传感器与检测技术第3章 传感器基本特性参考答案

第3章传感器基本特性一、单项选择题1、衡量传感器静态特性的指标不包括（）。

A. 线性度B. 灵敏度C. 频域响应D. 重复性2、下列指标属于衡量传感器动态特性的评价指标的是（）。

A. 时域响应B. 线性度C. 零点漂移D. 灵敏度3、一阶传感器输出达到稳态值的50%所需的时间是（）。

A. 延迟时间B. 上升时间C. 峰值时间D. 响应时间4、一阶传感器输出达到稳态值的90%所需的时间是（）。

A. 延迟时间B. 上升时间C. 峰值时间D. 响应时间5、传感器的下列指标全部属于静态特性的是（）A．线性度、灵敏度、阻尼系数B．幅频特性、相频特性、稳态误差C．迟滞、重复性、漂移D．精度、时间常数、重复性6、传感器的下列指标全部属于动态特性的是（）A．迟滞、灵敏度、阻尼系数B．幅频特性、相频特性C．重复性、漂移D．精度、时间常数、重复性7、不属于传感器静态特性指标的是（）A．重复性 B．固有频率 C．灵敏度 D．漂移8、对于传感器的动态特性，下面哪种说法不正确（）A．变面积式的电容传感器可看作零阶系统B．一阶传感器的截止频率是时间常数的倒数C．时间常数越大，一阶传感器的频率响应越好D．提高二阶传感器的固有频率，可减小动态误差和扩大频率响应范围9、属于传感器动态特性指标的是（）A．重复性 B．固有频率 C．灵敏度 D．漂移10、无论二阶系统的阻尼比如何变化，当它受到的激振力频率等于系统固有频率时，该系统的位移与激振力之间的相位差必为（）A. 0°°° D. 在0°和90°之间反复变化的值11、传感器的精度表征了给出值与( )相符合的程度。

A.估计值B.被测值C.相对值D.理论值12、传感器的静态特性，是指当传感器输入、输出不随( )变化时，其输出-输入的特性。

A.时间B.被测量C.环境D.地理位置13、非线性度是测量装置的输出和输入是否保持( )关系的一种度量。

第3章传感器基本特性一、单项选择题1、衡量传感器静态特性的指标不包括（）。

A. 线性度B. 灵敏度C. 频域响应D. 重复性2、下列指标属于衡量传感器动态特性的评价指标的是（）。

A. 时域响应B. 线性度C. 零点漂移D. 灵敏度3、一阶传感器输出达到稳态值的50%所需的时间是（）。

A. 延迟时间B. 上升时间C. 峰值时间D. 响应时间4、一阶传感器输出达到稳态值的90%所需的时间是（）。

A. 延迟时间B. 上升时间C. 峰值时间D. 响应时间5、传感器的下列指标全部属于静态特性的是（）A．线性度、灵敏度、阻尼系数B．幅频特性、相频特性、稳态误差C．迟滞、重复性、漂移D．精度、时间常数、重复性6、传感器的下列指标全部属于动态特性的是（）A．迟滞、灵敏度、阻尼系数B．幅频特性、相频特性C．重复性、漂移D．精度、时间常数、重复性7、不属于传感器静态特性指标的是（）A．重复性B．固有频率C．灵敏度D．漂移8、对于传感器的动态特性，下面哪种说法不正确（）A．变面积式的电容传感器可看作零阶系统B．一阶传感器的截止频率是时间常数的倒数C．时间常数越大，一阶传感器的频率响应越好D．提高二阶传感器的固有频率，可减小动态误差和扩大频率响应范围9、属于传感器动态特性指标的是（）A．重复性B．固有频率C．灵敏度D．漂移10、无论二阶系统的阻尼比如何变化，当它受到的激振力频率等于系统固有频率时，该系统的位移与激振力之间的相位差必为（）A. 0°°° D. 在0°和90°之间反复变化的值11、传感器的精度表征了给出值与( )相符合的程度。

