1、第一章傳感器概論思考題與習題1-1簡述檢測系統(tǒng)和自動控制系統(tǒng)的組成及其各部分的功能。答：(1) 一個完整的檢測系統(tǒng)由激勵裝置、測量裝置、數(shù)據(jù)處理裝置和顯示、記錄裝 置四大部分。圖1-1檢測系統(tǒng)組成框圖激勵裝置是激勵被測量對象產(chǎn)生表征其特征信號的一種裝置。激勵裝置的核心部分是信號發(fā)生器，由它產(chǎn)生各種信號激勵被測對象。測量裝置是把被測對象產(chǎn)生的信號轉(zhuǎn)換成易于處理和記錄的信號的一種裝置。數(shù)據(jù)處理裝置對從測量裝置輸出的信號進行處理、運算、分析， 以提取有用的信息，使人們對客觀事物的動態(tài)過程有更深入的認識。顯示、記錄裝置是把測量的信號變?yōu)槿藗兏杏X所能理解的形式，以提供人們觀察和分析的裝置。(2)典型的自

2、動控制系統(tǒng)組成框圖如圖1-2所示。圖1-2自動控制系統(tǒng)組成框圖系統(tǒng)通過檢測裝置獲取變化的被控參數(shù)信息，并經(jīng)過反饋環(huán)節(jié)把它引回到系統(tǒng)的輸入端，與給定值比較后成為誤差信號，控制器按誤差信號的大小產(chǎn)生一相應的控制信號，自動調(diào)整系統(tǒng)的輸出，使其誤差趨向于零。1-2簡述傳感器的組成及其各部分的功能。答：傳感器一般由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件兩部分組成，有時也將轉(zhuǎn)換電路及輔助電源作為傳感器的組成部分，其組成框圖如圖1-3所示。被測量圖1-3傳感器組成框圖敏感元件直接感受被測量（一般為非電量），并輸出與被測量成確定關系的其他量（其中也包括電量）的元件。轉(zhuǎn)換元件也稱傳感元件， 通常它不直接感受被測量，而是將敏感元件的

3、 輸出量轉(zhuǎn)換為電參量再輸出。 轉(zhuǎn)換電路將轉(zhuǎn)換元件輸出的電參量轉(zhuǎn)換成電壓、電流或頻率量。若轉(zhuǎn)換元件輸出的已經(jīng)是上述電量，則就不需要基本轉(zhuǎn)換電路了。1-3對某傳感器進行特性測定所得到的一組輸入一輸出數(shù)據(jù)如下:輸入xi:輸出yi:試計算該傳感器的非線性度和靈敏度。答：1.端點法方程y=非線性誤差（線性度）Ef 100% 0.605 2.8%Yfs22.1靈敏度K=yfit=+=2.最小二乘法Data: Data4_BChiA2/DoF=abRA2 =y=非線性誤差（線性度）EfY FS100%0.457822.12.1%靈敏度K=x y y=ax+b y-ax-b靈敏度 S K -y 19.7 7.

4、3 24.8 x 0.8 0.3于是，此傳感器的特性方程為y 24.8x線性度計算如下：當乂=時，y=，所以 y 19.84 20.1 0.26；當x=時，y=,所以 y=;當x=時，y=,所以 y=;當x=時，y=,所以 y=；所以 ymax=則線性度Efm” 044 2.0%YFS22.11-4傳感器的動態(tài)特性常用什么方法進行描述你認為這種描述方法能否充分反映傳感器的 動態(tài)特性，為什么答：（1）在實際工作中，傳感器的動態(tài)特性常用它對某些標準輸入信號的相應來表示。最常 用的標準輸入信號有階躍信號和正弦信號兩種，所以傳感器的動態(tài)特性也常用階躍響應和頻率響應來表示。（2）整個相應過程分為動態(tài)和穩(wěn)

5、態(tài)兩個過程。動態(tài)過程又稱為過度過程，是指傳感器從初始狀態(tài)到接近最終狀態(tài)的響應過程。穩(wěn)態(tài)過程是指時間t 時傳感器的輸出狀態(tài)。 階躍響應主要通過分析動態(tài)過 程來研究傳感器的動態(tài)特性， 而頻率響應則是通過研究穩(wěn)態(tài)過程 來分 析傳感器的動態(tài)特性。1-5傳感器實現(xiàn)不失真測量的條件是什么在實際工作中如何具體運用答：傳感器實現(xiàn)不失真測量，測量裝置的頻率響應特性應同時滿足兩個條件：（1）裝置對輸入的被測信號中所包含的各種頻率成分的幅值放大倍數(shù)都一樣，即幅頻特性應滿足（B/A）=K=數(shù)；（2）輸入的測量信號中的各種頻率成分通過裝置后，它的輸出滯后與輸入的時間d都要一樣，即裝置的相頻特性應滿足（）= d 。在具體

