传感器与检测技术4.10.15答案主编邓长辉概要

1、思考题与习题4.1 什么叫金属导体应变电阻效应？电阻应变片的基本结构由哪几部分组成？各部分的作用是什么？答：金属的应变电阻效应，即金属导体材料在受到外界拉力或压力作用时，产生机械变形，机械变形导致导体材料的阻值变化，这种因形变而使其电阻值发生变化的现象称为金属的应变电阻效应。电阻应变片的基本结构由 1 敏感栅、2 导线、3 覆盖层和 4 基底四个部分组成。 敏感栅是应变片内实现应变一电阻转换的传感元件。为保持敏感栅固定的形状、尺寸和位置， 通常用粘结剂将它固结在纸质或胶质的基底上，再在敏感栅上面粘贴一层纸质或胶质的覆盖层，起防潮、防蚀、防损等作用。导线即为敏感栅引出线，用以与外接测量电路连接。

2、应变 片使用时用粘结剂将基底粘贴到试件表面的被测部位，基底及其粘合层起着把试件应变传递给敏感栅的作用。为此基底必须很薄，而且还应有良好的绝缘、抗潮和耐热性能。4.2 什么是金属电阻应变片的灵敏度系数？它与金属电阻丝的灵敏度系数有何不同？为什么？答：金属电阻应变片的灵敏系数 k 是指应变片的阻值相对变化与试件表面上安装应变片区域 的轴向应变之比。而应变电阻材料金属电阻丝的应变灵敏系数ko是指应变电阻材料金属丝的阻值相对变化与应变电阻材料金属丝的的应变之比。实验表明：k 小于 ko。其原因是：由于基片粘合层传递应变有损失。存在横向效应的缘故。4.3 电阻应变片的灵敏度定义为：K= R/ Re,其中

3、 R 为受到应变作用后应变片电阻的变化，R 为应变片初始电阻。一个初始电阻为120Q的应变片，灵敏度为 K=2.0,如果将该应变片用总阻值为 12Q的导线连接到测量系统，求此时应变片的灵敏度。AR/R答：由应变片灵敏度的定义可知应变的表达式为：。当用导线将应变片K KR连接到测量系统的前后，由于应变片的应变量相同，故用导线连接后应变片的灵敏度变为：R/ R：R/ R _ KR名AR/(KR) R*4.4 金属电阻应变片与半导体应变片的工作原理有何区别？各有何优缺点？答：金属电阻应变片的工作原理是基于导体材料的龟阻应变效应”，半导体应变片的工作原理是基于半导体材料的压阻效应”。和金属电阻应变片相

4、比，半导体应变片具有灵敏度系数大，横向效应小，机械滞后小，尺寸小等优点，但是，半导体应变片多数用薄硅片制成，容 易断裂，其测试时的可测应变范围通常限制在3000口左右，而金属电阻应变片的可测应变值达 40000口e。另外，半导体应变片的温度稳定性差，测量较大应变时非线性严重，所2 120120 12= 1.82。以其应用仍然受到一定的限制。4.5 有一电阻应变片，其灵敏度系数K=2 , R=120Q,设工作时其应变为 1000 卩&微应变），问：（1）AR= ? ; 2）将此应变片接成习题图 3-1 电路, 分别求有应变和无应变时的电流值。6答：（1）AR=K RX1000X10= 0

5、.24Qo（2）有应变时的 电流值为：1.5 1000/120 = 125mA；无应变时的电流值为：1.5 1000/(120 0.24 124.75mA.924.6 应变片称重传感器，其弹性体为圆柱体，直径 D=100mm，材料弹性模量 E=205 0 N/m , 用它称500kN 的物体，若用电阻丝式应变片，应变片的灵敏系数K=2, R=120?，问电阻变化多少?3F500 10ES - 7.85 10205 109：R = RK；=120 2 3.107 10* =0.0 7、。54.7 试述金属应变片温度误差的概念、产生原因和补偿办法。答：应变片安装在自由膨胀的试件上，在没有外力作用时

