浙江工业大学之江学院010/011 学年
第二学期《传感技术与信号处理》期终试卷
（考试类型：闭卷）
班级姓名学号
一、填空( 每空1.5分共45分)
1．通常把频谱中作为信号的频宽，称为1/10法则；对于有跃变的信号，取作为频宽。
2.测试装置的灵敏度愈高，测量范围往往愈________，稳定性愈______。
3.若要信号在传输过程中不失真，测试系统的输出和输入的幅频特性必须满足（表达式）__________________，相频频特性必须满足（表达式）__________________。
4.为了消除应变片的温度误差，可采用的温度补偿措施包括：、、
和。
5. 电感式传感器按工作原理可分为_______________、________________和电涡流式三种。
6.为了提高极距变化式电容传感器的灵敏度，应_______初始间隙。但初始间隙过_______时，一方面使测量范围_______，另一方面容易使_______击穿。
7.压电式传感器测量电路的前置放大器有_________________和_________________两种，_________________作为前置放大器时压电式传感器输出信号与测量导线的距离无关。
8. 光电耦合器是由一个和一个共同封装在一个外壳内组成的复合型转换元件，又称为。
9.光栅传感器中莫尔条纹的一个重要特性是具有位移放大作用。如果两个光栅距相等，即W=0.02mm，其夹角θ=0.1°，则莫尔条纹的宽度B=_____________莫尔条纹的放大倍数K=_____________。
10.热电偶产生热电势必须具备的基本条件是 ____________、____________。
11.霍尔式传感器为______ _______在磁场中有电磁效应（霍尔效应）而输出电势的。霍尔式元件的电路符号图为：_________________。
14.热电动势由两部分电动势组成，一部分是两种导体的________电动势，另一部分是单一导体的______电动势。
二、简答题（每小题5分，共25分）
1．设一弹性梁上贴有两个工作应变片R A 和R B ，两应变片的应变值相等。(1) 若两应变片同时受拉（压）， 当采用半桥接法时，R A 和R B 应如何安排才能使输出电压为单臂接法时的两倍？(2)若两个应变片一 个受拉、一个受压，当采用半桥接法时，电桥应如何连接才能使输出电压为单臂接法时的两倍？请分别 画出电路图。
2. 量程为10A 的0.5级电流表经检测在示值5A 处的示值误差最大，其值为15mA ，问该表是否合格？为什么？
3. 影响极距变化型电容式传感器灵敏度的因素有哪些？为提高其灵敏度可以采取什么措施？
4. 已知信号0()cos(2/3)x t A f t ππ=-，试绘制信号的频谱。
5．用镍铬-镍硅势电偶测量某低温箱温度，把热电偶直接与电位差计相连接。在某时刻，从电位差计测得热电热为-1.12mv ，此时电位差计所处的环境温度为24℃，试求该时刻温箱的温度是多少度？ 镍铬-镍硅热电偶分度表如下表。 测量端温度℃ 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
热
电
动
势
(mv)
-20 -0.77 -0.81 -0.84 -0.88 -0.92 -0.96 -0.99 -1.03 -1.07 -1.10 -10 -0.39 -0.43 -0.47 -0.51 -0.55 -0.59 -0.62 -0.66 -0.70 -0.74 -0 -0.00 -0.04 -0.08 -0.12 -0.16 -0.20 -0.23 -0.27 -0.31 -0.35 +0 0.00 0.04 0.08 0.12 0.16 0.20 0.24 0.28 0.32 0.36 +10 0.40 0.44 0.48 0.52 0.56 0.60 0.64 0.68 0.72 0.76 +20
0.80 0.84 0.88 0.92 0.96 1.00 1.04 1.08 1.12 1.16
三、计算题（每小题15分，共30分）
1．求指数函数)0,0()(≥>=-t a A t x e
at
的频谱。
2.有一吊车的拉力传感器如图所示，电阻应变片R1、R2、R3、R4等截面轴上，已知R1—R4标称阻值为120Ω，灵敏度系数为2；桥路电压2V，物重10kN，拉力传感器弹性元件的横截面面积为1002
m m，泊松比为0.1，弹性模量E＝2.1×1011Pa。请画出应变片电桥电路，计算出测得的输出电压及R1应变片电阻变化量。
第1章 传感器与检测技术基础 1.某线性位移测量仪，当被测位移由4.5mm 变到5.0mm 时，位移测量仪的输出电压由3.5V 减至 2.5V ，求该仪器的灵敏度。 解：该仪器的灵敏度为 25 .40.55.35.2-=--=S V/mm 2.某测温系统由以下四个环节组成，各自的灵敏度如下： 铂电阻温度传感器： 0.45Ω/℃ 电桥： 0.02V/Ω 放大器： 100(放大倍数) 笔式记录仪： 0.2cm/V 求：(1)测温系统的总灵敏度； (2)记录仪笔尖位移4cm 时，所对应的温度变化值。 解： （1）测温系统的总灵敏度为 18.02.010002.045.0=???=S cm/℃ （2）记录仪笔尖位移4cm 时，所对应的温度变化值为 22.2218 .04==t ℃ 6.有三台测温仪表，量程均为0~800℃，精度等级分别为2.5级、2.0级和1.5级，现要测量500℃的温度，要求相对误差不超过2.5％，选那台仪表合理? 解：2.5级时的最大绝对误差值为20℃，测量500℃时的相对误差为4％；2.0级时的最大绝对误差值为16℃，测量500℃时的相对误差为3.2％；1.5级时的最大绝对误差值为12℃，测量500℃时的相对误差为2.4％。因此，应该选用1.5级的测温仪器。 10.试分析电压输出型直流电桥的输入与输出关系。 答：如图所示，电桥各臂的电阻分别为R 1、 R 2、 R 3、R 4。U 为电桥的直流电源电压。当四臂电阻R 1=R 2=R 3=R 4=R 时，称为等臂电桥；当R 1=R 2=R ,R 3=R 4=R ’(R ≠R ’)时，称为输出对称电桥；当R 1=R 4=R ，R 2=R 3 =R ’(R ≠R ’)时，称为电源对称电桥。 D 直流电桥电路 当电桥输出端接有放大器时，由于放大器的输入阻抗很高，所以可以认为电桥的负载电阻为无穷大，这时电桥
