第一章
1．什么是传感器？它由哪几个部分组成？分别起到什么作用？
解：传感器是一种以一定的精确度把被测量转换为与之有确定对应关系的、便于应用的某种物理量的测量装置，能完成检测任务；传感器由敏感元件，转换元件，转换电路组成。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物理量；转换元件把敏感元件的输出作为它的输入，转换成电路参量；上述电路参数接入基本转换电路，便可转换成电量输出。2．传感器技术的发展动向表现在哪几个方面？
解：（1）开发新的敏感、传感材料：在发现力、热、光、磁、气体等物理量都会使半导体硅材料的性能改变，从而制成力敏、热敏、光敏、磁敏和气敏等敏感元件后，寻找发现具有新原理、新效应的敏感元件和传感元件。
（2）开发研制新型传感器及组成新型测试系统
① MEMS技术要求研制微型传感器。如用于微型侦察机的CCD传感器、用于管道爬壁机器人的力敏、视觉传感器。
②研制仿生传感器
③研制海洋探测用传感器
④研制成分分析用传感器
⑤研制微弱信号检测传感器
（3）研究新一代的智能化传感器及测试系统：如电子血压计，智能水、电、煤气、热量表。它们的特点是传感器与微型计算机有机结合，构成智能传感器。系统功能最大程度地用软件实现。
（4）传感器发展集成化：固体功能材料的进一步开发和集成技术的不断发展，为传感器集成化开辟了广阔的前景。
（5）多功能与多参数传感器的研究：如同时检测压力、温度和液位的传感器已逐步走向市场。
3．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。
1）传感器的线性度是指传感器的输出与输入之间数量关系的线性程度；
2）传感器的灵敏度S是指传感器的输出量增量Δy与引起输出量增量Δy的输入量增量Δx 的比值；
3）传感器的迟滞是指传感器在正（输入量增大）反（输入量减小）行程期间其输出-输入特性曲线不重合的现象；
4）传感器的重复性是指传感器在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。
5）传感器的漂移是指在外界的干扰下，输出量发生与输入量无关的、不需要的变化。漂移包括零点漂移和灵敏度漂移等。
传感器的动态特性是指其输出对随时间变化的输入量的响应特性：频率响应、时间常数、固有频率和阻尼比等。
1）瞬态响应特性：传感器的瞬态响应是时间响应。在研究传感器的动态特性时，有时需要从时域中对传感器的响应和过渡过程进行分析。这种分析方法是时域分析法，传感器对所加激励信号的响应称瞬态响应。常用激励信号有阶跃函数、斜坡函数、脉冲函数等。
2）频率响应特性：传感器对正弦输入信号的响应特性，称为频率响应特性。频率响应法是从传感器的频率特性出发研究传感器的动态特性。为了减小动态误差和扩大频率响应范围，一般是提高传感器固有频率ωn。
4．某位移传感器，在输入量变化5 mm时，输出电压变化为300 mV，求其灵敏度。
解：其灵敏度
3
3
30010
60
510
U
k
X
-
-
??
===
??
第二章
1．什么是应变效应？什么是压阻效应？什么是横向效应？
解：应变效应，是指在导体产生机械变形时，它的电阻值相应发生变化。
压阻效应，是指半导体材料在某一轴向受外力作用时，其电阻率ρ发生变化的现象。
横向效应，是指将直的电阻丝绕成敏感栅后，虽然长度不变，应变状态相同，但由于应变片敏感栅的电阻变化较小，因而其灵敏系数k较电阻丝的灵敏系数k0小的现象。
2、试说明金属应变片与半导体应变片的相同和不同之处。
解：金属应变片由敏感栅、基片、覆盖层和引线等部分组成。金属电阻应变片的敏感栅有丝式、箔式和薄膜式三种。箔式应变片是利用光刻、腐蚀等工艺制成的一种很薄的金属箔栅，其优点是散热条件好，允许通过的电流较大，便于批量生产，可制成各种所需的形状；缺点是电阻分散性大。薄膜式应变片是采用真空蒸发或真空沉淀等方法在薄的绝缘基片上形成0.1μm以下的金属电阻薄膜的敏感栅，最后再加上保护层。它的优点是应变灵敏度系数大，允许电流密度大，工作范围广。
半导体应变片是用半导体材料制成的，其工作原理是基于半导体材料的压阻效应。半导体应变片的突出优点是灵敏度高，比金属丝式应变片高50～80倍，尺寸小，横向效应小，动态响应好。但它有温度系数大，应变时非线性比较严重等缺点。
3、应变片产生温度误差的原因及减小或补偿温度误差的方法是什么？
解：电阻应变片产生温度误差的原因：当测量现场环境温度变化时，由于敏感栅温度系数及栅丝与试件膨胀系数之差异性而给测量带来了附加误差。
电阻应变片的温度补偿方法：通常有线路补偿法和应变片自补偿两大类。
1）电桥补偿是最常用的且效果较好的线路补偿法。电桥补偿法简单易行，而且能在较大的温度范围内补偿，但上面的四个条件不一满足，尤其是两个应变片很难处于同一温度场。
2）应变片的自补偿法是利用自身具有温度补偿作用的应变片。
4、钢材上粘贴的应变片的电阻变化率为0.1%，钢材的应力为10kg/mm 2
。试求
① 求钢材的应变。
② 钢材的应变为300×10-6时，粘贴的应变片的电阻变化率为多少? 解：① R l F R l
??≈是ΔR/R=2（Δl/l）。因为电阻变化率是ΔR/R=0.001，所以Δl/l （应变）=0.0005=4510-?
② 因66430010,230010610l R R l
---?=??=??=?所以 5、如系题图1-1所示为等强度梁测力系统，1R 为电阻应变片，应变片灵敏
度系数05.2=k ，未受应变时Ω=1201R ，当试件受力F 时，应变片承受平均应变4108-?=ε，求
（1）应变片电阻变化量1R ?和电阻相对变化量11/R R ?。
（2）将电阻应变片置于单臂测量电桥，电桥电源电压为直流3V ，求电桥
输出电压是多少。
（a ） （b ） 1R
F
习题图1-1等强度梁测力系统
解： （1）4311
2.05810 1.6410R K R ε--?==??=?，311 1.64101200.1968R k R ε-?=?=??=Ω 解：（2）
31111234141123441
31124113
(
)()()
(1)(1)o R R R U E R R R R R R R E R R R R R R R R R E R R R R R R +?=-+?++?=+?++?=?+++ 设桥臂比21R n R =，分母中11/R R ?可忽略，并考虑到平衡条件3124
R R R R =，则上式可写为： 121(1)o R n U E
n R ?=+ ()32
323 1.6410(1)4.92101n n n n --=?
??+=??+ 6、单臂电桥存在非线性误差，试说明解决方法。
解：为了减小和克服非线性误差，常采用差动电桥在试件上安装两个工作应变片，一个受拉应变，一个受压应变，接入电桥相邻桥臂，称为半桥差动电路，由教材中的式（2-42）可知，U o 与ΔR 1/R 1呈线性关系，差动电桥无非线性误差，而且电桥电压灵敏度K V =E /2，比单臂工作时提高一倍，同时还具有温度补偿作用。
第三章
1． 为什么电感式传感器一般都采用差动形式?
解：差动式结构，除了可以改善非线性，提高灵敏度外，对电源电压、频率的波动及温度变化等外界影响也有补偿作用；作用在衔铁上的电磁力，是两个线圈磁力之差，所以对电磁力有一定的补偿作用，从而提高了测量的准确性。
2. 交流电桥的平衡条件是什么？
解：由交流电路分析可得 1423o 1234()()()U Z Z Z Z U Z Z Z Z ?
?-=++ 要满足电桥平衡条件，即0o U ?=，则有： 1423Z Z Z Z =
3．涡流的形成范围和渗透深度与哪些因素有关?被测体对涡流传感器的灵敏度有何影 响?
解：电涡流的径向形成范围大约在传感器线圈外径的1.8～2.5倍范围内，且分布不均匀。涡流贯穿深度)/(f k h μρ=，定义在涡流密度最大值的e jm /处。被测体的平面不应小于传感器线圈外D 的2倍，厚度大于2倍贯穿度h 时，传感器灵敏度几乎不受影响。
4．涡流式传感器的主要优点是什么?
