第5章传感器技术

1、第5章传感器技术51 知识要点5.1.1传感器的类型及选用原则1.什么叫传感器？如何分类？对其性能有何要求？传感器是测试系统中的第一级，是能感受和拾取规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或者装置，通常由敏感元件和转换元件组成。按被测量分为：位移传感器、速度传感器、加速度传感器、力传感器、温度传感器等。按传感器的工作机理分为：物理型、化学型和生物型或机械式、电气式、光学式、流体式等。按传感器的构成原理分为：结构型和物性型。按传感器的能量转换情况分为：能量控制型和能量转换型及能量传递型。按传感器的物理原理分为：电参量式传感器、压电式传感器、磁电式传感器、光电式传感器、气电式传感器、

2、热电式传感器、射线式传感器、波式传感器、半导体式传感器等。按传感器的输出量可分为：模拟式传感器和数字式传感器。按转换过程是否可逆分为：双向传感器、单向传感器。对传感器性能要求为：具有快速、准确、可靠而又能经济地实现信号转换的性能，具体有:(1)传感器的工作范围或量程应足够大，具有一定的过载能力。(2)与检测系统匹配性好，转换灵敏度高：要求其输出信号与被测输入信号成确定关系(通常为线性关系)，且比值要大。(3)精度适当，且稳定性高：传感器的静态特性与动态特性的准确度能满足要求，并长期稳定。(4)反应速度快，工作可靠性高，滞后、漂移误差小，复现性好，有互换性。(5)适应性和适用性强：动作能量小，对

3、被检测对象的状态影响小，内部噪声小并且具有抗外部噪声的性能，不易受外界干扰的影响，防水及抗腐蚀等性能好，使用安全，易于维修和校准，寿命长，成本低等。2.传感器的发展趋势是什么？（1）采用新原理、开发新型传感器。（2）大力开发物性型传感器(因为靠结构型有些满足不了要求)。（3）传感器的集成化。（4）传感器的多功能化。（5）传感器的智能化。（6）研究生物感官，开发仿生传感器。3.传感器选用原则有哪些？（1）灵敏度：传感器的灵敏度越高，可以感知越小的变化量，即被测量稍有微小变化时，传感器即有较大的输出。但灵敏度越高，与测量信号无关的外界噪声也容易混入，并且噪声也会被放大。因此，对传感器往往要求有较大

4、的信噪比。过高的灵敏度会影响其适用的测量范围。（2）线性范围：为了保证测量的精确度，传感器必须在线性区域内工作。线性范围愈宽，则表明传感器的工作量程愈大。（3）响应特性：传感器的响应特性必须在所测频率范围内尽量保持不失真。但实际传感器的响应总有一迟延，但迟延时间越短越好。在动态测量中，传感器的响应特性对测试结果有直接影响，在选用时，应充分考虑到被测物理量的变化特点(如稳态、瞬变、随机等)。（4）稳定性：为了保证稳定性，在选用传感器之前，应对使用环境进行调查，以选择合适的传感器类型。（5）精确度：传感器能否真实地反映被测量，对整个测试系统具有直接影响。传感器精确度愈高，价格越昂贵，因此应从实际出

5、发来选择。（6）可靠性：为了保证传感器应用中具有高度可靠性，事前须选用设计、制造良好，使用条件适宜的传感器。（7）其它选用原则：传感器在实际测试条件下的工作方式，也是选用传感器时应考虑的重要因素，还要兼顾结构简单、体积小、重量轻、价格便宜、易于维修、易于更换等条件。5.1.2电阻式、电感式、电容式传感器1.什么叫电阻式传感器？有哪些类型？电阻式传感器是一种把被测量转换为电阻变化的传感器。按工作原理可分为变阻器式、电阻应变式两类；按结构和性能可分为：电位差计式传感器、金属电阻应变式传感器、半导体应变式传感器、压阻式传感器、热电阻传感器、湿敏电阻传感器、光敏电阻传感器等。2.什么叫电阻应变效应和压

6、阻效应？电阻应变片有哪几种？金属丝的电阻（R=rL/S）与材料的电阻率（r）及其几何尺寸（长度L和截面积S）有关，而金属丝在承受机械变形的过程中，这三者都要发生变化，因而引起金属丝的电阻变化。金属丝的电阻随着它所受的机械变形（拉伸或压缩）的大小而发生相应变化的现象称为金属的电阻应变效应。半导体材料的电阻率随作用应力而变化的现象称为压阻效应。电阻应变片是基于金属的应变效应工作的。有丝式应变片和箔式应变片及半导体应变片三种。3.固态压阻式传感器、热电阻传感器、湿敏电阻传感器和光敏电阻传感器是根据什么效应或机理制成的？固态压阻式传感器是根据半导体材料的压阻效应在半导体材料的基片上扩散电阻制成的，基片

7、直接作为测量传感元件(甚至有的可包括某些电路)。扩散电阻在基片内组成电桥，当基片受力作用产生变形时，各电阻值发生变化，电桥产生相应的不平衡输出。热电阻传感器是利用导电物体电阻率随本身温度变化而变化的温度电阻效应制成的传感器。湿敏电阻传感器是一种检测空气湿度(水分)的传感器。它能将湿度的变化转换成电阻的变化。有些氧化物，主要是金属氧化物(如氧化锂)，当湿度变化时，会引起其电阻的变化。有些半导体材料(如硫化镉)，在黑暗的环境下它的电阻非常高，但当它受到光照射时，其电阻就显著减小，根据此现象制成的传感器成为光敏电阻传感器。4.什么电感式传感器？有哪几种？电感式传感器的敏感元件是电感线圈，其转换原理基

