1、傳感技術習題與參考題 傳感技術習題歸納傳感器基本概念1、傳感器是一種能感受規定的被測量并按一定規律轉換成有用（與之有對應的關系的且易于處理和控制）輸出信號的器件或裝置。（A1）2、傳感器一般由敏感元件、轉換元件、測量電路三部分組成。有時還需要加上輔助電源。（A2）3、敏感元件（預變換器）是直接感受被測量，并輸出與被測量有確定關系的易于變換為電量的其它量的元件。（A3）4、轉換元件（傳感元件）是將敏感元件輸出量轉換成電量的元件。（A4）5、測量電路（信號調節與轉換電路）是將傳感元件輸出的電量轉換為便于顯示、記錄、處理和控制的有用電信號的電路。輔助電源為傳感元件和測量電路提供能源。傳感器分類1、傳

2、感器按輸出信號形式分為模擬式和數字式（B11）2、傳感器按工作機理分為物理量傳感器、生物量傳感器、化學量傳感器。（B8）3、結構型傳感器是利用機械結構或尺寸的變化，將被測量轉化為電量而構成的。其結構的幾何尺寸在被測量的作用下發生變化，并可獲得比例與被測非電量的電信號。（A6）4、物性型傳感器是利用材料的某些客觀屬性受被測量的影響而變化，從而實現非電量到電量的轉化。（A7）5、復合型傳感器是將中間轉換環節與物性型敏感元件復合而成的傳感器。6、傳感器按能量關系分為有源傳感器（能量轉換型）和無源傳感器(能量控制型)（B9）7、有源傳感器（能量轉換型）是將非電能量轉換為電能量。（A9）8、無源傳感器（

3、能量控制型）是由外部供給它能量，又由被測非電量來控制或調節傳感器輸出的能量。（A10）靜態特性18、靜態模型為（B18）29、靜態標準條件是指沒有加速度、振動、沖擊；環境溫度為20±5；相對濕度不大于85%；大氣壓力為760±60mmHg高(0.1MPa)的條件的情況。（B29）11、 基本特性：輸出輸入關系特性。（A11）21、 線性度（非線性誤差）是輸出量與輸入量之間的實際關系曲線（校準曲線）偏離理論直線（擬合曲線）的程度（輸出與輸入之間的線性程度）。（A12）22、 非線性誤差（B21）23、減小非線性誤差的方法有差動法、編輯非線性校準數據表、非線性刻度、合理選擇工作

4、區及合理選擇輸出量（B23）36、減小或消除電橋非線性誤差的方法有有源電橋線性化法、反饋激勵電壓修正法及用模擬乘法器進行線性化處理。（B36）13、靈敏度是傳感器在穩態下輸出增量y與輸入增量x的比值，常用Sn表示。（A13）14、重復性是傳感器在輸入量按同一方向作全量程多次測量時，所得特性曲線不一致的程度。（A14）15、 遲滯（回差滯環）現象表明正向行程（輸入量增加）和反向行程（輸入量減小）期間， 輸出-輸入特性曲線不重合的程度。（對于同一大小的輸入信號，傳感器的正、反行程的輸出信號大小不相等的現象） 。（A15）16、最小檢測量（閥值）是指傳感器能確切反應被測量的最低極限量。一般是指輸入量

5、緩慢地從零開始增加，當達到某一最小值時才有輸出，這個最小值即為閥值。（A16）分辨率是指在規定測量范圍內所能檢測輸入量的最小變化量xmin。一般是指輸入量緩慢地從非零任一值開始增加，當增量達到某一最小值時才有輸出，這個最小值即為分辨率，表示傳感器能夠檢測被測量的最小量值的性能指標（A17）18、 穩定性是室溫條件下，經過相當長的時間間隔，傳感器的輸出與起始標定時的輸出之間的差異。（A18）16、漂移是在外界的干擾下，輸出量發生與輸入量無關的、不需要的變化。（A19）20、時間漂移：（A20）指輸入量一定時，輸出量隨時間的變化而緩慢變化的現象；17、時間漂移指輸入量一定時，輸出量隨時間的變化而緩

6、慢變化的現象；（A20）18、溫度漂移指環境溫度變化引起的零點或靈敏度的漂移。（A21）19、精確度（精度）：測量結果與真值之間的一致程度，是測量誤差的一種表示形式。從誤差角度來看，精度由兩項指標組成，即精密度和正確度，精密度反映的是隨機誤差影響的大小；而正確度反映的是系統誤差影響的大小。（A22）（B30）動態特性1、動態特性指傳感器對于動態輸入信號的響應特性,它反映出傳感器測量動態信號的能力。（A23）2、最大超調量p是響應曲線偏離階躍曲線穩態的最大值。（A24）3、延滯時間td是階躍響應達到穩態值50%所需的時間。（A25）4、上升時間tr：無振蕩傳感器響應曲線從穩態值10% 90% 所

