第12章辐射式传感器

传感器知识点归纳1 、传感器定义：是能够感受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。

组成：敏感元件、转换元件、信号转换电路静态特性：1 ）线性度：指传感器输出与输入之间的线性程度。

2 ）迟滞：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。

、重复性：重复性是指传感器在输入按同一方向连续多次变动时所得特性曲线不一致的程度。

3 ）灵敏度：其表达式为K= Δy/ Δx4 ）漂移：漂移包括零点漂移与灵敏度漂移。

分类：2.1 电阻式传感器工作原理：将被测物理量的变化转换成电阻值的变化，再经相应的测量电路和装置显示或记录被测量值的变化1 、电阻应变片电阻应变效应：金属导体在外力作用下发生机械形变时，其电阻随着它的机械形变的变化而发生变化的现象。

特性：横向效应、动态响应特性、温度效应横向效应：既敏感纵向应变，又同时受轴向应变.(敏感栅K)2.2 电感式传感器分类：转换原理：自感式、互感式、电涡流式结构形式：变气隙型、变面积型、螺线管型1 、自感式传感器（由线圈、铁芯及衔铁组成）工作原理：传感器的运动部分与衔铁相连。

当被测量变化时，使衔铁产生位移，引起磁路中磁阻变化，从而导致电感线圈的电感量变化。

2 、互感式传感器工作原理：被测的非电量变化转换为线圈互感变化的一种磁电装置。

3 、电涡流式传感器的基本原理：利用金属导体在交流磁场中的电涡流效应导致线圈阻抗变化。

电涡流效应：金属导体置于交变磁场中会产生电涡流，且该电涡流所产生的磁场方向与原磁场方向相反的一种物理现象电涡流式传感器可分为高频反射式和低频透射式两类。

应用--具有结构简单、抗干扰能力强、非接触测量等特点(探雷器，测转速，计数，探伤) 2.3 电容式传感器分类：变极距型、变面积型、变介质型特点：1 ）高容抗、小功率 2 ）动态范围大，动态响应快 3 ）零漂小 4 ）结构简单，适应性强 5 ）分布电容影响严重应用：1 ）电容式压力传感器2 ）电容式加速度传感器3 ）电容式测厚传感器2.4 压电式传感器应用：压电式测力传感器、交通监测（将高分子压电电缆埋在公路上，可以获取车型分类信息）、压电式加速度传感器、压电式玻璃破碎报警器压电效应：某些物质沿某一方向受到外力作用时，会产生变形，同时内部产生极化现象，在这种材料的两个表面产生符号相反的电荷，当外力去掉后，又重新恢复到不带电的状态。

第10章辐射与波式传感器一、单项选择题1、下列对红外传感器的描述错误的是（）。

A. 红外辐射是一种人眼不可见的光线B. 红外线的波长范围大致在~1000μm之间C. 红外线是电磁波的一种形式，但不具备反射、折射特性D. 红外传感器是利用红外辐射实现相关物理量测量的一种传感器。

2、对于工业上用的红外线气体分析仪，下面说法中正确的是（）A．参比气室内装被分析气体 B.参比气室中的气体不吸收红外线C．测量气室内装N2 D. 红外探测器工作在“大气窗口”之外3、红外辐射的物理本质是（）A．核辐射 B．微波辐射 C．热辐射 D．无线电波4、对于工业上用的红外线气体分析仪，下面说法中错误的是（）A．参比气室内可装N2 B.红外探测器工作在“大气窗口”之内C．测量气室内装被分析气体 D.参比气室中的气体要吸收红外线5、红外线是位于可见光中红色光以外的光线，故称红外线。

