【专题】传感器的原理及应用
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一、传感器
1．传感器的概念:
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，并能够把它按照一定的规律转换为电压、电流等电学量，或转换为电路的通断，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．传感器的原理:
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：非电学量→敏感元件→转换器件→转换电路→电学量
二、制作传感器的所需要的敏感元件:
1．光敏电阻
光敏电阻的材料是一种半导体．无光照射时，载流子极少，导电性能不好；随着光照的增强，载流子增多，导电性能变好．所似光敏电阻的电阻值随着光照的增强而减小．有一种用硫化镉制作的光敏电阻．
光敏电阻在被光照射时电阻发生变化，这样光敏电阻就可以把光照强弱转换为电阻大小这个电学量．
[例1]：如图所示为光敏电阻自动计数器的示意图．其中R
为光敏电阻，R2为定值电阻，
1
此光电计数器的基本工作原理是（）
A．当有光照射R1时信号处理系统获得高电压
B．当有光照射R1时，信号处理系统获得低电压
C．信号处理系统每获得一次低电压就计数一次
D．信号处理系统每获得一次高电压就计数一次
[解析]：本题中的自动计数器具有广泛的应用，它是利用光敏电
阻对光的敏感特性将光照强度这个光学量转换为电阻这个电学量，并将电路中的电压用信号处理系统识别以达到计数的目的．R1为光敏电阻，当有光照射出R1的阻值变小，R2上的电压变大，信号处理系统获得高电压．由题意知，当传送带上的物体挡住光时，信号处理系统获得低电压，这种电压高低交替变化的信号转化为相应的数字，实现自动计数的功能，达到自动计数目的．故AC选项正确．2．热敏电阻和金属热电阻
热敏电阻是由半导体材料制成的，其电阻随温度变化明显，导电能力随温度的升高而增强．有一种热敏电阻是用氧化锰等金属氧化物烧结而成的．
某些金属材料的电阻率随温度的升高而增大，用这样的金属可以制作成温度传感器，称为热电阻．有一种常用的金属热电阻是用金属铂制作的．
热敏电阻或金属热电阻能够把温度这个热学量转换为电阻这个电学董，但相比而言，金属初电阻的化学稳定性好，测温范围大．而热敏电阻的灵敏度较好．
3．电容式位移传感器
它是利用运动物体附带的电介质板在电容器内部插入的多少来改变电容器的电容，从而把物体的位移这个力学量转换为电容这个电学量．
[例2]：
如图所示，图中各个电容式传感器各是哪种形
式的传感器，请说明它们的工作原理．
[解析]：电容式传感器是一多功能传感器，即可用来做
压力、转角、位移、压强、声音等传感器，电容式传感
器具有体积小、反应灵敏等优点．
⑴图⑴是角度的电容式传感器，其工作原理是当动金属
片旋进的角度不同时，电容的正对面积不同，电容的容
量不同．
⑵图⑵是流体的电容式传感器，其工作原理是导电
液体相当于电容器的一个极板，当液体深度发生改变时，
相当于两极板的正对面积发生改变，电容的容量也随之改变．
⑶图⑶是压力的电容式传感器，其工作原理是当作用在一个电极的压力改变时，金属片的形变也发生改变，两极板的距离发生改变，电容的容量也发生改变．
⑷图⑷是位移的电容式传感器，其工作原理是和物体固定在一起的电介质板，当物体发生一小段位移时，插入两极板间的电介质发生变化，导致电容的容量发生变化．
4．霍尔元件
①霍尔元件：在一个很小的矩形半导体（如砷化铟）薄片上，制作
四个电极E 、F 、M 、N ，当该半导体中的电流方向与磁场方向垂直时，
它在当磁场、电流方向都垂直的方向上出现了电势差．这种现象称为霍
尔效应，利用霍尔效应制成的元件称为霍尔元件．如图所示．
霍尔元件能够把磁感应强度这个磁学量转换为电压这个电学量．
②霍尔元件的原理
外部磁场使运动的载流子受到洛伦兹力，在导体板的一侧聚集，在导体板的另一侧会出现多余的另一种电荷，从而形成横向电场；横向电场对电子施加与洛伦兹力方向相反的静电力，当静电力与洛伦兹力达到平衡时，导体板左右两例会形成稳定的电压，被称为霍尔电势差或霍尔电压d
IB k U U H H =，． [例3]：如图所示，有电流I 流过长方体金属块，金属块宽度为d ，
高度为b ，有一磁感应强度为B 的匀强磁场垂直于纸面向里，金属
块单位体积内的自由电子数为n ，试问金属块上、下表面哪面电势
高？电势差是多少？
[解析]：当电流在导体中流动时，运动电荷在洛伦兹力作用下，分
别向导体上、下表面聚集，在导体中形成电场，其中上表面带负电，电势低，随着正、负电荷不断向下、上表面积累，电场增强，当运动电荷所受电场力与洛伦兹力平衡时即qvB qE =时，电荷将不再向上或向下偏转，上、下表面间形成稳定电压．
因为自由电荷为电子，故由左手定则可判定电子向上偏，则上表面聚集负电荷，下表
面带多余等量的正电荷，故下表面电势高，设其稳定电压为U ，当运动电荷所受电场力与洛伦兹力平衡时，即qvB b
U q = 又因为导体中的电流bd nev nqSv I ?==故ned
IB U =,故：下表面电势高；电势差为ned IB U = 说明：⑴判断电势高低时注意载流子是正电荷还是负电荷． ⑵由以上计算得上下两表面间的电压稳定时ned IB U =
，其中n 为单位体积内的自由电荷数，e 为电子电荷量，对固定的材料而言为定值，若令ne
k 1=，则d IB k U =，此即课本所给出的公式． 三、传感器的应用
1．传感器应用的一般模式
2．力传感器的应用——电子秤
常用的一种力传感器是由金属梁和应变片组成的．应变片是一种敏感元件，现在多用半导体材料制成．应变片能把物体形变这个力学量转换为电压这个电学量．
如图所示，弹簧钢制成的梁形元件右端固定，在梁的上下表面各贴一个应变片，在梁的自由端施力Ｆ，则梁发生弯曲，上表面拉伸，下表面压缩，上表面应变片的电阻变大，下表面的电阻变小．Ｆ越大，弯曲形变越大，应变片的电
阻变化就越大．如果让应变片中通过的电流保持恒定，那
么上面应变片两端的电压变大，下面应变片的两端的电压
变小．传感器把这两个电压的差值输出．外力越大，输出
的电压差值也就越大．
力电传感器主要是利用敏感元件和变阻器把力学信号（压力、位移、速度、加速度等）转化为电学信号（电压、电流等）的仪器。力电传感器广泛地应用于社会生产、现代科技中，如安装在导弹、飞机、潜艇和宇宙飞船上的惯性导航系统及ABS 防抱死制动系统等。
3．声传感器的应用——话筒
话筒是一种常用的声传感器，类型虽多，但其作用都是将声信号转换为电信号． 话筒有动自式话筒、电容式话筒和驻极体话筒三种常见形式．
动圈式话筒是应用电磁感应的原理工作的．电容式话筒的
保真度好．如图所示，Q 是绝缘支架，薄金属膜M 和固定电极
N 形成一个电容器，被直流电源充电．当声波使膜片振动时，传感器
转换
放大执行机构
显示器 ???
