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传感器实验指导书
一、实验目的
本实验旨在帮助学生了解和掌握各种传感器的原理及应用，通过实际操作加深对传感器技术的理解，提高实践能力和创新思维。
二、实验器材
电阻式传感器
电容式传感器
电感式传感器
压电式传感器
磁电式传感器
热电式传感器
光电式传感器
光纤传感器
化学传感器
生物传感器
三、实验步骤与操作方法
电阻式传感器实验：
（1）将电阻式传感器接入电路，测量其阻值；
（2）改变被测物体的电阻值，观察电路中电压或电流的变化；
（3）记录实验数据，分析电阻式传感器的输出特性。
电容式传感器实验：
（1）将电容式传感器接入电路，测量其电容值；
（2）改变被测物体的介电常数，观察电路中电压或电流的变化；
（3）记录实验数据，分析电容式传感器的输出特性。
电感式传感器实验：
（1）将电感式传感器接入电路，测量其电感值；
（2）改变被测物体的磁导率，观察电路中电压或电流的变化；
（3）记录实验数据，分析电感式传感器的输出特性。
压电式传感器实验：
（1）将压电式传感器接入电路，测量其输出电压；（2）施加压力或振动，观察电路中电压的变化；（3）记录实验数据，分析压电式传感器的输出特性。
磁电式传感器实验：
（1）将磁电式传感器接入电路，测量其输出电压；（2）改变磁场强度，观察电路中电压的变化；
（3）记录实验数据，分析磁电式传感器的输出特性。
热电式传感器的原理和应用一、热电式传感器的原理热电式传感器是一种使用热电效应来测量温度的传感器。
它利用了热电效应在两个不同材料接合处产生的温度差，从而生成一个电压或电流信号，用于测量温度。
1. 热电效应的基本原理热电效应是指两个不同材料的接触处由于温度差异而产生的电势差。
根据这个原理，热电式传感器通常由两种不同材料的导线或导体构成。
2. 热电偶原理热电偶是热电式传感器的一种常见类型，它由两根不同材料的导线通过焊接连接而成。
当一个导线的接触处受到热源的加热时，会产生一个电势差，这个电势差与温度成正比。
通过测量这个电势差，可以间接测量热源的温度。
3. 温度与电势差的关系热电偶的电势差与温度之间的关系可以通过热电势-温度特性曲线来描述。
每种材料的热电性质都不同，因此每根导线的热电特性也不同。
通过测量两个导线的电势差，可以确定温度的值。
二、热电式传感器的应用热电式传感器由于其简单、可靠的原理，被广泛应用于温度测量以及其他相关领域。
1. 工业自动化在工业自动化中，热电式传感器常用于测量各种流体、气体以及固体的温度。
它可以实时监测温度变化，并与控制系统相连，实现温度的自动调控。
2. 热处理过程热电式传感器在热处理过程中起到关键作用。
通过测量加热炉、熔炉等设备的温度，可以确保热处理过程的准确性和稳定性。
3. 医疗设备热电式传感器在医疗设备中也有广泛应用。
例如，体温计和血糖仪等便携式医疗设备都采用了热电式传感器来测量体温和血糖水平。
4. 环境监测热电式传感器还可以用于环境监测。
例如，测量室内和室外温度、湿度等参数，可以帮助调节室内环境，提供舒适的生活和工作环境。
结论热电式传感器是一种常见且有效的温度测量工具。
它利用热电效应的原理，通过测量热源产生的电势差来间接测量温度。
热电式传感器应用广泛，在工业自动化、热处理过程、医疗设备和环境监测等领域都有重要作用。
热电式传感器的原理和应用对提升生活和工作环境的舒适性，以及保证工业生产过程的准确性和稳定性都起到了关键作用。
《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。
传感器技术及应用——教学大纲一、课程基本信息课程编号：17z8315课程名称：传感器技术及应用Sensor Technology and Application学分/学时：3/42先修课程：主要有：物理、材料力学(工程力学)、电工基础、电子技术基础、自动控制元件、自动控制理论。
二、课程教学目的本课程是仪器科学与光电工程学院测控技术与仪器专业本科生的专业课。
其目标是：提供了解、使用、分析和初步设计常用传感器的敏感元件及系统的理论与实践基础，为后续其他专业课打下较坚实的基础。
