传感器原理及应用复习题及答案

中南大学现代远程教育课程考试（专科）复习题及参考答案

《传感器原理与应用》

一、名词解释

1．传感器：能感受规定的被测量并按照一定规律转化成可用输出信号的器件和装置。

2．传感器的线性度：是指传感器输出、输入的实际特性曲线和拟合直线之间的最大偏差与输出量程范围之百分比

3．传感器的灵敏度：是指传感器在稳定状态时，输出变化量与输入变化量的比值，用K来表示。

4．传感器的迟滞：表明传感器在正（输入量增大）反（输入量减小）行程中输出、输入曲线不重合的程度。

5．绝对误差：是示值与被测量真值之间的差值

6．系统误差：是指误差的数值是一个常数或按一定的规律变化的值7．弹性滞后：在实际中，弹性元件在加、卸载的正、反行程中变形曲线一般是不重合的，这种现象称为弹性滞后。

8．弹性后效：当载荷从某一数值变化到另一数值时，弹性变形不是立即完成相应的变形，而是在一定的时间间隔内逐渐完成变形的，这一现象称为弹性后效。

9．应变效应：导体或半导体材料在外力作用下产生机械变形（拉伸或压缩）时，其电阻值也随之发生相应的变化。

10．压电效应：．某些电介质在沿一定的方向上受到外力的作用而变形时，内部会产生极化现象，同时在其表面上产生电荷，当外力去掉后又

重新回到不带电的状态，这种现象称为压电效应

11．霍尔效应：金属或半导体薄片置于磁感应强度为B的磁场中，当有电流I通过时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势

U，这种物理现

H

象称为霍尔效应。

12．热电效应：将两种不同的导体A和B连成闭合回路，当两个接点处的温度不同时，回路中将产生热电势。

13．光电效应：光电效应是物体吸收到光子能量后产生相应电效应的一种物理现象。

14．莫尔条纹：把两块栅距相同的光栅刻线面相对重合在一起，中间留有很小的间隙，并使两者的栅线之间形成一个很小的夹角，然后将这对光栅放置在光路中，在两块光栅的栅线重合处，因有光从缝隙透过形成亮带，在两光栅栅线彼此错开处，由于光线被遮挡而形成暗带，这种比光栅栅距宽得多的由亮带和暗带形成的明、暗相间的条纹称为莫尔条纹将两种不同的导体A和B连成闭合回路，当两个接点处的温度不同时，回路中将产生热电势。

光电效应是物体吸收到光子能量后产生相应电效应的一种物理现象。

把两块栅距相同的光栅刻线面相对重合在一起，中间留有很小的间隙，并使两者的栅线之间形成一个很小的夹角，然后将这对光栅放置在光路中，在两块光栅的栅线重合处，因有光从缝隙透过形成亮带，在两光栅栅线彼此错开处，由于光线被遮挡而形成暗带，这种比光栅栅距宽得多的由亮带和暗带形成的明、暗相间的条纹称

为莫尔条纹

。

15．细分：使光栅每移动一个栅距，莫尔条纹变化一周期时，不只是输出一个脉冲，而是输出均匀分布的n个脉冲，从而使分辨力提高到W／

n，细分后计数脉冲的频率提高了。

二、填空题

1．传感器通常由敏感元件。传感元件、测量转换电路

三部分组成。

2．按工作原理可以分为参量传感器。发电传感器、数字传感器、特殊传感器。

3．按输出量形类可分为模拟式、数字式和开关式

4．误差按出现的规律分系统误差、随机误差、粗大误差

5．对传感器进行动态标定(或校准或测试的主要目的是检测传感器的动态性能指标。

6．传感器的过载能力是指传感器在不致引起规定性能指标永久改变的条件下，允许超过测量范围的能力。

7．传感检测系统目前正迅速地由模拟式、数字式，向智能化方向发展。8．已知某传感器的灵敏度为K0，且灵敏度变化量为△K0，则该传感器的灵敏度误差计算公式为(△K00)×100%。

9．为了测得比栅距W更小的位移量，光栅传感器要采用细分技术。

10．在用带孔圆盘所做的光电扭矩测量仪中，利用孔的透光面积表示扭矩大小，透光面积减小，则表明扭距增大。

11．电容式压力传感器是变极距(或间隙)型的。

12．一个半导体应变片的灵敏系数为180，半导体材料的弹性模量为1.8×105,其中压阻系数πL为1×10－9 1。

13．图像处理过程中直接检测图像灰度变化点的处理方法称为微分法。

14．热敏电阻常数B大于零的是负温度系数的热敏电阻。

15．若测量系统无接地点时，屏蔽导体应连接到信号源的对地低阻抗端(或接地端)。

16．目前应用于压电式传感器中的压电材料通常有压电晶体、压电陶瓷、有机压电材料。

17．根据电容式传感器的工作原理，电容式传感器有变间隙型、变面积型、变介电常数型三种基本类型

18．热敏电阻按其对温度的不同反应可分为三类负温度系数热敏电阻（）、正温度系数热敏电阻（）、临界温度系数热敏电阻（）。

19．光电效应根据产生结果的不同，通常可分为外光电效应、内光电效应、光生伏特效应三种类型。

20．传感器的灵敏度是指稳态标准条件下，输出变化量与输入变化量的比值。对线性传感器来说，其灵敏度是常量。

21．用弹性元件和电阻应变片及一些附件可以组成应变片传感器，按划分用应变式力传感器、应变式压力传感器等（任填两个）。23．单线圈螺线管式电感传感器主要由线圈、和可沿线圈轴向

组成。

24．利用涡流式传感器测量位移时，为了得到较好的线性度和较好的灵敏度，应该让

的距离大大小于。

25．空气介质变隙式电容传感器中，提高灵敏度和减少非线性误差是矛盾

26．振筒式传感器是以均匀作为敏感元件，将被测气体压力或密度的变化转换成。27．由光电管的光谱特性看出，检测不同颜色的光需要选用不同的光电管，以便利用光谱特性的区段。

28．按热电偶本身结构划分，有普通热电偶、铠装热电偶、薄膜热电偶。

29．硒光电池的光谱响应区段与相近，因而得到应用。

30．热敏电阻正是利用半导体的数目随着温度变化而变化的特性制成的敏感元件。

31．当半导体材料在某一方向承受应力时，它的发生显著变化的现象称为半导体压阻效应。用这个原理制成的电阻称固态。

32．磁敏二极管工作时加电压。由于它的磁灵敏很高，特别适用于测量。

33．我们学过的参量式传感器有电阻式传感器、电感式传感器、电容式传感器等。

34．可以测量加速度的传感器有电容式传感器、压电式传感器、差分变压器式传感器等。

35．形成干扰的三因素是干扰源、干扰途径、接收电路。

三、选择题

1．电阻应变片的初始电阻数值有多种,其中用的最多的是（ B ）。

A 60Ω

B 120Ω

C 200Ω

D 350Ω

2．电涡流式传感器激磁线圈的电源是（ C ）。

A 直流

B 工频交流

C 高频交流

D 低频交流

3．变间隙式电容传感器的非线性误差与极板间初始距离d0之间是（ B ）。

A 正比关系

B 反比关系

C 无关系

4．单色光的波长越短，它的（A ）。

A 频率越高，其光子能量越大

B 频率越低，其光子能量越大

C 频率越高，其光子能量越小

D 频率越低，其光子能量越小

5．热电偶可以测量（C ）。

A 压力

B 电压

C 温度

D 热电势

6．光敏电阻适于作为（B ）。

A 光的测量元件

B 光电导开关元件

C 加热元件

D 发光元件7．目前我国使用的铂热电阻的测量范围是（）。

A -200～850℃

B -50～850℃

C -200～150℃

D -200～650℃

8．差动变压器传感器的配用测量电路主要有（）。

A 差动相敏检波电路

B 差动整流电路

C 直流电桥

D 差动电桥

9．下列被测物理量适合于使用红外传感器进行测量的是（C ）A．压力B．力矩C．温度

D．厚度

10．属于传感器动态特性指标的是（D ）

A．重复性B．线性度C．灵敏度

D．固有频率

11．按照工作原理分类，固体图象式传感器属于（ A ）A．光电式传感器B．电容式传感器

C．压电式传感器D．磁电式传感器12．测量范围大的电容式位移传感器的类型为（ D ）

A．变极板面积型B．变极距型

C．变介质型D．容栅型

13．利用相邻双臂桥检测的应变式传感器，为使其灵敏度高、非线性误差小（C ）

A．两个桥臂都应当用大电阻值工作应变片

B．两个桥臂都应当用两个工作应变片串联

C．两个桥臂应当分别用应变量变化相反的工作应变片

D．两个桥臂应当分别用应变量变化相同的工作应变片

14．影响压电式加速度传感器低频响应能力的是（D ）A．电缆的安装与固定方式B．电缆的长度

C．前置放大器的输出阻抗D．前置放大器的输入阻抗

15．固体半导体摄像元件是一种（ C ）

A．结光电二极管电路B．型晶体管集成电路C．型晶体管开关集成电路D．型晶体管集成电路16．将电阻R和电容C串联后再并联到继电器或电源开关两端所构成的吸收电路，其作用是（D ）

