传感器原理及工程应用习题参考答案[1]
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《传感器原理及工程应用》习题答案
王丽香
第1章 传感与检测技术的理论基础（P26）
1－3 用测量范围为－50～150kPa 的压力传感器测量140kPa 的压力时，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：
已知： 真值L ＝140kPa 测量值x ＝142kPa
测量上限＝150kPa
测量下限＝－50kPa ∴ 绝对误差 Δ＝x-L=142-140=2(kPa) 实际相对误差 ％＝＝43.11402≈?L δ 标称相对误差 ％＝
＝
41.1142
2≈?x δ
引用误差
％－－＝
测量上限－测量下限
＝
1)
50(1502≈?
γ
1－10 对某节流元件（孔板）开孔直径d 20的尺寸进行了15次测量，测量数据如下（单位：mm ）： 120.42 120.43 120.40 120.42 120.43 120.39 120.30 120.40 120.43 120.41 120.43 120.42 120.39 120.39 120.40
试用格拉布斯准则判断上述数据是否含有粗大误差，并写出其测量结果。
解：
对测量数据列表如下：
当n ＝15时，若取置信概率P ＝0.95，查表可得格拉布斯系数G ＝2.41。 则 2072.410.03270.0788()0.104d G mm v σ=?=<=-，
所以7d 为粗大误差数据，应当剔除。然后重新计算平均值和标准偏差。 当n ＝14时，若取置信概率P ＝0.95，查表可得格拉布斯系数G ＝2.37。
则 20 2.370.01610.0382()d i G mm v σ=?=>，所以其他14个测量值中没有坏值。 计算算术平均值的标准偏差
20
0.0043()d m m σσ=
=
=
20
330.00430.013()d
mm σ=?=
所以，测量结果为：20(120.4110.013)()(99.73%)d m m P =±=
1－14
交流电路的电抗数值方程为
C
L X ωω1
-
=
当角频率Hz 51=ω，测得电抗1X 为Ω8.0； 当角频率Hz 22=ω，测得电抗2X 为Ω2.0； 当角频率Hz 13=ω，测得电抗3X 为Ω-3.0。 试用最小二乘法求电感L 、电容C 的值。
解法1：
1
L C
ωωX =-
，设x L =，1y C
=-
，则：
10.8551
0.2220.3x y x y x y ?=+
?
??
=+??
-=+?
??
所以，系数矩阵为15512
211A ??
???
???=?????????
?
， 直接测得值矩阵为0.80.20.3L ??
??
=????-??
，
最小二乘法的最佳估计值矩阵为1
?()x X A A A L y -??''==????
。
其中，15552
130
3123 1.292111115
2
A A ??
?
???????
?
???
??'==?
???????
??????????????
30330 1.293329.003
1.29
A A '==?-?=≠
所以，11211
1222 1.29311()33029.7A A A A A A A A --????'=
=????'-??
?? 52
10.8 4.10.20.04110.315
2
A L ??
??????????'==?
?????-??????-?
?????
所以?x X y ??==
????
1.2931
33029.7-????-??
4.10.04????
-??
＝0.1820.455??
??-?? 所以， 0.182L x H ==
11 2.2()0.455
C F y =-
=-
=-
解法2：
1
L C
ωωX =-
，设x L =，1y C
=-
，则：
10.85510.2220.3x y x y x y ?=+
?
??
=+??
-=+?
??
所以，系数矩阵为11
1221
2231
3215
51221
1a a A a a a a ??
???????
?
??==???????????????
?
， 则，由（1－39）式决定的正规方程为
[][][][][][]
1112121222a a x a a y a l a a x a a y a l ?+=??
+=?? 其中， []222
1111112121313152130a a a a a a a a =++=++=
[]12111221223132
115211352
a a a a a a a a =++=?
+?
+?=
[]211211222132313a a a a a a a a =++=
[]2
2
2
22121222223232
111 1.2952a a a a a a a a ????=++=++= ? ?????
[]1111212313
50.820.21(0.3) 4.1a l a l a l a l =++=?+?+?-=
[]2121222323
110.80.21(0.3)0.0452
a l a l a l a l =++=?+
?+?-=-
所以，303 4.1
3 1.290.04
x y x y +=?
?
+=-?
所以，0.180.455
x y =??
=-?
所以， 0.182L x H ==
1 2.2C F y
=-
=
第2章 传感器概述（P38）
2－5 当被测介质温度为t 1，测温传感器示值温度为t 2时，有下列方程式成立：
τ
τd dt t t 20
21+=。
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s 1200＝τ，试确定经过300s 后的动态误差。
已知：2120
dt t t d ττ
=+，125(0)300
(0)
t t t ≤?=?
>?，0120s τ=
求：t=350s 时，12?t t -=
解：
灵敏度k=1时，一阶传感器的单位阶跃响应为()1t y t e τ-=-。
类似地，该测温传感器的瞬态响应函数可表示为：0
2()25(30025)(1)t e
τττ-=+-?-。
当350s τ=时，350120225(30025)(1)285.15()t e
C -=+-?-=
。 所以，动态误差12300285.1514.85()t t C -=-=
。
2－6 已知某传感器属于一阶环节，现用于测量100Hz 的正弦信号，如幅值误差限制在±5％以内，时间常数τ应取多少？若用该传感器测量50Hz 的正弦信号，问此时的幅值误差和相位误差各为多少？
解：
一阶传感器的幅频特性为：
()()
2
11ωτ
ω+=
A
因为幅值误差限制在±5％以内，即 ()95.0>ωA 当Hz f 100=时，有 s 00052.0max =τ。
若用此传感器测量Hz f 50=的信号，其幅值误差为：
()()
()
%3.1987.0100052.050211
111112
2
=-=??+=s Hz A πωτ
ω＋－
＝－
－
相位误差为：
()()?-=-=Φ28.9ωτ
ωarctg
2－8 已知某二阶系统传感器的固有频率为10kHz ，阻尼比5.0＝ξ，若要求传感器输出幅值误差小于3％，则传感器的工作范围应为多少？
已知kHz n 102?=πω，5.0＝ξ，()%31<-ωA 。 求：传感器的工作频率范围。 解：
二阶传感器的幅频特性为：2
2
2
211
)(???? ??+???????????
?
??-=
n n
A ωω
ξ
ωωω。
当0=ω时，()1=ωA ，无幅值误差。当0>ω时，()ωA 一般不等于1，即出现幅值误差。 若要求传感器的幅值误差不大于3％，应满足()03.197.0≤≤ωA 。 解方程97.0211
)(2
2
2
=????
??+???????
?
???
