1、传感器复习题与答案讲解传感器原理与应用复习题第1章 传感器概述1什么是传感器？传感器由哪几个部分组成？试述它们的作用和相互关系。（1）传感器定义：广义的定义：一种能把特定的信息（物理、化学、生物）按一定的规律转换成某种可用信号输出的器件和装置。广义传感器一般由信号检出器件和信号处理器件两部分组成；狭义的定义：能把外界非电信号转换成电信号输出的器件。我国国家标准对传感器的定义是：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。以上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。
2、（2）组成部分：传感器由敏感元件，转换元件，转换电路组成。 （3）他们的作用和相互关系：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传感器的总体发展趋势是什么？现代传感器有哪些特征，现在的传感器多以什么物理量输出？（1）发展趋势：发展、利用新效应；开发新材料；提高传感器性能和检测范围；微型化与微功耗；集成化与多功能化；传感器的智能化；传感器的数字化和网络化。（2）特征：由传统的分立式朝着集成化。数字化、多动能化、微型化、智能化、网络化和光机电一体化的方向发展，具有高精度、
3、高性能、高灵敏度、高可靠性、高稳定性、长寿命、高信噪比、宽量程和无维护等特点。（3）输出：电量输出。3压力、加速度、转速等常见物理量可用什么传感器测量？各有什么特点？名称特点应用电阻式传感器电阻式传感器具有体积小、质量轻、结构简单、输出精度较高、稳定性好、适于动态和静态测量等特点。用于力、力矩、压力、位移、加速度、重量等参数的测量电容式传感器小功率、高阻抗；具有很高的输入阻抗；静电引力小，工作所需作用力小；有较高的频率，动态响应特性好；结构简单，可进行非接触测量。优点是本身发热小，缺点是输出非线性。 电容式传感器用于位移、振动、角度、加速度等机械量精密测量。逐渐应用于压力、压差、液面、成份含量
4、等方面的测量。电感式传感器具有结构简单可靠、输出功率大、分辨力高、线性度好、零点漂移少的优点，但是响应时间较长、不宜频率较高的动态测量。可测量位移、振动、压力、流量、重量、力矩、应变、密度等物理量。磁电、磁敏式传感器磁电式传感器是种有源传感器，输出功率大，结构简单，稳定可靠。但尺寸大、比较重、频率响应低。 广泛用于位移、振动、速度、转速、压力等测量。压电式传感器体积小、质量小、结构简单、工作可靠。但不能测量频率低的物理量。可以对各种动态力、机械冲击、加速度和振动进行测量光电式传感器具有非接触、快速、结构简单、性能可靠等优点。可测量力、温度、位移、速度等物理量。热电式传感器 热电偶特点：耐高温、
5、精度高，可测量上千度；热电阻特点：利用金属导体电阻随温度变化，可测温几XX；热敏电阻特点：体积小、灵敏度高、使用方便，稳定性差；集成温度传感器特点：体积小、响应快、价廉，测量150以下温度。主要测量温度变化。4了解传感器的分类方法。所学的传感器分别属于哪一类？（1）按传感器检测的量分类，有物理量、化学量，生物量；（2）按传感器的输出信号性质分裂，有模拟和数字；（3）按传感器的结构分类，有结构性、物性型、复合型；（4）按传感器功能分类，单功能，多功能，智能；（5）按传感器转换原理分类，有机电、光电、热电、磁电、电化学；（6）按传感器能源分类，有有源和无源；根据我国的传感器分类体系表，主要分为物理
