传感器技术及实训习题答案

1.6 习 题 1．什么是传感器？（传感器定义）

传感器是接收信号或刺激并反应的器件，以测量为目的，以一定精度把被测量转换为与之有确定关系的、易于处理的电量信号输出的装置。

2．传感器由哪几个部分组成？分别起到什么作用？

传感器一般由敏感元件、转换元件、转换电路三部分组成：

1）敏感元件：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。 2）转换元件：以敏感元件的输出为输入，把输入转换成电路参数。 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。

3. 传感器特性在检测系统中起到什么作用？ 作为信息采集系统的前端单元，传感器的作用越来越重要。目前传感器已成为自动化系统和机器人技术中的关键部件，作为系统中的一个结构组成，其重要性变得越来越明显。而传感器性能质量直接影响到检测系统的结果。

4．传感器的性能参数反映了传感器的什么关系？

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

5．静态参数有哪些？各种参数代表什么意义？

1)灵敏度

灵敏度是指仪表、传感器等装置或系统的输出量增量与输入量增量之比。 2)分辨力

分辨力是指传感器能检出被测信号的最小变化量，是有量纲的数。 3)线性度

人们总是希望传感器的输入与输出的关系成正比，即线性关系。 4)迟滞

迟滞是指传感器正向特性和反向特性的不一致程度。 5)稳定性

稳定性包含稳定度和环境影响量两个方面。稳定度指的是仪表在所有条件都恒定不变的情况下，在规定的时间内能维持其示值不变的能力. 环境影响量是指由于外界环境变化而引起的示值变化量。

6．动态参数有那些？应如何选择？

动态特性是指传感器输出对随时间变化的输入量的响应特性，传感器的动态特性是传感器的输出值能够真实地再现变化着的输入量能力的反映。传感器的频率响应特性决定了被测量的频率范围，必须在允许频率范围内保持不失真的测量条件，实际上传感器的响应总有—定延迟，希望延迟时间越短越好。

一般来讲，利用光电效应，光电型传感器响应较快，工作频率范围宽。而结构型传感器，如电感传感器、电容传感器、磁电式传感器等，往往由于结构中的机械系统惯性的限制，其固有频率低，工作频率也较低。

在动态测量中，传感器的响应特性对测试结果有直接影响，在选用时，应充分考虑到被测物理量的变化特点（如稳态、瞬变、随机等）。

2.6习 题

1．什么是应变效应？

金属导体在外力作用下发生机械变形时，其电阻值随着它所受机械变形(伸长或缩短)的变化而发生变化的现象，称为金属电阻的应变效应。

2．说明电阻应变片的组成和种类。

电阻应变片由基底、敏感栅、盖层和引线组成。电阻应变片主要有金属和半导体两类，金属应变片有金属丝式、箔式、薄膜式之分。

3．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？用电阻应变片组成的半桥、全桥电路与单桥相比有哪些改善？

直流电桥和交流电桥首先电源的不同；其次直流电桥是由电阻组成的电桥。交流电桥桥臂为电容称电容电桥或交流电桥桥臂为电感称电感电桥。由于应变电桥输出电压很小，一般都要加放大器，而直流放大器易于产生零漂，因此应变电桥多采用交流电桥。

用电阻应变片组成的半桥、全桥电路比单桥相输出灵敏度高同时非线性误差小，因此在实际应用中多采用四臂全桥。

4．电感式传感器有哪些种类？它们的工作原理是什么？

电感式传感器种类很多，常见的有自感式，互感式和涡流式三种。自感式传感器利用被测物理量变化引起传感器线圈自感量变换进行测量。把被测的非电量变化转换为线圈互感变化的传感器称为互感式传感器。电涡流式传感器是利用涡流效应，将非电量转换为阻抗的变化而进行测量的。

5．什么是电涡流效应？电涡流传感器可以进行哪些非电量参数测量？分别利用哪些物理量进行检测，由哪个电参量转换进行电量输出的？

金属导体放置于变化的磁场中时，就会在导体中产生感生电流，这种电流在导体中是自行闭合的，这就是所谓电涡流。电涡流的产生必然要消耗一部分能量，从而使产生磁场的线圈阻抗发生变化，这一物理现象称为涡流效应。

