传感器5-2
传感器技术第3版课后部分习题解答
光勇 0909111621 物联网1102班《传感器技术》作业第一章习题一1-1衡量传感器静态特性的主要指标。
说明含义。
1、线性度——表征传感器输出-输入校准曲线与所选定的拟合直线之间的吻合（或偏离）程度的指标。
2、回差（滞后）—反应传感器在正（输入量增大）反（输入量减小）行程过程中输出-输入曲线的不重合程度。
3、重复性——衡量传感器在同一工作条件下，输入量按同一方向作全量程连续多次变动时，所得特性曲线间一致程度。
各条特性曲线越靠近，重复性越好。
4、灵敏度——传感器输出量增量与被测输入量增量之比。
5、分辨力——传感器在规定测量围所能检测出的被测输入量的最小变化量。
6、阀值——使传感器输出端产生可测变化量的最小被测输入量值，即零位附近的分辨力。
7、稳定性——即传感器在相当长时间仍保持其性能的能力。
8、漂移——在一定时间间隔，传感器输出量存在着与被测输入量无关的、不需要的变化。
9、静态误差（精度）——传感器在满量程任一点输出值相对理论值的可能偏离（逼近）程度。
1-2计算传感器线性度的方法，差别。
1、理论直线法：以传感器的理论特性线作为拟合直线，与实际测试值无关。
2、端点直线法：以传感器校准曲线两端点间的连线作为拟合直线。
3、“最佳直线”法：以“最佳直线”作为拟合直线，该直线能保证传感器正反行程校准曲线对它的正负偏差相等并且最小。
这种方法的拟合精度最高。
4、最小二乘法：按最小二乘原理求取拟合直线，该直线能保证传感器校准数据的残差平方和最小。
1—4 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。
传感器习题及答案
选择题1．码盘式传感器是建立在编码器的基础上的，它能够将角度转换为数字编码，是一种数字式的传感器。
码盘按结构可以分为接触式、__a__和__c__三种。
a.光电式b.磁电式c.电磁式d.感应同步器2. 改变电感传感器的引线电缆后，___c___。
a.不必对整个仪器重新标定b. 必须对整个仪器重新调零c. 必须对整个仪器重新标定d. 不必对整个仪器重新调零3．应变片的选择包括类型的选择、材料的选用、__c__、__d__等。
a.测量范围的选择b.电源的选择c. 阻值的选择d. 尺寸的选择e.精度的选择f.结构的选择4．应变片绝缘电阻是指已粘贴的__b__应变片的之间的电阻值。
a.覆盖片与被测试件b.引线与被测试件c.基片与被测试件d.敏感栅与被测试件5．在光的作用下，电子吸收光子能量从键合状态过渡到自由状态，引起物体电阻率的变化，这种现象称为_d_。
a.磁电效应b.声光效应c.光生伏特效应d.光电导效应6.结构由线圈、铁芯、衔铁三部分组成的。
线圈套在铁芯上的，在铁芯与衔铁之间有一个空气隙，空气隙厚度为。
传感器的运动部分与衔铁相连。
当外部作用力作用在传感器的运动部分时，衔铁将会运动而产生位移，使空气隙发生变化。
这种结构可作为传感器用于__c___。
a. 静态测量b. 动态测量c. 静态测量和动态测量d. 既不能用于静态测量，也不能用于动态测量7.4不属于测试系统的静特性。
（1）灵敏度（2）线性度（3）回程误差（4）阻尼系数8. 电阻应变片的输入为1。
（1）力（2）应变（3）速度（4）加速度9.结构型传感器是依靠3的变化实现信号变换的。
（1）本身物理性质（2）体积大小（3）结构参数（4）电阻值10.不能用涡流式传感器进行测量的是4。
（1）位移（2）材质鉴别（3）探伤（4）非金属材料11.变极距电容传感器的输出与输入，成1关系。
（1）非线性（2）线性（3）反比（4）平方12.半导体式应变片在外力作用下引起其电阻变化的因素主要是3。
传感课后习题
传感课后习题1、比较结构型传感器和物性型传感器。
2、举例说明传感器在家用电器中的应用。
