第四章 常用传感器基本原理与参数测试
传感器原理和应用习题和答案
《第一章传感器的一般特性》11）该测速发电机的灵敏度.2）该测速发电机的线性度.2．已知一热电偶的时间常数τ=10s,若用它来测量一台炉子的温度,炉内温度在540οC和500οC 之间按近似正弦曲线波动,周期为80s,静态灵敏度k=1,试求该热电偶输出的最大值和最小值,以与输入与输出信号之间的相位差和滞后时间.3．用一只时间常数为0.355s 的一阶传感器去测量周期分别为1s、2s和3s的正弦信号,问幅值误差为多少？4．若用一阶传感器作100Hz正弦信号的测试,如幅值误差要求限制在5%以内,则时间常数应取多少？若在该时间常数下,同一传感器作50Hz正弦信号的测试,这时的幅值误差和相角有多大？5．已知某二阶系统传感器的固有频率f0=10kHz,阻尼比ξ=0.1,若要求传感器的输出幅值误差小于3%,试确定该传感器的工作频率范围.6．某压力传感器属于二阶系统,其固有频率为1000Hz,阻尼比为临界值的50%,当500Hz的简谐压力输入后,试求其幅值误差和相位滞后.《第二章应变式传感器》1．假设某电阻应变计在输入应变为5000με时电阻变化为1%,试确定该应变计的灵敏系数.又若在使用该应变计的过程中,采用的灵敏系数为 1.9,试确定由此而产生的测量误差的正负和大小.2．如下图所示的系统中：①当F＝0和热源移开时,R l＝R2＝R3＝R4,与U0＝0；②各应变片的灵敏系数皆为+2.0,且其电阻温度系数为正值；③梁的弹性模量随温度增加而减小；④应变片的热膨胀系数比梁的大；⑤假定应变片的温度和紧接在它下面的梁的温度一样.在时间t＝0时,在梁的自由端加上一向上的力,然后维持不变,在振荡消失之后,在一稍后的时间t1打开辐射源,然后就一直开着,试简要绘出U0和t的关系曲线的一般形状,并通过仔细推理说明你给出这种曲线形状的理由.3．一材料为钢的实心圆柱形试件,直径d＝10 mm,材料的弹性模量E＝2 ×1011N／m2,泊松比μ＝0.285,试件上贴有一片金属电阻应变片,其主轴线与试件加工方向垂直,如图1所示,若已知应变片的轴向灵敏度k x ＝2,横向灵敏度C=4%,当试件受到压缩力F＝3×104N作用时.应变片的电阻相对变化ΔR／R为多少.4．在材料为钢的实心圆柱形试件上,沿轴线和圆周方向各粘贴一片电阻120 Ω的金属电阻应变片,如图2所示,把这两片应变片接入差动电桥,已知钢的泊松比μ＝0.285,应变片的灵敏系数k0＝2,电桥电源电压U sr＝6V〔d．C．〕,当试件受轴向拉伸时,测得应变片R1的电阻变化值ΔR1=0.48 Ω,试求电桥的输出电压.图1 图25．一台采用等强度梁的电子秤,在梁的上下两面各贴有二片电阻应变片,做成秤重传感器,如下图所示.已知l＝100 mm,b＝11 mm,t＝3 mm,E＝2.1×104N／mm2,k0＝2,接入直流四臂差动电桥,供桥电压6 V,当秤重0.5 kg时,电桥的输出电压U sc为多大.6．今在〔110〕晶面的〈001〉〈110〉晶面上各放置一电阻条,如下图所示,试求：l〕在0.1MPa 压力作用下电阻条的σr和σt各为何值？2〕此两电阻条为P型电阻条时ΔR／R＝？3〕若为N型电阻条时其ΔR／R？4〕若将这两电阻条改为安置在距膜中心为4.l 7mm处,电阻条上的平均应力σr和σt各为多少？7．现有基长为10 mm与20 mm的两种丝式应变片,欲测钢构件频率为10kHz的动态应力,若要求应变波幅测量的相对误差小于0.5%,试问应选用哪一种？为什么？8．已知一测力传感器的电阻应变片的阻值R＝120Ω,灵敏度系数k0= 2,若将它接入第一类对称电桥,电桥的供电电压U sr＝10V〔d．c．〕,要求电桥的非线性误差e f＜0.5％,试求应变片的最大应变εmax应小于多少,并求最大应变时电桥的输出电压.9．一个量程为10kN的应变式测力传感器,其弹性元件为薄壁圆筒轴向受力,外径20mm,内径18mm,在其表面粘贴八各应变片,四个沿周向粘贴,应变片的电阻值均为120Ω,灵敏度为2.0,波松比为0.3,材料弹性模量E=2.1×1011Pa.要求：1>绘出弹性元件贴片位置与全桥电路；2>计算传感器在满量程时,各应变片电阻变化；3>当桥路的供电电压为10V时,计算传感器的输出电压.10．如图所示电路是电阻应变仪中所用的不平衡电桥的简化电路,图中R2=R3=R是固定电阻,R1与R4是电阻应变片,工作时R1受拉,R4受压,ΔR表示应变片发生应变后,电阻值的变化量.当应变片不受力,无应变时ΔR=0,桥路处于平衡状态,当应变片受力发生应变时,桥路失去了平衡,这时,就用桥路输出电压U cd表示应变片应变后的电阻值的变化量.试证明： U cd=-<E/2><ΔR/R>《第三章电容式传感器》1．试计算带有固定圆周膜片电容压力传感器的灵敏度〔ΔC/C〕/p,如下图.已知在半径r处的偏移量y可用下式表示：式中P——压力；a——圆膜片半径；t——膜片厚度；μ——膜片材料的泊松比.2．在压力比指示系统中采用的电容传感元件与其电桥测量线路如图所示.已知：δ0＝0.25mm,D＝38.2mm,R=5.1kΩ,U＝60V〔A.C〕,f＝400Hz.试求.1）该电容传感器的电压灵敏度〔单位为V/m〕k u？2）当电容传感器活动极板位移Δδ＝10μm时,输出电压U0的值.3．如图所示为油量表中的电容传感器简图,其中1、2为电容传感元件的同心圆筒〔电极〕：3为箱体.已知：R1＝15mm,R2＝12mm；油箱高度H=2m,汽油的介电常数εr=2.1.求：同心圆套筒电容传感器在空箱和注满汽油时的电容量.4．一只电容位移传感器如图所示,由四块置于空气中的平行平板组成.板A,C和D是固定极板.板B是活动极板,其厚度为t,它与固定极板的间距为d.B,C和D极板的长度均为b,A板的长度为2 b,各板宽度为l,忽略板C和D的间隙与各板的边缘效应,试推导活动极板B从中间位置移动x=±b/2时电容C AC和C AD的表达式〔x=0时为对称位置〕.5．试推导下图所示变电介质电容式位移传感器的特性方程C=f<x>.设真空的介电系数为ε0,ε2＞ε1,以与极板宽度为W.其他参数如图所示.《第四章电感式传感器》1．