7、需的時間。有振蕩傳感器從零上升到第一次達到穩態值所需的時間。（A26）5、峰值時間tp指響應曲線達到第一個峰值所需時間。（A27）6、響應時間ts指響應曲線衰減到穩態值之差不超過±5%或±2%時所需的時間。（A28）7、動態誤差產生原因：當K=1時，應存在 A=B ，但由于激勵信號的變化，以及傳感器測量電路、機械慣性、延時等原因的影響，AB。存在動態幅值誤差r（A29）8、通頻帶指對數幅頻特性曲線上幅值衰減3dB時對應的頻率范圍。越大越好。（A30）9、工作頻帶是幅值誤差為（-5%）（+5%）對應的頻率范圍。越大越好。（A31）10、相位誤差是輸出與輸入的相位差。一般不能超

8、過100。（A32） 電阻式傳感器1、電位器式傳感器階梯特性：輸出量隨輸入量的變化呈階躍性變化的特性。（A33）2、應變片基底的作用：保證應變的準確傳遞。（B31）3、橫向效應：敏感柵的靈敏系數 k 小于其線材的靈敏系數k0 。（A34）4、應變極限：應變片的相對誤差最大允許值對應的輸入應變。 （B33）5、應變片絕緣電阻：引線與試件（或敏感柵與基底）之間的電阻。（B34）6、應變片溫度誤差產生原因：敏感柵電阻隨溫度的變化而變化、試件材料與應變絲的線脹系數不一致，使敏感柵產生附加變形(應變)，從而引起輸出值的變化。（B35）7、應變片的電阻應變特性是通過實驗獲得的，一般這種實驗都是在規定的統一

9、條件下進行的，其實驗條件主要有:將應變片粘貼在=0.285 的構件上且施加一維應力。實驗發現，其特性在一定的范圍內具有很好的線性。（B32）8、壓阻式傳感器溫度誤差產生原因有半導體電阻與溫度有關以及壓阻系數與溫度有關。（B37）電容式傳感器1、 電容式傳感器按工作原理可分為：變間隙式、變面積式、變介電常數式。（B38）2、 變間隙式電容式傳感器既能提高靈敏度又能提高抗擊穿電壓的方法是在極板間放置云母片。（B39）3、減小變間隙式電容式傳感器非線性誤差的方法是差動法。（B40）4、變間隙式電容傳感器非線性誤差為5、變極板面積式電容傳感器非線性誤差為0（即線性）。（B41）6、變介電常數式電容傳感

10、器非線性誤差為0（即線性）。（B42）電感式傳感器1、 電感式傳感器按原理分為自感式、互感式和電渦流式；（B43）2、 電感式傳感器按結構分為氣隙型和螺管型。（B44）3、 電渦流（渦流）是金屬導體置于交變磁場中或在磁場中運動時，導體內產生閉合的像水中漩渦一樣的感應電流（A35）4、 理論上，差動式氣隙型電感式傳感器非線性誤差不為0。（B45）5、 螺管型互感式傳感器測量電路的基本功能是X方向判別及X數值大小測量。（B46）壓電式傳感器1、順（正）壓電效應：某些物質（電介質），在某一方向上受到力的作用而產生變形時，內部產生極化現象，在其兩個表面（電極面）產生符號相反的電荷；當力撤銷時，又恢復原

11、狀態。（A36）2、逆（反）壓電效：某些物質的極化方向上施加電場時，會產生機械變形，而電場撤銷時，變形消失。（A37）3、壓電陶瓷經過極化處理才具有壓電效應。（B47）4、采用電壓放大器時，壓電式傳感器與前置放大器之間連接電纜不能隨意更換，否則將引入測量誤差。 （B48）5、采用電荷放大器時，壓電式傳感器與前置放大器之間連接電纜可以隨意更換，其引入的測量誤差非常小。（B50）6、前置放大器的作用：（1）把它的高輸出阻抗變換為低輸出阻抗；（2）放大傳感器輸出的微弱信號。（B49）熱電式傳感器1、熱電效應：兩種不同材料的導體連接成一個閉合回路時，當兩接點處的溫度不同時，會在導體間產生熱電勢，從而在