6、量传感器、化学量传感器、生物量传感器三大类。5了解传感器的图形符号，其中符号代表什么含义。 图a 图b：电容式压力传感器正方形表示转换元件，三角形表示敏感元件，“X”表示被测量，“*”表示转换原理，如图b。压力用P，加速度用a,温度用t。第二章 传感器特性1传感器的性能参数反映了传感器的什么关系？传感器的性能参数反映了传感器的输入输出关系。2静态特性特性参数有哪些？各种参数代表什么意义，描述了传感器的哪些特征？（1）线性度：传感器的校准曲线与选定的拟合直线的偏离程度称为传感器的线性度，又称非线性误差。（yF.S.传感器的满量程输出值； ymax校准曲线与拟合直线的最大偏差。）。（2）灵敏度：指
7、传感器在稳态工作情况下输出改变量与引起此变化的输入改变量之比。常用Sn表示灵敏度，其表达式为。 一般希望测试系统的灵敏度在满量程范围内恒定，这样才便于读数。也希望灵敏度较高，因为S越大，同样的输入对应的输出越大。（3）迟滞（迟环）：在相同工作条件下做全量程范围校准时，正行程（输入量由小到大）和反行程（输入量由大到小）所得输出输入特性曲线不重合。表达式为。迟滞是由于磁性材料的磁化和材料受力变形，机械部分存在（轴承）间隙、摩擦、（紧固件）松动、材料内摩擦、积尘等造成的。（4）重复性：指传感器在输入量按同一方向作全量程连续多次测试时, 所得特性曲线不一致的程度。表达式为：。（5）静态误差：指传感器在
8、其全量程内任一点的输出值与其理论值的偏离程度。是评价传感器静态特性的综合指标。用非线性、迟滞、重复性误差表示；系统误差加随机误差用ymax表示校准曲线相对于拟合直线的最大偏差，即系统误差的极限值；用表示按极差法计算所得的标准偏差。（6）漂移：指传感器被测量不变，而其输出量却发生了改变。漂移包括零点漂移与灵敏度漂移，零点漂移与灵敏度漂移又可分为时间漂移（时漂）和温度漂移（温漂）。（7）稳定性：表示传感器在一较长时间内保持性能参数的能力，故又称长期稳定性。（8）分辨率：当传感器的输入从非零值缓慢增加时，在超过某一增量后，输出发生可观测的变化，这个输入增量称为传感器的分辨率，即最小输入增量。（9）阈
9、值电压：指输入小到某种程度输出不在发生变化的值。3什么是传感器的动态误差？传递函数和频率特性的定义是什么？（1）一个动态性能好的传感器，输入和输出之间应具有相同的时间函数，但是除了理想状态外，输出信号一定不会与输入信号有相同的时间函数，这种输入输出之间的差异就是动态误差，范阳了传感器的动态特性。动态误差通常包括两个部分：输出达到稳定状态后与理想输出之间的差别，称稳态误差；输入量发生跃变时，输出量由一个稳定状态过渡到另一个稳定状态期间的误差，称为暂态误差。（2）传递函数H(s)表示传感器系统本身的输出、转换特性。在数学的定义是：初始条件为零（t0,y=0）,输出拉氏变换与输入拉氏变换之比，输出的
10、拉氏变换等于输入的拉氏变换乘以传递函数。（3）当传感器输入正弦信号时，则分析传感器动态特性的相位、振幅、频率特性，称之为频率响应或频率特性。（4）当传感器输入阶跃信号时，则分析传感器的过渡过程和输出随时间变化情况，称之为传感器的阶跃响应或瞬态响应。4什么是传感器的动态特性? 其特性参数有那些？这些参数反映了传感器的哪些特征，应如何选择？（1）传感器的动态特性是指传感器输出对时间变化的输入量的响应特性。（2）1）频率响应特性指标 频带：传感器增益保持在一定值内的频率范围，即对数幅频特性曲线上幅值衰减3dB时所对应的频率范围，称为传感器的频带或通频带，对应有上、下截止频率。 时间常数：用时间常数来