一个铁氧体环形磁心,平均长度为12cm,截面积为1.5cm2,平均相对磁导率μr＝2 000,求：1〕均匀绕线5 00匝时的电感；2> 匝数增加1倍时的电感.2．有一只螺管形差动式电感传感器,已知电源电压U＝4V,f＝400HZ,传感器线圈铜电阻和电感量分别为R＝40Ω,L=30mH,用两只匹配电阻设计成4臂等阻抗电桥,如图1所示,试求：1〕匹配电阻R1和R2的值为多大才能使电压灵敏度达到最大；2>当ΔZ＝10Ω时,分别接成单臂和差动电桥后的输出电压值；3>用矢量图表明输出电压U0与电源电压U之间的相位差；4〕假设该传感器的两个线圈铜电阻不相等R4≠R3,在机械零位时便存在零位电压,用矢量图分析能否用调整衔铁位置的方法使U0=0.图1 图2a图2 b3．试计算图2a所示差动变压器式传感器接入桥式电路〔顺接法〕时的空载输出电压U0,一、二次侧线圈间的互感为M1、M2,两个二次侧线圈完全相同.又若同一差动变压器式传感器接成图2b所示反串电路〔对接法〕,问两种方法哪一种灵敏度高,高几倍？提示：①将图a所示的二次侧绕组边电路图简化如图2c所示等效电路〔根据已知条件Z1＝Z2；②求出图b 空载输出电压与图a计算的结果进行比较.〕图2 c图34．试推导图3所示差动型电感传感器电桥的输出特性U0=f〔ΔL〕,已知电源角频率为ω,Z1、Z2为传感器两线圈的阻抗,零位时Z1＝Z2= r＋jωL,若以变间隙式传感器接入该电桥,求灵敏度表达式k＝U0／Δδ多大〔本题用有效值表示〕.5．图4中两种零点残余电压的补偿方法对吗？为什么？图中R为补偿电阻.图46．某线性差动变压器式传感器采用的频率为100HZ、峰一峰值为6V的电源激励,假设衔铁的输入运动是频率为10Hz的正弦运动,它的位移幅值为±3mm,已知传感器的灵敏度为2V／mm,试画出激励电压、输入位移和输出电压的波形.7．使用电涡流式传感器测量位移或振幅时对被测物体要考虑哪些因素,为什么？《第五章压电式传感器》1．分析压电式加速度传感器的频率响应特性.又若测量电路的总电容C＝1000PF,总电阻R＝500 MΩ,传感器机械系统固有频率f0=30 kHz,相对阻尼系数ξ=0.5,求幅值误差在2%以内的使用频率范围.2．用石英晶体加速度计与电荷放大器测量机器的振动,已知：加速度计灵敏度为5 pC／g,电荷放大器灵敏度为50 mV／pC,当机器达到最大加速度值时相应的输出电压幅值等于2 V,试计算该机器的振动加速度.3．在某电荷放大器的说明书中有如下技术指标：输出电压为±10V,输入电阻大于1014Ω,输出电阻为0.1kΩ,频率响应：0～150kHz,噪声电压〔有效值〕最大为2mV〔指输入信号为零时所出现的输出信号值〕,非线性误差：0.l%,温度漂移：±0.lmV／ºC.l〕如果用内阻为10 kΩ的电压表测量电荷放大器的输出电压,试求由于负载效应而减少的电压值.2〕假设用一输入电阻为2MΩ的示波器并接在电荷放大器的输入端,以便观察输入信号波形,此时对电荷放大器有何影响？3〕噪声电压在什么时候会成为问题？4〕试求当环境温度变化十15o C时,电荷放大器输出电压的变化值,该值对测量结果有否影响？5〕当输入信号频率为180kHZ时,该电荷放大器是否适用？4．试用直角坐标系画出AT型,GT型,DT型,X－30º的晶体切型的方位图.5．压电传感元件的电容为1000PF,k q＝2．5C／cm,连接电缆电容C c＝300 pF,示波器的输入阻抗为1MΩ和并联电容为50pF,试求：1〕压电元件的电压灵敏度多大？2>测量系统的高频响应<V／cm〕.3>如系统测量的幅值误差为5%,最低频率是多少？4〕如f j＝10HZ,允许误差为5 %,用并联连接方式,电容量C值是多大？6．石英晶体压电传感元件,面积为1cm2,厚度为0.lcm,固定在两个金属板之间,用来测量通过晶体两面力的变化.材料的杨氏模量为9×1010Pa,电荷灵敏度为2pC／N,相对介质常数为5,lcm2材料相对两面间电阻为1014Ω.一个20pF的电容和一个100MΩ的电阻与极板并联.如果所加力是F＝0.01sin〔103t〕N.求：1〕两个极板间电压峰一峰值；2〕晶体厚度的最大变化.<0.758mv,1.516mv;1.1×10-10cm>7．已知电压前置放大器的输入电阻为100 MΩ,测量回路的总电容为100pF,试求用压电式加速度计相配测量1Hz低频振动时产生的幅值误差.<94%>8．用压电式传感器测量最低频率为1Hz 的振动,要在1Hz 时灵敏度下降不超过5%,若测量回路的总电容为500pF,求所用电压前置放大器的输入电阻为多大？9．已知压电式加速度传感器的阻尼比是ξ=0.1,其无阻尼固有频率f=32kHz,若要求传感器的输出幅值误差在5%以内,试确定传感器的最高响应频率.10．有一压电式加速度计,供它专用的电缆长度为1.2m,电缆电容为100pF,压电片本身的电容为1000pF,据此出厂时标定的电压灵敏度为100mV／g.若使用中改为另一根电缆,其电容为300pF,长为2.9m,问其电压灵敏度作如何改变.<60mv/g>《第六章数字式传感器》1．数字式传感器的特点？根据工作原理数字式传感器可分为那几类？2．光栅传感器的基本原理？莫尔条纹如何形成？有何特点？3．分析光栅传感器具有较高测量精度的原因.《第七章固态传感器》1．霍尔元件能够测量哪些物理参数？霍尔元件的不等位电势的概念是什么？温度补偿的方法有哪几种？2．简述霍尔效应与构成以与霍尔传感器可能的应用场合.3．光电效应可分为几类？说明其原理并指出相应的光电元件.4．试拟定用光敏二极管控制,用交流电源供电照明的明通与暗通直流继电器电路原理图,并说明之.《第八章光纤传感器》1．说明光纤的组成并分析其传光原理,指出光纤传光的必要条件？2．光纤损耗是如何产生的？它对光纤传感器有哪些影响？。
1.2 常用传感器工作原理及测量电路
三 电感式传感器工作原理
1 自感式传感器
线圈自感 L N 2 / li / i Si 2 / 0S
l i ——各段导磁体的长度； U i——各段导磁体的磁导率；
S i ——各段导磁体的截面积；δ ——空气隙的厚度；
U0 ——真空磁导率;
S ——空气隙截面积
L f ,S
L f1 变气隙型传感器
差动式电感传感器
• 为了改善线性在实际中大都采用差动式， 采
用两个相同的传感线圈共用一个衔铁。
