4.4 传感器与检测(二)
传感器与检测技术(第二版)习题答案
0.1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。
0.2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。
1.1解： 1.2解：601051030033=⨯⨯=∆∆=-X U k Cmm S S S S ︒=⨯⨯=⨯⨯=/20.50.22.03211.3解：带入数据得：b kx y +=)(b kx y i i i +-=∆22)(i i i i i i x x n y x y x n k ∑-∑∑∑-∑=222)()(i i i i i i i x x n y x x y x b ∑-∑∑∑-∑∑=68.0=k 25.0=b1.3拟合直线灵敏度0.68,线性度±7%∴25.068.0+=x y %7535.0%100max ±=±=⨯∆±=FS L y L γ238.01=∆35.02-=∆16.03-=∆11.04-=∆126.05-=∆194.06-=∆1.4解：设温差为R,测此温度传感器受幅度为R 的阶跃响应为(动态方程不考虑初态)())1(3/t e R t y --=当()3R t y =时⇒22.132ln 3=-=t 当()2R t y =时⇒08.221ln 3=-=t1.5解：此题与炉温实验的测飞升曲线类似: 1.6解：())1(9010/T t e t y --+=由()505=y ⇒51.895ln 5=-=T ()⎩⎨⎧=--=-5.0)1(2025/T e t y T t ()68.71=y ()36.52=y1.7解：所求幅值误差为1.109,相位滞后n n j s n n n j s s j G ωωξωωωξωωωω21122222+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=++==）（()109.110005005.021********211222222=⎥⎦⎤⎢⎣⎡⨯⨯+⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎪⎭⎫ ⎝⎛-=⎥⎦⎤⎢⎣⎡+⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=n n j G ωωξωωω'42331000500110005005.02122121︒-=⎪⎭⎫ ⎝⎛-⨯⨯-=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=--tg tg n n ωωωωξϕ'4233︒1.8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。
传感器与检测技术课后题答案
第1章 概述1.1 什么是传感器？传感器定义为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，通常由敏感元件和转换元件组成。
1.2 传感器的共性是什么？传感器的共性就是利用物理规律或物质的物理、化学、生物特性，将非电量（如位移、速度、加速度、力等）输入转换成电量（电压、电流、电容、电阻等）输出。
1.3 传感器由哪几部分组成的？由敏感元件和转换元件组成基本组成部分，另外还有信号调理电路和辅助电源电路。
1.4 传感器如何进行分类？（1）按传感器的输入量分类，分为位移传感器、速度传感器、温度传感器、湿度传感器、压力传感器等。
（2）按传感器的输出量进行分类，分为模拟式和数字式传感器两类。
（3）按传感器工作原理分类，可以分为电阻式传感器、电容式传感器、电感式传感器、压电式传感器、磁敏式传感器、热电式传感器、光电式传感器等。
（4）按传感器的基本效应分类，可分为物理传感器、化学传感器、生物传感器。
（5）按传感器的能量关系进行分类，分为能量变换型和能量控制型传感器。
（6）按传感器所蕴含的技术特征进行分类，可分为普通型和新型传感器。
1.5 传感器技术的发展趋势有哪些？（1）开展基础理论研究（2）传感器的集成化（3）传感器的智能化（4）传感器的网络化 （5）传感器的微型化1.6改善传感器性能的技术途径有哪些？（1）差动技术（2）平均技术（3）补偿与修正技术(4) 屏蔽、隔离与干扰抑制 (5) 稳定性处理第2章传感器的基本特性2.1 什么是传感器的静态特性？描述传感器静态特性的主要指标有哪些？答：传感器的静态特性是指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。