6、測量時，首先要選好測量裝置，并掌握所用測量裝置的動態(tài)特性，使其在要求的工作頻率范圍內(nèi)的幅頻和相頻特性比較接近不失真測量的條件。其次，應對輸入的被測信號進行必要的前置處理， 及時濾掉非信號頻帶內(nèi)的噪聲，以免某些噪聲因其頻帶進入測量裝置的諧振區(qū)而使信噪比變壞。此外，在選擇測量裝置時，還應根據(jù)不同的測量目的和要求， 有針對性的滿足測量要求。1-6為什么要對傳感器要進行校檢，其實質(zhì)是什么答：當傳感器的工作環(huán)境、使用條件不同于說明書中的規(guī)定，或使用時間較長且已經(jīng)過修理時，為判斷它是否可用或者性能參數(shù)是否發(fā)生變化，往往需對傳感器重新進行標定或校檢。實際上都是對傳感器的特性進行測試，所以校檢也分靜態(tài)和動態(tài)兩

7、個方面。第二章傳感器測量電路思考題與習題2-1傳感器輸出信號有哪些特點答：（1）傳感器輸出的電信號有電壓、電流、電阻、電容、電感、頻率的變化等；（2）傳感器輸出的電信號通常都比較弱，如電壓信號為級，電流信號為級；（3）由于傳感器內(nèi)部噪聲的存在，使輸出的信號與噪聲混合在一起。當噪聲比較大，而輸出信號又較弱時，常使信號被淹沒在噪聲之中；（4）大部分傳感器的輸出、輸入關系曲線呈線性或接近線性關系， 但仍有少部分傳感器的輸出、輸入關系曲線是非線性的；（5）傳感器的輸出信號易受外界環(huán)境（如溫度、電場或磁場）的干擾。2-2傳感器電子測量電路有哪幾種類型，其主要功能是什么答：（1）開關型測量電路傳感器的輸出

8、信號為開關信號（如電觸點或光線的通斷信 號)時的測量電路稱為開關型測量電路。俄中測量電路實質(zhì)是一個功率放大器。(2)模擬電路 如果傳感器的輸出是一些電參數(shù)的變化，則需要通過基本轉(zhuǎn)換電路 首先將其轉(zhuǎn)換成電量。常用的基本轉(zhuǎn)換電路有分壓電路、運算電路、電橋電路、調(diào)頻電路、 脈沖調(diào)寬電路等。(3)絕對碼型測量電路絕對式編碼傳感器輸出的數(shù)字編碼與被測量的絕對位置值一一對應。每一碼道的狀態(tài)由相應的光電元件讀出，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換與放大整形后，得到與被測量相對應的編碼。采用循環(huán)碼的傳感器，由于其輸出的編碼為循環(huán)碼，所以先要轉(zhuǎn)換為二進 制碼后再譯碼輸出。(4)增量碼數(shù)字式測量電路光柵、慈柵、感應同步器等數(shù)字式傳感器輸

9、出的是增量碼信號。傳感器的輸出經(jīng)放大、整形后成為數(shù)字脈沖信號。(5)傳感器與微機的接口輸入到微型機的信號必須是它能處理的數(shù)字量信息。根據(jù)傳感器輸出信號的不同，有相應的三種基本接口方式：模擬量接口方式、開關量接口方式和數(shù)字量接口方式。2-3測量裝置中常見的噪聲干擾有幾種可采取哪些措施予以防止答：(1)按照噪聲產(chǎn)生的來源， 一般可分為外部干擾噪聲和內(nèi)部干擾噪聲兩大類。常見的外部干擾噪聲有：由各種電氣設備、高壓電網(wǎng)、雷電、放電管等的火花放電、弧光放電、電 暈放電、輝光放電所產(chǎn)生的放電噪聲；由工頻、高頻和射頻等大功率設備、電子開關、脈 沖發(fā)生器等的干擾所產(chǎn)生的電磁噪聲；由環(huán)境溫度、濕度、 光照、振動等

