传感器习题解答

1、绪论分为直接型传感器和间接型传感器。直接型传感器将非电量直接转换为电量；间接型传感器先通过弹性元件将非电量转换为非电量，再将非电量进一步转换为电量。电阻应变片式传感器利用应变产生的电阻变化将力直接转换为电信号，是直接型传感器；光电式传感器一般利用光路的光通量改变再用光电效应才成电信号，是间接型传感器。主要区别在于在将非电量转换为电量的过程中，结构型传感器结构参数发生了变化，而物性型传感器的结构参数不发生变化。电阻应变式传感器，电感式传感器，电容式传感器都是典型的结构型传感器。第一章 传感器特性1一般可用下列多项式表示输出输入特性： 在研究线性特性时，不考虑零位输出，通过分析可知仅有奇次非线性项

2、时，其输出输入特性方程为，此时输入量x在相当大的变化范围内具有较宽的准线性性，比较接近于理想直线的特性。 以差动工作方式可以消除电气元件中的偶次分量，显著地改善线性范围，同时使灵敏度提高一倍。线性度与灵敏度是传感器静态性能中非常重要的。2迟滞特性表明传感器在正反行程期间输出输入特性曲线不重合的程度。迟滞大小一般要由实验方法确定。用最大输出差值对满量程输出的百分比表示：或 对热敏磁性开关温度传感器迟滞的特别定义为动作温度与恢复温度之差。3（1）端基法 两端点为（0 1）（1 e） 直线方程 令 有 （2）最小二乘法 x00.20.40.60.81y11.221.491.822.232.72 令

3、（3）切线法 在的曲线上任一点 ，以过P点的切线作为拟合直线该拟合直线方程为 线性度4 不合格5将上述微分方程化成 6 输入信号工作频率范围为010007.为一阶传感器微分方程可化为 时间常数 静态灵敏度 8 第二章 电阻式传感器1解：由 又 2解： 3.采用四片相同的金属丝应变片（K=2），将其贴在实心圆柱形测力弹性元件上。如下图所示，力F=100Kg.圆柱截面半径r=1cm,杨氏模量E=2107N/cm2,泊松比0.3.求（1）画出应变片在圆柱上粘贴位置及相应测量电桥原理图；（2）各应变片的应变？电阻相对变化量R/R？（3）若电桥电源电压U=6V，求电桥输出电压U=?（4）此种测量方法能否

4、补偿环境温度对测量的影响？说明原因。解：（1）应变片在圆柱上粘贴位置及测量电桥原理图如下：FFR3R4R1R2 （2）沿柱体轴向的应力为：沿柱体轴向和环向的应变分别为： (156106) (46.8106)应变片1和3的应变为：(156106)应变片2和4的应变为： (46.8106)电阻相应变化量： (3.12104)(0.94104) （3）电桥输出电压为： (1.22mv)（4）考虑温度对电桥输出的影响：其中是由温度变化应起的电阻变化，出现在分母项，对输出引起的误差非常小，故这种测量方法可以补偿环境温度对测量的影响。4解：电阻应变片的粘贴位置及电桥原理图如下：电桥输出电压为：忽略分母项中

5、的，输出电压表达式为：此时的电桥输出灵敏度最高，为：5.解：金属应变片传感器灵敏度系数：，由式可知，由两部分组成：前一部分仅由金属丝的几何尺寸变化引起，一般金属的，因此；后一部分为电阻率随应变而引起的变化，它除与金属丝几何尺寸变化有关外，还与金属本身的特性有关。前者对金属应变片传感器灵敏度系数贡献大。半导体压阻传感器的灵敏度系数：，由两部分组成，其中为半导体材料的尺寸变化引起的，为半导体电阻率的相对变化所引起。一般，故对传感器灵敏度贡献大。6.解：应变片式传感器由于温度变化产生误差的两个主要因素是：其一是应变片的电阻丝具有一定温度系数；其二是电阻丝材料与被测试材料的线膨胀系数不同。7.解：如图

6、a，采用半桥差动时，输出电压为：如图b，采用全桥差动时，输出电压为：ABU0UiR1+R1R2-R2R3R4图a，半桥差动ABU0UiR1+R1R2-R2R3R3R4+R4图b，全桥差动8.解：方法一：采用恒流源半桥差动电桥，电路如下图a，其中，；CBDU0I0R1+R1R2-R2R3R4I1I2A图a，恒流源半桥差动电桥输出电压表达式分母项不含，固不存在非线性误差。方法二：采用恒流全桥差动电桥，电路如图b，其中，采用四块相同的金属应变片，即，；CBDU0I0R1+R1R2-R2R3R3R4+R4I1I2A图b，恒流全桥差动电桥此时有，即与为线性关系，则该电路消除了电路中的非线性误差。22 固

7、态压阻式传感器1解：在方向余弦为 在001方向余弦为 纵向，横向压阻系数分别为对p型硅 对n型硅 2设计如下在沿方向的直径上制作四个相等的扩散电阻，这种只有纵向电阻效应，即 ， 的正负变化，只能由应力的正负来决定。正应力区的电阻、的变化量为正,负应力区的电阻、的变化量为负，即 组成的全桥电路为 这样就可以达到提高灵敏度的目的3（1）相同点 都是利用应变引起的电阻变化，且都可采用电桥电路进行补偿 （2）不同点 半导体薄膜材料的应变灵敏度远大于金属的应变灵敏度。并且其主要是由于电阻率的相对变化所引起的，几何参数变形占的比例非常小。 金属应变片式用粘结剂粘贴在被测试件的表面，扩散开半导体薄膜固态压阻

8、式是在半导体材料的基片上用集成电路工艺制成扩散型压敏电阻，并直接作为敏感元件4从压阻式传感器的零点温度漂移和灵敏度温度漂移两个方面进行补偿零点温度漂移一般用串并联电阻的方法进行补偿低温时的电阻 高温时的电阻 为的温度系数由此可以算出所需串并联电阻的大小灵敏度温度漂移一般采用改变电源电压的大小来进行补偿 用正温度系数热敏电阻改变运算放大器 利用三极管基极与发射极间的PN结敏感的输出电压，从而改变电桥电压的大小， 温度，使三极管的输出电流变化，改变管达到补偿的目的。 压降的大小，从而改变电桥电压。因为二极管PN结温度特性为负，温度每升高1，正向压降降低（1.9-2.4）mv. 二极管的个数5解：

9、对100， 对111， 磁电阻式传感器解：（1）三端MR元件，为电源电压，故，因为，即，得到，（2）四端MR元件，为电源电压，振幅为其一半，为150mV。2构成MR元件的磁性薄膜材料通常是具有磁电阻各向异性的铁磁材料。常用的有Ni-Co， Ni- Fe，Ni-Pd，Ni-Mn，Ni-Cu，Ni-Al，Ni-Sn，Ni-Zn，各向异性磁电阻系数分别为Ni-CoNi- FeNi-PdNi-MnNi-CuNi-AlNi-SnNi-Zn(%)6.484.604.302.932.602.402032603解：白色部分为基片，通常选择非磁性物质，有良好的绝缘性，化学稳定性好的物质，黑色部分为薄膜，采用铁磁合金。电源电压加在1、3端，输出为2、4端，此时U4和U2相位差为90度。4 如上图所示，MR传感器上附加一铁磁物质1，垂直纸面向里，在受力物体上也附加一铁磁物质，方向如图所示，该磁性物质磁场强度方向与垂直，二者的关系如图所示，物体受