生物医学传感器习题

这 这 使使 不 不 用用 是 是 说说 重 重 明明 点 点 1 1 书本使用书本使用 医用传感器医用传感器 第第 2 2 版 陈安宁主编版 陈安宁主编 供生物医学工 供生物医学工 程 影像学等相关专业使用程 影像学等相关专业使用 2 2 有些题目找的答案与标准答案或有出入 有些题目有些题目找的答案与标准答案或有出入 有些题目 LZLZ 也没有找也没有找 到答案 各位您见谅 到答案 各位您见谅 3 3 全文全文 LZ LZ 代表代表 录主录主 不是 不是 楼主楼主 也不是 也不是 劳资劳资 或或 者者 老子老子 4 4 PS PS xxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxx 可能为重要备注也可能是 可能为重要备注也可能是 LZLZ 瞎瞎 BB BB 请请 视具体情况取舍 视具体情况取舍 5 5 我是分割线我是分割线 分割线之 分割线之 前为网络各家资料 分割线之后为亲爱的老师给的前为网络各家资料 分割线之后为亲爱的老师给的 给力给力 的重的重 点 点 6 6 本文有些地方有照片或者有截图 如果不清楚 请您凑合着看本文有些地方有照片或者有截图 如果不清楚 请您凑合着看 吧 目前照片里的字代表了吧 目前照片里的字代表了 LZLZ 的最高水平 也请您凑合着看吧 的最高水平 也请您凑合着看吧 排版水平差 也请您凑合着看吧 排版水平差 也请您凑合着看吧 7 7 第第 1 91 9 章 参考网上部分资料 老师章 参考网上部分资料 老师 PPTPPT 和学神 我希望是 和学神 我希望是 毕竟不认识 瞎买的书 的复习资料 所以有些照片是他的杰作 毕竟不认识 瞎买的书 的复习资料 所以有些照片是他的杰作 第第 1010 章 第章 第 1111 章为另一个亲爱的老师给的题目 没给章为另一个亲爱的老师给的题目 没给 重点重点 至于考不考是另外一回事 总之 谢谢他们 我只是个至于考不考是另外一回事 总之 谢谢他们 我只是个欢乐的欢乐的复复 习资料习资料搬运工搬运工 8 8 再次谢谢他们 也谢谢再次谢谢他们 也谢谢您的观看您的观看 预祝 预祝过过过过过过 都 都 考考 9090 分 但是 你也知道这难度有点大 所以 分 但是 你也知道这难度有点大 所以 加油加油 第一章第一章 绪论绪论 1 医用传感器的定义 组成及在医用测量系统中的作用 定义 能感受或响应规定的测量并按照一定规律转换成可用信号输出的器件或装置 生物医学传感器 能将各种被观测的生物医学中的非电量转换为易观测的电 学量的一类特殊的电子器件 医用测量系统中传感器的作用 提供信息 监护 生化检验 自动控制 参与治疗 2 传感器定义中 有用信号 的含义是什么 为什么通常传感器输出信号形式为电 信号 反映生命的信息绝大多数属于非电量 其放大和处理是十分困难的 而医学传感器 把生物信号换成电信号 经放大器及预处理器进行信号放大和预处理 然后经 A D 转换器进行采样 将模拟信号转变为数字信号 输入计算机 然后通过各种数字信 号处理算法进行信号分析处理 得到有意义的结果 3 何谓物理型 化学型 生物型传感器 医用传感器按其敏感的工作原理 可以分为物理型 化学型和生物型三大类 物理传感器是利用物理性质和物理效应制成的传感器 化学传感器是利用化学性质和化学效应制成的传感器 生物传感器是利用生物活性物质作为分子识别系统的传感器 4 何谓直接型 间接型 物性型和结构型传感器 5 试分析比较医用传感器主要分类方法有何优缺点 按工作原理分类 物理传感器 化学传感器 生物传感器 按被测量的种类分类 位移传感器 流量传感器 温度传感器 速度传感器 压 力传感器 按与人体感官相对应的传感器的功能分类 视觉传感器 听觉传感器 嗅觉传感 器 优缺点 6 人体信息的特殊性及检测的特点 对医用传感器有哪些特殊要求 特点 低频或超低频信息 生理参数的信号微弱 被测量量的信噪比低 随机性信 号较多 Sensor 特性 高灵敏度 高信噪比 良好的精确性 足够快的响应速度 良好的 稳 定性和较好的互换性 Sensor 特殊要求 生物相容性 物理适形性 电的安全性 使用方便性 7 就医用传感器的发展任选角度写一篇综述 要求附参考资料 不少于 1500 字 PS 医用传感器发展方向趋势 答 1 微型化 2 智能化 3 多参数 4 遥控化 5 无创检测化 6 新材料 新原理 我 是 分 割 线 1 现代信息产业的三大支柱 传感技术 通信技术和计算机技术 2 为什么要将各种非电量转换成电信号 传感器的物理含义 反映生命的信息绝大多数属于非电量 其放大和处理是十分困难的 而医学传感器 把生物信号换成电信号 经放大器及预处理器进行信号放大和预处理 然后经 A D 转换器进行采样 将模拟信号转变为数字信号 输入计算机 然后通过各种数字信 号处理算法进行信号分析处理 得到有意义的结果 3 医用传感器的定义和主要用途 定义 能够感知多数非电量的生物信息并将其转换成电学量的器件或装置 主要用途 提供信息 监护 生化检验 自动控制 参与治疗 4 传感器按工作原理的如何分类 分类 物理传感器 化学传感器 生物传感器 5 生物电信号有那些 生物非电量参数有那些 非电量物理参数有那些 生物电信号 心电 脑电 肌电 神经元放电等 生物非电量参数 物理参数 化学参数 