6、，由于测量现场环境温度的改变从而使应变片的电阻也会变化，这种变化给测量带来的附加误差，称为应变片的温度误差。应变片的温度误差主要来源有两个：一个原因是应变片本身电阻温度系数的影响；另一个原因是电阻丝材料与试件材料的线膨胀系数随温度变化的影响。温度补偿方法可采用电桥线路 补偿法和应变片自补偿法两种补偿方法。4.8 什么是直流电桥？若按桥臂工作方式不同，可分为哪几种？答：直流电桥是用直流电源供电的电桥，只能接入电阻元件。 直流电桥按 桥臂工作方式可分为：单臂工作电桥、双臂工作电桥（差动电桥）和差动全桥电路三种。4.9 拟在等截面的悬臂梁上粘贴 4 个完全相同的电阻应变片组成差动全桥电路，试问：（1

7、） 4 个应变片应怎样粘贴在悬臂梁上？习题图 4-1 应变片连接电路二D232= 7.85 10 m,根据材料力学理论，应变为：= 3.107 10*所以电阻变化为（2） 画出相应的电桥电路图。答：（1） 4 个应变片的粘贴方法是：使要变化性质相同的电阻应变片应粘贴在悬臂梁的相同侧。(2)相应的电桥电路图如图示。图中使要 变化性质相同的电阻应变片连接在相邻桥臂 上。4.10 习题图 4-2 所示为一直流应变电桥。图中U=4V，RI=R2=R3=R4=120，试求：(1) Ri为金属应变片，其余为外接电阻。当Ri的增量为ARi=l.2l 时，电桥输出电压 UO为多少？(2) Ri和 R2都是应变

8、片，且批号相同，受应变的极性习题图 4-2 直流应变电桥电路其余为外接电阻电桥输出电压 UO为多少?4.11 在使用金属电阻应变片半桥双臂工作电桥时，有人发现灵敏度不够，于是试图在工作电桥的双臂上各并联一片电阻应变片以提高灵敏度，如图习题图 4-3 所示。计算时假设Ri=R2=R3=R4=R，试问是否可提高灵敏度？为什么？答：灵敏度不变，因为在工作电桥半桥双臂上并联一片电阻 应变片，灵敏度与原来相等，所以没有提高灵敏度。灵敏度如下：iE(R-R) U。E 2R所以可知其灵敏度为4.12 习题图 4-4 所示为等强度梁测力系统，Ri为电阻应变片灵敏系数 K=2.05，未受应变时，巳=120 门。

9、当试件 受力F 时，应变片承受平均应变F8X10-3，求：(1)应变片电阻变化量ARi和电阻相对变化量Ri/Ri。(2)将电阻应变片 Ri置于单臂测量电桥，电桥电源习题图 4-4 等强度梁测力系统习题图 4-3 半桥双臂电桥电压为电流 3V，求电桥输出电压及电桥非线性误差。(3)若要减小非线性误差，应采取何种措施？并分析系统电桥输出电压及非线性误差大 小。答: (1)Rj581064.R = RK；=1202.05 8 10：、1.97门(3 )可以采用半桥差动输入方式或全桥输入方式。差动输入系统输出电压为单臂输入方式 的输出电压的 2 倍，而且可以消除非线性误差。 全桥输入方式输出电压为单臂

10、输入方式的输 出电压的 4 倍，而且可以完全消除非线性误差。同时它们都可以起到温度补偿的作用。4.13 习题图 3-5 为自补偿式半导体应变片，R1 为正压阻系数电阻，R2 为负压阻系数电阻，不受应变时 R1= R2。假设R1 和 R2 温度系数相同，现将其接入直 流电桥电路中，要求桥路输出有最高电压灵敏度，并 能补偿环境温度的影响。试画出测量桥路原理图，并解释满足上述要求的理由。习题图答：测量桥路原理图如 习题图 4-4 答所示。因为 R1 为正压阻系 数电阻，R2 为负压阻系数电阻，所以将其接入电桥的相邻两臂。当被测量使应变片产生应力时，一个电阻增加，另一个电阻减小，引起桥路的不平衡输出最