《传感器与检测技术》试题 一、填空：（20分） 1，测量系统的静态特性指标主要有线性度、迟滞、重复性、分辨力、稳定性、温度稳定性、各种抗干扰稳定性等。（2分） 2.霍尔元件灵敏度的物理意义是表示在单位磁感应强度相单位控制电流时的霍尔电势大小。 3、光电传感器的理论基础是光电效应。通常把光线照射到物体表面后产生的光电效应分为三类。第一类是利用在光线作用下光电子逸出物体表面的外光电效应,这类元件有光电管、光电倍增管；第二类是利用在光线作用下使材料内部电阻率改变的内光电 效应，这类元件有光敏电阻；第三类是利用在光线作用下使物体内部产生一定方向电动势的光生伏特效应，这类元件有光电池、光电仪表。 4.热电偶所产生的热电势是两种导体的接触电势和单一导体的温差电势组成的，其表达式为Eab （T ，To ）=T B A T T B A 0d )(N N ln )T T (e k 0σ-σ?+-。在热电偶温度补偿中补偿导线法（即冷端延长线法）是在连接导线和热电偶之间，接入延长线，它的作用是将热电偶的参考端移至离热源较远并且环境温度较稳定的地方，以减小冷端温度变化的影响。 5.压磁式传感器的工作原理是：某些铁磁物质在外界机械力作用下，其内部产生机械压力，从而引起极化现象，这种现象称为正压电效应。相反，某些铁磁物质在外界磁场的作用下会产生机械变形，这种现象称为负压电效应。（2分） 6. 变气隙式自感传感器，当街铁移动靠近铁芯时，铁芯上的线圈电感量（①增加②减小③不变）（2分） 7. 仪表的精度等级是用仪表的（① 相对误差 ② 绝对误差 ③ 引用误差）来表示的（2分） 8. 电容传感器的输入被测量与输出被测量间的关系，除（① 变面积型 ② 变极距型 ③ 变介电常数型）外是线性的。（2分） 9. 电位器传器的（线性），假定电位器全长为Xmax, 其总电阻为Rmax ，它的滑臂间的阻值可以用Rx = （① Xmax/x Rmax,②x/Xmax Rmax ,③ Xmax/XRmax ④X/XmaxRmax ）来计算。 10、变面积式自感传感器，当衔铁移动使磁路中空气缝隙的面积增大时，铁心上线圈的电感量（①增大，②减小，③不变）。 11、在平行极板电容传感器的输入被测量与输出电容值之间的关系中，（①变面积型，②变极距型，③变介电常数型）是线性的关系。 12、在变压器式传感器中，原方和副方互感M 的大小与原方线圈的匝数成（①正比，②反比，③不成比例），与副方线圈的匝数成（①正比，②反比，③不成比例），与回路中磁阻成（①正比，②反比，③不成比例）。 13、传感器是能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，传感器通常由直接响应于被测量的敏感元件 和产生可用信号输出的转换元件以及相应的信号调节转换电路组成。 14、热电偶所产生的热电势是由两种导体的接触电势和单一导体的温差电势组成。 15、电阻应变片式传感器按制造材料可分为① _金属_ 材料和②____半导体__体材料。它们在受到外力作用时电阻发生变化，其中①的电阻变化主要是由 _电阻应变效应 形成的，而②的电阻变化主要是由 温度效应造成的。 半导体 材料传感器的灵敏度较大。 16、在变压器式传感器中，原方和副方互感M 的大小与 绕组匝数 成正比，与 穿过线圈的磁通_成正比，与磁回路中 磁阻成反比。 17.磁电式传感器是利用导体和磁场发生相对运动而在导体两端 产生感应电势的。而霍尔式传感器为霍尔元件在磁场中有电磁效应（霍尔效应）而输出电势的。霍尔式传感器可用来测量电流，磁场，位移，压力。（6分） 18.测量系统的静态特性指标通常用输入量与输出量的对应关系来表征（5分） 简答题 1 简述热电偶的工作原理。（6分）
几种常见传感器总结 1、红外对管： 红外对管是根据红外辐射式传感器原理制作的一种红外对射式传感器。与一般红外传感器一样，红外对管也由三部分构成：光学系统（发射管）、探测器（接收管）、信号调理及输出电路。红外探测器是利用红外辐射与物质相互作用所呈现的物理效应来探测红外辐射的。在此接收管通过对发射管所发出的红外线做出反应实现，实现信号的采集，再通过后续信号处理电路完成信号的采集和输出。 2、霍尔传感器： 霍尔传感器是基于霍尔效应的一种传感器。霍尔效应是指置于磁场中的静止载流导体, 当它的电流方向与磁场方向不一致时, 载流导体上平行于电流和磁场方向上的两个面之间产生电动势的现象。该电势称霍尔电势。霍尔传感器是利用霍尔效应实现磁电转换的一种传感器，它具有灵敏度高，线性度好，稳定性高、体积小和耐高温等特点。对测速装置的要求是分辨能力强、高精度和尽可能短的检测时间。目前市场上的霍尔传感器都是集成了外围的测量电路输出的是数字信号，即当传感器检测到磁场时将输出高低电平信号。传感器主要包括两部分，一为检测部分的霍尔元件，一为提供磁场的磁钢。霍尔电流传感器反应速度一般在7微妙，根本不用考虑单片机循环判断的时间. 3、光电开关： 光电开关是一种利用感光元件对变化的入射光加以接收, 并进行光电转换, 同时加以某种形式的放大和控制, 从而获得最终的控制输出“开”、“关”信号的器件。上图为典型的光电开关结构图。是一种反射式的光电开关，它的发光元件和接收元件的光轴在同一平面且以某一角度相交，交点一般即为待测物所在处。当有物体经过时, 接收元件将接收到从物体表面反射的光, 没有物体时则接收不到。透射式的光电开关, 它的发光元件和接收元件的光轴是重合的。当不透明的物体位于或经过它们之间时, 会阻断光路, 使接收元件接收不到来自发光元件的光, 这样起到检测作用。