生物参数 非电量物理参数 利用材料的物理变化 6 医用传感器技术有哪些发展趋势 发展趋势 微型化 智能化 多参化 遥控化 无创化 新材料新原理 第二章第二章 传感器的基本特性传感器的基本特性 1 何谓传感器的静态特性何谓传感器的静态特性 写出静态特性的一般数学模型及三种典型形式 并说明 物理意义 静态特性 输入量为常量 或者变化极慢 动态特性 输入量随时间较快地变化 一般数学模型 y a0 a1x a2x 2 anx n 三种典型形式 1 理想线性特性 y a1x 2 非线性项次项为偶数 y a1x a2x 2 a4x 4 a6x 6 a3 a5 0 3 非线性项次项为奇数 y a1x a3x 3 a5x 5 a7x 7 a2 a4 0 PS 差动传感器差动传感器的线性由于消去了偶次项而得到改善 零偏也消失 灵敏度变为 原 来的两倍 2 2 衡量静态特性的指标主要有哪些 分别说明其定义和物理意义 衡量静态特性的指标主要有哪些 分别说明其定义和物理意义 测量范围 传感元件测量范围有限制 变换电路工作范围有限制 灵敏度 指传感器的输出量的增量与对应的输入量的增量的比值 通常用 K 表示 PS 灵敏度界限当 x 小到某一程度时 输出不再变化 这个 x 就叫灵敏度界 限 原因 变化量被吸收 噪声 线性度 在规定条件下传感器特性曲线与拟合直线间最大偏差 Ymax 与传感器 满量程 FS 输出值 Yfs Ymax y0 的百分比 用 L 代表线性度 迟滞 对应于统一大小的输入信号 传感器正反行程的输出信号大小不等 这种现 象称为迟滞 大小用正向和反向行程的输出信号间的最大偏差 Hmax 与满量程输出值 Yfs 的百分比来表示 稳定性 传感器输入端加进同样大小的输入时 最理想的情况是不管什么时候输出 值的大小保持不变 PS 漂移 传感器在连续使用过程中 即使输入保 持一定 有时也会出现输出朝一个方向偏移的现象 输入值是零也会发生 漂移 漂移包括零点漂移和灵敏度漂移 零点漂移和灵敏度漂移又可分为 时间漂移和温度漂移 时间漂移是指在规定的条件下 零点或灵敏度随时 间的缓慢变化 温度漂移为环境温度变化而引起的零点或灵敏度漂移 稳定性 传感器在相当长的时间内仍保持其原性能的能力 重复性 反映了传感器在输入量按同一方向 增或减 全量程多次测试时 所得到 的特性曲线的不一致程度 分辨力 传感器能检测到的最小输入量 PS 还有 抗干扰稳定性 环境特性 阈值 静态误差等 3 线性度对应的几种拟和方法的特点及使用时应注意的问题线性度对应的几种拟和方法的特点及使用时应注意的问题 方法一 端点直线法 以理论直线作为拟合曲线 静态特性的理想情况 y a1x 由此求 得 的线性度称之为理论线性度 方法三 平均选点法 将 n 个检测点平均分成 n 2 个的两组 取两点的点系中心 通过两点系中心的直线就是拟合直线 方法二 用最小二乘法原则拟合直线所求的线性度为最小二乘法线性度 PS 拟 合直线 校准曲线 4 何谓传感器的动态特性何谓传感器的动态特性 写出动态特性的数学模型并说明各个量的物理意义 定义 指传感器的输入量随时间变化时 传感器的输出量与输入量之间的响应特性 数学模型 视 sensor 为线性时不变系统 用常系数线性微分方程描述输入输出关 系 any n a n 1 y n 1 a1y a0y bnx n b n 1 x n 1 b1x b0 x an bn表示与系统结构参数有关的常数 5 阶跃响应分析中的时域性能指标有哪些 各自的定义及意义阶跃响应分析中的时域性能指标有哪些 各自的定义及意义 衰减度 表示瞬态过程中振荡幅值衰减的速度 PS 请看书本 P16 详细解释 6 何谓传感器的频率特性 如何描述何谓传感器的频率特性 如何描述 特性 在一定频率范围内 sensor 的频率响应函数的幅值和相位差的频率关系 描述 用正弦传递函数来描述 用 H ejw 表示 幅频 H ejw 相频 arctan H ejw 7 7 分别写出零阶 一阶 二阶传感器对应的特征参数的物理意义及响应特性并说明分别写出零阶 一阶 二阶传感器对应的特征参数的物理意义及响应特性并说明 各自的特点 各自的特点 零阶传感器 数学模型 y t kx t 传递函数 k SX SY sH 特征参数 灵敏度 K 特点 输入输出呈线性关系 无时间滞后 无相位差 输出能很好跟 随 输入 例如 电位器式传感器 一阶传感器 数学模型 传递函数 txbtya dt tdy a 001 S K sX sY sH 1 特征参数 静态灵敏度 K b0 a0 系统时间常数 a1 a0 特点 越小 频带越宽 达到稳定时间越 例如 玻璃液体温 度计 二阶系统 数学模型 txbtya dt tdy a dt tyd a 001 2 2 2 传递函数 2 00 2 2 0 2 SSsX sY sH 特征参数 静态灵敏度 K b0 a0 无阻尼固有频率 0 a0 a2 0 5 阻尼比 i 0 5a1 a0a2 0 5 特点 当 i 0 7时 响应最快 频带最宽 衰减振荡 二阶特性 只 能精确实现变换缓慢信号的测量 例如 测血压 生理压力传感器 8 画出二阶传感器对单位阶跃信号 在阻尼比 时 其输出 Y t 的时间响应特性曲线并说明其特点 取 i 0 7这一最佳阻尼比时 频率响应最快 频宽最宽 9 设 X Y 分别为传感器的输入值 输出值 