1-4传感器作业

第一章 传感器概论

思考题与习题

1-1 简述检测系统和自动控制系统的组成及其各部分的功能。

答：（1）一个完整的检测系统由激励装置、测量装置、数据处理装置和显示、记录装置四大部分。

图1-1 检测系统组成框图

激励装置是激励被测量对象产生表征其特征信号的一种装置。激励装置的核心部分是信号发生器，由它产生各种信号激励被测对象。测量装置是把被测对象产生的信号转换成易于处理和记录的信号的一种装置。数据处理装置对从测量装置输出的信号进行处理、运算、分析，以提取有用的信息，使人们对客观事物的动态过程有更深入的认识。显示、记录装置是把测量的信号变为人们感觉所能理解的形式，以提供人们观察和分析的装置。

（2）典型的自动控制系统组成框图如图1-2所示。

图1-2 自动控制系统组成框图

系统通过检测装置获取变化的被控参数信息，并经过反馈环节把它引回到系统的输入端，与给定值比较后成为误差信号，控制器按误差信号的大小产生一相应的控制信号，自动调整系统的输出，使其误差趋向于零。

1-2 简述传感器的组成及其各部分的功能。

答：传感器一般由敏感元件和转换元件两部分组成，有时也将转换电路及辅助电源作为传感器的组成部分，其组成框图如图1-3所示。

图1-3 传感器组成框图

敏感元件直接感受被测量（一般为非电量），并输出与被测量成确定关系的其他量（其中也包括电量）的元件。转换元件也称传感元件，通常它不直接感受被测量，而是将敏感元件的输出量转换为电参量再输出。转换电路将转换元件输出的电参量转换成电压、电流或频率量。若转换元件输出的已经是上述电量，则就不需要基本转换电路了。

1-3 对某传感器进行特性测定所得到的一组输入—输出数据如下：

输入xi: 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9

输出yi: 2.2 4.8 7.6 9.9 12.6 15.2 17.8 20.1 22.1

试计算该传感器的非线性度和灵敏度。

答：

1．端点法方程y=24.555x

非线性误差（线性度）%8.21.22605.0%100==??=

FS m f Y y E 灵敏度K=24.56

x y y fit Δ=y-25.2x+0.1222 Δ=y-24.55x

0.1 2.2 2.3978 -0.1978 -0.255

0.2 4.8 4.9178 -0.1178

-0.11 0.3 7.6 7.4378 0.1622

0.235 0.4 9.9 9.9578 -0.0578 0.08

0.5 12.6 12.4778 0.1222 0.325 0.6 15.2 14.9978 0.2022 0.47

0.7 17.8 17.5178 0.2822 0.615 0.8 20.1 20.0378

0.0622 0.46 0.9 22.1 22.5578 -0.4578 0.005

Y X

2．最小二乘法

Data: Data4_B

Chi^2/DoF = 0.06165 R^2 = 0.99887

a 25.2 0.32055

b -0.12222 0.18038

y=25.2x-0.12222

非线性误差（线性度）%...%121

2245780100==??=FS m f Y y E 灵敏度K=25.2

x y y=ax+b y-ax-b y-22.1x/0.9

0.1 2.2 2.3978 -0.1978 -0.255

0.2 4.8 4.9178 -0.1178 -0.11

0.3 7.6 7.4378 0.1622 0.235

0.4 9.9 9.9578 -0.0578 0.08

0.5 12.6 12.4778 0.1222 0.325

0.6 15.2 14.9978 0.2022 0.47

0.7 17.8 17.5178 0.2822 0.615

0.8 20.1 20.0378 0.0622 0.46

0.9 22.1 22.5578 -0.4578 0.005

灵敏度 8.243

.08.03.77.19K S =--=??==x y 于是，此传感器的特性方程为x y 824.=

线性度计算如下：

当x=0.8时，y=19.84，所以26.01.2084.19=-=?y ；

当x=0.7时，y=17.36，所以?y=0.44；

当x=0.6时，y=14.88，所以?y=0.32；

当x=0.5时，y=12.4，所以?y=0.2；??