三、课程教学任务通过本课程的学习，让学生了解传感器技术的发展现状、特点，在信息技术中的重要地位、作用；掌握信息获取范畴的广义理解；掌握常用传感器的基本工作原理，实现方式与结构；了解传感器技术在国防工业和一般工业领域中的典型应用；同时使学生能够在自动化系统、智能化系统中正确应用常用的传感器技术。
四、教学内容及基本要求本课程理论与实践紧密结合。
主要讲授传感器的性能评估，目前在工业领域中常用的几种典型的、有代表性的传感器的敏感元件的物理效应、变换原理、工作特性、主要结构、信号转换电路、误差及其补偿、合理应用等。
同时本课程也重视对新型传感器技术及应用的介绍。
传感器结构设计、工艺及所用材料只作一般介绍。
本课程主要内容可以分为三部分。
第一部分是关于传感器技术的基础理论与知识，共15个学时；第二部分是关于典型传感器的讨论，这是课程的重点，共21个学时；第三部分是关于近年来出现的新型传感器、应用示例的讨论，共6个学时。
教学的基本知识模块顺序及对应的单元教学任务。
五、教学安排及方式第1章绪论（6学时，基本掌握，讲授为主）1.1 传感器的作用与功能1.2 传感器的分类1.3 传感器技术的特点1.4 传感器技术的发展1.5 与传感器技术相关的一些基本概念1.6 本教材的特点及主要内容第2章传感器的特性（5学时，掌握，讲授为主，讨论为辅）2.1 传感器静态特性的一般描述2.2 传感器的静态标定2.3 传感器的主要静态性能指标及其计算第3章基本弹性敏感元件的力学特性（4学时，掌握，讲授为主）3.1 概述3.2 弹性敏感元件的基本特性3.3 基本弹性敏感元件的力学特性3.4 弹性敏感元件的材料第4章电位器式传感器（1学时，掌握，讨论为主，讲授为辅）4.1 概述4.2 线绕式电位器的特性4.3 非线性电位器4.4 电位器的负载特性及负载误差4.5 非线绕式电位器4.6 典型的电位器式传感器第5章应变式传感器（5学时，掌握，讲授为主，讨论为辅）5.1 应变式变换原理5.2 金属应变片5.3 应变片的动态响应特性5.4 应变片的温度误差及其补偿5.5 电桥原理5.6 典型的应变式传感器第6章压阻式传感器（2.5学时，掌握，讲授为主）6.1 压阻式变换原理6.2 典型的压阻式传感器第7章热电式传感器（2.5学时，掌握，讲授为主，讨论为辅） 7.1 概述7.2 热电阻测温传感器7.3 热电偶测温7.4 半导体P-N结测温传感器7.5 其他测温系统第8章电容式传感器（1学时，掌握，讲授为主，讨论为辅）8.1 基本电容式敏感元件8.2 电容式敏感元件的主要特性8.3 电容式变换元件的信号转换电路8.4 典型的电容式传感器8.5 电容式传感器的结构及抗干扰问题第9章变磁路式传感器（2学时，掌握，讨论为主，讲授为辅）9.1 电感式变换原理9.2 差动变压器式变换元件9.3 电涡流式变换原理9.4 霍尔效应及元件9.5 典型的变磁路式传感器第10章压电式传感器（1学时，基本掌握，讲授为主）10.1 石英晶体10.2 压电陶瓷10.3 聚偏二氟乙烯10.4 压电换能元件的等效电路10.5 压电换能元件的信号转换电路10.6 压电式传感器的抗干扰问题10.7 典型的压电式传感器第11章谐振式传感器（6学时，基本掌握，讲授为主）11.1 谐振状态及其评估11.2 闭环自激系统的实现11.3 振动筒压力传感器11.4 谐振膜式压力传感器11.5 石英谐振梁式压力传感器11.6 谐振式科里奥利直接质量流量传感器第12章微机械与智能化传感器技术（5时，基本掌握，讲授为主，讨论为辅）12.1 概述12.2 几种典型的微硅机械传感器12.3 几种典型的智能化传感器12.4 若干新型传感器应用实例分析课程总结（1学时，讲授为主，讨论为辅）六、教学的基本思路“传感器技术及应用”教学以“一条主线、二个基础、三个重点、多个独立模块”的基本原则来进行。
《第一章传感器的一般特性》1试绘制转速和输出电压的关系曲线，并确定：1）该测速发电机的灵敏度。
2）该测速发电机的线性度。
2．已知一热电偶的时间常数τ=10s，若用它来测量一台炉子的温度，炉内温度在540οC和500οC 之间按近似正弦曲线波动，周期为80s，静态灵敏度k=1，试求该热电偶输出的最大值和最小值，以及输入与输出信号之间的相位差和滞后时间。