下表列出的为测试结果 计算其端点 线性度 平均选点线性度 最小二乘法线性度 并进行比较 根据比较结果得出什 么结论 假设另有一组测量值将如何计算 X1 002 003 004 005 006 007 008 009 00 10 00 Y7 2311 9616 9221 9526 9032 1636 9141 94 47 11 52 03 端点线性度 K 52 03 7 23 10 00 1 00 平均选点线性度 前五点中心 后五点中心 求 K 最小二乘法线性度 以上三种方法中 最小二乘法拟合精度最高 平均选点法次之 端基法最低 但是小二乘法计 算量最为繁琐 10 10 分别在下面两幅图中标出以下各量 分别在下面两幅图中标出以下各量 1 上升时间 2 稳定时间 3 峰值时间 4 最大超调量 Y t Y t 1 1 t t PS 请参照本章第五题解答以及书本 P16 画图不方便 11 若有微分方程式为 其中 x 是输入信号 y 是输出信号 a 到 h 均为常数 求其时间常数 12 12 将某温度计放入将某温度计放入 100 100 的恒温水中 测得如下数据 忽略记录仪惯性 的恒温水中 测得如下数据 忽略记录仪惯性 t s t s 0 00 01 21 23 03 05 65 68 08 011 011 015 015 018 018 0 T T 20204040606080809090959598989999 根据所列数据 判断此系统是否为一阶系统 如果是 请用最小二乘法求出时间常根据所列数据 判断此系统是否为一阶系统 如果是 请用最小二乘法求出时间常 数数 提示 对假定的一阶模型提示 对假定的一阶模型 作 作与时间与时间 t t 的曲的曲 t yABe ln YAy 线 判断是否为一阶系统线 判断是否为一阶系统 dydy abxchyefxg dtdt PS PS 请参看本章第三以及第七题 请参看本章第三以及第七题 13 13 传 感 器 静 态 特 性 指 标 中 准准 确确 度和精密度的区别在何处度和精密度的区别在何处 其分别反映了系统的哪一种特性 其分别反映了系统的哪一种特性 准确度 被测量结果与约定真值一致的程度 是精密度和正确度的综合 精密度 同一测量条件下测量指示值不一致的程度 反映随机误差大小 正确度 测量结果有规律偏离真值的程度 反映测量结果中系统误差大小 14 一个紫外线检流计的阻尼比 无阻尼固有频率 输人0 5 1 0 15 rad s 一个单位阶跃信号 试确定 1 超调量 百分比 2 稳定时间 5 3 上升 时间 PS PS 请参看本章第五以及第七题 请参看本章第五以及第七题 15 欲测量 10压力 现有两种量程的压力传感器 一个量程为 100 精度PaPa 为 1 5 级 另一个量程为 15 精度为 2 5 级 问选用哪一个传感器合适 Pa 通过此例说明了什么 16 某压力传感器是一阶系统 它含有一个波纹管和位移传感器 系统的时间常数 为 0 2s 根据系统的频响特性确定压力脉动的最大频率 其引起的误差必须小于 10 17 一个二阶系统的传感器 其阻尼系数 固有频率 用它0 4 1 0 800 rad s 测量频率的正弦变化力 幅值误差及相位偏移各为多少 若采用 1 400 rad s 的力传感器 测量结果将有多大改善 1 1000 rad s 0 6 我 是 分 割 线 1 传感器的基本特性指什么 如何描述 2 传感器静态特性的定义 传感器静态特性的数学模型 3 描述传感器的静态特性指标有那些 4 传感器灵敏度的定义和描述 5 传感器动态特性的定义 与静态特性的区别 6 传感器的基本动态特性方程 零阶系统 一阶系统和二阶系统 PS 以上 6 题本章复习题全部包含 在此不再瞎 BB 下面 LZ 添加的 1 传递函数是怎么来的 当传感器的数学模型初值为 0 时 对其进行拉氏变换 即可得出系统的传递函数 2 动态特性评价最常用何种方法 简单计算 最常用的阶跃响应法和频率响应法 输入信号为时域内阶跃信号和频域内正弦信号 3 一阶 二阶 阶跃特性取决于哪个参数 一阶传感器动态响应取决于 越小越好 是一阶系统决定参数 阻尼比 是二阶系统决定参数 4 瞬态响应 稳态相应 频率响应 瞬态响应 传感器输入单位阶跃信号 一阶 二阶传感器响应均可通过求其传递函 数来分析 阶跃信号拉氏变换 X s 1 s 稳态响应 常用输入正弦信号来研究传感器的稳态响应 一般也是通过传递函数来 求出 sin t 和 cos t 的拉氏变换分别为 s2 2 s s2 2 频率响应 将传递函数的 s 变为 j 即可得到传感器的频率响应函数 A H j 称为传感器的幅频特性 也称动态灵敏度 arctan HI HR 频率响应函数的实部虚部之比求反三角 值 得到输出超前输入的角度 通常输入滞后 故为负值 第三章第三章 电阻式传感器电阻式传感器 1 何谓电阻式传感器 包括有几种 电阻式传感器 医学上 将生物体的一些非电量的生理参数 如位移 振动 转 换为电阻的变化 进而形成相关电学参数的变换 从而得到所需求的非电学 量 种类 金属应变片型 分丝式 箔式 以及半导体扩散压阻传感器 2 分别说明何谓应变效应 何谓压阻效应分别说明何谓应变效应 何谓压阻效应 应变效应 金属导体的电阻率随其机械变形而发生变化的现象 或者是当物体发生应变时 本身的一些特性会随之发生变化 