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

2、感器按輸出信號(hào)形式分為模擬式和數(shù)字式（B11）2、傳感器按工作機(jī)理分為物理量傳感器、生物量傳感器、化學(xué)量傳感器。（B8）3、結(jié)構(gòu)型傳感器是利用機(jī)械結(jié)構(gòu)或尺寸的變化，將被測(cè)量轉(zhuǎn)化為電量而構(gòu)成的。其結(jié)構(gòu)的幾何尺寸在被測(cè)量的作用下發(fā)生變化，并可獲得比例與被測(cè)非電量的電信號(hào)。（A6）4、物性型傳感器是利用材料的某些客觀屬性受被測(cè)量的影響而變化，從而實(shí)現(xiàn)非電量到電量的轉(zhuǎn)化。（A7）5、復(fù)合型傳感器是將中間轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)與物性型敏感元件復(fù)合而成的傳感器。6、傳感器按能量關(guān)系分為有源傳感器（能量轉(zhuǎn)換型）和無源傳感器(能量控制型)（B9）7、有源傳感器（能量轉(zhuǎn)換型）是將非電能量轉(zhuǎn)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(cè)非電量來控制或調(diào)節(jié)傳感器輸出的能量。（A10）靜態(tài)特性18、靜態(tài)模型為（B18）29、靜態(tài)標(biāo)準(zhǔn)條件是指沒有加速度、振動(dòng)、沖擊；環(huán)境溫度為20±5；相對(duì)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(guān)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(shí)際關(guān)系曲線（校準(zhǔn)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(dòng)法、編輯非線性校準(zhǔn)數(shù)據(jù)表、非線性刻度、合理選擇工作

4、區(qū)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(lì)電壓修正法及用模擬乘法器進(jìn)行線性化處理。（B36）13、靈敏度是傳感器在穩(wěn)態(tài)下輸出增量y與輸入增量x的比值，常用Sn表示。（A13）14、重復(fù)性是傳感器在輸入量按同一方向作全量程多次測(cè)量時(shí)，所得特性曲線不一致的程度。（A14）15、 遲滯（回差滯環(huán)）現(xiàn)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(duì)于同一大小的輸入信號(hào)，傳感器的正、反行程的輸出信號(hào)大小不相等的現(xiàn)象） 。（A15）16、最小檢測(cè)量（閥值）是指?jìng)鞲衅髂艽_切反應(yīng)被測(cè)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(dāng)達(dá)到某一最小值時(shí)才有輸出，這個(gè)最小值即為閥值。（A16）分辨率是指在規(guī)定測(cè)量范圍內(nèi)所能檢測(cè)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(dāng)增量達(dá)到某一最小值時(shí)才有輸出，這個(gè)最小值即為分辨率，表示傳感器能夠檢測(cè)被測(cè)量的最小量值的性能指標(biāo)（A17）18、 穩(wěn)定性是室溫條件下，經(jīng)過相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間間隔，傳感器的輸出與起始標(biāo)定時(shí)的輸出之間的差異。（A18）16、漂移是在外界的干擾下，輸出量發(fā)生與輸入量無關(guān)的、不需要的變化。（A19）20、時(shí)間漂移：（A20）指輸入量一定時(shí)，輸出量隨時(shí)間的變化而緩慢變化的現(xiàn)象；17、時(shí)間漂移指輸入量一定時(shí)，輸出量隨時(shí)間的變化而緩

6、慢變化的現(xiàn)象；（A20）18、溫度漂移指環(huán)境溫度變化引起的零點(diǎn)或靈敏度的漂移。（A21）19、精確度（精度）：測(cè)量結(jié)果與真值之間的一致程度，是測(cè)量誤差的一種表示形式。從誤差角度來看，精度由兩項(xiàng)指標(biāo)組成，即精密度和正確度，精密度反映的是隨機(jī)誤差影響的大小；而正確度反映的是系統(tǒng)誤差影響的大小。（A22）（B30）動(dòng)態(tài)特性1、動(dòng)態(tài)特性指?jìng)鞲衅鲗?duì)于動(dòng)態(tài)輸入信號(hào)的響應(yīng)特性,它反映出傳感器測(cè)量動(dòng)態(tài)信號(hào)的能力。（A23）2、最大超調(diào)量p是響應(yīng)曲線偏離階躍曲線穩(wěn)態(tài)的最大值。（A24）3、延滯時(shí)間td是階躍響應(yīng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)值50%所需的時(shí)間。（A25）4、上升時(shí)間tr：無振蕩傳感器響應(yīng)曲線從穩(wěn)態(tài)值10% 90% 所