3-1.电阻应变片的直接测量（敏感）量是什么？如何利用电阻应变片构成测力传感器的加速度传感器？3-2.金属丝型电阻应变片与半导体电阻应变片的异同点。
3-3.什么是金属的电阻应变效应？利用应变效应解释金属电阻应变片的工作原理。
金属应变片灵敏系数的物理意义是什么？3-4举例说明用应变片进行测量时为什么要温度补偿？常采用的温度补偿方法有哪几种？3-5.应变片传感器的测量电桥（直流）按应变片的工作方式和数量的不同，一般有哪几种类型？各有何特点？3-6.交、直流电桥的平衡条件是什么？简述直流电桥和交流电桥的异同点。
3-7.应变效应和压阻效应二者有何不同？电阻丝应变片与半导体应变片在工作原理上有何区别？各有何优缺点？3-8.什么是半导体的压阻效应？半导体应变片灵敏系数有何特点？3-9.简要说明应变测量中信号转变的历程。
3-10.用图表示一由等强度梁来做一荷重（测力）传感器，以四片应变片R1=R2=R3=R4作变换元件组成全桥形式，其供桥电压为6V，问：a)其应变片如何粘贴组成全桥比较合理？画出应变片布置图及桥路连接图b)求其电压输出值（K1=K2=K3=K4=2.0）。
3-11.R1、R2是性能完全相同的两个应变片，R为R1、R2同阻值的无感电阻，若按题11图方式布片，试问：（1）测拉力但不受弯矩影响应如何构成测量桥路。
（2）欲测其弯矩而不受拉力的影响，应如何接桥。
（3）上述两种接桥方式中，是否有温度补偿作用。
3-12.两金属片和阻值均为120，灵敏系数K=2，两应变片一个受拉、另一个受压，应变均为800某10-6ε。
两者接入差动直流电桥，电源电压u=6V。
求：（1）R和R/R；uo（2）电桥输出电压3-13.一个电阻值为250Ω的电阻应变片，当感受到应变为1.5104时，其阻值变化为0.15Ω，问这个电阻应变片的灵敏度系数是多少？3-14.将100Ω的一个应变计粘贴在低碳钢制的拉伸试件上，若试件的等截面积为0.5某10-4m2，低碳钢的弹性模量E=200某109N/m2，由50kN的拉力所引起的应变计电阻变化为1Ω，试求该应变计的灵敏系数。
《传感器》习题答案
第一章 思考题与习题1、什么是传感器的静态特性？它有哪些性能指标？答：输入量为常量或变化很慢情况下，输出与输入两者之间的关系称为传感器的静态特性。
它的性能指标有：线性度、迟滞、重复性、灵敏度与灵敏度误差、分辨率与阈值、稳定性、温度稳定性、抗干扰稳定性和静态误差（静态测量不确定性或精度）.2、传感器动特性取决于什么因素？答：传感器动特性取决于传感器的组成环节和输入量，对于不同的组成环节(接触环节、模拟环节、数字环节等）和不同形式的输入量(正弦、阶跃、脉冲等)其动特性和性能指标不同。
3、某传感器给定相对误差为2％FS ，满度值输出为50mV ，求可能出现的最大误差δ（以mV 计）.当传感器使用在满刻度的1/2和1/8时计算可能产生的百分误差。
并由此说明使用传感器选择适当量程的重要性。
已知：FS %2=γ， mV y FS 50=；求:δm =？解：∵ %100⨯=FS my δγ； ∴ mV y FS m 1%100=⨯•=γδ若: FS FS y y 211= 则: %4%100251%1001=⨯=⨯=FS m y δγ 若： FS FS y y 812=则: %16%10025.61%1002=⨯=⨯=FS m y δγ 由此说明，在测量时一般被测量接近量程（一般为量程的2/3以上)，测得的值误差小一些。
4、有一个传感器，其微分方程为x y dt dy 15.03/30=+，其中y 为输出电压(mV ）,x 为输入温度(0C ），试求该传感器的时间常数τ和静态灵敏度k 。
已知：x y dt dy 15.03/30=+；求：τ=？，k =？解:将x y dt dy 15.03/30=+化为标准方程式为：x y dt dy 05.0/10=+与一阶传感器的标准方程：kx y dt dy =+τ 比较有： ⎩⎨⎧==)/(05.0)(100C mV k s τ 5、已知某二阶系统传感器的自振频率f 0=20k Hz ，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。
