1、第一章1什么是传感器？它由哪几个部分组成？分别起到什么作用？解：传感器是一种以一定的精确度把被测量转换为与之有确定对应关系的、便于应用的某种物理量的测量装置，能完成检测任务；传感器由敏感元件，转换元件，转换电路组成。敏感元件是直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的物理量；转换元件把敏感元件的输出作为它的输入，转换成电路参量；上述电路参数接入基本转换电路，便可转换成电量输出。2传感器技术的发展动向表现在哪几个方面？解：（1）开发新的敏感、传感材料：在发现力、热、光、磁、气体等物理量都会使半导体硅材料的性能改变，从而制成力敏、热敏、光敏、磁敏和气敏等敏感元件后，寻找发现具有新原理、新效应的敏感
2、元件和传感元件。（2）开发研制新型传感器及组成新型测试系统 MEMS 技术要求研制微型传感器。如用于微型侦察机的 CCD 传感器、用于管道爬壁机器人的力敏、视觉传感器。 研制仿生传感器 研制海洋探测用传感器 研制成分分析用传感器 研制微弱信号检测传感器（3）研究新一代的智能化传感器及测试系统：如电子血压计，智能水、电、煤气、热量表。它们的特点是传感器与微型计算机有机结合，构成智能传感器。系统功能最大程度地用软件实现。（4）传感器发展集成化：固体功能材料的进一步开发和集成技术的不断发展，为传感器集成化开辟了广阔的前景。（5）多功能与多参数传感器的研究：如同时检测压力、温度和液位的传感器已逐步走向
3、市场。3传感器的性能参数反映了传感器的什么关系？静态参数有哪些？各种参数代表什么意义？动态参数有那些？应如何选择？解：在生产过程和科学实验中，要对各种各样的参数进行检测和控制，就要求传感器能感受被测非电量的变化并将其不失真地变换成相应的电量，这取决于传感器的基本特性，即输出输入特性。衡量静态特性的重要指标是线性度、 灵敏度，迟滞和重复性等。1）传感器的线性度是指传感器的输出与输入之间数量关系的线性程度；2）传感器的灵敏度 S 是指传感器的输出量增量 y 与引起输出量增量 y 的输入量增量 x的比值；3）传感器的迟滞是指传感器在正（输入量增大）反（输入量减小）行程期间其输出-输入特性曲线不重合的
4、现象；4）传感器的重复性是指传感器在输入量按同一方向作全量程连续多次变化时，所得特性曲线不一致的程度。5）传感器的漂移是指在外界的干扰下，输出量发生与输入量无关的、不需要的变化。漂移包括零点漂移和灵敏度漂移等。传感器的动态特性是指其输出对随时间变化的输入量的响应特性：频率响应、时间常数、固有频率和阻尼比等。1）瞬态响应特性：传感器的瞬态响应是时间响应。在研究传感器的动态特性时，有时需要从时域中对传感器的响应和过渡过程进行分析。这种分析方法是时域分析法，传感器对所加激励信号的响应称瞬态响应。常用激励信号有阶跃函数、斜坡函数、脉冲函数等。2）频率响应特性：传感器对正弦输入信号的响应特性，称为频率响
5、应特性。频率响应法是从传感器的频率特性出发研究传感器的动态特性。为了减小动态误差和扩大频率响应范围，一般是提高传感器固有频率 n。4某位移传感器，在输入量变化 5 mm 时，输出电压变化为 300 mV，求其灵敏度。解：其灵敏度3016UkX第二章1什么是应变效应？什么是压阻效应？什么是横向效应？解：应变效应，是指在导体产生机械变形时，它的电阻值相应发生变化。压阻效应，是指半导体材料在某一轴向受外力作用时，其电阻率 发生变化的现象。横向效应，是指将直的电阻丝绕成敏感栅后，虽然长度不变，应变状态相同，但由于应变片敏感栅的电阻变化较小，因而其灵敏系数 k 较电阻丝的灵敏系数 k0 小的现象。2、试