11、大。当环境温度改变时，R1、R2 也将改变，当是因环境温度温度改变而引起的两个电阻的改变量大小相等、符号相同，桥路不会产生不平衡输出。(2)电桥理想输出电压:Uo4 R141 973 = 0.0123V120U。4R12申4R1R11.974 1202 1.9730.0则电桥的非线性误差:u-u12.2 -12.312.30.008仁0.81%Qh习题图 4-4 答测量桥路4.14 习题图 4-6 所示为金属应变片全桥性能实验电路原理图，图中Ri、R、R3、R4为完全相同的电阻应变片。（1）说明组成全桥时四个电阻应变片应如何连接，如果不考虑应变片的受力方向实验结果会怎样？（2）说明图中三个电位

12、器Rwi、RW2和 RW3的作用。习题图 4-64.14 题图答：（1）Ri、R2、R3、R4组成全桥时，四个电阻应变片将受力相同的应变片放在相对的桥 臂上。如果不考虑应变片的受力方向将会使结果输出电压几乎不随应力变化。（2）三个电位器的作用：RW1用于电桥条平衡，RW2用于仪表放大器调增益，RW32用于输出电压的电路调零。思考题与习题10.1 在国际温标 ITS-90 中对温度范围作了怎样的规定？在每个温度范围里各规定了用什么 温度仪表和测温方法来确定温度？答：在国际温标 ITS-90 中，对温度范围作了规定：把整个温标分成 4 个温区，各个温区的 范围、使用的标准测温仪器分别为：a） 0.

13、655.0K，用3He 或4He 蒸气压温度计；b） 3.024.5561K ,用3He 或4He 定容气体温度计；c） 13.803K961.78 C,用铂电阻温度计；d） 961.78C以上，用光学或光电高温计；10.2 接触法测温和非接触法测温各有什么特点？答： 接触式的测温方法是基于物体的热交换现象， 接触式测温时， 温度敏感元件与被测对象 接触，经过换热后两者温度相等。接触式测温的优点是简单、可靠、测量精度高，缺点是测 温时有较大的滞后（因为要进行充分的热交换） ，对运动物体的测温较困难，测温器易影响 被测对象的温度场分布，测温上限受到测温器材料性质的限制，故所测温度不能太高。o +

14、4V非接触测温时， 温度敏感元件不与被测对象接触， 而是通过辐射能量进行交换， 由辐射 能的大小来推算被测物体的温度。 这种方法的优点是测温范围广 （理论上讲没有上限限制） ， 测温过程不破坏原温度场， 测温响应速度快， 缺点是所测温度受物体辐射率的影响，此外测量距离和中间介质对测量结果也有影响。10.3 什么叫热电效应？热电势由哪几部分组成的？热电偶产生热电势的必要条件是什么？答：两种不同材料的导体（或半导体） A、 B 组成一个闭合回路。当两接点温度 T 和 T0不 同时，则在该回路中就会产生电动势EAB（T,T0），该现象称为热电效应（塞贝克效应）。热电动势EAB（T,T。）是由接触电势

15、（珀尔帖电势）和温差电势（汤姆逊电势）组成的。热电偶必须用不同材料做电极，在T、T0两端必须有温度梯度，这是热电偶产生热电势的必要条件。10.4 说明热电偶测温的原理。答：热电偶是利用热电效应制成的温度传感器。两种不同材料的导体（或半导体）A、 B 组成一个闭合回路。当两接点温度 T 和 T0不同时，则在该回路中就会产生电动势EAB（T , T0）,该现象称为热电效应（塞贝壳效应）。利用这种效应，只要知道一端接点温度，就可以测出另一端接点的温度。 把两个接点分别置于不同温度的热源中，则回路内将产生热电势，由于热电偶的热电势 EAB（T, To）是 T、To两个结点温度的函数，因此固定参考端（冷

