传感器技术及实训习题答案

1．什么是传感器？（传感器定义）

传感器是接收信号或刺激并反应的器件，以测量为目的，以一定精度把被测量转换为与之有确定关系的、易于处理的电量信号输出的装置。

2．传感器由哪几个部分组成？分别起到什么作用？

传感器一般由敏感元件、转换元件、转换电路三部分组成：

1）敏感元件：直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的某一物理量的元件。

2）转换元件：以敏感元件的输出为输入，把输入转换成电路参数。

3）转换电路：上述电路参数接入转换电路，便可转换成电量输出。

3. 传感器特性在检测系统中起到什么作用？

作为信息采集系统的前端单元，传感器的作用越来越重要。目前传感器已成为自动化系统和机器人技术中的关键部件，作为系统中的一个结构组成，其重要性变得越来越明显。而传感器性能质量直接影响到检测系统的结果。

4．传感器的性能参数反映了传感器的什么关系？

传感器的特性是指传感器的输入量和输出量之间的对应关系

5．静态参数有哪些？各种参数代表什么意义？

1)灵敏度

灵敏度是指仪表、传感器等装置或系统的输出量增量与输入量增量之比。

2)分辨力

分辨力是指传感器能检出被测信号的最小变化量，是有量纲的数。

3)线性度

人们总是希望传感器的输入与输出的关系成正比，即线性关系。

4)迟滞

迟滞是指传感器正向特性和反向特性的不一致程度。

5)稳定性

稳定性包含稳定度和环境影响量两个方面。稳定度指的是仪表在所有条件都恒定不变的情况下，在规定的时间内能维持其示值不变的能力. 环境影响量是指由于外界环境变化而引起的示值变化量。

6．动态参数有那些？应如何选择？

动态特性是指传感器输出对随时间变化的输入量的响应特性，传感器的动态特性是传感器的输出值能够真实地再现变化着的输入量能力的反映。传感器的频率响应特性决定了被测量的频率范围，必须在允许频率范围内保持不失真的测量条件，实际上传感器的响应总有—定延迟，希望延迟时间越短越好。

一般来讲，利用光电效应，光电型传感器响应较快，工作频率范围宽。而结构型传感器，如电感传感器、电容传感器、磁电式传感器等，往往由于结构中的机械系统惯性的限制，其固有频率低，工作频率也较低。

在动态测量中，传感器的响应特性对测试结果有直接影响，在选用时，应充分考虑到被测物理量的变化特点（如稳态、瞬变、随机等）。

1．什么是应变效应？

金属导体在外力作用下发生机械变形时，其电阻值随着它所受机械变形(伸长或缩短)的变化而发生变化的现象，称为金属电阻的应变效应。

2．说明电阻应变片的组成和种类。

电阻应变片由基底、敏感栅、盖层和引线组成。电阻应变片主要有金属和半导体两类，金属应变片有金属丝式、箔式、薄膜式之分。

3．在传感器测量电路中，直流电桥与交流电桥有什么不同，如何考虑应用场合？用电阻应变片组成的半桥、全桥电路与单桥相比有哪些改善？

直流电桥和交流电桥首先电源的不同；其次直流电桥是由电阻组成的电桥。交流电桥桥臂为电容称电容电桥或交流电桥桥臂为电感称电感电桥。由于应变电桥输出电压很小，一般都要加放大器，而直流放大器易于产生零漂，因此应变电桥多采用交流电桥。

用电阻应变片组成的半桥、全桥电路比单桥相输出灵敏度高同时非线性误差小，因此在实际应用中多采用四臂全桥。

4．电感式传感器有哪些种类？它们的工作原理是什么？

电感式传感器种类很多，常见的有自感式，互感式和涡流式三种。自感式传感器利用被测物理量变化引起传感器线圈自感量变换进行测量。把被测的非电量变化转换为线圈互感变化的传感器称为互感式传感器。电涡流式传感器是利用涡流效应，将非电量转换为阻抗的变化而进行测量的。

