第七章 数字式传感器

《第一章传感器的一般特性》1转速（r/min）0 500 1000 1500 2000 2500 3000输出电压（V）0 9.1 15.0 23.3 29.9 39.0 47.51）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。

数字温度传感器工作原理
数字温度传感器是一种用于测量温度的装置，它能够将温度转化为数字信号输出。

这类传感器通常使用特定的敏感元件，如热敏电阻（PTC或NTC）、热电偶或热电阻（如铂电阻）等。

对于热敏电阻传感器，它的阻值会随温度的变化而变化。

通常情况下，热敏电阻是一个负温度系数（NTC）电阻元件，即其阻值随温度的升高而下降。

数字温度传感器通过测量热敏电阻的阻值，并将其转化为数字信号输出，从而得到温度值。

热电偶则是利用两个不同材料的导电性质差异以及温度变化引起的电动势变化来测量温度的传感器。

当两个导电材料的接触点处于不同的温度下时，会产生一定的电势差。

通过测量这个电势差，可以计算出温度值。

而热电阻则是利用材料在不同温度下的电阻值变化来测量温度的传感器。

最常用的热电阻材料是铂电阻（Pt100或Pt1000），其电阻值与温度之间具有良好的线性关系。

将热电阻放置在待测温度环境中，通过测量电阻值的变化，可以通过查表或计算得出温度值。

通过将热敏电阻、热电偶或热电阻连接到一定的电路中，数字温度传感器可以将温度转换为数字信号输出。

这些数字信号可以通过一定的标准协议传输，如I2C、SPI或UART等，从而
将温度值传送给其他的设备或系统进行处理和分析。

1，设光敏二极管的光敏面积为1 mm×1 mm，若用它扫描500 mm×400 mm的图像，问所获得的图像水平分辨率最高能达到多少？答：水平分辨率最高可以达到500 mm/1 mm=500。

2，上题中光敏二极管在水平方向（沿图像500 mm方向）正程运动的速度为5 m/s，逆程运动的速度达50 m/s，垂直方向正程运动的速度应为多少？扫描一场图像的时间需要多少？答：水平扫描周期应为垂直方向行进到下一行的时间，因此垂直方向正程速度为：。

扫描一场图像需时间为：。

3，上述扫描出来的图像怎样显示出来？能直接用什么制式的电视监视器显示？为什么？若想看到用线阵CCD扫描出来的图像，应采用怎样的措施？4，比较逐行扫描与隔行扫描的优缺点，说明为什么20世纪的电视制式要采用隔行扫描方式？我国的PAL电视制式是怎样规定的？答：逐行扫描闪烁感低，扫描方式和控制扫描的驱动设计也要简单，隔行扫描对行扫描频率的要求只是逐行扫描的一半，对信号传输带宽要求也小。

20世纪的显示器行扫描频率达不到逐行扫描的行频要求，因此用隔行扫描技术。

PAL制式规定场周期为20 ms，其中场正程时间为18.4 ms，场逆程时间为1.6 ms，行频为15625 Hz，行周期为64μs，行正程时间为52 μs，行逆程时间为12 μs。

5，现有一台线阵CCD图像传感器（如ILX521）为256像元，如果配用PAL电视制式的显示器显示他所扫描出来的图像需要采用怎样的技术与之配合？6，如何理解“环保的绿色电视”？100 Hz场频技术是基于怎样的基础？答：100 Hz扫描技术就是利用数字式场频转换技术，它把PAL制的50 Hz场频的信号，通过数字式存储器DARM，采用“慢存快取”的方法，即读出的时钟频率是存入时钟频率的2倍，实现信号场频率的倍频转换，使场扫描数倍增，从而成为场频为100 Hz的视频信号。

7，图像传感器的基本技术参数有哪些？他们对成像质量分别有怎样的影响？答：1，成像物镜的焦距f’，决定了被摄劲舞在光电成像器件上成像的大小；2，相对孔径D/f’，决定了物镜的分辨率、像面照度和成像物镜的成像质量；3，视场角2ω，决定了能在光电图像传感器上成像良好的空间范围。

