传感技术概念和习题(完整版)

1、传感技术习题与参考题 传感技术习题归纳传感器基本概念1、传感器是一种能感受规定的被测量并按一定规律转换成有用（与之有对应的关系的且易于处理和控制）输出信号的器件或装置。（A1）2、传感器一般由敏感元件、转换元件、测量电路三部分组成。有时还需要加上辅助电源。（A2）3、敏感元件（预变换器）是直接感受被测量，并输出与被测量有确定关系的易于变换为电量的其它量的元件。（A3）4、转换元件（传感元件）是将敏感元件输出量转换成电量的元件。（A4）5、测量电路（信号调节与转换电路）是将传感元件输出的电量转换为便于显示、记录、处理和控制的有用电信号的电路。辅助电源为传感元件和测量电路提供能源。传感器分类1、传

2、感器按输出信号形式分为模拟式和数字式（B11）2、传感器按工作机理分为物理量传感器、生物量传感器、化学量传感器。（B8）3、结构型传感器是利用机械结构或尺寸的变化，将被测量转化为电量而构成的。其结构的几何尺寸在被测量的作用下发生变化，并可获得比例与被测非电量的电信号。（A6）4、物性型传感器是利用材料的某些客观属性受被测量的影响而变化，从而实现非电量到电量的转化。（A7）5、复合型传感器是将中间转换环节与物性型敏感元件复合而成的传感器。6、传感器按能量关系分为有源传感器（能量转换型）和无源传感器(能量控制型)（B9）7、有源传感器（能量转换型）是将非电能量转换为电能量。（A9）8、无源传感器（

3、能量控制型）是由外部供给它能量，又由被测非电量来控制或调节传感器输出的能量。（A10）静态特性18、静态模型为（B18）29、静态标准条件是指没有加速度、振动、冲击；环境温度为20±5；相对湿度不大于85%；大气压力为760±60mmHg高(0.1MPa)的条件的情况。（B29）11、 基本特性：输出输入关系特性。（A11）21、 线性度（非线性误差）是输出量与输入量之间的实际关系曲线（校准曲线）偏离理论直线（拟合曲线）的程度（输出与输入之间的线性程度）。（A12）22、 非线性误差（B21）23、减小非线性误差的方法有差动法、编辑非线性校准数据表、非线性刻度、合理选择工作

4、区及合理选择输出量（B23）36、减小或消除电桥非线性误差的方法有有源电桥线性化法、反馈激励电压修正法及用模拟乘法器进行线性化处理。（B36）13、灵敏度是传感器在稳态下输出增量y与输入增量x的比值，常用Sn表示。（A13）14、重复性是传感器在输入量按同一方向作全量程多次测量时，所得特性曲线不一致的程度。（A14）15、 迟滞（回差滞环）现象表明正向行程（输入量增加）和反向行程（输入量减小）期间， 输出-输入特性曲线不重合的程度。（对于同一大小的输入信号，传感器的正、反行程的输出信号大小不相等的现象） 。（A15）16、最小检测量（阀值）是指传感器能确切反应被测量的最低极限量。一般是指输入量

5、缓慢地从零开始增加，当达到某一最小值时才有输出，这个最小值即为阀值。（A16）分辨率是指在规定测量范围内所能检测输入量的最小变化量xmin。一般是指输入量缓慢地从非零任一值开始增加，当增量达到某一最小值时才有输出，这个最小值即为分辨率，表示传感器能够检测被测量的最小量值的性能指标（A17）18、 稳定性是室温条件下，经过相当长的时间间隔，传感器的输出与起始标定时的输出之间的差异。（A18）16、漂移是在外界的干扰下，输出量发生与输入量无关的、不需要的变化。（A19）20、时间漂移：（A20）指输入量一定时，输出量随时间的变化而缓慢变化的现象；17、时间漂移指输入量一定时，输出量随时间的变化而缓

6、慢变化的现象；（A20）18、温度漂移指环境温度变化引起的零点或灵敏度的漂移。（A21）19、精确度（精度）：测量结果与真值之间的一致程度，是测量误差的一种表示形式。从误差角度来看，精度由两项指标组成，即精密度和正确度，精密度反映的是随机误差影响的大小；而正确度反映的是系统误差影响的大小。（A22）（B30）动态特性1、动态特性指传感器对于动态输入信号的响应特性,它反映出传感器测量动态信号的能力。（A23）2、最大超调量p是响应曲线偏离阶跃曲线稳态的最大值。（A24）3、延滞时间td是阶跃响应达到稳态值50%所需的时间。（A25）4、上升时间tr：无振荡传感器响应曲线从稳态值10% 90% 所