解：电涡流式传感器最大的特点是能对位移、厚度、表面温度、速度、 应力、材料损伤等进行非接触式连续测量，另外还具有体积小，灵敏度高，频率响应宽等特点，应用极其广泛。
5．电涡流传感器除了能测量位移外，还能测量哪些非电量？
解：还可以对厚度、表面温度、速度、 应力、材料损伤等进行非接触式连续测量。
第四章
1．某电容传感器（平行极板电容器）的圆形极板半径)(4mm r =，工作初始极板间距离)(3.00mm =δ，介质为空气。问：
（1）如果极板间距离变化量)(1m μδ±=?，电容的变化量C ?是多少？
（2）如果测量电路的灵敏度)(1001pF mV k =，读数仪表的灵敏度52=k （格／mV ）在)(1m μδ±=?时，读数仪表的变化量为多少？
解：（1）根据公式S
S
S
d C d d d d d d
εεε??=-=?-?-? ，其中S=2r π （2）根据公式112k k δδ?=? ，可得到112k k δδ???==3
1001100.025
-??= 2．寄生电容与电容传感器相关联影响传感器的灵敏度，它的变化为虚假信号影响传感器的精度。试阐述消除和减小寄生电容影响的几种方法和原理。
解：电容式传感器内极板与其周围导体构成的“寄生电容”却较大，不仅降低了传感器的灵
敏度，而且这些电容（如电缆电容）常常是随机变化的，将使仪器工作很不稳定，影响测量精度。因此对电缆的选择、安装、接法都有要求。若考虑电容传感器在高温、高湿及高频激励的条件下工作而不可忽视其附加损耗和电效应影响时，其等效电路如图4-8所示。图中L 包括引线电缆电感和电容式传感器本身的电感；C 0为传感器本身的电容；C p 为引线电缆、所接测量电路及极板与外界所形成的总寄生电容，克服其影响，是提高电容传感器实用性能的关键之一；R g 为低频损耗并联电阻，它包含极板间漏电和介质损耗；R s 为高湿、高温、高频激励工作时的串联损耗电组，它包含导线、极板间和金属支座等损耗电阻。
此时电容传感器的等效灵敏度为
22
00220/(1)(1)g e e k C C LC k d d LC ωω??-===??- （4-28）
当电容式传感器的供电电源频率较高时，传感器的灵敏度由k g 变为k e ，k e 与传感器的固有电感（包括电缆电感）有关，且随ω变化而变化。在这种情况下，每当改变激励频率或者更换传输电缆时都必须对测量系统重新进行标定。
3．简述电容式传感器的优缺点。
解：优点：(1) 温度稳定性好(2) 结构简单(3) 动态响应好（4）可以实现非接触测量，具
有平均效应
缺点：（1）输出阻抗高，负载能力差（2）寄生电容影响大
4．电容式传感器测量电路的作用是什么？
解：电容式传感器中电容值以及电容变化值都十分微小，这样微小的电容量还不能直接被目前的显示仪表显示，也很难被记录仪接受，不便于传输。这就必须借助于测量电路检出这一微小电容增量，并将其转换成与其成单值函数关系的电压、电流或者频率。电容转换电路有调频电路、运算放大器式电路、二极管双T 型交流电桥、脉冲宽度调制电路等
5．下图为变极距型平板电容传感器的一种测量电路，其中C X 为传感器电容，C
为固定电容，假设运放增益A=∞，输入阻抗Z=∞；试推导输出电压U 0与极板间
距的关系，并分析其工作特点。
题图4-1
12
O I X I X O I I O X I I dU dU c
c dt dt
cU c U cU cdU U c S
ε==-=-=-=-两边积分得到：
式中负号表示输出电压0U ?的相位与电源电压反相。上式说明运算放大器的输出电压与极板间距离d 线性关系。运算放大器电路解决了单个变极板间距离式电容传感器的非线性问题。但要求Z i 及放大倍数K 足够大。为保证仪器精度，还要求电源电压i U ?
的幅值和固定电容C 值稳定。 第五章
1．简述正、逆压电效应。
解：某些电介质在沿一定的方向受到外力的作用变形时，由于内部电极化现象同时在两个表面上产生符号相反的电荷，当外力去掉后，恢复到不带电的状态；而当作用力方向改变时，电荷的极性随着改变。晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比。这种现象称为正压电效应。反之，如对晶体施加一定变电场，晶体本身将产生机械变形，外电场撤离，变形也随之消失，称为逆压电效应。
2．压电材料的主要特性参数有哪些？
解：压电材料的主要特性参数有：（1）压电常数：压电常数是衡量材料压电效应强弱的参数，它直接关系到压电输出的灵敏度。（2）弹性常数：压电材料的弹性常数、 刚度决定着压电器件的固有频率和动态特性。（3）介电常数：对于一定形状、尺寸的压电元件，其固有电容与介电常数有关；而固有电容又影响着压电传感器的频率下限。（4） 机械耦合系数：在压电效应中，其值等于转换输出能量（如电能）与输入的能量（如机械能）之比的平方根； 它是衡量压电材料机电能量转换效率的一个重要参数。（5）电阻压电材料的绝缘电阻：将减少电荷泄漏，从而改善压电传感器的低频特性。（6）居里点：压电材料开始丧失压电特性的温度称为居里点。
3．简述电压放大器和电荷放大器的优缺点。
解：电压放大器的应用具有一定的应用限制，压电式传感器在与电压放大器配合使用时，连接电缆不能太长。优点：微型电压放大电路可以和传感器做成一体，这样这一问题就可以得到克服，使它具有广泛的应用前景。缺点：电缆长，电缆电容C c 就大，电缆电容增大必然使传感器的电压灵敏度降低。不过由于固态电子器件和集成电路的迅速发展，
电荷放大器的优点：输出电压U o 与电缆电容C c 无关，且与Q 成正比，这是电荷放大器的最大特点。但电荷放大器的缺点：价格比电压放大器高，电路较复杂，调整也较困难。 要注意的是，在实际应用中，电压放大器和电荷放大器都应加过载放大保护电路，否则在传
感器过载时，会产生过高的输出电压。
4．能否用压电传感器测量静态压力？为什么？
解：不可以，压电传感器本身的内阻抗很高，而输出能量较小，为了保证压电传感器的测量误差较小，它的测量电路通常需要接入一个高输入阻抗的前置放大器，所以不能用来测量静态压力。
5．题图5-1所示电荷放大器中Ca=100 PF ，Ra=∞，R f = ∞，R i = ∞，C F =10 PF 。若考虑引线电容C C 影响，当A 0=104时
，要求输出信号衰减小于1%，求使用90 PF/m 的电缆，其最大
允许长度为多少？ -A048
Ca Ra q Cc Ci Ri Rf
Cf U0
题图5-1
解：0(1)a c i f KQ U C C C K C =-
++++因此若满足()1f a c i K C C C C +++时，式（6-4）可表示为
o f Q U C ≈-
第六章
1．说明霍尔效应的原理？
解：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，这种现象称霍尔效应。
2．某霍尔元件d b l ??为3
1.035.00.1cm ??沿l 方向通以电流mA I 0.1=，在垂直lb 面方
向加有均匀磁场T B 3.0=，传感器的灵敏度系数为T A V ?./22，试求其输出霍尔电势及载流子浓度。
（C q 1910602.1-?=） 解：H H H IB U R K IB d
==，式中K H =R H /d 称为霍尔片的灵敏度 所以输出的霍尔电势为33221100.3 6.610H U --=???=?，因为H IB U ned =-
，式中令R H =-1/（ne ），称之为霍尔常数，其大小取决于导体载流子密度,所以浓度
H IB U dq -=3319
1100.36.6100.1 1.60210---??-???? 3．磁电式传感器与电感式传感器有何不同？
解：磁敏式传感器是通过磁电作用将被测量（如振动、位移、转速等）转换成电信号的一种传感器。磁电感应式传感器也称为电动式传感器或感应式传感器。磁电感应式传感器是利用导体和磁场发生相对运动产生电动式的，它不需要辅助电源就能把被测对象的机械量转换成易于测量的电信号，是有源传感器。
