传感器与检测技术周杏鹏课后答案

【篇一：传感与检测技术清华大学出版社(周杏鹏)课后

习题答案】

求是什么?

首先先由各种传感器将非电被测物理或化学成分参量转化成电参量

信号，然后经信号调理，数据采集，信号处理后，进行显示，输出，加上系统所需的交，直流稳压电源和必要的输入设备，便构成了一

个完整的自动检测系统。

对传感器通常有如下要求:1，准确性2,稳定性3，灵敏度4其他:如

耐腐蚀性，功耗，输出信号形式，体积，售价等。

1-3试述信号调理和信号处理的主要功能和区别，并说明信号调理

单元和信号处理单元通常由哪些部分组成。

信号调理在检测系统中的作用是对传感器输出的微弱信号进行检波，转换，滤彼，放大等，以便检测系统后续处理或显示。

信号处理模块是自动检测仪表，检测系统进行数据处理和各种控制

的中枢环节，其作用和大脑相类似。

信号调理电路通常包括滤波、放大、线性化等环节。

信号处理模块通常以各种型号的嵌入式微控制器、专用高速处理器(d5p)和大规模可编程集成电路，或直接采用工业控制计算机来构建。 2-1随机误差，系统误差，粗大误差产生的原因是什么?对测量结果的影响有什么不同?从提高测量准确度看，应如何处理这些误差?

随机误差主要是由于检测仪器或测量过程中某些未知或无法控制的

随机因素综合作用的结果。

系统误差产生的原因大体上有:测量所用的仪器木身性能不完善或安装，布置，调整不当;在测量过程中温度，湿度，气压，电磁干扰等

环境条件发生变化;测量方法不完善，或者测量所依据的理论本身不

完善;操作人员视读方式不当等。

粗大误差一般由外界重大干扰或仪器故障或不正确的操作等引起的。减小和消除系统误并的方法

1.针对产生系统误差的主要原因采取相应措施

2.采用修止方法减小恒差系统误差

3.采用交叉读书法减小线性系统误差

4.采用半周期法减小周期性系统误差

随机误差的处理

可以用数理统计的方法，对其分布范围做出估计，得到随机影响的

不确定度。

粗大误差的处理

拉伊达准则和格拉布斯准则

2-2工业仪表常用的精度等级是如何定义的?精度等级与测量误差是什么关系?

人为规定:取最大引用误差百分数的分子作为检测仪器(系统)精度等

级的标志，即用最大引用误差去掉正负号的数字来表示精度等级。

精度等级常用符号g表示。0.1,0.2,0.5,1.0,1.5,2.5,5.0七个等级是我

国工业检测仪器(系统)常用精度等级。

检测仪器(系统)的精度等级由生产商根据其最大引用误差的大小并以选大不选小的原则就近套用上述精度等级得到。

2-3已知被测电压范围为0-5v,现有(满量程)20v. 0.5级和150v. 0.1

级两只电压表，应选用哪只电表进行测量?

两者比较，通常选用a表进行测量所产生的测量误差较小。即选用

20v, 0.5级

3.2什么是仪表的灵敏度和分辨力?两者间存在什么关系?

灵敏度是指测量系统在静态测量时，输出量和输入量的增量之比。

能引起输出量发生变化时输入量的最小变化量称为传感器或检测系

统的分辨力。

灵敏度与分辨力关系:传感器的分辨力主要由敏感元件本身特性决定，提高灵敏度的措施，如提高放大倍数以及降低信噪比在一定程度有

助于提高系统分辨力，但这种手段的作用在于充分发挥敏感元件的

性能，因此其最大效果受限于敏感元件本身，若敏感元件本身分辨

力有限，则灵敏度的提高也不会影响传感器的分辨力。(灵敏度大则

分辨率小)

3.3 判断线性度的方法有哪几种？哪一种精度最高？那一种精度最低？

最小二乘法、端基线法、理想线性度法。通常最小二乘法精度最高，理想线性度法精度最低。

3.7传感器与检测系统静态校准的条件与步骤是什么?