8、于电磁感应原理。它把被测量的变化转换成线圈自感系数L或互感系数M的变化(在电路中表现为感抗XL的变化)而达到被测量到电参量的转换。按照转换方式的不同可将电感传感器分为自感型(包括可变磁阻式与高频反射式)与互感型(差动变压器式与低频透射式)两种。常用的有涡流式电感传感器和差动变压器式电感传感器等。5.什么叫电容式传感器？有哪几种？有哪些应用？电容传感器是以各种类型的电容器为传感元件，将被测物理量转换成电容量的变化来实现测量的。电容传感器的输出是电容的变化量。电容式传感器可分为以下三大类：(1)极距变化型电容传感器。(2)面积变化型电容传感器。(3)介质变化型电容传感器。电容传感器可用来测量直线位

9、移、角位移、振动振幅。尤其适合测温、高频振动振幅、精密轴系回转精度、加速度等机械量。还可用来测量压力、差压力、液位、粮食中的水分含量、非金属材料的涂层、油膜厚度、测量电介质的湿度、密度、厚度等。5.1.3压电、磁电、光电、热电传感器1.什么叫压电效应和逆压电效应？什么叫压电传感器？压电材料有哪些？有哪些特点？有哪些应用？使用中应注意哪些问题？某些物质、如石英、钛酸钡等，当受到外力作用时，不仅几何尺寸发生变化，而且内部极化，表面上有电荷出现，形成电场。当外力去掉时，又重新回复到原不带电状态，这种现象称为压电效应。若将这些物质置于电场中，其几何尺寸也发生变化，这种由于外电场作用导致物质机械变形的现

10、象，称为逆压电效应或电致伸缩效应。利用压电效应制成的传感器称为压电传感器，其压电元件是在两个工作面上蒸镀有金属膜的压电晶片，金属膜构成两个电极，压电材料有：石英晶体、一系列单晶硅、多晶陶瓷、有机高分子聚合材料等。压电传感器具有使用频带宽、灵敏度高、结构简单、工作可靠、质量轻等优点。在压电式传感器中，为了提高灵敏度，往往采用多片压电芯片构成一个压电组件。其中最常用的是两片结构；根据两片压电芯片的连接关系，可分为串联和并联连接，常用的是并联连接，可以增大输出电荷，提高灵敏度。使用时，两片压电芯片上必须有一定的预紧力，以保证压电组件在工作中始终受到压力作用，同时可消除两片压电芯片因接触不良而引起的非

11、线性误差，保证输出信号与输入作用力间的线性关系,因此需要测量电路具有无限大的输入阻抗。但实际上这是不可能的，所以压电传感器不宜作静态测量，只能在其上加交变力，电荷才能不断得到补充，并给测量电路一定的电流。故压电传感器只能作动态测量。2.什么叫磁电传感器？有哪几种类型？磁电传感器是一种将被测物理量转换成为感应电势的有源传感器，也称为电动式传感器或感应式传感器。磁电式传感器可分成两大类型：动圈式(即动磁式)及可动衔铁式(即可变磁阻式)。动圈式磁电传感器可按结构分为线速度型与角速度型；可变磁阻式磁电传感器简称磁阻式磁电传感器。磁阻式磁电传感器由永久磁钢及缠绕其上的线圈组成，传感器在工作时线圈与磁钢都

12、不动，由运动着的物体(导磁材料)改变磁路的磁阻，引起通过线圈的磁力线增强或减弱，使线圈产生感应电势。3.什么叫光电效应？有哪几种类型？什么叫光电传感器？所谓光电效应是指物体吸收了光能后转换为该物体中某些电子的能量而产生的电效应。光电效应可分成外光电效应和内光电效应。光线照射在某些物体上，使电子从这些物体表面逸出的现象称为外光电效应，也称光电发射，逸出来的电子称为光电子。内光电效应是指光照射在半导体材料上，材料中处于价带的电子吸收光子能量，通过禁带跃入导带，使导带内电子浓度和价带内空穴增多，即激发出光生电子吸收空穴对，从而使半导体材料产生电效应。内光电效应按其工作原理可分为两种：光电导效应和光生

13、伏特效应。半导体受到光照时会产生光生电子空穴对，使导电性能增强；光线愈强，阻值愈低。这种光照后电阻率变化的现象称为光电导效应。当PN结两端没有外加电压时，在PN结势垒区内仍然存在着内结电场，其方向是从N区指向P区。当光照射到结区时，光照产生的电子空穴对在结电场作用下，电子扫向N区，空穴扫向P区；电子在N区积累和空穴在P区积累使PN结两边的电位发生变化，PN结两端出现一个因光照而产生的电动势，该现象称为光生伏特效应。根据光电效应制成的传感器叫光电传感器。根据外光电效应制成的光电器件有光电管和光电倍增管；根据光电导效应制成的光电器件有光敏电阻和反向偏置工作的光敏二极管与三极管。根据光生伏特效应制成

14、的光电器件有光电池。4.什么叫热电效应？什么叫热电传感器？两种不同的金属导体A和B组成一个闭合回路时，若两个结合点的温度不同，则在回路中就有电流产生，这种现象称热电效应。热电式传感器是一种将温度变化转换为电量的装置，它是利用某些材料或元件的性能随温度变化的特性来进行测量的。5.1.4磁敏、气敏传感器1.什么叫霍尔效应、霍尔电势和霍尔元件？霍尔元件采用何种材料？由什么组成？霍尔元件能够测量哪些物理参数？霍尔元件的不等位电势的概念是什么？温度补偿的方法有哪几种？金属或半导体薄片置于磁场中，沿着垂直于磁场的方向通以电流，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势，这种物理现象称为霍尔效应，所产生的电动势

