传感器原理及应用 第9章
传感器原理及其应用(第二版)部分习题答案
24.875
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第1章 传感器的一般特性
4、何为传感器的静态特性？静态特性的主要技术指标有 哪些？ 答：传感器的静态特性是在稳态信号作用下的输入输出 特性。 衡量静态特性的重要指标有灵敏度、线性度、迟滞、重 复性、稳定性等。
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第1章 传感器的一般特性
5、何为传感器的动态特性？动态特性的主要技术指标有 哪些？ 答：传感器的动态特性是传感器在被测量随时间变化的 条件下输入输出关系。动态特性有分为瞬态响应和频率 响应。
第3章 电感式传感器及其应用
(2) 接成单臂电桥后的电桥输出电压值为： U 0 U 2 Z Z 1 2 Z Z 2 1 U 2 Z Z 0 0 Z Z 0 Z Z 0 U 2 2 Z Z 0 2 4 2 1 8 0 5 . 3 5 - 0 . 1 1 7 V
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第1章 传感器的一般特性
3、对某传感器进行特性测定所得到的一组输入—输出数 据如下：
输入x：0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 输出y；2.2 4.8 7.6 9.9 12.6 15.2 17.8 20.1 22.1 试计算该传感器的非线性度和灵敏度。
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第1章 传感器的一般特性
当衔铁移动Δδ时，单端式传感器的灵敏度△L/△δ为：
k L L 0 0 5 0 4 .5 1 1 0 0 2 3 m H 1 0 .8H /m 3 3 .9 1 2 H /m
若做成差动结构形式，根据差动的变隙式的灵敏度公式 有：
k 差 动 L 2 L 0 0 2 0 5 .5 4 1 0 1 0 2 m 3 H 2 1 .6H /m 6 7 .8 2 4 H /m
故将其做成差动结构后，灵敏精品度将提高一倍。
《传感器原理及工程应用》课后答案
第1章传感器概述1．什么是传感器？（传感器定义）2．传感器由哪几个部分组成？分别起到什么作用？3. 传感器特性在检测系统中起到什么作用？4．解释下列名词术语： 1)敏感元件;2)传感器; 3)信号调理器;4)变送器。
第1章传感器答案：3．答：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。
4．答：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第2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？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？2．某传感器精度为2%FS ，满度值50mv ，求出现的最大误差。
当传感器使用在满刻度值1/2和1/8 时计算可能产生的百分误差，并说出结论。
3．一只传感器作二阶振荡系统处理，固有频率f0=800Hz，阻尼比ε=0.14，用它测量频率为400的正弦外力，幅植比，相角各为多少？ε=0.7时，，又为多少？4．某二阶传感器固有频率f0=10KHz，阻尼比ε=0.1若幅度误差小于3%，试求：决定此传感器的工作频率。
5. 某位移传感器，在输入量变化5 mm时，输出电压变化为300 mV,求其灵敏度。
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/℃、S2=2.0V/mV、S3=5.0mm/V，求系统的总的灵敏度。
7．测得某检测装置的一组输入输出数据如下：a)试用最小二乘法拟合直线，求其线性度和灵敏度；b)用C语言编制程序在微机上实现。
8．某温度传感器为时间常数 T=3s 的一阶系统，当传感器受突变温度作用后，试求传感器指示出温差的1/3和1/2所需的时间。
_传感器习题及部分解答(shb).