10、生成的環(huán)境噪聲 等。常見的內(nèi)部干擾噪聲有：由電阻中自由電子的不規(guī)則熱運動所引起的電阻熱噪聲； 由半導體內(nèi)帶電粒子的不規(guī)則和不連續(xù)運動引起的半導體散粒噪聲；由兩種材料之間的不完全接觸所引起的接觸噪聲等。(2)目前常用的抗干擾措施有如下：屏蔽、接地、浮置、濾波、對稱電路、光電耦合和脈 沖電路中的噪聲抑制。2-4屏蔽有哪幾種型式各起什么作用答：根據(jù)干擾場的性質(zhì)，屏蔽可分為靜電屏蔽、電磁屏蔽和低頻磁屏蔽等。(1)靜電屏蔽使屏蔽體內(nèi)的電力線不外傳，同時不也使外部的電力線影響其內(nèi)部，以達到 消除或削弱兩個回路之間由于分布電容的耦合而產(chǎn)生的干擾。(2)電磁屏敝主要用于防止高頻電磁場的影響。它有兩個作用：通過

11、低電阻金屬材料制成的屏蔽體表面對磁場產(chǎn)生反射而削弱其影響；由于電磁場在屏蔽體內(nèi)產(chǎn)生渦流，再利用反方向的渦流磁場抵消高頻電磁場的干擾。低頻磁屏蔽對于低頻磁場干擾，用上述電磁屏蔽方法往往難以奏效。此時常采用強磁材料作屏蔽體，因其磁阻極小，為干擾源產(chǎn)生的磁通提供了一個低磁阻通路，并使其限制在強磁屏蔽體內(nèi)。2-5接地有哪幾種型式各起什么作用 答接地的幾種方式和特點見下表:接地方式主要特點串聯(lián)一點接地各接地點電位不同，并受其他電路工作電流影響。引線較少，布 線簡單。當各電路的電平相差不大時，常常采用并聯(lián)一點接地各電路的地電位僅與本電路的地電流和地電阻有關，低頻時米用 此方式較為實用串、并聯(lián)一點接地兼有串

12、聯(lián)接地地布線簡單和并聯(lián)接地線不存在共阻抗噪聲干擾 的優(yōu)點，適用于低頻測量系統(tǒng)多點接地高頻時，為減少接地引線阻抗，各接地點分別就近接于接地匯流 排或底座、外殼等金屬構件上第三章電阻式傳感器及其應用思考題與習題3-1何謂電阻式傳感器它主要分成哪幾種它們在輸出的電信號上有何不同答：（1）電阻式傳感器是指能將被測量轉(zhuǎn)換成電阻值，再經(jīng)過相應測量電路處理后，在顯示 器記錄儀上顯示或記錄下被測量的變化狀態(tài)的器件。（2）電阻式傳感器主要可以分為以 下幾種：電阻應變式、壓阻式、熱電阻、熱敏電阻、氣 敏電阻及濕敏電阻等電阻式傳感器。它們分別是將位移、形變、力、力矩、加速度、溫度和 濕度等物理量轉(zhuǎn)換為電信號。3-2

13、什么是電阻應變效應什么是壓阻效應答：（1）電阻應變效應是指導體或半導體材料在外力作用下產(chǎn)生機械變形（拉伸或壓縮）時,其電阻值也要隨之發(fā)生相應的變化。電阻應變片就是基于電阻應變效應制成的。（2）壓阻效應是指指當半導體受到應力作用時，由于載流子遷移率的變化，使其電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象。電阻式傳感器就是基于壓阻效應制成的。3-3試比較金屬絲電阻應變片與半導體應變片的相同點和不同點。答：（1）金屬絲電阻應變片的特點是制作簡單、性能穩(wěn)定、價格低廉、易于粘貼。它有紙基 型和膠基型兩種，是使用最早、最早的電阻應變片。（2）半導體應變片是用半導體材料作為敏感柵制成的，因其靈敏度高（通常比絲式、箔式 要高幾十倍）

14、、橫向效應小而受到好評。3-4何謂直流電橋若按橋臂工作方式不同，可分為哪幾種各自的 輸出電壓及電橋靈敏度如 何計算需要采用轉(zhuǎn)換電路。在電路應變式答：（1）為了能將電阻變化轉(zhuǎn)換成電壓或電流變化輸出,傳感器中最常用的轉(zhuǎn)換測量電路是橋式電路。和直流電橋兩類。(2)根據(jù)電阻變化值輸入電橋的方法不同， 它們的靈敏度是不一按供橋電源的性質(zhì)不同，電橋可分為交流電橋直流電橋分為半橋單臂、半橋雙臂和全橋三種。圖3-1直流電橋的聯(lián)接方式(a)半橋單臂；(b)半橋雙臂；(c) 半橋單臂 如圖3-1 (a)所示，把由傳感器輸出的電阻變化量 時只有一個橋臂的阻值隨被測物理量而變化(R+A R)(A%=A取=A 14=0