15、称为霍尔电势。基于霍尔效应工作的半导体器件称为霍尔元件，霍尔元件多采用N型半导体材料。霍尔元件由霍尔片、四根引线和壳体组成。霍尔片是一块半导体单晶薄片(一般为420.1mm3)，在它的长度方向两端面上焊有a、b两根引线，称为控制电流端引线，通常用红色导线，其焊接处称为控制电极；在它的另两侧端面的中间以点的形式对称地焊有c、d两根霍尔输出引线，通常用绿色导线，其焊接处称为霍尔电极。霍尔元件的壳体是用非导磁金属、陶瓷或环氧树脂封装。霍尔元件可测量磁场、电流、位移、压力、振动、转速等。霍尔组件的不等位电势是霍尔组件在额定控制电流作用下，在无外加磁场时，两输出电极之间的空载电势，可用输出的电压表示。温

16、度补偿方法有分流电阻法和电桥补偿法2.什么是磁阻效应？什么叫磁敏传感器？当一载流导体置于磁场中，除了产生霍尔效应外，其电阻值会随磁场而变化，这种现象称为磁阻效应，磁阻效应与材料性质、几何形状有关。利用磁阻效应制成的磁敏元件称为磁敏电阻或磁敏传感器。常见的磁敏电阻有单晶型、薄膜型和共晶型三种，常用的磁敏元件有磁敏二极管和磁敏三极管。3.什么是气敏传感器？有哪些类型？气敏传感器是一种将检测到的气体成份和浓度转换为电信号的传感器。主要类型如表5-1所示。表5-1 气敏传感器类型气敏传感器敏感气体种类的气敏传感器半导体气敏传感器固体电解质气敏传感器敏感气体量的真空度气敏传感器高频成分传感器光学成分传感

17、器检测气体成分的气体成分传感器5.1.5固态图像传感器1.试述固态图像传感器（CCD）的基本结构。CCD传感器由MOS电容组成，金属和Si衬底是电容器两极,SiO2为介质。在N型或P型硅衬底上生成一层厚度约120nm的二氧化硅层，然后在二氧化硅层上依一定次序沉积金属电极，形成MOS电容器阵列，最后加上输入和输出端便构成了CCD器件。2.试述固态图像传感器（CCD）的工作原理。CCD的工作原理是建立在CCD的基本功能上，即电荷的产生、存储和转移。首先由光学系统将被测物体成象在CCD的受光面上，受光面下的许多光敏单元形成了许多象素点，这些象素点将投射到它的光强转换成电荷信号并存储。然后在时钟脉冲信

18、号控制下，将反映光象的被存储的电荷信号读取并顺序输出，从而完成了从光图象到电信号的转化过程。3.固态图像传感器（CCD）的电荷是如何产生、存储、转移及输出的？（1）电荷的产生、存储：构成CCD的基本单元是MOS电容器，结构中半导体以P型硅为例，金属电极和硅衬底是电容器两极，SiO2为介质。在金属电极（栅极）上加正向电压G时，由此形成的电场穿过SiO2薄层，吸引硅中的电子在SiSiO2的界面上，而排斥SiSiO2界面附近的空穴，因此形成一个表面带负电荷，而里面没有电子和空穴的耗尽区。与此同时，SiSiO2界面处的电势（称表面势S）发生相应变化，若取硅衬底内的电位为零，表面势S的正值方向朝下，当金

19、属电极上所加的电压G超过MOS晶体上开启电压时，SiSiO2界面可存储电子。由于电子在那里势能较低，可以形象地说，半导体表面形成了电子势阱，习惯称贮存在MOS势阱中的电荷为电荷包。当光信号照射到CCD硅片表面时，在栅极附近的耗尽区吸收光子产生电子空穴对。这时在栅极电压G的作用下，其中空穴被排斥出耗尽区而电子则被收集在势阱中，形成信号电荷存储起来。如果G持续时间不长，则在各个MOS电容器的势阱中蓄积的电荷量取决于照射到该点的光强。因此，某MOS电容器势阱中蓄积的电荷量，可作为该点光强的度量。（2）电荷包的转移：若MOS电容器之间排列足够紧密（通常相邻MOS电容电极间隙小于3m），使相邻MOS电容

20、的势阱相互沟通，即相互耦合，那么就可使信号电荷（电子）在各个势阱中转移，并力图向表面势S最大的位置堆积。因此，在各个栅极上加以不同幅值的正向脉冲G，就可改变它们对应的MOS的表面势S，亦即可改变势阱的深度，从而使信号电荷由浅阱向深阱自由移动。（3）电荷的输出：在输出端P型硅衬底上扩散形成输出二极管，二极管加反压，在PN结形成耗尽层。输出栅OG加压使电荷转移到二极管的耗尽区，作为二极管的少数载流子形成反向电流输出。输出电流的大小与电荷大小成正比，通过负载变为电压输出。4.固态图像传感器有何特点？有哪些应用？固态图像传感器具有小型、轻便、响应快、灵敏度高、稳定性好、寿命高和以光为媒介可以到达危险地