所以?y max =0.44

则线性度%0.21

.2244.0Ef max ==?=FS Y y 1-4 传感器的动态特性常用什么方法进行描述？你认为这种描述方法能否充分反映传感器

的动态特性，为什么？

答：（1）在实际工作中，传感器的动态特性常用它对某些标准输入信号的相应来表示。最常用的标准输入信号有阶跃信号和正弦信号两种，所以传感器的动态特性也常用阶跃响应和频率响应来表示。

（2）整个相应过程分为动态和稳态两个过程。动态过程又称为过度过程，是指传感器从初始状态到接近最终状态的响应过程。稳态过程是指时间t→∞时传感器的输出状态。阶跃响应主要通过分析动态过程来研究传感器的动态特性，而频率响应则是通过研究稳态过程来分析传感器的动态特性。

1-5 传感器实现不失真测量的条件是什么？在实际工作中如何具体运用？

答：传感器实现不失真测量，测量装置的频率响应特性应同时满足两个条件：（1）装置对输入的被测信号中所包含的各种频率成分的幅值放大倍数都一样，即幅频特性应满足（B/A）=K=常数；（2）输入的测量信号中的各种频率成分通过装置后，它的输出滞后与输入的时间τd都要一样，即装置的相频特性应满足φ（ω）= -τdω。

在具体测量时，首先要选好测量装置，并掌握所用测量装置的动态特性，使其在要求的工作频率范围内的幅频和相频特性比较接近不失真测量的条件。其次，应对输入的被测信号进行必要的前置处理，及时滤掉非信号频带内的噪声，以免某些噪声因其频带进入测量装置的谐振区而使信噪比变坏。此外，在选择测量装置时，还应根据不同的测量目的和要求，有针对性的满足测量要求。

1-6 为什么要对传感器要进行校检，其实质是什么？

答：当传感器的工作环境、使用条件不同于说明书中的规定，或使用时间较长且已经过修理时，为判断它是否可用或者性能参数是否发生变化，往往需对传感器重新进行标定或校检。实际上都是对传感器的特性进行测试，所以校检也分静态和动态两个方面。

第二章传感器测量电路

思考题与习题

2-1 传感器输出信号有哪些特点？

答：（1）传感器输出的电信号有电压、电流、电阻、电容、电感、频率的变化等；（2）传感器输出的电信号通常都比较弱，如电压信号为级，电流信号为级；（3）由于传感器内部噪声的存在，使输出的信号与噪声混合在一起。当噪声比较大，而输出信号又较弱时，常使信号被淹没在噪声之中；（4）大部分传感器的输出、输入关系曲线呈线性或接近线性关系，但仍有少部分传感器的输出、输入关系曲线是非线性的；（5）传感器的输出信号易受外界环境（如温度、电场或磁场）的干扰。

2-2 传感器电子测量电路有哪几种类型，其主要功能是什么？

答：（1）开关型测量电路传感器的输出信号为开关信号（如电触点或光线的通断信号）时的测量电路称为开关型测量电路。俄中测量电路实质是一个功率放大器。

（2）模拟电路如果传感器的输出是一些电参数的变化，则需要通过基本转换电路首先将其转换成电量。常用的基本转换电路有分压电路、运算电路、电桥电路、调频电路、脉冲调宽电路等。

（3）绝对码型测量电路绝对式编码传感器输出的数字编码与被测量的绝对位置值一一对应。每一码道的状态由相应的光电元件读出，经光电转换与放大整形后，得到与被测量相对应的编码。采用循环码的传感器，由于其输出的编码为循环码，所以先要转换为二进制码后再译码输出。

