传感器复习题与答案

-1-传感器原理与应用复习题第一章传感器概述1．什么是传感器？传感器由哪几个部分组成？试述它们的作用和相互关系。（1）传感器定义：广义的定义：一种能把特定的信息（物理、化学、生物）按一定的规律转换成某种可用信号输出的器件和装置。广义传感器一般由信号检出器件和信号处理器件两部分组成；狭义的定义：能把外界非电信号转换成电信号输出的器件。我国国家标准对传感器的定义是：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。以上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。（2）组成部分：传感器由敏感元件，转换元件，转换电路组成。（3）他们的作用和相互关系：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物理量；转换元件把敏感元件的输出作为它的输入，转换成电路参量；上述电路参数接入基本转换电路，便可转换成电量输出。2．传感器的总体发展趋势是什么？现代传感器有哪些特征，现在的传感器多以什么物理量输出？（1）发展趋势：①发展、利用新效应；②开发新材料；③提高传感器性能和检测范围；④微型化与微功耗；⑤集成化与多功能化；⑥传感器的智能化；⑦传感器的数字化和网络化。（2）特征：由传统的分立式朝着集成化。数字化、多动能化、微型化、智能化、网络化和光机电一体化的方向发展，具有高精度、高性能、高灵敏度、高可靠性、高稳定性、长寿命、高信噪比、宽量程和无维护等特点。（3）输出：电量输出。3．压力、加速度、转速等常见物理量可用什么传感器测量？各有什么特点？名称特点应用电阻式传感器电阻式传感器具有体积小、质量轻、结构简单、输出精度较高、稳定性好、适于动态和静态测量等特点。用于力、力矩、压力、位移、加速度、重量等参数的测量电容式传感器小功率、高阻抗；具有很高的输入阻抗；静电引力小，工作所需作用力小；有较高的频率，动态响应特性好；结构简单，可进行非接触测量。优点是电容式传感器用于位移、振动、角度、加速度等机械量精密测量。逐渐应用于压力、压差、液面、成份含量等方面的测量。-2-本身发热小，缺点是输出非线性。电感式传感器具有结构简单可靠、输出功率大、分辨力高、线性度好、零点漂移少的优点，但是响应时间较长、不宜频率较高的动态测量。可测量位移、振动、压力、流量、重量、力矩、应变、密度等物理量。磁电、磁敏式传感器磁电式传感器是种有源传感器，输出功率大，结构简单，稳定可靠。但尺寸大、比较重、频率响应低。广泛用于位移、振动、速度、转速、压力等测量。压电式传感器体积小、质量小、结构简单、工作可靠。但不能测量频率低的物理量。可以对各种动态力、机械冲击、加速度和振动进行测量光电式传感器具有非接触、快速、结构简单、性能可靠等优点。可测量力、温度、位移、速度等物理量。热电式传感器热电偶特点：耐高温、精度高，可测量上千度；热电阻特点：利用金属导体电阻随温度变化，可测温几百度；热敏电阻特点：体积小、灵敏度高、使用方便，稳定性差；集成温度传感器特点：体积小、响应快、价廉，测量150℃以下温度。主要测量温度变化。4．了解传感器的分类方法。所学的传感器分别属于哪一类？（1）按传感器检测的量分类，有物理量、化学量，生物量；（2）按传感器的输出信号性质分裂，有模拟和数字；（3）按传感器的结构分类，有结构性、物性型、复合型；（4）按传感器功能分类，单功能，多功能，智能；（5）按传感器转换原理分类，有机电、光电、热电、磁电、电化学；（6）按传感器能源分类，有有源和无源；根据我国的传感器分类体系表，主要分为物理量传感器、化学量传感器、生物量传感器三大类。5．了解传感器的图形符号，其中符号代表什么含义。图a图b：电容式压力传感器正方形表示转换元件，三角形表示敏感元件，“X”表示被测量，“*”表示转换原理，如图b。X*P-3-压力用P，加速度用a,温度用t。