传感器原理复习题及答案

传感器原理复习题及参考答案1.什么是传感器？按照国标定义，“传感器”应该如何说明含义？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。

2.传感器应满足的必要条件？（1）输出信号与被测量之间具有唯一确定的因果关系；（2）输出信号信号处理系统匹配；（3）具有尽可能宽的动态范围、良好的响应特性、足够高的分辨率和信号噪声比；（4）对被测量的干扰尽可能小，尽可能不消耗被测系统的能量，不改变被测系统原有的状态；（5）性能稳定可靠，抗干扰能力强；（6）适应性强，具有一定的过载能力；（7）便于加工制造，具有互换性；（8）输成本低，寿命长，使用维护方便。

3.画出传感器组成框图，叙述各部分作用。

（1）敏感元件: 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，如位移、应变、光强等。

（2）转换元件：把输入转换成适于传输或测量的可用信号，如电阻、电压、电荷等。

（3）信号调理电路：对可以信号进行转换、放大、运算、调制、滤波等。

4.传感器按工作机理分类有哪些类型？（1）物理型：利用敏感元件的物理结构或功能材料的物理特性及效应制成的传感器。

（2）化学型：利用电化学反应原理，将各种化学物质（如电解质、化合物、分子、离子）的状态、成分、浓度等转化成可用信号的传感器。

（3）生物型：利用生物反应（酶反应、微生物反应、免疫学反应等）原理，将生物体内的葡萄糖、DNA等转换成可用信号的传感器。

5.传感器的发展趋势？（1）开发新材料（2） 新工艺的采用 （3） 集成化、多功能化 （4） 智能化6.传感器的静态特性是什么？由哪些性能指标描述？静态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。

描述输入输出特性的通用静态数学模型为： ，通过标定得到实测数据，进而可求得数学模型中的系数。

主要性能指标有线性度、灵敏度、迟滞、重复性、精度、分辨力、测量范围、稳定性、温度稳定性、抗干扰能力。

人们根据传感器的静特性来选择合适的传感器。

7.叙述传感器的静态标定过程。

（1） 将传感器、标定设备及测量仪器连接好。

（2） 把传感器超载20%的全量程分成若干等份，保持一定时间均匀地进行逐级加载和卸载，记录输入、输出数据；（3） 将标定数据列表或绘出标定曲线，以便确定传感器的静态特性。

8.确定拟合直线有哪些方法？（1） 端点直线法 （2） 过零旋转法 （3） 端点平移法 （4） 平均法 （5） 最小二乘法 （6）分段拟合法9.描述传感器的精度指标？传感器测量精度反映传感器测量值与真值的接近程度。

与之有关的指标有三个：精密度、准确度和精确度。

（1） 精密度：反映测量结果中随机误差的影响程度。

表示多次重复测量中，测量结果分散性的程度。

多次测量结果求平均可减小随机误差。

（2） 准确度：反映测量结果中系统误差的影响程度。

即多次测量结果平均值与真值接近的程度。

定期标定可减小系统误差。

（3） 精确度：反映测量结果中随机误差和系统误差的综合的影响程度。

精密度高准确度不一定高，准确度高而精密度也不一定高，精确度高表示精密度和准确度都很高。

10.传感器动态特性的数学描述方法有哪些？（1） 微分方程（线性常系数微分方程） （2） 传递函数 （3） 频率特性11.传感器的动态特性参数有哪些？它们的意义是什么？（1）传感器动态特性参数主要有：时间常数τ；固有频率n ω；阻尼系数ξ。

（2）含义：τ越小系统需要达到稳定的时间越少；固有频率n ω越高响应曲线上升越快；当n ω为常数时响应特性取决于阻尼比ξ，阻尼系数ξ越大，过冲现象减弱，1ξ≥时无过冲，不存在振荡，阻nn x a x a x a x a a y +++++= 332210尼比直接影响过冲量和振荡次数。

12．叙述传感器动态特性参数标定方法？（1） 频率响应法测动态指标在传感器输入端加不同频率的正弦信号，并测量对应传感器的输出信号，即可得到传感器的幅频特性。

再根据传感器动态特性指标与幅频特性的关系，确定动态特性指标。

（2） 阶跃响应法测动态指标在传感器输入端加阶跃信号，并测量对应传感器的输出信号，即可得到传感器的阶跃响应。

再根据传感器动态特性指标与阶跃响应的关系，确定动态特性指标。

13．传感器不失真的条件是什么？传感器不失真时有：幅频条件： 相频条件：14.已知两个二阶传感器的固有频率分别为800Hz 和1200Hz ，阻尼系数为0.4，在测量频率为400Hz 的正弦信号时，应选择哪个传感器？为什么？应选择固有频率为1200Hz 的传感器，其幅值误差与相位误差都比较小。

15.何为电阻应变效应？如何利用金属电阻丝实现力的测量？当外力作用时，导体的电阻率ρ、长度l 、截面积S 都会发生变化，从而引起电阻值R 的变化，这种因变形而使其电阻值发生变化的现象称为电阻应变效应。

