传感器原理及应用期末考试重点课后题复习

第1章1-1 综合传感器的概念。

答：从广义角度定义：凡是利用一定的物质（物理、化学、生物）法则、定理、定律、效应等进行能量转换与信息转换，并且输出与输入严格一一对应的器件或装置；从狭义角度定义：能把外界非电信号转换成电信号输出的器件或装置；国家标准定义是：“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和装置”。

通常有敏感元件和转换元件组成；1-2 一个可供实用的传感器有那几部分构成各部分的功能是什么用框图显示传感器系统。

答：组成——由敏感元件、转换元件、基本电路组成。

1.敏感元件：是直接受被测物理量；以确定关系输出另一物理量的元件。

2.转换元件；是将敏感元件输出的非电量转换成电路参数及电流或电压等电信号。

3.基本转换电路则将该电路转换成便于传输处理电量。

1-3 如果家用小车采用超声波雷达，需要那几部分组成请画出图。

第2章2-1 衡量传感器静态特性的主要指标有哪些说说它们的含义。

答：1、线性度：表征传感器输出-输入校准曲线与所选定的拟合直线之间的吻合（或偏离）程度的指标。

2、灵敏度：传感器输出量增量与被测输入量增量之比。

3、分辨力：传感器在规定测量范围内所能检测出的被测输入量的最小变化量。

4、回差：反映传感器在正（输入量增大）反（输入量减小）行程过程中，输出-输入曲线的不重合程度指标。

5、重复性：衡量传感器在同一工作条件下，输入量按同一方向作全程连续多次变动时，所得特性曲线间一致程度的指标。

6、阈值：是能使传感器输出端产生可测变化量的最小被测输入量值，即零位附近的分辨力。

7、稳定性：传感器在相当长时间内仍保持其性能的能力。

8、漂移：指在一定时间间隔内，传感器输出量存在着与被测输人量无关的、不需要的变化。

9、静态误差(精度）：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离(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。

2-2 计算传感器线性度的方法有哪几种有什么差别1、理论直线法：以传感器的理论特性线作为拟合直线，与实际测试值无关。

优点是简单、方便，但输出平均值与拟合直线间的最大偏差很大。

2、端点直线法：以传感器校准曲线两端点间的连线作为拟合直线。

y=b+kx b截距k为斜率与理论直线发一样简便偏差很大3、“最佳直线”法：以“最佳直线”作为拟合直线，该直线能保证传感器正反行程校准曲线对它的正负偏差相等并且最小。

这种方法的拟合精度最高，但是只能用图解法和计算机结算来获得。

（端点平行法）4、最小二乘法：按最小二乘原理求取拟合直线，该直线能保证传感器校准数据的残差平方和最小。

最小二乘法的拟合程度很高，但是校准曲线相对拟合直线的最大偏差绝对值并不一定最小，最大正、负偏值差的绝对值也不一定相同。

2-3 什么是传感器的静态特性和动态特性为什么要把传感器的特性分为静态特性和动态特性（1）静态特性：表示传感器在被测输入量各个值处于稳定状态时的输出-输入关系。

动态特性：反映传感器对于随时间变化的输入量的响应特性。

（2）由于传感器可能用来检测静态量（即输入量是不随时间变化的常量）、准静态量或动态量（即输入量是随时间变化的变量），于是对应于输入信号的性质，所以传感器的特性分为静态特性和动态特性。

2-5 为什么要对传感器进行标定和校准举例说明传感器静态标定和动态标定的方法。

答：因为新研制或生产的传感器需对其技术性能进行全面的检定;经过一段时间储存或使用的传感器也需对其性能进行复测。

通常，在明确输入-输出变换对应关系的前提下，利用某种标准量或标准器具对传感器的量值进行标度称之为标定。

静态标定：静态标定主要用于检测、测试传感器(或传感器系统)的静态特性指标，如静态灵敏度、非线性、回差、重复性等。

进行静态标定首先要建立静态标定系统。

如应变式测力传感器静态标定系统。

测力机产生标准力，高精度稳压电源经精密电阻箱衰减后向传感器提供稳定的供桥电压，其值由数字电压表读取，传感器的输出电压由另一数字电压表指示。

动态标定：主要用于检验、测试传感器(或传感器系统）的动态特性，如动态灵敏度、频率响应和固有频率等。

对传感器进行动态标定，需要对它输入一标准激励信号。

例如测振传感器的动态标定常采用振动台（通常为电磁振动台）产生简谐振动作传感器的输人量。

振动的振幅由读数显微镜读得，振动频率由频率计指示。

若测得传感器的输出电量，即可通过计算得到位移传感器、速度传感器、加速度传感器的动态灵敏度。

若改变振动频率，设法保持振幅、速度或加速度幅值不变，可相应获得上述各种传感器的频率响应。

基本方法：利用标准仪器产生已知非电量（如标准力、压力、位移）作为输出量，输入到待标定的传感器中，然后将传感器输出量与输入标准量比较，获得一系列标准数据或曲线。

有时输入的标准量是利用标准传感器检测得到，这是标定实质上是待标定传感器与标准传感器之间的比较。

第3章3-1 何为电阻应变效应怎样利用这种效应制成应变片答：（1）导体在受到拉力或压力的外界力作用是，发生机械变形，其电阻值将发生变化，这种现象称为电阻应变效应。