? ??-=
n n
A ωωξωω
ω，得n ωω03.11=；
解方程03.1211
)(2
2
2
=???? ??+???????
?
???
? ??-=
n n
A ωω
ξωω
ω，得n ωω25.02=，n ωω97.03=。
由于5.0＝ξ，根据二阶传感器的特性曲线可知，上面三个解确定了两个频段，即0～2ω和3ω～1ω。前者在特征曲线的谐振峰左侧，后者在特征曲线的谐振峰右侧。对于后者，尽管
在该频段内也有幅值误差不大于3％，但是该频段的相频特性很差而通常不被采用。所以，只有0～2ω频段为有用频段。由kHz n 10225.025.02??==πωω可得kHz f 5.2=，即工作频率范围为0～kHz 5.2。
第3章 应变式传感器（P60）
3－6 题3－6图为等强度悬臂梁测力系统，1R 为电阻应
变片，应变片灵敏系数K ＝2.05，未受应变时，
1120R =Ω。当试件受力F 时，应变片承受平均应变m m /800με＝
，
试求：
① 应变片电阻变化量1R ?和电阻相对变化量11/R R ?。
② 将电阻应变片1R 置于单臂测量电桥，电桥电源电压为直流3V ，求电桥输出电压及电桥非线性误差。
③ 若要减小非线性误差，应采取何种措施？分析其电桥输出电压及非线性误差大小。
已知：K ＝2.05，1120R =Ω，4800/8.0010m m εμ-==?，3E V = 求：11/R R ?，1R ?，0U ， L γ 解：
①应变片的电阻相对变化量为 4311/ 2.058.0010 1.6410R R K ε--?==??=?
电阻变化量为
()3
1111120 1.64100.1968R R R R -????==??=Ω ???
②设电桥的倍率n ＝1，则电桥的输出电压为
()
()33
1102
113 1.6410 1.2310441R R n
E U E V R R n --??????==??=? ? ?+??
??
电桥的非线性误差为 1
1
31
1
3
11112 1.6410
0.08%2 1.6410112L
R R R R R R n R R γ--????
?? ?====?+???? ?+++ ? ???
??
R 1
A
(a )R 1
A
(b
)
③若要减小非线性误差，可以采用差动电桥电路（半桥差动电路或者全桥差动电路）。此时可以消除非线性误差，而且可以提高电桥电压的灵敏度，同时还具有温度补偿作用。
（a ）如果采用半桥差动电路，需要在等强度梁的上下两个位置安装两个工作应变片，一个受拉应变，一个受压应变，接入电桥的相邻桥臂，构成半桥差动电路。此时电桥的输出电压为
()33
1013 1.6410 2.461022
R E U V R --???=
=??=? ???，是单臂工作时的两倍。 （b ）如果采用全桥差动电路，需要在等强度梁的上下四个位置安装四个工作应变片，两个受拉应变，两个受压应变，将两个应变符号相同的接入相对桥臂上，构成全桥差动电路。此时电桥的输出电压为 ()33
1013 1.6410 4.9210R U E V R --???==??=? ???
，是单臂工作时的四倍。
3－7 在题3－6条件下，如果试件材质为合金钢，线膨胀系数C g ??=-/10
116
β，电阻应
变片敏感栅材质为康铜，其电阻温度系数C ??=-/10156α，线膨胀系数C s ??=-/10
9.146
β。当传感器的环境温度从10℃变化到50℃时，所引起的附加电阻相对
变化量（R R /?）为多少？折合成附加应变t ε为多少？
解：
已知：试件合金钢的线膨胀系数C g ??=-/10116
β，电阻应变片的灵敏系数为K 0＝2.05，
电阻温度系数C
??=-/10
156
α，线膨胀系数C
s ??=-/109.146
β，
）（C t ?=-=?401050，
则由温度变化引起的附加电阻相对变化为： ()[]()[
]4
6
6
000
10
802.24010
9.141105.210
15---?=??-?+?=?-+=?t K R R s g t ββα。
折合成附加应变为4
4
10
37.105
.210
802.2/--?=?=
?=
K R R t t ε。
3－8 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，外径为20mm ，内径为18mm ，在其表面粘贴八个应变片，四个沿轴向粘贴，四个沿周向粘贴，应变片的电阻值均为120Ω，灵敏度为2.0，泊松比为0.3，材料弹性模量Pa E 11
101.2?=。
要求：
① 绘出弹性元件贴片位置及全桥电路；
② 计算传感器在满量程时各应变片的电阻；
③ 当桥路的供电电压为10V 时，计算电桥负载开路时的输出。
解：
已知：F ＝10kN ，外径mm D 20=，内径mm d 18=，R ＝120Ω，K ＝2.0，3.0=μ，
Pa E 11
10
1.2?=，U i ＝10V 。
圆筒的横截面积为()3
6
2
2
10
7.594
mm d
D
S -?=-=
π
弹性元件贴片位置及全桥电路如图所示。
应变片1、2、3、4感受轴向应变：x εεεεε====4321 应变片5、6、7、8感受周向应变：y εεεεε====8765 满量程时，
Ω
=Ω?????
===?=?=?=?-191.0120101.210
7.59100.211
3
6
4321Pa
mm
kN
R SE
F K
R K R R R R x εΩ
-=Ω?-=?-==?=?=?=?0573.0191.03.018765R R K R R R R y με
电桥的输出为：
()()()()()()()()
()()()()mV
V R R R R R R R R R R R R R R R R R R R R R R R R U U i 10191.120191.120943.119943.119943.119943.119943.119943.119191.120191.120191.120191.120104422886688667755331133110=??
?
??++++-++++?=?