A.估计值B.被测值C.相对值D.理论值12、传感器的静态特性，是指当传感器输入、输出不随( )变化时，其输出-输入的特性。

A.时间B.被测量C.环境D.地理位置13、非线性度是测量装置的输出和输入是否保持( )关系的一种度量。

A.相等B.相似C.理想比例D.近似比例14、回程误差表明的是在( )期间输出-输入特性曲线不重合的程度。

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。

第1章 传感器与检测技术基础思考题答案 l.检测系统由哪几部分组成 说明各部分的作用;答：一个完整的检测系统或检测装置通常是由传感器、测量电路和显示记录装置等几部分组成,分别完成信息获取、转换、显示和处理等功能;当然其中还包括电源和传输通道等不可缺少的部分;下图给出了检测系统的组成框图;检测系统的组成框图传感器是把被测量转换成电学量的装置,显然,传感器是检测系统与被测对象直接发生联系的部件,是检测系统最重要的环节,检测系统获取信息的质量往往是由传感器的性能确定的,因为检测系统的其它环节无法添加新的检测信息并且不易消除传感器所引入的误差;测量电路的作用是将传感器的输出信号转换成易于测量的电压或电流信号;通常传感器输出信号是微弱的,就需要由测量电路加以放大,以满足显示记录装置的要求;根据需要测量电路还能进行阻抗匹配、微分、积分、线性化补偿等信号处理工作;显示记录装置是检测人员和检测系统联系的主要环节,主要作用是使人们了解被测量的大小或变化的过程;2.传感器的型号有几部分组成,各部分有何意义依次为主称传感器 被测量—转换原理—序号主称——传感器,代号C ；被测量——用一个或两个汉语拼音的第一个大写字母标记;见附录表2；转换原理——用一个或两个汉语拼音的第一个大写字母标记;见附录表3；序号——用一个阿拉伯数字标记,厂家自定,用来表征产品设计特性、性能参数、产品系列等;若产品性能参数不变,仅在局部有改动或变动时,其序号可在原序号后面顺序地加注大写字母A 、B 、C 等,其中I 、Q 不用;例：应变式位移传感器： C WY -YB -20；光纤压力传感器：C Y -GQ -2;3.测量稳压电源输出电压随负载变化的情况时,应当采用何种测量方法 如何进行答：测定稳压电源输出电压随负载电阻变化的情况时,最好采用微差式测量;此时输出电压认可表示为U 0,U 0=U +△U ,其中△U 是负载电阻变化所引起的输出电压变化量,相对U 来讲为一小量;如果采用偏差法测量,仪表必须有较大量程以满足U 0的要求,因此对△U ,这个小量造成的U 0的变化就很难测准;测量原理如下图所示：图中使用了高灵敏度电压表——毫伏表和电位差计,R r 和E 分别表示稳压电源的内阻和电动势,凡表示稳压电源的负载,E 1、R 1和R w 表示电位差计的参数;在测量前调整R 1使电位差计工作电流I 1为标准值;然后,使稳压电源负载电阻R 1为额定值;调整RP 的活动触点,使毫伏表指示为零,这相当于事先用零位式测量出额定输出电压U;正式测量开始后,只需增加或减小负载电阻R L 的值,负载变动所引起的稳压电源输出电压U 0的微小波动值ΔU ,即可由毫伏表指示出来;根据U 0=U +ΔU ,稳压电源输出电压在各种负载下的值都可以准确地测量出来;微差式测量法的优点是反应速度快,测量精度高,特别适合于在线控制参数的测量;用微差式测量方法测量稳压电源输出电压随负载的变化4.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 mV/mm 5.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;7.什么是系统误差和随机误差 正确度和精密度的含义是什么 它们各反映何种误差答：系统误差是指在相同的条件下,多次重复测量同一量时,误差的大小和符号保持不变,或按照一定的规律变化的误差;随机误差则是指在相同条件下,多次测量同一量时,其误差的大小和符号以不可预见的方式变化的误差;正确度是指测量结果与理论真值的一致程度,它反映了系统误差的大小,精密度是指测量结果的分散程度,它反映了随机误差的大小;8.