《感测技术基础》(第四版)习题解答

传感器原理及应用第四版答案【篇一：传感器原理与应用课后习题】txt>课任老师：黄华姓名：张川学号：1143032002第一章2、一、按工作机理分类：结构型，物性型，复合型三大类。

一般在研究物理化学和生物等科学领域的原理、规律、效应的时候，便于选择。

二、按被测量分类：物理量传感器，化学量传感器，生物量传感器。

在对各领域的用途上很容易选择。

三、按敏感材料分类：半导体传感器、陶瓷传感器、光导纤维传感器、高分子材料传感器、金属传感器等。

很明显不同的名字就代表着用法，不同的制造材料去不同使用。

四、按能量的关系分类：有源传感器、无源传感器。

很明显是在能量转换的时候，也就是非电与电之间的转换时，还有就是非电与电能之间的调节作用的时候，需要用到此类传感器。

五、按应用领域分类：医学传感器、航天传感器。

顾名思义，就是在医学领域的相关器械检查等方面和航空航天的整体过程中会用到。

六、其他分类法：按用途、科目、功能、输出信号的性质分类。

当然按其所需要的类型使用此类传感器。

3、1）线性度：e??2）灵敏度：?maxy?100%fssn??y ?x3）重复性：误差ex??(2~3)??y?100%|fs4）迟滞（回差滞环）现象：e?|5）分辨率：?y?yidxmin6）稳定性 7）漂移4、它是传感器对输入激励的输出响应特性。

通常从时域或者频域两方面采用瞬态响应法和频率响应法来分析。

6、系统：ady(t)?by(t)?cx(t) dtady(t)c?y(t)?x(t)bdtb通用形式：?dy(t)k——传感器的静态灵敏度或放大系数，k=c/b，反映静态特征；?传递函数： h(s)?k1??s?频率特性： h(jw)?k1?jw??幅频特性： a(w)?|h(jw)|?k?(??)2???)??arctan(??) ?想频特性： ?(?)?arctan(≈0; 输出y(t)反映输入x(t);第二章2、金属导体受到外力作用产生机械形变，电阻值会随着形变的变化而变化。

《感测技术基础》（第四版）习题解答长江大学孙传友编绪论1、什么是感测技术？为什么说它是信息的源头技术？答：传感器原理、非电量测量、电量测量这三部分内容合称为传感器与检测技术，简称感测技术。

现代信息技术主要有三大支柱：一是信息的采集技术(感测技术)，二是信息的传输技术(通信技术)，三是信息的处理技术(计算机技术)。

所谓信息的采集是指从自然界中、生产过程中或科学实验中获取人们需要的信息。

信息的采集是通过感测技术实现的，因此感测技术实质上也就是信号采集技术。

显而易见，在现代信息技术的三大环节中，“采集”是首要的基础的一环，没有“采集”到的信息，通信“传输”就是“无源之水”，计算机“处理”更是“无米之炊”。

因此，可以说，感测技术是信息的源头技术。

2、非电量电测法有哪些优越性。

答：电测法就是把非电量转换为电量来测量，同非电的方法相比，电测法具有无可比拟的优越性：1、便于采用电子技术，用放大和衰减的办法灵活地改变测量仪器的灵敏度，从而大大扩展仪器的测量幅值范围(量程)。