7、需的时间。有振荡传感器从零上升到第一次达到稳态值所需的时间。（A26）5、峰值时间tp指响应曲线达到第一个峰值所需时间。（A27）6、响应时间ts指响应曲线衰减到稳态值之差不超过±5%或±2%时所需的时间。（A28）7、动态误差产生原因：当K=1时，应存在 A=B ，但由于激励信号的变化，以及传感器测量电路、机械惯性、延时等原因的影响，AB。存在动态幅值误差r（A29）8、通频带指对数幅频特性曲线上幅值衰减3dB时对应的频率范围。越大越好。（A30）9、工作频带是幅值误差为（-5%）（+5%）对应的频率范围。越大越好。（A31）10、相位误差是输出与输入的相位差。一般不能超

8、过100。（A32） 电阻式传感器1、电位器式传感器阶梯特性：输出量随输入量的变化呈阶跃性变化的特性。（A33）2、应变片基底的作用：保证应变的准确传递。（B31）3、横向效应：敏感栅的灵敏系数 k 小于其线材的灵敏系数k0 。（A34）4、应变极限：应变片的相对误差最大允许值对应的输入应变。 （B33）5、应变片绝缘电阻：引线与试件（或敏感栅与基底）之间的电阻。（B34）6、应变片温度误差产生原因：敏感栅电阻随温度的变化而变化、试件材料与应变丝的线胀系数不一致，使敏感栅产生附加变形(应变)，从而引起输出值的变化。（B35）7、应变片的电阻应变特性是通过实验获得的，一般这种实验都是在规定的统一

9、条件下进行的，其实验条件主要有:将应变片粘贴在=0.285 的构件上且施加一维应力。实验发现，其特性在一定的范围内具有很好的线性。（B32）8、压阻式传感器温度误差产生原因有半导体电阻与温度有关以及压阻系数与温度有关。（B37）电容式传感器1、 电容式传感器按工作原理可分为：变间隙式、变面积式、变介电常数式。（B38）2、 变间隙式电容式传感器既能提高灵敏度又能提高抗击穿电压的方法是在极板间放置云母片。（B39）3、减小变间隙式电容式传感器非线性误差的方法是差动法。（B40）4、变间隙式电容传感器非线性误差为5、变极板面积式电容传感器非线性误差为0（即线性）。（B41）6、变介电常数式电容传感

10、器非线性误差为0（即线性）。（B42）电感式传感器1、 电感式传感器按原理分为自感式、互感式和电涡流式；（B43）2、 电感式传感器按结构分为气隙型和螺管型。（B44）3、 电涡流（涡流）是金属导体置于交变磁场中或在磁场中运动时，导体内产生闭合的像水中漩涡一样的感应电流（A35）4、 理论上，差动式气隙型电感式传感器非线性误差不为0。（B45）5、 螺管型互感式传感器测量电路的基本功能是X方向判别及X数值大小测量。（B46）压电式传感器1、顺（正）压电效应：某些物质（电介质），在某一方向上受到力的作用而产生变形时，内部产生极化现象，在其两个表面（电极面）产生符号相反的电荷；当力撤销时，又恢复原

11、状态。（A36）2、逆（反）压电效：某些物质的极化方向上施加电场时，会产生机械变形，而电场撤销时，变形消失。（A37）3、压电陶瓷经过极化处理才具有压电效应。（B47）4、采用电压放大器时，压电式传感器与前置放大器之间连接电缆不能随意更换，否则将引入测量误差。 （B48）5、采用电荷放大器时，压电式传感器与前置放大器之间连接电缆可以随意更换，其引入的测量误差非常小。（B50）6、前置放大器的作用：（1）把它的高输出阻抗变换为低输出阻抗；（2）放大传感器输出的微弱信号。（B49）热电式传感器1、热电效应：两种不同材料的导体连接成一个闭合回路时，当两接点处的温度不同时，会在导体间产生热电势，从而在