静态标准条件是指没有加速度，振动，冲击(除非这些参数本身就是

被测物理量)及环境温度一般为室派(20士5) ℃，相对湿度不大于85%，大气压力为(101士7 )kpa的情况。静态校准的步骤如下:

1，根据标准的情况，将传感器或检测仪器全量程(测量范围)分成若

干等间距点(一般至少均匀地选择五个以上的校准点，其中应包括起

始点和终点);

2，然后由小到大逐一增加输入标准量值，并记录下被校准传感器或检测仪器与标准器相应的输出值;

3，将输入值由大到小逐一减小，同时记录下与各输入值相应的输出值;

4，按2,3所述过程，对传感器进行正，反行程往复循环多次测试，

将得到的输出-输入测试数据用表格列出或作出曲线;

5，对测试数据进行必要的处理，根据处理结果就可以确定被校准传感器或检测仪器的线性度，灵敏度，滞后和重复性等静态特性指标。

4.1什么是金属电阻丝的应变效应和灵敏度系数?

金属材料的电阻相对变化与其线应变成正比。这就是金属材料的应

变电阻效应。

km=(1 +2u)+c(1-2u)为金属电阻丝的应变灵敏度系数，它由两部分

组成:前半部分为受力后金属丝几何尺存变化所致，后半部分为因应

变而发生的电阻率相对变化。

4.3试述电阻应变片温度误差的慨念，产生的原因和补偿方法。

由温度变化引起应变计输出变化的现象，称为应变片的温度效应(也

称温度误差)。产生的原因:1,温度变化引起应变片敏感栅电阻变化而

产生附加应变;

2,试件材料与敏感材料的线膨胀系数不同，使应变片产生附加应变;

温度补偿:应变片自补偿法;桥路补偿法;热敏电阻补偿法

4.4什么是直流电桥?若按不同的桥臂工作方式，可分为哪几种?各自的输出电压如何计算?

s=0.5

4.7拟在一个等截面的悬臂梁上粘贴四个完全相同的电阻应变片，

并组成差动全桥电路，试问:四个应变片应如何粘贴?试画出相应的电桥电路图，试说明如何克服温度误差？在梁的固定端附近的上下表

面顺着梁l的方向各粘贴两片应变片。

为了好理解，我解释一下:

就是说从上往下看〔顺着力的方向)，上面有两个并排的应变片，同

样下面也有两个并排的应变片。这样，上而受拉时，下而受挤压，

两者发生极性相反的等量变化，4个应变电阻片就组成了全桥电路

图在书本p113图4-65

4.9电容式传感器的测量电路主要有哪几种?各自特点是什么?使用这些测量电路时应注意哪些问题?

运算放大器式电路;运算放大器的输出电压与极板间距离dx成线性关系，从而克服了变间隙式电容传感器的非线性问题!运算放大器虽解决了单个变极距式电容传感器的非线性问题，但要求放大器具有足够大的放大倍数，而且输入阻抗很高。

双t二极管型电路;

(1)电源、传感器电容、负载均可同时在一点接地;

(2)二极管d1, d2工作于高电平下，因而非线性失真小;

(3)其灵敏度与电源频率有关，因此电源频率需要稳定;

(4)将d1, d2, r1、r2安装在c1, c2附近能消除电缆寄生电容影响，线路简单;

(5)输出电压较高;

(6)输出阻抗与电容c1和c2无关，而仅与r1, r2及rl有关;

(8)传感器的频率响应取决于振荡器的频率。

差动脉冲调宽电路;差动脉冲调宽电路不需要载频和附加解调线路，无波形和相移失真，输出信号只需要通过低通滤波器引出，直流信号的极性取决于c1和c2;对变极距和变面积的电容传感器均可获得线性输出。这种脉宽调制线路也便于与传感器做在一起，从而使传输误差和干扰大大减小