3．用一只时间常数为0.355s 的一阶传感器去测量周期分别为1s、2s和3s的正弦信号，问幅值误差为多少？4．若用一阶传感器作100Hz正弦信号的测试，如幅值误差要求限制在5%以内，则时间常数应取多少？若在该时间常数下，同一传感器作50Hz正弦信号的测试，这时的幅值误差和相角有多大？5．已知某二阶系统传感器的固有频率f0=10kHz，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。
6．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。
《第二章应变式传感器》1．假设某电阻应变计在输入应变为5000με时电阻变化为1%，试确定该应变计的灵敏系数。
又若在使用该应变计的过程中，采用的灵敏系数为 1.9，试确定由此而产生的测量误差的正负和大小。
2．如下图所示的系统中：①当F＝0和热源移开时，R l＝R2＝R3＝R4，及U0＝0；②各应变片的灵敏系数皆为+2.0，且其电阻温度系数为正值；③梁的弹性模量随温度增加而减小；④应变片的热膨胀系数比梁的大；⑤假定应变片的温度和紧接在它下面的梁的温度一样。
在时间t＝0时，在梁的自由端加上一向上的力，然后维持不变，在振荡消失之后，在一稍后的时间t1打开辐射源，然后就一直开着，试简要绘出U0和t的关系曲线的一般形状，并通过仔细推理说明你给出这种曲线形状的理由。
3．一材料为钢的实心圆柱形试件，直径d＝10 mm，材料的弹性模量E＝2 ×1011N／m2，泊松比μ＝0.285，试件上贴有一片金属电阻应变片，其主轴线与试件加工方向垂直，如图1所示，若已知应变片的轴向灵敏度k x ＝2，横向灵敏度C=4%，当试件受到压缩力F＝3×104N作用时。
热电式传感器的应用热电式传感器是一种广泛应用于各种工业和科研领域的传感器。
它利用热电效应来测量温度、热量或流量等物理量。
下面将详细介绍热电式传感器的应用。
一、温度测量温度是热电式传感器最常用的测量参数。
热电偶是温度测量中最常用的热电式传感器，它由两种不同材料的导体组成，当两种导体连接时，它们之间会产生热电效应。
当两个连接的导体之间有温度差时，就会产生电动势。
通过测量这个电动势，可以确定两个导体之间的温度差，从而测量温度。
热电偶具有测量范围广、可靠性高、稳定性好等特点，被广泛应用于各种温度测量场合。
二、热量测量热电式传感器也可以用于热量测量。
在热量测量中，通常使用热电堆或热电芯片作为传感器。
热电堆是由多个热电偶串联而成的，它可以通过测量通过它的热量引起的温度变化来测量热量。
热电芯片则是一种集成化的热电式传感器，它可以同时测量温度和热量。
三、流量测量热电式传感器还可以用于流量测量。
在流量测量中，通常使用热线或热膜作为传感器。
热线传感器是一种具有热线测量元件的传感器，它通过测量热线与流体之间的热量交换来测量流量。
热膜传感器则是一种具有加热元件和测量元件的传感器，它通过测量流体经过加热元件时的温度变化来测量流量。
四、压力测量热电式传感器还可以用于压力测量。
在压力测量中，通常使用压阻式传感器或电容式传感器作为传感器。
压阻式传感器利用电阻的变化来测量压力的变化，而电容式传感器利用电容的变化来测量压力的变化。
这两种传感器都与热电式传感器有一定的联系，因为它们都需要对传感器的信号进行处理和放大，而热电式传感器则可以利用热电效应来放大信号。
五、其他应用除了上述应用外，热电式传感器还有很多其他的应用。
例如，它可以用于成分分析、水分测定、厚度测量等领域。
成分分析中常用的有热重分析仪和量热仪等仪器，这些仪器都是利用热电式传感器来检测物质的质量和能量变化等参数；水分测定中常用的有干燥箱和烘箱等设备，这些设备都是利用热电式传感器来检测样品中的水分含量；厚度测量中常用的有超声波测厚仪和激光测距仪等仪器，这些仪器都是利用热电式传感器来检测样品表面的厚度和距离等参数。
传感器原理与应用习题-第7章热电式传感器《传感器原理与应用》及《传感器与测量技术》习题集与部分参考答案教材：传感器技术（第3版）贾伯年主编，及其他参考书第7章热电式传感器7-1 热电式传感器有哪几类？它们各有什么特点？答：热电式传感器是一种将温度变化转换为电量变化的装置。