21、点等优点，以得到广泛的应用，其主要用途为：（1）物位、尺寸、形状、工件损伤的测量。（2）作为光学信息处理的输入环节，如电视摄像、传真技术、光学文字识别和图像识别技术中的输入环节。（3）自动生产过程的控制敏感元件。5.1.6光纤传感器1.试述光纤的结构和类型，并说明光纤传感器的工作原理及类型。光纤的结构由纤芯和包层组成，纤芯位于光纤的中心部位，它是由玻璃或塑料制成的圆柱体，直径约为5100微米，光主要在这纤芯中传输。光纤按纤层和包层材料性质分类，有玻璃及塑料光纤两大类；按折射率分布分类，有阶跃折射率型和梯度折射率型两种。光纤传感器的工作原理是将光源的光经光导纤维进入调制区，在调制区内，被测参数与

22、进入调制区的光相互作用，使光电强度、频率、相位、偏振四个参数之一随被测参数的变化而变化成为被调制的信号光，在经光纤进入探测器，经解调处理后获得被测参数。光纤传感器按其传感原理分为传光型（非功能型）光纤传感器和传感器型（功能型）光纤传感器。2.光纤传感器有哪些特点？有何应用？光纤传感器具有的优点为：（1）采用光波传递信息，不受电磁干扰，电气绝缘性能好，可在强电磁干扰下完成某些参量的测量。（2）光波传输无电能和电火花，因而能在易燃易爆和强腐蚀性的环境中安全工作。（3）重量轻、体积小、可扰性好，可用于狭窄空间使用。（4）具有良好的几何形状适应性，可做成任意形状的传感器和传感器陈列。（5）动态范围大，

23、频带宽，对被测对象不产生影响，有利于提高测量精度。（6）利用现有的光通讯技术，易于实现远距离测控。光纤传感器具有的缺点为：（1）缺少兼容执行机构。（2）需要把光纤传感器输出的光信号转变成点信号。（3）现场链接困难、技术复杂、成本高。（4）尚未形成产品系列，标准化程度差。光纤传感器可应用于位移、振动、转动、压力、弯曲、应变、速度、加速度、电流、磁场、电压、温度、湿度、声场、流量、浓度、pH值等七十多个物理量的测量，且具有十分广泛的应用潜力和发展前景。典型应用为传光型光纤位移传感器、相位调制光纤温度传感器、记数装置、液位控制装置、反射型光纤传感器、受抑全内反射型传感器、棱镜式全内反射型传感器等。5

24、.1.7其它类型传感器1.什么是智能传感器？它由哪几部分组成？它的工作原理是什么？智能传感器有哪些类型？有何特点？智能传感器是种带微处理机兼有检测、判断、信息处理、信息记忆、逻辑思维等功能的传感器，它主要由传感器、微处理器（或微计算机）及相关电路组成。其工作原理为：被测量传感器信号调理电路微处理器输出接口数字量输出。智能传感器按结构可分为集成式、混合式和模块式三种。集成智能传感器是将一个或多个敏感器件与微处理器、信号处理电路集成在同一硅片上而构成的；混合式智能传感器是将传感器与微处理器、信号处理电路做在不同芯片上而构成的；模块式智能传感器有许多相互独立的模块组成。智能传感器具有以下特点：（1）

25、具有自诊断、自校准功能，提高了可靠性。（2）有逻辑思维与判断、信息处理功能，可对检测数值进行分析、修正和误差补偿，提高了测量精度。（3）组态功能可实现多传感器、多参数复合测量，扩大了检测和使用范围。（4）存储功能使检测数据随时存取。（5）具有数据通信接口，能与计算机直接联机，相互交换信息。（6）具有自适应性。2.什么是数字式传感器？有何特点？有哪些类型？数字式传感器是一种能把被测模拟量直接转换为数字量输出的装置，可直接与计算机系统连接。与模拟式传感器相比，数字式传感器具有如下的特点：测量精度和分辨率高；抗干扰能力强，稳定性好；易于和计算机接口，便于信号处理和实现自动化测量；适宜于远距离传输等。

26、按照输出信号的形式，常用的数字式传感器可分为三类：脉冲输出式数字传感器，如栅式数字传感器、感应同步器、增量编码器等；编码输出式数字传感器，如绝对编码器等；频率输出式数字传感器。52 例题解析【例5.1】有两个传感器测量系统，其动态特性可以分别用下面两个微分方程描述，试求这两个系统的时间常数和静态灵敏度S。(1)，为输出电压（），为输入温度（）；（2），为输出电压(),为输入压力（）。解：根据题中给出传感器的微分方程可得：（1）（2）【例5.2】有一拉力传感器，用钢柱作为敏感元件，其上贴一电阻应变片。已知钢柱的截面积，弹性模量，应变片的灵敏系数。若测量电路对应变片电阻相对变化量的分辨力为，试计算

27、该传感器能测出的最小拉力解：应变片的灵敏系数为：，则由此得应变片对钢柱应变的分辨力为：拉力、应力和应变间的关系为所以该传感器对你能测出的最小拉力为：【例5.3】一应变片的电阻，用作应变为的传感元件。求与，若电源电压，求其惠更斯测量电桥的非平衡输出电压。解：由得则其输出电压4为【例5.4】如图5.1所示电感传感器，尺寸已示于图中（单位均为mm），磁路取为中心磁路，不记漏磁，设铁心及衔铁的相对磁导率为，空气的相对导磁系数为1，真空的磁导率，试对气隙分别为0和2mm情况计算该传感器的输出电感。图5.1例5.2图解：匝数为W磁路电阻为的线圈电感为：，气隙为0时，气隙为2mm时，【例5.5】极板间距式电

