传感器技术课后习题答案

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。 1-2 计算传感器线性度的方法，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。 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。

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。

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。 2-1 金属应变计与半导体工作机理的异同？比较应变计各种灵敏系数概念的不同意义。

（1）相同点：它们都是在外界力作用下产生机械变形，从而导致材料的电阻发生变化所；不同点：金属材料的应变效应以机械形变为主，材料的电阻率相对变化为辅；而半导体材料则正好相反，其应变效应以机械形变导致的电阻率的相对变化为主，而机械形变为辅。 （2）对于金属材料，灵敏系数Ko=Km=(1+2μ)+C(1-2μ)。前部分为受力后金属几何尺寸变化，一般μ≈0.3，因此（1+2μ）=1.6；后部分为电阻率随应变而变的部分。金属丝材的应变电阻效应以结构尺寸变化为主。

对于半导体材料，灵敏系数Ko=Ks=(1+2μ)+ πE。前部分同样为尺寸变化，后部分为半导体材料的压阻效应所致，而πE 》(1+2μ)，因此Ko=Ks=πE。半导体材料的应变电阻效应主要基于压阻效应。 2-3 简述电阻应变计产生热输出（温度误差）的原因及其补偿办法。

电阻应变计的温度效应及其热输出由两部分组成：前部分为热阻效应所造成；后部分为敏感栅与试件热膨胀失配所引起。在工作温度变化较大时，会产生温度误差。

补偿办法：1、温度自补偿法 （1）单丝自补偿应变计(2) 双丝自补偿应变计 2、桥路补偿法 （1）双丝半桥式（2）补偿块法 2-4 试述应变电桥产生非线性的原因及消减非线性误差的措施。 原因： URRRR1RRRR4U0123411234R1R2R3R42R1R2R3R4

上式分母中含ΔRi/Ri，是造成输出量的非线性因素。无论是输出电压还是电流，实际上都与ΔRi/Ri呈非线性关系。

措施：(1) 差动电桥补偿法

差动电桥呈现相对臂“和”，相邻臂“差”的特征，通过应变计合理布片达到补偿目的。常用的有半桥差动电路和全桥差动电路。

(2) 恒流源补偿法

误差主要由于应变电阻ΔRi的变化引起工作臂电流的变化所致。采用恒流源，可减小误差。 2-5 如何用电阻应变计构成应变式传感器？对其各组成部分有何要求？

一是作为敏感元件，直接用于被测试件的应变测量；另一是作为转换元件，通过弹性敏感元件构成传感器，用以对任何能转变成弹性元件应变的其他物理量作间接测量。 要求：非线性误差要小（<0.05%~0.1%F.S），力学性能参数受环境温度影响小，并与弹性元件匹配。 2-9 四臂平衡差动电桥。说明为什么采用。

全桥差动电路，R1,R3受拉，R2,R4受压，代入，得 URRRR1RRRRU0123411234 4R1R2R3R42R1R2R3R4由全等桥臂，得 UR1R2R3R41R1R2R3R4U014R1R2R3R42R1R2R3R4

U4R1R1U 4R1R1可见输出电压Uo与ΔRi/Ri成严格的线性关系，没有非线性误差。即Uo=f(ΔR/R)。

因为四臂差动工作，不仅消除了飞线性误差，而且输出比单臂工作提高了4倍，故常采用此方法。 3-7 电感传感器产生零位电压的原因和减小零位电压的措施。

差动自感式传感器当衔铁位于中间位置时，电桥输出理论上应为零，但实际上总存在零位不平衡电压输出(零位电压)，造成零位误差。

措施：一种常用的方法是采用补偿电路，其原理为：

(1)串联电阻消除基波零位电压；2)并联电阻消除高次谐波零位电压；(3)加并联电容消除基波正交分量或高次谐波分量。

另一种有效的方法是采用外接测量电路来减小零位电压。如前述的相敏检波电路，它能有效地消除基波正交分量与偶次谐波分量，减小奇次谐波分量，使传感器零位电压减至极小。此外还可采用磁路调节机构(如可调端盖)保证磁路的对称性，来减小零位电压。

4-2 变极距型电容传感器产生非线性误差的原因及如何减小？ 000原因：灵敏度S与初始极距0的平方成反比，用减少0的办法来提高灵敏度，但0的减小会导致非线性误差增大。 采用差动式，可比单极式灵敏度提高一倍，且非线性误差大为减小。由于结构上的对称性，它还能有效地补偿温度变化所造成的误差。

5-12 霍尔效应是什么？可进行哪些参数的测量？

当电流垂直于外磁场通过导体时，在导体的垂直于磁场和电流方向的两个端面之间会出现电势差，这一现象便是霍尔效应。这个电势差也被叫做霍尔电势差。

利用霍尔效应可测量大电流、微气隙磁场、微位移、转速、加速度、振动、压力、流量和液位等；用以制成磁读头、磁罗盘、无刷电机、接近开关和计算元件等等。 6-1 何谓压电效应？正压电与逆压电？