? ??数字屏指针式电表
电容发生变化，电路中形成变化的电流，于是电阻R 两端就输出了与声音变化规律相同的电压．
驻极体话筒原理类似于电容式话筒，只是其内部感受声波的是驻极体塑料薄膜．但它具有体积小，重量轻，价格便宜，灵敏度高，工作电压低（只需3～6V ）等优点．
4．温度传感器的应用——电熨斗
温度传感器是应用最广泛的传感器之一，它能把温度
的高低转变成电信号，通常是利用物体的某一物理性质随
温度的变化而改变的特性制成的．
由半导体材料制成的热敏电阻和金属热电阻均可制
成温度传感器，它可以把热信号转换为电信号进行自动控
制．
电熨斗内部装有双金属片温度传感器，这种传感器的作用是控制电路的通断，如图所示．常温下，上、下触点应是接触的，但温度过高时，由于双金属片受热膨胀系数不同，上部金属膨胀大，下部金属膨胀小，则双金属片向下弯曲，使触点分离，从而切断电源，停止加热．温度降低后，双金属片恢复原来状态，重新接通电路加热，这样循环进行，起到自动控制温度的作用．
5．温度传感器的应用——电饭锅
如图所示，电饭锅中的温度传感器主要元件是感
温铁氧体．它的特点是：常温下具有铁磁性，能够被
磁体吸引，但是上升到约C ?103时，就失去了磁性．不
能被磁体吸引了．这个温度在物理学中称为该材料的
“居里温度”或“居里点”．
工作原理：开始煮饭时，用手压下开关按钮，永
磁体与感温磁体相吸，手松开后，按钮不再恢复到图示状态，则触点接通，电热板通电加热，水沸腾后，由于锅内保持C ?100不变，故感温磁体仍与永磁体相吸，继续加热，直到饭熟后，水分被大米吸收，锅底温度升高，当温度升至“居里点103℃”时，感温磁体失去铁磁性，在弹簧作用下，永磁体被弹开，触点分离，切断电源，从而停止加热．
6．温度传感器的应用——测温仪
温度传感器可以把温度转换成电信号，由指针式仪表或数字式仪表显示出来．该传感器的的优点是可以远距离读取温度的数值，因为温度信号变成电信号后可以远距离传输。 测温仪中的测温元件可以是热敏电阻、金属热电阻、热电偶等，还可以是红外线敏感元件等．
[例4]：如图，是电饭煲的电路图，1S 是一个控温开关，手动闭会后，当此开关温度达到
居里点（C °
103）时，会自动断开．2S 是一个自动控温开关，当温度低于C ?70时，会自动闭合；温度高于C ?80时，
会自动断开．红灯是加热时的指示灯，黄灯是保温时的指示
灯．分流电阻Ω==50021R R ，加热电阻丝Ω=503R ，两灯电阻不计．
⑴分析电饭煲的工作原理．
⑵计算加热和保温两种状态下，电饭煲消耗的电功率之比．
⑶简要回答，如果不闭合开关1S ，能将饭煮熟吗？
[解析]：本题是关于电饭堡的自动控温开关的问题，要根据电路的串联并联规律找到自动控制温度的原理．
⑴电饭锅盛上食物后，接上电源， 2S 自动闭合，同时手动闭合1S ．这时黄灯短路，红灯亮，电饭煲处于加热状态．加热到80℃时，2S 自动断开，1S 仍闭合；水烧开后，温度升高到103℃时，开关1S 自动断开，这时饭已煮熟，黄灯亮，电饭煲处于保温状态．由于散热，待温度降至 70℃时，2S 自动闭合，电饭堡重新加热，温度达到80℃时，2S 又自动断开，再次处于保温状态．
⑵加热时电饭煲消耗的电功率并
R U P 21=，保温时电饭煲消耗的电功率并R R U P +=122，两式中Ω11500=+3232R R R R R ＝并从而有1
12+=121＝并并R R R P P ⑶如果不闭合开关1S ，开始2S 总是闭合的，1R 被短路，功率为1P ，当温度上升到80℃时，S 2 自动断开，功率降为2P ．温度降低到70℃，S 2自动闭合……温度只能在70℃～80℃之间变化，不能把水烧开，不能煮熟饭．
7．光传感器的应用——鼠标器、火灾报警器
①机械式鼠标部内的码盘两侧分别装有红外发射管（LED ）
及红外接收管，两个红外接收管就是两个光传感器（如图所示）．鼠
标器移动时，滚球运动通过轴带动两个码盘转动，红外接收管就
收到断续的红外线脉冲，输出相应的电脉冲信号．计算机分别统
计x 、y 两个方向的脉冲信号，处理后就使屏幕上的光标产生相
应的位移. ②有的火灾报警器是利用烟雾对光的散射来工作
的．如图所示，其带孔的罩子内装有发光二极管LED 、光电三
极管和不透明的挡板．平时光电三极管收不到LED 发出的光．呈
现高电阻状态．烟雾进入罩内后对光有散射作用，使部分光线照
射到光电三极管上，其电阻变小．与传感器连接的电路检测出这
种变化，就会发出警报．
③常见的光传感器有:光敏电阻、光电管、光电二极管、光电三极管．
四、传感器的应用实例
1．光控开关
①工作原理：
光控电路如图所示，用发光二极管LED 模仿路灯，
G R 为光敏电阻，1R 的最大电阻为ΩK 51，2R 为ΩK 330，其工
作原理分析如下：
白天，光强度较大，光敏电阻G R 电阻值较小，加在斯
密特触发器A 端的电压较低，则输出端Y 输出高电平，发
光二极管LED 不导通；当天色暗到一定程度时，G R 的阻值增大到一定值，斯密特触发器的输入端 A 的电压上升到某个值（1.6V ），输出端Y 突然从高电平跳到低电平，则发光二极管LED 导通发光（相当于路灯亮了），这样就达到了使路灯天明熄灭，天暗自动开启的
目的．要想在天更暗时路灯才会亮，应该把1R 的阻值调大些，这样要使斯密特触发器的输入端 A 电压达到某个值（如 1.6V ），就需要G R 的阻值达到更大，即天色更暗．
②电路分析：
由于集成电路允许通过的电流较小，要用白炽灯泡
模仿路灯，就要使用继电器来启闭工作电路．如图所
示．其中图中虚线框内即为电磁继电器J ，D 为动触点，
E 为静触点．当线圈A 中通电时，铁芯中产生磁场，吸
引衔铁B 向下运动，从而带动动触点D 向下与E 接触，
将工作电路接通，当线圈A 中电流为零时，电磁铁失去
磁性，衔铁B 在弹簧作用下拉起，带动触点D 与E 分离，
自动切断工作电路．
天较亮时，光敏电阻G R 阻值较小，斯密特触发器输入端A 电势较低，则输出端Ｙ输出高电平，线圈中无电流，工作电路不通；天较暗时，光敏电阻G R 电阻增大，斯密特触发器输入端A 电势升高，当升高到一定值输出端Ｙ由高电平突然跳到低电平，有电流通过线圈A ．电磁继电器工作，接通工作电路，使路灯自动开启；天明后，G R 阻值减小，斯密特触发器输入端A 电势逐渐降低，降到一定值，输出端Y 突然由低电平跳到高电平，则线圈A 不再有电流，则电磁继电器自动切断工作电路的电源，路灯熄灭．
2．温度报警器
温度报警器的结构如图所示．常温下，调整1R 的阻值使斯密特触发器的输入端A 处于低电平，则输出端Y 处于高电平，无电流通过蜂鸣器，蜂鸣器不发声；当温度升高时，热敏电阻T R 阻值减小，斯密特触发器输入端A 电势升高，当
达到某一值（高电平），其输出端由高电平跳到低电平，蜂鸣器
通电，从而发出报警声，R 1的阻值不同，则报警温度不同．要
使热敏电阻在感测到更高的温度时才报警，应减小R 1的阻值，
R 1的阻值越小，要使斯密特触发器输入端达到高电平，则热敏
电阻阻值要求越小，即温度越高．
●提炼方法 展示技巧
一．力电传感器（力传感器）
[案例]：将金属块m 用压缩的轻弹簧卡在一个矩形的箱中，如图所示，在箱的上顶板和下底板装有压力传感器，箱可以沿竖直轨道运动。当箱以2
/0.2s m a =的
加速度竖直向上做匀减速运动时，上顶板的压力传感器显示的压力为
6.0N ，下底板的压力传感器显示的压力为10.0N 。（取2/10s m g =）。
（1）若上顶板压力传感器的示数是下底板压力传感器的示数的一
半，试判断箱的运动情况。
（2）要使上顶板压力传感器的示数为零，箱沿竖直方向运动的情况
可能是怎样的？
[分析]：通过压力传感器，可以把探知物体的运动状态的问题转换为测量力的问题，只要测得所受的力，就可以探知其运动状态。
[解析]：（1）当箱子以2/0.2s m a =的加速度竖直向上做匀减速运动时，金属块进行受
力分析可得：ma F F mg N =-+ …① 代入数值得kg m 50.0=。
当上顶板压力传感器的示数是下底板压力传感器的示数的一半时，对金属块受力分析应用牛顿第二定律可得
12
1ma F F mg N =-+，可解得01=a ，箱子处于静止或匀速直线运动。 （2）当上顶板压力传感器的示数为零时，0=N F ，由牛顿第二定律得2ma F mg =-…② 解得22/10s m a -=，负号表示a 方向向上。若箱和金属块的加速度a >10m/s 2时，进一步压缩弹簧，此时传感器示数也为0，因此，只要2
/10s m a ≥，均能使上顶板压力传感器的示数为零。所以箱子可能做a ≥10m/s 2竖直向上的匀加速直线运动或自由落体运动。 [感悟]：题中上下传感器的读数，实际上是告诉我们顶板和弹簧对m 的作用力的大小。对m 受力分测量力的问题，只要测得所受的力，就可以探知其运动状态。算出合外力，即可求出m 的加速度，并进一步确定物体的运动情况，但必须先由题意求出m 的值。 方法概述：
力传感器主要是利用敏感元件和变阻器等把力（压力、风力等）信号为电学信号（电压、电流等）的仪器。力的变化必然引起电信号的变化，利用牛顿第二定律及电路规律，推算出要测的力，这样还可探知其运动状态。其解题关键是两大分析：（１）受力分析；（２）电路分析。
[活学活用]：如图所示，为一种测定风作用力的仪器原理图，P 为金属球，悬挂在一细长
金属丝面，O 是悬挂点，RO 是保护电阻，CD 是水平放置的光
滑电阻丝，与细金属丝始终保持良好的接触，无风时细金属丝
与电阻丝在C 点接触，此时电路中电流I 0，有风时金属丝将偏
转一角度，角θ与风力大小有关，已知风力方向水平向左，
OC =h ，CD =L ，球质量为m ，电阻丝单位长度电阻为k ，电源内阻和金属丝电阻均不计，金属丝偏转θ角时，电流表示数为I '，此时风力大小为F ，试写出：
（1）风力大小F 与θ的关系式；
（2）风力大小F 与电流表示数I '的关系式。
[分析]：本题将力与电综合在一起，将测力学量转化为测电学量，设题新颖，联系实际。
抓住F 变化→θ变化→R 有变化→I 变化，一系列因果关系是解题的思路。
[解析]：（1）有风时，对金属球P ，受重力mg ，风力F ，金属丝拉力F 1，如图。由平衡条件得 θsin 1F F =，θcos 1F mg = 即 ：θtan mg F =
（2）无风时，电源电压)00kL R I U +=（ 有风时，电阻丝电阻)tan (0θh L k R -='
此时，)0
0R R I U '+'=（ 由以上三式解得 I kh kL R I I '+-'=))((tan 00θ 代入θtan mg F =得))((00kL R I I I kh mg F +-''
= 二．力电传感器（运动传感器）
[案例]： “加速度计”作为测定运动物体加速度的仪器，已被广泛地应用于飞 机、潜艇、航天器等装置的制导系统中。如图所示是“应变式加速度计”的原理图，支架A 、B 固定在待测系统上，滑块穿在A 、B 间的水平光滑杆上，并用轻弹簧固定于支架A 上，随着系统沿水平做变速运动，滑块相对于支架发生位移，滑块下端的滑动臂可在滑动变阻器上相应地自由滑动，并通过电路转换为电信号从1、2两接
线柱输出。
已知：滑块质量为m ，弹簧劲度系数为K ，电源
电动势为ε，内阻为r ,滑动变阻器的电阻随长度均匀
变化，其总电阻R=4r ，有效总长度工，当待测系统
静止时，1、2两接线柱输出的电压ε4.0=o U ，取A
到B 的方向为正方向。
(1)确定“加速度计”的测量范围
(2)设在1、2两接线柱间接人内阻很大的电压表。其读数为U ，导出加速度的计算式。
(3)试在1、2两接线柱间接人内阻不计的电流表，其读数为I ，导出加速度的计算式。
[分析]： 本题关键要分析接入电表测量的是什么电压或电流，而所谓“应变式加速度计”即指不同的加速度对应不同瞬时电压或电流输出。
[解析]：（1）当待测系统静止时，1、2接线输出电压12R r R U o ?+=ε
由已知条件ε4.0=o U 可推和：r R 212=，此时滑片P 位于变阻器中点等测系统沿水平方向做变速动动分加还运动和减速运动两种情况，弹簧最大压缩与最大伸长时刻，P 点只能滑至变阻器的最左端和最右端，故有：m L k a 21?= m
L k a 22?-=
所以“加速度计”的测量范围为??