它的波长范围大致在 ( )到1000μｍ的频谱范围之内。

、在红外技术中，一般将红外辐射分为四个区域，即近红外区、中红外区、远红外区和（）。

这里所说的“远近”是相对红外辐射在电磁波谱中与可见光的距离而言。

A.微波区B.微红外区射线区 D.极远红外区7、红外辐射在通过大气层时，有三个波段透过率高，它们是～μｍ、3～5μm和（）,统称它们为“大气窗口”。

～14μｍ～15μｍ～18μｍ～μｍ8、红外探测器的性能参数是衡量其性能好坏的依据。

其中响应波长范围（或称光谱响应），是表示探测器的（）相应率与入射的红外辐射波长之间的关系。

A.电流B.电压C.功率D.电阻9、光子传感器是利用某些半导体材料在入射光的照下，产生（）。

使材料的电学性质发生变化。

通过测量电学性质的变化，可以知道红外辐射的强弱。

光子效应所制成的红外探测器。

A.光子效应B.霍尔效应C.热电效应D.压电效应10、当红外辐射照射在某些半导体材料表面上时，半导体材料中有些电子和空穴可以从原来不导电的束缚状态变为能导电的自由状态，使半导体的导电率增加，这种现象叫（）。

传感器技术习题解答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＝ΔA/Y FS＊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：端基法和最小二5乘法。

1－5：答：由一阶传感器频率传递函数w(jw)=K/(1+jωη),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：Y FS=200-0=200由A=ΔA/Y FS＊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/Ay FS*100%,由题意可知：A＝1.5％，Y FS＝100所以ΔA＝A Y FS＝1.5因为 1.4＜1.5所以合格。

1－9：解：Δhmax＝103－98＝5Y FS＝250－0＝250故δH＝Δhmax/Y FS*100%＝2%故此在该点的迟滞是2％。

1－10：解：因为传感器响应幅值差值在10％以内，且Wη≤0.5，W≤0.5/η，而w=2πf,所以 f=0.5/2πη≈8Hz即传感器输入信号的工作频率范围为0∽8Hz1－11解：（1）切线法如图所示，在x=0处所做的切线为拟合直线，其方程为：Y ＝a0+KX，当x=0时，Y＝1，故a0＝1，又因为dY/dx＝1/(2(1+x)1/2)|x=0＝1/2＝K故拟合直线为：Y＝1＋x/2最大偏差ΔYmax在x=0.5处，故ΔYmax＝1＋0.5/2-（1＋0.5）1/2＝5/4－（3/2）1/2＝0.025Y FS＝（1＋0.5/2）-1＝0.25故线性度δL＝ΔYmax/ Y FS＊100％＝0.025/0.25＊100％＝0.10＊100％＝10％（2）端基法：设Y的始点与终点的连线方程为Y＝a0+KX因为x=0时，Y＝1，x=0.5时，Y＝1.225，所以a0=1,k=0.225/0.5=0.45而由 d(y-Y)/dx=d(（1＋x）1/2-(1+0.45x))/dx=-0.45+1/(2（1＋x）1/2)＝0有-0.9（1＋x）1/2＋1＝0（1/0.9）2＝1+xx=0.234ΔYmax=[（1＋x）1/2-(1+0.45x)]|x=0.234=1.11-1.1053=0.0047Y FS＝1+0.45*0.5-1＝0.225δL端基＝ΔYmax/ Y FS＊100％＝0.0047/0.225＊100％＝2.09％（3）最小二＊法由公式()()xykninkniaxxyxxyxxxyxyxaiiiiiiiiiii*4695.00034.14695.005.1506.100365.1055.0*625.2751.1*65.1*691.60034.105.168.36265.255.0*625.255.0*691.65.1*751.1)**)22222((+==--=--==--=--=-∑∑-∑=-∑-∑=∑∑∑∑∑∑由d(y-Y)/dx=d(（1＋x）1/2-(1.0034+0.4695＊x))/dx=-0.4695+1/(2（1＋x）1/2)＝0有x=1/(0.939)2-1=0.134ΔYmax=[（1＋x）1/2-(1.0034+0.4695x)]|x=0.234=1.065-1.066=-0.001Y FS ＝1.0034+0.4695x-1.0034＝0.235 δL 二＊法＝ΔYmax/ Y FS ＊100％＝0.001/0.235＊100％＝0.0042＊100％＝0.42％1－12:解：此为一阶传感器，其微分方程为a 1dy/dx+a 0y=b 0x 所以 时间常数η＝a 1/a 0=10sK=b 0/a 0=5*10-6V/Pa1- 13：解：由幅频特性有：()=+=⎪⎪⎭⎫⎝⎛⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-ωωξωωω04021/2221K A ()()3125.1arctan 36.016.0*7.0*2arctan 012arctan 947.07056.01*42120222264.010006007.010006001-=--=-⎪⎪⎭⎫⎝⎛-==+=+⎪⎪⎭⎫⎝⎛⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎪⎭⎫⎝⎛⎪⎭⎫ ⎝⎛-ωωωωξωϕ1- 14:解：由题意知：()()()max minmax3%H j H j H j ωωω-<因为最小频率为W=0，由图1-14知，此时输出的幅频值为│H （jw ）│/K=1，即│H （jw ）│=K()maxmax 013%0.9719.3620.97KK kHz H j ωωω∴-<<<⎛<= ⎝1- 15解：由传感器灵敏度的定义有： K ＝m mv mmv x y μμ/51050==∆∆ 若采用两个相同的传感器组成差动测量系统时，输出仅含奇次项，且灵敏度提高了2倍，为20mv/μm.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。