A．抑制共模噪声B．抑制差模噪声

C．克服串扰D．消除电火花干扰17．在采用限定最大偏差法进行数字滤波时，若限定偏差△Y≤0.01，本次采样值为0.315，上次采样值为0.301，则本次采样值应选为（ A ）A．0.301 B．0.303 C．0.308

D．0.315

18．若模/数转换器输出二进制数的位数为10，最大输入信号为2.5V，则该转换器能分辨出的最小输入电压信号为（ B ）

A．1.22 B．2.44 C．3.66 D．4.88 19．周期信号的自相关函数必为（ A ）

A．周期偶函数B．非周期偶函数

C．周期奇函数D．非周期奇函数

20．已知函数x(t)的傅里叶变换为X（f），则函数y(t)=2x(3t)的傅里叶变换为（ B ）

A．2X() B．X() C．X(f) D．2X(f)

四、问答题

1．传感器有哪些组成部分？在检测过程中各起什么作用？

2. 传感器有哪些分类方法？各有哪些传感器？

3. 弹性敏感元件在传感器中起什么作用？

4. 弹性敏感元件有哪几种基本形式？各有什么用途和特点？

5. 何谓电阻式传感器？它主要分成哪几种？

6. 试比较金属丝电阻应变片与半导体应变片的特点。

7. 热电阻传感器有哪几种？各有何特点及用途？

8. 简要说明气敏、湿敏电阻传感器的工作原理，并举例说明其用途。

9．电感式传感器的工作原理是什么？能够测量哪些物理量？

10. 变气隙式传感器主要由哪几部分组成？有什么特点？

11. 概述电涡流式传感器的基本结构与工作原理。

12．电容式传感器有什么主要特点？可用于哪些方面的检测？

13．根据工作原理可将电容式传感器分为哪几种类型？各自用途是什么？

14．常用压电材料有那几种？

15．霍尔电动势的大小、方向与哪些因素有关？

16．试说明热电偶的测温原理。

17．光电效应有哪几种类型？与之对应的光电元件各有哪些？简述各光电元件的优缺点。

18．光栅的莫尔条纹有哪几个特性？

19．抑制干扰有哪些基本措施？

22．温度、电阻

23．铁磁性外壳、移动的活动铁芯

24．线圈与被测物、线圈半径

25．差动

26．薄壁圆筒、频率

27．光电阴极材料、灵敏度较高

28．普通、薄膜

29．人类

30．载流子、温度

31．电阻率、压敏电阻

32．正向、弱磁场

四、

1．答：传感器通常由敏感元件、传感元件及测量转换电路三部分组成。

各部分在检测过程中所起作用是：敏感元件是在传感器中直接感受被测量，并输出与被测量成一定联系的另一物理量的元件，如电阻式传感器中的弹性敏感元件可将力转换为位移。传感元件是能将敏感元件的输出量转换为适于传输和测量的电参量的元件，如应变片可将应变转换为电阻量。测量转换电路可将传感元件输出的电参量转换成易于处理的电量信号。

2．答：按工作原理分有参量传感器、发电传感器、数字传感器和特殊传感器；按被测量性质分有机械量传感器、热工量传感器、成分量传感器、状态量传感器、探伤传感器等；按输出量形类分有模拟式、数字式和开关式；按传感器的结构分有直接式传感器、差分式传感器和补偿式传感器。3．答：弹性敏感元件在传感器技术中占有很重要的地位，是检测系统的基本元件，它能直接感受被测物理量（如力、位移、速度、压力等）的变化，进而将其转化为本身的应变或位移，然后再由各种不同形式的传感元件将这些量变换成电量。

4．答：弹性敏感元件形式上基本分成两大类，即将力变换成应变或位移的变换力的弹性敏感元件和将压力变换成应变或位移的变换压力的弹性敏感元件。

变换力的弹性敏感元件通常有等截面轴、环状弹性敏感元件、悬臂梁和扭转轴等。实心等截面轴在力的作用下其位移很小，因此常用它的应变作为输出量。它的主要优点是结构简单、加工方便、测量范围宽、可承受极大的载荷、缺点是灵敏度低。空心圆柱体的灵敏度相对实心轴要高许多，在同样的截面积下，轴的直径可加大数倍，这样可提高轴的抗弯能力，但

其过载能力相对弱，载荷较大时会产生较明显的桶形形变，使输出应变复杂而影响精度。环状敏感元件一般为等截面圆环结构，圆环受力后容易变形，所以它的灵敏度较高，多用于测量较小的力，缺点是圆环加工困难，环的各个部位的应变及应力都不相等。悬臂梁的特点是结构简单，易于加工，输出位移(或应变)大，灵敏度高，所以常用于较小力的测量。扭转轴式弹性敏感元件用于测量力矩和转矩。

变换压力的弹性敏感元件通常有弹簧管、波纹管、等截面薄板、波纹膜片和膜盒、薄壁圆筒和薄壁半球等。弹簧管可以把压力变换成位移，且弹簧管的自由端的位移量、中心角的变化量与压力p成正比，其刚度较大，灵敏度较小，但过载能力强，常用于测量较大压力。波纹管的线性特性易被破坏，因此它主要用于测量较小压力或压差测量中。

5．答：电阻式传感器是将被测量转换成电阻值，再经相应测量电路处理后，在显示器记录仪上显示或记录被测量的变化状态的一种传感器。主要有电阻应变式、压阻式、热电阻、热敏电阻、气敏电阻及湿敏电阻等电阻式传感器。

6. 答：金属丝式应变片的蠕变较大，金属丝易脱胶，但其价格便宜，多用于应变、应力的一次性试验。

半导体应变片是用半导体材料作敏感栅而制成的。当它受力时，电阻率随应力的变化而变化。它的主要优点是灵敏度高（灵敏度比丝式、箔式大几十倍），横向效应小。主要缺点是灵敏度的热稳定性差、电阻与应变间非线性严重。在使用时，需采用温度补偿及非线性补偿等措施。

7. 答：热电阻可分为金属热电阻和半导体热电阻两类。前者称为热电阻，

后者称为热敏电阻。以热电阻或热敏电阻为主要器件制成的传感器称为热电阻传感器或热敏电阻传感器。

热电阻传感器主要是利用电阻随温度变化而变化这一特性来测量温度的。其主要优点是：测量精度高；有较大的测量范围，尤其在低温方面；易于使用在自动测量和远距离测量中。热电阻传感器之所以有较高的测量精度，主要是一些材料的电阻温度特性稳定，复现性好。

热敏电阻按其对温度的不同反应可分为负温度系数热敏电阻（）、正温度系数热敏电阻（）和临界温度系数热敏电阻（）三类，一般也是负温度系数，但与不同的是，在某一温度范围内，电阻值会发生急剧变化。这三类热敏电阻的电阻率ρ与温度t之间的相互关系均为非线性。热敏电阻主要用于温度测量和补偿，测温范围一般为-50~350℃，也可用于低温测量（-130℃~0℃）、中温测量（150℃~750℃），甚至更高温度，测量温度范围根据制造时的材料不同而不同。热敏电阻既可作为温度敏感元件，又可在电子线路中起限流、保护作用。热敏电阻主要用作温度开关。