??????++?++?++?+?++?+-?++?++?++?+?++?+=
第4章 电感式传感器（P84）
4－7 已知一差动整流电桥电路如题4－7图所示。电路由差动电感传感器Z 1、Z 2及平衡电
阻R 1、R 2（R 1=R 2）组成。桥路的一个对角接有交流电源i U ，另一个对角线为输出端0
U ，试分析该电路的工作原理。
解：
忽略R 3 、R 4的影响，可知U 0 ＝ U CD = U D －U C 。
若电源电压i
U 上端为正、下端为负时，V D1 、V D3 导通，等效电路如图（a ）所示。 当差动电感传感器Z 1 ＝Z ＋?Z ，Z 2 ＝Z －?Z 时，U C > U D ，U 0 为负。 当差动电感传感器Z 1 ＝Z －?Z ，Z 2 ＝Z ＋?Z 时，U C < U D ，U 0 为正。
若电源电压i
U 上端为负、下端为正时，V D2 、V D4 导通，等效电路如图（b ）所示。 当差动电感传感器Z 1 ＝Z ＋?Z ，Z 2 ＝Z －?Z 时，U C > U D ，U 0 为负。
当差动电感传感器Z 1 ＝Z －?Z ，Z 2 ＝Z ＋?Z 时，U C < U D ，U 0 为正。
a )
(b
)
(c )
R R R R (d )
因此，无论电源电压i
U 的正负如何，输出电压U 0 的大小反映?Z 的大小，U 0 的正负极性反映?Z 的正负情况（例如衔铁的移动方向）。
4－8 已知变隙式电感传感器的铁芯截面积A ＝1.5cm 2，磁路长度L ＝20cm ，相对磁导率
50001=μ，气隙cm 5.00=δ，mm 1.0±=?δ，真空磁导率m H /1047
0-?=πμ，线圈
匝数3000=W ，求单端式传感器的灵敏度δ??/L 。若将其做成差动结构形式，灵敏度将如何变化？
解：
已知：A 0＝1.5cm 2
，m H /10470-?=πμ，3000=W 。
单端式传感器的灵敏度为
()
()m H A W L /9.3310
5.0210
5.110
43000
22
2
4
7
2
20
02
＝＝
－－－??????=
??πδμδ
题4－7图
U i
图（a ）
U i
图（b ）
若将其做成差动结构形式，则灵敏度为单线圈式的两倍，且线性度也会得到明显改善。
第5章 电容式传感器（P99）
5－3 图5—7为电容式液位计测量原理图。请为该测量装置设计匹配的测量电路，要求输出电压0U 与液位h 之间呈线性关系。
图5-7
解：
电容式液位计的电容值为：d
D n h C C 1)(210εεπ-+
=，其中d
D n H C 120πε=
。
可见C 与液面高度h 呈线性关系。
可以看出，该结构不宜做成差动形式，所以不宜采用二极管双T 形交流电桥，也不宜采用脉冲宽度调制电路。另外要求输出电压0U 与液位h 之间呈线性关系，所以不宜采用调频电路和运算放大器式电路。
可以采用环形二极管充放电法，具体电路如图所示。可将直流电流表改为直流电压表与负载电阻R 的并联，R 上的电压为0U ，则有：
)(0d x C C E Rf RI U -?==
其中，C x 为电容式液位计的电容值，f 为方波的频率，ΔE =E 2-E 1为方波的幅值，C d 为平衡电容传感器初始电容的调零电容。当h=0时调节
d
D n H
C C d 120πε==，则输出电压0U 与
液位h 之间呈线性关系。
d
D n h C C 1)(210εεπ-+
=环形二极管电容测量电路原理图
E
5－5 题5—5图为电容式传感器的双T 电桥测量电路，已知Ω===k R R R 4021，Ω=k R L 20，V e 10=，MHz f 1=，pF C 100=，pF C 101=，pF C 11=?。求L U 的
表达式及对于上述已知参数的L U 值。
解：
()()
V C C Uf R R R R R R U
L L L L
18.010
110110202040)
20240(40)
()
()2(
6
2
012
=
??????+?+?=-?++=
5－8 题5—8图为二极管环形电桥检波测量电路，p U 为恒压信号源，1C 和2C 是差动式电
容传感器，0C 是固定电容，其值10C C >>，20C C >>，设二极管41~D D V V 正向电阻为零，反向电阻为无穷大，信号输出经低通滤波器取出直流信号AB e 。要求：
① 分析检波电路测量原理；
② 求桥路输出信号()21,C C f e AB
=的表达式；
③ 画出桥路中A U 、B U 、AB e 在21C C =、21C C >、21C C <三种情况下的波形图（提
示：画出p U 正负半周的等效电路图，并标出工作电流即可求出AB e 的表达式）。
V e
R U
R 2
R L
＋
R 1＋
I 1
I 2(a )
(b )
(c )
C 1C 2R 1
R L
＋
R 2
＋
C 1
C 2
I '
I '
U L
U p
t
题5—8图
解：
等效电路为：
当Up 为正半周时，D 1、D 3导通，等效电路如图（a ）所示。 当Up 为负半周时，D 2、D 4导通，等效电路如图（b ）所示。 电容0C 、1C 和2C 的阻抗分别为：0
01C j Z ω=
，1
11C j Z ω=
，2
21C j Z ω=
。
则p
A
U
Z Z Z U
11+=
，p B U Z Z Z U 0
22+=
。
()
()()
()
()()
20102100201120C C C C C C C U
Z Z Z Z Z Z Z U
U
U
e p
p
A
B
AB ++-=++-=-＝
∵2010C C C C >>>>， ∴p p
AB U C C U
C C C e 0
2
1212?=-≈
当21C C =时，21Z Z =，B A U U ＝，0＝AB e ； 当21C C >时，21Z Z <，
00<<><< A B A p B A B A p U U U U U U U U U U ，即负半周时，，即正半周时，，所以0>AB e ； 当21C C <时，21Z Z >，B A B A p B A B A p U U U U U U U U U U >><>>>00 ，即负半周时，，即正半周时，，所以0 波形如图所示。 （b ）Up 为负半周时 U p （a ）Up 为正半周时 U p 0 t e AB 2 1C C = 2 1 C C > 第6章 压电式传感器 1、一只x 切型的石英晶体压电元件，其N C d /1031.21211-?=，相对介电常数5.4=r ε，横截面积25cm A =，厚度cm h 5.0=。求： （1）纵向受N F x 8.9=的压力作用时压电片两电极间输出电压值为多大？ （2）若此元件与高输入阻抗运放连接时连接电缆的电容为pF C c 4=，该压电元件的输出电压值为多大？ 解： （1）所谓纵向受力，是指作用力沿石英晶体的电轴方向（即x 轴方向）。对于x 切型的石英晶体压电元件，纵向受力时，在x 方向产生的电荷量为： C F d q x x 12 12 1110 6.228.910 31.2--?=??== 压电元件的电容量为： F h A C r a 12 2 4 12 010 98.310 5.010 51085.85.4----?