2024-2025学年新教材高中物理第5章传感器1认识传感器教案新人教版选择性必修第二册
3.实验器材：
-准备不同类型的传感器实物，如光敏电阻、热敏电阻、压力传感器等，以便于学生观察和学习。
-确保传感器实验套件充足，包括传感器、信号放大器、显示装置等，以便学生进行实际操作。
-准备实验所需的连接线、电源、测量仪器（如万用表）等辅助工具。
3.随堂测试：
-设计针对传感器基础知识、特性参数和实际应用的随堂测试，以评估学生对本节课重点内容的掌握情况。
-分析测试结果，了解学生的知识盲点和理解误区，为后续教学提供参考。
4.实验操作评价：
-观察学生在实验操作中的规范性和安全性，评估学生对实验原理的理解和实验技能的掌握。
-检查实验报告的撰写质量，包括实验数据的记录、分析和结论的推导。
-湿度监测与改善建议：学生需要描述如何使用湿度传感器监测植物生长环境的湿度，并提出根据监测结果调整浇水或增加湿度的措施。
-学会了与他人合作，能够在小组讨论中发挥自己的优势，共同解决问题。
3.情感态度与价值观：
-增强了对物理学科的兴趣，认识到传感器在现代科技中的重要性，激发了进一步学习的欲望。
-培养了创新意识和实践精神，敢于提出自己的观点，勇于尝试新的解决方案。
-提升了环保意识和社会责任感，了解到传感器在环境保护、资源节约等方面的应用价值。
教学评价与反馈
1.课堂表现：
-观察学生在课堂上的参与度、提问回答的积极性和准确性，以及学生对传感器知识点的理解和掌握程度。
-关注学生在课堂上的注意力集中情况，以及他们对传感器案例分析的感兴趣程度。
2.小组讨论成果展示：
-评估各小组讨论的深度和广度，以及提出的解决方案的创新性和实用性。
-检查小组成果展示的逻辑性和清晰度，以及学生在展示过程中的表达能力和沟通技巧。
传感器习题库
课题一 传感器与检测技术的基础理论1-1 有一数字温度计，它的测量范围为-50～+150C ︒，精度为0.5级。
求当示值分别为-20C ︒、+100C ︒时的绝对误差及示值相对误差。
1-2 欲测240V 电压，要求测量示值相对误差不大于0.6%±，问选用量程为250V电压表，其精度为哪级？若选用量程为300V 和500V 电压表，其精度又为哪级？1-3 已知待测电压约为80V 左右。
现有两只电压表，一只为0.5级，测量范围为0～300V ，另一只为1.0级，测量范围为0～100V 。
问选用哪一只电压表测量较好？为什么？1-4 用一台三位数字电子温度计测量温度，数字面板上显示如图1－1所示的数值，求该仪表的分辨力、被测温度值、示值相对误差、满意相对误差。
（提示：该三位数字表的量程上限为199.9C ︒）1-5 有一台测量压力的仪表，测量范围为60~10a P ，压力p 与仪表输出电压之间的关系为2012o p p U a a a =++式中，2550122,10(10),0.5(10)a a mV mV mV a a a P P ===-，求：1）该仪表的输出特性方程。
2）画出输出特性曲线示意图（x 轴、y 轴均要标出单位）。
3）该仪表的灵敏度表达式。
4）画出灵敏度曲线图。
5）该仪表的线性度。
1-6 检测系统由哪几部分组成？说明各部分的作用。
1-7 非电量的电测法有哪些优点？1-8 测量稳压电源输出电压随负载变化的情况时，应当采用何种测量方法？如何进行？1-9 某线性位移测量仪，当被测位移由4.5mm 变到5.0mm时，位移测量仪的输图1－1 数字式电子温度计面板示意图出电压由3.5V 减至2.5V ，求该仪器的灵敏度。
1-10 某测温系统由以下四个环节组成，各自的灵敏度如下：铂电阻温度传感器： C Ω35.0 电桥： V 01.0放大器： 100（放大倍数） 笔式记录仪： V cm 1.0 求：（1）测温系统的总灵敏度；（2）纪录仪笔尖位移4cm 时。