（4）增量码数字式测量电路光栅、慈栅、感应同步器等数字式传感器输出的是增量码信号。传感器的输出经放大、整形后成为数字脉冲信号。

（5）传感器与微机的接口输入到微型机的信号必须是它能处理的数字量信息。根据传感器输出信号的不同，有相应的三种基本接口方式：模拟量接口方式、开关量接口方式和数字量接口方式。

2-3 测量装置中常见的噪声干扰有几种？可采取哪些措施予以防止？

答：（1）按照噪声产生的来源，一般可分为外部干扰噪声和内部干扰噪声两大类。常见的外部干扰噪声有：①由各种电气设备、高压电网、雷电、放电管等的火花放电、弧光放电、电晕放电、辉光放电所产生的放电噪声；②由工频、高频和射频等大功率设备、电子开关、脉冲发生器等的干扰所产生的电磁噪声；③由环境温度、湿度、光照、振动等生成的环境噪声等。

常见的内部干扰噪声有：①由电阻中自由电子的不规则热运动所引起的电阻热噪声；②由半导体内带电粒子的不规则和不连续运动引起的半导体散粒噪声；③由两种材料之间的不完全接触所引起的接触噪声等。

（2）目前常用的抗干扰措施有如下：屏蔽、接地、浮置、滤波、对称电路、光电耦合和脉冲电路中的噪声抑制。

2-4 屏蔽有哪几种型式？各起什么作用？

答：根据干扰场的性质，屏蔽可分为静电屏蔽、电磁屏蔽和低频磁屏蔽等。

（1）静电屏蔽使屏蔽体内的电力线不外传，同时不也使外部的电力线影响其内部，以达到消除或削弱两个回路之间由于分布电容的耦合而产生的干扰。

（2）电磁屏敝主要用于防止高频电磁场的影响。它有两个作用：①通过低电阻金属材料制成的屏蔽体表面对磁场产生反射而削弱其影响；②由于电磁场在屏蔽体内产生涡流，再利用反方向的涡流磁场抵消高频电磁场的干扰。③低频磁屏蔽对于低频磁场干扰，用上述电磁屏蔽方法往往难以奏效。此时常采用强磁材料作屏蔽体，因其磁阻极小，为干扰源产生的磁通提供了一个低磁阻通路，并使其限制在强磁屏蔽体内。

2-5 接地有哪几种型式？各起什么作用？

第三章电阻式传感器及其应用

思考题与习题

3-1 何谓电阻式传感器？它主要分成哪几种?它们在输出的电信号上

有何不同？

答：（1）电阻式传感器是指能将被测量转换成电阻值，再经过相应测量电路处理后，在显示器记录仪上显示或记录下被测量的变化状态的器件。

（2）电阻式传感器主要可以分为以下几种：电阻应变式、压阻式、热电阻、热敏电阻、气敏电阻及湿敏电阻等电阻式传感器。它们分别是将位移、形变、力、力矩、加速度、温度和湿度等物理量转换为电信号。

3-2 什么是电阻应变效应？什么是压阻效应？

答：（1）电阻应变效应是指导体或半导体材料在外力作用下产生机械变形（拉伸或压缩）时，其电阻值也要随之发生相应的变化。电阻应变片就是基于电阻应变效应制成的。

（2）压阻效应是指指当半导体受到应力作用时，由于载流子迁移率的变化，使其电阻率发生变化的现象。电阻式传感器就是基于压阻效应制成的。

3-3 试比较金属丝电阻应变片与半导体应变片的相同点和不同点。答：(1)金属丝电阻应变片的特点是制作简单、性能稳定、价格低廉、易于粘贴。它有纸基型和胶基型两种，是使用最早、最早的电阻应变片。