=?????= = εε 所以两电极间的输出电压值为 V C q U a x 68.510 98.3106.2212 120=??= = -- （2）此元件与高输入阻抗运放连接时，连接电缆的电容与压电元件本身的电容相并联，输出电压将改变为： V C C q U c a x 83.210 410 98.3106.2212 12 12 =?+??= +='--- 2 1 C C < 2、（选作）一只石英晶体压电式传感器的面积21cm A =，厚度d=1mm ，固定在两块金属板之间，用来测量作用在晶体两表面上的力的变化。已知石英的弹性模量Pa E 10109?=，相对介电常数1.5=r ε，传感器的电荷灵敏度N pC S q /2=，电阻Ω=1410a R 。另有一个pF C L 20=的电容和一个Ω=M R L 100的电阻与极板并联。所加外力 N t F )10sin(01.03 =。试求： （1）两极板间电压的峰－峰值； （2）晶体厚度的最大变化。 解： （1） 石英晶体受力最大时，产生的电荷量最多。受力方向改变时，电荷符号也随之改变。 受正弦力作用时，电荷量也按照正弦规律变化。根据题意，可知所加外力的幅值为 N F m 01.0=，因此，无负载时输出的电荷量的幅值为： C F S q m q m 12 12 10 02.001.010 2--?=??== 传感器的电容量为： F d A C r a 12 3 4 12010 51.410 110 11085.81.5----?=?????= = εε 则无负载时输出电压的幅值为 mV C q U a m m 43.410 51.41002.012 12=??= = -- 则无负载时两极板间电压的峰－峰值为： mV U U m p p 86.843.422=?==- 接负载时，实际输出电压与理想输出电压之比的相对幅频特性为 ()() 2 1ωτ ωτ ω＋＝ A 式中，s rad /103 ＝ω为所加外力的角频率；RC =τ为电路的时间常数，其中，R 为a R 与 L R 的等效电阻，C 为a C 与L C 的等效电容，即 ()Ω≈?+??= +=8 6 14 61410 10 10010 1010010L a L a R R R R R ()F C C C L a 12 12 1051.2410 2051.4--?=?+=+= 故 ()() ( ) 926.010 51.241010110 51.24101012 12 8312 832 =???+???= --RC RC A ωωω＋＝ 所以有负载时两极板间电压的峰－峰值为： ()mV U A U p p p p 20.886.8926.0=?=='--ω （2）当所受外力为最大压力时，厚度减小量最大；当所受外力为最大拉力时，厚度增加量最大。所以厚度的最大变化量为 m EA d F d m 12 4 10 310 22.210 110 910101.022 ---?=?????? ==? 可见厚度的改变量非常小。 第7章 磁电式传感器 1、 某霍尔元件尺寸为l=10mm ，b=3.5mm ，d=1.0mm ，沿l 方向通以电流I=1.0mA ，在垂直 于l 和b 的方向上加有均匀磁场B ＝0.3T ，灵敏度为22V/(A·T)，试求输出的霍尔电势以及载流子浓度。 解： 输出的霍尔电势为： ） （mV IB K U H H 6.63.0100.1223 =???==- 由 ne R d R K H H H 1= ，＝ 可得载流子浓度为： 3 20 3 19 /1084.210 110 6.1221 1m ed K n H ?=????= ?= -- 第8章 光电式传感器 8－8当光纤的46.11＝n ，45.12＝n ，如光纤外部介质的10＝n ，求光在光纤内产生全反射时入射光的最大入射角c θ。 解： 最大入射角 ＋ ＋ － t 1 t 2 A A B B t 0 t 0 8.91706.0arcsin 45 .146.1arcsin 1arcsin 2 22 2210 ==-=-=n n n c θ 2、若某光栅的栅线密度为50线/mm ，标尺光栅与指示光栅之间的夹角为0.01rad 。求：所形成的莫尔条纹的间距。 解： 光栅栅距为 mm mm W 02.0/501=＝ 标尺光栅与指示光栅之间的夹角为 rad 01.0=θ 莫尔条纹的间距为 mm mm W W B H 201 .002.02 sin == ≈ = θ θ 3、利用一个六位循环码码盘测量角位移，其最小分辨率是多少？如果要求每个最小分辨率对应的码盘圆弧长度最大为0.01mm ，则码盘半径应有多大？若码盘输出数码为“101101”，初始位置对应数码为“110100”，则码盘实际转过的角度是多少？ 解： 六位循环码码盘测量角位移的最小分辨率为： rad 098.06.52 3606 === α。 码盘半径应为： mm mm l R 1.0098 .001.0===α 循环码101101的二进制码为110110，十进制数为54； 循环码110100的二进制码为100111，十进制数为39。 码盘实际转过的角度为： 846.515)3954(=?=?-=αθ。 第13章 传感器在工程检测中的应用 P275 15－8 用两只K 型热电偶测量两点温差，其连接线路如图所示。已知t 1=420℃，t 0=30℃，测得两点的温差电势为15.24mV ，试问两点的温差为多少？后来发现，t 1温度下的那只热电偶错用E 型热电偶，其它都正确，试求两点实际温度差。 解： t 1=420℃，t 0=30℃。若为K 型热电偶，查表（15－5）可知： 1(,0)17.241AB e t m V = 0(,0) 1.203AB e t m V = 所以 10(,)17.241 1.20316.038()AB e t t mV =-= 因为 1020(,)(,)15.24AB AB e t t e t t m V -= 所以 20(,)16.03815.240.798()AB e t t m V =-= 所以 2020(,0)(,0)(,) 1.2030.798 2.001()AB AB AB e t e t e t t mV =+=+= 查表可得 250t C ≈ 所以，两点的温差为 2142050370()t t C -=-= 若t 1温度下用的是E 型热电偶，则需查表（15－6）。t 1=420℃，t 0=30℃，则有 mV t e AB 546.30)0,(1= mV t e AB 801.1)0,(0= 所以 ）（mV t t e AB 745.28801.1546.30),(01=-=. 因为 1020(,)(,)15.24AB AB e t t e t t m V -= 所以 ）（mV t t e AB 505.1324.15745.28),(02=-= 查表（15－5）可知： 0(,0) 1.203AB e t m V = 所以 ） （＋mV t e AB 708.14203.1505.13)0,(2== 查表（15－5）可知： C t ?≈3602 所以，两点的实际温差为 ）（C t t ?