最新传感器原理及应用习题答案完整版

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333001060510UkX--∆⨯===∆⨯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/℃、S 2=2.0V/mV 、S 3=5.0mm/V ，求系统的总的灵敏度。

1.7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。

传感器原理及应用课后习题答案吴建平第1章概述1.1 什么是传感器？按照国标定义，“传感器”应该如何说明含义？1.2 传感器由哪几部分组成？试述它们的作用及相互关系。

1.3 简述传感器主要发展趋势，并说明现代检测系统的特征。

1.4 传感器如何分类？按传感器检测的范畴可分为哪几种？1.5 传感器的图形符号如何表示？它们各部分代表什么含义？应注意哪些问题？1.6 用图形符号表示一电阻式温度传感器。

1.7 请例举出两个你用到或看到的传感器，并说明其作用。

如果没有传感器，应该出现哪种状况。

1.8 空调和电冰箱中采用了哪些传感器？它们分别起到什么作用？答案：1.1答：从广义的角度来说，感知信号检出器件和信号处理部分总称为传感器。

我们对传感器定义是：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。

从狭义角度对传感器定义是：能把外界非电信息转换成电信号输出的器件。

我国国家标准（GB7665—87）对传感器（Sensor/transducer）的定义是：“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”。

定义表明传感器有这样三层含义：它是由敏感元件和转换元件构成的一种检测装置；能按一定规律将被测量转换成电信号输出；传感器的输出与输入之间存在确定的关系。

按使用的场合不同传感器又称为变换器、换能器、探测器。

1.2答：组成——由敏感元件、转换元件、基本电路组成；关系，作用——传感器处于研究对象与测试系统的接口位置，即检测与控制之首。

传感器是感知、获取与检测信息的窗口，一切科学研究与自动化生产过程要获取的信息都要通过传感器获取并通过它转换成容易传输与处理的电信号，其作用与地位特别重要。

1.3答：（略）答：按照我国制定的传感器分类体系表，传感器分为物理量传感器、化学量传感器以及生物量传感器三大类，含12个小类。

按传感器的检测对象可分为：力学量、热学量、流体量、光学量、电量、磁学量、声学量、化学量、生物量、机器人等等。

传感器原理及其应用(李艳红、李海华主编)-部分课后习题第一章P10 1、2、5、61.传感器的定义答：传感器是一种以一定精确度把被测量（主要是非电量）转换为与之有确定关系、便于应用的某种物理量（主要是电量）的测量装置。

2.传感器组成及作用答：(1)传感器一般由敏感元件、转换元件、测量电路三部分组成；(2)敏感元件：直接感受被测量，并输出与被测量有确定关系的物理量；转换元件：将敏感元件输出的非电量转换为电量；测量电路：将转换元件输出的电量变换成便于显示、记录、控制和处理的信号3.开环测量系统和闭环测量系统区别答：开环测量系统(1)信息只沿着一个方向传递(2)系统相对误差等于各环节相对误差之和(3)结构简单，但每个环节特性变化都会造成测量误差闭环测量系统(1)有正向通道和反馈通道(2)输入输出关系由反馈环节特性决定，测量处理等环节造成的误差较小4.测量不确定度及其评定方法答：(1)测量不确定度：表征合理赋予被测量值的分散性，与测量结果相联系的参数即结果的可靠性和有效性的怀疑程度(2)不确定度按其评定方法可分为A类评定和B类评定A类评定是用统计方法进行评定。

即对某被测量进行等精度的独立多次重复测量，得到一系列的测得值。

B类评定用非统计分析法，它不是由一系列的测得确定，而是利用影响测得值分布变化的有关信息和资料进行分析，并对测量值进行概率分布估计和分布假设的科学评定B类评定的信息来源有以下6项：①以前的观测数据；②对有关技术资料和测量仪器特性的了解和经验；③生产部门提供的技术说明文件；④校准文件、检定证书或其他文件提供的数据、准确度的等级或级别，包括的输出，从而实现非电量的测量。

(2)金属在外力作用下产生机械形变，其电阻值也发生相应改变的现象。

(3)半导体由于应力的作用而使材料电阻率发生变化的现象称为压阻效应。

2.画出桥式测量电路，并推导直流电桥平衡条件，以及不对称电桥输出电压变化。

答：(1)(2)直流电桥平衡条件上图为负载电阻，→∞时，有：U0=0时，有为电桥平衡条件(3)把电桥平衡条件 代入上式化简，并忽略高阶无穷小量得：3.采用应变片进行测量时为什么要进行温度补偿？常用补偿方法有哪些？P34答：(1)应变片的阻值受环境（包括被测试件的温度）的影响很大。

传感器原理及应用课后习题答案吴建平第1章概述1.1 什么是传感器？按照国标定义，“传感器”应该如何说明含义？1.2 传感器由哪几部分组成？试述它们的作用及相互关系。

1.3 简述传感器主要发展趋势，并说明现代检测系统的特征。

1.4 传感器如何分类？按传感器检测的范畴可分为哪几种？1.5 传感器的图形符号如何表示？它们各部分代表什么含义？应注意哪些问题？1.6 用图形符号表示一电阻式温度传感器。

1.7 请例举出两个你用到或看到的传感器，并说明其作用。

如果没有传感器，应该出现哪种状况。

1.8 空调和电冰箱中采用了哪些传感器？它们分别起到什么作用？答案：1.1答：从广义的角度来说，感知信号检出器件和信号处理部分总称为传感器。

我们对传感器定义是：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。

从狭义角度对传感器定义是：能把外界非电信息转换成电信号输出的器件。

我国国家标准（GB7665—87）对传感器（Sensor/transducer）的定义是：“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”。

