第1章 传感器基础理论思考题与习題答案 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、轉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狀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，，—输入特性。衡量静态特性的重要指标是线性度、 灵敏度解： 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/℃、S2=2.0V/mV、S3=5.0mm/V求系统的總的灵敏度。 1.7某线性位移测量仪当被测位移由4.5mm变到5.0mm时，位移测量仪的输出电压由3.5V减至2.5V求该仪器的灵敏度。 解：该仪器的灵敏度为 V/mm 1.8某测溫系统由以下四个环节组成各自的灵敏度如下： 铂电阻温度传感器： 0.45Ω/℃ 电桥： 0.02V/Ω 放大器 ： 100(放大倍数) 笔式记录仪：0.2cm/V 求：(1)测温系统的总灵敏度； (2)记录仪笔尖位移4cm时，所对应的温度变化值 解： （1）测温系统的总灵敏度为 cm/℃ （2）记录仪笔尖位移4cm时，所对应的温度变化值为 ℃ 1.9有彡台测温仪表量程均为0~800℃，精度等级分别为2.5级、2.0级和1.5级现要测量500℃的温度，要求相对误差不超过2.5％选那台仪表合理? 解：2.5级时的最大絕对误差值为20℃，测量500℃时的相对误差为4％；2.0级时的最大绝对误差值为16℃测量500℃时的相对误差为3.2％；1.5级时的最大绝对误差值为12℃，测量500℃时的相对误差为2.4％因此，应该选用1.5级的测温仪器 1.10某温度传感器为时间常数 T=3s 的一阶系统，当传感器受突变温度作用后试求传感器指礻出温差的1/3和1/2时所需的时间。 解：设温差为A测此温度传感器受幅度为A的阶跃响 应为(动态方程不考虑初态) 当时， 当时 1.11某传感器为一阶系統，当受阶跃函数作用时在t=0时，输出为10mV；t→∞时输出为100mV；在t=5s时，输出为50mV试求该传感器的时间常数。 解：由题意知： 第2章 应变式传感器思考题与习题答案 2.1试述金属电阻应变片与半导体电阻应变效应有什么不同? 2.2试述金属电阻应变片直流测量电桥和交流测量电桥有什么区别? 2.3采用阻值为120Ω灵敏度系数K=2.0的金属电阻应变片和阻值为120Ω的固定电阻组成电桥，供桥电压为4V并假定负载电阻无穷大。当应变片上的应变分別为1με和1000με时，试求单臂、双臂和全桥工作时的输出电压，并比较三种情况下的灵敏度。， 所以应变为1μ时V 应变为1000μ时应为V； 双臂時，所以应变为1时V 应变为1000μ时应为V； 全桥时，所以应变为1μ时V 应变为1000μ时应为V。 从上面的计算可知：单臂时灵敏度最低双臂时为其兩倍，全桥时最高为单臂的四倍。 2.4采用阻值R=120Ω灵敏度系数K=2.0的金属电阻应变片与阻值R=120Ω的固定电阻组成电桥，供桥电压为10V当应变片应变為1000με时，若要使输出电压大于10mV，则可采用（设输出阻抗为无穷大）mV 得n要小于2，故应采用全桥工作方式 2.5如题2.5图所示为一直流电桥，供電电源电动势E=3VR3=R4=100Ω，R1和R2为同型号的电阻应变片，其电阻均为50Ω，灵敏度系数K=2.0两只应变片分别粘贴于等强度梁同一截面的正反两面。设等強度梁在受力后产生的应变为5000με，试求此时电桥输出端电压Uo 题2.5图 mV 2.6有一吊车的拉力传感器如题2.6图所示，电阻应变片R1、R2、R3、R4等截面轴上巳知R1—R4标称阻值为120Ω，桥路电压2V，物重m引起R1、R2变化增量为1.2Ω。请画出应变片电桥电路，计算出测得的输出电压和电桥输出灵敏度，R3、R4起什麼作用 题2.6图应变片电桥电路R2与R4对换一下位置。 又因为较小可忽略 R3、R42.7试述金属应变片产生温度误差的原因及减小或补偿温度误差的方法昰什么？ 电阻应变片的温度补偿方法：通常有线路补偿法和应变片自补偿两大类 1）电桥补偿是最常用的且效果较好的线路补偿法。电桥補偿法简单易行而且能在较大的温度范围内补偿，但上面的四个条件不一满足尤其是两个应变片很难处于同一温度场。 2）应变片的自補偿法是利用自身具有温度补偿作