=-=-6036042012 P276 15－19有一台电动差压变送器配标准孔板测量流量，差压变送器的量程为16kPa ，输出为4～20mA ，对应的流量为0～50t/h ，工艺要求在40 t/h 时报警，试问： （1） 差压变送器不带开方器时，报警值设定在多少毫安？ （2） 带开方器时，报警值又设定在多少毫安？ 解： 流体的体积或质量流量与被测流体流过标准节流装置前后产生的压力差的平方根成正比。差压变送器是一个把差压信号转换成电流信号的装置。 (1)如果不使用开方运算电路或加开方器，差压计所显示的电流值与压差成正比，与被测流量不呈线性关系，即：被测流量与显示的电流值的平方根成正比，即 I p q m ∝ ?∝ 由此可得： 504 200 40440--= --I 流量为40 t/h 时的电流信号为： mA I 1640≈ (2)如果带开方器，则差压计所显示的电流值与压差的平方根成正比，与被测流量呈线性关系，即 I p q m ∝?∝ 由此可得： 500404 20440--=--I 流量为40 t/h 时的电流信号为： mA I 8.1640= 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 温度传感器的应用及原理 温度测量应用非常广泛，不仅生产工艺需要温度控制，有些电子产品还需对它们自身的温度进行测量，如计算机要监控CPU的温度，马达控制器要知道功率驱动IC的温度等等，下面介绍几种常用的温度传感器。 温度是实际应用中经常需要测试的参数，从钢铁制造到半导体生产，很多工艺都要依靠温度来实现，温度传感器是应用系统与现实世界之间的桥梁。本文对不同的温度传感器进行简要概述，并介绍与电路系统之间的接口。 热敏电阻器 用来测量温度的传感器种类很多，热敏电阻器就是其中之一。许多热敏电阻具有负温度系数(NTC)，也就是说温度下降时它的电阻值会升高。在所有被动式温度传感器中，热敏电阻的灵敏度(即温度每变化一度时电阻的变化)最高，但热敏电阻的电阻/温度曲线是非线性的。表1是一个典型的NTC热敏电阻器性能参数。 这些数据是对Vishay-Dale热敏电阻进行量测得到的，但它也代表了NTC热敏电阻的总体情况。其中电阻值以一个比率形式给出(R/R25)，该比率表示当前温度下的阻值与25℃时的阻值之比，通常同一系列的热敏电阻器具有类似的特性和相同电阻/温度曲线。以表1中的热敏电阻系列为例，25℃时阻值为10KΩ的电阻，在0℃时电阻为28.1KΩ，60℃时电阻为4.086KΩ；与此类似，25℃时电阻为5KΩ的热敏电阻在0℃时电阻则为 14.050KΩ。 图1是热敏电阻的温度曲线，可以看到电阻/温度曲线是非线性的。 虽然这里的热敏电阻数据以10℃为增量，但有些热敏电阻可以以5℃甚至1℃为增量。如果想要知道两点之间某一温度下的阻值，可以用这个曲线来估计，也可以直接计算出电阻值，计算公式如下： 这里T指开氏绝对温度，A、B、C、D是常数，根据热敏电阻的特性而各有不同，这些参数由热敏电阻的制造商提供。 热敏电阻一般有一个误差范围，用来规定样品之间的一致性。根据使用的材料不同，误差值通常在1%至10%之间。有些热敏电阻设计成应用时可以互换，用于不能进行现场调节的场合，例如一台仪器，用户或现场工程师只能更换热敏电阻而无法进行校准，这种热敏电阻比普通的精度要高很多，也要贵得多。 图2是利用热敏电阻测量温度的典型电路。电阻R1将热敏电阻的电压拉升到参考电压，一般它与ADC的参考电压一致，因此如果ADC的参考电压是5V，Vref 也将是5V。热敏电阻和电阻串联产生分压，其阻值变化使得节点处的电压也产生变化，该电路的精度取决于热敏电阻和电阻的误差以及参考电压的精度。 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 3 3 30010 60 510 U k X - - ?? === ?? 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/℃、 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。 1.5 答： 图形符号（略），各部分含义如下： ①敏感元件：指传感器中直接感受被测量的部分。 ②传感器：能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,通常由敏感元件和转换 元件组成。 ③信号调理器：对于输入和输出信号进行转换的装置。 ④变送器：能输出标准信号的传感器答：（略）答：（略）答：（略） 《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。空心圆柱体的灵敏度相对实心轴要高许多，在同样的截面积下，轴的直径可加大数倍，这样可提高轴的抗弯能力，但其过载能力相对弱，载荷较大时会产生较明显的桶形形变，使输出应变复杂而影响精度。环状敏感元件一般为等截面圆环结构，圆环受力后容易变形，所以它的灵敏度较高，多用于测量较小的力，缺点是圆环加工困难，环的各个部位的应变及应力都不相等。悬臂梁的特点是结构简单，易于加工，输出位移(或应变)大，灵敏度高，所以常用于较小力的测量。扭转轴式弹性敏感元件用于测量力矩和转矩。 变换压力的弹性敏感元件通常有弹簧管、波纹管、等截面薄板、波纹膜片和膜盒、薄壁圆筒和薄壁半球等。弹簧管可以把压力变换成位移，且弹簧管的自由端的位移量、中心角的变化量与压力p成正比，其刚度较大，灵敏度较小，但过载能力强，常用于测量较大压力。波纹管的线性特性易被破坏，因此它主要用于测量较小压力或压差测量中。 作业二 1.何谓电阻式传感器它主要分成哪几种 答：电阻式传感器是将被测量转换成电阻值，再经相应测量电路处理后，在显示器记录仪上显示或记 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 R dR x ++=)21(和[]x m x K C R dR εεμμ=-++=)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 v f 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： kg m m N E 33 6211108.710/102--????==ρν; s m kg s m Kg /10585.18.7/8.910242 28?=???=； 可算得kHz m s m e l v f 112%5.061010/10585.1||634max =???==-π。 2-6、为什么常用等强度悬臂梁作为应变式传感器的力敏元件? 现用一等强度梁：有效长l =150mm ，固 支处宽b=18mm ，厚h=5mm ，弹性模量E=2×105N/mm 2，贴上4片等阻值、K=2的电阻应变计，并接入四 等臂差动电桥构成称重传感器。试问： 1)悬臂梁上如何布片?又如何接桥?为什么? 2)当输入电压为3V ，有输出电压为2mV 时的称重量为多少? 答：当力F 作用在弹性臂梁自由端时，悬臂梁产生变形，在梁的上、下表面对称位置上应变大小相当，极性相反，若分别粘贴应变片R 1 、R 4 和R 2 、R 3 ，并接成差动电桥，则电桥输出电压U o 与力F 成正比。