光电开关的特点是小型、高速、非接触, 而且与TTL、MOS等电路容易结合。此类传感器目前也多为开关量传感器，输出的为1，0开关量信号，可以和单片机直接连接使用。光电开关广泛应用于工业控制、自动化包装线及安全装置中作光控制和光探测装置。可在自控系统中用作物体检测，产品计数, 料位检测，尺寸控制，安全报警及计算机输入接口等用途。 4、超声波传感器： 利用超声波在超声场中的物理特性和各种效应而研制的装置可称为超声波换能器、探测器或传感器。超声波探头按其工作原理可分为压电式、磁致伸缩式、电磁式等, 而以压电式最为常用。压电式超声波探头常用的材料是压电晶体和压电陶瓷, 这种传感器统称为压电式超声波探头。它是利用压电材料的压电效应来工作的: 逆压电效应将高频电振动转换成高频机械振动, 从而产生超声波, 可作为发射探头; 而利用正压电效应, 将超声振动波转换成电信号, 可用为接收探头。超声波探头主要由压电晶片组成，既可以发射超声波，也可以接收超声
传感器的定义传感器是一种能把物理量或化学量转变成便于利用的电信号的器件。国际电工委员会(IEC:International Electrotechnical Committee)的定义为：“传感器是测量系统中的一种前置部件，它将输入变量转换成可供测量的信号”。按照Gopel等的说法是：“传感器是包括承载体和电路连接的敏感元件”，而“传感器系统则是组合有某种信息处理(模拟或数字)能力的系统”。传感器是传感系统的一个组成部分，它是被测量信号输入的第一道关口。 传感器把某种形式的能量转换成另一种形式的能量。有两类：有源的和无源的。有源传感器能将一种能量形式直接转变成另一种，不需要外接的能源或激励源。 无源传感器不能直接转换能量形式，但它能控制从另一输入端输入的能量或激励能，传感器承担将某个对象或过程的特定特性转换成数量的工作。其“对象”可以是固体、液体或气体，而它们的状态可以是静态的，也可以是动态(即过程)的。对象特性被转换量化后可以通过多种方式检测。对象的特性可以是物理性质的，也可以是化学性质的。按照其工作原理，它将对象特性或状态参数转换成可测定的电学量，然后将此电信号分离出来，送入传感器系统加以评测或标示。 传感器原理结构在一段特制的弹性轴上粘贴上专用的测扭应片并组成变桥，即为基础扭矩传感器；在轴上固定着：(1)能源环形变压器的次级线圈，(2)信号环形变压器初级线圈，(3)轴上印刷电路板，电路板上包含整流稳定电源、仪表放大电路、V/F变换电路及信号输出电路。在传感器的外壳上固定着： （1）激磁电路，(2)能源环形变压器的初级线圈(输入)，(3) 信号环形变压器次级线圈(输出)，(4)信号处理电路 工作过程 向传感器提供±15V电源，激磁电路中的晶体振荡器产生400Hz的方波，经过TDA2030功率放大器即产生交流激磁功率电源，通过能源环形变压器T1从静止的初级线圈传递至旋转的次级线圈，得到的交流电源通过轴上的整流滤波电路得到±5V的直流电源，该电源做运算放大器AD822的工作电源；由基准电源AD589与双运放AD822组成的高精度稳压电源产生±4.5V的精密直流电源，该电源既作为电桥电源，又作为放大器及V/F转换器的工作电源。当弹性轴受扭时，应变桥检测得到的mV级的应变信号通过仪表放大器AD620放大成 1.5v±1v的强信号，再通过V/F转换器LM131变换成频率信号，通过信号环形变压器T2 从旋转的初级线圈传递至静止次级线圈，再经过外壳上的信号处理电路滤波、整形即可得到与弹性轴承受的扭矩成正比的频率信号，该信号为TTL电平,既可提供给专用二次仪表或频率计显示也可直接送计算机处理。由于该旋转变压器动--静环之间只有零点几毫米的间隙，加之传感器轴上部分都密封在金属外壳之内，形成有效的屏蔽，因此具有很强的抗干扰能力。 传感器分类倾角传感器 倾角传感器在军事、航天航空、工业自动化、工程机械、铁路机车、消费电子、海洋船舶等领域得到广泛运用。辉格公司为国内用户提供全球最全面、最专业的产品方案和服务。提供超过500种规格的伺服型、电解质型、电容型、电感型、光纤型等原理的倾角传感器。 加速度传感器(线和角加速度)
传感器技术及其信号处理方法 第一章传感器概述 1.1 传感器技术基础 传感器(sensor)是一种把物理量转换成电信号的器件。可以说，传感器代表了物理世界与电气设备（如计算机）世界接口的一部分。这种接口的另一部分由把电信号转换成物理量的执行器（actuator)表示。 为什么我们这么关心这个接口？近年来，电子行业拥有了巨大的信息处理能力。其中最明显的例子是个人计算机。此外，价格低廉的微处理器的使用对汽车、微波炉、玩具等嵌入式计算产品的设计产生了重大影响。最近几年，使用微处理器进行功能控制的产品越来越多。在汽车行业，为满足污染限制要求必须利用微处理器的这种信息处理能力。而在其他行业，这种能力又带来了降低产品成本、提高产品性能的优势。 所有这些微处理器都需要输人电压以接收指令和数据、因此，随着廉价微处理器的出现，传感器在各种产品中的应用也越来越多。此外，由于传感器输出的是电信号，因而传感器也就能够按电子没备的描述方式来插述。同电子产品数据手册一样，很多传感器数据手册也都遵照某种格式撰写。然而，目前存在很多种格式，而且传感器规格说明的国际标准还没有制订，这样，传感器系统设
计师就会遇到对同一传感器性能参数存在不同的解释，这常常令人混淆。这种混淆并非由于这些术语的含义无法理解，而是在于传感器界不同的人群习惯于使用不同的术语，认识到这一点至关重要。 1.1.1 传感器数据手册 为了解决上述术语使用的差异向题，有必要首先命绍数据手册的功用，数据手册主要是一份营销文件，用来突出某一传感器的优点，強调其潜在的应用，但是有可能忽视该传感器的不足。很多情况下，传感器是设计用来满足特定用户的特定性能要求的，而数锯手册就集中了该用户最感兴趣的性能参数。这种情况下，传感器制造商和客户就有可能越来越习惯于使用某种约定的传感器性能参数定义，而这种定义却未必通用，这样，这种传感器未来的新用户必须认清这种情形以便恰当地理解这些参数。人们常常遇到不同的定义。此外，大多数传感器数据手册都缺少对特定应用有用的信息。 1.1.2 传感器性能特征定义 下面是一些较重要的传感器性能特征。 1.传递函数 传递函数表示物理输入信号与电瑜出信号之间的函数关系。通常，这种关系以输入输出信号关系图来表示，具体的关系构成了对传感器性能特点的完整描述。对需逐