???????-m L k m L k 22 （2）当1、2两接线接电压表进，设P 由中点向左偏移x ，则与电压表并随着部分电阻
L
r x L R ??-=4)2(1 由闭合电路欧姆定律得：r R I +=1ε
故电压表读数为：1IR U =
根扰牛顿第二定律得：a m x k ?=? 联立以上四式得：m
U L K a ???=ε4 （3）当1、2两接柱接电流表时，滑线变阻器接在1、2间的电阻被短线路。设P 由中点向左偏移x ，变阻器接入电阻；L
r x L R ??+=4)2(2 由闭合电路欧姆定律得：)(2r R I +=ε 根据牛顿第二定律得：a m x k ?=? 联立上述三式得：r
m I r I L k a ???-?=4)(ε [感悟]：应变式即体现了传感器最大优势，电压电流输出会随着运动加速度而变化，而用电压信号还是电流信号作为输出比较起来，电压输出更有利于仪表读数盘设计。 方法概述：
运动传感器利用敏感元件和变阻器等把运动（位移、速度、加速度等）信号为电学信号（电压、电流等）的仪器。运动状态的变化必然引起电信号的变化，利用牛顿第二定律及电路规律，推算出要测的运动量，这样还可探知其受到的力。其解题关键是两大分析：（１）运动分析；（２）电路分析，当然也不能忽视受力分析。
[活学活用]：某同学利用业余时间为工厂设计了一个测定机器转动角速度滑杆PN 由合金材料制成，电阻不能忽略，PA 与电路相连接，电源
电动势为ε，内阻不计，限流电阻与杆PN 的总电阻
相等。连接小球的弹簧，由绝缘材料制成，弹簧的劲
度系数为K 。小球静止时恰好在滑杆PN 的中点，当
系统绕OO ′，轴匀速转动时，电压表的示数为U ，
试求此时系统转动的角速度ω。
[分析]：本题敏感元件就是电压表，它测出的电压
读数为PA 段电压，而PA 长度直接与系统转动有关。
[解析]：设杆PN 电阻为o R ，系统转动时杆PA 段的电阻为R
根据欧姆定律得过且 o IR U +=ε① R
U I = ②
设弹簧原长为O l ，则实际长度（反映PN 杆接人电路中的长度）为o o R Rl l 2=
③ 弹簧伸长量为 o o
o l R Rl x -=2 ④ 据胡克定律和牛律第二定律得 l m Kx 2ω= ⑤
由①②③④⑤式解得：mU
U K 2)3(εω-= ⑥ 三．热电传感器
[案例]：一般的电熨斗用合金丝作发热元件，合金丝电阻R
随温度t 变化的关系如图所示的实线，由于环境温度、熨烫
衣服的厚度、干湿等情况不同，熨斗的散热功率不同，因而
熨斗的温度可能会在较大的范围内波动，易损坏衣服。
有一种用主要成份为BaTiO 3的称为“PTC ”的特殊材料
作发热元件的电熨斗，具有升温快，能自动控制温度的特点，
PTC 材料的电阻随温度变化的关系如图中实线②所示。 (1)为什么原处于冷态的“PTC ”熨斗刚通电时，比普通
电熨斗升温快？
(2)通电一段时间后，电熨斗温度稳定在什么范围内？
(3)简析PTC 发热元件的自动控温过程。 [分析]：解答此题的关键是要看懂图中涉及的物理量的含义：图线①说明合金的电阻基本上不随温度的变化而变化；图线②说明在较低的温度下，“PTC ”材料的电阻基本不变，但在某一温度范围内电阻会突变。
[解析]： (1) 由图可知，冷态的“PTC ”材料的电熨斗电阻比一般电熨斗电阻小，所以发热功率P ＝U 2/R 较一般电熨斗大，所以在相同的时间内“PTC ”升温快。
(2)由图可知，温度自动稳定在t 6＜t ＜t 8范围内。
(3 )当熨斗温度升高到t 6后，“PTC ”材料的电阻急剧增大，电功率变小，此时如果散热功率大于电功率，熨斗温度会下降，当温度降低时，电阻R 急剧减小，电功率增大，温度又升高……，因而熨斗的温度能稳定在一定的范围内。
[感悟]：自动控制温度真正内涵是自动控制热平衡，而能自动控制温度的这种材料电阻特性却有着特殊的要求。
方法概述：
热电传感器是利用热敏电阻的阻值会随温度的变化而变化的原理制成的，其中可能单调变化，如电阻随温度升高而增加或减小，也有可能非单调变化。不管怎样，重点分析温度的变化而带来的电信号的变化，就能理解、应用、控制。如各种家用电器（空调、冰箱、热水器、饮水机、电饭煲等）的温度控制、火警报警器、恒温箱等。
[活学活用]：如图所示，为在温度为10℃左右的环境中工作的某自动恒温箱原理简图
（甲）。箱内的电阻R1＝20kΩ，R,2＝10kΩ，R3＝40kΩ，R t为热敏电阻，它的电阻随温度的变化的图线如图(乙)所示，当a、b两端电压U ab＜0时，电压鉴别器会令开关K接通，恒温箱内的电热丝发热，使箱内温度提高，当U ab＞0时，电压鉴别器会K断开，停止加热，恒温箱内的温度恒定在多少摄氏度。
[分析]：此电路为电桥电路，平衡条件即为临界条件。其恒温原理就在平衡之间。[解析]：在U
ab
＜0时，K接通，箱内的温度提高，导致R t减小。当R t＝20kΩ时达到电桥平衡，此时U ab＝0，而U ab＝0是K断开、闭合的分界点，故此温度可由图(乙)中读出，R t＝20k Ω时对应的温度t＝35℃。
四．光电传感器
[案例]：一水平放置的圆盘绕竖直固定轴转动，在圆盘上沿半径开有一条宽度为mm
2的均匀狭缝．将激光器与传感器上下对准，使二者间连线与转轴平行，分别置于圆盘的上下两侧，且可以同步地沿圆盘半径方向匀速移动，激光器连续向下发射激光束．在圆盘转动过程中，当狭缝经过激光器与传感器之间时，传感器接收到一个激光信号，并将其输入计算机，经处理后画出相应图线．左图为该装置示意图，右图为所接收的光信号随时间变化的图线，横坐标表示时间，纵坐标表示接收到的激光信号强度，图中S
t3
1
10
×
0.1
=
Δ，S
t3
10
×
8.0
=
Δ2
(1)利用右图中的数据求S1时圆盘转动的角速度；
(2)说明激光器和传感器沿半径移动的方向；
(3)求右图中第三个激光信号的宽度3t ．
[分析]：关键是分析所接收的光信号随时间变化的图线变短的内在原因，光束原来是连
续的，是转动的齿轮使光束变为脉冲，因此脉冲情况必定与齿轮（或车轮）的转动有关，也就与速度和行程有关。
[解析]： (1)由图线读得，转盘的转动周期
S T 8.0= ① 角速度s rad T /8
.028.62==πω=7.85rad/s ② (2)激光器和探测器沿半径由中心向边缘移动(理由为：由于脉冲宽度在逐渐变窄，表明光信号能通过狭缝的时间逐渐减少，即圆盘上对应探测器所在位置的线速度逐渐增加，因此激光器和探测器沿半径由中心向边缘移动)．
(3)设狭缝宽度为d ，探测器接收到第i 个脉冲时距转轴的距离为1r ，第i 个脉冲的宽度为i t ?，激光器和探测器沿半径的运动速度为v ．
2i i d
t T r π?= ③vT r r r r =-=-1223 ④
=-12r r ???? ???-?12112t t dT π ⑤ =-23r r ＝???