12、导体中产生电流 。这两种导体组合称为热电偶。单个导体称为热电极。（A38）2、热电效应产生的原因有接触电势、温差电势和热电势。（B52）3、热电偶必须由两种不同的均质材料构成。（B53）4、热电偶按结构分为普通热电偶、铠装式热电偶和薄膜热电偶。（B54）5、热电耦和热电阻的材料都是金属导体材料，而热敏电阻的材料是半导体材料。（B55）6、集成温度传感器线性度大于温敏二极管线性度大于热敏电阻线性度。（B56）光电式传感器1、外光电效应（光电发射）：在光的照射下，物体内的电子逸出其表面的现象。逸出的电子称为光电子。光电管工作原理是基于（外光电效应）。（A39）2、内光电效应分为光电导效应和光生伏特

13、效应。3、光电导效应：受光照射的物体（半导体材料）的电导率（电阻率）发生变化的现象。光导管工作原理是基于（光电导效应）。（A40）4、光生伏特效应：受光照射的物体（二极管或三极管），其内产生一定方向的电动势的现象。光电池工作原理是基于（光生伏特电效应）。（A41）5、光敏电阻：室温下，无光照射时的电阻值为暗电阻；此时通过的电流为暗电流；有光照射时的阻值称为亮电阻，此时流过的电流称为亮电流。亮电流与暗电流之差为光电流。（A42）6、光敏电阻的伏安特性：在一定的照度下流过光敏电阻的电流与其两端电压之间的关系。（A45）7、光敏电阻的光谱特性：光敏电阻相对灵敏度与照射光波长之间的关系。（A46）8、

14、光敏二极管在电路中一般是处于反向截止工作状态。（B60）9、光电池的光照特性：光电流与照度之间的关系。（A48）10、光热效应：红外光能辐射热量，物体接收红外辐射后其温度产生变化的现象。（A47）11、根据光纤在传感器中的作用分为：功能型（全光纤型）、非功能型（传光型和拾光型）。（B61）12、莫尔条纹测位移有三方面的特点：位移的放大作用、辨向功能和误差的平均效应。（B62）13、莫尔条纹：两块栅距相等的光栅面向对叠合在一起，中间留有很小的间隙，并使两者的栅线之间形成一个很小的夹角，在近于垂直栅线方向上出现明暗相间的条纹。（A49）磁敏式（磁电式）传感器1、霍尔效应：磁场中的载流体薄片，当有电

15、流流过时，垂直于电流和磁场的方向上产生电动势。（A50）2、磁栅式传感器主要由磁栅、磁头及磁信号录制电路组成。（B63）3、动态磁头不能测量静态量。（B64）4、静态磁头能测量静态量。（B65）四 简答题1、 试证明电阻应变片的灵敏系数k总是小于敏感栅电阻丝灵敏系数k0。（A34） 3、画出电容式传感器的等效电路图，并标明各元件的名称。（D3）答：Rp为并联等效电阻，包括极间直流电阻和介质损耗的等效电阻Rs为串联等效电阻，包括引线电阻、接线柱电阻及电容极板电阻。 2、试述差动法减小变间隙式电容式传感器非线性误差的原理。（B40）4、画图说明电容式传感器脉宽调制测量电路工作原理。（E4）5、画出

16、气隙型自感式传感器的等效电路图，并标明各元件的名称。（D5）L为线圈电感Rc铜损电阻Re涡流损耗电阻C并联寄生电容4、 定性说明气隙型自感式传感器工作原理。（D4） 答：气隙型电感式传感器主要由线圈，衔铁和铁心组成。工作时衔铁与被测体相连，被测体使衔铁与铁心的距离改变时，气隙厚度也会改变，导致气隙磁阻改变，从而引起电感值改变。当传感器线圈接入测理电路后，电感的进一步转换成电压、电流或频率的变化，实现非电量到电量的转换。5、定量说明气隙型自感式传感器工作原理。（D4）6、证明差动式气隙型电感式传感器理论非线性误差为0。（B45）6、画出螺管型互感式传感器的等效电路图。（D6）答：7、写出螺管型互

17、感式传感器非线性误差的计算公式，并讨论减小非线性误差的方法。（D7）答：减小非线性误差的方法（1）增大：X0、d、b（2）减小：X7、写出螺管型互感式传感器灵敏度K的计算公式，并讨论N2/N1对K的影响。（D8）7、 写出螺管型互感式传感器灵敏度K的计算公式，并讨论f对K的影响。（D8）9、画图说明螺管型互感式传感器差动整流测量电路工作原理。（D9）10、定性说明测量线圈与导体间的距离的电涡流式传感器工作原理。（D10）答：Z=F(,r, f ,x) ,被测金属体的电阻率、磁导率。r线圈与被测金属体的 尺寸因子。f İ1的频率x线圈与导体间距离11、画图说明当在机械轴方向作用拉力时，石英晶体产