（2）半导体应变片是用半导体材料作为敏感栅制成的，因其灵敏度高（通常比丝式、箔式要高几十倍）、横向效应小而受到好评。

3-4 何谓直流电桥？若按桥臂工作方式不同，可分为哪几种？各自的输出电压及电桥灵敏

度如何计算？

答：（1）为了能将电阻变化转换成电压或电流变化输出，需要采用转换电路。在电路应变式

传感器中最常用的转换测量电路是桥式电路。按供桥电源的性质不同，电桥可分为交流电桥和直流电桥两类。

（2）根据电阻变化值输入电桥的方法不同，直流电桥分为半桥单臂、半桥双臂和全桥三种。它们的灵敏度是不一

图3-1 直流电桥的联接方式

（a ）半桥单臂 ； （b ）半桥双臂 ；（c ）全桥 ；

①半桥单臂 如图3-1（a ）所示，把由传感器输出的电阻变化量ΔR 接入一个桥臂中，工作时只有一个桥臂的阻值随被测物理量而变化（R+ΔR ），其余三臂为固定电阻R （ΔR 2=ΔR 3=ΔR 4=0），此时的输出电压为：

U R R U ?=

?41

电桥的灵敏度为 U K 4

1= ②半桥双臂 如图3-1（b ）所示，把由传感器输出的数值相等而变化相反的电阻变化量ΔR 分别接入电桥的相邻两臂中（即图中的ΔR 1和ΔR 2），此时的输出电压为

U R

R U ?=

?42 电桥的灵敏度为 U K 4

2=

③ 全桥 如图3-1（c ）所示，在相对的双臂中接入大小相等、方向相反的电阻变化量，在相对的两臂中接入大小相等、方向相同的电阻变化量，工作时四个桥臂都随被测物理量而变化。此时的输出电压是

U R

R U ?=

?44 电桥的灵敏度为 U K 4

4=

U

U U

3-5 热敏电阻传感器有哪几种？各有何特点及用途？

热敏电阻按其对温度的不同反应可分为负温度系数热敏电阻(NTC)、正温度系数热敏电阻(PTC ）和临界温度系数热敏电阻(CTR)三类。这三类热敏电阻的电阻率ρ与温度t 之间的相互关系均为非线性。

热敏电阻的特点及应用：热敏电阻具有灵敏度高、体积小、响应速度快、构造简单等优点，最大的不足是复现性及互换性较差。(1)用于温度测量(2)用于温度补偿(3)用于温控制。 3-6 简要说明气敏、湿敏电阻传感器的工作原理，并举例说明其用途。 答：（1）气敏传感器是利用半导体气敏元件同被测气体接触后，造成半导体性质的变化，以此来检测待定气体的成分或浓度的传感器的总称。以半导体气敏传感器为例，简要介绍下其工作原理。

半导体气敏电阻器可按表面型和体型分类。SnO 2和ZnO 等较难还原的金属氧化物半导体接触气体时，在较低温度时即产生吸附效应，从而改变半导体的表面电位、功函数及电导率等。由于半导体和气体之间的相互作用仅限于半导体器件的表面，故称为表面型半导体气敏传感器。当r —Fe 2O 3等较难还原的氧化物半导体接触到，较低温度下的气体时，半导体材料内的晶格缺陷浓度将发生变化，从而使半导体的电导率发生改变。这种半导体性能改变的气敏传感器称为体型半导体传感器。可制成家用气体泄漏警报器及自动通风电路。 QN 型气敏半导体器件可以对可燃易爆气体，如汽油、酒精、甲烷、乙烷等都有很好的反应。另外P 型气敏半导体器件灵敏度比较高，可以对多种气体的检漏、浓度测量及超限报警等。目前广泛应用于石油、化工、电子、电信等部门。

（2）湿敏电阻传感器是一种检测空气湿度的传感器件。它是利用材料的电气性能或机械性能随湿度而变化的原理制成的。它能把湿度的变化转化成电阻的变化，它的传感器件是湿敏电阻。