28、容式传感器，极板半径r=4mm，间隙=0.5mm，极板介质为空气，试求其静态灵敏度。若极板移动2mm，求其电容变化。解：极板间距式电容式传感器在介质为空气时电容的表达式为：静态灵敏度为：若极板移动2mm，则电容变化量为：【例5.6】压电加速度计的固有电容为，连接电缆电容为，输出电压灵敏度（a为输入加速度），输出电荷灵敏度，求：（1）推导出传感器电压灵敏度与电荷灵敏度之间的关系；（2）如已知，标定的电压灵敏度为100（，则电荷灵敏度为多少？如果改用的电缆则此时的电压灵敏度为多少？电荷灵敏度有无变化？（g为重力加速度）解：（1）因为，而所以或（2）当，时，有：如改用的电缆则此时的电荷灵敏度不变，而

29、电压灵敏度改变为：【例5.7】石英晶体压电式传感器，面积为100mm2，厚度为1mm，固定在两金属板之间，用来测量通过晶体两面力度变化。材料的弹性模量为，电荷灵敏度为，相对介电常数是5.1，材料相对两面间电阻式。一个的电容和一个的电阻与极板并联。若说加力，求（1）两极板间电压峰-峰值；（2）晶体厚度的最大变化值。解：（1）石英压电晶体片的电容为：由于，并联电容电阻则总电阻为，总电容又因为，所以电荷为：两极板间电压为：两极板间电压峰-峰值为（2）应变厚度最大变化量为【例5.8】已知恒磁通磁电式速度传感器的固有频率为10Hz，质量块重2.08N，气隙磁感应强度为1T，单匝线圈长度为4mm，线圈中匝

30、数1500匝，试求弹簧刚度K值和电压灵敏度Su值mv/(m/s)。解：由得【例5.9】有一霍尔元件，其灵敏度，把它放在一个梯度为的磁场中，如果额定控制电流是20mA，设霍尔元件在平衡点附近作的摆动，问输出电压范围为多少？解：对于梯度为的磁场，当霍尔元件在平衡点附近作的摆动时，其磁场的变化为：则霍尔元件输出电压的变化范围为：【例5.10】用四个光敏二极管接受长光栅的莫尔条纹信号，如果光敏二极管的响应时间为，光栅的栅线密度为50线/mm，试计算一下光栅所允许的运动速度。解：设光栅移动速度为，当移动一条栅线的时间光敏二极管的响应时间时，能保证二极管能正常采样，所以光栅所允许的运动速度为：53 习题1

31、.判断题5-1传感器的灵敏度越高，意味着传感器所能感知的被测量越小。5-2传感器的响应特性必须在所测频率范围内努力保持不失真测试条件。5-3传感器的静态特性中，输出量的变化量与引起此变化的输入量的变化量之比称为线性度。5-4金属应变片与半导体应变片在工作原理上都是利用金属形变引起电阻的变化。5-5半导体应变片的灵敏度随半导体尺寸的不同而不同。5-6测量小应变时，应选用灵敏度高的金属丝应变片，测量大应变时，应选用灵敏度低的半导体应变片。5-7为使电缆的长短不影响压电式传感器的灵敏度，应选用电压放大器作后续处理比较合适。5-8能够感受湿度的电容式传感器属于变极距的电容传感器。5-9压电传感器的前置

32、放大器的主要作用是对传感器输出信号进行解调。5-10压电式传感器是利用某些物质的压阻效应而工作的。5-11差动式电容传感器的灵敏度比单极式提高一倍，而且非线性也大为减小。5-12涡流式传感器可以作为位移、振动测量，还可作为测厚。5-13霍耳元件所产生的霍耳电势取决于元件所在磁场的磁感应强度。5-14在压电式传感器中，为了提高灵敏度，往往采用多片压电芯片构成一个压电组件。5-15已知变磁通式转速传感器的测速齿轮的齿数为20，若测得感应电动势的频率为300Hz，则被测轴的转速为900转/分。5-16电荷放大器使压电加速度计输出的电荷量得到放大，由此而得电荷放大器的名称。5-17在变压器式传感器中，

33、原方和副方互感M的大小与绕组匝数 成正比，与穿过线圈的磁通成正比，与磁回路中磁阻成正比。5-18半导体式传感器是磁敏、霍尔元件、气敏传感器、压阻传感器及色敏传感器等。5-19块状金属导体置于变化的磁场中或在磁场中作切割磁力线运动时，导体内部会产生一圈圈闭合的电流，利用该原理制作的传感器称磁电式传感器。5-20用光电二极管二维阵列组成面型传感器测量物体的形状所得的图像的分辨率最高只能是一个像素。如果所测得图像长为l ，对应N个像素，分辨率为l/N。假设N为200，则分辨率最高只能使1/200。2.选择题5-21传感器的静态特性指标之一是 。A幅频特性；B相频特性；C稳定时间；D线性度5-22无源

34、传感器又称为 型传感器A能量控制；B能量转换；C能量供给；D能量消耗5-23在下面的传感器的主要性能指标中，能反映传感器对于随时间变化的动态量的响应特征是_，能够反映多次连续测量测量值的分散度是_。A灵敏度 动态特性；B动态特性 线性度；C动态特性 重复度；D稳定度 动态特性5-24压电传感器的前置放大器的主要作用是 。A把传感器的低阻抗输出变换为高阻抗输出；B把传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出；C对传感器的输出信号进行滤波；D对传感器输出信号进行解调5-25能够感受湿度的电容式传感器属于变_的电容传感器A相对面积；B极距；C介质；D参数5-26霍耳元件所产生的霍耳电势取决于 。A霍耳元件材