定义表明传感器有这样三层含义：它是由敏感元件和转换元件构成的一种检测装置；能按一定规律将被测量转换成电信号输出；传感器的输出与输入之间存在确定的关系。

按使用的场合不同传感器又称为变换器、换能器、探测器。

1.2答：组成——由敏感元件、转换元件、基本电路组成；关系，作用——传感器处于研究对象与测试系统的接口位置，即检测与控制之首。

传感器是感知、获取与检测信息的窗口，一切科学研究与自动化生产过程要获取的信息都要通过传感器获取并通过它转换成容易传输与处理的电信号，其作用与地位特别重要。

1.3答：（略）答：按照我国制定的传感器分类体系表，传感器分为物理量传感器、化学量传感器以及生物量传感器三大类，含12个小类。

按传感器的检测对象可分为：力学量、热学量、流体量、光学量、电量、磁学量、声学量、化学量、生物量、机器人等等。

《第一章传感器的一般特性》11）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,以与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,与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.应变片的电阻相对变化ΔR／R为多少.4．在材料为钢的实心圆柱形试件上,沿轴线和圆周方向各粘贴一片电阻120 Ω的金属电阻应变片,如图2所示,把这两片应变片接入差动电桥,已知钢的泊松比μ＝0.285,应变片的灵敏系数k0＝2,电桥电源电压U sr＝6V〔d．C．〕,当试件受轴向拉伸时,测得应变片R1的电阻变化值ΔR1=0.48 Ω,试求电桥的输出电压.图1 图25．一台采用等强度梁的电子秤,在梁的上下两面各贴有二片电阻应变片,做成秤重传感器,如下图所示.已知l＝100 mm,b＝11 mm,t＝3 mm,E＝2.1×104N／mm2,k0＝2,接入直流四臂差动电桥,供桥电压6 V,当秤重0.5 kg时,电桥的输出电压U sc为多大.6．今在〔110〕晶面的〈001〉〈110〉晶面上各放置一电阻条,如下图所示,试求：l〕在0.1MPa 压力作用下电阻条的σr和σt各为何值？2〕此两电阻条为P型电阻条时ΔR／R＝？3〕若为N型电阻条时其ΔR／R？4〕若将这两电阻条改为安置在距膜中心为4.l 7mm处,电阻条上的平均应力σr和σt各为多少？7．现有基长为10 mm与20 mm的两种丝式应变片,欲测钢构件频率为10kHz的动态应力,若要求应变波幅测量的相对误差小于0.5%,试问应选用哪一种？为什么？8．已知一测力传感器的电阻应变片的阻值R＝120Ω,灵敏度系数k0= 2,若将它接入第一类对称电桥,电桥的供电电压U sr＝10V〔d．c．〕,要求电桥的非线性误差e f＜0.5％,试求应变片的最大应变εmax应小于多少,并求最大应变时电桥的输出电压.9．一个量程为10kN的应变式测力传感器,其弹性元件为薄壁圆筒轴向受力,外径20mm,内径18mm,在其表面粘贴八各应变片,四个沿周向粘贴,应变片的电阻值均为120Ω,灵敏度为2.0,波松比为0.3,材料弹性模量E=2.1×1011Pa.要求：1>绘出弹性元件贴片位置与全桥电路；2>计算传感器在满量程时,各应变片电阻变化；3>当桥路的供电电压为10V时,计算传感器的输出电压.10．如图所示电路是电阻应变仪中所用的不平衡电桥的简化电路,图中R2=R3=R是固定电阻,R1与R4是电阻应变片,工作时R1受拉,R4受压,ΔR表示应变片发生应变后,电阻值的变化量.当应变片不受力,无应变时ΔR=0,桥路处于平衡状态,当应变片受力发生应变时,桥路失去了平衡,这时,就用桥路输出电压U cd表示应变片应变后的电阻值的变化量.试证明： U cd=-<E/2><ΔR/R>《第三章电容式传感器》1．试计算带有固定圆周膜片电容压力传感器的灵敏度〔ΔC/C〕/p,如下图.已知在半径r处的偏移量y可用下式表示：式中P——压力；a——圆膜片半径；t——膜片厚度；μ——膜片材料的泊松比.2．在压力比指示系统中采用的电容传感元件与其电桥测量线路如图所示.已知：δ0＝0.25mm,D＝38.2mm,R=5.1kΩ,U＝60V〔A.C〕,f＝400Hz.试求.1）该电容传感器的电压灵敏度〔单位为V/m〕k u？2）当电容传感器活动极板位移Δδ＝10μm时,输出电压U0的值.3．如图所示为油量表中的电容传感器简图,其中1、2为电容传感元件的同心圆筒〔电极〕：3为箱体.已知：R1＝15mm,R2＝12mm；油箱高度H=2m,汽油的介电常数εr=2.1.求：同心圆套筒电容传感器在空箱和注满汽油时的电容量.4．一只电容位移传感器如图所示,由四块置于空气中的平行平板组成.板A,C和D是固定极板.板B是活动极板,其厚度为t,它与固定极板的间距为d.B,C和D极板的长度均为b,A板的长度为2 b,各板宽度为l,忽略板C和D的间隙与各板的边缘效应,试推导活动极板B从中间位置移动x=±b/2时电容C AC和C AD的表达式〔x=0时为对称位置〕.5．试推导下图所示变电介质电容式位移传感器的特性方程C=f<x>.设真空的介电系数为ε0,ε2＞ε1,以与极板宽度为W.其他参数如图所示.《第四章电感式传感器》1．一个铁氧体环形磁心,平均长度为12cm,截面积为1.5cm2,平均相对磁导率μr＝2 000,求：1〕均匀绕线5 00匝时的电感；2> 匝数增加1倍时的电感.2．有一只螺管形差动式电感传感器,已知电源电压U＝4V,f＝400HZ,传感器线圈铜电阻和电感量分别为R＝40Ω,L=30mH,用两只匹配电阻设计成4臂等阻抗电桥,如图1所示,试求：1〕匹配电阻R1和R2的值为多大才能使电压灵敏度达到最大；2>当ΔZ＝10Ω时,分别接成单臂和差动电桥后的输出电压值；3>用矢量图表明输出电压U0与电源电压U之间的相位差；4〕假设该传感器的两个线圈铜电阻不相等R4≠R3,在机械零位时便存在零位电压,用矢量图分析能否用调整衔铁位置的方法使U0=0.图1 图2a图2 b3．试计算图2a所示差动变压器式传感器接入桥式电路〔顺接法〕时的空载输出电压U0,一、二次侧线圈间的互感为M1、M2,两个二次侧线圈完全相同.又若同一差动变压器式传感器接成图2b所示反串电路〔对接法〕,问两种方法哪一种灵敏度高,高几倍？提示：①将图a所示的二次侧绕组边电路图简化如图2c所示等效电路〔根据已知条件Z1＝Z2；②求出图b 空载输出电压与图a计算的结果进行比较.〕图2 c图34．试推导图3所示差动型电感传感器电桥的输出特性U0=f〔ΔL〕,已知电源角频率为ω,Z1、Z2为传感器两线圈的阻抗,零位时Z1＝Z2= r＋jωL,若以变间隙式传感器接入该电桥,求灵敏度表达式k＝U0／Δδ多大〔本题用有效值表示〕.5．图4中两种零点残余电压的补偿方法对吗？为什么？图中R为补偿电阻.图46．某线性差动变压器式传感器采用的频率为100HZ、峰一峰值为6V的电源激励,假设衔铁的输入运动是频率为10Hz的正弦运动,它的位移幅值为±3mm,已知传感器的灵敏度为2V／mm,试画出激励电压、输入位移和输出电压的波形.7．使用电涡流式传感器测量位移或振幅时对被测物体要考虑哪些因素,为什么？《第五章压电式传感器》1．分析压电式加速度传感器的频率响应特性.又若测量电路的总电容C＝1000PF,总电阻R＝500 MΩ,传感器机械系统固有频率f0=30 kHz,相对阻尼系数ξ=0.5,求幅值误差在2%以内的使用频率范围.2．用石英晶体加速度计与电荷放大器测量机器的振动,已知：加速度计灵敏度为5 pC／g,电荷放大器灵敏度为50 mV／pC,当机器达到最大加速度值时相应的输出电压幅值等于2 V,试计算该机器的振动加速度.3．在某电荷放大器的说明书中有如下技术指标：输出电压为±10V,输入电阻大于1014Ω,输出电阻为0.1kΩ,频率响应：0～150kHz,噪声电压〔有效值〕最大为2mV〔指输入信号为零时所出现的输出信号值〕,非线性误差：0.l%,温度漂移：±0.lmV／ºC.l〕如果用内阻为10 kΩ的电压表测量电荷放大器的输出电压,试求由于负载效应而减少的电压值.2〕假设用一输入电阻为2MΩ的示波器并接在电荷放大器的输入端,以便观察输入信号波形,此时对电荷放大器有何影响？3〕噪声电压在什么时候会成为问题？4〕试求当环境温度变化十15o C时,电荷放大器输出电压的变化值,该值对测量结果有否影响？5〕当输入信号频率为180kHZ时,该电荷放大器是否适用？4．试用直角坐标系画出AT型,GT型,DT型,X－30º的晶体切型的方位图.5．压电传感元件的电容为1000PF,k q＝2．5C／cm,连接电缆电容C c＝300 pF,示波器的输入阻抗为1MΩ和并联电容为50pF,试求：1〕压电元件的电压灵敏度多大？2>测量系统的高频响应<V／cm〕.3>如系统测量的幅值误差为5%,最低频率是多少？4〕如f j＝10HZ,允许误差为5 %,用并联连接方式,电容量C值是多大？6．石英晶体压电传感元件,面积为1cm2,厚度为0.lcm,固定在两个金属板之间,用来测量通过晶体两面力的变化.材料的杨氏模量为9×1010Pa,电荷灵敏度为2pC／N,相对介质常数为5,lcm2材料相对两面间电阻为1014Ω.一个20pF的电容和一个100MΩ的电阻与极板并联.如果所加力是F＝0.01sin〔103t〕N.求：1〕两个极板间电压峰一峰值；2〕晶体厚度的最大变化.<0.758mv,1.516mv;1.1×10-10cm>7．已知电压前置放大器的输入电阻为100 MΩ,测量回路的总电容为100pF,试求用压电式加速度计相配测量1Hz低频振动时产生的幅值误差.<94%>8．用压电式传感器测量最低频率为1Hz 的振动,要在1Hz 时灵敏度下降不超过5%,若测量回路的总电容为500pF,求所用电压前置放大器的输入电阻为多大？9．已知压电式加速度传感器的阻尼比是ξ=0.1,其无阻尼固有频率f=32kHz,若要求传感器的输出幅值误差在5%以内,试确定传感器的最高响应频率.10．有一压电式加速度计,供它专用的电缆长度为1.2m,电缆电容为100pF,压电片本身的电容为1000pF,据此出厂时标定的电压灵敏度为100mV／g.若使用中改为另一根电缆,其电容为300pF,长为2.9m,问其电压灵敏度作如何改变.<60mv/g>《第六章数字式传感器》1．数字式传感器的特点？根据工作原理数字式传感器可分为那几类？2．光栅传感器的基本原理？莫尔条纹如何形成？有何特点？3．分析光栅传感器具有较高测量精度的原因.《第七章固态传感器》1．霍尔元件能够测量哪些物理参数？霍尔元件的不等位电势的概念是什么？温度补偿的方法有哪几种？2．简述霍尔效应与构成以与霍尔传感器可能的应用场合.3．光电效应可分为几类？说明其原理并指出相应的光电元件.4．试拟定用光敏二极管控制,用交流电源供电照明的明通与暗通直流继电器电路原理图,并说明之.《第八章光纤传感器》1．说明光纤的组成并分析其传光原理,指出光纤传光的必要条件？2．光纤损耗是如何产生的？它对光纤传感器有哪些影响？。