其工作原理是在电绝缘物中浸渍吸湿性物质，或者通过蒸发、涂覆等工艺，在表面上制备一层金属、半导体、高分子薄膜和粉状颗粒，形成湿敏电阻器件。在吸湿元件的吸湿和脱湿过程中，水分子分解出的离子H +传到状态发生变化，从而使湿敏电阻值发生变化。湿敏传感器就是利用这一电阻器件的电阻值随湿气的吸附与脱附而变化的现象制成的，也就是利用电阻值与所吸附的水作为媒介的离子传导有关的现象制成的。

书P49 习题

3—7 已知电阻应变片阻值为100，灵敏系数为2，沿纵向粘贴于直径为0.05m 的

圆形钢柱表面钢材的E ＝2×1011N ／m 2,μ=0.3，求钢柱在受到10t 拉力时应变片电

阻的相对变化量。若应变片沿圆周方向粘贴．受到同样拉力时应变片电阻的相对变化量为多少？

解：沿纵向：

)/10(101.5/102)2

05.0(14.3101010242

11231kg N g m N N AE F k k R R =?=?????===?-ε)/.(.kg N g 8910054=?=-

应变片沿圆周方向粘贴

4441105110531101530---?≈?=??==?....εμk R

R

3—8 一圆筒荷载传感器，额定负荷为2t ，已知不承载时，四片应变片的阻值为120Ω，灵敏度为0.82mV/V ．K ＝2. 材料μ=0.3，电桥电源电压Ui=2V 。当承载为0.5t 时，R 1、R 3沿轴向粘贴，R 2、R 4沿园周方向粘贴。求：①R l 、R 3的阻值为多少?②R 2、R 4的阻值为多少?③电桥输出电压U 0为多少?④每片应变片的功耗P w 为多少？

解：

AE

F k u u AE F k u u i )1(21,)1(2μμ+=?+=? AE

V N F 4

4102301221mV 820102??+?=?=).(/.额定时， 710173?=∴.AE

当承载为0.5t 时

474

1015310

17310502-?=???==?∴...εk R R Ω=-==Ω?=?-96221190378012010783312..,.R R R x

Ω=?-==Ω?=??=?---01134120101341120101341107833024222..,...R R R y 电桥输出电压时）T F mV U 504200.(,.== 每片应变片的功耗W P 033.0120)2402(2=?=

3—9有一测量吊车起吊重物的拉力传感器如题图3-9(a)所示，R 1、R 2、R 3、R 4按要求贴在等截面轴上。已知等截面轴的截面积为0.00196m 2，弹性模量E= 112

2.010N m ?，泊松比为μ=0.30。R 1=R 2=R 3=R 4=120Ω，K=2.0.所组成的全桥型式如题图3-9(b)所示，供桥电压为U=2V ，现测得输出电压U 0=2.6mV 。求①等截面轴的纵向应变及横向应变为多少？②重物m=?

解

x k U U εμ)(+=?12

3310)

3.01(222106.2)1(2--=+?=+?=∴μεk U U x 3103.0-?-=-=x y μεε

x AE

mg ε= kg g AE m x

43

111048.91010200196.0?=???=?=∴-ε 3-10

R

R l K E h b F E h b Fl K K R R S S S ?=?==?662020ε 由于是半桥差动电桥，应有i

U U R R 021=? N U U l K h Eb F i S 52

10115235018100233

25020=??????==-..

第四章 电感式传感器及其应用

思考题与习题

4-1 何为电感式传感器？简述电感式传感器的变换过程。

答：（1）电感式传感器是建立在电磁感应基础上，利用线圈自感或互感的变化来实现非电量电测的一种装置。电感式传感器能对位移、压力、振动、应变、流量等参数进行检测。

（2）电感式传感器的变换过程如下：当被测物体某些量发生变化时引起电感的变化，而传感器线圈接入测量系统后，电感的变化就被转化成电压、电流或频率的变化，从而完成非物理量向电量的转变。