• 要求两个导磁体的几何尺寸及材料完全相同，两个线圈的电
气参数和几何尺寸完全相同。
差动式优点：
1、线性好；
2、灵敏度提高一倍，即衔铁位移相同时， 输出信号大一倍；
3、温度变化、电源波动、外界干扰等对 传感器的影响，由于能够相互抵消而减小；
2C
交流电桥的输出电压与传感器的电容相对变化量成正比。
变压器电桥电路
➢电感式传感器和电容式传感器的转换电路还常采用变压器电 桥 ➢它的平衡臂为变压器的两个二次侧绕组，差动传感器的两差 动电容或差动电感分别接在另两个臂
设其阻抗分别为Z1和Z2， (由于被测量使传感器的阻抗发生变化)
Z1 Z Z
Z2 Z Z
压电传感器在受外力作用时，在两个电极表面 聚集电荷，电荷量相等，极性相反，相当于一个以 压电材料为电介质的电容器。可测量能变换为力的 各种物理量。
常用的压电材料
• 石英晶体 • 水溶性压电材料（酒石酸钾钠、硫酸锂、
磷酸二氢钾等）
• 铌酸锂晶体 • 压电陶瓷（钛酸钡压电陶瓷、锆钛酸铅
系压电陶瓷、铌酸盐系压电陶瓷）
4、电磁吸力对测力变化的影响也由于能 够相互抵消而减小。
2 差动变压器传感器（互感）
传感器及测量的基本知识
了测量质量的好坏。
**约定真值：实际计算中用约定真值代替真值。对某一
被测量用精度高一级的仪表测得的值，可视为精度低一 级仪表的约定真值。
1、误差的分类：
注意示值和仪器的读数是有区别的，读数
1）按误差的表示方法分类
(1)绝对误差 被测量的指示值Ax与其真值A0之间的差值。 Δ＝Ax－A0 有正、负，有单位。 修正值：等于绝对误差的相反数（C=－Δ），则 A0＝Ax＋C
狭义理解：传感器是把被测的非电 量转换成电量的器件或装置。
二、传感器的组成
被测量
敏感元件
转换元件 辅助电源
转换电路
电量
敏感元件：能直接感受被测量，并输出与被测量成
确定关系的某一物理量的元件。常被称为弹性敏感元 件。 转换元件：能将感受到的非电量直接转换成电量的 器件或元件。如应变片将应变转换为电阻量。
非线性项系数
直线拟合线性化
非线性误差或线性度
线性度(非线性误差):
γ L Δmax 100% yFS
非线性偏差的大小是以一定的拟合直线为基准直线 而得出来的。拟合直线不同，非线性误差也不同。所以， 选择拟合直线的主要出发点，应是获得最小的非线性误 差。另外，还应考虑使用是否方便，计算是否简便。
重复性属于随机误差，
为标准误差。
D．零漂： 传感器在零输入状态下，输出值的变化称 为零漂，零漂可用相对误差表示，也可用绝对误差表 示。
2、动态特性
传感器能测量动态信号的能力用动态 特性表示。动态特性是指传感器测量动态 信号时，输出对输入的响应特性。传感器 动态特性的性能指标可以通过时域、频域 以及试验分析的方法确定，其动态特性参 数如：最大超调量、上升时间、调整时间、 频率响应范围、临界频率等。
传感器与测试技术章节测试题
章节测试题第一章 信号及其描述（一）填空题1、 测试的基本任务是获取有用的信息，而信息总是蕴涵在某些物理量之中，并依靠它们来传输的。
这些物理量就是 ，其中目前应用最广泛的是电信号。
2、 信号的时域描述，以 为独立变量；而信号的频域描述，以 为独立变量。
3、 周期信号的频谱具有三个特点： ， ， 。
4、 非周期信号包括 信号和 信号。
5、 描述随机信号的时域特征参数有 、 、 。
6、 对信号的双边谱而言，实频谱（幅频谱）总是 对称，虚频谱（相频谱）总是 对称。
（二）判断对错题（用√或×表示）1、 各态历经随机过程一定是平稳随机过程。
（ ）2、 信号的时域描述与频域描述包含相同的信息量。
（ ）3、 非周期信号的频谱一定是连续的。
（ ）4、 非周期信号幅频谱与周期信号幅值谱的量纲一样。
（ ）5、 随机信号的频域描述为功率谱。
（ ） （三）简答和计算题1、 求正弦信号t x t x ωsin )(0=的绝对均值μ|x|和均方根值x rms 。
2、 求正弦信号)sin()(0ϕω+=t x t x 的均值x μ，均方值2xψ，和概率密度函数p(x)。
3、 求指数函数)0,0()(≥>=-t a Ae t x at 的频谱。
4、 求被截断的余弦函数⎩⎨⎧≥<=Tt T t t t x ||0||cos )(0ω的傅立叶变换。
5、 求指数衰减振荡信号)0,0(sin )(0≥>=-t a t e t x atω的频谱。
第二章 测试装置的基本特性（一）填空题1、 某一阶系统的频率响应函数为121)(+=ωωj j H ，输入信号2sin)(t t x =，则输出信号)(t y 的频率为=ω ，幅值=y ，相位=φ 。
2、 试求传递函数分别为5.05.35.1+s 和2224.141nn ns s ωωω++的两个环节串联后组成的系统的总灵敏度。
3、 为了获得测试信号的频谱，常用的信号分析方法有 、和 。
传感器原理及应用实验指导书解读
电工电子实验中心实验指导书传感器原理及应用实验教程目录目录实验一应变片直流全桥的应用—电子秤实验................................................. - 1 -实验二差动变压器测位移实验....................................................................... - 9 -实验三霍尔传感器测位移和转速实验.......................................................... - 15 -实验四电涡流传感器测位移和振动实验 ...................................................... - 19 -实验五光电传感器控制电机转速实验.......................................................... - 25 -实验六K热电偶测温性能实验..................................................................... - 29 -实验七气敏传感器实验 ............................................................................... - 36 -实验八湿敏传感器实验 ............................................................................... - 38 -附录A CSY－2000型传感器与检测技术实验台说明书 ................................. - 41 -附录B 智能调节器简介................................................................................ - 44 -实验一应变片直流全桥的应用—电子秤实验一、实验目的了解应变直流全桥的应用及电路的标定。