传感器考试试题及答案 Document serial number【NL89WT-NY98YT-NC8CB-NNUUT-NUT108】传感器原理及其应用习题第1章传感器的一般特性一、选择、填空题1、衡量传感器静态特性的重要指标是_灵敏度______、__线性度_____、____迟滞___、___重复性_____ 等。

2、通常传感器由＿＿敏感元件＿＿、＿＿转换元件＿＿＿＿、＿转换电路＿＿＿＿三部分组成，是能把外界＿非电量＿转换成＿＿＿电量＿＿＿的器件和装置。

3、传感器的＿＿标定＿＿＿是通过实验建立传感器起输入量与输出量之间的关系，并确定不同使用条件下的误差关系。

4、测量过程中存在着测量误差，按性质可被分为粗大、系统和随机误差三类，其中随机误差可以通过对多次测量结果求平均的方法来减小它对测量结果的影响。

越5、一阶传感器的时间常数τ越__________, 其响应速度越慢;二阶传感器的固有频率ω_________, 其工作频带越宽。

6、按所依据的基准直线的不同，传感器的线性度可分为、、、。

7、非线性电位器包括和两种。

8、通常意义上的传感器包含了敏感元件和（ C ）两个组成部分。

A. 放大电路B. 数据采集电路C. 转换元件D. 滤波元件9、若将计算机比喻成人的大脑，那么传感器则可以比喻为(B )。

A．眼睛 B. 感觉器官 C. 手 D. 皮肤10、属于传感器静态特性指标的是（D ）A.固有频率B.临界频率C.阻尼比D.重复性11、衡量传感器静态特性的指标不包括（ C ）。

A. 线性度B. 灵敏度C. 频域响应D. 重复性12、下列对传感器动态特性的描述正确的是（）A 一阶传感器的时间常数τ越大, 其响应速度越快越小, 其工作频带越宽B 二阶传感器的固有频率ωC 一阶传感器的时间常数τ越小, 其响应速度越快。

越小, 其响应速度越快。

D 二阶传感器的固有频率ω二、计算分析题1、什么是传感器由几部分组成试画出传感器组成方块图。

传感器的原理及其应用答案一、传感器的原理传感器是一种能够将非电信号转换为电信号的设备。

它通过感知外部环境的物理量、化学量或生物量等信息，并将其转化成电信号，从而实现对环境变化的监测和控制。

传感器的工作原理通常包括以下几个方面：1.传感效应：传感器的工作基于某种物理效应，例如光电效应、压电效应、热电效应等。

这些效应使得传感器能够感知到特定的物理量。

2.信号转换：传感器将感知到的物理量转换成电信号。

这可以通过电阻、电容、电感等元件的变化来实现。

当外部物理量发生变化时，这些元件的参数也会相应变化，从而产生电信号。

3.信号放大：为了保证传感器的输出信号能够在一定范围内有效的工作，通常需要对信号进行放大。

这可以通过运算放大器等元件来实现。

4.信号处理：传感器输出的电信号需要经过一些处理才能得到有用的信息。

这包括滤波、放大、线性化等处理过程。

5.输出结果：传感器最终的输出结果可以是模拟信号，也可以是数字信号。

这取决于具体的传感器类型和应用需求。

二、传感器的应用传感器广泛应用于各个领域，其中包括但不限于以下几个方面：1.工业自动化：传感器在工业自动化中扮演着重要的角色。

它们可以用来监测温度、湿度、压力、流量等参数，从而实现自动控制和调节。

例如，在汽车生产线上，传感器可以检测到汽车零件的尺寸和位置，确保装配的精度和质量。

2.环境监测：传感器在环境监测中起着关键作用。

它们可以用来检测大气中的温度、湿度、气体浓度等参数。

通过监测这些参数，可以及时发现环境问题，如空气污染、气候变化等，并采取相应的措施进行调整和治理。

3.医疗健康：传感器在医疗健康领域具有重要意义。

它们可以用来监测患者的血压、心率、体温等生物参数，从而为医生提供准确的诊断和治疗依据。

此外，传感器还可以用于病房的自动化控制，实现智能化的医疗环境。

4.智能家居：传感器在智能家居中发挥着关键作用。

它们可以通过感知家庭环境，自动调节温度、湿度、光线等参数，提高家居的舒适性和能源利用效率。

（完整版）传感器原理及应用课后习题答案（吴建平机械工业出版）习题集及答案第1 章概述1.1 什么是传感器？按照国标定义，“传感器”应该如何说明含义？1.2 传感器由哪几部分组成？试述它们的作用及相互关系。

1.3 简述传感器主要发展趋势，并说明现代检测系统的特征。

1.4 传感器如何分类？按传感器检测的范畴可分为哪几种？1.5 传感器的图形符号如何表示？它们各部分代表什么含义？应注意哪些问题？1.6 用图形符号表示一电阻式温度传感器。

1.7 请例举出两个你用到或看到的传感器，并说明其作用。

如果没有传感器，应该出现哪种状况。

1.8 空调和电冰箱中采用了哪些传感器？它们分别起到什么作用？答案1.1 答：从广义的角度来说，感知信号检出器件和信号处理部分总称为传感器。

我们对传感器定义是：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。

从狭义角度对传感器定义是：能把外界非电信息转换成电信号输出的器件。

我国国家标准( GB7665—87)对传感器( Sensor/transducer) 的定义是：“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”。

定义表明传感器有这样三层含义：它是由敏感元件和转换元件构成的一种检测装置；能按一定规律将被测量转换成电信号输出；传感器的输出与输入之间存在确定的关系。

按使用的场合不同传感器又称为变换器、换能器、探测器。

1.2 答：组成——由敏感元件、转换元件、基本电路组成；关系，作用——传感器处于研究对象与测试系统的接口位置，即检测与控制之首。

传感器是感知、获取与检测信息的窗口，一切科学研究与自动化生产过程要获取的信息都要通过传感器获取并通过它转换成容易传输与处理的电信号，其作用与地位特别重要。

1.3 答：（略）答：按照我国制定的传感器分类体系表，传感器分为物理量传感器、化学量传感器以及生物量传感器三大类，含12 个小类。

按传感器的检测对象可分为：力学量、热学量、流体量、光学量、电量、磁学量、声学量、化学量、生物量、机器人等等。

第1章传感器的技术基础1.传感器的定义是什么？答：传感器最早来自于“sensor”一词，就是感觉的意思。

随着传感器技术的发展，在工程技术领域中，传感器被认为是生物体的工程模拟物。

而且要求传感器不但要对被测量敏感，还要就有把它对被测量的响应传送出去的功能，也就是说真正实现能“感”到，会“传”到的功能。

传感器是获取信息的一种装置，其定义可分为广义和狭义两种。

广义定义的传感器是指那些能感受外界信息并按一定规律转换成某种可用信号输出的器件和装置，以满足信息的传输、处理、记录、显示和控制等要求。

这里的“可用信号”是指便于处理、传输的信号，一般为电信号，如电压、电流、电阻、电容、频率等。

狭义定义的传感器是指将外界信息按一定规律转换成电量的装置才叫传感器。

按照国家标准GB7665—87对传感器下的定义是：“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，通常由敏感元件和转换元件组成”。