18、生压电效应的机理。（D11）答：当石英晶体未受外力作用时，正、负离子正好分布在正六边形的顶角上，形成三个互成120°夹角的电偶极矩P1、P2、P3，如图5-3（a）所示。当石英晶体受到沿x轴方向的压力作用时，晶体沿x方向将产生压缩变形，正负离子的相对位置也随之变动。如图5-3（b）所示，此时正负电荷重心不再重合，电偶极矩在x方向上的分量由于P1的减小和P2、P3的增加而不等于零。在x轴的正方向出现负电荷， 电偶极矩在y方向上的分量仍为零，不出现电荷。当晶体受到沿y轴方向的压力作用时，晶体的变形如图5-3(c）所示。与图5-3（b）情况相似，P1增大，P2、P3减小。在x轴的正方向出现

19、正电荷。在y轴方向上仍不出现电荷。 12、画出压电式传感器的电压源等效电路图，并标明各元件的名称。（D12） 13、画出压电式传感器的电荷源等效电路图，并标明各元件的名称。（D13） 14、画出压电式加速度传感器原理示意图，建立其动态数学模型。（D14）15、试述接触电势产生的机理。（B52） 答： 当自由电子密度不同的两种导体A、B接触时，在两导体接触处，自由电子将从密度大的金属A扩散到密度小的金属B，使A失去电子带正电，B得到电子带负电，从而在接触处形成一个电场。该电场使电子反向转移，当电场作用和扩散作用动态平衡时，两种不同金属的接点处就会产生接触电势。16、试述温差电势产生的机理。（B5

20、2） 同一均质金属导体，当其两端温度不同时，导体内自由电子从高温端向低温端扩散，并在冷端聚集，使导体内建立起一电场。当此电场对电子的作用力与扩散力平衡时，扩散作用停止。电场产生的电势称为温差电势。17、试述均质导体定律并证明之。（B53）均质导体定律：两种均质金属组成的热电偶，其热电势大小只与热电材料和两端温度有关。 证明：18、试述中间导体定律并证明之。（D18）中间导体定律：在热电偶中加入第三种导体，若该导体两端温度相同且均质，则对回路的热电势无影响。证明：19、试述中间温度定律并证明之。（D19）中间温度定律：热电极上某一点的温度为Tz (ToTzT) ，其热电势为：EAB(T,To)=

21、 EAB(T,Tz)+ EAB(Tz,To)证明：20、 用镍铬-镍硅热电偶测量加热炉温度。已知冷端温度t0=30，测得热电势EAB（t，t0）为33.29mV, 求加热炉温度。 （镍铬-镍硅热电偶分度表见右表）（D20）T()EAB（T，0）00301.20382934.49283034.494答：21、 画出光栅读数头的结构图，表明各部分的名称并指出各自的作用。（D21）答：光栅读数头主要由标尺光栅、指示光栅、光路系统和光电元件等组成。标尺光栅的有效长度即为测量范围，一般固定在被测物体上，且随被测物体一起移动，其长度取决于测量范围，指示光栅。指示光栅比标尺光栅短得多，但两者一般刻有同样的栅

22、距，使用时两光栅互相重叠，两者之间有微小的空隙，相对于光电元件固定。22、 画出智能传感器结构框图。（D22）23、简述智能化传感器应具有哪些功能：答： 具有逻辑判断、统计处理功能。 具有自诊断、自校准功能。 具有自适应、自调整功能。 具有组态功能。 具有记忆、存储功能。 具有数据通讯功能。五 综合应用题1、 已知某传感器静态数学模型为：y=1+5x+x2，量程：0 10，求最小二乘法线性度（将x分为10等份）。（E1）解：x012345678910y17152537516785105127151画图说明电阻应变仪工作原理。（E2）Fab 解：3、画图说明冷端温度自动补偿法（补偿电桥法）原理。（E8）答 04、具体说明你所学过的以下类型传感器分别有哪些？（E9） （1）有源传感器；光电式传感器，压电式传感器bt