? ???-?23112t t dT π ⑥ 由④、⑤、⑥式解得21213ΔΔ2ΔΔ=Δt t t t t =333310×8.010×0.1×210×8.0×10×0.1310×67.0≈s
[感悟]：题目中涉及到激光器和光传感器这两个重要元件，它们在现代信息科技中有着非常重要的应用。从图像中获取信息的能力也是高考五大能力之一。
方法概述：
光电传感器中的主要部件是光敏电阻或光电管。如果是光敏电阻的阻值随光照强度的变化而变化的原理制成的。此类问题解决的关键是分析光脉冲信号的光电对应关系，尤其是要分析光脉冲的变化成因是什么，依此来实现光电转换。如自动冲水机、路灯的控制、光电计数器、烟雾报警器等都是利用了光电传感器的原理。
[活学活用]：如图所示为实验小车中利用光电脉冲测量车速和行程的示意图，A 为光源，B 为光电接收器，A 、B 均固定在小车上，C 为小车的车轮．车
轮转动时，A 发出的光束通过旋转齿轮上齿的间隙后变成脉
冲光信号，被B 接收并转换成电信号，由电路记录和显示．若
实验显示单位时间的脉冲数n ，累积脉冲数为N ，则要测出
小车的速度和行程还必须测量的物理数据是＿＿＿＿＿＿
＿；小车速度的表达式为V ＝＿＿＿＿＿＿＿；行程的表达
式为s ＝＿＿＿＿＿＿＿＿＿． [分析]：
脉冲数的产生直接与齿轮与转速、记录时间等有关，每通过一齿轮就会形成一
个光脉冲。抓住这一原理性问题就可理解其设计这妙处。
[解析]： 小车的速度等于车轮的周长与单位时间内车轮转动圈数的乘积．设车轮的半径为R ，单位时间内车轮转动圈数为k ，则有V ＝2πRk ．
若齿轮的齿数为P ，则齿轮转一圈，电子电路显示的脉冲数即为P ，已经单位时间内的脉冲数为n ，所以单位时间内齿轮转动圈数为n/P ．由于齿轮与车轮同轴相连，他们在单位时间内转动圈数相等，即k ＝n/P ．由以上两式可得：v ＝2πRn/P ．
同理，设车轮转动的累积圈数为k ，则有s=2πRk ，，且k ＝N/P ，所以s ＝2πRN/P 可见，要测小车的速度v 和行程s ，必需测出单位时间的脉冲数n 和累积脉冲数N ，车轮半径R 和齿轮的齿数P ．
五．传感器与电路设计
[案例]：现有热敏电阻、电炉丝、电源、电磁继电器、滑动变阻器、开关和导线若干．如图所示，试设计一个温控电路．要求温度低于某一温度时，电炉丝自动通电供热，超过某一温度时，又可以自动断电，画出电路
图说明工作过程．
[分析]：热敏电阻1R 与滑动变阻器及电
磁继电器构成低压控制电路。
[解析]：（1）电路图如图所示．
（2）工作过程：闭合Ｓ当温度低于
设计值时热敏电阻阻值大，通过电磁继电
器电流不能使它工作，Ｋ接通电炉丝加
热．当温度达到设计值时，热敏电阻减小
到某值，通过电磁继电器的电流达到工作
电流，Ｋ断开，电炉丝断电，停止供热．当
温度低于设计值，又重复前述过程．
[感悟]：该电路可以用于恒温箱、自动孵化器等，电路设计是高中电学应了解的内容，对于培养能力、理论联系实际将起到推动作用，也是高考的趋向．
方法概述：
[活学活用]：如图（甲）所示为一测量硫化镉光敏
电阻特性的实验电路，电源电压恒定，电流表内阻
不计，开关闭合后，调节滑动变阻器滑片，使小灯
泡发光逐渐增强，测得流过电阻的电流和光强的关
系如图（乙）所示，试根据这一特性设计一个自动
光控电路．
[分析]：由光敏电阻的特性曲线可以看出，当人射
光增强时，光敏电阻的阻值减小，流
过光敏电阻的电流增大．要自动光控
可选用电磁继电器完成这一任务。
[解析]：根据题意设计一个路灯自动
控制电路，如图所示．控制过程是：
当有光照射时，光电流经过放大器输
出一个较大的电流，驱动电磁继电器
吸合使两个常闭触点断开，当无光照
射时，光电流减小，放大器输出电流减小，电磁继电器释放衔铁，使两个常闭触点闭合，控制路灯电路接通，路灯开始工作．
六．传感器综合应用
[案例]：如图所示为检测某传感器的电路图，传感器上标有“3V 0.9W”的字样（传感器可看作一个纯电阻），滑动变阻器R0上标有“10Ω1A”的字样，电流表的量程为0.6A，
电压表的量程为3V．
（1）根据传感器上的标注，计算该传感器的电阻和
额定电流．
（2）若电路各元件均完好，检测时，为了确保电路
各部分的安全，在a、b之间所加的电源电压的最大
值是多少？
（3）根据技术资料可知，如果传感器的电阻变化超过
1Ω，则该传感器就失去了作用．实际检测时，将一个电压恒定的电压加在图中a、b之间（该电源电压小于上述所求电压的最大值），闭合开关S，通过调节R0来改变电路中的电流和R0两端的电压．检测记录如下：
若不计检测电路对传感器电阻的影响，通过计算分析，你认为这个传感器是否仍可使用？此时a、b所加的电压是多少？
[分析]：此题中所给出的是电阻性传感器元件，在具体计算中当成电阻就行。
[解析]：（1）传感器的电阻9.0/3/22==传传传P U R =10Ω
传感器的额定电流传传传U P I /==0.9/3=0.3A
（2）要求电路各部分安全，则要求电路的最大电流3.0==传I I A
此时电源电压最大值0U U U m +=传，传U 为传感器的额定电压，U 0为R 0调至最大值R 0m =10
Ω时R 0两端的电压，即3103.000=?==m R I U 传V ，
∴电源电压最大值6330=+=+=U U U m 传V
（3）设实际检测时加在a 、b 间的电压为U ，传感器的实际电阻为'传R ，根据第一
次实验记录数据有：48.116.0+?=传R U
根据第二次记录数据有91.022.0+'?=传R U 解得，Ω='5.9传R ，U =3V
传感器的电阻变化为Ω='-=?5.0传传R R R <1Ω所以此传感器仍可使用。
[感悟]： 知其然也知其所以然的话，传感器问题其实还不算难。
方法概述：
不同种类的传感器有着不同的特征与要求，这就要求我们会对传感器进行分类分析与使用，不仅要知道常见的力、电、热、光、磁等传感器的特点，而且能进行识别传感器，以及在不同需求中设计真正所需要的传感器。这就需要我们真正理解传感器原理，学会总结规律，建立传感器模型。
[活学活用]：随着生活质量的提高，自动干手机已进入家庭。洗手后将湿手靠近自动干手机机内的传感器便于工作驱动电热器加热，有热空气从机内喷出，将湿润手烘干，手靠近干手机能使传感器工作这是因为：（ ）
A ．改变了湿度
B ．改变了温度
C ．改变了电容
D ．改变了磁场
[分析]：求解本题的关键是建立干手机的物理模型——电容传感器。
[解析]：本实例只有明确人是一导体，可以和其它导体构成电容器，手靠近干
手机相当于连接了一个电容器，故可以确认干手机内设置有电容式传感器，手靠近就改变了电容，从而就可选择本题答案为C 。
●
构建知识 评估能力
1．用遥控器调换电视机频道的过程，实际上就是传感器把光信号转化为电信号的过程。下列属于这类传感器的是 （ ）
A ．红外报警装置
B ．走廊照明灯的声控开关
C ．自动洗衣机中的压力传感装置
D ．电饭煲中控制加热和保温的温控器
2．如图是一火警报警的一部分电路示意图，其中R 2为用半导体热敏材料制成的传感器，电流表为值班室的显示器，a 、b 之间接报警器。当
传感器R 2所在处出现火情时，显示器的电流I 、报警器
两端的电压U 的变化情况是（ ）
A ．I 变大，U 变大
B ．I 变小，U 变小
C ．I 变小，U 变大
D ．I 变大，U 变小