用金属电阻丝制作应变片，然后将应变片粘贴到弹性体（其所受压力与应变成正比）上，保证应变片与弹性体变形相同。

当外力作用于弹性体上时，弹性体发生变形，应变片也因同步变形而发生电阻变化，所以通过测量应变片的电阻值变化，就可检测出外界作用力的大小。

16. 什么是应变片的灵敏系数？它与金属电阻丝的灵敏系数有何不同？为什么？)()(0t t kx t y -=)()(0ωωωj X kej Y t j -=0)()()(t j ke j X j Y j H ωωωω-==常数==k A )(ω0)(t ωωϕ=176.015.08.0]5.01[112]1[1)400(2222221=-⨯+-=-+-=∆）（）（ξηηA 5333.0arctan 75.04.0arctan 12arctan)400(21-=-=--=∆ηξηϕ0777.0133.08.0]33.01[112]1[1)400(2222222=-⨯+-=-+-=∆）（）（ξηηA 3.0arctan 333.0138.0arctan 12arctan)400(221-=-÷-=--=∆ηξηϕ金属丝灵敏系数为金属丝的电阻相对变化量与应变的比值，近似为(12)μ+。

而实际应变片的灵敏系数应包括基片、粘合剂以及敏感栅的横向效应。

虽然长度相同，但应变状态不同，金属丝做成成品的应变片（粘贴到试件上）以后，灵敏系数降低了。

17.金属应变片与半导体应变片在工作原理上有何不同？二者的灵敏系数范围各是多少？金属导体应变片的电阻变化是利用金属机械形变产生的电阻应变效应，而半导体应变片主要是利用半导体材料的压阻效应。

金属电阻丝的灵敏系数可近似写为 012k μ≈+，即0 1.52k ≈～；半导体应变片灵敏系数近似为 ()0//k E ρρεπ≈∆=≈50～100。

18.在以钢为材料的实心圆柱形试件上，沿轴线和圆周方向各贴一片电阻为120Ω的金属应变片R1和R2（如图1-a 所示），把这两应变片接入电桥（见图1-b ）。

若钢的泊松系数0.285μ=，应变片的灵敏系数k =2，电桥电源电压U=2V ，当试件受轴向拉伸时，测得应变片R1的电阻变化值10.48R ∆=Ω。

试求：①轴向应变；②电桥的输出电压。

（1）11/R R k ε∆=则轴向应变为：1/0.48/1200.0022R R k ε∆=== （2）电桥的输出电压为：011(1)220.002 1.285 5.1422U Uk mV εμ=+=⨯⨯⨯⨯=19.电容式传感器的结构类型？（1）变极距型 （2）变面积型 （3）变介电常数型。

20.某电容式液位传感器由直径为40mm 和8mm 的两个同心圆柱体组成。

储存罐也是圆柱形，直径为50cm ，高为1.2m 。

被储存液体的εr ＝2.1。

计算传感器的最小电容和最大电容以及当用在储存灌内传感器的灵敏度(pF/L)图121.电容式传感器的设计要点有哪些？（1） 消除和减小温度、湿度的影响 （2） 消除和减小边缘效应（3） 消除和减小寄生电容的影响 （4） 防止和减小外界干扰22.论述“驱动电缆”(双层屏蔽等位传输)技术当电容式传感器的电容值很小，测量电路只能与传感器分开时，可采用“驱动电缆”技术。

传感器与测量电路前置级间的引线为双屏蔽层电缆，其内屏蔽层与信号传输线(即电缆芯线)通过1:1放大器成为等电位，从而消除了芯线与内屏蔽层之间的电容。

由于屏蔽线上有随传感器输出信号变化而变化的电压，因此称为“驱动电缆”。

采用这种技术可使电缆线长达10m 之远也不影响仪器的性能。

23.何谓电感式传感器？电感式传感器分为哪几类？各有何特点？电感式传感器是利用线圈自感和互感的变化实现非电量电测的一种装置，传感器利用电磁感应定律将被测非电量转换为电感或互感的变化。

电感式传感器种类：自感式、互感式、涡流式、压磁式、感应同步器。

工作原理：自感、互感、涡流、压磁。

pF m m pF r R H C 46.415ln 2.1)/85.8(2ln 20min =⨯⨯==ππεpF pF rR H C r 07.872.146.41ln 20max=⨯==επεLm m H dV 6.2352.14)5.0(422=⨯==ππ“驱动电缆”技术原理图24.说明产生差动电感式传感器零位残余电压的原因。

差动变压器式传感器的铁芯处于中间位置时，在零点附近总有一个最小的输出电压0U ，将铁芯处于中间位置时，最小不为零的电压称为零点残余电压。

产生零点残余电压的主要原因是由于两个次级线圈绕组电气系数（互感 M 、电感L 、内阻R ）不完全相同，几何尺寸也不完全相同，工艺上很难保证完全一致。

25.说明电涡流式传感器的基本结构与工作原理。

形成涡流必须具备两个条件：第一存在交变磁场；第二导电体处于交变磁场中。

电涡流式传感器通电后线圈周围产生交变磁场，金属导体置于线圈附近。

当金属导体靠近交变磁场中时，导体内部就会产生涡流，这个涡流同样产生交变磁场。

由于磁场的反作用使线圈的等效电感和等效阻抗发生变化，使流过线圈的电流大小、相位都发生变化。

通过检测与阻抗有关的参数进行非电量检测。

26.什么是压电效应？什么是正压电效应和逆压电效应？某些电介质在沿一定的方向受到外力的作用变形时，由于内部电极化现象同时在两个表面上产生符号相反的电荷，当外力去掉后，恢复到不带电的状态；而当作用力方向改变时，电荷的极性随着改变。