传感器与检测技术第8章压电式传感器及应用

《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—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 ％＝＝41.11422≈∆x δ引用误差％－－＝测量上限－测量下限＝1)50(1502≈∆γ1－10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%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：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。

传感器与检测技术（胡向东，第2版）习题解答王涛第1章概述什么是传感器？答：传感器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，通常由敏感元件和转换元件组成。

传感器的共性是什么？答：传感器的共性就是利用物理定律或物质的物理、化学或生物特性，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、频率、电荷、电容、电阻等）输出。

传感器一般由哪几部分组成？答：传感器的基本组成分为敏感元件和转换元件两部分，分别完成检测和转换两个基本功能。

另外还需要信号调理与转换电路，辅助电源。

传感器是如何分类的？答：传感器可按输入量、输出量、工作原理、基本效应、能量变换关系以及所蕴含的技术特征等分类，其中按输入量和工作原理的分类方式应用较为普遍。

①按传感器的输入量（即被测参数）进行分类按输入量分类的传感器以被测物理量命名，如位移传感器、速度传感器、温度传感器、湿度传感器、压力传感器等。

②按传感器的工作原理进行分类根据传感器的工作原理（物理定律、物理效应、半导体理论、化学原理等），可以分为电阻式传感器、电感式传感器、电容式传感器、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。

③按传感器的基本效应进行分类根据传感器敏感元件所蕴含的基本效应，可以将传感器分为物理传感器、化学传感器和生物传感器。

改善传感器性能的技术途径有哪些？答：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它在稳态信号作用下的输入、输出关系。

静态特性所描述的传感器的输入-输出关系中不含时间变量。

衡量传感器静态特性的主要指标是线性度、灵敏度、分辨率、迟滞、重复性和漂移。

利用压力传感器所得测试数据如下表所示，计算非线性误差、迟滞和重复性误差。

设压力解：①求非线性误差，首先要求实际特性曲线与拟合直线之间的最大误差，拟合直线在输入量变化不大的条件下，可以用切线或割线拟合、过零旋转拟合、端点平移拟合等来近似地代表实际曲线的一段（多数情况下是用最小二乘法来求出拟合直线）。

《传感器与检测技术》课程原则课程编码：01060404 课程类别：专业理论课程课时：68 ` 学分：6合用专业：电气自动化技术开课学期：第三学期开课单位：信息工程学院撰写人：电气自动化教研室一、课程定位和设计思绪（一）课程定位《传感器与检测技术》是电子类各专业一门重要旳职业技术必修课，学生通过本大纲所规定旳所有教学内容旳学习，可以获得误差理论、传感器、自动检测工程应用方面旳基本知识。

（二）设计思绪1、按岗位所需能力设定培养目旳2、按课程培养目旳安排理论教学二、课程目旳（一）课程总目旳作为是电子类各专业一门重要旳职业技术必修书本，课程《传感器与检测技术》旳任务是简介传感器与检测技术综合应用，培养学生旳综合技术应用能力，使学生掌握检测系统旳设计和分析措施，可以根据工程需要选用合适旳传感器，使学生走上工作岗位后能更好地提高研发、系统构成等方面旳能力。

（二）详细目旳根据对教材内容、教学大纲及学生自身认知水平旳分析，教学目旳从知识目旳、能力目旳和素质目旳三个方面来分析。

1、知识目旳①掌握传感器旳基本概念、特性等；②理解传感器旳分类；③掌握传感器与检测技术旳目旳和意义。

2、能力目旳①掌握检测系统旳设计和分析措施，可以根据工程需要选用合适旳传感器；②理解各类别传感器旳工作原理，掌握其性能特点，理解其应用；③良好旳编程思绪和风格。

3、素质目旳①具有综合技术应用能力；②培养严谨踏实旳作风，训练自己旳逻辑思维；③锻炼自己分析问题、处理问题旳能力。

三、课程内容、规定及课时安排（一）课程内容及规定（二）课程课时安排四、实行提议（一）选用教材宋雪臣.《传感器与检测技术》. 人民邮电出版社（二）教学措施贯彻“以学生为中心”旳教学理念，采用课堂教学、多媒体教学、案例导入、任务驱动、讲练结合和分组讨论旳教学措施（三）教学评价1．教学是足于加强学生实际操作能力旳培养，采用项目教学，以工作任务引领提高学生学习爱好，激发学生旳成就动机。