3．如图所示，电路中电源两端的电压恒定，L 为小灯泡，R 为光敏电阻，D 为发光二极管(电流越大，发出的光越强)，且R 与D
相距不远，距离不变。下列说法中正确的是( ) A ．当滑动触头P 左移时，L 消耗的功率增大
B ．当滑动触头P 左移时，L 消耗的功率减小
C ．当滑动触头P 右移时，L 消耗的功率可能不变
D ．无论怎样移动触头P ，L 消耗的功率都不变
4．将一光敏电阻连入多用电表两表笔上，多用电表的选择开关置于Ω档，用光照射光敏电阻时表针的偏角为θ， 现用手掌挡住部分光线，表针的偏角变为θ' ，则可判断
( )
A. θ'= θ
B. θ' < θ
C. θ' >θ
D. 不能确定θ和 θ'的关系
5．如图所示电路可将声音信号转化为电信号，该电路中右侧固定不动的金属板 b 与能在声波驱动下沿水平方向振动的镀有金属层的振动膜 a 构成了一个电容器a 、b “通过导线与稳压电源正、负极相接 ， 若声源S 做简谐运动，
则 （ ）
Ａ．S 振动过程中， a 、 b 板之间的电场强度不变
Ｂ．S 振动过程中， a 、 b 板所带的电量不变
Ｃ． a 向右的位移最大时，a 、 b
板构成的电容器
的电容最大
Ｄ．a 振动过程中，电流计G 中始终有方向不变的电流
6．如图所示为一测定液面高低的传感器示意图，A为固定
的导体芯，B为导体芯外面的一层绝缘物质，C为导电液体，把
传感器接到图示电路中，已知灵敏电流表指针偏转方向与电流方
向相同。如果发现指针正向右偏转，则导电液体的深度h变化为
（）
A．h正在增大B．h正在减小
C．h不变 D．无法确定
7．演示位移传感器的工作原理如图所示，物体M在导轨
上平移时，带动滑动变阻器的金属滑杆P，通过电压表显示的
数据，来反映物体位移的大小x，假设电压表是理想的，则下
列说法正确的是（）
A．物体M运动时，电源内的电流会发生变化
B．物体M运动时，电压表的示数会发生变化
C．物体M不动时，电路中没有电流
D．物体M不动时，电压表没有示数
8．如图所示，R1、R2为定值电阻，Ｌ为小灯泡，R3为光敏电阻，当
照射光强度增大时（）
A．电压表的示数增大
B．R2中电流减小
C．小灯泡的功率增大
D．电路的路端电压增大
9．如图甲所示是电热灭蚊器的示意图，其电热部分的主要元件是
PTC，该元件是由钛酸钡等半导体材料制成的电阻器，其电阻率与温度的关系如图乙所示，由于这种特征，因此，PTC是具有发热、温控双重功能．对此以下判断中正确的是（）
A．通电后，其电功率先增大后减小
B．通电后，其电功率先减小后增大
C．当其产生的热量与散发的热量相等时，温度保
持在t1或t2不变
D．当其产生的热量与散发的热量相等时，温度
保持在t1~t2的某一值不变
10．将一个力电传感器接到计算机上，就可以测量快速变化的力，用这种方法测得的某单摆摆动时悬线上拉力F的大小随时间t变化的曲线
如图所示.某同学根据此图线提供的信息做出了下
列判断，其中正确的是（）
A．摆球摆动的周期T=1.4s
B．t=0.2s时，摆球正经过最低点
C．t=1.1s时，摆球正经过最低点
D．摆球在摆动过程中机械能减小
11．用如图示的电磁继电器设计一个高温报警器，要求是：正常情况绿灯亮，有险情时电铃报警。可供选择的器材如下：热敏电阻、绿灯泡、小电铃、学生用电源、继电器、滑动变阻器、开关、导线。
1２．某些非电磁量的测量是可以通过一些相应的装置转化为电磁量来测量的．一平行板电容器的两个极板竖直放置在光滑的水平平台上，极板的面积S，极板间的距离为d，电容器的电容公式为=（E是常数但未知）．极板1 固定不动，与周围绝缘，极板2 接地，且可在水平平台上滑动，C/
d
ES
并始终与极板1保持平行．极板2的两个侧边与劲度系数为k，自然长度为L的两个完全相同的弹簧相连，两弹簧的另一端固定，弹簧L与电容器垂直，如图10-3-36所示，如图10-3-37所示是这一装置的应用示意图，先将电容器充电至电压U后即与电源断开，再在极板2的右侧的整个表面上施以均匀向左的
?．设作用在电容待测压强P,使两极板之间的距离发生微小的变化．测得此时电容器的电压改变量为U
器极板2上的静电力不致引起弹簧可测量到的形变，试求待测压强P．
12．在开展研究性学习的过程中，某同学设计了一个利用线圈测量转轮转速的装置．如图所示，在轮子的边缘贴上小磁体，将小线圈靠近轮
边放置，接上数据采集器和电脑（即DIS实验器
材）．如果小线圈的面积为S，圈数为N匝，小磁体
附近的磁感应强度最大值为B，回路的总电阻为R，
实验发现，轮子转过θ角，小线圈的磁感应强度由最
大值变为零．因此，他说“只要测得此时感应电流的
平均值I，就可以测出转轮转速的大小．”请你运用所
学的知识，通过计算对该同学的结论作出评价．
14．图甲是某研究性学习小组自制的电子秤原理图，利用电压表的示数来指示物体的质量。托盘与电阻可忽略的弹簧相连，托盘与弹簧的质量均不计。滑动变阻器的滑动端与弹簧上端连接，盘中没有放物体时，电压表示数为零。设变阻器总电阻为R ，总长度为L ，电源电动势为E ，内阻为r ，限流电阻
阻值为R 0，弹簧劲度系数为k ，若不计一
切摩擦和其他阻力。
（1）试推出电压表示数Ux 与所称物
体质量m 的关系式；
（2）由（1）计算结果可知，电压表示数与待测物体质量不成正比，不便于进行刻度，为了使电压表示数与待测质量成正比，请你利用原有器材在该小组研究的基础上进行改进，在图乙的基础上完成改进后的电路图，并推出电压表示数Ux 与待测物体质量m 的关系式。
●
参考答案;
1.A
2.B
3.A
4.B
5.C
6.B 点拨：由电源极性及电流方向可知，A 、B 构成的电容器上的电荷量减小，据U
Q C ，电容C 在减小，可推知正对面积S 减小，即h 在减小。 7．B 分析：电压表为理想电表，则电压表不分流，故触头移动时不会改变电路的电阻，也就不会改变电路中的电流，故A 错误；电压表测得是触头P 左侧电阻分得的电压，故示数随物体M 的移动，亦即触头的运动而变，故B 正确，C 、D 错误．
8．ABC 解析：当光强度增大时，R 3阻值减小，外电路电阻随R 3的减小而减小，R 1两端电压因干路电流增大而增大，同时内电压增大，故电路路端电压减小，而电压表的示数增大，A 项正确，D 项错误；由路端电压减小，而R 1两端电压增大知，R 2两端电压必减小，则R 2中电流减小，故B 项正确；结合干路电流增大知流过小灯泡的电流必增大，则小灯泡的功率增大．
9．AD 解析：由图可知PTC 元件在温度0～t 1之间，电阻率随温度升高而减小，电阻也减小，因而在电源电压一定时，电功率增加，反过来又会使温度进一步升高，而在温度t 1~t 2之间，电阻率随温度升高而迅速增大（可增大上万倍），电阻的增大又会使电功率迅速减小，同时注意到高于环境温度的电热灭蚊器要散热，当电功率减小到等于散热功率时，温度可保持在一定范围内不变，因此，PTC 元件具有发热、温控双重功能，这一以双重特性可使家用电热灭蚊器在0～t 1之间时可用来加热，t 1~t 2之间又可以利
用自身产生的热量来控制温度，该题正确的选项是A 、D ．
10．BD 解析：由图像看出,单摆受力的最大值在减小，最小值在增大，说明单摆做减幅振动，机械能减小，故D 正确；当单摆受力最大时应在最低点，由图可以看出2.0=t s 时在最低点，由于单摆一个周期两次经过平衡位置，故由图像可读出单摆的周期s 2.1=s )2.0-4.1(=T ，则A 不正确.