电感式传感器是利用电磁感应原理将被测非电量如位移、压力、流量、、重量、振动等转换成线圈自感量L 或互感量M 的变化，再由测量电路转换为电压或电流的变化量输出的装置。
4．霍尔元件在一定电流的控制下，其霍尔电势与哪些因素有关？
解：根据下面这个公式可以得到
()H H L U K IBf b
= ，霍尔电势还与磁感应强度B, K H 为霍尔片的灵敏度,霍尔元件的长
度L 和宽度b 有关。
第七章
1．什么是热电势、接触电势和温差电势？
解：两种不同的金属A 和B 构成的闭合回路，如果将它们的两个接点中的一个进行加热，使其温度为T ，而另一点置于室温T 0中，则在回路中会产生的电势就叫做热电势。由于两种不同导体的自由电子密度不同而在接触处形成的电动势叫做接触电势。温差电势（又称汤姆森电势）是同一导体的两端因其温度不同而产生的一种热电势。
2．说明热电偶测温的原理及热电偶的基本定律。
解：热电偶是一种将温度变化转换为电量变化的装置，它利用传感元件的电磁参数随温度变化的特征来达到测量的目的。通常将被测温度转换为敏感元件的电阻、磁导或电势等的变化，通过适当的测量电路，就可由电压电流这些电参数的变化来表达所测温度的变化。 热电偶的基本定律包括以下三种定律：
1）中间导体定律：在热电偶回路中，只要中间导体两端的温度相同，那么接入中间导体后，对热电偶的回路的总电势无影响。
2）参考电极定律：如果导体C 热电极作为参考电极，并已知标准电极与任意导体配对时的热电势，那么在相同结点温度（T,T0）下，任意两导体A 、B 组成的热电偶，其电势可由下式求得000(,)(,)(,)AB AC CB E T T E T T E T T =+
3）中间温度定律：在热电偶回路中，两接点温度为T ，T 0时的热电势，等于该热电偶在接点T 、T a 和T a 、T 0时的热电势之和，即00(,)(,)()AB AB a AB a E T T E T T E T T =++
3． 已知在其特定条件下材料A 与铂配对的热电势mV T T E o Pt A 967.13)(=-，，材料B 与铂配对的热电势mV T T E o Pt B 345.8)(=-，，试求出此条件下材料A 与材料B 配对后的热电势。 解：根据热电偶基本定律中的参考电极定律可知，当结点温度为T ，T 0时，用导体A ，B 组成的热电偶的热电动势等于AC 热电偶和CB 热电偶的热电动势的代数和，即：
()00000(,)(,)(,)
,(,)13.9768.345 5.631AB AC CB AC BC E T T E T T E T T E T T E T T mV =+=-=-=
4．Pt100和Cu50分别代表什么传感器？分析热电阻传感器测量电桥之三线、四线连接法的主要作用。
解：Pt100代表铂热电阻传感器，Cu50代表铜热电阻传感器。三线制可以减小热电阻与测量仪表之间连接导线的电阻因环境温度变化所引起的测量误差。四线制可以完全消除引线电阻对测量的影响，用于高精度温度检测。工业用铂电阻测温常采用三线制和四线制连接法。
5．将一只灵敏度为0.08mv/℃ 的热电偶与毫伏表相连,已知接线端温度为50℃,毫伏表的输出为60 mv, 求热电偶热端的温度为多少? 解：607500.08
T C == 6．试比较热电阻与热敏电阻的异同。
解：热电阻将温度转换为电阻值大小的热电式传感器,热电阻传感器是利用导体的电阻值随温度变化而变化的原理进行测温的。热电阻传感器的测量精度高；有较大的测量范围，它可测量－200～500℃的温度；易于使用在自动测量和远距离测量中。热电阻由电阻体、保护套和接线盒等部件组成。其结构形式可根据实际使用制作成各种形状。
热敏电阻是由一些金属氧化物，如钴、锰、镍等的氧化物，采用不同比例的配方，经高温烧结而成，然后采用不同的封装形式制成珠状、片状、杆状、垫圈状等各种形状。热敏电阻具有以下优点：①电阻温度系数大，灵敏度高；②结构简单；③电阻率高，热惯性小；但它阻值与温度变化呈非线性，且稳定性和互换性较差。
第八章
1．什么是光电效应，依其表现形式如何分类，并予以解释。
解：光电效应首先把被测量的变化转换成光信号的变化，然后通过光电转换元件变换成电信号,光电效应分为外光电效应和内光电效应两大类：
a)在光线作用下，能使电子逸出物体表面的现象称为外光电效应;
b)受光照的物体导电率1R
发生变化，或产生光生电动势的效应叫内光电效应。 2．分别列举属于内光电效应和外光电效应的光电器件。
解：外光电效应，如光电管、光电倍增管等。
内光电效应，如光敏电阻、光电池和光敏晶体管等。
3．简述CCD 的工作原理。
解：CCD 的工作原理如下：首先构成CCD 的基本单元是MOS 电容器，如果MOS 电容器中的半导体是P 型硅，当在金属电极上施加一个正电压时，在其电极下形成所谓耗尽层，由于电子在那里势能较低，形成了电子的势阱，成为蓄积电荷的场所。CCD 的最基本结构是一系列彼此非常靠近的MOS 电容器，这些电容器用同一半导体衬底制成，衬底上面覆盖一层氧化层，并在其上制作许多金属电极，各电极按三相（也有二相和四相）配线方式连接。CCD 的基本功能是存储与转移信息电荷，为了实现信号电荷的转换：必须使MOS 电容阵列的排列足够紧密，以致相邻MOS 电容的势阱相互沟通，即相互耦合；控制相邻MOC 电容栅极电压高低来调节势阱深浅，使信号电荷由势阱浅的地方流向势阱深处；在CCD 中电荷的转移必须按照确定的方向。
4．说明光纤传输的原理。
解：光在空间是直线传播的。在光纤中，光的传输限制在光纤中，并随光纤能传送到很远的距离，光纤的传输是基于光的全内反射。当光纤的直径比光的波长大很多时，可以用几何光学的方法来说明光在光纤内的传播。设有一段圆柱形光纤，它的两个端面均为光滑的平面。当光线射入一个端面并与圆柱的轴线成θi 角时，根据斯涅耳（Snell ）光的折射定律，在光纤内折射成θj ，然后以θk 角入射至纤芯与包层的界面。若要在界面上发生全反射，则纤芯与界面的光线入射角θk 应大于临界角φc （处于临界状态时，θr =90o），即: 21arcsin k c n n θ?≥=
且在光纤内部以同样的角度反复逐次反射，直至传播到另一端面。
5．光纤传感器常用的调制原理有哪些？
解：1）强度调制原理2）相位调制原理3）频率调制原理4）偏振调制原理
6．红外线的最大特点是什么？什么是红外传感器？
解：红外线的最大特点是具有光热效应，可以辐射热量，它是光谱中的最大光热效应区。能将红外辐射量的变化转换为电量变化的装置称为红外探测器或红外传感器。红外传感器一般由光学系统、探测器、信号调理电路及显示系统等组成。
7．光敏电阻、光电池、光敏二极管和光敏三极管在性能上有什么差异，它们分别在什么情况下选用最合适？
解：光敏电阻
（1）伏安特性：在一定照度下，流过光敏电阻的电流与光敏电阻两端的电压的关系称为光敏电阻的伏安特性。光敏电阻在一定的电压范围内，其I-U曲线为直线，说明其阻值与入射光量有关，而与电压、电流无关。在给定的偏压情况下，光照度越大，光电流也就越大；在一定光照度下，加的电压越大，光电流越大，没有饱和现象。光敏电阻的最高工作电压是由耗散功率决定的，耗散功率又和面积以及散热条件等因素有关。
（2）光谱特性：光敏电阻的相对光敏灵敏度与入射波长的关系称为光谱特性，亦称为光谱响应。光敏电阻的灵敏度是不同的。从图中可见硫化镉光敏电阻的光谱响应的峰值在可见光区域，常被用作光度量测量（照度计）的探头。而硫化铅光敏电阻响应于近红外和中红外区，常用做火焰探测器的探头。
（3）光照特性：由于光敏电阻的光照特性呈非线性，因此不宜作为测量元件，一般在自动控制系统中常用作开关式光电信号传感元件。
（4）温度特性：光敏电阻受温度的影响较大。当温度升高时，它的暗电阻和灵敏度都下降。
温度变化影响光敏电阻的光谱响应，尤其是响应于红外区的硫化铅光敏电阻受温度影响更大。
光敏二极管
（1）光谱特性：一般来讲，锗管的暗电流较大，因此性能较差，故在可见光或探测赤热状态物体时，一般都用硅管。但对红外光进行探测时，锗管较为适宜。