6、说明金属应变片与半导体应变片的相同和不同之处。解：金属应变片由敏感栅、基片、覆盖层和引线等部分组成。金属电阻应变片的敏感栅有丝式、箔式和薄膜式三种。箔式应变片是利用光刻、腐蚀等工艺制成的一种很薄的金属箔栅，其优点是散热条件好，允许通过的电流较大，便于批量生产，可制成各种所需的形状；缺点是电阻分散性大。薄膜式应变片是采用真空蒸发或真空沉淀等方法在薄的绝缘基片上形成 0.1m 以下的金属电阻薄膜的敏感栅，最后再加上保护层。它的优点是应变灵敏度系数大，允许电流密度大，工作范围广。半导体应变片是用半导体材料制成的，其工作原理是基于半导体材料的压阻效应。半导体应变片的突出优点是灵敏度高，比金属丝式应变片
7、高 5080 倍，尺寸小，横向效应小，动态响应好。但它有温度系数大，应变时非线性比较严重等缺点。3、 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？解：电阻应变片产生温度误差的原因：当测量现场环境温度变化时，由于敏感栅温度系数及栅丝与试件膨胀系数之差异性而给测量带来了附加误差。电阻应变片的温度补偿方法：通常有线路补偿法和应变片自补偿两大类。1）电桥补偿是最常用的且效果较好的线路补偿法。电桥补偿法简单易行，而且能在较大的温度范围内补偿，但上面的四个条件不一满足，尤其是两个应变片很难处于同一温度场。 2）应变片的自补偿法是利用自身具有温度补偿作用的应变片。4、钢材上粘贴的应变片的电阻变
8、化率为 0.1%，钢材的应力为 10kg/mm2。试求 求钢材的应变。 钢材的应变为 30010-6 时，粘贴的应变片的电阻变化率为多少?解： 是 R/R=2（l/l）。因为电阻变化率是 R/R=0.001，所以RlFl/l（应变）=0.0005= 4510 因 6 643,23010l R 所 以 5、如系题图 1-1 所示为等强度梁测力系统， 为电阻应变片，应变片灵敏1R度系数 ，未受应变时 ，当试件受力 时，应变片承受平均应0.2k120F变 ，求 418（1）应变片电阻变化量 和电阻相对变化量 。1R1/R（2）将电阻应变片置于单臂测量电桥，电桥电源电压为直流 3 ，求电桥 V输出电压
9、是多少。 （a） （b）1RF习题图 1-1 等强度梁测力系统解： （1） ，4312.0581.610RK31.64102.968Rk解：（2） 3124413132413()()()()(o RUERER设桥臂比 ，分母中 可忽略，并考虑到平衡条件 ，则上式可写为：21Rn1/ 3124R12()onUE3232.640(1)4.9n6、单臂电桥存在非线性误差，试说明解决方法。解：为了减小和克服非线性误差，常采用差动电桥在试件上安装两个工作应变片，一个受拉应变，一个受压应变，接入电桥相邻桥臂，称为半桥差动电路，由教材中的式（2-42）可知，U o 与 R1/R1 呈线性关系，差动电桥无非线
10、性误差，而且电桥电压灵敏度 KV=E/2，比单臂工作时提高一倍，同时还具有温度补偿作用。第三章1 为什么电感式传感器一般都采用差动形式? 解：差动式结构，除了可以改善非线性，提高灵敏度外，对电源电压、频率的波动及温度变化等外界影响也有补偿作用；作用在衔铁上的电磁力，是两个线圈磁力之差，所以对电磁力有一定的补偿作用，从而提高了测量的准确性。2. 交流电桥的平衡条件是什么？解：由交流电路分析可得要满足电桥平衡条件，即 ，则有：1423o4()UZ 0oU1423Z3涡流的形成范围和渗透深度与哪些因素有关?被测体对涡流传感器的灵敏度有何影 响? 解：电涡流的径向形成范围大约在传感器线圈外径的 1.8