6．如图2-50所示是一种测量血压的压力传感器在工作时的示意图。薄金属片P固定有4个电阻侧面图R1、R2、R3、R4（如图2-51所示），这四个电阻连接成电路如图2-52所示，试回答下列问题：

（1）开始时金属片中央O点未加任何压力，欲使电压表无示数，则4个电阻应满足怎样的关系？R1*R4=R2*R3（或R1/ R2= R3/R4）

（2）当O点加一个压力F后发生形变，这时4个电阻也随之发生形变，形变后各电阻大小如何变化？R1和R4拉伸阻值增大；R2和R3缩短阻值减少。

（3）电阻变化后，电阻的A、B两点哪点电压高？它为什么能测量电压？

A点电势将高于B点电势。这是直流电桥的四臂全桥测量转换电路，它把电阻变换转换成电压输出。

3.5 习 题 1.什么是压电晶体的“压电效应”？叙述压电式传感器的工作原理。

某些晶体(如石英等)在一定方向的外力作用下，不仅几何尺寸会发生变化，而且晶体内部会发生极化现象，晶体表面上有电荷出现，形成电场。当外力去除后，表面又恢复到不带电状态，这种现象被称为压电效应。

压电式传感器是将被测量变化转换成材料受机械力产生静电电荷或电压变化的传感器，是一种典型的、有源的、双向机电能量转换型传感器或自发电型传感器。压电元件是机电转换元件，它可以测量最终能变换为力的非电物理量，例如力、压力、加速度等。

2.压电式传感器测量电路的作用什么？其核心是解决什么问题？

与压电元件配套使用的测量电路，其前置放大器应有两个作用：一是把传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出；二是把传感器的微弱信号进行放大。

其核心解决的问题是由于压电元件输出的电信号微弱，电缆的分布电容及噪声等干扰将严重影响输出特性；由于压电元件内阻抗很高，要求压电器件的负载电阻必须具有较高的值。

3.什么是“霍尔效应”？一个霍尔元件在一定电流作用下，其霍尔电势与哪些因素有关？ 置于磁场中的静止金属或半导体薄片，当有电流流过时，若该电流方向与磁场方向不一致，则在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势，这种物理现象称为霍尔效应。

因为UH?RHIBd?KHIB，式中KH?RHd称为霍尔片的灵敏度。由该式可知，霍

尔电势正比于激励电流及磁感应强度。一个霍尔元件在一定电流作用下，其霍尔电势与磁感应强度成正比，其灵敏度与霍尔常数成正比而与霍尔片厚度成反比。为了提高灵敏度，霍尔元件常制成薄片形状。

4.霍尔传感器适用于哪些场合？霍尔元件常用材料有哪些？各有什么特点？

霍尔传感器（霍尔元件和集成霍尔器件）具有结构简单、体积小、动态特性好和寿命长的优点，因此被广泛地应用于测量、自动控制及信息处理等领域。

目前常用的霍尔元件材料有：锗、硅、砷化铟、锑化铟等半导体材料，其中N型锗容易加工制造，其霍尔系数、温度性能和线性度都较好，应用最为普遍。

5.温度变化对霍尔元件输出电势有什么影响？如何补偿？

半导体材料的电阻率、迁移率和载流子浓度等都随温度变化，对温度的变化很敏感，霍尔元件的性能参数如输入电阻、输出电阻、霍尔电势等都会随温度的变化而变化，这将给测量带来较大的误差，为了减少这一测量误差，除选用温度系数小的元件或采用恒温措施外，还可以采用适当的方法进行补偿。（1）采用恒流源供电和输入回路并联电阻；（2）采用温度补偿元件（如热敏电阻、电阻丝等）。