11、表征一阶传感器的动态特性，越小，频带越宽。 固有频率n：二阶传感器的固有频率n表征了其动态特性。 2）瞬态响应特性指标 时间常数,一阶传感器时间常数越小, 响应速度越快。 延时时间,传感器输出达到稳态值的50%所需时间。 上升时间,传感器输出达到稳态值的90%所需时间。 超调量,传感器输出超过稳态值的最大值。（3）1）对于一阶传感器的动态响应主要取决于时间常数，越小越好，越小，减小时间常数，传感器上限频率越高，工作频率越宽，频率响应特性越好。 2）二阶传感器对阶跃信号响应和频率响应特性的好坏很大程度上取决于阻尼系数和传感器的固有频率n。5有一温度传感器，微分方程为30dy/dt+3y=0.15
12、x，其中y为输出电压（mV) , x为输入温度（）。试求该传感器的时间常数和静态灵敏度。由温度传感器的微分方程30dy/dt+3y=0.15x可知a1=30 , a0=3 , b0=0.15由一阶传感器的定义 时间常数 =a1/a0=30/3=10(S) 静态灵敏度 k=b0/a0=0.15/3=0.05(mV /）6有一温度传感器，当被测介质温度为t1，测温传感器显示温度为t2时，可用下列方程表示：。当被测介质温度从25突然变化到300时，测温传感器的时间常数0 =120s，试求经过350s后该传感器的动态误差。动态误差由稳态误差和暂态误差组成。先求稳态误差： 对方程两边去拉氏变换得： 则传
13、递函数为 对于一阶系统，阶跃输入下的稳态误差，再求暂态误差： 当t=350s时，暂态误差为 故所求动态误差为： 第三章 应变式传感器1什么是应变效应？什么是压阻效应？什么是横向效应？电阻应变效应：导体在收到外界拉力或压力的作用时会产生机械变形，同时机械变形会引起导体阻值的变化，这种导体材料因变形而使其电阻值变化的现象称为电阻应变效应。压阻效应：是指当半导体受到某一轴向上的外应力作用时，会引起半导体能带变化，使载流子迁移率的发生变化，进而造成电阻率发生变化的现象。横向效应：将直的电阻丝绕成敏感栅后，虽然长度不变，但应变状态不同，圆弧部分使灵敏度下降了，这种现象称为应变传感器的横向效应。2什么是应
14、变片的灵敏系数？半导体应变片灵敏系数范围是多少，金属应变片灵敏系数范围是多少？说明金属丝电阻应变片与半导体应变片的相同点和不同点。（1）应变片是一种重要的敏感元件，是应变和应力测量的主要传感器，如电子秤、压力计、加速度计、线位移装置常使用应变片做转换元件。（2）金属电阻丝的灵敏系数可近似写为，即；半导体灵敏系数近似为50100（3）金属丝电阻应变片与半导体应变片的比较 相同点：都主要引起两个方面的变化：材料几何尺寸变化（1+2）； 材料电阻率的变化（/）/ 不同点：金属导体应变片的电阻变化是利用机械形变产生的应变效应，对于半导体而言，应变传感器主要是利用半导体材料的压阻效应。金属的尺寸变化大，
15、半导体电阻率变化大，据此灵敏度去不同的等效。（4）半导体应变片比金属应变片在性能上的优缺点 优点：灵敏度高，体积小，耗电少，动态响应好，精度高，测量范围宽，有正负两种符号的应力效应，易于微型化和集成化。 缺点：受温度影响较大。3比较电阻应变片组成的单桥、半桥、全桥电路的特点。单桥电路：只在很小的条件下满足线性关系，其他条件下非线性误差不能满足测量要求。半桥差动电路：Uo与R1/R1成线性关系，无非线性误差，而且电桥电压灵敏度KU=E/2，是单臂工作时的两倍。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。4. 在传感器测量电路中，直流电桥与交流电桥有什么不同，如何考虑应用场
16、合？ 直流电桥的电源稳定，结构简单，但存在零漂和工频干扰，要求有较高的灵敏度，实际应用中输出端通常会接入放大电路；交流电桥放大电路简单，无零漂，不易受干扰，但不易取得高精度，需专用的测量仪器或电路。 5. 已知：有四个性能完全相同的金属丝应变片（应变灵敏系数）, 将其粘贴在梁式测力弹性元件上，如图3-30所示。在距梁端处应变计算公式为设力，, ,。求：说明是一种什么形式的梁。在梁式测力弹性元件距梁端处画出四个应变片粘贴位置，并画出相应的测量桥路原理图；求出各应变片电阻相对变化量；当桥路电源电压为6V时，负载电阻为无穷大，求桥路输出电压U0是多少？梁为一种等截面悬臂梁；应变片沿梁的方向上下平行各