8. 答：气敏传感器，是利用半导体气敏元件同被测气体接触后，造成半导体性质的变化，以此来检测待定气体的成分或浓度的传感器的总称。实际测量时，可用气敏传感器把各种气体的成分或浓度等参数转换成电阻、电压或电流的变化量，并通过相应测量电路在终端仪器上显示。它的传感元件是气敏电阻，这是一种用金属氧化物（如氧化锡2、氧化锌或2O3等）的粉末材料并添加小量催化剂及添加剂，按一定配比烧结而成的半导体器件。气敏传感器可测量还原性气体和测量氧气浓度的两大类，例如石油蒸汽、酒精蒸汽、甲烷、乙烷、煤气、天然气、氢气等。

湿敏电阻传感器是利用材料的电气性能或机械性能随湿度而变化的原理制成的。它能把湿度的变化转化成电阻的变化，它的传感元件是湿敏电阻。湿敏电阻传感器的应用很广，例如，大规模集成电路生产车间，当其相对湿度低于30时，容易产生静电而影响生产；一些粉尘大的车间，当湿度小而产生静电时，容易产生爆炸；许多储物仓库(如存放烟草、茶叶和中药材等)在湿度超过某一程度时，物品易发生变质或霉变现象；居室的湿度希望适中；而纺织厂要求车间的湿度保持在6075；在农业生产中的温室育苗、食用菌培养、水果保鲜等都需要对湿度进行检测和控制。9．答：电感式传感器是利用电磁感应原理，将被测非电量的变化转换成线圈的电感（或互感）变化的一种机电转换装置。利用电感式传感器可以把连续变化的线位移或角位移转换成线圈的自感或互感的连续变化，经过一定的转换电路再变成电压或电流信号以供显示。它除了可以对直线位移或角位移进行直接测量外，还可以通过一定的感受机构对一些能够转换成位移量的其他非电量，如振动、压力、应变、流量等进行检测。

10. 答：变气隙式自感式传感器由铁心线圈、衔铁、测杆及弹簧等组成。变气隙式传感器的线性度差、示值范围窄、自由行程小，但在小位移下灵敏度很高，常用于小位移的测量。

11. 答：成块的金属物体置于变化着的磁场中，或者在磁场中运动时，在金属导体中会感应出一圈圈自相闭合的电流，称为电涡流。电涡流式传感器是一个绕在骨架上的导线所构成的空心绕组，它与正弦交流电源接通，通过绕组的电流会在绕组周围空间产生交变磁场。当导电的金属靠近这个绕组时，金属导体中便会产生电涡流。涡流的大小与金属导体的电阻率、

磁导率、厚度、绕组与金属导体的距离，以及绕组励磁电流的角频率等参数有关。如果固定其中某些参数不变，就能由电涡流的大小测量出另外一些参数。由电涡流所造成的能量损耗将使绕组电阻有功分量增加，由电涡流产生反磁场的去磁作用将使绕组电感量减小，从而引起绕组等效阻抗Z 及等效品质因数Q值的变化。所以凡是能引起电涡流变化的非电量，例如金属的电导率、磁导率、几何形状、绕组与导体的距离等，均可通过测量绕组的等效电阻R、等效电感L、等效阻抗Z及等效品质因数Q来测量。这便是电涡流式传感器的工作原理。电涡流式传感器的结构比较简单，主要是一个绕制在框架上的绕组，目前使用比较普遍的是矩形截面的扁平绕组。

12．答：电容式传感器具有以下特点：功率小，阻抗高，由于电容式传感器中带电极板之间的静电引力很小，因此，在信号检测过程中，只需要施加较小的作用力，就可以获得较大的电容变化量及高阻抗的输出；动态特性良好，具有较高的固有频率和良好的动态响应特性；本身的发热对传感器的影响实际上可以不加考虑；可获取比较大的相对变化量；能在比较恶劣的环境条件下工作；可进行非接触测量；结构简单、易于制造；输出阻抗较高，负载能力较差；寄生电容影响较大；输出为非线性。

电容式传感器可用于直线位移、角位移、尺寸、液体液位、材料厚度的测量。

13．答：根据电容式传感器的工作原理，电容式传感器有三种基本类型，即变极距(d)型（又称变间隙型）、变面积(A)型和变介电常数(ε)型。变间隙型可测量位移，变面积型可测量直线位移、角位移、尺寸，变介电常

数型可测量液体液位、材料厚度。

14．答：应用于压电式传感器中的压电材料通常有三类：一类是压电晶体，它是单晶体，如石英晶体、酒石酸钾钠等；另一类是经过极化处理的压电陶瓷，它是人工合成的多晶体，如钛酸钡等；第三类是有机压电材料，是新型的压电材料，如聚偏二氟乙烯等。

15．答：霍尔电动势的大小正比于激励电流I与磁感应强度B，且当I或B 的方向改变时，霍尔电动势的方向也随着改变，但当I和B的方向同时改变时霍尔电动势极性不变。

16．答：两种不同材料构成的热电变换元件称为热电偶，导体称为热电极，通常把两热电极的一个端点固定焊接，用于对被测介质进行温度测量，这一接点称为测量端或工作端，俗称热端；两热电极另一接点处通常保持为某一恒定温度或室温，称冷端。热电偶闭合回路中产生的热电势由温差电势和接触电势两种电势组成。热电偶接触电势是指两热电极由于材料不同而具有不同的自由电子密度，在热电极接点接触面处产生自由电子的扩散现象；扩散的结果，接触面上逐渐形成静电场。该静电场具有阻碍原扩散继续进行的作用，当达到动态平衡时，在热电极接点处便产生一个稳定电势差，称为接触电势。其数值取决于热电偶两热电极的材料和接触点的温度，接点温度越高，接触电势越大。

17．答：光电效应根据产生结果的不同，通常可分为外光电效应、内光电效应和光生伏特效应三种类型。

光电管和光电流倍增管是属于外光电效应的典型光电元件。光电倍增管的优点是灵敏度高，比光电管高出几万倍以上，输出线性度好，频率特

性好；缺点是体积大、易破碎，工作电压高达上千伏，使用不方便。因此它一般用于微光测量和要求反应速度很快的场合。

基于内光电效应的光电元件有光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管、光敏晶闸管。光敏电阻具有很高的灵敏度，光谱响应的范围可以从紫外线区域到红外线区域，而且体积小，性能稳定，价格较低，所以被广泛应用在自动监测系统中。在使用光敏电阻时，光电流并不是随光强改变而立刻做出相应的变化，而是具有一定的滞后，这也是光敏电阻的缺点之一。光敏三极管的灵敏度比二极管高，但频率特性较差，暗电流较大。光敏晶闸管输出功率比它们都大，主要用于光控开关电路及光耦合器中。

基于光生伏特效应的光电元件主要是光电池。应用最广泛的是硅光电池，它具有性能稳定，光谱范围宽，频率特性好，传递效率高、能耐高温辐射等优点。

18．答：莫尔条纹具有以下特性：(1) 放大作用，莫尔条纹的间距是放大了的光栅栅距，光栅栅距很小，肉眼看不清楚，而莫尔条纹却清晰可见。

(2) 对应关系，两块光栅沿栅线垂直方向作相对移动时，莫尔条纹通过光栅外狭缝板S到固定点（光电元件安装点）的数量正好和光栅所移动的栅线数量相等。光栅作反向移动时，莫尔条纹移动方向也随之改变。(3) 平均效应，通过莫尔条纹所获得的精度可以比光栅本身刻线的刻划精度还要高。

19．答：第一，消除或抑制干扰源。消除干扰源是积极主动的措施，继电器、接触器和断路器等的电触点，在通断电时的电火花是较强的干扰源，可以采取触点消弧电容等。接插件接触不良，电路接头松脱、虚焊等也是