第二章传感器特性1．传感器的性能参数反映了传感器的什么关系？传感器的性能参数反映了传感器的输入输出关系。2．静态特性特性参数有哪些？各种参数代表什么意义，描述了传感器的哪些特征？（1）线性度：传感器的校准曲线与选定的拟合直线的偏离程度称为传感器的线性度，又称非线性误差。%100/maxFSLyye（yF.S.——传感器的满量程输出值；Δymax——校准曲线与拟合直线的最大偏差。）。（2）灵敏度：指传感器在稳态工作情况下输出改变量与引起此变化的输入改变量之比。常用Sn表示灵敏度，其表达式为xySddn/。一般希望测试系统的灵敏度在满量程范围内恒定，这样才便于读数。也希望灵敏度较高，因为S越大，同样的输入对应的输出越大。（3）迟滞（迟环）：在相同工作条件下做全量程范围校准时，正行程（输入量由小到大）和反行程（输入量由大到小）所得输出输入特性曲线不重合。表达式为%10021SFmax..yyeh。迟滞是由于磁性材料的磁化和材料受力变形，机械部分存在（轴承）间隙、摩擦、（紧固件）松动、材料内摩擦、积尘等造成的。（4）重复性：指传感器在输入量按同一方向作全量程连续多次测试时,所得特性曲线不一致的程度。表达式为：%100SFmaxz../yye。（5）静态误差：指传感器在其全量程内任一点的输出值与其理论值的偏离程度。是评价传感器静态特性的综合指标。用非线性、迟滞、重复性误差表示2z2h2Lseeee；系统误差加随机误差用Δymax表示校准曲线相对于拟合直线的最大偏差，即系统误差的极限值；用σ表示按极差法计算所得的标准偏差%100SFmaxs..)/|(|yye。（6）漂移：指传感器被测量不变，而其输出量却发生了改变。漂移包括零点漂移与灵敏度漂移，零点漂移与灵敏度漂移又可分为时间漂移（时漂）和温度漂移（温漂）。（7）稳定性：表示传感器在一较长时间内保持性能参数的能力，故又称长期稳定性。（8）分辨率：当传感器的输入从非零值缓慢增加时，在超过某一增量后，输出发生可观测的变化，这个输入增量称为传感器的分辨率，即最小输入增量。（9）阈值电压：指输入小到某种程度输出不在发生变化的值。3．什么是传感器的动态误差？传递函数和频率特性的定义是什么？-4-（1）一个动态性能好的传感器，输入和输出之间应具有相同的时间函数，但是除了理想状态外，输出信号一定不会与输入信号有相同的时间函数，这种输入输出之间的差异就是动态误差，范阳了传感器的动态特性。动态误差通常包括两个部分：①输出达到稳定状态后与理想输出之间的差别，称稳态误差；②输入量发生跃变时，输出量由一个稳定状态过渡到另一个稳定状态期间的误差，称为暂态误差。（2）传递函数H(s)表示传感器系统本身的输出、转换特性。在数学的定义是：初始条件为零（t≤0,y=0）,输出拉氏变换与输入拉氏变换之比，输出的拉氏变换等于输入的拉氏变换乘以传递函数)()()(sHsxsy。（3）当传感器输入正弦信号时，则分析传感器动态特性的相位、振幅、频率特性，称之为频率响应或频率特性。（4）当传感器输入阶跃信号时，则分析传感器的过渡过程和输出随时间变化情况，称之为传感器的阶跃响应或瞬态响应。4．什么是传感器的动态特性?其特性参数有那些？这些参数反映了传感器的哪些特征，应如何选择？（1）传感器的动态特性是指传感器输出对时间变化的输入量的响应特性。（2）1）频率响应特性指标①频带：传感器增益保持在一定值内的频率范围，即对数幅频特性曲线上幅值衰减3dB时所对应的频率范围，称为传感器的频带或通频带，对应有上、下截止频率。②时间常数τ：用时间常数τ来表征一阶传感器的动态特性，τ越小，频带越宽。③固有频率ωn：二阶传感器的固有频率ωn表征了其动态特性。2①时间常数τ,一阶传感器时间常数τ越小,响应速度越快。②延时时间,传感器输出达到稳态值的50%所需时间。③上升时间,传感器输出达到稳态值的90%所需时间。④超调量,传感器输出超过稳态值的最大值。