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。
5．二、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。
2、传感器的静态性能指标有哪一些，试解释各性能指标的含义。
作业3、传感器的动态性能指标有哪一些，试解释各性能指标的含义第2章电阻应变式传感器一、选择、填空题1、金属丝在外力作用下发生机械形变时它的电阻值将发生变化，这种现象称__应变_____效应；半导体或固体受到作用力后_电阻率______要发生变化，这种现象称__压阻_____效应。
直线的电阻丝绕成敏感栅后长度相同但应变不同，圆弧部分使灵敏度下降了，这种现象称为____横向___效应。
2、产生应变片温度误差的主要因素有＿电阻温度系数的影响、＿试验材料和电阻丝材料的线性膨胀系数的影响＿。
3、应变片温度补偿的措施有＿＿＿电桥补偿法＿、＿应变片的自补偿法＿。
4. 在电桥测量中，由于电桥接法不同，输出电压的灵敏度也不同，_全桥__接法可以得到最大灵敏度输出。
5. 半导体应变片工作原理是基于压阻效应，它的灵敏系数比金属应变片的灵敏系数大十倍6．电阻应变片的配用测量电路采用差动电桥时，不仅可以消除线性误差同时还能起到温度补偿的作用。
7、二、计算分析题1 说明电阻应变测试技术具有的独特优点。
(1)这类传感器结构简单，使用方便，性能稳定、可靠；(2)易于实现测试过程自动化和多点同步测量、远距测量和遥测；(3)灵敏度高，测量速度快，适合静态、动态测量；(4)可以测量各种物理量。
传感器原理与应用复习范围
绪论一、传感器：将各种非电量（包括物理量、化学量、生物量等），按照一定的规律转换成便于处理和传输的另一种物理量（一般为电量）的装置。
二、传感技术：是利用各种功能材料实现信息检测的一门应用技术，是检测（传感）原理、材料科学、工艺加工等三要素的最佳结合。
三、传感器的组成：传感器一般有敏感元件、转换原件和测量电路三部分组成，有事还需要加辅助电源。
四、传感器分类：1.按输入量分类如输入量分别为温度、压力、位移、速度、加速度、湿度等非电量时，则相应的传感器称为温度传感器、压力传感器、位移传感器、速度传感器、加速度传感器、湿度传感器等。
2.按测量原理分类现有传感器的测量原理主要是基于电磁原理和固体物理学理论。
如根据变电阻的原理，相应的有电位器式、应变式传感器；根据变磁阻的原理，相应的有电感式、差动变压器式、电涡流式传感器；根据半导体有关理论，则相应的有半导体力敏、热敏、光敏、气敏等固态传感器。
3.按结构型和物性型分类所谓结构型传感器，主要是通过机械结构的几何形状或尺寸的变化，将外界被测参数转换成相应的电阻、电感、电容等物理量的变化，从而检测出被测信号，这种传感器目前应用的最为普遍。
物性型传感器则是利用某些材料本身物理性质的变化而实现测量，它是以半导体、电介质、铁电体等作为敏感材料的固态器件。
五、传感器的发展趋向1.传感器的固态化，2、传感器的集成化和多功能化3.传感器的图像化4.传感器的智能化第1章传感器的一般特性§1-1 传感器的静态特性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静态特性。
传感器静态特性的主要指标有以下几点：一、线性度(非线性误差)在规定条件下，传感器校准曲线与拟合直线间最大偏差与满量程(F·S)输出值的百分比称为线性度。
二、灵敏度传感器的灵敏度指到达稳定工作状态时输出变化量与引起此变化的输入变化量之比。
线性传感器校准曲线的斜率就是静态灵敏度K。
传感器原理与工程应用完整版习题参考答案