压阻效应 因应变使电阻率变化而引起电阻相对变化量 或者是半导体材料机械形变引起电阻率变化 3 金属箔式应变片有哪些优点 能很好 跟随 应变零件的变化 散热好 承载电流较大 灵敏度高 工艺简单 利于大批量生产 由于其弯折处较宽 其横向效应比金属丝应变片小 4 何谓横向效应 横向效应的存在对应变片的性能有何影响 横向效应 横向效应的存在对应变片的性能有何影响 横向效应 因弯折处应变的变化使灵敏系数减小的现象称之为应变片的横向效应 影响 使灵敏系数减小 5 应变片的性能包括哪些 灵敏度系数 横向灵敏度 应变极限 机械滞后 最高工作效率 电阻值 最大工 作电流 零漂和蠕变 温度特性 6 简述电阻应变片产生温度误差的原因及补偿方法简述电阻应变片产生温度误差的原因及补偿方法 原因 应变片的金属敏感栅电阻本身随温度变化 试件材料和敏感栅材料的线膨胀 系数不同 产生附加形变 补偿方法 1 线路补偿法 电桥补偿法 PS 书本 P26 详解 2 自补偿法 分单丝自补偿法 适当选取栅丝 的温度系数及膨胀系数 以满足 t 0 和组合式自补 偿法 应变片敏感栅丝由两种不同温度系数的金属丝串 接组成 3 采用热敏电阻进行补偿 4 串联负温度系数二极管补偿 5 辅助测量补偿 6 计算机补偿 7 在电桥测量电路中 各桥臂阻值在什么情况下电桥灵敏度最高 试证明之 电桥灵敏度用电桥测量臂的单位相对变化量引出输出端电压或电流的变化来表示 电压灵敏度 电流灵敏度 应变片灵敏系数 R R U S 0 u R R I S 0 i L L R R k 当四个桥臂同时变化 惠斯通全桥电路 时 如 R1 R4 随信号同样变化 R1 R R4 R R2 R3 随信号 R2干 R R3干 R 同样变化 Uo 干 U R R 灵敏度 Su U PS 书本 P33 详解 8 8 分别画出常用的四种测量桥路 说明各种桥路的特点 并比较其灵敏度 画出常用的四种测量桥路 说明各种桥路的特点 并比较其灵敏度 单臂 U0 0 25U R R 灵敏度 Su 0 25u 双臂 U0 0 5U R R 灵敏度 Su 0 5u 分为差动 两变化臂相邻反向 如右图 以及非差动 两变化臂相对同向 两类 四臂 全桥电路 U0 U R R 灵敏度 Su u 9 半导体应变片和金属应变片在工作原理 元件性质和使用范围上有何异同 PS PS 见书本 见书本 P20P20 与与 P27P27 不重要 不重要 10 试用公式比较说明恒压源供电与恒流源供电之区别 得出什么结论 为使灵敏度最大 在此以惠斯通全桥电路为例 恒压源供电 Uo U R R RT 电桥输出电压变化近似与店主相对变化成正比 与 温度呈非线性 恒流源供电 Uo I R 电桥输出电压变化与电阻变化呈正比 结论 恒压源供电受到温度影响 而恒流源不会 恒流源供电有温度补偿效果 11 11 举例说明电阻式传感器在医学测量中的应用 电阻式传感器在医学测量中的应用 金属应变片传感器 箔式压力传感器 简支梁结构血压传感器 压阻式传感器 扩散硅型脉搏计 心导管式压阻传感器 注射针型压阻传感器 12 12 有人在使用有人在使用电阻应变仪电阻应变仪时 发现灵敏度不够 他在差动工作的两臂中各增加了时 发现灵敏度不够 他在差动工作的两臂中各增加了 一片一片串联的电阻应变片串联的电阻应变片 其参数与原来的应变片相同 问这样做能否达到提高电桥 其参数与原来的应变片相同 问这样做能否达到提高电桥 灵敏度的目的灵敏度的目的 为什么为什么 应该怎样提高其灵敏度应该怎样提高其灵敏度 不能 应当变成惠斯通全桥电路 13 13 为了测量悬臂梁的应变 把一个电阻为了测量悬臂梁的应变 把一个电阻 以及室温时温度系数以及室温时温度系数1 Rk 2 0K 为为的应变片安装在梁上 并与图的应变片安装在梁上 并与图 P4 10P4 10 所式的电桥相连接 电桥检波器所式的电桥相连接 电桥检波器 151 10C 电阻为电阻为 灵敏度为 灵敏度为 忽略电源内阻抗 求 忽略电源内阻抗 求 100 1 A 1 1 如果应变片变化如果应变片变化 0 1 0 1 计算检波器偏转多少 计算检波器偏转多少 2 2 假设应变片电阻变化主要由温度变化所引起 试计算室温上升假设应变片电阻变化主要由温度变化所引起 试计算室温上升 10 10 时等效时等效 应变的变化量 应变的变化量 3 提出一种减小温度影响的方法 1 由图可知 Vo 0 25E R R 而 R R K 则 Vo 0 25EK 0 25x10 x2x0 1 5mV 则通过检波器电流 I Vo R 5mv 100 50 A 所以 Q IKn 50 A 50 偏转 50 度1 A 2 RT TR 10 103 10 11 151 10C 又由 R R K 得 RT RK 10 11 103x2 5x10 15 3 采用差动式结构测量 使用直流源供电 添加热敏电阻 14 解释名词 应变片灵敏系数 横向灵敏度 应变极限 疲劳极限 允许电流 零漂及蠕变 PS PS 见书本 见书本 P23 P26P23 P26 懒得打太多 懒得打太多 15 15 下图为测量示意图 分析说明其测量原理 为使其灵敏度最高 应如何连接下图为测量示意图 分析说明其测量原理 为使其灵敏度最高 应如何连接 桥路 桥路 a a 图为差动式结构 图为差动式结构 b b 图为非差动式结构 