11.解：热敏电阻受到光照射时电阻变小 ，将热敏电阻、
小灯泡、学生用电源、滑动变阻器、开关串联接入继电器的
a 、
b 端，如图示：将学生用电源与电铃分别接入
c 、
d 、e
之间。正常时热敏电阻值大，ab 间电流小，磁性弱，ce 处
于闭合，绿灯亮。有险情时，光敏电阻值小, ab 间电流大,
磁性强,吸住衔铁,cd 闭合,ce 断开,绿灯灭,电铃响。
12．解．根据题意：x k PS F ?2== ① 又由电容器的定义式：2211U Q C U Q C ==
，得：21C Q C Q U -=? ② 结合题目信息：2211d ES C d ES C ==
， ③ 得：x ES Q d ES Q U ???== ④ 又由d ES U Q C ==得：d ESU Q =⑤将①⑤代入④得：kd
PSU U 2=? 13．该同学的结论是正确的．
设转轮的角速度、转速分别为ω和n ，轮子转过θ角所需时间为⊿t ，通过线圈的磁通量的变化量为⊿Φ，线圈中产生的感应电动势的平均值为E ． 根据法拉第电磁感应定律有t
BS N t N E ?=??=φ 由闭合电路欧姆定律有I=E/R ，又ωθ=?t ，πω2=n ， 联立以上四式得，NBS IR n πθ
2=，由此可见，该同学的结论是正确的．
14解：（1）设变阻器的上端到滑动端的长度为x ，根据题意得： mg=kx ，R x =xR/L E r R R R U
x x x
++=0 联立求解，得：)
(0r R kL mgR mgRE U x ++= （2）为了使电压表示数与待测质量成正比，电路图如图，
mg=kx ，R x =xR/L x x R r
R R E U ++=0 则：m kL r R R gRE U x )(0++=
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。
第一章测量技术基础 检测系统的基本概念 检测系统(测试系统 /测量系统 1、定义:确定被测对象的属性和量值为目的的全部操作 2、被测对象:宇宙万物(固液气体、动物、植物、天体…… 3、被测信息:物理量(光、电、力、热、磁、声、… 化学量(PH 、成份… 生物量(酶、葡萄糖、… 4检测技术是实验科学的一部分, 主要研究各种物理量的测量原理和信号分析处理方法。 检测技术是信息技术的重要组成部分, 它所研究的内容是信息的提取与处理的理论、方法和技术。 5信息与信号 信息是指客观世界物质运动的内容。 如:天气较冷、某处地震、刀具发生了磨损、李四病了。 信号是指信息的表现形式。 如:刀具磨损,切削力会加大;李四病了,可能会发烧;等等。 6检测技术是进行各种科学实验研究和生产过程参数测量必不可少的手段, 起着人的感官的作用。
简单的检测系统可以只有一个模块, 如玻璃管温度计。它直接将被测温度变化转化为液面示值。没有电量转换和分析电路,很简单,但精度低,无法实现测量自动化。 为提高测量精度和自动化程度, 以便于和其它环节一起构成自动化装置, 通常先将被测物理量转换为电量,再对电信号进行处理和输出。 B ……在电工、电子等课程中讲授,大多数不属于本课程的范围。 检测系统的组成 一般说来,检测系统由传感器、中间变换装置和显示记录装置三部分组成。 传感器将被测物理量 (如噪声 , 温度检出并转换为电量,中间变换装置对接收到的电信号用硬件电路进行分析处理或经 A/D变换后用软件进行信号分析,显示记录装置则将测量结果显示出来,提供给观察者或其它自动控制装置。 第二章传感器概述 传感器的组成和分类 一、传感器定义 传感器是一种以一定的精确度把被测量转成与之有确定关系的, 便于应用的某种物理量的测量装置。 传感器名称:变送器、变换器、探测器、敏感元件、换能器、一次仪表、探头等 二、传感器的组成 三、传感器的分类 按被测参数分类:温度、压力、位移、速度等
《传感器原理与应用》作业参考答案 作业一 1.传感器有哪些组成部分在检测过程中各起什么作用 答：传感器通常由敏感元件、传感元件及测量转换电路三部分组成。 各部分在检测过程中所起作用是：敏感元件是在传感器中直接感受被测量，并输出与被测量成一定联系的另一物理量的元件，如电阻式传感器中的弹性敏感元件可将力转换为位移。传感元件是能将敏感元件的输出量转换为适于传输和测量的电参量的元件，如应变片可将应变转换为电阻量。测量转换电路可将传感元件输出的电参量转换成易于处理的电量信号。 2.传感器有哪些分类方法各有哪些传感器 答：按工作原理分有参量传感器、发电传感器、数字传感器和特殊传感器；按被测量性质分有机械量传感器、热工量传感器、成分量传感器、状态量传感器、探伤传感器等；按输出量形类分有模拟式、数字式和开关式；按传感器的结构分有直接式传感器、差分式传感器和补偿式传感器。 3.测量误差是如何分类的 答：按表示方法分有绝对误差和相对误差；按误差出现的规律分有系统误差、随机误差和粗大误差按误差来源分有工具误差和方法误差按被测量随时间变化的速度分有静态误差和动态误差按使用条件分有基本误差和附加误差按误差与被测量的关系分有定值误差和积累误差。 4.弹性敏感元件在传感器中起什么作用 答：弹性敏感元件在传感器技术中占有很重要的地位，是检测系统的基本元件，它能直接感受被测物理量（如力、位移、速度、压力等）的变化，进而将其转化为本身的应变或位移，然后再由各种不同形式的传感元件将这些量变换成电量。 5.弹性敏感元件有哪几种基本形式各有什么用途和特点 答：弹性敏感元件形式上基本分成两大类，即将力变换成应变或位移的变换力的弹性敏感元件和将压力变换成应变或位移的变换压力的弹性敏感元件。 变换力的弹性敏感元件通常有等截面轴、环状弹性敏感元件、悬臂梁和扭转轴等。实心等截面轴在力的作用下其位移很小，因此常用它的应变作为输出量。它的主要优点是结构简单、加工方便、测量范围宽、可承受极大的载荷、缺点是灵敏度低。空心圆柱体的灵敏度相对实心轴要高许多，在同样的截面积下，轴的直径可加大数倍，这样可提高轴的抗弯能力，但其过载能力相对弱，载荷较大时会产生较明显的桶形形变，使输出应变复杂而影响精度。环状敏感元件一般为等截面圆环结构，圆环受力后容易变形，所以它的灵敏度较高，多用于测量较小的力，缺点是圆环加工困难，环的各个部位的应变及应力都不相等。悬臂梁的特点是结构简单，易于加工，输出位移(或应变)大，灵敏度高，所以常用于较小力的测量。扭转轴式弹性敏感元件用于测量力矩和转矩。 变换压力的弹性敏感元件通常有弹簧管、波纹管、等截面薄板、波纹膜片和膜盒、薄壁圆筒和薄壁半球等。弹簧管可以把压力变换成位移，且弹簧管的自由端的位移量、中心角的变化量与压力p成正比，其刚度较大，灵敏度较小，但过载能力强，常用于测量较大压力。波纹管的线性特性易被破坏，因此它主要用于测量较小压力或压差测量中。 作业二 1.何谓电阻式传感器它主要分成哪几种 答：电阻式传感器是将被测量转换成电阻值，再经相应测量电路处理后，在显示器记录仪上显示或记
1.简述无线网络介质访问控制方法CSMA/CA的工作原理 CSMA/CA机制: 当某个站点（源站点）有数据帧要发送时，检测信道。若信道空闲，且在DIFS时间内一直空闲，则发送这个数据帧。发送结束后，源站点等待接收ACK确认帧。如果目的站点接收到正确的数据帧，还需要等待SIFS时间，然后向源站点发送ACK确认帧。若源站点在规定的时间内接收到ACK确认帧，则说明没有发生冲突，这一帧发送成功。否则执行退避算法。 2.802.11无线LAN提供的服务有哪些？ ?802.11规定每个遵从该标准的无线局域网必须提供9种服务，这些服务分为两类，5种分布式服务和4种站服务。 分布式服务涉及到对单元（cell）的成员关系的管理，并且会与其它单元中的站点进行交互。由AP提供的5种服务将移动节点与AP关联起来，或者将它们与AP解除关联。 ?⑴建立关联：当移动站点进入一个新的单元后，立即通告它的身份与能力。能力包括支持的数据速率、需要PCF服务和功率管理需求等。 AP可以接受或拒绝移动站点的加入。如果移动站点被接受，它必须证明它自己的身份。 ?⑵解除关联。无论是AP还是站点都可以主动解除关联，从而中止它们之间的关系?⑶重建关联。站点可以使用该服务来改变它的首选AP 。 ?⑷分发。该服务决定如何将发送到AP的帧发送出去。如果目的站在同一个AP下，帧可以被直接发送出去，否则必须通过有线网络转发。 ?⑸集成。如果一个帧需要通过一个非802.11网络（具有不同的编址方案或帧格式）传输，该服务可将802.11格式转换成目的网络要求的格式 站服务4种站服务用于管理单元内的活动。 ?⑴身份认证。当移动站点与AP建立了关联后， AP会向移动站点发送一个质询帧，看它是否知道以前分配给它的密钥；移动站点用自己所知道的密钥加密质询帧，然后发回给AP ，就可以证明它是知道密钥的；如果AP检验正确，则该移动站点就会被正式加入到单元中。 ?⑵解除认证。一个以前经过认证的站想要离开网络时，需要解除认证。 ?⑶保密。处理加密和解密，加密算法为RC4。 ⑷数据传递。提供了一种数据传送和接收方法 3.简述无线传感器网络系统工作过程 无线传感器网络(WSN)是大量的静止或移动的传感器以自组织和多跳的方式构成的无线网络，目的是协作地采集、处理和传输网络覆盖地域内感知对象的监测信息，并报告给用户 4.为什么无线传感器网络需要时间同步，简述RBS、TPSN时间同步算法工作原理？ 在分布式的无线传感器网络应用中，每个传感器节点都有自己的本地时钟。不同节点的晶体振荡器频率存在偏差，以及湿度和电磁波的干扰等都会造成网络节点之间的运行时间偏差， RBS同步协议的基本思想是多个节点接收同一个同步信号，然后多个收到同步信号的节点之间进行同步。这种同步算法消除了同步信号发送一方的时间不确定性。这种同步协议的缺点是协议开销大
