第1章传感器的一般特性

第一章传感器概述

第一章传感器概述 1.1 综述你所理解的传感器概念 1.2 何谓结构型传感器？何谓物性型传感器?试述两者的应用特点。 1.3 一个可供实用的传感器有哪几部分构成？各部分的功用是什么？试用框图标示出你所理解的传感器系统。 1.4 衡量传感器静态特性的主要指标有哪些？说明它们的含义。 1.5 技算传感器线性度的方法有哪几种？差别何在？ 1.6什么是传感器的静态特性和动态特性？差别何在？ 1.7 怎么评价传感器的综合静态性能和动态性能？ 1.8 为什么要对传感器进行标定和校准？举例说明传感器静态标定和动态标定的方法。 1.9 何谓系统相似和机电模拟？它们有什么用途？ 1.10有一只压力传感器的校准资料如下表。根据这些数据求最小二乘法和端点法线性度的拟合直线方程，并求其线性度。

1.11 试根据极限误差计算题1－7中压力传感器的重复性误差，并比较标准法和极差法的计算结果。 1.12 设一力传感器可作为二阶系统来处理。已知传感器的固有频率为800khz，阻尼比 =0.4,问在使用该传感器测定400Hz正弦变化的外力时会产生多大的振幅相对误差和相位误差? 1.13 今有两加速度传感器均可作为二阶系统来处理，其中一只固有频率为25kHz，另一只为35kHz，阻尼比均为0.3。若欲测量频率为10kHz 的正弦振动加速度，应选用哪一只？试计算测量时将带来多大的振幅误差和相位误差。 1.14 有一个二阶系统如图1-12所示，求其输入为F=A·u(t)的阶跃响应，并画出响应曲线图（假定特征方程的根r1,r2为2个不等实数根）。 1.15 某测振传感器可作为二阶系统来处理，其幅频特性见图 1-10。已知传感器的固有频率为800Hz，阻尼比＝0.4，问：用该传感器测定正弦振动时，若要求幅值误差小于2％，求允许使用的频率范围及相应的最大相位误差；欲用来测量复合周期振动，应对传感器的哪个参数进行调整？怎么调整？[提示：按系统不失真条件考虑。] 1.16 结合传感器技术在未来社会中的地位、作用及其发展方向，综述你的见解。

传感器原理与应用习题第1章 (1)

《传感器原理与应用》习题集与部分参考答案——第1章 教材：传感器技术（第3版）贾伯年主编，及其他参考书 绪论 0-1 综述你所理解的传感器概念。 0-2 何谓结构型传感器？何谓物性型传感器？试述两者的应用特点。 0-3 一个可供实用的传感器由哪几部分构成？各部分的功用是什么？试用框图示出你所理解的传感器系统。 答：传感器一般由敏感元件、转换元件和转换电路（或其它辅助器件）三部分组成。组成框图如下： （1）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，如波纹膜盒、光敏电阻等。 （2）转换元件：敏感元件的输出就是它的输入，其把输入转换成电路参数量。 （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。 0-4 就传感器技术在未来社会中的地位、作用及其发展方向，综述你的见解。 答：（1）社会对传感器需求的新动向：社会需求是传感器技术发展的强大动力，随着现代化科学技术，特别是大规模集成电路技术的飞速发展和电脑的普及，传感器在新的技术革命中的地位和作用将更为突出。 （2）传感器技术的发展趋势：当前，人们在充分利用先进的电子技术条件，研究和采用合适的外部电路以及最大限度地提高现有传感器的性能价格比的同时，正在寻求传感器技术发展的新途径。如：1）开发新型传感器，从原有的工作机理启发人们进一步探索具有新效应的敏感功能材料，并以此研制出具有新原理的新型物性型传感器件，这是发展高性能、多功能、低成本和小型化传感器的重要途径；2）传感器的集成化和多功能化，固态功能材料——半导体、电介质、强磁体的进一步开发和集成技术的不断发展，为传感器集成化开辟了广阔的前景；3）传感器的智能化，“电五官”与“电脑”的结合，就是传感器的智能化； 4）研究生物感官，开发仿生传感器。 0-5 简述自动检测系统组成。 答：自动检测系统由被检测量、敏感元件（测检元件）、电子测量（转换）电路、输出单元组成。 0-6 什么是传感器、自动检测技术？ 答：传感器是信息采集系统的首要部件，是实现现代化测量和自动控制的主要环节，是现代信息产业的源头，其广义定义为：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和装置，通常由敏感元件和转换元件组成；其狭义定义为：一种以一定的精确度将被测量（非电信号）转换为与之有确定对应关系、便于应用的电量的测量装置，通常由敏感元件、转换元件和转换电路组成。 传感器技术是当今信息化社会中支撑现代信息产业的三大支柱之一，是各个应用领域中不可缺少的重要技术，是信息技术发展的关键之一。 自动检测技术：是人们为了对自然规律进行定性的了解和定量的掌握所采取的一系列技术措施，其研究主敏感元件 转换元件 转换电路 被测量 电量

