传感器原理与工程应用第三版部分答案

1—1：测量的定义？

答：测量是以确定被测量的值或获取测量结果为目的的一系列操作。所以, 测量也就是将被测量与同种性质的标准量进行比较，确定被测量对标准量的倍数。

1—2：什么是测量值的绝对误差、相对误差、引用误差？

答：绝对误差是测量结果与真值之差,

即: 绝对误差=测量值—真值

相对误差是绝对误差与被测量真值之比,常用绝对误差与测量值之比,以百分数表

示,

即: 相对误差=绝对误差/测量值×100%

引用误差是绝对误差与量程之比,以百分数表示,

即: 引用误差=绝对误差/量程×100%

1—3什么是测量误差？测量误差有几种表示方法？它们通常应用在什么场合？

答：测量误差是测得值减去被测量的真值。

测量误差的表示方法：绝对误差、实际相对误差、引用误差、基本误差、附加误差

。当被测量大小相同时，常用绝对误差来评定测量准确度；相对误差常用来表示和

比较测量结果的准确度；引用误差是仪表中通用的一种误差表示方法，基本误差、

附加误差适用于传感器或仪表中。

2－1：什么是传感器？它由哪几部分组成？它的作用及相互关系如何？

答：传感器是能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。通常，传感器由敏感元件和转换元件组成。其中，敏感元件是指传感器中能直接感受或响应被测量的部分；转换元件是指传感器中能将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于传输或测量的电信号部分。

2—2：什么是传感器的静态特性？它有哪些性能指标？分别说明这些性能指标的含义？答：传感器在被测量的各个值处于稳定状态时，输出量和输入量之间的关系称为传感器的静态特性；其主要指标有线性度、灵敏度、精确度、最小检测量和分辨力、迟滞、重复性、零点漂移、温漂。灵敏度定义是输出量增量Δy与引起输出量增量Δy的相应输入量增量Δx 之比。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。输出与输入关系可分为线性特性和非线性特性。传感器在输入量由小到大（正行程）及输入量由大到小（反行程）变化期间其输入输出特性曲线不重合的现象称为迟滞。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。传感器的漂移是指在输入量不变的情况下，传感器输出量随着时间变化，此现象称为漂移。

2－3：什么是传感器的动态特性？它有哪几种分析方法？它们各有哪些性能指标？

答：（1）动态特性是指传感器对随时间变化的输入量的响应特性；

（2）分析方法：时域分析法——① 时间常数；② 延迟时间t d③上升时间tr;

④峰值时间tp⑤超调量σ⑥衰减比d

复频域传递函数

频率域特性频率——通频带、工作频带、时间常数、固有频率、相位误差、跟随角。

第三章应变式传感器

1．什么叫应变效应？利用应变效应解释金属电阻应变片的工作原理。

答：在外力作用下，导体或半导体材料产生机械变形，从而引起材料电阻值发生相应变

化的现象，称为应变效应。其表达式为dR/R=kε，式中K为材料的应变灵敏系数，当

应变材料为金属或合金时，在弹性极限内K 为常数。金属电阻应变片的电阻相对变化量dR/R

与金属材料的轴向应变ε成正比，因此，利用电阻应变片，可以将被测物体的应变ε转换成

与之成正比关系的电阻相对变化量，这就是金属电阻应变片的工作原理。

2．试述应变片温度误差的概念，产生原因和补偿办法。

答：由于测量现场环境温度偏离应变片标定温度而给测量带来的附加误差，称为应变片温度误差。

产生应变片温度误差的主要原因有：⑴由于电阻丝温度系数的存在，当温度改变时，应变片的标称电阻值发生变化。⑵当试件与与电阻丝材料的线膨胀系数不同时，由于温度的变化而引起的附加变形，使应变片产生附加电阻。电阻应变片的温度补偿方法有线路补偿法和应变片自补偿法两大类。电桥补偿法是最常用且效果较好的线路补偿法，应变片自补偿法是采用温度自补偿应变片或双金属线栅应变片来代替一般应变片，使之兼顾温度补偿作用。3．什么是直流电桥？若按桥臂工作方式不同，可分为哪几种？各自的输出电压如何计算？答：如题图3-3 所示电路为电桥电路。若电桥电路的工

作电源E 为直流电源，则该电桥称为直流电桥。

按应变所在电桥不同的工作桥臂，电桥可分为：

⑴单臂电桥，R 1为电阻应变片，R 2 、R 3、R 4为

电桥固定电阻。其输出电压为。

⑵差动半桥电路，R 1、R 2为两个所受应变方向相反

的应变片，R 3 、R 4 为电桥固定电阻。其输出电

压为：。

⑶差动全桥电路，R1、R2、R3、R4 均为电阻应变片，

且相邻两桥臂应变片所受应变方向相反。其输出电压为：

。

5. 图示为一直流应变电桥。图中E=4V，R1= R 2= R 3=

R 4=120Ω，试求：

（1）R1为金属应变片，其余为外接电阻。当R1的增

量为ΔR1 = 1.2Ω时，电桥输出电压Uo=?