服从正态分布规律的随机误差有哪些特性答：服从正态分布规律的随机误差的特性有：对称性 随机误差可正可负,但绝对值相等的正、负误差出现的机会相等;也就是说f δ- δ曲线对称于纵轴;有界性 在一定测量条件下,随机误差的绝对值不会超过一定的范围,即绝对值很大的随机误差几乎不出现;抵偿性 在相同条件下,当测量次数n →∞时,全体随机误差的代数和等于零,即0lim 1=∑=∞→n i i n δ;单峰性 绝对值小的随机误差比绝对值大的随机误差出现的机会多,即前者比后者的概率密度大,在δ=0处随机误差概率密度有最大值;9.等精度测量某电阻10次,得到的测量列如下：R 1＝167.95Ω R 2＝167.45Ω R 3＝167.60Ω R 4＝167.60Ω R 5＝167.87Ω R 6＝167.88ΩR 7＝168.00Ω R 8＝167.850Ω R 9＝167.82Ω R 10＝167.61Ω1求10次测量的算术平均值R ,测量的标准误差σ和算术平均值的标准误差s;2若置信概率取99.7％,写出被测电阻的真值和极限值;解：1求10次测量的算术平均值R ,测量的标准误差σ和算术平均值的标准误差s;2若置信概率取99.7％,被测电阻的真值为：Ω±=⨯±=)173.0763.167(3763.1670s R极限值为：Ω±=⨯±=)547.0763.167(3763.167σm R10.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;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,这时电桥以电压的形式输出;输出电压即为电桥输出端的开路电压,其表达式为U R R R R R R R R U o ))((432142313++-= 1设电桥为单臂工作状态,即R 1为应变片,其余桥臂均为固定电阻;当R 1感受被测量产生电阻增量ΔR 1时,由初始平衡条件R 1R 3=R 2R 4得3421R R R R =,代入式1,则电桥由于ΔR 1产生不平衡引起的输出电压为 U R R R R R R U R R R R U )()()(1122121122120∆+=∆+= 2 对于输出对称电桥,此时R 1=R 2=R ,R 3=R 4=R ’,当R 1臂的电阻产生变化ΔR 1=ΔR ,根据2可得到输出电压为 )(4)()(20R R U RR R R RR U U ∆=∆+= 3 对于电源对称电桥,R 1=R 4=R ,R 2=R 3=R ’;当R 1臂产生电阻增量ΔR 1=ΔR 时,由式2得 )()(20R R R R R R UU ∆'+'= 4 对于等臂电桥R 1=R 2=R 3=R 4=R ,当R 1的电阻增量ΔR 1=ΔR 时,由式2可得输出电压为)(4)()(20R R U RR R R RR U U ∆=∆+= 5 由上面三种结果可以看出,当桥臂应变片的电阻发生变化时,电桥的输出电压也随着变化;当ΔR <<R 时,电桥的输出电压与应变成线性关系;还可以看出在桥臂电阻产生相同变化的情况下,等臂电桥以及输出对称电桥的输出电压要比电源对称电桥的输出电压大,即它们的灵敏度要高;因此在使用中多采用等臂电桥或输出对称电桥;在实际使用中为了进一步提高灵敏度,常采用等臂电桥,四个被测信号接成两个差动对称的全桥工作形式,R 1=R +ΔR ,R 2=R -ΔR ,R 3=R +ΔR ,R 4=R -ΔR ,将上述条件代入式1得⎪⎭⎫ ⎝⎛∆=⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎪⎭⎫ ⎝⎛∆=R R U R R U U 440 6由式6看出,由于充分利用了双差动作用,它的输出电压为单臂工作时的4倍,所以大大提高了测量的灵敏度;第2章 电阻式传感器思考题答案1.金属电阻应变片与半导体材料的电阻应变效应有什么不同答：金属电阻的应变效应主要是由于其几何形状的变化而产生的,半导体材料的应变效应则主要取决于材料的电阻率随应变所引起的变化产生的;2.直流测量电桥和交流测量电桥有什么区别答：它们的区别主要是直流电桥用直流电源,只适用于直流元件,交流电桥用交流电源,适用于所有电路元件;3.热电阻测量时采用何种测量电路 为什么要采用这种测量电路 说明这种电路的工作原理;答：通常采用电桥电路作为测量电路;为了克服环境温度的影响常采用下图所示的三导线四分之一电桥电路;由于采用这种电路,热电阻的两根引线的电阻值被分配在两个相邻的桥臂中,如果t t R R 21=,则由于环境温度变化引起的引线电阻值变化造成的误差被相互抵消;热电阻的测量电路4.