（2）当外力作用时，导体的电阻率ρ、长度L、截面积S都会发生变化，从而引起电阻值R的变化，通过测量电阻值的变化，检测出外界作用力的大小。

3-2、什么是应变片的灵敏系数它与电阻丝的灵敏系数有何不同为什么答：（1）应变片的灵敏系数是指应变片安装于试件表面，在其轴线方向的单向应力作用下，应变片的阻值相对变化与试件表面上安装应变片区域的轴向应变之比。

（2）实验表明，电阻应变片的灵敏系数恒小于电阻丝的灵敏系数其原因除了粘贴层传递变形失真外，还存在有恒向效应。

3-3、用应变片测量时，为什么必须采用温度补偿措施答：用应变片测量时，由于环境温度变化所引起的电阻变化与试件应变所造成的电阻变化几乎有相同的数量级，从而产生很大的测量误差，所以必须采用温度补偿措施。

3-4 金属应变片和半导体应变片在工作原理上有何不同。

金属应变片的工作原理是基于电阻应变效应，即导体产生机械形变是它的电阻值发生变化。

半导体应变片的工作原理是基于半导体材料的压阻效应，即当半导体材料某一轴向受外力作用时，其电阻率发生变化。

金属应变片是通过变形改变丝栅的几何尺寸，而它的电阻率一般不变，是基于压阻效应而工作的，就是说沿半导体晶轴的应变，使它的电阻率有很大的变化，从而产生电阻变化，这是他们的不同。

第4章4-1试说明电容式传感器的基本工作原理及其分类答：电容式传感器是根据电容自身原理C=（εS）/L，若不考虑其边缘效应，改变电容的介电常数、有效面积、两极板间的距离等非电量的变化转化为电容量的变化，再根据电路转化为电压或电流的变化量。

变极距型电容传感器：在微位移检测中应用最广。

变面积型电容传感器：适合测量较大的直线位移和角位移。

变介质型电容传感器：可用于非导电散材物料的物位测量4-2 电容式传感器的测量电路有哪几种它们的主要特点是什么答：1)交流电桥：灵敏度、稳定性较高，受电容影响小，简化电路屏蔽和接地，适合高频被测量，使用原件少、桥路内阻少，应用较多。

2)运算放大器式电路：客服了变极距型传感器的非线性，输入电阻大，输出电阻小。

即高输入阻抗，低输出阻抗，高电压增益，不需要载频和附加解调电路。

3)调频电路：把电容传感器作为振荡电路的一部分。

特点事灵敏度高抗干扰能力强，能获得高电平的支流型号和数字信号输出，但振荡频率受温度变化和电缆电容分部影响较大。

第5章5-1 电感式传感器的特点是什么答：电感式传感器利用电磁感应原理将被测非电量换成线圈的自感量或互感量的变进而又电路转换为电压或电流的变化量，电感式传感器种类很多，主要有互感式、自感式和电涡流式三种，其特点是1工作可靠，寿命长2、灵活度高，分辨率高3、精度高，线性好4、性能稳定，重复性好，不足的是：频响较低，不宜快速动态测控。

5-2 自感式传感器的组成、工作原理和输出特性。

组成：主要由线圈、铁芯及衔铁等组成。

工作原理：基本特性：（1）边间隙式灵敏度较高，但输出是非线性的，误差较大，自由行程较小，且制作装配比较困难。

（2）变面积式灵敏度较前者小，但线性度好，量程较大，使用比较广泛。

（3）螺管式灵敏度较低，测量误差小，但量程大结构简单，易于制作和批量生产，是使用越来越广泛的一种电感式传感器。

5-6 什么是零点残余电压零点残余电压产生的原因是什么减小零点残余电压的方法有哪些答：定义：当颤动变压器的衔铁处于中间位置时，理想条件下其输出电压为零，但实际上，当使用桥式电路是，在零点仍有一个微小的电压值存在。

原因：（1）差动的两个线圈的电气参数及导磁体的几何尺寸不可能完全对称。

（2）线圈的分布不对称。

（3）电源电压中含有高次谐波。

（4）传感器工作的磁化曲线的非线段。

减小方法：（1）尽可能保证传感器几何尺寸、线圈电气参数交磁路Φ的对称。

磁性材料要经过处理，消除内部的残余电压，使其性能均匀稳定。

（2）选用合适的测量电路。

例如采用相敏整流电路，既可判别衔铁移动方向又可改善输出特性，减小零点残余电压。

（3）采用补偿线路减小零点残余电压。

5-7 什么是涡流效应简述电涡流式传感器的工作原理。

答：当块状导体置于交变磁场或在固定磁场中运动时，导体内产生感应电流，此电流在导体内闭合，这种现象称为涡流效应5-8 电涡流传感器可以进行哪些非电量参数测量测位移、测厚度、测温度等。