17、粘贴两个； 第四章 电容式传感器1电容传感器有哪些类型？分别适合检测什么参数？叙述变极距型电容传感器的工作原理、输出特性。（1）类型：变极距型；变面积型；变介质型（2）变极距型：改变极板距离的电容器，适宜做小位移测量； 变面积型：改变极板面积的电容器，特点为测量范围较大，用于测线位移、角位移； 变介质型：改变极板介质的电容器，用于液面高度测量、介质厚度测量，可制成料位计等。（3）变极距型电容式传感器是将被测非电量（极板距离）变化成电容量的变化。（4）变极距型电容式传感器输出特性： 1）变极距型电容传感器灵敏度为要提高传感器灵敏度应减小初始极距，但初始极距受电容击穿电压限制； 2）非线性误差随相
18、对的位移的增加而增加, 为保证线性度应限制相对位移； 3）起始极距与灵敏度相矛盾，变极距型电容传感器适合测小位移； 4）为提高灵敏度和改善非线性，一般采用差动结构。 2为什么电感式和电容式传感器的结构多采用差动形式，差动结构形式的特点是什么？电感两端的电压与通过的电流的变化量成正比，流过电容的位移电流与其两端电压的变化量成正比，而差分方式正好放大的是电压或电流的变化量，故一般采用这种结构。差动式电容或电感传感器比单个电容或电感灵敏度提高一倍；非线性误差减小（多乘因子），线性度明显改善；可以抵消温度、噪声干扰的影响。3电容传感器的测量电路有哪些？差动脉冲调宽电路用于电容传感器测量电路具有什么特点
19、?电容传感器的测量电路有交流电桥、二极管双T型电路、差动脉冲调宽电路、运算放大器电路。差动脉冲调宽电路用于电容传感器测量电路特点：适用于任何差动电容传感器，并有理论线性度，与双T型相似，该电路不需加解调、检波，由滤波器直接获得直流输出，而且对矩形波纯度要求不高，只需稳定的电源即可。4为什么高频工作时的电容式传感器连接电缆的长度不能任意变化？低频时容抗较大，传输线的等效电感和电阻可忽略。而高频时容抗减小，等效电感和电阻不可忽略，这时接在传感器输出端相当于一个串联谐振，有一个谐振频率存在，当工作频率谐振频率时，串联谐振阻抗最小，电流最大，谐振对传感器的输出起破坏作用，使电路不能正常工作。通常工作频
20、率10MHz以上就要考虑电缆线等效电感的影响。5一单极板变极距型平板电容传感器，初始极距0=1mm，若要求测量的线性度为0.1%，求测量允许的极距最大变化量是多少？在同样的条件和要求下，如果是差动变极距型平板电容传感器，那么允许的极距最大变化量又是多少？ 单极板变极距型平板电容传感器线性输出近似为 忽略高次项为 线性度为 测量的允许变化范围为第五章 电感式传感器（变磁阻式、差动变压器式、电涡流式）1. 何谓电感式传感器？电感式传感器分为哪几类？各有何特点？（1）电感式传感器是利用线圈自感和互感的变化实现非电量电测的一种装置，传感器利用电磁感应定律将被测非电量转换为电感或互感的变化。（2）电感式
21、传感器种类：自感式、差动式、互感式、涡流式。（3）自感式结构简单、测量范围小、非线性误差大；互感式结构复杂、测量范围较大、有零点残余电压；涡流式可以进行非接触测量、但对象必须是金属材料。2. 什么是零点残余电压？说明差动变压器式传感器产生零点残余电压的原因及减少此电压的有效措施。（1）差动变压器式传感器的铁芯处于中间位置时，在零点附近总有一个最小的输出电压，将铁芯处于中间位置时，最小不为零的电压称为零点残余电压。（2）产生零点残余电压的主要原因是由于两个次级线圈绕组电气系数（互感 M 、电感L、内阻R）不完全相同，几何尺寸也不完全相同，工艺上很难保证完全一致。（3）为减小零点残余电压的影响，除