（2）伏安特性：光敏晶体管的光电流比相同管型的二极管大上百倍。
（3）温度特性：从特性曲线可以看出，温度变化对光电流影响很小，而对暗电流影响很大，所以在电子线路中应该对暗电流进行温度补偿，否则将会导致输出误差。
光电池
（1）光谱特性：光电池对不同波长的光的灵敏度是不同的。光谱响应峰值所对应的入射光波长是不同的，硅光电池在0.8μm附近，硒光电池在0.5μm附近。可见硅光电池可以在很宽的波长范围内得到应用。
（2）光照特性：光电池在不同光照度下，光电流和光生电动势是不同的，它们之间的关系就是光照特性。短路电流在很大范围内与光照强度成线性关系，开路电压（负截电阻R L无限大时）与光照度的关系是非线性的，并且当照度在2000 lx时就趋于饱和了。因此光把电池作为测量元件时，应把它当作电流源的形式来使用，不能用作电压源。
（3）温度特性：光电池的温度特性是描述光电池的开路电压和短路电流随温度变化的情况。由于它关系到应用光电池的仪器或设备的温度漂移，影响到测量精度或控制精度等重要指标，因此温度特性是光电池的重要特性之一。开路电压随温度升高而下降的速度较快，而短路电流随温度升高而缓慢增加。由于温度对光电池的工作有很大影响，因此把它作为测量器件应用时，最好能保证温度恒定或采取温度补偿措施。
第九章
1．超声波在介质中有哪些传播特性？
解：超声波在各种介质中的波速不同，超声波会被传播介质吸收及散射，从而造成波动能量的损失。一般称为吸收损失，也称衰减，频率愈低的超声波衰减愈小。当超声波经过性质不同的介质交界面时，一部分会反射，其余的会穿透过去。这种反射或穿透的强度，由这两个交界介质的特性阻抗Z 决定。介质的特性阻抗差越大，反射率也就越大。超声波射入交界面除了部分反射外，其余的全部穿透过去，
2．什么是超声波的干涉现象？
解：如果在一种介质中传播几个声波，于是会产生波的干涉现象。由不同波源发出的频率相同、振动方向相同、相位相同或相位差恒定的两个波在空间相遇时，某些点振动始终加强，某些点振动始终减弱或消失，这种现象称为超声波的干涉现象。
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/℃、
1-3 求指数函数()(0,0)at x t Ae a t -=>≥的频谱。 (2)220 2 2 (2) ()()(2) 2(2)a j f t j f t at j f t e A A a j f X f x t e dt Ae e dt A a j f a j f a f -+∞ ∞ ---∞-∞-==== =-+++??πππππππ ()X f = Im ()2()arctan arctan Re ()X f f f X f a ==-π? 1-5 求被截断的余弦函数0cos ωt (见图1-26)的傅里叶变换。 0cos ()0 ωt t T x t t T ?≥的频谱密度函数为 1122 1()()j t at j t a j X f x t e dt e e dt a j a ∞ ∞ ----∞ -= == =++? ?ωωω ωω 根据频移特性和叠加性得： []001010222200222 000222222220000()()11()()()22()()[()]2[()][()][()][()] a j a j X X X j j a a a a j a a a a ??---+= --+=-??+-++?? --= -+-+++-++ωωωωωωωωωωωωωωωωωω ωωωωωωωω
2-4 2-5 原因：U (? NR 、 △氏斗=亍————+— △ R, 1 A/?. 一 △七 A/?.R\ R 2 R$ M 衡量传感器静态特性的主要指标。说明含义。 1、 线性度一一表征传感器输出■输入校准曲线与所选定的拟合直线之间的吻合(或偏离)程度的指标。 2、 灵敏度一一传感器输出量增量与被测输入量增量之比。 3、 分辨力一一传感器在规定测量范围内所能检测出的被测输入量的最小变化量。 1?2计算传感器线性度的方法，差别。 1、 理论直线法：以传感器的理论特性线作为拟合直线，与实际测试值无关。 2、 端点直线法：以传感器校准曲线两端点间的连线作为拟合直线。 3、 “最佳直线”法：以“最佳直线”作为拟合直线，该直线能保证传感器正反行程校准曲线对它的正负偏差相等 并 且最小。这种方法的拟合精度最高。 4、 最小二乘法：按最小二乘原理求取拟合直线，该直线能保证传感器校准数据的残差平方和最小。 2- 1金属应变计与半导体工作机理的异同？比较应变计各种灵敏系数概念的不同意义。 (1)相同点：它们都是在外界力作用下产生机械变形，从而导致材料的电阻发生变化所；不同点：金属材料的应变效 应以机械形变为主，材料的电阻率相对变化为辅；而半导体材料则正好相反，其应变效应以机械形变导致的电阻率的 相对变化为主，而机械形变为辅。 (2)对于金属材料，灵敏系数Ko-Km=(l+2u)+C(l-2u)o 前部分为受力后金属几何尺寸变化，一?般U ^0. 3,齿I 匕(1+2 U )=1.6；后部分为电阻率随应变而变的部分。金属丝材的应变电阻效应以结构尺寸变化为主。 对于半导体材料，灵敏系数K 。二Ks=(l+2u)+ nE 。前部分同样为尺寸变化，后部分为半导体材料的压阻效应所致, 而JiE 》(1+2 u),因此Ko=Ks=JiEo 半导体材料的应变电阻效应主要基于压阻效应。 2-3简述电阻应变计产生热输出(温度误差)的原因及其补偿办法。 电阻应变计的温度效应及其热输出由两部分组成：前部分为热阻效应所造成；后部分为敏感栅与试件热膨胀失配所 引起。在工作温度变化较大时，会产生温度误差。 补偿办法：1、温度自补偿法(1)单丝自补偿应变计(2)双丝自补偿应变计 2、桥路补偿法(1)双丝半桥式(2)补偿块法 试述应变电桥产生非线性的原因及消减非线性误差的措施。 业业? 2上式分母中含△Ri/Ri,是造成输出量的非线性因素。无论是输出电压还是电流，实际上都与△ Ri/Ri 呈非线性关 措施:(1)差动电桥补偿法 差动电桥呈现相对臂“和”，相邻臂“差”的特征，通过应变计合理布片达到补偿目的。常用的有半桥 差动电 路和全桥差动电路。 (2)恒流源补偿法 误差主要由于应变电阻ARi 的变化引起工作臂电流的变化所致。采用恒流源，可减小误差。 如何用电阻应变计构成应变式传感器？对其各组成部分有何要求？ 一是作为敏感元件，直接用于被测试件的应变测量；另一是作为转换元件，通过弹性敏感元件构成传感器，用以 对任何能转变成弹性元件应变的其他物理量作间接测量。 要求：非线性误差要小(〈0.05『0.1%F ?S),力学性能参数受环境温度影响小，并与弹性元件匹配。 2-9四臂平衡差动电桥。说明为什么采用。 全桥差动电路，RER3受拉，R2,R4受压，代入，得 U (\R, △& 1 A/?. A/?. ? AR 4) 4 I /?. R 、 R. 2 R, 由全等柝唇，得 4 K K 可见输出电压Uo 与ARi/Ri 成严格的线性关系，没有非线性误差。即Uo=f(AR/R)o 因为四臂差动工作，不仅消除了飞线性误差，而且输出比单臂工作提高了4倍，故常采用此方法。 3- 7电感传感器产生零位电压的原因和减小零位电压的措施。 差动自感式传感器当衔铁位于中间位置时，电桥输出理论上应为零，但实际上总存在零位不平衡电压输出(零位电 压)，造成零位误差。 措施：一种常用的方法是采用补偿电路，其原理为： (1)串联电阻消除基波零位电压；2)并联电阻消除高次谐波零位电压；(3)加并联电容消除基波正交分量或 高 次谐波分量。 另一种有效的方法是采用外接测量电路来减小零位电压。如前述的相敏检波电路，它能有效地消除基波正交 分 量与偶次谐波分量，减小奇次谐波分量，使传感器零位电压减至极小。此外还可采用磁路调节机构(如可调端 盖)保 证磁路的对称性，来减小零位电压。 4- 2变极距型电容传感器产生非线性误差的原因及如何减小？ 原因：灵敏度S 与初始极距。。的平方成反比，用减少°°的办法来提高灵敏度，但。。的减小会导致非线性误差增大。 采用差动式，可比单极式灵敏度提高一倍，且非线性误差大为减小。由于结构上的对称性，它还能有效地补偿温度变 化所= 4 1 < R1 R 2 斗 -A /?4 U 4A/?f - T — —U
