现代传感技术与系统课后答案

1、现代传感技术与系统课后答案第 1 章绪论1. 传感器的基本概念是什么？一般情况下由哪几部分组成？国家标准（GB7665-87）传感器的定义：能够感受规定的被测量并按照一定规律转换成 可用输出信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。2. 传感器有几种分类形式，各种分类之间有什么不同？共有 10 种分类形式。根据传感器的工作机理：基于物理效应、基于化学效应、基于生 物效应；传感器的构成原理：结构型与物性型；能量转换情况：能量转换型和能量控制型； 根据传感器的工作原理分类：可分为电容式、电感式、电磁式、压电式、热电式、气电式、 应变式等； 根据传感器使用的敏感材料分类： 可分为半导体传感器、

2、光纤传感器、 陶瓷传感 器、高分子材料传感器、复合材料传感器等；根据传感器输出信号为模拟信号或数字信号： 可分为模拟量传感器和数字量（开关量） 传感器；根据传感器使用电源与否： 可分为有源传 感器和无源传感器； 根据传感器与被测对象的空间关系： 可分为接触式传感器和非接触式传 感器； 根据与某种高新技术结合而得名的传感器： 如集成传感器、 智能传感器、机器人传感 器、仿生传感器等；根据输入信息分类：可分为位移、速度、加速度、流速、力、压力、振 动、温度、湿度、粘度、浓度等。3. 举例说明结构型传感器与物性型传感器的区别。结构型： 利用物理学中场的定律构成的， 特点是其工作原理是以传感器中元件相

3、对位置 变化引起场的变化为基础， 而不是以材料特性变化为基础。 其基本特征是以其结构的部分变 化或变化后引起场的变化来反映被测量（力、 位移等）的变化。如电容传感器利用静电场定 律研制的结构型传感器。物性型：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。如，光电管利用了外光电效 应，压敏传感器是利用半导体的压阻效应。4. 传感器与传感技术概念有什么不同？ 答：传感器是获取信息的工具。传感器技术是关于传感器设计、制造及应用的

4、综合技术。5. 什么叫传感技术？传感技术的特点是什么？ 答：传感技术是关于从自然信源获取信息，并对之进行处理（变换）和识别的一门多学科交 叉的现代科学与工程技术， 它涉及传感器、 信息处理和识别的规划设计、 开发、制（建）造、 测试、 应用及评价改进等活动。特点：传感技术涉及传感（检测）原理、传感器件设计、传感器开 发和应用的综合技术； 传感技术的含义比传感器更为广泛， 它是敏感功能材料科学、 传感器 技术、微细加工技术等多学科技术互相交叉渗透而形成的一门新技术学科传感器工程学； 传感器技术是测量技术、 半导体技术、 计算机技术、 信息处理技术、 微电子学、 光学、声学、 精密机械、仿生学、材

5、料科学等众多学科相互交叉的综合性高新技术密集型前沿技术之一。6. 什么是信息？信息的基本特征是什么？“信息是物质存在的一种方式、 形态或运动状态， 也是事物的一种普遍属性， 一般指数 据、消息中所包含的意义，可以使消息中所描述事件的不定性减少。 ”9可普遍性；客观性；依附性；时效性（动态性）；可识别；可转换；可传输；可存储；O共享性、永不枯竭性。7. 什么是信息技术？什么是 3C 技术？信息技术是研究信息的获取、传输和处理的技术，是指有关信息的收集、识别、提取、 变换、存贮、传递、处理、检索、检测、分析和利用等的技术，是用于管理和处理信息所采 用的各种技术的总称。“ 3C”技术Collecti

6、o n Commu ni catio n Computer），指信息的收集、通信和计算机技术。8. 信息技术包括哪些方面？ 答：感测与识别技术；信息传递技术；信息处理与再生技术。9. 传感器与信息有什么关系？ 答：信息的感测，识别，传递等都需要传感器来实现。10. 物质、能量和信息三者之间的关系是什么？ 答：物质、能量和信息，作为物质世界的三种资源，具有三位一体相辅相成的关系；信息是 客观事物和主观认识相结合的产物， 没有信息， 物质和能量便无从认识； 信息是由能量或物 质形态表示的； 信息是载荷于能量流传输的； 信息在传输过程中需要消耗能量， 维持信息传 输必须供给能量； 信息传输的方向与携