采用阻值为120Ω灵敏度系数K =2.0的金属电阻应变片和阻值为120Ω的固定电阻组成电桥,供桥电压为4V ,并假定负载电阻无穷大;当应变片上的应变分别为1和1 000时,试求单臂、双臂和全桥工作时的输出电压,并比较三种情况下的灵敏度;解：单臂时40U K U ε=,所以应变为1时660102410244--⨯=⨯⨯==U K U ε/V,应变为1000时应为330102410244--⨯=⨯⨯==U K U ε/V ；双臂时20U K U ε=,所以应变为1时66010*******--⨯=⨯⨯==U K U ε/V,应变为1000时应为330104210242--⨯=⨯⨯==U K U ε/V ；全桥时U K U ε=0,所以应变为1时60108-⨯=U /V,应变为1000时应为30108-⨯=U /V;从上面的计算可知：单臂时灵敏度最低,双臂时为其两倍,全桥时最高,为单臂的四倍;5.采用阻值R =120Ω灵敏度系数K =2.0的金属电阻应变片与阻值R =120Ω的固定电阻组成电桥,供桥电压为10V ;当应变片应变为1000时,若要使输出电压大于10mV ,则可采用何种工作方式设输出阻抗为无穷大解：由于不知是何种工作方式,可设为n,故可得：101010230 nn U K U -⨯⨯==εmV 得n 要小于2,故应采用全桥工作方式;6.如图所示为一直流电桥,供电电源电动势E =3V ,R 3=R 4=100Ω,R 1和R 2为同型号的电阻应变片,其电阻均为50Ω,灵敏度系数K =2.0;两只应变片分别粘贴于等强度梁同一截面的正反两面;设等强度梁在受力后产生的应变为5 000,试求此时电桥输出端电压U 0;题6图解：此电桥为输出对称电桥,故15210532230=⨯⨯⨯==-U K U ε/mV 7.光敏电阻有哪些重要特性,在工业应用中是如何发挥这些特性的答：光敏电阻是采用半导体材料制作,利用内光电效应工作的光电元件;它的重要特性是在无光照时阻值非常大,相当于断路,有光照时阻值变得很小,相当于通路;在工业应用中主要就是通过光的变化来各种电路的控制;第3章 电容式传感器思考题答案1.试分析变面积式电容传感器和变间隙式电容的灵敏度 为了提高传感器的灵敏度可采取什么措施并应注意什么问题答：如图所示是一直线位移型电容式传感器的示意图;当动极板移动△x 后,覆盖面积就发生变化,电容量也随之改变,其值为C =εba -△x /d =C 0-εb ·△x /d 1电容因位移而产生的变化量为其灵敏度为 db x C K ε-=∆∆= 可见增加b 或减小d 均可提高传感器的灵敏度;直线位移型电容式传感器 2.为什么说变间隙型电容传感器特性是非线性的 采取什么措施可改善其非线性特征答：下图为变间隙式电容传感器的原理图;图中1为固定极板,2为与被测对象相连的活动极板;当活动极板因被测参数的改变而引起移动时,两极板间的距离d 发生变化,从而改变了两极板之间的电容量C ; 设极板面积为A ,其静态电容量为d AC ε=,当活动极板移动x 后,其电容量为22011d x d xC x d A C -+=-=ε 1 当x <<d 时1122≈-d x 则)1(0dx C C += 2 由式1可以看出电容量C 与x 不是线性关系,只有当 x <<d 时,才可认为是最近似线形关系;同时还可以看出,要提高灵敏度,应减小起始间隙d 过小时;但当d 过小时,又容易引起击穿,同时加工精度要求也高了;为此,一般是在极板间放置云母、塑料膜等介电常数高的物质来改善这种情况;在实际应用中,为了提高灵敏度,减小非线性,可采用差动式结构;3.有一平面直线位移差动传感器特性其测量电路采用变压器交流电桥,结构组成如图所示;电容传感器起始时b 1=b 2=b =200mm ,a 1=a 2=20mm 极距d =2mm ,极间介质为空气,测量电路u 1=3sinωt V ,且u=u 0;试求当动极板上输入一位移量△x =5mm 时,电桥输出电压u 0;题3图解：根据测量电路可得t t u a x u C C u u i i ϖϖsin 750sin 320500=⨯=∆=∆==/mV 4.