第1章概述 1.什么是传感器？ 传感器定义为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，通常由敏感元件和转换元件组成。 1.2传感器的共性是什么？ 传感器的共性就是利用物理规律或物质的物理、化学、生物特性，将非电量（如位移、速度、加速度、力等）输入转换成电量（电压、电流、电容、电阻等）输出。 1.3传感器由哪几部分组成的？ 由敏感元件和转换元件组成基本组成部分，另外还有信号调理电路和辅助电源电路。 1.4传感器如何进行分类？ （1）按传感器的输入量分类，分为位移传感器、速度传感器、温度传感器、湿度传感器、压力传感器等。（2）按传感器的输出量进行分类，分为模拟式和数字式传感器两类。（3）按传感器工作原理分类，可以分为电阻式传感器、电容式传感器、电感式传感器、压电式传感器、磁敏式传感器、热电式传感器、光电式传感器等。（4）按传感器的基本效应分类，可分为物理传感器、化学传感器、生物传感器。（5）按传感器的能量关系进行分类，分为能量变换型和能量控制型传感器。（6）按传感器所蕴含的技术特征进行分类，可分为普通型和新型传感器。 1.5传感器技术的发展趋势有哪些？ （1）开展基础理论研究（2）传感器的集成化（3）传感器的智能化（4）传感器的网络化（5）传感器的微型化 1.6改善传感器性能的技术途径有哪些？ （1）差动技术（2）平均技术（3）补偿与修正技术(4)屏蔽、隔离与干扰抑制 (5)稳定性处理 第2章传感器的基本特性 2.1什么是传感器的静态特性？描述传感器静态特性的主要指标有哪些？ 答：传感器的静态特性是指在被测量的各个值处于稳定状态时，输出量和输入量之间的关系。主要的性能指标主要有线性度、灵敏度、迟滞、重复性、精度、分辨率、零点漂移、温度漂移。 2.2传感器输入-输出特性的线性化有什么意义？如何实现其线性化？ 答：传感器的线性化有助于简化传感器的理论分析、数据处理、制作标定和测试。常用的线性化方法是：切线或割线拟合，过零旋转拟合，端点平移来近似，多数情况下用最小二乘法来求出拟合直线。 2.3利用压力传感器所得测试数据如下表所示，计算其非线性误差、迟滞和重复性误差。设压力为0MPa 时输出为0mV,压力为0.12MPa时输出最大且为16.50mV. 非线性误差略 正反行程最大偏差?Hmax=0.1mV，所以γH=±?Hmax0.1100%=±%=±0.6%YFS16.50 重复性最大偏差为?Rmax=0.08，所以γR=±?Rmax0.08=±%=±0.48%YFS16.5 2.4什么是传感器的动态特性？如何分析传感器的动态特性？ 传感器的动态特性是指传感器对动态激励（输入）的响应（输出）特性，即输出对随时间变化的输入量的响应特性。
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Uho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°C,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
机械工程测试技术课后 习题答案 集团标准化小组：[VVOPPT-JOPP28-JPPTL98-LOPPNN]
第三章：常用传感器技术 3-1 传感器主要包括哪几部分？试举例说明。 传感器一般由敏感元件、转换元件、基本转换电路三部分组成。 如图所示的气体压力传感器。其内部的膜盒就是敏感元件，它的外部与大气压力相通，内部感受被测压力p ，当p 发生变化时，引起膜盒上半部分移动，可变线圈是传感器的转换元件，它把输入的位移量转换成电感的变化。基本电路则是完成上述电感变化量接入基本转换电路，便可转换成电量输出。 3-2 请举例说明结构型传感器与物性型传感器的区别。 答：结构型传感器主要是通过传感器结构参量的变化实现信号变换的。例如，电容式传感器依靠极板间距离变化引起电容量的变化；电感式传感器依靠衔铁位移引起自感或互感的变化。 物性型传感器则是利用敏感元件材料本身物理性质的变化来实现信号变换。例如，水银温度计是利用水银的热胀冷缩性质；压电式传感器是利用石英晶体的压电效应等。 3-3 金属电阻应变片与半导体应变片在工作原理上有何区别？ 答： （1）金属电阻应变片是基于金属导体的“电阻应变效应”， 即电阻材料在外力作用下发生机械变形时，其电阻值发生变化的现象，其电阻的相对变化为()12dR R με=+； （2）半导体应变片是基于半导体材料的“压阻效应”，即电阻材料受到载荷作用而产生应力时，其电阻率发生变化的现象，其电阻的相对变化为dR d E R ρλερ == 。 3-4 有一电阻应变片（见图3-105），其灵敏度S 0=2，R =120Ω，设工作时其 应变为1000με，问ΔR =？设将此应变片接成图中所示的电路，试求：1）无应变时电流指示值；2）有应变时电流指示值；3）试分析这个变量能否从表中读出？ 解：根据应变效应表达式R /R =S g 得 R =S g R =2100010-6120=0.24 1）I 1=1.5/R =1.5/120=0.0125A=12.5mA 2）I 2=1.5/(R +R )=1.5/(120+0.24)0.012475A=12.475mA 图3-105 题3-4图
1-1 衡量传感器静态特性的主要指标。说明含义。 1、 线性度——表征传感器输出-输入校准曲线与所选定的拟合直线之间的吻合（或偏离）程度的指标。 2、 回差（滞后）—反应传感器在正（输入量增大）反（输入量减小）行程过程中输出-输入曲线的不重合程度。 3、 重复性——衡量传感器在同一工作条件下，输入量按同一方向作全量程连续多次变动时，所得特性曲线间一致 程度。各条特性曲线越靠近，重复性越好。 4、 灵敏度——传感器输出量增量与被测输入量增量之比。 5、 分辨力——传感器在规定测量范围内所能检测出的被测输入量的最小变化量。 6、 阀值——使传感器输出端产生可测变化量的最小被测输入量值，即零位附近的分辨力。 7、 稳定性——即传感器在相当长时间内仍保持其性能的能力。 8、 漂移——在一定时间间隔内，传感器输出量存在着与被测输入量无关的、不需要的变化。 9、 静态误差（精度）——传感器在满量程内任一点输出值相对理论值的可能偏离（逼近）程度。 1-2 计算传感器线性度的方法，差别。 1、 理论直线法：以传感器的理论特性线作为拟合直线，与实际测试值无关。 2、 端点直线法：以传感器校准曲线两端点间的连线作为拟合直线。 3、 “最佳直线”法：以“最佳直线”作为拟合直线，该直线能保证传感器正反行程校准曲线对它的正负偏差相等 并且最小。这种方法的拟合精度最高。 4、 最小二乘法：按最小二乘原理求取拟合直线，该直线能保证传感器校准数据的残差平方和最小。 1-3 什么是传感器的静态特性和动态特性？为什么要分静和动？ （1）静态特性：表示传感器在被测输入量各个值处于稳定状态时的输出-输入关系。 动态特性：反映传感器对于随时间变化的输入量的响应特性。 （2）由于传感器可能用来检测静态量（即输入量是不随时间变化的常量）、准静态量或动态量（即输入量是随时间变化的变量），于是对应于输入信号的性质，所以传感器的特性分为静态特性和动态特性。 Z-1 分析改善传感器性能的技术途径和措施。 （1）结构、材料与参数的合理选择（2）差动技术（3）平均技术（4）稳定性处理（5）屏蔽、隔离与干扰抑制 （6）零示法、微差法与闭环技术（7）补偿、校正与“有源化”（8）集成化、智能化与信息融合 2-1 金属应变计与半导体工作机理的异同？比较应变计各种灵敏系数概念的不同意义。 （1）相同点：它们都是在外界力作用下产生机械变形，从而导致材料的电阻发生变化所；不同点：金属材料的应变效应以机械形变为主，材料的电阻率相对变化为辅；而半导体材料则正好相反，其应变效应以机械形变导致的电阻率的相对变化为主，而机械形变为辅。 （2）对于金属材料，灵敏系数Ko=Km=(1+2μ)+C(1-2μ)。前部分为受力后金属几何尺寸变化，一般μ≈0.3，因此（1+2μ）=1.6；后部分为电阻率随应变而变的部分。金属丝材的应变电阻效应以结构尺寸变化为主。 对于半导体材料，灵敏系数Ko=Ks=(1+2μ)+ πE 。前部分同样为尺寸变化，后部分为半导体材料的压阻效应所致，而πE 》(1+2μ)，因此Ko=Ks=πE 。半导体材料的应变电阻效应主要基于压阻效应。 2-3 简述电阻应变计产生热输出（温度误差）的原因及其补偿办法。 电阻应变计的温度效应及其热输出由两部分组成：前部分为热阻效应所造成；后部分为敏感栅与试件热膨胀失配所引起。在工作温度变化较大时，会产生温度误差。 补偿办法：1、温度自补偿法 （1）单丝自补偿应变计(2) 双丝自补偿应变计 2、桥路补偿法 （1）双丝半桥式（2）补偿块法 2-4 试述应变电桥产生非线性的原因及消减非线性误差的措施。 原因： 上式分母中含ΔRi/Ri ，是造成输出量的非线性因素。无论是输出电压还是电流，实际上都与ΔRi/Ri 呈非线性关系。 措施：(1) 差动电桥补偿法 差动电桥呈现相对臂“和”，相邻臂“差”的特征，通过应变计合理布片达到补偿目的。常用的有半桥 差动电路和全桥差动电路。 (2) 恒流源补偿法 误差主要由于应变电阻ΔRi 的变化引起工作臂电流的变化所致。采用恒流源，可减小误差。 2-5 如何用电阻应变计构成应变式传感器？对其各组成部分有何要求？ 一是作为敏感元件，直接用于被测试件的应变测量；另一是作为转换元件，通过弹性敏感元件构成传感器，用以对任何能转变成弹性元件应变的其他物理量作间接测量。 要求：非线性误差要小（<0.05%~0.1%F.S ），力学性能参数受环境温度影响小，并与弹性元件匹配。 2-9 四臂平衡差动电桥。说明为什么采用。 全桥差动电路，R1,R3受拉，R2,R4受压，代入，得 由全等桥臂，得 可见输出电压Uo 与ΔRi/Ri 成严格的线性关系，没有非线性误差。即Uo=f(ΔR/R)。 因为四臂差动工作，不仅消除了飞线性误差，而且输出比单臂工作提高了4倍，故常采用此方法。 331241240123412341142R R R R R R R R U U R R R R R R R R ?????????????=-+-+++ ? ?????331241240123412341142R R R R R R R R U U R R R R R R R R ?????????????=-+-++++ ? ?????33124124012341234111111424U 4R R R R R R R R U U R R R R R R R R R R U R R ???????-?-??-?-??=-+-++++ ? ???????==
第一章 1、何为传感器及传感技术？ 人们通常将能把被测物理量或化学量转换为与之有对应关系的电量输出的装置称为传感器，这种技术被称 为传感技术。 2、传感器通常由哪几部分组成？通常传感器可以分为哪几类？若按转换原理分类，可以分成几类？ 传感器通常由敏感元件、传感元件和其他辅助元件组成，有时也把信号调节和转换电路、辅助电源作为传 感器的组成部分。 传感器一般按测定量和转换原理两种方法进行分类。 按转换原理分类可以分为能量转换型传感器和能量控制型传感器。 3、传感器的特性参数主要有哪些？选用传感器应注意什么问题？ 传感器的特性参数：1 静态参数：精密度，表示测量结果中随机误差大小的程度。 正确度,表示测量结果中系统误差大小程度。 准确度，表示测量结果与被测量的真值之间的一致程度。 稳定度、鉴别度、分辨力、死区、回程误差、线性误差、零位误差等。 动态参数：时间常数t:在恒定激励理 第二章 1、光电效应有哪几种？与之对应的光电器件和有哪些？ 光电传感器的工作原理基于光电效应。 光电效应总共有三类：外光电效应（光电原件有：光电管、光电倍增管等、内光电效应（光敏电阻）、光生 伏特效应（光电池、光敏二极管和光敏三极管） 2、什么是光生伏特效应？ 光生伏特效应：在光线的作用下能使物体产生一定方向电动势的现象。 3、试比较光敏电阻、光电池、光敏二极管和光敏三极管的性能差异，并简述在不同的场和下应选用哪种器 件最为合适。 光敏二极管：非线性器件，具有单向导电性。（PN 结装在管壳的顶部，可以直接爱到光的照射）通常处于 反向偏置状态，当没有交照射时，其反向电阻很大反向，反向电流很小，这种电流称为暗电流。当有光照 射时，PN 结及附近产生电子-空穴对，它们的反向电压作用下参与导电，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。 不管硅管还是锗管，当入射光波长增加时，相对灵敏度都下降。，因为光子能量太小不足以激发电子-空穴 对，而不能达到PN 结，因此灵敏度下降。 探测可见光和赤热物时，硅管。对红外光进行探测用锗管。光敏三极管：有两个PN 结，比光敏二极管拥有更高的灵敏度。 光敏电阻：主要生产的光敏电阻为硫化镉。 7、简述光纤的结构和传光原理。光纤传感器有哪些类型？他们之间有什么区别？
现测课后习题答案 第1章 1. 直接的间接的 2. 测量对象测量方法测量设备 3. 直接测量间接测量组合测量直读测量法比较测量法时域测量频域测量数据域测量 4. 维持单位的统一，保证量值准确地传递基准量具标准量具工作用量具 5. 接触电阻引线电阻 6. 在对测量对象的性质、特点、测量条件（环境）认真分析、全面了解的前提下，根据对测量结果的准确度要求选择恰当的测量方法（方式）和测量设备，进而拟定出测量过程及测量步骤。 7. 米(m) 秒(s) 千克(kg) 安培(A) 8. 准备测量数据处理 9. 标准电池标准电阻标准电感标准电容 第2章 填空题 1. 系统随机粗大系统 2. 有界性单峰性对称性抵偿性 3. 置信区间置信概率 4. 最大引用0.6% 5. 0.5×10-1[100.1Ω，100.3Ω] 6. ± 7.9670×10-4±0.04% 7. 测量列的算术平均值 8. 测量装置的误差不影响测量结果，但测量装置必须有一定的稳定性和灵敏度 9. ±6Ω 10. [79.78V，79.88V]
计算题 2. 解: (1)该电阻的平均值计算如下： 1 28.504n i i x x n == =∑ 该电阻的标准差计算如下： ?0.033σ == (2)用拉依达准则有，测量值28.40属于粗大误差，剔除，重新计算有以下结果： 28.511?0.018x σ '='= 用格罗布斯准则，置信概率取0.99时有，n=15，a=0.01，查表得 0(,) 2.70g n a = 所以， 0?(,) 2.700.0330.09g n a σ =?= 可以看出测量值28.40为粗大误差，剔除，重新计算值如上所示。 (3) 剔除粗大误差后，生于测量值中不再含粗大误差，被测平均值的标准差为： ?0.0048σσ ''== (4) 当置信概率为0.99时，K=2.58，则 ()0.012m K V σ'?=±=± 由于测量有效位数影响，测量结果表示为 28.510.01x x m U U V =±?=± 4. 解： (1) (2) 最大绝对误差?Um=0.4，则最大相对误差=0.4%<0.5% 被校表的准确度等级为0.5 (3) Ux=75.4，测量值的绝对误差:?Ux=0.5%× 100=0.5mV