《第一章传感器的一般特性》1．从某直流测速发电机试验中，获得如下结果：转速（r/min）0 500 1000 1500 2000 2500 3000输出电压（V）0 9.1 15.0 23.3 29.9 39.0 47.5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。

《传感器与自动检测技术》重难点及学习指导第一章传感器与自动检测技术的基本概念重难点：测量误差与精度学习指导：掌握绝对误差和相对误差的定义和物理意义，理解精度等级的确定，能对测量误差进行估算和对仪表的精度等级及量程进行正确的选用。

第二章电阻式传感器重难点1：应变效应和桥式测量转换电路学习指导：在理解纵向应变和横向应变的基础上掌握应变效应，理解各类电桥工作方式和性能，注意“相邻臂相减、相对臂相加”的原则，通过不同的组合方式，可提高灵敏度，消除非线性误差及温度效应的影响。

重难点2：压阻式传感器测量转换电路与温度补偿学习指导：测量转换电路恒压源与恒流源供电方式的比较，选择合适的供电方式；提高测量精度减小零点漂移和灵敏度温度漂移的问题，进行零点温度补偿和灵敏度温度补偿。

第三章变阻抗式传感器重难点1：差分变压器的工作原理和测量转换电路的作用学习指导：差分变压器把被测位移量转换为线圈间的互感变化，输出交流电压，通过测量转换电路，可消除零点残余电压，并判别位移方向。

重难点2：电涡流式传感器的工作原理学习指导：在理解涡流效应的基础上，掌握传感器把被测量转换为线圈的阻抗，最大特点是非接触测量。

重难点3：电容式传感器的测量电路学习指导：变间隙式电容传感器采用差分接法的桥式电路（即变压器电桥电路）后，位移量与电容的非线性关系转换为位移量与输出交流电压的线性关系，但还应经过相敏检波才能判别位移方向；脉冲宽度调制电路的输出直流电压与电容变化量成线性关系，不论是对于变面积式或变极距式电容传感器均能获得线性输出，也能判别位移方向。

第四章光电式传感器重难点1：光电效应和光电传感器的工作原理学习指导：理解光电效应和对应光电元件的特性及使用场合，掌握光电传感器的四种应用类型，注意光源与光电元件在光谱特性上应基本一致，及在模拟量的检测中如何削弱或消除背景光及温度等因素的影响。

重难点2：光纤传感器的工作原理及使用学习指导：了解光纤的传光原理，功能型光纤传感器和非功能型光纤传感器的区别，光纤传感器的实际应用。

第七章 信号细分与辨向电路7-1图7-33为一单稳辨向电路，输入信号A 、B 为相位差90︒的方波信号，分析其辨向原理，并分别就A 导前B 90︒、B 导前A 90︒的情况，画出A '、U o1、U o2的波形。

A '、U o1、U o2的波形如图X7-1所示。

可见，当A 导前B 90︒时，U o1有输出，U o2无输出，当B 导前A 90︒时，U o1无输出，U o2有输出，实现辨向。

7-2参照图7-6电阻链五倍频细分电路的原理，设计一电阻链二倍频细分电路。

该电阻链二倍频细分电路如图X7-2所示，其输出A 、B 为相位差90°的二路信号，它们的频率是输入信号频率的二倍。

A BA BA' U o1A BA BA' U o1图X7-17-3 若测得待细分的正余弦信号某时刻值为u 1=2.65V , u 2=-1.33V ，采用微机对信号进行200细分，请判别其所属卦限，并求出对应的θ值和k 值。

某时刻正弦信号值为u 1=2.65V , 余弦信号值为 u 2=-1.33V ，根据两信号的极性（u 1为+、u 2为-）和绝对值大小（|u 1|〉|u 2|），可判别出信号在3卦限。

由于对信号进行200细分，因此在一个卦限内，需实现25细分。

在3卦限用|ctg θ| 65.233.1sin cos ctg 12===u u A A θθθ 求它的arctan,得到θ=26.65°，由于26.65°/1.8°=14.81，所以k =65。