（3）1）对于一阶传感器的动态响应主要取决于时间常数τ，τ越小越好，τ越小，减小时间常数τ，传感器上限频率H越高，工作频率越宽，频率响应特性越好。2）二阶传感器对阶跃信号响应和频率响应特性的好坏很大程度上取决于阻尼系数和传感器的固有频率ωn。5．有一温度传感器，微分方程为30dy/dt+3y=0.15x，其中y为输出电压（mV),x为输入温度（℃）。试求该传感器的时间常数和静态灵敏度。由温度传感器的微分方程30dy/dt+3y=0.15x可知a1=30,a0=3,b0=0.15由一阶传=a1/a0=30/3=10(S)k=b0/a0=0.15/3=0.05(mV/℃）-5-6．有一温度传感器，当被测介质温度为t1，测温传感器显示温度为t2时，可用下列方程表示：1202/ttdtd。当被测介质温度从25℃突然变化到300℃时，测温传感器的时间常数τ0=120s，试求经过350s后该传感器的动态误差。动态误差由稳态误差和暂态误差组成。先求稳态误差：对方程两边去拉氏变换得：1202()()()sssTTsT则传递函数为021()1()1TsTss对于一阶系统，阶跃输入下的稳态误差0sse，再求暂态误差：当t=350s时，暂态误差为350/120()(30025)14.88teeC故所求动态误差为：()14.88ssteeeC第三章应变式传感器1．什么是应变效应？什么是压阻效应？什么是横向效应？电阻应变效应：导体在收到外界拉力或压力的作用时会产生机械变形，同时机械变形会引起导体阻值的变化，这种导体材料因变形而使其电阻值变化的现象称为电阻应变效应。压阻效应：是指当半导体受到某一轴向上的外应力作用时，会引起半导体能带变化，使载流子迁移率的发生变化，进而造成电阻率发生变化的现象。横向效应：将直的电阻丝绕成敏感栅后，虽然长度不变，但应变状态不同，圆弧部分使灵敏度下降了，这种现象称为应变传感器的横向效应。2．什么是应变片的灵敏系数？半导体应变片灵敏系数范围是多少，金属应变片灵敏系数范围是多少？说明金属丝电阻应变片与半导体应变片的相同点和不同点。（1）应变片是一种重要的敏感元件，是应变和应力测量的主要传感器，如电子秤、压力计、加速度计、线位移装置常使用应变片做转换元件。（2）金属电阻丝的灵敏系数可近似写为012k，即01.52k～；半导体灵敏系数近似为0//kE≈50～100（3）金属丝电阻应变片与半导体应变片的比较相同点：都主要引起两个方面的变化：①材料几何尺寸变化（1+2μ）；②材料电阻率的变化（Δρ/ρ）/ε不同点：金属导体应变片的电阻变化是利用机械形变产生的应变效应，对于半导体而言，-6-应变传感器主要是利用半导体材料的压阻效应。金属的尺寸变化大，半导体电阻率变化大，据此灵敏度去不同的等效。（4）半导体应变片比金属应变片在性能上的优缺点优点：灵敏度高，体积小，耗电少，动态响应好，精度高，测量范围宽，有正负两种符号的应力效应，易于微型化和集成化。缺点：受温度影响较大。3．比较电阻应变片组成的单桥、半桥、全桥电路的特点。单桥电路：只在uK很小的条件下满足线性关系，其他条件下非线性误差不能满足测量要求。半桥差动电路：Uo与ΔR1/R1成线性关系，无非线性误差，而且电桥电压灵敏度KU=E/2，是单臂工作时的两倍。全桥差动电路：不仅没有非线性误差，而且电压灵敏度为单片工作时的4倍。4.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？直流电桥的电源稳定，结构简单，但存在零漂和工频干扰，要求有较高的灵敏度，实际应用中输出端通常会接入放大电路；交流电桥放大电路简单，无零漂，不易受干扰，但不易取得高精度，需专用的测量仪器或电路。5.已知：有四个性能完全相同的金属丝应变片（应变灵敏系数2k）,将其粘贴在梁式测力弹性元件上，如图3-30所示。在距梁端0l处应变计算公式为026FlEhb设力100FN，0100lmm，5hmm,20bmm,52210/ENmm。求：①说明是一种什么形