传感器的分类_传感器的原理与分类_传感器的定义和分类传感器的分类方法很多．主要有如下几种：（1）按被测量分类，可分为力学量、光学量、磁学量、几何学量、运动学量、流速与流量、液面、热学量、化学量、生物量传感器等。

这种分类有利于选择传感器、应用传感器（2）按照工作原理分类，可分为电阻式、电容式、电感式，光电式，光栅式、热电式、压电式、红外、光纤、超声波、激光传感器等。

这种分类有利于研究、设计传感器，有利于对传感器的工作原理进行阐述。

（3）按敏感材料不同分为半导体传感器、陶瓷传感器、石英传感器、光导纤推传感器、金属传感器、有机材料传感器、高分子材料传感器等。

这种分类法可分出很多种类。

（4）按照传感器输出量的性质分为摸拟传感器、数字传感器。

其中数字传感器便干与计算机联用，且坑干扰性较强，例如脉冲盘式角度数字传感器、光栅传感器等。

传感器数字化是今后的发展趋势。

（5）按应用场合不同分为工业用，农用、军用、医用、科研用、环保用和家电用传感器等。

若按具体便用场合，还可分为汽车用、船舰用、飞机用、宇宙飞船用、防灾用传感器等。

（6）根据使用目的的不同，又可分为计测用、监视用，位查用、诊断用，控制用和分析用传感器等。

主要特点传感器的特点包括：微型化、数字化、智能化、多功能化、系统化、网络化，它不仅促进了传统产业的改造和更新换代，而且还可能建立新型工业，从而成为21世纪新的经济增长点。

微型化是建立在微电子机械系统（MEMS）技术基础上的，已成功应用在硅器件上做成硅压力传感器。

主要功能常将传感器的功能与人类5大感觉器官相比拟：光敏传感器——视觉声敏传感器——听觉气敏传感器——嗅觉化学传感器——味觉压敏、温敏、传感器（图1）流体传感器——触觉敏感元件的分类：物理类，基于力、热、光、电、磁和声等物理效应。

化学类，基于化学反应的原理。

生物类，基于酶、抗体、和激素等分子识别功能。

通常据其基本感知功能可分为热敏元件、光敏元件、气敏元件、力敏元件、磁敏元件、湿敏元件、声敏元件、放射线敏感元件、色敏元件和味敏元件等十大类（还有人曾将敏感元件分46类）。