造成干扰的原因，对于这类可以消除的干扰源要尽可能消除。对难于消除或不能消除的干扰源，例如，某些自然现象的干扰、邻近工厂的用电设备的干扰等，就必须采取防护措施来抑制干扰源。

第二，破坏干扰途径。(1) 对于以“路”的形式侵入的干扰，可以采取提高绝缘性能的办法来抑制漏电流干扰；采用隔离变压器、光电耦合器等切断地环路干扰途径，引用滤波器、扼流圈等技术，将干扰信号除去；改变接地形式以消除共阻抗耦合干扰等；对于数字信号可采用整形、限幅等信号处理方法切断干扰途径。(2) 对于以“场”的形式侵入的干扰，一般采取各种屏蔽措施。

第三，削弱接收电路对干扰信号的敏感性。从前面分析知，高输入阻抗电路比低输入阻抗电路易受干扰；布局松散的电子装置比结构紧凑的电子装置更易受外来干扰；模拟电路比数字电路的抗干扰能力差。由此可见，电路设计、系统结构等都与干扰的形成有着密切关系。因此，系统布局应合理，且设计电路时应采用对干扰信号敏感性差的电路。

第1章传感器基础理论思考题与习题答案 1.1什么是传感器？（传感器定义） 解：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、转换元件和调节转换电路组成。 1.2传感器特性在检测系统中起到什么作用？ 解：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，所以它在检测系统中的作用非常重要。通常把传感器的特性分为两种：静态特性和动态特性。静态特性是指输入不随时间而变化的特性，它表示传感器在被测量各个值处于稳定状态下输入输出的关系。动态特性是指输入随时间而变化的特性，它表示传感器对随时间变化的输入量的响应特性。 1.3传感器由哪几部分组成？说明各部分的作用。 解：传感器通常由敏感元件、转换元件和调节转换电路三部分组成。其中，敏感元件是指传感器中能直接感受或响应被测量的部分，转换元件是指传感器中能将敏感元件感受或响应的被测量转换成电信号的部分，调节转换电路是指将非适合电量进一步转换成适合电量的部分，如书中图1.1所示。 1.4传感器的性能参数反映了传感器的什么关系？静态参数有哪些？各种参数代表什么意 义？动态参数有那些？应如何选择？ 解：在生产过程和科学实验中，要对各种各样的参数进行检测和控制，就要求传感器能感受被测非电量的变化并将其不失真地变换成相应的电量，这取决于传感器的基本特性，即输出—输入特性。衡量静态特性的重要指标是线性度、灵敏度，迟滞和重复性等。意义略（见书中）。动态参数有最大超调量、延迟时间、上升时间、响应时间等，应根据被测非电量的测量要求进行选择。 1.5某位移传感器，在输入量变化5mm时，输出电压变化为300mV，求其灵敏度。 解：其灵敏度 3 3 30010 60 510 U k X - - ?? === ?? 1.6某测量系统由传感器、放大器和记录仪组成，各环节的灵敏度为：S1=0.2mV/℃、

传感器原理及应用 一、单项选择题(每题2分．共40分) 1、热电偶的最基本组成部分是()。 A、热电极 B、保护管 C、绝缘管 D、接线盒 2、为了减小热电偶测温时的测量误差，需要进行的温度补偿方法不包括( )。 A、补偿导线法 B、电桥补偿法 C、冷端恒温法 D、差动放大法 3、热电偶测量温度时( )。 A、需加正向电压 B、需加反向电压 C、加正向、反向电压都可以 D、不需加电压 4、在实际的热电偶测温应用中，引用测量仪表而不影响测量结果是利用了热电偶的哪 个基本定律( )。 A、中间导体定律 B、中间温度定律 C、标准电极定律 D、均质导体定律 5、要形成测温热电偶的下列哪个条件可以不要（）。 A、必须使用两种不同的金属材料； B、热电偶的两端温度必须不同； C、热电偶的冷端温度一定要是零； D、热电偶的冷端温度没有固定要求。 6、下列关于测温传感器的选择中合适的是（）。 A、要想快速测温，应该选用利用PN结形成的集成温度传感器； B、要想快速测温，应该选用热电偶温度传感器； C、要想快速测温，应该选用热电阻式温度传感器； D、没有固定要求。 7、用热电阻测温时，热电阻在电桥中采用三线制接法的目的是( )。 A、接线方便 B、减小引线电阻变化产生的测量误差 C、减小桥路中其他电阻对热电阻的影响 D、减小桥路中电源对热电阻的影响 8、在分析热电偶直接插入热水中测温过程中，我们得出一阶传感器的实例，其中用到了（）。 A、动量守恒； B、能量守恒； C、机械能守恒； D、电荷量守恒； 9、下列光电器件中，基于光电导效应工作的是( )。 A、光电管 B、光敏电阻 C、光电倍增管 D、光电池

《传感器原理及应用》复习题 1.静态特性指标其中的线性度的定义是指 2．传感器的差动测量方法的优点是减小了非线性误差、提高了测量灵敏度。 3.对于等臂半桥电路为了减小或消除非线性误差的方法可以采用提高桥臂 比，采用差动电桥的方法。 4.高频反射式电涡流传感器实际是由线圈和被测体或导体两个部分组成的系统，两者之间通过电磁感应相互作用，因此，在能够构成电涡 流传感器的应用场合中必须存在金属材料。 5.霍尔元件需要进行温度补偿的原因是因为其霍尔系数和材料电阻 受温度影响大。使用霍尔传感器测量位移时，需要构造一个磁场。 6.热电阻最常用的材料是铂和铜，工业上被广泛用来测量中低温 区的温度，在测量温度要求不高且温度较低的场合，铜热电阻得 到了广泛应用。 7.现有霍尔式、电涡流式和光电式三种传感器，设计传送带上塑料零件的计数 系统时，应选其中的光电传感器。需要测量某设备的外壳温度，已知其 范围是300~400℃，要求实现高精度测量，应该在铂铑- 铂热电偶、铂电阻和热 敏电阻中选择铂电阻。 8.一个二进制光学码盘式传感器，为了达到1″左右的分辨力，需要采用 或位码盘。一个刻划直径为400 mm的 20 位码盘，其外圈分别间隔 为稍大于μm。 9.非功能型光纤传感器中的光纤仅仅起传输光信息的作用，功能型光纤传感器 是把光纤作为敏感元件。光纤的 NA 值大表明集光能力强。 11.光照使半导体电阻率变化的现象称为内光电效应，基于此效应的器件除光敏 电阻外还有处于反向偏置工作状态的光敏二极管。光敏器件的灵敏度可 用光照特性表征，它反映光电器件的输入光量与输出光电流(电压 )之间 的关系。选择光电传感器的光源与光敏器件时主要依据器件的光谱特性。 12. 传感器一般由敏感元件 _ 、转换元件 ___ 、测量电路及辅助电 源四个部分组成。 13．传感器的灵敏度是指稳态标准条件下，输出变化量与输入变化 量的比值。对线性传感器来说，其灵敏度是一常数。

温度传感器的应用及原理 温度测量应用非常广泛，不仅生产工艺需要温度控制，有些电子产品还需对它们自身的温度进行测量，如计算机要监控CPU的温度，马达控制器要知道功率驱动IC的温度等等，下面介绍几种常用的温度传感器。 温度是实际应用中经常需要测试的参数，从钢铁制造到半导体生产，很多工艺都要依靠温度来实现，温度传感器是应用系统与现实世界之间的桥梁。本文对不同的温度传感器进行简要概述，并介绍与电路系统之间的接口。 热敏电阻器 用来测量温度的传感器种类很多，热敏电阻器就是其中之一。许多热敏电阻具有负温度系数(NTC)，也就是说温度下降时它的电阻值会升高。在所有被动式温度传感器中，热敏电阻的灵敏度(即温度每变化一度时电阻的变化)最高，但热敏电阻的电阻/温度曲线是非线性的。表1是一个典型的NTC热敏电阻器性能参数。 这些数据是对Vishay-Dale热敏电阻进行量测得到的，但它也代表了NTC热敏电阻的总体情况。其中电阻值以一个比率形式给出(R/R25)，该比率表示当前温度下的阻值与25℃时的阻值之比，通常同一系列的热敏电阻器具有类似的特性和相同电阻/温度曲线。以表1中的热敏电阻系列为例，25℃时阻值为10KΩ的电阻，在0℃时电阻为28.1KΩ，60℃时电阻为4.086KΩ；与此类似，25℃时电阻为5KΩ的热敏电阻在0℃时电阻则为 14.050KΩ。 图1是热敏电阻的温度曲线，可以看到电阻/温度曲线是非线性的。