主要的性能指标主要有线性度、灵敏度、迟滞、重复性、精度、分辨率、零点漂移、温度漂移。
2.2 传感器输入-输出特性的线性化有什么意义？如何实现其线性化？答：传感器的线性化有助于简化传感器的理论分析、数据处理、制作标定和测试。
常用的线性化方法是：切线或割线拟合，过零旋转拟合，端点平移来近似，多数情况下用最小二乘法来求出拟合直线。
KJ83X(A)煤矿安全监控系统培训教材
实验使用较多
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2．T型分支式连接（工业现场使用） 在大多数的工业现场，由于整体线缆非常多均
需要使用接线盒，方便后期维护。所以CAN总线上 的节点分支不可避免，只能尽量减小分支长度，如 下图。
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例如：
根据总线型结构要求，图2.7中a、c、e三种连接方式不正 确，正确的方式应按b、d、f三种。不恰当的网络连接在近距离、 低速率的情况下可能能够正常工作，但如果通讯距离加长、速 率提高，其不良影响会越来越严重。（总线结构不允许有大分 叉，分支线长控制在5米以内）
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二、升级功能（新增功能及亮点） 2.1 全系列传感器防护等级提升为IP65
全部配套31种传感器的防水、防尘等级由原来的IP54提升为IP65。
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结果评判： ①IP6×试验后首先检查本安腔体内部，若本安腔体 内部没有明显的粉尘沉积，则应立即进行基本误差 测定，仅当基本误差满足要求时，方可认为试验合 格；其余情况均为不合格。 ②IP×5 试验后应立即按标准要求进行基本误差及 耐压试验，耐压试验合格后进行基本误差测定。仅 当耐压试验和基本误差都满足要求时，方可认为试 验合格；其余情况均为不合格。
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五、安装及维护（使用注意）
5.1 CAN总线布线规范指导
在井下施工安装过程中，由于不合理布线造 成的通讯故障时有发生。因此，本章对监控系统 传感器网络合理布线进行阐述。
采用CAN通讯协议进行远距离通讯，不规范 的布线方式会导致通讯的可靠性、稳定性和传输 数据准确性的明显下降。因此需要严格采用CAN 网络布线规范进行工程施工，以降低后期的维护 工作量。
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同样，计算多种传感器组合时，比如需要在1km处安装温 度传感器、一氧化碳传感器、烟雾传感器各1台，如果在这一 路上还需要1台激光甲烷最远能带多远？首先查表，温度、一 氧化碳、烟雾传感器均属于二类传感器。计算后得知2*3=6； 那么10-6=4；因此如果选用二类的低功耗激光甲烷最远距离 为4/2=2km。如果选用四类的高浓度激光甲烷则是4/4=1km。 注意这里计算的距离都是指从分站端出线的距离。因此在施 工过程中如遇到远距离且单独一路需要挂接多种传感器时尽 量考虑低功耗传感器。如果井下需要长距离（≥2km）挂接高 功耗传感器（三类、四类）建议单独走线，确保传感器稳定 运行。
传感器与检测技术-第4章 电容式传感器
4.1 电容式传感器的工作原理和类型
平板电容器是由金属极板及板间电介质构成的。若忽略边缘效应，其 电容量为
改变电容器电容C的方法： 一是为改变介质的介电常数ε； 二是改变形成电容的有效面积S； 三是改变两个极板间的距离d。
电容式传感器基本类型
通过改变电容得到电参数的输出为电容值的增量ΔC，从
• 4.2.1 电容式传感器的等效电路
• 在低频时，传感器电容的阻抗非常大，因此L和r的影响可以忽略。
• 其等效电路可简化为图 b，其中等效电容Ce＝C0 + CP，等效电阻Re≈Rg。 • 在高频时，传感器电容的阻抗就变小了，因此L和r的影响不可忽略，而漏电
阻的影响可以忽略。
• 其等效电路可简化为图c，其中等效电容Ce＝C0+CP，而等效电阻re ≈ rg。