iec 60947-5-2标准
IEC 60947-5-2标准是低压开关设备和控制设备第5-2部分：控制电路设备和开关元件。
它适用于感测金属和/或非金属物体存在的电感式和电容式接近开关、感测声音反射物体存在的超声波接近开关、感测物体存在的光电接近开关以及通过磁场感应物体存在的非机械磁性接近开关。
此外，该标准的电气传感器的电气特性规范得到了明确定义和规范化，从而确保了电气传感器的安全性和可靠性。
该标准对电气传感器的四个主要方面进行了规定，分别是电气性能、电气连接、电流容量和电器机械寿命。
这些规定旨在确保电气传感器能在工业现场的恶劣环境下稳定工作。
此标准有多个版本，如2019年的第四版取消并取代了2007年发布的第三版和修正案1:2012，构成了技术修订。
此外，该版本相对于前一版本包括范围更新；根据IEC指南116调整和更新施工要求（例如材料要求、人工光辐射、指令要求、热表面、无人值守操作、可预见的误用等）。
以上信息仅供参考，如需了解更多信息，建议访问相关网站查询。
5-2电容式传感器的测量电路 传感器课件
±UE
D2
D1
iC1 +
C1
R2 R1
iC2
+
+C2 RL Ｕ- 0
R1
+ i1 C1
R2
5、调频电路
振荡回路固有电容
f 1
2 LC
引线分布电容
CC1C0Cc
f0
1
2 (
1
（ 5 3 2 ）
C 1 C 0 C c C L
Cx L
Δu 振荡器
Δf
限幅 Δf 放大器
鉴频器 Δu
图5-18 调频式测量电路原理框图
Q
5.3 电容式传感器的特点及设计 与应用中存在的问题
5.3.1 电容传感器的特点
1．电容式传感器的优点 （1）温度稳定性好
传感器的电容值一般与电极材料无关，仅取 决于电极的几何尺寸，且空气等介质损耗很小， 只要从强度、温度系数等机械特性考虑，合理 选择材料和几何尺寸其他因素(因本身发热极小) 影响甚微。
（2）结构简单，适应性强 电容式传感器结构简单，易于制造。能在高
与T形网络中的电容C1和C2的差值有关。当电源电 压确定后，输出电压只是电容C1和C2 的函数。
4、差动脉宽调制电路
利用对传感器电容的充放电使电路输出脉冲 的宽度随传感器电容量变化而变化。通过低通滤 波器得到对应被测量变化的直流信号。
C1、C2为差动式传感器的
D1
两个电容，若用单组式， 则其中一个为固定电容， 其电容值与传感器电容初 Ur
传感器与检测技术项目式教程(第2版)第五章-电阻式气体和湿度传感器
项目描述
• 酒精测试仪是一款常用检测司机酒精含量的仪器。根据 被测人员的呼气检测饮酒信息，及时测试车主血液酒精 浓度，显示“醉酒驾驶”、“饮酒驾驶”、“安全驾驶 ”状态。
• 呼气酒精含量测试仪是一款轻巧、实用、安全，便于随 身携带的酒精含量检测工具，适用于交警查车、司机自 检等方面
（四）半导体气敏传感器结构
• 电阻式气体传感器按结构可将其分成烧结型、薄膜型和 厚膜型三种。其中烧结型气敏元件是目前工艺最成熟， 应用最广泛的元件
• 1．烧结型气敏元件 • 烧结型气敏元件是以多孔陶瓷SnO2为基材（料粒度在
1μm以下），添加不同物质，采用传统制陶方法，进行 烧结。 烧结时埋入测量电极和加热线，制成管芯，最后 将电极和加热丝引线焊在管座上,外加二层不锈钢网而制 成元件。 • 目前最常用的是氧化锡（SnO2）烧结型气敏元件，用 来测量还原性气体。
• 烷烃类气体灵敏度低。因此，
• 这种元件有良好的选择性
3．厚膜型气敏元件 • 将气敏材料（如SnO2、ZnO）与一定比例的硅凝胶混
制成能印刷的厚膜胶，把厚膜胶用丝网印刷到事先安装 有铂电极的氧化铝（Al2O3）基片上，在400℃～800℃ 的温度下烧结1～2小时便制成厚膜（μm级）型气敏元 件，用厚膜工艺制成的器件一致性较好，机械强度高， 适于批量生产。