《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％＝＝41.11422≈∆x δ引用误差％－－＝测量上限－测量下限＝1)50(1502≈∆γ1－10 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%解：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。
传感器技术与应用第9章加速度传感器
F ma
图9-1 应变式加速度传感器结构示意图
9.1.2 应变式加速度传感器的测量原理
测量时，将传感器壳体与被测对象刚性连接，当被测物 体以加速度a运动时，质量块就受到一个与加速度方向相反 的惯性力作用，使悬臂梁变形。该变形被粘贴在悬臂梁上的 电阻应变片感受到，并随之产生应变，从而使应变片的阻值 发生变化。这个变化经过全桥差动测量电路转变成电桥不平 衡电压输出。并且这个不平衡电压Uo的大小与被测物体的运 动加速度a成正比。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
图9-2 压电式加速度传感器结构示意图
9.2.2压电式加速度传感器的测量原理
测量时，把压电加速度传感器与被测物体刚性连接，当加 速度传感器和被测物体一起受到冲击振动时，由于弹簧的刚 度很大，而质量块的质量相对较小，可以认为质量块的惯性 很小。因此，质量块感受与传感器基座相同的振动。这样， 质量块m就有一惯性力F作用到压电元件上。由于压电效应， 便在压电元件上产生电荷q，其电荷量大小为
第9章 加速度传感器及其应用案例
9.1 应变式加速度传感器 9.2 压电式加速度传感器 9.3 电容式加速度传感器 9.4 差动变压器式加速度传感器 9.5 加速度测量显示系统案例
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9.1 应变式加速度传感器
9.1.1 应变式加速度传感器的结构
传感器原理及应用
传感器原理及应用传感器是一种能够感知、检测某种特定物理量并将其转化为可供人们观测或处理的信号的装置。
它在现代科技领域中起着至关重要的作用，广泛应用于工业控制、环境监测、医疗诊断、智能家居等领域。
本文将从传感器的原理及其应用展开介绍。
首先，传感器的原理是基于物理效应或化学效应实现的。
常见的传感器类型包括光电传感器、压力传感器、温度传感器、湿度传感器、气体传感器等。
光电传感器利用光电效应，将光信号转化为电信号，常用于光电开关、光电编码器等设备中。
压力传感器则是利用压电效应或电阻应变效应来检测压力变化，广泛应用于汽车制动系统、工业自动化等领域。
温度传感器则是利用热电效应、热敏电阻效应等原理来感知温度变化，常见于电子设备、空调系统等。
湿度传感器则是利用介电常数变化或电阻变化来检测湿度变化，应用于气象观测、农业温室等领域。
气体传感器则是利用气体的化学反应来检测气体浓度，常见于环境监测、工业安全等领域。
其次，传感器的应用非常广泛。
在工业控制领域，传感器常用于测量温度、压力、流量、液位等参数，用于实现自动化生产、设备监测等功能。
在环境监测领域，传感器被广泛应用于大气污染监测、水质监测、土壤湿度监测等方面，为环保工作提供重要数据支持。
在医疗诊断领域，传感器被用于测量体温、血压、心率等生理参数，为医生提供诊断依据。
在智能家居领域，传感器被用于感知人体活动、光照强度、温湿度等信息，实现智能灯光、智能门锁、智能空调等功能。
总之，传感器作为现代科技的重要组成部分，其原理和应用已经深入到人们的生活和工作中。
随着科技的不断发展，传感器的种类和性能将会不断提升，应用领域也将会不断拓展，为人们的生活和生产带来更多便利和可能。
希望本文能够为读者对传感器有更深入的了解提供一些帮助。
传感器原理与电路设计第9讲ppt课件
W2b
W1
W2a
0
x
Uo
E2b
E2a
理论特性曲线
Δ U o
o
Uo E2a E2b
实际特性曲线
x
差动变压器的输出特性