11、2.5 倍范围内，且分布不均匀。涡流贯穿深度 ，定义在涡流密度最大值的 处。被)/(fkh ejm/测体的平面不应小于传感器线圈外 D 的 2 倍，厚度大于 2 倍贯穿度 h 时，传感器灵敏度几乎不受影响。4涡流式传感器的主要优点是什么? 解：电涡流式传感器最大的特点是能对位移、厚度、表面温度、速度、 应力、材料损伤等进行非接触式连续测量，另外还具有体积小，灵敏度高，频率响应宽等特点，应用极其广泛。5电涡流传感器除了能测量位移外，还能测量哪些非电量？解：还可以对厚度、表面温度、速度、 应力、材料损伤等进行非接触式连续测量。第四章1某电容传感器（平行极板电容器）的圆形极板半径 ，工作初始极板间距
12、离)(4mr，介质为空气。问：)(3.0m（1）如果极板间距离变化量 ，电容的变化量 是多少？)(1C（2）如果测量电路的灵敏度 ，读数仪表的灵敏度 （格mV）0pFmVk 52k在 时，读数仪表的变化量为多少？)(m解：（1）根据公式 ，其中 S=SdCd 2r（2）根据公式 ，可得到 =12k12k3010.52寄生电容与电容传感器相关联影响传感器的灵敏度，它的变化为虚假信号影响传感器的精度。试阐述消除和减小寄生电容影响的几种方法和原理。解：电容式传感器内极板与其周围导体构成的“寄生电容”却较大，不仅降低了传感器的灵敏度，而且这些电容（如电缆电容）常常是随机变化的，将使仪器工作很不稳定，影
13、响测量精度。因此对电缆的选择、安装、接法都有要求。若考虑电容传感器在高温、高湿及高频激励的条件下工作而不可忽视其附加损耗和电效应影响时，其等效电路如图 4-8 所示。图中 L 包括引线电缆电感和电容式传感器本身的电感；C 0 为传感器本身的电容；C p 为引线电缆、所接测量电路及极板与外界所形成的总寄生电容，克服其影响，是提高电容传感器实用性能的关键之一；R g 为低频损耗并联电阻，它包含极板间漏电和介质损耗；R s 为高湿、高温、高频激励工作时的串联损耗电组，它包含导线、极板间和金属支座等损耗电阻。此时电容传感器的等效灵敏度为 （4-28）20020/(1)(1)ge kCLCkddL当电容
14、式传感器的供电电源频率较高时，传感器的灵敏度由 kg 变为 ke，k e 与传感器的固有电感（包括电缆电感）有关，且随 变化而变化。在这种情况下，每当改变激励频率或者更换传输电缆时都必须对测量系统重新进行标定。3简述电容式传感器的优缺点。解：优点：(1) 温度稳定性好(2) 结构简单(3) 动态响应好（4）可以实现非接触测量，具有平均效应缺点：（1）输出阻抗高，负载能力差（2）寄生电容影响大4电容式传感器测量电路的作用是什么？ 解：电容式传感器中电容值以及电容变化值都十分微小，这样微小的电容量还不能直接被目前的显示仪表显示，也很难被记录仪接受，不便于传输。这就必须借助于测量电路检出这一微小电容
15、增量，并将其转换成与其成单值函数关系的电压、电流或者频率。电容转换电路有调频电路、运算放大器式电路、二极管双 T 型交流电桥、脉冲宽度调制电路等5下图为变极距型平板电容传感器的一种测量电路，其中 CX 为传感器电容，C 为固定电容，假设运放增益 A=，输入阻抗 Z=；试推导输出电压 U0 与极板间距的关系，并分析其工作特点。题图 4-112OIXIIIOXdUcttcdS两 边 积 分 得 到 ：式中负号表示输出电压 的相位与电源电压反相。上式说明运算放大器的输出电压与极0U板间距离 d 线性关系。运算放大器电路解决了单个变极板间距离式电容传感器的非线性问题。但要求 Zi 及放大倍数 K 足够