35、料；B元件尺寸；C元件所在磁场的磁感应强度；D杂质浓度5-27为了提高变极距型电容传感器的灵敏度、线性度及减小外部条件变化对测量精度的影响，实际应用时常常采用 工作方式。A同步；B异步；C共模输入；D差动5-28下列不属于能量转换型的传感器是_。A压电式传感器；B磁电式传感器；C热电偶传感器；D电容式传感器 5-29电阻应变式传感器是利用金属的_将被测机械量转换成_。A电阻应变效应，电阻变化；B压电效应，电压变化；C热电效应，电流变化；D热阻效应，电阻变化5-30压电式传感器目前多用于测量 。A静态的力；B动态的力；C速度；D加速度与动态的力5-31压阻式传感器和应变式传感器相比，工作原理类似

36、，以下说法正确的是： 。A两者都主要依靠改变电阻率和截面积而改变阻值大小；B前者主要依靠改变电阻率改变阻值大小，后者主要依靠变形改变阻值大小；C前者主要依靠变形改变阻值大小，后者主要依靠改变电阻率改变阻值大小；D以上都对5-32下列四种方法，不能作为金属应变片的温度补偿法的是_。A桥路补偿法；B应变片的自补偿；C热敏电阻法；D滤波器5-33半导体应变片的工作原理是基于半导体材料的 。A压阻效应；B应变效应；C霍耳效应；D光电效应5-34半导体应变片的灵敏度随 的不同而不同A半导体材料；B杂质浓度；C载荷的大小；D半导体尺寸5-35电涡流效应中，线圈阻抗的变化与_有关。A线圈和金属板间距离；B被

37、测物的材料；C涡流的大小；D线圈所通电流的大小5-36压磁效应是当外力作用时，引起铁磁材料_的变化。A压电系数；B电阻率；C介电常数；D磁导率5-37利用光电效应的传感器属于 传感器。A电阻型；B物性型；C结构型；D电容型5-38变磁通式磁电传感器可用来测量物体的_。A角速度；B加速度；C相对于磁场的运动速度；D位移5-39智能化传感器在智能化方面还不够强，未来最有应用价值的技术没有下来哪一项 。A神经网络；B人工智能；C控制网络；D专家系统5-40智能化传感器中可以对信号进行数字化处理并实现多种补偿，是基于 功能。A数据压缩；B逻辑控制；C信号转换；D信号调理3.填空题5-41通常传感器 组

38、成， 是能把外界 转换成 的器件和装置。5-42传感器的输入输出特性指标可分为_和动态指标两大类，线性度和灵敏度是传感器的_指标，而频率响应特性是传感器的 指标。5-43按能量角度分析，典型的传感器构成方法有三种，即 、 以及 ，前两者属于能量 ，后者是能量 。5-44实际使用中的传感器，其特性要受到环境变化的影响，为消除环境干扰的影响，广泛采用的线路补偿法包括 补偿型、 补偿型、 补偿型。5-45导电丝材的截面尺寸发生变化后其电阻会发生变化，用这一原理可制成的传感器 称为_式传感器，利用材料具有磁致伸缩效应可制成的_传感器也可用以测量力，而压电式传感器则利用了一些具有离子型晶体电介质的_ _

39、效应，它敏感的最基本的物理量也是力。5-46金属丝在外力作用下发生机械形变时它的电阻值将发生变化，这种现象称为 ；固体受到作用力后电阻率要发生变化，这种现象称为 。直线的电阻丝绕成敏感栅后长度相同但应变不同，圆弧部分使灵敏度K下降了，这种现象称为 。5-47电感式传感器也称为 传感器，它是利用 原理将被测物理量转换成线圈 和 的变化，再由测量电路转换为电压或电流的变化，从而实现非电量到电量的转换。5-48差动变压器式传感器理论上讲，衔铁位于中心位置时输出电压为零，而实际上差动变压器输出电压不为零，我们把这个不为零的电压称为 ；利用差动变压器测量位移时，如果要求区别位移方向（或正负）可采用 。5

40、-49电容式传感器有 型、 型和 型三种类型，其中 型灵敏度最高。5-50为克服电容式传感器的边缘效应，可采用 方法和 结构。为消灭寄生电容的影响可采用 、 以及采用 方法。5-51基于外光电效应的器件有 和 ；基于内光电效应的器件有 、 、 和 等。5-52块状金属导体置于变化的磁场中或在磁场中作切割磁力线运动时，导体内部会产生一圈圈闭合的电流，利用该原理制作的传感器称 传感器；这种传感器只能测量 物体。5-53压磁式传感器的工作原理是：某些铁磁物质在外界机械力作用下，其内部产生机械应力，从而引起极化现象，这种现象称为 。相反，某些铁磁物质在外界磁场的作用下会产生机械变形，这种现象称为 。5

41、-54把一导体（或半导体）两端通以控制电流I，在垂直方向施加磁场B，在另外两侧会产生一个与控制电流和磁场成比例的电动势，这种现象称 ，这个电动势称为 。外加磁场使半导体（导体）的电阻值随磁场变化的现象称为 。5-55用于制作压电传感器的常用压电材料是 和 。5-56在磁敏式传感器中， 传感器和 传感器属于体型磁敏传感器， 和 属于结型磁敏传感器。5-57通常情况下，半导体NTC热敏电阻的阻值随温度的升高而 ；光敏电阻的阻值随光强的增加而 ；LiCl湿敏电阻的阻值随湿度的减小而 。5-58将温度转换为电势大小的热电式传感器是 传感器，而将温度变化转换为电阻大小的热电式传感器是 （金属材料）或 （