变间隙电容传感器的测量电路为运算放大器电路,如图所示;C 0=200pF ,传感器的起始电容量C x0=20pF ,定动极板距离d 0=1.5mm ,运算放大器为理想放大器即K →∞,Z i →∞,R f 极大,输入电压u 1=5sinωt V;求当电容传感动极板上输入一位移量△x =0.15mm 使d 0减小时,电路输出电压u 0为多少解：由测量电路可得ϖϖsin 45sin 515.05.15.120200000000=⨯-⨯=∆--=-=t u xd d C C u C C u i x i x/V 5.如图3-22所示正方形平板电容器,极板长度a =4cm ,极板间距离δ=0.2mm .若用此变面积型传感器测量位移x ,试计算该传感器的灵敏度并画出传感器的特性曲线.极板间介质为空气,F/m 1085.812-0⨯=ε;解：这是个变面积型电容传感器,共有4个小电容并联组成; 32.281021085.81016443124200=⨯⨯⨯⨯⨯==---δεa C /pF x kx C x a a C x 8.7032.28)(400-=+=-=δε x 的单位为米 δε)400ax C C C x -=-=∆8.701021041085.844321200-=⨯⨯⨯⨯⨯-=-=-=---δεa x C C K x /pF 第四章 电感式传感器思考题答案1.影响差动变压器输出线性度和灵敏度的主要因素是什么答：影响差动变压器输出线性度和灵敏度的主要因素是：传感器几何尺寸、线圈电气参数的对称性、磁性材料的残余应力、测量电路零点残余电动势等;2.电涡流式传感器的灵敏度主要受哪些因素影响 它的主要优点是什么答：电涡流式传感器的灵敏度主要受导体的电导率、磁导率、几何形状,线圈的几何参数,激励电流频率以及线圈到被测导体间的距离等因素影响;电涡流式传感结构简单、频率响应宽、灵敏度高、测量范围大、抗干忧能力强,特别是有非接触测量的优点,因此在工业生产和科学技术的各个领域中得到了广泛的应用;3.试说明图4.12所示的差动相敏检波电路的工作原理;答：如图所示,设差动电感传感器的线圈阻抗分别为Z 1和Z 2;当衔铁处于中间位置时,Z 1=Z 2=Z ,电桥处于平衡状态,C 点电位等于D 点地位,电表指示为零;当衔铁上移,上部线圈阻抗增大,Z 1=Z +△Z ,则下部线圈阻抗减少,Z 2=Z -△Z ;如果输入交流电压为正半周,则A 点电位为正,B 点电位为负,二极管V 1、V 4导通,V 2、V 3截止;在A -E -C -B 支路中,C 点电位由于Z 1增大而比平衡时的C 点电位降低；而在A -F -D -B 支中中,D 点电位由于Z 2的降低而比平衡时D 点的电位增高,所以D 点电位高于C 点电位,直流电压表正向偏转;如果输入交流电压为负半周,A 点电位为负,B 点电位为正,二极管V 2、V 3导通,V 1、V 4截止,则在A -F -C -B 支中中,C 点电位由于Z 2减少而比平衡时降低平衡时,输入电压若为负半周,即B 点电位为正,A 点电位为负,C 点相对于B 点为负电位,Z 2减少时,C 点电位更负；而在A -E -D -B 支路中,D 点电位由于Z 1的增加而比平衡时的电位增高,所以仍然是D 点电位高于C 点电位,电压表正向偏转;同样可以得出结果：当衔铁下移时,电压表总是反向偏转,输出为负;4.如图所示的差动电感式传感器的桥式测量电路,L1、L2为传感器的两差动电感线圈的电感,其初始值均为L0;R1、R2为标准电阻,u为电源电压;试写出输出电压u0与传感器电感变化量△L间的关系;解：输出与输入的关系是若电感增量无穷小,且两个电阻均为R,则：题4图题5图5.如图所示为一差动整流电路,试分析电路的工作原理;答：这是简单的电压输出型,动铁芯移动时引起上下两个全波整流电路输出差动电压,中间可调整零位,输出电压与铁芯位移成正比;这种电路由二极管的非线性影响以及二极管正向饱和压降和反向漏电流的不利影响较大;第5章热电偶传感器习题答案1．什么是金属导体的热电效应试说明热电偶的测温原理;答：热电效应就是两种不同的导体或半导体A和B组成一个回路,其两端相互连接时,只要两结点处的温度不同,回路中就会产生一个电动势,该电动势的方向和大小与导体的材料及两接点的温度有关;热电偶测温就是利用这种热电效应进行的,将热电偶的热端插入被测物,冷端接进仪表,就能测量温度;2．