12、導體中產生電流 。這兩種導體組合稱為熱電偶。單個導體稱為熱電極。（A38）2、熱電效應產生的原因有接觸電勢、溫差電勢和熱電勢。（B52）3、熱電偶必須由兩種不同的均質材料構成。（B53）4、熱電偶按結構分為普通熱電偶、鎧裝式熱電偶和薄膜熱電偶。（B54）5、熱電耦和熱電阻的材料都是金屬導體材料，而熱敏電阻的材料是半導體材料。（B55）6、集成溫度傳感器線性度大于溫敏二極管線性度大于熱敏電阻線性度。（B56）光電式傳感器1、外光電效應（光電發射）：在光的照射下，物體內的電子逸出其表面的現象。逸出的電子稱為光電子。光電管工作原理是基于（外光電效應）。（A39）2、內光電效應分為光電導效應和光生伏特

13、效應。3、光電導效應：受光照射的物體（半導體材料）的電導率（電阻率）發生變化的現象。光導管工作原理是基于（光電導效應）。（A40）4、光生伏特效應：受光照射的物體（二極管或三極管），其內產生一定方向的電動勢的現象。光電池工作原理是基于（光生伏特電效應）。（A41）5、光敏電阻：室溫下，無光照射時的電阻值為暗電阻；此時通過的電流為暗電流；有光照射時的阻值稱為亮電阻，此時流過的電流稱為亮電流。亮電流與暗電流之差為光電流。（A42）6、光敏電阻的伏安特性：在一定的照度下流過光敏電阻的電流與其兩端電壓之間的關系。（A45）7、光敏電阻的光譜特性：光敏電阻相對靈敏度與照射光波長之間的關系。（A46）8、

14、光敏二極管在電路中一般是處于反向截止工作狀態。（B60）9、光電池的光照特性：光電流與照度之間的關系。（A48）10、光熱效應：紅外光能輻射熱量，物體接收紅外輻射后其溫度產生變化的現象。（A47）11、根據光纖在傳感器中的作用分為：功能型（全光纖型）、非功能型（傳光型和拾光型）。（B61）12、莫爾條紋測位移有三方面的特點：位移的放大作用、辨向功能和誤差的平均效應。（B62）13、莫爾條紋：兩塊柵距相等的光柵面向對疊合在一起，中間留有很小的間隙，并使兩者的柵線之間形成一個很小的夾角，在近于垂直柵線方向上出現明暗相間的條紋。（A49）磁敏式（磁電式）傳感器1、霍爾效應：磁場中的載流體薄片，當有電

15、流流過時，垂直于電流和磁場的方向上產生電動勢。（A50）2、磁柵式傳感器主要由磁柵、磁頭及磁信號錄制電路組成。（B63）3、動態磁頭不能測量靜態量。（B64）4、靜態磁頭能測量靜態量。（B65）四 簡答題1、 試證明電阻應變片的靈敏系數k總是小于敏感柵電阻絲靈敏系數k0。（A34） 3、畫出電容式傳感器的等效電路圖，并標明各元件的名稱。（D3）答：Rp為并聯等效電阻，包括極間直流電阻和介質損耗的等效電阻Rs為串聯等效電阻，包括引線電阻、接線柱電阻及電容極板電阻。 2、試述差動法減小變間隙式電容式傳感器非線性誤差的原理。（B40）4、畫圖說明電容式傳感器脈寬調制測量電路工作原理。（E4）5、畫出

16、氣隙型自感式傳感器的等效電路圖，并標明各元件的名稱。（D5）L為線圈電感Rc銅損電阻Re渦流損耗電阻C并聯寄生電容4、 定性說明氣隙型自感式傳感器工作原理。（D4） 答：氣隙型電感式傳感器主要由線圈，銜鐵和鐵心組成。工作時銜鐵與被測體相連，被測體使銜鐵與鐵心的距離改變時，氣隙厚度也會改變，導致氣隙磁阻改變，從而引起電感值改變。當傳感器線圈接入測理電路后，電感的進一步轉換成電壓、電流或頻率的變化，實現非電量到電量的轉換。5、定量說明氣隙型自感式傳感器工作原理。（D4）6、證明差動式氣隙型電感式傳感器理論非線性誤差為0。（B45）6、畫出螺管型互感式傳感器的等效電路圖。（D6）答：7、寫出螺管型互

17、感式傳感器非線性誤差的計算公式，并討論減小非線性誤差的方法。（D7）答：減小非線性誤差的方法（1）增大：X0、d、b（2）減小：X7、寫出螺管型互感式傳感器靈敏度K的計算公式，并討論N2/N1對K的影響。（D8）7、 寫出螺管型互感式傳感器靈敏度K的計算公式，并討論f對K的影響。（D8）9、畫圖說明螺管型互感式傳感器差動整流測量電路工作原理。（D9）10、定性說明測量線圈與導體間的距離的電渦流式傳感器工作原理。（D10）答：Z=F(,r, f ,x) ,被測金屬體的電阻率、磁導率。r線圈與被測金屬體的 尺寸因子。f ?1的頻率x線圈與導體間距離11、畫圖說明當在機械軸方向作用拉力時，石英晶體產