传感器原理及其应用考试重点
传感器原理及其应用第一章传感器的一般特性1）信息技术包括计算机技术、通信技术和传感器技术，是现代信息产业的三大支柱。
2）传感器又称变换器、探测器或检测器，是获取信息的工具广义：传感器是一种能把特定的信息（物理、化学、生物）按一定规律转换成某种可用信号输出的器件和装置。
狭义：能把外界非电信息转换成电信号输出的器件。
国家标准（GB7665-87）：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。
3）传感器的组成：敏感元件是直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的某一物理量的元件。
转换元件：将敏感元件输出的非电物理量转换成电路参数或电量。
基本转换电路：上述电路参数接入基本转换电路（简称转换电路），便可转换成电量输出。
4）传感器的静态性能指标（1）定义: 传感器输出量的变化值与相应的被测量（输入量）的变化值之比,传感器输出曲线的斜率就是其灵敏度。
①纯线性传感器灵敏度为常数，与输入量大小无关；②非线性传感器灵敏度与x有关。
（2）线性度定义:传感器的输入-输出校准曲线与理论拟合直线之间的最大偏离与传感器满量程输出之比，称为传感器的“非线性误差”或“线性度”。
线性度又可分为：①绝对线性度：为传感器的实际平均输出特性曲线与理论直线的最大偏差。
②端基线性度：传感器实际平均输出特性曲线对端基直线的最大偏差。
端基直线定义：实际平均输出特性首、末两端点的连线。
③零基线性度：传感器实际平均输出特性曲线对零基直线的最大偏差。
④独立线性度：以最佳直线作为参考直线的线性度。
⑤最小二乘线性度：用最小二乘法求得校准数据的理论直线。
（3）迟滞定义：对某一输入量，传感器在正行程时的输出量不同于其在反行程时的输出量，这一现象称为迟滞。
即：传感器在正(输入量增大)反（输入量减小）行程中输出输入曲线不重合称为迟滞。
（4）重复性定义：在相同工作条件下，在一段短的时间间隔内，同一输入量值多次测量所得的输出之间相互偏离的程度。
第四章常用传感器基本原理与参数测试.
0
( x / 0) 1 Cx C 0(1 x ) 0 1 1 容抗 xc C S ，容抗与 成正比
西北工业大学自动化学院电气工程系-电气测试技术
电容式传感器的特点：
• • • • • （1）需要的动作能量或力极小。在移动过程中，没有摩擦和几乎没有反 作用力，特别适宜用来解决输入能量低的条件下的测量问题。 （2）有良好的动态响应特性。作用能量极小，有较小的可动质量，有较 高的固有频率。能在几兆赫的频率下工作，有良好的动态响应能力。 (3)灵敏度高，分辨力强。能感受或分辨0.01微米甚至更小的位移。 (4)零点漂移很小。本身几乎不存在发热问题，不存在由本身发热而引 起的零点漂移。 (5)能实现无接触测量。
应变式电阻传感器： • 是一种能将机械构件上应变的变化转换为电阻变化的传感元件。 电阻应变片的工作原理基于金属的应变效应。 • 金属应变效应是指金属导体的电阻随着它所受机械变形(伸长或缩 短)的大小而发生变化的现象。
R l s
R
R R R l l l S l 2 S l S S S S
第四章 常用传感器原理与参数测试
• • • • • • 1 概述 2 电阻式传感器 3 电容式传感器 4 热电式传感器 5 光电式传感器 6 半导体磁效应传感器霍尔传感器
西北工业大学自动化学院电气工程系-电气测试技术
1 概述
传感器定义：传感器是一种能将特定的被测信息（物理量、化学量、 生物量等），按一定规律转换成某种可用输出信号的器件。 智能传感器：传感器与微处理器相结合所形成的不仅具有信号检测 功能，而且具有信息处理功能的传感器系统 分类： 按输入量：温度、压力、流量、位移等 按输出量：电压、电流、电荷、电阻、电感、电容等 考虑传感器的输入-输出对应关系： • 静态特性：静态输入信号 • 动态特性：动态输入信号
常用传感器原理及应用
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2）应变片粘贴于弹性元件上，与弹性元件一起构成应变式传感器。 这种传感器常用来测量力、位移、压力、加速度等物理参数。在 这种情况下，弹性元件将得到与被测量成正比的应变，再通过应 变片转换成电阻的变化后输出。
当梁因将位被随而应移测之应变成物产变片正体生片接比产于产入的生位生桥电位移相路压移相应，信时等的输号，的应出。悬挠变与最臂度。新，版整理p测振力产定速pt 量动，生的度时加悬弯频成，速臂曲率正基度梁变范比座使在形围。固质惯。内定量性梁与在块力的振振产的应动动生作变体9体惯用在的上性下一加。
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3、螺管式
单螺管线圈型，当铁芯在线圈中运动时，
将改变磁阻，使线圈自感发生变化。这种
传感器结构简单、制造容易，但灵敏度低，
适用于较大位移(数毫米)测量。
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二、差动变压器式传感器（互感式）
双螺管线圈差动型，较之单螺
管线圈型有较高灵敏度及线性，
被用于电感测微计上，其测量 范围为0～300μm，最小分辨 力为0.5μm。线圈电感L1、 L2随铁芯位移而变化 .