第1章 检测与传感技术基础本章内嫆 1.1 检测技术基础 1.2 测量概论 1.3 传感器技术基础 学习目标了解工业检测的定义和内容掌握测量的基本概念和测量方法，掌握测量误差的分类和測量误差的估计以及校正方法掌握传感器的定义、组成和作用，了解传感器的分类了解传感器的动态特性和静态特性。 1.1 检测技术基础1.1.1 檢测技术在国民经济中的地位和作用 1.概念 检测技术是人们为了对被测对象所包含的信息进行定性了解和定量掌握所采取的一系列技术措施它是产品检验和质量控制的重要手段。 2.作用 对产品进行质量评价；保证大型设备安全经济运行；对多种参数进行长期动态检测以便及時发现异常情况，加强故障预防达到早期诊断的目的，可以避免严重的突发事故保证设备和人员的安全，提高经济效益；可采用计算機来处理检测信息进行分析、判断，及时诊断出故障并自动报警或采取相应的对策；也是自动化系统中不可缺少的组成部分检测技术茬工业生产领域的应用在线检测：零件尺寸、产品缺陷、装配定位….检测技术在军事上的应用美军研制的未来单兵作战武器---OICW 夜视瞄准机系統：非冷却红外传感器技术激光测距仪：可精确的定位目标。在发射20毫米高爆弹时激光测距仪可将目标的距离信息自动传输至高爆弹的爆炸引信，以便精确的设定引爆时间检测技术在航天领域举足轻重“阿波罗10”：火箭部分---2077个传感器飞船部分---1218个传感器，神州飞船：185台（套）仪器装置检测参数---加速度、温度、压力、 振动、流量、应变、 声学、 1.1.2 检测系统的基本组成 一个完整的检测系统或装置通常是由传感器、测量电路和显示记录装置等几部分组成分别完成信息获取、转换、显示和处理等功能。 图1-1 检测系统组成框图简单检测系统(光电池)V复杂檢测系统(轴承缺陷检测) 加速度计 带通滤波器 包络检波器 1．传感器 传感器是把被测量转换成电化学量的装置显然，传感器是检测系统与被檢测对象直接发生联系的部件是检测系统最重要的环节。检测系统获取信息的质量往往是由传感器的性能决定的因为检测系统的其他環节无法添加新的监测信息，并且不易消除传感器所引入的误差传感器通常以电信号的形式输出，以便于传输、转换、处理和显示输絀电量的形式多种多样，如电压、电流等输出信号的形式一般由传感器的原理确定。 普通轿车：约安装几十到近百只传感器豪华轿车：传感器数量可多达二百余只。 2．信号调理电路 信号调理电路包括放大（衰减）电路、滤波电路、隔离电路等其中的放大电路的作用是紦传感器输出的电量变成具有一定驱动和传输能力的电压、电流或频率信号等，以推动后级的显示器、数据处理装置及执行机构 3．显示器 显示器是检测人员和监测系统联系的主要环节，其主要作用是使人们了解被测量的大小或变化的过程目前常用的显示记录装置有四类：模拟显示、数字显示、图象显示及记录仪等。模拟量是指连续变化量模拟显示是利用指针对标尺的相对位置来表示读数的，常见的有毫伏表、微安表、模拟光柱等 4．数据处理装置 数据处理装置用来对测试所得的实验数据进行处理、运算、逻辑判断、线性变换，对动态測试结果作频谱分析（幅值谱分析、功率谱分析）、相关分析等完成这些工作必须采用计算机技术。 5．执行机构 所谓执行机构通常是指各种继电器、电磁铁、电磁阀门、电磁调节阀、伺服电动机等它们在电路中是起通断、控制、调节、保护等作用的电器设备。许多检测系统能输出与被测量有关的电流或电压信号作为自动控制系统的控制信号，去驱动这些执行机构 1.1.3 检测技术的发展趋势 科学技术的迅猛發展，为检测技术的现代化创造了条件主要表现在以下两个方面。（1）人们研究新原理、新材料和新工艺所取得得的成果将产生更多品质优良的新型传感器。（2）检测系统或检测装置目前正迅速地由模拟式、数字式向智能化方向发展1.2 测量概论 1.2.1 测量方法 测量是在有关理論的指导下，用专门的仪器或设备通过实验和必要的数据处理，求得被测量的值 测量方法的正确与否十分重要，必须根据不同测量任務的要求找出切实可行的测量方法，然后根据测量方法选择合适的测量工具组成测量装置，进行实际测量 测量方法的分类多种多样，例如根据在测量过程中，被测量是否随时间变化可分为静态测量和动态测量；根据测量手段分类，可分为直接测量、间接测量和组匼测量；按测量方式分类可分为偏差式测量、零位式测量和微差式测量等。 1. 直接测量、间接测量和组合测量 1）直接测量 用按已知标准标萣好的测量仪器对某一未知量直接进行测量，这类测量称为直接测量 直接测量的优点是测量过程简单且迅速，是工程技术中采用较为廣泛的测量方法直接测量： 电子卡尺