《传感器与现代检测技术》复习参考前言知识点第一章概论1、检测的定义2、传感器的定义、组成、分类传感器(狭义):能感应被测量的变化并将其转换为其他物理量变化的器件.传感器(广义):是信号检出器件和信号处理部分的总称.传感器的分类：按测量的性质划分:位移传感器,压力传感器,温度传感器等.按工作的原理划分:电阻应变式,电感式,电容式,压电式,磁电式传感器等.按测量的转换特征划分:结构型传感器和物性型传感器.按能量传递的方式划分:能量控制型传感器和能量转换型传感器.3、检测系统的静、动态性能指标静态特性可用下列多项式代数方程表示：y=a0+a1x+a2x2+a3x3+…+a n x n式中：y—输出量；x—输入量；a0—零点输出；a1—理论灵敏度；a2、a3、… 、an—非线性项系数。

1）线性度：指输出量与输入量之间的实际关系曲线偏离直线的程度,又叫非线性误差.2）灵敏度：指传感器的输出量增量与引起输出量增量的输入量的比值.3）迟滞：指传感器在正向行程和反向行程期间,输出-输入曲线不重合的现象.4）重复性：指传感器在输入量按同一方向做全量程多次测试时,所得特性曲线不一致性的程度.5）分辨率：指传感器在规定测量范围内所能检测输入量的最小变化量.6）稳定性：指传感器在室温条件下,经过相当长的时间间隔,传感器的输出与起始标定时的输出之间的差异.7）漂移：指传感器在外界的干扰下,输出量发生与输入量无关的变化,包括零点漂移和灵敏度漂移等.4、传感器的动态特性1）瞬态响应法2）频率响应法第二章常用传感器1、电阻式传感器（1）基本原理：将被测物理量的变化转换成电阻值的变化，再经相应的测量电路显示或记录被测量值的变化。

（2）电阻应变片结构（3）应变效应电阻应变片满足线性关系：，S即为应变片灵敏系数，或用K表示，K=1+2μ。

半导体应变片满足： （4）测量电路A ．直流电桥 （电桥形式（单臂、双臂、全桥）、输出电压表达式、电压灵敏度、应变片的位置安放）见课后习题P242 3.5 B ．交流电桥（5）温度误差原因及补偿方法2、 电容式传感器（1） 结构、原理 （2） 类型：变极距型：非线性误差大，适用于微小位移量测量变极板面积型：面积变化型电容传感器的优点是输出与输入成线性关系，但与极板变化型相比，灵敏度较低，适用于较大角位移及直线位移的测量。

《传感技术与应用》课程标准一、课程基本信息二、课程的性质、目的和任务1.课程性质本课程是电子信息工程技术（物联网）专业的职业能力核心课程之一，具有自身的体系和很强的实践性。

它是相关专业学生分析、运行、安装和维护实际检测系统的基础,是职业岗位知识、能力、素质培养的重要支撑技术课程。

2.目的和任务本课程主要面向电子设备管理，仪器维护岗位，本课程的任务是通过课堂理论学习和实际操作训练，使学生掌握一线高级技术人员所必需的传感器与检测技术的应用知识，并能结合计算机控制技术中的传感器与控制技术的应用，掌握检测的理论依据和检测设备的结构、工作原理、使用与维护方法的知识和技能。

使学生能够在电子领域设计和应用传感器。

同时具备有较强的工作岗位适应能力、分析和解决实际问题的能力以及创新意识和良好的职业道德。

三、课程教学的基本要求四、课程的教学重点和难点、学时分配教学重点：检测技术基本知识，各种常见传感器一般结构及基本工作原理等内容教学难点：各种常见传感器的功能及应用电路的分析和设计方法课程学时分配一览表五、相关课程的衔接本课程是一门的综合性课程，需要有一定的电子基础知识和专业知识。

其前导课程主要是《电子技术》、《电子技术应用与实践》《电子信息工程技术导论》，后续课程主要有《单片机技术与应用》、《电子设计与制图》，本课程具有承上启下的作用。

六、实验教学七、其它学生成绩包括平时成绩和期末考试成绩，其中，平时成绩占30%，期末考核占70%。

成绩考核方法分为过程考核和理论考核两种。

平时成绩为过程考核，包括出勤表现5%、课堂提问5%、实践操作10%、实践报告10%，实训成绩由主讲教师和实训教师根据学生在实训过程中的表现进行现场评价，力求科学全面地评价学生的综合素质。

主要考核学生的实践动手能力、团队协作精神、服从意识等。

加速度传感器及压电式传感器应用摘要：加速度传感器是一种惯性传感器,它能感受加速度并转换成可用输出信号，被广泛用于航空航天、武器系统、汽车、消费电子等。

通过加速度的测量，本文简单介绍了加速度传感器的种类、原理及相关应用并着重介绍了压电式加速度传感器。

关键词：加速度，传感器，应用一加速度传感器概况加速度检测是基于测试仪器检测质量敏感加速度产生惯性力的测量，是一种全自主的惯性测量，加速度检测广泛应用于航天、航空和航海的惯性导航系统及运载武器的制导系统中，在振动试验、地震监测、爆破工程、地基测量、地矿勘测等领域也有广泛的应用。