一些离子型晶体的电介质不仅在电场力作用下，而且在机械力作用下，都会产生极化现象。且其电位移D(在MKS单位制中即电荷密度σ)与外应力张量T成正比： D = dT 式中 d——压电常数矩阵。

当外力消失，电介质又恢复不带电原状；当外力变向，电荷极性随之而变。这种现象称为正压电效应，或简称压电效应。

若对上述电介质施加电场作用时，同样会引起电介质内部正负电荷中心的相对位移而导致电介质产生变形，且其应变S与外电场强度E成正比： S=dtE

式中 dt——逆压电常数矩阵。这种现象称为逆压电效应，或称电致伸缩。

6-6原理上，压电式传感器不能用于静态测量，但实用中，压电式传感器可能用来测量准静态量，为什么？

压电式测力传感器是利用压电元件直接实现力-电转换的传感器，在拉力、压力和力矩测量场合，通常较多采用双片或多片石英晶片作压电元件。由于它刚度大，动态特性好；测量范围广，可测范围大；线性及稳定性高；可测单、多向力。当采用大时间常数的电荷放大器时，就可测准静态力。 7-1 热电式传感器分类。各自特点。

热电式传感器是一种将温度变化转换为电量变化的装置。它可分为两大类：热电阻传感器和热电偶传感器。 热电阻传感器的特点：（1)高温度系数、高电阻率。(2)化学、物理性能稳定。(3)良好的输出特性。(4).良好的工艺性，以便于批量生产、降低成本。 热电偶传感器的特点：（1）结构简单（2）制造方便（3）测温范围宽（4）热惯性小（5）准确度高（6）输出信号便于远传

7-2 常用的热电阻。适用范围。

铂、铜为应用最广的热电阻材料。铂容易提纯，在高温和氧化性介质中化学、物理性能稳定，制成的铂电阻输出－输入特性接近线性，测量精度高。铜在-50～150℃范围内铜电阻化学、物理性能稳定，输出－输入特性接近线性，价格低廉。当温度高于100℃时易被氧化，因此适用于温度较低和没有浸蚀性的介质中工作。 7-4 利用热电偶测温必须具备哪两个条件？

（1）用两种不同材料作热电极（2）热电偶两端的温度不能相同

7-5 什么是中间导体定律和连接导体定律？它们在利用热电偶测温时有什么实际意义？

中间导体定律：导体A、B组成的热电偶，当引入第三导体时，只要保持第三导体两端温度相同，则第三导体对回路总热电势无影响。利用这个定律可以将第三导体换成毫伏表，只要保证两个接点温度一致，就可以完成热电势的测量而不影响热电偶的输出。

连接导体定律：回路的总电势等于热电偶电势EAB(T,To)与连接导线电势EA’B’(Tn,To)的代数和。连接导体定律是工业上运用补偿导线进行温度测量的理论基础。 7-6 什么是中间温度定律？有什么实际意义？

EAB(T,Tn,To)=EAB(T,Tn)+EAB(Tn,To)

这是中间温度定律表达式，即回路的总热电势等于EAB(T,Tn)与EAB(Tn,To)的代数和。Tn为中间温度。中间温度定律为制定分度表奠定了理论基础。

7-7 镍络-镍硅介质温度800°C，参考端温度为25°C，求介质实际温度？

t=介质温度+k*参考温度（800+1*25=825） 8-2 外光电效应、光电导效应、光生伏特效应。

外光电效应：在光线的作用下，物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象。

光电导效应：在光线作用下，电子吸收光子能量从键合状态过渡到自由状态，而引起材料电导率的变化的现象。 光生伏特效应：在光线作用下能够使物体产生一定方向的电动势的现象。 8-3 比较光电池、光敏晶体管、光敏电阻及光电倍增管使用性能上的差别。

光电池：光电池是利用光生伏特效应把光直接转变成电能的器件。它有较大面积的PN结，当光照射在PN结上时，在结的两端出现电动势。当光照到PN结区时，如果光子能量足够大，将在结区附近激发出电子-空穴对，在N区聚积负电荷，P区聚积正电荷，这样N区和P区之间出现电位差。 8-5.怎样根据光照特性和光谱特性来选择光敏元件？

不同类型光敏电阻光照特性不同，但光照特性曲线均呈非线性。因此它不宜作定量检测元件，一般在自动控制系

统中用作光电开关。

光谱特性与光敏电阻的材料有关，在选用光敏电阻时，应把光敏电阻的材料和光源的种类结合起来考虑，才能获得

满意的效果。

8-10.简述光电传感器的主要形式及其应用。

模拟式（透射式、反射式、遮光式、辐射式）、开关式

应用：光电式数字转速表、光电式物位传感器、视觉传感器、细丝类物件的在线检测