东南大学传感器技术考纲

1、家庭作业解答家庭作业解答Answers to the 绪论绪论0-2 何谓结构型传感器?何谓物性型传感器?试述两者的应用特点。答：参考课本第2页结构型传感器是利用物理学中场的定律构成的，包括动力场的运动定律，电磁场的电磁定律等。物理学中的定律一般是以方程式给出的。对于传感器来说，这些方程式也就是许多传感器在工作时的数学模型。例如电容式传感器，自感、互感、电涡流式传感器，磁电式传感器。此类传感器的形状、尺寸（结构）决定了传感器的量程、灵敏度等主要性能，故称“结构性传感器”。物性型传感器是利用物质定律构成的，如虎克定律、欧姆定律等。物质定律是表示物质某种客观性质的法则。这种法则，大多数是以物质本身

2、的常数形式给出。这些常数的大小，决定了传感器的主要性能。因此，物性型传感器的性能随材料的不同而异。例如，光电管就是物性型传感器，它利用了物质法则中的外光电效应。又如，所有半导体传感器，以及所有利用各种环境变化而引起的金属、半导体、陶瓷、合金等特性能变化的传感器，都属于物性型传感器。0-4 就传感器技术在未来的地位、作用及其发展方向综述你的见解。答：请参考课本第5页至第9页，提取主要的提纲即可。第第1章章 传感器技术基础传感器技术基础1传感器的静态特性主要有那些？说明什么是线性度？答：参考课本第12页至第15页传感器的静态特性主要有：线性度、回差（滞后）、重复性、灵敏度、分辨率、阈值、稳定性、漂

3、移、以及静态误差（精度）。线性度又称非线性，是表征传感器输出-输入校准曲线与所选定的拟合直线（作为工作直线）之间的吻合（或偏离）程度的指标。2什么是传感器的静态误差？传感器的静态误差是如何评定的？答：请参考课本第15页。静态误差是评价传感器静态性能的综合性指标，指传感器在满量程内任一点输出值相对其理论值的可能偏移（逼近）程度。它表示采用该传感器进行静态测量时所得数值的不确定度。静态误差的评定方法国内外尚不统一，目前常用的有：（1）将非线性、回差、重复性误差按几何法或代数法综合；（2）将全部标准数据相对拟合直线的残差看成随机分布，求出标准偏差，然后取2 或3 作为静态误差；（3）将系统误差与随机

4、误差分开考虑。第第1章章 传感器技术基础传感器技术基础3.某测温系统由以下四个环节组成，各自的灵敏度如下：铂电阻温度传感器：0.45/; 电桥：0.02V/笔式记录仪：0.2cm/V; 放大器：100(放大倍数)求: (1)测温系统的总灵敏度； (2)记录仪笔尖位移4cm时，所对应的温度变化值。答：(1)总灵敏度Soverall=(0.45/)x(0.02V/)x(0.2cm/V)x100=0.18 cm/ (2)记录仪笔尖位移4cm时对应的温度变化值T=4/0.18=224.有三台测温仪表，量程均为0800，精度等级分别为2.5级、2.0级和1.5级，现要测量500的温度，要求相对误差不超过

5、2.5，选那台仪表合理? 答：先计算最大误差 再计算引用误差：C5 .12%5 . 2500max%56. 1%1008005 .12CC所以应该选用1.5级的测温仪表。第第2章章 电阻式传感器电阻式传感器1.金属电阻应变片与半导体材料的应变电阻效应有什么不同？答：金属电阻的应变效应是以其几何形状和结构尺寸的变化为主，金属电阻应变片的灵敏度相对比较小（Km=1.84.8）；半导体材料的应变效应则主要取决于材料的电阻率随应变所引起的变化产生的，也就是压阻效应，半导体材料电阻应变片的灵敏度比较大，通常Ks100Km。2.直流测量电桥和交流测量电桥有什么区别？答：区别主要是直流电桥用直流电源，只适用