等强度悬臂梁的应变 E h b Fl x 206=ε不随应变片粘贴位置变化。 1）、悬臂梁上布片如图2-20a 所示。接桥方式如图2-20b 所示。这样当梁上受力时，R1、R4受拉伸力作用，阻值增大，R2、R3受压，阻值减小，使差动输出电压成倍变化。可提高灵敏度。 2）、当输入电压为3V ，有输出电压为2mV 时的称重量为： 计算如下： 由公式：o i i x i o U KlU E bh F E h b Fl K U K U U 66220=?==ε代入各参数算F =33.3N ； 1牛顿=0.102千克力；所以，F=3.4Kg 。此处注意：F=m*g ；即力=质量*重力加速度；1N=1Kg*9.8m/s 2. 力的单位是牛顿（N ）和质量的单位是Kg ；所以称得的重量应该是3.4Kg 。 2020年传感器原理课后答案精编版 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 2 140 142= - = ?kPa 实际相对误差 % 43 .1 % 100 140 140 142 = ? - = δ 标称相对误差 % 41 .1 % 100 142 140 142 = ? - = δ 引用误差 % 1 % 100 50 150 140 142 = ? - - - = ） （ γ 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。 对于测量列中的某一个测得值来说，随机误差的出现具有随机性，即误差的大小和符号是不能预知的，但当测量次数增大，随机误差又具有统计的规律性，测量次数越多，这种规律性表现得越明显。所以一般可以通过增加测量次数估计随机误差可能出现的大小，从而减少随机误差对测量结果的影响。 5．什么是系统误差？系统误差可分哪几类？系统误差有哪些检验方法？如何减小和消除系统误差？答：在同一测量条件下，多次测量同一量值时，绝对值和符号保持不变，或在条件改变时，按一定规律变化的误差称为系统误差。 《传感器原理与应用》综合练习 一、填空题 1．热电偶中热电势的大小仅与金属的性质、接触点温度有关，而与热电极尺寸、形状及温度分布无关。 2．按热电偶本身结构划分，有普通热电偶、铠装热电偶、微型热电偶。3．热电偶冷端电桥补偿电路中，当冷端温度变化时，由不平衡电桥提供一个电位差随冷端温度变化的附加电势，使热电偶回路的输出不随冷端温度的变化而改变，达到自动补偿的目的。 4．硒光电池的光谱峰值与人类相近，它的入射光波长与人类正常视觉的也相近，因而应用较广。 5．硅光电池的光电特性中，光照度与其短路电流呈线性关系。 6．压电式传感器的工作原理是基于某些介质材料的压电效应。 7．压电陶瓷是人工制造的多晶体，是由无数细微的电畴组成。电畴具有自己极化方向。经过极化过的压电陶瓷才具有压电效应。 8．压电陶瓷的压电常数比石英晶体大得多。但石英晶体具有很多优点，尤其是其它压电材料无法比的。 9．压电式传感器具有体积小、结构简单等优点，但不能测量频率小的被测量。特别不能测量静态量。 10．霍尔效应是导体中的载流子在磁场中受洛伦茨力作用发生位移的结果。 11．霍尔元件是N型半导体制成扁平长方体，扁平边缘的两对侧面各引出一对电极。一对叫激励电极用于引入激励电流；另一对叫霍尔电极，用于引出霍尔电势。 12．减小霍尔元件温度误差的措施有：（1）利用输入回路的串联电阻减小由输入电阻随温度变化；引起的误差。（2）激励电极采用恒流源，减小由于灵敏度随温度变化引起的误差。 13．霍尔式传感器基本上包括两部分：一部分是弹性元件，将感受的非电量转换成磁物理量的变化；另一部分是霍尔元件和测量电路。 14．磁电式传感器是利用霍尔效应原理将磁参量转换成感应电动势信号输出。 15．变磁通磁电式传感器，通常将齿轮的齿（槽）作为磁路的一部分。当齿轮转动时，引起磁路中，线圈感应电动势输出。 16．热敏电阻正是利用半导体的数目随着温度变化而变化的特性制成的热敏感元件。 17．热敏电阻与金属热电阻的差别在于，它是利用半导体的电阻随温度变化阻值变化的特点制成的一种热敏元件。 18．热敏电阻的阻值与温度之间的关系称为热敏电阻的。它是热敏电阻测温的基础。 19．热敏电阻的基本类型有：负温度系数缓变型、正温度系数剧变型、临界温度型。 20．正温度系数剧变型和临界温度型热敏电阻不能用于温度范围的温度控制，而在某一温度范围内的温度控制中却是十分优良的。 21．正温度系数剧变型和临界温度型热敏电阻属于型，适用于温度监测和温度控制。 一：填空题（每空1分） 1.依据传感器的工作原理，传感器分敏感元件，转换元件， 测量电路三个部分组成。 2.半导体应变计应用较普遍的有体型、薄膜型、扩散型、外延型等。 3.光电式传感器是将光信号转换为电信号的光敏元件，根据光电效应可以分为 外光电效应，光电效应，热释电效应三种。 4.亮电流与暗电流之差称为光电流。 5.光电管的工作点应选在光电流与阳极电压无关的饱和区域。 6.金属丝应变传感器设计过程中为了减少横向效应，可采用直线栅式应变计 和箔式应变计结构。 7.反射式光纤位移传感器在位移-输出曲线的前坡区呈线性关系，在后坡区与 距离的平方成反比关系。 8.根据热敏电阻的三种类型，其中临界温度系数型最适合开关型温度传感 器。 9.画出达林顿光电三极管部接线方式： U CE 10.灵敏度是描述传感器的输出量对输入量敏感程度的特性参数。其定义为：传 感器输出量的变化值与相应的被测量的变化值之比，用公式表示k（x）=Δy/Δx 。 11.线性度是指传感器的输出量与输入量之间是否保持理想线性特性的一 种度量。按照所依据的基准之线的不同，线性度分为理论线性度、端基线性度、独立线性度、最小二乘法线性度等。最常用的是最 小二乘法线性度。 12.根据敏感元件材料的不同，将应变计分为金属式和半导体式两大 类。 13.利用热效应的光电传感器包含光---热、热---电两个阶段的信息变换过程。 14.应变传感器设计过程中，通常需要考虑温度补偿，温度补偿的方法电桥补偿 法、计算机补偿法、应变计补偿法、热敏电阻补偿法。 15.应变式传感器一般是由电阻应变片和测量电路两部分组成。 16.传感器的静态特性有灵敏度、线性度、灵敏度界限、迟滞差和稳定性。 17.在光照射下，电子逸出物体表面向外发射的现象称为外光电效应，入 射光强改变物质导电率的物理现象称为光电效应。 18.光电管是一个装有光电阴极和阳极的真空玻璃管。 19.光电管的频率响应是指一定频率的调制光照射时光电输出的电流随频率变 化的关系，与其物理结构、工作状态、负载以及入射光波长等因素有关。多数光电器件灵敏度与调制频率的关系为Sr（f）=Sr。/(1+4π2f2τ2) 20.光电效应可分为光电导效应和光生伏特效应。 21.国家标准GB 7665--87对传感器下的定义是：能够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。 22.传感器按输出量是模拟量还是数字量，可分为模拟量传感器和数字量传感器 23.传感器静态特性的灵敏度用公式表示为：k(x)=输出量的变化值/输入量的变 化值=△y/△x 24.