图为非差动式结构 R R1 1 R R2 2 R R 1 我 是 分 割 线 1 直流电桥的特征方程 直流电桥的平衡条件 特征方程 214343214321 3241 RRRRRRRRRRRRR RRRR UI f f 平衡条件 3241 RRRR 2 直流电桥若为等臂电桥的条件是什么 四个电阻的阻值大小相等R1 R2 R3 R4 R 3 3 电桥灵敏度的表达式 应变片的灵敏系数的定义式 电压灵敏度 R R U S 0 u 电流灵敏度 R R I S 0 i 应变片灵敏系数 L L R R k 4 零漂的定义 粘贴好的应变片 在一定温度下不承受机械应变时 指示应变随时间变 化的特性 5 什么是应变效应 金属导体的电阻率随其机械变形而发生变化的现象 6 由金属电阻丝的电阻公式 R L A 推导金属材料的灵敏系数 思路 两边取自然对数 然后全微分 然后巴拉巴拉 PS 见书本 P21 22详解 7 若用圆形膜片上粘贴应变片来测量血压 试说明如何取得最大输出灵 敏度 应变片放置 将一片应变片贴在靠近中心的正应变区 另一片贴在靠 近边缘的负应变区 当压力作用于膜片一车是 两片应变片将向着相 反方向变化 将他们组合在电桥电路中就可以得到更大的信号 注意 应输出量如输入的雅丽信号只有在膜片的中心位移较小的情况 下才能保持线性关系 PS 详见书本 P39 8 什么是压阻效应 半导体材料在机械应力的作用下 使得材料本身的电阻率发生了较大 变化而引起电阻相对变化 9 试证明等臂电桥的4个桥臂电阻同时变化时 与两个桥臂电阻同时变 化相比 当两种情况下桥臂电阻变化相同时 前者的输出电压为后者 的两倍 此类题不考 天理不容 下面是自己添加 1 直流电桥的各种补偿方法 PS 详见 P34 36 直流电桥零位补偿 直流电桥温漂补偿 直流电桥的灵敏度温漂补偿以及非线性补偿 直流电桥的标准化补偿 第四章第四章 电容式传感器电容式传感器 1 何谓电容式传感器 有何特点 定义 将被测非电量的变化转换为电容变化的器件或装置 特点 有结构简单 灵敏度高 动态响应特性好 适应性强 抗过载能力大以及可 实现非接触测量等优点 有输出阻抗高 负载能力差 易受寄生电容影响 存在边缘效应等缺点 PS 应用 可用于压力 位移 厚度 加速度 液位 湿度和成分含量等测量 2 常见的平行板式电容式传感器有几种形式常见的平行板式电容式传感器有几种形式 分别说明其测量原理 类型 变间距型电容式传感器 变面积型电容式传感器 另 变介电常数型电容 式传感器 原理 C S d 0 rS d PS 详见书本 P44 45 注意 差动结构在前两者上的运用 差 动结构型变间距型 仅仅中间板可动 比单 电容式传感器灵敏度高 非线性误差小 静电引力的影响减小 改善环境 如 温度 变化说引起的误差 差动结构变面积型 仅上板可动 开始时与两板 形成电容 C1 C2 必须一致 改善边缘效应 非线性 输出的到加强 提高 了 灵敏度 3 画出电容 式压力传感 器结构模型 并说明测量 原理及输出 特性 4 针对电容 式血压计结 构及测量原 理图 推导 输出电压与压力之间的关系式 5 简述电容式微音器的工作测量原理 该传感器有左 右两个接收室 测量接收室内充有待测成分的 气体 当辐射光束 参比光束 和与被测气体成分有关的测量 光束通过切光片调制成交变光 入射到左右接收室后 被接收 室中所充的待测气体吸收 使 气体温度升高 由于室内体积 一定 因此随温度升高 内部压力增加 使薄膜片发生位移 改变电极间距 引起电容值的改变 电容的变化与压力变化相关 而压力变化与被测气体的含 量有关 从而实现气体成分含量检测 该系统由于辐射光束按切光片调制频率 变化 使可动极板也按此频率在音频范围内 3 25Hz 变化 造成传感器在 气室内产生微音 故称电容式微音器 6 6 试比较分析四种 分析四种 PS PS 交流交流 桥路形式的灵敏度 桥路形式的灵敏度 1 对于 Z1 Z2 为电容 另外两臂 Z3 Z4 由任意阻抗元件组成的电桥 输出相位为 零时 其桥臂系数的最大值为 0 25 2 对于电容式传感器与电阻构成的电桥 其桥臂系数的最大值为 0 5 此时输出信 号有 90 的相移 3 对于电容式传感器与电感组成的桥臂 桥臂比的相角 180 时 桥臂系数达到最大值 且输出相移为零 7 写出等效电容的表达式 并分析可得出什么结论等效电容的表达式 并分析可得出什么结论 8 8 下图中当下图中当 R R 时 时 输出电压输出电压 U UR R 和和 位移变化位移变化 X X 成正比 成正比 当当 R 0 时时 回路电流回路电流 I 和和 电容可移动极板移动速度电容可移动极板移动速度 V 成正比 成正比 PS 详见书本 详见书本 P60 0r SS C dd 9 在理想情况下 交流电桥在理想情况下 交流电桥 1 1 时 时 90 90 时 时 12 a aZZ 12 电压灵敏度最大 电压灵敏度最大 a a 时 时 时 电压灵敏度最小 时 电压灵敏度最小 PS PS 参照本章参照本章 第第 6 6 题 以及书本题 以及书本 P48 49P48 49 后面两空 后面两空 LZLZ 不知道 不知道 10 10 对面积为对面积为 1cm1cm2 2的平行板电容传感器 其阻抗为的平行板电容传感器 其阻抗为 100M 100M 求通过高于 求通过高于 20HZ20HZ 