被测非电量转换成电量的装置。
测力计
压力计
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温度计
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二、传感器的组成
传感器通常由三部分组成： 敏感元件： 直接感受被测量,输出与被测量成确定关系。 转换元件： 敏感元件的输出就是转换元件的输入,它把输入转
换成电量参量 。 转换电路： 把转换元件输出的电量信号转换为便于处理、显
示、记录变片的结构和测量原理
电阻丝应变片是用直径为0.025mm具有高电阻率的电阻丝制 成的。为了获得高的阻值，将电阻丝排列成栅状，称为敏感栅， 并粘贴在绝缘的基底上。电最阻新版丝整理的pp两t 端焊接引线。敏感栅上6 面粘 贴有保护作用的覆盖层。
传感器原理及应用实验
传感器原理及应用实验
传感器是一种能够感知和测量环境变量的装置或设备，它能够将环境中的物理量转换为电信号或其他方便处理的形式。
传感器原理及应用的实验是为了研究和验证某种传感器的工作原理以及应用场景。
在实验中，我们通常会使用模拟传感器或数字传感器来进行测量和控制。
模拟传感器是指将物理量转换为模拟电压或电流信号的传感器，如温度传感器、压力传感器等。
数字传感器是指将物理量转换为数字信号的传感器，如光电传感器、加速度传感器等。
实验的第一步通常是准备实验装置和所需材料，如传感器、电源、电路板等。
接下来，我们需要按照实验步骤连接电路，并将传感器与电路板相连接。
在实验过程中，我们需要根据传感器的工作原理合理地选择信号放大电路、滤波电路等辅助电路。
同时，对于数字传感器，我们还需要使用单片机或其他数字处理器对信号进行处理和分析。
实验中，我们可以通过改变环境条件或操控实验装置来模拟不同的应用场景。
例如，在温度传感器实验中，可以通过改变热源的温度来观察传感器输出的电信号变化；在光电传感器实验中，可以调节光源的强度或改变测试物体与光源之间的距离来观察传感器的反应。
进行实验后，我们可以通过观察和记录传感器输出的电信号或其他相应数据来分析传感器的性能，并根据实验结果来判断传
感器的可行性、精度和稳定性。
在实验结束后，如果有必要，我们还可以根据实验结果对传感器进行调整和优化，以适应更广泛的应用场景。
传感器的原理及应用实验对于探索和理解传感器的工作原理和应用具有重要意义。
通过实验，我们可以深入了解传感器的特性和性能，为传感器应用领域的研究和开发提供实验数据和依据。
传感器基本测量原理
传感器基本测量原理传感器是一种能够将物理量转化为电信号的设备，它是现代科技中不可或缺的重要组成部分。
在各个领域中，传感器广泛应用于工业控制、环境监测、医疗仪器、汽车等各个方面。
而传感器的基本测量原理，是传感器能够正常工作并准确测量物理量的基础。
传感器的基本测量原理主要包括以下几个方面：1. 压阻效应：压阻传感器是一种常见的传感器类型，它利用材料在受力作用下电阻值发生变化的特性来进行测量。
当物理量施加到传感器上时，传感器内部的材料会产生应变，导致电阻值的变化。
通过测量电阻值的变化，可以得到物理量的大小。
2. 热敏效应：热敏传感器是一种利用材料电阻值随温度变化的特性进行测量的传感器。
当物理量作用于传感器时，会导致传感器温度的变化，进而导致传感器材料的电阻值发生变化。
通过测量电阻值的变化，可以得到物理量的大小。
3. 光敏效应：光敏传感器是一种利用材料对光敏感的特性进行测量的传感器。
当物理量作用于传感器时，会引起传感器材料中电荷的重新分布，从而改变电流或电压的大小。
通过测量电流或电压的变化，可以得到物理量的大小。
4. 电磁感应效应：电磁感应传感器是一种利用电磁感应原理进行测量的传感器。
当物理量作用于传感器时，会改变传感器中的磁场分布，从而引起感应电流或感应电压的变化。
通过测量感应电流或感应电压的变化，可以得到物理量的大小。
5. 声波传播效应：声波传感器是一种利用声波的传播特性进行测量的传感器。
当物理量作用于传感器时，会引起传感器中声波的传播特性发生变化，从而改变声波的传播速度、频率或振幅。
通过测量声波的变化，可以得到物理量的大小。
6. 比例效应：比例传感器是一种通过测量物理量与传感器输出信号之间的比例关系来进行测量的传感器。
当物理量作用于传感器时，会引起传感器输出信号的变化。
通过测量输出信号的变化，可以得到物理量的大小。
7. 化学反应效应：化学传感器是一种利用化学反应原理进行测量的传感器。
当物理量作用于传感器时，会引起传感器中的化学反应发生变化，从而改变化学反应的速率或产物的浓度。
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试题库第一章绪论（略）第二章信号及其分类1 试判断下述结论的正误。
（ 1 ）凡频谱是离散的信号必然是周期信号。
（ 2 ）任何周期信号都由频率不同，但成整倍数比的离散的谐波叠加而成。
（ 3 ）周期信号的频谱是离散的，非周期信号的频谱也是离散的。
（ 4 ）周期单位脉冲序列的频谱仍为周期单位脉冲序列。
（ 5 ）非周期性变化的信号就是随机信号。
（ 6 ）非周期信号的幅值谱表示的是其幅值谱密度与时间的函数关系。
（ 7 ）信号在时域上波形有所变化，必然引起频谱的相应变化。
（ 8 ）各态历经随机过程是平稳随机过程。
（ 9 ）平稳随机过程的时间平均统计特征等于该过程的集合平均统计持征。
（ 10 ）两个周期比不等于有理数的周期信号之和是周期信号。
（ 11 ）所有随机信号都是非周期信号。
（ 12 ）所有周期信号都是功率信号。
（ 13 ）所有非周期信号都是能量信号。
（ 14 ）模拟信号的幅值一定是连续的。
（ 15 ）离散信号即就是数字信号。