《传感器技术与应用第3版》习题参考答案 习题1 1.什么叫传感器它由哪几部分 组成 答：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。传感器通常由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适于传输或测量的电信号部分。 2. 传感器在自动测控系统中起什么作用 答：自动检测和自动控制技术是人们对事物的规律定性了解、定量分析预期效果所从事的一系列技术措施。自动测控系统是完成这一系列技术措施之一的装置。一个完整的自动测控系统，一般由传感器、测量电路、显示记录装置或调节执行装置、电源四部分组成。传感器的作用是对通常是非电量的原始信息进行精确可靠的捕获和转换为电量，提供给测量电路处理。 3. 传感器分类有哪几种各有什么优、缺点 答：传感器有许多分类方法，但常用的分类方法有两种，一种是按被测输入量来分，如温度传感器、湿度传感器、压力传感器、位移传感器、流量传感器、液位传感器、力传感器、加速度传感器、转矩传感器等；另一种是按传感器的工作原理来分，如电学式传感器、磁学式传感器、光电式传感器、电势型传感器、电荷传感器、半导体传感器、谐振式传感器、电化学式传感器等。还有按能量的关系分类，即将传感器分为有源传感器和无源传感器；按输出信号的性质分类，即将传感器分为模拟式传感器和数字式传感器。 按被测输入量分类的优点是比较明确地表达了传感器的用途，便于使用者根据其用途选用；缺点是没有区分每种传感器在转换机理上有何共性和差异，不便使用者掌握其基本原理及分析方法。 按工作原理分类的优点是对传感器的工作原理比较清楚，有利于专业人员对传感器的深入研究分析；缺点是不便于使用者根据用途选用。 4. 什么是传感器的静态特性它由哪些技术指标描述 答：传感器测量静态量时表现的输入、输出量的对应关系为静态特性。它有线性度、灵敏度、重复性、迟滞现象、分辨力、稳定性、漂移等技术指标。 5. 为什么传感器要有良好的动态特性什么是阶跃响应法和频率响应法 答：在动态（快速变化）的输入信号情况下，要求传感器能迅速准确地响应和再现被测信号的变化。因此，需要传感器具有良好的动态特性。 测试和检验传感器的动态特性有瞬态响应法和频率响应法。阶跃响应法即瞬态响应法，是给传感器输入一个单位阶跃函数的被测量，测量其输出特性。动态特性优良的传感器的输出特性应该上升沿陡，顶部平直。 频率响应法是给传感器输入各种频率不同而幅值相同，初相位为零的正弦函数的被测量，测量其输出的正弦函数输出量的幅值和相位与频率的关系。动态特性优良的传感器，输出的正弦函数输出量的幅值对于各频率是相同的，相位与各频率成线性关系。
传感器技术绪论习题 一、单项选择题 1、下列属于按传感器的工作原理进行分类的传感器是（ B ）。 A. 应变式传感器 B. 化学型传感器 C. 压电式传感器 D. 热电式传感器 2、通常意义上的传感器包含了敏感元件和（ C ）两个组成部分。 A. 放大电路 B. 数据采集电路 C. 转换元件 D. 滤波元件 3、自动控制技术、通信技术、连同计算机技术和（C ），构成信息技术的完整信息链。 A. 汽车制造技术 B. 建筑技术 C. 传感技术 D.监测技术 4、传感器按其敏感的工作原理，可以分为物理型、化学型和（ A ）三大类。 A. 生物型 B. 电子型 C. 材料型 D. 薄膜型 5、随着人们对各项产品技术含量的要求的不断提高，传感器也朝向智能化方面发展，其中，典型的传感器智能化结构模式是（ B ）。 A. 传感器＋通信技术 B. 传感器＋微处理器 C. 传感器＋多媒体技术 D. 传感器＋计算机 6、近年来，仿生传感器的研究越来越热，其主要就是模仿人的（D ）的传感器。 A. 视觉器官 B. 听觉器官 C. 嗅觉器官 D. 感觉器官 7、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 B. 感觉器官 C. 手 D. 皮肤 8、传感器主要完成两个方面的功能：检测和（D ）。 A. 测量 B. 感知 C. 信号调节 D. 转换 9、传感技术与信息学科紧密相连，是（C ）和自动转换技术的总称。 A. 自动调节 B. 自动测量 C. 自动检测 D. 信息获取 10、以下传感器中属于按传感器的工作原理命名的是（ A ） A．应变式传感器B．速度传感器 C．化学型传感器D．能量控制型传感器 二、多项选择题 1、传感器在工作过程中，必须满足一些基本的物理定律，其中包含（ABCD）。 A. 能量守恒定律 B. 电磁场感应定律 C. 欧姆定律 D. 胡克定律 2、传感技术是一个集物理、化学、材料、器件、电子、生物工程等学科于一体的交叉学科，涉及（ABC ）等多方面的综合技术。 A. 传感检测原理 B. 传感器件设计 C. 传感器的开发和应用 D. 传感器的销售和售后服务 3、目前，传感器以及传感技术、自动检测技术都得到了广泛的应用，以下领域采用了传感技术的有：（ABCD ）。 A. 工业领域 B. 海洋开发领域 C. 航天技术领域 D. 医疗诊断技术领域 4、传感器有多种基本构成类型，包含以下哪几个（ABC ） A. 自源型 B. 带激励型 C. 外源型 D. 自组装型 5、下列属于传感器的分类方法的是：（ABCD ） A. 按输入量分 B. 按工作原理分 C. 按输出量分 D. 按能量变换关系分 6、下列属于传感器的分类方法的是：（ABCD ） A. 按输入量分 B. 按工作原理分 C. 按构成分 D. 按输出量分
传感器课后题及答案 第1章传感器特性 1．什么是传感器？（传感器定义） 2．传感器由哪几个部分组成？分别起到什么作用？3. 传感器特性在检测系统中起到什么作用？4．解释下列名词术语： 1)敏感元件;2)传感器; 3)信号调理器;4)变送器。5．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？ 6．某传感器精度为2%FS ，满度值50mv ，求出现的最大误差。当传感器使用在满刻度值1/2和1/8 时计算可能产生的百分误差，并说出结论。 7．一只传感器作二阶振荡系统处理，固有频率f0=800Hz，阻尼比ε=0.14，用它测量频率为400的正弦外力，幅植比ε=0.7时， ， 又为多少？ ，相角 各为多少？ 8．某二阶传感器固有频率f0=10KHz，阻尼比ε=0.1若幅度误差小于3%，试求：决定此传感器的工作频率。 9. 某位移传感器，在输入量变化5 mm时，输出电压变化为300 mV,求其灵敏度。 10. 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/℃、S2=2.0V/mV、S3=5.0mm/V，求系统的总的灵敏度。11．测得某检测装置的一组
输入输出数据如下：a)试用最小二乘法拟合直线，求其线性度和灵敏度；b)用C语言编制程序在微机上实现。 12．某温度传感器为时间常数T=3s 的一阶系统，当传感器受突变温度作用后，试求传感器指示出温差的1/3和1/2所需的时间。 13．某传感器为一阶系统，当受阶跃函数作用时，在t=0时，输出为10mV;t→∞时，输出为100mV;在t=5s时，输出为50mV,试求该传感器的时间常数。14．某一阶压力传感器的时间常数为0.5s,若阶跃压力从25MPa,试求二倍时间常数的压力和2s 后的压力。 15．某压力传感器属于二阶系统，其固有频率为1000Hz,阻尼比为临界值的50%,当500Hz的简谐压力输入后，试求其幅值误差和相位滞后。16.已知某压力传感器的测定范围为0～10000Pa，输入特性表示为：y=10(x-0.00007x2+2000)请问这种传感器能使用吗？ 17.某CO2气体传感器在20。C，浓度范围为0～100ppm时的输入特性表示为Rx=x+250(kΩ),用差动法回答以下问题（其中R1=10MΩ,E=2V）: ⑴利用最简单的电阻-电压变换电路，绘出X，V0的关系图。 ⑵利用电桥进行电阻-电压变换电路，绘出20 。C时X，V0的关系图。另外，当30。C时，Rx=x+500(kΩ)，在同一张图上再加上X，V0的关系图，然后进行比较。 ⑶采用两个差动法的传感器电路绘出20。C，30。C时X，V0的关系，然后与（2）中的图形进行比较。 18.设阻抗Rs为1 kΩ俄信号源与100V的动力线有50m的并行走线距离，静电感应所产生的噪声电压为多少？分布电容设为10pF/m。 第3章电感式传感器 1.叙述变磁阻式传感器的工作原理。
西安理工研究生考试 传 感 器 与 智 能 检 测 技 术 课 后 习 题