国际电工委员会(IEC)将传感器定义为：传感器是测量系统中的一种前置部件，它将输入变量转换成可供测量的信号。

美国测量协会又将传感器定义为“对应于特定被测量提供有效电信号输出的器件”。

传感器也称为变换器、换能器或探测器。

如前所述．感受被测量、并将被测量转换为易于测量、传输和处理的信号的装置或器件称为传感器。

2.简述传感器的主要分类方法。

答：(1)据传感器与外界信息和变换效应的工作原理，可分为物理传感器、化学传感器和生物传感器三大类。

(2)按输入信息分类。

传感器按输入量分类有力敏传感器、位置传感器、液面传感器、能耗传感器、速度传感器、热敏传感器、振动传感器、湿敏传感器、磁敏传感器、气敏传感器、真空度传感器等。

这种分类对传感器的应用很方便。

(3)按应用范围分类。

根据传感器的应用范围的不同，通常分为工业用、民用、科研用、医用、军用传感器等。

按具体使用场合，还可分为汽车用、舰船用、航空航天用传感器等。

如果根据使用目的的不同，还可分为计测用、监测用、检查用、控制用、分析用传感器等。

传感器原理及应用课后习题答案吴建平第1章概述1.1 什么是传感器？按照国标定义，“传感器”应该如何说明含义？1.2 传感器由哪几部分组成？试述它们的作用及相互关系。

1.3 简述传感器主要发展趋势，并说明现代检测系统的特征。

1.4 传感器如何分类？按传感器检测的范畴可分为哪几种？1.5 传感器的图形符号如何表示？它们各部分代表什么含义？应注意哪些问题？1.6 用图形符号表示一电阻式温度传感器。

1.7 请例举出两个你用到或看到的传感器，并说明其作用。

如果没有传感器，应该出现哪种状况。

1.8 空调和电冰箱中采用了哪些传感器？它们分别起到什么作用？答案：1.1答：从广义的角度来说，感知信号检出器件和信号处理部分总称为传感器。

我们对传感器定义是：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。

从狭义角度对传感器定义是：能把外界非电信息转换成电信号输出的器件。

我国国家标准（GB7665—87）对传感器（Sensor/transducer）的定义是：“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”。

定义表明传感器有这样三层含义：它是由敏感元件和转换元件构成的一种检测装置；能按一定规律将被测量转换成电信号输出；传感器的输出与输入之间存在确定的关系。

按使用的场合不同传感器又称为变换器、换能器、探测器。

1.2答：组成——由敏感元件、转换元件、基本电路组成；关系，作用——传感器处于研究对象与测试系统的接口位置，即检测与控制之首。

传感器是感知、获取与检测信息的窗口，一切科学研究与自动化生产过程要获取的信息都要通过传感器获取并通过它转换成容易传输与处理的电信号，其作用与地位特别重要。

1.3答：（略）答：按照我国制定的传感器分类体系表，传感器分为物理量传感器、化学量传感器以及生物量传感器三大类，含12个小类。

按传感器的检测对象可分为：力学量、热学量、流体量、光学量、电量、磁学量、声学量、化学量、生物量、机器人等等。

可编辑修改精选全文完整版《传感器原理》练习题及答案解析1.测得某检测装置的一组输入输出数据如下表，试用最小二乘法拟合直线，求其线性度和灵敏度。

带入数据得：68.0=k 25.0=bbkx y +=)(b kx y i i i +-=∆22)(i i i i i i x x n y x y x n k ∑-∑∑∑-∑=222)()(i i i i i i i x x n y x x y x b ∑-∑∑∑-∑∑=∴25.068.0+=x y %7535.0%100max ±=±=⨯∆±=FS L y L γ238.01=∆35.02-=∆16.03-=∆11.04-=∆126.05-=∆194.06-=∆拟合直线灵敏度 0.68,线性度 ±7%2.被测电压的实际值为10V ，现有150V,0.5级和15V, 2.5级两只电压表，选择哪一只表误差较小？ 150V 表的最大误差为：15V 表的最大误差为：故选择15V表误差较小3.用MF-30型普通万用表的DC.5V挡及25V挡分别测量高内阻等效电路（25kΩ与5V电压源串联）的输出电压。

已知DC.V.挡的电压灵敏度20kΩ /V,精度为2.5级，试计算：a)由于仪表本身精度造成的相对误差；b)由于仪表内阻对被测电路的影响引起的相对误差；c)综合最大相对误差；d)分析误差因素的影响。

①仪表本身精度造成的相对误差：5V档：25V档：②由于仪表内阻对被测电路的影响引起的相对误差：5V档：25V档：③综合最大相对误差：5V档：25V档：④仪表的精度和仪器的内阻都会在测量时产生系统误差。

4.设5次测量某物体的长度，其测量的结果分别为：9.8 10.0 10.1 9.9 10.2厘米，若忽略粗大误差和系统误差，试求在99.73％的置信概率下（±3δ），对被测物体的最小估计区间。

105)2.109.91.100.108.9(11=++++==∑=n i i x n xx x v i -=1 分别为-0.2 0 0.1 -0.1 0.2 051=∑=i i υ 16.011ˆ12=-=∑=n i iv n σ48.0ˆ3=σ没有坏值072.05ˆˆˆ===σσσn x x =10±3x σˆ=10±0.216 ( cm )5.今有一种电涡流式位移传感器。

传感器原理及应用习题答案习题1 (3)习题2 (5)习题3 (9)习题4 (11)习题5 (13)习题6 (15)习题7 (18)习题8 (21)习题9 (24)习题10 (26)习题11 (27)习题12 (29)习题13 (33)习题11-1 什么叫传感器？它由哪几部分组成？并说出各部分的作用及其相互间的关系。

答：传感器是能感受规定的被测量并按照一定的规律将其转换成可用输出信号的器件或装置。

通常传感器由敏感元件和转换元件组成。

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将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于传输或测量的电信号部分。

由于传感器的输出信号一般都很微弱, 因此需要有信号调节与转换电路对其进行放大、运算调制等。

随着半导体器件与集成技术在传感器中的应用，传感器的信号调节与转换电路可能安装在传感器的壳体里或与敏感元件一起集成在同一芯片上。

此外，信号调节转换电路以及传感器工作必须有辅助的电源，因此信号调节转换电路以及所需的电源都应作为传感器组成的一部分。

1-2 简述传感器的作用和地位及其传感器技术的发展方向。

答：传感器位于信息采集系统之首，属于感知、获取及检测信息的窗口，并提供给系统赖以进行处理和决策所必须的原始信息。

没有传感技术，整个信息技术的发展就成了一句空话。

科学技术越发达，自动化程度越高，信息控制技术对传感器的依赖性就越大。

发展方向：开发新材料，采用微细加工技术，多功能集成传感器的研究，智能传感器研究，航天传感器的研究，仿生传感器的研究等。

1-3 传感器的静态特性指什么？衡量它的性能指标主要有哪些？答：传感器的静态特性是指被测量的值处于稳定状态时的输出—输入关系。

与时间无关。

主要性能指标有：线性度、灵敏度、迟滞和重复性等。

1-4 传感器的动态特性指什么？常用的分析方法有哪几种？答：传感器的动态特性是指其输出与随时间变化的输入量之间的响应特性。

常用的分析方法有时域分析和频域分析。

传感器原理及应用课后答案第一章概述1.1 传感器的定义传感器是一种将非电学量转换为可用电信号的设备，常用于测量温度、压力、光强度、声音和速度等物理量。

1.2 传感器的种类传感器分为许多种类，具体如下：•温度传感器•压力传感器•光强度传感器•声音传感器•速度传感器1.3 传感器的应用传感器在各个领域都有着广泛的应用，例如：•工业控制•农业•医疗•航空航天•环境保护第二章传感器的原理2.1 传感器的工作原理传感器的工作原理是将非电学量转化为电信号，步骤如下：•感受能量，将其转化为其他形式的能量；•转换能量成为电信号；•处理信号，使其变得易于测量和理解；•输出信号，以供其他设备使用。