16、端）的温 度，就能确定热电势与被测温度T 的对应关系。10.5 简述热电偶的几个基本定律，并分别说明它们的实用价值。答：（1）均匀导体定律：由一种均质导体或半导体构成的闭合回路，不论其截面、长度如何以及各处的温度如何分布，都不会产生热电势的。（2）中间导体定律：在热电偶测温回路内接入与 A、B 电极不同的第三种导体 C 时，只要第三种导体的两端温度相同，则热电偶回路的总热电势不受第三种导体接入的影响。这就是热电偶的中间导体定律。（3）中间温度定律：在热电偶回路中如果 A、B 分别连接导线 a、b,其接点温度分别为T、Tn和Tn、To，则回 路的总电势EABab（T,Tn，To）等于热电偶热电势

17、EAB（叽）与连接导线的热电势Eab（Tn,T0）的代数和。（4）标准导体（电极）定律：三组导体分别组成热电偶，A、B 两答：根据标准导体（电极）定律:三组导体分别组成热电偶，A、B 两种导体组成的热电种导体组成的热电偶产生的热电势等于A、C 组成的热电偶和 C、B 组成的热电偶的热电势之和。10.6 为什么热电偶的参比端在实际应用中很重要？参比端的温度处理有哪些方法？答：热电偶的热电势大小不仅与工作端（热端）温度的有关，而且与冷端温度有关，是工作端（热端）温度 T 和冷端温度 To的函数。为了保证热电偶的热电势是工作端温度的单值函数，就必须使冷端温度保持恒定，而且使用的分度表中的热电势都是在

18、冷端温度为0C时给出。因此当热电偶冷端处在温度波动较大时，必须使用补偿导线将冷端延长到一个温度稳定的地方，再考虑将冷端处理为0C。这样不仅使得热电偶的热电势与工作端温度T 成单值函数关系，而且也便于查阅热电偶的分度表，所以在实际运用中， 要对冷端温度采取稳定措施或补偿措施。参比端的温度处理有以下方法：（1）冰点恒温法；（2 ）冷端温度计算修正法；（3）冷端的延伸（补偿导线法）；（4）冷端温度波动的自动补偿。10.7 已知在其特定条件下材料 A 与铂配对的热电势 EAH（T,To）=13.967mV，材料 B 与铂配对的热电势 EBAt（T, To） =8.345mV，试求出此条件下材料 A 与

19、材料 B 配对后的热电势。偶产生的热电势等于 A、C 组成的热电偶和 C、B 组成的热电偶的热电势之和。有：材料与材料 B 配对后的热电势 =13.967mV+(-8.345mV)=5.622 mV。10.8 用镍铬-镍硅(K)热电偶测量温度，已知冷端温度为30C,用高精度毫伏表测得这时的热电动势为 38.5mV,求被测点的温度 t。答：查 K 型分度表EAB(3OC,O0C)= 1.203mV。根据中间温度定律：EAB(t,O0C)二EAB(t,300C) EAB(300C,0C)二38.5 1.203二39.703mV，反查 K 型分 度表的 t=960C。10.9 某热电偶灵敏度为 0.

20、04V/C,把它放在温度为 1200C处的温度场中，若指示表(冷端) 处温度为 50C，试求热电偶电势的大小。答：方 法一：根据 题意有EAB(t ,50C)60mV,S=0.08mV/C，所 以有t-50C=60mV/(0.08mV/C)=750C。t=750C+50C=800C方 法 一：根 据 中 间 温 度 定 律EAB(t,0C)二EAB(t,50C) EAB(5OOC,OOC) = 60mV 50 0.08mV = 64mV所以，t=64mV/(0.08mV/C)= 800C。10.10 简述电阻式温度传感器的概念及分类。答：利用导体或半导体材料的电阻随温度变化而变化的特性制成的传

21、感器称为电阻温度传感器。按采用的电阻材料可分为金属热电阻(简称热电阻)和半导体热敏电阻(简称热敏电阻)两大类。金属热电阻主要有铂电阻和铜电阻。另外随着低温和超低温测量技术的发展，已开始采用铟、锰、镍、铑、铁等材料。根据热敏电阻随温度变化的特性不同，热敏电阻基本可分为正温度系数 (Positive Temperature Coefficient , PTC)、负温度系数(Negative TemperatureCoefficient , NTC、和临界温度系数(Critical Temperature Resistor , CTR ) 3 种类型。10.11 比较热电偶与热电阻测温有什么不同？答