它可分为两大类：热电阻传感器和热电偶传感器。
热电阻传感器的特点：（1)高温度系数、高电阻率。
(2)化学、物理性能稳定。
(3)良好的输出特性。
(4).良好的工艺性，以便于批量生产、降低成本。
热电偶传感器的特点：（1）结构简单（2）制造方便（3）测温范围宽（4）热惯性小（5）准确度高（6）输出信号便于远传7-2 常用的热电阻有哪几种？适用范围如何？答：铂、铜为应用最广的热电阻材料。
铂容易提纯，在高温和氧化性介质中化学、物理性能稳定，制成的铂电阻输出－输入特性接近线性，测量精度高。
铜在-50～150℃范围内铜电阻化学、物理性能稳定，输出－输入特性接近线性，价格低廉。
当温度高于100℃时易被氧化，因此适用于温度较低和没有侵蚀性的介质中工作。
7-3 热敏电阻与热电阻相比较有什么优缺点？用热敏电阻进行线性温度测量时必须注意什么问题？7-4 利用热电偶测温必须具备哪两个条件？答：（1）用两种不同材料作热电极（2）热电偶两端的温度不能相同7-5 什么是中间导体定律和连接导体定律？它们在利用热电偶测温时有什么实际意义？答：中间导体定律：导体A、B组成的热电偶，当引入第三导体时，只要保持第三导体两端温度相同，则第三导体对回路总热电势无影响。
利用这个定律可以将第三导体换成毫伏表，只要保证两个接点温度一致，就可以完成热电势的测量而不影响热电偶的输出。
连接导体定律：回路的总电势等于热电偶电势E AB(T,T0)与连接导线电势E A’B’(Tn,T0)的代数和。
连接导体定律是工业上运用补偿导线进行温度测量的理论基础。
7-6 什么是中间温度定律和参考电极定律？它们各有什么实际意义？答：E AB(T,Tn,T0)=E AB(T,Tn)+E AB(Tn,T0)这是中间温度定律表达式，即回路的总热电势等于E AB(T,Tn)与E AB(Tn,T0)的代数和。
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出之间相互偏离的程度。
《传感器原理与应用》及《传感器与测量技术》习题集与部分参考答案教材：传感器技术（第3版）贾伯年主编，及其他参考书第7章热电式传感器7-1 热电式传感器有哪几类？它们各有什么特点？答：热电式传感器是一种将温度变化转换为电量变化的装置。
它可分为两大类：热电阻传感器和热电偶传感器。
热电阻传感器的特点：（1)高温度系数、高电阻率。
(2)化学、物理性能稳定。
(3)良好的输出特性。
(4).良好的工艺性，以便于批量生产、降低成本。
热电偶传感器的特点：（1）结构简单（2）制造方便（3）测温范围宽（4）热惯性小（5）准确度高（6）输出信号便于远传7-2 常用的热电阻有哪几种？适用范围如何？答：铂、铜为应用最广的热电阻材料。
铂容易提纯，在高温和氧化性介质中化学、物理性能稳定，制成的铂电阻输出－输入特性接近线性，测量精度高。
铜在-50～150℃范围内铜电阻化学、物理性能稳定，输出－输入特性接近线性，价格低廉。
当温度高于100℃时易被氧化，因此适用于温度较低和没有侵蚀性的介质中工作。
7-3 热敏电阻与热电阻相比较有什么优缺点？用热敏电阻进行线性温度测量时必须注意什么问题？7-4 利用热电偶测温必须具备哪两个条件？答：（1）用两种不同材料作热电极（2）热电偶两端的温度不能相同7-5 什么是中间导体定律和连接导体定律？它们在利用热电偶测温时有什么实际意义？答：中间导体定律：导体A、B组成的热电偶，当引入第三导体时，只要保持第三导体两端温度相同，则第三导体对回路总热电势无影响。
利用这个定律可以将第三导体换成毫伏表，只要保证两个接点温度一致，就可以完成热电势的测量而不影响热电偶的输出。
连接导体定律：回路的总电势等于热电偶电势EAB(T,T0)与连接导线电势EA’B’(Tn,T0)的代数和。
连接导体定律是工业上运用补偿导线进行温度测量的理论基础。
7-6 什么是中间温度定律和参考电极定律？它们各有什么实际意义？答：EAB(T,Tn,T0)=EAB(T,Tn)+EAB(Tn,T0)这是中间温度定律表达式，即回路的总热电势等于EAB(T,Tn)与EAB(Tn,T0)的代数和。