根据传感器的作用和特点，可将传感器分为以下几类：•光电传感器•电容传感器•感应传感器•电磁传感器2.3 传感器的性能指标常用的传感器性能指标有以下几个：•精确度•灵敏度•稳定性•量程•带宽第三章常见传感器技术及应用3.1 温度传感器温度传感器常用于测量物体的温度，分为以下几种：•热电传感器•热敏电阻传感器•热电偶传感器3.2 压力传感器压力传感器常用于测量物体的压力大小，由以下几种：•压阻式传感器•容积式传感器•电感式传感器3.3 光强度传感器光强度传感器可用于测量光的强度，常用于以下领域：•光学仪器•汽车•家用电器声音传感器可测量声音的大小和强度，在以下领域应用广泛：•通讯•电视和电影制作•医疗3.5 速度传感器速度传感器用于测量物体的速度大小，常见于以下场景：•汽车•飞机•电梯结语传感器是现代生活中不可或缺的重要组成部分，在工业、医疗、环保等多个领域发挥着重要作用。

理解传感器的原理和应用，有助于更好地掌握现代科技的发展方向。

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 kPa142 140实际相对误差100% 1.43%140142 140标称相对误差100% 1.41%142142 140引用误差100% 1%150 ( 50)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。

随机误差是由很多不便掌握或暂时未能掌握的微小因素（测量装置方面的因素、环境方面的因素、人员方面的因素），如电磁场的微变，零件的摩擦、间隙，热起伏，空气扰动，气压及湿度的变化，测量人员感觉器官的生理变化等，对测量值的综合影响所造成的。

2-4、现有栅长为3mm 和5mm 两种丝式应变计，其横向效应系数分别为5%和3%，欲用来测量泊松比μ=0.33的铝合金构件在单向应力状态下的应力分布(其应力分布梯度较大)。

试问：应选用哪一种应变计?为什么?答：应选用栅长为5mm 的应变计。

由公式ρρεμd RdRx ++=)21(和[]x m x K C RdRεεμμ=-++=)21()21(知应力大小是通过测量应变片电阻的变化率来实现的。

电阻的变化率主要由受力后金属丝几何尺寸变化所致部分（相对较大）加上电阻率随应变而变的部分（相对较小）。

一般金属μ≈0.3，因此(1+2μ)≈1.6；后部分为电阻率随应变而变的部分。

以康铜为例，C ≈1，C(1-2μ)≈0.4，所以此时K0=Km ≈2.0。

显然，金属丝材的应变电阻效应以结构尺寸变化为主。

从结构尺寸看，栅长为5mm 的丝式应变计比栅长为3mm 的应变计在相同力的作用下，引起的电阻变化大。

2-5、现选用丝栅长10mm 的应变计检测弹性模量E=2×1011N/m 2、密度ρ=7.8g/cm 3的钢构件承受谐振力作用下的应变，要求测量精度不低于0.5%。

试确定构件的最大应变频率限。

答：机械应变波是以相同于声波的形式和速度在材料中传播的。

当它依次通过一定厚度的基底、胶层(两者都很薄，可忽略不计)和栅长l而为应变计所响应时，就会有时间的迟后。

应变计的这种响应迟后对动态(高频)应变测量，尤会产生误差。

由][]e l vf e l l 66max max ππλ<=<或式中v 为声波在钢构件中传播的速度；又知道声波在该钢构件中的传播速度为：kgm m N E336211108.710/102--⨯⨯⨯⨯==ρν;s m kgs m Kg /10585.18.7/8.91024228⨯=⨯⨯⨯=；可算得kHz ms m e l v f 112%5.061010/10585.1||634max =⨯⨯⨯==-π。

传感器原理及应用课后习题答案吴建平第1章概述1.1 什么是传感器？按照国标定义，“传感器”应该如何说明含义？1.2 传感器由哪几部分组成？试述它们的作用及相互关系。

1.3 简述传感器主要发展趋势，并说明现代检测系统的特征。

1.4 传感器如何分类？按传感器检测的范畴可分为哪几种？1.5 传感器的图形符号如何表示？它们各部分代表什么含义？应注意哪些问题？1.6 用图形符号表示一电阻式温度传感器。

1.7 请例举出两个你用到或看到的传感器，并说明其作用。

如果没有传感器，应该出现哪种状况。

1.8 空调和电冰箱中采用了哪些传感器？它们分别起到什么作用？答案：1.1答：从广义的角度来说，感知信号检出器件和信号处理部分总称为传感器。

我们对传感器定义是：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。

从狭义角度对传感器定义是：能把外界非电信息转换成电信号输出的器件。

我国国家标准（GB7665—87）对传感器（Sensor/transducer）的定义是：“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”。

定义表明传感器有这样三层含义：它是由敏感元件和转换元件构成的一种检测装置；能按一定规律将被测量转换成电信号输出；传感器的输出与输入之间存在确定的关系。

按使用的场合不同传感器又称为变换器、换能器、探测器。

1.2答：组成——由敏感元件、转换元件、基本电路组成；关系，作用——传感器处于研究对象与测试系统的接口位置，即检测与控制之首。

传感器是感知、获取与检测信息的窗口，一切科学研究与自动化生产过程要获取的信息都要通过传感器获取并通过它转换成容易传输与处理的电信号，其作用与地位特别重要。

1.3答：（略）答：按照我国制定的传感器分类体系表，传感器分为物理量传感器、化学量传感器以及生物量传感器三大类，含12个小类。

按传感器的检测对象可分为：力学量、热学量、流体量、光学量、电量、磁学量、声学量、化学量、生物量、机器人等等。

《传感器原理及应用》的试题及答案一、填空（30分，每空1.5分）1、有一温度计，它的量程范围为0∽200℃，精度等级为0.5级。

该表可能出现的最大误差为，当测量100℃时的示值相对误差为。

2、在选购线性仪表时，必须考虑应尽量使选购的仪表量程为欲测量的倍左右为宜。

3、传感器由、、三部分组成。

4、利用热敏电阻对电动机实施过热保护，应选择型热敏电阻。

5、已知某铜热电阻在0℃时的阻值为50Ω，则其分度号是，对于镍铬-镍硅热电偶其正极是。

6、霍尔元件采用恒流源激励是为了。

7、用水银温度计测量水温,如从测量的具体手段来看它属于测量。

二、选择题(30分，每题2分)1、在以下几种传感器当中属于自发电型传感器。

A、电容式B、电阻式C、压电式D、电感式2、的数值越大,热电偶的输出热电势就越大。

A、热端直径B、热端和冷端的温度C、热端和冷端的温差D、热电极的电导率3、将超声波（机械振动波）转换成电信号是利用压电材料的。

A、应变效应B、电涡流效应C、压电效应D、逆压电效应4、在电容传感器中，若采用调频法测量转换电路，则电路中。

A、电容和电感均为变量B、电容是变量，电感保持不变C、电感是变量，电容保持不变D、电容和电感均保持不变5、在两片间隙为1mm的两块平行极板的间隙中插入，可测得最大的容量。

A、塑料薄膜B、干的纸C、湿的纸D、玻璃薄片6、热电阻测量转换电路采用三线制是为了A、提高测量灵敏度B、减小非线性误差C、提高电磁兼容性D、减小引线电阻的影响7、当石英晶体受压时，电荷产生在。