4.19变间隙式电容传感器的输出特性与哪些因素有关？怎么改善其非线性？如何提高其灵敏性度？

4.20比较差动式自感传感器和差动变压器在结构及工作原哩上的异同之处。

结构:都有完全对称的铁芯、衔铁和线圈结构。但差动式电感传感器至少只有一对自感线圈，没有原副线圈之分;而差动变压器则至少由一对原线圈和一对副线圈组成，原线圈端需采用激励电源，输出电压自副线圈引出。

工作原理:相同点是都利用衔铁位置的改变实现差动检测。

不同点差动式电感传感器是通过改变衔铁的位置来改变两个差动线圈磁路的磁阻而使两个差动结构的线圈改变各自的自感系数实现被测量的检测，

而差动变压式传感器

则是通过改变衔铁的位置改变两个原副线圈的自感系数来检测相关的物理量。

4.23电涡流式传感器有何特点?画出应用于测板材厚度的原理框图。从应用来讲，电涡流式传感器的最大特点是能相对位移，振动，厚度，转速，表而温度，硬度，材料损伤等进行非接触式连续测量，

具有结构简单，体积小，灵敏度高，频响范围宽，不受油污等介质

影响的特点。

原理框图

5.1什么是压阻效应?什么是压阻系数?

5.2什么是正压电效应和逆压电效应？什么叫纵向压电效应和横向

压电效应？

某些晶体或多晶陶瓷，当沿着一定方向受到外力作用时，内部就产

生极化现象，同时在某两个表面上产生符号相反的电荷;当外力去掉后，又恢复到不带电状态:当作用力方问改变时，电荷的极性也随着

改变；晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比。上述现象称

为正压电效应。反之，如对晶体施加一定变电场，晶体本身将产生

机械变形，外电场撤离，变形也随着消失，称为逆压电效应。

通常把沿电轴x方向的力作用下产生的压电效应称为“纵向压电效应”，

而把沿机械轴y方向的力作用下产生的压电效应称为“横向压电效应”

5.3简述石英体的结构特点，其x,y,z轴的名称是什么？每个轴分别

具有什么特点?石英晶体是一个正六角形的晶柱。

纵向轴z称为光轴，也称为中性轴，当光线沿此轴通过石英晶体时，无折射;

x轴称为电轴，在垂直于此轴的面上压电效应最强;