7、带信息的能量流方向是一致的； 测量过程中， 被测对 象应具有足够的负熵才能保证有效测量。11. 简述传感技术在现代科学技术、国民经济和社会生活中的地位与作用。 答：感受外界信息的电五官信息技术的源头； 获取人类感官无法获得的大量信息； 工业生产 的倍增器'，科学研究的先官' ，军事上的战斗力' ，国民活动中的物化法官' ，应用 无处不在；没有传感器就没有现代科学技术； 发展现代传感技术己成为国家的一项战略措施。12. 现代传感器研发呈现的特点是什么？答：1）新技术普遍应用，目前普遍采用电子设计自动化（EDA）、计算机辅助制造（CAM）、计算机辅助测试（CAT）、

8、数字信号处理（DSP）、专用集成电路（ASIC ）及 表面贴装技术（SMT）等技术。2）功能日渐完善，随着集成微光、机、电系统技术的迅速发展 以及光导、光纤、超导、纳米技术、智能材料等新技术的应用，进一步实现信息的采集与传 输、处理集成化、智能化，更多的新型传感器将具有自检自校、量程转换、定标和数据处理 等功能，传感器功能得到进一步增强和完善，性能进一步提高，更加灵敏、可靠。3）新型传感器开发加快；新型传感器，大致应包括：采用新原理； 填补传感器空白； 仿生传感器； 新材料开发催生的新材料传感器等诸 方面。它们之间是互相联系的。13. 我国传感器产业发展现状及与国外的差距是什么？如何发展我国的

9、传感器产业？ 答:现状:缺少具有自主知识产权的创新性成果，科研成果向产业转化速度慢，取得显著社会 经济效益的项目少； 缺乏大规模生产的企业， 高档产品种类少，市场满足率低；生产工艺装 备离国际水平有较大差距；整体还处于跟踪状态。差距:器件品种少，高端产品主要依赖进口；自动化、智能化水平较低；模块化、标准化、 集成化程度较低；稳定性较差、可靠性较低；信号检测精度较低；性能价格比低，市场竞争 力较弱。集中具有强实力的企业，开拓市场， 真正形成一定的规模。增加高水平传感器的生 产。增强传感研究方面科研投资力度，增加先进的科研设备，提高科研成果的转化效率。14. 简述现代传感技术的发展现状与趋势。答:

10、 开发新材料、研究新型传感器；向高精度发展；向高可靠性、 宽温度范围发展；向微型化发展；向微功耗及无源化发展；向集成化、多功能化发展；向智 能化发展；向数字化、网络化发展；多传感器的集成与融合；多学科交叉融合，实现无线网 络化；15. 举例说明传感技术的应用。 答：探月小车，机器人，工程检测。 。第 2 章传感器的理论基础1. 传感器所依据的自然定律、规律有哪些？ 答：守恒定律；场的定律；物质定律；统计物理学法则2. 物理型传感器所依据的物理定律、物理现象、物理效应主要可归纳为哪几类？ 答：物理定律 :守恒定律，场的定律，物质定律，统计物理学法则；物理现象：量子现象（量 子尺寸效应、光电效应，

11、核磁共振、约瑟夫逊效应） ，热平衡现象（热平衡一次效应，热平 衡二次效应） ，传输现象（塞贝克效应，珀耳帖效应） ；物理效应：法拉第效应，磁光克尔效 应，科顿 -穆顿效应，塞曼效应，光磁效应。3. 举例说明传感器与守恒定律、场的定律、统计法则和物质定律的关系。 利用守恒定律构成的传感器， 如利用差压原理进行流量测量的传感器， 其基本原理是以能量 守恒定律、伯努利方程和流动连续性方程为基础的；利用场的定律构成的传感器， 其性能由定律决定， 与使用材料无关， 如利用静电场的有关定 律制成电容传感器， 利用电磁感应定律可以构成磁电感应式传感器； 以差压变压器为例， 使 用坡莫合金或铁氧体做铁芯，都是