2、电子测量仪器具有极小的惯性，既能测量缓慢变化的量，也可测量快速变化的量，因此采用电测技术将具有很宽的测量频率范围(频带)。

3、把非电量变成电信号后，便于远距离传送和控制，这样就可实现远距离的自动测量。

4、把非电量转换为数字电信号，不仅能实现测量结果的数字显示，而且更重要的是能与计算机技术相结合，便于用计算机对测量数据进行处理，实现测量的微机化和智能化。

3、什么叫传感器？什么叫敏感器？二者有何异同？答：将非电量转换成与之有确定对应关系的电量的器件或装置叫做传感器。

能把被测非电量转换为传感器能够接受和转换的非电量(即可用非电量)的装置或器件，叫做敏感器。

如果把传感器称为变换器，那么敏感器则可称作预变换器。

敏感器与传感器虽然都是对被测非电量进行转换，但敏感器是把被测非电量转换为可用非电量，而不是象传感器那样把非电量转换成电量。

4、常见的检测仪表有哪几种类型？画出其框图。

第一章 思考题与习题1、什么就是传感器的静态特性？它有哪些性能指标？答:输入量为常量或变化很慢情况下,输出与输入两者之间的关系称为传感器的静态特性。

它的性能指标有:线性度、迟滞、重复性、灵敏度与灵敏度误差、分辨率与阈值、稳定性、温度稳定性、抗干扰稳定性与静态误差(静态测量不确定性或精度)。

2、传感器动特性取决于什么因素？答:传感器动特性取决于传感器的组成环节与输入量,对于不同的组成环节(接触环节、模拟环节、数字环节等)与不同形式的输入量(正弦、阶跃、脉冲等)其动特性与性能指标不同。

3、某传感器给定相对误差为2%FS,满度值输出为50mV ,求可能出现的最大误差δ(以mV 计)。

当传感器使用在满刻度的1/2与1/8时计算可能产生的百分误差。

并由此说明使用传感器选择适当量程的重要性。

已知:FS %2=γ, mV y FS 50=;求:δm =？解:∵ %100⨯=FS my δγ;∴ mV y FS m 1%100=⨯•=γδ若: FS FS y y 211= 则: %4%100251%1001=⨯=⨯=FS m y δγ 若: FS FS y y 812= 则: %16%10025.61%1002=⨯=⨯=FS my δγ 由此说明,在测量时一般被测量接近量程(一般为量程的2/3以上),测得的值误差小一些。

4、有一个传感器,其微分方程为x y dt dy 15.03/30=+,其中y 为输出电压(mV),x 为输入温度(0C),试求该传感器的时间常数τ与静态灵敏度k 。

已知:x y dt dy 15.03/30=+;求:τ=？,k =?解:将x y dt dy 15.03/30=+化为标准方程式为:x y dt dy 05.0/10=+与一阶传感器的标准方程:kx y dtdy =+τ 比较有: ⎩⎨⎧==)/(05.0)(100C mV k s τ 5、已知某二阶系统传感器的自振频率f 0=20k Hz,阻尼比ξ=0、1,若要求传感器的输出幅值误差小于3%,试确定该传感器的工作频率范围。

一. 填空题(每空1分，共30分)1.光屯效应一般分为、和,相对应的光屯器件也有以下三种类型：、和 O2.单一应力下的压屯效应有四种类型：、、、；多应力作用下的压电效应称为。

3.______________________________ 磁敏二极管和磁敏三极管都是型的磁敏元件，都有,它的长度较长，其一个侧面，另一面 o 表面处容易使电子一空穴对复合而消失，称为r区。