（2）R1、R2 都是应变片，且批号相同，感应应变的

极性和大小都相同，其余为外接电阻，电桥输出电压Uo=?

（3）题（2）中，如果R1与R2感受应变的极性相反，且ΔR1= ΔR2 = 1.2，电桥

输出电压Uo=？

第四章电感式传感器

1.差动变压器式传感器的零点残余电压产生的原因是什么？怎样减小和消除它的影响？

答：原因：（1）由于两电感线圈的电气参数及导磁体几何尺寸不完全对称，在两电感线圈上的电压幅值和相位不同，从而形成零点残余电压的基波分量。（2）由于传感器导磁材料磁化曲线的非线性（如铁磁饱和、磁滞损耗），使激励电流与磁通波形不一致，从而形成零点残余电压的高次谐波分量。

为减小电感式传感器的零点残余电压，可采取以下措施：

①在设计和工艺上，力求做到磁路对称，铁芯材料均匀；要经过热处理以除去机械应力和改善磁性；两线圈绕制要均匀，力求几何尺寸与电气特性保持一致。

②在电路上进行补偿。

2.简述相敏检波电路的工作原理，保证其可靠工作的条件是什么?

答：相敏检波电路如图4-18所示。图中V D1、V D2、V D3、V D4为四个性能相同的二极管，以同一方向串联接成一个闭合回路，形成环形电桥。输入信号u2(差动变压器式传感器输出的调幅波电压)通过变压器T1加到环形电桥的一个对角线上。参考信号u s 通过变压器T2加到环形电桥的另一个对角线上。输出信号u o从变压器T1与T2的中心抽头引出。图中平衡电阻R起限流作用，以避免二极管导通时变压器T2的次级电流

过大。R L为负载电阻。u s的幅值要远大于输入信号u2的幅值，以便有效控制四个二极

管的导通状态，且u s和差动变压器式传感器激磁电压u1由同一振荡器供电，保证二

者同频同相（或反相）。

3.何谓涡流效应？怎样利用涡流效应进行位移测量？

答：电涡流效应是指金属导体置于交变磁场中会产生电涡流，且该电涡流所产生磁场的方向与原磁场方向相反的一种物理现象。

电涡流传感器的敏感元件是线圈，当给线圈通以交变电流并使它接近金属导体时，线圈产生的磁场就会被导体电涡流产生的磁场部分抵消，使线圈的电感量、阻抗和品质因数发生变化。这种变化与导体的几何尺寸、导电率、导磁率有关，也与线圈的几何参量、电流的频率和线圈到被测导体间的距离有关。至于进行位移测量，可根据实际的已知位移量来标定固定的线圈下的电感量，从而以此进行位移的测量。

第五章电容式传感器

1.根据工作原理可将电容式传感器分为那几种类型？每种类型各有什么特点？各适用于什么场合？

答：根据电容式传感器的工作原理，电容式传感器有三种基本类型，即变极距(d)型（又称变间隙型）、变面积(A)型和变介电常数(ε)型。变间隙型可测量位移，变面积型可测量直线位移、角位移、尺寸，变介电常数型可测量液体液位、材料厚度。电容式传感器具有以下特点：功率小，阻抗高，由于电容式传感器中带电极板之间的静电引力很小，因此，在信号检测过程中，只需要施加较小的作用力，就可以获得较大的电容变化量及高阻抗的输出；动态特性良好，具有较高的固有频率和良好的动态响应特性；本身的发热对传感器的影响实际上可以不加考虑；可获取比较大的相对变化量；能在比较恶劣的环境条件下工作；可进行非接触测量；结构简单、易于制造；输出阻抗较高，负载能力较差；寄生电容影响较大；输出为非线性。

2.如何改善单极式变极距型传感器的非线性？

答：采用差动式结构，可以使非线性误差减小一个数量级。

第六章压电式传感器

1.什么叫正压电效应和逆压电效应？什么叫纵向压电效应和横向压电效应？

答：某些电介质在沿一定的方向上受到外力的作用而变形时，内部会产生极化现象，同时在其表面上产生电荷，当外力去掉后，又重新回到不带电的状态，这种现象称为压电效应。这种机械能转化成电能的现象，称为“顺压电效应”。反之，在电介质的极化方向上施加交变电场或电压，它会产生机械变形，当去掉外加电场时，电介质变形随之消失，这种现象称为“逆压电效应”。在石英晶体中，通常把沿电轴x方向的力作用下产生电荷的压电效应称为“纵向压电效应”，而把沿机械轴y方向的力作用下产生电荷的压电效应称为“横向压电效应”。