12、作为差压变压器工作。利用各种物质定律构成的传感器统称为物性型传感器。 这些传感器的主要性能在很大程度上 受相应的物理常数或化学、 生物特性所决定， 也即与物质的材料密切相关， 利用半导体物质 具有的压阻、热阻、光阻、湿阻和霍尔等效应，可以分别制成力、压力、温度、光强、湿度 和磁场等传感器， 利用压电材料所具有的压电效应可制成压电式、 声表面波和超声波等传感 器，利用生物、化学敏感特性制成的生物、化学传感器等。统计物理学认为： 所有宏观上可观测的物理量都是相应微观量的统计平均值， 许多看似杂乱 无章的微观运动表现出统计规律性。 利用热噪声的热力学温度的关系可以构成热噪声型热敏 电阻。目前成功利用

13、构成传感器的法则是奈奎斯特定理， 利用热噪声与绝对温度的关系可以构成热 噪声型热敏电阻。 由于绝对温度与热噪声电压之间有确定的关系， 因此它可作为彼岸准温度 计用来直接测量绝对温度而不需要校准4. 什么是热平衡型的一次效应和二次效应？写出热平衡现象中的麦克斯韦关系式，举例说明它们在传感器中的应用。不同种类能量所对应的强度型状态量与容量型状态 （或相反） 微分之比为定值， 具有这种关 系的效应称为热平衡一次效应，一次效应是可逆的； 同一种类能量的示强变量与示容变量微分之比， 或同一种类能量的示容变量与示强变量微分 之比，是不能直接构成传感器的， 这些比例系数虽然不能在传感器中直接而将被测量转换成

14、 电信号输出， 但可以利用其中的状态量与其他状态量之间的关系制成各种传感器， 这种变换 称为二次效应，二次效应没有逆效应。一次效应的例子有压电效应， 压磁效应； 二次效应利用弹性元件受力产生变形， 其应变与应 变片电阻值的关系可制成电阻应变式力（压力 ）传感器。光电比色高温计。5. 什么叫传输现象？什么叫传输现象的一次效应？举明传输现象一次效应在传感器中的应 用。当系统中存在有强度量的差或梯度时， 相应的广延量就随时间而变化， 即广延量的流动， 这 种现象称为传输现象。 把这种不同种类的亲和力和流之间的效应称为一次效应。 塞贝克效应 是因温度差而产生电流，珀耳帖效应由电位差产生电流。6. 简述

15、各类基础效应的含义以及与传感器的关系。 答:在光的照射下，物质内部的电子受到光子的作用，吸收光子能量而从表面释放出来的现 象，称为外光电效应；在光的照射下，物质吸收入射光子的能量，在物质内部激发载流子， 但这些载流子仍留在物质内部， 从而增加物体的导电性或产生电动势、 或产生光电流的现象， 称为内光电效应； 物质的光学特性 （如折射率） 受外电场的影响而发生变化的现象统称为电 光效应；某些非晶体物质（如塑料、玻璃）在机械力的作用下，弹性体的折射率发生变化， 呈现双折射性质的效应。 这称作应力致双折射或光弹效应； 电致发光效应： 某些固态晶体如 高纯度锗、 硅和砷化镓等化合物半导体在光和外加电场

16、作用下发出冷光 （指荧光和磷光） 的 现象，以及某些固态晶体如磷化镓、 磷化铟等无需外加激发光而在外加电场作用下即可发光 的现象；置于外磁场的物体， 在光和外磁场的作用下， 其光学特性 （如吸光特性、 折射率等） 发生变化的现象称为磁光效应。7. 什么是传感器的敏感材料？传感器敏感材料有哪些类型？它的基本特性是什么？ 答：传感器的敏感材料用来制作敏感元件的基本材料，是对电，光，声，力，热，磁，气体 分布，酶等物理，化学，生物待测量变化而表现出性能明显改变的功能材料。类型：按结晶 状态可分为：单晶、多晶、非晶和微晶等类。按电子结构和化学键可分为：金属、陶瓷和聚 合物三大类。按物理性质又可分为：超