虽然这里的热敏电阻数据以10℃为增量，但有些热敏电阻可以以5℃甚至1℃为增量。如果想要知道两点之间某一温度下的阻值，可以用这个曲线来估计，也可以直接计算出电阻值，计算公式如下： 这里T指开氏绝对温度，A、B、C、D是常数，根据热敏电阻的特性而各有不同，这些参数由热敏电阻的制造商提供。 热敏电阻一般有一个误差范围，用来规定样品之间的一致性。根据使用的材料不同，误差值通常在1%至10%之间。有些热敏电阻设计成应用时可以互换，用于不能进行现场调节的场合，例如一台仪器，用户或现场工程师只能更换热敏电阻而无法进行校准，这种热敏电阻比普通的精度要高很多，也要贵得多。 图2是利用热敏电阻测量温度的典型电路。电阻R1将热敏电阻的电压拉升到参考电压，一般它与ADC的参考电压一致，因此如果ADC的参考电压是5V，Vref 也将是5V。热敏电阻和电阻串联产生分压，其阻值变化使得节点处的电压也产生变化，该电路的精度取决于热敏电阻和电阻的误差以及参考电压的精度。

一：填空题（每空1分） 1.依据传感器的工作原理，传感器分敏感元件，转换元件， 测量电路三个部分组成。 2.金属丝应变传感器设计过程中为了减少横向效应，可采用直线栅式应变计 和箔式应变计结构。 3.根据热敏电阻的三种类型，其中临界温度系数型最适合开关型温度传感器。 4.灵敏度是描述传感器的输出量对输入量敏感程度的特性参数。其定义为：传 感器输出量的变化值与相应的被测量的变化值之比，用公式表示k（x）=Δy/Δx 。 5.线性度是指传感器的输出量与输入量之间是否保持理想线性特性的一 种度量。按照所依据的基准之线的不同，线性度分为理论线性度、端基线性度、独立线性度、最小二乘法线性度等。最常用的是最小二乘法线性度。 6.根据敏感元件材料的不同，将应变计分为金属式和半导体式两大类。 7.应变传感器设计过程中，通常需要考虑温度补偿，温度补偿的方法电桥补偿 法、计算机补偿法、应变计补偿法、热敏电阻补偿法。 8.应变式传感器一般是由电阻应变片和测量电路两部分组成。 9.传感器的静态特性有灵敏度、线性度、灵敏度界限、迟滞差和稳定性。 10.国家标准GB 7665--87对传感器下的定义是：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或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。 11.传感器按输出量是模拟量还是数字量，可分为模拟量传感器和数字量传感器 =输出量的变化值/输入量的变化12.传感器静态特性的灵敏度用公式表示为：k (x) 值=△y/△x 13.应变计的粘贴对粘贴剂的要求主要有：有一定的粘贴强度；能准确传递应变； 蠕变小；机械滞后小；耐疲劳性好；具有足够的稳定性能；对弹性元件和应变计不产生化学腐蚀作用；有适当的储存期；应有较大的温度适用范围。14.根据传感器感知外界信息所依据的基本校园，可以将传感器分成三大类： 物理传感器，化学传感器，生物传感器。

常用传感器的工作原理及应用

3.1.1电阻式传感器的工作原理 应变：物体在外部压力或拉力作用下发生形变的现象 弹性应变：当外力去除后，物体能够完全恢复其尺寸和形状的应变 弹性元件：具有弹性应变特性的物体 3.1.3电阻应变式传感器 电阻应变式传感器利用电阻应变片将应变转换为电阻值变化的传感器。 工作原理：当被测物理量作用于弹性元件上，弹性元件在力、力矩或压力等的作用下发生变形，产生相应的应变或位移，然后传递给与之相连的应变片，引起应变片的电阻值变化，通过测量电路变成电量输出。输出的电量大小反映被测量的大小。 结构：应变式传感器由弹性元件上粘贴电阻应变片构成。 应用：广泛用于力、力矩、压力、加速度、重量等参数的测量。 1．电阻应变效应 ○

电阻应变片的工作原理是基于应变效应，即导体或半导体材料在外界力的作用下产生机械变形时，其电阻值相应发生变化，这种现象称为“应变效应”。 2．电阻应变片的结构 基片 b l 电阻丝式敏感栅 金属电阻应变片的结构 4．电阻应变式传感器的应用 （1）应变式力传感器 被测物理量：荷重或力 一

二 主要用途：作为各种电子称与材料试验机的 测力元件、 发动机的推力测试、水坝坝体承载状况监测等。 力传感器的弹性元件：柱式、筒式、环式、悬臂式等 （2）应变式压力传感器 主要用来测量流动介质的动态或静态压力 应变片压力传感器大多采用膜片式或筒式 弹性元件。 （3）应变式容器内液体重量传感器 感压膜感受上面液体的压力。 （4）应变式加速度传感器 用于物体加速度的测量。 依据：a =F/m 。 3.2电容式传感器 3.2.1电容式传感器的工作原理 由绝缘介质分开的两个平行金属板组成的 平板电容器，如果不考虑边缘效应，其电容量为 当被测参数变化使得S 、d 或ε发生变化时， 电容量C 也随之变化。 d S C ε=

各种温度传感器分类及其原理.

各种温度传感器分类及其原理 温度传感器是检测温度的器件,其种类最多,应用最广,发展最快。众所周知,日常使用的材料及电子元件大部分特性都随温度而变化, 在此我们暂时介绍最常用的热电阻和热电偶两类产品。 1. 热电偶的工作原理 当有两种不同的导体和半导体 A 和 B 组成一个回路,其两端相互连接时,只要两结点处的温度不同,一端温度为 T ,称为工作端或热端,另一端温度为 TO ,称为自由端 (也称参考端 或冷端,则回路中就有电流产生,如图 2-1(a所示,即回路中存在的电动势称为热电 动势。这种由于温度不同而产生电动势的现象称为塞贝克效应。 与塞贝克有关的效应有两个:其一, 当有电流流过两个不同导体的连接处时, 此处便吸收或放出热量 (取决于电流的方向 , 称为珀尔帖效应;其二,当有电流流过存在温度梯度的导体时,导体吸收或放出热量(取决 于电流相对于温度梯度的方向 ,称为汤姆逊效应。两种不同导体或半导体的组合称为热电偶。热电偶的热电势 EAB(T, T0 是由接触电势和温差电势合成的。接触电势是指两种不同 的导体或半导体在接触处产生的电势, 此电势与两种导体或半导体的性质及在接触点的温度有关。 温差电势是指同一导体或半导体在温度不同的两端产生的电势, 此电势只与导体或半导体的性质和两端的温度有关, 而与导体的长度、截面大小、沿其长度方向的温度分布无关。 无论接触电势或温差电势都是由于集中于接触处端点的电子数不同而产生的电势, 热电偶测量的热电势是二者的合成。当回路断开时,在断开处 a , b 之间便有一电动势差△ V ,其极性和大小与回路中的热电势一致,如图 2-1(b所示。并规定在冷端,当电流由 A 流向 B 时, 称 A 为正极, B 为负极。实验表明,当△ V 很小时,△ V 与△ T 成正比关系。定义△ V 对△ T

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）灵敏度 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