4-2 电感式传感器分为哪几类？各有何特点？

答：电感式传感器主要可以分为自感式、互感式和电涡流式三类。自感式电感传感器有变气隙型、变面积型和螺管型。变气隙型电感传感器灵敏度高，但位移量测量的范围比较小；变面积型电感传感器灵敏度为一常数：δ

μω202==dA dL S ；螺管型电感传感器结构简单，制

作容易，但是灵敏度低。

互感式电感传感器又叫差动变压器式传感器，其特点是体积小，线性好。

电涡流式电感传感器的特点是结构简单、体积小、灵敏度高、频率响应宽、抗干扰能力强。

4-3 差动变压器传感器有哪些用途？

答：利用差动变压器传感器组成差动相敏检波电路和差动整流电路。

4-4 什么叫零点残余电压？产生的原因是什么？

答：（1）变压器电桥电路的输出电压随位移方向的不同而反向180o ，然而由于桥路电源是交流电，接在输出端上的直流电压表无法判别位移的方向。在使用交流电压表时，其实际的输出曲线中存在零点残余电压，用E o表示，其大小约为零点几个毫伏，特殊情况下可达几十毫伏。但是无论如何调节衔铁的位置，这种零点残余电压始终存在，无法彻底消除它。（2）零点残余电压产生的主要原因是：

①两个电感线圈的电气参数、几何尺寸或磁路参数不可能做到完全对称；②存在寄生参数（如线圈间的寄生电容及线圈、引线与外壳之间的分布电容等）；③电源电压中含有高次谐波;④磁路的磁化曲线存在非线性。

4-9 简述差动整流电路的工作过程。

答：差动整流电路时差动变压器常用的测量电路，把差动变压器两个输出线圈的侧电压分别整流后，以它们的差作为输出，这样侧电压上的零点残余电压就不会影响测量结果。

4-10 简述电涡流式传感器的工作原理及主要特点。

答：（1）电涡流式传感器的核心是一个固定在骨架上的扁平圆线圈，线圈是用多股漆包线或银线绕制而成的，一般放置在传感器的端部。当把一个扁平线圈1置于金属导体2附近，并在线圈中通以正弦交变电流i1时，线圈的周围空间就会产生正弦交变磁场H1，处于此交变磁场中的金属导体内就会产生涡流i2，此涡流也必将产生交变磁场H2，H2的方向和H1相反。由于H2的作用，涡流要消耗一部分能量，从而使产生磁场的线圈阻抗发生变化。

线圈的阻抗的变化与金属导体的几何形状、电导率、磁导率有关，还与线圈的几何参数、激励电流的频率以及线圈到被测金属导体的距离等参数有关。当被测物参数发生变化时，就会引起线圈阻抗Z的变化，并引起线圈电感L和线圈品质因素Q值的变化。因此，电涡流式传感器所用的转换电路只要选用Z、L、Q中的任何一个参数，并将其转换成电参量，即可达到检测的目的。

（2）电涡流式传感器具有结构简单、体积小、灵敏度高、频率响应宽、抗干扰能力强等特点，尤其是它具有非接触测量的优点，因此被广泛用于测量位移、厚度、振动、转速、硬度等参数，还可进行无损探伤，因而在传感器检测技术中是一种很有前途的传感器件。

4-11 与电涡流式传感器配套使用的转换电路主要有哪几种？各自的转换的目的是什么？答：与电涡流式传感器配套使用的转换电路主要有电桥电路、谐振调幅电路和调频电路。电桥电路：桥路将线圈阻抗的变化，转换为电压幅值的变化；

谐振调幅电路：将线圈阻抗的变化，转换为输出电压幅值的变化，降低传感器对振荡器工作的影响，又可作为恒流源的内阻，其大小将直接影响转换电路的灵敏度；

调频电路：将线圈阻抗的变化，转换为输出电压频率的变化。当传感器位置发生变化时，电感量将发生变化，从而改变了振荡器的振荡频率。