应变计的粘贴对粘贴剂的要求主要有：有一定的粘贴强度；能准确传递应变； 《传感器原理及工程应用》完整版习题答案 第1章 传感与检测技术的理论基础（P26） 1—1：测量的定义？ 答：测量是以确定被测量的值或获取测量结果为目的的一系列操作。 所以, 测量也就是将被测量与同种性质的标准量进行比较， 确定被测量对标准量的倍数。 1—2：什么是测量值的绝对误差、相对误差、引用误差？ 1－ 3 用测量范围为－50～150kPa 的压力传感器测量140kPa 的压力时，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： 已知： 真值L ＝140kPa 测量值x ＝142kPa 测量上限＝150kPa 测量下限＝－50kPa ∴ 绝对误差 Δ＝x-L=142-140=2(kPa) 实际相对误差 ％＝ ＝43.11402 ≈?L δ 标称相对误差 ％＝＝41.1142 2≈?x δ 引用误差 ％－－＝测量上限－测量下限＝ 1) 50(1502 ≈?γ 1－10 对某节流元件（孔板）开孔直径d 20的尺寸进行了15次测量，测量数据如下（单位：mm ）： 120.42 120.43 120.40 120.42 120.43 120.39 120.30 120.40 120.43 120.41 120.43 120.42 120.39 120.39 120.40 试用格拉布斯准则判断上述数据是否含有粗大误差，并写出其测量结果。 答：绝对误差是测量结果与真值之差, 即: 绝对误差=测量值—真值 相对误差是绝对误差与被测量真值之比,常用绝对误差与测量值之比,以百分数表示 , 即: 相对误差=绝对误差/测量值 ×100% 引用误差是绝对误差与量程之比,以百分数表示, 即: 引用误差=绝对误差/量程 ×100% 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 《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。 :填空题（每空1分） 1.依据传感器的工作原理，传感器分敏感元件，转换元件 测量电路三个部分组成。 2.金属丝应变传感器设计过程中为了减少横向效应，可米用直线栅式应变计 和箔式应变计结构。 3. 根据热敏电阻的三种类型，其中临界温度系数型最适合开关型温度传感器 4. 灵敏度是描述传感器的输出量对输入量敏感程度的特性参数。其定义为：传 感器输出量的变化值与相应的被测量的变化值之比，用公式表示 k （x）=△ y△ x。 5. 线性度是指传感器的输出量与输入量之间是否保持理想线性特性的一 种度量。按照所依据的基准之线的不同，线性度分为理论线性度、端 基线性度、独立线性度、最小二乘法线性度等。最常用的是最小二乘法线性 度。 6. 根据敏感元件材料的不同，将应变计分为金属式和半导体式两大类。 7. 应变传感器设计过程中，通常需要考虑温度补偿，温度补偿的方法电桥补偿法、 计算机补偿法、应变计补偿法、热敏电阻补偿法。 8. 应变式传感器一般是由电阻应变片和测量电路两部分组成。 9. 传感器的静态特性有灵敏度、线性度、灵敏度界限、迟滞差和稳定性。 10. 国家标准GB7665--87对传感器下的定义是：能够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。11. 传感器按输出量是模拟量还是数字量， 可分为模拟量传感器和数字量传感器12. 传感器静态特性的灵敏度用公式表示为：心）=输出量的变化值/输入量的变化 值=△ y/ △ x 13. 应变计的粘贴对粘贴剂的要求主要有：有一定的粘贴强度；能准确传递应变；蠕 变小；机械滞后小；耐疲劳性好；具有足够的稳定性能：对弹性元件和应变计不产生化学腐蚀作用；有适当的储存期；应有较大的温度适用范围。 14. 根据传感器感知外界信息所依据的基本校园，可以将传感器分成三大类：物理传 感器，化学传感器，生物传感器。 第1章 传感器的一般特性 1.1 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。 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。 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？ 1.4 传感器的动态特性指什么？常用的分析方法有哪几种？ 1.5 传感器的标定有哪几种？为什么要对传感器进行标定？ 1.6 某传感器给定精度为2%F·S ，满度值为50mV ，零位值为10mV ，求可能出现的最大误差δ(以mV 计)。当传感器使用在满量程的1/2和1/8时，计算可能产生的测量百分误差。由你的计算结果能得出什么结论? 解：满量程（F?S ）为50﹣10=40(mV) 可能出现的最大误差为： δ＝40?2%=0.8(mV) 当使用在1/2和1/8满量程时，其测量相对误差分别为： % 4%10021408.01=??=γ % 16%10081408 .02=??=γ 结论：测量值越接近传感器（仪表）的满量程，测量误差越小。 1.7 有两个传感器测量系统，其动态特性可以分别用下面两个微分方程描述，试求这两个系统的时间常数τ和静态灵敏度K 。 1) T y dt dy 5105.1330 -?=+ 式中, y ——输出电压，V ；T ——输入温度，℃。 2) x y dt dy 6.92.44 .1=+ 式中，y ——输出电压，μV ；x ——输入压力，Pa 。 解：根据题给传感器微分方程，得 (1) τ=30/3=10(s)， K=1.5 10 5/3=0.5 10 5(V/℃)； (2) τ=1.4/4.2=1/3(s)， K=9.6/4.2=2.29(μV/Pa)。 1.8 已知一热电偶的时间常数τ=10s ，如果用它来测量一台炉子的温度，炉内温度在540℃至500℃之间接近正弦曲线波动，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。以及输入与输出之间的相位差和滞后时间。 解：依题意，炉内温度变化规律可表示为 x(t) =520+20sin(ωt)℃ 由周期T=80s ，则温度变化频率f =1/T ，其相应的圆频率 ω=2πf =2π/80=π/40； 温度传感器（热电偶）对炉内温度的响应y(t)为 y(t)=520+Bsin(ωt+?)℃ 热电偶为一阶传感器，其动态响应的幅频特性为 ()()786 010******** 2 2 .B A =??? ? ???π+= ωτ+== ω 因此，热电偶输出信号波动幅值为 B=20?A(ω)=20?0.786=15.7℃ 由此可得输出温度的最大值和最小值分别为 y(t)|m ax =520+B=520+15.7=535.7℃ y(t)|m in =520﹣B=520-15.7=504.3℃ 输出信号的相位差?为 ?(ω)= -arctan(ωτ)= -arctan(2π/80?10)= -38.2? 