第1章传感器基础理论思考题与习题答案 什么是传感器（传感器定义） 解：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、转换元件和调节转换电路组成。 传感器特性在检测系统中起到什么作用 解：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，所以它在检测系统中的作用非常重要。通常把传感器的特性分为两种：静态特性和动态特性。静态特性是指输入不随时间而变化的特性，它表示传感器在被测量各个值处于稳定状态下输入输出的关系。动态特性是指输入随时间而变化的特性，它表示传感器对随时间变化的输入量的响应特性。 传感器由哪几部分组成说明各部分的作用。 解：传感器通常由敏感元件、转换元件和调节转换电路三部分组成。其中，敏感元件是指传感器中能直接感受或响应被测量的部分，转换元件是指传感器中能将敏感元件感受或响应的被测量转换成电信号的部分，调节转换电路是指将非适合电量进一步转换成适合电量的部分，如书中图所示。 传感器的性能参数反映了传感器的什么关系静态参数有哪些各种参数代表什么意义动态参数有那些应如何选择 解：在生产过程和科学实验中，要对各种各样的参数进行检测和控制，就要求传感器能感受被测非电量的变化并将其不失真地变换成相应的电量，这取决于传感器的基本特性，即输出—输入特性。衡量静态特性的重要指标是线性度、灵敏度，迟滞和重复性等。意义略（见书中）。动态参数有最大超调量、延迟时间、上升时间、响应时间等，应根据被测非电量的测量要求进行选择。 某位移传感器，在输入量变化5mm时，输出电压变化为300mV，求其灵敏度。 解：其灵敏度 3 3 30010 60 510 U k X - - ?? === ?? 某测量系统由传感器、放大器和记录仪组成，各环节的灵敏度为：S1=℃、S2=mV、S3=V，求系统的总的灵敏度。 某线性位移测量仪，当被测位移由变到时，位移测量仪的输出电压由减至，求该仪器的灵敏度。

第1章 传感器的一般特性 1.1 什么叫传感器？它由哪几部分组成？并说出各部分的作用及其相互间的关系。 1.2 简述传感器的作用和地位及其传感器技术的发展方向。 1.3 传感器的静态特性指什么？衡量它的性能指标主要有哪些？ 1.4 传感器的动态特性指什么？常用的分析方法有哪几种？ 1.5 传感器的标定有哪几种？为什么要对传感器进行标定？ 1.6 某传感器给定精度为2%F·S ，满度值为50mV ，零位值为10mV ，求可能出现的最大误差δ(以mV 计)。当传感器使用在满量程的1/2和1/8时，计算可能产生的测量百分误差。由你的计算结果能得出什么结论? 解：满量程（F?S ）为50﹣10=40(mV) 可能出现的最大误差为： δ＝40?2%=0.8(mV) 当使用在1/2和1/8满量程时，其测量相对误差分别为： % 4%10021408.01=??=γ % 16%10081408 .02=??=γ 结论：测量值越接近传感器（仪表）的满量程，测量误差越小。 1.7 有两个传感器测量系统，其动态特性可以分别用下面两个微分方程描述，试求这两个系统的时间常数τ和静态灵敏度K 。 1) T y dt dy 5105.1330 -?=+ 式中, y ——输出电压，V ；T ——输入温度，℃。 2) x y dt dy 6.92.44 .1=+ 式中，y ——输出电压，μV ；x ——输入压力，Pa 。 解：根据题给传感器微分方程，得 (1) τ=30/3=10(s)， K=1.5 10 5/3=0.5 10 5(V/℃)； (2) τ=1.4/4.2=1/3(s)， K=9.6/4.2=2.29(μV/Pa)。 1.8 已知一热电偶的时间常数τ=10s ，如果用它来测量一台炉子的温度，炉内温度在540℃至500℃之间接近正弦曲线波动，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。以及输入与输出之间的相位差和滞后时间。 解：依题意，炉内温度变化规律可表示为 x(t) =520+20sin(ωt)℃ 由周期T=80s ，则温度变化频率f =1/T ，其相应的圆频率 ω=2πf =2π/80=π/40； 温度传感器（热电偶）对炉内温度的响应y(t)为 y(t)=520+Bsin(ωt+?)℃ 热电偶为一阶传感器，其动态响应的幅频特性为 ()()786 010******** 2 2 .B A =??? ? ???π+= ωτ+== ω 因此，热电偶输出信号波动幅值为 B=20?A(ω)=20?0.786=15.7℃ 由此可得输出温度的最大值和最小值分别为 y(t)|m ax =520+B=520+15.7=535.7℃ y(t)|m in =520﹣B=520-15.7=504.3℃ 输出信号的相位差?为 ?(ω)= -arctan(ωτ)= -arctan(2π/80?10)= -38.2? 相应的时间滞后为

习题集及答案 第1章概述 1.1 什么是传感器？按照国标定义，“传感器”应该如何说明含义？ 1.2 传感器由哪几部分组成？试述它们的作用及相互关系。 1.3传感器如何分类？按传感器检测的畴可分为哪几种？ 答案 1.1答： 从广义的角度来说，感知信号检出器件和信号处理部分总称为传感器。我们对传感器定义是：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。从狭义角度对传感器定义是：能把外界非电信息转换成电信号输出的器件。 我国国家标准（GB7665—87）对传感器（Sensor/transducer）的定义是：“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”。定义表明传感器有这样三层含义：它是由敏感元件和转换元件构成的一种检测装置；能按一定规律将被测量转换成电信号输出；传感器的输出与输入之间存在确定的关系。按使用的场合不同传感器又称为变换器、换能器、探测器。 1.2答： 组成——由敏感元件、转换元件、基本电路组成； 关系，作用——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。 1.3答：（略）答： 按照我国制定的传感器分类体系表，传感器分为物理量传感器、化学量传感器以及生物量传感器三大类，含12个小类。按传感器的检测对象可分为：力学量、热学量、流体量、光学量、电量、磁学量、声学量、化学量、生物量、机器人等等。 第3章电阻应变式传感器 3.1 何为电阻应变效应？怎样利用这种效应制成应变片？ 3.2 图3-31为一直流电桥，负载电阻R L趋于无穷。图中E=4V，R1=R2=R3=R4=120Ω，试 求：① R1为金属应变片，其余为外接电阻，当R1的增量为ΔR1=1.2Ω时，电桥输出电压U0=? ②R1、R2为金属应变片，感应应变大小变化相同，其余为外接电阻，电桥输出电压U0=? ③R1、R2为金属应变片，如果感应应变大小相反，且ΔR1=ΔR2 =1.2Ω，

传感器（原理及典型应用） 编稿：张金虎审稿：李勇康 【学习目标】 1．知道什么是传感器，常见的传感器有哪些。 2．了解一些传感器的工作原理和实际应用。 3．了解传感器的应用模式，能够运用这一模式去理解传感器的实际运用。 4．了解传感器在生活、科技中的运用和发挥的巨大作用。 【要点梳理】 要点一、传感器 1．现代技术中，传感器是指这样一类元件：它能够感受诸如力、温度、光、声、化学成分等非电学量，并能把它们按照一定的规律转换为电压、电流等电学量，或转化为电路的通断。把非电学量转换为电学量以后，就可以很方便地进行测量、传输、处理和控制了。 2．传感器原理 传感器感受的通常是非电学量，如压力、温度、位移、浓度、速度、酸碱度等，而它输出的通常是电学量，如电压值、电流值、电荷量等，这些输出信号是非常微弱的，通常要经过放大后，再送给控制系统产生各种控制动作。传感器原理如下图所示。 3．传感器的分类 常用传感器是利用某些物理、化学或生物效应进行工作的。根据测量目的不同，可将传感器分为物理型、化学型和生物型三类。 物理型传感器是利用被测量物质的某些物理性质（如电阻、电压、电容、磁场等）发生明显变化的特性制成的，如光电传感器、力学传感器等。 化学型传感器是利用能把化学物质的成分、浓度等化学量转换成为电学量的敏感元件制成的。 生物型传感器是利用各种生物或生物物质的特性做成的，用以检测与识别生物体内化学成分的传感器，生物或生物物质主要是指各种酶、微生物、抗体等，分别对应酶传感器、微生物传感器、免疫传感器等等。 要点二、光敏电阻 光敏电阻能够把光照强弱这个光学量转换为电阻大小这个电学量，一般随光照的增强电阻值减小。 要点诠释：光敏电阻是用半导体材料制成的，硫化镉在无光时，载流子（导电电荷）极少，导电性能不好，随着光照的增强，载流子增多，导电性能变好。 要点三、热敏电阻和金属热电阻 1．热敏电阻 热敏电阻用半导体材料制成，其电阻值随温度变化明显。如图为某一热敏电阻的电阻—温度特性曲线。