4.在光栅传感器工作时，主光栅沿栅线垂直方向移动—莫尔条纹正好移动—由于莫尔条纹移动距离_________ 主光栅移动距离，故摩尔条纹有放大作用。

5.增量编码器有三条码道。

其中最外圈码道作为码盘的,所产生的脉冲将给计数系统提供一个清零信号；中间一圈码道称为,最内一圈码道称为。

6.磁电感应式传感器基本上由以下三部分组成：、、。

7.光电传感器的5种常见形式：、、、、。

二. 选择题(每题2分，共20分)1.使用电流表时，综合考虑保护仪表和减小误差两个因素，一般要指针偏转至满偏电流的：A. 1/2处B. 2/3处C. 3/4处 D,无所谓2.在交流电压的表征中，K-和Up分别是交流电压的：A.波峰系数，平均值B.波峰系数，有效值C.波形系数，有效值D.波形系数，峰值3.常用的自感式传感器按磁路几何参数变化形式不同，可分为：A.变气隙式、变面积式、螺管式B.变气隙式、变面积式、差动式C.变气隙式、变面积式、单一式D.变面积式、差动式、单一式4.关于霍尔效应中霍尔电势各个量之间的关系，下列正确的是：A. 碌=&B. U H = K壮/ IBC. U H =R H IBdD. R H = —vd nq5.下列哪个不属于按结构分类的直接编码器：A.电刷接触式B.电磁式C.直线式D.光电式6.气敏电阻都附有加热器，其作用不包括：A.烧掉附着在探测部位处的油污、尘埃B.加速气体吸附C.提高元件灵敏度D.保温7.热电偶冷端处理的方法有多种，为保持恒温，下列方法不正确的是：A.置于冰水混合物中B.置于恒温槽中C.置于深埋于地下的铁盒D.置于空气中8.在交流电压的表征中，和U分别是交流电压的：A.波峰系数，平均值B.波峰系数，有效值C.波形系数，有效值D.波形系数，峰值9.热电偶的电极材料须具有以下哪个特点：A.热电性质要随被测介质变化B.电阻温度系数高C.机械强度低D.导电率要高10.按电阻-温度特性，热敏电阻的分类不包括以下哪种：A.负温度系数热敏电阻(NTC)B.正温度系数热敏电阻(PTC)C.临界温度系数热敏电阻(CTC)D.零温度系数热敏电阻(ZTC)三, 简答题（每题5分，共30分）1.模拟直流电流表与模拟直流电压表有何异同？为什么电流表的内阻很小，而电压表的内阻却很大？2.差动电阻传感器电桥与单工作臂电阻传感器电桥相比有哪些优越性?为什么会有这些优越性？3.用应变片测量时，为什么必须采取温度补偿措施？把两个承受相同应变的应变片接入电桥的相对两臂，能补偿温度误差吗？为什么？4.为什么压电式传感器多采用电荷放大器而不采用电压放大器？5.画出通用计数器的基本组成，并说明其工作方式。

第2章习题及解答1.判断正误(1)凡频谱是离散的信号必然是周期信号。

( × )准周期信号(2)任何周期信号都由频率不同，但成整倍数比的离散的谐波叠加而成。

( × )(3)周期信号的频谱是离散的，非周期信号的频谱也是离散的。

( × )(4)周期单位脉冲序列的频谱仍为周期单位脉冲序列。

( √ )(5)非周期变化的信号就是随机信号。

( × )准周期信号(6)非周期信号的幅值谱表示的是其幅值谱密度与时间的函数关系。

( × )(7)信号在时域上波形有所变化，必然引起频谱的相应变化。

( × )(8)各态历经随机过程是平稳随机过程。

( √ )(9)平稳随机过程的时间平均统计特征等于该过程的集合平均统计特征。

( √ )(10)非周期信号的频谱都是连续的。

( × ) 准周期信号(11)单位脉冲信号的频谱是无限带宽谱（√）(12)直流信号的频谱是冲击谱（√）2.选择正确答案填空(1)描述周期信号的数学工具是(B )。

A.相关函数B. 傅里叶级数C. 拉普拉斯变换D. 傅里叶变换(2)描述非周期信号的数学工具是( C )。

A.三角函数B. 拉普拉斯变换C. 傅里叶变换D. 傅里叶级数(3)将时域信号进行时移，则频域信号将会( D )A.扩展B. 压缩C. 不变D. 仅有相移(4)瞬变信号的傅里叶变换的模的平方的意义为( C )A.信号的一个频率分量的能量B. 在f处的微笑频宽内，频率分量的能量与频宽之比C. 在f处单位频宽中所具有的功率(5)概率密度函数是在（C）域，相关函数是在（A）域，功率谱密度函数是在（D）域描述随机信号。

A.时间B. 空间C. 幅值D. 频率 (6) 白噪声信号的自相关函数是（C ）A.相关函数B. 奇函数C. 偶函数D. 不存在3．已知方波信号傅里叶级数，请描述式中各常数相的物理意义，并绘出频谱图。

见书中例题4．已知锯齿波信号傅里叶级数，请描述式中各常数相的物理意义，并绘出频谱图。

《传感器技术》习题答案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d20的尺寸进行了15次测量，测量数据如下（单位：mm）：120.42 120.43 120.40 120.42 120.43 120.39 120.30 120.40120.43 120.41 120.43 120.42 120.39 120.39 120.40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：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200.0043()d mm σσ=== 20330.00430.013()d mm σ=⨯=所以，测量结果为：20(120.4110.013)()(99.73%)d mm P =±=2-1 什么叫传感器？它由哪几部分组成？它们的作用及相互关系如何？【答】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。

第７章习题解答1、设图7-1-1中码盘为5位循环码盘，图中只有最靠近码盘中心的一个光电元件受光照产生电信号即输出数码“1”，其余4个光电元件均未受到光照不产生电信号即输出数码“0”，试计算码盘此时的转角。