18、生壓電效應的機理。（D11）答：當石英晶體未受外力作用時，正、負離子正好分布在正六邊形的頂角上，形成三個互成120°夾角的電偶極矩P1、P2、P3，如圖5-3（a）所示。當石英晶體受到沿x軸方向的壓力作用時，晶體沿x方向將產生壓縮變形，正負離子的相對位置也隨之變動。如圖5-3（b）所示，此時正負電荷重心不再重合，電偶極矩在x方向上的分量由于P1的減小和P2、P3的增加而不等于零。在x軸的正方向出現負電荷， 電偶極矩在y方向上的分量仍為零，不出現電荷。當晶體受到沿y軸方向的壓力作用時，晶體的變形如圖5-3(c）所示。與圖5-3（b）情況相似，P1增大，P2、P3減小。在x軸的正方向出現

19、正電荷。在y軸方向上仍不出現電荷。 12、畫出壓電式傳感器的電壓源等效電路圖，并標明各元件的名稱。（D12） 13、畫出壓電式傳感器的電荷源等效電路圖，并標明各元件的名稱。（D13） 14、畫出壓電式加速度傳感器原理示意圖，建立其動態數學模型。（D14）15、試述接觸電勢產生的機理。（B52） 答： 當自由電子密度不同的兩種導體A、B接觸時，在兩導體接觸處，自由電子將從密度大的金屬A擴散到密度小的金屬B，使A失去電子帶正電，B得到電子帶負電，從而在接觸處形成一個電場。該電場使電子反向轉移，當電場作用和擴散作用動態平衡時，兩種不同金屬的接點處就會產生接觸電勢。16、試述溫差電勢產生的機理。（B5

20、2） 同一均質金屬導體，當其兩端溫度不同時，導體內自由電子從高溫端向低溫端擴散，并在冷端聚集，使導體內建立起一電場。當此電場對電子的作用力與擴散力平衡時，擴散作用停止。電場產生的電勢稱為溫差電勢。17、試述均質導體定律并證明之。（B53）均質導體定律：兩種均質金屬組成的熱電偶，其熱電勢大小只與熱電材料和兩端溫度有關。 證明：18、試述中間導體定律并證明之。（D18）中間導體定律：在熱電偶中加入第三種導體，若該導體兩端溫度相同且均質，則對回路的熱電勢無影響。證明：19、試述中間溫度定律并證明之。（D19）中間溫度定律：熱電極上某一點的溫度為Tz (ToTzT) ，其熱電勢為：EAB(T,To)=

21、 EAB(T,Tz)+ EAB(Tz,To)證明：20、 用鎳鉻-鎳硅熱電偶測量加熱爐溫度。已知冷端溫度t0=30，測得熱電勢EAB（t，t0）為33.29mV, 求加熱爐溫度。 （鎳鉻-鎳硅熱電偶分度表見右表）（D20）T()EAB（T，0）00301.20382934.49283034.494答：21、 畫出光柵讀數頭的結構圖，表明各部分的名稱并指出各自的作用。（D21）答：光柵讀數頭主要由標尺光柵、指示光柵、光路系統和光電元件等組成。標尺光柵的有效長度即為測量范圍，一般固定在被測物體上，且隨被測物體一起移動，其長度取決于測量范圍，指示光柵。指示光柵比標尺光柵短得多，但兩者一般刻有同樣的柵

22、距，使用時兩光柵互相重疊，兩者之間有微小的空隙，相對于光電元件固定。22、 畫出智能傳感器結構框圖。（D22）23、簡述智能化傳感器應具有哪些功能：答： 具有邏輯判斷、統計處理功能。 具有自診斷、自校準功能。 具有自適應、自調整功能。 具有組態功能。 具有記憶、存儲功能。 具有數據通訊功能。五 綜合應用題1、 已知某傳感器靜態數學模型為：y=1+5x+x2，量程：0 10，求最小二乘法線性度（將x分為10等份）。（E1）解：x012345678910y17152537516785105127151畫圖說明電阻應變儀工作原理。（E2）Fab 解：3、畫圖說明冷端溫度自動補償法（補償電橋法）原理。（E8）答 04、具體說明你所學過的以下類型傳感器分別有哪些？（E9） （1）有源傳感器；光電式傳感器，壓電式傳感器bt