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 ）。
传感器原理与应用心得 张宝龙电信工二班201400121099 传感器应用极其广泛，而且种类繁多，涉及的学科也很多，通过对传感器的学习让我基本了解了传感器的基本概念及传感器的静、动态特性电阻式、电感式传感器的结构、工作原理及应用。 传感器的特性主要是指输出入输入之间的关系。当输入量为常量或变化很慢时，其关系为静态特性。当输入量随时间变换较快时，其关系为动态特性。 传感器的静态特性是指对静态的输入信号，传感器的输出量与输入量之间所具有相互关系。因为这时输入量和输出量都和时间无关，所以它们之间的关系，即传感器的静态特性可用一个不含时间变量的代数方程，或以输入量作横坐标，把与其对应的输出量作纵坐标而画出的特性曲线来描述。表征传感器静态特性的主要参数有：线性度、灵敏度、迟滞、重复性、漂移等。 所谓动态特性，是指传感器在输入变化时，它的输出的特性。在实际工作中，传感器的动态特性常用它对某些标准输入信号的响应来表示。这是因为传感器对标准输入信号的响应容易用实验方法求得，并且它对标准输入信号的响应与它对任意输入信号的响应之间存在一定的关系，往往知道了前者就能推定后者。最常用的标准输入信号有阶跃信号和正弦信号两种，所以传感器的动态特性也常用阶跃响应和频率响应来表示。 传感器的作用主要是感受和响应规定的被测量，并按一定规律
将其转换成有用输出，特别是完成非电量到电量的转换。传感器的组成并无严格的规定。一般说来，可以把传感器看做由敏感元件和变换元件两部分组成，。 通过最近的学习，是我了解到在实际中使用传感器的选择一定要慎重。我们可以根据测量对象与测量环境确定传感器的类型。其次，当我们在选择传感器时要注意传感器的灵敏度，频率响应范围，线性范围，稳定性，精度等。 人们为了从外界获取信息，必须借助于感觉器官。而单靠人们自身的感觉器官，在研究自然现象和规律以及生产活动中它们的功能就远远不够了。为适应这种情况，就需要传感器。因此可以说，传感器是人类五官的延长，又称之为电五官。 新技术革命的到来，世界开始进入信息时代。在利用信息的过程中，首先要解决的就是要获取准确可靠的信息，而传感器是获取自然和生产领域中信息的主要途径与手段。 通过对这门课的学习开阔了我的视野，让我了解了以前没有了解的东西。在老师的指导下让我明白了学习要有自觉性，要自己积极主动地去学习。
《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%
一：填空题（每空1分） 1.依据传感器的工作原理，传感器分敏感元件，转换元件， 测量电路三个部分组成。 2.半导体应变计应用较普遍的有体型、薄膜型、扩散型、外延型等。 3.光电式传感器是将光信号转换为电信号的光敏元件，根据光电效应可以分为 外光电效应，光电效应，热释电效应三种。 4.亮电流与暗电流之差称为光电流。 5.光电管的工作点应选在光电流与阳极电压无关的饱和区域。 6.金属丝应变传感器设计过程中为了减少横向效应，可采用直线栅式应变计 和箔式应变计结构。 7.反射式光纤位移传感器在位移-输出曲线的前坡区呈线性关系，在后坡区与 距离的平方成反比关系。 8.根据热敏电阻的三种类型，其中临界温度系数型最适合开关型温度传感 器。 9.画出达林顿光电三极管部接线方式： U CE 10.灵敏度是描述传感器的输出量对输入量敏感程度的特性参数。其定义为：传 感器输出量的变化值与相应的被测量的变化值之比，用公式表示k（x）=Δy/Δx 。 11.线性度是指传感器的输出量与输入量之间是否保持理想线性特性的一 种度量。按照所依据的基准之线的不同，线性度分为理论线性度、端基线性度、独立线性度、最小二乘法线性度等。最常用的是最
小二乘法线性度。 12.根据敏感元件材料的不同，将应变计分为金属式和半导体式两大 类。 13.利用热效应的光电传感器包含光---热、热---电两个阶段的信息变换过程。 14.应变传感器设计过程中，通常需要考虑温度补偿，温度补偿的方法电桥补偿 法、计算机补偿法、应变计补偿法、热敏电阻补偿法。 15.应变式传感器一般是由电阻应变片和测量电路两部分组成。 16.传感器的静态特性有灵敏度、线性度、灵敏度界限、迟滞差和稳定性。 17.在光照射下，电子逸出物体表面向外发射的现象称为外光电效应，入 射光强改变物质导电率的物理现象称为光电效应。 18.光电管是一个装有光电阴极和阳极的真空玻璃管。 19.光电管的频率响应是指一定频率的调制光照射时光电输出的电流随频率变 化的关系，与其物理结构、工作状态、负载以及入射光波长等因素有关。多数光电器件灵敏度与调制频率的关系为Sr（f）=Sr。/(1+4π2f2τ2) 20.光电效应可分为光电导效应和光生伏特效应。 21.国家标准GB 7665--87对传感器下的定义是：能够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，通常由敏感元件和转换元件组成。 22.传感器按输出量是模拟量还是数字量，可分为模拟量传感器和数字量传感器 23.传感器静态特性的灵敏度用公式表示为：k(x)=输出量的变化值/输入量的变 化值=△y/△x 24.应变计的粘贴对粘贴剂的要求主要有：有一定的粘贴强度；能准确传递应变；
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
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
:填空题（每空1分） 1.依据传感器的工作原理，传感器分敏感元件，转换元件 测量电路三个部分组成。 2.金属丝应变传感器设计过程中为了减少横向效应，可米用直线栅式应变计 和箔式应变计结构。 3. 根据热敏电阻的三种类型，其中临界温度系数型最适合开关型温度传感器 4. 灵敏度是描述传感器的输出量对输入量敏感程度的特性参数。其定义为：传 感器输出量的变化值与相应的被测量的变化值之比，用公式表示 k （x）=△ y△ x。 5. 线性度是指传感器的输出量与输入量之间是否保持理想线性特性的一 种度量。按照所依据的基准之线的不同，线性度分为理论线性度、端 基线性度、独立线性度、最小二乘法线性度等。最常用的是最小二乘法线性 度。 6. 根据敏感元件材料的不同，将应变计分为金属式和半导体式两大类。 7. 应变传感器设计过程中，通常需要考虑温度补偿，温度补偿的方法电桥补偿法、 计算机补偿法、应变计补偿法、热敏电阻补偿法。 8. 应变式传感器一般是由电阻应变片和测量电路两部分组成。 9. 传感器的静态特性有灵敏度、线性度、灵敏度界限、迟滞差和稳定性。 10. 国家标准GB7665--87对传感器下的定义是：能够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,通常由敏感元件和转换元件组成。11. 传感器按输出量是模拟量还是数字量， 可分为模拟量传感器和数字量传感器12. 传感器静态特性的灵敏度用公式表示为：心）=输出量的变化值/输入量的变化 值=△ y/ △ x 13. 应变计的粘贴对粘贴剂的要求主要有：有一定的粘贴强度；能准确传递应变；蠕 变小；机械滞后小；耐疲劳性好；具有足够的稳定性能：对弹性元件和应变计不产生化学腐蚀作用；有适当的储存期；应有较大的温度适用范围。 14. 根据传感器感知外界信息所依据的基本校园，可以将传感器分成三大类：物理传 感器，化学传感器，生物传感器。
《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
传感器及应用教学大纲 一、课程说明 课程性质：专业核心课 课程描述： “传感器技术”是电子、机电与自动控制类专业的专业核心课，是必修课。通过本课程的学习，学生能了解传感器的基本概念、传感器的构成、传感器工作的有关定律、传感器的作用、传感器和现代检测技术发展的趋势。其作用是通过本课程的学习，培养学生利用现代电子技术、传感器技术和计算机技术解决生产实际中信息采集与处理问题的能力，为工业测控系统的设计与开发奠定基础。知识目标：掌握主要传感器的原理、特性，各种应用条件下传感器的选用原则和应用电路设计。 技能目标：独立分析、解决传感器方面问题的能力；利用网络、数据手册、厂商名录等获取和查阅传感器技术资料的能力。 素质目标：具有较强的专业素质，不断进行创新。 教学重点与难点： 课程重点：电阻式、电感式传感器的原理与应用，霍尔式传感器，电流、电压传感器。 课程难点：各种传感器的温度误差与补偿，电容式传感器的屏蔽技术，光纤传感器的原理。 适用专业：机电一体化、电气自动化专业 学时数：80学时 二、教学目的与内容 1 传感器技术基础（2学时） 教学目的与要求： 明确“传感器技术”在专业培养计划中的地位，课程的性质、任务和大体内容，传感器在现代生产、生活中的作用。了解检测技术与传感器的定义、组成、作用和分类，了解传感器的静、动态特性，掌握传感器常用的技术指标。 教学重点与难点： 教学重点：传感器的定义、组成和作用 教学难点：传感器的技术指标 教学内容： 1）传感器简介 （1）传感器的定义