• 在实际应用中，为了提高测量精度，减动极板与定极板之间 的相对面积变化而引起的测量误差，大都采用差动式结构。
• 3．变介电常数型电容传感器
• 变介电常数式电容传感器的极距、有效作用面积不变，被测量 的变化使其极板之间的介质情况发生变化。
• 传感器的总电容量C为两个电容C1和C2的并联结果，即
若传感器的极板为两同心圆筒，传感器的总电容C等于上、下部分电容C1 和C2的并联，即
2．变面积型电容传感器
与变极距型相比，它们的测量范围大。可测较大的线位移或角位移。 平板型电容传感器两极板间的电容量为
• 可见，变面积型电容传感器的输出特性是线性的，适合测量较 大的位移
• 增大极板长度b，减小间距d，可使灵敏度提高
• 极板宽度a的大小不影响灵敏度，但也不能太小，否则边缘影 响增大，非线性将增大。
而完成由被测量到电容量变化的转换。
传感器与检测技术41015答案主编邓长辉
思考题与习题4.1什么叫金属导体应变电阻效应？电阻应变片的基本结构由哪几部分组成？各部分的作用是什么？答：金属的应变电阻效应，即金属导体材料在受到外界拉力或压力作用时，产生机械变形，机械变形导致导体材料的阻值变化，这种因形变而使其电阻值发生变化的现象称为金属的应变电阻效应。
电阻应变片的基本结构由1敏感栅、2导线、3覆盖层和4基底四个部分组成。
敏感栅是应变片内实现应变—电阻转换的传感元件。
为保持敏感栅固定的形状、尺寸和位置，通常用粘结剂将它固结在纸质或胶质的基底上，再在敏感栅上面粘贴一层纸质或胶质的覆盖层，起防潮、防蚀、防损等作用。
导线即为敏感栅引出线，用以与外接测量电路连接。
应变片使用时用粘结剂将基底粘贴到试件表面的被测部位，基底及其粘合层起着把试件应变传递给敏感栅的作用。
为此基底必须很薄，而且还应有良好的绝缘、抗潮和耐热性能。
4.2什么是金属电阻应变片的灵敏度系数？它与金属电阻丝的灵敏度系数有何不同？为什么？答：金属电阻应变片的灵敏系数k是指应变片的阻值相对变化与试件表面上安装应变片区域的轴向应变之比。
而应变电阻材料金属电阻丝的应变灵敏系数k0是指应变电阻材料金属丝的阻值相对变化与应变电阻材料金属丝的的应变之比。
实验表明：k小于k0。
其原因是：①由于基片粘合层传递应变有损失。
②存在横向效应的缘故。
4.3电阻应变片的灵敏度定义为：K=△R/R£，其中△R为受到应变£作用后应变片电阻的变化，R为应变片初始电阻。
一个初始电阻为1200的应变片，灵敏度为K=2.0，如果将该应变片用总阻值为120的导线连接到测量系统，求此时应变片的灵敏度。
、AR/R AR答：由应变片灵敏度的定义可知应变的表达式为：*==。
当用导线将应变片KKR连接到测量系统的前后，由于应变片的应变量相同，故用导线连接后应变片的灵敏度变为：刃AR/R'AR/R'KR2x1204”—————1.82。
s AR/(KR)R'120+124.4金属电阻应变片与半导体应变片的工作原理有何区别？各有何优缺点？答：金属电阻应变片的工作原理是基于导体材料的“电阻应变效应”，半导体应变片的工作原理是基于半导体材料的“压阻效应”。
“传感器与检测技术”课程目标达成评价机制及方法研究
图1以学生所得为导向的教学目标达成评价机制二、“传感器与检测技术”课程教学目标分解及其对于毕业要求的支撑（一）“传感器与检测技术”简介及课程教学目标分解“传感器与检测技术”课程是测控技术与仪器专业学生必修的一门理论与实践性很强的主干专发和设计新的测量装置的能力。
课程主要内容包括检测技术基础知识、电阻式传感器、电感式传感器、电容式传感器、光电式传感器、霍尔传感器和热电式传感器等。
本课程将为后续课程的学习，以及相关课程设计、毕业设计等奠定重要的基础。
通过本课程的理论教学和实践训练，使学生具备下列知识和能力：课程目标1：掌握“传感器与检测技术”的基本知识、基本原理和基本方法。
课程目标2：了解传感器特性的基本概念，并能够分析传感器的静态和动态特性。
课程目标3：能够解释电阻式传感器、电感式传感器、电容式传感器、光电式传感器、霍尔传感器、热电式传感器的基本工作原理。
课程目标4：能够对上述传感器的测量电路进行工作原理分析与设计，能够对传感器应用案例进行分析。
课程目标5：具有合理选择、正确使用和改进常规电测系统的能力，以及开发和设计新的测量装置的能力。
（二）课程目标对毕业要求的支撑本课程的五个课程目标重点支撑的毕业要求指标点如下：一是课程目标1和课程目标5支撑毕业要求1.1，即具有从事电子测量、仪器设计与测控工程工作所需的相关数学、自然科学，以及专业知识，能够将其用于解决复杂工程问题。