15、),此時的輸出電壓為：全橋；A R接入一個橋臂中，工作其余臂為固定電阻R電橋的靈敏度為1K -U4AR半橋雙臂 如圖3-1 (b)所示，把由傳感器輸出的數(shù)值相等而變化相反的電阻變化量 分別接入電橋的相鄰兩臂中(即圖中的A%和A12),此時的輸出電壓為U 2 RU4 R電橋的靈敏度為K 4U全橋 如圖3-1 (c)所示，在相對的雙臂中接入大小相等、方向相反的電阻變化量，在 相對的兩臂中接入大小相等、方向相同的電阻變化量，工作時四個橋臂都隨被測物理量而變化。此時的輸出電壓是電橋的靈敏度為3-5熱敏電阻傳感器有哪幾種各有何特點及用途熱敏電阻按其對溫度的不同反應可分為負溫度系數(shù)熱敏電阻（NTC正溫度系

16、數(shù)熱敏電阻（PTC）和臨界溫度系數(shù)熱敏電阻（CTR巨類。這三類熱敏電阻的電阻率p與溫度t之間的相互關系均為非線性。熱敏電阻的特點及應用：熱敏電阻具有靈敏度高、體積小、響應速度快、構造簡單等優(yōu)點， 最大的不足是復現(xiàn)性及互換性較差。（1）用于溫度測量（2）用于溫度補償（3）用于溫控制。3-6簡要說明氣敏、濕敏電阻傳感器的工作原理，并舉例說明其用途。答：（1）氣敏傳感器是利用半導體氣敏元件同被測氣體接觸后，造成半導體性質(zhì)的變化，以 此來檢測待定氣體的成分或濃度的傳感器的總稱。以半導體氣敏傳感器為例，簡要介紹下其工作原理。半導體氣敏電阻器可按表面型和體型分類。SnO2和ZnO等較難還原的金屬氧化物半導

17、體接觸氣體時，在較低溫度時即產(chǎn)生吸附效應，從而改變半導體的表面電位、功函數(shù)及電導率等。由于半導體和氣體之間的相互作用僅限于半導體器件的表面，故稱為表面型半導體氣敏傳感器。當rF為6等較難還原的氧化物半導體接觸到，較低溫度下的氣體時，半導體材 料內(nèi)的晶格缺陷濃度將發(fā)生變化，從而使半導體的電導率發(fā)生改變。這種半導體性能改變的氣敏傳感器稱為體型半導體傳感器。可制成家用氣體泄漏警報器及自動通風電路。QN型氣敏半導體器件可以對可燃易爆氣體，如汽油、酒精、甲烷、乙烷等都有很好的 反應。另外P型氣敏半導體器件靈敏度比較高，可以對多種氣體的檢漏、濃度測量及超限報警等。目前廣泛應用于石油、化工、電子、電信等部門

18、。（2）濕敏電阻傳感器是一種檢測空氣濕度的傳感器件。它是利用材料的電氣性能或機械性能隨濕度而變化的原理制成的。它能把濕度的變化轉(zhuǎn)化成電阻的變化，它的傳感器件是濕敏電阻。其工作原理是在電絕緣物中浸漬吸濕性物質(zhì)，或者通過蒸發(fā)、涂覆等工藝，在表面上制備一層金屬、半導體、高分子薄膜和粉狀顆粒， 形成濕敏電阻器件。 在吸濕元件的吸濕和脫濕 過程中，水分子分解出的離子H+傳到狀態(tài)發(fā)生變化，從而使?jié)衩綦娮柚蛋l(fā)生變化。濕敏傳感器就是利用這一電阻器件的電阻值隨濕氣的吸附與脫附而變化的現(xiàn)象制成的，也就是利用電阻值與所吸附的水作為媒介的離子傳導有關的現(xiàn)象制成的。書P49習題3-7已知電阻應變片阻值為100,靈敏系數(shù)

19、為2,沿縱向粘貼于直徑為0.05m的 圓形鋼柱表面鋼材的E= 2X101N/m2,小二求鋼柱在受到10t拉力時應變片電阻 的相對變化量。若應變片沿圓周方向粘貼.受到同樣拉力時應變片電阻的相對變 化量為多少 解：沿縱向：RiRF k AE10 103 10N20.05 21123.14 ()2 10 N /m245.1 10 (g 10N/kg)5.0 10 4(g 9.8N/kg)應變片沿圓周方向粘貼4440.3 5.1 101.53 101.5 103一8 圓筒荷載傳感器，額定負荷為2t,已知不承載時，四片應變片的阻值為 120Q,靈敏度為V. K= 2.材料(1=電橋電源電壓Ui=2V。當

