14 交流电路的电抗数值方程为
《传感器原理及应用》复习题 1.静态特性指标其中的线性度的定义是指 2．传感器的差动测量方法的优点是减小了非线性误差、提高了测量灵敏度。 3. 对于等臂半桥电路为了减小或消除非线性误差的方法可以采用提高桥臂比，采用差动电桥的方法。 4.高频反射式电涡流传感器实际是由线圈和被测体或导体两个部分组成的系统，两者之间通过电磁感应相互作用，因此，在能够构成电涡流传感器的应用场合中必须存在金属材料。 5. 霍尔元件需要进行温度补偿的原因是因为其霍尔系数和材料电阻 受温度影响大。使用霍尔传感器测量位移时，需要构造一个磁场。 6.热电阻最常用的材料是铂和铜，工业上被广泛用来测量中低温区的温度，在测量温度要求不高且温度较低的场合，铜热电阻得到了广泛应用。 7.现有霍尔式、电涡流式和光电式三种传感器，设计传送带上塑料零件的计数系统时，应选其中的光电传感器。需要测量某设备的外壳温度，已知其范围是300~400℃，要求实现高精度测量，应该在铂铑-铂热电偶、铂电阻和热敏电阻中选择铂电阻。 8. 一个二进制光学码盘式传感器，为了达到1″左右的分辨力，需要采用 或位码盘。一个刻划直径为400 mm的20位码盘，其外圈分别间隔为稍大于μm。 9.非功能型光纤传感器中的光纤仅仅起传输光信息的作用，功能型光纤传感器是把光纤作为敏感元件。光纤的NA值大表明集光能力强。 11.光照使半导体电阻率变化的现象称为内光电效应，基于此效应的器件除光敏电阻外还有处于反向偏置工作状态的光敏二极管。光敏器件的灵敏度可用光照特性表征，它反映光电器件的输入光量与输出光电流(电压)之间的关系。选择光电传感器的光源与光敏器件时主要依据器件的光谱特性。 12.传感器一般由敏感元件 _、转换元件 ___、测量电路及辅助电源四个部分组成。 13．传感器的灵敏度是指稳态标准条件下，输出变化量与输入变化量的比值。对线性传感器来说，其灵敏度是一常数。
习题集及答案 第1章概述 1.1 什么是传感器？按照国标定义，“传感器”应该如何说明含义？ 1.2 传感器由哪几部分组成？试述它们的作用及相互关系。 1.3传感器如何分类？按传感器检测的畴可分为哪几种？ 答案 1.1答： 从广义的角度来说，感知信号检出器件和信号处理部分总称为传感器。我们对传感器定义是：一种能把特定的信息（物理、化学、生物）按一定规律转换成某种可用信号输出的器件和装置。从狭义角度对传感器定义是：能把外界非电信息转换成电信号输出的器件。 我国国家标准（GB7665—87）对传感器（Sensor/transducer）的定义是：“能够感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件和装置”。定义表明传感器有这样三层含义：它是由敏感元件和转换元件构成的一种检测装置；能按一定规律将被测量转换成电信号输出；传感器的输出与输入之间存在确定的关系。按使用的场合不同传感器又称为变换器、换能器、探测器。 1.2答： 组成——由敏感元件、转换元件、基本电路组成； 关系，作用——传感器处于研究对象与测试系统的接口位置，即检测与控制之首。传感器是感知、获取与检测信息的窗口，一切科学研究与自动化生产过程要获取的信息都要通过传感器获取并通过它转换成容易传输与处理的电信号，其作用与地位特别重要。 1.3答：（略）答： 按照我国制定的传感器分类体系表，传感器分为物理量传感器、化学量传感器以及生物量传感器三大类，含12个小类。按传感器的检测对象可分为：力学量、热学量、流体量、光学量、电量、磁学量、声学量、化学量、生物量、机器人等等。 第3章电阻应变式传感器 3.1 何为电阻应变效应？怎样利用这种效应制成应变片？ 3.2 图3-31为一直流电桥，负载电阻R L趋于无穷。图中E=4V，R1=R2=R3=R4=120Ω，试 求：① R1为金属应变片，其余为外接电阻，当R1的增量为ΔR1=1.2Ω时，电桥输出电压U0=? ②R1、R2为金属应变片，感应应变大小变化相同，其余为外接电阻，电桥输出电压U0=? ③R1、R2为金属应变片，如果感应应变大小相反，且ΔR1=ΔR2 =1.2Ω，
第一章传感与检测技术的理论基础 1. 什么是测量值的绝对误差、相对误差、引用误 差？ 答：某量值的测得值和真值之差称为绝对误差。 相对误差有实际相对误差和标称相对误差两种表示方法。实际相对误差是绝对误差与被测量的真值之比；标称相对误差是绝对误差与测得值之比。 引用误差是仪表中通用的一种误差表示方法，也用相对误差表示，它是相对于仪表满量程的一种误差。引用误差是绝对误差（在仪表中指的是某一刻度点的示值误差）与仪表的量程之比。 2. 什么是测量误差？测量误差有几种表示方法？ 它们通常应用在什么场合？ 答：测量误差是测得值与被测量的真值之差。 测量误差可用绝对误差和相对误差表示，引用误差也是相对误差的一种表示方法。