1、引言 传感器技术、通信技术与计算机技术构成现代信息的三大基础，它们分别完成对被测量的信息提取、信息传输及信息处理，是当代科学技术发展的一个重要标志。随着科学技术的发展，数字化、智能化和网络化已成为时代发展趋势：计算机技术和通信技术结合进而产生了计算机网络技术；计算机技术和传感器技术结合产生了智能传感器技术；将三者融为一体（计算机网络技术与智能传感技术结合）便产生了网络化智能传感技术。网络化智能传感技术已成为人们关注的热点[1],本文仅就网络化智能传感技术的发展现状与发展趋势作简要论述。 2、网络化智能传感技术 网络化智能传感器是以嵌入式微处理器为核心，集成了传感单元、信号处理单元和网络接口单元，使传感器具备自检、自校、自诊断及网络通信功能，从而实现信息的采集、处理和传输真正统一协调的新型智能传感器，原理框图如图1所示。 网络化智能传感器与其它类型传感器相比，具有如下特点： ⑴具有智能传感功能。随着嵌入式技术、集成电路技术和微控制器的引入，使传感器成为硬件和软件的结合体，一方面传感器的功耗降低、体积减小、抗干扰性和可靠性提高，另一方面传感器具有了自识别和自校正功能，同时利用软件技术实现传感器的非线性补偿、零点漂移和温度补偿等； ⑵ 具有网络通信功能。网络接口技术的应用使传感器方便地接入工业控制 网络，为系统的扩充和维护提供了极大的方便。 3、基于现场总线的智能传感技术
现场总线技术是一种集计算机技术、通信技术、集成电路技术及智能传感技术于一身的新兴控制技术，按照国际电工委员会IEC61158的标准定义：“安装在制造和过程区域的现场装置与控制室内的自动控制装置之间的数字式、串行、多点通信的数据总线称为现场总线”。一般认为“现场总线是一种全数字化、双向、多站的通信系统，是用于工业控制的计算机系统工业总线”。 现场总线技术是在仪表智能化和全数字控制系统的需求下产生的。现场总线是连结智能化现场设备和控制室之间全数字式、开放式和双向的通信网络。随着各种智能传感器、变送器和执行器的出现，一种新的工业控制系统体系?D数字化到现场、控制功能到现场、设备管理到现场的现场总线控制系统FCS（Fieldbus Control System）必将取代传统的集散控制系统DCS（Distributed Control System）。基于现场总线的智能传感器如图2所示。 3.1现场总线的本质含义 现场总线不仅是一种通信协议，也不仅是用数字信号传输的仪表代替模拟信号（4～20mA DC）传输的仪表，关键是用新一代的现场总线控制系统FCS代替传统的集散控制系统DCS，实现现场通信网络与控制系统的集成。其本质含义体现在以下六个方面[2]： ⑴全数字化通信 和半数字化的DCS不同，现场总线系统是一个纯数字系统。现场总线是用于过程自动化和制造自动化的现场设备或现场仪表互连的现场数字通信网络，利用数字信号代替模拟信号，其传输抗干扰性强，测量精度高，大大提高了系统的性能。 ⑵现场设备互连 现场设备或现场仪表是指传感器、变送器和执行器等，这些设备通过一对传输线互连。传输线可以使用双绞线、同轴电缆和光纤等。 ⑶互操作性 互操作性的含义来自不同制造厂的现场设备，不仅可以互相通信，而且可以统一组态，构成所需的控制回路，共同实现控制策略。 ⑷分散功能块 FCS废弃了DCS的输入/输出单元和控制站，把DCS控制站的功能块分散地分配给现场仪表，实现了彻底的分散控制。
浙江工业大学之江学院010/011 学年 第二学期《传感技术与信号处理》期终试卷 （考试类型：闭卷） 班级姓名学号 一、填空( 每空1.5分共45分) 1．通常把频谱中作为信号的频宽，称为1/10法则；对于有跃变的信号，取作为频宽。 2.测试装置的灵敏度愈高，测量范围往往愈________，稳定性愈______。 3.若要信号在传输过程中不失真，测试系统的输出和输入的幅频特性必须满足（表达式）__________________，相频频特性必须满足（表达式）__________________。 4.为了消除应变片的温度误差，可采用的温度补偿措施包括：、、 和。 5. 电感式传感器按工作原理可分为_______________、________________和电涡流式三种。 6.为了提高极距变化式电容传感器的灵敏度，应_______初始间隙。但初始间隙过_______时，一方面使测量范围_______，另一方面容易使_______击穿。 7.压电式传感器测量电路的前置放大器有_________________和_________________两种，_________________作为前置放大器时压电式传感器输出信号与测量导线的距离无关。 8. 光电耦合器是由一个和一个共同封装在一个外壳内组成的复合型转换元件，又称为。 9.光栅传感器中莫尔条纹的一个重要特性是具有位移放大作用。如果两个光栅距相等，即W=0.02mm，其夹角θ=0.1°，则莫尔条纹的宽度B=_____________莫尔条纹的放大倍数K=_____________。 10.热电偶产生热电势必须具备的基本条件是 ____________、____________。 11.霍尔式传感器为______ _______在磁场中有电磁效应（霍尔效应）而输出电势的。霍尔式元件的电路符号图为：_________________。 14.热电动势由两部分电动势组成，一部分是两种导体的________电动势，另一部分是单一导体的______电动势。