42、半导体材料）。5-59光电传感器的理论基础是光电效应。通常把光线照射到物体表面后产生的光电效应分为三类。第一类是利用在光线作用下光电子逸出物体表面的 ,这类元件有光电管、光电倍增管；第二类是利用在光线作用下使材料内部电阻率改变的 ，这类元件有光敏电阻；第三类是利用在光线作用下使物体内部产生一定方向电动势的 ，这类元件有光电池、光电仪表。5-60光纤传感器由 、 和 三部分组成，光纤传感器一般分为两大类，即 光纤传感器，也称为非功能性光纤传感器，另一类是 光纤传感器，也称为功能型光纤传感器，前者多使用 光纤 ，而后者只能用 光纤。4问答题5-61应变片测量技术有何特点？说明金属电阻应变片的组成和

43、种类。电阻应变片有哪些主要特性参数？应变片产生温度误差的原因及减小或补偿温度误差的方法是什么？5-62应变仪有哪几种？各有何特点？5-63应变片有哪些主要工作参数？如何选用粘合剂？说明应变片的粘贴工艺。5-64应变片的灵敏系数与电阻丝（敏感栅）的灵敏系数有何不同？为什么？ 5-65金属电阻与半导体热敏电阻各有什么特点？5-66试分析差动变压器相敏检测电路的工作原理。5-67磁电式传感器与电感式传感器有哪些不同？磁电式传感器主要用于测量哪些物理参数？5-68 用电涡流传感器实时监测轧制铝板厚度的装置，试画出测试装置图，简要说明其工作原理。5-69试比较自感式传感器与差动变压器式传感器的异同。 5

44、-70在自感式传感器中，螺管式自感传感器的灵敏度最低，为什么在实际应用中却应用最广泛？ 5-71三段式螺管差动变压器电感液位传感器测量系统的结构如图5.2（a）所示，电气线路图如图5.2(b)所示，简要说明其测液位的工作原理及其测量过程。 （a）结构图 （b）电气线路图图5.2题5.71题图5-72电容式传感器有哪些优缺点？说明其主要应用场合以及使用中应注意的问题。5-73为什么电容式传感器易受干扰？如何减小干扰？ 5-74什么叫压电材料？有哪几种？选用压电材料需要考虑哪些因素？5-75用压电式传感器能测量静态或变化很缓慢的信号吗？为什么？5-76参量式传感器与发电式传感器有何主要不同？5-7

45、7为什么多数气敏传感器要加加热器工作？5-78光电传感器对光源的选择要考虑哪些因素？光源有哪些类型？各有何特点？光源特性包含哪些要素？5-79光纤损耗是如何产生的？它对光纤传感器有哪些影响？光导纤维为什么能够导光？光导纤维有哪些优点？5-80画出用线阵CCD传感器测量较大物体尺寸的原理图，并推导出物体尺寸的表达式。5分析计算题5-81已知某传感器的参数为：正反行程输出值间的最大差值Hmax=3cm，量程范围为0-50cm，试求该传感器的迟滞值。5-82已知某厂生产的线性绕线电位器参数为：导线的电阻率=3.1410-3m，导线横截面积S=3.1410-6m2，绕线节距t1mm，电位器骨架的高h=

46、50mm，宽b=30mm，试求：（1）该电位器的电阻灵敏度SR；（2）若通过导线的电流为I=3A，求其电压灵敏度Su。5-83有一金属电阻应变片，其灵敏度S=2.5，R=120，设工作时其应变为1200，问R是多少？若将此应变片与2V直流电源组成回路，试求无应变时和有应变时回路的电流各是多少？5-84应变片称重传感器，其弹性体为圆柱体，直径D=10cm，材料弹性模量E=205109N/m2，用它称50吨重物体，若用电阻丝式应变片，应变片的灵敏度系数S=2，R=120，问电阻变化多少？5-85有一应变式测力传感器，弹性元件为实心圆柱，直径D=40mm。在圆柱轴向和周向各贴两片应变片（灵敏度系数S

47、=2），组成差动全桥电路，供桥电压为10v。设材料弹性模量E=2.11011pa，泊松比=0.3。试求测力传感器的灵敏度SF。5-86在用直流电桥测量电阻的时候，若标准电阻Rn=10.0004的电桥已经平衡（则被测电阻Rx=10.0004），但是由于检流计指针偏转在0.3mm以内时，人眼就很难观测出来，因此Rn的值也可能不是10.0004 ,而是Rn=10.0004Rn 。若已知电桥的相对灵敏度Sr=1mm/0.01% ，求对应检流计指针偏转0.3mm时，Rn ？5-87今有一悬臂梁，如图5.3所示，在其中上部上、下两面各贴两片应变片，组成全桥，该梁在其悬臂梁一端受一向下力F=0.5N,试求此

48、时这四个应变片的电阻值。已知：应变片灵敏系数S=2.1，应变片空载电阻R0=120，悬臂梁长、宽、厚、弹性模量，。图5.3题5-87题图5-88如图5.4所示柱式力传感器，实心圆主题钢试件直径d=10mm，材料的弹性模量E=21011N/m2，泊松比。试件上贴四片相同的电阻应变片，其灵敏度系数S=2.0，并采用直流电桥线路进行测量。为了提高测量精度和灵敏度，在四片电阻应变片应如何粘贴和怎样接入电桥线路，画出相应的粘贴方式图和电桥电路图；若所受力F=3104N,供桥电压Ui=6v，此时电桥的输出电压U0为多少？（a）实心圆柱体钢试件 （b）实心圆柱体钢试件侧面展开图图5.4题5-88题图5-89