2 对下述问题，选择正确答案填空。
（ 1 ）描述周期信号的数学工具是( ) 。
A. 相关函数B. 傅氏级数C. 拉氏变换D. 傅氏变换（ 2 ）描述非周期信号的数学工具是( ) 。
A. 三角函数B. 拉氏变换C. 傅氏变换D. 傅氏级数（ 3 ）时域信号持续时间压缩，则频域中低频成分( ) 。
A. 不变B. 增加C. 减少D. 变化不定（ 4 ）将时域信号进行时移，则频域信号将会( ) 。
A. 扩展B. 压缩C. 不变D. 仅有相移（ 5 ）概率密度函数在( )域、相关函数是在( )域、功率谱密度函数是在( )域上来描述的随机信号A. 时间B. 空间C. 幅值D. 频率3 指出题图 3 所示的信号时域波形时刻与时刻频谱（幅值谱）有无变化，并说明原因。
题 3 图题 6 图4 判断下列序列是否是周期函数。
常用传感器工作原理
•I为线圈中所通交流电的有效值。 •根据磁路的欧姆定律
•两式联立得:
•衔铁
•线圈 •铁芯
•δ •Δδ
•5
•如果空气隙较小，且忽略磁路铁损时 ，磁路总磁阻为：
•线圈 •铁芯
•δ
•因此有 ：
•衔铁
•Δδ
•由于电感传感器的铁心一般工作在非饱和状态下，其导磁率远大 于空气隙的导磁率，因此铁心磁阻远较气隙磁阻小，因此：
•x
•此时k 可近似为常数。因此，这种传感器一般 只适用于大约0.001－1mm范围的小位移测量。
•9
•对于变间隙式,改善非线性，提高灵敏度的方法如下:接成 差动型
•根据结构形式，自感传感器可分为：气隙型、螺线管
•螺旋管
•l
•rc
•r
•铁心 •x
•单线圈螺管型传感器结构图
•螺管型电感传感器的衔铁随被测对象移动，线圈磁力线路径上的磁 阻发生变化，线圈电感量也因此而变化。线圈电感量的大小与衔铁 插入线圈的深度有关。
•t
•衔铁在
•～
•e
•h
•USC
•零位 •ecd
•t
•R
•USC
•t
•a
•b
•衔铁在 •eab
•t
•在f点为“＋” ，电流:fgdche
•零位以上 •ecd
•t
•f点为“–” ，则电流:ehdcgf。 •全波整流电路和波形图 •USC
•t
•(a)
•(b)
•25
•2、相敏检波电路 •容易做到输出平衡，便于阻抗匹配。图中调制电压er和e同频，经过移相器使er 和e保持同相或反相，且满足er>>e。调节电位器R可调平衡，图中电阻 R1=R2=R0，电容C1=C2=C0，输出电压为UCD。
传感器原理及应用智慧树知到答案章节测试2023年菏泽学院
第一章测试1.下列传感器不属于按基本效应分类的是（）。
A:物理传感器B:磁电式传感器C:半导体传感器D:真空传感器答案:D2.传感器的输出量通常为（）。
A:位移信号B:电量信号C:光信号D:非电量信号答案:B3.传感器一般包括（）。
A:感应器B:基本电路C:转换元件D:敏感元件答案:BCD4.敏感元件，是指传感器中能直接感受或响应被测量的部分。
（）A:错B:对答案:B5.传感器是与人感觉器官相对应的原件。
（）A:对B:错答案:A第二章测试1.传感器能感知的输入变化量越小，表示传感器的（）。
A:线性度越好B:迟滞越小C:重复性越好D:分辨力越高答案:D2.按照依据的基准线不同，下面哪种线性度是最常用的（）。
A:理论线性度B:独立线性度C:最小二乘法线性度D:端基线性度答案:C3.下列为传感器动态特性指标的是（）。
A:灵敏度B:重复性C:固有频率D:线性度答案:C4.用一阶系统描述的传感器，其动态响应特性的优劣主要取决于时间常数，越大越好。
（）A:错B:对答案:A5.传递函数表示系统本身的传输、转换特性，与激励及系统的初始状态无关。
（）A:错B:对答案:B第三章测试1.电阻应变计的电阻相对变化与应变之间在很大范围内是线性的，则为（）。
A:B:C:D:答案:A2.下列哪种温度补偿方法是常用和效果较好的补偿方法（）。
A:热敏电阻补偿法B:电桥补偿法C:计算机补偿法D:应变计自补偿法答案:B3.电桥测量电路的作用是把传感器的参数转换为（）的输出。
A:电压B:电阻C:电荷D:电容答案:A4.对应变式传感器来说，敏感栅愈窄，基长愈长的应变计，其横向效应引起的误差越大。
（）A:对B:错答案:B5.等臂电桥当电源电压及电阻相对变化一定时，电桥的输出电压及其电压灵敏度与各桥臂阻值的大小无关。
（）A:对B:错答案:A第四章测试1.变介电常数型电容式传感器无法测量的物理量是（）。
A:光信号B:位移C:湿度D:温度答案:A2.电容式传感器常用的转换电路包括（）。
第四章 常用传感器原理及应用
Ca
Cc
R0
★ 由于后继电路的输入阻抗不可能为无穷大，而且压 电元件本身也存在漏电阻，极板上的电荷由于放电而无 法保持不变，从而造成测量误差。因此，不宜利用压电 式传感器测量静态或准静态信号，而适宜做动态测量。
★ 压电晶片有方形、圆形、圆环形等各种，而且往往 是两片或多片进行串联或并联。
+
并联：适于测缓变信号和以电荷为 输出量的场合
3、介电常数变化型 此类传感器可用来测量液体的液位和材料的厚度等。
两圆筒间的电容为：空气的介
21 L C ln(R r )
外电极 内半径
电常数
电极 长度
内电极 内半径
如果电极的一部分被非导电性液 体所浸没时，则会有电容量的增 量∆C产生：
2 ( 2 1 )l C ln(R r )
线圈
铁芯
衔铁
由于 δ 很小，可认为气隙磁场是均匀的 ，若忽略磁路的铁损，则总磁阻为：
线圈 铁芯
衔铁
l 2 Rm A 0 A0
由于铁心磁阻与气隙相比要小得多，可以忽略
2 Rm 0 A0
N 0 A0 L 2
传感器灵敏度： K
2
dL
N 2 0 A0 2
2
d
N 2 0 A0 2 2
这种传感器适用于较小位移 的测量，测量范围约在 0.001~1mm左右。