6.下图是汽车霍尔点火装置示意图，试说明工作原理。

图3-21 汽车霍尔点火装置示意图

当磁轮鼓不同磁极对应霍尔IC面前时，SL3020霍尔传感器的输出为高、低电平，当输出低电平时，晶体管功率开关处于导通状态，点火线圈低压侧有较大电流通过，并以磁场能量的形式储存在点火线圈的铁心中。当霍尔IC输出跳变为高电平时，经反相变为低电平，达林顿管开关管截止，切断点火线圈的低压侧电流。由于没有续流元件，所以存储在点火线圈铁心中的磁场能量在高压侧感应出30~50kV的高电压。

4.7 习题 1.热电阻传感器主要分为几种类型？它们应用在什么不同场合？

答：热电阻根据感温元件的材料不同分成两种类型，一种是铂电阻，一种铜电阻。铂易于提纯、复制性好，在氧化性介质中、甚至在高温下，其物理化学性质极其稳定。由于铂是贵重金属，因此在测量精度要求不高、测温范围较小的情况下，普遍采用铜电阻。铜电阻具有较大的电阻温度系数，材料容易提纯，铜电阻的阻值与温度之间接近线性关系，铜的价格比较便宜，所以铜电阻在工业上得到广泛应用。铜电阻的缺点是电阻率较小，机械强度差，稳定性也较差，容易氧化。

2.半导体热敏电阻的主要优缺点是什么？在电路中是怎样克服的？

答：热敏电阻是一种电阻值随温度变化的半导体传感器。它的温度系数很大，比温差电偶和线绕电阻测温元件的灵敏度高几十倍，适用于测量微小的温度变化。热敏电阻体积小、热容量小、响应速度快，能在空隙和狭缝中测量。它的阻值高,测量结果受引线的影响小,可用于远距离测量。它的过载能力强，成本低廉。但热敏电阻的阻值与温度为非线性关系，所以它只能在较窄的范围内用于精确测量。热敏电阻在一些精度要求不高的测量和控制装置中得到广泛应用。为了克服热敏电阻的非线性，通常我们在电路里用温度系数很小的精密电阻与热敏电阻串联或并联构成电阻网络。

3.热电偶冷端温度对热电偶的热电势有什么影响？为消除冷端温度影响可采用哪些措施？

答：热电偶测量温度时要求其冷端（测量端为热端，通过引线与测量电路连接的端称为冷端）的温度保持不变，其热电势大小才与测量温度呈一定的比例关系。若测量时，冷端的（环境）温度变化，将严重影响测量的准确性。热电偶冷端补偿方法有很多种，主要包括冰点法(0℃恒温法、冰浴法)、电桥法、二极管补偿法（半导体PN结）、集成温度传感器补偿法、恒温迁移补偿法、 热电势修正法（计算修正法）、软件补偿法（微机法）、最小二乘拟合法、 铂电阻测量冷端温度法等方法。

4.集成温度传感器的测温原理，有何特点？

答：集成温度传感器的测温原理是基于晶体管的PN结随温度变化而产生漂移现象研制的。众所周知，晶体管PN结的这种温漂，会给电路的调整带来极大的麻烦。但是，利用PN结的温漂特性来测量温度，可研制成半导体温度传感元件。如前所述，晶体管的基极一发射极电压在恒定集电极电流条件下，可以认为与温度呈线性关系。但是，严格地说，这种线性关系是不完全的，即关系式中存在非线性项。另一方面，这种关系也不直接与任何温标（绝对、摄氏、华氏或其它温标）相对应。实际上，随着温度升高，基极-发射极电压反而下降。此外，即使是同一型号同一批次的晶体管，其基极一发射极电压值也可能有±100mV的分散性。鉴于上述原因，集成化的温度传感器几乎无一例外地采用对管差分电路，这种电路给出直接正比于绝对温度的线性输出。

5.如果需要测量1000℃和20℃温度时，分别宜采用哪种类型的温度传感器？ 答：测量1000℃宜用热电偶温度传感器，测量20℃宜用热敏电阻温度传感器。

6.什么叫热电动势、接触电动势和温差电动势？说明热电偶测温原理及其工作定律的应

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