（2）传感器的组成与作用 2）传感器的分类 （1）按工作原理分 （2）按被测量分 （3）按输出信号性质分 3）传感器的特性及主要技术指标 （1）静态特性和动态特性 （2）主要技术指标 2 电阻式传感器（6学时） 教学目的与要求： 理解电阻式传感器的组成和基本原理，了解电阻式传感器的常用类型。掌握应变片式传感器的形式、特点、应用方法和转换电路。 教学重点与难点： 教学重点：电阻式传感器的组成和基本原理 教学难点：电阻应变片的工作原理 教学内容： 1）电位器式传感器（2学时） （1）电位器式传感器的基本工作原理 （2）电位器式传感器的输出特性 （3）电位器式传感器的特性 （4）电位器式位移传感器 2）应变式传感器（2学时） （1）电阻应变片的结构和工作原理 （2）电阻应变片的特性 （3）测量电路 （4）温度误差与补偿 3）压阻式传感器（2学时） （1）压阻效应 （2）结构与特性 （3）固态压阻传感器测量电路 （4）温度补偿 3 变磁阻式传感器（4学时） 教学目的与要求： 掌握三种变磁阻式传感器（电感式传感器、差分变压器式传感器、电涡流式传感器）的基本结构和工作原理，了解上述传感器将非电量信号转换成电信号的过程，了解三种变磁阻式传感器的特点、
本文档根据老师最后一次课上课时所说的相关内容并根据我自己的个人情况简要整理，相对简洁，和大家分享一下。考虑到老师说的内容和考试内容相比，可能不够完整；而且个人水平有限，不可能把握的很准确，所以只是参考而已。。。建议大家根据自己的理解补充完善~ 第一章：传感器概论 1、传感器的定义：传感器（或敏感元件）基于一定的变换原理/规律将被测量（主要是非电量的测量，可采用非电量电测技术）转换成电量信号。变换原理/规律涉及到物理、化学、生物学、材料学等学科。 2、传感器的组成：传感器一般由敏感元件（将非电量变成某一中间量）、转换元件（将中间量转换成电量）、测量电路（将转换元件输出的电量变换成可直接利用的电信号）三部分组成，有的传感器还需加上辅助电源。 3、传感器的分类 按变换原理分类——>利用不同的效应构成物理型、化学型、生物型等传感器。 按构成原理分类： 结构型：依靠机械结构参数变化来实现变换。 物性型：利用材料本身的物理性质来实现变换。 按输入量的不同分类——>温度、压力、位移、流量、速度等传感器 按变换工作原理分类: 电路参数型:电阻型、电容型、电感型传感器 按参电量如：Q（电量）、I、U、E 等分类:磁电型、热电型、压电型、霍尔型、光电式传感器 4、传感器技术的发展动向： 教材表述：发现新现象、开发新材料、采用微细加工技术、研制多功能集成传感器、智能化传感器、新一代航天传感器、仿生传感器 老师表述：微型化、集成化、廉价。 第二章：传感器的一般特性 1、静态特性 检测系统的四种典型静态特性 线性度：传感器的输出与输入之间的线性程度。传感器的理想输出-输入特性是线性的。 灵敏度：系统在静态工作的条件下，其单位输入所产生的输出，实为拟合曲线上某点的斜率。 即S N=输入量的变化/输出量的变化=dy/dx 迟滞性：特性表明传感器在正（输入量增大）反（输入量减小）行程期间输出-输入特性曲线不重合的程度。 （产生的原因：传感器机械部分存在的不可避免的缺陷。） 重复性：重复性表示传感器在输入量按同一方向作全量程多次测量时所得特性曲线不一致程度。曲线的重复性好，误差也小。产生的原因与迟滞性类似。 精确度. 测量范围和量程. 零漂和温漂. 2、动态特性：（传感器对激励（输入）的响应（输出）特性） 动态误差：输出信号不与输入信号具有完全相同的时间函数，它们之间的差异。包括：稳态动态误差、暂态动态误差
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%
《传感器原理及应用》 实 验 指 导 书 测控技术实验室
实验一金属箔式应变片----单臂、半臂、全桥性能实验 一、实验目的：了解金属箔式应变片的应变效应，单臂、半臂、全电桥工 作原理和性能。 二、基本原理：电阻丝在外力作用下发生机械变形时,其电阻值发生变化, 这就是电阻应变效应,描述电阻应变效应的关系式为:ΔR/R=Kε式中:ΔR/R 为:ΔR/R电阻丝电阻相对变化, K为应变灵敏系数, ε=ΔL/L为电阻丝长度相对变化, 金属箔式应变片就是通过光刻、腐蚀等工艺制成的应变敏感元件，通过它转换被测部件受力状态变化、电桥的作用完成电阻到电压的比例变化，电桥的输出电压反映了相应的受力状态。对单臂电桥输出电压Uο1=Ek?/4。在半桥性能实验中，不同受力方向的两只应变片接入电桥作为邻边，电桥输出灵敏度提高，非线性得到改善。当应变片阻值和应变量相同时，其桥路输出电压Uο2=Ek?/2。在全桥测量电路中，将受力性质相同的两应变片接入电桥对边，不同的接入邻边，当应变片初始阻力值：R1=R2=R3=R4，其变化值ΔR1=ΔR2=ΔR3=ΔR4时，其桥路输出电压Uο3=Ek?。其输出灵敏度比半桥又提高了一倍，非线性误差和温度误差均得到改善。 三、实验设备：应变式传感器实验模板、应变式传感器、砝码、数显表、 ±15V、±4V直流电源、万用表。 四、实验方法和要求： 1、根据电子电路知识，实验前设计出实验电路连线图。 2、独力完成实验电路连线。 3、找出这三种电桥输出电压与加负载重量之间的关系，并作出V o=F(m) 的关系曲线。
4、分析、计算三种不同桥路的系统灵敏度S=ΔU/ΔW（ΔU输出电压变化 量，ΔW重量变化量）和非线性误差：δf1=Δm/yF·s×100%式中Δm为 输出值（多次测量时为平均值）与拟合直线的最大偏差：yF·s满量程 输出平均值，此处为200g。 五、思考题 1、单臂电桥时，作为桥臂电阻应变片应选用：（1）正（受拉）应变片（2） 负（受压）应变片（3）正、负应变片均可以。 2、半桥测量时两片不同受力状态的电阻应变片接入电桥时，应放在：（1） 对边（2）邻边。 3、全桥测量中，当两组对边（R1、R3为对边）电阻值R相同时，即R1=R3， R2=R4，而R1≠R2时，是否可以组成全桥：（1）可以（2）不可以。
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/℃、Ｓ２
《无线传感器网络》教学大纲 课程名称：无线传感器网络 学时/学分：40/2.5 先修课程：模拟电路、计算机网络、通信原理、操作系统、微机原理及接口技术、C 程序设计语言 适用专业：物联网工程 是否含课内实验：■是□否（若选择“是”，则还需填写实验教学大纲） 一、课程性质与任务（要求学生完成的任务等） 本课程旨在全面系统地阐述当前各种主流的无线传感网络的基本原理，结合多种无线传感网络开发平台，深入浅出地讲解无线传感网络的基本技术。在讲授内容上，力求反映国内外该方向技术的最新进展，在讲述方法上，注重理论与实际、原理与应用相结合，无线传感网络是现代通信产业中发展最为活跃的行业之一。本课程介绍无线传感网络的系统构成、网络技术、协议、开发平台和应用，学生通过学习本课程应该达到以下目标： 1.熟练掌握有关无线传感网络的基本概念、基本理论以及基本的分析设计方法； 2.较好掌握有关各种无线传感网络的支撑技术，操作系统及开发平台； 3.了解无线传感器网络的组网、通信技术，掌握路由协议、网络协议的技术标准等； 4.掌握在ZigBee环境下的无线传感器组网的实际开发案例； 4.进一步了解无线传感网络的最新的发展应用，如海量存贮、异类传感器网络技术。 二、课程教学内容（要求学生掌握的内容，突出重难点等） 三、课程基本要求 （一）教学内容 第1章无线传感器网络概述 无线传感器网络的基本概念、无线传感器网络的特点、无线传感器网络的工作原理、无线传感器网络的应用 第2章微型传感器的基本知识 常见传感器介绍，传感器的特性和选型，微型传感器的应用 第3章无线传感器网络软/硬件设计
无线传感器网络节点硬件设计，传感节点（网关和汇聚节点设计、典型节点），无线传感器网络节点软件技术，（软件架构、中间件、操作系统），无线传感器网络实验技术平台 第4章无线传感器网络结构、覆盖 无线传感器网络结构，(平面结构，层次结构、混合结构)，无线传感器网络覆盖，覆盖基本概念，覆盖模型，覆盖指标，覆盖算法 第5章无线传感器网络的支撑技术 时间同步技术，（时间同步的基本概念、同步信息传输延时分析、同步算法、同步模型参数的估计），定位技术，（源定位算法、节点自定位、匹配定位、典型定位系统实例），数据融合（分类、主要方法、多数据融合网关的设计），能量管理（节能的方法、节点的能量管理），容错技术（故障模型、检测、修复） 第6章无线传感器网络通信与网络技术 物理层，数据链路层，(基于竞争的MAC协议、基于调度的MAC协议) 第7章无线传感器网络协议标准 技术标准的意义， IEEE1451系列标准， IEEE802.15.4标准， ZigBee协议标准，Bluetooth， UWB 第8章无线传感器网络的路由协议 路由协议的分类，平面路由协议(几个典型的平面路由协议、平面路由协议和分簇路由协议比较)，无线传感器网络分簇路由协议，(分簇路由协议的网络结构、分簇网络中节点能耗分析、分簇路由协议的性能评价、几个典型的分簇路由协议) 第9章ZigBee实践开发技术 ZigBee硬件平台(CC2430/CC2530概述、2CC2430/CC2530芯片主要特点、3CC2430/CC2431芯片功能结构、CC2430与8051的相联)， CC2430开发环境IAR（软件安装、使用、实例运行），开发实践——环境监测(系统总体方案、系统试验平台搭建、系统联调与实现)，基于ZigBee协议栈进行开发(协议栈架构简介、15.2ZigBee协议栈的开发接口API、ZigBee Device Profile API、外围部件的操作) 第10章无线传感器网络信息协同处理技术 协同感知方法(协同感知理论基础、同构协同感知、异构协同感知、协同感知算法案例、面向WSN的协同感知体系架构)，海量数据处理技术(基于海量数据的协同网络架构、海量数据的存储与管理、海量数据的知识获取)