y轴称为机械轴，在电场的作用下，沿该轴方向的机械变形最明显

5.6简述压电式加速度传感器的结构组成和工作原理

压电式加速度传感器主要由压电原件，质量块，预压弹簧，基座及

外壳等组成。

工作原理一当加速度传感器和被测物一起受到冲击振动时，压电元

件受质量块惯性力的作用，根据牛顿第二定律，此惯性力是加速度

的函数，既f=ma，此惯性力与物体质量m及加速度a成正比，此

时力f作用在压电元件上，因此而产生电荷q，当传感器一旦确定，

则电荷与加速度成正比。因此通过测量电路测得电荷的大小，即可

知道加速度的大小。

【篇二：《现代检测技术及仪表》第2版习题解答】

关键技术是信息技术。信息技术由测量技术、计算机技术、通讯技

术三部分组成。测量技术则是关键和基础”。如果没有仪器仪表作为

测量的工具，就不能获取生产、科学、环境、社会等领域中全方位

的信息，进入信息时代将是不可能的。因此可以说，仪器技术是信

息的源头技术。仪器工业是信息工业的重要组成部分。

1-2答：同非电的方法相比，电测法具有无可比拟的优越性：

1、便于采用电子技术，用放大和衰减的办法灵活地改变测量仪器的灵敏度，从而大大扩展仪器的测量幅值范围(量程)。

2、电子测量仪器具有极小的惯性，既能测量缓慢变化的量，也可测量快速变化的量，因此采用电测技术将具有很宽的测量频率范围(频带)。

3、把非电量变成电信号后，便于远距离传送和控制，这样就可实现远距离的自动测量。

4、把非电量转换为数字电信号，不仅能实现测量结果的数字显示，而且更重要的是能与计算机技术相结合，便于用计算机对测量数据

进行处理，实现测量的微机化和智能化。

1-3答：各类仪器仪表都是人类获取信息的手段和工具。尽管各种仪器仪表的型号、原理和用途不同，但都由三大必要的部分组成：信

息获取部分、信息处理部分、信息显示部分。从“硬件”方面来看，

如果把常见的各类仪器仪表“化整为零”地解剖开来，我们会发现它

们内部组成模块大多是相同的。从“软件”方面来看，如果把各个模

块“化零为整”地组装起来，我们会发现它们的整机原理、总体设计

思想、主要的软件算法也是大体相近的。这就是说，常见的各类仪

器仪表尽管用途、名称型号、性能各不相同，但它们有很多的共性，而且共性和个性相比，共性是主要的，它们共同的理论基础和技术

基础实质就是“检测技术”。常见的各类仪器仪表只不过是作为其“共

同基础”的“检测技术”与各个具体应用领域的“特殊要求”相结合的产物。

1-4答：“能把外界非电信息转换成电信号输出的器件或装置”或“能

把非电量转换成电量的器件或装置”叫做传感器。能把被测非电量转

换为传感器能够接受和转换的非电量(即可用非电量)的装置或器件，

叫做敏感器。如果把传感器称为变换器，那么敏感器则可称作预变

换器。敏感器与传感器虽然都是对被测非电量进行转换，但敏感器

是把被测非电量转换为可用非电量，而不是象传感器那样把非电量

转换成电量。

1-5答：目前，国内常规（常用）的检测仪表与系统按照终端部分的不同，可分为以下三种类型：1、普通模拟式检测仪表

基本上由模拟传感器、模拟测量电路、和模拟显示器三部分组成，如题1-5图1所示。

题1-5图1

2、普通数字式检测仪表

基本上由模拟传感器、模拟测量电路、和数字显示器三部分组成，如题1-5图2所示。按照显示数字产生的方式，普通数字式检测仪表又可分为模数转换式和脉冲计数式两种类型。

题1-5图2

3、微机化检测仪表

其简化框图题1-5图3所示。微机化检测仪表通常为多路数据采集系统，能巡回检测多个测量点或多种被测参数的静态量或动态量。每个测量对象都通过一路传感器和测量通道与微机相连，测量通道由模拟测量电路（又称信号调理电路）和数字测量电路（又称数据采集电路）组成。传感器将被测非电量转换成电量，测量通道对传感器信号进行信号调理和数据采集，转换成数字信号，送入微机进行必要的处理后，由显示器显示出来，并由记录器记录下来。在某些对生产过程进行监测的场合，如果被测参数超过规定的限度时，微机还将及时地起动报警器发出报警信号。

题1-5图3

第2章

2-1解：灵敏度为s=300mv=300mv/mm。 1mm

（2）记录仪笔尖位移4cm时，所对应的温度变化值为:

t=4=22.22℃ 0.18

2-4 解：据公式（2-1-18），二阶传感器的幅频特性为：k(?)? ????1???????n????21??????2????n??2。 ????2

2-5解：据题意知，k

0?1，阻尼比??性为

k(f)=1

f1+f04，故测量频率为600hz时幅值比为k(f)=1+60010004=0.94据公式（２－２－１９）得相位差为

?(f)?2??53? 6001000?1000600

2-6解：按式（2-3-6)求此电流表的最大引用误差

qmax?0.1?100%?2.0% 5

2.0％＞1.5％

即该表的基本误差超出1.5级表的允许值。所以该表的精度不合格。但该表最大引用误差小于2.5级表的允许值，若其它性能合格可降作2.5级表使用。

四者比较可见，选用a表进行测量所产生的测量误差较小。

3-1答：线绕式电位器的电阻器是由电阻系数很高的极细的绝缘导线，整齐地绕在一个绝缘骨架上制成的。在电阻器与电刷相接触的部分，导线表面的绝缘层被去掉并抛光，使两

者在相对滑动过程中保持可靠地接触和导电。电刷滑过一匝线圈，

电阻就增加或减小一匝线圈的电阻值。因此电位器的电阻随电刷位

移呈阶梯状变化。只要精确设计绝缘骨架尺寸按一定规律变化，如

图3-1-2(b)所示，就可使位移－电阻特性呈现所需要的非线性曲线形状。由3－1-2(a)可见，只有当电刷的位移大于相邻两匝线圈的间距时，线绕式电位器的电阻才会变化一个台阶。而非线绕式电位器电