17、导体、导电体、半导体、介电体、铁电体、压电体、 铁磁体、铁弹体、磁弹体等几种。按形态分有：掺杂、微粉、薄膜、块状（带、片 ）、纤维等形态。特性：功能（感知，响应，信息识别与积累，恢复，智能功能） ；特征（敏感性好， 可靠性高，加工性好，经济性好） 。8. 按材料成分进行分类，敏感材料可以分为以下哪几种？敏感材料按照高分子功能材料分， 可以分为那几种？答：金属材料，无机材料和有机材料；导电材料，介电材料，压电材料，热电材料，光电材 料，磁性材料，透光和导光材料，发光材料，激光材料，非线性光学材料，光调制用材料， 红外材料，隐身材料，梯度功能材料，机敏材料和智能材料，纳米材料，仿生材料等。9. 目

18、前，已经实用化的生物传感器所用的高分子敏感材料主要有以下哪几种？答：10. 光纤有哪些类型？考察光纤性能的主要参数是什么？11. 什么是功能陶瓷？它的特点是什么？ 答：功能陶瓷利用材料的电、 光、磁、声、热和力等性能及其耦合效应， 成为对温度、 压力、 磁性和光强变化等外界条件特别敏感的材料。 耐热、耐磨、耐腐蚀等优良特性，而且适宜用 在条件苛刻的气氛中。12. 形状记忆材料有哪几类？它们有什么用途？答：形状记忆合金（SMA）在高温下处理成一定形状的金属急冷下来，在低温相状态下经塑 性变形为另一种形状， 然后加热到高温相成为稳定状态的温度时， 恢复到低温塑性变形前的 形状。形状记忆陶瓷（SMC

19、）热诱发、应力诱发、外电场诱发；陶瓷的形状记忆变形的量较 小；而且每次记忆循环中都有较大的不可恢复变形；随着循环次数的增加，累积变形增加， 最终导致裂纹出现；它没有双程记忆效应。形状记忆高分子（SMP）13. 什么是智能材料？智能材料的特征和基本组成是什么？ 答：具有感知内外环境刺激，对之进行分析、处理、判断、并采取一定的措施进行适度响应 的智能特征的材料。传感功能，反馈功能，信息识别与积累功能，思考功能和预见功能，响 应功能，自诊断能力，自修复能力，自调节能力。组成：基体，敏感，驱动材料。14. 弹性元件在传感器中的作用是什么？用什么参数考察弹性元件的基本特性？举例说明传感器中常用的典型弹性

20、元件的结构形式。答：把被测物理量转换成电量；刚度，灵敏度，弹性滞后，弹性后效，固有振动频率，温度 特性，机械品质因数和蠕变。第 3 章 传感器构成论1. 传感器一般包括哪些部分，各部分的作用是什么？答： 1、敏感元件：直接感受被测量，以确定的关系输出某一物理量（包括电学量）。2、转换元件：将敏感元件输出的非电量物理量转换为电学量（包括电路参数量）。3、转换电路：将电路参数（如电阻、电容、电感）量转换成便于测量的电学量（如电 压、电流、频率等） 。2. 从传感器的结构形式来划分， 可将传感器按其构成方法分为哪几类？各类型的特点是什么？ 并画出各类型的结构简图。答:1. 通用型、 2.参比型、 3

21、.差动型、 4.反馈型。1. 通用型 根据组成可分为：能量变换基本型、能量控制基本型、能量变换特殊型（辅助能 源型）、电路参数型和多级变换型。（1）能量变换基本型特点：1）只由敏感元件构成。 2）不需外加电源，敏感元件就是能量变换元件，能量从被测对 象获得，输出能量较弱。 3）利用热平衡现象或传输现象中的一次效应制成是可逆的。4）对被测对象有负荷效应 （因输出逆效应而影响输入） 。5）输出能量不可能大于被测对象的能量。（2）能量控制基本型特点： 1）也由敏感元件组成， 但需外加电源才能将被测非电量转换成 电量输出。 2）输出能量可大于被测对象具有的能量。 （ 3）无需变换电路即可有较大的电量