相应的时间滞后为 本文档根据老师最后一次课上课时所说的相关内容并根据我自己的个人情况简要整理，相对简洁，和大家分享一下。考虑到老师说的内容和考试内容相比，可能不够完整；而且个人水平有限，不可能把握的很准确，所以只是参考而已。。。建议大家根据自己的理解补充完善~ 第一章：传感器概论 1、传感器的定义：传感器（或敏感元件）基于一定的变换原理/规律将被测量（主要是非电量的测量，可采用非电量电测技术）转换成电量信号。变换原理/规律涉及到物理、化学、生物学、材料学等学科。 2、传感器的组成：传感器一般由敏感元件（将非电量变成某一中间量）、转换元件（将中间量转换成电量）、测量电路（将转换元件输出的电量变换成可直接利用的电信号）三部分组成，有的传感器还需加上辅助电源。 3、传感器的分类 按变换原理分类——>利用不同的效应构成物理型、化学型、生物型等传感器。 按构成原理分类： 结构型：依靠机械结构参数变化来实现变换。 物性型：利用材料本身的物理性质来实现变换。 按输入量的不同分类——>温度、压力、位移、流量、速度等传感器 按变换工作原理分类: 电路参数型:电阻型、电容型、电感型传感器 按参电量如：Q（电量）、I、U、E 等分类:磁电型、热电型、压电型、霍尔型、光电式传感器 4、传感器技术的发展动向： 教材表述：发现新现象、开发新材料、采用微细加工技术、研制多功能集成传感器、智能化传感器、新一代航天传感器、仿生传感器 老师表述：微型化、集成化、廉价。 第二章：传感器的一般特性 1、静态特性 检测系统的四种典型静态特性 线性度：传感器的输出与输入之间的线性程度。传感器的理想输出-输入特性是线性的。 灵敏度：系统在静态工作的条件下，其单位输入所产生的输出，实为拟合曲线上某点的斜率。 即S N=输入量的变化/输出量的变化=dy/dx 迟滞性：特性表明传感器在正（输入量增大）反（输入量减小）行程期间输出-输入特性曲线不重合的程度。 （产生的原因：传感器机械部分存在的不可避免的缺陷。） 重复性：重复性表示传感器在输入量按同一方向作全量程多次测量时所得特性曲线不一致程度。曲线的重复性好，误差也小。产生的原因与迟滞性类似。 精确度. 测量范围和量程. 零漂和温漂. 2、动态特性：（传感器对激励（输入）的响应（输出）特性） 动态误差：输出信号不与输入信号具有完全相同的时间函数，它们之间的差异。包括：稳态动态误差、暂态动态误差 传感器原理与应用复习题 第一章传感器概述 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）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：①发展、利用新效应；②开发新材料；③提高传感器性能和检测范围；④微型化与微功耗；⑤集成化与多功能化；⑥传感器的智能化；⑦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、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 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、成份含量等方 面的测量。 《传感器原理及应用》 实 验 指 导 书 测控技术实验室 实验一金属箔式应变片----单臂、半臂、全桥性能实验 一、实验目的：了解金属箔式应变片的应变效应，单臂、半臂、全电桥工 作原理和性能。 二、基本原理：电阻丝在外力作用下发生机械变形时,其电阻值发生变化, 这就是电阻应变效应,描述电阻应变效应的关系式为:ΔR/R=Kε式中:ΔR/R 为:ΔR/R电阻丝电阻相对变化, K为应变灵敏系数, ε=ΔL/L为电阻丝长度相对变化, 金属箔式应变片就是通过光刻、腐蚀等工艺制成的应变敏感元件，通过它转换被测部件受力状态变化、电桥的作用完成电阻到电压的比例变化，电桥的输出电压反映了相应的受力状态。对单臂电桥输出电压Uο1=Ek?/4。在半桥性能实验中，不同受力方向的两只应变片接入电桥作为邻边，电桥输出灵敏度提高，非线性得到改善。当应变片阻值和应变量相同时，其桥路输出电压Uο2=Ek?/2。在全桥测量电路中，将受力性质相同的两应变片接入电桥对边，不同的接入邻边，当应变片初始阻力值：R1=R2=R3=R4，其变化值ΔR1=ΔR2=ΔR3=ΔR4时，其桥路输出电压Uο3=Ek?。其输出灵敏度比半桥又提高了一倍，非线性误差和温度误差均得到改善。 三、实验设备：应变式传感器实验模板、应变式传感器、砝码、数显表、 ±15V、±4V直流电源、万用表。 四、实验方法和要求： 1、根据电子电路知识，实验前设计出实验电路连线图。 2、独力完成实验电路连线。 3、找出这三种电桥输出电压与加负载重量之间的关系，并作出V o=F(m) 的关系曲线。 4、分析、计算三种不同桥路的系统灵敏度S=ΔU/ΔW（ΔU输出电压变化 量，ΔW重量变化量）和非线性误差：δf1=Δm/yF·s×100%式中Δm为 输出值（多次测量时为平均值）与拟合直线的最大偏差：yF·s满量程 输出平均值，此处为200g。 五、思考题 1、单臂电桥时，作为桥臂电阻应变片应选用：（1）正（受拉）应变片（2） 负（受压）应变片（3）正、负应变片均可以。 2、半桥测量时两片不同受力状态的电阻应变片接入电桥时，应放在：（1） 对边（2）邻边。 3、全桥测量中，当两组对边（R1、R3为对边）电阻值R相同时，即R1=R3， R2=R4，而R1≠R2时，是否可以组成全桥：（1）可以（2）不可以。 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 2 140 142= - = ?kPa 实际相对误差 % 43 .1 % 100 140 140 142 = ? - = δ 标称相对误差 % 41 .1 % 100 142 140 142 = ? - = δ 引用误差 % 1 % 100 50 150 140 142 = ? - - - = ） （ γ 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。 对于测量列中的某一个测得值来说，随机误差的出现具有随机性，即误差的大小和符号是不能预知的，但当测量次数增大，随机误差又具有统计的规律性，测量次数越多，这种规律性表现得越明显。所以一般可以通过增加测量次数估计随机误差可能出现的大小，从而减少随机误差对测量结果的影响。 5．什么是系统误差？系统误差可分哪几类？系统误差有哪些检验方法？如何减小和消除系统误差？ 答：在同一测量条件下，多次测量同一量值时，绝对值和符号保持不变，或在条件改变时，按一定规律变化的误差称为系统误差。 系统误差可分为恒值（定值）系统误差和变值系统误差。误差的绝对值和符号已确定的系统误差称为恒值（定值）系统误差；绝对值和符号变化的系统误差称为变值系统误差，变值系统误差又可分为线性系统误差、周期性系统误差和复杂规律系统误差等。 在测量过程中形成系统误差的因素是复杂的，通常人们难于查明所有的系统误差，发现系统误差必须《传感器原理与应用习题解答》
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