6、于直流元件，如电阻应变片，交流电桥用交流电源，适用于所有电路元件，如电阻应变片、电容、电感。第第2章章 电阻式传感器电阻式传感器3. 简述电阻应变式传感器产生横向误差的原因答：粘贴在受单向拉伸力试件上的应变片 , 如下图所示，其敏感栅是有多条直线和圆弧部分组成。这时各直线段上的金属丝只感受沿轴向拉应变,电阻值将增加。但在圆弧段上，沿各微段轴向 (即微段圆弧的切向) 的应变与直线段不相等，因此与直线段上同样长度的微段所产生的电阻变化就不相同，最明显的在 处圆弧段上，按泊松关系，在垂直方向上产生负的压应变 ，因此该段的电阻是最小的。而在圆弧的其它各段上，其轴向感受的应变由 变化到 。由此可见 ,

7、将直的电阻丝绕成敏感栅之后，虽然长度相同，但应变状态不同，其灵敏系数降低了。这种现象称横向效应。应变片横向效应表明 , 当实际使用应变片时，使用条件与标定灵敏系数 k 时的标定规则不同时,实际 k 值要改变,由此可能产生较大测量误差，当不能满足测量精确度要求时，应进行必要的修正 。2/第第2章章 电阻式传感器电阻式传感器4. 采用阻值为120灵敏度系数K=2.0的金属电阻应变片和阻值为120的固定电阻组成电桥，供桥电压为4V，并假定负载电阻无穷大。当应变片上的应变分别为1和1000 时，试求单臂、双臂和全桥工作时的输出电压，并比较三种情况下的灵敏度？答：单臂时，40UKU40UKUVU6601

8、0244)101 (0 . 2应变为1000时，VU36010244)101000(0 . 2应变为1时，双臂时，20UKU应变为1时，VU66010424)101 (0 . 2应变为1000时，VU36010424)101000(0 . 第第2章章 电阻式传感器电阻式传感器40UKU全桥时，UKU0应变为1时，VU6601084)101 (0 . 2应变为1000时，VU3601084)101000(0 . 2从上面的计算可知：单臂时灵敏度最低，双臂时为其两倍，全桥时最高，为单臂的四倍。5. 差动电桥有哪些有优点 ？答案：差动电桥比单臂电桥的灵敏度高，此外，还可以有效地改善温度误差、非线性误

9、差。第第3章章 变磁阻式传感器变磁阻式传感器为什么电感式传感器测量电路中常用相敏检波器？说明相敏检波器的原理？答：参考课本75至76页，以及图3-15。第第3章章 变磁阻式传感器变磁阻式传感器第第4章章 电容式传感器电容式传感器为什么说变间隙型电容传感器特性是非线性的?采取什么措施可改善其非线性特征?答：参考WORD文档及课本第99-100页如下图所示正方形平板电容器,极板长度a=4cm,极板间距离=0.2cm.若用此变面积型传感器测量位移x,试计算该传感器的灵敏度并画出传感器的特性曲线.极板间介质为空气,F/m1085. 812-0 xa答：参考WORD文档第第5章章 磁电式传感器磁电式传感

10、器5-1）阐明磁电式振动速度传感器的工作原理，并说明引起其输出特性非线性的原因。答：根据电磁感应原理，当W匝线圈在磁场内运动时，设穿过线圈的磁通量为，则线圈内的感应电势e与磁通变化率 有如下关系：dtd/根据这一原理，可以设计成变磁通式和恒磁通式两种结构形式，构成测量线速度和角速度的磁电式振动速度传感器。dtdWe引起输出非线性的原因参考课本120页(5.3.1)“非线性误差”。5-4）对永久磁铁为什么要进行交流稳磁处理？说明其原因。答：永久磁铁磁感应强度的稳定性直接影响工作气隙中磁感应强度的稳定性，为了保证磁电式传感器的精度和可靠性，必须进行稳磁处理。进行交流稳磁可以提高永久磁铁的时间稳定性