• 例如，当N型半导体材料遇到离解能较小易于失去电子 的还原性气体（即可燃性气体，如一氧化碳、氢、甲烷 、有机溶剂等）后，发生还原反应，电子从气体分子向 半导体移动，半导体中的载流子浓度增加，导电性能增 强，电阻减小。当N型半导体材料遇到氧化性气体（如 氧、三氧化硫等）后就会发生氧化反应，半导体中的载 流子浓度减少，导电性能减弱，因而电阻增大。
习题参考答案5-磁电式传感器
习题5五、磁电式传感器习 题5-1某磁电感应式速度传感器总刚度为3200N/m ，测得其固有频率为20Hz ，今欲将其固有频率减小为10Hz ，问刚度应为多大？答：磁电感应式速度传感器总刚度K ，质量m ，及固有角频率ω0之间的关系为20ωm K =20220120220121ωωωω==m m K K m N f f K K /8002010320032002220220120220121=⨯=⨯==ωω 5-2已知磁电式速度传感器的技术参数如下：频率范围20~1000Hz ，幅值范围为5mm （峰峰值），加速度幅值范围为0.1~30g （g=9.8m/s 2为重力加速度），无阻尼固有频率为5Hz ，线圈电阻为600Ω，横向灵敏度最大为20%，灵敏度为4.88±0.2V/（m/s ），质量为170g 。
（1）在有效载荷作用下测得最低频率时位移的振幅为5mm ，试计算这时的输出电压值。
（2）频率为100Hz 时测得输出电压幅值为0.5V ，确定这时的速度和相应的位移。
答:假设振动是简谐运动，即振动位移t A x ωsin = 则t A dtdx v ωωcos ==振动速度幅值 ωA A v = 则t A dt dv a ωωsin 2-== 振动加速度幅值 2ωA A a = （1）s m fA A A v /628.010520223=⨯⨯⨯===-ππω用K 表示传感器的灵敏度V KA U v o 06.3628.088.4=⨯==（2）s m K U A o v /102.088.45.0=== m f A A A v v41062.11002102.02-⨯=⨯===ππω5-3 霍尔元件灵敏度K H =40V/（A·T ），控制电流I=3.0mA ，将它置于变化范围为的线性变化的磁场中，它输出的霍尔电势范围为多大？答：IB K U H H =T B 4101-⨯=时，V U H 543102.110110340---⨯=⨯⨯⨯⨯=T 44105~101--⨯⨯T B 4105-⨯=时，V U H 54310610110340---⨯=⨯⨯⨯⨯=所以输出霍尔电势的范围为V 55106~102.1--⨯⨯5-4 某霍尔元件L ×b ×d 为 ,其灵敏度系数为 ,沿L 方向通过工作电流 I=5mA,垂直于b ×d 面方向的均匀磁场B=0.6T.求其输出的霍尔电势是多少?答：T IB K U H H 33106.36.01052.1--⨯=⨯⨯⨯==mm mm mm 2.048⨯⨯)/(2.1T mA mV ∙。
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图16 - 对于一般形式的叉指换能器
25
其传递函数
H ( f ) (1) n ln / l0e j 2f n p / v
n 1
N
N
- 叉指极对数
l n - 第 n 对叉指的搭接长度
v
p 2
- 声表面波传播速度
- 叉指电极宽与指间距
l0 - 叉指最大搭接长度
26
由 Q 值是决定振荡器频率稳定性的重要参数之一
这种高 Q 值谐振器结构 - 可进一步提高 SAW 传感 器灵敏度和分辨率
44
由式
v f n E 和式 l 2
v f 可知 2l P
l P 发生变化
v
任何量 - 只要能引起 v 、 l 或
会使 SAW 振荡器的振荡频率 - 发生变化
频率越高 - 集中能量层越薄
这一特点 使 SAW 较体波更易获得高声强 - 同时该特点也使 基片背面对 SAW 传播的影响很小
7