5．什么是电涡流效应？电涡流传感器可以进行哪些非电量参数测量？分别利用哪些物理量进行检测，由哪个电参量转换进行电量输出的？

金属导体放置于变化的磁场中时，就会在导体中产生感生电流，这种电流在导体中是自行闭合的，这就是所谓电涡流。电涡流的产生必然要消耗一部分能量，从而使产生磁场的线圈阻抗发生变化，这一物理现象称为涡流效应。

6．如图2-50所示是一种测量血压的压力传感器在工作时的示意图。薄金属片P固定有4

个电阻侧面图R1、R2、R3、R4（如图2-51所示），这四个电阻连接成电路如图2-52所示，试回答下列问题：

（1）开始时金属片中央O点未加任何压力，欲使电压表无示数，则4个电阻应满足怎样的关系？R1*R4=R2*R3（或R1/ R2= R3/R4）

（2）当O点加一个压力F后发生形变，这时4个电阻也随之发生形变，形变后各电阻大小如何变化？R1和R4拉伸阻值增大；R2和R3缩短阻值减少。

（3）电阻变化后，电阻的A、B两点哪点电压高？它为什么能测量电压？

A点电势将高于B点电势。这是直流电桥的四臂全桥测量转换电路，它把电阻变换转换成电压输出。

3.5 习 题

1.什么是压电晶体的“压电效应”？叙述压电式传感器的工作原理。

某些晶体(如石英等)在一定方向的外力作用下，不仅几何尺寸会发生变化，而且晶体内部会发生极化现象，晶体表面上有电荷出现，形成电场。当外力去除后，表面又恢复到不带电状态，这种现象被称为压电效应。

压电式传感器是将被测量变化转换成材料受机械力产生静电电荷或电压变化的传感器，是一种典型的、有源的、双向机电能量转换型传感器或自发电型传感器。压电元件是机电转换元件，它可以测量最终能变换为力的非电物理量，例如力、压力、加速度等。

2.压电式传感器测量电路的作用什么？其核心是解决什么问题？

与压电元件配套使用的测量电路，其前置放大器应有两个作用：一是把传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出；二是把传感器的微弱信号进行放大。

其核心解决的问题是由于压电元件输出的电信号微弱，电缆的分布电容及噪声等干扰将严重影响输出特性；由于压电元件内阻抗很高，要求压电器件的负载电阻必须具有较高的值。

3.什么是“霍尔效应”？一个霍尔元件在一定电流作用下，其霍尔电势与哪些因素有关？ 置于磁场中的静止金属或半导体薄片，当有电流流过时，若该电流方向与磁场方向不一致，则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。 因为H H H IB U R K IB d

==，式中H H K R d =称为霍尔片的灵敏度。由该式可知，霍尔电势正比于激励电流及磁感应强度。一个霍尔元件在一定电流作用下，其霍尔电势与磁感应强度成正比，其灵敏度与霍尔常数成正比而与霍尔片厚度成反比。为了提高灵敏度，霍尔元件常制成薄片形状。

4.霍尔传感器适用于哪些场合？霍尔元件常用材料有哪些？各有什么特点？

霍尔传感器（霍尔元件和集成霍尔器件）具有结构简单、体积小、动态特性好和寿命长的优点，因此被广泛地应用于测量、自动控制及信息处理等领域。

目前常用的霍尔元件材料有：锗、硅、砷化铟、锑化铟等半导体材料，其中N 型锗容易加工制造，其霍尔系数、温度性能和线性度都较好，应用最为普遍。

5.温度变化对霍尔元件输出电势有什么影响？如何补偿？

半导体材料的电阻率、迁移率和载流子浓度等都随温度变化，对温度的变化很敏感，霍尔元件的性能参数如输入电阻、输出电阻、霍尔电势等都会随温度的变化而变化，这将给测量带来较大的误差，为了减少这一测量误差，除选用温度系数小的元件或采用恒温措施外，还可以采用适当的方法进行补偿。（1）采用恒流源供电和输入回路并联电阻；（2）采用温度补偿元件（如热敏电阻、电阻丝等）。

6.下图是汽车霍尔点火装置示意图，试说明工作原理。