7、需的時(shí)間。有振蕩傳感器從零上升到第一次達(dá)到穩(wěn)態(tài)值所需的時(shí)間。（A26）5、峰值時(shí)間tp指響應(yīng)曲線達(dá)到第一個(gè)峰值所需時(shí)間。（A27）6、響應(yīng)時(shí)間ts指響應(yīng)曲線衰減到穩(wěn)態(tài)值之差不超過±5%或±2%時(shí)所需的時(shí)間。（A28）7、動(dòng)態(tài)誤差產(chǎn)生原因：當(dāng)K=1時(shí)，應(yīng)存在 A=B ，但由于激勵(lì)信號(hào)的變化，以及傳感器測(cè)量電路、機(jī)械慣性、延時(shí)等原因的影響，AB。存在動(dòng)態(tài)幅值誤差r（A29）8、通頻帶指對(duì)數(shù)幅頻特性曲線上幅值衰減3dB時(shí)對(duì)應(yīng)的頻率范圍。越大越好。（A30）9、工作頻帶是幅值誤差為（-5%）（+5%）對(duì)應(yīng)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(yīng)變片基底的作用：保證應(yīng)變的準(zhǔn)確傳遞。（B31）3、橫向效應(yīng)：敏感柵的靈敏系數(shù) k 小于其線材的靈敏系數(shù)k0 。（A34）4、應(yīng)變極限：應(yīng)變片的相對(duì)誤差最大允許值對(duì)應(yīng)的輸入應(yīng)變。 （B33）5、應(yīng)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(yīng)變片溫度誤差產(chǎn)生原因：敏感柵電阻隨溫度的變化而變化、試件材料與應(yīng)變絲的線脹系數(shù)不一致，使敏感柵產(chǎn)生附加變形(應(yīng)變)，從而引起輸出值的變化。（B35）7、應(yīng)變片的電阻應(yīng)變特性是通過實(shí)驗(yàn)獲得的，一般這種實(shí)驗(yàn)都是在規(guī)定的統(tǒng)一

9、條件下進(jìn)行的，其實(shí)驗(yàn)條件主要有:將應(yīng)變片粘貼在=0.285 的構(gòu)件上且施加一維應(yīng)力。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，其特性在一定的范圍內(nèi)具有很好的線性。（B32）8、壓阻式傳感器溫度誤差產(chǎn)生原因有半導(dǎo)體電阻與溫度有關(guān)以及壓阻系數(shù)與溫度有關(guān)。（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(shù)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(dòng)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(shù)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(jié)構(gòu)分為氣隙型和螺管型。（B44）3、 電渦流（渦流）是金屬導(dǎo)體置于交變磁場(chǎng)中或在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生閉合的像水中漩渦一樣的感應(yīng)電流（A35）4、 理論上，差動(dòng)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(cè)量電路的基本功能是X方向判別及X數(shù)值大小測(cè)量。（B46）壓電式傳感器1、順（正）壓電效應(yīng)：某些物質(zhì)（電介質(zhì)），在某一方向上受到力的作用而產(chǎn)生變形時(shí)，內(nèi)部產(chǎn)生極化現(xiàn)象，在其兩個(gè)表面（電極面）產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷；當(dāng)力撤銷時(shí)，又恢復(fù)原

11、狀態(tài)。（A36）2、逆（反）壓電效：某些物質(zhì)的極化方向上施加電場(chǎng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生機(jī)械變形，而電場(chǎng)撤銷時(shí)，變形消失。（A37）3、壓電陶瓷經(jīng)過極化處理才具有壓電效應(yīng)。（B47）4、采用電壓放大器時(shí)，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(cè)量誤差。 （B48）5、采用電荷放大器時(shí)，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(cè)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(hào)。（B49）熱電式傳感器1、熱電效應(yīng)：兩種不同材料的導(dǎo)體連接成一個(gè)閉合回路時(shí)，當(dāng)兩接點(diǎn)處的溫度不同時(shí)，會(huì)在導(dǎo)體間產(chǎn)生熱電勢(shì)，從而在