的音的音 频所需要的极距频所需要的极距 X X 极板间介质为空气极板间介质为空气 11 证明平行板电容传感器 无输入位移时电容为 Co 与负载电阻 RL和直流电源 V 串 联成回路时 电容传感器的输出电压对极板距离的特性是高通滤波器特性 我 是 分 割 线 1 简述电容式传感器的基本原理 两板间电容 式中 d S r 三个参数任意一个变化 电容 C 都 都会随之变化 若保持其中两个不变 仅改变其中一个 并且使该参数与被测 量之间存在某种一一对应的函数关系 那么被测量的变换即可以通过电容的变 化反映出来 再通过适当的测量电路就可以转换为相应的电量输出 这就是电 容式传感器的原理 2 电容式传感器可分为那些类型 变极距型 改变 d 变面积型 改变 S 变介电常数型 改变 r 3 如何改善变间距型单电容式传感器的非线性 4 变间距型平板电容传感器 当 do 1mm 时 若要求测量非线性误差为 0 1 求 允许间距测量最大变化量是多少 解 当变极距型平板电容传感器的 时 系统的相对非线性误差 5 见课本例题 4 1 1 0 100 0 d d mmd d 001 0 100 1 1 0 1 d d 6 见课本例题 4 2 第第 5 5 章章 电感式传感器电感式传感器 1 何谓电感式传感器 分为几类电感式传感器 分为几类 分别说明每种类型的基本工作原理 定义 利用电磁感应 将被测量的变化转换成线圈的自感或互感的变化而实现多种 物理量测量的传感器 种类 自感型 互感型 电涡流型 自感型 其由线圈 铁芯 衔铁三部分组成 铁芯和活动衔铁之间有气隙 传感器 的运动部分与衔铁相连 当衔铁移动时 气隙宽度发生变化 导致电感线 圈的电感值改变 然后通过测量电路测出其变化量 由此判别被测位移量 的大小 互感型 把被测的非电量转化为线圈的互感系数的变换 进而使副线圈的输出电势 随之变化的传感器 其根据变压器的原理制成 但是次级绕组使用差动形 式连接 故也称之为差动变压器式传感器 电涡流型 由一块金属导体和一个扁平线圈组成 采用电涡流效应 来检测导电物 体的各种参数 2 画出自感传感器的等效电路 求出有效电感和有效灵敏度 并分析结论 PS PPT 如图 但是书本上的灵 敏度公式为 S L L0 0 另 差动自感传感器 灵敏度为单 个自感传感器的两倍 1 U L1L2 12 R1 R2 M 2 I 1 I 1 2 R C L Z 3 简述差动变压器式传感器的测量原理是什么 4 PS 详见 P67 图可见于分割线后第四题 5 写出差动自感传感器与差动变压器式传感器的输出特性并比较有何不同差动自感传感器与差动变压器式传感器的输出特性并比较有何不同 5 5 零点残余电压零点残余电压的产生及消除方法 定义 理论上讲 铁芯处于中间位置时输出电压应为零 而实际输出 U0 0 在零 点上总有一个最小的输出电压 这个铁芯处于中间位置时最小不为零的电压 称为零点残余电压 产生 ANS1ANS1 两个次级线圈电气参数和几何尺寸不一致 材质不均匀 产生寄生 电容 ANS2ANS2 由于两个二次测量线圈的等效参数不对称 使其输出的基波 感应电动势的幅值和相位不同 调整磁芯位置时 也不能达到幅值和相位同 时相同 由于铁芯的 B H 特性的非线性 产生高次谐波不同 不能互相抵消 消除方法 ANS1ANS1 首先要使两个刺激线圈的电气参数和几何尺寸严格一致 保证 元件有良好的导磁性能 切分布均匀 正确选择工作点 使铁磁物质工 作 在磁化曲线的线性范围内 ANS2 ANS2 1 在设计和工艺上 力求做到磁 路对称 线圈对称 铁芯材料要均匀 要经过热处理去除机械应力和改 善 磁性 两个二次侧线圈窗口要一致 两线圈绕制要均匀一致 一次侧线 圈绕制也要均匀 2 采用拆圈的实验方法来减小零点残余电压 其思路 是 由于两个二次侧线圈的等效参数不相等 用拆圈的方法 使两者等 效参数相等 3 在电路上进行补偿 线路补偿主要有 加串联电阻 加并联电容 加反馈电阻或反馈电容等 6 简述电涡流式传感器的工作原理简述电涡流式传感器的工作原理 工作原理 电涡流效应 在线圈中通有高频交流电流时 在线圈周围产生交变 磁场 交变磁场通过被测金属 导体 产生电涡流 同时产生与上述交变 磁场方向相反的磁场 两者的相互作用使线圈中的电流大小和相位发生变 化 即使线圈中的等效阻抗发生变化 电涡流传感器根据线圈与导体的距 离和阻抗的关系设计而成 7 7 带有两个电感线圈的可变阻抗差压传感器 由于压力作用 一个电感变化带有两个电感线圈的可变阻抗差压传感器 由于压力作用 一个电感变化 L 另一个电感变化另一个电感变化 以两种方法接入电桥 电桥电阻 以两种方法接入电桥 电桥电阻 R R 求两种接法的灵敏度 求两种接法的灵敏度L 并比较之并比较之 见图见图 P4 11 P4 11 LL 我 是 分 割 线 1 电感式传感器主要有哪几部分组成 线圈 铁芯和衔铁 2 简述自感式电感传感器的工作原理 自感式传感器是利用位移的变化使线圈的自感量发生变化的一种机电转换装置 利 用位移变化而造成自感量变化的方法取决于自感传感器的结构 具体地说就是取决 于其磁路结构 3 什么是电涡流效应 PS 本章第六题的答案更合适 金属导体置于变化的磁场中 或者让金属导体在 磁场中运动 即作切割磁力线运动时 金属块内将产生感应电流 这种电流在金属 块内自成闭合回路 