a 第二章 PSD 传感器与信号处理电路 为了将电机轴的位置信号转换为相应的电信号，本文的传感器使用光电位置敏感器件PSD （Position Sensitive Detector ）。 本章介绍PSD 及其信号处理电路的工作原理及选型。 2.1 PSD 传感器的工作原理及选型 传感器是一种以一定的精确度将被测量（如位置、力、加速度等）转换成与之有确定对应关系的、易于精确处理和测量的某种物理量（如电量）的测量部件或装置。 传感器在检测系统中是一个非常重要的环节，其性能直接影响到整个系统的测量精度和灵敏度。如果传感器的误差很大，后面的测量电路、放大器等的精度再高也将难以提高整个系统的精度。所以在系统设计时慎重选择传感器是十分必要的。 光电位置敏感器件PSD （Position Sensitive Detector ）是一种对其感光面上入射光斑重心位置敏感的光电器件。即当入射光斑落在器件感光面的不同位置时，PSD 将对应输出不同的电信号。通过对此输出电信号的处理，即可确定入射光斑在PSD 的位置。入射光的强度和尺寸大小对PSD 的位置输出信号均无关。PSD 的位置输出只与入射光的“重心”位置有关。 PSD 可分为一维PSD 和二维PSD 。一维PSD 可以测定光点的一维位置坐标，二维PSD 可测光点的平面位置坐标。由于PSD 是分割型元件，对光斑的形状无严格的要求，光敏面上无象限分隔线，所以对光斑位置可进行连续测量从而获得连续的坐标信号。 实用的一维PSD 为PIN 三层结构，其截面如图2.1.1所示。表面P 层为感光面，两边各有一信号输出电极。底层的公共电极是用来加反偏电压的。当入射光点照射到PSD 光敏面上某一点时，假设产生的总的光生电流为I 0。由于在入射光点到信号电极间存在横向电势，若在两个信号电极上接上负载电阻，光电流将分别流向两个信号电极，从而从信号电极上分别得到光电流I 1和I 2。显然，I 1和I 2之和等于光生电流I 0，而I 1和I 2的分流关系取决于入射光点位置到两个信号电极间的等效电阻R 1和R 2。如果PSD 表面层的电阻是均匀的，则PSD 的等效电路为图2.1.1〔b 〕所示的电路。由于R sh 很大，而C j 很小，故等效电路可简化成图2.1.1 (c) 的形式，其中R 1和R 2的值取决于入射光点的位置。 假设负载电阻R L 阻值相对于R 1和R 2可以忽略，则有： （2.1.1）I I R R L x L x 1221==-+式中，L 为PSD 中点到信号电极的距离，x 为入射光点距PSD 中点的距离。式（2.1.1）表明，两个信号电极的输出光电流之比为入射光点到该电极间距离之比的倒数。将I 0= I 1+I 2与式（2.1.1）联立得：
传感器的定义 信息处理技术取得的进展以及微处理器和计算机技术的高速发展，都需要在传感器的开发方面有相应的进展。微处理器现在已经在测量和控制系统中得到了广泛的应用。随着这些系统能力的增强，作为信息采集系统的前端单元，传感器的作用越来越重要。传感器已成为自动化系统和机器人技术中的关键部件，作为系统中的一个结构组成，其重要性变得越来越明显。 最广义地来说，传感器是一种能把物理量或化学量转变成便于利用的电信号的器件。国际电工委员会(IEC:International Electrotechnical Committee)的定义为：“传感器是测量系统中的一种前置部件，它将输入变量转换成可供测量的信号”。按照Gopel等的说法是：“传感器是包括承载体和电路连接的敏感元件”，而“传感器系统则是组合有某种信息处理(模拟或数字)能力的传感器”。传感器是传感器系统的一个组成部分，它是被测量信号输入的第一道关口。 传感器系统的原则框图示于图1-1，进入传感器的信号幅度是很小的，而且混杂有干扰信号和噪声。为了方便随后
的处理过程，首先要将信号整形成具有最佳特性的波形，有时还需要将信号线性化，该工作是由放大器、滤波器以及其他一些模拟电路完成的。在某些情况下，这些电路的一部分是和传感器部件直接相邻的。成形后的信号随后转换成数字信号，并输入到微处理器。 德国和俄罗斯学者认为传感器应是由二部分组成的，即直接感知被测量信号的敏感元件部分和初始处理信号的电路部分。按这种理解，传感器还包含了信号成形器的电路部分。 传感器系统的性能主要取决于传感器，传感器把某种形式的能量转换成另一种形式的能量。有两类传感器：有源的和无源的。有源传感器能将一种能量形式直接转变成另一种，不需要外接的能源或激励源(参阅图1-2(a))。 有源(a)和无源(b)传感器的信号流程 无源传感器不能直接转换能量形式，但它能控制从另一输入端输入的能量或激励能 传感器承担将某个对象或过程的特定特性转换成数量的工作。其“对象”可以是固体、液体或气体，而它们的状态可以
ABS轮速传感器及其信号处理 车轮防抱死制动系统简称ABS 是基于汽车轮胎与路面之间的附着特性而开发的高技术制动系统。ABS由信号传感器、逻辑控制器和执行调节器组成。其控制目标是：当汽车在应急制动时，使车轮能够获得最佳制动效率，同时又能实现车轮不被抱死、侧滑，使汽车在整个制动过程中保持良好的行驶稳 定性和方向可操作性。 在ABS系统中，几乎都离不开对车轮转动角速度的测定，因为只要有了车轮转动角速度，其它参数（如车轮转动角和加速度）均可通过计算机计算获得。ABS的工作原理就是在汽车制动过程中不断检测车轮速度的变化，按一定的控制方法，通过电磁阀调节轮缸制动压力，以获得最高的纵向附着系数和较高的侧向附着系数，使车轮始终处于较好的制动状态。因此精确检测车轮速度是ABS系统正常工作的先决条件。 1 ABS轮速传感器及特性分析 通常，用来检测车轮转速信号的传感器有磁电式、电涡流式和霍尔元件式。由于磁电式轮速传感器工作可靠，几乎不受温度、灰尘等环境因素影响，所以在ABS系统中得到 广泛应用。 1.1 磁电式轮速传感器的工作原理 磁电式传感器的基本原理是电磁感应原理。根据电磁感应定律，当N匝线圈在均恒 磁场内运动时，设穿过线圈的磁通为φ，则线圈内的感应电势ε与磁通变化率有 如下关系： 若线圈在恒定磁场中作直线运动并切割磁力线时，则线圈两端的感应电势ε为：