刷是在电阻膜上滑动，电阻呈连续变化，因此线绕式电位器分辨力

比非线绕式电位器低。

3-2解：据公式（3-1-4），对于空载电位器，其输出电压与输入位

移呈线性关系，

ux?uu?rx??x rl

由上式可见，电位器灵敏度的提高几乎是完全依靠增加电源电压来

得到。但是电源电压不可能任意增加，它是由电位器线圈的细电阻

丝允许的最大消耗功率p决定的。所以，允许的电源电压为

u?pr?.04?10000?20v

1.2?6v 4由题意知，l=4mm，x=1.2mm，代人公式（3-1-4）计算得，电位器空载输出电压为 ux?20?

3-3答：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，而应变电阻材料的应变灵敏

系数k0是指应变电阻材料的阻值的相对变化与应变电阻材料的应变

之比。实验表明：k＜k0，究其原因除了黏结层传递应变有损失外，

另一重要原因是存在横向效应的缘故。

?r?kx?x?ky?y?kx(1??h)?x， r

按照定义，应变片的灵敏系数为k??r/r

?x?kx(1??h)， ?yky因???0，横向效应系数h??0，故

k?kx?k0。 ?xkx

3-4解：应变片用导线连接到测量系统的前后，应变片的应变量相同，都为

???r/r?r/r? k2

应变片用导线连接到测量系统后，导线电阻将使应变电阻的相对变化减小，从而使应变片的灵敏度降低为 ?r?r?r

k?????1.82 ?r?r?

kr2?120

3-5解：将题中给出的参数值，代人书上的公式（3-1-23），计算得由温度变化引起的附加电阻相对变化为：

?rt ??0?k0??g??s??t?15?10?6?2.05??11?14.9??10?6?40?2.8 02?10?4。r0????

?rt/r02.802?10?4

折合成附加应变为?t???1.37?10?4。 k02.05

3-6 解：由题知 w（100）=r100 /r0 =1.42，代入公式（3-1-26），计算得电阻温度系数为

??rt?r0r100?r01.42r0?r00.42r00.42?100?????0.42(?/?c)

t100100100100

当温度为50℃时，代入公式（3-1-26）计算得，此时的电阻值为 r50?r0(1???50)?100?(1?0.42?50)?121(?)

当rt=92?时，代入公式（3-1-26）计算得，此时的温度值为

t?rt?r0

??92?100??19(?c) 0.42

3-7 解：t0 =0℃=273k，r0 =500k?；t=100℃=373k，代人公式（3-1-30）计算得热敏电阻的阻值为

r373?r273e2900(11?)373273?28.98k?

3-8答：采用金属材料制作的电阻式温度传感器称为金属热电阻，简称热电阻。一般说来，金属的电阻率随温度的升高而升高，从而使金属的电阻也随温度的升高而升高。因此金属热电阻的电阻温度系数为正值。

采用半导体材料制作的电阻式温度传感器称为半导体热敏电阻，简称热敏电阻。按其电阻—温度特性，可分为三类：(1)负温度系数热敏电阻(ntc)；(2)正温度系数热敏电阻(ptc)；