11、和在外磁场作用下的稳定性。第第5章章 磁电式传感器磁电式传感器5-5）为什么磁电式传感器要考虑温度误差？用什么方法可以减小温度误差？答：参考课本120页（5.3.2温度误差）。5-6）已知某磁电式振动速度传感器线圈组件（动圈）的尺寸如图P5-1所示：D1=18mm，D2=22mm，L=39mm，工作气隙宽Lg=10mm，线圈总匝数为15000匝。若气隙磁感应强度B=0.5515T，求传感器的灵敏度。答：每匝线圈的平均长度mDDla031416.01416.32022.0018.0221线圈的总长度mWlla24.47115000031416.0根据式5-4，传感器灵敏度为：)(9 .25924

12、.4715515.0mTBlS第第5章章 磁电式传感器磁电式传感器5-12）何谓霍尔效应？利用霍尔效应可以进行哪些参数测量？答：霍尔效应是磁电效应的一种，这一现象是美国物理学家霍尔（A.H.Hall，18551938）于1879年在研究金属的导电机构时发现的。当电流垂直于外磁场方向通过导体时，在垂直于磁场和电流方向的导体的两个端面之间出现电势差的现象称为霍尔效应，该电势差称为霍尔电势差（霍尔电压）。利用霍尔效应可以进行很多的参数测量，例如，电流、磁场、位移、速度、转速、加速度、振动、压力、流量、液位，等等。第第6章章 压电式传感器压电式传感器6-1）何谓压电效应？何谓纵向压电效应和横向压电效应

13、？答：一些离子型晶体的电介质不仅在电场力作用下，而且在机械力作用下，都会产生极化现象，且其电位移D(在MKS单位制中即电荷密度)与外应力张量T成正比：D = dT，（式中 d为压电常数矩阵）。当外力消失，电介质又恢复不带电原状；当外力变向，电荷极性随之而变。这种现象称为正压电效应，或简称压电效应。 沿X轴施加力FX，而在垂直于X轴晶面上产生电荷的现象，称为“纵向纵向压电效应压电效应”(longitudinal piezoelectric effect)。沿Y轴施加力FY,而在垂直于X轴晶面上产生电荷的现象，称为“横向压电效应横向压电效应” (transverse piezoelectric e

14、ffect)。6-3）试述石英晶片切型 的含意？答：参考课本140页。首两位字母yx表示晶片的原始方向，且首位y表示厚度t的方向，x表示长度l方向；以原始方向为基准，依次分别绕l、t棱边逆时针方向相应旋转50度和45度。)45/50(第第6章章 压电式传感器压电式传感器6-6）原理上，压电式传感器不能用于静态测量，但实用中，压电式传感器可能用来测量准静态量，为什么？答：压电传感器的测量电路无论采用电压放大器还是电荷放大器，在低频段(1)都会有较大的动态误差。但是由于电荷放大器的时间常数RfCf可以做得很大，因此在实用中，电荷放大器的低频下限FL可以低达10-1至10-4赫兹（准静态）。可见电荷

15、放大器较之电压放大器的优点是突出的。6-8）已知ZK-2型阻抗变换器的输入阻抗为2000M，测量回路的总电容为1000pF。试求：当与压电加速度计相配，用来测量1Hz的低频振动时产生的幅值误差。答：由式6-24（课本第146页），相对电压灵敏度%7 .99)101000()102000(21)101000()102000(2)(121261262*RCRCKKkumum所以幅值误差为1-k=0.3%第第6章章 压电式传感器压电式传感器6-11）一只压电式压力传感器灵敏度为9pC/bar，将它接入增益调到0.005V/pC的电荷放大器，放大器的输出又接到灵敏度为20mm/V的紫外线记录纸式记录仪

16、上。（1）试画出系统方框图；（2）计算系统总的灵敏度；（3）当压力变化35bar时，试计算记录纸上的偏移量。答：（1）barmmVmmpCVbarpCS/9 .0)/20()/005.0()/9(（2）总灵敏度压电式压压电式压力传感器力传感器电荷电荷放大器放大器记录仪记录仪PCUx（3）当压力变化35bar时，记录纸上的偏移量mmPSx5 .31359 第第7章章 热电式传感器热电式传感器7-1）热电式传感器有哪几类？它们各有什么特点？答：热电式传感器分为热电阻传感器和热电偶传感器。热电阻传感器可分为金属热电阻式和半导体热电阻式（热敏电阻）两大类。热电阻传感器将温度变化转换为电阻变化，热电偶传