第9讲
当衔铁向上移动时，由于磁阻 的影响，W2a中磁通将大于W2b， 使 M1>M2 ， 因 而 E2a 增 加 ， 而 E2b减小。反之，E2b增加，E2a 减 小 。 而 Uo=E2a-E2b ， 所 以 当 E2a、E2b 随着衔铁位移x变化 时，Uo也必将随x而变化。 当衔铁位于中心位置时，输出 电压并不等于零，差动变压器 在零位移时的输出电压称为零 点残余电压，记作ΔUo，它的 存在使传感器输出特性不经过 零点，造成实际与理论特性不 完全一致。
与极性反映被测体位移的大 小和方向。
GMES 2008
第4章 电感式传感器
11.17.2015
4
1.变隙式差动变压器
目录
变磁阻式 传感器
差动变压 器式传感 器
电涡流式 传感器
2. 输出特性 在忽略铁损(即涡流与磁滞损 耗忽略不计)、漏感以及变压 器次级开路(或负载阻抗足够 大)的条件下，等效电路。 r1a与L1a ，r1b与L1b， r2a与 L2a ，r2b与L2b，分别为W1a ， W1b ，W2a，W2b绕阻的直流 电阻与电感。
I1——初级线圈激励电流； r1、 L1—初级线圈直流电阻和电感。
根据电磁感应定律，次级绕组中感应电势分别为：
E 2 a jM 1 I 1 E 2 b jM 2 I 1
第9讲
0.差动变压器
目录
变磁阻式 传感器
差动变压 器式传感 器
电涡流式 传感器
把被测的非电量变化转换为线圈互感变化的传感器称为互 感式传感器。这种传感器是根据变压器的基本原理制成的， 并且次级绕组用差动形式连接，故称差动变压器式传感器。
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旁热式气敏器件结构
注：加热器的作用
（1）使附着在元件上的油污、尘埃烧掉。
（2 ）加速气体的氧化、还原反应，提高器件的灵
敏度及响应速度。
2、工作原理
元件加热到稳定状态，当有气体吸附时，吸附分子在气敏元 件表面自由扩散(物理吸附)，一部分吸附分子被蒸发掉，一部 分吸附分子产生热分解固定在吸附处(化学吸附)。 当半导体的功函数大于吸附分子的离解能，吸附分子向半导 体释放电子成为正离子吸附，半导体载流子数增加，半导体 电阻率减少，阻值降低。具有正离子吸附倾向的气体被称为 还原性气体(例H2、CO、炭氢化合物和酒类等)。
传感器原理及应用
第九章 气敏、湿敏传感器
概述
• 气敏传感器：检测气体浓度和成分，主要 用于环境保护和安全监督等方面。
• 湿敏传感器：检测湿度情况，广泛应用于 工业、农业、国防、科技和生活等各个领 域。
分类：
– – – – –
9.1 气敏传感器
通常以气敏特性来分类，主要可分为：
半导体型气敏传感器， 电化学型气敏传感器， 固体电解质气敏传感器， 接触燃烧式气敏传感器， 光化学型气敏传感器，
– 高分子气敏传感器等。
一、半导体气敏传感器
元件材料：金属氧化物或金属半导体氧化物，
作用原理：与气体相互作用时产生表面吸附或反 应，引起以载流子运动为特征的电导率或伏安特 性或表面电位变化。借此来检测特定气体的成分 或者测量其浓度，并将其变换成电信号输出。 应用范围：可用于检测气体中的特定成分（CO、 CO2、甲醛、酒精、氧气、氢气等）。
当半导体的功函数小于吸附分子的电子亲和力，吸附分子从 半导体夺走电子成为负离子吸附，半导体载流子数减少，电 阻率增大，阻值增大。具有负离子吸附倾向的气体被称为氧 化性气体(例O2、NOx等)。
100
元件电阻 元件加热 正常状态 吸附氧化性气体
50
元件阻值变化
吸附还原性气体
0
空气中 吸附气体后
时间
表9.1 半导体气体传感器的分类
主要物理特性 传感器举例
氧化银、氧化锌
工作温度
室温450℃
电 阻 式
电 阻
表面控制型
体控制型
典型被测气 体 可燃性气体
氧化钛、氧化 700℃以 钴、氧化镁、 上 氧化锡