(3)临界温度系数热敏电阻(ctc)。因为在温度测量中使用最多的是ntc型热敏电阻，所以，通常所说的热敏电阻一般指负温度系数热敏电阻。

3-9答：题3-9图是日本生产的某电冰箱温控电路。该电冰箱的温控范围tl～th由窗口

题3-9图

【篇三：《传感器与检测技术》复习大纲】

lass=txt>1 考试题型及分值分配

2 参考教材

周杏鹏主编，《传感器与检测技术》，清华大学出版社，2009年王俊杰主编，《检测技术与仪表》，武汉理工大学出版社，2002年1“测量理论与基础”复习大纲

掌握、理解

测量的概念，测量值与量纲的关系

真值、约定真值含义及其在测量中的应用场合

绝对误差、相对误差的概念、表示方法

系统误差与随机误差的概念、特点

死区、回差、滞环的含义，产生死区、回差的物理原因

灵敏度、分辨率、非线性的含义及其对仪表性能的影响

仪表结构防爆和本质安全防爆的原理

会

给定检测对象的物理特性方程，估算仪表的灵敏度、非线性

给定检测对象的物理特性方程及检测精度要求，确定仪表的分辨率了解

检测仪表在控制系统及国民经济中的作用

检测仪表性能对控制系统的影响

仪表控制系统、dcs、ddc、fcs的结构特点及检测仪表在其中的表现形式测量估计值的可信度与精度的关系

仪表的引用误差与精度等级的关系，引用误差的表示方法

平均无故障时间与平均故障修复时间的含义

敏感元件、传感器、变送器在控制系统中的作用

直接测量与间接测量的差异

危险场所分类与环境分类的方法

防爆等级标注方法及各等级的含义

仪表防护等级分类及含义

2“温度测量”复习大纲

掌握、理解

温标的概念，建立现代化温标的条件

热电偶的几个重要定则的含义及其对使用热电偶的指导作用热电偶的冷端处理与补偿方法

标准热电阻的规格、测量范围、测量误差及其它性能特点

热电阻三线、四线连线方式克服接线电阻的原理

利用黑体辐射定律进行非接触式测温的原理

温度传感器ds18b20的测温范围、精度、测量时间与接口方式会热电阻、热点偶分度表的使用

用热电偶测温时，不同冷端温度条件下热电势与热端温度的计算。了解

经验温标、热力学温标、国际温标之间的关系

膨胀式与压力式温度计测量温度的原理

各种标准热电偶在灵敏度、线性度、测量范围、费用、使用场合等方面的热电偶、热电阻的安装结构

热电阻相对温度系数、电阻率的定义

热敏电阻的种类、特性与优缺点

光学高温计、光电高温计、辐射温度计和比色温度计的构成与测温原理温度变送器的原理

温度传感器ds18b20的测温原理

光纤温度计的测温原理

3“压力测量与电阻式传感器”复习大纲

掌握、理解

压力基本概念，常见计量单位及相互间的关系

液柱式压力检测原理

金属、半导体把压力变化转换为电阻变化的物理原理

单臂、双臂、全臂直流电桥测量应变的原理

会

单管、斜管液柱式压力计灵敏度、精度的计算

单臂、双臂、全臂直流电桥测量应变的灵敏度估算

了解

典型弹性元件及其测量范围

弹簧管压力计、波纹管压力计、膜盒式微压计的测量原理

利用霍尔元件、差动变压器实现压力计位移机电转换的原理金属应变片与半导体应变片的性能特点与使用注意事项

相邻臂、应变筒利用应变片测量压力的原理

压电式、压阻式压力传感器测量原理

电容式差压变送器测量原理与应用

4“流量测量及仪表”复习大纲

掌握、理解

瞬时流量与累计流量、质量流量与体积流量的概念及它们之间的关系。差压流量计把差压转换成流量的理论原理

差压流量计的组成

涡街流量计的频率检测方法

科里奥利流量计把流量转换成力量、最后表现为时间差测量的理论基础会

根据科里奥利流量计两路信号的相差角度，计算出信号的时差，进而计算出质量流量。

了解

节流装置的作用、组成，国家规定的标准节流装置的种类

角接取压与法兰取压的原理

差压流量计的安装注意事项

电磁流量计的原理、选用与安装注意事项

涡街流量计的优缺点及安装要求

科里奥利流量计中科里奥利力产生、作用的原理

科里奥利流量计的优缺点

热式质量流量计的工作原理

标准水容积法和气体pvtt法标定流量的原理