很像水的旋涡 因此 称这种现象为电涡流效应 4 画出电感式传感器结构原理图 S1 l1 L 1 W 2 3 l2 1 2 3 S2 i U B b a i I A 1 W1aW2a C W1bW2b e2a e2b o U 2 2 U 1 U 1 2 a b 5 电感式传感器测量电路的主要任务是什么 它的作用是将线圈电感的变化转换成电桥电路的电压或电流输出 第第 6 6 章章 压电式传感器压电式传感器 1 何谓压电效应和逆压电效应 何谓压电效应和逆压电效应 正压电效应 某些物质沿一定方向受到外力作用而产生机械形变时 内部会产生极 化现象 同时在其表面上产生电荷 在撤掉外力时 这些物质又重新回 到不带电的状态 这种将机械能转换成电能的现象称为压电效应 逆压电效应 电致伸缩效应 在某些物质的极化方向上施加电场 这些物质会产 生机械形变 在撤掉外加电场时 这些物质的机械形变随之消失 这种 将电能转换成机械能的现象称为逆压电效应 PS 横向压电效应 沿机械轴方向的力作用下产生电荷的效应 产生横向灵敏度的必要条件 伴随轴向作用力的同时 存在横向力 压电元件本身 具有横向压电效应 消除横向灵敏度的技术途径 从设计 工艺和使用诸方面确保力与电轴的一致 尽 量采取剪切型的力 电转换方式 较好的压电传感器 最大横向灵敏度不 大于 5 2 2 对压电材料来说哪些参数是比较重要的 为什么 压电材料来说哪些参数是比较重要的 为什么 转换性能 具有较高的耦合系数 具有较大的压电常数或高灵敏度 机械性能 压电元件作为受力元件 希望它的机械强度高 机械刚度大 以期获 得宽的线性范围和高的固有振动频率 电性能 希望具有高的电阻率和大的介电常数 以期望减弱外部分布电容的影响 并获得良好的低频特性 温度和湿度稳定性要好 具有较高的居里点 以期望得到宽的工作温度范围 时间稳定性 压电特性不随时间蜕变 3 常用的压电材料有哪些 各有什么特点常用的压电材料有哪些 各有什么特点 压电单晶体 包括石英 SiO2 良好机械强度以及压电特性 压电系数较小 压电系数的时间和温度稳定性好 铌酸锂 良好的压电性 居里点很 高适于高温环境 机械强度不如石英 抗冲击性能差 酒石酸钾钠 压 电系数较大 机械强度 电阻率居里点均较低 易受潮 性能不太稳定 还有 压电陶瓷 钛酸钡 介电常数很高 压电系数很大 居里点较低 温度稳定性和机 械强度不如石英晶体 锆钛酸铅 PZT 性能与稳定性均超过前者 应用最广泛 压电半导体 氧化锌 硫化镉等 具有压电和半导体两种特性 易于集成 压电高分子聚合物 聚二氟乙烯 PVF2 聚氟乙烯 PVF 聚氯乙烯 PVC 聚偏二氟乙烯 PVDF 等 具有良好柔韧性 适于大面积传 感器 其中 PVDF 与人体声阻抗接近 医疗应用广泛 4 分别说明横向 纵向效应压电晶片串 并联时的效率 有什么作用和要求 5 压电传感器有什么特点 对测量电路有何要求 前置放大器的功能 压电传感器有什么特点 对测量电路有何要求 前置放大器的功能 主要特点 能量转换型 发电型 传感器灵敏度和分辨率高 线性范围大 结构简 单 牢固 可靠性好 寿命长 体积小 重量轻 刚度 强度 承载能 力和测量范围大 动态响应频带宽 动态误差小 易于大量生产 便于 选用 使用和校准方便 并适用于近测 遥测 PS 此乃一堆废话 下 面 才是正解 要求 压电传感器本身产生的电荷量很小 自身内阻很大 输出信号微弱 要求后续 测量电路的输入电阻 Ri 尽量大 功能 一是放大传感器输出的微弱电信号 另一个是将压电传感器的高输出阻抗变换为低输出 阻抗 因此 前置放大器有两种形式 电压放大器和电荷放大器 6 何谓电荷放大器 简述其功能及特性何谓电荷放大器 简述其功能及特性 定义 一种具有深度负反馈的高增益电 荷放大器 功能 将高阻的电荷源转换为第内阻的 电压源 既起放大作用又起阻抗转换作 用 特性 使传感器的灵敏度与电缆的长度 无关 或者说消除电缆分布电容的影响 便于远距离测量 改善压电传感器低频 响应的不足 7 7 采用电压放大器作压电传感器的前置放大器有何特点 采用电压放大器作压电传感器的前置放大器有何特点 特点 高频特性好 截止频率高 电路简单 成本低 受电缆电容影响较大 8 设计一个血压测量用的压电式传感器 并说明其测量原理 9 9 某石英晶体受纵向作用力某石英晶体受纵向作用力 F Fx x 9 8 9 8 N N 其截面积其截面积 S Sx x 5cm5cm2 2 厚度厚度 d 0 5cm d 0 5cm 试求 试求 1 1 此电压元件两极片间的电压值 此电压元件两极片间的电压值 2 2 若压电元件与高阻抗运算放大器之间连接电缆的电容为若压电元件与高阻抗运算放大器之间连接电缆的电容为 C Cc c 4pF 4pF 求此时压电式 求此时压电式 传感器的输出电压 传感器的输出电压 10 10 试计算压电陶瓷试计算压电陶瓷 PZT 8PZT 8 纵向压电传感器的静态电容纵向压电传感器的静态电容 已知已知 A 1cmA 1cm2 2 t 1mmt 1mm r r 1000 1000 d d33 33 225x10 225x10 12 12C N C N 当电压放大器输入电阻当电压放大器输入电阻 R RI I 10 1010 10 C CI I 1000PF C 1000PF Cc c 100PF 100PF 试计算电试计算电 