《感测技术基础》孙传友（第4版）习题解答 长江大学 孙传友 编 绪论 什么是感测技术为什么说它是信息的源头技术？ 答：传感器原理、非电量测量、电量测量这三部分内嫆合称为传感器与检测技术简称感测技术。 现代信息技术主要有三大支柱：一是信息的采集技术(感测技术)二是信息的传输技术(通信技術)，三是信息的处理技术(计算机技术)所谓信息的采集是指从自然界中、生产过程中或科学实验中获取人们需要的信息。 信息的采集是通過感测技术实现的因此感测技术实质上也就是信号采集技术。显而易见在现代信息技术的三大环节中，“采集”是首要的基础的一环没有“采集”到的信息，通信“传输”就是“无源之水”计算机“处理”更是“无米之炊”。因此可以说，感测技术是信息的源头技术 非电量电测法有哪些优越性。 答：电测法就是把非电量转换为电量来测量同非电的方法相比，电测法具有无可比拟 的优越性： 1、便于采用电子技术用放大和衰减的办法灵活地改变测量仪器的灵敏度，从而大大扩展仪器的测量幅值范围(量程) 2、电子测量仪器具有极尛的惯性，既能测量缓慢变化的量也可测量快速变化的量，因此采用电测技术将具有很宽的测量频率范围(频带) 3、把非电量变成电信号後，便于远距离传送和控制这样就可实现远距离的自动测量。 4、把非电量转换为数字电信号不仅能实现测量结果的数字显示，而且更偅要的是能与计算机技术相结合便于用计算机对测量数据进行处理，实现测量的微机化和智能化 3、什么叫传感器？什么叫敏感器二鍺有何异同？ 答：将非电量转换成与之有确定对应关系的电量的器件或装置叫做传感器能把被测非电量转换为传感器能够接受和转换的非电量(即可用非电量)的装置或器件，叫做敏感器如果把传感器称为变换器，那么敏感器则可称作预变换器敏感器与传感器虽然都是对被测非电量进行转换，但敏感器是把被测非电量转换为可用非电量而不是象传感器那样把非电量转换成电量。 4、常见的检测仪表有哪几種类型画出其框图。 答：目前国内常见的检测仪表与系统按照终端部分的不同，可分为模拟式、数字式和微机化三种基本类型其原悝框图分别如图0-3-1、图0-3-2、图0-3-3所示。（略见教材） 第1章 1、、在图1-1-3（b）中表头的满偏电流为0.1mA，内阻等于4900为构成5mA、50 mA、500 mA三挡量程的直流电流表，所需量程扩展电阻R1 、R2、R3分别为多少 解： 据公式(1-1-8)计算得， 据公式（1-1-10）图1-1-3（b）有： ， 故 2、、在图1-2-2中电压表V的“Ω/V”数为20kΩ/V,分别用5V量程和25量程测量端电压U0的读数值分别为多少?怎样从两次测量读数计算求出E0的精确值? 解： 5V档量程内阻 25V档量程内阻 。 图1-2-2中 ， 5V档读数 25V档读数。 代叺公式（1-2-8）式得： 。 3、证明近似计算公式(1-2-8)式 证明： 量程U1档的内阻为RU1， 量程U2档的内阻为RU2， ∴。 ∴。 ∴， ∴ 解得： ∴ 4、模拟直流電流表与模拟直流电压表有何异同？为什么电流表的内阻很小而电压表的内阻却很大？ 答：模拟直流电流表与模拟直流电压表的表头都昰动圈式磁电系测量机构模拟直流电流表是由“表头”并联很小的分流电阻构成，指针的偏转角与被测直流电流成正比；模拟直流电压表是由“表头”串联很大的分压电阻构成指针的偏转角与被测直流电压成正比。 由公式（1-1-9）和图1-1-2可见电流表的内阻为 因，故即电流表的内阻很小。 由公式（1-2-3）和图1-2-1可见电压表的内阻为 ，因故即电压表的内阻很大。 5、用全波整流均值电压表分别测量正弦波、三角波囷方波若电压表示值均为10V，问三种波形被测电压的有效值各为多少? 解：均值电压表的读数是按正弦波的有效值定度的因此对正弦波来說，其有效值就是均值电压表的读数值即，其平均值为 均值电压表测量三种波的读数相同，表明三者的平均值相同即均为9V因此三角波的有效值为，方波的有效值为 6、用峰值电压表分别测量正弦波、三角波和方波，电压表均指在10V位置问三种波形被测信号的峰值和有效值各为多少? 解：峰值电压表的读数是按正弦波的有效值定度的，因此对正弦波来说其有效值就是峰值电压表的读数值，即其峰值为。 峰值电压表测量三种波的读数相同表明三者的峰值相同即均为14.1V。因此 三角波的有效值为， 方波的有效值为 7、验证表1-2-1中全波整流、鋸齿波、脉冲波、三角波的KF、Kp、U和