在实际测量中，有时要用到修正值，而修正值是与 绝对误差大小相等符号相反的值。在计算相对误差时 也必须知道绝对误差的大小才能计算。 采用绝对误差难以评定测量精度的高低，而采用相 对误差比较客观地反映测量精度。 引用误差是仪表中应用的一种相对误差，仪表的精 度是用引用误差表示的。 3. 用测量范围为-50?+150kPa 的压力传感器测量 140kPa 压力时，传感器测得示值为142kPa,求该示 值的绝对误差、实际相对误差、标称相对误差和引 用误差。 解：绝对误差 ,142-140 = 2 kPa 4. 什么是随机误差？随机误差产生的原因是什 么？如何减小随机误差对测量结果的影响？ 答：在同一测量条件下，多次测量同一被测量时，其 绝对值和符号以不可预定方式变化着的误差称为随机 误差。 实际相对误差 标称相对误差 引用误差 142 -140 0 = ------------------- 140 100% =1.43% 142-140 100% =1.41% 142 142 -140 150 -（ - 汉1 0 80 =1%
传感器（原理及典型应用） 编稿：张金虎审稿：代洪 【学习目标】 1．知道什么是传感器，常见的传感器有哪些。 2．了解一些传感器的工作原理和实际应用。 3．了解传感器的应用模式，能够运用这一模式去理解传感器的实际运用。 4．了解传感器在生活、科技中的运用和发挥的巨大作用。 【要点梳理】 要点一、传感器 1．现代技术中，传感器是指这样一类元件：它能够感受诸如力、温度、光、声、化学成分等非电学量，并能把它们按照一定的规律转换为电压、电流等电学量，或转化为电路的通断。把非电学量转换为电学量以后，就可以很方便地进行测量、传输、处理和控制了。 2．传感器原理 传感器感受的通常是非电学量，如压力、温度、位移、浓度、速度、酸碱度等，而它输出的通常是电学量，如电压值、电流值、电荷量等，这些输出信号是非常微弱的，通常要经过放大后，再送给控制系统产生各种控制动作。传感器原理如下图所示。 3．传感器的分类 常用传感器是利用某些物理、化学或生物效应进行工作的。根据测量目的不同，可将传感器分为物理型、化学型和生物型三类。 物理型传感器是利用被测量物质的某些物理性质（如电阻、电压、电容、磁场等）发生明显变化的特性制成的，如光电传感器、力学传感器等。 化学型传感器是利用能把化学物质的成分、浓度等化学量转换成为电学量的敏感元件制成的。 生物型传感器是利用各种生物或生物物质的特性做成的，用以检测与识别生物体内化学成分的传感器，生物或生物物质主要是指各种酶、微生物、抗体等，分别对应酶传感器、微生物传感器、免疫传感器等等。 要点二、光敏电阻 光敏电阻能够把光照强弱这个光学量转换为电阻大小这个电学量，一般随光照的增强电阻值减小。 要点诠释：光敏电阻是用半导体材料制成的，硫化镉在无光时，载流子（导电电荷）极少，导电性能不好，随着光照的增强，载流子增多，导电性能变好。 要点三、热敏电阻和金属热电阻 1．热敏电阻 热敏电阻用半导体材料制成，其电阻值随温度变化明显。如图为某一热敏电阻的电阻—温度特性曲线。
复习 一、填空（在下列括号中填入适当的词汇，使其原理成立） 1、传感器的灵敏度是指稳态标准条件下，输出变化量与输入变化量的比值。对线性传感器来说，其灵敏度是常数。 2．用石英晶体制作的压电式传感器中，晶面上产生的电荷与作用在晶面上的压强成正比，而与晶片几何尺寸和面积无关。 3、有源滤波器由集成运放和__ RC网络__ 组成。 4、采用热电阻作为测量温度的元件是将温度的测量转换为电阻的测量。 5、单线圈螺线管式电感传感器主要由线圈、铁磁性外壳和可沿线圈轴 向移动的活动铁心。 6、被测非电量的变化转换成线圈互感变化的互感式传感器是根据变压器 的基本原理制成的，其次级绕组都用同名端反向形式连接，所以又叫差动变压器式传感器。 7．闭磁路变隙式电感传感器工作时，衔铁与被测物体连接。当被测物体移动时，引起磁路中气隙尺寸发生相对变化，从而导致圈磁阻的变化。 8、动态标定的目的，是检验测试传感器的动态性能指标。 9、在电阻应变片公式，dR/R=(1+2μ)ε+λEε中，λ代表__ 材料压阻系数。 10、已知某铜热电阻在0℃时的阻值为50Ω，则其分度号是CU50 ，对于镍铬-镍硅热电偶其正极是镍铬。 11、红外图像传感器由红外敏感元件和电子扫描电路组成。 12、空气介质变隙式电容传感器中，提高灵敏度和减少非线性误差是矛盾的，为此实际中大都采用差动式电容传感器。 13、当半导体材料在某一方向承受应力时，它的电阻率发生显着变化的现象称为半导体压阻效应。 14．影响金属导电材料应变灵敏系数K。的主要因素是导电材料几何尺寸的变化。 15．为了测得比栅距W更小的位移量，光栅传感器要采用细分技术。 16．若测量系统无接地点时，屏蔽导体应连接到信号源的接地端 1、在以下几种传感器当中( 压电式)属于自发电型传感器。 2．下列被测物理量适合于使用红外传感器进行测量的是（温度）。 3、在热电偶测温回路中经常使用补偿导线的最主要的目的是( C )。 C．将热电偶冷端延长到远离高温区的地方 4、利用相邻双臂桥检测的应变式传感器，为使其灵敏度高、非线性误差小，( A )。 A．两个桥臂应当分别用应变量变化相反的工作应变片