式中，N为线圈匝数；B为磁感应强度；L为每匝线圈的平均长度：为线圈相对磁场运动的速度；θ为线圈运动方向与磁场方向的夹角。
若线圈相对磁场作旋转运动并切割磁力线时，则线圈两端的感应电势ε为： 式中，ω为旋转运动的相对角速度；A为每匝线圈的截面积；φ为线圈平面的法线 方向与磁场方向间的夹角。 根据上述基本原理，磁电传感器可以分为两种类型：变磁通式（变磁阻式）和恒定磁通式。由于变磁通式磁电传感器结构简单、牢固、工作可靠、价格便宜，被广泛用于车辆上作为检测车轮转速的轮速传感器。图1为变磁通式磁电传感器的结构原理。其中传感器线圈、磁铁和外壳均固定不动，齿轮安装在被测的旋转体上。 当齿轮与被测的车轮轴一起转动时，齿轮与铁芯之间的气隙随之变化，从而导致气隙磁阻和穿过气隙的主磁通发生变化。结果在感应线圈中感应出交变的电动势，其频率等 于齿轮的齿数Z和车轮轴转速n的乘积，即： f=Zh （4） 感应电动势的幅值与车轮轴的转速和气隙有关，当气隙一定时，转速越大，其幅值越大；当转速一定时，气隙越小，其幅值越大。 1.2 轮速传感器特性试验研究 目前，测量车轮转动速度的一般方法是将变磁阻式磁电传感器安装在车轮总成的非旋转部分上，与随车轮一起转动的由导磁材料制成的齿圈相对。当齿圈随车轮一起转动时，由于齿圈与传感器之间气隙的的交替变化，导致两者间磁阻的变化，从而在传感器内的线 圈上感生出交变的电压信号。
中国石油大学（北京）远程教育学院 《检测传感技术》期末复习题参考答案 一、填空题（本题共计40分，每一填空计2分） 1. 一个完整的测试系统由激励装置、传感器、信号调理、信号处理、显示记录等五个基本环节组成。 2. 在测试系统中，激励装置的功能是激发隐含的被测信息；传感器的功能是将被测信息转换成其他信息；信号调理环节的功能是将传感器获得的信息转换成更适合于进一步传输和处理的形式；信号处理环节的功能是对来自信号调理环节的信息进行各种处理和分析；显示记录环节的功能是显示或存储测试的结果。 3. 不失真测试即测试系统的输出要真实地反映其输入的变化。为实现不失真测试，系统频率响应需要满足的条件是：幅频特性为常数；相频特性呈线性。对系统瞬态响应的要求是：瞬态误差小；调整时间短。 4. 测试信号的时域特征参数主要有均值、方差和均方值。 5. 信号的均值反映随机信号变化的中心趋势；信号的方差反映随机信号在均值附近的分布状况；信号的均方值反映随机信号的强度。 6. 任何周期信号均可分解为一系列频率比为有理数的简谐信号, 其频谱特性包括离散性、谐波性、收敛性。 7. 频率单一的正弦或余弦信号称为谐波信号。一般周期信号由一系列频率比为有理数的谐波信号叠加而成。 8. 周期信号的频谱特性：离散性即各次谐波分量在频率轴上取离散值；谐波性即各次谐波分量的频率为基频的整倍数；收敛性即各次谐波分量随频率的增加而衰减。 9. 瞬态信号是在有限时间段存在，属于能量有限信号。
10. 瞬态信号的频谱为连续谱,其幅值频谱的量纲为单位频宽上的幅值，即幅值频谱密度函数。 11. 一阶测试系统的基本参数是时间常数。根据对测试系统的基本要求及一阶测试系统的频率响应和单位阶跃响应，一阶测试系统的基本参数的选取原则是时间常数小。 12. 二阶测试系统的基本参数是固有频率和阻尼比。 13. 金属丝应变片依据应变效应工作；半导体应变片依据压阻效应工作。 14. 压力传感器由弹性敏感元件和机电转换元件两部分组成。 15. 测量传感器的动态特性的实验方法包括频率响应法和时间响应法。 16. 基于弹性元件受力产生变形实现检测的力传感器为二阶测试系统。为保证不失真测试，要求传感器的固有频率远大于被测力参数的工作频率。 17. 线性系统的频率保持性即若对线性系统的输入为某一频率的简谐信号，则其稳态响应必是同一频率的简谐信号。 18. 系统频率响应函数测试中，稳态正弦激励方式的依据是线性系统的频率保持性，其特点是测试周期长，其原因在于在每个测试频率处，只有当系统达到稳定状态才能进行测试。 二、解释题（本题共计12分，每小题4分） 1. 物性型传感器 答：依靠敏感元件材料本身物理性质在被测量作用下的变化来实现信号转换的传感器，如应变式、压电式、压阻式传感器。 2. 结构型传感器
1-2 自动检测系统通常由几个部分组成？其中对传感器的一般要求是什么？ 首先由各种传感器将非电被测物理或化学成分参量转化成电参量信号，然后经信号调理，数据采集，信号处理后，进行显示，输出，加上系统所需的交，直流稳压电源和必要的输入设备，便构成了一个完整的自动检测系统。 对传感器通常有如下要求：1，准确性2，稳定性3，灵敏度4其他：如耐腐蚀性，功耗，输出信号形式，体积，售价等。 1-3 试述信号调理和信号处理的主要功能和区别，并说明信号调理单元和信号处理单元通常由哪些部分组成。 信号调理在检测系统中的作用是对传感器输出的微弱信号进行检波，转换，滤波，放大等，以便检测系统后续处理或显示。 信号处理模块是自动检测仪表，检测系统进行数据处理和各种控制的中枢环节，其作用和大脑相类似。 信号调理电路通常包括滤波、放大、线性化等环节。 信号处理模块通常以各种型号的嵌入式微控制器、专用高速处理器（DSP）和大规模可编程集成电路，或直接采用工业控制计算机来构建。 2-1 随机误差，系统误差，粗大误差产生的原因是什么？对测量结果的影响有什么不同？从提高测量准确度看，应如何处理这些误差？ 随机误差主要是由于检测仪器或测量过程中某些未知或无法控制的随机因素综合作用的结果。 系统误差产生的原因大体上有：测量所用的仪器本身性能不完善或安装，布置，调整不当；在测量过程中温度，湿度，气压，电磁干扰等环境条件发生变化；测量方法不完善，或者测量所依据的理论本身不完善；操作人员视读方式不当等。 粗大误差一般由外界重大干扰或仪器故障或不正确的操作等引起的。 减小和消除系统误差的方法——1，针对产生系统误差的主要原因采取相应措施 2，采用修正方法减小恒差系统误差 3，采用交叉读书法减小线性系统误差 4，采用半周期法减小周期性系统误差随机误差的处理——可以用数理统计的方法，对其分布范围做出估计，得到 随机影响的不确定度。 粗大误差的处理——拉伊达准则和格拉布斯准则 2-2 工业仪表常用的精度等级是如何定义的？精度等级与测量误差是什么关系？ 人为规定：取最大引用误差百分数的分子作为检测仪器（系统）精度等级的标志，即用最大引用误差去掉正负号的数字来表示精度等级。精度等级常用符号G表示。0.1,0.2,0.5,1.0,1.5,2.5,5.0七个等级是我国工业检测仪器（系统）常用精