22、工业上采取措施外，一般要用电路进行补偿：串联电阻；并联电阻、电容，消除基波分量的相位差异，减小谐波分量；加反馈支路，初、次级间加入反馈，减小谐波分量；相敏检波电路对零点残余误差有很好的抑制作用。3. 差动自感传感器和差动变压器有什么区别？采用哪种转换电路既能直接输出与位移成正比的电压，又能根据电压的正负区别位移的方向？（1）差动自感传感器的线圈必须相同，但不绕在同一铁心上，磁通在线圈内不交链；而差动变压器的线圈可以不同，但线圈必须要绕在同一铁心上，磁通在线圈内相交链感应。（2）采用差动变压式转换电路既能直接输出与位移成正比的电压，又能根据电压的正负区别位移的方向。4. 什么是电涡流效应？涡流的
23、分布范围。电涡流传感器可以进行哪些非电量参数测量？（1）一个块状金属导体置于变化的磁场中或在磁场中切割磁力线运动时，导体内部会产生闭合的电流，这种现象称为涡流效应。（2）分布范围：径向：涡流范围与涡流线圈外径有固定比例关系，涡流密度的最大值只在线圈外径附近一个狭窄区域内；线圈中心为零。轴向：由于趋肤效应只在表面薄层存在。（3）可用于非接触式测量，位移、振动、转速、厚度、材料、温度。5. 电涡流传感器是由哪种电参量转换实现电量输出的？电涡流传感器可以检测金属材料，也可以检测非金属材料吗？（1）电涡流传感器是由电流转换实现电量输出。（2）电涡流传感器不可以直接测量非金属物体，这是由于传感器本身特性
24、决定的。涡流传感器与被测体共同构成传感器，因此被测体必须是导体。第六章 磁电式传感器（磁电感应式、霍尔式、磁敏元件）1为什么说磁电感应式传感器是一种有源传感器？常用的结构形式有哪些？（1）磁电感应式利用电磁感应原理将运动速度、位移转换成线圈中的感应电动势输出。工作时不需外加电源，导体和磁场发生相对运动是会在导体两端输出感应电动势。（2）有恒磁通式、变磁通式两种结构形式。2磁电式传感器是速度传感器，它如何通过测量电路获得相对应的位移和加速度信号？磁电式传感器的输出信号直接经主放大器输出，该信号与速度成正比。前置放大器分别接积分电路或微分电路，接入积分电路时，感应电动势输出正比于位移信号；接入微分
25、电路时，感应电动势输出正比于加速度信号。3什么是霍尔效应？霍尔电势的大小与方向和哪些因素有关？霍尔元件不等位电势产生的因素有哪些？ (1)通电的导体（半导体）放在磁场中，电流与磁场垂直，在导体另外两侧会产生感应电动势，这种现象称霍尔效应。 (2)霍尔电势：，式中v表示电子运动速度，B表示磁场强度，b表示电子流过霍尔元件的宽度；表示灵敏度，I表示流过的电流。(3)霍尔电势不为零的原因是：霍尔引出电极安装不对称，不在同一等电位面上；激励电极接触不良，半导体材料不均匀造成电阻率不均匀等原因。4霍尔元件的温度补偿方法有哪些？霍尔元件的常见应用。（1）外界温度敏感元件进行补偿：两种连接方式，恒流源激励，
26、恒压源激励。（2）测位移：极性相反磁极共同作用，形成梯度磁场；磁电编码器：金属齿轮计算脉冲数测转速；测压力压差；交流直流钳形数字电流表。5半导体磁敏元件有哪些？它们的电路符号怎样? 它们可以检测什么物理量？ （1）半导体磁敏元件：磁敏电阻，磁敏二极管，磁敏三极管等。 （2）1）磁敏电阻与霍尔元件属同一类，都是磁电转换元件，两者本质不同是磁敏电阻没有判断极性的能力，只有与辅助材料(磁钢)并用才具有识别磁极的能力。 2）磁敏二极管可用来检测交直流磁场，特别是弱磁场。可用作无触点开关、作箱位电流计、对高压线不断线测电流、小量程高斯计、漏磁仪、磁力探伤仪等设备装置。 3）磁敏三极管具有较好的磁灵敏度，