22、：热电偶是利用热电效应的原理， 即两种不同导体连接成闭合回路， 接点分置于不同温度 下，回路中就会产生热电动势； 热电阻测温是基于热电阻效应的原理，即材料的电阻率虽温度的变化而变化，通过测量电阻值的变化来得到温度。10.12 什么是电阻式温度计的三线制连接？有何优点？答：电阻式温度计的三线制接法，就是从现场的金属热电阻两端引出三根材质、长短、粗细均相同的连接导线，其中两根导线被接入相邻两对抗桥臂中，另一根与测量桥路电源负极相连。当热电阻和电桥配合使用时，三线制接法可以较好地消除引线电阻的影响，提高测量精度。10.13 热电阻和热敏电阻的电阻一温度特性有什么不同?答：采用金属材料制作的电阻式温度

23、传感器称为金属热电阻。一般说来，金属的电阻率随文温度的升高而升高，从而使金属的电阻也随温度的升高而升高。因此金属热电阻的温度系数为正。采用半导体材料制成的电阻式温度传感器为半导体热敏电阻。按其电阻一温度特性可分为三类：正温度系数(Positive Temperature Coefficient ， PTC )、负温度系数(NegativeTemperature Coefficient， NTC)和临界温度系数(Critical Temperature Resistor， CTR )。10.14 简述 PN 结温度传感器的测温原理。答：半导体 PN 结温度传感器是以 PN 结的温度特性为理论基础

24、。二极管感温元件利用PN结在恒定电流下，其正向电压与温度之间的近似线性关系实现测温的。10.15 习题图 10-1 和习题图 10-2 分别为二极管和晶体管测温电路实例图。说明图中各电位 器的作用，并说明应怎样调整。D5Zpi5KQ习题图 10-1 二极管测温电路1L 20KQJK1R20KO 100KQ卄1&Kiyv习题图 10-2 三极管测温电路答：习题图 10-1、习题图 10-2 中的电位器Rp1都用于调零，Rp2都是用于调满度或调灵敏度。调零是当温度为0C时，调节电位器Rp1使输出电压读数为零。调满度或调灵敏度是当温度为 1000C时，调节电位器Rp2，使输出电压读数为 10

25、0C。10.16 说明习题图 7-3 晶体管测量温差电路的工作原理，导出输出电压与温度差的关系式。习题图 10-3晶体管测量温差电路答：两只性能相同的晶体管 MTS102 做测温探头，分别置于两个测温点，两个不同温度所对应的Ube分别经 几、A2缓冲后加到A3进行差分放大，输出电压正比于两点的温度差。100KQ电位器用于调零，使温差为零时输出为零。u。=Ube2-Ube1=(U0-CT2)-(U0-CTJ =C(T1-T2)10.17 什么是集成温度传感器？集成温度传感器按信号输出方式可分为哪几种类型?答：集成温度传感器是将 PN 结及辅助电路集成在同一芯片上的新型半导体温度传感器，它的最大优

26、点是直接给出正比于绝对温度的理想的线性输出，而且体积小，成本低廉。集成温度传感器按信号输出方式可分三大类：电流输出型集成温度传感器；电压输出型集成温度传感器；数字输出型集成温度传感器。电流输出型集成温度传感器是把线性集成电路和与之相容的薄膜工艺元件集成在一块芯片上，再通过激光修版微加工技术，制造出性能优良的测温传感器。这种传感器的输出电 流正比于热力学温度，即1 卩 A/K ;其次，因其输出恒流，所以传感器具有高输出阻抗，其值可达 10MQ,这为远距离传输测温提供了一种新型器件。电压输出型集成温度传感器是 将温度传感器与缓冲放大器集成在同一芯片上制成的测温器件。因器件有放大器，故输出电压高，线