（348.75°）解：由题意可知：，～转换为～的公式为：∴，。

2、增量编码器有几条码道?各有何作用?答：有三条码道。

码盘上最外圈码道上只有一条透光的狭缝，它作为码盘的基准位置，所产生的脉冲将给计数系统提供一个初始的零位(清零)信号；中间一圈码道称为增量码道，最内一圈码道称为辨向码道。

这两圈码道都等角距地分布着m个透光与不透光的扇形区，但彼此错开半个扇形区即90°/m。

所以增量码道产生的增量脉冲与辨向码道产生的辨向脉冲在时间上相差四分之一个周期，即相位上相差90°。

增量码道产生的增量脉冲的个数用于确定码盘的转动角度，辨向脉冲与增量脉冲的相位关系用于确定码盘的转动方向。

3、试说明光栅传感器为什么能测量很微小的位移?为什么能判别位移的方向?答：由图7－２－２可见，主光栅沿栅线垂直方向(即x轴方向)移动一个光栅栅距W，莫尔条纹沿y轴正好移动一个条纹间距H（H>>W），光电元件的输出电压变化一个周期。

在y=0处和y=H/4处各安放一个光电元件，这两个光电元件的输出信号u1和u2的相位差正好等于π/2。

将它们送到图7-1-8所示辨向电路，就可测量出光栅的移动方向和移动的栅距数。

主光栅每移动一个光栅栅距W，莫尔条纹信号u1和u2就相应地变化一个周期，图6-1-8中或门就产生一个计数脉冲，可逆计数器就加1或减1，可逆计数器的计数结果就是主光栅移动的栅距数。

显然，图7-1-8电路的分辨率就是一个光栅栅距。

如果在主光栅移动一个栅距过程中即莫尔条纹信号变化一个周期内，能得到m个彼此相位差360°/m的正弦交流信号u i，光栅每移动一个栅距W，m个u i波形便可依次得m个过零脉冲，而与光栅位移x对应的过零脉冲计数值即位移的数字测量结果为：由上式可见，分辨率不再是W,而是W/m，这样就达到m细分的目的。

第７章习题解答1、设图7-1-1中码盘为5位循环码盘，图中只有最靠近码盘中心的一个光电元件受光照产生电信号即输出数码“1”，其余4个光电元件均未受到光照不产生电信号即输出数码“0”，试计算码盘此时的转角。

（348.75°）解：由题意可知：1000054321=R R R R R ，1R ～n R 转换为1C ～n C 的公式为：∴1111154321=C C C C C ，()05051075.348213602360=-=⋅=-=-∑i i i Cθ。

2、增量编码器有几条码道?各有何作用?答：有三条码道。

码盘上最外圈码道上只有一条透光的狭缝，它作为码盘的基准位置，所产生的脉冲将给计数系统提供一个初始的零位(清零)信号；中间一圈码道称为增量码道，最内一圈码道称为辨向码道。

这两圈码道都等角距地分布着m 个透光与不透光的扇形区，但彼此错开半个扇形区即90°/m 。

所以增量码道产生的增量脉冲与辨向码道产生的辨向脉冲在时间上相差四分之一个周期，即相位上相差90°。

增量码道产生的增量脉冲的个数用于确定码盘的转动角度，辨向脉冲与增量脉冲的相位关系用于确定码盘的转动方向。

3、试说明光栅传感器为什么能测量很微小的位移?为什么能判别位移的方向?答：由图7－２－２可见，主光栅沿栅线垂直方向(即x 轴方向)移动一个光栅栅距W ，莫尔条纹沿y 轴正好移动一个条纹间距H （H>>W ），光电元件的输出电压变化一个周期。

在y=0处和y=H/4处各安放一个光电元件，这两个光电元件的输出信号u 1和u 2的相位差正好等于π/2。

将它们送到图7-1-8所示辨向电路，就可测量出光栅的移动方向和移动的栅距数。

主光栅每移动一个光栅栅距W ，莫尔条纹信号u 1和u 2就相应地变化一个周期，图6-1-8中或门就产生一个计数脉冲，可逆计数器就加1或减1，可逆计数器的计数结果就是主光栅移动的栅距数。