27、主要应用于磁场测量，特别适于10-6T以下的弱磁场测量，不仅可测量磁场的大小，还可测出磁场方向；电流测量。特别是大电流不断线地检测和保护；制作无触点开关和电位器，如计算机无触点电键、机床接近开关等；漏磁探伤及位移、转速、流量、压力、速度等各种工业控制中参数测量。第七章 压电式传感器1什么是压电效应？压电传感器能否用于静态测量？为什么？（1）某些晶体，当沿着一定方向施加力时，内部产生极化现象，两个表面会产生符号相反地电荷，外力去掉后又恢复不带电状态。作用力方向改变电荷极性也改变。（2）压电式传感器以电介质的压电效应为基础，外力作用下在电介质表面产生电荷，从而实现非电量测量,是一种典型的发电型传感
28、器。不适用于测量频率太低的物理量，更不能测量静态量。当输入信号频率时，电压放大器输入信号为零，即;因此压电传感器不能测静态物理量。2. 石英晶体和压电陶瓷的压电效应有何不同之处？比较几种常用压电材料的优缺点，说出它们各自适用的场合。（1）石英晶体整体是中性的，受外力作用而变形时没有体积变形压电效应，但它具有良好的厚度变形和长度变形压电效应。压电陶瓷PZT是一种多晶材料，本身并不具有压电性，必须在一定温度下极化处理后，才呈现压电特性。（2）石英晶体优点稳定性好，工作温度范围大，缺点灵敏度低，难于加工；适用于精度要求较高，不需要维护的场合。压电陶瓷优点灵敏度高，缺点是稳定性差，易碎；适用于精度要求
29、不太高且较易维护的场合。压电薄膜优点柔性好，便于加工，灵敏度高，缺点容易划破，耐高温性能差；适用于受力较小且工作温度不高的场合。3压电元件在使用时常采用多片串联或并联的结构形式。试述在不同接法下输出电压、电荷、电容的关系，它们分别适用于何种应用场合？（1）在压电式传感器中，为了提高灵敏度，往往采用多片压电芯片构成一个压电组件。其中最常用的是两片结构；根据两片压电片的连接关系，可分为串联和并联连接。（2）如果按相同极性粘贴，相当两个压电片（电容）串联。输出总电容为单片电容的一半，输出电荷与单片电荷相等，输出电压是单片的两倍；适合测量变化较快且以电压输出的场合；若按不同极性粘贴，相当两个压电片（电
30、容）并联，输出电容为单电容的两倍，极板上电荷量是单片的两倍，但输出电压与单片相等，适合测量变化较慢且以电荷输出的场合。4. 压电传感器的等效电路怎样？前置放大器起什么作用？电压放大器和电荷放大器各有什么特点？ （1）等效电路 压电传感器等效电压源 压电传感器等效电荷源 （2）前置放大器起放大微弱信号和阻抗变换（将传感器高阻输出变换为低阻输出）的作用。 （3）1）电压放大器：高频响应特性好。一般认为当3时输入电压与信号频率无关；低频响应差。从电压灵敏度Ku可见，连接电缆的分布电容Cc影响传感器灵敏度，使用时更换电缆就要求重新标定，测量系统对电缆长度变化很敏感，这是电压放大器的缺点。 2）电荷放大
31、器：为解决电缆分布电容Cc对传感器灵敏度的影响，和低频响应差的缺点可采用电荷放大，集成运放组成的电荷放大器有较好的性能。电荷放大器的输出电压U0只取决于输入电荷量Q和反馈电容Cf ，输出电压与电缆电容Cc无关，与Q成正比，与电容Cf 成反比，这是电荷放大器的突出优点。缺点是电路复杂、价格昂贵。5用石英晶体加速度计及电荷放大器测量机器振动，已知，加速度计灵敏度为5pC/g，电荷放大器灵敏度为50mV/pC，最大加速度时输出幅值2V，试求机器振动加速度。当输出幅值为2V时，机器振动加速度为： 6什么是超声波？其频率范围是多少？频率在几十千赫兹到几十兆赫兹，一种人听不到的声波。7. 超声波传感器的发射与接收分别利用什么效应？常用的超声波传感器（探头）有哪几种形式？（1）超声波传感器主要利用压电材料