17、感器将温度变化转换为热电势变化。热电偶传感器在应用时需要做温度补偿（冷端补偿）。7-3）热敏电阻与热电阻相比较有什么优缺点？用热敏电阻进行线性温度测量时必须注意什么问题？答：与热电阻相比热敏电阻的优点有：(1)电阻温度系数大，灵敏度高，约为热电阻的10倍；(2)结构简单，体积小，可以测量点温度；(3)电阻率高，热惯性小，适宜动态测量；(4)易于维护和进行远距离控制；(5)制造简单，使用寿命长。缺点是：互换性(interchangeability)差，非线性严重。用热敏电阻进行线性温度测量时其严重的非线性是扩大测量范围和提高精度必须解决的关键问题。第第7章章 热电式传感器热电式传感器7-5）什么

18、是中间导体定律和连接导体定律？它们在利用热电偶测温时有什么实际意义？答：导体A、B组成的热电偶，当引入第三导体时，只要保持其两端温度相同，则对回路总热电势无影响，这就是中间导体定律。利用这个定律可以将第三导体换成毫伏表，只要保证两个接点温度一致就可以完成热电势的测量而不影响热电偶的输出。（参考课本168页及式7-14）(7-14),()()(),(000TTETETETTEABABABABC 如课本168页图7-10所示，在热电偶回路中，若导体A、B分别与连接导线A、B相接，接点的温度分别为T、Tn、T0，则回路的总热电势等于热电偶电势 与连接导线电势 的代数和（见式7-18）。),(),()

19、,(00TTETTETTTEnBAnABnAABB),(nABTTE),(0TTEnBA(7-18)连接导体定律是工业上运用补偿导线进行温度测量的理论基础。第第7章章 热电式传感器热电式传感器7-6）什么是中间温度定律和参考电极定律？它们各有什么实际意义？答：根据式(7-18)，当导体A与A、B与B的材料分别相同时，可得： 式(7-19)为中间温度定律的数学表达式，即回路的总热电势等于 与 的代数和。中间温度定律为制定分度表奠定了理论基础，只要求得参考端温度为0时的“热电势-温度”关系，就可以根据式(7-19)求出参考温度不等于0时的热电势。),(),(),(00TTETTETTTEnABnA

20、BnAB),(nABTTE),(0TTEnAB(7-19)如课本169页图7-11所示的参考电极定律示意图，C为参考电极，接在热电偶A、B之间，形成三个热电偶组成的回路。),(),(),(000TTETTETTEABBCAC(7-23)式(7-23)为参考电极定律的数学表达式。表明两电极A、B配对后的热电势为它们分别与参考电极C配对时的热电势之差。利用该定律可大大简化热电偶选配工作，只要已知有关电极与标准电极配对的热电势，即可求出任何两种热电极配对的热电势而不需要测定。第第7章章 热电式传感器热电式传感器7-7）用镍铬-镍硅热电偶测得介质温度为800，若参考端温度为25，问介质的实际温度为多少

21、？答：根据课本171页“热电偶的温度补偿”和式(7-24)，nkttt1由表7-5查的镍铬-镍硅热电偶在800时的温度补正系数k为1.00。(7-24) 介质的实际温度：Cktttn8252500. 第第8章章 光电式传感器光电式传感器8-1）简述光电式传感器的特点和应用场合，用方框图表示光电式传感器的组成。答：光电式传感器是以光为测量媒介、以光电器件为转换元件的传感器，它具有非接触、相应快、性能可靠等卓越特性。光电传感器的使用范围非常广泛，它既可以测量直接引起光量变化的量，如光强、光照度、辐射测量、气体成分分析等，也可以测量能够转换为光量变化的被测量，如零件尺寸、表面粗糙度、应力、应变、位移、速度、加速度等。 光电式传感器的组成框图：光源光源光通路光通路光电元件光电元件被测量1光光电测量电路测量电路电被测量2输出量第第