传感器 一、名词解释 1．传感器;能感受规定的被测量并按照一定规律转化成可用输出信号的器件和装置。 2．应电效应 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。 3．压阻效应 4．霍尔效应 金属或半导体薄片置于磁感应强度为B的磁场中，当有电流I通过时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势U H，这种物理现象称为霍尔效应。 5．热电效应 将两种不同的导体A和B连成闭合回路，当两个接点处的温度不同时，回路中将产生热电势。 6．光电效应 光电效应是物体吸收到光子能量后产生相应电效应的一种物理现象。 二、填空题 1．传感器通常由、、三部分组成。 2．按工作原理可以分为、、、。 3．误差按出现的规律分、、。 4．对传感器进行动态的主要目的是检测传感器的动态性能指标。 1．敏感元件、转换元件、测量电路 2．电容传感器、电感传感器、电阻传感器、压电式传感器 3．系统误差、随机误差、粗大误差 4．标定(或校准或测试) 5．传感器的过载能力是指传感器在不致引起规定性能指标永久改变的条件下，允许超过的能力。 6．传感检测系统目前正迅速地由模拟式、数字式，向----------方向发展。 7．已知某传感器的灵敏度为K0，且灵敏度变化量为△K0，则该传感器的灵敏度误差计算公式为Rs= 。 5．测量范围 6．智能化 7．(△K0 / K0)×100% 8．电容式压力传感器是变型的。 9．图像处理过程中直接检测图像灰度变化点的处理方法称为。 8．极距(或间隙) 9．微分法 10．目前应用于压电式传感器中的压电材料通常有、、。 11．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12．热敏电阻按其对温度的不同反应可分为三类、、。 13．光电效应根据产生结果的不同，通常可分为、、三种类型。 14．传感器的灵敏度是指稳态标准条件下，输出与输入的比值。对线性传感器来说，其灵敏度是。 10．压电晶体、压电陶瓷、有机压电材料 11．变间隙型、变面积型、变介电常数型 12．负温度系数热敏电阻（NTC）、正温度系数热敏电阻（PTC）、临界温度系数热敏电阻（CTR）
第二章 PSD传感器与信号处理电路 为了将电机轴的位置信号转换为相应的电信号，本文的传感器使用光电位置敏感器件PSD（Position Sensitive Detector）。 本章介绍PSD及其信号处理电路的工作原理及选型。 2.1 PSD传感器的工作原理及选型 传感器是一种以一定的精确度将被测量（如位置、力、加速度等）转换成与之有确定对应关系的、易于精确处理和测量的某种物理量（如电量）的测量部件或装置。 传感器在检测系统中是一个非常重要的环节，其性能直接影响到整个系统的测量精度和灵敏度。如果传感器的误差很大，后面的测量电路、放大器等的精度再高也将难以提高整个系统的精度。所以在系统设计时慎重选择传感器是十分必要的。 光电位置敏感器件PSD（Position Sensitive Detector）是一种对其感光面上入射光斑重心位置敏感的光电器件。即当入射光斑落在器件感光面的不同位置时，PSD将对应输出不同的电信号。通过对此输出电信号的处理，即可确定入射光斑在PSD的位置。入射光的强度和尺寸大小对PSD的位置输出信号均无关。PSD的位置输出只与入射光的“重心”位置有关。 PSD可分为一维PSD和二维PSD。一维PSD可以测定光点的一维位置坐标，二维PSD可测光点的平面位置坐标。由于PSD是分割型元件，对光斑的形状无严格的要求，光敏面上无象限分隔线，所以对光斑位置可进行连续测量从而获得连续的坐标信号。 实用的一维PSD为PIN三层结构，其截面如图2.1.1所示。表面P层为感光面，两边各有一信号输出电极。底层的公共电极是用来加反偏电压的。当入射光点照射到PSD光敏面上某一点时，假设产生的总的光生电流为I0。由于在入射光点到信号电极间存在横向电势，若在两个信号电极上接上负载电阻，光电流将分别流向两个信号电极，从而从信号电极上分别得到光电流I1和I2。显然，I1和I2之和等于光生电流I0，而I1和I2的分流关系取决于入射光点位置到两个信号电极间的等效电阻R1和R2。如果PSD表面层的电阻是均匀的，则PSD的等效电路为图2.1.1〔b〕所示的电路。由于R sh很大，而C j很小，故等效电路可简化成图2.1.1 (c) 的形式，其中R1和R2的值取决于入射光点的位置。 假设负载电阻R L阻值相对于R1和R2可以忽略，则有： I I R R L x L x 1 2 2 1 == - + （2.1.1） 式中，L为PSD中点到信号电极的距离，x为入射光点距PSD中点的距离。式（2.1.1）表明，两个信号电极的输出光电流之比为入射光点到该电极间距离之比的倒数。将I0= I1+I2与式（2.1.1）联立得：