A、Z面上B、X面上C、Y面上D、X、Y、Z面上8、汽车衡所用的测力弹性敏感元件是。

A、悬臂梁B、弹簧管C、实心轴D、圆环9、在热电偶测温回路中经常使用补偿导线的最主要的目的是。

A、补偿热电偶冷端热电势的损失B、起冷端温度补偿作用C、将热电偶冷端延长到远离高温区的地方D、提高灵敏度10、减小霍尔元件的输出不等位电势的办法是。

A、减小激励电流B、减小磁感应强度C、使用电桥调零电位器11、测得某检测仪表的输入信号中,有用信号为20毫伏,干扰电压也为20毫伏, 则此时的信噪比为。

传感器的技术根底1.传感器的定义是什么答：传感器最早来自于“senso产词,就是感觉的意思.随着传感器技术的开展,在工程技术领域中,传感器被认为是生物体的工程模拟物.而且要求传感器不但要对被测量敏感, 还要就有把它对被测量的响应传送出去的功能,也就是说真正实现能感〞到,会传〞到的功能.传感器是获取信息的一种装置,其定义可分为广义和狭义两种. 广义定义的传感器是指那些能感受外界信息并按一定规律转换成某种可用信号输出的器件和装置,以满足信息的传输、处理、记录、显示和限制等要求.这里的可用信号〞是指便于处理、传输的信号,一般为电信号,如电压、电流、电阻、电容、频率等.狭义定义的传感器是指将外界信息按一定规律转换成电量的装置才叫传感器.根据国家标准GB7665-87对传感器下的定义是：能感受规定的被测量并根据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国际电工委员会〔IEC〕将传感器定义为：传感器是测量系统中的一种前置部件,它将输入变量转换成可供测量的信号. 美国测量协会又将传感器定义为对应于特定被测量提供有效电信号输出的器件传感器也称为变换器、换能器或探测器.如前所述.感受被测量、并将被测量转换为易于测量、传输和处理的信号的装置或器件称为传感器.2.简述传感器的主要分类方法.答：〔1〕据传感器与外界信息和变换效应的工作原理,可分为物理传感器、化学传感器和生物传感器三大类.〔2〕按输入信息分类.传感器按输入量分类有力敏传感器、位置传感器、液面传感器、能耗传感器、速度传感器、热敏传感器、振动传感器、湿敏传感器、磁敏传感器、气敏传感器、真空度传感器等. 这种分类对传感器的应用很方便.(3)按应用范围分类.根据传感器的应用范围的不同,通常分为工业用、民用、科研用、医用、军用传感器等.按具体使用场合,还可分为汽车用、舰船用、航空航天用传感器等.如果根据使用目的的不同,还可分为计测用、监测用、检查用、限制用、分析用传感器等.3.传感器主要由哪些局部组成并简单介绍各个组成局部.答：传感器的核心部件是敏感元件,它是传感器中用来感知外界信息和转换成有用信息的元件.传感器一般由敏感元件、传感元件和根本转换电路三局部组成.图1-1传感器的组成(1)敏感元件直接感受被测量,并以确定的关系输出某一物理量.(2)传感元件将敏感元件输出的非电物理量转换成电路参数量或电量.(3)根本转换电路将电路参数转换成便于测量的电量.根本转换电路的类型又与不同的工作原理的传感器有关.因此常把根本转换电路作为传感器的组成环节之一.4.传感器的静态特性的参数主要有哪些答：表征传感器的静态特性的主要参数有：线性度、灵敏度、分辨力和迟滞、重复性、稳定性、漂移、阈值等.5.传感器未来开展的方向主要有哪些答：(1)开发新材料(2)提升传感器性能扩大检测范围(3)传感器的微型化和微功耗(4)传感器的智能化(5)传感器的集成化和多功能化(6)传感器的数字化与网络化第2章电阻式传感器1.电阻式传感器的定义,并简单说明它的优缺点.答：电阻式传感器是一种能把非电物理量〔如位移、力、压力、加速度、扭矩等〕转换成与之有确定对应关系的电阻阻值,再经过测量电桥转换成便于传送和记录的电压〔电流〕信号的一种装置.它在非电量检测中应用十分广泛.电阻式传感器具有一系列的优点,如结构简单、输出精度较高、线性和稳定性好等；但它受环境条件〔如温度〕影响较大,且有分辨力不高等缺乏之处.2.说明电阻应变片的组成、规格及分类.答：组成：电阻应变片由敏感栅、基片、覆盖层和引出线等局部组成.规格：应变片规格一般是以有效使用面积和敏感栅的电阻值来表示.分类：电阻应变片按其敏感栅的材料不同,可分为金属电阻应变片和半导体应变片两大类.常见的金属电阻应变片的有丝式、箔式和薄膜式三种形式.3.什么叫应变效应利用应变效应解释金属电阻应变片的工作原理.答：电阻丝在外力作用下发生机械变形时,其阻值发生变化,此现象称为电阻应变效应〞.根据这种效应,将应变片用特制胶水粘在被测材料的外表,被测材料在外力的作用下产生的应变就会传送到应变片上,使应变片的阻值发生变化,通过测量应变片电阻值的变化就可得知被测量的大小.4.金属电阻应变片与半导体应变片的工作原理有何区别各有何优缺点答：金属电阻应变片可分为：〔1〕丝式应变片：具优点是粘贴性能好,能保证有效地传递变形,性能稳定.且可制成满足高温、强的磁场、核辐射等特殊条件使用的应变片.缺点是U形应变片的圆弧形弯曲段呈现横向效应,H形应变片的焊点过多,可靠性下降；〔2〕箔式应变片：优点是黏合情况好,散热水平较强,输出功率较大,灵敏度高等.在工艺上可按需要制成任意形状,易于大量生产,本钱低廉,在电测中获得广泛应用.尤其在常温条件下,箔式应变片已逐渐取代了丝式应变片.〔3〕薄膜型是在薄绝缘基片上蒸镀金属制成.它灵敏度系数高,易于实现工业化；特别是它可以直接制作在弹性敏感元件上,形成测量元件或传感器.由于这种方法免去了应变片的粘贴工艺过程,因此具有一定优势.半导体应变片：是用错或硅等半导体材料制成敏感栅.半导体应变片最突出的优点：灵敏度高,可测微小应变、机械滞后小、横向效应小、体积小.主要缺点：温度稳定性差、灵敏度系数分散性大,所以在使用时需采用温度补偿和非线性补偿举措.5.简单介绍应变片的粘贴工艺步骤：答：①应变片的检查与选择首先要对采用的应变片进行外观检查,观察应变片的敏感栅是否整洁、均匀,是否有锈斑以及短路和折弯等现象.其次要对选用的应变片的阻值进行测量,阻值选取适宜将对传感器的平衡调整带来方便.②试件的外表处理为了获得良好的粘合强度,必须对试件外表进行处理,去除试件外表杂质、油污及疏松层等.一般的处理方法可采用砂纸打磨,较好的处理方法是采用无油喷砂法, 这样不但能得到比抛光更大的外表积,而且可以获得质量均匀的结果.为了外表的清洁,可用化学清洗剂如氯化碳、丙酮、甲苯等进行反复清洗,也可采用超声波清洗.值得注意的是,为预防氧化,应变片的粘贴尽快进行. 如果不马上贴片,可涂上一层凡土林暂作保护.③底层处理为了保证应变片能牢固地贴在拭件上,并具有足够的绝缘电阻,改善胶接性能,可在粘贴位置涂上一层底胶.④贴片将应变片底面用清洁剂清洗干净,然后在试件外表和应变片底面各涂上一层薄而均匀的粘合剂. 待稍干后,将应变片对准划线位置迅速贴上,然后盖一层玻璃纸,用手指或胶锅加压,挤出气泡及多余的胶水,保证胶层尽可能薄而均匀.⑤固化粘合剂的固化是否完全,直接影响到胶的物理机械性能.关键是要掌握好温度、时间和循环周期.无论是自然枯燥还是加热固化都要严格根据工艺标准进行. 为了预防强度降低、绝缘破坏以及电化腐蚀,在固化后的应变片上应涂上防潮保护层, 防潮层一般可采用稀释的粘合胶.⑥粘贴质量检查首先是从外观上检查粘贴位置是否正确,粘合层是否有气泡、漏粘、破损等.然后是测量应变片敏感栅是否有有断路或短路现象,测量敏感栅的绝缘电阻以及线和试件之间的绝缘电阻.一般情况下,绝缘电阻为50MD即可,有些高精度测量,那么需要200MQ以上.⑦引线焊接与组桥连线检查合格后既可焊接引出导线,引线应适当加以固定.应变片之间通过粗细适宜的漆包线连接组成桥路. 连接长度应尽量一致,且不宜过多.⑧防护和屏蔽为了保证应变片工作的长期稳定性,应采取防潮、防水等举措,如在应变片及其引出线上涂以石蜡、石蜡松香混合剂、环氧树脂、有机硅、清漆等保护层.6.说明差动电桥减小温度误差的原理.