22、输出。（3）能量变换特殊型（辅助能源型）特点： 1）只由敏感元件构成。 2）能量从被测对象获 得，属能量变换型。 3）辅助能源是为了增加抗干扰能力或提高稳定性，或取出信号，或为 原理所需要而使用固定磁场。（ 4）电路参数型特点： 1） 敏感元件对输入非电信号进行阻抗变换。 2） 转换电路含有该敏 感元件。 3） 电源向转换电路提供能量从而输出电量，属于能量控制型。 4） 输出能量远大于 输入能量。 5） 利用传输现象中的二次效应都属于此类传感器。2. 参比补偿型 特点： （1） 采用两个（或两个以上）性能完全相同的敏感元件。其中一个感受 被测量和环境量，另一个只感受环境量作补偿用。 （2） 两

23、个敏感元件同时接到电桥的相邻两 臂或反串。 （3） 能消除环境和条件变化干扰的影响（如温度、电源电压） 。3. 差动结构型 特点： （1） 采用两个（或两个以上）性能完全相同的敏感元件，同时感受相同 的环境影响量和方向相反的被测量。 （2） 反串或接入电桥相邻的两臂。 （3） 输出信号提高一 倍。 （4） 传感器差动结构以提高灵敏度、线性度，减小或消除环境因素的影响。4. 反馈型 特点： （1） 传感器的敏感元件（或转换元件）同时兼作反馈元件。（2） 是闭环系统、传感器输入处于平衡状态，故又称为平衡式传感器。 （3） 主要有力（位移）反馈 和热反馈型，如差动电容力平衡式加速度传感器、热线热反馈

24、型流速传感器等。 4） 结构较 复杂，应用于特殊场合（高精度微差压、高流速） 。3. 传感器与被测对象之间有哪些关联形式？ 答：与固体对象的关联为： 接触型和非接触型； 与流体对象的关联是安装在盛有流体的容器 里或有流体流动的管道中。4. 传感器的输出数学模型是什么？简述传感器对信号的选择方式。 答：固定式，补偿式，差动方式，频率域及时间域的选择5. 什么是示容变量和示强变量？ 答：描述热平衡状态系统的物理量称为状态量。 如果把这个系统分割成若干个小系统， 则状 态量可分为两种： 与分割方法无关， 其性质由其量的大小来决定的状态量。 称为强度型状 态量，简称示强变量。如温度、压力、电场强度、磁

25、场强度。具有与系统的大小（体积、 面积等）成正比性质的状态量，称为容量型状态量，简称示容变量，又叫容量量或广延量。 如能量、熵、位移等。6. 什么是传感器负载效应？如何消除负载效应的影响？ 答：在实际测量中， 测量系统与被测量对对象之间， 测量系统内部各环节相互连接必然产生 相互作用。接入的测量装置，构成被测量对象的负载；后接环节成为前接环节的负载。 减小负载效应的措施： 1.提高后续环节（负载）的输入阻抗。 2.在原来两个相连环节中，插 入高输入阻抗， 低输出阻抗的放大器， 以便一方面减少从前一环节吸取的能量， 另一方面在 承受后以环节（负载）后又能进、暗笑电压输出的变化，从而减轻总的负载效

26、应。3.使用反馈或零点测量原理，使后面环节几乎不从前面环节吸取能量。7. 传感器的静态特性是什么？由哪些性能指标描述？ 答：传感器的静态特性是指在稳态（静态）信号作用之下（及输入量对时间 t 的各阶导数等 于 0），其输出输入关系的数学模型。指标：量程和测量范围，线性度，滞后，重复性，灵敏度，分辨率，阈值，稳定性，漂移及 精度等。8. 传感器的动态特性主要技术指标有哪些？它们的意义是什么？ 答： 1.阶跃响应及时域性能指标时间常数，上升时间，响应时间，超调量，峰值时间， 延迟时间，衰减率，稳态误差。9. 传感器的静态特性与动态特性的区别何在？ 答：静态特性是指被测量信号不随时间的变化而变化（或