传感器技术发展动态与展望 现代信息技术的三大支柱是传感器技术、通信技术和计算机技术, 它们分别完成对被测量的信息提取、信息传输及信息处理。目前, 信息传输与处理技术已取得突破性进展, 然而传感器的发展相对滞后。在今天信息时代, 各种控制系统自动化程度、复杂性以及环境适应性(如高温、高速、野外、地下、高空等)要求越来越高, 需要获取的信息量越来越多,它不仅对传感器测量精度、响应速度、可靠性提出了很高的要求, 而且需求信号远距离传输。显然,传统的传感器已很难满足要求,发展集成化、微型化、智能化、网络化传感器将成为传感器技术的主流和方向。 传感器的集成化 传感器的集成化是利用集成电路制作技术和微机械加工技术将多个功能相同、功能相近或功能不同的传感器件集成为一维线型传感器或二维面型(阵列)传感器；或利用微电子电路制作技术和微型计算机接口技术将传感器与信号调理、补偿等电路集成在同一芯片上。前一种集成具体可分为三种类型： （1）将多个功能相同的敏感元件集成在同一芯片上,检测被测量的线状、面状、甚至体状的分布信息,例如固态图像传感器(CCD阵列光敏器件,它不仅在自动化生产线上发挥“视觉”作用(例如纺织品质量检查及大规模集成电路图形检查等),而且在天文罗盘、星体跟踪、卫星遥感装置上也开始应用。 （2）将多个结构相似、功能相近的敏感元件集成在同一芯片上,在保证测量精度的扩大传感器的测量范围。例如将不同气敏元件集成在一起组成,利用各种气敏元件对不同气体的敏感效应,采用神经网络及模式识别等先进的数据处理技术,对混合气体的各组分同时监测,得到混合气体的有关信息,同时提高气敏传感器的测量精度。这种方式还可将不同量程的传感元件进行集成, 根据被测量的大小在各传感元件之间进行切换。 （3）将多个不同功能的敏感元件集成在同一芯片上,使传感器能测量不同性质的参数,实现综合检测。例如集成压力、温度、湿度、流量、加速度、化学等不同功能敏感元件的传感器,能同时检测外界环境的物理特性或化学特性,从而实现多环境的多参数综合监测。 多传感元件集成具有以下优点：可使传感器检测由点到面甚至到体,从而实现信息多维化;若加上时序,变单参数检测为多参数检测。另一种集成可使传感器由单一的信号变换功能,扩展为兼有放大、运算、补偿等功能。将硅单晶腐蚀成膜片作为压力敏感元件,在膜片上镀电极,对面为固定电极，构成一个压力敏感电容。压力作用使电容变化,在同一硅片上制作出输出信号放大电路。 显然,集成化将降低对单一传感器的性能要求,但在多敏感元件集成时,应充分考虑传感元件的性能互补性,电磁兼容性以及资源共享性等问题。 传感器微型化 八十年代末, 随着微电子技术高速发展和工艺成熟, 一种具有重大影响的核心技术─微电子机械加工技术(MEMT─Micro Electro─Mechanical Technology)已获取飞速发展, 为制作为传感器、微电子机械系统 ( 简称MEMS ) 创造了条件。 微传感器一般是指敏感元件的特征尺寸从几μm到几mm的这类传感器的总称, 它包括三种结构形式：1、微型传感器, 通常它是单一功能的简单传感器, 其敏感元件工艺一般与集成工艺兼容;2、具有微机械结构敏感元件的机电一体化的微结构传感器,如微电容加速度传感器,微谐振梁式压力传感器等,其制造工艺具有微机械加工特点;3、具有数字接口、自检、EPROM (CPU)、数字补偿和总线兼容等功能的微传感器系统。 微系统是指系统各部件的制造和部件组装成系统, 组装工艺均采用MEMT, 形成了微系统。包括各种微电子、微机械、微光学及各种数据处理单元。 微传感器和微系统具有划时代微小体积、低成本、高可靠等独特的优点。例如一个压力
绪论： 随着科学技术的迅猛发展，世界技术发达国家对传感器技术的开发相当的重视。因为一个国家的现代化水平是用其自动化水平来衡量的，而自动化水平是用仪表及传感器的种类和数量多少来衡量的。传感器位于系统之首，其作用相当于人的五官，直接敏感外界信息，是信息采集系统的首要部件，是实现现代化测量和自动控制的主要环节，一切科学研究和生产过程要获取的信息，都要通过它转换成便于传输、处理、记录、显示和控制的可用信号。 所以，测试技术与自动控制水平的高低被认为是衡量一个国家科学技术现代化程度的重要标志，传感器是新技术革命和信息社会的重要技术基础。 传感器技术在近些年来发展迅速，与计算机技术和通信技术一起被称为信息技术的三大支柱。现代科技中，自动化与智能化已经成为新的发展方向，传感器作为自动测量与控制中的关键环节，在社会的生产生活中应用十分广泛，且具有巨大的发展空间。 本文就传感器技术的历史发展过程及应用趋势进行综述性概况。 一、传感器技术历史回顾 传感器技术可以说是仿生学中的一部分，从远古时期就已经渗透到人类生活的各个方面。在 20 世纪中期传感器技术正式问世，各国信息化产业的发展带动了传感器的研发水平，传感器技术水平不断的提高并快速发展，其大体经历三个历程：结构型传感器、固体传感器、智能传感器。结构型传感器利用结构参量变化来感受和转化信号；固体传感器由半导体、电介质、磁性材料等固体元件构成，利用某些材料的特殊性质来完成物理特性测试并转化。智能传感器目前还未有统一的科学定义，IEEE协会从最小化传感器结构的角度，将能提供受控量或待感知量大小且能典型简化其应用于网络环境的集成的传感器称为智能传感器。相对于仅提供表征待测物理量大小的模拟电压信号的传统传感器，充分利用当代集成技术，微处理器技术等的智能传感器，其本质特征在于其集感知、信息处理与通信于一体，能提供以数字量方式传播具有一定知识级别的信息，具有自诊断、自校正、自补偿等功能。 我国传感器技术的研发：上世纪 60 年代以来我国致力于传感器的研究与开发，经过“六五”到“九五”的国家攻关，初步形成了传感器研究、开发、生产和应用的体系。但是由于国民经济发展水平及资金的限制以及没有认清其重要性，传感器行业技术的发展速度明显比其他国家的缓慢。目前我国传感器产品的改进与革新速度缓慢，传感技术产品的市场竞争力优势尚未形成，不能适应我国经济与科技的迅速发展，需要进口的传感器技术相关的产品还有很多。我国传感器技术相对于发达国家有很大的差距，企业分散，实力不强，市场开拓不力、传感器研究方面科研投资强度偏低、科研设备落后。因此，对传感器技术研究、开发的投人，缩短与国外同类技术的差距迫在眉睫。建议我国传感器技术的发展向着以下几个方面发展：（1）加速开发新型敏感材料（2）研制灵敏度高、精确度高、响应速度快、互换性好的新型传感器（3）向高可靠性、微型化、微功耗及无源化、智能化数字化、宽温度范围发展。 二、传感器技术国内外研究现状及发展趋势