12、導(dǎo)體中產(chǎn)生電流 。這兩種導(dǎo)體組合稱為熱電偶。單個(gè)導(dǎo)體稱為熱電極。（A38）2、熱電效應(yīng)產(chǎn)生的原因有接觸電勢(shì)、溫差電勢(shì)和熱電勢(shì)。（B52）3、熱電偶必須由兩種不同的均質(zhì)材料構(gòu)成。（B53）4、熱電偶按結(jié)構(gòu)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(dǎo)體材料，而熱敏電阻的材料是半導(dǎo)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(yīng)（光電發(fā)射）：在光的照射下，物體內(nèi)的電子逸出其表面的現(xiàn)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(yīng)）。（A39）2、內(nèi)光電效應(yīng)分為光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏特

13、效應(yīng)。3、光電導(dǎo)效應(yīng)：受光照射的物體（半導(dǎo)體材料）的電導(dǎo)率（電阻率）發(fā)生變化的現(xiàn)象。光導(dǎo)管工作原理是基于（光電導(dǎo)效應(yīng)）。（A40）4、光生伏特效應(yīng)：受光照射的物體（二極管或三極管），其內(nèi)產(chǎn)生一定方向的電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象。光電池工作原理是基于（光生伏特電效應(yīng)）。（A41）5、光敏電阻：室溫下，無光照射時(shí)的電阻值為暗電阻；此時(shí)通過的電流為暗電流；有光照射時(shí)的阻值稱為亮電阻，此時(shí)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(guān)系。（A45）7、光敏電阻的光譜特性：光敏電阻相對(duì)靈敏度與照射光波長(zhǎng)之間的關(guān)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(tài)。（B60）9、光電池的光照特性：光電流與照度之間的關(guān)系。（A48）10、光熱效應(yīng)：紅外光能輻射熱量，物體接收紅外輻射后其溫度產(chǎn)生變化的現(xiàn)象。（A47）11、根據(jù)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(cè)位移有三方面的特點(diǎn)：位移的放大作用、辨向功能和誤差的平均效應(yīng)。（B62）13、莫爾條紋：兩塊柵距相等的光柵面向?qū)ΟB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(gè)很小的夾角，在近于垂直柵線方向上出現(xiàn)明暗相間的條紋。（A49）磁敏式（磁電式）傳感器1、霍爾效應(yīng)：磁場(chǎng)中的載流體薄片，當(dāng)有電

15、流流過時(shí)，垂直于電流和磁場(chǎng)的方向上產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)。（A50）2、磁柵式傳感器主要由磁柵、磁頭及磁信號(hào)錄制電路組成。（B63）3、動(dòng)態(tài)磁頭不能測(cè)量靜態(tài)量。（B64）4、靜態(tài)磁頭能測(cè)量靜態(tài)量。（B65）四 簡(jiǎn)答題1、 試證明電阻應(yīng)變片的靈敏系數(shù)k總是小于敏感柵電阻絲靈敏系數(shù)k0。（A34） 3、畫出電容式傳感器的等效電路圖，并標(biāo)明各元件的名稱。（D3）答：Rp為并聯(lián)等效電阻，包括極間直流電阻和介質(zhì)損耗的等效電阻Rs為串聯(lián)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(dòng)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(diào)制測(cè)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(biāo)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(lián)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(shí)銜鐵與被測(cè)體相連，被測(cè)體使銜鐵與鐵心的距離改變時(shí)，氣隙厚度也會(huì)改變，導(dǎo)致氣隙磁阻改變，從而引起電感值改變。當(dāng)傳感器線圈接入測(cè)理電路后，電感的進(jìn)一步轉(zhuǎn)換成電壓、電流或頻率的變化，實(shí)現(xiàn)非電量到電量的轉(zhuǎn)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(dòng)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(jì)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(jì)算公式，并討論N2/N1對(duì)K的影響。（D8）7、 寫出螺管型互感式傳感器靈敏度K的計(jì)算公式，并討論f對(duì)K的影響。（D8）9、畫圖說明螺管型互感式傳感器差動(dòng)整流測(cè)量電路工作原理。（D9）10、定性說明測(cè)量線圈與導(dǎo)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(cè)金屬體的電阻率、磁導(dǎo)率。r線圈與被測(cè)金屬體的 尺寸因子。f ?1的頻率x線圈與導(dǎo)體間距離11、畫圖說明當(dāng)在機(jī)械軸方向作用拉力時(shí)，石英晶體產(chǎn)