第一章 思考题与习题1、什么是传感器的静态特性？它有哪些性能指标？答：输入量为常量或变化很慢情况下，输出与输入两者之间的关系称为传感器的静态特性。

它的性能指标有：线性度、迟滞、重复性、灵敏度与灵敏度误差、分辨率与阈值、稳定性、温度稳定性、抗干扰稳定性和静态误差（静态测量不确定性或精度）。

2、传感器动特性取决于什么因素？答：传感器动特性取决于传感器的组成环节和输入量，对于不同的组成环节（接触环节、模拟环节、数字环节等）和不同形式的输入量（正弦、阶跃、脉冲等）其动特性和性能指标不同。

3、某传感器给定相对误差为2%FS ，满度值输出为50mV ，求可能出现的最大误差δ（以mV 计）。

当传感器使用在满刻度的1/2和1/8时计算可能产生的百分误差。

并由此说明使用传感器选择适当量程的重要性。

已知：FS %2=γ, mV y FS 50=；求：δm =？解：∵ %100⨯=FS my δγ；∴ mV y FS m 1%100=⨯∙=γδ若: FS FS y y 211= 则: %4%100251%1001=⨯=⨯=FS m y δγ 若: FS FS y y 812= 则: %16%10025.61%1002=⨯=⨯=FS my δγ 由此说明,在测量时一般被测量接近量程(一般为量程的2/3以上),测得的值误差小一些。

4、有一个传感器，其微分方程为x y dt dy 15.03/30=+，其中y 为输出电压（mV ），x 为输入温度（0C ），试求该传感器的时间常数τ和静态灵敏度k 。

已知：x y dt dy 15.03/30=+；求：τ=？，k =?解：将x y dt dy 15.03/30=+化为标准方程式为：x y dt dy 05.0/10=+ 与一阶传感器的标准方程：kx y dtdy =+τ 比较有： ⎩⎨⎧==)/(05.0)(100C mV k s τ 5、已知某二阶系统传感器的自振频率f 0=20k Hz,阻尼比ξ=0.1，若要求传感器的输出幅值误差小于3%，试确定该传感器的工作频率范围。

传感器技术习题解答作者：黄小胜第一章传感器的一般特性1.1答传感器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称为传感器的静态特性。

其主要指标有线性度、灵敏度、精确度、最小检测量和分辨力、迟滞、重复性、零点漂移、温漂。

1.2答：1动态特性是指传感器对随时间变化的输入量的响应特性2 描述动态特性的指标对一阶传感器：时间常数对二阶传感器：固有频率、阻尼比。

1.3答传感器的精度等级是允许的最大绝对误差相对于其测量范围的百分数，即A=∆A/YFS*100%1.4答：1）传感器标定曲线与拟合直线的最大偏差与满量程输出值的百分比叫传感器的线性度。

2）拟合直线的常用求法有：切线法、端基法和最小二乘法。

1.5答由一阶传感器频率传递函数w(jw)=K/(1+jωt),确定输出信号失真、测量结果在所要求精度的工作段,即由B/A=K/(1+(ωη)2)1/2,从而确定ω,进而求出f=ω/(2π).1-6答：若某传感器的位移特性曲线方程为y1=a0+a1x+a2x2+a3x3+……. 让另一传感器感受相反方向的位移，其特性曲线方程为y2=a0+a1x+a2x2+a3x3则Δy=y1-y2=2(a1x+a3x3+ a5x5……),这种方法称为差动测量法。

其特点：输出信号中没有偶次项、从而使线性范围增大、减小了非线性误差、灵敏度也提高了一倍、也消除了零点误差。

1-7解：YFS=200-0=200 由A=ΔA/YFS*100%有A=4/200*100%=2%；精度特级为2.5级。

1-8解根据精度定义表达式A=ΔA/AyFS*100%,由题意可知A=1.5%YFS=100 所以ΔA=1.5 因为 1.4<1.5 所以合格。

第二章应变式传感器2-1答：1）金属材料在受到外力作用时产生机械变形导致其阻值发生变化的现象叫金属材料的应变效应。

2）半导体材料在受到应力作用后其电阻率发生明显变化这种现象称为压阻效应。

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。