2.压电式加速度传感器的工作原理？

答：其原理利用压电晶体的电荷输出与所受的力成正比，而所受的力在敏感质量一定的情况下与加速度值成正比。在一定条件下，压电晶体受力后产生的电荷量与所感受到的加速度值成正比。

第七章磁电式传感器

1.什么是霍尔效应？霍尔电势与哪些因素有关？

答：金属或半导体薄片置于磁场中，当有电流通过时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势，这种物理现象称为霍尔效应。霍尔电动势的大小正比于激励电流I与磁感应强度B，且当I或B的方向改变时，霍尔电动势的方向也随着改变，但当I和B的方向同时改变时霍尔电动势极性不变。

第八章光电式传感器

1. 光电效应有哪几种类型？与之对应的光电元件各有哪些？

答：光电效应根据产生结果的不同，通常可分为外光电效应、内光电效应和光生伏特效应三种类型。光电管和光电流倍增管是属于外光电效应的典型光电元件。基于内光电效应的光电元件有光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管、光敏晶闸管。基于光生伏特效应的光电元件主要是光电池。

2.试述光敏电阻、光敏二极管、光敏晶体管、光电池的工作原理，在实际应用各有什么特点？答：无光照时，光敏电阻值（暗电阻）很大，电路中电流（暗电流）很小。当光敏电阻受到一定波长范围的光照时，它的阻值（亮电阻）急剧减小，电路中电流迅速增大。一般希望暗电阻越大越好，亮电阻越小越好，此时光敏电阻的灵敏度高。光敏电阻没有极性，纯粹是一个电阻器件，使用时既可加直流电压，也可以加交流电压。

光敏二极管在电路中一般是处于反向工作状态，在没有光照射时，反向电阻很大，反向电流很小，这反向电流称为暗电流，当光照射在PN结上，光子打在PN结附近，使PN结附近产生光生电子和光生空穴对，它们在PN结处的内电场作用下作定向运动，形成光电流。光的照度越大，光电流越大。因此光敏二极管在不受光照射时处于截止状态，受光照射时处于导通状态。

大多数光敏晶体管的基极无引出线，当集电极加上相对于发射极为正的电压而不接基极时，集电结就是反向偏压，当光照射在集电结时，就会在结附近产生电子—空穴对，光生电子被拉到集电极，基区留下空穴，使基极与发射极间的电压升高，这样便会有大量的电子流向集电极，形成输出电流，且集电极电流为光电流的β倍，所以光敏晶体管有放大作用。

光电池的工作原理是基于“光生伏特效应”。它实际上是一个大面积的PN结，当光照射到PN结的一个面，例如P型面时，若光子能量大于半导体材料的禁带宽度，那么P 型区每吸收一个光子就产生一对自由电子和空穴，电子-空穴对从表面向内迅速扩散，在结电场的作用下，最后建立一个与光照强度有关的电动势。

3.光电耦合器分为那两类？各有什么用途？

答：光电耦合器可分为两类:一类是光电隔离器，另一类是光电开关。

光电隔离器有时可替代继电器、变压器、斩波器等，广泛应用于电路隔离、电平转换、噪声抑制等场合。光电开关广泛应用于工业控制、自动化包装线及安全装置中作为光控制和光探测装置。可在自动控制系统中用作物体检测、产品计数、料位检测、尺寸控制、安全报警及计算机输入接口等。

第十三章数字式传感器

1. 光栅的莫尔条纹有哪几个特性？莫尔条纹是怎么产生的？

答：莫尔条纹具有以下特性：(1) 放大作用，莫尔条纹的间距是放大了的光栅栅距，光栅栅距很小，肉眼看不清楚，而莫尔条纹却清晰可见。(2) 对应关系，两块光栅沿栅线垂直方向作相对移动时，莫尔条纹通过光栅外狭缝板S到固定点（光电元件安装点）的数量正好和光栅所移动的栅线数量相等。光栅作反向移动时，莫尔条纹移动方向也随之改变。(3) 平均效应，通过莫尔条纹所获得的精度可以比光栅本身刻线的刻划精度还要高。

把两块栅距相同的光栅刻线面相对重合在一起，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，然后将这对光栅放置在光路中，在两块光栅的栅线重合处，因有光从缝隙透过形成亮带，在两光栅栅线彼此错开处，由于光线被遮挡而形成暗带，这种比光栅栅距宽得多的由亮带和暗带形成的明、暗相间的条纹称为莫尔条纹。

2.光栅传感器的组成及工作原理是什么？

答：光栅传感器作为一个完整的测量装置包括光栅读数头、光栅数显表两大部分。