④波的相速度 - 依赖于晶体的切向和波的传播方向
除沿纯模方向外 - 能流方向一般也不平行于传播方 向
8
2.声表面波的主要性质
（1）SAW 的反射及模式转换
通过振荡电路 - 检测出振荡频率的变化 可建立 - 频率偏移与待测量之间的关系
45
无源遥测 - SAW 传感器的一大优势
20 世纪 90 年代中期 - 国内外开始这方面的研究
结构上看
无线 SAW 传感器 - 也可分为延迟型和谐振型 工作原理不同于一般的 SAW 传感器 - 以延迟型为例 （图 19）
SAW 与一般波动一样 - 遇到声阻抗不连续时便会 发生反射 压电晶体表面 - 蒸镀上金属指条
使 SAW 的声阻抗 - 不连续
9
瑞利波
由质点作椭圆振动 - 既有横振动又有纵振动
遇到 - 阻抗不连续时 入射波 - 除了以瑞利波形式反射回来外 还有一部分能量 - 反射时会转换成体波
这种现象 - 称模式转换
5.1.3 声表面波传感器
1.声波及声表面波
无边界各向同性固体中 - 传播的声波
根据质点的振动方向（偏振方向） - 可分
纵波 - 质点振动平行于传播方向 横波 - 质点振动垂直于传播方向
两者的传播速度 - 取决于材料的弹性常数和密度
1
纵波速度
1 E E v L 1 1 2
46
声表面波无源传感器(图 19)
47
6.典型声表面波传感器
（1）声表面波压力传感器
压力传感器 - 应用最广泛的一类传感器
SAW 压力传感器 - 优点（与其他原理的压力传感 器相比）
数字化输出，高灵敏度，低功耗，强抗干扰能 力，可微型化、无线无源化，可采用半导体平 面制作工艺，易于集成和大批量生产 无线无源的特点有其独特应用，可对旋转和移 动等物体或在易燃、易爆、高温和有毒场合等 恶劣环境进行压力测量 - 具有很大应用前景
r v v 0 1 0 2
2
0
- 沿纯波方向
0
速度
r - 各向异性因子，体现材料各向异性的程度
15
由于在纯波方向附近 - 偏离角
很小
故
1 dv tan r 0 v d
与一般波动一样
声表面波在传播过程也存在着衍射现象 - 引起波 束的发散
v - 材料的表面波声速
T 4a ，
f
0
当 ab 时
1 v 4 a
23
2）工作带宽
SAW 器件的工作带宽 - 取决于叉指对数
f f 0 N
f 0 - 中心频率（工作频率）
N
- 叉指对数
24
3）传递函数
图 15 - 一种等高、等宽、等间距的叉指换能器 叉指换能器的一种特例
此声信号沿基片表面传播 - 并最终由接收叉指换 能器通过压电效应转换为电信号输出 22
（2）叉指换能器的基本输出
1）工作频率 f 0
SAW 器件的工作频率 - 外加交流电场的同步频率
由器件材料与叉指周期共同决定 - 声波波长 与电极周期 T 一致时得到最大激励
T v f 0
瑞利波（Rayleigh Waves）
漏波（Leaky SAW） 广义瑞利波（Generalized Rayleigh Waves） 水平剪切波（SH-SAW） 电声波（B-G Waves）
兰姆波（Lamb Waves）
4
瑞利波
半无限基片边界条件下 - 沿介质表面传播的波 声表面波(SAW)技术中所应用的绝大部分 - 瑞利波 声表面波(SAW)均指 - 各向异性晶体上的瑞利波
由逆压电效应 - 实现电-声转换 在基板表面一个声波长深度范围内 - 产生表面波 传播速度在 3000∼4000 m/s 左右 - 光速的 1/105 左 右
35
图 17 - SAW 传感器一般采用振荡器电路形式
图中 - SAW 振荡器是传感器的核心
SAW 传感器的基本工作原理 利用 SAW 振荡器这一频控元件受各种物理、化学 和生物量的作用 - 引起振荡频率的变化 通过精确测量振荡频率的变化 - 实现检测各种物 理量及化学量变化的目的
10
叉指换能器的指条数很多，各反射信号的相位不 同 - 可能出现下列情况