传感器基本特性

第2章传感器的基本特性（知识点） 知识点1 传感器的基本特性 传感器的基本特性是指传感器的输入－输出关系特性，是传感器的部结构参数作用关系的外部特性表现。不同的传感器有不同的部结构参数，决定了它们具有不同的外部特性。 传感器所测量的物理量基本上有两种形式：稳态（静态或准静态）和动态（周期变化或瞬态）。前者的信号不随时间变化（或变化很缓慢）；后者的信号是随时间变化而变化的。传感器所表现出来的输入-输出特性存在静态特性和动态特性。 知识点2 传感器的静态特性 传感器的静态特性是它在稳态信号作用下的输入-输出关系。静态特性所描述的传感器的输入-输出关系式中不含时间变量。 衡量传感器静态特性的主要指标是线性度、灵敏度、分辨率、迟滞、重复性和漂移。 2.1.1 线性度 线性度（Linearity）是指传感器的输出与输入间成线性关系的程度。传感器的实际输入-输出特性大都具有一定程度的非线性，在输入量变化围不大的条件下，可以用切线或割线拟合、过零旋转拟合、端点平移拟合等来近似地代表实际曲线的一段，这就是传感器非线性特性的“线性化”。所采用的直线称为拟合直线，实际特性曲线与拟合直线间的偏差称为传感器的非线性误差，取其最大值与输出满刻度值（Full Scale，即满量程）之比作为评价非线性误差（或线性度）的指标。 2.1.2 灵敏度 灵敏度(Sensitivity)是传感器在稳态下输出量变化对输入量变化的比值。 对于线性传感器，它的灵敏度就是它的静态特性曲线的斜率；非线性传感器的灵敏度为一变量。 2.1.3 分辨率 分辨率(Resolution)是指传感器能够感知或检测到的最小输入信号增量，反映传感器能够分辨被测量微小变化的能力。分辨率可以用增量的绝对值或增量与满量程的百分比来表示。 2.1.4 迟滞 迟滞(Hysteresis)，也叫回程误差，是指在相同测量条件下，对应于同一大小的输入信号，传感器正（输入量由小增大）、反（输入量由大减小）行程的输出信号大小不相等的现象。产生迟滞的原因：传感器机械部分存在不可避免的摩擦、间隙、松动、积尘等，引起能

第1章_传感器概述

第1章 传感器概述 1.1 基本概念 1.1.1传感器（Transducer/Sensor ）的定义 传感器是一种以一定的精确度把被测量转换为与之有确定对应关系的、便于应用的某 种物理量的测量装置，能完成检测任务；它的输入量是某一被测量，可能是物理量，也可能 是化学量、生物量等；它的输出量是某种物理量，这种量要便于传输、转换、处理、显示等 等，这种量可以是气、光、电量，但主要是电量；输入输出的转换规律（关系）已知，转换 精度要满足测控系统的应用要求。 传感器应用场合（领域）不同，叫法也不同。如在过程控制中叫变送器。（标准化的传 感器）在射线检测中则称为发送器、接收器或探头。 作为对比，下面介绍一下敏感器：它是一种把被测的某种非电量转换为传感器可用非电 量的器件或装置。设： x ——被测非电量 z ——传感器可用非电量 y ――传感器输出电量 敏感器传输函数： )(x z ψ= 传感器传输函数： )(z y ?= 敏感器传感器复合函数： )()]([)(x f x z y ===ψ?? 1.1.2传感器的组成 传感器由图1-1所示的几部分组成。其中，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。 图1-1 传感器的组成 由半导体材料制成的物性性传感器基本是敏感元件与转换元件二合一，直接能将被测量 转换为电量输出，如压电传感器、光电池。热敏电阻等。 1.1.3 传感器的分类 传感器的品种很多，原理各异，检测对象门类繁多，因此其分类方法甚繁，至今尚无统 一的规定。人们通常是站在不同的角度，突出某一侧面而分类的。下面有几种常见的分法。

第1章 传感器的一般特性

第—章传感器的一般特性 传感器的特性土要是指输出与输入之间的关系。当输入量为常量，或变化极慢时，这一关系就称为静特性；当输入量随时间变化时，这一关系就称为动特性。 一般说来，传感器输出与输入关系可用微分方程来描述。理沦上，将微分方程中的一阶及以上的微分项取为零时，便可得到静特性，因此，传感器的静特性只是动特性的一个特例。实际上传感器的静特性要包括非线性和随机性等因素，如果把这些因素都引入微分方程，将使问题复杂化。为避免这种情况，总是把静特性和动特性分开考虑。 传感器除了描述输出输入关系的特性之外，还有与使用条件、使用环境、使用要求等有关的特性。 1.1 传感器的静特性 静特性表示传感器在被测量各个值处于稳 定状态时的输出输入关系。 人们总是希望传感器的输出与输入成唯一 的对照关系，而且最好呈线性关系。但一般情况 下，输出输入不会符合所要求的线性关系，同时 由于存在着迟滞、蠕变、摩擦、间隙和松动等各 种因素的影响，以及外界条件的影响，使输出输 入对应关系的唯一性也不能实现。考虑了这些情 况之后，传感器的输出输入作用图大致如图1－ 1所示。图中的外界影响不可忽视，影响程度取 决于传感器本身，可通道传感器本身的改善来加 以抑制，有时也可以对外界条件加以限制。图中 的误差因素就是衡量传感器静特性的主要技术 指标。 1.1.1线性度 传感器的输出输入关系或多或少地部存在着非线性问题。在不考虑迟滞、蠕变等因素的情况下，其静特性可用下列多项式代数方程来表示： y—输出量； x—输入量； a0—零点输出， a1—理论灵敏度； a2,a3,a n—非线性项系数。 各项系数不同，决定了特性曲线的具体形式。 静特性曲线可用实际测试获得。在获得特性曲线之后，可以说问题已经得到解决。但是为了标定和数据处理的方便，希望得到线性关系。这时可采用各种方法，其中也包括计算机硬件或软件补偿，进行线性化处理。一般来说，这些办法都比较复杂。所以在非线性误差不太大的情况下，总是采用直线拟合的办法来线性化。 在采用直线拟合线性化时，输出输入的校正曲线与其拟合曲线之间的最大偏差，就称为非线性误差或线性度，通常用相对误差γL来表示，即