答：巧妙地安装应变片而不需补偿并能得到灵敏度的提升.如图2-1,测悬梁的弯曲应变时,将两个应变片分别贴于上下两面对称位置,R i与R B特性相同,所以两电阻变化值相同而符号相反.将R i与R B按图2-4装在R i和R2的位置,因而电桥输出电压比单片时增加1倍.当梁上下温度一致时,R B与R i可起温度补偿作用.2-1应变片受力变化图7.电阻应变片的根本测量电路有哪些试比较它们的特点.答：直流电桥：〔1〕等臂电桥：电桥供电电压U越高,输出电压U o越大,灵敏度越高.但提升电源电压使应变片和桥臂电阻功耗增加, 温度误差增大.一般电源电压取3V~6V为宜.增大电阻应变片的灵敏系数K,可提升电桥的输出电压.〔2〕差动电桥：克服和减小非线性误差.提升电桥灵敏度.半桥差动电路：是单臂工作时的2倍,同时还具有温度补偿作用.全桥差动电路不仅没有非线性误差, 而且电压灵敏度为单片工作时的4倍,同时仍具有温度补偿作用.交流电桥：与直流电桥相比,应用交流电桥时应注意以下几个方面的问题；〔1〕交流电桥的电源通常为正弦波电源,在分析、计算时, 仅对基波而言,而在误差分析中需考虑高次谐波的影响.〔2〕可以用线性电路和方法分析交流电桥,但对非线性元件需在规定的条件下进行线性化处理.〔3〕交流电桥至少需要两个可调参数才能保证电桥平衡,调整参数时必须满足平衡条件.8.说明电桥的工作原理.假设按不同的桥臂工作方式,可分为哪几种?各自的输出电压如何计算答：由于应变片电桥电路的输出信号一般比较微弱, 所以目前大局部电阻应变式传感器的电桥输出端与直流放大器相连, 如图2-2所示D图2-2直流电桥〔1〕等臂电桥当R l R4=R2R3时,称为等臂电桥,即电桥处于平衡状态时,输出电压5=0.假设电桥各臂均有相应电阻增量,得〔R i R I〕〔R4 R〕 -〔& R〕〔R R〕U o - U〔R R R2 艮〕但艮R4 R〕当R i = R2 = R3=R4 = R 时,又AR〔i=1, 2, 3, 4〕很小,上式可简〔2〕差动电桥①半桥差动电路：假设电桥桥臂两两相等,即R i =R 2=R, R=R=R假设 AR 1 = AR 2, R 1 = R2 , R 3 = R 4 贝U 得U o 上也2 R 1 ②全桥差动电路：假设将电桥4个臂接入4个应变计,即2个受拉 应变,2个受压应变,将2个应变相同的应变计接入相对桥臂上,构 成全桥差动电路. 右 AR-i = AR 2 = △& = 且 R1 =R 2 = R3 = R4贝!jU 0=U —―, R i K U =U .9.如何提升应变片电桥的输出电压灵敏度及线性度答：〔1〕由U o =U〞^ = 5&可知,当电源电压U 及应变片电阻4 R 4 相对变化一定时,电桥得输出电压及其电压灵敏度与各桥臂得阻值无 关.电桥电源电压越高,输出电压的灵敏度越高.但提升电源电压使 应变片和桥臂电阻功耗增加,温度误差增大.一般电源电压取3V 〜6V 为宜.（2） 一般消除非线性误差的方法有以下几种：① 采用差动电桥.利用桥路电阻变化的特点,可使桥路形成差 动电桥〔半桥或全桥〕.②采用高内阻的恒流源电桥.采用恒流源比采用恒压源的非线性 误差减小一倍.一般半导体应变片的桥路采用恒流源供电.1O .如果将10g 电阻应变片贴在弹性试件上,假设试件受力横截面 积S=O.5M1O4m 2 ,弹性模量E =^.11 N/m 2,假设有F =5父1.%的拉力引 起应变电阻变化为 位.试求该应变片的灵敏度系数化为UR 1R 2R 3. R 4Uo =-( U o RUK 〔；1；2；3；4〕U o =U( ,R 1R 1 R 3：R R i R 2 - R 2 R 3 R 4RFU ol解：由题意得应变片电阻相对变化量 竺=工.R 100根据材料力学理论可知：应变6 =匕〔仃为试件所受应力,仃=F 〕, E S故应变K RR .1100.20.00511.一台用等强度梁作为弹性元件的电子秤,在梁的上、下面各 贴两片相同的电阻应变片〔K=2〕如图2-3〔a 〕所示.S = 0.165mm 2, E =2父104 N/mm 2.现将四个应变片接入图〔b 〕直流桥路中,电桥电源电压U=6V .当力F=0.5kg 时,求电桥输出电压 U ° = ?F SE 5 101万二 0.0050.5 102 10应变片灵敏度系数U图2-3解：由图⑻所示四片相同电阻应变片贴于等强度梁上、下面各两 片.当重力F 作用梁端部后,梁上外表 R 和R 3产生正应变电阻变化 而下外表R 2和R 4那么产生负应变电阻变化,具应变绝对值相等,即13 4 FSEt2 b电阻相对变化量为R 4 现将四个应变电阻按图(b)所示接入桥路组成等臂全桥电路,其 输出桥路电压为 U .=——U = K ；U = KU -RSE0.5=2 6 4 =0.0178V=17.8mV0.165 2 1012 .如将两个100Q 电阻应变片平行地粘贴在钢制试件上,试件初 载等截面积为0.5父1052,弹性模量E=200GN/m 2,由50kN 的拉力所 引起的应变片电阻变化为1C .把它们接入惠斯登电桥中,电桥电源 电压为1V,求应变片灵敏系数和电桥输出电压为多少解:由于,应力/应变=£所以,应变=应力/E=50000N/(0.5X 10-4m 2x 200X 109N/m 2)=0.005 故应变片灵敏系数k 为 k = R/R ；,=1/ 100 0.005,=2当电阻应变片与匹配电阻构成惠斯登电桥时,两应变片处于不同 的桥臂将会有不同的输出：(1)两应变片接在相邻的桥臂时,由于两应变片平行贴在试件上, 两电阻变化值都是1建,且符号相同,故它们对电桥的作用相互抵消, 输出电压为零.这种效果在应变片温度补偿中得到了应用.2 R11=1V = 0.005V2 100=5mV应当指出,如果把两应变片平行粘贴在水平放置的悬臂梁的上、 下两侧,并把它们接入相邻的两桥臂,那么组成了差动电桥,输出电压 U .也将是5mV,由于那时两应片的电阻变化值的符号相反.AR ARR 2 一(2)两应变片接在相对的桥臂时,因那时它们对电桥的奉献就相当于两个单臂电桥,故其输出电压U O为1 R UU013 .图 2-4 为一直流电桥.图中 E = 4V, R i = R 2 = R 3 = R 4 =120Q , 试求：(1)R i 为金属应变片,其余为外接电阻,当R i 的增量△ R=1.2.时, 电桥输出电压U .是多少(2)R i 、R 2都是应变片,型号规格相同,感应应变的极性和大小都相同,其余为外接电阻,电桥输出电压 U o 是多少(3)题(2)中,如果 R 和R i 感受应变的极性相反,且A R=A R2 =1.2C 时.电桥输出电压U o 是多少14.简要说明筒式应变压力传感器的工作原理图2-4直流电桥解：(1)根据式 U o = n 2 "R u ,其中 R/R 2 = R 3/R 4 = 1/n ,因1 n2 R ,为R 1 = R 2 = R 3=R 4 ,所以n=1,所以,电桥输出电压为一 1 话 L 1 1.21 1,八…U 0 =一父E =—父父 4 = 0.01V .4 R 4 120⑵当双桥臂变化时,U o =1U(3R 1-竺2), 由于4 R RAR =尔,所以U 0,E(2-2) = 0V .4 RRR 1 = R 2 ,(3)由于R 2和R 1感受应变的极性相反,所以输出电压为U 0 = 1U (也+%),将条件代入得4 R R12」1.2」120210 )=0.02V答：压力传感器主要用来测量流体的压力. 视其弹性体的结构形式有单一式和组合式之分.单一式是指应变片直接粘贴在受压弹性膜片或筒上.膜片式应变压力传感器的结构、应力分布及布片,与固态压阻式传感器雷同.图2-5为筒式应变压力传感器.图中〔a〕为结构示意；〔b〕为材料取E和w的厚底应变筒；〔c〕为4片应变片布片,工作应变片R、R3沿筒外壁周向粘贴,温度补偿应变片R2、R贴在筒底外壁,并接成全桥.