传感器原理及应用试题 库 SANY GROUP system office room 【SANYUA16H-

一：填空题（每空1分）1.依据传感器的工作原理，传感器分敏感元件，转换元件，测量电路三个部 分组成。 2.半导体应变计应用较普遍的有体型、薄膜型、扩散型、外延型等。 3.光电式传感器是将光信号转换为电信号的光敏元件，根据光电效应可以分 为外光电效应，内光电效应，热释电效应三种。 4.光电流与暗电流之差称为光电流。 5.光电管的工作点应选在光电流与阳极电压无关的饱和区域内。 6.金属丝应变传感器设计过程中为了减少横向效应，可采用直线栅式应变计 和箔式应变计结构。 7.反射式光纤位移传感器在位移-输出曲线的前坡区呈线性关系，在后坡区与 距离的平方成反比关系。 8.根据热敏电阻的三种类型，其中临界温度系数型最适合开关型温度传感 器。 9.画出达林顿光电三极管内部接线方式： U CE 10.灵敏度是描述传感器的输出量对输入量敏感程度的特性参数。其定义为： 传感器输出量的变化值与相应的被测量的变化值之比，用公式表示k（x）=Δy/Δx。

11.线性度是指传感器的输出量与输入量之间是否保持理想线性特性的一种度 量。按照所依据的基准之线的不同，线性度分为理论线性度、端基线性度、独立线性度、最小二乘法线性度等。最常用的是最小二乘法线性度。 12.根据敏感元件材料的不同，将应变计分为金属式和半导体式两大类。 13.利用热效应的光电传感器包含光---热、热---电两个阶段的信息变换过 程。 14.应变传感器设计过程中，通常需要考虑温度补偿，温度补偿的方法电桥补 偿法、计算机补偿法、应变计补偿法、热敏电阻补偿法。 15.应变式传感器一般是由电阻应变片和测量电路两部分组成。 16.传感器的静态特性有灵敏度、线性度、灵敏度界限、迟滞差和稳定性。 17.在光照射下，电子逸出物体表面向外发射的现象称为外光电效应，入射光 强改变物质导电率的物理现象称为内光电效应。 18.光电管是一个装有光电阴极和阳极的真空玻璃管。 19.光电管的频率响应是指一定频率的调制光照射时光电输出的电流随频率变 化的关系，与其物理结构、工作状态、负载以及入射光波长等因素有关。 多数光电器件灵敏度与调制频率的关系为Sr（f）=Sr。/(1+4π2f2τ2) 20.内光电效应可分为光电导效应和光生伏特效应。 21.国家标准GB7665--87对传感器下的定义是：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或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。 22.传感器按输出量是模拟量还是数字量，可分为模拟量传感器和数字量传感 器

机电一体化技术常用传感器及其原理 班级：机械设计制造及其自动化姓名： 学号：

一、传感器的分类 传感器有许多分类方法，但常用的分类方法有两种，一种是按被测物理量来分；另一种是按传感器的工作原理来分。按被测物理量划分的传感器，常见的有：温度传感器、湿度传感器、压力传感器、位移传感器、流量传感器、液位传感器、力传感器、加速度传感器、转矩传感器等。 按工作原理可划分为： 1．电学式传感器 电学式传感器是非电量电测技术中应用范围较广的一种传感器，常用的有电阻式传感器、电容式传感器、电感式传感器、磁电式传感器及电涡流式传感器等。 电阻式传感器是利用变阻器将被测非电量转换为电阻信号的原理制成。电阻式传感器一般有电位器式、触点变阻式、电阻应变片式及压阻式传感器等。电阻式传感器主要用于位移、压力、力、应变、力矩、气流流速、液位和液体流量等参数的测量。 电容式传感器是利用改变电容的几何尺寸或改变介质的性质和含量，从而使电容量发生变化的原理制成。主要用于压力、位移、液位、厚度、水分含量等参数的测量。 电感式传感器是利用改变磁路几何尺寸、磁体位置来改变电感或互感的电感量或压磁效应原理制成的。主要用于位移、压力、力、振动、加速度等参数的测量。 磁电式传感器是利用电磁感应原理，把被测非电量转换成电量制成。主要用于流量、转速和位移等参数的测量。 电涡流式传感器是利用金屑在磁场中运动切割磁力线，在金属内形成涡流的原理制成。主要用于位移及厚度等参数的测量。 2．磁学式传感器 磁学式传感器是利用铁磁物质的一些物理效应而制成的，主要用于位移、转矩等参数的

测量。 3．光电式传感器 光电式传感器在非电量电测及自动控制技术中占有重要的地位。它是利用光电器件的光电效应和光学原理制成的，主要用于光强、光通量、位移、浓度等参数的测量。 4．电势型传感器 电势型传感器是利用热电效应、光电效应、霍尔效应等原理制成，主要用于温度、磁通、电流、速度、光强、热辐射等参数的测量。 5．电荷传感器 电荷传感器是利用压电效应原理制成的，主要用于力及加速度的测量。 6．半导体传感器 半导体传感器是利用半导体的压阻效应、内光电效应、磁电效应、半导体与气体接触产生物质变化等原理制成，主要用于温度、湿度、压力、加速度、磁场和有害气体的测量。 7．谐振式传感器 谐振式传感器是利用改变电或机械的固有参数来改变谐振频率的原理制成，主要用来测量压力。 8．电化学式传感器 电化学式传感器是以离子导电为基础制成，根据其电特性的形成不同，电化学传感器可分为电位式传感器、电导式传感器、电量式传感器、极谱式传感器和电解式传感器等。电化学式传感器主要用于分析气体、液体或溶于液体的固体成分、液体的酸碱度、电导率及氧化还原电位等参数的测量。 另外，根据传感器对信号的检测转换过程，传感器可划分为直接转换型传感器和间接转换型传感器两大类。前者是把输入给传感器的非电量一次性的变换为电信号输出，如光敏电

一：填空题（每空1分） 1 1.依据传感器的工作原理，传感器分敏感元件，转换元2 件，测量电路三个部分组成。 3 2.半导体应变计应用较普遍的有体型、薄膜型、扩散型、外延型等。4 3.光电式传感器是将光信号转换为电信号的光敏元件，根据光电效应5 可以分为外光电效应，内光电效应，热释电效应三种。 6 4.光电流与暗电流之差称为光电流。 7 5.光电管的工作点应选在光电流与阳极电压无关的饱和区域内。 8 6.金属丝应变传感器设计过程中为了减少横向效应，可采用直线栅式9 应变计和箔式应变计结构。 10 7.反射式光纤位移传感器在位移-输出曲线的前坡区呈线性关系，在11 后坡区与距离的平方成反比关系。 12 8.根据热敏电阻的三种类型，其中临界温度系数型最适合开关型温13 度传感器。 14 9.画出达林顿光电三极管内部接线方式： U C E 15 10.灵敏度是描述传感器的输出量对输入量敏感程度的特性参数。其定16 义为：传感器输出量的变化值与相应的被测量的变化值之比，用公17 式表示 k（x）=Δy/Δx 。 18 11.线性度是指传感器的输出量与输入量之间是否保持理想线性特19