27、变化很慢） 。动态特性是指被测量 信号随时间的变化而变化。10. 一阶传感器的传递函数和频率响应函数是什么？11. 传感器的线性度是如何确定的？确定拟合直线有哪些方法？12. 已知某传感器的静态特性方程为，试分别用切线法、端点直线法、最小二乘法在范围内 拟合刻度直线方程，并求出相应的线性度。第 4 章传感器的应用基础1. 传感器与测量系统有什么关系？（三个部分） 传感器是测量系统的第一级， 主要功能是检测和敏感被测量， 它输入被测量， 输出大多为电 学模拟量。2. 什么叫测量？什么叫计量？它们之间有什么异同？ 测量是将被测量同已知量相比较， 以确定被测量与选定单位的比值。 这个比值同测量单位结

28、 合在一起称量值。测量是以确定被测量值为目的的一系列操作,是人们对客观事物取得定量认识的一种手段。计量是规范测量的测量。 计量依法监督测量工具的准确性与测量行为的规范性， 使用有溯源 性的标准与测量仪器、 按照规程、 由资格被确认的人员进行的以判别测量器具合格性为目的 的测量，是计量。测量与计量的具体工作对象不同。 测量的直接目的是得到测得值； 计量的目的是保证测量的 准确。“测量”就是为获取量值信息的活动； “计量”不仅要获取量值信息，而且要实现量值 信息的传递或溯源。 “测量”作为一类操作，其对象很广泛； “计量”作为一类操作，其对象 就是测量仪器。 “测量”可是以孤立的； “计量”则存在

29、于量值传递或溯源的系统中。 测量与计量的划分， 以测量工具的作用为界。 测量是用测量工具认识物理量， 相信的是测量 工具， 目的是得到被测量的量值；计量的目的是拿标准（已知的量值） 检查测量工具的合格 性，相信的是标准。简言之：相信测量工具的是测量，检查测量工具的是计量。3. 什么叫量值传递？什么叫量值溯源？ 将国家计量基准所复现的计量单位量量值， 通过检定 （或其它传递方式） 传递给下一等级的 计量标准， 并依次逐级传递到工作计量器具， 以保证被计量的对象的量值准确一致， 称为量 值传递。 通过一条具有规定不确定度的不间断的比较链， 使测量结果或测量标准的值能够与规定的参 考标准 （国家计量

30、标准或国际计量标准） 联系起来的特性，称为量值溯源性。量值溯源是从 下而上，量值传递则是自上而下的。4. 传感器的误差主要有哪些？产生的原因是什么？ 答：原理性误差，动态误差，环境噪声干扰误差，测量定标误差，接入系统时的负载误差， 人员操作误差等。由环境，原理，噪声干扰，人员等造成。系统误差，随机误差， （也称偶然误差 ）和粗大误差三类 在同一条件下 ,多次测量同一量值时 ,绝对值和符号保持不变 ,或在条件改变时 ,按一定规律变 化的误差称为系统误差；在同一条件下 ,多次测量同一量值时 ,绝对值和符号以不可预定方式 变化着的误差称为随机误差； 超出在规定条件下预期的误差称为粗大误差 ,或称“寄

31、生误差” 。 （绝对误差，相对误差和引用误差三类标准量具的误差；仪器误差；附件误差；环境误差； 方法误差；人员误差）5. 简述传感器线性化的主要方法及其原理。6. 说明差动技术的原理及技术环节。 原理：采用两个 （或两个以上） 性能完全相同的敏感元件，同时感受相同的环境影响量和方 向相反的被测量。 测量时输入信号是同时加到原理相同、 性能一致的两个敏感元件上的， 但 对于输入信号， 两个敏感元件的参数变化是成相反方向的； 而对于环境变化， 两个敏感元件 的变化则是成相同方向的， 通过变换电路， 使有用输出量增加， 干扰量相减便可以消除环境 变动的影响。技术环节：反串或接入电桥相邻的两臂。7. 举例说明误差平均效应的原理。 （温度传感器） 误差平均效应原理是利用 n 个相同的传感器单元同时感受被测量， 因而其输出将是这 n 个单 元输出的总和。 若将每个单元可能带来的误差均可看作随机误差且服从正态分布， 根据误差 理论，对 n 个单元来说，总的误差将减小为：8. 相对于开环测量