49、四个应变片粘贴在扭轴上，安排得到最大灵敏度，应变片阻值为而应变灵敏系数为2.04，并结成全桥测量电路。当用的电阻器并联在一个应变片上分流以得到标定时，电桥输出在示波器上记录到2.20cm的位移。如果变形的轴引起示波器3.2cm的偏移，求指示灯最大应变？设轴为钢制的，求应力(钢的扭转弹性模量5-90如图5.5所示气隙型电感传感器，衔铁截面积，气隙总长度，衔铁最大位移，激励线圈匝数匝，导线直径，电阻率，当激励电源频率时，忽略漏磁及铁损，求：（1）线圈电感值；（2）电感的最大变化量；（3）线圈的直流电阻值；（4）线圈的品质因数：（5）当线圈存在分布电容与之并联后其等效电感值。图5.5 题5-90题图

50、5-91可变磁阻式传感器铁芯导磁截面积A=1.5cm2，长度=20cm，铁芯相对磁导率=5000，线圈匝数W=3000，原始气隙0=0.5cm，=0.1mm。（1）求其灵敏度L/=？（2）采用差动方式其灵敏度L/=？5-92有一电容测微仪，其传感器的圆形板极半径r=5mm，开始初始间隙=0.3mm，问（1）工作时，如果传感器与工件的间隙缩小1m，电容变化量是多少？（2）若测量电路灵敏度S1=100mv/PF，读数仪表的灵敏度S2=5格/mv，上述情况下，仪表的指示值变化多少格？5-93已知两极板电容传感器，其极板面积为A，两极板间介质为空气，极板间距1mm，当极距减少0.1mm时，其电容变化量

51、和传感器的灵敏度？若参数不变，将其改为差动结构，当极距变化0.1mm时，求其电容变化量和传感器的灵敏度？并说明差动传感器为什么能提高灵敏度和减少线性误差。5-94某压电晶体的电容为，电缆电容，示波器的输入阻抗为和并联电容为，求：（1）压电晶体的电压灵敏度；（2）测量系统高频响应的灵敏度；（3）如系统允许的测量幅值误差为5%，可测最低频率是多少？（4）如频率为，允许误差为5%，用并联方式，电容值是多大？5-95某压电式压力传感器为两片石英晶片并联，每片厚度，圆片半径，切型。当压力垂直作用于平面时，求传感器输出电荷和电极电压的值。5-96某霍尔元件，沿方向通以电流I=10mA，在垂直于面方向加有均

52、匀磁场B=0.3T，传感器的灵敏度系数为22v/A.T，试求其输出霍尔电势及载流子浓度。5-97已知某霍尔传感器的激励电流I=3A，磁场的磁感应强度B=510-3T，导体薄片的厚度d=2mm，霍尔常数RH0.5，试求薄片导体产生的霍尔电势UH的大小。5-98已知某时气温下空气的饱和水汽压Ds500mmHg，此时用湿度传感器测量得到大气的绝对湿度D=300mmHg，试求此时大气的相对湿度H。5-99设计一数字转速计，画出其结构示意图并说明其工作原理和工作过程。5-100采用超声波或光脉冲信号，由从对象反射回来的脉冲的时间进行距离检测，空气中的音速为340m/s，软钢中纵波的音速为5900 m/s

53、，光的速度为3108 m/s，求这三种情况下1 ms的往复时间对应得距离。根据计算结果，比较采用光脉冲所需要系统得信号处理速度要比采用超声波脉冲时的系统速度快几倍？根据计算结果，讨论利用脉冲往复时间测距，采用超声波和光波各有什么特点。54 习题解答1判断题解答5-1 ；5-2 ；5-3 ；5-4 ；5-5 ；5-6 ；5-7 ；5-8 ；5-9 ；5-10 ；5-11 ；5-12 ；5-13 ；5-14 ；5-15 ；5-16 ；5-17 ；5-18 ；5-19 ；5-20 。2选择题解答5-21 D；5-22 A；5-23 C；5-24 B；5-25 C；5-26 C；5-27 D；5-28

54、 D；5-29 A；5-30 D；5-31；5-32；5-33 A；5-34 A；5-35；5-36；5-37 B；5-38；5-39；5-40。3填空题解答5-41由敏感元件、转换元件、基本转换电路三部分；非电量；电量5-42静态；静态；动态5-43自源型；带激励源型；外源型；转换型；控制型5-44相同传感器；不同传感器；差动结构；5-45电阻应变式；压磁式；压电5-46电阻应变效应；压阻效应；横向效应5-47变磁阻式；电磁感应；自感系数；互感系数5-48零点残余电压；相敏检波电路5-49面积；极距、介质；极距5-50减小极板厚度；带保护环；驱动电缆法；整体屏蔽法；组合式与集成技术5-51光

55、电管；光电倍增管；光敏电阻；光电池；光敏二极管；光敏晶体管5-52电涡流，金属5-53压磁效应；磁致伸缩效应5-54霍尔效应；霍尔电势；磁阻效应5-55石英晶体；压电陶瓷5-56霍尔；磁敏电阻；磁敏二极管；磁敏三极管5-57降低；减小；升高5-58热电偶；热电阻；热敏电阻5-59外光电效应；内光电效应；光生伏特效应5-60光源；光纤；光探测器；传光型；传感性；多模；单模4.问答题解答5-61答：应变片电测技术之所以得到广泛应用，是由于它具有以下优点：（1）非线性小，电阻的变化同应变成线性关系；（2）应变片尺寸小（我国的应变片栅长最小达0.178mm），重量轻（一般为0.10.2g），惯性小，频率响应好，可测0500kHz的动态应变；（3）测量范围广，一般测量范围为1010-4量级的微应变；用高精度、高稳定