支撑权重系数为0.2。
二是课程目标2和课程目标5支撑毕业要求3.1，即能够设计针对复杂工程问题的解决方案，设计满足特定需求的系统、单元（部件）或工艺流程，并能够在设计环节中体现创新意识。
支撑权重系数为0.2。
三是课程目标3和课程目标4支撑毕业要求4.1，即能够基于科学原理并采用科学方法对复杂工程问题进行研究，包括设计实验、分析与解释数据，并通过信息综合得到合理有效的结论。
支撑权重系数为0.4。
四是课程目标5支撑毕业要求4.4，即具有本专业测控技术、仪器与系统的设计、开发和解决具体问题的能力。
干涉仪马赫-曾德尔
§4.2. 光电控制 §4.2.1 光电继电器 §4.2.2 光电遥控 §4.2.3 光纤开关
*
§4.2.1 光电继电器
一．继电器原理
继电器是低压电路控制高压电器通与不通的联接器件。
继电器结构及工作原理如图4.2.1－1所示。继电器的电路符号如图4.2.1－2所示。
§4.1.4 温度检测
一．工作原理
热体的温度可以通过处理其所发出的辐射能来求得。辐射高温计就是以发射体的辐射强度和光谱成分来确定热体温度的仪表。
根据斯蒂芬－波兹曼定律。物体在单位时间内单位面积上，波长从0－所辐射的总能量为 E＝T4，测出辐射能E就可以得到物体的温度T。
*
§4.1.4 温度检测
*
双向可控硅有四种触发方式，工作在第一象限有二种触发方式1＋和1－，工作在第三象限有二种触发方式3＋和3－。
1＋触发形式：T1对T2加正电压，G对T2加正电压； 1－触发形式：T1对T2加正电压，G对T2加负电压； 3＋触发形式：T1对T2加负电压，G对T2加正电压； 3－触发形式：T1对T2加负电压，G对T2加负电压；
3、光纤的导光原理
1）阶跃折射率分布光纤的射线理论
光纤的导光原理可用射线理论与导波理论两种方法进行分析。
右图为光波在阶跃折射率分布光纤中的传播路径。
所有> c的光线都将被限制在光纤芯中，这就是光纤导光的基本原理。
n2
n1
n0
θi
r
光纤的一个外特性参量是光纤的数值孔径(Numerical Aperture)，它代表了光纤的集光能力：
2．相位测距法
由于调制光波在传播过程中其相位是不断变化的。如果设光波从A到B点的传播过程中相位变化(又称为相位移)为φ，则由图4.1.2—5看出，φ可由2π的倍数来表示：φ＝M·2π+Δφ=(M+Δm)2π 从图4.1.2—5可看出，光波每前进一个波长λ，相当于相位变化了2π，因此距离D可表示如下： D＝λ(M+Δm)
宋文绪传感器
《传感器与检测技术》transducer / sensor宋文绪高等教育出版社（32k）第一章检测技术的基础知识本章主要介绍检测技术的基本概念、测量中误差的处理方法以及传感器的基本特性。
1.1.1 检测技术以研究自动检测系统中的信息提取、信息转换以及信息处理的理论和技术为主要内容的一门应用技术学科。
1.1.3 传感器定义：是一种以一定的精确度把被测量转换为与之有确定对应关系的、便于应用的某种物理量的测量装置。
含义：（1）传感器是测量装置，能完成信号的获取任务；（2）它的输入量是某一被测量；（3）它的输出量是某种物理量，这种物理量要便于传输、转换、处理、显示等；（4）输出输入有对应关系，且应有一定的精确程度。
传感器的组成功用是一感二传，即感受被测信息，并传送出去。
一般由敏感元件、转换元件、转换电路三部分组成。
第二章温度检测温度是表征物体或系统的冷热程度的物理量。
本章在简单介绍温标及测温方法的基础上，重点介绍膨胀式温度测量、电阻式温度传感与测试、热电偶温度计、辐射式温度计、光导纤维温度计、集成温度传感技术等测温原理及方法。
2.2 膨胀式温度计膨胀式温度计分为液体膨胀式温度计和固体膨胀式温度计两大类。
2.2.1 双金属温度计: 2.2.2 压力式温度计2.3 电阻式温度传感器热电阻温度传感器是利用导体或半导体的电阻率随温度的变化而变化的原理制成的，实现了将温度的变化转化为元件电阻的变化。
有金属（铂、铜和镍）热电阻及半导体热电阻（称为热敏电阻）。
2.4 热电偶传感器热电偶的测温原理:热电偶测温是基于热电效应，在两种不同的导体（或半导体）A和B 组成的闭合回路中，如果它们两个接点的温度不同，则回路中产生一个电动势，通常我们称这种现象为热电势，这种现象就是热电效。