①互相干扰，严重影响器件性能 - 应设法抑制 ②某个特定频率 - 各反射波同向叠加 可得到 - 百分之百的反射波 转换的体波能量 - 很少
11
（2）波束偏离与衍射效应
各向异性固体中，波的相速度与群速度一般是不一致的 - 这种现象称波束偏离 相位传播方向与能量传播方向的夹角 (图 14)
11 - 材料在波传播方向的热膨胀系数
1 dv v dT - 速度的温度系数
33
5.SAW 传感器的结构形式与基本原理
声表面波器件 - 包括
压电材料薄基板
石英晶体或 LiNbO3
采用薄膜工艺制作在基板上的叉指换能器 反射极阵列
34
叉指换能器 - 受 100∼1000 MHz 频率的信号激励
5
瑞利波 - 特点
① 非色散播 - 即波速与频率无关
② 质点 - 作椭圆偏振 偏振平面 - 不一定在弧矢平面（即传播方向与表 面法线决定的平面）内 椭圆的主轴 - 不一定与传播方向或表面法线平行
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③质点通常有三个位移分量 - 并随深度方向呈衰减振荡
能量几乎集中在 - 1∼2 个波长的深度范围内
tan 1 dv v d
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（4）延时温度系数（TCD）的计算
延时温度系数 - 反映材料特性受温度影响的大小
对延迟线型 SAW 器件 - 设发射与接收叉指换能器 （IDT）之间的距离为 l ，声表面波速度为 v ， 则延迟时间 l ，延迟时间的温度系数定义为
v
1 d 1 dl 1 dv 1 dv 11 dT l dT v dT v dT
- 称偏离角
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SAW 的波束偏离与衍射效应(图 14)
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波束偏离现象 - 会导致能量损失
偏离角 越大 - 换能器越短，距离越远，能接收 的能量越少 它们之间关系
1 dv tan v d
- SAW 传播方向 - 沿
方向的 SAW 速度
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纯波方向 0 附近的速度与方向之间的关系 - 可采用 抛物线近似表示
进入 20 世纪 90 年代
谐振型振荡器（图 18b、c）- 在 SAW 传感器领域得 到越来越广泛的应用 谐振型谐振器 - 由左右两个反射栅阵列构成谐振腔
声表面波在两个反射栅之间来回反射、叠加、共振 - 形成驻波
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对叉指间隔和反射栅指条间隔均匀分布的谐振型振荡器 （SAWR）
SAW 波长
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叉指换能器的作用
实现 - 声-电换能
激励 SAW 的物理过程
发射叉指换能器上施加适当频率的交流电信号后 在压电晶片内部分布有电场 电场可分解为 - 垂直和水平两个分量（ E v 和 E h ） 通过逆压电效应使指条电极间的材料发生垂直于和 平行于表面的交变形变声波 - 其频率与激变频率 一致
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（3）声表面波的衰减
声表面波在传播过程 - 能量会逐渐衰减 引起衰减的原因 - 主要有 ①波束偏离 ②衍射
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③声表面波与材料热生子相互作用引起的衰减 - 这是材 料固有的
大小 - 取决于材料性质及环境温度,还与频率的二次 方成正比 温度越低 - 衰减越小