测量加速度，目前主要是通过加速度传感器（俗称加速度计），并配以适当的检测电路进行的，在(1～64)Hz的设备频率下典型的加速度测量范围为(0．1～10)g。

加速度传感器的种类繁多，依据对加速度计内检测质量所产生的惯性力的检测方式来分，加速度计可分为压电式、压阻式、应变式、电容式、振梁式、磁电感应式、隧道电流式、热电式等；按检测质量的支承方式来分，则可分为悬臂梁式、摆式、折叠梁式、简支承梁式等。

多数加速度传感器是根据压电效应的原理来工作的，当输入加速度时，加速度通过质量块形成的惯性力加在压电材料上，压电材料产生的变形和由此产生的电荷与加速度成正比，输出电量经放大后就可检测出加速度大小。

下表为部分加速度计的检测方法及其主要性能特点。

(~(~(~(~(~~((~部分加速度计的检测方法及其主要性能特点从测量维数上来看，单维的加速度传感器技术比较成熟，绝大多数加速度传感器为一维型(单轴)，而微惯性系统以及其他～些应用场合常常需要双轴或者三轴的加速度传感器来检测加速度矢量，目前市场上有越来越多的产品应用了双轴以及三轴加速度传感器。

如美国美新半导体有限公司(MEMSIC)开发出了用于车身控制的双轴加速度传感器，该产品的特点是没有机械可动部分，而且产品供货后的故障发生率一直控制在一位数多的ppm值。

传感器与检测技术（第二版）参考答案第1章 检测技术基本知识1.1单项选择:1.B2.D3. A4.B1.2见P1；1.3见P1-P3；1.4见P3-P4；1.5 见P5；1.6 （1）1℃（2）5﹪，1﹪ ；1.7 0.5级、0.2级、0.2级；1.8 选1.0级的表好。

0.5级表相对误差为25/70=3.57﹪, 1.0级表相对误差为1/70=1.43﹪；1.9见P10-P11；1.10见P11- P12；1.11 见P13-P14第2章 电阻式传感器及应用2.1 填空1.气体接触，电阻值变化；2.烧结型、厚膜型；3.加热器，加速气体氧化还原反应；4.吸湿性盐类潮解，发生变化2.2 单项选择1.B 2. C 3 B 4.B 5.B 6. A2.3 P17；2.4 P17；2.5P24；2.6 P24；2.7 P24-P25；2.8 P25；2.9 P26；2.10 P30-312.11 应变片阻值较小；2.12P28，注意应变片应变极性，保证其工作在差动方式；2.16 Uo=4m V ；2.17 P34；2.18 P34；2.19 (1) 桥式测温电路，结构简单。

（2）指示仪表 内阻大些好。

（3）RB:电桥平衡调零电阻。

2.20 2.21 线性范围内，希望传感器的灵敏度越高越好；传感器的延迟时间越短越好；传感器的线性范围越宽，则其量程越大，并且能保证一定的测量精度。

2.23 P44；2.33 P45第3章 电容式传感器及应用3.1 P53-P56；3.2 变面积传感器输出特性是线性的。

3.3 P58-P59；3.4 P59-P613.5 当环境相对湿度变化时，亲水性高分子介质介电常数发生改变，引起电容器电容值的变化。

属于变介电常数式。

3.6 参考变面积差动电容传感器工作原理。

参考电容式接近开关原理。

3.8 （1）变介电常数式；（2）参P62 电容油料表原理第4章 电感式传感器及应用4.1 单项选择1.B；2.A4.2 P65；4.3 P68；4.4 螺线管式电感传感器比变隙式电感传感器的自由行程大。

传感器与检测技术（胡向东，第2版）习题解答王涛第1章概述什么是传感器答：传感器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，通常由敏感元件和转换元件组成。

传感器的共性是什么答：传感器的共性就是利用物理定律或物质的物理、化学或生物特性，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、频率、电荷、电容、电阻等）输出。

传感器一般由哪几部分组成答：传感器的基本组成分为敏感元件和转换元件两部分，分别完成检测和转换两个基本功能。

②按传感器的工作原理进行分类根据传感器的工作原理（物理定律、物理效应、半导体理论、化学原理等），可以分为电阻式传感器、电感式传感器、电容式传感器、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。

③按传感器的基本效应进行分类根据传感器敏感元件所蕴含的基本效应，可以将传感器分为物理传感器、化学传感器和生物传感器。

改善传感器性能的技术途径有哪些答：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它在稳态信号作用下的输入、输出关系。