试分析金属导体产生接触电动势和温差电动势的原因;答：当A和B两种不同材料的导体接触时,由于两者内部单位体积的自由电子数目不同即电子密度不同,因此,电子在两个方向上扩散的速率就不一样;现假设导体A的自由电子密度大于导体B的自由电子密度,则导体A扩散到导体B的电子数要比导体B扩散到导体A的电子数大;所以导体A失去电子带正电荷,导体B得到电子带负电荷,于是,在A、B两导体的接触界面上便形成一个由A到B的电场;该电场的方向与扩散进行的方向相反,它将引起反方向的电子转移,阻碍扩散作用的继续进行;当扩散作用与阻碍扩散作用相等时,即自导体A扩散到导体B的自由电子数与在电场作用下自导体B到导体A的自由电子数相等时,便处于一种动态平衡状态;在这种状态下,A与B两导体的接触处就产生了电位差,称为接触电动势;对于导体A或B,将其两端分别置于不同的温度场t、t0中t> t0;在导体内部,热端的自由电子具有较大的动能,向冷端移动,从而使热端失去电子带正电荷,冷端得到电子带负电荷;这样,导体两端便产生了一个由热端指向冷端的静电场;该电场阻止电子从热端继续跑到冷端并使电子反方向移动,最后也达到了动态平衡状态;这样,导体两端便产生了电位差,我们将该电位差称为温差电动势;3．简述热电偶的几个重要定律,并分别说明它们的实用价值;答：一是匀质导体定律：如果热电偶回路中的两个热电极材料相同,无论两接点的温度如何,热电动势为零;根据这个定律,可以检验两个热电极材料成分是否相同,也可以检查热电极材料的均匀性;二是中间导体定律：在热电偶回路中接入第三种导体,只要第三种导体的两接点温度相同,则回路中总的热电动势不变;它使我们可以方便地在回路中直接接入各种类型的显示仪表或调节器,也可以将热电偶的两端不焊接而直接插入液态金属中或直接焊在金属表面进行温度测量;三是标准电极定律：如果两种导体分别与第三种导体组成的热电偶所产生的热电动势已知,则由这两种导体组成的热电偶所产生的热电动势也就已知;只要测得各种金属与纯铂组成的热电偶的热电动势,则各种金属之间相互组合而成的热电偶的热电动势可直接计算出来;四是中间温度定律：热电偶在两接点温度t、t0时的热电动势等于该热电偶在接点温度为t、t n和t n、t0时的相应热电动势的代数和;中间温度定律为补偿导线的使用提供了理论依据;4．试述热电偶冷端温度补偿的几种主要方法和补偿原理;答：热电偶冷端温度补偿的方法主要有：一是冷端恒温法;这种方法将热电偶的冷端放在恒温场合,有0℃恒温器和其他恒温器两种；二是补偿导线法;将热电偶的冷端延伸到温度恒定的场所如仪表室,其实质是相当于将热电极延长;根据中间温度定律,只要热电偶和补偿导线的二个接点温度一致,是不会影响热电动势输出的；三是计算修正法;修正公式为：)t ,(t E )t (t,E )t (t,E 01AB 1AB 0AB +=；四是电桥补偿法;利用不平衡电桥产生的电动势补偿热电偶因冷端波动引起的热电动势的变化,工作原理如下图所示;图中,e 为热电偶产生的热电动势,U 为回路的输出电压;回路中串接了一个补偿电桥;R 1~R 5及R CM 均为桥臂电阻;R CM 是用漆包铜丝绕制成的,它和热电偶的冷端感受同一温度;R 1~R 5均用锰铜丝绕成,阻值稳定;在桥路设计时,使R 1=R 2,并且R 1、R 2的阻值要比桥路中其他电阻大得多;这样,即使电桥中其他电阻的阻值发生变化,左右两桥臂中的电流却差不多保持不变,从而认为其具有恒流特性;线路设计使得I 1=I 2=I/2=0.5mA;回路输出电压U 为热电偶的热电动势e 、桥臂电阻R CM 的压降U RCM 及另一桥臂电阻R 5的压降U R5三者的代数和：当热电偶的热端温度一定,冷端温度升高时,热电动势将会减小;与此同时,铜电阻R CM 的阻值将增大,从而使U RCM 增大,由此达到了补偿的目的;自动补偿的条件应为5．用镍铬-镍硅K 热电偶测量温度,已知冷端温度为40℃,用高精度毫伏表测得这时的热电动势为29.188mV,求被测点的温度;解：由镍铬-镍硅热电偶分度表查出E40,0=1.638mV,根据式5-2-1计算出再通过分度表查出其对应的实际温度为9.740129.29275.3310029.129)-(30.826700t =-⨯+=℃ 6．已知铂铑10-铂S 热电偶的冷端温度t 0＝25℃,现测得热电动势Et,t 0＝11.712mV,求热端温度是多少度 解：由铂铑10-铂热电偶分度表查出E25,0=0.161mV,根据式5-2-1计算出再通过分度表查出其对应的实际温度为8.1216851.11159.1310011.851)-(11.8731200t =-⨯+=℃ 7．