1、对于实际的测量数据，应该如何选取判别准则去除粗大误差？ 答：首先，粗大误差是指明显超出规定条件下的预期值的误差。去除粗大误差的准则主要有拉依达准则、格拉布准则、t检验准则三种方法。准则选取的判别主要看测量数据的多少。 对于拉依达准则，测量次数n尽可能多时，常选用此准则。当n过小时，会把正常值当成异常值，这是此准则的缺陷。 格拉布准则，观测次数在30—50时常选取此准则。 t检验准则，适用于观察次数较少的情况下。 2、系统误差有哪些类型？如何判别和修正？ 答：系统误差是在相同的条件下，对同一物理量进行多次测量，如果误差按照一定规律出现的误革。 系统误差可分为：定值系统误差和变值系统误差。 变值系统误差乂可以分为：线性系统误差、周期性系统误差、复杂规律变化的系统误差。判定与修正： 对于系统误差的判定方法主要有： 1、对于定值系统误差一?般用实验对比检验法。改变产生系统误差的条件，在不同条件下进行测量，对结果进行比较找出恒定系统误差。 2、对于变值系统误差：a、观察法：通过观察测量数据的各个残差大小和符号的变化规律来判断有无变值系统误差。这些判断准则实质上是检验误差的分布是否偏离正态分布。 b、残差统计法：常用的有马利科夫准则（和检验），阿贝-赫梅特准则（序差检验法）等。 c、组间数据检验正态检验法 修正方法： 1.消除系统误差产生的根源 2.引入更正值法 3.采用特殊测量方法消除系统误差。主要的测量方法有：1）标准量替代法2）交换法3）对称测量法4）半周期偶数测量法 4.实时反馈修正 5.在测量结果中进行修正 3、从理论上讲随机误差是永远存在的，当测量次数越多时，测量值的算术平均值越接近真值。因此，我们在设计自动检测系统时，计算机可以尽可能大量采集数据，例如每次采样数万个数据计算其平均值，这样做的结果合理否？ 答：这种做法不合理。随机误差的数字特征符合正态分布。当次数n增大时，测量精度相应提高。但测量次数达到一定数Id后，算术平均值的标准差下降很慢。对于提高精度基本可忽略影响了。因此要提高测量结果的精度，不能单靠无限的增加测量次数，而需要采用适当的测量方法、选择仪器的精度及确定适当的次数等几方面共同考虑来使测量结果尽可能的接近真值。 4、以热电阻温度传感器为例，分析传感器时间常数对动态误差的影响。并说明热电阻传感器的哪些参数对有影响？ 答：1、对于热电阻温度传感器来说，传感器常数对于温度动态影响如式子t2=t x-T （dtJdt）所示，7■决定了动态误差的波动幅度。了的大小决定了随着时间变化
第一章 1.何为准确度、精密度、精确度？并阐述其与系统误差和随机误差的关系。 答：准确度：反映测量结果中系统误差的影响程度。 精密度：反映测量结果中随机误差的影响程度。 精确度：反映测量结果中系统误差和随机误差综合的的影响程度，其定量特征可用测量的不确定度表示。 4.为什么在使用各种指针式仪表时，总希望指针偏转在全量程的2/3以上范围内使用？答：选用仪表时要考虑被测量的大小越接近仪表上限越好，为了充分利用仪表的准确度，选用仪表前要对被测量有所了解，其被测量的值应大于其测量上限的2/3。 14.何为传感器的静态标定和动态标定？试述传感器的静态标定过程。 答：静态标定：确定传感器的静态特性指标，如线性度、灵敏度、滞后和重复性等。 动态标定：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。 静态标定过程： ①将传感器全量程分成如干等间距点。 ②根据传感器量程分点情况，由小到大一点一点地输入标准量值，并记录与各输入值相应的输出值。 ③将输入值由大到小一点一点减小，同时记录与各输入值相对应的输出值。 ④按②、③所述过程，对传感器进行正反行程往复循环多次测试，将得到的输出-输入测试数据用表格列出或作出曲线。 ⑤对测试数据进行必要的处理，根据处理结果就可以确定传感器的线性度、灵敏度、迟滞和重复性等静态特性指标。 第二章 1.什么叫应变效应？利用应变效应解释金属电阻应变片的工作原理。 答：应变效应：金属丝的电阻随着它所受的机械形变的大小而发生相应的变化的现象称为金属应变效应。 工作原理：在电阻丝拉伸极限内，电阻的相对变化与应变成正比， 即：?R =K0ε(K0：电阻丝的灵敏系数、ε：导体的纵向应变) R
1.1简述测量仪器的组成与各组成部分的作用 答：感受件、中间件和效用件。感受件直接与被测对象发生联系，感知被测参数的变化，同时对外界发出相应的信号；中间件将传感器的输出信号经处理后传给效用件，放大、变换、运算；效用件的功能是将被测信号显示出来。 1.2测量仪器的主要性能指标及各项指标的含义是什么 答：精确度、恒定度、灵敏度、灵敏度阻滞、指示滞后时间等。精确度表示测量结果与真值一致的程度；恒定度为仪器多次重复测量时，指示值的稳定程度；灵敏度以仪器指针的线位移或角位移与引起这些位移的被测量的变化值之间的比例表示；灵敏度阻滞又称感量，是足以引起仪器指针从静止到做微小移动的被测量的变化值；指示滞后时间为从被测参数发生改变到仪器指示出该变化值所需时间，或称时滞。 2.3试述常用的一、二阶测量仪器的传递函数及它的实例 答：一阶测量仪器如热电偶；二阶测量仪器如测振仪。 2.4试述测量系统的动态响应的含义、研究方法及评价指标。 答：测量系统的动态响应是用来评价系统正确传递和显示输入信号的指标。研究方法是对系统输入简单的瞬变信号研究动态特性或输入不同频率的正弦信号研究频率响应。评价指标为时间常数τ（一阶）、稳定时间t s和最大过冲量A d（二阶）等。 2.6试说明二阶测量系统通常取阻尼比ξ=0.6~0.8范围的原因 答：二阶测量系统在ξ=0.6~0.8时可使系统具有较好的稳定性，而且此时提高系统的固有频率ωn会使响应速率变得更快。 3.1测量误差有哪几类？各类误差的主要特点是什么？ 答：系统误差、随机误差和过失误差。系统误差是规律性的，影响程度由确定的因素引起的，在测量结果中可以被修正；随机误差是由许多未知的或微小因素综合影响的结果，出现与否和影响程度难以确定，无法在测量中加以控制和排除，但随着测量次数的增加，其算术平均值逐渐接近零；过失误差是一种显然与事实不符的误差。 3.2试述系统误差产生的原因及消除方法 答：仪器误差，安装误差，环境误差，方法误差，操作误差(人为误差)，动态误差。消除方法：交换抵消法，替代消除法，预检法等。 3.3随机误差正态分布曲线有何特点? 答：单峰性、对称性、有限性、抵偿性。 4.1什么是电阻式传感器？它主要分成哪几种？ 答：电阻式传感器将物理量的变化转换为敏感元件电阻值的变化，再经相应电路处理之后转换为电信号输出。分为金属应变式、半导体压阻式、电位计式、气敏式、湿敏式。 4.2用应变片进行测量时为什么要进行温度补偿？常用的温度补偿方法有哪几种？ 答：在实际使用中，除了应变会导致应变片电阻变化之外，温度变化也会使应变片电阻发生误差，故需要采取温度补偿措施消除由于温度变化引起的误差。常用的温度补偿方法有桥路补偿和应变片自补偿两种。 4.4什么是电感式传感器？简述电感式传感器的工作原理 答：电感式传感器建立在电磁感应的基础上，是利用线圈自感或互感的变化，把被测物理量转换为线圈电感量变化的传感器。 4.5什么是电容式传感器？它的变换原理如何 答：电容式传感器是把物理量转换为电容量变化的传感器，对于电容器，改变ε ，ｄ和Ａ都会 ｒ 影响到电容量Ｃ，电容式传感器根据这一定律变换信号。 4.8说明磁电传感器的基本工作原理，它有哪几种结构形式？在使用中各用于测量什么物理量？
传感器原理及应用习题答案完整版
传感器原理及应用习题答案 习题1 (2) 习题2 (3) 习题3 (6) 习题4 (7) 习题5 (8) 习题6 (9) 习题7 (11) 习题8 (13) 习题9 (15) 习题10 (16) 习题11 (17) 习题12 (18) 习题13 (21)
习题1 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。 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。