27、性输出为 10mV/C。另外，由于其具有输出阻抗低的特性，故不适合长线传输。这 类集成温度传感器特别适合于工业现场测量。数字输出型集成温度传感器是将温度检测和A/D 转换等电路集成在同一芯片上，直接输出数字量的测温器件。10.18 已知一个 AD590KH 两端集成温度传感器的灵敏度为 1 卩 A/oC,并且当温度为 25o C 时，输出电流为 298.2 卩 A。若将该传感器按习题图 7-4 所示电路接入，当温度分别为 -30oC 和+120o C 时，电压表的读数为多少？习题图 10-4AD590 测温原理简图答：由题意再由电流行继承温度传感器的输出电流I。=100- CIt可得到：100

28、= 273.2A。所以温度为-30o C 和+120o C 时的电压表读数分别为：1.5 10(273.2 -30) 10=364.8mV和1.5 10(273.2120) 10=589.8mV10.19 简述 DS18B20 智能型温度传感器的测温原理。答：DS18B20 测温原理如图习题 7-5 所示。低温度系数振荡器温度影响小，用于产生固定频 率信号f。送计数器 1，高温度系数振荡频率fc随温度变化，产生的信号脉冲送计数器计器 1 和温度寄存器被预制在-55C对应的基数值，计数器1 对低温度系数振荡器产生的脉冲进行减法计数。当计数器1 预置到 0 时温度寄存器加 1，计数器 1 预置重新

29、装入，计数器1 重新对低温度系数振荡器计数。如此循环，直到计数器2 计数到 0 时，停止对温度寄存器累加，此时温度寄存器中的数值即为所测温度。高温度系数振荡器相当于T/f 温度频率转换器，将被测温度 T 转换成频率信号 f,当计数门打开时对温度系数振荡器计数，计数门的开 启时间由高温度系数振荡器决定。 芯片内部还有斜率累加器， 可对频率的非线性予以补偿，测量结果存入温度寄存器中。习题图 10-5DS18B20 测温原理图第十五章1、什么是 MEMS 传感器？具有哪些优点？答：利用 MEMS 加工技术制备的传感器称为 MEMS 传感器(或微型传感器)。 优点：(1)可以极大地提高传感器性能。在信

30、号传输前就可放大信号，从而减少干扰和传输 噪音，提高信噪比；在芯片上集成反馈线路和补偿线路，可改善输出的线性度和频响特性， 降低误差，提高灵敏度。(2) 具有阵列性。可以在一块芯片上集成敏感元件、放大电路和补偿线路。可以把多个相同 的敏感元件集成在同一芯片上。(3) 具有良好的兼容性，便于与微电子器件集成与封装。利用成熟的硅微半导体工艺加工制造，可以批量生产，成本较低。2、指纹传感器主要包括哪两种？衡量指纹传感器的质量好坏的主要指标是什么？指纹传感器目前主要分为两类，光学指纹传感器和半导体指纹传感器：(1)光学指纹传感器：光学指纹传感器主要是利用光的折射和反射原理，光从底部射向三棱镜，并经棱镜

31、射出, 射出的光线在手指表面指纹凹凸不平的线纹上折射的角度及反射回去的光线明暗就会不一 样。(2)半导体指纹传感器：这类传感器， 在一块集成有成千上万半导体器件的“平板”上， 手指贴在其上与其构成 了电容(电感)的另一面，由于手指平面凸凹不平，凸点处和凹点处接触平板的实际距离大 小就不一样，形成的电容 /电感数值也就不一样，设备根据这个原理将采集到的不同的数值 汇总，也就完成了指纹的采集。衡量指纹传感器的质量好坏的主要指标有：(1)成像质量。成像质量是衡量指纹传感器质量的首要标准。成像质量主要表现为 对指纹图像的还原能力，以及去噪能力。(2)手指适应能力。是指纹传感器对不同手指指纹的纹路深浅、干湿以及污渍程度不 同的有效兼容性。有时候手指适应能力也被归到成像质量中考虑。(3)采集速度。采集速度表现为从手指放到传感器