20、承載為時，Ri、R3 沿軸向粘貼，R、R4沿園周方向粘貼。求：R i、R3的阻值為多少 R 2、R4的 阻值為多少 電橋輸出電壓Uo為多少每片應變片的功耗Pw為多少解：u u k(12噓十1k(1F 2 104N額定時，0.82mV/V12(120.3)2 104AEAE 3.17107當承載為時0.5 1043.171073.1510Rx3.78x10,R1R31200.0378119.9622_22_2_Ry 0.3 3.78 101.134 10, R2 R4 120 1.134 10120.01134電橋輸出電壓U。0.42mV,(F0.5T時)-/ 2、2每片應變片的功耗P (TTT

21、)120 0.033W24039有一測量吊車起吊重物的拉力傳感器如題圖3-9(a)所示，R1、R2、R3、R按要求貼在等截面軸上。已知等截面軸的截面積為 0.00196m2,彈性模量E= 2.0 1011 N./m2 ,泊松比為 產(chǎn) R1=R2=R3=R4=120 0, K=所組成的全橋型式如題圖 3-9(b)所示，供橋電壓為 U=2V,現(xiàn)測 得輸出電壓U0=。求等截面軸的縱向應變及橫向應變?yōu)槎嗌?重物m=U 2k(12.6 10 32k(1)22(1 0.3)10 30.3 10 3mgAEAE-0.00196 g2 1011 10 39.8104kg3-10Ksboh2E6Ksi R由于是

22、半橋差動電橋,2Eboh2Uo3Ksl U52.0 102318 0.5 1 103 2 155N第四章電感式傳感器及其應用思考題與習題4-1何為電感式傳感器簡述電感式傳感器的變換過程。答：(1)電感式傳感器是建立在電磁感應基礎上，利用線圈自感或互感的變化來實現(xiàn)非電量電測的一種裝置。 電感式傳感器能對位移、 壓力、振動、應變、流量等參數(shù)進行檢測。(2)電感式傳感器的變換過程如下：當被測物體某些量發(fā)生變化時引起電感的變化，而傳感器線圈接入測量系統(tǒng)后，電感的變化就被轉(zhuǎn)化成電壓、電流或頻率的變化， 從而完成非物理量向電量的轉(zhuǎn)變。4-2電感式傳感器分為哪幾類各有何特點答：電感式傳感器主要可以分為自感式

23、、互感式和電渦流式三類。自感式電感傳感器有變氣隙型、變面積型和螺管型。變氣隙型電感傳感器靈敏度高，但位移量測量的范圍比較小;dL 2 c變面積型電感傳感器靈敏度為一常數(shù):S 0 ;螺管型電感傳感器結構簡單，制 dA 2作容易，但是靈敏度低?；ジ惺诫姼袀鞲衅饔纸胁顒幼儔浩魇絺鞲衅?，其特點是體積小，線性好。電渦流式電感傳感器的特點是結構簡單、體積小、靈敏度高、頻率響應寬、抗干擾能力強。4-3 差動變壓器傳感器有哪些用途答：利用差動變壓器傳感器組成差動相敏檢波電路和差動整流電路。4-4 什么叫零點殘余電壓產(chǎn)生的原因是什么答： （ 1 ）變壓器電橋電路的輸出電壓隨位移方向的不同而反向 180o ，然而

24、 由于橋路電源是交流電， 接在輸出端上的直流電壓表無法判別位移的方向。 在使用交流電壓表時， 其實際的輸出曲線中存在零點殘余電壓，用Eo 表示，其大小約為零點幾個毫伏，特殊情況下可達幾十毫伏。 但是無論如何調(diào)節(jié)銜鐵的位置， 這種零點殘余電壓始終存在， 無法徹底消除 它。（ 2 ）零點殘余電壓產(chǎn)生的主要原因是： 兩個電感線圈的電氣參數(shù)、幾何尺寸或磁路參數(shù)不可能做到完全對稱； 存在寄生參數(shù)（如線圈間的寄生電容及線圈、引線與外殼之間的分布電容等） ； 電源電壓中含有高次諧波： 磁路的磁化曲線存在非線性。4-9 簡述差動整流電路的工作過程。答： 差動整流電路時差動變壓器常用的測量電路， 把差動變壓器兩個輸出線圈的側(cè)電壓 分別整流后，以它們的差作為輸出，這樣側(cè)電壓