2、变面积式 原理：气隙长度不变，铁心与衔铁之间相 对而言覆盖面积随被测量的变化而改，导致 线圈的电感量发生变化。 特点：灵敏度比变气隙型的低，但其灵敏 度为一常数，因而线性度较好，量程范围可 取大些，自由行程可按需要安排，制造装配 也较方便，因而应用较为广泛。 3、螺管式 原理：衔铁随被测对象移动，线圈 磁力线路径上的磁阻发生变化，线圈 电感量也因此而变化。 特点：灵敏度更低，但测量范围大 ，线性也较好，同时自由行程可任意 安排，制造装配方便，应用较广泛。
常用传感器霍尔传感器的用法3144A44E
一、温度传感器1、热敏电阻：分类：正温度系数（PTC）、负温度系数（NTC）、临界温度热敏电阻（CTR）实验室使用的是电阻值随温度的增加而减小的热敏电阻（负温度系数热敏电阻），常温状态下热敏电阻阻值约为9.3K。
应该指出，由于热敏电阻的线性不好，现在已基本不再用来作温度测量使用了。
但是由于成本低，在定点温度控制等场合中还有较大的应用市场。
单点测温电路如下：（电路中R2的作用是改善2、温控开关：按开关类型分为常开可逆、常闭可逆和常开不可逆、常闭不可逆四种。
还可以按照临界温度分，温控开关的临界温度一般标称在开关体上。
二、声电式传感器1、压电陶瓷片：工作原理：当压电陶瓷片上受到外加压力时，陶瓷片发生机械变形，其极化强度随之变小，使一部分附加在陶瓷片表面的电荷释放出来，而产生放电现象。
当压力取消后，又恢复原状，极化强度增大，电极上又吸附一部分电荷，出现充电现象。
这种由机械能转变为电能的现象，称为“正压电效应”。
反之，当在压电陶瓷片上加一电场，陶瓷片则发生机械变形。
当外加电场方向陶瓷片极化方向相同时，极化强度增大，使陶瓷片沿极化方向伸长。
当外加电场方向与陶瓷片极化方向相反时，陶瓷片沿极化方向缩短。
这种由电能转变为机械能的现象，称为“反压电效应”。
测试电路图如下：（电路连接时注意区分正负极，与背面金属铜连接的为负端，涂银层为正端）常用传感器应用RT随温度变化的非线性性）驻极体话筒及其电路的接法有两种：源极输出与漏极输出。
源极输出类似晶体三极管的射极输出。
需用三根引出线。
漏极D接电源正极。
源极S 与地之间接一电阻Rs 来提供源极电压，信号由源极经电容C输出。
编织线接地起屏蔽作用。
源极输出的输出阻抗小于2k，电路比较稳定，动态范围大。
但输出信号比漏极输出小。
漏极输出类似晶体三极管的共发射极放入。
只需两根引出线。
oD外形鈿離1S oS内部电路1 ---------DGDG漏极D与电源正极间接一漏极电阻RD信号由漏极D经电容C输出。
传感器的原理及使用 传感器技术指标
传感器的原理及使用传感器技术指标原理：在一段特制的弹性轴上粘贴上专用的测扭应片并构成变桥，即为基础扭矩传感器；在轴上固定着：（1）能源环形变压器的次级线圈，（2）信号环形变压器初级线圈，（3）轴上印刷电路板，电路板上包含整流稳定电源、仪表放大电路、V/F变换电路及信号输出电路。
在传感器的外壳上固定着：（1）激磁电路（2）能源环形变压器的初级线圈（输入）（3）信号环形变压器次级线圈（输出）（4）信号处理电路工作过程中的使用方法：给传感器供应±15V电源，激磁电路中的晶体振荡器产生４００Hz的方波，经过TDA2030功率放大器即产生交流激磁功率电源，通过能源环形变压器T1从静止的初级线圈传递至旋转的次级线圈，得到的交流电源通过轴上的整流滤波电路得到±５V的直流电源，该电源做运算放大器AD822的工作电源；由基准电源AD589与双运放AD822构成的高精度稳压电源产生±4.5V的精密直流电源，该电源既作为电桥电源，又作为放大器及V/F转换器的工作电源。
当弹性轴受扭时，应变桥检测得到的mV级的应变信号通过仪表放大器AD620放大成1.５v±1v的强信号，再通过V/F转换器LM131变换成频率信号，通过信号环形变压器T2从旋转的初级线圈传递至静止次级线圈，再经过传感器外壳上的信号处理电路滤波、整形即可得到与弹性轴承受的扭矩成正比的频率信号，该信号为TTL电平,既可供应应专用二次仪表或频率计显示也可直接送计算机处理。
由于该旋变化压器动——静环之间只有零点几毫米的间隙，加之传感器轴上部分都密封在金属外壳之内，形成有效的屏蔽，因此具有很强的抗干扰本领。
传感器输出的频率信号在零点时为10kHz.正向旋转满量程时为15KHz.反向旋转满量程时为5KHz。
即满量程变量为5000个数/每秒。
转速测量接受光电齿轮或者磁电齿轮的测量方法，轴每旋转一周可产生60个脉冲，高速或中速采样时可以用测频的方法，低速采样时可以用测周期的方法。
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• 1 概述 • 2 电阻式传感器 • 3 电容式传感器 • 4 热电式传感器 • 5 光电式传感器 • 6 半导体磁效应传感器霍尔传感器
西北工业大学自动化学院电气工程系-电气测试技术
1 概述
传感器定义：传感器是一种能将特定的被测信息（物理量、化学量、 生物量等），按一定规律转换成某种可用输出信号的器件。
智能传感器：传感器与微处理器相结合所形成的不仅具有信号检测 功能，而且具有信息处理功能的传感器系统
分类： 按输入量：温度、压力、流量、位移等 按输出量：电压、电流、电荷、电阻、电感、电容等
考虑传感器的输入-输出对应关系： • 静态特性：静态输入信号 • 动态特性：动态输入信号
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（4）迟滞差
• 输入逐渐增加到某一值，与输入逐渐减小到同一输入值时的输出值不相 等，叫迟滞现象。迟滞差表示这种不相等的程度。其值以满量程的输出 的百分数表示。
et
max YFS