《传感器与检测技术》题库1. 简述传感器的概念、作用及组成。

2. 传感器的分类有哪几种？各有什么优缺点？3. 传感器是如何命名的？其代号包括哪几部分？在各种文件中如何应用？4. 传感器的静态性能指标有哪些？其含义是什么？5. 传感器的动态特性主要从哪两方面来描述？采用什么样的激励信号？其含义是什么？（幅频、相频）（周期函数型、瞬变函数型）6. 力传感器的组成是什么？7. 弹性敏感元件的作用是什么？其分类有几种？各有何特点？8. 电阻应变式传感器的工作原理是什么？它是如何测量试件的应变的？9. 电阻应变式传感器的测量电路有哪些？各有何特点？10.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。

11.电阻应变片为什么要进行温度补偿？补偿方法有哪些？12.应变片的粘贴、固化和检查工艺有哪些？13.图1为一直流应变电桥。

12345,120i U V R R R R =====Ω，试求：① 1R 为金属应变片，其余为外接电阻，当1R 变化量为1 1.2R ∆=Ω时，电桥输出电压?o U =② 12R R 、都是应变片，且批号相同，感受应变的极性和大小都相同，其余为外接电阻，电桥的输出电压?o U =③ 题②中，如果12R R 、感受应变的极性相反，且12 1.2R R ∆=∆=Ω，电桥的输出电压?o U =④ 由题①～③能得出什么结论与推论？图1 直流应变电桥14.压电式传感器的工作原理是什么？压电材料有哪些？15.试用石英晶体为例说明压电效应产生的过程。

16.压电陶瓷有何特点？17.压电传感器的测量电路是什么？各有何特点？18.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。

2022国家开放大学电大本科《传感器与测试技术》期末试题及答案（试卷号07）2022国家开放大学电大本科《传感器与测试技术》期末试题及答案（试卷号：1107）一、单项选择题（12小题，每小题3分，共36分）1．电容式传感器是将被测量的变化转换成()变化的一种传感器。

A．电容量B．电感量C．介电常数D．霍尔系数2．下列属于磁电式传感器非线性误差产生原因的是()。

A．温度变化对传感器产生的影响B．传感器线圈电流产生的磁通对磁通产生影响C．传感器的补偿线圈产生的磁通对工作磁通产生影响D．光源变化对传感器产生的影响3．以下不属于压电式传感器的特点的是()。

A.体积小B．结构简单C．灵敏度低D．灵敏度高4．电阻应变片的绝缘电阻是指已粘贴的应变片的()间的电阻值。

A．覆盖片与被测试件B．基片与被测试件C．引线与被测试件D．覆盖片与基片5．利用()可制成半导体光敏电阻。

A．压电效应B．光电效应C．磁电效应D．滤波6.()是由一列MOS光敏元和一列移位寄存器并行构成的。

A.线阵CCD图像传感器B．面阵CCD图像传感器C．有源CMOS图像传感器D．无源CMOS图像传感器7．适合于使用红外传感器进行测量的物理量是()。

A.转速B．温度C．加速度D．流量8．超声波是()的一种，即是机械振动在弹性介质中的一种传播过程。

A．电磁波B．机械波C．表面波D．滤波9．在工业放射性同位素自动检测仪表中广泛采用的核辐射传感器为()。

A．电感式传感器B．磁电式传感器C．电离室D．霍尔元件10．()不属于虚拟仪器技术所具有的特点。

A．集成性强B．扩展性强C．开发时间长D．开发时间短11.线性度、重复性、精度和灵敏度属于传感器的()性能指标。

A．动态B．电源C．线圈D．静态12.交流电桥按照接入阻抗的形式不同主要分为纯电阻交流电桥、()交流电桥和电感式交流电桥。

A．平衡式B．静电式C．电压式D．电容式二、判断题（8小题．每小题2分，共16分）13.按磁场方式分类，磁电感应式传感器可分为变磁通式和恒磁通式两大类。

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。