18、生壓電效應(yīng)的機(jī)理。（D11）答：當(dāng)石英晶體未受外力作用時(shí)，正、負(fù)離子正好分布在正六邊形的頂角上，形成三個(gè)互成120°夾角的電偶極矩P1、P2、P3，如圖5-3（a）所示。當(dāng)石英晶體受到沿x軸方向的壓力作用時(shí)，晶體沿x方向?qū)a(chǎn)生壓縮變形，正負(fù)離子的相對(duì)位置也隨之變動(dòng)。如圖5-3（b）所示，此時(shí)正負(fù)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(xiàn)負(fù)電荷， 電偶極矩在y方向上的分量仍為零，不出現(xiàn)電荷。當(dāng)晶體受到沿y軸方向的壓力作用時(shí)，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(xiàn)

19、正電荷。在y軸方向上仍不出現(xiàn)電荷。 12、畫出壓電式傳感器的電壓源等效電路圖，并標(biāo)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(biāo)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(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型。（D14）15、試述接觸電勢(shì)產(chǎn)生的機(jī)理。（B52） 答： 當(dāng)自由電子密度不同的兩種導(dǎo)體A、B接觸時(shí)，在兩導(dǎo)體接觸處，自由電子將從密度大的金屬A擴(kuò)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(fù)電，從而在接觸處形成一個(gè)電場(chǎng)。該電場(chǎng)使電子反向轉(zhuǎn)移，當(dāng)電場(chǎng)作用和擴(kuò)散作用動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，兩種不同金屬的接點(diǎn)處就會(huì)產(chǎn)生接觸電勢(shì)。16、試述溫差電勢(shì)產(chǎn)生的機(jī)理。（B5

20、2） 同一均質(zhì)金屬導(dǎo)體，當(dāng)其兩端溫度不同時(shí)，導(dǎo)體內(nèi)自由電子從高溫端向低溫端擴(kuò)散，并在冷端聚集，使導(dǎo)體內(nèi)建立起一電場(chǎng)。當(dāng)此電場(chǎng)對(duì)電子的作用力與擴(kuò)散力平衡時(shí)，擴(kuò)散作用停止。電場(chǎng)產(chǎn)生的電勢(shì)稱為溫差電勢(shì)。17、試述均質(zhì)導(dǎo)體定律并證明之。（B53）均質(zhì)導(dǎo)體定律：兩種均質(zhì)金屬組成的熱電偶，其熱電勢(shì)大小只與熱電材料和兩端溫度有關(guān)。 證明：18、試述中間導(dǎo)體定律并證明之。（D18）中間導(dǎo)體定律：在熱電偶中加入第三種導(dǎo)體，若該導(dǎo)體兩端溫度相同且均質(zhì)，則對(duì)回路的熱電勢(shì)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(diǎn)的溫度為Tz (ToTzT) ，其熱電勢(shì)為：EAB(T,To)=

21、 EAB(T,Tz)+ EAB(Tz,To)證明：20、 用鎳鉻-鎳硅熱電偶測(cè)量加熱爐溫度。已知冷端溫度t0=30，測(cè)得熱電勢(shì)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(shù)頭的結(jié)構(gòu)圖，表明各部分的名稱并指出各自的作用。（D21）答：光柵讀數(shù)頭主要由標(biāo)尺光柵、指示光柵、光路系統(tǒng)和光電元件等組成。標(biāo)尺光柵的有效長(zhǎng)度即為測(cè)量范圍，一般固定在被測(cè)物體上，且隨被測(cè)物體一起移動(dòng)，其長(zhǎng)度取決于測(cè)量范圍，指示光柵。指示光柵比標(biāo)尺光柵短得多，但兩者一般刻有同樣的柵

22、距，使用時(shí)兩光柵互相重疊，兩者之間有微小的空隙，相對(duì)于光電元件固定。22、 畫出智能傳感器結(jié)構(gòu)框圖。（D22）23、簡(jiǎn)述智能化傳感器應(yīng)具有哪些功能：答： 具有邏輯判斷、統(tǒng)計(jì)處理功能。 具有自診斷、自校準(zhǔn)功能。 具有自適應(yīng)、自調(diào)整功能。 具有組態(tài)功能。 具有記憶、存儲(chǔ)功能。 具有數(shù)據(jù)通訊功能。五 綜合應(yīng)用題1、 已知某傳感器靜態(tài)數(shù)學(xué)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(yīng)變儀工作原理。（E2）Fab 解：3、畫圖說明冷端溫度自動(dòng)補(bǔ)償法（補(bǔ)償電橋法）原理。（E8）答 04、具體說明你所學(xué)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