16、大。为保证仪器精度，还要求电源电压 的幅值和固定iU电容 C 值稳定。第五章1简述正、逆压电效应。解：某些电介质在沿一定的方向受到外力的作用变形时，由于内部电极化现象同时在两个表面上产生符号相反的电荷，当外力去掉后，恢复到不带电的状态；而当作用力方向改变时，电荷的极性随着改变。晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比。这种现象称为正压电效应。反之，如对晶体施加一定变电场，晶体本身将产生机械变形，外电场撤离，变形也随之消失，称为逆压电效应。2压电材料的主要特性参数有哪些？解：压电材料的主要特性参数有：（1）压电常数：压电常数是衡量材料压电效应强弱的参数，它直接关系到压电输出的灵敏度。 （2）弹性
17、常数：压电材料的弹性常数、 刚度决定着压电器件的固有频率和动态特性。 （3）介电常数：对于一定形状、尺寸的压电元件，其固有电容与介电常数有关；而固有电容又影响着压电传感器的频率下限。 （4） 机械耦合系数：在压电效应中，其值等于转换输出能量（如电能）与输入的能量（如机械能）之比的平方根； 它是衡量压电材料机电能量转换效率的一个重要参数。 （5）电阻压电材料的绝缘电阻：将减少电荷泄漏，从而改善压电传感器的低频特性。 （6）居里点：压电材料开始丧失压电特性的温度称为居里点。3简述电压放大器和电荷放大器的优缺点。解：电压放大器的应用具有一定的应用限制，压电式传感器在与电压放大器配合使用时，连接电缆不
18、能太长。优点：微型电压放大电路可以和传感器做成一体，这样这一问题就可以得到克服，使它具有广泛的应用前景。缺点：电缆长，电缆电容 Cc 就大，电缆电容增大必然使传感器的电压灵敏度降低。不过由于固态电子器件和集成电路的迅速发展， 电荷放大器的优点：输出电压 Uo 与电缆电容 Cc 无关，且与 Q 成正比，这是电荷放大器的最大特点。但电荷放大器的缺点：价格比电压放大器高，电路较复杂，调整也较困难。要注意的是，在实际应用中，电压放大器和电荷放大器都应加过载放大保护电路，否则在传感器过载时，会产生过高的输出电压。4能否用压电传感器测量静态压力？为什么？解：不可以，压电传感器本身的内阻抗很高，而输出能量较
19、小，为了保证压电传感器的测量误差较小，它的测量电路通常需要接入一个高输入阻抗的前置放大器，所以不能用来测量静态压力。5题图 5-1 所示电荷放大器中 Ca=100 PF，Ra=，R f= ，R i= ，C F=10 PF。若考虑引线电容 CC 影响，当 A0=104时，要求输出信号衰减小于 1%，求使用 90 PF/m 的电缆，其最大允许长度为多少？-A04 8Ca Raq Cc Ci RiRfCfU0题图 5-1解： 因此若满足 时，式（6-0(1)acifKQUCC1faciKC?4）可表示为 ofU第六章1说明霍尔效应的原理？解：置于磁场中的静止载流导体，当它的电流方向与磁场方向不一致时
20、，载流导体上平行于电流和磁场方向上的两个面之间产生电动势，这种现象称霍尔效应。2某霍尔元件 为 沿 方向通以电流 ，在垂直 面dbl31.05.1cmlmAI0.1lb方向加有均匀磁场 ，传感器的灵敏度系数为 ，试求其输出霍尔电势TB30TV./2及载流子浓度。 （ ） Cq19062.解： ，式中 KH=RH/d 称为霍尔片的灵敏度HHIBURId所以输出的霍尔电势为 ，因为 ，式中令33210.610HIBUnedRH=-1/（ ne） ，称之为霍尔常数，其大小取决于导体载流子密度,所以浓度 =q31910.6.623磁电式传感器与电感式传感器有何不同？解：磁敏式传感器是通过磁电作用将被测