静态特性所描述的传感器的输入-输出关系中不含时间变量。

衡量传感器静态特性的主要指标是线性度、灵敏度、分辨率、迟滞、重复性和漂移。

利用压力传感器所得测试数据如下表所示，计算非线性误差、迟滞和重复性误差。

设压力解：①求非线性误差，首先要求实际特性曲线与拟合直线之间的最大误差，拟合直线在输入量变化不大的条件下，可以用切线或割线拟合、过零旋转拟合、端点平移拟合等来近似地代表实际曲线的一段（多数情况下是用最小二乘法来求出拟合直线）。

（1）端点线性度： 设拟合直线为：y=kx+b, 根据两个端点（0，0）和（，），则拟合直线斜率： ∴*+b= ∴b=0（2）最小二乘线性度： 设拟合直线方程为01y a a x =+， 误差方程01()i i i i i y y y a a x v ∧∧-=-+= 令10x a =，21x a =由已知输入输出数据，根据最小二乘法，有：直接测量值矩阵0.644.047.4710.9314.45L ⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦，系数矩阵10.0210.0410.0610.0810.10A ⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦，被测量估计值矩阵01a X a ∧⎡⎤=⎢⎥⎣⎦由最小二乘法：''A A X A L ∧=，有答：非线性误差公式：max 0.106100%100%0.64%16.50L FS L Y γ∆=±⨯=⨯= ② 迟滞误差公式：max100%H FSH Y γ∆=⨯， 又∵最大行程最大偏差max H ∆=，∴max 0.1100%100%0.6%16.50H FS H Y γ∆=⨯=⨯= ③ 重复性误差公式：max100%L FSR Y γ∆=±⨯， 又∵重复性最大偏差为max R ∆=，∴max 0.08100%100%0.48%16.50L FS R Y γ∆=±⨯=±⨯=± 用一阶传感器测量100Hz 的正弦信号，如果要求幅值误差限制在±5％以内，时间常数应取多少如果用该传感器测量50Hz 的正弦信号，其幅值误差和相位误差各为多少 解：一阶传感器频率响应特性：1()()1H j j ωτω=+幅频特性：()A ω=由题意有()15%A ω-≤15%-≤又22200f Tπωππ=== 所以：0＜τ＜取τ=，ω=2πf=2π×50=100π幅值误差：()100% 1.32%A ω∆==-所以有%≤△A(ω)＜0相位误差：△φ(ω)=-arctan(ωτ)= 所以有≤△φ(ω)＜0某温度传感器为时间常数τ=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三分之一和二分之一所需的时间。

第8章压电式传感器 压电传感器是一种电能量型传感器，它的工作原理是基于某些电介质的压电效应。

在外力作用下，在电介质的表面上产生电荷，实现力与电荷的转换，所以它能测量最终转换为力的物理量，如压力、加速度等。

最常见的压电材料有石英晶体、压电陶瓷等。

压电传感器具有使用频带宽、灵敏度高、信噪比高、结构简单、工作可靠、质量轻、测量范围广等优点。

近年来，由于电子技术迅猛发展，随着与之配套的二次仪表，以及低噪声、小电容、高绝缘电阻电缆的出现，使压电传感器使用更为方便，集成化、智能化的新型压电传感器也正在被开发出来。

8.1 压电效应对某些电介质，当沿着一定方向对它施加压力时，内部就产生极化现象，同时在它的两个表面上产生符号相反的电荷；当外力去掉后，它又重新恢复为不带电状态；当作用力方向改变时，电荷的极性也随之改变。

晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比，这种现象称为压电效应。

相反，当在电介质的极化方向上施加电场时，这些电介质也会产生变形，当外电场撤离时，变形也随着消失，这种现象称为逆压电效应。

具有压电效应的物质很多，如石英晶体、压电陶瓷、压电半导体等。

8.1.1 石英晶体的压电效应石英晶体是最常用的压电晶体之一，图8.1（a ）所示为天然结构的石英晶体理想外形，它是一个正六面体，在晶体学中可以用三根相互垂直的轴x 、y 、z 来表示它们的坐标，如图8.1（b ）所示。

z 轴为光轴（中性轴），它是晶体的对称轴，晶体沿光轴z 方向受力时不产生压电效应；经过正六面体棱线并垂直于光轴的x 轴为电轴，晶体在沿电轴x 方向的力作用下产生电荷的压电效应称为纵向压电效应，纵向压电效应最为显著；与z 轴和x 轴同时垂直的轴为y 轴，y 轴垂直于正六面体的棱面，称为机械轴，晶体沿机械轴y 方向的力作用下产生电荷的压电效应称为横向压电效应，在y 轴上加力产生的变形最大。

从石英晶体上沿轴线切下的一片平行六面体称为压电晶体切片，如图8.1（c ）所示。

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①MEMS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。