2.5 辐射式温度传感器 2.7.2 光纤温度传感器2.8 薄膜热电阻第三章压力检测本章简单介绍压力的概念及单位，重点讲解应变式压力计、压电式压力传感器、电容式压力传感器和霍尔式压力计等的测量原理及测压方法。
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传感器工作原理—霍尔式传感器
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凸轮轴位置传感器检测：
传感器诊断仪检测 传感器供电检测 传感器元件检测 传感器线路检测
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节气门位置传感器 节流阀体
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节气门控制单元（节流阀体）：
请不要解体维修节气门控制单元。 更换节气门控制单元后必须做基本设定。
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信号及作用ห้องสมุดไป่ตู้
节气门电位计(G187)： 怠速节气门电位计(G188) ：
怠速开关(F60)：
ECU
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节气门控制单元的组成及导线连接
节气门角度传感器
节气门电机
节气门
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节气门位置传感器G187/G188
节气门控制单元 –01-04-060三区达到8以上;四区出现OK –01-08-062 –2号线与地或6号线均为5V
作用：
发动机控制单元通过此信号 来确定点火次序，同时也用 于单独气缸的爆震控制。
信号中断：
若传感器出现故障，则发 动机爆震控制被关闭，同 时点火提前角向后推迟。
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霍尔传感器G40
工作原理：霍尔传感器按霍尔原理工作
传感器功能：判别1缸
信号作用：确定爆震所在缸，确定喷油顺序
中断影响：不能识别爆震所在缸，推迟点火角，动力 性和经济性受损 其它说明：故障实例，齿形皮带错齿，记忆为传感器 有故障
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传感器原理与检测（二）
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发动机转速传感器
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捷达G28
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大众发动机转速传感器G28
工作原理：根据电磁感应原理工作。 传感器功能：为控制单元提供发动机转速信号及1、4缸上止 点参考点信号（曲轴位置信号）。 信号作用：A－确定喷油时间B－确定点火时刻C－确定点火 顺序D－其它控制，包括怠速稳定控制，发动机最高转速控 制，超速切断控制，油泵继电器接合控制等。 信号中断影响：可继续运转，但动力性受影响，发动机发闷。 其它说明：G28有静电屏蔽线，可减弱外界电磁场对信号的 影响。
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传感器工作原理—感应式转速传感器
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发动机转速传感器信号
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发动机转速传感器检测：
传感器诊断仪检测 传感器元件检测 传感器线路检测
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凸轮轴位置传感器 大众霍尔传感器G40
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霍尔传感器
信号：
位于发动机气缸盖上或凸 轮轴正时齿轮的后侧，采 集发动机1缸上止点信号。
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