21、量（如振动、位移、转速等）转换成电信号的一种传感器。磁电感应式传感器也称为电动式传感器或感应式传感器。磁电感应式传感器是利用导体和磁场发生相对运动产生电动式的，它不需要辅助电源就能把被测对象的机械量转换成易于测量的电信号，是有源传感器。电感式传感器是利用电磁感应原理将被测非电量如位移、压力、流量、 、重量、振动等转换成线圈自感量 L 或互感量 M 的变化，再由测量电路转换为电压或电流的变化量输出的装置。4霍尔元件在一定电流的控制下，其霍尔电势与哪些因素有关？解：根据下面这个公式可以得到，霍尔电势还与磁感应强度 B, KH 为霍尔片的灵敏度,霍尔元件的长()HLUKIBfb度 L 和宽度 b 有
22、关。第七章1什么是热电势、接触电势和温差电势？解：两种不同的金属 A 和 B 构成的闭合回路，如果将它们的两个接点中的一个进行加热，使其温度为 T，而另一点置于室温 T0 中，则在回路中会产生的电势就叫做热电势。由于两种不同导体的自由电子密度不同而在接触处形成的电动势叫做接触电势。温差电势（又称汤姆森电势）是同一导体的两端因其温度不同而产生的一种热电势。2说明热电偶测温的原理及热电偶的基本定律。解：热电偶是一种将温度变化转换为电量变化的装置，它利用传感元件的电磁参数随温度变化的特征来达到测量的目的。通常将被测温度转换为敏感元件的电阻、磁导或电势等的变化，通过适当的测量电路，就可由电压电流这些电
23、参数的变化来表达所测温度的变化。热电偶的基本定律包括以下三种定律：1）中间导体定律：在热电偶回路中，只要中间导体两端的温度相同，那么接入中间导体后，对热电偶的回路的总电势无影响。2）参考电极定律：如果导体 C 热电极作为参考电极，并已知标准电极与任意导体配对时的热电势，那么在相同结点温度（T,T0）下，任意两导体 A、B 组成的热电偶，其电势可由下式求得 000(,)(,)(,)ABABETTE3）中间温度定律：在热电偶回路中，两接点温度为 T，T 0 时的热电势，等于该热电偶在接点 T、T a 和 Ta、T 0 时的热电势之和，即 0(,)(,)()ABABaABaET3 已知在其特定条件下
24、材料 A 与铂配对的热电势 ，材料 B 与铂配mVoPt967.13，对的热电势 ，试求出此条件下材料 A 与材料 B 配对后的热电势。mVEoPtB345.8)(，解：根据热电偶基本定律中的参考电极定律可知，当结点温度为 T，T 0 时，用导体 A，B组成的热电偶的热电动势等于 AC 热电偶和 CB 热电偶的热电动势的代数和，即：000(,)(,)(,)13.9768.45.31ABACCBCBTETmV4Pt100 和 Cu50 分别代表什么传感器？分析热电阻传感器测量电桥之三线、四线连接法的主要作用。解：Pt100 代表铂热电阻传感器，Cu50 代表铜热电阻传感器。三线制可以减小热电阻与测量仪表之间连接导线的电阻因环境温度变化所引起的测量误差。四线制可以完全消除引线电阻对测量的影响，用于高精度温度检测。工业用铂电阻测温常采用三线制和四线制连接法。5将一只灵敏度为 0.08mv/ 的热电偶与毫伏表相连,已知接线端温度为 50,毫伏表的输出为 60 mv, 求热电偶热端的温度为多少?解： 6075.8TC