性的一种度量。按照所依据的基准之线的不同，线性度分为理论线性度、20 端基线性度、独立线性度、最小二乘法线性度等。最常用的是最21 小二乘法线性度。 22 12.根据敏感元件材料的不同，将应变计分为金属式和半导体23 式两大类。 24 13.利用热效应的光电传感器包含光---热、热---电两个阶段的信25 息变换过程。 26 14.应变传感器设计过程中，通常需要考虑温度补偿，温度补偿的方法27 电桥补偿法、计算机补偿法、应变计补偿法、热敏电阻补偿法。 28 15.应变式传感器一般是由电阻应变片和测量电路两部分组成。 29 16.传感器的静态特性有灵敏度、线性度、灵敏度界限、迟滞差和稳30 定性。 31 17.在光照射下，电子逸出物体表面向外发射的现象称为外光电效32 应，入射光强改变物质导电率的物理现象称为内光电效应。 33 18.光电管是一个装有光电阴极和阳极的真空玻璃管。 34 19.光电管的频率响应是指一定频率的调制光照射时光电输出的电流随35 频率变化的关系，与其物理结构、工作状态、负载以及入射光波长等因素有36 关。多数光电器件灵敏度与调制频率的关系为Sr（f）=Sr。/(1+4π2f2τ2) 37 20.内光电效应可分为光电导效应和光生伏特效应。 38 21.国家标准GB 7665--87对传感器下的定义是：能够感受规定的被测39 量并按照一定的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40 转换元件组成。 41

《传感器原理及应用》 实 验 指 导 书 测控技术实验室

实验一金属箔式应变片----单臂、半臂、全桥性能实验 一、实验目的：了解金属箔式应变片的应变效应，单臂、半臂、全电桥工 作原理和性能。 二、基本原理：电阻丝在外力作用下发生机械变形时,其电阻值发生变化, 这就是电阻应变效应,描述电阻应变效应的关系式为:ΔR/R=Kε式中:ΔR/R 为:ΔR/R电阻丝电阻相对变化, K为应变灵敏系数, ε=ΔL/L为电阻丝长度相对变化, 金属箔式应变片就是通过光刻、腐蚀等工艺制成的应变敏感元件，通过它转换被测部件受力状态变化、电桥的作用完成电阻到电压的比例变化，电桥的输出电压反映了相应的受力状态。对单臂电桥输出电压Uο1=Ek?/4。在半桥性能实验中，不同受力方向的两只应变片接入电桥作为邻边，电桥输出灵敏度提高，非线性得到改善。当应变片阻值和应变量相同时，其桥路输出电压Uο2=Ek?/2。在全桥测量电路中，将受力性质相同的两应变片接入电桥对边，不同的接入邻边，当应变片初始阻力值：R1=R2=R3=R4，其变化值ΔR1=ΔR2=ΔR3=ΔR4时，其桥路输出电压Uο3=Ek?。其输出灵敏度比半桥又提高了一倍，非线性误差和温度误差均得到改善。 三、实验设备：应变式传感器实验模板、应变式传感器、砝码、数显表、 ±15V、±4V直流电源、万用表。 四、实验方法和要求： 1、根据电子电路知识，实验前设计出实验电路连线图。 2、独力完成实验电路连线。 3、找出这三种电桥输出电压与加负载重量之间的关系，并作出V o=F(m) 的关系曲线。

4、分析、计算三种不同桥路的系统灵敏度S=ΔU/ΔW（ΔU输出电压变化 量，ΔW重量变化量）和非线性误差：δf1=Δm/yF·s×100%式中Δm为 输出值（多次测量时为平均值）与拟合直线的最大偏差：yF·s满量程 输出平均值，此处为200g。 五、思考题 1、单臂电桥时，作为桥臂电阻应变片应选用：（1）正（受拉）应变片（2） 负（受压）应变片（3）正、负应变片均可以。 2、半桥测量时两片不同受力状态的电阻应变片接入电桥时，应放在：（1） 对边（2）邻边。 3、全桥测量中，当两组对边（R1、R3为对边）电阻值R相同时，即R1=R3， R2=R4，而R1≠R2时，是否可以组成全桥：（1）可以（2）不可以。

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。

传感器原理及应用习题答案 习题1 (2) 习题2 (2) 习题3 (5) 习题4 (5) 习题5 (6) 习题6 (7) 习题7 (9) 习题8 (11) 习题9 (13) 习题10 (14) 习题11 (15) 习题12 (16) 习题13 (18)

1-1 什么叫传感器？它由哪几部分组成？并说出各部分的作用及其相互间的关系。 答：传感器是能感受规定的被测量并按照一定的规律将其转换成可用输出信号的器件或装置。 通常传感器由敏感元件和转换元件组成。 敏感元件是指传感器中能直接感受或响应被测量的部分，转换元件是指传感器中将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于传输或测量的电信号部分。 由于传感器的输出信号一般都很微弱, 因此需要有信号调节与转换电路对其进行放大、运算调制等。随着半导体器件与集成技术在传感器中的应用，传感器的信号调节与转换电路可能安装在传感器的壳体里或与敏感元件一起集成在同一芯片上。此外，信号调节转换电路以及传感器工作必须有辅助的电源，因此信号调节转换电路以及所需的电源都应作为传感器组成的一部分。 1-2 简述传感器的作用和地位及其传感器技术的发展方向。 答：传感器位于信息采集系统之首，属于感知、获取及检测信息的窗口，并提供给系统赖以进行处理和决策所必须的原始信息。没有传感技术，整个信息技术的发展就成了一句空话。科学技术越发达，自动化程度越高，信息控制技术对传感器的依赖性就越大。 发展方向：开发新材料，采用微细加工技术，多功能集成传感器的研究，智能传感器研究，航天传感器的研究，仿生传感器的研究等。 1-3 传感器的静态特性指什么？衡量它的性能指标主要有哪些？ 答：传感器的静态特性是指被测量的值处于稳定状态时的输出—输入关系。与时间无关。 主要性能指标有：线性度、灵敏度、迟滞和重复性等。 1-4 传感器的动态特性指什么？常用的分析方法有哪几种？ 答：传感器的动态特性是指其输出与随时间变化的输入量之间的响应特性。 常用的分析方法有时域分析和频域分析。时域分析采用阶跃信号做输入，频域分析采用正弦信号做输入。 1-5 解释传感器的无失真测试条件。 答：对于任何一个传感器(或测试装置),总是希望它们具有良好的响应特性,精度高、灵敏度高，输出波形无失真的复现输入波形等。实现上述要求，需要满足一定的条件，称此条件为传感器的无失真测试条件。 1-6 传感器的标定有哪几种？为什么要对传感器进行标定？ 答：传感器的标定分为静态标定和动态标定两种。 静态标定的目的是确定传感器静态特性指标，如线性度、灵敏度、滞后和重复性等。 动态指标标定的目的是确定传感器的动态特性参数，如频率响应、时间常数、固有频率和阻尼比等。

《传感器原理及应用》三级项目报告书 基于PLC的物料分拣系统设计 学院：机械工程学院 班级：13-1机械电子工程（卓越） 组员：响夏中岩轩赫 贡献率：响程序设计，优化 40% 夏中岩资料整理，编辑 30% 轩赫 PPT设计编写 30% 指导教师：边辉 完成日期：2016.05

目录 摘要.................................................................. - 2 - 1 物料分拣系统简述.................................................... - 3 - 2 物料分拣系统中的传感器.............................................. - 3 - 2.1 电机起停控制传感器............................................ - 3 - 2.2 物料计数用传感器.............................................. - 5 - 2.3 定位及速度控制传感器.......................................... - 5 - 2.3.1 增量编码器.............................................. - 5 - 2.3.2 固态继电器.............................................. - 6 - 2.4 物料分类用传感器.............................................. - 6 - 2.4.1色标传感器............................................... - 6 - 2.4.2 电涡流式传感器.......................................... - 7 - 2.4.3 磁簧管.................................................. - 7 - 3 控制系统设计....................................................... - 7 - 3.1 硬件连接..................................................... - 8 - 3.2 程序编译...................................................... - 8 - 4 传感器前景展望..................................................... - 12 - 4.1 传感器在科技发展中的重要性................................... - 12 - 4.2 先进传感器的发展趋势......................................... - 12 - 5 反思与收获......................................................... - 12 -参考文献............................................................. - 13 -