酒精、 氧气、 可燃性 气体 硫醇 氢气、 一氧化 碳、酒 精 氢气、 硫化氢
非 电 阻 式
表面电位 二极管整流特性
热电极，中间为加热器。 输出极 加热器 金属氧化物
薄膜型
加热电极
（3）厚膜型
将金属氧化物粉末、添加剂、粘合剂等混合配成浆 料，将浆料印刷到基片上，制成数十微米的厚膜。 灵敏度、工艺性、机械强度和一致性等方面，厚膜 气敏元件较好。
半导体氧化物 Pt电极 氧化铝基片 厚膜型 加热器
（4）内热式
加热丝和测量丝都直接埋在 基体材料内；
金属氧化物O2）烧结型气敏元件, 它的加热温度较低, 一般在200－300℃, SnO2气敏 半导体对许多可燃性气体, 如氢、一氧化碳、甲烷、 丙烷、乙醇等都有较高的灵敏度。
（2）薄膜型
在石英基片上蒸发或溅射一层半导体薄膜制
成（厚度 0.1 μ m 以下）。上下为输出电极和加
应用场合： 一般用于易燃、易爆、有毒、有害气体的检 测和报警。 基本要求： 1、对被测气体有高的灵敏度。 2、气体选择性好。 3、能够长期稳定工作。
4、响应速度快。
分类：
按照与气体的相互作用是局限于半导体内部还 是涉及到外部分为表面控制型和体控制型；
按照半导体变化的物理特性分为电阻式和非电 阻式。
注： (1) 检测不同气体，加热温度及添加物质不同， 目的是使传感器对不同气体有选择性。
三、气敏元件的基本测量电路 图中EH为加热电源, EC为测 量电源, 电阻中气敏电阻值的 变化引起电路中电流的变化, 输出电压（信号电压）由电 阻Ro上取出。 特别在低浓度 下灵敏度高, 而高浓度下趋于 稳定值。 因此, 常用来检查 可燃性气体泄漏并报警等。
当吸附还原性气体时，N型半导体的功函数大于吸附 分子的离解能，吸附分子向半导体释放电子成为正离子 吸附，半导体载流子数增加，半导体电阻率减少，阻值 降低。
当吸附氧化性气体时，N型半导体的功函数小于吸附 分子的电子亲和力，吸附分子从半导体夺走电子成为负 离子吸附，半导体载流子数减少，电阻率增大，阻值增 大. 对于P型半导体器件，情况刚好相反，氧化性气体使 其电阻减小，还原性气体使其电阻增大。
制造工艺简单、成本低、功 耗小、可以在高电压回路下使 用；
热容量小，易受环境气流的 影响，测量回路与加热回路之 间没有隔离，相互影响。 内热式气敏器件结构
（5）旁热式 管芯增加了陶瓷管，管内放 加热丝，管外涂梳状金电极做 测量极，在金电极外涂SnO2 等气敏材料； 测量极与加热丝分离，加热 丝不与气敏材料接触，避免了 测量回路与加热回路之间的相 互影响，热容量大，不易受环 境气流的影响。
气敏元件的基本测量电路
1、电源电路 一般气敏元件的工作电压不高(3V～10V)， 其工作电压，特别是供给加热的电压，必须稳定。 否则，将导致加热器的温度变化幅度过大，使气 敏元件的工作点漂移，影响检测准确性。
2、辅助电路
在设计、制作应用电路时，应考虑气敏元件自身的特性 (温度系数、湿度系数、初期稳定性等)。如： 采用温度补偿电路，以减少气敏元件的温度系数引起 的误差；
表面控制型
氧化银 铂/硫化镉、 铂/氧化钛 铂栅MOS场 效应晶体管
室温
室温200℃
晶体管特性
150℃
电阻式半导体气敏传感器：
其电阻随着气体含量不同而变化; 主要是指半导体金属氧化物陶瓷气敏传感器， 是一种用金属氧化物薄膜（例如SnO2、ZnO、 Fe2O3、TiO2等）制成的阻抗器件。
二、表面控制型电阻式半导体气敏传感器
当表面吸附某种气体时会引起电导率的变化. 1、结构与分类 由气敏元件、加热器、封装部分组成； 按制造工艺可分为烧结型、薄膜型、厚膜型。 按加热方式分为内热式和旁热式。
双层 金属网 罩 气敏 元件 电极 引线
外套 封装 基痤 端子
图9.1 某气敏传感器的整体结构
（1） 烧结型
将元件的电极和加热器 均埋在金属氧化物气敏材 料中, 经加热成型后低温 烧结而成。