传感器原理和应用习题_第1章

《传感器原理与应用》习题集与部分参考答案——第1章

教材：传感器技术（第3版）贾伯年主编，及其他参考书

绪论

0-1 综述你所理解的传感器概念。

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。

0-3 一个可供实用的传感器由哪几部分构成？各部分的功用是什么？试用框图示出你所理解的传感器系统。

答：传感器一般由敏感元件、转换元件和转换电路（或其它辅助器件）三部分组成。组成框图如下：

（1）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，如波纹膜盒、光敏电阻等。

（2）转换元件：敏感元件的输出就是它的输入，其把输入转换成电路参数量。

（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。

0-4 就传感器技术在未来社会中的地位、作用及其发展方向，综述你的见解。

答：（1）社会对传感器需求的新动向：社会需求是传感器技术发展的强大动力，随着现代化科学技术，特别是大规模集成电路技术的飞速发展和电脑的普及，传感器在新的技术革命中的地位和作用将更为突出。

（2）传感器技术的发展趋势：当前，人们在充分利用先进的电子技术条件，研究和采用合适的外部电路以及最大限度地提高现有传感器的性能价格比的同时，正在寻求传感器技术发展的新途径。如：1）开发新型传感器，从原有的工作机理启发人们进一步探索具有新效应的敏感功能材料，并以此研制出具有新原理的新型物性型传感器件，这是发展高性能、多功能、低成本和小型化传感器的重要途径；2）传感器的集成化和多功能化，固态功能材料——半导体、电介质、强磁体的进一步开发和集成技术的不断发展，为传感器集成化开辟了广阔的前景；3）传感器的智能化，“电五官”与“电脑”的结合，就是传感器的智能化；4）研究生物感官，开发仿生传感器。

0-5 简述自动检测系统组成。

答：自动检测系统由被检测量、敏感元件（测检元件）、电子测量（转换）电路、输出单元组成。

0-6 什么是传感器、自动检测技术？

答：传感器是信息采集系统的首要部件，是实现现代化测量和自动控制的主要环节，是现代信息产业的源头，其广义定义为：能够感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件和装置，通常由敏感元件和转换元件组成；其狭义定义为：一种以一定的精确度将被测量（非电信号）转换为与之有确定对应关系、便于应用的电量的测量装置，通常由敏感元件、转换元件和转换电路组成。

传感器技术是当今信息化社会中支撑现代信息产业的三大支柱之一，是各个应用领域中不可缺少的重要技术，是信息技术发展的关键之一。

自动检测技术：是人们为了对自然规律进行定性的了解和定量的掌握所采取的一系列技术措施，其研究主

要包括两方面：一是信息获取方法，二是自动检测系统。其应用主要包括三个方面：发现、验证和控制事物规律。

0-7 传感器特性在检测系统中起到什么作用？

答：传感器处于研究对象与测试系统的接口位置，即检测与控制之首。传感器是感知、获取与检测信息的窗口，一切科学研究与自动化生产过程要获取的信息都要通过传感器获取并通过它转换成容易传输与处理的电信号，其作用与地位特别重要。

0-8 简述传感器的分类。

答：按照传感器的工作机理分：物理型、化学型、生物型等。

按构成原理分：结构型与物性型两大类及复合型。结构型传感器是利用物理学中场的定律构成的；物性型传感器是利用物质定律构成的；复合型传感器是将中间转换环节与性型敏感元件复合而成的。

根据传感器的能量转换情况分：能量控制型传感器和能量转换型传感器。

按照物理原理分：以其对信号转换的作用（测量）原理命名。

按照传感器的使用来分类（即按输入量分）：如：位移传感器、压力传感器、振动传感器、温度传感器等。

根据传感器输出信号分：模拟传感器和数字传感器。

根据转换过程可逆与否分：双向传感器和单向传感器。

第1章传感器技术基础

1-1 衡量传感器静态特性的主要指标有哪些？说明它们的含义。

答：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。

回差（滞后）—反应传感器在正（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。

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量程连续多次变动时，所得特性曲线间一致程度。各条特性曲线越靠近，重复性越好。

灵敏度——传感器输出量增量与被测输入量增量之比。

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。

阀值——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。

稳定性——即传感器在相当长时间内仍保持其性能的能力。

漂移——在一定时间间隔内，传感器输出量存在着与被测输入量无关的、不需要的变化。

静态误差（精度）——传感器在满量程内任一点输出值相对理论值的可能偏离（逼近）程度。

1-2 计算传感器线性度的方法有哪几种？差别何在？

答：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。

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。

“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。

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。 1-3 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？ 答：（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。 1-4 怎样评价传感器的综合静态性能和动态性能？

答：（1）静态特性是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，不随时间变化或缓慢变化；描述静态特性的指标：线性度、迟滞、重复性、灵敏度、分辨力、阈值、漂移和稳定性等。

（2）动态特性是指传感器对随时间变化的输入量的响应特性；描述动态特性的指标：对一阶传感器：时间常数；对二阶传感器：固有频率、阻尼比。

1-5 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。

1-6 有一只压力传感器的校准数据如下表。根据这些数据求最小二乘法和端点法线性度的拟合直线方程，并求其线性度。

1-7 试根据极限误差计算题1-7中压力传感器的重复性误差，并比较标准法和极差法的计算结果。

1-8 设一力传感器可作为二阶系统来处理。已知传感器的固有频率为800kHz ，阻尼比为0.4，问在使用该传感器测定400Hz 正弦变化的外力时会产生多大的振幅相对误差和相位误差？

1-9 今有两加速度传感器均可作为二阶系统来处理，其中一只固有频率为25kHz ，另一只为35kHz ，阻尼比均为0.3。若欲测量频率为10kHz 的正弦振动加速度，应选用哪一只？试计算测量时将带来多大的振幅误差和相位误差。

1-10 有一个二阶系统如图1-12所示，求其输入为)(t u A F ⋅=的阶跃响应，并画出响应曲线图（假定特征方程的根r1、r2为2个不等实数根）。