100%
(5)稳定性 稳定性表示传感器在一个较长的时间内保
持其性能参数的能力。
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j1 N
j1
N
x
2 j
(
xj )2
j1
j1
N
N
N
N
xjy j
xj
yj
k
j1
j1
j1
N
N
N
xj2 (
xj )2
j1
j1
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一般来说，输入小到某种程度，输出就不再 变化了，这时的输入叫做灵敏度界限。
传感器静态特性
（1）灵敏度与信噪比 灵敏度：传感器输出量的变化值与相应被测量(输入量)的变化值之比
k(x)
输出量的变化值＝ y 输入量的变化值 x
描述传感器的输出量(一般为电学量)对输入量(一般为非电学量)敏
感程度
传感器校准曲线的斜率即为灵敏度。对线性传感器来说，灵敏度 是一个常数；非线性传感器的灵敏度则随输入量变化
上的相应值的偏差为Lj kxj +b yj ，最小二乘法拟和直线的原则
就是使N个点的均方差
1 N
N
L2j
j1
1 N
N j1
kxj + b yj
2
为最小值，即一阶偏导等于零 f = 0, f = 0 可得到b和k的值。 b k
N
N
N
N
x
2 j
yj
xj
xjy j
b j1
j1 N
l
r
r 则为电
阻丝径向相对伸长，即径向应变。两者的比例系数即为泊松系
数 ，且力的方向相反(以负号表示)，即
•
r l
r
l
S 2
S
R (1 2)
R
(1 2)
R (1 2)
R
金属线材的电阻相对变化与轴向应变成正比
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应变式电阻传感器的种类及选用 （1）电阻丝式应变片：增大阻值制成栅状 （2）箔式应变片：光刻、腐蚀等工艺制成，很薄 厚度0.003-0.01mm之间。面积大、散热好允许通过 较大电流。应力与实际接近。 （3）半导体式应变片：单晶硅施加一定载荷其电阻 率变化。灵敏度高（金属式的50倍）温度系数大， 灵敏系数非线性严重。 电阻应变片主要参数： （1）电阻值：未安装、不受外力、室温时测的电阻值 标准化，60、120、350、600、1000。 （2）绝缘电阻：敏感栅与基地间的电阻值。 （3）灵敏系数k：轴线方向施加应力，阻值相对变化与应变之比。关键参数，
• 金属应变效应是指金属导体的电阻随着它所受机械变形(伸长或缩 短)的大小而发生变化的现象。
R l
s
R R R l R S l l l S
l S
S
S
S2
R l S R lS
S r2
S 2 rr
S 2 r
S
r
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•
令 l 为电阻丝轴向相对伸长，即轴向应变；而
ef
max 100% YFS
非线性误差大小是以一拟合直线或理 想直线作为基准直线计算出来的，基 准直线不同，所得出的线性度就不一 样 ，最常用的是最小二乘法线性度
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最小二乘法原理：
设拟和的直线为 y = kx+b ，第j个测量点的输出 y j 与拟和直线
2 电阻式传感器
• 电阻式传感器是一种将非电量参数(如压力、拉力、扭力、位移
等)的变化转变为电阻值变化的传感器。 • 按工作原理可分为电位器式电阻传感器、应变式电阻传感器、热
敏电阻传感器和气敏电阻传感器。
原料
比较
重 量 设 定
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应变式电阻传感器：
• 是一种能将机械构件上应变的变化转换为电阻变化的传感元件。 电阻应变片的工作原理基于金属的应变效应。
灵敏度高的传感器不一定是最好的传感器。这是因为它易受噪声 的影响。
S／N小，信号与噪声就难以分清。
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（2）线性度
• 传感器的输出—输入校准曲线与理论拟合直线之间的最大偏差与传感器 满量程输出之比，也称“非线性误差”、 “非线性度”。通常用相对误
差表示其大小：
尽量大且稳定。 （4）允许工作电流：不影响测量准确度的最大工作电流。25mA。
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• （5）应变极限：一定温度时指示应变与实际应变值之差不超过允许值 （如10%）时的最大真实应变数值。
• （6）机械滞后：温度一定，增加和减小机械应变过程中同一应变量指示 应变最大差值。
传感器的动态特性
放大器
高压液压源
电磁阀
T1
负载
T2
记录仪
放大器
研究传感器动态特性的方法是： 当输入信号是阶跃函数时，用瞬态响应法，即用时域范围内，响 应曲线的上升时间、响应时间、过调量等参数作为评定指标； 当输入信号是正弦函数时，用频率响应法，其重要指标是频带宽 度（带宽）。
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• （7）零点漂移：温度一定，无应变时，指示应变随时间的变化。 • （8）蠕变：温度一定，承受一定的应变时指示应变随时间的变化。
• 选择和使用应变片的注意事项： • （1）应变片适合阻值变化较小的场合。灵敏度高。阻值较大时刻选用电
位器式电阻传感器。 • （2）尽量选用灵敏度大的应变片，且k尽量为常数。 • （3）温度系数小。 • （4）黏合剂的选择和粘贴技术：处理表面（打磨、酒精擦洗）、502、