当应变筒内壁感受压力P时,筒外壁的周向应变为：㈤ib)(c)〔a〕结构示意；〔b〕筒式弹性元件；〔c〕应变片布片1—插座；2—基体；3—温度补偿应变片；4—工作应变片；5一应变筒图2-5筒式应变压力传感器对厚壁筒：耳=〔2一" d PD - d E,…2 - 1 d对薄壁筒：％=二一-PD -d E组合式压力传感器那么由受压弹性元件〔膜片、膜盒或波纹管〕和应变弹性元件〔如各种梁〕组合而成.前者承受压力,后者粘贴应变片. 两者之间通过传力件传递压力作用.这种结构的优点是受压弹性元件能对流体高温、腐蚀等影响起到隔离作用,使传感器具有良好的工作环境.电容式传感器1.说明电容式传感器的工作原理, 电容式传感器有哪几种类型差动结构的电容传感器有什么优点答：电容器传感器是一个具有可变参数的电容器.由绝缘介质分开的两个平行金属板组成平板电容器, 当忽略边缘效应影响时,其电容量与真空介电常数轨8.854父10-12F/m)、极板间介质的相对介电常数吊、极板的有效面积A以及两极板间的距离d有关：；0 AC =(3-1)d式中d——两平行极板之间的距离；A——两平行极板的相对覆盖面积；r 介质材料的相对介电常数；o——真空介电常数；C电谷量.当被测参使得式(3-1)中的A、d或0三个参量中任意一个发生变化时,都会引起电容量的变化,再通过测量电路就可转换为电量输出.电容式传感器可分为变极距型、变面积型和变介质型三种类型.差动式比单极式灵敏度提升一倍, 且非线性误差大为减小.由于结构上的对称性,它还能有效地补偿温度变化所造成的误差.2.电容式传感器有哪些优点和缺点答：它与电阻式、电感式等传感器相比具有以下优点：(1)测量范围大(2)温度稳定性好(3)结构简单、适应性强(4)动态响应好(5)可以实现非接触测量、具有平均效应电容式传感器除上述优点之外,还因带电极板间的静电引力极小 (约几个毫克),因此所需输入能量极小,所以特别适宜用来解决输入能量低的测量问题,例如测量极低的压力、力和很小的加速度、位移等,可以做得很灵敏,分辨率非常高,能感受0.001 prng至更小的位移.然而,电容式传感器存在如下缺乏之处：(1)输出阻抗高、负载水平差(2)寄生电容影响大.上述缺乏直接导致电容式传感器测量电路复杂的缺点.3.电容式传感器主要有哪几种类型的测量电路各有些什么特点答：主要有电桥电路,双T二极管交流电桥,差动脉冲宽度调制电路,运算放大器电路和调频测量电路.电容传感器的平衡电桥测量电路在实际应用中往往保证初始平衡状态的分压系数不变,而在传感器中央极板位移引起其电容变化时,测量电桥的不平衡输出,即不平衡电桥电路.它一般用稳频、稳幅和固定波形的低阻信号源去鼓励,最后经过电流放大机相敏检波处理得到直流输出信号.双T二极管交流电桥(又称二极管T型网络)如图3-1所示.它是利用电容器冲放电原理组成的电路.他的主要应用特点如下：图3-14双T二极管交流电桥(1)电源、传感器电容、负载均可同时在一点接地；(2)二极管D「D2工作于高电平下,因而非线性失真小；(3)其灵敏度与电源频率有关,因此电源频率需要稳定；(4)将D1、D2、RR2安装在C2附近能消除电缆寄生电容影响；线路简P单；(5)输出电压较高.(6)负载电阻R L将影响电容放电速度,从而决定输出信号的上升时间脉冲宽度调制电路具有以下特点：(1)输出电压与被测位移(或面积变化)成线性关系；(2)不需要解调电路,只要经过低通滤波器就可以得到较大的直流输出电压；(3)不需要载波；(4)调宽频率的辩护对输出没有影响.运算放大器电路的最大特点就是能够克服变间隙电容式传感器的非线性而使其输出电压与输入位移(间隙变化)有线性关系.调制测量电路的特点是：灵敏度高,可测量0.01 pm甚至更小的位移变化量；抗干扰水平强；能获得高电平的直流信号或频率数字信号.缺点是受温度影响大,给电路设计和传感器设计带来一定的麻烦.4.举例说明变面积型电容传感器的特点.答：变面积型电容传感器的输出特性呈线性.因而其量程不受线性范围的限制,适合于测量较大的直线位移和角位移.5.说明电容式传感器调频电路的工作原理和特点.答：这种电路是将电容传感器元件与一个电感元件相配合构成一个调频振荡器.当被测量使电容传感器的电容之发生变化时, 振荡器的振荡频率产生相应变化.特点是：灵敏度高,可测量0.01 pm甚至更小的位移变化量；抗干扰水平强；能获得高电平的直流信号或频率数字信号.缺点是受温度影响大,给电路设计和传感器设计带来一定的麻烦.6.说明双T二极管交流电桥的工作原理及输出特性.答：双T二极管交流电桥(又称二极管T型网络)如图3-2所示. 它是利用电容器冲放电原理组成的电路.——S—f—~.W~~T□-l：@ “年仁4图3-2双T二极管交流电桥其中,U是高频电源,提供幅值为U的对称方波〔正弦波也适用〕; D i、D2为特性完全相同的两个二极管,R = R2=R; C I、C2为传感器的两个差动电容.当传感器没有位移输入时, C产C2, R L在一个周期内流过的平均电流为零,无电压输出.当C i或C2变化时,R L上产生的平均电流将不再为零,因而有信号输出.其输出电压的平均值为：R R 2R L…、U.=白RUf C1 - C2〔3-2〕R R L式中f——为电源频率.当R L时,上式中：K=gR4为常数, R R L那么U o = KUf C1 - C2其输出电压很高.7.说明脉冲宽度调制电路的工作原理及在差动电容相等和不相等时的各点电压波形.答：图3-3为一种差动脉冲宽度调制电路.当接通电源后,假设触发器Q 端为高电平〔U i〕,那么Q端为低电平〔0〕.图3-3差动脉冲调宽电路工作时,当双稳态触发器〔FF〕的输出A点为高电位时,通过R i 对C i充电；当F点电位U F升到与参考电压U r相等时,比较器IC i 产生一个脉冲使触发器翻转,从而使Q端为低电平,Q端为高电平〔U i〕.此时,由电容C i通过二极管D i迅速放电至零,而触发器由Q端经R2向C2充电；当G点电位U G与参考电压U r相等时,比较器IC2 输出一个脉冲使触发器翻转,从而循环上述过程.当C i=C2时,各点的电压波形如图3-4〔a〕所示,Q和Q两端电平的脉冲宽度相等,两端间的平均电压为零.当C i>C2时,各点的电压波形如图3-4(b)所示.(a)(b)图3-4各点电压波形图8.电容式传感器在实际中主要存在哪些问题,对其理想特性产生较大影响答：实际中主要存在的问题：(1)输出阻抗高、负载水平差.电容式传感器的电容量受其电极几何尺寸等限制,一般为几十到几百皮法,使传感器的输出阻抗很高, 尤其当采用音频范围内的交流电源时,输出阻抗高达106~108建.因此传感器负载水平差,易受外界干扰影响而产生不稳定现象, 严重时甚至无法工作,必须采取屏蔽举措,从而给设计和使用带来不便.容抗大还要求传感器绝缘局部的电阻值极高(几十兆欧以上),否那么绝缘局部将作为旁路电阻而影响传感器的性能(如灵敏度降低),为此还要特别注意周围环境如温湿度、清洁度等对绝缘性能的影响.高频供电虽然可降低传感器输出阻抗,但放大、传输远比低频时复杂,且寄生电容影响加大,难以保证工作稳定.(2)寄生电容影响大.电容式传感器的初始电容量很小,而传感器的引线电缆电容(1~2m导线可达800pF)、测量电路的杂散电容以及传感器极板与其周围导体构成的电容等寄生电容〞却较大,这一方面降低了传感器的灵敏度；另一方面这些电容(如电缆电容)常常是随机变化的,将使传感器工作不稳定,影响测量精度,具变化量甚至超过被测量引起的电容变化量,致使传感器无法工作.因此对电缆的选择、安装、接法都要有要求.9.为什么电容式传感器易受干扰,说明消灭寄生电容的常用方法及其原理.答：电容式传感器的电容量受其电极几何尺寸等限制,一般为几十到几百皮法,使传感器的输出阻抗很高,尤其当采用音频范围内的交流电源时,输出阻抗高达106~108C.因此传感器负载水平差,易受外界干扰影响而产生不稳定现象,严重时甚至无法工作.消灭寄生电容的常用方法及其原理：。