已知镍铬-镍硅K 热电偶的热端温度t ＝800℃,冷端温度t 0＝25℃,求Et,to 是多少毫伏解：由镍铬-镍硅热电偶分度表可查得E800,0=33.275mV,E25,0=1.024 mV,故可得E800,5=33.275-1.024=32.251mV8．现用一支镍铬-康铜E 热电偶测温;其冷端温度为30℃,动圈显示仪表机械零位在0℃指示值为400℃,则认为热端实际温度为430℃,对不对 为什么 正确值是多少解：不对,因为仪表的机械零位在0℃,正确值为400℃;9．如图5.14所示之测温回路,热电偶的分度号为K,毫伏表的示值应为多少度答：毫伏表的示值应为t 1-t 2-60℃;10．用镍铬-镍硅K 热电偶测量某炉温的测量系统如图5.15所示,已知：冷端温度固定在0℃,t 0＝30℃,仪表指示温度为210℃,后来发现由于工作上的疏忽把补偿导线B A ''和,相互接错了,问：炉温的实际温度t 为多少度解：实际温度应为270℃,因为接反后不但没有补偿到,还抵消了30℃,故应该加上60℃;图5.14 图5.15第6章 压电传感器习题答案1．为什么说压电式传感器只适用于动态测量而不能用于静态测量答：因为压电式传感器是将被子测量转换成压电晶体的电荷量,可等效成一定的电容,如被测量为静态时,很难将电荷转换成一定的电压信号输出,故只能用于动态测量;2．压电式传感器测量电路的作用是什么 其核心是解决什么问题答：压电式传感器测量电路的作用是将压电晶体产生的电荷转换为电压信号输出,其核心是要解决微弱信号的转换与放大,得到足够强的输出信号;3．一压电式传感器的灵敏度K 1＝10pC ／MPa,连接灵敏度K 2=0.008V ／pC 的电荷放大器,所用的笔式记录仪的灵敏度K 3=25mm ／V,当压力变化Δp =8MPa 时,记录笔在记录纸上的偏移为多少解：记录笔在记录纸上的偏移为S =10×0.008×25×8=16/mm4．某加速度计的校准振动台,它能作50Hz 和1g 的振动,今有压电式加速度计出厂时标出灵敏度K ＝100mV ／g,由于测试要求需加长导线,因此要重新标定加速度计灵敏度,假定所用的阻抗变换器放大倍数为1,电压放大器放大倍数为100,标定时晶体管毫伏表上指示为9.13V,试画出标定系统的框图,并计算加速度计的电压灵敏度;解：此加速度计的灵敏度为3.911009130=='K mV/g 标定系统框图如下：第7章 光电式传感器1．光电效应有哪几种 与之对应的光电元件各有哪些答：光电效应有外光电效应、内光电效应和光生伏特效应三种;基于外光电效应的光电元件有光电管、光电倍增管等；基于内光电效应的光电元件有光敏电阻、光敏晶体管等；基于光生伏特效应的光电元件有光电池等;2．常用的半导体光电元件有哪些 它们的电路符号如何答：常用的半导体光电元件有光敏二极管、光敏三极管和光电池三种;它们的电路符号如下图所示：3．对每种半导体光电元件,画出一种测量电路;答：光敏二极管、三极管及光电池的测量电路如下图所示;4．什么是光电元件的光谱特性答：光电元件的光谱特性是指入射光照度一定时,光电元件的相对灵敏度随光波波长的变化而变化,一种光电元件只对一定波长范围的人射光敏感,这就是光电元件的光谱特性;5．光电传感器由哪些部分组成 被测量可以影响光电传感器的哪些部分答：光电传感器通常由光源、光学通路和光电元件三部分组成,如图所示;图中Ф1是光源发出的光信号,Ф2是光电器件接受的光信号,被测量可以是x 1或者x 2,它们能够分别造成光源本身或光学通路的变化,从而影响传感器输出的电信号I;光电传感器设计灵活,形式多样,在越来越多的领域内得到广泛的应用;6．模拟式光电传感器有哪几种常见形式答：模拟式光电传感器主要有四种;一是光源本身是被测物,它发出的光投射到光电元件上,光电元件的输出反映了光源的某些物理参数,如图a 所示;这种型式的光电传感器可用于光电比色高温计和照度计；二是恒定光源发射的光通量穿过被测物,其中一部分被吸收,剩余的部分投射到光电元件上,吸收量取决于被测物的某些参数;如图b 所示;可用于测量透明度、混浊度；三是恒定光源发射的光通量投射到被测物上,由被测物表面反射后再投射到光电元件上,如图c 所示;反射光的强弱取决于被测物表面的性质和状态,因。