7-4 在图7-14所示只读存储器256细分电路中，请计算第A000(十六进制)单元的存储值。

A000(十六进制)对应的二进制为1010000000000000，即X =10100000、Y =00000000，对应十进制X =160、Y =0， 由下式可得θ=284°，284°×（256/360°）=201.96，取整为202，对应的二进制为11001010。

第六章 思考题与习题1、什么是压电效应？答：沿着一定方向对某些电介质加力而使其变形时，在一定表面上产生电荷，当外力取消，又重新回到不带电状态，这一现象称为正压电效应。

当在某些电介质的极化方向上施加电场，这些电介质在一定方向上产生机械变形或机械压力，当外加电场散去，这些变形和应力也随之消失，此即称为逆压电效应。

2、为什么压电传感器不能测量静态物理量？ 答：压电元件送入放大器的输入电压由上式可知，用·当作用在压电元件上的力是静压力（ω=0）时，前置放大器输入电压等于零。

因为电荷就会通过放大器的输入电阻和传感器本身的泄漏电阻漏掉。

所以压电传感器不能测量静态物理量。

3、压电式传感器中采用电荷放大器有何优点？为什么电压灵敏度与电缆长度有关？而电荷灵敏度与电缆长度无关？ 答：p115 ●补充题：1、有一压电晶体，其面积为20mm 2，厚度为10mm ，当受到压力p=10MPa 作用时，求产生的电荷及输出电压：①零度X 切的纵向石英晶体；②利用纵向效应之BaTiO 3（压电陶瓷）。

已知：S=20 mm 2，δ=10mm ，P=10MPa ， 求：Q=？，V=？ 解：①∵ PS d F d Q 1111== 而：)/(1031.21211N c d -⨯= ∴ c PS d Q 10111062.4-⨯== 又∵ SQ S Q C Q U r r a εεδδεε00)/(/=== 而：)/(1085.85.412-0m F r ⨯==εε、 ∴ )(8.5797/0V SQ C Q U r a ===εεδ解②∵ PS d F d Q 3333== 而：)/(10901233N c d -⨯= ∴ c PS d Q 833108.3-⨯== 同上：又∵ SQ S Q C Q U r r a εεδδεε00)/(/=== 而：)/(1085.8120012-0m F r ⨯==εε、 ∴ )(3.1788/0V SQ C Q U r a ===εεδ2、某压电晶体的电容为1000pF;Kq=2.5C/cm,Cc=3000pF,示波器的输入阻抗为1M Ω和并联电容为50pF,求；①压电晶体的电压灵敏度；②测量系统的高频响应③如系统允许的测量幅值误差为5%,可测最低频率时多少？④如频率为10Hz,允许误差为5%,用并联方式，电容值是多少？已知：pF C M R pF C N c k pF C i i c q a 5013000/5.21000=Ω====；；；； 求： 解①∵ a q V C k k /= ∴ )/(105.29N V k V ⨯= 解②依据教材p113(6-14)式 ∵ ic a m im V C C Cd F U k ++=∞=33/)(；而：3333//d F F d F Q k q ===∴ )/(1017.68N V C C C k k ic a qV ⨯=++=解③依据教材p113(6-15)式 因： 222)(1)()(i c a i c a C C C R C C C R k +++++=ωωω高频响应时：1)(*=∞=k k而：%5)(**≤-kk k Lωγ 则：%95)(1)()(222≥+++++=i c a i c a C C C R C C C R k ωωω其中： 解得：Hz f LCL 5.1192==πω 解④因： %5)(**≤-k k k Lωγ 则： %95)(1)()(222≥+++++=i c a i c a C C C R C C C R k ωωω其中：解得：pF C C C C c a 48447=++=3、用石英晶体加速度计及电荷放大器测量机器的振动，已知：加速度计灵敏度为5pC/g,电荷放大器灵敏度为50mV/pC,当机器达到最大加速度值时相应的输出电压幅值为2V ,试求该机器的振动加速度。