压放大器的灵敏度 当电荷放大器的反馈电阻压放大器的灵敏度 当电荷放大器的反馈电阻 R Rf f 10 1010 10 C Cf f 1000PF 1000PF 求低频截止频求低频截止频 率 若施加率 若施加 10g10g 的力 求其电荷放大器的输出电压 的力 求其电荷放大器的输出电压 11 11 对面积为对面积为 1cm1cm2 2厚为厚为 1mm1mm 的纵向压电式传感器的纵向压电式传感器 若施加若施加 20g20g 的力 求其输出电压 的力 求其输出电压 对石英 对石英 d d11 11 2 3PC N 2 3PC N r r 4 5 4 5 对钛酸钡对钛酸钡 d d33 33 140PC N 140PC N r r 1700 1700 PS PS 下面 下面 LZLZ 自己加的 自己加的 1 1 2 2 3 3 我 是 分 割 线 1 1 什么叫正压电效应和逆压电效应 什么叫正压电效应和逆压电效应 PS 前面有 不 BB 2 2 石英晶体 石英晶体 x x y y z z 轴的名称及特点是什么 轴的名称及特点是什么 PS 同上 3 3 简述压电陶瓷的结构和特性 简述压电陶瓷的结构和特性 压电陶瓷是一种人工制造的各向同性多晶体 它是一种具有压电效应的功能陶瓷 与铁磁性材料的磁畴结构类似 原始的压电陶瓷材料内部具有无数自发极化的电畴 在无外电场作用时 电畴在晶体中杂乱分布 它们各自的极化效应被相互抵消 压 电陶瓷内极化强度为零 因此原始的压电陶瓷呈中性 不具有压电性质 4 4 比较石英晶体和压电陶瓷各自的特点 比较石英晶体和压电陶瓷各自的特点 石英晶体 居里点温度高 高达 573 稳定性好 无热释电现象 但压电常数 小 成本高 压电陶瓷 压电常数大 成本低 但居里点温度低 稳定性不如石英晶体 有热释 电现象 会给传感器带来热干扰 利用热释电现象特性可以制作热电传 感器 如红外探测 5 5 能否用压电传感器测量静态信号 试说明其理由 能否用压电传感器测量静态信号 试说明其理由 压电式传感器所积累的电荷不可能长期保存 因为使用时存在负载电阻泄漏电荷现 象 所以压电式传感器不宜做静态测量 只能在其上加交变力 电荷才能不断得到 补充 提供给测量电路一定的电流 故压电式传感器只适宜做动态测量 为了对压 电式传感器进行定量分 析 必须建立压电式传感器的等效电路 6 6 画出压电传感器在理想状态下的等效电路 画出压电传感器在理想状态下的等效电路 第七章第七章 磁传感器磁传感器 1 磁电式心音传感器有几种形式 针对其中一种说明其测量原理及特征 形式 压力和振动 均属于恒定磁通磁电式传感器 XX 型 由于外因 测量量 使线圈和磁铁之间产生的相对运动 动线圈或动磁铁 切割磁感线而产生感应电势 通过传感信号变换电路即可测量 特征 工作频率不高 输出大 性能稳定 具有一定带宽 2 2 简述电磁血流量传感器的原理 写出其输出电压与流体的体积流量电磁血流量传感器的原理 写出其输出电压与流体的体积流量 Q Q 的关系式 的关系式 并说明为什么要用交流激励 并说明为什么要用交流激励 原理 根据电池感应定律 当血液在半径为 R 的血管中以速度 V 流动时 将会在磁 场垂直方向产生感应电势 E 通过测量可得打血液平均速度和电动势的关系 从而得到输出电压与体积流量的关系 E 2B Q R 原因 因为直流激励有极化现象 直流放大比交流放大复杂 交流信号受干扰影响 比较小 3 3 何谓霍尔效应 霍尔电势的表达式 有何应用 何谓霍尔效应 霍尔电势的表达式 有何应用 霍尔效应 在磁感应强度为 B 的磁场中 放入通有电流的导体或半导体薄片 使 薄 片平面垂直于磁场方向 这时在垂直于电流和磁场的方向上产生电势差 这种现象称为霍尔效应 表达式 UH KHIB 其中 KH 1 ne m3 C 称之为霍尔系数 由载流物质材料 决 定 应用 可以制成测量电流 磁场位移 测位移 再线性梯度磁场中运动满足 dB d 常数 4 何谓磁阻效应 磁阻效应 它的存在对霍尔元件的性能有何影响 它的存在对霍尔元件的性能有何影响 定义 指霍尔元件的内阻随磁场强度的绝对值变化而变化的现象 影响 使霍尔元件的输出降低 性能变差 5 磁敏管与霍尔元件相比有何特点磁敏管与霍尔元件相比有何特点 特点 磁灵敏度高 可识别磁场极性 电路简单 我 是 分 割 线 1 磁电式传感器和电感式传感器有那些不同 分别可以测量哪些参数 磁电式传感器 也称为电动式传感器或感应式传感器 它是利用电磁感应原理将运 动速度 如速度 血流 位移 加速度等 转换成线圈中的感应电 势输出 电感式传感器 利用电磁感应原理将被测非电量 如位移 压力 流量 振动等 转换成线圈自感系数 L 或互感系数 M 的变化 再由测量电路转 换 为电压或电流的变化量输出 这种装置称为电感式传感器 2 简述磁电式传感器的工作原理 利用电磁感应原理 将线圈 或带电粒子 的运动速度转换成感应电势的输出 3 简述霍尔效应 霍尔传感器的工作原理 霍尔效应 在磁感应强度为 B 的磁场中 放入通有电流的导体或半导体薄片 使 薄 片平面垂直于磁场方向 这时在垂直于电流和磁场的方向上产生电势差 这种现象称为霍尔效应 其原理在于 在薄片左右两端通以电流 I 称为控制电流 那么薄片中的电子将沿 着与电流 I 相反的方向运动 由于外磁场 B 的作用 使电子受到磁场力 FL 洛仑