《传感器与检测技术(胡向东,第2版)》习题解答传感器与检测技术习题解答王涛第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，将非电量输入转换成电量输出。

传感器一般哪几部分组成？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。

被测量敏感元件传感元件信号调节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，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。

设压力为0MPa时输出为0mV，压力为时输出最大且为。

压力/MPa 输出值/mV 第一循环第二循环第三循环正行程反行程正行程反行程正行程反行程解：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。

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。

第1章传感器特性习题答案：5.答：静特性是当输入量为常数或变化极慢时，传感器的输入输出特性，其主要指标有线性度、迟滞、重复性、分辨力、稳定性、温度稳定性、各种抗干扰稳定性。

传感器的静特性由静特性曲线反映出来，静特性曲线由实际测绘中获得。

人们根据传感器的静特性来选择合适的传感器。

9．解：10.解：11．解：带入数据拟合直线灵敏度0.68,线性度±7%。

，，，，，，13．解：此题与炉温实验的测试曲线类似:14．解：15．解：所求幅值误差为1.109,相位滞后33042,所求幅值误差为1.109,相位滞后33042,16．答：dy/dx=1-0.00014x。

微分值在x<7143Pa时为正，x>7143Pa时为负，故不能使用。

17．答：⑴20。

C时，0～100ppm对应得电阻变化为250～350kΩ。

V0在48.78～67.63mV之间变化。

⑵如果R2=10MΩ，R3=250kΩ，20。

C时，V0在0～18.85mV之间变化。

30。

C时V0在46.46mV（0ppm）～64.43mV（100ppm）之间变化。

⑶20。

C时，V0为0～18.85mV，30。

C时V0为0～17.79mV，如果零点不随温度变化，灵敏度约降低4.9%。

但相对（2）得情况来说有很大的改善。

18．答：感应电压=2πfCRSVN,以f=50/60Hz,RS=1kΩ,VN=100代入，并保证单位一致，得：感应电压=2π*60*500*10-12*1000*100[V]=1.8*10-2V 第3章应变式传感器概述习题答案9.答：(1).全桥电路如下图所示(2).圆桶截面积应变片1、2、3、4感受纵向应变；应变片5、6、7、8感受纵向应变；满量程时：（3）10．答：敏感元件与弹性元件温度误差不同产生虚假误差，可采用自补偿和线路补偿。

11．解：12．解：13．解：①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=5*10-4。